Nghiên cứu hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên

Nhưng việcứng dụng vào sử dụng cho động cơ diesel chưa được rộng rãi do việc cung ứngchưa được hoàn thiện và đang trong giai đoạn bắt đầu, do việc đưa nhiên liệuCNG, LNG vào sử dụng phải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi và các kết quảtrong luận văn là trung thực và chưa được sử dụng, công bố trong các công trìnhnào khác

Tôi xin cam đoan các tài liệu đã được công bố, tài liệu tham khảo, và nộidung trích dẫn đảm bảo sự đúng đắn, chính xác, trung thực và đã được chỉ rõnguồn gốc

Tác giả Phạm Văn Hạnh

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại Viện Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đến nay thì luận văn Thạc sỹ kỹ thuậtChuyên ngành Khai thác bảo trì tàu thủy của tôi đã được hoàn thành

-Tôi xin trân trọng được gửi lời cảm ơn tới:

Trường Đại học Hàng hải Việt Nam;

Ban lãnh đạo, các thầy cô giáo của Viện Đào tạo Sau Đại học-Trường Đạihọc Hàng hải Việt Nam đã tận tình giúp đỡ trong quá trình học tập và thực hiệnluận văn này;

Thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Huy Hào người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn

và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn;

Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo, các bạnđồng nghiệp đã đóng góp ý kiến thực sự quý báu cho sự hoàn thiện luận văn củatôi

Nhưng do kiến thức của tôi còn hạn chế, nguồn tài liệu tham khảo chưaphong phú, luận văn sẽ không tránh khỏi những khuyết điểm Tôi rất mong nhậnđược sự đóng góp quý báu của Thầy giáo, Cô giáo, các nhà Khoa học và các bạnđồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 11

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU HOÁN CẢI CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY CỠ NHỎ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ TỰ NHIÊN 29

CHƯƠNG III: HOÁN CẢI VÀ THỬ NGHIỆM CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ SIESEL TÀU THỦY CỠ NHỎ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ TỰ NHIÊN 54

KẾT LUẬN 77

KIẾN NGHỊ 78

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

IEA Cơ quan năng lượng quốc tế

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Ước tính quá trình sử dụng dầu mỏ trên thế giới 12Bảng 1.2 Trữ lượng khí tự nhiên trên toàn thế giới 13Bảng 1.3 So sánh tỉ lệ khí thải giữa CNG và các nhiên liệu khác 16

Bảng 1.6 Tính chất của một số loại nhiên liệu phổ biến 21Bảng 1.7 Nguy cơ cháy nổ của CNG và các nhiên liệu khác 22Bảng 1.8 So sánh đặc tính của CNG với một số loại nhiên liệu khác 23Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ thử nghiệm K657 M2 6Ч12/14 55Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật bộ hòa trộn thiết kế 62Bảng 3.3 Công suất và tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng dầu diesel 73Bảng 3.4 Công suất và tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng cả dầu diesel

và khí CNG

73

Hình 2.6 Sử dụng bộ điều tốc độc lập để điều khiển lượng nhiên liệu

Hình 2.7 Sử dụng một bộ điều tốc để điều khiển đồng thời việc cấp

nhiên liệu khí CNG và nhiên liệu diesel 41Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel sử

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu ở các động

Hình 2.11 Sơ đồ hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu cho động cơ

Hình 2.12 Hệ thống nhiên liệu sử dụng BCA kiểu rời 47Hình 2.13 Liên kết giữ bộ điều tốc và thanh răng nhiên liệu 48Hình 2.14 Phần hoán cải cơ cấu điều giới hạn lượng nhiên liệu diesel 50Hình 2.15 Cơ cấu điều khiển lượng cấp nhiên liệu khí CNG 51Hình 2.16 Sơ đồ hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu khí CNG cho

Hình 3.1 Động cơ diesel K657 M2 6Ч12/14 phòng thí nghiệm Khoa

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel của động cơ thử

Hình 3.7 Van giảm áp khí CNG 61

Hình 3.9 Bộ hòa trộn thiết kế cho động cơ thử nghiệm 63Hình 3.10 Vị trí đặt bộ hòa trộn thiết kế cho động cơ thử nghiệm 63

Cơ cấu giới hạn thanh răng bơm cao áp được hoán cải 70

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng thì động cơ diesel đang đượcứng dụng rất rộng rãi và nhiên liệu được sử dụng cho động cơ chủ yếu là nhiênliệu hóa thạch Trong khí đó vấn đề ô nhiễm môi trường lại chủ yếu bắt nguồn từquá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, các thành phần oxit nitơ và oxit cacbon khácao trong khí thải động cơ diesel Bên cạnh đó thì nguồn nhiên liệu này đượccảnh bảo là đang có xu hướng cạn kiệt Để giải quyết vấn đề trên thì một trongnhững hướng đi mới là nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí để thay thế nhiên liệudiesel truyền thống như: khí tự nhiên CNG, khí gas hóa lỏng LPG, khí biogas,cồn ethanol, khí hydro…

Trên cơ sở phân tích những điều kiện ở Việt Nam, những ưu và nhược điểmthì nhiên liệu khí tự nhiên CNG hoàn toàn có thể sử dụng được cho động cơdiesel Tuy nhiên để ứng dụng nguồn nhiên liệu này cho động cơ diesel tàu thủy

sẽ gặp những khó khăn riêng do kết cấu động cơ và bản chất quá trình cháy Vớicác loại động cơ mới chế tạo thì đưa ra phương án sử dụng nhiên liệu khí ngay

từ ban đầu Còn các loại động cơ hiện đang khai thác để có thể ứng dụng đượcnhiên liệu khí tự nhiên CNG thì cần phải có một số thay đổi về mặt kết cấu banđầu của động cơ cũng như việc hoán cải hệ thống nhiên liệu

Trong ngành vận tải biển ở nước ta thì động cơ trên tàu thủy hiện đangđược khai thác chiếm đa phần là động cơ diesel cũ và nhằm đa dạng hóa việcứng dụng chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí cho động cơ diesel tôi chọn đề tài:

“Nghiên cứu hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên”.

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Mục đích của đề tài là nghiên cứu hoán cải hệ thống nhiên liệu để động cơdiesel có thể sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên cùng với nhiên liệu diesel

3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các loại động cơ tàu biển Việt Nam cỡnhỏ hiện đang sử dụng nhiên liệu diesel, các loại động cơ diesel trong các khu

công nghiệp, các phương tiện giao thông và các nhà máy đang sử dụng động cơdiesel và cần được thay thế bởi nhiên liệu khí tự nhiên.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài với nội dung chính:

- Nghiên cứu hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu cho động cơ dieseltàu thủy cỡ nhỏ

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu đặc điểm, kết cấu, nguyên tắc điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp của các cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ.Đưa ra giải pháp hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu cho các động cơ

cụ thể

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bổ sung thêm vào các công trình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel tàu thủy

Góp phần nghiên cứu triển khai việc sử dụng nhiên liệu khí cho các động

cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ

DIESEL TÀU THỦY 1.1 Nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel

1.1.1 Thị trường nhiên liệu cho động cơ diesel hiện nay

Ngành công nghiệp vận tải thủy trên thế giới đang phát triển rất mạnh nhờ

ưu thế chuyên chở lượng lớn hàng hóa với chi phí thấp Và để đáp ứng được nhucầu về công nghiệp hóa hiện đại hóa ở nước ta thì ngành công nghiệp vận tảithủy cũng đang được phát triển trong nước rất mạnh Trong đó thì việc khai thácnguồn nhiên liệu để sử dụng đang là vấn đề cấp bách hiện nay

Như đã biết nhiên liệu phổ biến nhất được sử dụng cho động cơ diesel đầutiên phải nói đến nguồn nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch, chúng được sử dụngcho các loại động cơ diesel từ rất lâu Tuy nhiên trong bối cảnh về an ninh nănglượng trên thế giới hiện nay thì nguồn nhiên liệu này đang có xu hướng cạn kiệtdần, và trong những năm gần đây thì giá thành lại càng tăng cao Mặt khác khi

sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel cho động cơ diesel thì mức độ phát thải ônhiễm và gây ra hiệu ứng nhà kính của loại nhiên liệu này là rất lớn Chính vìvậy mà ở các nước trên thế giới đang nghiên cứu tìm ra nguồn nhiên liệu để cóthể thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống Trong đó thì nhiên liệu khí tự nhiênCNG hiện nay đang được nghiên cứu Nhiên liệu khí CNG có giá thành thấphơn giá xăng dầu và cả LPG (khí dầu mỏ hóa lỏng) Đây là nhiên liệu rẻ, sạch,phù hợp với dịch vụ vận tải trên giao thông thủy và giao thông bộ, đặc biệt làtrong tình hình giá xăng dầu tăng cao trong những năm gần đây Đó cũng chính

là lý do vì sao mà các chuyên gia đều đánh giá tiềm năng phát triển của thịtrường nhiên liệu khí CNG là rất lớn, hứa hẹn mang lại lợi nhuận cũng nhưtrong việc đi tiên phong giữ gìn và làm trong sạch môi trường Vì vậy việcnghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí cho động cơ diesel được đánh giá mang lạinhiều lợi ích về kinh tế và về môi trường

