Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật diesel đến phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy và tính năng của động cơ diesel tàu thuỷ

Tr ng phân b áp su t trong quá trình phun nhiên li u ..... Quy trình tính toán mô ph ng ..... Áp su t phun có th đi u ch nh b ng cách xoay vít đi u ch nh trên thân vòi phun.. Xoay vít đi

B GIAO THÔNG V N T I B GIÁO D C VÀ ÀO T O

B GIAO THÔNG V N T I B GIÁO D C VÀ ÀO T O

Ng i h ng d n khoa h c: 1 PGS, TSKH ng V n Uy

2 PGS TS Nguy n i An

H I PHÒNG – N M 2020

i

L I CAM OAN

Tôi xin cam đoan Lu n án này là công trình nghiên c u c a riêng tôi Các s li u, k t qu nêu trong lu n án là trung th c và ch a đ c ai công b trong b t k công trình nào khác Vi c tham kh o các ngu n tài li u đã đ c trích d n và ghi đúng quy đ nh

Tác gi lu n án

Nguy n c H nh

ii

L I CÁM N

Tr c h t, tôi xin g i l i c m n chân thành t i Ban Giám hi u, Vi n

ào t o sau i h c, Khoa Máy tàu bi n – Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam đã t o m i đi u ki n thu n l i và giúp đ tôi trong su t quá trình làm

lu n án

Tôi xin bày t lòng bi t n chân thành t i t p th ng i h ng d n khoa h c là: PGS TSKH ng V n Uy và PGS TS Nguy n i An v

nh ng h ng d n khoa h c nghiêm túc và đã đ ng ý cho phép s d ng m t

ph n k t qu c a tài NCKH & PTCN c p Qu c gia “Nghiên c u s d ng nhiên li u diesel sinh h c h n h p gi a d u th c v t và d u diesel cho đ ng

c diesel tàu th y”, mã s T.04.11/NLSH - Thu c án phát tri n NLSH

đ n n m 2015, t m nhìn đ n n m 2025 c a B Công th ng đ nghiên c u sinh hoàn thành lu n án

Tôi xin chân thành c m n Trung tâm thí nghi m h đ ng l c - Tr ng

i h c Hàng h i Vi t Nam đã t o đi u ki n thu n l i đ nghiên c u sinh ti n hành nghiên c u th c nghi m và hoàn thành ph n th c nghi m c a lu n án Tôi xin bày t lòng bi t n đ n các th y, các nhà khoa h c thu c các

Tr ng trong Câu l c b C khí đ ng l c đã đóng góp nhi u ý ki n quý báu cho nghiên c u sinh trong quá trình th c hi n và hoàn thành lu n án

Tôi xin bày t lòng bi t n đ n t t c b n bè, đ ng nghi p và nh ng

ng i thân trong gia đình đã đ ng viên và giúp đ tôi r t nhi u trong quá trình

th c hi n lu n án

Nghiên c u sinh

Nguy n c H nh

iii

M C L C

L I CAM OAN i

L I CÁM N ii

M U 1

LÝ DO TH C HI N TÀI 1

M C ÍCH NGHIÊN C U 4

I T NG VÀ PH M VI NGHIÊN C U 4

PH NG PHÁP NGHIÊN C U 5

Ý NGH A KHOA H C VÀ TH C TI N 5

CÁC I M ÓNG GÓP M I 6

K T C U C A LU N ÁN 6

CH NG 1 T NG QUAN 7

1.1 H th ng nhiên li u đ ng c diesel tàu th y 8

1.1.1 Phân lo i h th ng nhiên li u đ ng c diesel tàu th y 8

1.1.1.1 H th ng nhiên li u nh (DO) 8

1.1.1.2 H th ng nhiên li u n ng (HFO ho c FO) 9

1.1.2 H th ng phun nhiên li u đ ng c diesel tàu th y 10

1.1.2.1 Yêu c u đ i v i h th ng phun nhiên li u cho đ ng c diesel tàu th y 10

1.1.2.2 Vòi phun 11

1.2 Xu th ng d ng gi i pháp nh m c i thi n ch tiêu kinh t và môi tr ng c a đ ng c diesel tàu th y hi n nay 13

1.3 Nh ng qui đ nh pháp lý Qu c t v phát th i khí NOx đ i v i đ ng c diesel tàu th y 15

1.4 Nhiên li u sinh h c và xu h ng ng d ng cho đ ng c diesel tàu th y 16

1.4.1 Nhiên li u sinh h c dùng cho đ ng c diesel 16

1.4.2 Nhiên li u sinh h c dùng nghiên c u trong lu n án 17

1.4.3 u, nh c đi m c a nhiên li u h n h p d u c - d u diesel khi dùng cho đ ng c diesel tàu th y so v i h n h p biodiesel - diesel 18

1.4.4 Nh ng qui đ nh t i Vi t Nam v phát tri n NLSH 21

1.5 T ng quan v các công trình khoa h c trong và ngoài n c liên quan lu n án 22 1.5.1 Các nghiên c u trên th gi i 22

1.5.2 Các nghiên c u t i Vi t Nam 24

iv

1.6 Nh ng thông s c b n nh h ng đ n ch t l ng quá trình phun t o h n

h p-cháy c a h n h p d u th c v t – d u diesel trong đ ng c diesel tàu th y 27

CH NG 2 C S LÝ THUY T ÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LI U I V I NG C DIESEL TÀU TH Y VÀ GI I PHÁP HI U CH NH NH M T CH TIÊU MÔI TR NG, KINH T 31

2.1 Các đ c tính phun nhiên li u 32

2.1.1 c tính v mô 33

2.1.1.1 Chi u dài tia phun 33

2.1.1.2 Góc nón tia phun 35

2.1.1.3 Chi u dài phân rã s c p 36

2.1.2 c tính vi mô 38

2.2 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n quá trình phun 41

2.2.1 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n th i đi m phun 41

2.2.2 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n th i gian cháy tr 44

2.2.3 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n áp su t phun 45

2.2.4 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n l u l ng phun 47

2.3 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n phát th i NOx 48

2.4 L a ch n mô hình toán xác đ nh nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n ch t l ng phun 49

2.5 C s lý thuy t CFD mô ph ng, đánh giá quá trình phun, t o h n h p và cháy trong đ ng c diesel tàu th y 50

2.6 C s lý thuy t đ hi u ch nh HTPNL khi s d ng h n h p nhiên li u d u th c v t - diesel nh m đ t ch tiêu kinh t và môi tr ng 55

2.7 K t lu n ch ng 2 61

CH NG 3 NGHIÊN C U LÝ THUY T NH H NG C A H N H P NHIÊN LI U D U TH C V T - DIESEL N H TH NG PHUN NHIÊN LI U NG C DIESEL TÀU TH Y 62

