Nghiên cứu của ThS. Bùi Văn Hiện - Ban Vận tải và Đầu máy Toa xe, Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam.

1. Tính cấp thiết

Hiện nay Đường sắt Việt Nam đang quản lý và khai thác 24 đầu máy D13E với công suất khoảng 1.300 HP (Horse Power). Nói chung các đầu máy D13E đều đã cũ và đã xuống cấp nhiều, dẫn tới suất tiêu hao nhiên liệu và suất tiêu hao dầu bôi trơn cao. Ví dụ như cùng mác tàu hàng HBN trên khu đoạn Thanh Hóa - Vinh, máy D19E  có suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 31,55 lít/10.000 tấn.km, trong khi đầu máy D13E nhiên liệu tiêu thụ khoảng 40,25 lít/10.000 tấn.km. Như vậy chứng tỏ đầu máy D13E có suất tiêu hao nhiên liệu lớn, nguyên nhân là do bộ két làm mát khí nạp có hiệu suất thấp dẫn tới động cơ luôn ở tình trạng thiếu khí nạp, nhiên liệu sẽ không cháy hết làm giảm hiệu suất của động cơ. Vì vậy việc nghiên cứu cải tạo thay két khí nạp mới là một yêu cầu cấp thiết của thực tế sản xuất.

Mục tiêu của đề tài:

- Giảm chi phí trong vận tải do giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ trong chạy tầu.

- Giảm trở ngại chạy tầu do đã cắt bỏ được hư hỏng của cụm dẫn động quạt gió, hư hỏng của cụm bánh răng dẫn động.

- Giảm mức độ gây ô nhiễm môi trường do nhiên liệu đã được cháy hết nên động cơ ít khói.

- Kéo dài tuổi thọ của cụm xi lanh, sec măng trong động cơ do lượng muội than tạo ra trong quá trình cháy đã được giảm đáng kể, giảm một phần đáng kể tiêu hao dầu bôi trơn.

- Hiệu suất của động cơ cũng được cải thiện do nhiệt độ nước làm mát được nâng cao.

2. Kết quả nghiên cứu

2.1. Nghiên cứu thay đổi sơ đồ hệ thống khí nạp và hệ thống nước làm mát động cơ

a.Trước khi cải tạo

Kết cấu hệ thống làm mát khí nạp và làm mát động cơ theo hình 1 và phân tích những tồn tại của các hệ thống này:

Một số nhược điểm của hệ thống khí nạp trên đầu máy D13E :

- Hệ thống làm mát khí nạp trên đầu máy D13E làm mát bằng không khí. Không khí làm mát không khí: do tính dẫn nhiệt của không khí thấp, trọng lượng không khí lưu thông nhỏ, nhiệt dung riêng của không khí nhỏ hơn rất nhiều so với nước nên nhiệt độ khí nạp cao dẫn tới số Mol không khí nạp vào xi lanh thấp, động cơ luôn hoạt động ở trạng thái thiếu khí nạp, làm cho nhiên liệu cháy không hết dẫn tới tổn hao công suất lớn, động cơ có nhiều khói đen và muội than.

- Muội than có nhiều trong buồng cháy làm tăng ma sát dẫn tới làm tăng tốc độ hư hỏng của các chi tiết trong bộ hơi của động cơ như: xi lanh, piston, séc măng và xupap. Các cụm chi tiết này bị hư hỏng sẽ làm giảm áp suất cuối kỳ nén dẫn tới giảm công suất và tăng tiêu hao dầu bôi trơn của động cơ.

- Vì hệ thống khí nạp của động cơ được làm mát bằng không khí nên trên hệ thống có cơ cấu dẫn động quạt cưỡng bức từ bánh răng lắp trên trục khuỷu của động cơ nên tổn hao thêm công suất.

- Một trong những nguyên nhân làm cho suất tiêu hao nhiên liệu cao là do tổn hao nhiệt cho nước làm mát là quá lớn: Thực tế nhiệt độ nước làm mát động cơ của đầu máy D13E chỉ khoảng từ  78 – 83⁰C khi đầu máy kéo tải, trong khi nhiệt độ nước làm mát của các loại động cơ hiện đại hiện nay như động cơ CAT, MTU phổ biến trong khoảng từ 85 – 92⁰C.          

