NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA DẦU THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT SỬ DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM HOÀNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA DẦU THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT SỬ DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

HOÀNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA DẦU THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT

SỬ DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ

1

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS Lương Công Nhớ

2 PGS.TS Lê Anh Tuấn

Phản biện 1: GS.TS Phạm Minh Tuấn

1

MỞ ĐẦU

Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ đốt trong, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, được xem là một trong những giải pháp quan trọng nhằm giảm phát thải ô nhiễm Các loại nhiên liệu sinh học có thể kể tên như bioetanol, biodiesel, biogas, dimetyl ete sinh học, bio-oil100 Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam, với mục tiêu hướng tới là động cơ sử dụng các loại nhiên liệu sinh học có giá thành sản xuất thấp, tiện lợi trong các lĩnh vực nông, lâm nghiệp và

thủy sản, đề tài “Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của dầu thực vật

nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel ” là cần thiết, có ý

nghĩa khoa học và mang tính thực tiễn

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Phát triển và hoàn thiện giải pháp cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất (độ nhớt, sức căng bề mặt, tỷ trọng…)

- Thiết kế và chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện năng để sấy nóng nhiên liệu, đánh giá tác động của hệ thống này đến tính năng vận hành và phát thải của động cơ thử nghiệm

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Dầu thực vật nguyên chất và động cơ diesel D243 lắp trên máy kéo, tàu sông, tàu đánh cá

Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu cải thiện 3 tính chất cơ bản của nhiên liệu là độ nhớt, sức căng bề mặt và tỷ trọng thông qua một hệ thống sấy nóng tích hợp nhiệt khí xả và điện Hệ thống trên được thiết

kế, chế tạo, lắp đặt cho động cơ thử nghiệm, đánh giá đối chứng tính năng và phát thải của động cơ so với trường hợp động cơ nguyên bản

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về khoa học

- Xây dựng cơ sở lý thuyết sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên liệu cho động cơ diesel Xác lập công thức và xây dựng thành công đặc tính quan hệ giữa một số tính chất vật lý của dầu thực vật nguyên chất với nhiệt độ hâm sấy

- Phát triển thành công một phương pháp tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện năng nhằm khắc phục yếu điểm như độ nhớt cao, tỷ trọng và sức căng

bề mặt lớn của dầu thực vật nguyên chất

Về thực tiễn

- Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel

- Hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất được phát triển trong luận

án có thể tiếp tục hoàn thiện hướng tới ứng dụng cho các loại động cơ diesel tĩnh tại hay tàu thủy cỡ nhỏ Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật

và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt và mô phỏng Nghiên cứu thực nghiệm: nghiên cứu thực nghiệm đối chứng được sử dụng để

đánh giá tác động của việc chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất đến

tính năng của động cơ

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu về tình hình sử dụng dầu thực vật nguyên chất cho động cơ diesel;

- Nghiên cứu đặc tính của dầu thực vật nguyên chất và các giải pháp cải thiện đặc tính của nhiên liệu nhằm đáp ứng việc sử dụng trên động cơ diesel truyền thống;

- Nghiên cứu tính toán phương án sấy nóng nhiên liệu, thiết kế và chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện năng để sấy nóng dầu thực vật nguyên chất hỗ trợ cho quá trình khởi động lạnh và vận hành hiệu quả của động cơ;

- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tác động của việc cải thiện đặc tính nhiên liệu đến các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và phát thải của động cơ;

- Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng thiết bị tận dụng nhiệt khí thải sấy nóng dầu thực vật nguyên chất vào thực tiễn

Kết cấu của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung nghiên

cứu, phần kết luận và kiến nghị Toàn bộ luận án được trình bày trong 164 trang, 46 bảng và 62 hình vẽ và đồ thị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel

Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel có thể được chia thành 2 nhóm chính là nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu thay thế

1.2 Dầu thực vật nguyên chất

1.2.1 Giới thiệu chung

Dầu thực vật nguyên chất có thành phần chính là các mono-alkyl este của các axit béo mạch dài, chưa pha trộn với các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel

1.2.2 Tính chất của dầu thực vật nguyên chất (VO100)

Công thức phân tử của VO100 có dạng C27-57 H54-104 O6 và có khối lượng phân tử lớn hơn nhiên liệu diesel VO100 có chứa thành phần oxi trong phân tử, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm [40] Tuy nhiên, độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt của VO100 lớn hơn nhiều so với nhiên liệu diesel

1.3 Tình hình sản xuất và sử dụng dầu thực vật nguyên chất

1.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng trên thế giới

Tại Châu Âu thường sử dụng dầu hướng dương, dầu bông, dầu hạt cải, dầu đậu nành thì tại các nước Châu Á và Thái Bình Dương thường sử dụng chủ yếu là dầu dừa, dầu cọ

