Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường

Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường

LỜI CAM ĐOAN

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

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Tác giả Luận án

Phùng Minh Lộc

Tôi xin tỏ lòng kính trọng và chân thành biết ơn PGS.TS Nguyễn Thạch đã nhận hướng dẫn tôi thực hiện Luận án này

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS.Quách Đình Liên, PGS.TS.Nguyễn Văn Nhận, PGS.TS.Trần Gia Thái đã cung cấp tài liệu và đóng góp những ý kiến quý báu về phương pháp luận của Luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Phạm Hùng Thắng đã hết lòng tạo điều kiện cho tôi thực hiện đề tài NCKH cấp Bộ hỗ trợ cho việc thực hiện Luận án này

Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Anh Thi, TS Nguyễn Ngọc Dũng và Phòng Thí nghiệm Trọng điểm ĐCĐT Đại học Quốc gia Tp.HCM đã đắc lực giúp tôi hoàn thành phần thực nghiệm của Luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy phản biện, quý Thầy trong Hội đồng chấm Luận án đã đồng ý đọc, duyệt và đóng góp ý kiến để tôi hoàn chỉnh Luận án và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và thân hữu đã ủng hộ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận án này

Nghiên cứu sinh

Phùng Minh Lộc

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC

CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

6

Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DỪA

17

2.2 Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu và cấu trúc tia phun nhiên liệu dầu

dừa trong động cơ diesel

Chương 3- ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHA DẦU DỪA

VÀO DẦU DIESEL ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG BẰNG

PHẦN MỀM MÔ PHỎNG

59

3.3 Phân tích quá trình cháy và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp đến chỉ

tiêu kinh tế, môi trường bằng phần mềm mô phỏng KIVA-3V.

106

Chương 4- NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ

LỆ PHA DẦU DỪA VÀO DẦU DIESEL ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ

MÔI TRƯỜNG

123

PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Từ những năm 1970, trước áp lực của các cuộc khủng hoảng dầu mỏ và vấn

đề giảm thải các chất gây ô nhiễm môi trường, nhiều nước trên thế giới đã hoạch định những chính sách nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học (biofuels) thay thế dần cho nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ trên các động cơ diesel Bắt đầu từ Châu Âu, đến nay việc sử dụng nhiên liệu sinh học đã được ứng dụng khắp các châu lục

Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các hợp chất có nguồn gốc động hoặc thực vật Ví dụ, nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động hoặc thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương ), chất thải trong nông nghiệp (rơm, cây bắp, ), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải ),

Nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu mỏ, khí đốt, than đá, ) như:

- Thân thiện với môi trường, hàm lượng khí gây ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính trong khí thải của động cơ ít

- Nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh từ hoạt động sản xuất nông nghiệp,

do vậy cho phép giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống

Tuỳ thuộc vào phương thức sản xuất và sử dụng, nhiên liệu sinh học có thể phân làm 4 nhóm chính như sau:

NHIÊN LIỆU SINH HỌC

DẦU THỰC VẬT NGUYÊN GỐC - SVO Straight Vegetable Oil

ETHANOL

Hiện nay có thể chia công nghệ sử dụng mỡ động vật và dầu thực vật làm nhiên liệu (với tỷ lệ thích hợp) cho động cơ diesel thành hai hướng chính:

(1) Xử lý về mặt hoá học để mỡ động vật và dầu thực vật có được những

tính chất tương đương với diesel dầu mỏ (DO) Dầu qua xử lý như vậy gọi là biodiesel

(2) Xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật đạt được một số yêu cầu cơ bản của

nhiên liệu DO Theo hướng này, công nghệ chủ yếu theo 2 nhánh sau:

- Thứ nhất, chế tạo bộ chuyển đổi thành hệ thống nhiên liệu kép hoặc chế tạo

bộ phun nhiên liệu chuyên dùng cho SVO thành hệ thống nhiên liệu đơn

- Thứ hai, tạo hỗn hợp dầu thực vật với dung môi có độ nhớt thấp (như: dầu hỏa, ethnol, dầu diesel ), và chất phụ gia đạt tiêu chuẩn nhiên liệu dùng cho động

cơ diesel

Trong đề tài này, NCS chọn giải pháp tạo hỗn hợp vì:

- Việc chế tạo, lắp đặt thêm bộ chuyển đổi hoặc bộ phun chuyên dùng SVO

có khả năng sử dụng đến 100% dầu thực vật nguyên chất nhưng sẽ làm đội giá thành hệ thống nhiên liệu, gây phức tạp trong sử dụng

- Không cần có nhà máy xử lý với quy mô công nghiệp như Biodiesel, hiện giá thành thiết bị còn rất cao (30.000 EU cho thiết bị có năng suất 50lít/ mẻ)

Mặt khác, biodiesel dễ bị nhiễm khuẩn làm giảm sút chất lượng trong bảo quản, thời gian bảo quản được khuyến cáo là dưới 1 năm với chế độ nghiêm ngặt, điều này chưa phù hợp với trình độ kỹ thuật ở nước ta Trong khi đó dầu thực vật được bảo quản trong điều kiện thông thường Ở một số động cơ, dầu biodiesel làm

hư hỏng vật liệu cơ bản tổng hợp PVC, các ống dẫn cao su, vòng đệm Chưa tìm

thấy công trình nào công bố tác hại tương tự khi sử dụng công nghệ tạo hỗn hợp

- Sử dụng trực tiếp dầu thực vật từ các cơ sở sản xuất dầu hiện có, đặc biệt là dầu không ăn được, tạo hỗn hợp với chất phụ gia và nhiên liệu DO sẽ hạ giá đầu

vào nhiên liệu Giải pháp này không đòi hỏi người sử dụng trình độ cao, rất phù hợp với điều kiện nước ta

Trong lĩnh vực Nông - Lâm - Ngư và giao thông ở Việt Nam, động cơ diesel được sử dụng rất phổ biến (trên 90%) Đến tháng 10/2011 cả nước có gần 500.000 máy kéo các loại sử dụng trong nông nghiệp, với tổng công suất trên 5 triệu mã lực (CV); 580.000 máy tuốt đập lúa; 17.992 máy gặt lúa các loại Đến cuối năm 2008,

số lượng tàu cá Việt Nam lên đến 128.000 chiếc với tổng công suất trên 6.784.000

cv (bình quân 53 cv/chiếc) Ngoài ra, tàu giao thông vận tải đường sông, dịch vụ du lịch cũng có số lượng rất lớn Như vậy, nếu dùng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel sẽ tiết kiệm được một lượng ngoại tệ lớn cho quốc gia và hạn chế ô nhiễm môi trường

Dầu thực vật Việt Nam được chế biến từ các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật gồm: đậu nành, đậu tương, đậu phụng (lạc), vừng, dừa, cám gạo…trong đó phổ biến nhất là dầu dừa [2] Dầu dừa có độ nhớt, khối lượng riêng, điểm chớp lửa thấp nhất, chỉ số cetan cao nhất Đây là lợi điểm đáng kể khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế, hơn nữa sản lượng dầu dừa đứng đầu trong 3 loại dầu thực vật phổ biến ở Việt Nam Gần đây xuất hiện thêm một số loại dầu không ăn được như: dầu cây cọc rào (jatropha), dầu cây rong tảo,…đầy tiềm năng nhưng chưa thành thương phẩm

Từ những luận cứ trên, thấy rằng: “Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường” là rất cấp thiết trong bối cảnh hiện nay

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ pha

dầu dừa vào dầu diesel đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường trên động cơ diesel,

từ đó xác định công thức hỗn hợp làm tham số đầu vào cho việc thiết kế Hệ thống

nhiên liệu chuyển đổi Để giải quyết mục tiêu của đề tài, NCS đặt ra giả thuyết:

- Động cơ diesel có thể hoạt động được nếu sử dụng nhiên liệu mới có đặc

tính (chủ yếu là độ nhớt và chỉ số cetan) tương đương nhiên liệu truyền thống

- Chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ sẽ thay đổi theo tính chất nhiên liệu

3 Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ diesel

4 Phạm vi nghiên cứu: Hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia và dầu diesel làm

nhiên liệu cho động cơ diesel

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

1 Về khoa học

- Xây dựng cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa, dầu diesel làm nhiên

liệu cho động cơ diesel;

- Xác định các điều kiện mô phỏng (điều kiện ban đầu và điều kiện biên) khi

sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa với dầu diesel;

- Xác định yếu tố điều chỉnh chính của nhiên liệu hỗn hợp cho quá trình mô phỏng là thời gian phun và thời gian cháy trễ thông qua tính chất nhiên liệu là độ nhớt và chỉ số cetan;

- Xác lập công thức tính và xây dựng các thông số nhiệt động cho nhiên liệu hỗn hợp: dầu dừa, dầu diesel và chất phụ gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel;

- Dẫn liệu khoa học về kết quả chạy thử nghiệm nhiên liệu hỗn hợp từ dầu dừa, dầu diesel và chất phụ gia trên cụm thử nghiệm chuyên dùng AVL

