Nghiên cứu sự ảnh hưởng của sử dụng chất xado đến tính năng kỹ thuật của động cơ diesel

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, số 3/2010 THÔNG BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SỬ DỤNG CHẤT XADO ĐẾN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL STUDY THE INFLUENCE OF XADO USE TO THE ENGINNEERING FEATURE OF DIESEL ENGINES. Lê Bá Khang Khoa Cơ khí, Trường Đại học Nha Trang Tóm tắt Nghiên cứu Công nghệ Xado mà chủ yếu là ứng dụng Chất Xado để nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ đã được các nước Ucraina, Nga, Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc, Úc áp dụng từ những năm 1999-2000. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng đối với động cơ diesel tàu thủy mới ở bước khởi đầu. Sau khi thiết lập Qui trình sử dụng Chất Xado (sơ bộ), tiến hành thực nghiệm xác định lượng tiêu hao nhiên liệu giờ (Gnl), suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge), áp suất cuối kỳ nén (pc), trên 3 động cơ diesel công suất nhỏ, tốc độ cao đã qua sử dụng, tại phòng thí nghiệm, so sánh các thông số đó với trường hợp khi động cơ chưa xử lý Chất Xado. Trên cơ sở suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ Gao pheng giảm nhiều nhất (6,4%), chúng tôi chọn hàm lượng Chất Xado cho vào dầu bôi trơn là 5,7 ml Chất Xado Diesel /1 lít dầu bôi trơn, tương ứng qui trình sử dụng. Đây cũng là cơ sở để tiếp tục kiểm định, hoàn thiện Qui trình sử dụng Chất Xado trên hiện trường. Abstract The study of Xado technology, principally the application of Xado to enhance the efficiency of engines was enforced by Ucraina, Russia, Japan, the United States of America, China, Australia in 1999-2000. In VietNam, the study of Xado technology for application to marine diesel engines was at the first step. After the preliminary establishment of the procedure for Xado use, the experimentation of assessment of the fuel consumption per hour, the efficiency of the useful fuel consumption, the pressure at the end of compression phase on the three diesel engines of small power, high speed in laboratories compared to the data with previous circumstance of no use of Xado. At the consumption of useful fuel of Gao pheng engines was most reduced to 6.4%, we chose the Xado Diesel content in the engines lubricant 5.7 ml/1 liter commensurate with the procedure. This is necessary step to assess, to perfect the Xado use regulations on the spot. Từ khóa: Chất Xado; Tính năng kỹ thuật động cơ. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay trữ lượng nguồn nhiên liệu truyền thống ngày càng giảm mạnh, giá thành cao và dao động lớn, thì việc tìm kiếm giải pháp để giảm thiểu tiêu hao nhiên liệu trong khai thác kỹ thuật động 9 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, số 3/2010 cơ cũng như bảo vệ môi trường được đặt ra như một vấn đề cấp thiết. Và nội dung nghiên cứu ứng dụng Chất Xado cho động cơ diesel thủy được trình bày sau đây là hướng về mục đích đó. Các nước