TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TRẠNG THÁI KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ DIESEL ĐẾN MỨC TIÊU THỤ NHIÊN LIỆU EFFECT OF MARINE DIESEL ENGINE TECHNICAL CONDITIONS ON ITS FUEL CONSUMPTION NGUYỄN TRÍ MINH, LƯU QUANG HIỆU* Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: luuquanghieu@vimaru.edu.vn Tóm tắt Xác định mức tiêu hao nhiên liệu động diesel tàu thủy có vai trị quan trọng quản lý khai thác hiệu tàu Trạng thái kỹ thuật động diesel tàu thủy có ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ nhiên liệu chúng Tuy nhiên, việc xác định xác mức độ ảnh hưởng tình trạng kỹ thuật khó khăn Bài báo phân tích ảnh hưởng số tiêu chí tình trạng kỹ thuật đến khả cơng tác động cơ, qua đề xuất hệ số hiệu chỉnh phù hợp Từ khóa: Định mức nhiên liệu, tình trạng kỹ thuật, động diesel tàu thủy Abstract The determination of the fuel consumption for marine diesel engines plays an important role in the effective management and exploitation of the ship The engine condition of engines has a direct effect on engine’s fuel consumption However, the appropriate determination of engine condition is very difficult The paper analyzes the several engine condition criteria influecing on the performance of marine engine, thereby proposing the appropriate correction factors Keywords: Fuel consumption, technical condition, marine diesel engine Đặt vấn đề Chi phí dành cho nhiên liệu ln giữ tỉ lệ lớn tổng chi phí vận hành tàu (45-50 %) [2] Để tăng hiệu khai thác hệ động lực công ty tàu biển vận dụng nhiều phương pháp để tối ưu hóa chi phí, giải pháp định mức nhiên liệu cho tuyến đường nhóm loại tàu Định mức nhiên liệu xác cho phép cơng ty đề chiến lược kinh doanh hợp lý, đảm bảo hiệu kinh tế Áp dụng cách tính thống giúp việc quản lý nhiên liệu minh bạch hiệu SỐ 64 (11-2020) Hiện nay, Việt Nam chưa chế tạo hệ thống tự động quản lý giám sát trình sử dụng nhiên liệu tàu thủy Toàn việc quản lý thực dựa xây dựng định mức tiêu thụ nhiên liệu cho tàu theo tuyến xác định Đồng thời công ty xây dựng kế hoạch khai thác tàu dựa tuyến đường, hàng hóa, đề xuất vận tốc khai thác hợp lý định mức tiêu thụ nhiên liệu cho tàu cụ thể Để tăng cường mức độ giám sát công ty sử dụng camera để ghi lại thông số khai thác động như: vịng quay, vị trí tay ga, tốc độ tàu theo dõi trực tiếp hay lắp đặt số trang thiết bị để đánh giá nhiên liệu sử dụng toàn chuyến máy [5] Ở chủ yếu sử dụng lưu lượng kế đo lượng nhiên liệu cấp vào động lượng nhiên liệu hồi lại két, Tuy nhiên, định mức nhiên liệu xác định tầm nhìn xa hơn, khơng có chiến lược quản lý khai thác hệ động lực sử dụng nhiên liệu hiệu khai thác thấp Lượng nhiên liệu tiêu thụ máy lai chân vịt dựa sở lý thuyết xác định theo công thức [2]: (1) Go n G24 * *( ) * 24*(1 Ci) 1000 0, 25( T 1) no To Trong đó: G24: Lượng tiêu thụ nhiên liệu máy ngày (tấn/ngày); T: Lượng hàng chở tàu thời điểm tính tốn (tấn); To: Trọng tải tàu, DWT; no: Vịng quay định mức máy (vịng/phút); n: Vịng quay tồn tải máy thời điểm tính tốn (vịng/phút); 1000: Hệ số quy đổi khối lượng; Ci: Các hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng tác động đến tiêu hao nhiên liệu Công thức (1) tính đến yếu tố ảnh hưởng TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ đến mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel trình khai thác Tuy nhiên, thực tế vận dụng [1, 2] dừng lại yếu tố ảnh hưởng như: điều kiện mơi trường, tình trạng chân vịt - vỏ tàu chất lượng