(LUẬN án TIẾN sĩ) nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong động cơ diesel

Do vậy, việc “Nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong động cơ diesel” là rất cần thiết, nhằm có được những dữ liệu để nâng cao độ c

DƯƠNG QUANG MINH

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU

DIESEL-BIODIESEL CÓ TỶ LỆ PHA TRỘN CAO

TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2019

DƯƠNG QUANG MINH

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU

DIESEL-BIODIESEL CÓ TỶ LỆ PHA TRỘN CAO

TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS, TS Nguyễn Hoàng Vũ

2 TS Nguyễn Năng Thắng

HÀ NỘI – NĂM 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Luận

án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài

NCKH &PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho

việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”,

mã số: ĐT.08.14/NLSH, Chủ nhiệm đề tài là PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ, tổ chức chủ trì là Học viện Kỹ thuật Quân sự, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, do Bộ Công thương quản lý Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả của đề tài vào việc viết luận án

Tôi xin cam đoan các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi đúng quy định

Tác giả luận án

Dương Quang Minh

Tôi xin cảm ơn tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn Hoàng Vũ, TS Nguyễn Năng Thắng đã tận tình hướng dẫn khoa học và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để NCS hoàn thành luận án Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn PGS-TS

Nguyễn Hoàng Vũ, Chủ nhiệm Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu,

chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH (thuộc Đề án

Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025) đã tạo điều kiện để NCS được tham gia một số nội dung nghiên cứu của đề tài nhằm thu thập

dữ liệu để hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quá trình cháy và Phun nhiên liệu (Combustion and Spray Laboratory) của Viện Năng lượng và Động lực/ĐH Giao thông Tây An - Trung Quốc, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong thuộc Viện Cơ khí Động lực - ĐH Bách khoa Hà nội, Phòng thử nghiệm Xăng-Dầu-Khí của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1 (Quatest 1) đã tạo điều kiện thuận lợi để NCS hoàn thành nội dung nghiên cứu thực nghiệm của luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực/Học viện KTQS và các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí - Động lực trong và ngoài Học viện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho NCS trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án

Nghiên cứu sinh

Dương Quang Minh

1.4 Ảnh hưởng thuộc tính nhiên liệu đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong

2.3.1 Xác định một số thuộc tính hóa-lý cơ bản 26

2.3.1.2 Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 27

2.4.1 Xác định tốc độ cháy tầng của nhiên liệu 40

3.3 Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ ứng với điều kiện nhiệt động trong ống xung kích (Shock Tube)

3.4.3 Đánh giá công thức xác định thời gian cháy trễ do NCS xây dựng ứng với bộ

dữ liệu thực nghiệm thu được trên động cơ diesel CFR-F5

4.2.4 Xác định lượng khí vào/ra qua họng xu páp nạp/thải trong quá trình trao đổi khí 84 4.2.5 Xác định khối lượng không khí và sản vật cháy trong xi lanh 86

4.2.6 Hệ phương trình vi phân mô phỏng các quá trình công tác của động cơ 87

4.2.8 Các thông số tại thời điểm bắt đầu mô phỏng 88

4.2.10 Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình mô phỏng chu trình công tác 92

4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5

95

4.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến thời gian cháy trễ 95 4.3.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật cháy, tốc độ cháy 96 4.3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật tỏa nhiệt và tốc độ tỏa nhiệt 99 4.3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến các thời điểm đặc biệt trong quá trình cháy 101 4.3.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến diễn biến và tốc độ gia tăng áp suất trong

xi lanh

103

4.4 Ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong

xi lanh động cơ diesel CFR-F5

106

4.4.2 Ảnh hưởng của việc dự báo thời gian cháy trễ đến quy luật cháy, tốc độ cháy 107 4.4.3 Ảnh hưởng của việc dự báo thời gian cháy trễ đến quy luật tỏa nhiệt, tốc độ

4.4.4 Ảnh hưởng của việc dự báo thời gian cháy trễ đến các thời điểm đặc biệt

4.4.5 Ảnh hưởng của việc dự báo thời gian cháy trễ đến diễn biến và tốc độ gia

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 118

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 120

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ASTM Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (American

Society for Testing and Materials) B0 (DO) Nhiên liệu diesel dầu mỏ

Biodiesel Nhiên liệu diesel sinh học Bxx Nhiên liệu diesel nguồn gốc hóa thạch được hòa trộn với

nhiên liệu diesel sinh học, trong đó, B thể hiện là hỗn hợp diesel-biodiesel, x thể hiện tỷ lệ % theo thể tích của diesel sinh học trong hỗn hợp

CFR Động cơ diesel thử nghiệm trị số xê tan (Cooperative

Fuel Research) CTCT Chu trình công tác

ms, s CA5, CA10,

CA50,CA90

Giá trị GQTK tương ứng với 5, 10, 50, 90% tổng lượng nhiệt cung cấp cho chu trình được giải phóng

CN Trị số xê tan được đo bằng thực nghiệm (Cetane Number)

CI Chỉ số xê tan được tính toán lý thuyết (Cetane Index) ĐCĐT Động cơ đốt trong

ĐCD Điểm chết dưới ĐCT Điểm chết trên

EU Liên minh Châu Âu (European Union) FAME Este metyl a xít béo (Fatty acid methyl esters)

gct Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình g/ct

gi Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g/kW.h

Organization for Standardization) KH&CN Khoa học và công nghệ

LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas)

Me Mô men xoắn có ích N.m

nc Tốc độ vòng quay của trục cam bơm cao áp vg/ph NCKH Nghiên cứu khoa học

NCS Nghiên cứu sinh

NLSH Nhiên liệu sinh học NOx Các ô xít ni tơ MLR Phương pháp hồi qui đa biến (Multiple linear regression) PTCGĐB Phương tiện cơ giới đường bộ

PTCGQS Phương tiện cơ giới quân sự PTN Phòng thí nghiệm

QCVN Quy chuẩn Việt Nam QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu QTCN Quy trình công nghệ

Quatest 1 Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1 TSN Tỷ số nén

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TSKT Tiến sĩ kỹ thuật

𝜙 Tỷ lệ tương đương

ms, s

∆τimin Sai số tương đối nhỏ nhất về thời gian cháy trễ

∆τimax Sai số tương đối lớn nhất về thời gian cháy trễ

Rμ Hằng số phổ biến khí lý tưởng, để tránh làm phức tạp các công

thức thì trong LATS thì Rμ được ký hiệu là R, R = 8,314

[kJ/mol.K]

pxl max Giá trị áp suất lớn nhất trong xi lanh bar dp/d Tốc độ tăng áp suất trong xi lanh bar/độ GQTK dp/dφ max Giá trị tốc độ tăng áp suất lớn nhất trong xi lanh bar/độ GQTK

Q max Lượng nhiệt tỏa ra lớn nhất trong xi lanh kJ dQ/dφ Tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh kJ/độ GQTK dQ/dφ max Tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất trong xi lanh kJ/độ GQTK

x Quy luật cháy



d

HHV Nhiệt trị cao (High Heating Value) kJ/kg

Gkk Lượng khí nạp đầy vào xi lanh tại thời điểm xu páp nạp

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Lượng tiêu thụ biodiesel của Liên minh Châu Âu và dự báo cho 2015

và 2016, [78]

6 Bảng 1.2 Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn 9 Bảng 1.3 Sự thay đổi thuộc tính của B100 theo nguồn nguyên liệu sản xuất 12 Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị K4700, [60] 30 Bảng 2.2 Nhiệt độ tự bốc cháy của B0 và B100 31 Bảng 2.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị HPLC, [85] 32 Bảng 2.4 Tỷ lệ C:H:O, khối lượng riêng của B0 và B100 33 Bảng 2.5 Tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp và tỷ lệ A/F của các hỗn hợp biodiesel 33 Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của động cơ CFR -F5, [32] 35 Bảng 2.7 Chế độ vận hành của động cơ CFR -F5 khi đo trị số xê tan, [32] 37

Bảng 2.9 Kết quả phân tích thuộc tính hóa-lý của hỗn hợp diesel-biodiesel 39 Bảng 2.10 Thông số kỹ thuật của buồng cháy đẳng tích, [84] 41 Bảng 2.11 Tốc độ cháy tầng của các hỗn hợp biodiesel (cm/s) 43 Bảng 2.12 Thông số kỹ thuật của ống xung kích, [95] 45 Bảng 2.13 Chế độ vận hành của động cơ CFR -F5 khi xác định các đặc tính

cháy, hiệu chỉnh công thức cháy trễ

Bảng 3.3 Tổng hợp sai số tương đối về TGCT (∆τi) khi sử dụng Bxx 67 Bảng 3.4 Năng lượng kích hoạt của hỗn hợp diesel-biodiesel 71 Bảng 3.5 So sánh Ea khi sử dụng nhiên liệu B0, B20 của một số tác giả 75

Bảng 3.6 Tổng hợp sai số tương đối về TGCT (∆τi) theo công thức M_V Bxx

khi sử dụng nhiên liệu B0, B20, B40, B60, B100 75 Bảng 4.1 Khoảng giá trị của m và  trong mô hình cháy Vibe, [29] 83 Bảng 4.2 Bảng so sánh kết quả pxl mô phỏng tính toán và thực nghiệm của B0

và B60 khi cháy ở TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct)

94

Bảng 4.3 Bảng so sánh kết quả pxl mô phỏng tính toán và thực nghiệm của B0

và B60 khi nén thuần túy ở TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct)

Bảng 4.10 Sự thay đổi TGCT khi sử dụng các công thức dự báo TGCT khác nhau

(ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727, dùng nhiên liệu B60)

