8. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN
4.1.5. Phương pháp hịa trộn khuấy
Khi sử dụng hịa trộn với số lượng nhỏ, thực tế thường dùng phương pháp hịa trộn khuấy. Hai két dầu B100 và DO cĩ dung tích nhỏ, cĩ thang chia xác định thể tích dầu của mỗi két. Tùy theo mục đích hịa trộn cĩ thể mở một lượng dầu B100 vào két DO sau đĩ dùng thiết bị khuấy đều két hịa trộn. Phương pháp này thường được sử dụng cho các phương tiện nhỏ, động cơ sử dụng cĩ lượng tiêu hao nhiên liệu nhỏ. Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng sử dụng và được thực hiện một cách nhanh chĩng do thể tích hịa trộn nhỏ. Phương pháp này tương tự phương pháp vung tĩe.
Trên cơ sở các phương pháp trên, Luận án xác định mơ hình bộ hịa trộn cho động cơ Cummin NTA855 như sau:
Máy Cummins NTA855 là dịng máy cao tốc cĩ nguồn gốc từ Mỹ, cĩ cơng suất trung bình. Dịng máy này cĩ độ tin cậy về tuổi thọ và độ bền cao, khả năng lắp lẫn với các dịng động cơ cùng seri thuận lợi nên được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt là trên các tàu đánh cá xa bờ,… Tại vịng quay định mức 2100 rpm, cơng suất của động cơ phát ra là 255 kW, lượng tiêu thụ nhiên liệu trong 1 giờ (Ge) là 72 lít.
Vì là động cơ lai chân vịt nên thực tế lượng nhiên liệu tiêu thụ ở đây sẽ bị dao động. Một phần do động cơ lắp đặt ở nước ta chủ yếu là động cơ cũ, nên cơng suất phát ra sẽ giảm đi đáng kể so với cơng suất định mức. Phần khác là do điều kiện khai thác của tàu ở nhiều chế độ vịng quay chứ khơng phải là một chế độ vịng quay định mức.
Ngồi ra cịn cĩ nhiều yếu tố ảnh hưởng khác như dịng chảy, giĩ, luồng lạch… Trong nội dung này, sẽ chọn tiêu hao nhiên liệu lớn nhất với tải và vịng quay định mức để làm cơ sở lựa chọn phương pháp hịa trộn. Đối với dịng động cơ trên, Luận án đề xuất chọn phương án hịa trộn trong ống (In line blending) và phương pháp hịa trộn vung tĩe như đã phân tích. Ở phương pháp hịa trộn này, thay vì hịa trộn xong được đưa trực tiếp tới động cơ thì hỗn hợp sau khi hịa trộn sẽ được đưa vào một két gọi là két hịa trộn, từ két này nhiên liệu sẽ được cung cấp trực tiếp tới động cơ. Thực hiện theo phương pháp này thì cĩ thể hịa trộn trực tiếp dưới tàu rồi đưa vào két chứa nếu như khơng gian buồng máy động cơ rộng. Trường hợp khơng thể hịa trộn do khơng gian hẹp sẽ phải thực hiện hịa trộn trên bờ trước khi cấp nhiên liệu xuống tàu.
Từ những phân tích cho thấy, phương pháp hịa trộn kiểu trong ống là một trong những phương pháp hịa trộn thuận lợi. Với khả năng hịa trộn hồn tồn được 2 loại
nhiên liệu nên các thơng số kỹ thuật của nhiên liệu được đảm bảo một cách tốt nhất. Ngồi ra, do động cơ sử dụng lượng nhiên liệu ở mức trung bình nên phương pháp hịa trộn In-Line sẽ được thực hiện trên bờ trước khi đưa vào sử dụng. Bên cạnh đĩ, trong phương pháp hịa trộn này ngồi dầu được hịa trộn trong đường ống và trong các bánh răng của bơm khi quay vận chuyển dầu, thì dầu khi được cấp xuống tàu chứa trong két cịn được hịa trộn thêm do quá trình vận chuyển dầu xuống tàu, các rung động tạo ra trong két khi tàu chạy... giúp cho việc hịa trộn hồn tồn hơn.