1. b) Sau khi cải tạo

Kết cấu hệ thống làm mát khí nạp và làm mát động cơ theo hình vẽ 2

2.2. Lựa chọn két làm mát khí nạp cải tạo

1. a) Két làm mát khí nạp nguyên thủy của nhà chế tạo

Két khí nạp của Ấn độ được chia làm 2 khoang chính: khoang không khí nạp vào động cơ và khoang khí trời. Khí trời dùng để làm mát khí nạp, để tăng tiết diện trao đổi nhiệt, tại khoang khí trời có các lá tản nhiệt xếp xít nhau nên làm cản không khí lưu thông qua nên chỉ sau một thời gian ngắn vận dụng khoang khi trời bị tắc làm giảm hiệu suất làm mát khí nạp dẫn tới động cơ bị thiếu khí nạp và giảm hiệu suất động cơ. 

Hình 3 – Két làm mát khí nạp của Ấn Độ	Hình 4 -  Két làm mát khí nạp của Trung Quốc

1. b) Chọn két khí nạp cải tạo thay thế cho két Ấn

Chúng tôi lựa chọn loại két làm mát khí nạp là két khí nạp tháo ra từ động cơ Trung Quốc 12V180ZJ trên đầu máy Đông Phương Hồng 21 hiện nay đã được cải tạo thay động cơ CAT 3508 (loại két này hiện nay không có nhu cầu sử dụng). Đây là loại két làm mát khí nạp bằng nước, ống nước là ống đồng, cánh tản nhiệt cũng được chế tạo bằng đồng nên hiệu suất làm mát của loại két khí nạp này là tương đối cao. Cấu tạo bên trong của két được thể hiện như hình 4.

2.3. Gia công lắp ráp cải tạo

1. a) Kết cấu trước khi cải tạo

Kết cấu thực tế của cụm quạt và két khí nạp của động cơ đầu máy D13E trước khi cải tạo được thể hiện như hình 5

1. b) Kết cấu sau khi cải tạo

Kết cấu thực tế của cụm két khí nạp động cơ trên đầu máy D13E sau khi cải tạo được thể hiện như hình 6.

Hình 5 – Kết cấu trước khi cải tạo	Hình 6 – Sau cải tạo trên đầu máy D13E-720

3. Khả năng ứng dụng và hiệu quả kinh tế

3.1. Khả năng ứng dụng

Có thể áp dụng thay thế két khí nạp của 10 đầu máy D13E tại XN Đầu máy Vinh và 14 đầu máy D13E tại XN Đầu máy Sài Gòn

Hiệu quả đem lại gồm 3 phần: Hiệu quả đem lại từ việc tiết kiệm nhiên liệu, Hiệu quả đem lại từ tiết kiệm phụ tùng trong sửa chữa và Hiệu quả từ các lợi ích khác.

3.2. Hiệu quả đem lại từ việc tiết kiệm nhiên liệu

Hiệu quả đem lại từ việc tiết kiệm nhiên liệu bao gồm: Hiệu quả theo tính toán lý thuyết và Hiệu quả theo đo đạc công suất thực tế:

a.Hiệu quả theo tính toán lý thuyết

Nếu đề tài được áp dụng rộng rãi trên toàn bộ 24 đầu máy D13E thì hiệu quả mang lại theo lý thuyết sẽ bao gồm 3 phần chủ yếu như sau:

Hiệu quả từ việc làm tăng hiệu suất của động cơ bao gồm: H_lt = H₁+H₂+H₃ = 2,78 + 2,46 + 1,02 = 6,26% trong đó:

- Hiệu quả mang lại từ việc cắt bỏ công suất cụm dẫn động quạt làm mát khí nạp H₁ = 2,78%

- Hiệu quả mang lại do làm tăng hiệu suất của sự cháy nhiên liệu H₂=2,46%

- Hiệu quả tiết kiệm từ việc làm giảm tổn thất nhiệt do tăng nhiệt độ nước H₃= 1,02%

b.Hiệu quả theo đo thử công suất thực tế

Hiệu suất đo được thực tế thử công suất của đầu máy D13E-720 thử nghiệm cải tạo đạt 782 Kw cao hơn công suất trung bình của 4 đầu máy khác (719Kw) là:  Lượng nhiên liệu tiêu hao thực tế của 24 đầu máy D13E hàng năm là khoảng : 5.291.964 lít

- Hiệu quả làm lợi theo tính toán lý thuyết là H_lt = 6,26% x 5.291.964 x 16.200 = 5.366.686.531 đồng (trong đó 16.200 đ là giá 1 lít nhiên liệu tại thời điểm ngày 23/3/2015).