1.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng tại Việt Nam

Dầu thực vật sử dụng tại Việt Nam rất phong phú bao gồm ngô, đậu

nành, dầu dừa hoặc các nguyên liệu khi thu hoạch những cây trồng không làm thực phẩm như dầu jatropha

1.4 Tổng quan về các nghiên cứu sử dụng dầu thực vật nguyên chất cho

động cơ diesel

Để sử dụng dầu thực vật nguyên chất, các nghiên cứu chủ yếu đi sâu vào các hướng:

Cải tiến động cơ và hệ thống: Giải pháp này tác động vào kết cấu của

động cơ và hệ thống phục vụ nên thường chỉ thích hợp cho động cơ thiết kế mới do đó rất ít được sử dụng [7]

Cải thiện tính chất nhiên liệu: Các phương pháp thường sử dụng như:

phương pháp pha loãng, nhũ tương hóa, sấy nóng, sử dụng chất phụ gia hoặc chuyển đổi thành biodiesel [7,10]

Các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp sấy nóng và phát triển các hệ thống sấy nóng – đặc biệt là tận dụng năng lượng khí thải từ động cơ để cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất nhằm sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel còn hạn chế hoặc chưa hoàn thiện cơ sở lý thuyết để chứng minh

sự cần thiết phải cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất

Từ kiến giải trên, thấy rõ vấn đề nghiên cứu:“Nghiên cứu cải thiện một

số tính chất của dầu thực vật nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động

cơ diesel” là cần thiết

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢI THIỆN TÍNH CHẤT VẬT LÝ DẦU THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT SỬ DỤNG LÀM NHIÊN

LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

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

Quá trình hòa trộn hỗn hợp trong xi lanh gồm các giai đoạn: phun nhiên liệu, phân rã chùm tia nhiên liệu, bay hơi của các hạt nhiên liệu, tương tác giữa

các hạt nhiên liệu, tương tác giữa nhiên liệu với thành vách xilanh [20,36]

2.1.1 Cơ chế phá vỡ chùm tia phun nhiên liệu lỏng

Khi phun nhiên liệu vào buồng cháy, hạt nhiên liệu chịu tác dụng đồng thời của các lực: lực liên kết giữa các phân tử, lực căng mặt ngoài, lực kích động ban và lực cản khí động học của khí nén trong buồng cháy [20,36] Quá trình phân rã là tiền đề tạo nên sự phá vỡ chùm tia phun nhiên liệu, nó được chia thành hai quá trình cơ bản: quá trình phân rã sơ cấp và quá trình phân rã thứ cấp [36,46]

2.1.1.1 Quá trình phân rã sơ cấp

Quá trình phân rã sơ cấp tia phun được chia bốn cơ chế: cơ chế nhiễu loạn Rayleigh, cơ chế nhiễu loạn sơ cấp, cơ chế nhiễu loạn thứ cấp và cơ chế tán nhỏ hạt hay phun sương

2.1.1.2 Quá trình phân rã thứ cấp

Quá trình phân rã thứ cấp xảy ra khi sức căng bề mặt của giọt nhiên liệu nhỏ, ảnh hưởng đến khả năng chống biến dạng của giọt nhiên liệu Quá trình phân rã thứ cấp của giọt nhiên liệu xảy ra chủ yếu do tác động của lực khí động nên vận tốc tương đối của giọt nhiên liệu với môi trường khí xung quanh đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế phân rã thứ cấp

2.1.2 Cấu trúc và các thông số hình học của tia phun nhiên liệu lỏng

2.1.2.1 Cấu trúc của tia phun nhiên liệu lỏng

Sự phát tiển chùm tia phun và hình dáng của chùm tia nhiên liệu phụ thuộc vào thời gian phun, khối lượng riêng, kích thước lỗ phun và tính chất vật

lý của nhiên liệu [8,20]

35 , 0 3 , 0 48

, 0

po l l po

l L po

d

A d

2.1.2.2 Các thông số hình học của tia phun nhiên liệu lỏng

Chiều dài của tia phun S: Giới thiệu các công thức của một số tác giả từ

công thức 2.15 đến 2.19

Góc nón của chùm tia phun Φ: Giới thiệu các công thức của một số tác

giả từ công thức 2.20 đến 2.23

số tác giả từ công thức 2.24 đến 2.26

Chiều dài phân rã L b : Giới thiệu các công thức của một số tác giả từ

công thức 2.27 đến 2.29

2.1.2.3 Tia phun dầu thực vật nguyên chất

Nhóm tác giả [33] đã đề xuất cấu trúc tia phun dầu thực vật nguyên chất Chiều dài chùm tia (L1/3) tương ứng với quá trình phân rã sơ cấp, L’ là quá trình phân rã thứ cấp, L là quá trình phun sương

