nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho tàu thủy diesel cỡ vừa và nhỏ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.

Tác giả luận án

Trần Thế Nam


LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với các Thầy hướng
dẫn khoa học: PGS. TSKH. Đặng Văn Uy và PGS. TS. Nguyễn Đại An, Trường
Đại học Hàng hải Việt Nam, đã tận tình hướng dẫn về phương hướng, nội dung
và phương pháp nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô, các nhà khoa học trong Khoa
Máy tàu biển, Viện Cơ khí, Viện Khoa học và Công nghệ Hàng hải, Viện
Nghiên cứu Phát triển, Trung tâm đào tạo và Tư vấn KHCN bảo vệ môi trường
thủy thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ và hợp
tác trong quá trình nghiên cứu.
Tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động
lực trong và ngoài Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã đọc và đóng góp
nhiều ý kiến quý báu cho luận án.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp,
người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ cả về vật chất lẫn tinh thần để
tác giả có thể hoàn thành được luận án.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i

MỤC LỤC........................................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................ x
MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................. 1
Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................................ 2
Các nội dung chính trong đề tài ...................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN........................................................................................... 4
1.1. Đặc điểm công tác của động cơ diesel thủy và những yêu cầu đối với nhiên liệu
dùng trên tàu.................................................................................................................... 4
1.1.1. Những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy..................................... 4
1.1.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy................................................ 6
1.1.3. Những yêu cầu về sử dụng nhiên liệu tiết kiệm và ngăn ngừa ô nhiễm do
khí thải từ tàu .......................................................................................................... 8
1.2. Nhiên liệu sinh học và xu thế ứng dụng trên tàu thủy .......................................... 11
1.2.1. Khái niệm chung về nhiên liệu sinh học ..................................................... 11
1.2.2. Diesel sinh học ............................................................................................ 11
1.2.3. Dầu thực vật nguyên gốc ............................................................................ 16
1.3. Tổng quan về nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho tàu thủy ..................... 17
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................. 17
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................... 21
1.3.3. Nhận xét, đánh giá ...................................................................................... 22
1.4. Cơ sở nghiên cứu của luận án ................................................................................ 23
1.5. Kết luận chương ..................................................................................................... 27

-i-

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÒA TRỘN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA NHIÊN LIỆU TỚI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ...................... 29
2.1. Tổng quan về hòa trộn chất lỏng............................................................................ 29
2.1.1. Một số nguyên lý hòa trộn tiêu biểu ........................................................... 29
2.1.2. Một số thiết bị hòa trộn điển hình ............................................................... 30
2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị hòa trộn bằng phương pháp khuấy.................... 33
2.2.1. Tính vận tốc tiếp tuyến của chất lỏng trong thiết bị hòa trộn ..................... 33
2.2.2. Tính toán công suất dẫn động cánh khuấy.................................................. 35
2.2.3. Thời gian hòa trộn ....................................................................................... 37
2.3. Xây dựng cơ sở lý thuyết thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục.................................. 39
2.3.1. Những căn cứ thiết kế ................................................................................. 39
2.3.2. Xây dựng phương pháp tính kích thước của thiết bị hòa trộn liên tục ....... 40
2.4. Cơ sở lý thuyết các phương pháp đánh giá và hiệu chỉnh thiết bị hòa trộn.......... 45
2.4.1. Phương pháp mô phỏng số CFD ................................................................. 45
2.4.2. Phương pháp mô phỏng đồng dạng ............................................................ 47
2.5. Cơ sở lý thuyết đánh giá ảnh hưởng của loại nhiên liệu đến hệ thống cấp nhiên
liệu cho động cơ diesel .................................................................................................. 49
2.5.1. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến áp suất phun .................. 49
2.5.2. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến lưu lượng phun ............. 50
2.5.3. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến thời điểm cấp và cháy của
nhiên liệu ............................................................................................................... 51
2.6. Mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp dầu cọ - dầu
diesel [11, 35] ................................................................................................................ 52
2.6.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 52
2.6.2. Mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm GT-Power ............................... 58
2.7. Kết luận chương .................................................................................................... 61
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ DẦU DO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THÔNG QUA MÔ PHỎNG.................. 62
3.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 62
3.1.1. Thiết bị cơ khí ............................................................................................. 62
3.1.2. Hệ thống tự động điều khiển....................................................................... 64