106

Bảng 4.11 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến dx/dφmax khi sử dụng B60 (ở chế

độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) 109 Bảng 4.12 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến Qmax và dQ/dφmax khi sử dụng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 So sánh quy luật cháy (x) của B07 và B100, [38] 18

Hình 1.2 So sánh tổng thời gian cháy của B0 và B100, [54] 18

Hình 1.3 So sánh diễn biến áp suất của B0, B05, B10, B20, B50 và B100, [62] 19 Hình 1.4 So sánh quy luật cháy (x) của B0, B05, B10, B20, B50 và B100, [62] 19 Hình 2.1 Sự thay đổi của khối lượng riêng (a), nhiệt trị cao (b), độ nhớt động

học (c), nhiệt độ chớp cháy cốc kín (d) của hỗn hợp theo tỷ lệ pha trộn 29 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị Koehler- K47000, [60] 30 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị HPLC, [63] 32 Hình 2.4 Kết cấu buồng cháy và bố trí thiết bị đo của động cơ CFR-F5 36

Hình 2.6 Cấu tạo buồng cháy đẳng tích, [49] 41 Hình 2.7 Sơ đồ bố trí trang thiết bị đo tốc độ cháy tầng, [49] 42 Hình 2.8 Ảnh hưởng của tỉ lệ pha trộn đến tốc độ cháy tầng của hỗn hợp

Hình 2.9 Kết quả xác định thời gian cháy trễ của hỗn hợp B20 45 Hình 2.10 Bố trí trang thiết bị đo thời gian cháy trễ bằng ống xung kích 46 Hình 2.11 Kết quả xác định thời gian cháy trễ của B0, B20 , B40 , B60, B80,

Hình 2.12 Thời gian cháy trễ của B0, B20, B40, B60, B80, B100 tại ϕ=1 49 Hình 2.13 Sơ đồ bố trí trang thiết bị thử nghiệm 50 Hình 2.14 Diễn biến pxl tại TSN=17, GPS=18 của các hỗn hợp diesel-

Hình 3.1 So sánh i_TT với i_TN khi sử dụng nhiên liệu B0 66 Hình 3.2 So sánh τi_TT với τi_TN khi sử dụng B20, B40, B60, B100 68 Hình 3.3 Sai số tương đối nhỏ nhất về TGCT khi sử dụng các công thức dự báo

TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct) 93 Hình 4.4 So sánh áp suất trong xi lanh giữa tính toán và thực nghiệm của 93

B60 ở TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct) Hình 4.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến TGCT của hỗn hợp diesel-biodiesel

(ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) 95 Hình 4.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật cháy (x)

(ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) 97 Hình 4.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến tốc độ cháy (dx/dφ)

(ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) 97 Hình 4.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật tỏa nhiệt (Q)

(ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) 99 Hình 4.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến tốc độ tỏa nhiệt (dQ/dφ)

(ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) 100 Hình 4.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến sự thay đổi CA5,CA10, CA50,CA90

(ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) 101 Hình 4.11 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến diễn biến pxl

(ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) 103 Hình 4.12 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến tốc độ gia tăng áp suất

(ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) 105 Hình 4.13 Sự thay đổi TGCT khi sử dụng các công thức dự báo TGCT khác nhau

(ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727, dùng nhiên liệu B60) 107 Hình 4.14 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến quy luật cháy (x) khi sử dụng

B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) 108 Hình 4.15 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến tốc độ cháy (dx/dφ) khi sử

dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) 108 Hình 4.16 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến quy luật tỏa nhiệt (Q) khi sử

dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) 110 Hình 4.17 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT tốc độ tỏa nhiệt (dQ/dφ) khi sử

dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) 110 Hình 4.18 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến sự thay đổi CA5, CA10, CA50, CA90

khi sử dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) 112 Hình 4.19 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến diễn biến pxl khi sử dụng B60

(ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) 113 Hình 4.20 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến tốc độ gia tăng áp suất khi sử

dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) 115

MỞ ĐẦU

Để giảm thiểu mức ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt trong gây ra

và sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, các quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam đã và đang nghiên cứu sản xuất, sử dụng nhiên liệu diesel sinh học cho động

cơ đốt trong, [16, 51]

Nhiên liệu diesel sinh học là hỗn hợp của diesel sinh học tinh khiết (còn gọi là B100 hoặc diesel sinh học gốc) được pha trộn với nhiên liệu diesel truyền thống (có nguồn gốc hóa thạch) theo một tỷ lệ nhất định về thể tích Nhiên liệu diesel sinh học

thường được ký hiệu là Bxx, trong đó xx là 2 chữ số chỉ tỷ lệ thể tích của diesel sinh

học trong hỗn hợp (ví dụ: B40 có nghĩa là hỗn hợp nhiên liệu chứa 40 % diesel sinh học và 60% diesel truyền thống; B0 sẽ tương ứng với ký hiệu của nhiên liệu diesel truyền thống, chứa 0% biodiesel), [17]

Trong nhiều công trình đã công bố với tỷ lệ pha trộn nhỏ (dưới 10%) thì hầu như không làm thay đổi nhiều các tính năng kinh tế-kỹ thuật của động cơ, [3, 5, 20]

Tuy nhiên, nếu sử dụng tỷ lệ pha trộn cao hơn, do thành phần và tính chất nhiên liệu thay đổi nên sẽ làm thay đổi rõ rệt đặc tính cháy và cuối cùng là tính năng kinh tế- kỹ thuật của động cơ

Đối với các hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn lớn (trên 20%), sự thay đổi các thuộc tính liên quan quá trình cháy (trị số xê tan, tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp )

là đáng kể sẽ làm ảnh hưởng đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh (thời gian cháy trễ; diễn biến tốc độ cháy và tỏa nhiệt; diễn biến áp suất trong xi lanh; các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy như CA5, CA10, CA50, CA90 )

Do vậy, việc “Nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu

diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong động cơ diesel” là rất cần thiết, nhằm có được

những dữ liệu để nâng cao độ chính xác của việc tính toán mô phỏng chu trình công tác (CTCT) của động cơ diesel; tổ chức tốt hơn quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel

Luận án tiến sĩ của NCS là một sản phẩm khoa học công nghệ của đề tài

NCKH&PTCN cấp Quốc gia, “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho

việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”

(thuộc Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020)

do PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ là Chủ nghiệm đề tài, đã bảo vệ tháng 12/2017, [17]

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao nhằm xác định những dữ liệu để nâng cao độ chính xác độ và tin cậy của việc tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel cũng như tổ chức tốt hơn cho quá trình tạo hỗn hợp

và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm (PTN) với các trang thiết bị và quy trình thử tiêu chuẩn nhằm xác định các thuộc tính hóa-lý, các thuộc tính liên quan đến quá trình cháy của các loại hỗn hợp diesel-biodiesel

Nghiên cứu lý thuyết tập trung vào việc xây dựng, đánh giá sự phù hợp của công thức

dự báo thời gian cháy trễ của hỗn hợp diesel-biodiesel; ứng dụng công thức dự báo thời gian cháy trễ đã xây dựng để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy (TGCT; tốc độ cháy và tỏa nhiệt; các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy; diễn biến và tốc độ thay đổi áp suất trong xi lanh ) của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5 thông qua việc mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5

Đối tượng nghiên cứu

Các loại hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn từ 20 đến 100%

Trong đó, B0 là sản phẩm diesel thương mại trên thị trường (0,05% S) Diesel sinh học gốc (B100) được sản xuất từ phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil) thành dầu ăn (Cooking Oil), theo quy trình công nghệ của đề tài NCKH&

PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học B10 và B20 cho

phương tiện cơ giới quân sự”, mã số: ĐT.06.12/NLSH, [16]

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp chặt chẽ giữa

nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm:

- Xác định các thuộc tính liên quan đến quá trình cháy (tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, tỷ lệ A/F lý thuyết, trị số xê tan, nhiệt độ giới hạn tự bốc cháy) và đặc tính cháy (tốc độ cháy tầng, TGCT) của biodiesel: sử dụng phương pháp nghiên cứu thực

nghiệm trên hệ thống trang thiết bị chuyên dụng, theo quy trình thử tiêu chuẩn Kết quả thực nghiệm được đánh giá độ tin cậy và sử dụng một số phương pháp tính toán phù hợp để xác định quy luật thay đổi đặc tính cháy theo tỷ lệ pha trộn của biodiesel

và điều kiện vận hành

- Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ: sử dụng phương pháp nghiên

cứu thực nghiệm, dùng ống xung kích (Shock Tube) và động cơ diesel nghiên cứu 1

xi lanh CFR-F5 để xác định các dữ liệu thực nghiệm cần thiết Sử dụng công cụ tính toán phù hợp để xây dựng công thức thực nghiệm dự báo TGCT của hỗn hợp biodiesel

có xét đến thuộc tính của nhiên liệu, tỷ lệ pha trộn, điều kiện vận hành

- Đánh giá độ chính xác của công thức dự báo thời gian cháy trễ: sử dụng dữ

liệu thực nghiệm trên động cơ diesel nghiên cứu 1 xi lanh CFR-F5 để khảo sát, đánh giá độ tin cậy của công thức thực nghiệm do NCS xây dựng

- Khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh của động cơ CFR-F5, thông qua việc tính toán mô phỏng

CTCT của động cơ CFR-F5 trong phần mềm Matlab (sử dụng các công thức dự báo TGCT do NCS xây dựng; có xét đến các thông số kết cấu và vận hành của động cơ,

thuộc tính của nhiên liệu sử dụng)