nhiên liệu Trong đó, tình trạng kỹ thuật động có ảnh hưởng lớn đến tiêu hao nhiên liệu chưa xem xét mức Các công ty vận tải biển cần thiết phải tính đến ảnh hưởng tình trạng kỹ thuật động định mức nhiên liệu để đảm bảo độ tin cậy, sát với thực tế khai thác Ảnh hưởng tình trạng kỹ thuật động đến tiêu thụ nhiên liệu Thực vậy, tình trạng kỹ thuật động diesel có ảnh hưởng tới cơng suất suất tiêu hao nhiên liệu có ích bao gồm yếu tố như: trạng thái hệ thống tăng áp, thiết bị cung cấp nhiên liệu, độ mài mịn nhóm piston-xylanh, độ bám cáu vào bề mặt trao đổi nhiệt làm mát, chất lượng dầu bôi trơn hệ thống bôi trơn 2.1 Ảnh hưởng thiết bị cung cấp nhiên liệu Nhiều nghiên cứu rằng, thông số kỹ thuật thiết bị cung cấp nhiên liệu thay đổi theo thời gian khai thác áp suất bắt đầu phun, góc phun sớm, chu kỳ cấp nhiên liệu [3, 4] Sau thời gian khai thác, góc phun sớm động thường thay đổi thời điểm phun nhiên liệu theo hướng bị muộn đi, chí lên tới o - 10 o vòng quay trục khuỷu Rò lọt khe hở piston-xylanh bơm cao áp ảnh hưởng đến góc phun sớm q trình cấp nhiên liệu: chậm bắt đầu kết thúc sớm bình thường Mài mịn nhóm piston-xylanh khiến áp suất bắt đầu phun vòi phun giảm, đồng thời thay đổi trạng thái lò xo bơm cao áp lỗ phun bị mài mịn hay tắc kẹt cốc hóa làm cho chất lượng phun sương nhiên liệu hẳn Giảm áp suất bắt đầu phun nhiên liệu đồng thời nguyên nhân dẫn đến gia tăng áp lực đường ống nhiên liệu lần phun lượng nhiên liệu cấp cho xy lanh không đồng Theo nghiên cứu [5] độ chênh lệch cho phép giá trị p c ±2,5%, p z -±5% xy lanh, lượng nhiên liệu cấp không khiến điều kiện bị vi phạm Mặt khác việc phân bố nhiên liệu không đồng vùng buồng đốt dẫn đến chất lượng hịa trộn nhiên liệu với khơng khí khơng tốt làm cho q trình cháy diễn khơng hồn tồn, công suất phát giảm làm cho tiêu kinh tế, kỹ thuật giảm, tiêu thụ nhiên liệu tăng ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2.2 Ảnh hưởng tình trạng hệ thống trao đổi khí Nếu hệ thống tăng áp làm việc lượng khí nạp vào xylanh giảm, lượng ô xy cung cấp giảm đi, trình đốt cháy nhiên liệu diễn khơng hồn thiện dẫn đến công suất giảm, tiêu kinh tế giảm theo, đồng thời hệ thống tăng áp làm việc làm xuất hiện tượng phản áp đường xả gia tăng sức cản đường nạp, Kết nghiên cứu động 2Đ100 có cơng suất định mức 2000 mã lực vòng quay 850 vòng/phút thay đổi sức cản nạp từ 400 - 700mmHg thể Hình cho thấy: theo chiều tăng sức cản đường nạp nhiệt độ khí xả tkx có xu hướng tăng, áp suất khơng khí cuối q trình nạp pk giảm nhiệt độ khơng khí cuối q trình nạp tk tăng lên Do sức cản đường nạp tăng lượng không khí nạp vào buồng đốt giảm, nhiệt độ trung bình khơng khí tăng lên áp suất giảm Lượng khơng khí cấp cho động giảm ảnh hưởng đến chất lượng trình cháy nhiên liệu, dẫn đến nhiên liệu cháy rớt đường xả khiến cho nhiệt độ khí xả tkx tăng, kết công suất động giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ tăng Hình Ảnh hướng sức cản nạp đến tiêu công tác động Ảnh hưởng phản áp đường xả đến tiêu công tác động thể Hình Qua đồ thị ta thấy phản áp nhỏ ảnh hưởng khơng đáng kể (vùng 100-150mmHg) Tiếp tục tăng phản áp công suất động giảm rõ rệt Sức cản đường xả lớn khiến trình nạp bị ảnh hưởng, khí sót cịn lại buồng đốt tăng làm cho lượng khơng khí thực tế đưa vào xy lanh giảm Nếu giữ tay ga nhiên liệu vị trí cũ hệ số khơng khí thừa α giảm Khi đó, nhiên liệu khơng cháy hồn toàn mà cháy rớt đường giãn nở làm nhiệt độ khí xả tăng lên, đồng thời tiêu hao nhiên liệu tăng