Tổng quan nghiên cứu
Động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ điêzen, đã trở thành nguồn động lực chủ yếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp trên toàn thế giới, trong đó có Việt Nam. Hiệu suất của động cơ điêzen hiện nay đạt khoảng 35-36%, trong khi lượng nhiệt thất thoát qua khí thải và nước làm mát chiếm tới 57-58% tổng nhiệt sinh ra. Việt Nam, với vị trí địa lý thuận lợi có bờ biển dài hơn 3.260 km và nhiều sông suối, đang phát triển mạnh mẽ giao thông đường thủy. Tuy nhiên, việc sử dụng động cơ đốt trong cho phương tiện thủy còn nhiều hạn chế do chưa có động cơ chuyên dụng, dẫn đến nhu cầu thuỷ hoá động cơ đường bộ để sử dụng trên tàu thủy.
Luận văn tập trung nghiên cứu cải tiến hệ thống khởi động động cơ điêzen D243 khi thuỷ hoá, nhằm nâng cao hiệu suất kinh tế và tính an toàn khi sử dụng trên tàu thủy. Động cơ D243 là loại động cơ diezen 4 kỳ, 4 xi lanh, được sản xuất trong nước và sử dụng phổ biến trên máy kéo. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2009-2011 tại Hà Nội, với mục tiêu thiết kế hệ thống khởi động bằng khí nén thay thế cho hệ thống khởi động bằng động cơ xăng phụ hiện tại, phù hợp với điều kiện làm việc trong khoang máy tàu thủy.
Việc cải tiến này không chỉ giúp tăng độ tin cậy, giảm chi phí bảo dưỡng mà còn đảm bảo an toàn cháy nổ, góp phần phát triển kinh tế biển và giao thông đường thủy của Việt Nam trong bối cảnh hội nhập và phát triển bền vững.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:
- Lý thuyết nhiệt động học động cơ đốt trong: Phân tích các quá trình nạp, nén, cháy và giãn nở trong chu trình công tác của động cơ diezen, xác định các thông số áp suất, nhiệt độ, hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu.
- Mô hình cơ cấu khởi động động cơ: So sánh các phương pháp khởi động phổ biến như khởi động bằng điện, động cơ xăng phụ, khí nén, đánh giá ưu nhược điểm và tính phù hợp với điều kiện sử dụng trên tàu thủy.
- Khái niệm về thuỷ hoá động cơ: Điều chỉnh các hệ thống làm mát, bôi trơn và khởi động để phù hợp với môi trường làm việc trên tàu thủy, đặc biệt là trong khoang máy chật hẹp, nhiệt độ cao và độ ẩm lớn.
- Khái niệm về hiệu suất và tổn thất cơ khí: Tính toán áp suất tổn thất cơ khí, hiệu suất cơ giới và hiệu suất có ích của động cơ khi làm việc trong điều kiện thuỷ hoá.
Phương pháp nghiên cứu
- Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật động cơ D243, các công trình nghiên cứu trước đây về thuỷ hoá động cơ, tài liệu kỹ thuật về hệ thống khởi động và khí nén.
- Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp tính toán nhiệt động học để xác định các thông số công tác của động cơ, mô phỏng và thiết kế hệ thống khởi động khí nén dựa trên nguyên lý phân phối khí nén theo thời điểm.
- Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào động cơ D243, một loại động cơ diezen 4 kỳ, 4 xi lanh, công suất 80 mã lực, được sử dụng phổ biến trong nước.
- Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong khoảng thời gian từ 2009 đến 2011, bao gồm giai đoạn khảo sát, thiết kế, tính toán và đề xuất giải pháp cải tiến hệ thống khởi động.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Hiệu suất động cơ D243 khi thuỷ hoá: Qua tính toán nhiệt động học, áp suất có ích trung bình đạt khoảng 0,676 MPa, hiệu suất cơ giới đạt 77,1%, suất tiêu hao nhiên liệu có ích khoảng 249 g/kW.h, phù hợp với yêu cầu vận hành trên tàu thủy.
Hạn chế của hệ thống khởi động bằng động cơ xăng phụ: Hệ thống này có kết cấu phức tạp, chiếm diện tích lớn trong khoang máy chật hẹp, dễ gây cháy nổ do nhiên liệu xăng, khó bảo dưỡng trong môi trường ẩm ướt và nhiệt độ cao của khoang tàu.
Ưu điểm của hệ thống khởi động bằng khí nén: Khởi động bằng khí nén có độ tin cậy cao, thời gian khởi động kéo dài, thiết kế đơn giản, dễ chế tạo và sửa chữa, không phụ thuộc vào nguồn điện ắc quy, giảm chi phí bảo dưỡng và tăng an toàn khi sử dụng trên tàu thủy.
Thiết kế hệ thống khởi động khí nén: Bình chứa khí nén được thiết kế với áp suất làm việc khoảng 2-3 MPa, van khởi động chính và van phân phối khí được điều khiển cơ khí, đảm bảo cung cấp khí nén đúng thời điểm và thứ tự các xi lanh, giúp động cơ đạt tốc độ khởi động cần thiết.
Thảo luận kết quả
Việc chuyển đổi hệ thống khởi động từ động cơ xăng phụ sang khí nén phù hợp với đặc thù môi trường làm việc trên tàu thủy, nơi khoang máy chật hẹp, nhiệt độ cao và độ ẩm lớn. Hệ thống khởi động khí nén không chỉ giảm nguy cơ cháy nổ mà còn giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng, đồng thời tăng độ bền và độ tin cậy của động cơ.
