Thử nghiệm đánh giá khả năng làm việc và mức độ phát thải của động cơ diesel tàu thủy khi ứng dụng công nghệ hòa trộn HHO với nhiên liệu cấp cho động cơ

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017<br /> <br /> KHOA HỌC - KỸ THUẬT<br /> <br /> THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC VÀ MỨC ĐỘ PHÁT THẢI CỦA<br /> ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY KHI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HÒA TRỘN HHO<br /> VỚI NHIÊN LIỆU CẤP CHO ĐỘNG CƠ<br /> EXPERIMENT FOR EVALUATING THE WORKING ABILITY AND EMISSION OF<br /> MARINE DIESELS WHEN MIXING HHO WITH FUEL OIL<br /> PHẠM XUÂN DƯƠNG, NGUYỄN HUY HÀO<br /> Trường Đại học Hàng hải Việt Nam<br /> Tóm tắt<br /> Động cơ diesel tàu thủy là một trong những nguồn gây ô nhiễm lớn. Để kiểm soát mức độ<br /> phát thải của động cơ đáp ứng các yêu cầu của Công ước quốc tế MARPOL 73/78, đã có<br /> nhiều giải pháp được nghiên cứu áp dụng. Một trong những giải pháp mới hiện nay là hòa<br /> trộn HHO với nhiên liệu cấp cho động cơ. Nội dung bài báo giới thiệu các kết quả thử nghiệm<br /> nhằm đánh giá khả năng làm việc và mức độ phát thải của động cơ diesel tàu thủy khi ứng<br /> dụng công nghệ hòa trộn HHO với nhiên liệu.<br /> Từ khóa: Động cơ diesel tàu thủy, hòa trộn, HHO.<br /> Abstract<br /> Marine diesels are one of the air pollution sources. There are some sollutions that applied to<br /> control the emission of these kinds of engine, and mixing HHO with fuel oil is one of the new<br /> technology. This article introduces the experimental results to evaluate the working ability<br /> and emission of marine diesels when mixing HHO with fuel oil.<br /> Keywords: Marine diesels, mixing, HHO.<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> HHO là hỗn hợp khí gồm H2 và O2 được tạo ra từ quá trình điện phân nước, khi được đưa<br /> vào xilanh động cơ, giữa H2 và O2 sẽ xảy ra phản ứng cháy:<br /> 2H2 + O2  2H2O + Qtỏa nhiệt<br /> Nhiệt tạo ra từ quá trình cháy giữa H 2 và O2 sẽ góp phần làm cho nhiên liệu được sấy nóng<br /> nhanh hơn, khả năng bay hơi tốt hơn, do đó rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy. Hơn thế, hydro có tốc<br /> độ cháy cao hơn nhiều so với cacbon nên nó đóng vai trò như là chất dẫn cháy, nhờ vậy chất lượng<br /> quá trình cháy trong xilanh động cơ được cải thiện.<br /> Trong giải pháp này, HHO được tạo ra từ quá trình điện phân nước sẽ được hòa trộn trực tiếp với<br /> nhiên liệu (dầu diesel) theo một tỷ lệ nhất định trước khi cấp tới động cơ, trong đó HHO không cần phải<br /> sản xuất và lưu trữ trước mà được điện phân trực tiếp trong quá trình làm việc của động cơ. Công nghệ<br /> và thiết bị tách khí HHO được nghiên cứu và chế tạo bởi chuyên gia Nhật Bản, Mitsuru Suematsu.<br /> Nhờ phản ứng cháy của H2 và O2 có trong nhiên liệu nên khả năng hòa trộn, bay hơi của nhiên<br /> liệu với không khí trong xilanh được cải thiện dẫn đến nâng cao chất lượng quá trình cháy. Do quá trình<br /> cháy diễn ra hoàn thiện hơn, làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ, giảm mức độ phát thải các<br /> chất độc hại CO, HC và khói trong khí xả động cơ diesel. Bên cạnh đó, nhiệt cấp từ quá trình cháy giữa<br /> H2 và O2 góp phần làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ, qua đó giảm mức độ phát thải khí CO2.