3.1 ánh giá nh h ng c a nhiên li u h n h p đ n đ c tính tia phun nhiên li u 63

3.1.1 Các thông s k thu t c n thi t đ tính toán 63

3.1.2 K t qu tính toán v đ c tính tia phun 66

3.1.2.1 K t qu tính toán v đ c tính v mô c a tia phun 66

3.1.2.2 K t qu tính toán v đ c tính vi mô c a tia phun 67

3.1.2.3 So sánh, đánh giá đ c tính tia phun c a các lo i nhiên li u 68

v

3.1.3 Các k t qu tính toán v nh h ng c a nhiên li u h n h p đ n th i đi m

phun và th i gian cháy tr 70

3.1.3.1 Các thông s đ u vào và đi u ki n ban đ u 70

3.1.3.2 Các k t qu thu đ c trong quá trình tính toán 71

3.1.4 K t qu tính toán v nh h ng c a nhiên li u h n h p đ n l u l ng phun 72

3.1.5 M t s nh n xét 73

3.2 Mô ph ng quá trình phun nhiên li u vào đ ng c diesel tàu th y 74

3.2.1 Tính toán mô ph ng b ng ph n m m Ansys Fluent 74

3.2.1.1 t đi u ki n biên 74

3.2.1.2 Xây d ng mô hình nghiên c u và chia l i không gian tính toán 75

3.2.2 K t qu tính toán mô ph ng 77

3.2.2.1 Tr ng phân b áp su t trong quá trình phun nhiên li u 77

3.2.2.2 Tr ng phân b v n t c bi u di n theo đ ng đ ng m c 79

3.2.2.3 Tr ng phân b v n t c theo đ ng dòng c a chùm 10 l phun 80

3.2.2.4 Tr ng phân b v n t c bi u di n theo đ ng dòng c a 1 l phun 81

3.2.2.5 Tr ng phân b v n t c bi u di n theo véc t 82

3.2.2.6 Tr ng phân b n ng l ng đ ng n ng r i 84

3.3 Mô ph ng quá trình hòa tr n-cháy c a nhiên li u h n h p trong đ ng c diesel tàu th y 86

3.3.1 Ph ng án tính toán mô ph ng 87

3.3.2 Xây d ng mô hình mô ph ng quá trình hòa tr n-cháy 88

3.3.2.1 L a ch n khu v c tính toán 88

3.3.2.2 L a ch n mô hình tính toán 88

3.3.2.3 Xây d ng mô hình nghiên c u và chia l i không gian tính toán 89

3.3.3 K t qu tính toán cho lo i nhiên li u PO20 90

3.3.3.1 Phân b áp su t trong quá trình hòa tr n - cháy 90

3.3.3.2 Phân b nhi t đ trong quá trình hòa tr n - cháy 93

3.3.3.3 Phân b v n t c cháy trong quá trình hòa tr n - cháy 96

3.4 ánh giá đ tin c y k t qu tính toán mô ph ng 101

3.5 K t lu n ch ng 3 103

CH NG 4 NGHIÊN C U TH C NGHI M 104

4.1 M c đích, ch đ , đi u ki n và đ i t ng th c nghi m 104

vi

4.1.1 M c đích 104

4.1.2 Ch đ t i đ ng c và đi u ki n th c nghi m 104

4.1.3 i t ng th c nghi m 105

4.2 Trang thi t b ph c v nghiên c u th c nghi m 105

4.2.1 xu t mô hình th c nghi m 105

4.2.2 c đi m k thu t c a đ ng c diesel chính tàu th y 6LU32 106

4.2.3 c đi m k thu t c a các thi t b đo 107

4.2.4 Nhiên li u thí nghi m 109

4.2.5 Quy trình đo và x lý s li u th c nghi m 109

4.3 K t qu nghiên c u th c nghi m 110

4.3.1 Áp su t cháy trong xy lanh đ ng c 110

4.3.2 Th i đi m b t đ u phun và áp su t phun l n nh t 111

4.3.3 Th i gian cháy tr c a nhiên li u 113

4.3.4 Su t tiêu hao nhiên li u 115

4.3.5 ánh giá s thay đ i c a l u l ng phun 116

4.3.6 Ch t l ng phun s ng, t o h n h p và cháy 117

4.3.7 Phát th i NOx 123

4.4 K t qu gi i pháp hi u ch nh b ng ph ng pháp quy ho ch th c nghi m 124

4.4.1 Các b c th c hi n hi u ch nh trong phòng thí nghi m 124

4.4.2 K t qu hi u ch nh đ i v i h th ng nhiên li u 125

4.5 K t lu n ch ng 4 129

K T LU N VÀ KI N NGH : 130

K t lu n: 130

Ki n ngh : 131

DANH M C CÁC CÔNG TRÌNH Ã CÔNG B C A TÁC GI LIÊN QUAN N LU N ÁN 132 TÀI LI U THAM KH O

CÁC PH L C

vii

DANH M C CÁC CH VI T T T VÀ TI NG ANH

Ch vi t t t Di n gi i

Ansys Fluent Ph n m m mô ph ng đ ng l c h c dòng ch y

ASTM Tiêu chu n v V t li u và Th nghi m

Biodiesel Nhiên li u diesel sinh h c

Biofuels Nhiên li u sinh h c

CDI Common rail diesel injection (H th ng phun nhiên li u đi n t ) CFD Computational Fluid Dynamics (Tính toán đ ng l c h c l u ch t )

CT (TOP) i m ch t trên (Top)

DO Diesel oil – d u nh

DWT Deadweight – Tr ng t i tàu (t n)

EGR Exhaust Gas Recirculation (Tu n hoàn khí th i)

EOC K t thúc quá trình cháy

FAME Fatty Acid Methyl Esters (Este metyl a xít béo)

FUEL Nhiên li u

GQTK Góc quay tr c khu u

Grid; Gambit Ph n m m chia l i

GT Gross tonnage – T ng dung tích tàu

GTVT Giao thông v n t i

GPS (SOI) Góc phun s m

HAGL Hoàng Anh Gia Lai

PO Palm oil - Diesel oil (H n h p d u c - d u diesel)

PPO Pure Plant Oil (D u th c v t nguyên g c)

PTN Phòng thí nghi m

QCVN Quy chu n Vi t Nam

QLCCNL Quy lu t cung c p nhiên li u

QTCN Quy trình công ngh

SOC B t đ u cháy h n h p

SVO Straight vegetable oil (D u th c v t dùng tr c ti p)

TCVN Tiêu chu n Vi t Nam

Tecplot Ph n m m đ v bi u đ d li u

TSKT Ti n s k thu t

6  Giai đo n vòi phun m tính b ng góc quay

x

c a nhiên li u

25 gct L ng nhiên li u c p cho m t chu trình g/ct

36 NOx

cycle Hàm l ng NOx trung bình c a chu trình

xi

58 Uo V n t c trung bình c a nhiên li u giai

xii

DANH M C CÁC B NG

B ng 1.1 Gi i pháp gi m ô nhi m và nâng cao hi u su t đ ng c diesel [61] 13

B ng 1.2 Các bi n pháp t i u hóa quá trình cháy đ ng c diesel gi m NOx [50] 15

B ng 1.3 Các qui đ nh b t bu c v phát th i NOx [6] 15

B ng 1.4 c tính nhiên li u c a d u diesel và d u c [5, 26] 16

B ng 1.5 Ch tiêu c b n c a nhiên li u h n h p d u c - d u diesel ph c v nghiên c u [20] 17

B ng 1.6 N i dung nghiên c u và m c tiêu c n đ t đ c 29

B ng 3.1 Các thông s k thu t c a đ ng c diesel Hanshin 6LU32 [20] 63

B ng 3.2 Các thông s ph c v tính toán [14, 20, 35, 65] 65

B ng 3.3 c tính v mô c a tia phun 66

B ng 3.4 ng kính trung bình c a h t nhiên li u SMD 68

B ng 3.5 Thông s v n t c âm thanh và h s mô-đun đàn h i c a nhiên li u [70] 71

B ng 3.6 Th i đi m b t đ u phun c a các lo i nhiên li u 71

B ng 3.7 K t qu tính toán v th i gian cháy tr c a các lo i nhiên li u 72

B ng 3.8 B ng thông s ph c v tính toán l u l ng phun [20] 73

B ng 3.9 K t qu tính toán l ng nhiên li u c p theo lo i nhiên li u 73

B ng 3.10 Quy trình tính toán mô ph ng 87

B ng 4.1 Các ch đ th nghi m 105

B ng 4.2 Các thông s k thu t c b n c a phanh th y l c 106

B ng 4 3 Thông s k thu t c a thi t b đo áp su t cháy c c đ i pz 108

B ng 4.4 Giá tr pz đ i v i các lo i nhiên li u 2 ch đ t i khác nhau 111

B ng 4.5 Th i đi m b t đ u phun và áp su t phun nhiên li u l n nh t 112

B ng 4.6 K t qu th c nghi m v th i gian cháy tr c a nhiên li u 114

B ng 4.7 Su t tiêu hao nhiên li u đ i v i các lo i nhiên li u khác nhau 115

B ng 4.8 nh h ng c a lo i nhiên li u đ n đ nh l ng c p nhiên li u 116

B ng 4.9 K t qu th c nghi m v hàm l ng NOx trong khí th i 123

B ng 4.10 B ng d ki n v y u t gây nh h ng và m c giá tr 125

B ng 4.11 T o ma tr n thí nghi m 126

B ng 4.12 Các y u t ki m soát cho phép tính phân đo n 128

B ng 4.13 K t qu nghiên c u t i u hóa 128

xiii

DANH M C CÁC HÌNH V , TH

Hình 1.1 S đ h th ng nhiên li u nh cho đ ng c diesel tàu th y (DO) 8

Hình 1.2 S đ h th ng nhiên li u n ng cho đ ng c diesel tàu th y (FO) 9

Hình 1.3 C u t o c a đ u vòi phun 12

Hình 1.4 C u t o vòi phun ki u kín dùng kim phun 12

Hình 1.5 S đ mô t hình thành h n h p, cháy và phát th i c a đ ng c diesel [41] 14

Hình 1.6 Quan h gi a các thông s nhi t đ ng c a h n h p d u c -d u diesel theo t l % d u c và d u diesel 28

Hình 2.1 Mô hình phun nhiên li u v i các bi n s công tác 32

Hình 2.2 C u trúc chùm tia phun 33

Hình 2.3 Mô t kích th c đ u phun và c u trúc tia phun nhiên li u 37

Hình 2.4 M i quan h gi a v n t c âm thanh và nhi t đ trong n c 42

Hình 2 5 S đ đ i t ng nghiên c u theo qui ho ch th c nghi m 56

Hình 3.1 c tính chi u dài tia phun S c a các lo i nhiên li u 66

Hình 3.2 c tính góc nón tia phun đ i v i các lo i nhiên li u 67

Hình 3.3 c tính chi u dài phân rã s c p Lb c a các lo i nhiên li u 67

Hình 3.4 Ch ng trình tính th i gian cháy tr c a nhiên li u 72

Hình 3.5 S đ kh i quy trình ng d ng Ansys Fluent đ mô ph ng 74

Hình 3.7 M t c t đ u vòi phun 75

Hình 3.7 Vòi phun đ ng c diesel 6LU32 75

Hình 3.8 Hình nh mô ph ng không gian ch a ch t l ng và chia l i không gian tính toán đ u vòi phun 76

Hình 3.9 Tr ng phân b áp su t trong l phun c a 5 lo i nhiên li u 77

Hình 3.10 Tr ng phân b v n t c trong l phun bi u di n theo đ ng đ ng m c c a 5 lo i nhiên li u 79