theo SỐ 64 (11-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Khi khai thác động muội, cốc bám vào xupap xả, nạp cửa xả, quét làm cho tiết diện đường ống khí nạp xả nhỏ đi, dẫn đến lưu lượng khí sót tồn xylanh lớn lên, khơng khí nạp giảm Đặc biệt diễn đồng thời việc tăng sức cản đường nạp xả khiến tiêu công tác động giảm KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ nước làm mát, khơng khí nạp, dầu bơi trơn truyền mơi trường giảm dẫn đến kết không mong muốn Nhiệt độ khơng khí nạp trì mức cao khiến mật độ khơng khí giảm, q trình cháy kém, cơng suất giảm suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên Trường hợp nhiệt độ nước làm mát tăng nhiệt độ dầu nhờn bề mặt ma sát tăng lên làm giảm độ nhớt, giảm độ bôi trơn dẫn đến tổn thất giới tăng Trạng thái nhiệt động tăng lên, làm cho khả tải nhiệt động giảm khơng thể tăng tay ga, lượng nhiên liệu tiêu tốn thêm tốc độ tàu giảm làm cho lượng nhiên liệu chi phí cho chuyến tăng lên Tình trạng chất lượng dầu bơi trơn qua thời gian bơi trơn bị biến chất khí xả, muội xâm nhập, Mặc dù thông qua máy lọc chất lượng dầu bị thay đổi, làm cho khả bôi trơn, làm mát dầu kém, làm tăng tốc độ mài mòn chi tiết chuyển động, tăng khe hở màng dầu, tăng tổn thất giới, tiêu thụ nhiên liệu tăng theo Hình Ảnh hưởng phản áp đường xả đến tiêu công tác động 2.3 Ảnh hưởng nhóm piston-xylanh động Sau thời gian hoạt động độ mài mịn chi tiết nhóm piston - xylanh động tăng, khiến rò lọt khơng khí hành trình nén tăng, làm cho nhiệt độ Tc áp suất pc cuối kỳ nén giảm xuống đáng kể, chất lượng khơng khí nạp nén cuối q trình nén giảm [3] Mài mịn chi tiết xéc-măng, cổ khuỷu, ổ đỡ truyền làm giảm hành trình nén piston tồn cấu dịch chuyển xuống phía Khi thể tích buồng đốt Vc tăng lên, đồng thời tỉ số nén giảm Mức độ tăng thể tích buồng đốt Vc đến mức định làm giảm đáng kể cơng suất tính kinh tế động Ảnh hưởng tổng hợp nguyên nhân khơng tạo điều kiện hồn hảo cho q trình hịa trộn cháy nên thời gian trì hoãn cháy kéo dài, động làm việc “cứng” q trình cháy kéo dài sang phía giãn nở, tượng cháy rơi, cháy rớt nhiều làm cho tiêu công tác động giảm đáng kể Hệ số điều chỉnh tính định mức nhiên liệu phụ thuộc tình trạng động Qua phân tích trên, ta thấy ảnh hưởng yếu tố tình trạng kỹ thuật động đến mức tiêu thụ nhiên liệu lớn, việc xác định cụ thể mức độ tác động phức tạp Vì vậy, để tính tốn độ suy giảm cơng suất động cơ, định mức nhiên liệu tình trạng kỹ thuật động gây cần áp dụng phương pháp thống kê, kinh nghiệm nhiều đội tàu giới sử dụng cách đánh giá phần trăm suy giảm công suất động phần 2.4 Ảnh hưởng hệ thống bôi trơn hệ thống làm mát Trạng thái kỹ thuật động chịu ảnh hưởng chế độ nhiệt, chất lượng làm mát Rõ ràng sau thời gian cơng tác lượng cáu cạn dần hình thành bề mặt trao đổi nhiệt thân máy, sinh hàn làm giảm hệ số trao đổi nhiệt Nhiệt lượng SỐ 64 (11-2020) Hình Sự thay đổi số khai thác theo thời gian TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ trăm tăng suất tiêu hao nhiên liệu theo thời gian khai thác Nói cách khác, biểu diễn thay đổi tiêu theo thời gian khai thác: Ne = f(t); ge = f(t); định mức nhiên liệu trung bình = f(t) cần thiết ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY ảnh hưởng tình trạng kỹ thuật động đến mức tiêu thụ nhiên liệu giảm mức độ sai lệch Đối với máy tàu VINALINES DIAMOND áp dụng K3 = 4,5 cho phù hợp Trên Hình biểu thị mối quan hệ Ne, Gnl, ge động 4DV224 công suất 76 kW vận tốc quay trục khuỷu 750 vịng/phút [4] Đặc