tóm tắt luận án 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

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

(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, dầu biodiesel làm hư hỏng vật liệu 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

NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIOFUELS

DIESEL

SINH HỌC

Biodiesel

NHIÊN LIỆU SINH KHỐI Biomass

DẦU THỰC VẬT NGUYÊN GỐC - SVO Straight Vegetable Oil

ETHANOL

2 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 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 tính chất (chủ yếu là độ nhớt

và chỉ số cetan) tương đương nhiên liệu truyền thống

- Chỉ tiêu kinh tế, môi trường của động cơ 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 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;

- 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;

- 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 thành công 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

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 làm cơ sở chọn số mẫu nhiên liệu thực nghiệm

2 Nghiên cứu thực nghiệm:

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

- So sánh và kiểm chứng các đặc tính công suất, đặc điểm quá trình cháy, chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ khi sử dụng dầu diesel với các mẫu nhiên liệu hỗn hợp trên băng thử chuyên dùng

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 bằng phần mềm quá trình phun và cháy nhiên liệu dầu dừa - dầu diesel trong động cơ diesel;

3 Đánh giá ảnh hưởng khi thay đổi tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel

8 Kết cấu Luận án

Luận án được kết cấu thành 4 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;

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

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,…

Ưu điểm chính của là có thể sử dụng trong các động cơ diesel thông dụng mà không cần cải tạo lớn,

biodiesel hoà trộn tốt với nhiên liệu DO

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) không tương thích với một

số loại hợp chất nhựa tổng hợp và cao su tự nhiên

- Dầu diesel sinh học có tốc độ lão hoá cao

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 tắt là SVO

1.2.1 Sử dụng dầu thực vật nguyên chất

4 Theo cách này, dầu thực vật có thể được sử dụng trực tiếp cho các động cơ diesel không cần sử dụng phụ gia hoặc xử lý hoá học như biodiesel

SVO cho các động cơ diesel trên thế giới được chiết xuất từ hạt cải, hạt hướng dương, đậu tương,

cọ, dừa, đậu phụng,…

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

Tổng hợp các nghiên cứu sử dụng SVO rút ra kết luận: “100% các loại dầu thực vật chưa xử lý không thể làm nhiên liệu thay thế hợp lý cho nhiên liệu diesel”

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 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

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

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

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 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

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

Tóm lại, 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 1-1 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 liệu thử nghiệm

6

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)

2.1 Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel

Các chỉ tiêu cơ bản của nhiên liệu diesel gồm:

2.1.1 Độ nhớt

2.1.2 Nhiệt trị

2.1.3 Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy

2.1.4 Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc

2.1.5 Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu

Để định lượng tính bốc cháy của nhiên liệu, có thể sử dụng các đại lượng:

2.1.5.1 Thời gian cháy trễ (τi )

2.1.5.2 Số cetan

2.1.6 Khối lượng riêng

2.1.7 Tính bay hơi

2.1.8 Sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt (σ) là thông số quan trọng ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tia phun nhiên liệu

Ngoài ra, nhiên liệu diesel còn có một số tính chất khác nhưng không hoặc ảnh hưởng rất ít đến cấu trúc tia phun nên không được xem xét ở đây

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

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

của động cơ diesel

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)

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

Hiệu suất nhiệt

Phát thải Khí xả

Cháy trước một phần hòa khí Cháy khuếch tán

Hỗn hợp nhiên liệu, không khí

Kết cấu buồng đốt

Không

8 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

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

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

2.2.1.2 Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng

Nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng, cơ chế phá vỡ giọt phụ thuộc vào số Weber khác nhau Hình

2-5 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

Hình 2-5 Cơ chế phá vỡ giọt theo Wierzba (Wierzba A., 1993)

2.2.1.3 Cấu trúc của tia phun trong động cơ

Hình 2-6 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

10

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

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

2.2.2 Phân tích cấu trúc tia phun nhiên liệu dầu dừa

Sự am hiểu quá trình phân tán và đặc điểm chùm tia có ý nghĩa quan trọng để thiết kế động cơ diesel

và nghiên cứu nhiên liệu thay thế, bởi vì sự cháy trong diesel phụ thuộc chặt chẽ vào chất lượng phun nhiên liệu vào trong buồng đốt Hình 2-7 mô tả các thông số chính của tia nhiên liệu Chiều dài chùm tia S, chiều dài phân rã L b cho ta khái niệm sự phân tán của chùm tia nhiên liệu Góc nón chùm tia 2θ và kích thước trung bình của các hạt nhiên liệu là kết quả của quá trình phân tán

2.2.2.1 Chiều dài phân rã L b:

Tia nhiên liệu lỏng phun ra không phân rã ngay sau khi ra khỏi lỗ vòi phun, mà trải qua một phần

nào đó của chùm tia mới phân rã thành hạt Chiều dài đó gọi là chiều dài phân rã L b Chiều dài của L b

khoảng (20 ÷ 30) mm

Hình 2-7 Thông số của tia phun

2.2.2.2 Kích thước hạt nhiên liệu:

Tính bằng đường kính trung bình Sauter (D32)

2.2.2.3 Chiều dài chùm tia nhiên liệu S:

Chiều dài chùm tia nhiên liệu S tỷ lệ thuận với căn bậc hai của thời gian tính từ lúc bắt đầu phun

nhiên liệu

2.2.2.4 Góc nón chùm tia nhiên liệu 2θ

Để khảo sát về mặt lý thuyết tia phun nhiên liệu của dầu dừa so với dầu diesel, cần giả thiết rằng các điều kiện kỹ thuật của động cơ không đổi, khi đó, tính toán các thông số cơ bản của chùm tia nhiên liệu như trong Bảng 2.1