Ucraina, Nga, Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc, Úc đã ứng dụng Công nghệ Xado từ những năm 1999-2000 [1]. Ở nước ta, nhiều nhà khoa học quan tâm đến vấn đề này, tuy nhiên việc nghiên cứu ứng dụng đối động cơ diesel tàu thủy mới ở bước khởi đầu. Ứng dụng Chất Xado trên cơ sở thiết lập qui trình sử dụng (sơ bộ) và tiến hành thực nghiệm trên động cơ diesel thủy công suất nhỏ, tốc độ cao trong phòng thí nghiệm nhằm xác định và so sánh một số thông số tính năng kỹ thuật trước và sau sử dụng Chất Xado, đồng thời dựa vào mức giảm chi phí nhiên liệu để chọn hàm lượng Chất Xado cho qui trình sử dụng và cho việc kiểm định tiếp theo. II. ĐỐI TƯỢNG, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel công suất nhỏ, tốc độ cao cùng Qui trình sử dụng Chất Xado. - Thiết bị nghiên cứu: Thiết bị khảo sát thông số tính năng động cơ, đồng hồ đo áp suất, cân điện tử... - Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp lý thuyết trên cơ sở đó xây dựng qui trình công nghệ và tiến hành thực nghiệm. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của thiết bị khảo sát thông số tính năng động cơ - Cấu tạo của thiết bị trình bày trên hình 1. Hình 1: Mô hình khảo nghiệm động cơ 1-Động cơ diesel; 2- Đồng hồ đo nhiệt độ khí xả; 3-.Đồng hồ đo áp lực dầu bôi trơn; 4- Cảm biến nhiệt độ nước vào (đặt trên đường vào) làm mát động cơ; 5. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ra (đặt trên đường ra) ; 6 - Cảm biến nhiệt độ không khí; 7- Máy tính; 8- Bảng táp lô điện; 9- Cụm thu nhận và xử lý dữ liệu;10-Đồng hồ chỉ báo; 11- Núm điều chỉnh tải;12- Áp tô máp; 13- Két làm mát; 14- Quạt làm mát; 15 – Bơm nước; 16- Thùng nước; 17- Điện trở;18- Đinamô; 19- Dây đai; 20- Cảm biến tốc độ động cơ; 21- Đế máy. - Nguyên lý hoạt động: 10 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, số 3/2010 Khi động cơ (1) hoạt động, thông qua bộ truyền đai (19) dẫn động đinamô xoay chiều một pha 7,5 kW, điện áp 220v (18) phát điện. Dòng điện sinh ra được tiêu thụ trên 6 điện trở thuần (17) đặt cố định trong thùng nước (16). Khi thay đổi vị trí của núm điều chỉnh (11), sẽ làm thay đổi dòng điện trong mạch điều khiển và dòng điện đi qua các điện trở (17), dẫn đến thay đổi phụ tải động cơ. 2. Thiết lập Qui trình sử dụng Chất Xado (sơ bộ) 1. Nghiên cứu thông số tính năng kĩ thuật động cơ. 2. Kiểm tra, bảo dưỡng động cơ (đánh giá chất lượng hoặc khả năng mang tải của động cơ nghiên cứu). 3. Thay dầu bôi trơn và tháo bỏ hoặc nối tắt đường dầu bôi trơn (lọc ly tâm) 4. Cho động cơ làm việc đến nhiệt độ qui định. 5. Dừng máy, cho Chất Xado lần thứ nhất vào dầu bôi trơn, sau đó tiếp tục cho động cơ làm việc (1,5- 2) giờ ở chế độ không tải. 6. Dừng máy, cho Chất Xado lần thứ hai vào dầu bôi trơn, sau đó cho động cơ chạy khoảng 10 giờ ở chế độ mang tải nhẹ (35÷50)% . 