Trong những năm gần đây thì trữ lượng dầu mỏ trên thế giới đang là chủ đềrất được quan tâm Dưới đây là trữ lượng nguồn nhiên liệu dầu thô ở 15 quốc giatiêu biểu trên thế giới, qua đó từ tình hình sử dụng dầu mỏ hiện nay thì có thể

đưa ra ước tính sử dụng dầu mỏ trong tương lai Dầu thô của toàn thế giới cònlại khoảng 1.380 tỷ thùng, (năm 2015) trong đó tập trung nhiều nhất vẫn là cácnước ở châu Mỹ và Trung Đông (Bảng:1.1 ) [1]

Bảng 1.1 – Ước tính quá trình sử dụng dầu mỏ trên thế giới

Stt Tên nước

Lượng dầu

dự trữ (tỉ thùng)

Lượng dầu cung cấp (triệu thùng/ngày)

Số năm khai thác còn lại (năm)

Hình 1.1 - Bản đồ phân bố trữ lượng dầu mỏ trên thế giới

Trên bản đồ phân bố trữ lượng dầu thô ta thấy trong đó Venezuela là quốcgia có trữ lượng dầu thô lớn nhất thế giới , tiếp đến là Ả Rập Saudi, Việt Namxếp thứ 28 thế giới về trữ lượng dầu thô, xếp sau Ai Cập nhưng xếp

trước Australia Những quốc gia dầu mỏ, nhưng trữ lượng quá ít chỉ có vài trăm

nghìn thùng như Ethiopia, Maroc xếp cuối bảng

Đối với nguồn nhiên liệu khí tự nhiên thì trên thế giới hiện nay thì khí tựnhiên được phát hiện trên hầu hết tất cả các châu lục trừ châu Nam Cực, trữlượng khí tự nhiên trên toàn thế giới ở khoảng 150.1018 m3 Thị trường thế giới (IEA) đã chỉ ra 10 nước có trữ lượng khí tự nhiên nhiều nhất thế giới (Bảng:1.2)Lượng khí tự nhiên nằm phân bố ở các khu vực Trung Đông, châu Á, châu Phi,châu Úc, nhưng lớn nhất là ở Nga (Hình:1.2) Lượng khí tự nhiên được khai thác

ở Nga được cung cấp tới các khu vực ở châu Âu như: Ucraina, Ba Lan, Pháp…cho đến nay nguồn năng lượng ở các nước châu Âu phụ thuộc chủ yếu vàonguồn khí tự nhiên ở Nga…

Bảng 1.2 - Trữ lượng khí tự nhiên trên toàn thế giới

T

T Tên nước

Trữ lượng đã được phát hiện (nghìn tỷ mét khối)

Hình 1.2 - Bản đồ phân bố trữ lượng khí tự nhiên trên thế giới

Các quốc gia màu nâu và màu đỏ là những nước có trữ lượng khí tự nhiênlớn nhất Trữ lượng khí tự nhiên ở Hoa Kỳ tổng cộng 5 tỷ tỷ m³ Theo xếp hạngtrữ lượng khí tự nhiên theo từng bang từ cao xuống thấp, các mỏ khí tự nhiênlớn đã được phát hiện ở: Texas, Vịnh Mexico ngoài khơi Louisiana,

ở Oklahoma, ở New Mexico, ở Wyoming và ở Vịnh Prudhoe của Bắc Slope ởbang Alaska Ở Canada, tổng trữ lượng khí tự nhiên là 1,7 tỷ tỷ m³ Phần lớn trữlượng khí tự nhiên ở Canada nằm ở Alberta. [2]

Hiện nay thì loại nhiên liệu khí CNG, LPG được dùng làm chất đốt dândụng, công nghiệp và là nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác Đây làloại chất đốt dân dụng rẻ, có năng lượng cao, an toàn (nếu sử dụng đúng cách)

và đang được ứng dụng phổ biến trên các nước tiên tiến hiện nay Nhưng việcứng dụng vào sử dụng cho động cơ diesel chưa được rộng rãi do việc cung ứngchưa được hoàn thiện và đang trong giai đoạn bắt đầu, do việc đưa nhiên liệuCNG, LNG vào sử dụng phải đạt yêu cầu về việc lắp đặt hệ thống, không gianchứa nhiên liệu khí, các hệ thống tự động… Trên thế giới thì công cuộc đưanhiên liệu khí tự nhiên vào sử dụng đang được phát triển cao ở các nước cóchính sách phát triển sử dụng khí tự nhiên như Ý, Mỹ, Canada, Hà Lan… TạiViệt Nam thì việc đưa nhiên liệu khí tự nhiên vào sử dụng cho các phương tiệngiao thông bộ (taxi, xe bus) đã bước đầu được áp dụng từ năm 2008

Sự phát triển nhiên liệu khí tự nhiên có được nâng tầm hay không còn phụthuộc vào tính ưu việt vốn có so với các loại nhiên liệu đang được sử dụng Mặtkhác nó còn đòi hỏi chính sách ưu đãi thuế, cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấpnhiên liệu khí tự nhiên, và giải quyết tâm lý người khai thác về mặt an toàn cũngnhư việc khuyến khích góp phần bảo vệ môi trường trong tình trạng ô nhiễmmôi trường ở mỗi quốc gia hiện nay Trong những năm tới đây thì tiềm năng sửdụng nhiên liệu khí tự nhiên là rất lớn.

1.1.2 Ảnh hưởng mức độ phát thải của nhiên liệu

Vấn đề biến đổi khí hậu đang được đề cập rất nhiều trong thời điểm này.Các nghiên cứu khoa học cho thấy, hàm lượng khí CO2 và các khí nhà kính kháctrong bầu khí quyển đang cao hơn bất cứ thời kỳ nào trong suốt hơn 600 năm

qua Khí nhà kính phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu than, dầu mỏ, khí

thải là chủ yếu

Theo nguyên lý, quá trình cháy lý tưởng của nhiên liệu hóa thạch chỉ sinh

ra CO2, H2O và N2 Nhưng trong thực tế, thì quá trình cháy xảy ra trong buồngcháy của động cơ không lý tưởng như vậy Quá trình cháy thực tế sinh ra cácchất độc nguy hiểm như: oxit nitơ (NOx), monoxit cacbon (CO), Hydro cacbon(CH), kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi… các thành phần này lànguyên nhân chính cho việc gây ra biến đổi khí hậu, ô nhiễm không khí, và ảnhhướng tới sức khỏe của con người

Trong đó khí phát thải nhà kính gồm: đioxit cacbon (CO2), mêtan (CH4),

N2O đã vượt xa mức tích tụ tự nhiên trong hàng nghìn năm Lượng khí này sinh

ra chủ yếu là do quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch Với tốc độ gia tăng khí nhàkính hiện nay thì theo dự định của các nhà khoa học nhiệt độ sẽ tăng từ 2 - 3oC,một phần băng ở Bắc Cực và Nam Cực sẽ tan ra làm tăng chiều cao mực nướcbiển, làm thay đổi chế độ mưa gió, làm sa mạc hóa trái đất Mặt khác đối với hệsinh thái thì sự gia tăng hàm lượng NOx, đặc biệt là protoxyde nito N2O có khảnăng làm tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết

để lọc tia cực tím phát ra từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và đột biến sinhhọc, đặc biệt là đột biến tạo ra các vi khuẩn có khả năng làm lây lan các bệnh lạ,

có khả năng dẫn tới hủy hoại sự sống của các sinh vật trên trái đất, giống nhưđiều kiện hiện nay trên sao hỏa.