2.Về thực tiễn

- Đề xuất giải pháp sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho các động cơ diesel;

- Chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia và dầu diesel Góp phần khai thác nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel để thay thế một phần nguồn nhiên liệu truyền thống đang ngày càng khan hiếm và giảm ô nhiễm môi trường

Các đóng góp này có thể vận dụng trong nghiên cứu nhiên liệu thay thế từ các loại dầu thực vật khác nhau, giúp giảm thời gian và chi phí thực hiện

6 Phương pháp nghiên cứu

1 Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu tài liệu về những lý thuyết hiện đại đã và đang được phát triển

trên thế giới về các quá trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu thay thế

- Phân tích lựa chọn mô hình toán hợp lý trong ứng dụng xác định thông số

của tia phun nhiên liệu dầu dừa so với nhiên liệu diesel làm cơ sở cho giải pháp sử dụng nhiên liệu hỗn hợp

- Mô phỏng bằng phần mềm ảnh hưởng của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel

đến quá trình cháy trong động cơ diesel làm cơ sở chọn số mẫu nhiên liệu thực nghiệm

2 Nghiên cứu thực nghiệm:

- Xác định tương quan nhiệt - nhớt của các mẫu nhiên liệu hỗn hợp ứng với

các tỷ lệ pha khác nhau, từ đó xác định khoảng tỷ lệ pha hợp lý

- So sánh và kiểm chứng đặc tính công suất, đặc điểm quá trình cháy; Khảo

sát chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ khi sử dụng dầu diesel và các mẫu nhiên liệu hỗn hợp trên băng thử chuyên dùng; Kiểm chứng với kết quả mô phỏng

7 Nội dung nghiên cứu

1 Tổng luận và nghiên cứu cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel;

2 Lựa chọn mô hình toán và mô phỏng quá trình phun và cháy nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa - dầu diesel trong động cơ diesel;

3 Đánh giá chỉ tiêu kinh tế và môi trường khi thay đổi tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel trên động cơ diesel

8 Kết cấu Luận án

Luận án được kết cấu thành 5 chương:

1 Tổng quan về sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel

2 Cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel

3 Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến chỉ tiêu kinh

tế và môi trường của động cơ diesel bằng phần mềm mô phỏng

4 Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel

5 Kết luận và kiến nghị

9 Hạn chế của Luận án

Luận án chưa nghiên cứu giải quyết được các vấn đề có liên quan như: Công thức phân tử của nhiên liệu hỗn hợp; Độ ổn định của nhiên liệu hỗn hợp theo thời gian và điều kiện bảo quản

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

SINH HỌC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

Hiện nay có nhiều ứng dụng nhiên liệu thay thế cho các động cơ, ví dụ Brazin là nước đi đầu trong việc phát triển các loại nhiên liệu sạch từ mía, Brazin hiện có tới 90% ô tô sử dụng nhiên liệu sạch và nhiên liệu sạch pha với nhiên liệu

có nguồn gốc dầu mỏ, với 5 nhà máy cung cấp sản lượng khoảng 49 triệu lít/năm Thị trường châu Âu cũng không nhỏ khi nghị định Kyoto được đưa vào thực hiện, các quy chế ngặt nghèo về khí thải, gần đây là chỉ thị 2003/30/EC, theo đó từ ngày 31/12/2005 có ít nhất 2% và đến 31/12/2010 ít nhất 5,75% nhiên liệu dùng trong vận tải phải có nguồn gốc tái tạo Tại Đức chỉ thị trên đã được thực hiện sớm hơn, tiếp theo là Áo và Pháp với nhiên liệu chứa 5% có nguồn gốc tái tạo đã được bán Ở

Mỹ, Áo đã cho động cơ diesel ôtô chạy bằng dầu thực vật từ nhiên liệu là dầu ăn thải ra từ trong các nhà hàng Achentina đã tìm cách phát triển công nghệ sản xuất năng lượng thay thế từ đậu nành với chi phí sản xuất chỉ bằng ½ so với dầu diesel truyền thống (DO) Nước Anh cũng đã sản xuất nhiên liệu thay thế từ hạt hướng dương, hạt thầu dầu và hạt cọ, sản xuất ethanol từ lúa mì và mía Gần đây, đã có một số công trình bắt đầu nghiên cứu và công bố sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong tảo

Như vậy, khái niệm cũng như công nghệ chế biến và sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel là khá rộng Phạm vi của đề tài này chỉ đề cập đến nhiên liệu lỏng: biodiesel và SVO

1.1 Sử dụng nhiên liệu biodiesel

Biodiesel là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu

diesel nhưng được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật Về phương diện hóa học thì Biodiesel là methyl ester của những axít béo Nguyên liệu sản xuất biodiesel

từ động vật là mỡ cá tra, cá basa, mỡ gà,… còn từ thực vật: dầu dừa, dầu đậu nành, dầu hạt cải, dầu hướng dương, dầu mè, dầu lạc,…

Biodiesel có tiềm năng lớn để làm nhiên liệu tái tạo trong các động cơ diesel Hiện nay, công nghệ sản suất Biodiesel từ các cây có dầu đang được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, châu Mỹ để thay thế một phần nhiên liệu DO (Diesel Oil) Có được

điều này chủ yếu là do các đặc tính thuận lợi của biodiesel về khả năng pha trộn với nhiên liệu diesel thông thường và chỉ cần điều chỉnh nhỏ hệ thống nhiên liệu

Có hai tiêu chuẩn phát triển dầu diesel sinh học chính là ASTM-D6751 của

Mỹ và EN-14214 của Liên minh Châu Âu Theo đó, quá trình sản xuất diesel sinh học bắt đầu từ dầu thực vật nguyên chất hoặc các chất béo đã qua sử dụng Các cấu trúc phân tử phân nhánh lớn của dầu thực vật được chuyển sang các cấu trúc phân tử mạch thẳng ngắn hơn gọi là các ester methyl - hoặc ethyl giống như các thành phần của dầu diesel truyền thống

Hình 1-1 Sơ đồ ester hóa

Sơ đồ phương pháp ester hoá trình bày trên Hình 1-1: Glycerine dễ dàng được tách ra khỏi ester và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác

Nguồn nguyên liệu cho sản xuất dầu diesel sinh học hiện nay ở các nước đi tiên phong chủ yếu là bốn loại thực vật: dầu hạt cải chiếm gần 85%, dầu hạt hướng dương, dầu đậu tương và dầu cọ Các nguyên liệu còn lại được sản xuất từ dầu hạt lanh, mỡ bò, và dầu, mỡ rán tái chế Tuy nhiên, bốn loại thực vật chính sử dụng để sản xuất dầu diesel sinh học đang được trồng chủ yếu cho nhu cầu thực phẩm của con

Dầu(mỡ)+Methanol

Gạn Xúc tác kiềm

Pha ester

Lọc Bay hơi

Sản phẩm cuối cùng

Xúc tác kiềm

người và trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau Điều này dẫn đến sự cạnh tranh trên thị trường dầu ăn

Gần đây xuất hiện hướng nghiên cứu đáng chú ý là sản xuất biodiesel từ dầu không ăn được, chúng rẻ hơn nhiều so với dầu thực phẩm, chẳng hạn như cây “đậu

vật lý”, có tên gọi dân gian là “cọc rào”, tên khoa học là Jatropha Curcas Dầu của

đậu này không thể dùng cho thực phẩm vì nó chứa độc tố toxalbumine Sự khảo sát

về các đặc tính nhiên liệu của ester-methyl và ester-ethyl từ Jatropha đã cho nhiều

kết quả tốt (xem Bảng 1.1)

Bảng 1.1: Thông số nhiệt động của một số methyl ester và dầu diesel

Thông số Methyl jatropha Methyl dầu dừa Dầu diesel

Ưu điểm chính của biodiesel (các thông số cho ở Bảng 1.2) là có thể sử dụng

trong các động cơ diesel thông dụng mà không cần cải tạo lớn Diesel sinh học hoà trộn tốt với nhiên liệu DO và hỗn hợp này có tính ổn định lâu dài Các hỗn hợp có hàm lượng dầu diesel sinh học thấp có thể dùng thay thế trực tiếp nhiên liệu diesel trong hầu hết các động cơ diesel mà không cần điều chỉnh

Nhược điểm chính của biodiesel là:

- Phải xử lý hoá học, đầu tư dây chuyền công nghệ làm gia tăng giá thành nhiên liệu

- Biodiesel hoạt động như một chất hoà tan, nên pha vào dầu diesel (DO) với

tỷ lệ cao không tương thích với một số loại hợp chất nhựa tổng hợp và cao su tự nhiên và chúng bị hỏng sau một thời gian

- Dầu diesel sinh học có tốc độ lão hoá cao, nó bắt đầu xuống cấp và tạo thành các chất lắng đọng có thể làm hỏng hệ thống phun nhiên liệu Nhìn chung, lưu kho một năm được coi là có thể chấp nhận được nhưng phải đảm bảo hạn chế tối đa sự tiếp xúc với ánh sáng, không khí và nước