Hình 3.11 Tr ng phân b v n t c trong l phun theo đ ng dòng – chùm 10 l phun c a 5 lo i nhiên li u 80

Hình 3.12 Tr ng phân b v n t c trong l phun theo đ ng dòng c a 5 lo i nhiên li u t i 1 l phun 81

xiv

Hình 3.13 Tr ng phân b v n t c trong l phun theo vector c a 5 lo i nhiên li u

82

Hình 3.14 Tr ng phân b theo n ng l ng đ ng n ng r i trong l phun c a 5 lo i nhiên li u 84

Hình 3.15 Góc nghiên c u theo GQTK 88

Hình 3.16 Không gian tính toán theo v trí c a piston 88

Hình 3.17 Hình nh l i c a các mô hình tính toán 89

Hình 3.18 M t đ nh piston và n p xi lanh đ ng c diesel 6LU32 89

Hình 3.19 Hình d ng không gian bu ng đ t đ ng c diesel 6LU32 trong AutoCAD Mechanical 2017 90

Hình 3.20 (1-6) Phân b áp su t trong bu ng đ t t i m t c t đ ng đi qua đ ng tâm xy lanh theo các GQTK trên đ ng c diesel 6LU32, PO20 91

Hình 3.20 (7-12) Phân b áp su t trong bu ng đ t t i m t c t đ ng đi qua đ ng tâm xy lanh theo các GQTK trên đ ng c diesel 6LU32, PO20 91

Hình 3.21 (1-6) Phân b nhi t đ trong bu ng đ t t i m t c t đ ng đi qua đ ng tâm xy lanh theo các GQTK trên đ ng c diesel 6LU32, PO20 94

Hình 3.21 (7-12) Phân b nhi t đ trong bu ng đ t t i m t c t đ ng đi qua đ ng tâm xy lanh theo các GQTK trên đ ng c diesel 6LU32, PO20 94

Hình 3.22 (1-6) Phân b v n t c cháy trong bu ng đ t t i m t c t đ ng đi qua đ ng tâm xy lanh theo các GQTK trên đ ng c diesel 6LU32, PO20 97

Hình 3.22 (7-12) Phân b v n t c cháy trong bu ng đ t t i m t c t đ ng đi qua đ ng tâm xy lanh theo các GQTK trên đ ng c diesel 6LU32, PO20 97

Hình 3.23 Tr ng vector v n t c t i m t c t đ ng đi qua đ ng tâm xi lanh đ ng c diesel 6LU32 t i 3600GQTK, PO20 99

Hình 3.24 Tr ng đ l n v n t c t i m t c t đ ng đi qua đ ng tâm xi lanh đ ng c diesel 6LU32 t i 3600GQTK, PO20 99

Hình 3.25 Áp su tt nh t i m t c t đ ng đi qua đ ng tâm xi lanh đ ng c diesel 6LU32 t i 3600GQTK, PO20 100

Hình 3.26 So sánh di n bi n áp su t trong xi lanh gi a mô ph ng và th c nghi m 102

Hình 4.1 S đ h th ng và các thi t b thí nghi m 105

Hình 4.2 Các thi t b t i Trung tâm nghiên c u h đ ng l c tàu th y 106

xv

Hình 4.3 th áp su t cháy đo th c t đ ng c 6LU32 c a 4 lo i nhiên li u

cùng xy lanh s 1, 400kW 110

Hình 4.4 th áp su t cháy đo th c t đ ng c 6LU32 c a 4 lo i nhiên li u cùng xy lanh s 1, 600kW 110

Hình 4.5 Th i đi m b t đ u phun và áp su t phun nhiên li u l n nh t ch đ 400kW c a đ ng c 6LU32 112

Hình 4.6 Th i đi m b t đ u phun và áp su t phun nhiên li u l n nh t ch đ 600kW c a đ ng c 6LU32 112

Hình 4.7 th quá trình cháy và th i gian cháy tr c a các lo i nhiên li u đ i v i đ ng c 6LU32 ch đ t i 600kW 114

Hình 4.8 th quá trình cháy và th i gian cháy tr c a các lo i nhiên li u đ i v i đ ng c 6LU32 ch đ t i 400kW 114

Hình 4.9 Su t tiêu th nhiên li u đ i v i các lo i nhiên li u hai ch đ t i 116

Hình 4.10 nh h ng c a lo i nhiên li u đ n l ng nhiên li u phun vào đ ng c 117

Hình 4.11 Hình nh nhiên li u b t đ u phun -11,7 đ GQTK tr c CT, 273 v/p 118

Hình 4.12 Hình nh nhiên li u hòa tr n, cháy -7 đ GQTK tr c CT, 273 v/p 119

Hình 4.13 Hình nh nhiên li u cháy -3 đ GQTK tr c CT, 273 v/p 120

Hình 4.14 Hình nh nhiên li u cháy 5 đ GQTK sau CT, 273 v/p 120

Hình 4.15 Hình nh nhiên li u cháy 11 đ GQTK sau CT, 273 v/p 122

Hình 4.16 Hình nh nhiên li u cháy 22 đ GQTK sau CT, 273 v/p 122

Hình 4.17 th bi u th hàm l ng NOx trong khí th i đ ng c ch đ t i 600kW khi s d ng 4 lo i nhiên li u 123

Hình 4.18 Bi u đ Pareto đã chu n hóa nh h ng c a ge, NOx 127

Hình 4.19 Bi u đ phân tích d theo bi n ge và NOx 127

m t cách chi n l c, Liên hi p qu c cùng v i các c quan đ i di n nh T ch c n ng

l ng qu c t (IAEA), T ch c Hàng h i qu c t (IMO)… đã đ a ra nh ng khuy n cáo thông qua các b lu t qu c t mang tính b t bu c v s d ng ti t ki m n ng l ng,

h n ch phát th i khí đ c h i ra môi tr ng Trong l nh v c hàng h i, mà Vi t Nam là thành viên chính th c c a IMO t n m 1983, v i đ i tàu v n t i bi n có t ng tr ng t i trên 8 tri u t n DWT, Ph l c VI thu c B lu t MARPOL 73/78 đã đ a ra nh ng tiêu chu n v phát th i (NOx, SOx, CO2 ) r t kh t khe đ i v i các đ ng c diesel đ c l p

đ t trên tàu làm đ ng l c chính lai chân v t, máy ph và n i h i Theo đó, tàu đ c trang b các đ ng c diesel n u không đáp ng các tiêu chu n v phát th i s không

đ c c p c ng c a các n c thành viên c a IMO và nh v y s nh h ng nghiêm

tr ng đ n chi n l c kinh doanh c a đ i tàu c a các qu c gia, trong đó có n c ta Vì

v y các ch tàu đang ph i cân nh c các l a ch n c a mình đ đ m b o s tuân th

T khi Ph l c VI, MARPOL 73/78 có hi u l c toàn c u (2013) [6] và ng ng

l u hu nh 0,5% trong d u nhiên li u hàng h i toàn c u theo quy đ nh c a IMO s có

hi u l c vào ngày 01/01/2020, Chính ph Vi t Nam đã yêu c u B Giao thông v n t i,

B công th ng… ph i xây d ng ngay các gi i pháp công ngh thích h p đ sao cho các công ty v n t i bi n n c ta m t m t v n tuân th đ c các qui đ nh qu c t , m t khác v n đáp ng đ c tính kinh t và đ c bi t không làm phát sinh thêm ngu n gây ô nhi m môi tr ng V y, đ đáp ng đ c nh ng v n đ này, đã có nhi u gi i pháp công ngh đ c đ xu t nghiên c u, tri n khai ng d ng trên th gi i và Vi t Nam

nh : ch t o m i đ ng c đi n, s d ng các ngu n n ng l ng s ch (khí t nhiên, khí

d u m ), thi t b làm s ch khí x , NLSH có kh n ng tái t o…v.v Tuy nhiên, trong

l nh v c hàng h i, các đ ng c diesel đ c s d ng đ u có công su t l n t vài tr m

kW đ n hàng v n kW, v y nên vi c ng d ng đ ng c ch y b ng c qui đi n là không

kh thi; s d ng nhiên li u khí hay l p thêm thi t b làm s ch khí x đòi h i chi phí đ u

t r t cao và v n đ an toàn cháy n r t khó đ c đ m b o V y h ng nghiên c u kh thi nh t là s d ng NLSH giàu thành ph n ô xy, r t ít thành ph n l u hu nh và có kh

th c v t (ho c m đ ng v t) c n đ n công ngh hi n đ i và s d ng m t l ng l n hóa

ch t khác (NaOH) và đây c ng là ngu n phát sinh thêm gây ô nhi m môi tr ng; bên

c nh đó nhiên li u diesel sinh h c có giá thành khá đ t [10, 21] DTV nguyên ch t

đ c s n xu t b ng công ngh khá đ n gi n thông qua ép các lo i h t (h ng d ng, jatropha ) ho c qu (c , d a ), l c b t thành ph n n c và c n là có th s d ng đ c DTV nguyên ch t có u đi m là giá thành r , có kh n ng tái t o, thân thi n v i môi

tr ng và không t o thêm ngu n gây ô nhi m trong quá trình s n xu t, s d ng, nh ng

có nh c đi m là đ nh t cao, nhi t tr th p V i nh ng u đi m c b n c a DTV, đã

có m t s công trình nghiên c u s d ng d u th c v t tr n v i nhiên li u truy n th ng

t o thành nhiên li u h n h p và đ c s d ng nh lo i nhiên li u thay th dành cho

đ ng c diesel nói chung và đ ng c diesel th y nói riêng [20, 66]