Vậy biến đổi khí hậu (BĐKH), ô nhiễm môi trường hiện đang là một trongnhững thách thức lớn nhất đối với mục tiêu phát triển bền vững ở mỗi quốc gia,

do quá trình gây ô nhiễm môi trường sẽ gây thiệt hại về sức khỏe con ngườicũng như nền kinh tế do chi phí khắc phục Có thể nói vấn đề ô nhiễm môitrường đã mang tính thời sự toàn cầu và Việt Nam là nước không ngoại lệ

Từ những nhược điểm trên thì ở các nước trên thế giới đã và đang tìm ranguồn nhiên liệu thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống Những loại nhiên liệuđang được phát triển ngày nay: Khí tự nhiên, khí gas hóa lỏng LPG, khí biogas,cồn ethanol, dầu thực vật, hydro Các dạng nhiên liệu này mang nhiều ưu điểmtrong khai thác và sử dụng, đặc biệt những nguồn nhiên liệu này khi cháy ít sinh

ra các chất gây ảnh hưởng tới môi trường

Thực tế chỉ ra rằng khi sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên sẽ giảm đi mức độphát thải gây ô nhiễm môi trường Khí tự nhiên CNG không giải phóng nhiềukhí độc khi cháy và hầu như không phát sinh bụi khi so sánh với các loại nhiênliệu truyền thống như xăng, dầu diesel khi cháy sẽ sinh ra một lượng sunfua,đioxit, các hydro cacbon và một ít lượng bụi nhỏ (Bảng 1.3) [3]

Bảng 1.3 - So sánh tỉ lệ khí thải giữa CNG và các nhiên liệu khác

Monoxide(CO)

Nonmetal Hydrocarbon

Nitrogen Oxide(NO)

Cơ sở sinh địa hóa và địa chất: Như ta đã biết, thành phần chủ yếu của khí

tự nhiên là cacbon và hydro, ngoài ra còn có chứa các thành phần khác như oxi,nito, photpho… các tổ hợp chất của những đơn chất trên được tạo nên bởi sựphân hủy vật chất hữu cơ, và bằng việc phân tích cholesterol-hợp chất hữu cơ cónguồn gốc từ thực vật thì người ta có thể xác định được nguồn gốc hữu cơ docác loại dầu tổng hợp không có đặc tính này Với địa chất hình thành thì khíđược nằm sâu trong lớp đá trầm tích, trong các lớp trầm tích sẽ quan sát thấy sựbiến đổi của các vật liệu hữu cơ theo hướng tạo dầu khí

Nguồn gốc hữu cơ của khí tự nhiên: khí tự nhiên được tạo ra từ các sinh vậtphù du, các vi sinh vật sống dưới nước bao gồm các tảo và động vật nguyênsinh Khi các sinh vật này chết đi thì xác của chúng sẽ được chôn vùi dưới cáclớp trầm tích Trải qua thời gian dài thì nhờ áp suất rất lớn tác dụng lên vật chấthữu cơ (xác các động vật nguyên sinh) và nén chặt vật chất hữu cơ lại Sự nén

ép này, kết hợp với nhiệt độ cao tại độ sâu phát hiện dưới lòng đất, đã phá huỷcác cấu trúc cacbon trong vật chất hữu cơ (càng xuống sâu dưới lớp vỏ trái đấtthì nhiệt độ càng cao) Tại các vị trí có nhiệt độ thấp (các trầm tích nằm nông),thì dầu mỏ được sinh ra nhiều hơn so với khí tự nhiên Tuy nhiên, tại nơi cónhiệt độ cao hơn thì khí tự nhiên được sinh ra nhiều hơn Đó là lý do tại sao khí

mỏ thường đi đồng hành với dầu trong các trầm tích nằm sâu 1 ÷ 2 dặm trong vỏtrái đất Các trầm tích nằm càng sâu dưới lòng đất, về cơ bản có chứa khí mỏ vàtrong nhiều trường hợp thì chứa mêtan nguyên chất Ngoài ra khí mỏ cũng cóthể được tạo thành qua quá trình vận chuyển các vật chất hữu cơ nhờ các vi sinhvật, loại mêtan này được gọi là mêtan sinh học Các vi sinh vật sản sinh ramêtan, biến đổi hoá học vật chất hữu cơ tạo thành mêtan, chúng thường được

tìm thấy tại các khu vực gần bề mặt trái đất tại đó có rất ít oxy Sự thành tạomêtan theo phương thức này thường xảy ra gần bề mặt trái đất, và mêtan sinh rathường bay vào trong khí quyển Tuy nhiên, trong những trường hợp nhất định

nó có thể bị giữ lại trong lòng đất, và có thể thu hồi được dưới dạng khí mỏ [4]Mặt khác mêtan (khí tự nhiên) được cho là hình thành qua các quá trình tựsinh Tại độ sâu rất lớn trong vỏ trái đất, có chứa các phân tử cacbon và khí gas

tự nhiên giàu hydro Khi các khí này chuyển động hướng lên trên bề mặt trái đất,chúng có thể tương tác với các khoáng vật có trong lòng đất, trong điều kiệnkhông có oxy Sự tương tác này có thể dẫn đến xảy ra phản ứng hoá học tạothành các đơn chất và hợp chất gặp nhiều trong khí quyển như N2, O2, CO2, Ar,

và hơi nước Nếu các chất khí này tồn tại dưới áp suất lớn khi di chuyển lên trên

bề mặt, chúng có xu hướng tạo thành các tích tụ khí mêtan

Khi các kiến tạo địa chất nơi có chứa nguồn khí tự nhiên được xác định thìngười ta tiến hành khoan tạo thành giếng, và nếu giếng khoan đi vào lớp đá xốp

có chứa lượng khí tự nhiên thì áp lực trong lớp đá xốp có thể ép khí tự nhiên lên

bề mặt Khí nén này được khai thác khỏi mặt đất và được vận chuyển bằng ốngdẫn khí đến nhà máy tinh lọc và xử lý chúng Sự đảm bảo độ sạch và tinh khiếttới mức có thể của sản phẩm khí tự nhiên sẽ được đưa vào sử dụng Khí khí tựnhiên đã được xử lý hoàn toàn, chúng được vận chuyển ra khỏi khu vực sản xuất

và được đưa đến nơi tiêu thụ Khí tự nhiên trở thành nguồn lựa chọn nănglượng đốt sạch thân thiện đối với môi trường

Quá trình xử lý được mô tả dưới Hình:1.3

Hình:1.3 - Quá trình xử lý khí tự nhiên

Sau khi xử lý thì nhiên liệu khí tự nhiên được bảo quản ở hai dạng: dạngkhí ở nhiệt độ môi trường có áp suất cao (CNG), và dạng lỏng ở nhiệt độ -162oCvới áp suất môi trường không khí (LNG)

b) Đặc tính của nhiên liệu khí tự nhiên

Khí tự nhiên là một loại khí không màu sắc, không mùi và được phân loạitùy thuộc vào kiểu loại thành phần của nó Dựa vào thành phần hóa học cấuthành mà ta chia khí tự nhiên ở hai dạng: khí tự nhiên khô có chứa hầu hết làthành phần mêtan được gọi là khí tự nhiên CNG (Compressed Natural Gas) khínày thành phần chủ yếu là mêtan là lượng nhỏ các chất etan, propan Còn khíướt (dạng lỏng) có chứa thêm các thành phần hợp chất của hydrocacbon thuộcnhóm ankan bao gồm: etan, propan, butan thường được gọi là khí tự nhiênLNG (Liquefied Natural Gas) Sự phân hóa này được thể hiện rõ ở bảng:1.4.[5]

hiểm do sự thiếu oxy trong không khí Nhiên liệu khí hóa lỏng LNG có khối

lượng riêng khoảng 0.47g/cm3, như vậy nếu LNG bị tràn vào nước nó sẽ nổi lêntrên bề mặt và bay hơi nhanh chóng do khí tự nhiên nhẹ hơn nước Khi nhiênliệu LNG bay hơi trở về trạng thái khí nếu không được xử lý thích hợp sẽ có thểgây cháy, tuy nhiên hiện tượng nổ khí tự nhiên chỉ có thể xảy ra trong một sốđiều kiện thích hợp nào đó Mặc dù vậy, vấn đề an toàn trong khai thác, bảoquản và vận chuyển LNG cần phải được đặt lên hàng đầu

Đối với nhiên liệu CNG (Compressed Natural Gas) Khí tự nhiên được bảoquản nén dưới áp suất nhất định (20.5 đến 27.5MPa) Khí tự nhiên là hỗn hợpchất khí cháy được, bao gồm phần lớn là các hydrocacbon Khí tự nhiên có chứathành phần chủ yếu là mêtan (CH4), etan (C2H6) và cũng có chứa một lượng nhỏ

propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12) và các ankal khác Khí tự nhiên cóchứa một lượng nhỏ tạp chất: đioxitcacbon (CO2), hydro sunfit (HS), Nito (N2).Các tạp chất này có gây ảnh hưởng tới nhiệt trị và đặc tính của khí tự nhiên, dovậy chúng thường được tách khỏi khí tự nhiên trong quá trình tinh lọc Một sốđặc tính của nhiên liệu CNG được cho trong bảng 1.5