Bảng 1.2: Thông số biodiessel (TCVN 7717-07)

Hàm lượng ester min 96,5 EN 14103

Khối lượng riêng tại 150C, kg/ m3 860-900 TCVN 6594

Điểm chớp cháy, 0C min 13,0 TCVN 2693

Nước và cặn, % thể tích max 0,05 ASTM D2709

Độ nhớt động học tại 400C, cSt 1,9-6 TCVN 3171

Tro, sulphat, % khối lượng max 0,02 TCVN 2689

Lưu huỳnh, % khối lượng, ppm max 0,05 ASTM D5453

Trị số cetan min 47 TCVN 7630

Cặn cacbon, % khối lượng max 0,05 ASTM D4530

Trị số axit, mgKOH/g max 120 EN 1411

Nhiệt độ chưng cất, 90% thu hồi max 360 ASTM D1160

Na và Ka, mg/kg max 5,0 EN 1408

Sự tiêu chuẩn hoá các yêu cầu về chất lượng nhiên liệu được coi là một bước quan trọng để phát triển ứng dụng biodiesel

Cuối cùng, một đạo luật về chất lượng nhiên liệu biodiesel ở Châu Âu (2003/17/EC) chấp nhận tỷ lệ pha trộn đến 5% cho tất cả các loại động cơ ôtô và các nhà chế tạo bơm phun nhiên liệu

1.2 Sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu (SVO)

Bên cạnh biodiesel còn có nhiều công trình nghiên cứu lắp đặt thêm cụm thiết bị chuyển đổi để động cơ diesel có thể hoạt động trực tiếp với dầu thực vật hoặc hỗn hợp giữa chúng với chất pha mà không cần chế biến thành biodiesel Công

nghệ này được gọi là “sử dụng trực tiếp dầu thực vật” (Straight Vegetable Oil) gọi

Từ những năm 1970, nhiều công trình nghiên cứu cải tiến động cơ diesel để

sử dụng SVO Công ty Elsbett (Đức) đã đi tiên phong về công nghệ này, động cơ

"Elsbett" của công ty này là động cơ ô tô diesel đầu tiên trên thế giới sử dụng SVO

Viện nghiên cứu Southwest, Reid và các cộng sự (1982) đã đánh giá tính chất hóa học của 14 loại dầu thực vật Các nghiên cứu quá trình phun cho thấy dầu

thực vật khác xa với dầu diesel truyền thống Sự khác biệt này gây ra chủ yếu là do

độ nhớt cao của chúng Các thử nghiệm trên động cơ chỉ ra rằng mức độ tạo muội

than trong động cơ sẽ giảm nếu như dầu thực vật được hâm nóng trước khi cháy trong buồng đốt Và cũng cho thấy rằng mức độ tạo muội trong buồng đốt trong động cơ sẽ khác nhau với các loại dầu khác nhau khi có độ nhớt như nhau Điều này chứng tỏ rằng thành phần của dầu thực vật là một yếu tố quan trọng

Goering và cộng sự (1981) đã nghiên cứu tính chất của 11 loại dầu thực vật

để xác định loại dầu nào thích hợp nhất để làm nguồn nhiên liệu thay thế Trong 11 loại dầu thực vật gồm bắp, hạt cải, mè, hạt bông và đậu nành có được những tính chất nhiên liệu thích hợp nhất

Bacon và cộng sự (1981) đã đánh giá nhiều loại dầu thực vật để làm nguồn nhiên liệu Động cơ ban đầu thử nghiệm sử dụng các loại dầu thực vật cho thấy có thể chấp nhận được, với lưu ý là khi sử dụng các loại dầu này sẽ gây ra quá trình tạo carbon trong buồng đốt động cơ Tiếp tục cho động cơ hoạt động ở các tải bộ phận với tốc độ quay bằng ½ tốc độ quay định mức, thấy rằng quá trình tạo muội than tăng lên rất nhanh ở đầu vòi phun Tuy mới thử nghiệm với thời gian ngắn, nhưng kết quả nhận được nhiều hứa hẹn, Bacon khuyến cáo cần thử nghiệm động cơ với thời gian dài để xác định tổng thể ảnh hưởng của dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel

Bruwer và cộng sự (1980) đã nghiên cứu sử dụng dầu hạt hoa hướng dương như là loại nhiên liệu tái tạo Khi vận hành trên máy cày với 100% dầu hạt hoa hướng dương thay cho dầu diesel truyền thống, sau 1000 giờ hoạt động công suất động cơ bị suy giảm 8% Sự mất mát công suất này được sửa chữa bằng cách thay thế bộ bơm cao áp (BCA) và vòi phun (VP) khác Sau 1.300 giờ hoạt động, sự bám muội than trong động cơ được đánh giá là tương đương với 100% nhiên liệu diesel, ngoại trừ đầu vòi phun có sự bám muội than quá mức

Ở Đức, Schoedder (1981) sử dụng dầu hạt cải thay thế cho nhiên liệu diesel nhận được các kết quả khác nhau Thử nghiệm trên động cơ ngắn hạn đã thể hiện dầu hạt cải sản sinh năng lượng tương tự như nhiên liệu diesel Động cơ thử nghiệm dài hạn lần đầu đã cho thấy phát sinh những khó khăn sau 100 giờ hoạt động vì sự bám muội than trên piston, xupap, và vòi phun

Auld và cộng sự (1982) sử dụng dầu hạt cải làm nhiên liệu thay thế trên động

cơ diesel Sự phân tích của dầu hạt cải đã chỉ ra mối quan hệ giữa độ nhớt và axit béo mạch dài Công suất và moment xoắn của động cơ khi chạy với dầu hạt cải tương tự như với nhiên liệu diesel Các kết quả thử nghiệm ngắn hạn đã cho thấy trong tương lai cần phải đánh giá tính bền lâu của động cơ

Bettis và cộng sự (1982) đã đánh giá dầu hoa hướng dương, dầu hạt rum (safflower) và dầu hạt cải như là nguồn nhiên liệu lỏng có khả năng chấp nhận được Các dầu thực vật này có nhiệt trị bằng (94  95)% nhiên liệu diesel và độ nhớt lớn hơn xấp xỉ 15 lần Thử nghiệm ngắn hạn trên động cơ có kết quả công suất khi sử dụng dầu thực vật tương đương với nhiên liệu diesel, nhưng các thử nghiệm dài hạn cho thấy muội than đóng nhiều trong buồng đốt

Engler và cộng sự (1983) đã sử dụng dầu thô hoa hướng dương và dầu hạt

bông (cottonseed) làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel nhưng kết quả không tốt Thử nghiệm động cơ với dầu thực vật đã qua xử lý cho thấy kết quả tốt hơn nhiên liệu diesel một ít Tuy nhiên, sự bám muội than và làm bẩn dầu bôi trơn là vấn đề cần được lưu ý

Pryor và cộng sự (1983) tập trung thử nghiệm ngắn hạn và dài hạn khi sử dụng 100% dầu đậu nành trên các động cơ nhỏ Các kết quả khi thử nghiệm ngắn hạn cho thấy sự làm việc với dầu đậu nành tương đương với nhiên liệu diesel Tuy nhiên, khi thử nghiệm dài hạn phải bị bỏ dở do mất mát công suất và muội than bám đầy trên vòi phun

Yarbrough và cộng sự (1981) có kết quả tương tự khi thử nghiệm sáu mẫu dầu hoa hướng dương thay thế nhiên liệu diesel trên động cơ Kết quả cho thấy các dầu hướng dương thô không thích hợp làm nhiên liệu, ngược lại dầu này đã qua tinh chế đều thoả mãn để làm nhiên liệu thay thế

Pryde (1982) đã tổng quan trong bài viết về sự thành công và thiếu sót cho việc nghiên cứu nhiên liệu thay thế Bài báo này đưa tình trạng thử nghiệm động cơ ngắn hạn khi sử dụng dầu thực vật như là nguồn nhiên liệu nhiều hứa hẹn Tuy nhiên, thử nghiệm dài hạn cho thấy có vấn đề về tuổi thọ khi dùng dầu thực vật vì phải đối đầu với sự tạo muội than quá mức và làm bẩn dầu bôi trơn

Khác với Châu Âu, các nước Châu Á và Thái Bình Dương sử dụng SVO chủ yếu là dầu dừa Các nước thuộc quần đảo Thái Bình Dương (Pacific Islands Countries) là những ví dụ điển hình Đó là các trạm phát điện ở Ouvéa, New Caledonia, sử dụng nhiên liệu dầu dừa nguyên chất để chạy động cơ diesel vào năm

1990 Ở Welagi, Taveuni, Fiji một trạm diesel - máy phát điện 45kVA sử dụng

nhiên liệu dầu dừa bắt đầu hoạt động vào 07/2001 cung cấp cho 58 hộ gia đình và sau đó một trạm diesel phát điện khác có công suất 55 kVA được đưa vào sử dụng