Nh v y, đ i chi u v i yêu c u c p bách c a Vi t Nam nh m đáp ng tiêu chu n phát th i đ i v i đ i tàu v n t i bi n, trên c s các đi u ki n v công ngh , kinh phí

đ u t và các đi u ki n xã h i khác, vi c l a ch n h ng nghiên c u s d ng nhiên

li u h n h p (trong đó có thành ph n d u th c v t nguyên ch t) làm nhiên li u thay th cho nhiên li u hóa th ch truy n th ng đ i v i đ i tàu v n t i bi n Vi t Nam th c s c n thi t trong giai đo n hi n t i c ng nh trong t ng lai Tuy nhiên, vi c s d ng nhiên

li u h n h p làm nhiên li u thay th dành cho các đ ng c diesel đang đ c l p đ t trên tàu th y s phát sinh hàng lo i các v n đ c n đ c gi i quy t đó là: hi u su t cháy

c a lo i nhiên li u này trong bu ng đ t c a đ ng c diesel đã đ c thi t k đ s d ng nhiên li u hóa th ch, v n đ phát th i khí đ c h i, v n đ suy gi m công su t và đ c

bi t làm sao đ m t đ ng c diesel th y đang đ c khai thác s d ng nhiên li u h n

h p d u th c v t - diesel đáp ng c hai tiêu chu n phát th i và tính kinh t

Xu t phát t nh ng yêu c u th c t nêu trên, đ tài lu n án:“Nghiên c u nh

h ng c a h n h p nhiên li u d u th c v t – diesel đ n phun nhiên li u, t o h n

h p, cháy và tính n ng c a đ ng c diesel tàu th y” đ c NCS l a ch n đ nghiên

c u

3

Do nhiên li u h n h p d u th c v t - diesel có nh ng tính ch t lý hóa t ng đ i khác bi t so v i nhiên li u hóa th ch truy n th ng, nên n u v n gi nguyên tr ng thái

k thu t c a HTPNL nh ban đ u (không hi u ch nh), nh t đ nh lo i nhiên li u m i này

s làm nh h ng đ n đ c tính phun nhiên li u, đ phun s ng và qua đó s gây nh

h ng x u đ n quá trình cháy c a nhiên li u trong bu ng đ t c a đ ng c diesel

Nh v y, đ có th s d ng m t cách hi u qu nhiên li u h n h p làm nhiên li u thay th cho đ ng c diesel th y, nh t thi t ph i hi u bi t đ c t ng t n nh ng nh

h ng c a nhiên li u h n h p đ n đ c tính phun nhiên li u, m c đ phun s ng, kh

n ng hòa tr n gi a nhiên li u h n h p v i không khí s ch trong bu ng đ t c a đ ng c diesel th y đang đ c khai thác Ti p theo, trên c s các d li u k thu t thu đ c trong quá trình nghiên c u, có th hi u ch nh m t cách thích h p đ i v i h th ng nhiên li u đ sao cho khi đ ng c diesel chuy n sang s d ng nhiên li u thay th (nhiên li u h n h p d u th c v t - diesel) đ t đ c hai m c tiêu: đáp ng tiêu chu n môi tr ng và tính kinh t (su t tiêu th nhiên li u)

D a vào lý thuy t đ ng c diesel thì các y u t chính nh h ng đ n các ch tiêu công tác bao g m: lo i nhiên li u (1); h th ng phun nhiên li u vào bu ng đ t (2); lo i

bu ng cháy (3); h th ng trao đ i khí (4) N u gi nguyên y u t k t c u (3, 4) c a

đ ng c , đ khai thác đ ng c diesel tàu th y đ t các ch tiêu công tác thì có th tác

đ ng vào y u t (1, 2) Vi t Nam hi n t i, theo h ng (1) đã có m t s công trình [13, 15, 20] nghiên c u gi i pháp công ngh s d ng d u th c v t cho đ ng c diesel Các nghiên c u này m i d ng l i vi c xác đ nh t l % d u th c v t và tính kh thi

c a nhiên li u h n h p d u th c v t - diesel làm nhiên li u thay th cho d u diesel; còn theo h ng (2), có công trình [16] nghiên c u nh h ng c a thông s phun h n h p nhiên li u d u diesel – d u d a đ n các ch tiêu kinh t và môi tr ng c a đ ng c diesel cao t c

Trong khi đó đ ng c diesel chính tàu th y th ng là lo i th p-trung t c, s d ng

lo i nhiên li u ch t l ng th p có kh i l ng riêng, nhi t đ đ ng đ c, đ nh t cao và

có nhi u thành ph n t p ch t h n d u DO là d u n ng HFO và có các đ c tính công tác khác so v i đ ng c diesel cao t c trong công trình nghiên c u trên Do đó khi tác đ ng theo h ng (1) đ xác đ nh t l % d u th c v t theo th tích trong h n h p v i nhiên

li u diesel và theo h ng (2) tác đ ng đ n h th ng phun nhiên li u đ ng c diesel tàu

4

th y có th đi u ch nh góc phun s m (GPS) và áp su t phun, c 3 thông s trên đ u nh

h ng đ n ch t l ng phun, đó là s hình thành c u trúc tia phun (g m có các y u t :

đ phân rã s c p, chi u dài tia phun và góc nón phun) làm nh h ng đ n quá trình hòa tr n – cháy trong bu ng đ t đ ng c , thay đ i các ch tiêu công tác c a đ ng c

Hi n t i, các nghiên c u phân tích nh h ng c a thông s phun nhiên li u đ n

c u trúc tia phun, s hình thành h n h p, cháy và phát th i c a đ ng c diesel tàu th y khi s d ng h n h p nhiên li u d u th c v t - diesel, trong đó có h n h p d u c - diesel nh m nâng cao các ch tiêu kinh t và môi tr ng m t cách h th ng v n còn

và môi tr ng

V lý thuy t nghiên c u quy lu t thay đ i c a đ c tính v mô (chi u dài phân rã

s c p, chi u dài tia phun và góc nón phun tia phun), đ c tính vi mô (đ ng kính trung bình h t nhiên li u phun s ng) và các thông s phun khi s d ng nhiên li u h n h p

so v i khi s d ng d u diesel

V th c nghi m nghiên c u xác đ nh các thông s phun (GPS, áp su t phun) theo

bu ng đ t b ng ph n m m chuyên nghi p Ansys Fluent ph c v mô ph ng (CFD) giúp làm sáng t thêm v s nh h ng c a nhiên li u h n h p đ n quá trình cháy trong

bu ng đ t c a đ ng c có s n ây là c s khoa h c quan tr ng đ giúp ch n đ c

lo i nhiên li u thay th hi u qu cho đ ng c diesel tàu th y Bên c nh đó, vi c ng

d ng ph ng pháp qui ho ch th c nghi m đ hi u ch nh t i u h th ng nhiên li u c a

đ ng c có s n khi chuy n sang s d ng nhiên li u h n h p d u th c v t - diesel đ t

đ c cùng m t lúc hai m c tiêu: môi tr ng và tính kinh t là m t sáng t o quan tr ng

c a n i dung lu n án

Ý ngh a th c ti n:

- Các k t qu nghiên c u c a lu n án là c s khoa h c góp ph n vào đ nh h ng

m t cách chính xác l a ch n nhiên li u h n h p d u th c v t - diesel làm nhiên li u thay th cho đ ng c diesel th y Bên c nh đó, ph ng pháp hi u ch nh t i u h th ng nhiên li u d a trên n n t ng lý thuy t “B m t đáp ng” v i hàm t i u hai m c tiêu là

gi i pháp th c t nh m giúp các ch tàu Vi t Nam khi l a ch n s d ng nhiên li u thay

th (nhiên li u h n h p) s có kh n ng hi u ch nh đ ng c diesel do mình qu n lý đ t

đ c hi u qu cao nh t v môi tr ng và tính kinh t ; t o n n t ng quan tr ng đ xây

d ng qui trình khai thác n đ nh đ ng c diesel chính tàu th y nh m nâng cao ch tiêu kinh t và môi tr ng theo tiêu chu n IMO

6

- Mô hình mô ph ng s đã xây d ng có th s d ng làm t li u tham kh o ph c

v cho quá trình đào t o sau đ i h c ngành k thu t c khí đ ng l c

- Góp ph n th c hi n thành công tài NCKH & PTCN c p Qu c gia “Nghiên

c u s d ng nhiên li u diesel sinh h c h n h p gi a d u th c v t và d u diesel cho

đ ng c diesel tàu th y”, mã s T.04.11/NLSH - thu c án phát tri n NLSH đ n

n m 2015, t m nhìn đ n n m 2025 c a B Công th ng do PGS.TSKH ng V n Uy làm ch nhi m đ tài

