CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Đặc điểm công tác của động cơ diesel thủy và những yêu cầu đối với nhiên liệu dùng trên tàu 1. Những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy Động cơ diesel lắp trên tàu thủy thường đảm nhận chức năng làm động cơ chính (lai chân vịt) hoặc động cơ phụ (động cơ lai máy phát điện hoặc các thiết bị phục vụ hệ động lực khác). Ngoài những đặc điểm cấu tạo chung, động cơ diesel thủy có nhiều đặc điểm riêng biệt so với các động cơ diesel lắp cố định hoặc trang bị trên các phương tiện vận tải đường bộ.
Điều này xuất phát từ yêu cầu đặc biệt về tính năng, chế độ làm việc, điều kiện khai thác và lắp đặt, cũng như các quy định và luật định hiện hành. Trên thực tế, người ta phân loại động cơ diesel thủy theo vòng quay và công suất thành 3 loại như trên bảng 1. Phân loại động cơ diesel thủy [41] LOẠI ĐỘNG CƠ DIESEL THÔNG SỐ KĨ THUẬT Cao tốc-4 kì Trung tốc-4 kì Thấp tốc-hai kì Tốc độ trung bình của > 8,5 6,5 ÷ 8,5 ≤ 6,5 piston [m/s] Tốc độ vòng quay trục 960- 3.000 Động cơ diesel dùng làm động cơ chính trên tàu thủy cần có công suất lớn, có khả năng hoạt động ổn định, tin cậy trong một thời gian dài, liên tục, trong môi trường thường xuyên thay đổi về các điều kiện vật lý (nhiệt độ, độ ẩm,. Với những yêu cầu về an toàn, độ tin cậy và tính kinh tế đã được nêu tại Công ước về “An toàn sinh mạng trên biển - SOLAS 74” của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO), các động cơ diesel được sử dụng trên các tàu vận tải biển thường được thiết kế làm việc với vòng quay từ 50 v/p (động cơ hai kì công suất lớn) đến dưới 1500 v/p (động cơ bốn kỳ lai máy phát điện hoặc lai chân vịt ở các tàu cỡ nhỏ), còn các loại động cơ có vận tốc cao hơn như được phân loại tại bảng 1.1 có thể được lắp đặt trên các tàu cỡ nhỏ phục vụ mục đích du lịch hoặc các dịch vụ khác.
Trong quá trình thiết kế và chế tạo, vòng quay công tác của động cơ sẽ quyết định thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ và theo đó là loại nhiên liệu thích hợp. Để thấy được bức tranh về loại nhiên liệu thích hợp với từng loại động cơ, trên bảng 1.2, lấy giá trị -4- vòng quay của một số loại động cơ tiêu biểu để tính toán và cho thấy thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ phụ thuộc vào tốc độ làm việc của chúng [41]. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41] LOẠI ĐỘNG CƠ Thông số 3000 v/p 1500 v/p 600 v/p 94 v/p Thời gian phun nhiên liệu 0,0016 0,0033 0,0083 0,044 / 30 0 GQTK/ [s] Số lần phun nhiên liệu trong 25 12,5 5 1,566 một giây Như vậy, theo số liệu như trên cho thấy: - Động cơ diesel tốc độ cao (từ 1500 -3000 v/p), thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ rất ngắn và chỉ xảy ra trong vòng từ 0,0016 đến 0,0033 giây. Đối với loại động cơ này, nhiên liệu được sử dụng là dầu diesel nhẹ MGO (Marine Gas Oil) với chất lượng cao và giá thành tương đối đắt.
Nếu sử dụng dầu nặng HFO (Heavy Fuel Oil) với chất lượng kém hơn sẽ gây ảnh hưởng xấu đến quá trình công tác của động cơ, bởi vì dầu nặng HFO cần thời gian bốc hơi dài hơn để hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy hoàn chỉnh; - Đối với động cơ diesel tốc độ trung bình và thấp (từ 600 đến 94 v/p), thời gian cấp nhiên liệu sẽ dài hơn so với loại động cơ cao tốc và xảy ra từ 0,0083 đến 0,044 giây. Với đặc tính như vậy, động cơ diesel loại này có thể sử dụng được HFO với chất lượng và giá thành thấp hơn. Với những đặc điểm kĩ thuật như vậy, các động cơ diesel thủy thường khá “dễ tính” trong quá trình sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau, từ nhiên liệu chưng cất đến HFO. Thực tế, nhằm tăng tính kinh tế trong quá trình khai thác đối với động cơ diesel trung tốc và thấp tốc trên tàu, HFO thường được dùng chủ yếu.
Nhiên liệu chưng cất có độ nhớt thấp thường được dùng trong các chế độ làm việc không ổn định, chế độ chuyển tiếp nhằm đảm bảo các thông số công tác động cơ. Mỗi một loại nhiên liệu đều có những tính chất đặc trưng riêng, đáp ứng yêu cầu của động cơ theo cấu tạo, sự hoạt động và khai thác động cơ như: tỷ trọng, nhiệt trị, độ nhớt, nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ bén lửa, trị số Xê tan, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng nước v. Chính vì vậy, các tàu vận tải biển thường dùng động cơ 2 kỳ thấp tốc (50 210 v/p) làm động cơ chính. Trong khi đó, các động cơ phụ thường dùng loại động cơ diesel 4 kỳ có hoặc không tăng áp, vòng quay cao.