-ii-


3.2. Thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục ........................................................................... 65
3.2.1. Thực hiện các bước thiết kế ........................................................................ 66
3.2.2. Vật liệu chế tạo và bản vẽ thiết bị hòa trộn ................................................ 72
3.3. Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng mô phỏng số CFD....................... 72
3.4. Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng thử nghiệm mô hình đồng dạng 75
3.4.1. Tính toán hệ số đồng dạng và chế tạo thiết bị mô hình .............................. 76
3.4.2. Thực hiện thí nghiệm đánh giá và phân tích ............................................... 77
3.5. Kết quả mô phỏng quá trình cháy khi sử dụng với các loại hỗn hợp nhiên liệu
khác nhau. ..................................................................................................................... 79
3.6. Kết luận chương ..................................................................................................... 88
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ............................................................. 89
4.1. Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm ........................................................... 89
4.1.1. Mục đích ..................................................................................................... 89
4.1.2. Chế độ thử nghiệm ...................................................................................... 89
4.1.3. Đối tượng thử nghiệm ................................................................................. 89
4.2. Xây dựng tiêu chí thử nghiệm thiết bị hòa trộn liên tục ........................................ 89
4.2.1. Cơ sở kĩ thuật và pháp lý để xây dựng tiêu chí đánh giá ............................ 89
4.2.2. Các tiêu chí đánh giá phục vụ thử nghiệm.................................................. 90
4.3. Cơ sở vật chất phục vụ thử nghiệm tại phòng thí nghiệm ..................................... 91
4.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm ........................................................ 91
4.3.2. Các thiết bị đo phục vụ thử nghiệm ............................................................ 92
4.3.3. Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................ 95
4.4. Các kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 95
4.4.1. Kết quả thử nghiệm đánh giá chất lượng trộn ............................................ 95
4.4.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá sự hoạt động của động cơ 6LU32 sử dụng
nhiên liệu hỗn hợp do thiết bị hòa trộn liên tục tạo ra .......................................... 97
4.4.3. Các kết quả thử nghiệm trên tàu Sao Biển................................................ 107

4.4. Kết luận chương ................................................................................................... 111
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 112
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN.......................................................................................................... 114
-iii-


TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 115
1. Tài liệu tham khảo tiếng Việt.................................................................................. 115
2. Tài liệu tham khảo tiếng Anh.................................................................................. 116
PHỤ LỤC 1. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH TOÁN
THIẾT BỊ HÒA TRỘN............................................................................................. PL-1
1.1. Chương trình tính các thông số công tác của động cơ bằng Matlab .................. PL-1
1.1.1. Dữ liệu đầu vào ....................................................................................... PL-1
1.1.2. Chương trình tính .................................................................................... PL-2
1.2. Mô hình quá trình cháy động cơ 6LU32 trên phần mềm GT-Power ................. PL-8
1.2.1. Phần tử xi lanh (EngCylinder) ................................................................ PL-9
1.2.2. Phần tử vòi phun (InjProfileConn) ....................................................... PL-10
1.2.3. Phần tử cơ cấu phân phối khí (ValveCamConn) .................................. PL-10
1.2.4. Phần tử các thông số chung của động cơ (Engine CrakTrain) ............. PL-11
1.3. Chương trình tính bộ trộn nhiên liệu liên tục trên Matlab ............................... PL-12
PHỤ LỤC 2. NGHIÊN CỨU BỘ HÒA TRỘN TRÊN PHẦN MỀM FLUENT ANSYS.................................................................................................................... PL-13
2.1. Qui trình nghiên cứu ........................................................................................ PL-13
2.2. Các bước chính ................................................................................................ PL-14
Bước 1: Xây dựng mô hình 3D ....................................................................... PL-14
Bước 2: Chia lưới ............................................................................................ PL-14
Bước 3: Lựa chọn phương pháp tính toán mô phỏng ..................................... PL-15
Bước 4: Đặt các điều kiện biên ....................................................................... PL-15
Bước 5: Tiến hành tính toán và hiệu chỉnh các điều kiện biên ....................... PL-17
Bước 6: Phân tích kết quả ............................................................................... PL-17

PHỤ LỤC 3. HÌNH ẢNH CHỤP MẪU HÒA TRỘN ........................................... PL-18
PHỤ LỤC 4. BẢN VẼ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ VÀ
DẦU DIESEL (DO) ................................................................................................ PL-20
PHỤ LỤC 5. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH
NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ............................................................................. PL-30
5.1. Trang thiết bị thí nghiệm tại phòng thí nghiệm ............................................... PL-30
5.2. Thử nghiệm trên tàu Sao Biển ......................................................................... PL-36
-iv-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