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

- Luận án đã xác định được chi tiết một số thuộc tính liên quan đến quá trình cháy (tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, tỷ lệ A/F lý thuyết, trị số xê tan, nhiệt độ giới hạn tự bốc cháy) và đặc tính cháy (tốc độ cháy tầng, TGCT) của biodiesel, với B100 có nguồn gốc từ dầu Cọ

- Luận án đã xây dựng được công thức dự báo TGCT ứng với điều kiện nhiệt động trong ống xung kích và điều kiện nhiệt động trong động cơ diesel, có đủ độ tin cậy và có xét đến tỷ lệ pha trộn của hỗn hợp, thuộc tính của nhiên liệu

- Luận án đã đánh giá được độ chính xác của công thức dự báo TGCT đã xây dựng ; Đánh giá chi tiết ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh cơ CFR-F5; Đánh giá mức độ ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của diesel-biodiesel trong xi lanh động cơ CFR-F5

Ý nghĩa thực tiễn:

- Các kết quả nghiên cứu của luận án là dữ liệu đầu vào, dữ liệu tham khảo tốt cho các công việc sau: nghiên cứu chuyên sâu về quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel; góp phần nâng cao độ chính xác của việc tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel; phân tích, đánh giá các kết quả thử nghiệm động cơ thu được khi sử dụng biodiesel; tổ chức tốt hơn quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel

- Luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo tốt cho quá trình đào tạo đại học, sau đại học ngành Cơ khí động lực (Kỹ thuật Động cơ nhiệt)

- Kết quả nghiên cứu của Luận án góp phần trực tiếp cho việc thực hiện đề tài

NCKH&PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho

việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số

ĐT.08.14/NLSH [17], nhằm sử dụng có hiệu quả nhiên liệu diesel sinh học theo chủ trương chung của Chính phủ, [1, 2]

Bố cục của luận án

Luận án được thực hiện với 119 trang thuyết minh và 05 Phụ lục (trình bày trong 72 trang), bao gồm những nội dung chính sau:

+ Chương 1 Tổng quan (25 trang) Nội dung Chương 1 tập trung đánh giá

nhu cầu sử dụng biodiesel; Các đặc tính liên quan đến quá trình cháy của nhiên liệu diesel; Tỷ lệ pha trộn và sự thay đổi các thuộc tính, đặc tính của hỗn hợp diesel-biodiesel theo tỷ lệ pha trộn; Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh; Tổng quan tình hình nghiên cứu về đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel ở trong nước và trên thế giới Đây là nội dung rất cần thiết nhằm xác định rõ mục đích, phương pháp và phạm vi nghiên cứu; đối tượng nghiên cứu, loại nhiên liệu sử dụng

+ Chương 2 Nghiên cứu thực nghiệm (27 trang) Chương 2 trình bày các

nội dung liên quan đến nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định một số thuộc tính liên quan đến quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel (bao gồm: Các thuộc tính hóa-lý cơ bản; Tỷ lệ C:H:O và tỷ lệ A/F lý thuyết; Nhiệt trị thấp; Trị số xê tan;

Nhiệt độ tự bốc cháy) và đặc tính cháy (bao gồm: Tốc độ cháy tầng; Thời gian cháy trễ trong Shock Tube; Thời gian cháy trễ và diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5)

Với mục đích và nội dung nghiên cứu của luận án thì công việc thực nghiệm phải được tiến hành trước để có dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc xây dựng công thức dự báo TGCT (Chương 3) và mô phỏng CTCT (Chương 4) Do đó, Chương 2

“Nghiên cứu thực nghiệm” được đặt ngay sau Chương 1“Tổng quan”

+ Chương 3 Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ của hỗn hợp

diesel-biodiesel (20 trang) Với các dữ liệu thực nghiệm của Chương 2, Chương 3

tập trung xây dựng các công thức dự báo thời gian cháy trễ (ứng với điều kiện nhiệt động trong Shock Tube, điều kiện nhiệt động trong xi lanh động cơ diesel CFR-5),

có đủ độ tin cậy và có xét đến tỷ lệ pha trộn, thuộc tính của hỗn hợp; So sánh, đánh giá độ chính xác, phù hợp của một số công thức dự báo thời gian cháy trễ thông dụng

và công thức dự báo thời gian cháy trễ mà NCS đã xây dựng, ứng với điều kiện nhiệt động trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5

+ Chương 4 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5 (39 trang) Chương 4 tập trung đánh giá ảnh

hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh thông qua việc

mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5, sử dụng công thức dự báo thời gian cháy trễ do NCS đã xây dựng, có xét đến các thông số kết cấu-vận hành của động cơ cũng như thuộc tính của nhiên liệu sử dụng; Ngoài ra, NCS còn khảo sát mức độ ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của diesel-biodiesel trong xi lanh động cơ CFR-F5

+ Kết luận và Hướng phát triển: Trình bày những đóng góp mới của luận án

trong lĩnh vực chuyên ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu biodiesel

Biodiesel là nguồn năng lượng có thể tái tạo, không độc và dễ phân hủy Việc sản xuất và tiêu thụ biodiesel đang phát triển mạnh trên phạm vi toàn cầu, [21].

- Tại Mỹ: Là nước sản xuất và tiêu thụ biodiesel lớn nhất thế giới, trong vòng

6 năm trở lại đây lượng tiêu thụ biodiesel đã tăng từ 260 triệu gallon (1 gallon=3,785 lít) (năm 2010) lên gần 886 triệu gallon (năm 2011) và khoảng 899 triệu gallon vào năm 2012 Sau đó, lượng tiêu thụ liên tiếp tăng vào các năm 2013, 2014, 2015 lần lượt là 1429, 1417, 1476 triệu gallon, [104] Phần lớn biodiesel được sử dụng dưới dạng B20 cho các đoàn xe công của chính phủ (xe buýt trung chuyển và dùng cho trường học, xe gạt tuyết, xe chở rác, xe chuyển thư báo và các PTCGQS), [25] Theo

dự kiến đến năm 2020 toàn bộ thiết bị quân sự trên bờ và tàu chiến đều được thay thế 50% năng lượng tiêu dùng bằng các nguồn năng lượng thay thế Đến năm 2020, hải quân Mỹ sẽ được cung cấp khoảng 330 triệu gallon nhiên liệu biodiesel Hiện nay,

Mỹ cũng đang đầu tư rất nhiều ngân sách vào các dự án trọng điểm nhằm nghiên cứu phát triển và sử dụng B10, B20 trên các PTCGĐB, [66] Ngoài ra, ở Mỹ đã hình thành mạng lưới các trạm cung cấp biodiesel tại hầu hết các tiểu bang

Bảng 1.1 Lượng tiêu thụ biodiesel của Liên minh Châu Âu và dự báo cho 2015

và 2016, [78]

Pháp 2624 2579 2499 2613 2670 2840 2900 2900 Đức 2859 2933 2756 2816 2513 2606 2440 2390

Ý 1309 1670 1654 1623 1517 1136 1140 1140 Vương quốc Anh 909 966 1034 636 977 1079 1080 1140

Ba lan 602 784 1,079 837 843 730 740 740 Tây ba nha 1168 1553 1830 1677 700 679 700 700 Benelux (Bỉ, Hà lan

và Luxembourg) 740 541 561 620 609 670 690 690

Thụy điển 201 219 289 415 569 568 570 570

Bồ bào nha 293 423 395 358 352 373 380 380 Cộng hòa Séc 154 209 278 275 259 341 340 340 Các nước khác 817 791 1119 1261 1368 1506 1500 1520

- Liên minh Châu Âu: là khu vực có sự phát triển mạnh của việc sử dụng biodiesel Theo Báo cáo (năm 2015) về Nhiên liệu sinh học hàng năm của Liên minh Châu Âu, lượng tiêu thụ nhiên liệu biodiesel khu vực này tăng dần từ năm 2009 với

lượng tiêu thụ 12269 triệu lít, năm 2011 lên đến 14070 triệu lít (Bảng 1.1) Tuy nhiên,

do giá dầu thô giảm và các nước trong khu vực Liên minh Châu Âu thay đổi chính sách đối với nhiên liệu sinh học dẫn đến lượng tiêu thụ nhiên liệu biodiesel khu vực này giảm còn 13698 triệu lít (năm 2012) và ước tính năm 2016 giảm còn 13090 triệu lít (Bảng 1.1), [78]

- Khu vực Châu Á:

+ Tại Indonesia: Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường Indonesia (2015), lượng tiêu thụ nhiên liệu biodiesel của nước này tăng từ 358 triệu lít (năm 2011) lên 670 triệu lít (năm 2012) và tiếp tục tăng nhanh vào những năm tiếp theo

1048, 1600 triệu lít vào năm 2013, 2014 Sau đó lượng tiêu thụ giảm nhẹ vào năm

2015 còn 1450 triệu lít, ước tính năm 2016 lượng tiêu thụ nhiên liệu biodiesel tăng

2700 triệu lít; đồng thời mức pha trộn cũng tăng từ 10 % lên 15% vào tháng 4 năm

2015, [79]

+ Tại Thái Lan: Theo báo cáo (tháng 7/2016) của Bộ Tài nguyên và Môi trường Thái Lan, trong vòng 5 năm trở lại đây lượng tiêu thụ biodiesel của nước này đã tăng

từ 640 triệu lít (năm 2011) lên 890 triệu lít (năm 2012) và 1050 triệu lít vào năm 2013

Sau đó, lượng tiêu thụ liên tiếp tăng vào các năm 2014 và 2015 lần lượt là 1180 và