<br /> Tại một số nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, công nghệ này đã được ứng dụng trên các phương tiện vận<br /> tải như xe buýt, xe tải nặng trang bị động cơ diesel. Ở Việt Nam, một số thử nghiệm cũng đã được tiến<br /> hành trên các phương tiện vận tải đường bộ như xe buýt và một số loại xe du lịch.<br /> Nhằm đánh giá khả năng làm việc và mức độ phát thải của động cơ diesel tàu thủy khi áp<br /> dụng công nghệ này, nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam do TS. Phạm Xuân<br /> Dương chủ trì đã triển khai thử nghiệm trên các động cơ diesel thủy tại Trung tâm Thí nghiệm của<br /> Khoa Máy tàu biển cũng như trên các tàu Sao Biển, Quang Minh, Quang Huy,… Do khuôn khổ bài<br /> báo có hạn, trong nội dung bài viết này chỉ giới thiệu kết quả thử nghiệm trên động cơ HANSHIN<br /> 6L27BSH của tàu Sao Biển và động cơ 6NVD26-A2 tại Trung tâm Thí nghiệm Khoa Máy tàu biển.<br /> 2. Tiến hành thử nghiệm<br /> 2.1. Đối tượng thử nghiệm<br /> Đối tượng thử nghiệm được giới thiệu trong nội dung bài viết là các động cơ diesel tàu thủy<br /> 6NVD26-A2 và HANSHIN 6L27BSH với các đặc trưng kỹ thuật được mô tả trong bảng 1 và bảng 2.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 4<br />  CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017<br /> <br /> 2.2. Các thiết bị thử nghiệm<br /> Các thiết bị thử nghiệm được sử dụng bao gồm:<br /> - Thiết bị điện phân tạo HHO và hòa trộn HHO với nhiên liệu;<br /> - Phanh thủy lực (dùng để đo công suất của động cơ lắp đặt tại Trung tâm Thí nghiệm);<br /> - Thiết bị phân tích khí xả;<br /> - Bình dầu thí nghiệm<br /> - Lưu lượng kế và một số dụng cụ đo tiêu hao nhiên liệu khác,…<br /> Bảng 1. Thông số kỹ thuật động cơ 6NVD26-A2 tại Trung tâm Thí nghiệm Khoa Máy tàu biển<br /> Đặc trưng kỹ thuật Giá trị<br /> Kí hiệu: 6NVD26A-2<br /> Số xi lanh: 6<br /> Đường kính xi lanh: 180 mm<br /> Hành trình piston: 260 mm<br /> Công suất định mức (Nn): 300 ml<br /> Vòng quay đinh mức (nn): 750 v/ph<br /> Áp suất cháy cực đại (Pz): 73 kG/cm2<br /> Áp suất có ích bình quân định mức (Pe): 8,88 kG/cm2<br /> Bảng 2. Thông số kỹ thuật động cơ HANSHIN 6L27BSH tàu Sao Biển<br /> Đặc trưng kỹ thuật Giá trị<br /> Kí hiệu: 6L27BSH<br /> Số xi lanh: 6<br /> Đường kính xi lanh: 270 mm<br /> Hành trình piston: 400 mm<br /> Công suất định mức (Nn): 700 ml<br /> Vòng quay đinh mức (nn): 400 v/ph<br /> Áp suất cháy cực đại (Pz): 65 kG/cm2<br /> 2.3. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm<br /> Về cơ bản, hệ thống nhiên liệu của động cơ được giữ nguyên, trong hệ thống chỉ bố trí thêm thiết<br /> bị điện phân nước và hòa trộn HHO với nhiên liệu trước khi cấp tới động cơ (hình 1). Bên cạnh đó, cần<br /> thiết kế thêm một số đường ống để cấp nhiên liệu từ két (hoặc bình dầu thí nghiệm) vào thiết bị hòa trộn<br /> và dẫn nhiên liệu từ thiết bị hòa trộn tới động cơ. Nước được cấp tới thiết bị điện phân để tạo HHO và<br /> tại đây HHO sẽ được hòa trộn trực tiếp với nhiên liệu trước khi cấp tới động cơ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1- Động cơ diesel; 2- Két nhiên liệu diesel; 3- Bơm cấp nhiên liệu tới động cơ; 4- Bầu hâm; 5- Lưu lượng kế;<br /> 6- Thiết bị điện phân tạo khí HHO; 7- Bầu lọc nhiên liệu; 8- Két dầu cặn.