Mơ hình hịa trộn In-Line cho động cơ Cummins NTA855 như trên hình 4.3 sử dụng 2 két dầu DO và biodiesel B100 tách biệt. Van 1 và van 3 mở dầu đưa tới các phin lọc, sau phin lọc là van điều chỉnh cĩ thang chia lưu lượng đi vào bơm. Ở van chia này cĩ thể mở lưu lượng khác nhau tùy theo vào mục đích hịa trộn. Việc xác định tỷ lệ hai van 5 và 6 này được tiến hành bằng thực nghiệm nhiều lần để xác định đúng vị trí độ mở của 2 van sao cho thể tích hịa trộn là chính xác. Dầu sau khi đi qua 2 van 5 và 6 sẽ đi qua bơm, ngồi tác dụng hịa trộn trong đường ống thì khoảng khơng gian giữa các răng để vận chuyển dầu cũng giúp cho dầu được hịa trộn một cách tốt nhất. Từ vị trí của bơm 1, nếu cả hệ thống được lắp đặt dưới tàu thì dầu sẽ được bơm trực tiếp tới két chứa dầu hịa trộn, tiếp đến sẽ được bơm 2 vận chuyển đi vào động cơ. Trong trường hợp khác nếu thực hiện hịa trộn theo kiểu văng tĩe thì dầu sau khi hịa trộn sẽ được cấp xuống tàu và chứa trong két chứa dầu hịa trộn và được bơm dầu 2 cấp tới động cơ.
Như vậy, khi hịa trộn cho máy Cummins NTA855, cĩ thể mở nhỏ van số 2 và 4, kiểm tra xem trong 2 két dầu DO và biodiesel B100 cĩ nước trong đĩ khơng. Nếu cĩ, phải thực hiện xả hết lượng nước trong đĩ, vì nếu để nước xâm nhập vào trong động cơ thì ngồi tác dụng gây khĩ nổ, ăn mịn cịn gây kẹt vịi phun… Tiếp theo là đĩng van 2 và van 4 lại, mở van 1 và 3 để nhiên liệu đi tới các phin lọc. Mở van 7 trước bơm đi tới két chứa hịa trộn, sau đĩ cho chạy bơm dầu số 1 để hịa trộn dầu và đưa về két chứa dầu hịa trộn. Tỉ lệ mở van số 5 và 6 như đã nĩi ở trên là sẽ mở theo tỉ lệ hịa trộn B10. Thang chia trên van 5 và 6 là định tỉ lệ từ thực nghiệm trước đĩ, dùng để kiểm sốt tỉ lệ hịa trộn cho chính xác. Dầu ở trong két chứa hịa trộn sẽ được bơm dầu số 2 chạy đưa tới động cơ. Việc xác định lưu lượng của bơm là dựa vào suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ.
Hình 4.3. Phương pháp hịa trộn In-Line cho động cơ Cummins TNA855 4.2. Bố trí thiết bị thực nghiệm 4.2. Bố trí thiết bị thực nghiệm
4.2.1. Thiết bị thực nghiệm 4.2.1.1. Động cơ thực nghiệm 4.2.1.1. Động cơ thực nghiệm
Động cơ thử nghiệm được phân tích, lựa chọn tại chương 1, các thơng số chủ yếu xem ở bảng 1.8. Động cơ Cummins NTA855 là một dịng máy cao tốc cĩ nguồn gốc từ Mỹ, cĩ lịch sử phát triển lâu đời và được sử dụng rất phổ biến trên các tàu cá, phương tiện giao thơng đường bộ như xe tải, xe container. Ngồi ra loại động cơ này cịn được lắp đặt trên các phương tiện đường thủy khác như xà lan và dùng làm máy phát điện trên tàu và trên bờ. (hình 4.4).
Hình 4.4. Động cơ Cummins NTA855 lắp trên bệ thử
Động cơ Cummins NTA855 là loạt động cơ cĩ hệ thống nhiên liệu điều khiển quá trình phun vào xi lanh bằng CAM, khơng sử dụng cụm vịi phun – bơm cao áp dạng BOSCH truyền thống. Hệ thống nhiên liệu sử dụng cơ cấu BIG CAM điều khiển và tạo áp lực phun trực tiếp tại vịi phun, bơm cao áp được thay thế bằng một bơm bánh răng áp lực thấp và điều khiển lưu lượng dầu đến các vịi phun. Đối với hệ thống nhiên liệu này, chỉ xác định được lượng dầu cấp sử dụng vào động cơ thơng qua lưu lượng kế và mức tiêu hao nhiên liệu thực tế tại két chứa. Một đặc trưng khác của dịng động cơ Cummins là mặt qui lát của động cơ được đúc liền cho từng cặp 2 xi lanh, khơng cĩ van biệt xả và vị trí lắp nhiệt kế để xác định cho từng xi lanh. Đây chính là điểm hạn chế và rất khĩ khăn khi nghiên cứu để xác định được tình trạng làm việc của từng xi lanh.
4.2.1.2. Bộ phối trộn nhiên liệu
Động cơ chỉ tiến hành thực nghiệm với nhiên liệu biodiessel theo chế độ thực nghiệm và tỷ lệ xác định trong chương 3 để đánh giá kết quả khi so sánh với nhiên liệu DO. Trong đĩ, nhiên liệu DO và B100 thoả mãn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717. Phương án cấp nhiên liệu biodiesel cho động cơ là hệ thống cấp nhiên liệu được lắp
đặt song song với nhiên liệu DO. Trên cơ sở này, sơ đồ bố trí hệ thống phối trộn nhiên liệu vào động cơ được trình bày như trên hình 4.5.