1230 triệu lít, ước tính trong năm 2016 và 2017 lượng tiêu thụ nhiên liệu biodiesel vào khoảng 1300 và 1410 triệu lít Mặc dù, chính phủ Thái Lan đã sớm thông qua chính sách nhằm khuyến khích việc chuyển các động cơ diesel thông thường sang dùng biodiesel vào tháng 6/2007 nhưng sau rất nhiều lần thay đổi chính sách thì tỷ lệ pha trộn mới chỉ dừng lại ở mức B7 (do biến đổi khí hậu nên nguồn nguyên liệu dầu cọ không cung cấp đủ để sản xuất biodiesel); chính phủ Thái Lan cũng đang lên kế hoạch tăng tỷ lệ pha trộn lên 10% biodiesel (B10) vào năm 2018, [80]

- Tại Việt Nam:

Việt Nam có nhiều tiềm năng về sản xuất nhiên liệu sinh học, điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thành những vùng nguyên liệu tập trung Mỡ

cá, dầu ăn phế thải được sử dụng để sản xuất biodiesel có thể giúp giải quyết được các vấn đề về môi trường và tăng hiệu quả kinh tế của quá trình chế biến thủy sản

Ước tính, Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít biodiesel mỗi năm nếu như

tổ chức quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất triệt để, tạo

ra nhiều loại giống có sản lượng cao và sở hữu các công nghệ tách dầu từ nguyên liệu, [13]

Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh

học thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020, [2] Ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định

số 53/2012/QĐ-TTg về việc ban hành “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống”, [1]

1.2 Đặc tính cháy của nhiên liệu diesel

Khi nghiên cứu về đặc tính cháy của nhiên liệu diesel, các nhà khoa học và các nhà nghiên cứu, thường quan tâm đến các thông số: TGCT, diễn biến áp suất trong xi lanh, tốc độ gia tăng áp suất, tốc độ tỏa nhiệt, các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy CA5, CA10, CA50, CA90 [38, 54, 62, 83, 96] So với nhiên liệu diesel truyền thống, các thuộc tính (trị số xê tan, tỷ lệ C/H/O, nhiệt trị thấp…) của nhiên liệu diesel sinh học có sự khác biệt, điều này sẽ dẫn đến sự thay đổi các đặc tính cháy của hỗn hợp biodiesel

Sự thay đổi thuộc tính sẽ tác động trực tiếp đến diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, đặc tính cháy của nhiên liệu bao gồm, [19]:

- Thời gian cháy trễ: Thời gian tính từ lúc phun nhiên liệu cho đến khi quá trình cháy thực sự diễn ra với sự tăng vọt về áp suất và nhiệt độ trong xi lanh gọi là thời gian cháy trễ τi (μs), tương ứng với góc cháy trễ φi (độ GQTK) Hiện tượng cháy

trễ là do sự cháy trễ vật lý (bao gồm quá trình phun, sự bay hơi và hòa trộn) và sự

cháy trễ hóa học (thời gian cần thiết để các phản ứng cháy xảy ra) gây ra, ([22], [75])

Thời gian cháy trễ phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học của nhiên liệu và thường được xác định qua các công thức thực nghiệm (với các thông số đầu vào cơ bản, cần cho tính toán bao gồm: áp suất và nhiệt độ trong xi lanh, năng lượng kích hoạt của nhiên liệu, độ đậm nhạt của hỗn hợp cháy, trị số xê tan của nhiên liệu ) Thời gian cháy trễ là đặc tính cháy quan trọng nhất có tác động mạnh đến các thông thông số nhiệt động của CTCT:

- Quy luật cháy (x), quy luật tỏa nhiệt (Q);

- Tốc độ cháy (dx/dφ), tốc độ tỏa nhiệt HRR (Heat Realese Rate) (dQ/dφ);

- Các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy CA5, CA10, CA50, CA90 là giá trị GQTK tương ứng với 5%, 10%, 50%, 90% tổng lượng nhiệt cung cấp cho chu trình được giải phóng Trong đó, CA50 là thông số thường được lựa chọn để kiểm soát quá trình cháy nhằm đạt được hiệu suất nhiệt cao nhất, [19]

- Diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ trong 1 CTCT theo góc quay trục khuỷu (độ GQTK); Tốc độ gia tăng áp suất (dp/dφ)

Ngoài ra, khi nghiên cứu về quá trình cháy của nhiên liệu người ta còn quan

tâm xác định các cơ chế phản ứng hóa học chính xuất hiện trong quá trình cháy Đây

là cơ sở để xây dựng các mô hình hình thành sản phẩm của quá trình cháy

1.3 Sự thay đổi các thuộc tính/đặc tính của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn

Khi thay đổi tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính (độ nhớt, tỷ trọng ) và đặc tính (tỷ

lệ C:H:O, thời gian cháy trễ, nhiệt trị thấp, trị số xê tan ) của biodiesel cũng thay đổi theo nhưng với chiều hướng rất khác nhau Bảng 1.2 trình bày sự thay đổi các thuộc tính nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn, (trong đó B100 có nguồn gốc từ phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô, là loại nhiên liệu mà NCS đang nghiên cứu Các thông

số thực nghiệm trong bảng được NCS tiến hành trên các trang thiết bị hiện đại, các giá trị trong dấu "()" là % thay đổi so với B0 được mô tả chi tiết trong Chương 2 và các công trình đã công bố)

Bảng 1.2 Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn

(với B100 có cùng nguồn gốc)

Thành phần hóa học, (%)

84,87 (-2,37%)

82,85 (-4,69%)

80,86 (-6,98%)

78,89 (-9,25%)

76,96 (-11,47%)

12,80 (-1,23%)

12,64 (-2,47%)

12,48 (-3,70%)

12,32 (-4,94%)

12,17 (-6,10%)

2,29 (3171,43%)

4,47 (6285,71%)

6,62 (9357,14%)

8,74 (12385,71%)

10,83 (15371,43%) Khối lượng riêng ở 40oC,

828,1 (0,79%)

834,1 (1,52%)

842,6 (2,55%)

848,1 (3,22%)

856,1 (4,19%)

Độ nhớt động học ở 40oC,

3,32 (6,75%)

3,60 (15,75%)

3,85 (23,79%)

4,21 (35,36%)

4,6 (47,90%) Điểm chớp cháy cốc kín [oC] 68,50

87,80 (28,18%)

110,5 (61,31%)

130,3 (90,22%)

155,8 (127,45%)

183,5 (167,88%) Nhiệt trị thấp, [MJ/kg] 42,91

41,77 (-2,66%)

40,65 (-5,27%)

39,55 (-7,83%)

38,46 (-10,37%)

37,39 (-12,68%) Trị số xê tan 52,4

54,4 (3,82%)

57,4 (9,54%)

62,4 (19,08%)

63,9 (21,95%)

66,9 (27,67%) Thời gian cháy trễ, [độ

11,9 (-8,46%)

11,4 (-12,31%)

10,6 (-18,46%)

10,2 (-21,5%)

9,7 (-25,3%)

Trong đó: Kết quả xác định khối lượng riêng ở 40oC, độ nhớt động học ở 40oC, điểm chớp cháy cốc kín (oC) được NCS trình bày chi tiết hơn trong bài báo “Xây dựng

công thức xác định chỉ số xê tan của hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel thông qua một

số thuộc tính lý- hóa”, Tạp chí Giao thông vận tải, ISSN 2354-0818, tháng 5/2015; Kết

quả xác định thành phần hóa học, nhiệt trị thấp được NCS trình bày chi tiết hơn trong

bài báo "Nghiên cứu xác định nhiệt trị thấp của hỗn hợp diesel/biodiesel sản xuất tại

Việt Nam từ kết quả phân tích tỷ lệ C:H:O", Tạp chí Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN:

0866-7056, tháng 9/2016; Kết quả xác định trị số xê tan, thời gian cháy trễ được NCS

trình bày chi tiết hơn trong bài báo "Xác định trị số xê tan, thời gian cháy trễ của hỗn

hợp nhiên liệu diesel/biodiesel sản xuất ở Việt Nam bằng động cơ CFR-5", Tạp chí Khoa

học& Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ISSN 1859-0209, số 169, tháng 7/20156

Dữ liệu trong Bảng 1.2, cho thấy:

- Với cùng loại B100, khi thay đổi tỷ lệ pha trộn sẽ có sự thay đổi về thành phần hóa học của hỗn hợp Cụ thể, có sự suy giảm nhẹ về tỷ lệ Carbon (mức giảm tương ứng là -2,37% với B20, -4,69% đối với B40, -6,98% đối với B60 và -9,25%

đối với B80) và tỷ lệ Hydro (mức giảm tương ứng là -1,23% với B20, -2,47% đối với B40, -3,70% đối với B60 và -4,94% đối với B80) trong hỗn hợp nhiên liệu Trái lại,

có sự gia tăng đáng kể về tỷ lệ Oxy (mức tăng tương ứng 3171,43% với B20, 6285,71% đối với B40, 9357,14% đối với B60 và 12385,71% đối với B80) trong hỗn hợp Đây là một trong các nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi đặc tính cháy của hỗn hợp

- Do sự gia tăng nhẹ về khối lượng riêng của B100, đã dẫn đến sự gia tăng nhẹ

về khối lượng riêng của hỗn hợp (mức tăng tương ứng là 0,79% với B20, 1,52% đối với B40, 2,55% đối với B60 và 3,22% đối với B80) Đây là điều cần lưu ý khi tính toán tỷ lệ A/F, xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình (gct) với các hệ thống phun nhiên liệu định lượng kiểu thể tích