Phân bổ kích cỡ giọt nhiên liệu

Góc phun Chiều dài

phân rã- Lb

Độ xuyên sâu - S

đối với nhiên liệu diesel và dầu dừa

Thông số Mô hình tính toán Công thức tính toán Dầu diesel Dầu dừa

Chiều dài phân

rã, mm

Reitz and Diwakar

or Helmholz (KH),

Kelvin-D32 – Kích thước trung bình Sauter, µm;

∆p – Chênh lệch áp suất, Pa;

ρg – Khối lượng riêng của không khí, kg/m3;

Q – Lượng nhiên liệu phun trong một chu trình, kg/m3Bảng 2.1 cho thấy:

- Sai lệch chiều dài phân rã L b của dầu dừa với nhiên liệu diesel không lớn (khoảng 5%)

- Thời gian phân rã t b của dầu dừa lớn hơn diesel gần 9%

- Chiều dài của tia nhiên liệu trong thời gian t < t b dầu dừa lớn hơn nhiên liệu diesel gần 5%

10

=

p

d d

t

g

l b

∆

0

8,29

ρ ρ

( )

( )0 , 121( )0 , 131

135 , 0 3

32 2,33.10

Q

p D

ρ

∆

25 , 0 2

2 0

05,0

12

- Thời gian phân rã t b dầu dừa lớn hơn nhiên liệu diesel, đây là thông số ảnh hưởng nhiều đến thời gian cháy trễ của động cơ, vì vậy cần tăng góc phun sớm của động cơ khi chuyển sang sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu

Cần chú ý rằng, các nhận định trên được xét trong điều kiện độ nhớt của dầu thực vật nguyên chất

(100% SVO) được hâm nóng đạt độ nhớt tương đương với nhiên liệu diesel

Như đã trình bày, cấu trúc (vĩ mô và vi mô) của tia phun nhiên liệu quyết định chất lượng hình

thành hỗn hợp cháy (nhiên liệu và không khí) và do đó chi phối chất lượng quá trình cháy trong động cơ diesel Cấu trúc này phụ thuộc vào thông số phun, buồng cháy và các tính chất vật lý của nhiên liệu, đáng kể nhất là: Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng mặt ngoài, tính bay hơi Để chuyển động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu dầu dừa mà không can thiệp sâu vào kết cấu, ngoài việc cải thiện khả năng tự bốc cháy, nhất thiết phải có giải pháp để các thông số kể trên tương đồng với nhiên liệu truyền thống (DO)

2.3 Các vấn đề cần giải quyết khi sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu cho động cơ diesel

Bảng 2.2: Thành phần hóa học và các chỉ tiêu nhiên liệu

của dầu dừa so với dầu diesel [7]

Các chỉ tiêu nhiên liệu

3÷6 1,3-2,4

lượng H ít hơn 12% còn lượng O thì lớn hơn rất nhiều (dầu diesel chỉ có vài phần ngàn O, còn dầu dừa có 16% O, cho nên dầu dừa là nhiên liệu có chứa nhiều oxy)

Chính vì điều này mà dầu dừa có thể làm việc với lượng dư không khí nhỏ mà vẫn cháy hoàn toàn Đây là một thuận lợi khi tạo hỗn hợp cháy, do quá trình tạo hỗn hợp cháy trong động cơ diesel khó đồng nhất

2.3.2 Về các thông số nhiên liệu

Về các thông số nhiên liệu có thể nhận định và xử lý như sau:

Phương pháp này dựa trên đặc tính thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ

(2) Phương pháp pha loãng

Phương pháp pha loãng là một trong những phương pháp đơn giản làm giảm độ nhớt, có thể sử dụng các dung môi pha loãng khác nhau

(3) Phương pháp Craking

Có thể hình dung quá trình craking dầu thực vật gần giống như quá trình craking dầu mỏ

(4) Phương pháp nhũ tương hoá

Nhiên liệu ban đầu là dầu thực vật, rượu và chất tạo sức căng bề mặt với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra nhũ tương dầu thực vật - rượu, trong đó các hạt rượu được phân bố đều trong nhũ tương

(5) Phương pháp ester hoá (điều chế biodiesel)

b/ Giải pháp xử lý

Qua phân tích ta thấy, chọn giải pháp phối hợp pha loãng và sấy nóng có những ưu điểm:

(1) Không cần có nhà máy xử lý với quy mô công nghiệp như phương pháp Craking hay điều chế

Biodiesel, hiện giá thành thiết bị còn rất cao

(2) Sử dụng trực tiếp dầu thực vật từ các cơ sở sản xuất dầu hiện có, pha loãng với dầu diesel (DO)

và sấy nóng sẽ hạ giá đầu vào nhiên liệu, thích hợp với động cơ công suất nhỏ tĩnh tại và cơ giới thủy, bộ

Kết quả xử lý bằng giải pháp pha loãng phối hợp sấy nóng để giảm độ nhớt hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel cho ở Bảng 2.3 Ở đó, giới hạn trên của tỷ lệ pha dầu dừa là 25% thể tích ( ký hiệu là B25) khống chế bởi nhiệt độ sấy hỗn hợp ≤ 80oC

Bảng 2.3: Độ nhớt (0E) hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel

theo tỷ lệ pha và nhiệt độ sấy