CÁC I M ÓNG GÓP M I

- ã đ a ra đ c ph ng pháp tính toán các thông s phun nhiên li u và th i

đi m phun, th i đi m b c cháy, th i gian cháy tr thay đ i theo t l d u c trong h n

h p v i d u diesel;

- ã thu đ c qua th c nghi m trên đ ng c diesel chính tàu th y Hanshin 6LU32 40% và 60% t i nh ng k t qu v phun nhiên li u, đ c bi t là k t qu đo áp

su t trong xy lanh và hình nh ch p trong bu ng đ t b ng thi t b Visio Scope, nh m

so sánh và đánh giá đ tin c y c a k t qu tính toán;

- ã xây d ng đ c ph ng pháp m i hi u ch nh h th ng nhiên li u d a trên lý thuy t “B m t đáp ng” v i hàm t i u hai m c tiêu l n đ u tiên đ c áp d ng cho

đ ng c diesel th y khi s d ng nhiên li u thay th (h n h p nhiên li u d u th c v t - diesel)

K T C U C A LU N ÁN

Lu n án đ c th c hi n v i 131 trang thuy t minh và 50 trang ph l c, v i 4

ch ng bao g m nh ng n i dung chính sau:

- Ch ng 4: Nghiên c u th c nghi m;

- K t lu n và ki n ngh : trình bày nh ng k t qu và đóng góp m i c a lu n án trong l nh v c chuyên ngành và h ng c n nghiên c u ti p theo

- Các ph l c

7

CH NG 1 T NG QUAN

Nh đã bi t, HTPNL đóng vai trò vô cùng quan tr ng trong quá trình bi n

n ng l ng hóa h c t đ t cháy nhiên li u thành công n ng đ i v i đ ng c đ t trong nói chung và đ ng c diesel nói riêng Trong HTPNL truy n th ng ki u c khí, b m cao áp và vòi phun là hai thành ph n c t lõi và chúng có vai trò quy t đ nh trong quá trình c p nhiên li u vào đ ng c diesel

Phun nhiên li u vào đ ng c là quá trình t ng đ i ph c t p và luôn đ c quan tâm nghiên c u t nhi u th p k qua Trên th c t , HTPNL c a đ ng c diesel

th ng đ c thi t k t i u đ i v i m i lo i nhiên li u đã đ c l a ch n, k t b m cao áp, đ ng ng cao áp đ n vòi phun và đ c bi t là c u t o c a các l phun V y nên, mu n bi t đ c s nh h ng c a lo i nhiên li u m i đ i v i m t HTPNL đã

có s n, nh t thi t ph i tìm hi u d a trên n n t ng lý thuy t v t ng quát HTNL cho

đ ng c diesel tàu th y

V i m c đích nh v y, trong ch ng này, NCS s trình bày các v n đ c b n

c n thi t ph c v quá trình nghiên c u nh : nguyên lý c u t o, ch c n ng, nhi m v

c a h th ng c p, phun nhiên li u c a đ ng c diesel th y; c u t o c a vòi phun trong h th ng phun nhiên li u ki u c khí truy n th ng mà lu n án nghiên c u; xu

th ng d ng các gi i pháp nh m c i thi n ch tiêu kinh t và môi tr ng cho đ ng

c diesel th h c hi n nay, trong đó gi i pháp áp d ng vào HTPNL là s d ng nhiên li u h n h p d u th c v t – d u diesel đ c quan tâm nghiên c u, đ c bi t trong l nh v c đ ng c diesel c v a và l n trên tàu th y hi n nay đang r t đ c chú tr ng v y u t b o v môi tr ng; bên c nh đó là đánh giá các công trình khoa

h c trong và ngoài n c liên quan đ n n i dung nghiên c u đ tìm ra nh ng đi m

mà ch a có tác gi nào đ c p đ lu n án nghiên c u gi i quy t Trình bày rõ các c

s khoa h c l a ch n đ tài nghiên c u và các phân tích c th lý do ch n s d ng

h n h p d u th c vât - diesel có ngu n g c t d u c nguyên ch t đ nghiên c u

Cu i cùng là đ a ra các bi n pháp nghiên c u c th trong t ng ch ng c a lu n án

8

1.1 H th ng nhiên li u đ ng c diesel tàu th y

C u t o t ng th c a h th ng nhiên li u (HTNL) c a đ ng c diesel có th chia thành hai ph n là ph n c p nhiên li u và h th ng phun nhiên li u

• Ph n c p nhiên li u – ph n th p áp: g m két ch a nhiên li u, thi t b hâm,

b m th p áp, l c nhiên li u và ng th p áp Ch c n ng c a ph n này là l c s ch nhiên li u r i cung c p cho h th ng phun v i áp su t, đ nh t và nhi t đ xác đ nh

• H th ng phun nhiên li u (HTPNL) – ph n cao áp: g m b m cao áp (BCA), vòi phun (VP), ng cao áp và các b ph n đi u ch nh-hi u ch nh HTPNL th c hi n

h u nh t t c các yêu c u đ t ra đ i v i quá trình phun nhiên li u và có nh h ng quy t đ nh đ n ch t l ng quá trình hòa tr n, cháy nhiên li u trong bu ng đ t đ ng

c diesel

1.1.1 Phân lo i h th ng nhiên li u đ ng c diesel tàu th y

V i ch c n ng l c s ch nhiên li u r i phun vào bu ng đ t theo nh ng yêu c u phù h p v i đ c đi m c u t o và tính n ng c a đ ng c T đây, h th ng nhiên li u cho đ ng c diesel tàu th y đ c phân theo lo i nhiên li u nh sau:

V-1

V-2 (4) V-3

E-1

V-4

(1) V-5 -

V-6 (2)

V-7

V-8 (6) V-9

V-10 V-11

V-12 V-13 (7)

(9) (8)

9

Nguyên lý làm vi c: h th ng nhiên li u nh s d ng cho các đ ng c trung

t c và cao t c công su t nh Trong đ ng c công su t l n nó t n t i song song v i

h th ng nhiên li u n ng Nhiên li u đ c b m t két ch a lên két l ng T i két

l ng các t p ch t b n và n c đ c l ng xu ng và x ra ngoài qua các van x , sau

đó đ c b m chuy n lên két tr c nh t qua phin l c Nhiên li u đ c b m c p d u

b m t i b m cao áp và đ c đ a đ n vòi phun, phun vào xy lanh đ ng c (n u ch t

l ng d u không t t có th b trí thêm máy l c ly tâm tr c khi đ a t i két tr c

nh t) Trong m t s h th ng khác nhiên li u t két tr c nh t t i BCA nh chi u cao c a c t nhiên li u

c đi m: s d ng nhiên li u có kh i l ng riêng nh (d i 920 kg/m3), đ

nh t th p (d i 30cSt 500C), nhi t đ đông đ c th p và các t p ch t khác nh

n c, l u hu nh, c c, tro, x có t l nh H th ng nhiên li u này không c n h

th ng hâm nhiên li u c ng nh có th không c n dùng máy l c ly tâm [14]

1.1.1.2 H th ng nhiên li u n ng (HFO ho c FO)

(9) B m c p d u (10) B u hâm d u (11) ng c diesel (12) B m cao áp

(13) Vòi phun (14) V1÷20 Van ch n (15) E1÷6 Phin l c

V-6 V-8

V-9 V-10

E-1

E-2 E-3

E-4

E-5

E-6Hình 1.2 S đ h th ng nhiên li u n ng cho đ ng c diesel tàu th y (FO)

10

Nguyên lý làm vi c: nhiên li u t két ch a d i h m tàu đ c b m chuy n

d u hút qua b u l c t i két l ng FO (3) T i két l ng các t p ch t b n và n c đ c

l ng xu ng và x ra ngoài, két l ng nhiên li u có th hâm s b đ vi c l ng t t

h n Nhiên li u t két l ng qua h p van V-4 ti p t c đ n b u hâm c a máy l c nh

b m chuy n r i đ n máy l c ly tâm qua van V-6 Sau khi qua máy l c đ tách b

n c c n b n nhiên li u đ c đ a v két tr c nh t FO qua van V-7 T két tr c

nh t, nhiên li u ch y v két hoà tr n qua van 3 ng , qua phin l c r i đ c b m c p

d u đ y qua b u l c đ n b u hâm đ đ m b o đ nh t Sau đó BCA đ y theo đ ng

ng cao áp đ n VP phun vào đ ng c Nhánh ph n h th ng nhiên li u nh : g m két

tr c nh t DO l p song song v i két tr c nh t FO Tr c khi tàu man ho c đi u

đ ng t 20 - 30 phút có th chuy n vi c s d ng h th ng nhiên li u n ng sang h

th ng nhiên li u nh b ng van chuy n 3 ng V-8 có tác d ng làm nhi t đ c a nhiên

li u thay đ i t t khi chuy n t nhiên li u n ng sau nhiên li u nh và ng c l i đ tránh hi n t ng k t piston plunger c a BCA

H th ng này dùng cho các đ ng c diesel trung t c, th p t c công su t l n,

s d ng lo i nhiên li u có kh i l ng riêng cao (trên 920 kg/m3), nhi t đ đ ng đ c,