Hình 4.5. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu DO và biodiesel song song sử dụng van 3 ngả
Từ sơ đồ hình 4.5, yêu cầu của quá trình thực nghiệm khi tiến hành cấp dầu biodiesel cho động cơ được thực hiện như sau:
Các vật tư cần thiết:
- 1 két dầu biodiesel B10 cĩ thể tích bằng két dầu DO cĩ sẵn. - Một van cấp dầu tương tự van cấp dầu DO.
- 2 van ba ngả để chuyển đổi dầu cấp và dầu hồi song song, 2 két dầu DO và B10. - Đường ống nối từ két chứa đến van cấp dầu và từ van ba ngả về két chứa. - Một bình định lượng dầu B100 cĩ thể tích bằng 10% bình chứa dầu B10.
Lắp đặt két dầu B10:
- Két dầu B10 lắp liền kề với két dầu DO và dùng đoạn đường ống nối song song từ 2 két đến van cấp dầu ba ngả vào động cơ.
- Lắp đường ống và van ba ngả từ đường dầu hồi về két chứa dầu B10. - Lắp đặt hồn chỉnh đường ống, van như sơ đồ hính 4.4.
Chuyển đổi vị trí làm việc của hệ thống:
- Khi làm việc với dầu DO, đặt tay điều khiển của van ba ngả của dầu cấp và dầu hồi về vị trí cấp dầu DO hoặc ngược lại khi làm việc với dầu B10 đặt vị trí đồng thời của van cấp và van hồi về vị trí cấp dầu B10.
- Dầu B100 được nhận và bảo quản trong két chứa, để pha chế hịa trộn thành dầu B10, luận án sẽ sử dụng phương pháp hịa trộn thủ cơng bằng cách: Cấp dầu DO vào két B10 với khoảng 90% thể tích và sau đĩ dùng két định lượng rĩt dầu B100 vào két B10 ứng với 10% thể tích.
- Sau khi rĩt dầu B100 vào bình B10, sử dụng que thăm khuấy đều dầu B100 khoảng 5 – 10 phút tùy thuộc vào thể tích két chứa, khi dầu B100 đảm bảo hịa tan hồn tồn trong dầu DO mới tiến hành sử dụng.
Với các yêu cầu trên, lựa chọn thiết bị lắp đặt hệ thống hịa trộn cho động cơ đặc trưng Cummins NTA855. Các van điều chỉnh lưu lượng và phin lọc được bố trí trên đường ống nhiên liệu cấp vào bơm. Bộ hịa trộn nhiên liệu bằng bơm bánh răng sử dụng cho phương án hịa trộn trong đường ống (In- Line) được luận án nghiên cứu chế tạo như trên hình 4.6.
Hình 4.6. Bộ hịa trộn nhiên liệu bằng bơm bánh răng
Các két chứa dầu của hệ thống hịa trộn và cấp nhiên liệu cho động cơ Cummins NTA855 như trên hình 4.7.
Hình 4.7. Hệ thống hịa trộn và cấp dầu cho động cơ Cummins NTA855 4.2.1.3. Bộ tiêu cơng suất (Dynometter) 4.2.1.3. Bộ tiêu cơng suất (Dynometter)
Để tiến hành thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel như đã phân tích và lựa chọn ở phần trên. Căn cứ vào cấu tạo thực tế của động cơ, NCS tiến hành lựa chọn thiết bị đo phù hợp với đặc điểm cụ thể của từng động cơ. Trên cơ sở đĩ, tận dụng khả năng làm việc của các thiết bị đo phục vụ thực nghiệm động cơ Cummins NTA855 cũng sẽ dùng cho các loại động cơ khác được trình bày trong phụ lục 2 và phụ lục 3 để giảm thiểu chi phí.
Để đánh giá được khả năng làm việc và tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel máy thủy, thơng thường sử dụng thiết bị tạo mơ men cản cho động cơ thay thế phụ tải đĩ là bộ tiêu cơng suất Dynometter. Ở các thiết bị này cho phép thay đổi phụ tải liên tục tác động lên động cơ tùy theo giá trị mong muốn và được xác định bằng mơ men hay cơng suất. Mơ men cản được tạo ra trong các bộ tiêu cơng suất tùy thuộc vào thiết kế. Bộ tiêu cơng suất hiện nay trên thị trường chủ yếu được chế tạo theo 3 nguyên tắc chính sau:
Bộ tiêu cơng suất bằng ma sát cơ khí;
Bộ tiêu cơng suất bằng thủy lực, sử dụng nước làm mơi chất;
Bộ tiêu cơng suất bằng điện.