- Hiệu quả làm lợi theo theo kiểm tra đo công suất thực tế khi thử tải là H_tt = 8,76% x 5.291.964 x 16.200 = 7.509.931.951 đồng.

3.3. Hiệu quả mang lại do giảm chi phí nhân công và vật liệu trong sửa chữa các cấp

 Hiệu quả áp dụng cho toàn ngành mang lại hàng năm là:  khoảng 76.623.000 đồng

3.4. Hiệu quả mang lại từ các lợi ích khác

Ngoài những hiệu quả và lợi ích có thể tính bằng tiền thì đề tài còn mang lại rất nhiều lợi ích to lớn khác như:

- Làm cho môi trường xung quanh trở lên tốt hơn, ít bị ô nhiễm vì nhiên liệu đã được cháy tốt hơn so với trước đây.

- Tiếng động cơ trở lên êm dịu hơn do tiếng ồn phát sinh từ phần dẫn động quạt làm mát khí nạp được cắt bỏ. Việc khám nóng và khám nguội đầu máy trở lên đơn giản và thuận tiện.

- Công tác sửa chữa phần động cơ ở các cấp sửa chữa đầu máy đều trở lên đơn giản hơn do không phải sửa chữa cụm dẫn động quạt làm mát khí nạp.

- Công suất của động cơ đảm bảo ổn định lâu dài hơn do két ít bị tắc bụi bẩn trong quá trình vận dụng đầu máy.

- Kéo dài tuổi thọ của các chi tiết chính của động cơ như Xi lanh, Séc măng, Pít tông và làm giảm đáng kể mức độ tiêu hao dầu bôi trơn của động cơ do muội than đã giảm nhiều. Hiện tượng nứt quy lát, nứt vỏ tăng áp, nứt ống xả cũng giảm hẳn do nhiên liệu được cháy hết nên nhiệt độ khí thải của động cơ đã giảm hẳn.

- Sự cố trở ngại chạy tàu của đầu máy D13E cũng giảm đi đáng kể. Đầu máy D13E có thể dùng vào việc kéo các đoàn tàu khách mà không sợ ảnh hưởng của khói đen đến hành khách đi tàu khi đoàn tàu qua hầm. Nâng cao thương hiệu phục vụ hành khách của ĐSVN.

 Kết luận

Trên cơ sở nghiên cứu tình trạng vận hành thực tế của động cơ đầu máy D13E cho thấy khí thải của động cơ có nhiều khói đen, chứng tỏ động cơ bị thiếu khí nạp mà nguyên nhân chủ yếu là do két làm mát khí nạp được làm mát bằng không khí có hiệu suất thấp, do két thường xuyên bị tắc bẩn khoang khí ngoài trời và do thiết kế két từ những năm 80 của thế kỷ trước đã lạc hậu so với các thiết kế hiện nay mà không còn phù hợp nữa. Mặt khác qua các phần tính toán hiệu quả kinh tế đem lại từ việc tiết kiệm nhiên liệu dự kiến có thể đạt tới 7.509.931.951 đồng/năm, tiết kiệm trong sửa chữa là 76.623.000 đồng/năm nếu được áp dụng cho toàn ngành.

Đề tài đã hoàn thiện thiết kế, đã chế tạo các cụm chi tiết liên quan và lắp đặt thử nghiệm trên đầu máy D13E-720. Đầu máy đã được thử công suất đạt 782 Kw cao hơn công suất trung bình của 4 đầu máy khác đo ở cùng cấp sửa chữa khi chưa cải tạo khoảng 63 Kw. Đầu máy đã ra xưởng vận dụng hiệu quả từ ngày 20/8/2013 đến nay, cụm két làm mát khí nạp làm việc ổn định không có sự cố xảy ra. Kết quả thực tiễn trên đã đủ điều kiện chứng minh đề tài được áp dụng thành công vào sản xuất. Thay mặt Ban chủ nhiệm đề tài đề nghị Lãnh đạo Tổng công ty ĐSVN cho phép đề tài được áp dụng cho các đầu máy D13E còn lại để giảm chi phí và tăng tính ổn định vận hành của đầu máy, đáp ứng được yêu cầu vận tải ngày càng cao trong việc nâng cao uy tín và thương hiệu của Tổng công ty Đường sắt Việt Nam.

4. Địa chỉ lưu trữ

Hồ sơ và báo cáo thuyết minh đề tài được lưu giữ tại Ban Hợp tác Quốc tế & Khoa học Công nghệ, 118 Lê Duẩn, Hà Nội.

Số điện thoại liên hệ: 04.38223650