Ở Sawana, Vanua, Balavu trạm diesel phát điện sử dụng dầu dừa nguyên chất làm nhiên liệu có công suất 95 kVA Trong số các nước đảo nam Thái Bình Dương sử dụng dầu dừa để chạy máy phát điện phải kể đến hai trạm phát điện có công suất lớn đến 750 kVA được vận hành bởi Enercal ở Ouvéa, New Caledonia trong 10 năm gần đây và trên cụm phát điện Cummin 400kVA ở Savai’i [7]

Ở các nước này cũng phát triển nhiên liệu dầu dừa cho ô tô vì những lợi ích

về môi trường và kinh tế Ông Deamer đã thành công trong khi chuyển động cơ diesel trên ô tô sang dùng nhiên liệu dầu dừa nguyên chất an toàn với một thay đổi nhỏ trên động cơ Sau đó khoảng 200 xe mini-buýt đã được chuyển sang hỗn hợp dầu dừa – dầu diesel đã thúc đẩy rộng rãi khái niệm sử dụng dầu dừa như là một loại nhiên liệu thay thế cho dầu diesel

Dầu cọ thô sản xuất từ các nông trại ở Thái Lan có thể chứa từ (24)% các axit béo tự do (Free Fatty Acids) trong khi đó dầu cọ tinh chế chỉ còn ít hơn 1% (thường là khoảng 0,5%) Kết quả thử nghiệm đến 2.000 giờ, cho thấy tất cả các động cơ hoạt động tốt với dầu cọ tinh chế Dầu này đã được pha phụ gia để chống

sự tạo keo bám dính trên bề mặt các chi tiết động cơ của axit Phosphoric, và axit béo được loại bỏ nhờ phản ứng xà phòng hóa với Hydroxit Natri

Tiến hành thử nghiệm liên tục động cơ với dầu cọ thô, động cơ đầu tiên sau khi qua 300 giờ thử nghiệm đã nhả khói đen và có tiếng gõ lớn Tháo dỡ động cơ cho thấy ăn mòn xung quanh cửa nạp và trên đỉnh piston Các vòng găng bị mài mòn và dầu cọ rơi vào dầu bôi trơn dường như đã polyme hóa thành một lớp nhầy màu đen Sau đó, động cơ được tân trang lại bằng các chi tiết mới, thay dầu bôi trơn, chạy với dầu diesel và sau đó lập lại thí nghiệm Lần này thử nghiệm đạt 550 giờ thì hiện tượng tương tự như lần đầu xảy ra

Vì vậy, có thể kết luận rằng: các loại dầu thực vật chưa qua xử lý để các thông số nhiệt động cơ bản đạt tương đương với tiêu chuẩn của dầu diesel thì

không thể làm nhiên liệu thay thế hợp lý cho nhiên liệu truyền thống

Công nghệ sử dụng trực tiếp dầu thực vật chủ yếu là hâm nóng kết hợp pha loãng dầu để đạt được độ nhớt tương đương với nhiên liệu DO Điều này giúp cho chất lượng phun dầu tốt và kết quả là quá trình cháy trong động cơ hoàn toàn hơn Hiện nay, trên thế giới phổ biến có hai loại hệ thống nhiên liệu dùng SVO: Hệ thống nhiên liệu kép; Hệ thống nhiên liệu chỉ có SVO

1.2.1.1 Hệ thống nhiên liệu kép: Đây là loại hệ thống dùng nhiên liệu DO để

khởi động và dừng động cơ đúng qui cách như động cơ dùng nhiên liệu diesel truyền thống Sau khởi động một thời gian, khi nhiệt độ của động cơ đủ cao, động

cơ được chuyển sang sử dụng nhiên liệu SVO và khi dừng máy, hệ thống ngắt nhiên liệu SVO và chuyển sang sử dụng dầu DO để rửa sạch hệ thống nhiên liệu nhằm bảo đảm tin cậy cho động cơ khởi động lạnh ở lần sau, cũng như hạn chế ảnh hưởng xấu của nhiên liệu SVO đến một số chi tiết của động cơ Theo hướng này, các công trình của PGS.TS Nguyễn Thạch - Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp.HCM đã cho những kết quả tốt Giải pháp này phù hợp với trạm Diesel - Máy phát điện có công suất vừa và lớn [8]

1.2.1.2 Hệ thống nhiên liệu chỉ có SVO: Các động cơ có bộ nhiên liệu bổ

sung có thể chạy với 100% SVO mà không cần dùng dầu diesel Hầu hết, chúng đặc trưng bởi vòi phun, bơm nhiên liệu bổ sung và bộ lọc phụ Giải pháp này can thiệp sâu vào kết cấu động cơ, thậm chí chỉ thích hợp cho động cơ thiết kế mới

1.2.2 Sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật và chất pha

Nội dung nghiên cứu chính là xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật đạt được

một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu diesel truyền thống (DO) Theo hướng này, công nghệ chủ yếu là:

1.2.2.1 Pha dầu thực vật với dung môi hòa tan có độ nhớt thấp

Nhánh này đã có một số nghiên cứu của:

Ao Hùng Linh (2005) Ứng dụng dầu dừa làm nhiên liệu cho động cơ diesel DS-60R

Hồ Đức Tuấn (2008) Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất pha Ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa – Ethanol đến một số thông số kỹ thuật

cơ bản của động diesel

NCS đã có công trình:

Nghiên cứu thử nghiệm dầu thực vật Việt Nam làm nhiên liệu cho động cơ diesel tàu cá cỡ nhỏ, Đề tài NCKH cấp bộ B2006-13-09 [2]

Dung môi sử dụng trong các đề tài trên là dầu hỏa và ethanol, tùy theo tỷ lệ pha, hỗn hợp có thể cần sấy nóng hoặc không

1.2.2.2 Pha dầu thực vật và chất phụ gia với dầu diesel (DO)

Việc chọn loại dầu thực vật Việt Nam là dầu dừa làm nhiên liệu đã được lý giải trong tài liệu [2], chọn dung môi là dầu diesel thay cho dầu hỏa và ethanol [3]

vì tiện dụng và phù hợp với Chương trình nghiên cứu nhiên liệu sinh học của chính phủ (Phụ lục 1)

Xuất phát từ cơ sở lý thuyết nhiên liệu dùng cho động cơ diesel; sự hình

thành hỗn hợp cháy và cháy nhiên liệu trong động cơ, hai vấn đề cần ưu tiên giải

quyết khi sử dụng nhiên liệu thay thế là:

a/ Xử lý độ nhớt: 100% hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel sử dụng trong lĩnh vực Nông-Lâm-Ngư hiện tại dùng dầu diesel độ nhớt thấp Hệ thống này không thể hoạt động với nhiên liệu có độ nhớt cao hơn tiêu chuẩn DO Nhiên liệu hỗn hợp

do có mặt dầu thực vật độ nhớt cao, vì vậy cần phải:

- Một là, pha dầu thực vật vào dầu diesel với tỷ lệ đủ nhỏ để độ nhớt vẫn nằm

trong giới hạn tiêu chuẩn của nhiên liệu DO mà không cần gia nhiệt

- Hai là, pha dầu thực vật vào dầu diesel với tỷ lệ đủ lớn nhưng công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ không quá phức tạp, không can thiệp vào kết cấu động cơ và giá thành chấp nhận được Theo lựa chọn này buộc phải sấy nóng hỗn hợp đến nhiệt độ nhất định để độ nhớt đạt tiêu chuẩn

b/ Cải thiện chất lượng quá trình cháy: Nhìn chung, chất lượng quá trình

cháy giảm khi tăng tỷ lệ dầu thực vật, vì vậy cần pha chất phụ gia vào hỗn hợp

Chất phụ gia phải chọn theo tiêu chí giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường

Theo nhánh này, NCS đã có những thành công bước đầu trong đề tài NCKH

cấp bộ B2009-13-42: Nghiên cứu công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel tàu thủy cỡ nhỏ sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia và dầu DO

Kết luận:

Từ kiến giải trên, nổi rõ vấn đề cần nghiên cứu: Xác định tỷ lệ pha dầu thực vật hợp lý vào dầu diesel (có phụ gia) để hỗn hợp này có thể làm nhiên liệu cho

động cơ diesel, thỏa mãn các chỉ tiêu kinh tế và môi trường

Vì vậy: “Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường” là đề tài mà NCS sẽ trình bày trong Luận án này

Nội dung nghiên cứu đã trình bày ở phần Mở đầu

Tiến trình nghiên cứu sẽ thực hiện theo sơ đồ trên Hình 1-2

Hình 1-2 Sơ đồ khối quá trình nghiên cứu

Trong đó:

x 1%: Cận dưới của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel (không gia nhiệt) sao

cho độ nhớt nằm ở giới hạn trên của tiêu chuẩn dầu diesel

x 2%:Cận trên của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel và gia nhiệt hỗn hợp đến