Trên thế giới hiện nay cĩ rất nhiều hãng chế tạo bộ tiêu cơng suất sử dụng cho thực nghiệm để đánh giá tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel. Một số hãng chế tạo
bộ tiêu cơng suất nổi tiếng như: Dyno Mite Land & Sea, Taylor Dynometter, KAHN của Mỹ, DB của Anh Quốc và một số thương hiệu khác của Trung Quốc.
Để lựa chọn bộ tiêu cơng suất thử nghiệm cho từng loại động cơ đặc trưng, luận án đưa ra các tiêu chí lựa chọn như sau:
Cơng suất cản của bộ tiêu cơng suất phải đảm bảo làm việc được trong giới hạn cơng suất phát ra của động cơ;
Vịng quay làm việc và mơ men cản phải tương thích với động cơ thực nghiệm;
Dễ sử dụng, làm việc ổn định và tin cậy;
Giá thành thấp;
Thiết bị hiện cĩ sẵn tại thị trường Việt Nam.
Dựa theo các tiêu chí trên, luận án lựa chọn bộ tiêu cơng suất cho quá trình thực nghiệm là Dyno Mite Land & Sea của Mỹ như trên hình 4.8. Các thơng số cơ bản như sau:
Bộ tiêu cơng suất: 800 Marine Engine Dyno, mã số: #050-800-1K;
Cơng suất cản từ 2 ÷ 800Hp;
Mơ men cản từ 1 ÷ 1.359 Nm;
Vịng quay từ 1000 ÷12.000 v/p;
Sai số cho phép: 1%.
Hình 4.8. Phanh thủy lực Dynomide
1: Phanh Dynomite; 2: Trục chính; 3: Ống nước ra; 4: Ống nước vào; 5: Bệ máy
Giao diện chương trình đo cơng suất, mơ men và vịng quay của phanh Dyno như trên hình 4.9.
Hình 4.9. Giao diện đo dữ liệu của bộ đo Dyno max 2010
Nguyên lý hoạt động:
Thiết bị Dynomite dual rotor hoạt động trên nguyên lý làm việc chung của phanh thuỷ lực: Cơng suất từ động cơ tiêu hao một phần để vận chuyển chất lỏng chứa trong phanh, một phần để thắng lực ma sát giữa rotor với chất lỏng. Chất lỏng làm việc trong phanh thường là nước, vì nĩ cĩ nhiệt dung lớn, độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ và rẻ tiền. Khi đo với cơng suất lớn người ta cĩ thể dùng dầu với độ nhớt lớn. Năng lượng nhận được từ phanh thủy lực chuyển thành nhiệt và làm nĩng chất lỏng .
Mơ men trong phanh thủy lực được xác định:
f n v r
M G *C*(T T ) (4.1) Mơ men cần đo sẽ bằng tổng mơ men tính tốn trên lực kế và mơ men trong
phanh thuỷ lực:
dc f
M M p.l (4.2)
Trong đĩ:
Gn - lượng nước cần cho phanh làm việc; C - tỷ nhiệt của nước;
Tv, Tr - nhiệt độ tại cửa vào và cửa ra khỏi phanh; p - lực kế;
Khi làm việc, phanh thủy lực được nối cứng vào bích ra của động cơ, nước được cung cấp vào phanh qua cụm van điều khiển tải nhờ một bơm được thiết kế tuần hồn khép kín. Động cơ sẽ làm quay bánh cơng tác, tác động lên mơi trường nước truyền động qua stato xoay tồn bộ cụm thiết bị của bộ hút thu. Nhờ cánh tay địn lực được gắn cố định trên stato của phanh ngăn cản chuyển động xoay này. Máy tính sẽ đo lực căng qua bộ cảm biến gắn trên bề mặt cánh tay địn lực, tự động truyền đến bộ xử lý nhờ phần mềm đã cài đặt (Dynomax 2010), chuyển thành dữ liệu số. Máy tính lưu trữ tồn bộ dữ liệu, tiến hành tính tốn và trình bày dưới những trạng thái khác nhau.
4.2.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm
Nối mặt bích cơng suất của động cơ với mặt bích của bộ tạo tải (thơng qua bộ truyền bánh răng) các cảm biến tốc độ, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí xả được lắp đặt như hình 4.10.
Hình 4.10. Sơ đồ bố trí thực nghiệm
1. Động cơ, 2. Van ba ngả, 3. Thiết bị phối trộn, 4. Cảm biến to khí xả và đo khí xả, 5. Nguồn điện, 6. Máy vi tính, 7. Thiết bị kết nối cảm biến, 8. Cảm biến to nước làm