đ nh t cao (trên 30cSt 500C) và có các thành ph n t p ch t nh n c, l u hu nh,

c c, tro, x l n [14]

1.1.2 H th ng phun nhiên li u đ ng c diesel tàu th y

i v i đ ng c diesel th y, do đi u ki n v n hành không gi ng nh các

ph ng ti n v n t i trên b , đ c bi t khi tàu ma n đi u đ ng c ng nh khi sóng gió, do v y HTPNL này c ng ph i đáp ng các yêu c u t ng đ i kh t khe [14, 43]:

- HTPNL có nhi m v cung c p đ m t l ng nhiên li u theo yêu c u c a t i ngoài và trong m t kho ng th i gian nh t đ nh vào bu ng đ t c a đ ng c đúng th i

đi m, d i d ng s ng mù nh m t o đi u ki n cho nhiên li u hòa tr n t t nh t v i khí s ch đã đ c nén trong xy lanh

- Thu l i nhiên li u th a sau m i l n ho t đ ng c a các b m cao áp đ a quay

11

- L ng nhiên li u phun vào các xy lanh ph i đ ng đ u (s chênh l ch không

v t quá 5% khi đ tay ga v v trí c p nhiên li u l n nh t) N u c p không đ u thì

s gây ph n áp làm đ ng c ch y rung ho c s không ho t đ ng đ c N u phun

mu n quá, th i gian không đ đ nhiên li u cháy h t và gây lãng phí, áp l c sinh ra

s gi m làm gi m công su t đ ng c , đ ng c th i khói đen

Áp su t phun:

Áp su t nhiên li u phun vào bu ng đ t ph i đ l n đ t o s ng t t và có s c xuyên t t, t o đi u ki n hoà tr n t i u v i khí nén trong xy lanh Tuy nhiên áp su t phun c ng không yêu c u quá l n vì g p khó kh n trong ch t o b m cao áp, gi m

1.1.2.2 Vòi phun

Trong HTPNL có nhi u chi ti t quan tr ng, lu n án ch t p trung nghiên c u

đ n chi ti t chính là vòi phun c a h th ng phun nhiên li u ki u c khí truy n th ng

đ c trang b trên các tàu đang khai thác vì nó liên quan đ n m c tiêu nghiên c u

Vòi phun có nhi m v phun nhiên li u cao áp vào bu ng đ t, xé t i nhiên

li u thành s ng v i c u trúc tia nhiên li u phù h p v i ph ng pháp t ch c quá trình cháy giúp cho nhiên li u cháy hoàn toàn và th ng có các d ng sau: ki u h ;

ki u kín dùng van; ki u kín dùng kim phun u vòi phun có nhi u lo i: có nhi u l tia, 1 l tia, l hình tr , l côn Sau đây là c u t o c a vòi phun trong h th ng

12

phun nhiên li u ki u c khí truy n th ng; Hình 1.3 th hi n c u t o m t s d ng đ u vòi phun, trong đó lo i s 1 là d ng vòi phun c a đ i t ng nghiên c u - đ ng c 6LU32; Hình 1.4 th hi n m t c t d c theo đ ng tâm c a vòi phun đ c l p đ t

đ ng c 6LU32 [14]

Nguyên lý làm vi c: nhiên li u có áp su t cao t BCA đ c d n vào đ u ng

n i theo đ ng d n d u vào khoang ch a nhiên li u Khi áp l c nhiên li u tác d ng lên m t côn ch u l c phía trên c a kim phun th ng s c c ng lò xo nâng kim phun lên Nhiên li u t khoang ch a qua l phun phun vào bu ng đ t đ ng c Khi BCA

k t thúc quá trình cung c p nhiên li u, áp su t trong khoang gi m đ t ng t, lò xo

đ y kim phun đi xu ng đóng kín l phun, VP k t thúc phun Trong quá trình phun

m t s ít nhiên li u l t qua khe h gi a kim phun và đ kim phun đi lên khoang

ch a lò xo và theo ng d n d u v l i thùng ch a Áp su t phun có th đi u ch nh

b ng cách xoay vít đi u ch nh trên thân vòi phun Xoay vít đi u ch nh vào ho c ra

13

làm t ng ho c gi m s c c ng lò xo, do đó áp su t phun s t ng ho c gi m Ho c có

th đi u ch nh áp su t phun b ng cách thêm b t nh ng mi ng đ m m ng trên lò xo

Vi c n đ nh áp su t này th c hi n trên b ng th vòi phun

1.2 Xu th ng d ng gi i pháp nh m c i thi n ch tiêu kinh t và môi tr ng

c a đ ng c diesel tàu th y hi n nay

i tàu bi n Vi t Nam, v i t ng t i tr ng kho ng 8 tri u t n DWT, hàng n m tiêu th kho ng trên d i 400 tri u t n nhiên li u hóa th ch và th i ra m t kh i

l ng r t l n các khí đ c h i đã và đang phá h y nghiêm tr ng môi tr ng [7] Các nhà khoa h c đã xác đ nh đ c ph n l n các ch t gây ô nhi m tr m tr ng và nguy

hi m trong không khí nh CO, HC, NOx, SOx … đ u có m t trong khí x c a đ ng

c diesel dùng nhiên li u truy n th ng, trong đó NOx là ch t đ c bi t nghiêm tr ng gây nhi u tác h i cho s c kh e con ng i và môi tr ng [31]

Theo trên s đ mô t s hình thành h n h p và cháy nhiên li u c a đ ng c diesel (Hình 1.5), cùng v i s phát tri n c a khoa h c công ngh , đã có nhi u công trình nghiên c u nh m làm gi m l ng phát th i đ c h i t đ ng c diesel, nh ng

đ gi m phát th i đ c h i mà gi nguyên công su t đ ng c khi dùng nhi u gi i pháp luôn là v n đ khó và chi phí cao V y h ng nghiên c u th nh t là s d ng nhiên li u thân thi n v i môi tr ng và th hai là ki m soát t t các thông s c a quá trình phun nhiên li u là m t trong các gi i pháp kh thi và d th c hi n h n [59] Trên B ng 1.1 t ng h p m t s gi i pháp nh m nâng cao ch tiêu kinh t và môi tr ng cho đ ng c diesel

B ng 1.1 Gi i pháp gi m ô nhi m và nâng cao hi u su t đ ng c diesel [61]

1 Tác đ ng bên ngoài đ ng c - Tháp l c khí th i; - S d ng b l c xúc tác;

- S d ng b l c b hóng

2

Tác đ ng bên trong đ ng c - C i thi n quá trình n p c a đ ng c ;

- C i thi n quá trình phun nhiên li u;

- Thêm ph gia vào nhiên li u;

- Nhiên li u nh t ng;

- S d ng NLSH

14

T i u hóa các thông s công tác c a đ ng c diesel và gi m ô nhi m d a trên các gi i pháp đ t ra th ng b mâu thu n b i các y u t công su t, su t tiêu hao nhiên li u và hàm l ng phát th i khí đ c Nên khi đ t đ c m t tiêu chí này

th ng nh h ng x u đ n tiêu chí khác Khai thác đ ng c diesel tàu th y t i u

c n ch n ph ng án nào theo các bi n pháp c th hay ch n ph ng án t h p c a

m t s bi n pháp cho phù h p v i m c đích s d ng c th , ví d khi kh i đ ng,

Hình 1.5 S đ mô t hình thành h n h p, cháy và phát th i c a đ ng c diesel [41]

c đi m quá trình phun (qui lu t phun,

th i đi m phun, áp

su t phun)

C u trúc tia phun (đ c tính vi mô:

đ ng kính trung bình SMD và đ c tính v mô: đ xâm nh p, chi u dài tia, góc nón c a tia phun)

Cháy m t ph n hòa khí Cháy khu ch tán Khu ch tán s n ph m cháy

c tính chuy n

đ ng c a dòng khí

EGR

c tính t ng áp

B ng 1.2 Các bi n pháp t i u hóa quá trình cháy đ ng c diesel gi m NOx [50]

TT Bi n pháp x lý NOx Su t tiêu hao nhiên li u

8 Phun th c p (Secondary injection) - +

Trong Ph l c VI c a Công c qu c t MARPOL 73/78 đ a ra các qui đ nh

v h n ch phát th i khí NOx t tàu đ c áp d ng cho các đ ng c diesel có công

su t t 130kW tr lên IMO ki m soát phát th i khí NOx b ng h th ng v i 3 tiêu chu n ng v i n m tàu b t đ u đ c đóng và công su t đ ng c Trên B ng 1.3

16

Các qui đ nh này c ng có hi u l c t ngày 01 tháng 01 n m 2013 và các tiêu chu n v phát th i NOx là m t trong các m c tiêu h ng t i c a lu n án nghiên c u khi đ a ra gi i pháp hi u ch nh thích h p NO2 là ch t khí đ c nh t trong h NOx vì

v y vi c t ch c t t quá trình cháy đ gi m t c đ ph n ng t o thành và t ng t c

đ ph n ng phân gi i ch t ô nhi m này có ý ngh a quan tr ng

1.4 Nhiên li u sinh h c và xu h ng ng d ng cho đ ng c diesel tàu th y 1.4.1 Nhiên li u sinh h c dùng cho đ ng c diesel

Nhiên li u sinh h c dùng cho đ ng c diesel cho đ n th i đi m này v n là Biodiesel và d u th c v t nguyên g c SVO (Straight Vegetable Oil - SVO) Do

nh ng l i th v tính ch t thân thi n v i môi tr ng, có th gi m n ng n các ch t

đ c h i trong khí th i đ c bi t là NOx và có th tái sinh, nên NLSH đ c khuy n khích nghiên c u s d ng