800C (trên nhiệt độ này độ nhớt giảm không đáng kể), tỷ lệ đủ lớn nhưng độ nhớt

vẫn nằm trong tiêu chuẩn dầu diesel

x% (x 1, x 2): tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel có gia nhiệt làm các mẫu nhiên

Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU

DỪA VÀ DẦU DIESEL LÀM NHIÊN LIỆU

CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

Với động cơ diesel (do nén áp suất cao, nhiên liệu tự bốc cháy) ngoài đặc

điểm cấu tạo động cơ thì tính chất nhiên liệu có ý nghĩa quyết định đặc tính phun, chất lượng hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải trong động cơ Điều đó cũng có nghĩa là, các chỉ tiêu công tác mà chủ yếu là chỉ tiêu kinh tế và môi trường

phụ thuộc vào tính chất loại nhiên liệu sử dụng

Như đã trình bày ở phần Tổng quan, chủ ý của NCS khi sử dụng nhiên liệu

thay thế trên động cơ diesel là không can thiệp vào kết cấu động cơ mà chỉ lắp thêm

bộ tạo hỗn hợp vào Hệ thống nhiên liệu Và như thế, theo mô tả trên sơ đồ ở Hình 2-1, khi cô lập kết cấu động cơ và tham số của hệ thống nạp, các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ chỉ còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu Nghiên cứu mối

quan hệ này cũng chính là mục tiêu của đề tài Luận án

Với lập luận như vậy, phần cơ sở lý thuyết sẽ trình bày các ý cơ bản sau:

- Trên cơ sở lý thuyết về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel chỉ ra những thông số cần xử lý khi dùng dầu dừa làm nhiên liệu thay thế

- Phân tích ảnh hưởng của các thông số: độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng

bề mặt… của nhiên liệu đến cấu trúc tia phun Sự ảnh hưởng này được mô tả bằng

các biểu đồ và công thức toán học, làm cơ sở phân tích cấu trúc tia phun và hình thành giải pháp sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu

- Nội dung quan trọng tiếp theo là cơ sở lý thuyết về hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải, bao gồm: các biểu đồ, mô tả toán học, mô hình…Trên cơ sở

đó, với sự hỗ trợ của máy tính thông qua phần mềm chuyên dụng giúp nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường bằng mô phỏng (Chương 3)

Cơ sở lý thuyết này còn cho phép lý giải kết quả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Chương 4)

Hình 2-1 Sơ đồ mô tả sự hình thành hỗn hợp và cháy nhiên liệu

của động cơ diesel

Cháy trễ Đặc tính trễ phun Đặc tính bay hơi

Cấu trúc tia phun (phân bố hạt, sự

xâm nhập tia phun, góc nón phun)

Đặc điểm quá trình phun

(Quy luật phun, thời điểm phun)

Đặc điểm chuyển

động của không khí

(xoáy, rối)

Tính chất nhiên liệu Đặc tính tăng áp

EGR

Sự bốc cháy

Quá trình cháy

Tỉ lệ tỏa nhiệt

Phát thải Khí xả

Cháy trước một phần hòa khí

Cháy khuếch tán

Hỗn hợp nhiên liệu, không khí

Kết cấu buồng đốt Kết cấu cửa nạp Hệ thống phun

Không khí

Nhiên liệu

2.1 Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel

Dựa trên lý thuyết về nhiên liệu, những chất cháy được và toả ra nhiều nhiệt thì được sử dụng làm nhiên liệu Tuy nhiên không phải chất nào cháy được và toả ra nhiều nhiệt cũng được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ, nó còn phải thỏa mãn một số điều kiện sau:

 Phải có số lượng nhiều trong tự nhiên để cung cấp lâu dài cho việc sử dụng

 Có năng suất toả nhiệt lớn

 Sản phẩm cháy ít gây ảnh hưởng tới môi trường và sinh vật sống đặc biệt là con người

Nhìn chung, độ nhớt của nhiên liệu diesel nằm trong khoảng E20*= (1-2)0E

2.1.2 Nhiệt trị

Nhiệt trị là lượng nhiệt năng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng hoặc một đơn vị thể tích nhiên liệu Nhiệt trị của nhiên liệu lỏng và rắn thường tính bằng kJ/kg, của nhiên liệu khí kJ/m3, hoặc kJ/kmol Ở Anh và ở Mỹ, nhiệt trị được tính bằng đơn vị Btu/lb hoặc Btu/ft3

Trong động cơ diesel nhiệt độ khí xả của quá trình cháy lớn hơn nhiệt độ đọng sương, do vậy trong tính toán thực tế người ta chỉ quan tâm đến nhiệt trị thấp của nhiên liệu Nhiệt trị cao không có ý nghĩa kỹ thuật nên để đơn giản, dưới đây sẽ dùng thuật ngữ nhiệt trị theo nghĩa là nhiệt trị thấp

2.1.3 Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy

Nhiệt độ chớp lửa (tf) - nhiệt độ tối thiểu của nhiên liệu lỏng tại đó hơi của

nó tạo được với không khí một hỗn hợp và bắt cháy khi đưa ngọn lửa tới gần

Nhiệt độ bắt cháy (tb) - nhiệt độ tối thiểu tại đó mẫu thử được đốt nóng trong những điều kiện quy ước bắt cháy khi đưa ngọn lửa tới gần và cháy trong thời gian không tới 5 giây

Nhiệt độ bắt cháy của sản phẩm dầu mỏ thường cao hơn nhiệt độ chớp lửa khoảng (30-40) 0C Cho đến nay có hai dụng cụ với tên gọi là cốc kín và cốc hở được sử dụng để xác định nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bắt cháy

2.1.4 Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc

Nhiệt độ vẩn đục là nhiệt độ mà tại đó sản phẩm dầu mỏ bắt đầu vẩn đục do

sự kết tinh của parafin, nước và những chất khác

Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ tại đó sản phẩm dầu mỏ mất tính lưu động Đối với nhiên liệu có nhiệt độ vẩn đục và đông đặc cao, cần có biện pháp sấy nóng để tránh làm tắc các bộ phận lọc và khó bơm chuyển

2.1.5 Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu

Tính tự bốc cháy của nhiên liệu là tính chất liên quan đến khả năng tự phát hoả khi hỗn hợp nhiên liệu – không khí chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ đủ lớn Để định lượng tính bốc cháy của nhiên liệu, có thể sử dụng các đại lượng sau:

2.1.5.1 Thời gian cháy trễ (  i )

Nhiên liệu có tính bốc cháy càng cao thì thời gian cháy trễ (i) càng ngắn, và ngược lại Đo trực tiếp một khoảng thời gian ngắn như vậy là một việc rất khó, cho nên trong thực tế người ta thường dùng một đại lượng khác để đánh giá tính tự bốc cháy trên cơ sở so sánh tính tự bốc cháy của mẫu thử và của nhiên liệu chuẩn

2.1.5.2 Số cetan

Là đại lượng đánh giá tính tự bốc cháy của nhiên liệu bằng cách so sánh nó với nhiên liệu chuẩn Về trị số, là số phần trăm thể tích của chất n-Cetan (C16H34) có trong hỗn hợp với chất -Methylnaphthalen (C10H7CH3) nếu hỗn hợp tương đương với nhiên liệu thí nghiệm về tính bốc cháy Nhiên liệu chuẩn là hỗn hợp với tỷ lệ thể tích khác nhau của n- C16H34 và -(C10H7CH3): n- C16H34 là một hydrocacbon loại parafin thường có tính bốc cháy rất cao, người ta quy ước số cetan của nó bằng 100;

Còn -(C10H7CH3) là một hydrocacbon thơm, chứa một nhóm methyl trộn lẫn với các nguyên tử hydrogen , khó tự bốc cháy, số cetan quy ước bằng không

Tính tự bốc cháy của nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy ở động cơ diesel và qua đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng của động cơ

2.1.6 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của một chất là đại lượng đặc trưng cho số lượng chất đó

có trong một đơn vị thể tích của nó Khối lượng riêng có ảnh hưởng đến cấu trúc tia phun sẽ trình bày ở phần kế tiếp

Thực nghiệm chỉ ra rằng: các buồng cháy ngăn cách có thể dùng nhiên liệu

có thành phần chưng cất khá rộng từ (150 – 180)0C đến (360 – 400)0C, buồng cháy thống nhất dùng nhiên liệu có thành phần chưng cất khoảng (200 – 330)0C

Ngoài việc đánh giá bằng đường cong chưng cất thì ta còn dùng áp suất hơi bão hoà để đánh giá tính bay hơi của nhiên liệu

Bảng 2.1: Nhiên liệu diesel (Tiêu chuẩn PERTROLIMEX)