Với các loại tàu chuyên dụng như các tàu kéo, phà, tàu cá chạy biển, các loại động cơ diesel trung tốc và cao tốc (có thể >1500 v/p) được sử dụng rộng rãi làm động cơ chính. Hiện nay, ở Việt Nam có tới gần -5- như 100% tàu sông và tàu pha sông biển trang bị thiết bị năng lượng diesel. Số lượng tàu biển cũng chiếm đến 95 97% tổng số có lắp đặt thiết bị năng lượng diesel. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy Thông thường, nhiên liệu được dùng cho động cơ diesel sẽ được quyết định bởi chính những đặc tính kỹ thuật đặc trưng của động cơ như được nêu ở phần 1.
Vì vậy, Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) đã đưa ra những tiêu chuẩn đối với các loại nhiên liệu thích hợp với các loại động cơ diesel, trong đó có động cơ diesel thủy. Các tiêu chuẩn mang tính bắt buộc đối với nhiên liệu dùng cho động cơ diesel thủy dựa trên các tính chất của nhiên liệu như: tỷ trọng, nhiệt trị thấp, trị số Xê tan, thành phần lưu huỳnh. Đây cũng là cơ sở để đánh giá sự phù hợp, độ tin cậy và an toàn của một loại nhiên liệu khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thủy. Vấn đề này là tiền đề để luận án đề cập đến ở các chương sau.
Theo tiêu chuẩn của Mỹ, dầu diesel được chia thành 6 loại khác nhau được đánh số từ 1 tới 6 tùy thuộc vào điểm sôi, thành phần hóa học, mục đích sử dụng và độ nhớt (độ nhớt càng cao thì chỉ số càng cao). Độ nhớt của dầu diesel số 6 là cao nhất và của số 1 là thấp nhất. Các loại dầu diesel đánh số từ số 1 tới 3 thường là dạng dầu diesel chưng cất. Dầu diesel số 1 chính là dầu hỏa, hay còn có tên là dầu hơi vì khi đốt nóng dầu sẽ hóa hơi hoàn toàn.
Dầu diesel số 2 (hay còn gọi là dầu DO) là dầu diesel được dùng chủ yếu cho các động cơ diesel bộ và diesel thủy với các tính chất như trên bảng 1. Dầu diesel số 6 chính là phần còn lại của dầu thô sau khi tất cả các thành phần như xăng, dầu hỏa và thành phần dầu đốt số 2 bay hơi lên, nên còn được gọi là dầu cặn hay dầu nặng. Dầu diesel số 4 là sản phẩm hòa trộn dầu diesel số 2 và dầu cặn diesel số 6. Dầu diesel số 5 cũng là sản phẩm hòa trộn của hai loại trên nhưng với tỉ lệ dầu cặn diesel số 6 trong hỗn hợp cao hơn và lên tới 75% khối lượng.
Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) [45] STT Thông số Đơn vị Giá trị Tiêu chuẩn 1 Hàm lượng lưu huỳnh % khối lượng 0,36 EETD 86 0 2 Nhiệt độ chớp cháy cốc hở C 91 EETD 84 3 Trọng lượng riêng ở 150C kg/m3 846,4 EETD 84 0 4 Nhiệt độ chảy loãng C -27 Mackay 82b 5 Độ nhớt động lực học ở 200C cSt 4 Mackay 82b 6 Độ hòa tan trong nước ngọt ở 200C kg/m3 3 Mackay 82b Trong ngành hàng hải dầu diesel được phân loại theo một hệ thống khác: - Dầu MGO: tương đưong với dầu diesel số 2 là phân đoạn của quá trình chưng cất dầu thô được thu hồi ở độ sôi trong khoảng 200-3000C, tỷ trọng 0,85-0,88. -6- Dầu này được dùng cho các động cơ diesel cao tốc dạng nhỏ làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp; - Dầu MDO: sản phẩm chính trong trong quá trình chưng cất, chỉ chứa 15-20% cặn, được chưng cất ở độ sôi 230-3450C. Dầu này thường dùng cho các động cơ diesel cao tốc; - Dầu IFO: dầu trộn giữa dầu số 2 với dầu nặng với tỷ lệ dầu số 2 ít hơn dầu số 6; - Dầu MFO: nhiên liệu trộn giữa dầu số 2 với dầu nặng mà lượng số 2 còn ít hơn trong IFO; - Dầu HFO: Dầu cặn tương đương với dầu diesel số 6, là hỗn hợp các sản phẩm dầu còn lại của quá trình chưng cất dầu mỏ. Loại dầu này có độ nhớt động học từ 30 đến 700 cSt và thường được hâm nóng đến khoảng nhiệt độ cao (lớn nhất 1500C), trước khi cấp cho động cơ; thường dùng cho các động cơ thấp tốc.
Hiện nay, tiêu chuẩn đối với các loại nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ sử dụng trên tàu thủy được các chủ tàu và chính quyền hàng hải đặc biệt quan tâm là tiêu chuẩn ISO 8217:2005 / ISO 8217:2010. Do đó, đối với nhiên liệu thay thế cũng cần phải có các đặc tính đảm bảo tính tương đồng theo tiêu chuẩn này để áp dụng như: độ nhớt, tỷ trọng, nhiệt trị, trị số Xê tan, hàm lượng nước, lưu huỳnh, .