7. Dừng máy, cho Chất Xado lần cuối vào dầu bôi trơn, sau đó cho động cơ chạy khoảng (20÷30) giờ thì dừng máy, lắp lại lọc dầu bôi trơn (kết thúc quá trình xử lý Chất Xado). Ở giai đoạn này có thể cho mang toàn tải và chạy với tốc độ định mức. 3. Tiến hành thực nghiệm 3.1. Tính tải cho động cơ khảo nghiệm - Chọn 3 động cơ cũ, công suất nhỏ, tốc độ cao, hiện đang được sử dụng thông dụng trên các tàu thủy hoạt động ven bờ vùng biển Nha Trang: động cơ Gao pheng, động cơ Samdi, động cơ Yanmar có các thông số kỹ thuật như sau: Động cơ diesel D12, hiệu Gao pheng và D12 hiệu Samdi: một xi lanh, kiểu nằm, làm mát bằng nước, khởi động bằng tay, đường kính xi lanh 95mm, hành trình piston 115 mm, công suất định mức Nen =12 Hp, thể tích xylanh 0,815 l, tốc độ quay định mức nn= 2000 (v/ph), suất tiêu hao nhiên liệu riêng 185 (g/Hp.h), áp suất phun dầu 120 ± 5 (kG/cm²), trọng lượng 145 (kg), Kích thước 814x551x620 (mm), góc phun sớm nhiên liệu 16-200gqtkh. Thể tích dầu bôi trơn 3,5 lít. Động cơ Yanmar diesel TF 80L, công suất Nen = 8,5 Hp, tốc độ định mức nn= 2400v/ph, 1 xi lanh, kiểu nằm, làm mát bằng nước, khởi động bằng tay, đường kính xi lanh D = 80 mm, hành trình piston S = 87 mm, kích thước LxBxH= 662x330,5x496mm, Trọng lượng khô 88 kg. Thể tích dầu bôi trơn 2,5 lít. Sau khi bảo dưỡng, chúng tôi kiểm tra đánh giá khả năng mang tải của động cơ, cụ thể động cơ Gao pheng giới hạn mang tải đến 3,52 kW, Samdi giới hạn mang tải đến 3,96 kW, Yanmar giới hạn mang tải đến 2,2 kW. - Tính tải cho động cơ Việc tính toán dựa vào công thức: Neđc = 1,36 Npt * cosϕ / ηtđ.ηmf. ηmt (kW) Neđc = 1,36 Nemf * cosϕ / ηtđ. ηmt (kW) Chọn : - Hiệu suất bộ truyền động đai ηtđ = 0,97 ; - Tổn thất môi trường ηmt = 0,85 và cosϕ = 1 (điện trở thuần). Vậy : Neđc = 1,65 Nemf (kW) Số liệu trình bày tại bảng 1. Bảng 1: Tính toán tải cho động cơ khảo sát Thứ tự mang tải 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Phụ tải (kW) 1,1 1,32 1,54 1,76 1,76 1,98 2,2 2,42 2,64 2,86 3,08 Neđc (Hp) 2,47 2,96 3,45 3,94 4,44 4,93 5,42 5,92 6,41 6,90 7,40 Thứ tự mang tải 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Phụ tải (kW) 3,52 3,74 3,96 4,18 4,40 4,62 4,84 5,06 5,28 5,50 Neđc (Hp) 7,89 8,38 8,87 9,38 9,86 10,33 10,85 11,35 11,83 12,34 3.2. Qui hoạch, qui trình thí nghiệm 11 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, số 3/2010 • Lượng Chất Xado cho vào dầu bôi trơn động cơ khảo nghiệm Sau khi nghiên cứu tổng hợp cơ sở lý thuyết và khảo sát động cơ khảo nghiệm chúng tôi chọn hàm lượng Chất Xado cho vào dầu bôi trơn động cơ theo 3 giai đoạn 5,6,7 tại Qui trình sử dụng Chất Xado (mục 3.2), như sau: động cơ Gao pheng 5,7 ml Chất Xado Diesel /1 lít dầu bôi trơn, động cơ Sam di 5,18ml Chất Xado Diesel /1 lít dầu bôi trơn, động cơ Yanmar 6,22 ml Chất Xado Diesel /lít dầu bôi trơn. • Lượng tiêu hao nhiên liệu giờ (Gnl) chúng tôi sử dụng bình chứa 500 ml có vạch chia 20 ml. Lượng nhiên liệu cần đo 100 ml. Nhiên liệu sử dụng dầu DO 0,25% S, dầu bôi trơn Nikko SAE - 40, do Công ty xăng dầu Phú khánh tại Nha Trang cung cấp [2]. Cho động cơ làm việc theo từng mức phụ tải không đổi, theo dõi xác định thời gian động cơ tiêu thụ hết khối lượng nhiên liệu thử nghiệm. Tại mỗi điểm thí