Khối lượng riêng ở 20oC,[g/cm3], max 0,87 0,87

Tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ sôi, hàm lượng tạp chất, độ nhớt,… dầu diesel có nhiều tên gọi khác nhau như: gasoil, dầu diesel tàu thủy, dầu solar, mazout, dầu nhẹ, dầu nặng, dầu cặn…Tuy nhiên, để xếp một mẫu dầu diesel vào loại nào, ta phải căn cứ vào chỉ tiêu kỹ thuật của nó được qui định bởi các tổ chức

có chức năng tiêu chuẩn hóa (ví dụ: ΓOCT của Liên Xô, ASMT của Mỹ, TCVN của Việt Nam, PN của Ba Lan, DIN của Đức,…) hoặc các hãng chế tạo động cơ lớn Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật thường được thể hiện dưới hình thức một bảng các trị

số của các tính chất đặc trưng cho khả năng và hiệu quả sử dụng của một loại nhiên liệu cụ thể vào mục đích xác định

Tại Mỹ, ASTM (American Society for Testing and Materials) là cơ quan hàng đầu thiết lập các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như phương pháp xác định các chỉ tiêu

đó đối với hàng loạt các loại sản phẩm, trong đó có sản phẩm dầu mỏ (Bảng 2.2)

Bảng 2.2: Nhiên liệu diesel (Tiêu chuẩn ASTM D975)

Loại nhiên liệu Chỉ tiêu kỹ thuật

No 1 – D No 2 – D No 4 – D

1,9 4,1

5,5 24,0 Thành phần chưng cất, t90, [oC]:

Hàm lượng nước và cặn, [%vol], max 0,05 0,05 0,05

Theo ASTM-D975, dầu diesel được chia thành 3 nhóm với ký hiệu No 1-D,

No 2-D và No 4-D (Bảng 2.2)

- No 1-D : nhiên liệu dùng cho động cơ diesel làm việc trong những điều kiện tải và tốc độ quay thường xuyên thay đổi Loại nhiên liệu này thường là sản phẩm chưng cất trực tiếp từ dầu mỏ

2.2 Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu và cấu trúc tia phun nhiên liệu dầu dừa trong động cơ diesel

2.2.1 Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel

2.2.1.1 Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng [17]

Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng phụ thuộc vào vận tốc tương đối và các thuộc tính của chất lỏng và khí bao quanh, sự phá vỡ của tia phun chất lỏng được quy định bởi các cơ chế phân rã khác nhau Các cơ chế này thường được đặc trưng bởi khoảng cách giữa miệng lỗ phun tới điểm hình thành giọt nhỏ đầu tiên, gọi là độ dài phân rã và kích thước của các giọt nhỏ được tạo ra Có thể chia thành bốn giai đoạn phân rã tia phun, giai đoạn Rayleigh, giai đoạn nhiễu loạn sơ cấp, giai đoạn nhiễu loạn thứ cấp và giai đoạn tán nhỏ hạt (phun sương)

Nhằm đưa ra một mô tả định lượng của quá trình phá vỡ tia phun, Ohne - Sorge đã thực hiện các phép đo chiều dài của tia phun còn nguyên vẹn và cho thấy rằng quá trình phân rã có thể được mô tả bởi số Weber chất lỏng :



l l

D u We

2

Và số Reynolds:

l luD





 Re

Loại bỏ vận tốc tia phun u, Ohnesorge thu được số Ohnesorge không thứ

nguyên:

D

We Z

l

l l







Re

Trong đó bao gồm tất cả các tính chất có liên quan của chất lỏng (σ: sức căng

bề mặt, ρ l : khối lượng riêng, μ l : độ nhớt động) và đường kính lỗ phun D

Hình 2-2 là sơ đồ Ohnesorge (Ohnesorge W., 1931), ở đó Z là hàm của của

Re Với điều kiện ổn định, phân biệt được sự khác nhau giữa bốn cơ chế phân rã tia phun Tuy nhiên, chỉ mô tả các tính chất pha lỏng trong các cơ chế trên là không đủ,

vì sự xé tơi hạt (phun sương) có thể được tăng cường bằng cách tăng mật độ khí

(2.1)

(2.2)

(2.3)

Hình 2-2 Sơ đồ Ohnesorge: Cơ chế phá vỡ tia phun [17]

Vì vậy, Reitz (Reitz R.D., Bracco F.V - 1986) đề cập tỷ lệ mật độ khí/lỏng

và mở rộng sơ đồ Ohnesorge hai chiều thành ba chiều như Hình 2-3

Hình 2-3 Sơ đồ ảnh hưởng của mật độ khí đến sự phá vỡ tia phun

Hình 2-4 Sơ đồ mô tả cơ chế phá vỡ tia phun

Hình 2-4 là sơ đồ mô tả các cơ chế phá vỡ các tia phun khác nhau, nếu thông

số hình học vòi phun là cố định và chất lỏng thuần nhất, biến duy nhất là vận tốc

chất lỏng u

Hình 2-5 cho thấy các đường cong phân rã tương ứng, ở đó mô tả chiều dài

của tia phun là hàm của vận tốc phun u, [17]

Hình 2-5 Các giai đoạn phá vỡ bề mặt tia phun theo vận tốc u

ABC: dòng chảy nhỏ giọt, CD: phân rã Rayleigh, EF: phân rã sơ cấp,

FG (FH): phân rã thứ cấp, G (H): giai đoạn xé tơi hạt (phun sương)

Nếu vận tốc quá thấp, dòng chảy nhỏ giọt và không hình thành tia phun Sự

gia tăng vận tốc u dẫn đến sự hình thành tia phun liên tục Giai đoạn này được gọi là

phân rã Rayleigh (Rayleigh Lord F.R.S., 1978) Sự phân rã này xảy ra do sự gia tăng dao động của khối lượng qua trục đối xứng của tia phun bởi quán tính chất lỏng và sức căng bề mặt Những giọt chất lỏng bị chèn ép ra khỏi tia phun, và kích

thước của chúng lớn hơn đường kính lỗ vòi phun D

Trong cơ chế phân rã sơ cấp, lực tương tác của cơ chế Rayleigh được khuếch đại bởi các lực khí động Thông số có liên quan là số Weber pha khí

Ở giai đoạn nhiễu loạn thứ cấp, các dòng chảy bên trong các lỗ phun là dòng chảy rối Sự phá vỡ tia phun lúc này xảy ra do sự gia tăng dao động sóng của bề mặt tia phun và khuếch đại nhiễu loạn dưới tác dụng của lực khí động do vận tốc tương

đối giữa khí và tia phun Kết quả là đường kính giọt nhỏ hơn đường kính lỗ phun, đường FG trong Hình 2-5

Tại giai đoạn xé tơi hạt (phun sương), hình thành tia phun hình nón đỉnh của nón phun nằm bên trong các lỗ phun Sự phân tán bắt đầu ngay sau khi tia phun ra khỏi miệng phun Lõi tia phun còn nguyên vẹn hoặc có mật độ dày đặc bao gồm các hạt có kích thước lớn cỡ đường kính lỗ phun Ở vùng biên của tia, các giọt nhỏ hơn nhiều so với đường kính lỗ phun Mô tả lý thuyết của phân rã tia phun ở giai đoạn

xé tơi hạt phức tạp hơn các giai đoạn khác, vì quá trình phân rã phụ thuộc nhiều vào điều kiện dòng chảy bên trong các lỗ phun, có tính chất hỗn loạn khó xác định Việc xác lập các mô hình cũng rất khó khăn, bởi vì các thí nghiệm rất phức tạp do vận tốc phun cao, kích thước hạt nhỏ và dày đặc

2.2.1.2 Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng [17]

Sự phá vỡ giọt khi phun là do lực khí động (ma sát và áp suất) gây ra bởi vận

tốc tương đối u rel giữa các giọt nhỏ và khí xung quanh Các lực khí động này gây ra dao động sóng ngày càng tăng tại giao diện của 2 pha khí / lỏng, cuối cùng dẫn đến phân rã hình thành các giọt nhỏ hơn Những giọt này một lần nữa chịu khí động và tiếp tục phân rã Sức căng bề mặt có xu hướng bảo toàn giọt chống biến dạng Nếu lực khí động thắng sức căng bề mặt sẽ làm biến dạng và phân rã giọt Nghiên cứu này được thể hiện qua số Weber của pha khí :

  u2 d  / 

Weg  g rel

ở đây: d là đường kính giọt trước khi phân rã, σ là sức căng bề mặt chất lỏng, urel

là vận tốc tương đối giữa các giọt nhỏ và khí, và ρ g là mật độ khí Số Weber là tỷ lệ của áp lực khí động và sức căng bề mặt

Nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng, cơ chế phá vỡ giọt phụ thuộc vào số Weber khác nhau Hình 2-6 cho thấy tóm tắt cơ chế phân rã giọt, tại số Weber rất

thấp gần giá trị We g = 12, giọt biến dạng không phân rã Kết quả sự phân rã của giọt

do biến dạng giống như một cái túi Tại bề mặt hình thành giọt lớn, trong khi phần còn lại của túi vỡ thành các giọt nhỏ hơn, kết quả có 2 phương thức phân bố kích thước

(2.4)

Hình 2-6 Cơ chế phá vỡ giọt theo Wierzba (Wierzba A., 1993 [17] )