Bảng 1.5 - Đặc tính của nhiên liệu khí CNG

Khối lượng riêng ở áp suất môi trường(Kg/m 3 ) 0.68

Các thông số thuộc tính của mỗi loại nhiên liệu đều phụ thuộc vào nguồngốc và thành phần của chúng Đặc điểm và tính chất cơ bản của một số loạinhiên liệu phổ biến được thể hiện dưới bảng1.6

Bảng 1.6 - Tính chất của một số loại nhiên liệu phổ biến

Công thức C 4 to C 12 C 8 to C 25 C 3 H 8, C 4 H 10 CH 4 CH 3 OH

Tỷ trọng ở 15 0 C 0.72÷0.8 0.85 0.54÷0.56 0.42 0.796 Nhiệt trị thấp(Kj/kg) 43440 42784 46287 47131 20089 Nhiệt độ sôi( o C) 27÷225 180÷340 -45÷-2 -164÷-88 65

Bảng 1.7 - Nguy cơ cháy nổ của CNG và các nhiên liệu khác

Khả năng bắt lửa Nhẹ hơn không khí, dễ

tan vào không khí

Nặng hơn không khí, tích tụ dướiđất, bắt lửa dễ dàng

Nhiệt độ bốc cháy 7230C 4570C 257.2/515.50CNồng độ giới hạn

Vật liệu chứa Vật liệu đặc biệt, áp suất

nổ trên 585 bar

Thép thường, áp suất thiết kế 18 bar

Thép thường

Phụ kiện Emergency Shuts Off Valve sẽ tự động ngắt

dòng để tránh mọi sự rò rỉ khí khi gặp sự cố Không có

Từ các tính chất của một số loại nhiên liệu ở Bảng:1.6 thì ta thấy: Nhiệt trịsinh ra khi đốt cháy 1kg nhiên liệu khí tự nhiên CNG cao hơn khoảng 10% sovới các loại nhiên liệu thông thường Do khối lượng riêng ở áp suất môi trườngcủa nhiên liệu khí tự nhiên CNG (0.68kg/m3) nhẹ hơn rất nhiều so với không khí(1.29kg/m3) và do phạm vi cháy hẹp, nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu khí CNG(723oC) là rất cao so với dầu diesel (515.50C) ở cùng điều kiện, do đó mà khảnăng phân tán của nhiên liệu khí CNG trong không khí là rất nhanh điều này sẽlàm giảm tối thiểu khả năng gây hỏa hoạn cũng như khả năng gây ô nhiểmkhông khí Chính vì vậy mà việc đưa nhiên liệu khí tự nhiên CNG vào sử dụng,ứng dụng cho các loại động cơ diesel đang được hứa hẹn rất nhiều trong nhữngnăm tới đây

Một số loại nhiên liệu thường được sử dụng cho động cơ diesel thì mỗi loạinhiên liệu đều có những ưu điểm và nhược điểm Các tính chất của khí tự nhiênCNG so sánh với các loại nhiên liệu khác thường được sử dụng cho động cơdiesel được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 1.8 - So sánh đặc tính của CNG với một số loại nhiên liệu khác

Sự hình thành đám mây hơi nhiên liệu Có Có Không có

Các nguy hại khác đối với sức khỏe Không độc Độc ĐộcGiới hạn bốc cháy trong không khí (%V) 5~15 1.3~6 -

Áp suất bảo quản (MPa) 20.9÷28.0 môi trường môi trường

Bảng 1.8 trên cho thấy rõ đặc tính khi sử dụng của từng loại nhiên liệu.Năng lượng sinh ra giữa khí tự nhiên và nhiên liệu diesel là tương đương nhau.Riêng với khí tự nhiên nén CNG thì nhiệt trị sinh ra cao hơn các loại nhiên liệukhác khoảng 10% Mặt khác ưu điểm rõ của khí tự nhiên CNG là quá trình hòatrộn với không khí dễ dàng hơn dầu diesel, nhiệt độ tự cháy rất cao nên sẽ antoàn hơn nhiên liệu xăng và dầu diesel trong quá trình khai thác Đặc biệt khí tựnhiên có tỷ lệ gây ô nhiễm môi trường thấp, hơn nữa là khí tự nhiên không phảnứng với cao su, đây là yếu tố thuận lợi cho việc khai thác trên tàu biển

Như vậy từ những đặc điểm, tính chất vốn có của nhiên liệu khí tự nhiênnén CNG thì có thể nói rằng khí tự nhiên CNG rất phù hợp để sử dụng khai thác

hệ động lực diesel tàu thủy Vấn đề cần giải quyết nữa là khả năng lưu trữ và khảnăng vận chuyển khí tự nhiên để đảm bảo được tính kinh tế, tính cơ động…

1.2.2 Khả năng lưu trữ và vận chuyển khí tự nhiên

Khí tự nhiên là nhiên liệu sạch, có ở nhiều nơi trên thế giới Việc vậnchuyển từ nơi sản xuất tới nơi tiêu thụ cần có hệ thống đường ống dẫn Đối vớicác nơi mà dân cư tập trung đông đúc thì nhiên liệu khí được vận chuyển tới cáctrạm năng lượng qua hệ thống đường ống Còn đối với các nơi dân cư không tậptrung thì nhiên liệu được vận chuyển đến sử dụng ở 2 dạng Dạng khí ở nhiệt độmôi trường với áp suất cao (CNG) Dạng lỏng ở nhiệt độ -162oC với áp suất môitrường (LNG) Ở cả 2 dạng tồn tại này của nhiên liệu này, thì thành phần chủyếu là mêtan (CH4) chiếm tới 85% - 99%, do vậy mà khí thải khi động cơ diesel

sử dụng nhiên liệu này sẽ có ít các hydro cacbon hơn là khi sử dụng nhiên liệudiesel

Khí tự nhiên hóa lỏng LNG được chuyên chở bằng xe bồn, tàu hỏa, tàu venbiển có dung tích từ 2500 - 12000 m3 đến những hộ tiêu thụ ở xa đường ống dẫnkhí, các thị trường khu vực ven biển, các đảo ngoài khơi Bán kính quá trình vậnchuyển khí tự nhiên hóa lỏng lên tới 600km và duy trì áp suất tối đa là0.025MPa

Do nhiên liệu hóa lỏng LNG chiếm 1/600 thể tích so với khí tự nhiên ởđiều kiện tiêu chuẩn (150C, 0.1MPa), nên khí tự nhiên hóa lỏng LNG có thểđược vận chuyển với khoảng cách lên đến hàng nghìn km với khối lượng lớnbằng tàu vượt đại dương có tải trọng từ 140.000 – 260.000m3 từ nơi sản xuất đếnnhiều nước trên thế giới Việc vận chuyển nhiên liệu LNG phải đạt được nhữngyêu cầu: Đối với các thiết bị chịu áp lực đạt các yêu cầu chung về chế tạo, lắpđặt, sửa chữa các bình (thiết bị) áp lực theo TCVN 6153-1996 Ngoài ra phải đạtcác yêu cầu chung về các dụng cụ kiểm tra, đo lường, cơ cấu an toàn và phụtùng kèm theo (áp kế, cơ cấu an toàn, các dụng cụ đo, v.v…) và phải tiến hànhđịnh kỳ kiểm định các dụng cụ này theo quy định Xe bồn chở khí tự nhiên nén:phải đạt yêu cầu tương đương loại phương tiện vận tải trung áp Trước khi bốcxếp và chuyên chở LNG, cần kiểm tra bình, bồn, van, nếu phát hiện các bấtthường liên quan đến sự nguy hiểm thì ngay lập tức dừng chuyên chở và tìm cácbiện pháp xử lý

Sau khi được vận chuyển đến nơi tiêu thụ, nhiên liệu lỏng LNG đượcchuyển trở lại trạng thái khí nhờ thiết bị tái hóa khí sau đó bơm vào đường ốngvận chuyển đến các hộ tiêu thụ Khi đó LNG được sử dụng tương tự như khí khôlàm nguyên/nhiên liệu cho phát điện, sản xuất phân đạm, hộ công nghiệp, khu