Hình 2.1 Cấu trúc chùm tia phun dầu thực vật nguyên chất

2.2 Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel

2.2.1 Tương tác của nhiên liệu với không khí

Kết quả thực nghiệm cho thấy các hạt nhiên liệu có đường kính d bị xé nhỏ khi điều kiện kωd2/>10,7 [8,20]

2.2.2 Tương tác của nhiên liệu với vách

Tùy thuộc vào nhiệt độ vách buồng cháy và số lượng của chất lỏng đọng

lại trên vách tương tác tia phun - vách có thể có cả tác động tiêu cực, tích cực

2.2.3 Quá trình cháy

Quá trình cháy trong động cơ diesel được phân thành 4 giai đoạn: cháy

trễ, cháy hỗn hợp hòa trộn trước, cháy hỗn hợp có kiểm soát và cháy rớt Trong

quá trình công tác thực tế từ lúc bắt đầu phun đến lúc kết thúc quá trình cháy

diễn ra các quá trình lý hóa phức tạp: bay hơi, bốc cháy và cháy nhiên liệu, kèm

với quá trình tỏa nhiệt, thay đổi nhiệt độ, áp suất và tổn thất nhiệt [8,20]

2.3 Các thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất theo nhiệt độ

2.3.1 Khối lượng riêng ρ

Khối lượng riêng tỉ lệ thuận với khối lượng phân tử và khả năng bay hơi

của nhiên liệu và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ [31]: ρ = a – bT

2.3.2 Độ nhớt động học µ

Độ nhớt tỉ lệ nghịch với nhiệt độ, một số mô hình tính toán độ nhớt theo

nhiệt độ [31,35]: Mô hình hàm mũ   bT

e A

Sức căng bề mặt là lực căng trên một đơn vị chiều dài, tỉ lệ thuận với độ

nhớt, khối lượng riêng và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ [40]

M T

1 / 4 ( )

2.3.4 Nhiệt độ chớp cháy T F

Nhiệt độ chớp cháy của dầu thực vật nguyên chất có liên hệ với độ nhớt

và nhiệt độ như [37]: TF = A.µ(T)+ B

2.3.5 Đặc tính phun

Đặc tính phun của nhiên liệu được thể hiện qua các thông số hình học

của chùm tia phun, do đó phụ thuộc vào tính chất của nhiên liệu mà chủ yếu là

khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt của nhiên liệu

2.4 Giải pháp sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên liệu cho động

cơ diesel

2.4.1 Một số phương pháp sử dụng dầu thực vật nguyên chất

Thường sử dụng các phương pháp như: pha loãng , nhũ tương hoá, gia

nhiệt Ngoài các phương pháp trên, có thể sử dụng một số phương pháp khác

như hâm nhiên liệu bằng ống nhiệt, bằng năng lượng khí nóng hay kết hợp các

phương pháp như phối trộn và hâm sấy, hâm sấy kiểu tích hợp điện - khí xả,

điện - hơi nước, điện - nước làm mát

2.4.2 Lựa chọn giải pháp sử dụng trực tiếp dầu thực vật nguyên chất

Từ việc phân tích các phương pháp hâm sấy nhiên liệu, loại nhiên liệu

sử dụng và đối tượng mà đề tài hướng tới thì phương pháp hâm sấy nhiên liệu

kiểu tích hợp điện - khí xả là phù hợp

2.5 Kết luận chương 2

Các tính chất nhiên liệu như khối lượng riêng, độ nhớt hay sức căng bề mặt đều ảnh hưởng đến sự phân rã, các thông số hình học của chùm tia nhiên liệu, thời gian phân rã và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ hâm sấy

Cấu trúc chùm tia phun dầu thực vật nguyên chất tương tự như nhiên liệu diesel Quy luật thay đổi áp suất trong xi lanh của động cơ và tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu khi sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống và dầu thực vật nguyên chất tương tự nhau khi hâm nóng dầu thực vật nguyên chất đến nhiệt độ phù hợp

Một số thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất như sức căng bề mặt, độ nhớt và khối lượng riêng đã được phân tích nhằm thiết lập mối liên hệ toán học với nhiệt độ hâm sấy, làm cơ sở và định hướng để tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất bằng năng lượng điện – khí xả

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH THIẾT BỊ HÂM VÀ ÁP DỤNG ĐỂ TÍNH THIẾT BỊ HÂM DẦU DỪA NGUYÊN CHẤT DÙNG

3.1.2 Mô hình thử nghiệm đặc tính phun

Bảng 3.1 Thông số hình học của chùm tia phun nhiên liệu ở nhiệt độ môi

trường

hiệu nguyên thức

Chiều dài chùm tia S mm 2.18 207 261 - 280

So với nhiên liệu DO, dầu thực vật nguyên chất có: Lb lớn hơn khoảng 8%; S lớn hơn khoảng 26%, d32 (SMD) lớn hơn khoảng 4 - 8 lần; góc phun θ của nhiên liệu DO và gấp 2 lần góc phun θ của VO100; tỉ lệ Lb/S của nhiên liệu