Xuất hiện một cơ chế phun bổ sung trong túi hình đuôi nheo Trong cơ chế phân rã, đường kính giảm dần vì giọt rất nhỏ liên tục bị tách từ lớp biên do lực cắt Hình thức phân rã này cũng dẫn đến 2 phương thức phân bố kích thước giọt Sự phân rã mãnh liệt do 2 yếu tố: giảm tốc mạnh và dao động với biên độ lớn của giọt dẫn đến phân rã thành các giọt nhỏ hơn

Tất cả các cơ chế phân rã này đều xảy ra ở quá trình phun trong động cơ Tuy nhiên, hầu hết các quá trình phân rã diễn ra gần miệng phun có số Weber cao, trong khi tại hạ lưu các số Weber giảm đáng kể vì vận tốc tương đối giảm, đường kính giọt nhỏ do bay hơi và phân rã trước đó

2.2.1.3 Cấu trúc của tia phun trong động cơ [17]

Biểu đồ mô tả một tia phun cao áp hình nón được cho trong Hình 2-7 (đường kính lỗ phun 180 μm, chiều dài của lỗ phun 1 mm) Hiện nay, áp lực phun trong động cơ diesel lên đến 200 MPa Nhiên liệu phun vào trong buồng đốt với vận tốc

500 m/s hoặc lớn hơn, tia phun bị phá vỡ theo cơ chế tán xạ hạt

Hình 2-7 Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón

Ngay sau khi rời khỏi lỗ phun, tia phun bắt đầu tách ra thành hình nón phun Đây là sự phá vỡ đầu tiên của chất lỏng được gọi là phân rã sơ cấp và kết quả là các giọt lớn phân bố dày đặc gần các lỗ phun

Trong trường hợp phun áp suất cao, sự xâm thực tạo bọt và nhiễu loạn bên trong các lỗ phun là cơ chế phân rã chính Sự phân rã tiếp theo tạo thành những giọt

có kích thước nhỏ hơn được gọi phân rã thứ cấp gây ra do lực khí động tạo bởi vận tốc tương đối giữa các giọt và khí bao quanh, như đã mô tả trong phần trước

Các lực khí động cản trở chuyển động của những giọt nhỏ Những giọt ở biên tia phun chịu lực kéo mạnh nhất và di chuyển chậm hơn các giọt phía trong Vì

lý do này các giọt nhỏ ở biên liên tục được thay thế bằng những giọt mới, và sự xuyên sâu của tia phun S tăng, xem Hình 2-8 Những giọt có động năng thấp được đẩy ra ngoài và hình thành các khu vực ngoại biên Nhìn chung, một hình nón phun

(góc nón Φ ) tạo ra hỗn hợp càng xa miệng phun càng loãng do sự vận động của

không khí

Hình 2-8 Sự tiến triển của tia trong quá trình phun,

(Stegemann J., Seebode J., Baltes J., Baumgarten C., Merker G.P - 2002)

Hầu hết khối lượng chất lỏng được tập trung gần trục tia phun, trong khi khu vực biên chứa khối lượng chất lỏng ít và hơi nhiên liệu nhiều hơn, xem Hình 2-9 Giọt có vận tốc cực đại là tại trục tia phun và giảm theo hướng xuyên tâm do sự tương tác với khí vận động Trong chùm phun dày đặc, xác suất va chạm giọt là rất cao Những va chạm này dẫn đến sự thay đổi vận tốc và kích thước giọt Các giọt nhỏ vì thế phân rã thành những giọt nhỏ hơn, nhưng chúng cũng có thể kết hợp để tạo thành giọt lớn hơn, được gọi là giọt liên kết

Trong hỗn hợp loãng ở xa miệng phun, các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phân rã và bốc hơi là những điều kiện của buồng đốt như: nhiệt độ, mật độ và lưu lượng khí (rối, xoáy) Độ dài tia được giới hạn bởi khoảng cách giữa miệng phun và đỉnh piston Trong trường hợp áp suất cao và thời gian phun dài (đầy tải) hoặc mật

độ khí thấp (phun sớm) tia phun có thể va chạm với vách hình thành màng chất lỏng Màng chất lỏng này có ảnh hưởng xấu đến khí thải, bởi bay hơi chậm hơn và không thể đốt cháy hoàn toàn

Những thí nghiệm cơ bản và bán thực nghiệm mối quan hệ của các tham số phun có liên quan của động cơ diesel như: góc nón, độ dài tia, chiều dài phân rã, và đường kính trung bình của giọt là hàm số của điều kiện biên đã được thực hiện và công bố bởi nhiều tác giả khác nhau Vì những thí nghiệm thường được thực hiện với sự phun gần như ổn định nên hầu hết các kết quả chỉ có thể được sử dụng để mô

tả giai đoạn phun chính (kim phun nâng hoàn toàn) của tia phun hình nón

Thời gian phát triển chiều dài S của tia phun có thể được chia thành hai giai

đoạn Giai đoạn đầu tiên bắt đầu tại đầu của lỗ phun (t = 0, kim bắt đầu mở) và kết thúc tại thời điểm chất lỏng từ các lỗ vòi phun bắt đầu phân rã (t = t break)

Hình 2-9 Phân bố các chất lỏng (màu đen) và hơi (màu xám) của tia phun

áp suất cao từ VP nhiều lỗ (Hiroyasu H., Arai M - 1990)

Do hành trình nâng kim nhỏ và khối lượng dòng chảy thấp khi bắt đầu phun, vận tốc phun nhỏ, và sự phân rã đầu tiên của tia phun không phải luôn luôn xảy ra

ngay sau khi chất lỏng ra khỏi lỗ phun Trong thời gian này, sự tăng trưởng của S tuyến tính theo t (Công thức 2.5a)

Chiều dài tia càng lớn, năng lượng và vận tốc các hạt vùng biên càng nhỏ Nhìn chung, các tác giả (Dent J.C., 1971; Fujimoto H., Sugihara H., Tanabe H., Sato G.T -1981) cung cấp cho các quan hệ sau đây:

t

p S

t t

l break : 0,39 2

5 , 0

95,2

t t

5 , 0

)(

65,28

p

D t

g

l break

tăng lên, trong khi tăng mật độ khí thì chiều dài tia giảm [m] Tăng đường kính lỗ phun làm tăng quán tính tia phun và chiều dài tia tăng lên Hơn nữa, phương trình

thực nghiệm cũng kể đến tác động của nhiệt độ khí T g, tia phun ngắn nếu buồng đốt nóng (đơn vị SI):

 

25 , 0 5

, 0 25 , 0

294

07,3



Góc nón là thông số đặc trưng của tia phun hình nón Khi phun ổn định (kim phun nâng hết) có mối quan hệ sau (Hiroyasu H., Arai M -1990):

26 , 0 15

, 0 22

, 05

D

D D

L





Trong công thức 2.7, Φ là góc nón phun [độ], D s là đường kính khoang phun

[m], và L là chiều dài của lỗ phun [m] Trong trường hợp tỷ lệ L/ D nhỏ cấu trúc bọt

xâm thực không vỡ bên trong các lỗ mà vỡ bên ngoài vòi phun và tăng góc nón phun

Với D/ D s lớn làm giảm diện tích mặt cắt ngang tại lối vào của lỗ phun, làm giảm áp lực tĩnh và tạo điều kiện xuất hiện xâm thực Thông số ảnh hưởng quan trọng nhất là tỷ số khối lượng riêng Khối lượng riêng của khí càng cao thì góc nón càng lớn (Heywood, 1988)

42

phải của công thức 2.8 là một hàm số của các tính chất vật lý của chất lỏng và vận tốc phun (Dan T., Takagishi S., Senda J., Fujimoto H - 1997):

10exp16

Đối với các tia phun áp lực cao và do đó làm tăng giá trị của γ, f(γ) tiệm cận

bằng 31/2/6 (Reitz R.D., Bracco F.V -1986) Tuy nhiên, trong trường hợp phun áp lực cao các dự đoán góc nón phun nằm dưới so với kết quả thử nghiệm (Kuensberg Sarre C., Kong S.C., Reitz R.D -1999) Một đại lượng đặc trưng cho kích thước

giọt phun, và do đó quyết định sự phân rã tia phun, là đường kính Sauter (SMD) SMD là đường kính của một giọt mô hình (đơn vị: m) có tỷ lệ khối lượng/ diện tích

bề mặt bằng với tỷ lệ của tổng của tất cả các khối lượng giọt (V) trong tia phun /tổng của tất cả các diện tích bề mặt giọt (A):

 

6

6/

2

3

SMD SMD

SMD A

i i spray

d d

A

V

1 2

1

3

6/

n

i i

d

d SMD

1 2 1 3

Với các SMD nhỏ, sự hình thành hỗn hợp và bay hơi hiệu quả hơn Mặc dù SMD là một đại lượng đặc trưng cho quá trình phun, nhưng lưu ý là nó không cung

cấp thông tin về phân bố kích thước giọt của các tia phun Nói cách khác, hai loại

tia phun với SMD như nhau có thể có phân bố kích thước giọt khác nhau đáng kể Ngoài ra, còn mối quan hệ khác của SMD (Hiroyasu H., Arai M – 1989, 1990):