đô thị…

Đối với nhiên liệu dạng khí tự nhiên nén CNG chỉ chiếm khoảng 1/200 thểtích so với khí tự nhiên ở trạng thái bình thường, quá trình lưu trữ ở dạng khínén có áp suất cao trong bình chứa Quá trình vận chuyển ở dạng khí nén nênvận chuyển dễ dàng hơn Hiện nay, tại Việt Nam nguồn khí tự nhiên được đưavào bờ thông qua nhà máy khí Dinh Cố, Bà Rịa – Vũng Tàu Từ nhà máy Dinh

Cố khí tự nhiên được dẫn đến các trạm mẹ (trạm nén CNG) thông qua hệ thốngđường ống khí hiện hữu tại khu vực Vũng Tàu - Tp Hồ Chí Minh, từ đó chúng

ta mới có thể sản xuất được CNG Do đặc thù của lĩnh vực CNG, các địa điểmtiếp nhận, sử dụng khí CNG nên nằm trong phạm vi bán kính 200km đối với cáctrạm nén

Hiện nay, nguồn nhiên liệu khí hóa lỏng LNG được mua bán rất phổ biếntrên thị trường quốc tế và trở thành nguồn năng lượng quan trọng của nhiềuquốc gia trên thế giới như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc, cácnước châu Âu và bắc Mỹ… Các nước xuất khẩu LNG nhiều nhất thế giới thuộckhu vực Trung Đông, Australia, Nga… ở nhiều nước trên thế giới LNG cònđược sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải: tàu biển,

tàu hỏa và xe vận tải nặng để giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nguồn cung cấp khí tự nhiên nén ở Việt Nam thì từ tập đoàn dầu khí có 2công ty: Công ty Cổ phần khí CNG, và công ty Cổ phần khí hóa lỏng miền nam.Tiên phong thực hiện kinh doanh khí CNG khai thác từ đường ống dẫn quốc gia

là Phú Mỹ, Mỹ Xuân trong phạm vi cung cấp với bán kính không quá 150km.Nói chung việc cung cấp tiêu thụ cho thị trường là không đáng kể, mà phần thịtrường cần được cung cấp lại là một con số rất lớn Hiện tại ở phía Nam có 2trạm có thể nạp khí nén CNG cho các phương tiện giao thông và được cung cấpchủ yếu từ công ty CNG Việt Nam và công ty Cổ phần kinh doanh khí hóa lỏng

Miền Nam (PGS) có nhà máy đặt tại khu công nghiệp Phú Mỹ I với tổng côngsuất 150.000.000m3/năm Dự tính tới năm 2017 thì nguồn cung cấp khí ở ViệtNam sẽ tăng 11%.

Với trữ lượng khí nén tự nhiên như vậy trên toàn thế giới nói chung và ViệtNam nói riêng thì việc lựa chọn sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên CNG sử dụngcho động cơ diesel tàu thủy là điều cần được giải quyết

1.3 Sự cần thiết phải hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy

Động cơ diesel đã có phát minh từ năm 1892 do Rudolf Diesel sáng chế.Trải qua những bước thăng trầm thì động cơ diesel đã được cải tiến liên tục vàcho đến nay nhờ những đột phá mạnh mẽ trong công nghệ, động cơ diesel đãhoàn thiện hơn rất nhiều với những nghiên cứu nhằm cải tiến quá trình côngnghệ, quá trình cháy sinh công, lượng tiêu hao nhiên liệu cũng như việc sử dụngnguồn nhiên liệu thân thiện hơn với môi trường Trong đó việc khảo sát các hệthống nhiên liệu của động cơ diesel để có thể sử dụng nguồn nhiên liệu mới thaythế nguồn nhiên liệu truyền thồng đang được các nhà khoa học quan tâm rấtnhiều

Một trong những loại nhiên liệu được sử dụng để thay thế nguồn nhiên liệutruyền thống là khí đốt tự nhiên đang được đưa vào thị trường, nguồn nhiên liệunày được đánh giá là loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm vượt trội so với loại nhiênliệu hóa thạch truyền thống

Việc sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên sẽ góp phần giảm chi phí nhiên liệucho các phương tiện kinh doanh vận tải là rất lớn, đặc biệt là ngành vận tải thủyhiện nay Theo nghiên cứu mới nhất của phó giáo sư Phạm Xuân Mai Trưởngkhoa kỹ thuật giao thông – Đại Học Bách khoa TP Hồ Chí Minh thì với mỗi tấndầu diesel phải bỏ ra 594USD nhưng với một tấn khí tự nhiên CNG chỉ mất318USD Giá thành CNG rẻ hơn dầu mỏ khoảng 10% đến 30% như vậy thì loạinhiên liệu này sẽ có tính ổn định trong thời gian dài so với các sản phẩm dầumỏ

Do nhiên liệu khí tự nhiên là loại nhiên liệu sạch không thải ra các chất độchại, quá trình đốt cháy hoàn toàn, không gây đóng cặn trong thiết bị đốt và tại bộhòa trộn, không làm bẩn dầu bôi trơn của động cơ nên nhiên liệu khí CNG giúpnâng cao hiệu suất, kéo dài được chu kỳ bảo dưỡng và tuổi thọ máy móc thiết bị.Điều này sẽ làm giảm đi chi phí bảo dưỡng động cơ

Điều quan trọng nữa là khi sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên là giảm đi mức

độ phát thải gây ô nhiễm môi trường Nhiên liệu khí CNG không giải phóngnhiều khí độc (NO, CO, SO2) khi cháy và hầu như không phát sinh bụi, thực tếcho thấy các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 93% lượng CO2, 33%lượng NO và đến 50% lượng hydrocarbon thải ra khi so sánh với các loại nhiênliệu truyền thống khi cháy sẽ sinh ra một lượng sunfua, đioxit, các hydro cacbon

và một ít lượng bụi nhỏ Lượng khí này sinh ra nhiều sẽ làm ảnh hưởng tới sứckhỏe con người, ảnh hưởng tới khí hậu, nền kinh tế toàn cầu…

Với những ưu điểm vốn có của nhiên liệu khí tự nhiên CNG thì loại nhiênliệu này đang có trong danh sách thuộc những ưu đãi của chính phủ, khuyếnkhích các chủ phương tiện vận tải, các doanh nghiệp vận tải chuyển sang sửdụng loại nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường Hiện nay thì nhiên liệu khíđốt tự nhiên đang được ứng dụng cho các loại động cơ xăng vì động cơ xăng cómột số ưu điểm lớn trong việc hoán cải đó là: động cơ xăng được thiết kế quátrình hình thành hỗn hợp cháy ở bên ngoài xylanh động cơ và được đốt cháy nhờthiết bị đánh lửa cưỡng bức, nên quá trình đưa nhiên liệu khí tự nhiên vào sửdụng cho động cơ xăng thuận tiện hơn rất nhiều Trong khi đó thì để đưa đượcnhiên liệu khí tự nhiên ứng dụng cho động cơ diesel thì lại có những khó khănnhất định

Do sự khác biệt và đặc thù của hệ thống nhiên liệu diesel mà không thể sửdụng nhiên liệu khí tự nhiên cho hệ thống nhiên liệu ban đầu của động cơ diesel,

do bản chất của sự cháy ở 2 loại nhiên liệu này là khác nhau, nhiên liệu dieselcháy ở dạng phun sương mịn, còn nhiên liệu khí cháy ở thể hơi nên không thể sửdụng vòi phun nhiên liệu diesel để cung cấp nhiên liệu khí mà hỗn hợp cháynhiên liệu khí/không khí phải được hoán cải, để sử dụng như vậy thì ta phải thay

vòi phun dầu diesel bằng bộ van cấp khí gas Như vậy động cơ khi sử dụngnhiên liệu khí thì hệ thống nhiên liệu diesel không hoạt động, muốn sử dụng lại

ta phải tháo và thay vòi phun khí gas bởi vòi phun dầu diesel, như vậy rất khôngthuận tiện trong quá trình khai thác Ngoài ra động cơ diesel làm việc theonguyên tắc nén nổ do vậy mà tỷ số nén của động cơ diesel được thiết kế rất cao

dễ xảy ra nguy cơ cháy kích nổ khi mà động cơ sử dụng nhiên liệu khí Do vậy

mà khi hoán cải cần phải lựa chọn loại động cơ cỡ nhỏ, có tỷ số nén thích hợp.Chính vì những lý do như vậy mà để ứng dụng được nhiên liệu mới chođộng cơ diesel thì cần phải có một số thay đổi về mặt kết cấu hệ thống nhiên liệudiesel ban đầu đối với các loại động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ hiện đang khaithác Với các loại động cơ mới đang sản xuất thì khuyến khích các nhà sản xuấtđưa ra giải pháp sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên ngay từ khâu thiết kế để việcđưa nhiên liệu khí vào sử dụng trong quá trình khai thác thuận tiện hơn Quátrình hoán cải thành công sẽ góp phần thúc đẩy sự hình thành và phát triển mộtngành công nghiệp mới đầy triển vọng Đây là một trong những loại nhiên liệusạch để có thể thay thế một phần dầu mỏ, góp phần đảm bảo an ninh nănglượng, cải thiện môi trường và nâng cao đời sống kinh tế xã hội