HC

Hydrocarbon

NG

Khí thiên nhiên

CNG

Khí thiên nhiên nén

CTL

Than đá hóa lỏng

GTL

Khí hóa lỏng

LNG

Khí thiên nhiên hóa lỏng

LPG

Khí dầu mỏ hóa lỏng

Fluent

Phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy

FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn

MDO

Marine Distilated Oil – dầu chưng cất dùng cho tàu thủy

MGO

Marine gasoil - tương đương với dầu fuel oil số 2

DMX

Dầu diesel nhẹ, dùng cho trường hợp sự cố

DMA

Dầu diesel đã được loại các tạp chất

DMB

Dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cao

DMC

Dầu diesel chứa nhiều tạp chất

SVO

Dầu thực vật dùng trực tiếp

PPO

Dầu thực vật nguyên gốc

PO

Dầu cọ

IMO

Tổ chức Hàng hải quốc tế

GQTK

Góc quay trục khuỷu

ASTM

Tiêu chuẩn Hoa Kỳ về Vật liệu và Thử nghiệm

EEDI

Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả

EEOI

Chỉ số khai thác năng lượng hiệu quả

SEEMP

Đơn vị

Hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu

NLSH

Nhiên liệu sinh học

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

-v-


Hkt

Chiều cao cột chất lỏng trong két trộn

m

Dkt

Đường kính két trộn

m

dck

Đường kính cánh khuấy

m

nck

Tốc độ quay của cánh khuấy

v/p

Lck

Chiều dài cánh khuấy

m

Zck

Khoảng cách từ cánh đến đáy két

m

wck

Bề rộng cánh khuấy

m

Bck

Bề rộng cánh cản

m

Vkt

Thể tích két trộn

m3

NQ

Hệ số lưu lượng bộ trộn

NP

Hệ số công suất bộ trộn

PCT

Công suất cần thiết cho bộ trộn

kW

tm

Thời gian cần thiết để hòa trộn

s

tr

Thời gian chất lỏng lưu lại trong két trộn

s

QCL

Lưu lượng hỗn hợp chất lỏng ra khỏi bộ trộn

m3/s

Ne

Công suất động cơ diesel

kW

ge

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

D

Đường kính xi lanh

m

S

Hành trình piston

m

Vd

Thể tích công tác của xi lanh

φ

Góc quay trục khuỷu

Rc

Bán kính quay của trục khuỷu

m

Lb

Chiều dài thanh truyền

m

S

Chuyển vị tức thời của piston

m

(A/F)s

g/kW.h

dm3
o

GQTK

Tỷ lệ không khí - nhiên liệu của hỗn hợp cháy lý thuyết

Tg

Nhiệt độ trung bình của khí cháy trong xi lanh

K

Tw

Nhiệt độ trung bình của thành vách xi lanh

K

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

R

Hằng số khí lý tưởng

J/kg.K
-vi-




Độ nhớt động lực học chất lỏng

cSt

v

Độ nhớt động học của chất lỏng

m2/s

ρ

Khối lượng riêng của chất lỏng

kg/m3

λ

Hệ số kết cấu

Fi

Diện tích của lỗ phun

i

Số lỗ phun của vòi phun

Fp

Diện tích tiết diện ngang của piston bơm cao áp

EA

Năng lượng kích hoạt cần thiết để tự cháy của nhiên
liệu

%m/m

m2

m2
kJ/mol

Tỷ lệ phần trăm theo khối lượng

-vii-


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel thủy [41]

4

Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41]

5

Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) [45]

6

Bảng 1.4. Nhiên liệu tàu thủy theo tiêu chuẩn ISO 8217:2005 [41]

7

Bảng 1.5. Hướng dẫn quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu của Cơ quan
Đăng kiểm Lloyd (Anh) [44]

9

Bảng 1.6. Tiêu chuẩn phát thải NOx [3]

10

Bảng 1.7. Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học [32]

12

Bảng 1.8. Đặc tính lý hóa của diesel sinh học [32]

12

Bảng 1.9. Đặc tính nhiên liệu của dầu diesel và diesel sinh học [32]

13

Bảng 1.10. So sánh mức độ phát thải khi sử dụng B20 với dầu diesel

14

Bảng 1.11. Tính chất hóa lý của các loại nhiên liệu [32]

16

Bảng 1.12. Đánh giá sử dụng diesel sinh học [27]

18

Bảng 2.1. Hệ số thực nghiệm Ck phụ thuộc vào dạng bộ phận khuấy
[10]

37

Bảng 2.2. Hệ số hình dạng và định nghĩa

43

Bảng 2.3. Hệ số công suất Np đối với các loại cánh khuấy khác nhau và
các thông số hình dạng [17, 19]

44

Bảng 2.4. Các phần tử chính của mô hình.

60

Bảng 3.1. Các thông số lý hóa của nhiên liệu cần trộn

68

Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của động cơ HANSHIN 6LU32

69

Bảng 3.3. Các thông số sau tính toán thiết bị hòa trộn

71

Bảng 3.4. Kích thước của bộ hòa trộn kiểu cánh khuấy

72

Bảng 3.5. Các thông số cơ bản của mô hình thiết bị hòa trộn

77

Bảng 3.6. Thời gian hòa trộn theo các tỷ lệ hòa trộn khác nhau

78

Bảng 3.7. Nhiệt độ đông đặc của các mẫu hòa trộn thử nghiệm

78

Bảng 3.8. So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ

85

Bảng 3.9. So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ

87

-viii-

Bảng 4.1. Các thông số kĩ thuật cơ bản của phanh thủy lực Omega 1500

92

Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của thiết bị đo áp suất cháy cực đại Pz

94

Bảng 4.3. Kết quả kiểm tra hòa trộn các mẫu thử nghiệm

96

Bảng 4.4. So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ

85

Bảng 4.5. So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ

87

Bảng 4.6. Giá trị áp suất cháy cực đại đối với các loại nhiên liệu khác
nhau

98

Bảng 4.7. So sánh giá trị áp suất cháy cực đại giữa số liệu đo đạc thực
tế và số liệu theo mô phỏng

98

Bảng 4.8. Thời gian cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau

99

Bảng 4.9. Thời điểm bắt đầu cháy sớm của nhiên liệu so với ĐCT

100

Bảng 4.10. Thời điểm và áp suất phun nhiên liệu vào động cơ

103

Bảng 4.11. Thời điểm và giá trị cực đại của áp suất phun nhiên liệu

103

Bảng 4.12. Lượng cấp nhiên liệu theo lý thuyết đối với mỗi loại nhiên
liệu

104

Bảng 4.13. Lượng cấp nhiên liệu theo đo đạc đối với mỗi loại nhiên liệu

104

Bảng 4.14. Tiêu chuẩn về NOx trong khí thải động cơ diesel thủy [3]