47 , 0 37

, 0 32

, 0 25 , 0

Re38,0

We D

Trong công thức 2.12, SMD [m], và μ là độ nhớt động [N.s/m2] Các đơn vị của đại lượng khác đã được đưa ra trong các phương trình trên Tăng áp lực phun sự

tán nhỏ hạt được cải thiện và như vậy, SMD giảm

Tuy nhiên, việc đo kích thước giọt chỉ có thể thực hiện trong khu vực loãng ở

biên của tia phun hoặc tại vị trí xa miệng các lỗ phun SMD chỉ nên sử dụng để ước

lượng chất lượng phun

Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc bên trong của tia phun cao áp hình nón động cơ diesel là rất khó cho dù lõi tia phun tại miệng lỗ phun được coi là một lõi lỏng còn nguyên vẹn Ý tưởng này dựa trên các phép đo tính dẫn điện đã được thực hiện để rút ra kết luận về cấu trúc bên trong của các tia phun

Một số nghiên cứu đã đo điện trở giữa các miệng lỗ phun và dây một máy dò tinh nằm trong tia phun Tuy nhiên, thực tế cho thấy kỹ thuật đo lường là không thích hợp để chứng minh thực trạng của một lõi lỏng nguyên vẹn Chiều dài lõi (Chehroudi B., Chen S.H., Bracco F.V., Onuma Y -1985):

g

l

C C D L







Phương trình trên thể hiện một thực tế là chiều dài lõi phụ thuộc vào tỷ lệ của

khối lượng riêng của chất lỏng /khí và tỷ lệ thuận với đường kính lỗ phun D Hằng

số thực nghiệm C thể hiện sự ảnh hưởng của các điều kiện phun và các hiệu ứng khác không được mô tả chi tiết; C = 3,3 σ -11

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lõi không thể là chất lỏng thuần nhất, khu vực này bao gồm một vùng rất dày đặc của các liên kết và các giọt gọi là miền phân rã

Nghiên cứu của cấu trúc bên trong của tia phun áp lực cao bằng laser quang học kết hợp với phun trong ống nghiệm chứng minh một thực tế là có sự nhiễu loạn

và xâm thực bên trong các lỗ vòi phun Chiều dài miền phân rã (Hiroyasu H., Arai

M -1990):

5 , 0 13

, 0 05 , 0

.4,01 7

g b

D

L u

p D

r D

Trong công thức 2.14, u là vận tốc ban đầu của tia phun [m/s], và r [m] là

bán kính lỗ Đơn vị của các đại lượng còn lại đã được đưa ra trong các phương trình trên Các cơ chế chính của phân rã tia phun cao áp hình nón được mô tả chi tiết ở phần sau

Sự phân rã sơ cấp chính là sự tan vỡ đầu tiên của chất lỏng hình thành các

giọt nhỏ và các liên kết tạo những giọt lớn

Vận tốc tương đối rất cao giữa tia phun và pha khí sinh lực cắt khí động tại

bề mặt phân giới khí - lỏng Do có sự nhiễu loạn chất lỏng được tạo bên trong các miệng phun, bề mặt tia phun được bao phủ một lớp hạt nhỏ li ti Một số lớp khác do lực cắt khí động, trở nên không bền vững, được tách ra khỏi tia phun và hình thành các giọt sơ cấp Tuy nhiên, đó là một quá trình phụ thuộc vào thời gian và không thể phân rã ngay khi ra khỏi miệng phun Hơn nữa, lực khí động chỉ có thể ảnh hưởng đến lớp biên của tia phun mà không tác động vào lõi, do đó, phân rã khí động chỉ là

cơ chế của phân rã giọt thứ cấp, có tầm quan trọng thứ hai

Hình 2-10 Tóm tắt cơ chế phân rã

Cơ chế phân rã thứ hai là cơ chế gây nhiễu loạn - phân rã Nếu vận tốc rối

xuyên tâm trong tia phun được tạo ra từ trong các miệng phun đủ lớn, vận động rối

thắng sức căng bề mặt và tách các giọt ra khỏi tia phun Đây là cơ chế phân rã quan trọng nhất của tia phun áp lực cao

Trong trường hợp của dòng chảy rối (tỉ lệ L/D lớn, không tạo bọt xâm thực),

biểu đồ vận tốc có dạng phân bố Tuy nhiên, trong trường hợp phun áp suất cao, có

xâm thực, tỷ lệ L/D nhỏ sự hình thành biểu đồ trên là rất khó xảy ra Một cơ chế

phân rã sơ cấp rất quan trọng là cơ chế tan vỡ bọt của tia phun Cấu trúc bọt xâm thực phát triển bên trong các lỗ vòi phun vì giảm áp lực tĩnh do sự tăng tốc mạnh của chất lỏng (gradient áp lực hướng trục) kết hợp với độ cong lớn của dòng chảy (bổ sung gradient áp lực hướng tâm) tại cạnh cửa vào lỗ phun

Do đó, có hai pha dòng chảy cùng tồn tại bên trong các lỗ vòi phun Cường

độ và cấu trúc không gian của vùng xâm thực phụ thuộc vào thông số hình học của vòi phun và điều kiện áp suất Những bọt bong bóng sẽ nổ vỡ khi rời khỏi vòi phun

vì áp suất cao trong xi lanh Có nhiều ý kiến khác nhau liên quan đến việc tồn tại của năng lượng làm nổ vỡ các bọt bong bóng góp phần vào việc phân rã sơ cấp, hoặc là do tăng năng lượng rối của tia phun hay là do phát sinh tia phun bổ sung trực tiếp tại vùng phân rã Tuy nhiên, nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy sự chuyển đổi từ chảy rối thuần túy đến tạo luồng bọt ở lỗ phun sẽ làm tăng góc nón phun và giảm chiều dài của tia Sự lấp đầy khoảng trống của bọt bong bóng bên trong các lỗ vòi phun làm tăng mức độ nhiễu loạn và vì thế cũng làm tăng cường độ phân rã

Do đó, hai cơ chế phân rã chính trong trường hợp tia phun cao áp hình nón là

nhiễu loạn và tạo bọt xâm thực Thông thường, cả hai cơ chế xảy ra đồng thời và

không thể tách biệt

Do tầm quan trọng của xâm thực thủy động ở vòi phun, sự phát triển của nó

sẽ được mô tả chi tiết Xâm thực thủy động là sự hình thành của bong bóng và lỗ hổng trong chất lỏng do sự giảm áp xuống dưới áp suất hơi, gây ra do biên dạng của dòng chảy Chất lỏng bay hơi nếu áp đạt suất hơi bão hòa

Hình 2-11 cho thấy sự khác biệt giữa sôi và xâm thực thủy động Trong trường hợp sôi, nhiệt độ được tăng lên ở áp suất không đổi, ở trường hợp xâm thực nhiệt độ không thay đổi và áp suất giảm Vì nhiên liệu thường bao gồm nhiều thành

phần khác nhau với những đường cong áp suất hơi khác nhau, các thành phần với những áp suất bay hơi cao nhất sẽ hình thành các vùng xâm thực

Hình 2-11 Xâm thực thủy động, chất lỏng thuần nhất (đơn chất)

Cho đến nay, chỉ có một số ít tác giả khảo sát hiện tượng xâm thực ở vòi phun trong suốt, kích thước thực (nội soi, X quang, kỹ thuật laser - quang học)

Theo các tác giả này, hiện tượng xâm thực có thể được giải thích như sau Các chất lỏng vào lỗ phun tăng tốc mạnh do sự giảm diện tích mặt cắt ngang Giả sử dòng chảy một chiều, ổn định, không ma sát, không chịu nén và đẳng nhiệt, phương trình Bernoulli :

2 2 2

2 1 1

có thể được sử dụng để giải thích thực tế là sự gia tăng tốc độ dòng chảy u từ điểm

1 đến điểm 2 kết quả là vùng hạ lưu giảm áp suất p (gradient áp suất hướng trục)

Tại miệng của lỗ phun, các lực quán tính gây ra bởi độ cong của biên dạng, tạo ra gradient áp lực bổ sung hướng tâm Áp lực tĩnh thấp nhất đạt ở mép thắt, xem Hình 2-12 Nếu áp lực tại đây đạt tới áp suất bay hơi của chất lỏng, vùng này sẽ chứa đầy hơi Tác dụng bổ sung gia tăng sự hình thành xâm thực trong vùng áp suất thấp này cắt mạnh dòng do gradient vận tốc lớn ở giữa dòng chảy cong và dòng chảy chính Điều này tạo các dòng xoáy nhỏ gây nhiễu loạn… do lực ly tâm, áp lực tĩnh ở tâm của những dòng xoáy thấp hơn so với chất lỏng xung quanh, và bong bóng xâm

(2.15)