nghiệm tiến hành 4 lần đo, lấy giá trị trung bình. Lượng tiêu hao nhiên liệu giờ được tính: Gnl = 3,6 m/t Trong đó: Gnl- lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ, (kg/h). m = Vnl. ρ nl , (g) Vnl - thể tích nhiên liệu động cơ tiêu thụ trong thời gian đo, (cm3). ρ nl - Khối lượng riêng nhiên liệu, (g/cm3). t - Thời gian đo, (s). • Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) của động cơ tính được trên cơ sở lượng tiêu hao nhiên liệu giờ, theo công thức: e nl e N Gg = Trong đó: - suất tiêu hao nhiên liệu có ích, (g/Hp.h); ([g/kW.h); eg Gnl- lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ, (kg/h). eN - công suất có ích của động cơ, (Hp); (kW) Tuy nhiên, suất tiêu hao nhiên liệu có ích phụ thuộc các yếu tố như áp lực phun nhiên liệu, góc phun sớm, áp suất cuối kỳ nén, tải, tốc độ quay, các yếu tố độ ẩm, áp suất, nhiệt độ môi trường trong đó động cơ làm việc.... Có thể xem trong quá trình khảo nghiệm áp lực phun nhiên liệu, góc phun sớm của động cơ đã được điều chỉnh phù hợp nhất, áp suất cuối kỳ nén, điều kiện môi trường không thay đổi. Khi ứng với một tốc độ quay, suất tiêu hao nhiên liệu có ích chỉ phụ thuộc lượng tiêu hao nhiên liệu giờ và phụ tải. • Áp suất cuối kỳ nén (pc) Áp suất cuối kỳ nén phụ thuộc vào mức độ kín khít của nhóm các chi tiết bao kín buồng cháy: piston xéc măng - lót xilanh, xu páp - đế xu páp, nắp và gioăng đệm máy. Việc đảm bảo pc đối với động cơ diesel rất quan trọng bởi liên quan đến khả năng phát hỏa của nhiên liệu. Sau khi đã kiểm tra nhóm các chi tiết này vẫn còn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cho phép. Đo pc theo qui trình sau: - Khởi động cho động cơ làm việc đến nhiệt độ qui định sau đó tắt máy. - Tháo vòi phun, làm sạch lỗ lắp vòi phun - Lắp áp kế chặt, kín vào vị trí lỗ vòi phun vừa tháo. - Khởi động lại động cơ (với động cơ nhiều xi lanh trở lên thì điều chỉnh cho máy chạy ổn định ở vòng quay không tải thấp nhất theo qui định). - Đọc giá trị pc lớn nhất trên áp kế. - Dừng máy sau 3-5 phút lại tiếp tục đo xi lanh khác như các bước trên. 3.3. Tiến hành thí nghiệm thu thập số liệu Tiến hành vận hành động cơ và đo đạc theo qui trình đã thiết lập, với 2 giai đoạn trước và sau xử lý Chất Xado. Do điều kiện thực tế thí nghiệm nên mức tải đối với các động cơ được sử dụng phù hợp (bảng 2). Số liệu thực nghiệm trình bày trên bảng 2: 12 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, số 3/2010 Bảng 2: Số liệu khảo nghiệm lượng tiêu hao nhiên liệu giờ (Gnl), suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge), áp suất cuối kỳ nén (pc) của động cơ Gao pheng, Sam di, Yanmar trước và sau xử lý Chất Xado. Động cơ Gao pheng, trước xử lý Chất Xado (Điều kiện Tkk = 26-280C; ϕ = 88 %;) Động cơ Gao pheng, sau xử lý Chất Xado (điều kiện Tkk = 29-310C ; ϕ = 83 %) Npt (kW) Gnl (kg/h) ge (kg/kWh) pc (MPa) Gnl (kg/h) ge (kg/kWh) pc (MPa) 1,10 0,73 0,402 0,701 0,386 1,54 0,805 0,317 0,757 0,298 1,76 0,884 0,305 0,802 0,277 1,98 0,941 0,288 0,883 0,27 2,20 0,962 0,266 