- Do sự gia tăng đáng kể về nhiệt độ chớp cháy trong cốc kín của B100, đã dẫn đến sự gia tăng về nhiệt độ chớp cháy trong cốc kín của hỗn hợp (mức tăng tương ứng là 28,18% với B20, 61,31% đối với B40, 90,22% đối với B60 và 127,45% đối với B80) Đây là ưu điểm rất quan trọng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel trong việc lưu trữ sử dụng và bảo quản cũng như vận chuyển

- Do sự giảm về nhiệt trị thấp của B100, đã dẫn đến sự suy giảm nhẹ về nhiệt trị thấp của hỗn hợp (mức giảm tương ứng là -1,35% với B20, -2,66% đối với B40, -5,27% đối với B60 và -7,83% đối với B80) Đây là điều cần lưu ý khi xác định tổng lượng nhiệt cấp cho CTCT với các hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) định lượng kiểu thể tích Ngoài ra, khi sử dụng hỗn hợp diesel-biodiesel phải bổ sung thêm 1 lượng nhiên liệu nhất định để đảm bảo giữ nguyên tổng lượng nhiệt cung cấp cho 1

CTCT Sự gia tăng nhẹ về độ nhớt động học của B100, đã dẫn đến sự gia tăng nhẹ về

độ nhớt động học của hỗn hợp điều này có ảnh hưởng đến quá trình phân rã tia phun

- Do sự gia tăng về trị số xê tan của B100, đã dẫn đến sự gia tăng về trị số xê tan của hỗn hợp (mức tăng tương ứng là 3,82% với B20, 9,54% đối với B40, 19,08%

đối với B60 và 21,95% đối với B80) Đây là ưu điểm rất quan trọng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel trong quá trình tạo hỗn hợp và cháy

- Do sự thay đổi thuộc tính của B100, đã dẫn đến sự thay đổi thời gian cháy trễ của hỗn hợp (mức giảm tương ứng là -8,46% với B20, -12,31% đối với B40, -18,46% đối với B60 và -21,5% đối với B80) Trong các thuộc tính nêu trên sự gia tăng của trị số xê tan có ảnh hưởng lớn đến thời gian cháy trễ

Ngoài việc phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính/đặc tính của biodiesel còn phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu đầu (Feedstock) để sản xuất diesel sinh học gốc B100, [52], (Bảng 1.3)

Để đảm bảo yếu tố ''thay thế" của nhiên liệu diesel sinh học, việc nghiên cứu

sử dụng biodiesel với tỷ lệ pha trộn lớn (nhất là cho các phương tiện giao thông công cộng, các loại phương tiện thường xuyên hoạt động tại các khu đô thị) là cần thiết Khi

tỷ lệ pha trộn >20%, do có sự thay đổi đáng kể về thuộc tính của nhiên liệu sẽ dẫn đến

sự thay đổi các đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel

TT Thuộc tính Phương pháp

dương, [86]

Mỡ phế thải, [86]

Bã thải tinh dầu Cọ [87]

EN 14214

Tiêu chuẩn của Châu Âu về biodiesel

1 Khối lượng riêng tại 15oC EN ISO 3675 kg/m3 867,90 874,80 876,50 869,3 860900

<-15(Mùa Đông)

12 Hàm lượng axít béo tự do AO AC (1999) % 0,173 0,188 0,152 - <3

14 Chỉ số iốt EN 14111 g iốt/100 g 111,0 128,40 98,30 48 < 120

1.4 Ảnh hưởng thuộc tính nhiên liệu đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh

Các thuộc tính hóa lý cơ bản của nhiên liệu gồm: tỷ trọng và độ nhớt, có ảnh hưởng đến TGCT vật lý (bao gồm quá trình phun, sự bay hơi và hòa trộn) Tỷ trọng của nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến áp suất trong hệ thống phun, động năng của chùm tia phun, lượng nhiên liệu cung cấp cho một CTCT và hệ số dư lượng không khí thực tế Biodiesel thường có tỷ trọng lớn hơn so với diesel nên có ảnh hưởng đến vấn đề trên Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng đến sự lưu động của nhiên liệu qua các vị trí có tiết diện thay đổi, ma sát với thành ống… nên sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến áp suất trong hệ thống phun nhiên liệu, mức độ rò lọt nhiên liệu tại các khoang trong mạch nhiên liệu cao áp và kéo theo sẽ ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình (gct), [18] Nếu nhiên liệu diesel có độ nhớt quá lớn sẽ làm giảm tổn thất bơm trong bơm cao áp và vòi phun, dẫn đến làm tăng áp suất phun cho kim phun nâng sớm hơn (tăng góc phun sớm thực tế) Ngược lại, khi độ nhớt của nhiên liệu giảm, sẽ dẫn đến sự gia tăng lượng nhiên liệu rò lọt tại bơm cao áp và vòi phun, sẽ làm giảm thể tích thực của nhiên liệu được vòi phun phun vào buồng cháy

Ngoài ra, độ nhớt giảm cũng làm cho kim phun nâng muộn hơn (giảm góc phun sớm thực tế) Độ nhớt của nhiên liệu là thông số có tác động trực tiếp đến mức độ phân rã của tia nhiên liệu sau khi ra khỏi vòi phun Khi độ nhớt của hạt nhiên liệu lớn thì sẽ khó để bị phân rã thành các hạt nhỏ hơn và do vậy quá trình hóa hơi của chúng để tạo hỗn hợp với không khí cũng sẽ khó khăn hơn Hỗn hợp nhiên liệu diesel sinh học thường có độ nhớt lớn hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống, (Bảng 1.2)

Các thuộc tính liên quan trực tiếp đến quá trình cháy của nhiên liệu gồm có:

tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp và trị số xê tan:

- Khi tỷ lệ C:H:O thay đổi, lượng Oxy cần thiết để đốt cháy một đơn vị nhiên liệu cũng thay đổi theo Biodiesel (B100) có tỷ lệ của Hydro gần như không đổi, tỷ

lệ của Carbon giảm xuống, trong khi đó có hàm lượng Oxy trong biodiesel nhiều hơn đáng kể so với diesel truyền thống Như vậy với cùng một lượng nhiên liệu cung cấp cho CTCT của động cơ, khi sử dụng hỗn hợp diesel-biodiesel thì lượng Oxy cần cung cấp để đốt cháy hết hỗn hợp diesel-biodiesel sẽ ít hơn so với lượng Oxy cần cung cấp

để đốt cháy nhiên liệu diesel, điều này sẽ có tác động đến quá trình cháy

- Nhiệt trị thấp là nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị nhiên liệu trừ đi phần nhiệt lượng tỏa ra khi ngưng tụ hơi nước trong sản phẩm cháy Trong tính toán mô phỏng CTCT của động cơ đốt trong thường phải sử dụng nhiệt trị thấp

vì nhiệt độ khí thải thường lớn hơn nhiều so với nhiệt độ ngưng tụ hơi nước ở cùng

điều kiện áp suất Với cùng thể tích (hoặc khối lượng) nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình, giá trị nhiệt trị thấp của nhiên liệu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tổng lượng nhiệt cấp cho CTCT Ngoài ra, giá trị của nhiệt trị thấp kết hợp với tốc độ phun nhiên liệu

sẽ quyết định diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh Do B100 có nhiệt trị thấp nhỏ hơn so với B0 (Bảng 1.2) nên các hỗn hợp biodiesel cũng sẽ có nhiệt trị thấp nhỏ hơn

so B0 Mức độ suy giảm về nhiệt trị của B100 phụ thuộc chủ yếu vào nguồn gốc của

nó, [58] Do sự suy giảm về nhiệt trị thấp, sẽ làm ảnh hưởng tới quy luật toả nhiệt và tốc độ toả nhiệt trong xi lanh

- Trị số xê tan: Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel có thể xác định thông qua trị số xê tan (Cetane Number -CN) hoặc chỉ số xê tan (Cetane Index -CI)

Trị số xê tan có ảnh hưởng quyết định đến thời gian cháy trễ của nhiên liệu và do vậy

sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến nhiệt độ, áp suất trong xi lanh Nhiên liệu có trị

số xê tan thấp thì quá trình cháy trễ sẽ kéo dài thời gian chuẩn bị cho quá trình cháy dài dẫn đến tốc độ gia tăng áp suất và áp suất trong xi lanh tăng cao Trị số xê tan quá cao làm cho thời gian chuẩn bị cho quá trình cháy quá ngắn (hiện tượng cháy sớm) dẫn đến áp suất trong xi lanh và tốc độ gia tăng áp suất thấp Trị số xê tan của hỗn hợp diesel-biodiesel cao hơn so với diesel truyền thống (Bảng 1.2) Đây là một ưu điểm của biodiesel khi xét về góc độ tạo hỗn hợp và cháy

- Khi tỷ lệ C:H:O thay đổi, lượng Oxy cần thiết để đốt cháy một đơn vị nhiên liệu cũng thay đổi theo Biodiesel (B100) có tỷ lệ của Hydro gần như không đổi, tỷ

lệ của Carbon giảm xuống, trong khi đó có hàm lượng Oxy trong biodiesel nhiều hơn đáng kể so với diesel truyền thống Như vậy với cùng một lượng nhiên liệu cung cấp cho CTCT của động cơ, khi sử dụng hỗn hợp diesel-biodiesel thì lượng Oxy cần cung cấp để đốt cháy hết hỗn hợp diesel-biodiesel sẽ ít hơn so với lượng Oxy cần cung cấp