Trong s các lo i d u th c v t dùng làm nhiên li u cho đ ng c thì d u c có

u đi m v đ c tính g n gi ng v i d u diesel D u c nguyên g c không c n t ng

h p thành Biodiesel mà pha tr c ti p vào d u diesel dùng làm nhiên li u thông qua

m t b t o h n h p Tuy nhiên, d u c có đ nh t khá cao so v i d u diesel, nên khi pha tr n d u c vào d u diesel c n gia nhi t đ n kho ng 40 đ C đ gi m đ

nh t h n h p v g n v i nhiên li u DO B ng 1.4 trình bày thành ph n hóa h c và các ch tiêu nhiên li u c a d u c và d u diesel

1.4.2 Nhiên li u sinh h c dùng nghiên c u trong lu n án

Lu n án s d ng nhiên li u h n h p gi a d u c nguyên ch t (Palm Oil) và

d u diesel là k t qu nghiên c u c a đ tài c p nhà n c Mã s : T.04.11/NLSH thu c “ án phát tri n NLSH đ n n m 2015, t m nhìn đ n n m 2025” do PGS.TSKH ng V n Uy ch trì có ký hi u là PO10, PO20, PO30 và lo i không pha tr n PO100 t ng ng v i t l ph n tr m th tích d u c trong h n h p là 10%, 20%, 30% và d u c nguyên ch t Ch tiêu c b n c a h n h p nhiên li u d u c - diesel theo các t l trình bày trong B ng 1.5 đã đ c pha ph gia “Nano Fuel Booster” t l 1/800 theo ch đ nh c a nhà s n xu t, đ t ng c ng s đ ng th khi pha tr n và t ng tr s Cetan cho d u c

B ng 1.5 Ch tiêu c b n c a nhiên li u h n h p d u c - d u diesel ph c v

18

Trung tâm đào t o và T v n KH&CN b o v môi tr ng th y có tr s t i đ a ch

484 L ch Tray, H i Phòng v i ph ng pháp phân tích theo “Qui chu n k thu t v

x ng, nhiên li u diesel và NLSH” (QCVN: 2015/BKH&CN) c a Vi t Nam v i các

ph ng pháp phân tích ASTM [25]

1.4.3 u, nh c đi m c a nhiên li u h n h p d u c - d u diesel khi dùng cho

đ ng c diesel tàu th y so v i h n h p biodiesel - diesel

G n đây, trên th gi i đã nghiên c u ch t o m t s thi t b chuy n đ i đ

đ ng c diesel có th ho t đ ng tr c ti p v i d u th c v t ho c pha tr n v i nhiên

li u diesel mà không c n ch bi n thành biodiesel Công ngh này g i là “s d ng

tr c ti p d u th c v t” g i t t là SVO Nghiên c u m t s m u SVO c a n c ngoài cho th y ph n l n đ u không thích h p v i đi u ki n s d ng hi n nay Vi t Nam

Ch ng h n b chuy n đ i SVO n c ngoài ch y u là cho các đ ng c m i s n

xu t g n đây, đ c bi t là đ ng c có h th ng phun CDI (Common rail diesel injection), trong khi h u h t tàu bi n n c ta có đ i c h n

Vi t Nam, đã có m t s nghiên c u đã tìm ra đ c gi i pháp t i u theo SVO [18] B chuy n đ i SVO này có th s d ng tr c ti p d u th c v t cho đ ng

c diesel c nh trên b , công su t ch đ n 100 mã l c (HP) Còn nhóm nghiên c u

c a PGS.TSKH ng V n Uy v i đ tài “Nghiên c u gi i pháp công ngh và ch

t o th nghi m h th ng thi t b chuy n đ i đ ng c diesel tàu th y c v a và nh sang s d ng h n h p d u th c v t - diesel” đã ch t o thành công h th ng thi t b

đ s d ng SVO cho đ ng c diesel tàu th y [20]

i v i đ ng c diesel tàu th y ho t đ ng trong đi u ki n đ c bi t trên bi n, di chuy n đ n nhi u c ng c a nhi u qu c gia khi s d ng nhiên li u h n h p DTV (d u c ) - d u diesel có m t s u, nh c đi m sau đây so v i vi c n u s d ng biodiesel d u c và lý do NCS ch n d u th c v t là d u c đ nghiên c u:

1 B n thân t khi phát minh ra đ ng c diesel, k s Rudolf Diesel đã ti n hành nghiên c u đ i v i c NLSH là d u th c v t và d u diesel;

2 Gi i pháp SVO có nh ng thu n l i là không c n có nhà máy x lý v i quy

mô công nghi p nh biodiesel, DTV có th s d ng tr c ti p Nhi u công trình nghiên c u trên Th gi i và Vi t Nam đã ch ng minh kh n ng có th s d ng DTV

đ làm nhiên li u cho đ ng c diesel nói chung do các đ c tính nhiên li u t ng

c u cho th y biodiesel phù h p v i đ ng c c v a, nh , đ ng c trung - cao t c và

ho t đ ng trên b , tiêu th ít ho c v a l ng nhiên li u;

4 Biodiesel d b gi m sút ch t l ng trong b o qu n, th i gian b o qu n

đ c khuy n cáo là d i m t n m v i ch đ b o qu n nghiêm ng t, nên không phù

h p v i đi u ki n c a tàu th y ho t đ ng trên bi n (DTV ch c n b o qu n trong

đi u ki n bình th ng, không nh y c m v i vi khu n t n công và có hi u su t t t nhi t đ th p);

5 ng c diesel tàu th y là đ ng c c l n, t c đ th p, có kh n ng s

d ng v i lo i nhiên li u có kh i l ng riêng, đ nh t cao nh d u n ng FO và có h

th ng hâm b ng h i đ duy trì nhi t đ , đ nh t đ m b o khi b m chuy n c ng nh khi c p đ n BCA đ t o áp su t cao t i VP đ m b o ch t l ng phun s ng i u này là r t phù h p v i ph ng pháp SVO Ngoài ra l ng nhiên li u tiêu th ph c

v tàu th y r t l n, nên DTV nguyên ch t có l i th v giá thành và s n l ng h n

r t nhi u so v i biodiesel;

6 NLSH đ c s n xu t t DTV và m đ ng v t, có kh n ng tái sinh là ti m

n ng r t l n khi làm nhiên li u thay th nhiên li u truy n th ng Trong s các lo i NLSH đ c s d ng cho đ ng c diesel thì DTV khá ph bi n và bi n pháp th ng dùng là pha tr n v i nhiên li u truy n th ng b ng khu y tr n và gia nhi t làm gi m đ

nh t và t ng tr s Cetan ây là m t h n h p c h c gi a DTV và nhiên li u diesel,

h n h p này đ ng nh t và b n v ng S d ng NLSH d i d ng h n h p DTV và d u diesel làm nhiên li u thay th cho đ ng c diesel là m t gi i pháp c n thi t và kh thi,

đã và đang đ c nghiên c u ph bi n trên th gi i M t s nghiên c u đã s d ng h n

h p d u th c v t qua ch ng c t , lo i b t p ch t (Biodiesel) v i d u DO cho k t qu tin c y, tuy nhiên giá thành cao, hi u qu kinh t không cao

20

7 Theo IMO trong Qui đ nh 14 t i Ph l c VI, MARPOL 73/78, ng ng l u

hu nh 0,5% trong d u nhiên li u hàng h i toàn c u theo quy đ nh c a IMO s có

hi u l c vào ngày 01/01/2020 là m c b t bu c các ch tàu ph i có bi n pháp áp

d ng cho đ i tàu đang ho t đ ng c a mình Nên DTV có r t ít ho c không có thành

ph n l u hu nh s có l i th l n khi nghiên c u s d ng làm m t trong nh ng lo i nhiên li u thay th cho nhiên li u có ngu n g c t d u m trên tàu bi n;

8 Do gi m thu nh p kh u d u th c v t t các n c ASEAN xu ng còn 0%

đã t o đi u ki n các doanh nghi p Vi t Nam nh p kh u d u m đ ng th c v t ch

y u t các n c ông Nam Á có ngu n cung l n là Malaysia, Indonesia và các

n c khác; trong đó d u c nguyên ch t có s n l ng l n, giá c c nh tranh so v i các lo i DTV khác nh d u g o, l c, v ng, d a, g c,…ch y u ph c v nhu c u n; Theo các nghiên c u cho th y là DTV ch t l ng t t là có ngu n g c t cây Jatropha, nh ng cây này do đi u ki n th nh ng m i ch tr ng đ c Brazil, không phù h p v i khí h u các n c khu v c ông Nam Á;