<br /> Hình 1. Sơ đồ bố trí thiết bị điện phân nước tạo HHO cho động cơ diesel<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 5<br />  CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017<br /> <br /> Tiến hành thử nghiệm và thu thập số liệu trong hai trường hợp: động cơ sử dụng nhiên<br /> liệu diesel như bình thường (không hòa trộn HHO) và có hòa trộn HHO với nhiên liệu trước khi<br /> cấp tới động cơ.<br /> 3. Kết quả thử nghiệm và bàn luận<br /> Khí xả ra khỏi động cơ được lấy mẫu để phân tích trong cả hai trường hợp, dưới đây là kết quả<br /> phân tích khí xả động cơ HANSHIN 6L27BSH (bảng 3). Độ đen của khí xả động cơ cũng giảm đáng kể,<br /> có thể quan sát được bằng mắt thường khi có hòa trộn HHO với nhiên liệu (hình 2).<br /> Bảng 3. Kết quả phân tích khí xả của động cơ diesel trên tàu Sao Biển khi hòa trộn HHO với nhiên liệu<br /> <br /> Kết quả thử nghiệm<br /> Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị đo Phương pháp thử (ở chế độ 75% tải)<br /> <br /> TN 1(*) TN 2<br /> 1 CO mg/m3TC TCVN 7242:2003 1504 1158<br /> 2 SO2 mg/m3TC TCVN 5975:1995 18.3 13.0<br /> 3 NO2 mg/m3TC TCVN 7172:2002 66.3 47.1<br /> (*) TN 1- Kết quả thử nghiệm khi không hòa trộn HHO với nhiên liệu;<br /> TN2- Kết quả thử nghiệm khi có hòa trộn HHO với nhiên liệu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Khí xả động cơ 6NVD26-A2 tại vị trí ống khói<br /> không hòa trộn HHO (hình bên trái); có hòa trộn HHO (hình bên phải )<br /> Nhiệt độ khí xả của động cơ có giảm một chút khi có hòa trộn HHO (bảng 4, 5)<br /> <br /> Bảng 4. Kết quả đo nhiệt độ khí xả động cơ 6NVD26-A2 (ở chế độ 50% tải), (oC)<br /> Xilanh số 1 2 3 4 5 6<br /> Không hòa trộn HHO 410 420 400 420 415 410<br /> Có hòa trộn HHO 405 415 396 415 410 405<br /> <br /> Bảng 5. Kết quả đo nhiệt độ khí xả động cơ HANSHIN 6L27BSH (ở chế độ 75% tải), (oC)<br /> Xilanh số 1 2 3 4 5 6<br /> Không hòa trộn HHO 365 355 360 360 350 350<br /> Có hòa trộn HHO 362 350 355 358 348 348<br /> Về mức độ phát thải khí CO2: Trong khi tiến hành các thử nghiệm, lượng CO2 phát thải trong khí<br /> xả của động cơ diesel không được đo trực tiếp nhưng có thể được đánh giá qua mức độ tiêu thụ nhiên<br /> liệu của động cơ. Các kết quả thử nghiệm hòa trộn khí HHO với nhiên liệu đều cho thấy tiêu thụ nhiên<br /> liệu cho động cơ diesel giảm (bảng 6, 7):<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 6<br />  CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017<br /> <br /> Bảng 6. Đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ 6NVD26-A2 khi hòa trộn HHO với nhiên liệu<br /> Tổng Tiêu hao<br /> Tốc độ<br /> lượng nhiên liệu<br /> Thời gian quay động Công suất<br /> nhiên liệu theo thời<br /> cơ<br /> tiêu thụ gian<br /> (giờ) (vòng/phút) (kW) (kg) (kg/giờ)<br /> Không hòa trộn HHO 0.181 612 106 5.135 28.37<br /> Có hòa trộn HHO 0.165 610 105 3.802 23.04<br /> Kết quả thử nghiệm cho thấy: ở cùng chế độ tốc độ và công suất phát ra, khi động cơ sử dụng<br /> nhiên liệu có hòa trộn khí HHO mức độ tiêu thụ nhiên liệu đã giảm 5.33 kg/giờ (tương đương 18.78%).