0,937 0,259 2,42 1,053 0,264 0,989 0,248 2,64 1,114 0,256 1,033 0,237 2,86 1,213 0,258 1,136 0,241 3,08 1,315 0,259 1,229 0,242 3,30 1,428 0,263 2,85 1,338 0,246 2,90 Động cơ Sam di, trước xử lý Chất Xado (điều kiện Tkk = 27-290C ; ϕ = 86 %) Động cơ Sam di, sau xử lý Chất Xado (điều kiện Tkk = 26-280C ; ϕ = 87 %) Npt (kW) Gnl (kg/h) ge (kg/kWh) pc (MPa) Gnl (kg/h) ge (kg/kWh) pc (MPa) 1,10 0,668 0,368 0,649 0,357 1,54 0,773 0,305 0,747 0,294 1,76 0,857 0,296 0,833 0,287 1,98 0,912 0,279 0,875 0,268 2,20 0,941 0,26 0,906 0,25 2,42 1,001 0,251 0,992 0,249 2,64 1,074 0,247 1,049 0,241 2,86 1,132 0,24 1,136 0,241 3,08 1,189 0,235 1,177 0,232 3,30 1,328 0,244 1,314 0,242 3,52 1,463 0,252 1,457 0,251 3,74 1,611 0,262 2,95 1,566 0,254 2,97 Động cơ Yanmar, trước xử lý Chất Xado (điều kiện Tkk = 22-230C ; ϕ = 90 %) Động cơ Yanmar, sau xử lý Chất Xado (điều kiện Tkk = 25-260C ; ϕ = 88 %) Npt (kW) Gnl (kg/h) ge (kg/kWh) pc (MPa) Gnl (kg/h) ge (kg/kWh) pc (MPa) 1,10 0,58 0,319 0,561 0,309 1,32 0,625 0,287 0,599 0,275 1,54 0,663 0,261 0,634 0,25 1,76 0,764 0,263 0,743 0,256 1,98 0,901 0,276 2,80 0,859 0,263 2,90 3.4. Xử lý số liệu Xử lý số liệu theo Phương pháp so sánh số trung bình - phương pháp Schefé [3] cho kết quả số liệu ở các lần đo Gnl, ge trước và sau xử lý Chất Xado không có sai khác ở mức ý nghĩa 5% (Hiệu số trung bình giá trị giữa 2 lần đo liên tiếp đều nhỏ hơn Ls). 3.5. Kết luận và khuyến nghị 13 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, số 3/2010 - Lượng tiêu hao nhiên liệu giờ, suất tiêu hao nhiên liệu có ích của 3 động cơ khảo sát đều giảm sau khi xử lý Chất Xado. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích trung bình của động cơ Gao pheng sau xử lý Chất Xado giảm nhiều nhất 6,4% so với động cơ Samdi 2,2%, động cơ Yanmar 3,6%. - Áp suất cuối kỳ nén của 3 động cơ sau xử lý Chất Xado đều tăng so với trước khi chưa xử lý. Động cơ Yanmar tăng nhiều nhất 1 kG/cm2 so với động cơ Gao pheng 0,5 kG/cm2, động cơ Samdi 0,2 kG/cm2 . Nguyên nhân chính là do Chất Xado đã bồi phủ lên bề mặt lót xi lanh, bạc ... làm cho độ kín khít thủy lực của nhóm bao kín buồng cháy tăng, dẫn đến làm tăng áp suất cuối kỳ nén, tăng khả năng đảm bảo điều kiện cho sự phát hỏa nhiên liệu, nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn nên hiệu suất động cơ tăng dẫn đến suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm. - Chọn 5,7ml Chất Xado Diesel/1lít dầu bôi trơn cho động cơ là hàm lượng tương ứng với độ giảm suất tiêu hao nhiên liệu có ích lớn nhất của động cơ Gao pheng. - Nên tiếp tục áp dụng Qui trình sử dụng Chất Xado tại mục 3.2 và hàm lượng 5,7ml Chất Xado Diesel/1lít dầu bôi trơn để kiểm định tại hiện trường các động cơ công suất nhỏ, tốc độ cao trang bị trên tàu thủy. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 2.Thông số kỹ thuật của nhiên liệu dầu đốt DO 0,25% S của Công ty xăng dầu Phú Khánh 3. Phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu. Nhà xuất bản Nông nghiệp 2001. TS. Phan Hiếu Hiền. 14