106

Bảng 4.15. Hàm lượng chất NOx trong khí thải động cơ diesel 6LU32

106

Bảng 4.16. Các thông số cơ bản của tàu và động cơ chính

108

Bảng 4.17. Thông số công tác ghi lại của động cơ 6L27BSH

108

Bảng 4.18. Tổng hợp các số liệu đo

109

-ix-


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Phản ứng este hóa tạo diesel sinh học (biodiesel) [54]

12

Hình 1.2. So sánh giá dầu cọ và dầu DO trong thời gian từ 2010 - 2015
[38]

23

Hình 1.3. Đề xuất hệ thống cấp nhiên liệu với thiết bị hòa trộn liên tục
để sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho động cơ diesel thủy

26

Hình 2.1. Cơ chế tạo ứng suất để hòa trộn chất lỏng [25]

29

Hình 2.2. Thiết bị hòa trộn kiểu chữ S-thẳng

30

Hình 2.3. Các thiết kế khác nhau của bộ hòa trộn tĩnh kiểu Kenics [50]

31

Hình 2.4. Thiết bị hòa trộn chất lỏng kiểu cánh khuấy

32

Hình 2.5. Mô hình dòng chảy của chất lỏng trong thiết bị khuấy [24]

33

Hình 2.6. Sơ đồ véc tơ vận tốc ở đầu mút của cánh khuấy

34

Hình 2.7. Đồ thị mối quan hệ giữa công suất trộn và Re [10]

36

Hình 2.8. Sự sai khác nồng độ (Cf -Ci) trong két hòa trộn [24]

38

Hình 2.9. Thời gian trộn phụ thuộc vào hệ số Reynold [26]

38

Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo bộ hòa trộn nhiên liệu liên tục

40

Hình 2.11. Mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy loại tua bin cánh
phẳng

41

Hình 2.12. Mô hình động cơ HANSHIN 6LU32 trong phần mềm GTPower

59

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống hòa trộn liên tục

62

Hình 3.2. Các phần tử cơ bản của thiết bị hòa trộn liên tục

63

Hình 3.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển cấp nhiên liệu

64

Hình 3.4. Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị hòa trộn

65

Hình 3.5. Sơ đồ quá trình thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục kiểu khuấy

67

Hình 3.6. Cánh khuấy dạng tua-bin cánh thẳng

68

Hình 3.7. Thuật toán tính chọn kích thước thiết bị hòa trộn

70

Hình 3.8. Bản vẽ bố trí kết cấu két trộn

72

Hình 3.9. Mức độ hòa trộn 10% dầu cọ

73

Hình 3.10. Mức độ hòa trộn 20% dầu cọ

73
-x-


Hình 3.11. Mức độ hòa trộn 30% dầu cọ

74

Hình 3.12. Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 50 v/p

74

Hình 3.13. Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 60 v/p

75

Hình 3.14. Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 70 v/p

75

Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý mô hình đồng dạng bộ hòa trộn liên tục

76

Hình 3.16. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN
6LU32 tại chế độ định mức

79

Hình 3.17. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ
HANSHIN 6LU32 tại chế độ định mức

80

Hình 3.18. Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ
HANSHIN 6LU32 tại chế độ định mức

80

Hình 3.19. Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ
định mức

81

Hình 3.20. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN
6LU32 tại chế độ 50% tải

81

Hình 3.21. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ
HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải

82

Hình 3.22. Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ
HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải

82

Hình 3.23. Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ
50% tải

83

Hình 3.24. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN
6LU32 tại chế độ 75% tải

83

Hình 3.25. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ
HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải

84

Hình 3.26. Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ
HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải

84

Hình 3.27. Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ
75% tải

85

Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm

91

Hình 4.2. Mẫu PO20 chụp qua kính hiển vi

96

Hình 4.3. Đồ thị áp suất cháy đo thực tế của động cơ 6LU32

97
-xi-


Hình 4.4. Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ
HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải

99

Hình 4.5. Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ
HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải

100

Hình 4.6. Thời điểm bắt đầu quá trình cháy nhiên liệu trong xi lanh

101

Hình 4.7. Thời điểm cháy lớn nhất trong xi lanh

101

Hình 4.8. Áp suất phun nhiên liệu

102

Hình 4.9. Sự sai khác lưu lượng phun so với nhiên liệu DO

104

Hình 4.10. Nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu

105

Hình 4.11. Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ diesel
6UL32

107

Hình 4.12. Đồ thị áp suất cháy với các loại nhiên liệu khác nhau

110

Hình PL1.1. Mô hình động cơ HANSHIN 6LU32

PL-8

Hình PL1.2. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xi lanh

PL-9

Hình PL1.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun nhiên
liệu

PL-10

Hình PL1.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân
phối khí

PL-10

Hình PL1.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số
của động cơ

PL-11

Hình PL2.1. Đặt đặc tính 2 pha (dầu DO và dầu cọ)

PL-15

Hình PL2.2. Đặt số vòng quay cho trục và cánh khuấy

PL-16

Hình PL2.3. Đưa trị số của các tham số liên quan

PL-16

Hình PL5.1. Các thiết bị tại Trung tâm nghiên cứu động cơ diesel thủy

PL-30

Hình PL5.2. Hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu 16 kênh của hãng AVL

PL-31

Hình PL5.3. Hệ thống thiết bị nghiên cứu quá trình công tác của động
cơ bằng hình ảnh VisioScope