So sánh với các nghiên cứu trước đây, giải pháp này phù hợp với xu hướng hiện đại hóa và tự động hóa trong ngành động cơ đốt trong, đồng thời tận dụng được nguồn khí nén có thể được nén từ động cơ hoặc máy nén khí riêng biệt. Việc thiết kế van khởi động và van phân phối khí theo cơ khí đơn giản giúp giảm chi phí sản xuất và dễ dàng bảo trì.
Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ áp suất và nhiệt độ trong các quá trình công tác của động cơ, bảng so sánh hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu trước và sau khi thuỷ hoá, cũng như sơ đồ nguyên lý hệ thống khởi động khí nén.
Đề xuất và khuyến nghị
Triển khai hệ thống khởi động khí nén cho động cơ D243 trên tàu thủy: Thực hiện lắp đặt và thử nghiệm hệ thống khởi động khí nén trong vòng 12 tháng, do các doanh nghiệp đóng tàu và nhà máy sản xuất động cơ phối hợp thực hiện.
Đào tạo kỹ thuật viên bảo dưỡng và vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành và bảo dưỡng hệ thống khởi động khí nén, nhằm nâng cao kỹ năng và giảm thiểu sự cố trong quá trình sử dụng.
Nghiên cứu mở rộng thuỷ hoá cho các loại động cơ khác: Áp dụng phương pháp cải tiến hệ thống khởi động khí nén cho các loại động cơ diezen cỡ vừa và nhỏ khác, nhằm đa dạng hóa nguồn động lực cho giao thông đường thủy.
Phát triển hệ thống máy nén khí hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng: Đầu tư nghiên cứu và sản xuất máy nén khí phù hợp với điều kiện vận hành trên tàu thủy, đảm bảo cung cấp khí nén ổn định và tiết kiệm nhiên liệu.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Các nhà sản xuất và sửa chữa động cơ diezen: Nghiên cứu giải pháp cải tiến hệ thống khởi động, nâng cao hiệu suất và độ bền động cơ khi thuỷ hoá.
Doanh nghiệp đóng tàu và vận tải đường thủy: Áp dụng công nghệ thuỷ hoá động cơ để tối ưu hóa chi phí vận hành và tăng tính an toàn cho phương tiện.
Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách giao thông vận tải: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phát triển giao thông đường thủy bền vững.
Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí động lực, kỹ thuật ô tô và giao thông vận tải: Tìm hiểu về ứng dụng thực tiễn của các lý thuyết nhiệt động học và cơ cấu khởi động trong môi trường thuỷ hoá động cơ.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao cần thuỷ hoá động cơ D243 cho tàu thủy?
Thuỷ hoá giúp điều chỉnh các hệ thống làm mát, bôi trơn và khởi động phù hợp với môi trường làm việc trên tàu thủy, tăng độ bền và hiệu suất động cơ, đồng thời giảm chi phí và nguy cơ cháy nổ.Ưu điểm của hệ thống khởi động bằng khí nén so với động cơ xăng phụ là gì?
Khởi động bằng khí nén có thiết kế đơn giản, độ tin cậy cao, không cần nguồn điện ắc quy, giảm nguy cơ cháy nổ và dễ bảo dưỡng trong môi trường khoang máy tàu thủy.Áp suất khí nén sử dụng trong hệ thống khởi động là bao nhiêu?
Áp suất khí nén thường nằm trong khoảng 2-3 MPa, đủ để đẩy piston làm quay trục khuỷu đạt tốc độ khởi động cần thiết.Hệ thống khởi động khí nén có phù hợp với các loại động cơ khác không?
Có, hệ thống này có thể áp dụng cho nhiều loại động cơ diezen cỡ lớn và trung bình, đặc biệt trong các môi trường làm việc khắc nghiệt hoặc không thuận lợi cho khởi động điện.Làm thế nào để đảm bảo khí nén không chứa hơi nước và dầu gây hư hại động cơ?
Bình chứa khí nén được trang bị van xả hơi nước và dầu, giúp loại bỏ các tạp chất trước khi khí nén được đưa vào xi lanh, bảo vệ các chi tiết động cơ khỏi hư hỏng.
Kết luận
- Động cơ diezen D243 khi thuỷ hoá đạt hiệu suất có ích khoảng 77,1% với suất tiêu hao nhiên liệu 249 g/kW.h, phù hợp cho vận hành trên tàu thủy.
- Hệ thống khởi động bằng động cơ xăng phụ không còn phù hợp với điều kiện khoang máy tàu thủy do nguy cơ cháy nổ và khó bảo dưỡng.
- Giải pháp cải tiến hệ thống khởi động bằng khí nén mang lại độ tin cậy cao, an toàn và giảm chi phí vận hành.
- Thiết kế hệ thống khởi động khí nén với bình chứa áp suất 2-3 MPa và van điều khiển cơ khí đơn giản, dễ chế tạo và bảo trì.
- Khuyến nghị triển khai thực nghiệm, đào tạo kỹ thuật viên và mở rộng nghiên cứu thuỷ hoá cho các loại động cơ khác nhằm phát triển giao thông đường thủy bền vững.
Để tiếp tục phát triển, các đơn vị sản xuất và vận tải cần phối hợp triển khai ứng dụng hệ thống khởi động khí nén, đồng thời nghiên cứu nâng cao hiệu suất máy nén khí và tối ưu hóa các hệ thống phụ trợ khác. Hành động ngay hôm nay sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế biển và giao thông đường thủy của Việt Nam.