để đốt cháy nhiên liệu diesel, điều này sẽ có tác động đến quá trình cháy

Thuộc tính hóa lý cơ bản (tỷ trọng, độ nhớt ), thuộc tính liên quan đến quá trình cháy (tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp và trị số xê tan ) có ảnh hưởng đan xen, phức tạp đến đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu trong xi lanh Thuộc tính của biodiesel phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu sản xuất, biodiesel có nguồn gốc khác nhau, với mỗi loại lại có các thuộc tính khác nhau, [52] Trong nhiều công bố gần đây cho thấy, thuộc tính của nhiên liệu có ảnh hưởng rất khác nhau đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh Tác động của biodiesel từ các nguồn khác nhau đến đặc tính cháy của động cơ diesel được trình bày trong Bảng 1.4

Bảng 1.4 Ảnh hưởng nguồn gốc B100 đến đặc tính cháy của nhiên liệu

trong xi lanh

Nguồn gốc biodiesel B100

Tỷ lệ pha trộn

Động cơ diesel thử nghiệm

Điều kiện thử nghiệm

Đặc tính cháy của biodiesel so với diesel

Tác giả, Tài liệu tham khảo

Dầu Paradise (Paradise oil)

50%, 100%

1 xi lanh, phun trực tiếp

Ở tốc độ

1500 [vg/ph]

pxl thấp hơn, dQ/dφ thấp hơn, TGCT ngắn hơn

Devan và Mahalaksh-mi, [36]

Dầu Jatropha (Jatropha oil)

10%, 20%, 30%, 100%

1 xi lanh, làm mát bằng không khí, phun trực tiếp

Tải thay đổi

ở 1500 [vg/ph]

pxl thấp hơn, dQ/dφ thấp hơn, TGCT ngắn hơn

Chauhan

và Cộng

sự, [26]

Dầu Cây Đậu dầu (Pongamia oil)

mát bằng nước, phun trực tiếp

Ở tốc độ

1500 [vg/ph]

pxl thấp hơn, dQ/dφ thấp hơn, TGCT ngắn hơn

Jaichandar

và Cộng

sự, [50]

Dầu tảo (Algae oil)

gián tiếp, không tăng áp

Thay đổi tốc độ động

cơ và góc phun sớm

pxl cao hơn, dQ/dφ cao hơn, TGCT dài hơn

Haik và Cộng sự, [45]

Dầu Neem (Neem oil)

10%, 20%, 50%, 100%

1 xi lanh, phun trực tiếp làm mát bằng nước

Thay đổi áp suất phun ở

1500 [vg/ph]

pxl cao hơn, dQ/dφ tương

tự

Dhar và Cộng sự, [37]

Dầu Cọ (Palm oil)

25%, 50%, 75%, 100%

1 xi lanh, phun trực tiếp, không tăng áp, làm mát bằng nước

Toàn tải pxl cao hơn,

dQ/dφ thấp hơn, TGCT ngắn hơn

Sharon và Cộng sự, [82]

Dầu đậu nành (Soybean oil)

100% 1 xi lanh, không

tăng áp, làm mát bằng nước, phun trực tiếp

Toàn tải ở

1500 [vg/ph]

pxl cao hơn, dQ/dφ thấp hơn, TGCT ngắn hơn

Qi và Cộng sự, [71]

Nguồn gốc biodiesel B100

Tỷ lệ pha trộn

Động cơ diesel thử nghiệm

Điều kiện thử nghiệm

Đặc tính cháy của biodiesel so với diesel

Tác giả, Tài liệu tham khảo

Dầu canola (Canola oil)

5%, 20%, 50%, 100%

1 xi lanh, không tăng áp, làm mát bằng không khí, phun trực tiếp

Thay đổi áp suất phun

và tải

pxl thấp hơn, dQ/dφ thấp hơn, TGCT ngắn hơn

Sayin và Cộng sự, [77]

Mỡ phế thải (Waste cooking oil)

20%, 40%, 60%, 80%

1 xi lanh, làm mát bằng nước

Ở tốc độ

1500, [vg/ph] và

50% tải

pxl cao hơn, dQ/dφ thấp hơn

ran và Vasudev-

Muralidha-an, [65]

Bảng 1.4 cho thấy, với các loại biodiesel có nguồn gốc khác nhau thì có các đặc tính cháy khác nhau (khi so sánh với diesel) Một số loại biodiesel cho kết quả áp suất trong xi lanh giảm, tốc độ tỏa nhiệt giảm [26], [36], [50] Tuy nhiên, một số công trình lại cho kết quả: áp suất trong xi lanh tăng, tốc độ tỏa nhiệt giảm [71], [77], [82] Nghiên cứu khác lại cho thấy, áp suất trong xi lanh tăng, tốc độ tỏa nhiệt tăng

[45] Điều này minh chứng cho tác động đa chiều đan xen và phức tạp của các thuộc tính của nhiên liệu đến đặc tính cháy của chúng trong xi lanh

Như vậy để đánh giá đầy đủ và toàn diện về đặc tính cháy cần phải xác định các thuộc tính hóa lý cơ bản cũng như các thuộc tính liên quan trực tiếp đến quá trình cháy của hỗn hợp (tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp và trị số xê tan) Ngoài ra, các dữ liệu

về thuộc tính nhiên liệu còn được sử dụng để phục vụ việc tính toán mô phỏng CTCT động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-biodiesel

1.5 Tình hình nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel

Kết quả thực nghiệm cho thấy biodiesel có thời gian cháy trễ ngắn so với nhiên liệu diesel, trong khi các đặc tính cháy khác như diễn biến áp suất, tốc độ tỏa nhiệt, tốc độ

cháy có đặc tính tương tự như diesel Tác giả không đề cập đến ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn và chế độ tải tới các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy

H Dornelles và cộng sự [38] đã khảo sát đặc tính cháy của hỗn hợp B07, B17, B27, B52, B77 và B100 (với B100 có nguồn gốc từ dầu mỡ phế thải) trên động cơ diesel 4 kỳ, 1 xi lanh phun trực tiếp tại 100 % tải ở các tốc độ 2000, 2250, 2500, 2750

và 3000 vg/ph Kết quả cho thấy, diễn biến áp suất trong xi lanh khi sử dụng B100 bắt đầu phát triển và đạt cực trị sớm hơn so với các hỗn hợp khác ở các tốc độ khác nhau Từ việc so sánh quy luật cháy (x) của B100 và B07 cho thấy, quá trình cháy của B100 bắt đầu và phát triển sớm hơn so với B07 (Hình 1.1) Thời gian cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu B07 là dài nhất Khi tăng tỷ lệ pha trộn thì tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất có xu hướng giảm dần

Hình 1.1 So sánh quy luật cháy (x)

xi lanh khi sử dụng B100 bắt đầu phát triển và đạt cực trị sớm hơn so với B0 tại các chế độ tải Ở 25% tải, tốc độ thay đổi áp suất lớn nhất khi sử dụng B0 lớn hơn so với B100, khi tải tăng lên 100% thì tốc độ thay đổi áp suất lớn nhất của B100 lớn hơn B0 Thời gian cháy trễ của biodiesel là ngắn so với diesel truyền thống ở các chế độ khảo sát và thời gian cháy trễ có xu hướng giảm khi tăng tải Tốc độ tỏa nhiệt và tốc

độ cháy của B100 có dạng tương tự như B0 tuy nhiên bắt đầu và phát triển sớm hơn

so với B0, tổng thời gian cháy của B100 dài hơn B0 (Hình 1.2)

B Mazumdar và A.K.Agarwal [62] đã xác định công suất, phát thải và đặc tính cháy của hỗn hợp B0, B5, B10, B20, B50, B100 (với B100 có nguồn gốc từ dầu

mỡ phế thải, có trị số xê tan bằng 44,28) trên động cơ diesel 4 kỳ, 4 xi lanh, phun gián tiếp ở các chế độ tải 0, 25, 50, 75 và 100% tại n=2000 (vg/ph) Kết quả cho thấy,

ở mọi chế độ tải thì áp suất trong xi lanh khi dùng B0 là lớn nhất và B20 là nhỏ nhất (Hình 1.3) Tốc độ tỏa nhiệt được phân tích từ diễn biến áp suất trong xi lanh, kết quả cho thấy tốc độ tỏa nhiệt của biodiesel ở các tỷ lệ pha trộn tương tự như diesel Giá trị quy luật cháy lớn nhất ở các tỷ lệ pha trộn B05, B20 và B100 là cao hơn so với B0 Theo tác giả, nguyên nhân có thể là do còn một lượng nhỏ methanol dư (dùng để sản xuất biodiesel) trong diesel sinh học, khi cháy làm tăng tốc độ tỏa nhiệt ở giai đoạn ban đầu và giữa của quá trình cháy (Hình 1.4) Sự thay đổi của tốc độ thay đổi

áp suất cũng được tác giả phân tích Từ kết quả phân tích giá trị CA5 cho thấy B5 là hỗn hợp có thời gian cháy trễ nhỏ nhất và B20 có thời gian cháy trễ lớn nhất Từ kết quả phân tích CA90 cho thấy B100 là hỗn hợp kết thúc quá trình cháy sớm nhất, B10

là hỗn hợp kết thúc quá trình cháy muộn nhất

Hình 1.3 So sánh diễn biến áp suất

Trong luận án TSKT của mình, tác giả Phan Minh Đức, [39] đã nghiên cứu

ảnh hưởng của việc phun mồi bằng biodiesel đến đến đặc tính cháy trên động cơ diesel dùng nhiên liệu kép (Diesel dual fuel engine (DDF) khi sử dụng nhiên liệu LPG-diesel; ảnh hưởng của thời gian phun đến đặc tính cháy khi sử dụng nhiên liệu LPG-diesel và LPG-biodiesel Luận án của tác giả tập trung toàn bộ vào nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel Ford WL2.5L (4 xi lanh, phun nhiên liệu gián tiếp, dùng 1 vòi phun kiểu chốt, buồng cháy kiểu Ricardo) theo chu trình thử ECE15+EUDC Thông qua việc ghi nhận áp suất trong xi lanh kết hợp với việc quan

sát buồng cháy tác giả đã đánh giá được hiệu suất nhiệt, suất tiêu thụ năng lượng, một

số hiện tượng xảy ra trong buồng cháy (hình thành tia phun, phân bố màng lửa, nhiệt