PL-31

Hình PL5.4. Hệ thống thiết bị đo, kiểm soát khí thải AMA i60 R1

PL-32

Hình PL5.5. Hệ thống thiết bị hòa trộn nhiên liệu

PL-32

Hình PL5.6. Thiết bị khuấy trộn thực tế

PL-33

Hình PL5.7. Mô hình 3D của bộ hòa trộn đồng dạng

PL-33
-xii-


Hình PL5.8. Mô hình đồng dạng bộ hòa trộn liên tục

PL-34

Hình PL5.9. Các mẫu hòa trộn dầu cọ - DO theo các tỷ lệ dầu cọ khác

nhau trong hỗn hợp

PL-34

Hình PL5.10. Mẫu hòa trộn theo các tỷ lệ khác nhau và kiểm tra mức
độ đồng nhất qua kính hiển vi

PL-34

Hình PL5.11. Kiểm tra và chụp mẫu hòa trộn

PL-35

Hình PL5.12. Tiến hành thử nghiệm động cơ 6LU32 làm việc với nhiên
liệu hòa trộn

PL-35

Hình PL5.13. Lắp đặt thiết bị trên tàu Sao Biển

PL-36

Hình PL5.14. Thiết bị đo áp suất Pz của hãng Kistler, loại 2516A

PL-36

Hình PL5.15. Đo áp suất Pz tại các xi lanh của động cơ chính 6L27BSH

PL-36

-xiii-


MỞ ĐẦU
Trong ngành hàng hải, đa số các tàu thương mại hiện nay đều sử dụng động cơ
diesel làm thiết bị động lực để quay chân vịt, lai máy phát điện hoặc các thiết bị. Đây
là hộ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch rất lớn và có mức phát thải cao ra môi trường khiến
thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đều đang rất quan tâm.
Một trong những dạng nhiên liệu thay thế có khả năng tái tạo và được đánh giá
thân thiện với môi trường hiện nay là nhiên liệu sinh học. Dạng nhiên liệu này đã và
đang được nghiên cứu, sử dụng rất rộng rãi cho động cơ đốt trong trên các phương tiện
cơ giới đường bộ,... Trong lĩnh vực hàng hải, loại nhiên liệu này chủ yếu được sử dụng
dưới dạng hòa trộn với nhiên liệu hóa thạch cho những động cơ thế hệ mới hoặc các
động cơ được hoán cải đặc biệt. Hạn chế lớn nhất khi sử dụng nhiên liệu sinh học cho
các động cơ diesel tàu thủy là sự tách lớp nhanh của hỗn hợp nhiên liệu do các thiết bị
hòa trộn nhiên liệu theo mẻ tạo ra.
Ở Việt Nam, cơ sở hạ tầng sản xuất diesel sinh học còn nhiều hạn chế, trong khi
các quy định về quản lý còn chưa được thiết lập, khả năng sử dụng diesel sinh học còn
nhiều khó khăn. Do đó, dầu thực vật nguyên gốc chưa qua quá trình este hóa đã và
đang giành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước. Trên cơ sở
nghiên cứu các bộ hòa trộn theo mẻ và các phương pháp công nghệ sử dụng nhiên liệu
sinh học, đặc biệt là dầu thực vật nguyên gốc cho các động cơ diesel nói chung và
diesel thủy nói riêng, đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn liên tục nhiên liệu
hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel cho động cơ diesel tàu thuỷ cỡ vừa và nhỏ” là một
giải pháp rất khả thi và có tính ứng dụng cao. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn, mang tính
cấp thiết, thời sự, phù hợp với định hướng phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
* Mục đích nghiên cứu
Xây dựng cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục hỗn

hợp dầu diesel (DO) và dầu thực vật (dầu cọ) dùng cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ
vừa và nhỏ và sử dụng trên thực tế hỗn hợp nhiên liệu sinh học này cho các động cơ
diesel thủy.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các động cơ diesel thủy cỡ vừa và nhỏ, trong đó đối
tượng trực tiếp là động cơ 6LU32 do hãng Hanshin (Nhật Bản) chế tạo. Đây là động
cơ diesel thủy thế hệ cũ, với hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống đặc trưng dùng
trên tàu thủy.

-1-


Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong khuôn khổ nghiên cứu phát triển thiết bị
hòa trộn liên tục dầu cọ với dầu diesel, sau đó nhiên liệu hỗn hợp được thử nghiệm
làm nhiên liệu thay thế cho một động cơ diesel đặt tại phòng thí nghiệm và một động
cơ diesel được lắp đặt trên tàu thủy.

Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực
nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết nhằm xây dựng được cơ sở khoa học tính toán thiết kế
thiết bị hòa trộn liên tục phù hợp cho từng động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ, đánh
giá chất lượng hòa trộn nhiên liệu của thiết bị hòa trộn bằng mô phỏng số (phần mền
chuyên nghiệp “Fluent-Ansys”) và chế tạo mô hình thử nghiệm theo phương pháp
đồng dạng trong phòng thí nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành với thiết bị hòa trộn liên tục thiết kế riêng cho
động cơ 6LU32 lắp đặt tại Phòng thí nghiệm hệ động lực tàu thủy để đánh giá ảnh
hưởng của hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn tới sự làm việc của động cơ diesel tàu thủy.
Thiết bị hòa trộn này cũng được lắp đặt thử nghiệm trên tàu nhằm kiểm tra khả năng
áp dụng và kết nối thiết bị với hệ thống nhiên liệu hiện trang bị trên các tàu thực tế.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Việc xây dựng cơ sở khoa học thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu thực
vật – dầu diesel truyền thống cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ có ý nghĩa
hết sức quan trọng. Đó chính là một trong các giải pháp để đưa nhiên liệu sinh học,
nhiên liệu “sạch” xuống tàu và sử dụng cho các động cơ diesel thủy hiện có của Việt
Nam mà không cần tiến hành hoán cải hay sửa chữa lớn đối với bản thân động cơ và
hệ thống nhiên liệu. Điều này một mặt giúp cho các công ty vận tải thủy giảm đáng kể
sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu nhiên liệu và mặt khác cũng làm giảm được phát thải
các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để khẳng
định thiết bị hòa trộn liên tục là giải pháp khả thi cho việc sử dụng nhiên liệu hỗn hợp
dầu thực vật – dầu diesel trên tàu thủy và khắc phục được những hạn chế của phương
pháp cấp hỗn hợp nhiên liệu sinh học theo mẻ từ nguồn hòa trộn có sẵn trên bờ. Ngoài
ra, cũng khẳng định sử dụng dầu thực vật nguyên gốc để trộn với dầu diesel sẽ mang
lại hiệu quả kinh tế hơn so với sử dụng diesel sinh học (loại nhiên liệu sinh học có giá
thành rất cao đã và đang được dùng phổ biến trên thế giới).
Các kết quả của luận án có giá trị về phương pháp luận trong lĩnh vực cải tiến hệ
thống cấp nhiên liệu của các động cơ diesel tàu thủy hiện có, để sử dụng nhiên liệu
mới làm nhiên liệu thay thế ở điều kiện Việt Nam.

Các nội dung chính trong đề tài
Luận án được thực hiện với 113 trang thuyết minh và 5 phụ lục, bao gồm những
nội dung chính sau:
-2-


-

Mở đầu

-

Chương 1: Tổng quan
Trên cơ sở phân tích những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy và các
yêu cầu đối với nhiên liệu dùng trên tàu, xem xét khả năng sử dụng loại nhiên
liệu sinh học phù hợp, những công trình nghiên cứu về ứng dụng nhiên liệu sinh
học trong lĩnh vực vận tải thủy và công nghệ đã được nghiên cứu dùng cho các
động cơ diesel thủy, từ đó định hướng nội dung nghiên cứu của luận án.

-

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hòa trộn và đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu tới
quá trình công tác của động cơ
Toàn bộ chương 2 tập trung vào phân tích cơ sở lý thuyết về hòa trộn và xây
dựng cơ sở lý thuyết để thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục dầu thực vật – dầu
diesel để tạo nhiên liệu hỗn hợp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel
thủy. Trong chương này cũng đưa ra cơ sở đánh giá sự ảnh hưởng của nhiên
liệu đến hệ thống cấp nhiên liệu và quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ.

-

Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu cọ và dầu diesel
Áp dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết của chương 2 để xây dựng thuật toán và
chương trình tính toán thiết bị hòa trộn dầu thực vật – dầu diesel. Áp dụng
phương pháp mô phỏng số (phần mềm Fluent-Ansys) và mô hình đồng dạng
thu nhỏ nhằm phục vụ công tác đánh giá chất lượng trộn của thiết bị hòa trộn
qua đó cũng cho phép hiệu chỉnh các thông số thiết kế của thiết bị nhằm đạt
mức độ thiết kế tối ưu nhất.

-

Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm
Với sự hỗ trợ của các hệ thống trang thiết bị thí nghiệm hiện đại, đồng bộ, có độ
chính xác cao thuộc Phòng thí nghiệm hệ động lực, Khoa Máy tàu biển và tàu
thực tập “Sao biển”, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, các kết quả thử
nghiệm được phân tích và đánh giá, khẳng định về mặt kỹ thuật quá trình làm
việc của thiết bị hòa trộn liên tục.

-

Kết luận và kiến nghị
Phần này trình bày những đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực chuyên
ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

-

Các phụ lục

-3-


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1.

Đặc điểm công tác của động cơ diesel thủy và những yêu cầu đối với
nhiên liệu dùng trên tàu

1.1.1. 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 1.1.
Bảng 1.1. 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
piston [m/s]

> 8,5

6,5 ÷ 8,5

≤ 6,5

Tốc độ vòng quay trục
khuỷu [v/p]

960- 3.000

400-1.000

50-250

Công suất [kW]

Đến 5.000

500-30.000

1.500-100.000

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, ...) và hóa học (tỷ lệ
muối trong không khí). 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].

Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41]
LOẠI ĐỘNG CƠ
Thông số
Thời gian phun nhiên liệu
/ 30 0 GQTK/ [s]
Số lần phun nhiên liệu trong
một giây

3000 v/p

1500 v/p

600 v/p

94 v/p

0,0016

0,0033

0,0083

0,044

25

12,5

5

1,566

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.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.
1.1.2. 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 1.1.1. 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 1.3. 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.
Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) [45]
STT

Thông số

Đơn vị

Giá trị

Tiêu chuẩn

% khối lượng

0,36

EETD 86

C

91

EETD 84

kg/m3

846,4

EETD 84

1

Hàm lượng lưu huỳnh

2

Nhiệt độ chớp cháy cốc hở

3

Trọng lượng riêng ở 150C

4

Nhiệt độ chảy loãng

0

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

0

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, ...
Bảng 1.4. Nhiên liệu tàu thủy theo tiêu chuẩn ISO 8217:2005 [41]
MGO
Thông số

Đơn vị
0

Khối lượng riêng ở 15 C

kg/m3

MDO

Giới hạn
DMX

DMA

DMB

DMC

Lớn nhất

-

890

900

920

Nhỏ nhất

1,4

1,5

-

-

Lớn nhất

5,5

6,0

11,0

14,0

Độ nhớt động học ở
400C

cSt

Nhiệt độ chớp cháy

0

C

Nhỏ nhất

43

60

60

60

0

C

Lớn nhất

-

-6

0

0

0

C

Lớn nhất

-

0

6

6

0

C

Lớn nhất

-16

-

-

-

Lượng cacbon

% khối
lượng

Lớn nhất

-

-

0,3

0,3

Hàm lượng tro

% khối
lượng

Lớn nhất

0,01

0,01

0,01

0,05

Nhiệt độ chảy loãng,
mùa đông
Nhiệt độ chảy loãng,
mùa hè
Nhiệt độ kết tinh

-7-


Hàm lượng nước

% thể
tích

Chỉ số Xê tan
Hàm lượng lưu huỳnh

% khối
lượng

Lớn nhất

-

-

0,3

0,3

Nhỏ nhất

45

40

35

-

Lớn nhất

1,0

1,5

2,0

2,0

Mặc dù động cơ diesel thủy có thể làm việc được với nhiều loại nhiên liệu khác
nhau, nhưng khi nhiên liệu được sử dụng trên tàu thủy cần phải thỏa mãn các yêu cầu
khắt khe, riêng biệt như các yêu cầu về về phòng chống cháy nổ và đảm bảo an toàn
trên tàu [1]:
-

Điểm chớp cháy của nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel chính trên tàu thủy
không được nhỏ hơn 600C;

-

Nhiệt độ hâm của nhiên liệu phải thấp hơn điểm chớp cháy trong phạm vi 100C;

-

Nhiên liệu cần có độ ổn định cao, đảm bảo sao cho các thành phần nặng trong
nhiên liệu không được tách rời và lắng xuống đáy két. Vì các con tàu thường
hoạt động dài ngày trên biển nên phải tích trữ một lượng nhiên liệu lớn (hàng
nghìn tấn dầu) và làm việc trong điều kiện khí tượng luôn thay đổi;

-

Do các động cơ diesel thủy thường là các động cơ trung tốc hoặc thấp, nên có
khả năng sử dụng được các loại nhiên liệu với chất lượng không cao, có các
thành phần cặn cơ học, lưu huỳnh.. tương đối lớn. Đây chính là nguồn gây ô
nhiễm về môi trường tương đối lớn của các phương tiện vận tải thủy.

Một vấn đề khác đối với nhiên liệu sử dụng trên tàu liên quan đến chế độ khai
thác của các động cơ diesel thủy đó là những ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường.
Trong khí xả của động cơ diesel thường có nhiều thành phần độc tố khác nhau gây tác
hại tới môi trường, trong đó NOx, COx, và SO2 chiếm thành phần chủ yếu với hàm
lượng khoảng trên 80% theo khối lượng. Hàm lượng phát thải độc hại này tăng lên
nhiều khi động cơ làm việc ở các chế độ không ổn định. Như vậy, với số lượng
phương tiện vận tải thủy lớn như hiện nay, có thể thấy được nguồn ô nhiễm khí thải từ
tàu đóng góp một phần đáng kể trong ô nhiễm môi trường sống chung của cả thế giới.
1.1.3. Những yêu cầu về sử dụng nhiên liệu tiết kiệm và ngăn ngừa ô nhiễm do
khí thải từ tàu
Trong những năm gần đây, Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) đã nỗ lực đưa ra
nhiều quy định về sử dụng năng lượng hiệu quả trên tàu, từ đó kiểm soát lượng khí nhà
kính sinh ra, cụ thể hóa bằng các tiêu chuẩn kỹ thuật và khai thác như sau:
-

Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả (EEDI);

-

Chỉ số khai thác sử dụng năng lượng hiệu quả (EEOI);
-8-


-

Hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu (SEEMP).

Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả (EEDI) có thể coi là một trong những tiêu
chuẩn kỹ thuật nhằm giảm thiểu khí CO2 do tàu sinh ra. Ủy ban Bảo vệ môi trường
biển (MEPC) của IMO đã và đang không ngừng hoàn thiện bộ quy định này nhằm áp

dụng cho các đội tàu từ năm 1997. Vào 7/2011, những quy định áp dụng bắt buộc
EEDI, SEEMP đã được thông qua và SEEMP đã được đưa chính thức vào Phụ lục VI
của Công ước quốc tế về Ngăn ngừa ô nhiễm do tàu gây ra (MARPOL73/78) áp dụng
cho tất cả các tàu hiện tại và tàu đóng mới có dung tích từ 400 trở lên. Tiếp theo đó,
bản phụ lục sửa đổi Phụ lục VI của MARPOL 73/78 có hiệu lực từ ngày 1/1/2013 với
việc bổ sung thêm một Chương 4 “Quy định về Hiệu quả sử dụng năng lượng của
tàu”. Bảng 1.5 dưới đây là đưa ra một số chỉ dẫn cụ thể thực hiện các quy định
SEEMP của Đăng kiểm Lloyd (Anh).
Bảng 1.5.