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU HOÁN CẢI CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN CẤP NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY CỠ NHỎ SỬ DỤNG

NHIÊN LIỆU KHÍ TỰ NHIÊN 2.1 Lựa chọn phương án chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên cho động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ

2.1.1 Lựa chọn phương án chuyển đổi nhiên liệu

Từ những nghiên cứu thực tế thì việc chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí tựnhiên CNG cho động cơ diesel tàu thủy có thể thực hiện theo 2 phương án làchuyển đổi đơn nhiên liệu và chuyển đổi song song

Với chuyển đổi đơn nhiên liệu: Động cơ diesel sau khi chuyển đổi chỉ sửdụng duy nhất nhiên liệu khí tự nhiên, với phương án này thì có nhiều nhượcđiểm lớn khi ứng dụng cho động cơ sử dụng nhiên liệu diesel Quá trình đòi hỏiviệc cung cấp khí tự nhiên trên tàu phải đảm bảo trong suốt quá trình hành trìnhnên phải cần bình chứa khí tự nhiên có dung tích lớn, do đó mà cần phải cókhông gian bố trí trên tàu lớn Mặt khác về phần thiết kế sẽ có phần phức tạphơn do việc phải bố trí thiết bị đánh lửa mồi cho mỗi xylanh động cơ Phương ánnày thích hợp sử dụng cho các loại động cơ xăng hơn là động cơ diesel do quátrình hình thành hỗn hợp cháy diễn ra bên ngoài xylanh động cơ, sẽ thuận tiệncho việc tổ chức quá trình cháy bên trong động cơ Về mặt kết cấu thì khi sửdụng động cơ xăng thì cơ bản là không cần phải thay đổi nhiều về mặt kết cấu.Chuyển đổi song song nhiên liệu: Phương án này thì động cơ diesel sửdụng nhiên liệu khí tự nhiên là chủ yếu, nhiên liệu diesel được khống chế ở một

tỷ lệ nhất định hoặc chỉ sử dụng ở chế độ điều động Và nếu hệ thống nhiên liệukhí tự nhiên gặp sự cố thì quá trình khai thác hệ động lực bằng nhiên liệu dieselvẫn diễn ra bình thường Phương án này thì hệ thống nhiên liệu diesel ban đầukhông thay đổi gì nhiều, chỉ cần thiết kế thêm cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệukhí tự nhiên vào động cơ

Cả 2 phương án trên thì trường hợp chuyển đổi sử dụng đơn nhiên liệu cónhiều ưu điểm như: các thành phần hóa học tương đối ít nên dễ dàng điều chỉnhđúng tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và không khí để quá trình cháy diễn ra là hoàn

toàn Thành phần chính của nhiên liệu là mêtan ở dạng khí hoặc lỏng nên việcvận chuyển có tính cơ động cao Với đặc tính cháy sạch của nhiên liệu làm choviệc đốt cháy sinh ra ít khí thải, ít gây ảnh hưởng tới môi trường, và đặc biệt làkéo dài tuổi thọ của động cơ, dầu bôi trơn, ngược lại thì nó cũng có nhữngnhược điểm riêng khi khai thác cho động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ khi trị số ốctan của nhiên liệu khí tự nhiên là rất cao nên quá trình để cháy được cần phải sửdụng bugi đánh lửa để đánh lửa cưỡng bức đốt cháy nhiên liệu khí tự nhiên, vàphải lắp đặt thêm mạch điều điều khiển đánh lửa ở mỗi chu trình.Việc này khiếnđộng cơ diesel không phát huy được hết công suất, và việc chế tạo cũng sẽ phứctạp hơn khi mà động cơ đang còn được sử dụng diesel Để khắc phục đượcnhược điểm trên thì ta đưa ra phương án tối ưu hơn trong quá trình sử dụngnhiên liệu khí tự nhiên đó là việc sử dụng đồng nhiên liệu ở phương án chuyểnđổi sử dụng song song nhiên liệu (nhiên liệu diesel-nhiên liệu khí tự nhiênCNG) Ở phương án này thì việc sử dụng cả nhiên liệu khí tự nhiên lẫn nhiênliệu diesel sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao trong quá trình khai thác dưới tàuthủy Về mặt kết cấu thì động cơ diesel không có thay đổi gì nhiều mà chỉ bố tríthêm các cơ cấu để có thể điều chỉnh và cấp lượng nhiên liệu khí tự nhiên vàođộng cơ sao cho phù hợp Trong khi đó nhiên liệu diesel vẫn được cấp bìnhthường vào cuối kỳ nén của động cơ, và quá trình nén cháy được diễn ra bìnhthường để làm xúc tác đốt cháy nhiên liệu khí tự nhiên Lượng nhiên liệu dieselphun vào động cơ ở cuối kỳ nén được giới hạn ở mức độ nhất định để quá trìnhhình thành hỗn hợp cháy vẫn diễn ra, và tải của động cơ được điều chỉnh theolượng cung cấp khí tự nhiên CNG Theo các kết quả phân tích cho thấy rằng khi

sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên cho động cơ diesel thì đặc tính thay đổi áp suấtbên trong xylanh động cơ được diễn ra tương tự như khi sử dụng nhiên liệudiesel Ngoài ra do tốc độ quá trình cháy được đẩy mạnh hơn, quá trình cháydiễn ra hoàn thiện hơn nên thành phần cacbon đioxit giảm đi đáng kể Do vậy

mà lựa chọn phương án chuyển đổi song song nhiên liệu là phù hợp hơn cả khihoán cải cơ cấu điều chỉnh cấp nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy

2.1.2 Lựa chọn phương pháp tổ chức quá trình cháy

Như đã biết thì với nhiên liệu diesel được đặc trưng bởi chỉ số cetan, chỉ sốđặc trưng cho khả năng tự bốc cháy Trong khi đó nhiên liệu khí tự nhiên lại đặctrung bởi chỉ số octan (chỉ số chống kích nổ) Vì chỉ số chống kích nổ của nhiênliệu khí tự nhiên là rất cao (=130) nên việc muốn cho nhiên liệu khí tự nhiên bốccháy được ở cuối quá trình nén của động cơ như nhiên liệu diesel truyền thốngthì cần phải có nguồn lửa để đốt cháy cưỡng bức hỗn hợp không khí – nhiên liệutrong xi lanh động cơ

Chính vì lý do như vậy mà việc tổ chức quá trình cháy có thể thực hiệntheo hai phương án sau:

- Sử dụng bugi để đánh lửa: để giải quyết vấn đề này động cơ diesel cầnphải có một số thay đổi, trước hết là bố trí lắp đặt bugi và mạch điều khiển đánhlửa, ngoài ra cần giảm tỷ số nén để ngăn ngừa hiện tượng cháy kích nổ Như vậyquá trình hoán cải cần phải thay đổi đáng kể về mặt kết cấu động cơ nên phươngpháp này không đạt hiệu quả ứng dụng với các loại động cơ diesel

- Sử dụng nhiên liệu diesel ban đầu của động cơ làm ngọn lửa mồi: Theophương pháp này một lượng nhỏ nhiên liệu diesel được cấp từ bơm cao áp đếnvòi phun rồi phun trực tiếp vào buồng đốt động cơ vào cuối kỳ nén, lượng nhiênliệu này được phân bố đều trong buồng đốt và tự bốc cháy ở cuối hành trình néncủa piston và đốt cháy hỗn hợp không khí – nhiên liệu trong xi lanh động cơ

So với phương pháp đốt cháy nhiên liệu bằng tia lửa điện, ở phương phápnày năng lượng do nhiên liệu mồi tỏa ra cao hơn nhiều, ngoài ra do tạo ra đượcnhiều điểm cháy phân bố đều trong buồng đốt nên tốc độ tăng áp suất cao hơn,hiệu suất động cơ được tăng lên Hơn thế nữa, việc đốt cháy hỗn hợp bằng nhiênliệu đốt mồi không đòi hỏi phải thay đổi nhiều kết cấu động cơ Có thể sử dụngngay chính vòi phun của động cơ để phun nhiên liệu mồi Trong trường hợp cầnthiết, động cơ có thể trở lại làm việc với nhiên liệu diesel một cách nhanh chóng

Để tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu khí tự nhiên, lượng nhiên liệu diesel đốtmồi càng nhỏ càng tốt (tương đương với lượng nhiên liệu cấp cho chu trình côngtác của động cơ ở chế độ vòng quay tối thiểu ổn định), tuy nhiên tùy theo tình

hình thực tế cũng như khả năng làm việc của động cơ với nhiên liệu khí, lượngnhiên liệu diesel có thể được khống chế ở mức tương đương 10 ~ 30 % tổnglượng nhiệt cấp.