độ màng lửa, hàm lượng PM trong buồng cháy) và một số đặc tính cháy (thời gian cháy trễ, diễn biến áp suất trong xi lanh, tốc độ gia tăng áp suất, tốc độ tỏa nhiệt, tổng thời gian cháy) ứng với các chế độ tải (10, 20, 30, 40, 70 Nm) và tốc độ (1250, 2000,

2750 vg/ph) Kết quả cho thấy TGCT của nhiên liệu LPG-biodiesel phun mồi bằng biodiesel ngắn hơn so với nhiên liệu LPG-diesel phun mồi bằng diesel Theo tác giả

do tổng hợp hai yếu tố do ảnh hưởng của việc phun mồi bằng biodiesel và do ảnh hưởng của hàm lượng Oxy trong biodiesel Quy luật tỏa nhiệt của nhiên liệu LPG-biodiesel phun mồi bằng biodiesel bắt đầu sớm hơn so với nhiên liệu LPG-diesel phun mồi bằng diesel Tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu LPG-biodiesel phun mồi bằng biodiesel có giá trị cực đại lớn hơn và xuất hiện sớm hơn so với nhiên liệu LPG-diesel phun mồi bằng diesel Diễn biến áp suất trong xi lanh của nhiên liệu LPG-biodiesel phun mồi bằng biodiesel có dạng tương tự như khi sử dụng nhiên liệu LPG-diesel phun mồi bằng diesel nhưng có đỉnh cao hơn và giá trị này tăng lên khi thay đổi tốc

độ và tỷ lệ pha trộn LPG

1.5.2 Tại Việt Nam

Ở nước ta, nghiên cứu nhiên liệu sinh học nói chung và biodiesel nói riêng mới chỉ được quan tâm trong thời gian gần đây (khoảng từ sau năm 2007) nên chưa

có nhiều công trình nghiên cứu bài bản, chi tiết liên quan đến đánh giá ảnh hưởng đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong xi lanh động cơ

Trong đề tài NCKH&PTCN cấp Quốc gia, [15] tác giả Đặng Văn Uy và cộng

sự đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm việc sử dụng hỗn hợp dầu thực vật thô (chưa qua quá trình biến đổi thành diesel sinh học gốc B100) với nhiên liệu diesel dầu mỏ theo các tỷ lệ pha trộn 5, 10, 15, 20% cho động cơ diesel tàu thủy 6LU32 và K657 M2 6Ч18/14 Qua đó đưa ra giải pháp công nghệ là thiết bị hòa trộn nhiên liệu

Trong công trình nghiên cứu của mình tác giả chỉ tập trung đánh giá sử dụng hỗn hợp dầu thực vật thô cho động cơ diesel tàu thủy mà không đề cập đến việc xác định thời gian cháy trễ cũng như đánh giá đặc tính cháy của nhiên liệu diesel sinh học ở tỷ lệ pha trộn cao hơn

Năm 2009, Viện Hóa học công nghiệp Việt Nam, đã thực hiện đề tài độc lập

cấp Quốc gia“Đánh giá hiện trạng công nghệ sản xuất và thử nghiệm hiện trường

nhiên liệu sinh học biodiesel từ mỡ cá nhằm góp phần xây dựng tiêu chuẩn Việt Nam

về biodiesel”, [5] Đề tài đã nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất B5 với nguyên

liệu đầu vào là mỡ cá basa và sản xuất thử nghiệm một lượng lớn B5 phục vụ nghiên cứu Các kết quả thử nghiệm chạy bền động cơ trong phòng thí nghiệm, chạy xe hiện trường đều cho thấy B5 tương thích tốt với động cơ Đề tài này chủ yếu nghiên cứu thực nghiệm với tỷ lệ pha trộn diesel sinh học ở mức thấp (5%) mà không đề cập đến việc đánh giá đặc tính cháy của nhiên liệu diesel sinh học ở tỷ lệ pha trộn cao

Luận án TSKT của tác giả Phùng Minh Lộc (2012), [7] đã góp phần nghiên cứu, xác định tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và nhiên liệu diesel dầu mỏ dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường

Tác giả đã thiết kế chế tạo thành công hệ thống thiết bị phối trộn dầu dừa và diesel dùng làm hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ ô tô, tàu thuyền cỡ nhỏ; đề xuất giải pháp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa và diesel (với các mức pha trộn 5, 10,

15, 20 và 25%) cho động cơ diesel Đối tượng nghiên cứu (lý thuyết và thực nghiệm) của đề tài là động cơ diesel nghiên cứu 1 xi lanh AVL-5402 (dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CommonRail) Trong phần cơ sở lý thuyết, tác giả không đề cập đến xây dựng công thức thực nghiệm xác định thời gian cháy trễ mà chỉ phân tích, tính toán một số thông số của tia phun (chiều dài và thời gian phân rã, kích thước hạt, chiều dài và góc nón của chùm tia nhiên liệu) dựa theo các công thức thực nghiệm

LATS đã sử dụng phần mềm KIVA để tính toán CTCT, khi xây dựng và hiệu chỉnh

mô hình tính, tác giả có đề cập đến vấn đề đưa chỉ số xê tan vào mô hình mà hoàn toàn chưa đề cập một số thuộc tính: nhiệt trị thấp, tỷ lệ C:H:O Luận án có đề cập đến ảnh hưởng của các chế độ tải (20, 40, 60, 80, 100%) đến một số đặc tính cháy là diễn biến áp suất trong xi lanh và tốc độ tỏa nhiệt mà chưa đề cập đến một số đặc tính cháy khác như thời gian cháy trễ, các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy Công thức dự báo thời gian cháy trễ trong phần mềm KIVA sử dụng trong luận án được đưa ngầm định vào mô hình cháy nên không thể đánh giá, hiệu chỉnh

Luận án TSKT của tác giả Phan Đắc Yến (2015), [20] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thuộc tính hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau (B10 và B20 với B100 có nguồn gốc từ bã thải dầu Cọ) đến đặc tính phun, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác, mức phát thải NOx, độ khói của động

cơ trên cơ sở ứng dụng các phần mềm Inject32 và Diesel-RK Luận án đã đưa quy luật cung cấp nhiên liệu vào mô hình để nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp B10 và B20 đến các chỉ tiêu kinh tế (ge); năng lượng (Me) và môi trường (NOx; độ khói) của động cơ diesel B2 Trong luận án của tác giả đã xác định một số thuộc tính như: trị

số xê tan, nhiệt trị thấp ở tỷ lệ pha trộn ≤ 20% để đưa vào mô hình CTCT mà chưa

đề cập đến các hỗn hợp có tỷ lệ pha trộn >20% Trong phần cơ sở lý thuyết tác giả đã tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu, CTCT và các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ, có đề cập đến đặc tính cháy trong phần tính toán mô phỏng ở tỷ lệ pha trộn thấp Kết quả thực nghiệm của luận án chủ yếu đề cập đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường cho động cơ diesel B2, không đề cập đến xác định đặc tính cháy cũng như TGCT ở phần thực nghiệm Công thức xác định thời gian cháy trễ (công thức Tolstov) được sử dụng ngầm định trong mô hình cháy của Razleitsev - Kuleshov nên khó đánh giá, hiệu chỉnh thời gian cháy trễ dự báo bằng Diesel-RK

Luận án TSKT của Nguyễn Tuấn Nghĩa (2014), [11] đã nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất phun, góc phun sớm của các hỗn hợp diesel-biodiesel (B0, B10, B20, B30, B40, B50) từ hai nguồn là mỡ cá và dầu rán phế thải đến các chỉ tiêu công tác, mức phát thải ứng với một số chế độ vận hành của động cơ nghiên cứu 1 xi lanh AVL-5402 (dùng hệ thống phun nhiên liệu kiểu CommonRail) Luận án đã xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số phun như góc nón tia phun, chiều dài và độ rộng tia phun với áp suất phun và tỷ lệ pha trộn Trong luận án, công thức xác định thời gian cháy trễ trong phần mềm AVL-Boost là ngầm định nên không thể đánh giá, hiệu chỉnh Trong luận án, tác giả cũng đã xác định một số thuộc tính (trị số xê tan, nhiệt trị cao của hỗn hợp bằng thực nghiệm) của biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá nhưng tác giả không đề cập đến việc tính toán nhiệt trị thấp cũng như không đề cập đến việc xác định các thuộc tính khác (nhiệt độ tự bốc cháy, tỷ lệ C:H:O ) Luận án có đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun, góc phun sớm đến diễn biến áp suất trong xi lanh và tốc độ tỏa nhiệt mà chưa đề cập đến một số đặc tính cháy khác như thời gian cháy trễ, các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy

Trong công trình nghiên cứu được công bố gần đây, tác giả Nguyễn Mạnh Cường và cộng sự [3] đã trình bày kết quả nghiên cứu quá trình cháy và đánh giá tính kinh tế nhiên liệu của hỗn hợp B20, B25, B30 và B0 (trong đó B100 có nguồn gốc từ hạt cao su) trên động cơ diesel Mazda WL-Turbo (4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, buồng cháy phụ) ở các chế độ tải 30, 50, 70 và 90% tại các tốc độ 1500, 2000, 2500 và 3000 vg/ph Kết quả đo diễn biến áp suất trong xi lanh ở chế độ 70% tải và tốc độ 2250 vg/ph cho thấy, áp suất trong xi lanh khi sử dụng B25, B30 gần tương đương với B0 tuy nhiên áp suất trong xi lanh khi sử dụng B20 thấp hơn nhiều so với khi sử dụng B0 Khi sử dụng B20, B25, B30 có công suất và mô men cao hơn so với nhiên liệu diesel và B20 đạt công suất lớn nhất trong tất cả nhiên liệu nghiên cứu Ở chế độ tải 70% và 90% khi động cơ sử dụng nhiên liệu B20 đạt được suất tiêu thụ nhiên liệu

thấp nhất Công trình nghiên cứu này chỉ đề cập đến diễn biến áp suất trong xi lanh

và suất tiêu hao nhiên liệu bằng thực nghiệm khi sử dụng biodiesel mà không đề cập đến các đặc tính cháy khác

Tác giả Nguyễn Lê Duy Khải và Nguyễn Quang Trãi [6] đã đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ hòa trộn của biodiesel từ dầu hạt cao su đến tính năng động cơ diesel Kubota RT125 phun trực tiếp bằng mô phỏng trên phần mềm KIVA-3V với các tỷ lệ pha trộn B0, B5, B10 và B20 (trong đó B100 có nguồn gốc từ hạt cao su) với chế độ tải 50%, 80% và 100%; ở các tốc độ 1600, 2000, 2400 vg/ph Kết quả mô phỏng cho thấy ở các chế độ tải và tốc độ động cơ, áp suất xi lanh khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel có xu hướng cao hơn so với khi sử dụng B0 Khi phân tích kết quả tính toán phát thải tác giả nhận thấy khi sử dụng B5, B10 và B20 có lượng phát thải NOx cao hơn nhưng phát thải bồ hóng thấp hơn so với B0 Khi tăng tải thì lượng

bồ hóng có xu hướng giảm Công suất của động cơ khi sử dụng biodiesel có thay đổi nhưng không đáng kể so với B0

Trong đề tài NCKH&PTCN cấp Quốc gia của tác giả Nguyễn Hoàng Vũ và

cộng sự [17], “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên

liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số:

ĐT.08.14/NLSH Đề tài đã nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU có khả năng thích ứng với việc sử dụng biodiesel với các mức pha trộn khác nhau trên động cơ diesel đang lưu hành lắp HTPNL điều khiển điện tử kiểu CR nhằm tăng hiệu suất nhiệt, giảm phát thải ô nhiễm Các nội dung nghiên cứu của NCS là một phần công việc của

đề tài ĐT.08.14/NLSH nhằm xác định chi tiết các đặc tính liên quan đến quá trình cháy và đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel Đây là dữ liệu đầu vào quan trọng cho chương trình điều khiển ECU cũng như để phục vụ việc điều chỉnh quá trình cung cấp nhiên liệu (thay đổi lượng phun phù hợp với sự suy giảm nhiệt trị thấp của biodiesel; thay đổi thời điểm phun phù hợp với sự thay đổi trị số xê tan, thời gian cháy trễ của biodiesel ), quá trình tạo hỗn hợp (thay đổi tỷ lệ EGR phù hợp với biodiesel)

Qua nghiên cứu, phân tích một số công trình nghiên cứu đã công bố ở trong

và ngoài nước liên quan đến đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel, NCS nhận thấy:

- Một số công trình tập trung vào việc sản xuất (hay điều chế) biodiesel B100

từ các loại nguyên liệu đầu vào khác nhau chứ chưa tập trung nghiên cứu sử dụng hiệu quả biodiesel trong động cơ ([5], [13], [15])

- Một số công trình tập trung nghiên cứu, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ khi sử dụng dầu thực vật thô (chưa chuyển thành biodiesel), ([7], [10], [46])

- Một số công trình tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết hoặc nghiên cứu thực nghiệm về quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ khi sử dụng biodiesel, ([3], [6], [11], [20]) nhưng chưa đề cập hoặc chưa đánh giá chi tiết các đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao và không đề cập đến việc xây dựng, đánh giá công thức xác định TGCT của hỗn hợp diesel-biodiesel

- Một số công trình nước ngoài ([38], [39], [54], [62], [83]) đã tiến hành thực nghiệm xác định đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel trong xi lanh khi thay đổi tải, tốc độ động cơ và tỷ lệ pha trộn … nhưng chưa đề cập chi tiết đến việc xác định và xây dựng các hệ số của công thức dự báo thời gian cháy trễ ở hai phương diện vật lý và hóa học

nhiên liệu diesel và biodiesel là khá nhiều, nhưng các dữ liệu thu được chưa đủ để đánh giá toàn diện các đặc tính cháy của chúng do sự đa dạng của diesel sinh học (nguồn gốc của B100) và sự phức tạp của cơ chế động học quá trình cháy Mặc dù có nhiều thông số đánh giá đặc tính cháy (như đã trình bày trong Mục 1.2) nhưng NCS chỉ tập trung vào thời gian cháy trễ do đây là đặc tính quan trọng nhất có tác động

mạnh đến các thông số nhiệt động của CTCT Việc “Nghiên cứu đặc tính cháy của

hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong động cơ diesel” có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn nhằm phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu về quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel; góp phần nâng cao độ chính xác của việc tính toán

mô phỏng CTCT của động cơ diesel; tổ chức tốt hơn quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel với tỷ lệ pha trộn cao

1.6 Kết luận chương 1

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan trực tiếp đến hướng nghiên cứu của luận án, NCS rút ra một số kết luận sau:

- Đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu có thể đánh giá qua các thông số như:

Thời gian cháy trễ, quy luật cháy, tốc độ cháy, quy luật tỏa nhiệt, tốc độ tỏa nhiệt, các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy (CA5, CA10, CA50, CA90), diễn biến áp suất trong xi lanh, tốc độ gia tăng áp suất

- Khi thay đổi tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính liên quan đến quá trình cháy như

tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, trị số xê tan của hỗn hợp biodiesel sẽ thay đổi đáng kể theo nhưng với chiều hướng rất khác nhau

- Nội dung chính của luận án chỉ tập trung nghiên cứu chuyên sâu về thời gian cháy trễ (TGCT) của nhiên liệu diesel – biodiesel do đây là đặc tính quan trọng nhất

có tác động mạnh đến các thông số nhiệt động của CTCT

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.1 Các vấn đề chung

Trong chương này NCS trình bày mục đích, chế độ, đối tượng nghiên cứu và kết quả thực nghiệm khi xác định một số thuộc tính (các thuộc tính hóa-lý cơ bản, nhiệt độ tự bốc cháy, tỷ lệ C:H:O, tỷ lệ A/F lý thuyết, nhiệt trị thấp, trị số xê tan) và một số đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel (tốc độ cháy tầng, TGCT trong Shock Tube; TGCT và diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ diesel) Thực nghiệm được tiến hành tại PTN của ĐH Giao thông Tây An, ĐH Dầu khí Tây An/Trung Quốc

và PTN Xăng-Dầu-Khí của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1 (Quatest 1)/Việt Nam

Việc xác định TGCT trong Shock Tube (trong điều kiện áp suất thấp, nhiệt độ cao) nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến TGCT “hóa học” Việc xác định TGCT trong xi lanh nhằm nghiên cứu TGCT trong điều kiện nhiệt động xi lanh động

cơ diesel, xét đến cả cả yếu tố “vật lý” (ảnh hưởng quá trình phun, tạo hỗn hợp … đến thời gian cháy trễ) và “hóa học”

2.2 Nguồn gốc và phương pháp pha chế hỗn hợp diesel-biodiesel

Biodiesel gốc (B100) dùng cho quá trình nghiên cứu của luận án là sản phẩn của đề tài NCKH& PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học B10 và B20 cho phương tiện cơ giới quân sự”, mã số: ĐT.06.12/NLSH, [16]

B100 được sản xuất bằng hệ thống dây chuyền thiết bị đồng bộ, hiện đại thuộc Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam (dự án Korea Biodiesel Pilot Plant, công nghệ của Hàn Quốc) với nguyên liệu đầu vào là phụ phẩm của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Palm oil) thành dầu ăn (Cooking oil)

Phụ gia được sử dụng cho hỗn hợp diesel-biodiesel là các phụ gia hạ điểm đông đặc Polyalpha Olefins (PAOs), phụ gia chống oxy hóa Tert-butylhydroquinone (TBHQ) và phụ gia chống ăn mòn Ethylenediamine (EDA) Ba loại phụ gia được pha trộn với B100 theo tỷ lệ đã chọn Sau đó, B100 (đã pha phụ gia) được pha trộn với B0 để tạo thành sản phẩm là các hỗn hợp diesel-biodiesel (Bxx) Quy trình phối trộn

để tạo hỗn hợp diesel-biodiesel đã được trình bày chi tiết trong tài liệu [16]

2.3 Xác định một số thuộc tính của hỗn hợp diesel-biodiesel

2.3.1 Xác định một số thuộc tính hóa-lý cơ bản

2.3.1.1 Mục đích

Xác định các tính chất hóa-lý chính (khối lượng riêng, nhiệt trị cao, độ nhớt động học, nhiệt độ chớp cháy cốc kín) của hỗn hợp biodiesel để đánh giá ảnh hưởng