9 Vi t Nam là m t n c nông nghi p nên có thu n l i v ngu n s n xu t d u

th c v t làm NLSH, trong đó t n m 2012 t p đoàn Hoàng Anh - Gia Lai đã tri n khai

tr ng cây c đ chi t su t d u c , đ n nay đã phát tri n di n tích tr ng lên đ n hàng

ch c ngàn héc ta và đi vào khai thác t n m 2015 H n n a, d u c r t ph bi n vùng ông Nam Á và đang đ c s n xu t v i s n l ng r t cao: Indonesia 40 tri u t n n m

và Malaysia 20 tri u t n/n m (2019) so v i các lo i d u khác [69] V y đây là n i ti m

n ng đ có th cung c p cho th tr ng các n c lân c n trong đó có Vi t Nam T i

Vi t Nam vi c s d ng nhiên li u h n h p d u c -d u diesel cho đ ng c diesel nói chung đang trong giai đo n th nghi m, do nhiên li u h n h p d u c – d u diesel có

m t s tính ch t hóa lý không nh nhiên li u diesel [5], nên khi s d ng cho đ ng c diesel s không đ t hi u qu cao n u gi nguyên các thông s phun nhiên li u nh khi

h th ng đ c cài đ t đ s d ng nhiên li u diesel hình thành các c s khoa h c cho vi c ng d ng r ng rãi nhiên li u h n h p này trong n c c n ti p t c nghiên c u các v n đ nh h ng c a đ c tính phun nhiên li u h n h p t i các ch tiêu công tác

c a đ ng c

10 Bên c nh đó biodiesel c ng có m t s u đi m so v i d u th c v t là ch t

l ng nhiên li u t t h n, cung c p nhi u n ng l ng h n do có nhi t tr cao h n, tr

s Cetan l n h n, hàm l ng t p ch t ít h n;

21

11 nh t DTV nhi t đ th ng cao h n so v i diesel kho ng vài ch c l n (đ nh t d u c 200C là 37 cSt l n h n d u diesel kho ng 7 l n [5]), nh ng đ ng cong ch th đ nh t r t d c, khi nhi t đ t ng thì đ nh t c a d u th c v t gi m nhanh Do đó h th ng hâm d u FO có s n s đ m b o vi c duy trì nhi t đ và đ

nh t c a DTV;

12 Theo quan đi m khai thác đ ng c diesel tàu th y thì khác nhau c b n

gi a DTV so v i nhiên li u diesel ho c biodiesel chính là đ nh t và tr s Cetan

nh h ng c a đ nh t và tr s Cetan c a d u th c v t làm cho HTPNL ho t đ ng không bình th ng, ch t l ng c a quá trình phun, hòa tr n và cháy kém h n d n

đ n các ch tiêu kinh t c a đ ng c s gi m đi [9, 12, 14] Tuy nhiên trên tàu th y khi pha loãng DTV b ng dung môi là diesel và ph gia thì m i đ t đ c s l ng

l n đ cung c p cho tàu bi n l u tr cho nh ng chuy n hành trình dài trên bi n

Do nh ng u nh c đi m trên nên lu n án quy t đ nh ch n d u th c v t (d u

c ) đ pha v i d u diesel t o thành h n h p làm nhiên li u đ nghiên c u

1.4.4 Nh ng qui đ nh t i Vi t Nam v phát tri n NLSH

Ngày 20/11/2007, Th t ng Chính ph đã ký Quy t đ nh s 177/2007/Q -TTg phê duy t “ án phát tri n NLSH đ n n m 2015, t m nhìn đ n n m 2025” [1];

Qu c h i Vi t Nam đã phê chu n Lu t s : 50/2010/QH12 v “S d ng n ng

l ng ti t ki m và hi u qu ” vào ngày 17/6/2010, trong đó Ch ng IV quy đ nh riêng cho ngành Giao thông v n t i [4];

Ngày 2/10/2012, Th t ng Chính ph đã ký Quy t đ nh s 1427/Q -TTg phê duy t “Ch ng trình m c tiêu qu c gia v s d ng n ng l ng ti t ki m và hi u

Nh ng nghiên c u th nghi m đã ch ng t r ng các đ ng c diesel có th ho t đ ng

đ c v i SVO, nh ng còn m t s v n đ phát sinh ch y u b ph n phun nhiên

li u, xéc m ng và s n đ nh c a d u bôi tr n Công ty Elsbett c a c hi n đang

s n xu t đ ng c diesel ô tô s d ng tr c ti p d u th c v t SVO [59]

Công trình nghiên c u c a Ayhan Demirbas [26] và các c ng s đã góp ph n nghiên c u s d ng NLSH làm nhiên li u thay th cho đ ng c diesel Công trình

đã nghiên c u các v n đ t ng quan v NLSH nh : các ngu n nguyên li u s n xu t NLSH (t d u th c v t và m đ ng v t); s thay đ i đ c tính c a NLSH theo ngu n nguyên li u đ u vào Tuy nhiên, công trình này m i d ng m c phân tích t ng quan, hoàn toàn là nghiên c u lý thuy t

S.Bari và c ng s (2004) [57], s d ng d u n ph th i (Waste Cooking Oil WCO) làm nhiên li u cho đ ng c diesel ch y máy phát đi n Khi thay đ i th i

-đi m phun nhiên li u WCO so v i nhiên li u DO 150 tr c CT K t qu , t ng

th i đi m phun nhiên li u WCO lên 40 so v i nhiên li u DO, các ch tiêu kinh t và môi tr ng đ c c i thi n

Nghiên c u c a tác gi Herchel Thaddeus và c ng s (2001) [40], khi kh o sát

nh h ng c a d u c nguyên g c và h n h p d u c - diesel đ n các ch tiêu công tác c a đ ng c 1 xy lanh theo đ c tính t i, nh ng không thay đ i thông s phun

K t qu cho th y, phát th i b hóng c a d u c nguyên g c và h n h p d u c - diesel có gi m so v i d u diesel nh ng su t tiêu hao nhiên li u t ng lên M c dù

đ ng c hoàn toàn có th s d ng h n h p nhiên li u d u c - diesel, nh ng nghiên

c u c a Herchel đã không ch rõ t l pha tr n nào là phù h p v i các ch tiêu công tác c a đ ng c , c ng nh nh ng gi i pháp cho vi c s d ng d u c

Tác gi Kalam M.A (2003) [48], đ i h c Malaya, Malaysia, nghiên c u khi s

d ng d u c trên đ ng c diesel ch y máy phát đi n đã ch ra r ng, d u c có thành

23

ph n ô xy cao, t l C/H th p là các y u t khi n gi m l ng hình thành b hóng Tuy nhiên, quá trình hình thành h n h p cháy kém h n so v i nhiên li u DO khi n công su t đ ng c gi m

Nghiên c u c a C Venkataramana Reddy và c ng s (2010) [32], s d ng

h n h p d u Honge (d u cây s i n ) và d u diesel t l 20% d u Honge và 80% d u diesel (H20) ch y cho đ ng c diesel K t qu cho th y, hi u su t có ích

t ng lên và phát th i b hóng gi m xu ng khi t ng áp su t phun lên 225 bar so v i

m u diesel không pha tr n 200 bar và kh n ng có th t ng t l lên H30 n u xác

đ nh đ c th i đi m phun h p lý áp su t phun 225 bar

Tác gi SiddalingappaR (2011) [61], nghiên c u s d ng h n h p d u Karanja (d u đ u-d u diesel) các t l K10, K15, K20 trên đ ng c diesel 1 xy lanh khi

ti n hành đi u ch nh th i đi m phun, k t qu t l K15 là phù h p nh t Tuy nhiên,

th i đi m phun t ng lên 5 đ m i đ t đ c hi u su t nhi t t ng đ ng v i nhiên

li u DO

Purushothamana K và c ng s (2009) [54], nghiên c u quá trình cháy và phát

th i khí x c a đ ng c diesel khi s d ng h n h p nhiên li u d u diesel pha l n tinh d u cam (Orange Skin Powder-OSP) các áp su t phun: 215 bar, 235bar và

255 bar K t qu cho th y, v i 30% OSP thì áp su t trong xy lanh và hi u su t nhi t cao h n so v i nhiên li u diesel, các phát th i CO, HC và b hóng đ u gi m áp

su t phun nhiên li u 235 bar

N m 2010, các tác gi B.Rajendra Prasath, P.Tamilporai và Mohd F Shabir [28], đã nghiên c u xây d ng mô hình lý thuy t và nghiên c u th c nghi m v quá trình cháy và các ch tiêu kinh t , n ng l ng c a đ ng c diesel (công su t 55 kW

t i n= 1500 vg/ph, t s nén 16:1, phun nhiên li u tr c ti p, có t ng áp tuabin khí x ) khi s d ng PO20 đ c chi t xu t t h t cây jatropha Nghiên c u đã đ a ra đ c các k t qu mô ph ng và th c nghi m v di n bi n nhi t đ và áp su t trong xy lanh Tuy nhiên, nhóm tác gi ch a đánh giá đ y đ đ c nh h ng c a s thay

đ i các đ c tính c a PO20 đ n quá trình hình thành và phát tri n tia phun c a nhiên

li u h n h p

S Naga Sarada và c ng s (2010) [58], nghiên c u xác đ nh áp su t phun t i u