2.2 Lựa chọn phương pháp cấp nhiên liệu khí tới động cơ

Có nhiều phương án đưa ra để góp phần cải thiện quá trình cấp nhiên liệukhí tự nhiên cho động cơ diesel Hiện nay nhiên liệu khí tự nhiên có thể đượccấp tới xylanh động cơ theo một trong những phương pháp sau đây:

2.2.1 Cấp nhiên liệu khí trực tiếp vào xylanh động cơ qua van nạp nhiên

liệu ở kỳ nạp

Nhiên liệu khí hóa lỏng có thể được đưa vào buồng đốt động cơ ở đầu quá trình nạp nhờ một van cấp bố trí trên nắp xi lanh động cơ (Hình:2.1)

Hình 2.1 - Nhiên liệu khí CNG được cấp vào buồng đốt ở cuối kỳ nạp

Nhiên liệu khí tự nhiên CNG có áp suất khoảng 20MPa được đưa qua bộgiảm áp tới giá trị áp suất làm việc sau đó cấp vào xylanh động ở cuối quá trìnhnạp nhờ các van nạp được bố trí ở trên nắp xylanh động cơ Ưu điểm củaphương pháp này khi sử dụng nhiên liệu khí là đơn giản, đảm bảo được sự đồngnhất của nhiên liệu khí CNG và không khí, tránh được hiện tượng làm ướt cửanạp khí Việc cấp nhiên liệu khí được thực hiện theo phương án riêng rẽ nêngiảm khả năng hồi lưu ngọn lửa trên đường nạp, hệ số nạp được cải thiện.Nhược điểm là quá trình bị kéo dài, gây khó khăn cho việc khống chế tỷ lệ củahỗn hợp, động cơ làm việc có thể xuất hiện tiếng gõ

Về mặt kết cấu thì phương án này phải thay đổi kết cấu trên nắp xylanh,gây khó khăn trong việc hoán cải Nhiên liệu khí tự nhiên được cấp tại cửa nạpcủa động cơ nhưng không sử dụng vòi phun mà sử dụng van nạp nhiên liệu khíCNG Van nạp này hoạt động như van điện từ Nhiên liệu được cung cấp vàoxylanh động cơ ở ngay quá trình nạp không khí vào Tức là khi quá trình xupapnạp mở để nạp không khí thì nhiên liệu khí tự nhiên cũng được đưa vào xylanhđộng cơ.

2.2.2 Phun nhiên liệu khí trực tiếp vào buồng đốt ở cuối quá trình nén

Nhiên liệu khí tự nhiên CNG trong bình có áp suất cao khoảng từ 20MPađến 30MPa cấp qua van giảm áp và được giảm xuống áp suất làm việc và đượcphun trực tiếp vào trong buồng đốt xylanh động cơ ở cuối quá trình nén nhờ mộtvòi phun có kết cấu đặc biệt Quá trình nạp được thông qua van nạp bố trí trênnắp xylanh động cơ Hình:2.2 mô tả việc cấp trực tiếp khí tự nhiên CNG vàotrong xylanh động cơ

Hình 2.2 - Phun nhiên liệu khí CNG trực tiếp vào động cơ

Ở cuối quá trình nén thì nhiên liệu khí CNG được cấp vào động cơ quathiết bị phun nhiên liệu khí CNG, đồng thời nhiên liệu diesel cũng được phunvào buồng đốt động cơ Khi đó hỗn hợp nhiên liệu khí CNG - không khí đượcnén tới áp suất cao, và nhờ sự bốc cháy của nhiên liệu diesel ở áp suất cao thìnhiên liệu khí CNG được đốt cháy và sinh công.

Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm vì nó cho phép đồng thời làm giảmmức độ gây ô nhiễm làm tăng tính kinh tế của động cơ Phun trực tiếp nhiên liệukhí CNG tới động cơ cho phép kết hợp các ưu điểm của khí tự nhiên và quátrình cháy của hỗn hợp ít phân lớp Mặt khác hệ thống phun khí CNG còn thừahưởng ưu thế của việc nhiên liệu được nén ban đầu mà không cần bơm nhiênliệu áp suất cao

Nhược điểm của hệ thống: hệ thống làm việc sẽ có tiếng gõ, hệ số nạp củađộng cơ bị giảm do sự chiếm chỗ của khí tự nhiên trong buồng đốt động cơ.Ngoài ra hệ thống phun nhiên liệu khí trực tiếp vào động cơ đòi hỏi kỹ thuật chếtạo, quá trình lắp đặt hệ thống cung cấp khí tự nhiên không phải động cơ nàocũng có thể bố trí được và điều chỉnh chính xác hệ thống phun, trong khai tháccần lực lượng sỹ quan có tay nghề cao Do quá trình phức tạp như vậy nên tínhkinh tế không đạt được nhiều ưu điểm

Phương pháp cấp nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt được áp dụng cho cácđộng cơ hai kỳ, sở dĩ các động cơ hai kỳ không áp dụng phương pháp cấp nhiênliệu vào đường nạp là bởi nguy cơ cháy nổ ống góp khí nạp là rất cao, ngoài ranhiên liệu có thể theo khí quét đi ra ngoài ống xả trong pha xả cưỡng bức củađộng cơ hai kỳ Phương pháp cấp nhiên liệu khí tự nhiên cho động cơ hai kỳ sẽđược phát triển trong tương lai

2.2.3 Cấp nhiên liệu khí vào ống góp khí nạp

Việc cung cấp nhiên liệu khí tự nhiên vào đường ống nạp phải sử dụng bộhòa trộn hay họng ống ventury Việc sử dụng và cung cấp được mô tả dướihình:2.3

Hình 2.3 - Cấp nhiên liệu khí CNG vào ống góp khí nạp

1-Chai chứa khí CNG; 2-Van nạp; 3-Đồng hồ đo áp suất; 4-Bộ lọc khí CNG; Van một chiều; 6-Bộ hòa trộn, họng ống ventury; 7-Vòi phun nhiên liệu diesel;

5-8-Động cơ diesel; 9-Bộ tiêu âm; 10-Bộ lọc không khí.

Phương pháp này việc sử dụng cả nhiên liệu khí tự nhiên và nhiên liệudiesel sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao trong quá trình khai thác dưới tàu thủy Vềmặt kết cấu thì động cơ diesel không thay đổi gì nhiều mà chỉ bố trí thêm các cơcấu để có thể điều chỉnh và cấp lượng nhiên liệu khí CNG vào động cơ sao chophù hợp Trong đó hệ thống nhiên liệu diesel vẫn làm việc bình thường, nhiênliệu diesel được phun vào cuối kỳ nén của động cơ, và quá trình nén cháy đượcdiễn ra bình thường để làm xúc tác đốt cháy nhiên liệu khí CNG Lượng nhiênliệu diesel phun vào động cơ ở cuối kỳ nén được giới hạn ở mức nhất định đểquá trình hình thành hỗn hợp cháy vẫn diễn ra Khí tự nhiên CNG đi vào bầugóp khí nạp (bộ hòa trộn, họng ống ventury) và được hút vào xylanh qua xupapnạp, nhờ vậy mà việc thiết kế hoán cải được tiến hành thuận lợi hơn khi áp dụngcho các động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ không tăng áp

Theo các kết quả phân tích cho thấy rằng khi sử dụng nhiên liệu khí CNGcho động cơ diesel thì đặc tính thay đổi áp suất bên trong xylanh động cơ được

10

diễn ra tương tự như khi sử dụng nhiên liệu diesel, do quá trình hòa trộn nhiênliệu khí CNG với không khí tốt hơn và được diễn ra bên ngoài động cơ Ngoài ra

do tốc độ quá trình cháy được đẩy mạnh hơn, quá trình cháy diễn ra hoàn thiệnhơn nên thành phần cacbon đioxit giảm đi đáng kể