<br /> Bảng 7. Đánh giá mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ diesel HANSHIN 6L27BSH trên tàu Sao Biển khi hòa<br /> trộn HHO với nhiên liệu<br /> Tổng Lượng nhiên Tiêu hao<br /> Hành Tốc độ quay lượng liệu tiêu thụ nhiên liệu<br /> Thời Tốc độ tàu<br /> trình động cơ nhiên liệu quy đổi (do theo thời<br /> gian<br /> tiêu thụ sóng gió) gian<br /> (hải lý) (giờ) (vòng/phút) (hải lý/giờ) (kg) (kg) (kg/giờ)<br /> Không hòa 10.04<br /> 5.2 0.5 309.6 36.95 36.95 73.9<br /> trộn HHO (gió cấp 6)<br /> Có hòa 9.0<br /> 4.5 0.5 299.8 28.25 30.0 60<br /> trộn HHO (gió cấp 7)<br /> Kết quả thử nghiệm cho thấy: ở tốc độ tàu quy đổi tương đương, khi động cơ sử dụng nhiên liệu<br /> có hòa trộn khí HHO mức độ tiêu thụ nhiên liệu đã giảm 13.9 kg/giờ (tương đương 18.8%).<br /> Tiến hành tháo toàn bộ nắp xilanh động cơ để kiểm tra tình trạng buồng đốt, piston, sơ mi xilanh,<br /> xupap, cửa xả,... trước và sau khi thử nghiệm hòa trộn HHO với nhiên liệu, kết quả cho thấy buồng đốt<br /> động cơ sạch hơn so với sử dụng nhiên liệu thông thường, bề mặt các chi tiết động cơ không có dấu<br /> hiệu bất thường.<br /> Qua các kết quả thử nghiệm trên các động cơ diesel tàu thủy khác nhau (với hai đại diện<br /> được giới thiệu ở đây) có thể đưa ra một số kết luận sau:<br /> - Việc lắp đặt thiết bị điện phân và hòa trộn HHO trong hệ thống không gây cản trở gì đối với<br /> hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ;<br /> - Mức nước tiêu thụ để điện phân tạo ra khí HHO không đáng kể: 01 lít nước trộn với chất<br /> phụ gia khi cho qua thiết bị điện phân có thể tạo ra 1800 lít khí HHO, trong khi tỷ lệ hòa trộn giữa khí<br /> HHO và nhiên liệu là 2:1000;<br /> - Khi áp dụng giải pháp hòa trộn khí HHO với nhiên liệu trước khi cấp tới động cơ, mức tiêu<br /> thụ nhiên liệu có thể giảm 10% ~ 20% so với phương pháp cấp nhiên liệu diesel thông thường, nhờ<br /> vậy mức phát thải CO2 của động cơ có thể giảm tới 20%;<br /> - Ngoài giảm phát thải CO2, các thành phần độc hại khác trong khí xả như CO, HC, NO x,…<br /> độ đen của khói cũng giảm đáng kể;<br /> - Các thông số công tác cơ bản của động cơ (công suất, vòng quay, tốc độ tàu, nhiệt độ khí<br /> xả,…) về cơ bản không có sự khác biệt nhiều ở hai trường hợp có và không có hòa trộn HHO;<br /> - Buồng đốt và các chi tiết của động cơ không có dấu hiệu bất thường. Mặc dù không có điều<br /> kiện thử nghiệm động cơ với thời gian dài, tuy nhiên với việc hòa trộn một lượng rất nhỏ HHO với<br /> nhiên liệu (tỷ lệ hòa trộn HHO với nhiên liệu là 2:1000) thì sẽ không ảnh hưởng đến sự làm việc bình<br /> thường của động cơ;<br /> - Mức tiêu thụ điện năng của thiết bị điện phân tạo HHO không đáng kể (thiết bị sử dụng trong<br /> quá trình thử nghiệm có công suất không tới 1 kW);<br /> - Về chi phí đầu tư: chi phí đầu tư cho việc áp dụng công nghệ HHO trên động cơ diesel tàu<br /> thủy còn tùy thuộc vào công suất của động cơ, với các động cơ diesel có công suất khoảng từ 300<br /> ~ 500 kW sẽ cần một khoản đầu tư ban đầu khoảng 600 triệu VND.<br /> 4. Kết luận<br /> Hòa trộn khí HHO (sản phẩm của quá trình điện phân nước) với nhiên liệu trước khi cấp tới<br /> động cơ là một trong những giải pháp mới hiện nay ở Việt Nam cho phép giảm mức độ phát thải<br /> của các động cơ diesel, đặc biệt là phát thải CO 2. Tuy nhiên để có thể triển khai áp dụng rộng rãi<br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 7<br />