DO lớn hơn của VO100 khoảng 20%

3.1.2.1 Xây dựng mô hình thử nghiệm

Hệ thống thử nghiệm đặc tính phun do tác giả chế tạo được mô tả trên hình 4 gồm: một bộ hâm tự động bằng điện cấp nguồn cho điện trở sấy; một thiết bị tạo áp lực và một thiết bị đo áp suất phun; vòi phun một lỗ với đường kính lỗ phun D0 = 0,25 mm; một máy ảnh kỹ thuật số với độ phân giải 18 megapixel, tốc độ 120 hình/giây Điều kiện tiến hành thử nghiệm với áp suất phun P = 200 bar và áp suất môi trường P0 = 1 bar

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí phun thử nghiệm

3.1.2.2 Kết quả thử nghiệm

(a)

Chiều dài chùm tia

S = 205 mm Góc phun θ = 210

(b)

Chiều dài chùm tia

S = 268 mm Góc phun θ = 110

Hình 3.3 Đặc tính phun của nhiên liệu DO (a) và dầu dừa nguyên chất

CO100 (b) ở nhiệt độ 40 0 C

Kết quả phun thử nghiệm ở nhiệt độ 400C (hình 3.3) cho thấy, chiều dài chùm tia phun S của CO100 lớn hơn khoảng 23,5% trong khi góc phun θ nhỏ hơn khoảng 47,6% so với nhiên liệu DO

Kết quả phun thử nghiệm khi thay đổi nhiệt độ hâm sấy nhiên liệu CO100 được cho trong hình 3.4

t = 800C

Chiều dài chùm tia

S =230 mm Góc phun θ = 160

t = 900C

Chiều dài chùm tia

S = 220 mm Góc phun θ = 170

t = 1000C

Chiều dài chùm tia

S = 212 mm Góc phun θ = 180

t = 1100C

Chiều dài chùm tia

S = 208 mm Góc phun θ = 190

Hình 3.4 Đặc tính phun của CO100 tại các nhiệt độ khác nhau

Bảng 3.2 và 3.3 cho thấy mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ hâm sấy đến các thông số hình học khác của chùm tia phun và hình thức phân rã

Bảng 3.2 Thông số hình học của chùm tia phun nhiên liệu CO100

Thông số hiệu Kí Thứ

Bảng 3.3 Hình thức và thời gian phân rã của nhiên liệu DO và CO100

Thông số hiệu Kí

Nhiên liệu

DO

Dầu dừa nguyên chất CO100

800C 900C 1000C 1100C

Áp suất trong xilanh tại thời

Vận tốc phun, m/s Uph 160 155 156 156,8 157,5 Thời gian phân rã, µs τpr 110 176 157 138 119 Thời gian tương tác khí

Nhiễu loạn

Phun sương một phần

Phun sương hoàn toàn

Phun sương hoàn toàn

3.1.3 Xác định nhiệt độ hâm sấy hợp lý

Các kết quả tính toán và thử nghiệm cho thấy, khoảng nhiệt độ hâm sấy hợp lý đối với nhiên liệu CO100 là từ 100oC – 110oC

3.2 Phương pháp tính toán hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất kiểu tích hợp điện – khí xả

3.2.1 Cơ sở tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả

3.2.1.1 Tính nhiệt lượng khí xả

3.2.1.2 Tính toán diện tích bề mặt trao nhiệt

3.2.1.3 Tính trở kháng thủy lực của dòng khí xả 3.2.1.4 Tính bền thiết bị dụng nhiệt khí xả

3.2.1.5 Tính thông số nhiệt cho nhiên liệu và khí xả

3.2.2 Cơ sở tính toán bộ hâm bằng điện

Phương trình cân bằng nhiệt theo thời gian

dQ1 = dQ2 + dQ3 và Pdτ = MCdt + KF ( t − t0 ) dτ

Chọn điện áp nguồn cho thiết bị: Chọn điện áp 380V/220V

Điều chỉnh công suất thiết bị: dùng phương pháp rơle

Tính công suất hữu ích của thiết bị

Tính toán nhiệt của dây đốt và tính kích thước dây đốt tròn

3.2.3 Cơ sở tính toán các thiết bị phụ

3.2.3.1 Tính chọn bơm

3.2.3.2 Tính toán két dầu thực vật nguyên chất

3.3 Tính toán hệ thống kiểu tích hợp điện – khí xả để hâm sấy dầu dừa nguyên chất sử dụng trên động cơ D243

3.3.1 Sơ đồ hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện – khí xả