tính khai thác động rõ ràng có thay đổi sau thời gian hoạt động Thời gian vận hành tăng cơng suất động giảm cịn mức tiêu hao nhiên liệu tăng Trên sở nghiên cứu số liệu rút hệ số điều chỉnh độ tăng tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc vào thời gian hoạt động động theo thống kê Viện nghiên cứu tàu thủy Liên bang Nga ta có hệ số K3 giá trị thống kê (Hình 4) Có thể thấy hệ số hiệu chỉnh theo thời gian hàm tuyến tính, phần trăm tiêu thụ nhiên liệu tăng theo thời gian khai thác hệ động lực Trung bình 5000 khai thác mức tiêu thụ nhiên liệu động diesel tăng 1% Hình Lượng tiêu thụ nhiên liệu động MAN B&W 7L 58/64 CD Kết luận Hình Hệ số hiệu chỉnh thay đổi theo thời gian Thực tính tốn mức tiêu thụ nhiên liệu động MAN B&W 7L 58/64 CD công suất 9730kW vòng quay chân vịt 130 vòng/phút lắp đặt tàu VINALINES DIAMOND (IMO-9330288) đóng năm 2007 hải trình Hải Phịng - Thành phố Hồ Chí Minh Kết đo thực tế tính tốn lý thuyết cho máy vào năm 2016 thể Hình Từ kết thấy ln tồn chênh lệch lượng tiêu thụ nhiên liệu thực tế lý thuyết máy chính, cụ thể chế độ tải 50% 75% mức chênh 3,2% 4,4% Kết thu tính tốn lý thuyết thông số đầu vào động trạng thái tốt nhà sản xuất cơng bố, thực tế sau q trình khai thác tình trạng kỹ thuật có thay đổi Vì thế, việc áp dụng hệ số K3 thể Như vậy, tính tốn định mức nhiên liệu cơng ty quản lý đội tàu cần quan tâm đến tình trạng kỹ thuật động lắp đặt tàu Các thông số kỹ thuật có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất sử dụng nhiên liệu động cơ, nhân tố quan trọng xác định tổng tiêu hao nhiên liệu Qua trình khai thác, vận hành thiết bị hệ thống nhiên liệu, khơng khí, làm mát, bôi trơn nên công suất động có xu hướng giảm, để trì tốc độ tàu lượng nhiên liệu tiêu thụ buộc phải tăng Theo tính tốn 5000 khai thác mức độ tiêu hao nhiên liệu động tăng lên 1% Tuy nhiên, trình độ tổ chức khai thác, bảo dưỡng định kỳ đội ngũ thuyền viên khác nên hệ số hiệu chỉnh nhóm tàu cần tham khảo giá trị trung bình thống kê nhiều năm để hạn chế sai số Lời cảm ơn Bài báo sản phẩm đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường năm học 2019-2020, tên đề tài: “Nghiên cứu, tính tốn định mức tiêu hao nhiên liệu đội tàu biển Việt Nam xét đến ảnh hưởng tình trạng kỹ thuật hệ động lực”, hỗ trợ kinh phí Trường Đại học Hàng hải Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thông tư 12/2019/TT-BGTVT - Định mức kinh tế - kỹ thuật hao phí ca máy cho phương tiện chun dùng cơng tác quản lý, bảo trì đường thủy nội địa SỐ 64 (11-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [2] Nguyễn Hùng Vượng, Khiếu Hữu Triển, Võ Đình Phi Tính tốn tiêu thụ nhiên liệu máy tàu biển Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 24, tr.13-15, 2010 [3] Korczewski, Zbigniew, and Marcin Zacharewicz Evaluation of working spaces' technical condition of marine diesel engine on the basis of operation research Journal of Polish CIMAC 4.1: 85-94, 2010 [4] В.К Лопарев, Анализ влияния технического состояния судовых ДВС на их экономические показатели, Журнал университета водных коммуникаций, Выпуск 4, 33-36" SỐ 64 (11-2020) KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ [5] Шульга, Е.Ф., Щукина, В.Н., Девянин, С.Н Надежность упреждения потерь с использованием мониторинга транспортных средств Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет имени В.П Горячкина - №5(81) - С 16 - 20" 2017 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 28/05/2020 09/06/2020 15/06/2020