Hạng mục

Hướng dẫn quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu của Cơ quan
Đăng kiểm Lloyd (Anh) [44]
Phương pháp cải
tiến

Mô tả

Sử dụng nhiên Tối ưu tốc độ hành Để giảm suất tiêu hao nhiên liệu, cần chú ý
liệu hiệu quả
hải
đến các thiết lập động cơ tối ưu của hãng
sản xuất, thời gian đến cảng cũng như có
bến khả dụng hay không.
Tối ưu hóa công suất Tăng hiệu suất nhờ thiếp lập động cơ hoạt
động cơ
động ở số vòng quay cố định.
Tái sử dụng
nhiệt năng thất

thoát

Nhiệt năng thất thoát trong khí thải được sử
dụng để sản xuất điện hay lực đẩy nhờ trục
động cơ.

Loại nhiên liệu

Khả năng sử dụng các loại nhiên liệu thay
thế.

Các số liệu đo
đạc khác

Sử dụng các phần mềm máy tính để tính
toán suất tiêu hao nhiên liệu; sử dụng các
nguồn năng lượng tái sinh; sử dụng năng
lượng trên bờ.

Nhằm làm giảm mức độ ô nhiễm môi trường từ khí xả động cơ diesel, IMO
cũng đã đưa ra những tiêu chuẩn bắt buộc được quy định trong phụ lục II, phụ lục VI,
MARPOL 73/78 quy định về tiêu chuẩn hàm lượng các chất độc hại trong khí xả động
cơ diesel, đặc biệt là NOx. Đối với các nhiên liệu có được bằng các phương pháp
không phải là tinh lọc dầu mỏ, phải thỏa mãn [3]:
-9-


-

Hàm lượng lưu huỳnh không được vượt quá:

÷ Trước ngày 1/1/2012: 4,5 %m/m;
÷ Sau ngày 1/1/2012: 3,5 % m/m;
÷ Sau ngày 1/1/2020: 0,5 %m/m;

-

Phát thải NOx không vượt quá các giới hạn nêu trong bảng 1.6.

Trên thực tế, vận tải biển được xem là ngành vận tải có chi phí nhiên liệu trên
một tấn - hải lý nhỏ nhất và có lợi thế hơn so với các hình thức vận tải khác nhờ khả
năng vận chuyển một lượng hàng hóa lớn, tầm hoạt động có khoảng cách xa nhưng chỉ
với chi phí nhiên liệu tối thiểu. Tuy nhiên, khai thác tàu biển đang gặp một số vấn đề
sau:
-

Chi phí nhiên liệu lớn, hiệu quả sử dụng nhiên liệu chưa cao;

-

Quản lý kỹ thuật và khai thác tàu còn lỏng lẻo, gần như bị động.
Bảng 1.6. Tiêu chuẩn phát thải NOx [3]

Tiêu chuẩn áp dụng

Đối với tàu lắp động cơ
trước ngày 1/1/2000
Đối với tàu lắp động cơ vào
hoặc sau ngày 1/1/2000 và
trước 1/1/2011
Đối với tàu lắp động cơ vào

hoặc sau ngày 1/1/2011
Đối với tàu lắp động cơ vào
hoặc sau ngày 1/1/2016

Tổng khối lượng phát thải NOx [g/kWh]
n < 130 [v/p]

130 ≤ n < 2000 [v/p]

n ≥ 2000 [v/p]

17,0

45,0 x n(-0,2)

9,8

17,0

45,0 x n(-0,2)

9,8

14,4

44,0 x n(-0,2)

7,7

3,4

9,0 x n(-0,2)

2,0

Các vấn đề đã nêu tác động xấu đến hiệu quả khai thác tàu đặc biệt khi mà giá
nhiên liệu và các chi phí vận tải liên quan liên tục có xu hướng tăng lên trong khi cước
vận tải giảm. Do đó, vấn đề sử dụng và quản lý nhiên liệu hiệu quả được quan tâm một
cách đặc biệt. Ở Việt Nam, Quốc hội đã phê chuẩn bộ Luật về sử dụng năng lượng tiết
kiệm và hiệu quả vào ngày 17/6/2010, trong đó Chương IV quy định riêng cho ngành
Giao thông vận tải. Theo đó, ngày 2/10/2012, Chính phủ đã ra Quyết định số
1427/QĐ-TTg phê duyệt chương trình mục tiêu quốc gia về “Sử dụng năng lượng tiết
kiệm và hiệu quả giai đoạn 2012 – 2015”, với một trong những mục tiêu nổi bật là
“Phát triển hệ thống giao thông vận tải đáp ứng nhu cầu vận tải với chất lượng ngày
càng cao, tiết kiệm nhiên liệu, hạn chế gây ô nhiễm môi trường. Đẩy mạnh ứng dụng
công nghệ mới, sử dụng năng lượng tái tạo thay thế nhiên liệu truyền thống trong giao
-10-