Phương pháp này có ưu điểm là không cần sử dụng bugi đánh lửa cưỡngbức, hiệu quả kinh tế cao, giảm đi hàm lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường.Nhưng bên cạnh đó cũng có nhược điểm là: Thứ nhất do nhiệt độ tự cháy củanhiên liệu khí tự nhiên cao hơn so với nhiên liệu diesel do vậy mà nhiên liệu khí

tự nhiên không có khả năng tự cháy do đó mà cần phải bố trí thiết bị tạo ra ngọnlửa để đốt mồi để có thể làm cháy hỗn hợp nhiên liệu khí tự nhiên và không khí.Thứ hai do đặc điểm động cơ diesel làm việc theo nguyên tắc nén – nổ nên tỷ sốnén của động cơ diesel thường được thiết kế cao hơn nhiều (ε = 12 ÷ 21) so vớiđộng cơ xăng (ε = 6 ÷ 11) Do vậy mà khi động cơ làm việc với hỗn hợp songsong nhiên liệu có thể xảy ra nguy cơ cháy kích nổ ở động cơ diesel Để ngănngừa hiện tượng này cần lựa chọn động cơ có tỷ số nén thích hợp

2.2.4 Cấp nhiên liệu khí ngay trước cửa nạp

Nhiên liệu khí CNG được phun vào bầu góp khí nạp trước cửa nạp của xilanh động cơ Phương pháp cấp nhiên liệu khí CNG tới động cơ vào ngay cửanạp của động cơ, việc này phải sử dụng các van điện từ có điều khiển cho mỗixylanh động cơ Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí tự nhiên như một hệ thốngcommon rail

Hệ thống bao gồm: Bình chứa khí CNG có áp suất khoảng 20MPa, Bộ điềuchỉnh áp suất, bộ điều khiển ECU, vòi phun nhiên liệu CNG điện từ…(Hình:2.4)

Do đặc thù riêng của nhiên liệu nên áp suất cần thiết để cung cấp nhiên liệukhí phải phù hợp để tránh hiện tượng hóa hơi trên đường ống nhiên liệu

Vì hệ thống hoạt động ở áp suất cao nên quá trình khai thác không thể quênđược vấn đề an toàn và vấn đề này luôn được đặt lên hàng đầu trong quá trìnhkhai thác dưới tàu thủy

Hình 2.4 – Cấp nhiên liệu ngay trước cửa nạp của xylanh động cơ

1-Bình chứa khí CNG; 2-Bộ điều chỉnh áp suất; 3-Vòi phun khí CNG; 4-Bộ điều khiển cấp khí CNG; 5-Đường nhiên liệu diesel mồi; 6-Xylanh động cơ; 7- Bộ

tiêu âm; 8-Bộ lọc không khí.

Hệ thống điều khiển bao gồm các cảm biến ghi nhận thông tin về chế độlàm việc của động cơ Bộ xử lý các thông tin đã được ghi nhận từ cảm biến sau

đó sẽ phát tín hiệu đến vòi phun để xác định thời gian đóng mở vòi phun khínhiên liệu Các loại cảm biến bao gồm có: cảm biến vị trí thanh răng nhiên liệu,cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nồng độ oxy…

Hệ thống phun khí nhiên liệu trước của nạp của động cơ, cho phép cải thiệnđược tính năng của động cơ, và mức độ phát thải ô nhiễm Với hệ thống phunnhiên liệu ở áp suất ở khoảng 0.5MPa điều này cho phép cung cấp một lượngnhiên liệu chính xác theo chế độ làm việc của động cơ Việc phun nhiên liệu khíđược thực hiện theo phương án riêng rẽ nên tránh được khả năng hồi lưu ngọnlửa vào đường nạp, cải thiện được sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các

xilanh của động cơ Việc khống chế lưu lượng nhiên liệu khí nạp vào xilanhđộng cơ được thực hiện nhờ bộ vi xử lý.

Phương pháp này không làm giảm hệ số nạp của động cơ Áp suất phunđược đảm bảo, đảm bảo quá trình hòa trộn không khí với nhiên liệu khí CNG.Mặt khác hệ thống phun được điều khiển nhờ bộ điều khiển cấp nhiên liệu khíCNG (ECU) Tuy nhiên sử dụng phương pháp này cho động cơ diesel tàu thủy

cỡ nhỏ thì việc hoán cải phải có nhiều sự thay đổi, do hệ thống phức tạp hơn.Quá trình khai thác cũng cần có người có trình độ chuyên môn cao Do vậy màviệc áp dụng phương pháp này cho động cơ cỡ nhỏ là không phù hợp

Việc nghiên cứu các phương án cấp nhiên liệu khí tự nhiên CNG cho động

cơ diesel cho thấy mỗi phương án đều có ưu điểm và nhược điểm riêng Đối vớitrường hợp cấp khí tự nhiên CNG trực tiếp vào buồng đốt hay phun trên đườngnạp thì về mặt kết cấu cần phải hoán cải nhiều trong quá trình lắp đặt hệ thốngcung cấp khí tự nhiên CNG cho động cơ, về mặt nguyên lý thì phương án cũng

có nhiều nhược điểm như làm thay đổi tỷ số nén của động cơ Sự chiếm chỗ củakhông khí vào động cơ tăng lên, làm giảm ảnh hưởng tới công suất và hiệu suấtcủa động cơ Với phương án cấp nhiên liệu khí tự nhiên CNG trên đường ốngnạp thì về mặt kết cấu không có nhiều thay đổi đối với hệ thống nhiên liệu diesel

và chỉ cần thiết kế thêm các thiết bị cung cấp khí CNG Nên quá trình hoán cảidiễn ra dễ dàng và đơn giản hơn

Trên cơ sở đó lựa chọn phương pháp cấp nhiên liệu khí vào đường ống nạpcho các động cơ diesel cỡ nhỏ khi chuyển đổi sử dụng nhiên liệu khí Từ đó sẽ

có các phương án hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu cho các động cơ cụthể Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu khí tự nhiên theo phương pháp đã lựachọn được thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5 - Sơ đồ tổng quát hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG cho động cơ

diesel tàu thủy cỡ nhỏ

2.3 Nghiên cứu hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ sử dụng nhiên liệu khí

2.3.1 Cơ sở cho việc hoán cải cơ cấu điều khiển cấp nhiên liệu

Do tiêu chí cho việc chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu khí

là phải đơn giản và ít thay đổi về mặt kết cấu, nên yêu cầu hoán cải cơ cấu điềukhiển cấp nhiên liệu cho động cơ diesel là không thay đổi gì nhiều về hệ thốngcung cấp nhiên liệu diesel ban đầu Hệ thống nhiên liệu diesel được sử dụng đểđốt mồi cho nhiên liệu khí, quá trình cháy diễn ra bên trong xilanh động cơ.Trong trường hợp cần thiết nếu hệ thống nhiên liệu khí tự nhiên CNG có sự cốthì hệ thống nhiên liệu diesel vẫn được sử dụng lại bình thường mà không ảnhhưởng gì đến quá trình khai thác động cơ

Do vậy việc thay đổi tải của động cơ phụ thuộc vào quá trình cấp nhiên liệukhí tự nhiên CNG, còn nhiên liệu diesel được giới hạn ở mức lớn hơn hoặc bằngchế độ không tải Tuy nhiên trong trường hợp cần thiết có thể điều chỉnh lượngnhiên liệu diesel theo yêu cầu (5%, 10%, 20%, 30% ), khi tải tăng thì lượng

nhiên liệu khí tự nhiên CNG được điều khiển để cung cấp nhiều lên, và khi tảigiảm thì lượng nhiên liệu khí sẽ giảm đi Như vậy để đáp ứng được yêu cầulượng nhiên liệu diesel được duy trì ở một mức nhất định còn lượng nhiên liệukhí CNG cung cấp được điều chỉnh theo yêu cầu phụ tải thì hệ thống cung cấpnhiên liệu của động cơ cần phải được thiết kế thêm 2 cơ cấu:

- Cơ cấu giới hạn lượng cấp nhiên liệu diesel;

- Cơ cấu điều khiển lượng cấp nhiên liệu khí CNG

Việc điều khiển lượng cung cấp nhiên liệu khí CNG vào xylanh động cơ cóthể có hai lựa chọn:

(1) Bố trí thêm một bộ điều tốc để điều chỉnh lượng nhiên liệu khí CNGcấp vào động cơ ngoài bộ điều tốc nguyên bản của động cơ; (Hình 2.6)(2) Sử dụng chính bộ điều tốc sẵn có của hệ thống nhiên liệu diesel đểđiều chỉnh lượng nhiên liệu khí CNG (Hình 2.7)

Hình 2.6 - Sử dụng bộ điều tốc độc lập để điều khiển lượng nhiên liệu

khí CNG