Nghiên cứu ảnh hưởng góc cung cấp sớm của bơm cao áp đến đặc tính động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel và dầu jatropha

Luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

NGUYỄN QUỐC THƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG GÓC CUNG CẤP SỚM CỦA BƠM CAO ÁP ðẾN ðẶC TÍNH ðỘNG

CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU

DIESEL VÀ DẦU JATROPHA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ

CƠ GIỚI HÓA NÔNG – LÂM NGHIỆP

Mã số: 62.54.14

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ðẶNG TIẾN HÒA

HÀ NỘI - 2011

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng các số liệu và kết quả trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm của luận văn là hoàn toàn trung thực, chưa ñược sử dụng trong bất cứ tài tài liệu nào

Mọi sự giúp ñỡ cho việc hoàn thành luận văn ñều ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Nguyễn Quốc Thường

LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành ñược ñề tài này, tôi ñã nhận ñược rất nhiều sự giúp ñỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn ðộng lực – khoa Cơ ñiện – trường ñại học Nông nghiệp Hà Nội Nhân dịp này, cho phép tôi ñược gởi lời cảm ơn, lời chúc sức khỏe chân thành nhất ñến các thầy cô

Tôi xin cảm ơn thầy giáo PGS.TS ðặng Tiến Hòa, người ñã trực tiếp

hướng dẫn, giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu viết luận văn cũng như trong quá trình thực hiện thí nghiệm cho ñến khi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Hàn Trung Dũng ñã tận

tình giúp ñỡ tôi trong quá trình thí nghiệm

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể khoa Cơ khí trường Cao ñẳng kinh

tế - kỹ thuật Vĩnh Phúc cùng ban Giám hiệu nhà trường ñã tạo mọi ñiều kiện

ñể tôi hoàn thành khóa học này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất ñến bạn bè, người thân và gia ñình ñã luôn ñộng viên, giúp ñỡ tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành ñề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

Nguyễn Quốc Thường

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 4

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 59

3.4.3 Bộ ño chi phí nhiên liệu 68

3.6.2 Xây dựng chương trình thu thập và xử lý số liệu thí nghiệm 71

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel (TCVN 5689:2005) 5

Bảng 1-5 So sánh một số tính chất của nhiên liệu diesel và dầu Jatropha 17

Bảng 3-1 Giá trị Nemax, Memax, gemin và số vòng quay tương ứng của

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2-6 Cơ chế trung gian của sự tạo thành muội than từ các phân tử

Hình 2-7 Cơ chế tạo thành hạt muội than từ aromatics và aliphatics 41

Hình 2-9 Các dạng buồng ñốt ñược sử dụng với nhiên liệu thay thế là dầu

Hình 3-6 Vị trí lắp cảm biến áp suất thủy lực 68

Hình 3-21 Quan hệ giữa θs và (gemin) khi hỗn hợp là Do, J20, J40, J80 và J100 82

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1) CÁC KÝ HIỆU

Ký

Do Nhiên liệu diesel -

GT Chi phí nhiên liệu giờ ……… l/h (g/h)

gd Suất tiêu thụ dầu nhờn g/ml.h (g/kW.h)

ge Chi phí nhiên liệu riêng ……… g/kW.h (g/ml.h) J20 Hỗn hợp nhiên liệu 20%Jatropha và 80%diesel -

J40 Hỗn hợp nhiên liệu 40%Jatropha và 60%diesel -

J60 Hỗn hợp nhiên liệu 60%Jatropha và 40%diesel -

J80 Hỗn hợp nhiên liệu 80%Jatropha và 20%diesel -

pc Áp suất môi chất trong xilanh tại thời ñiểm phun Pa

pf Khối lượng riêng của nhiên liệu tại thời ñiểm

pφ Áp suất nâng kim phun MPa

Qf Suất tiêu hao nhiên liệu thể tích qua vòi phun … m3/s

Qb Lượng cấp nhiên liệu thể tích của bơm ………… m3/s

v Thể tích công tác của bơm ……… ml/v

ωf Tốc ñộ chảy nhiên liệu qua lỗ phun ……… m/s

ðCD ðiểm chết dưới

NLSH Nhiên liệu sinh học

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

MỞ ðẦU

Ngày nay, nền kinh tế nước ta ñã ñạt ñược những thành tựu vô cùng to lớn, cùng với sự phát triển ñó ñời sống người dân ngày càng ñược nâng cao, nhu cầu sử dụng ñộng cơ ñốt trong vào cuộc sống sinh hoạt hàng ngày ñang ngày càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn năng lượng ñiện ñang thiếu hụt nghiêm trọng, phương tiện giao thông cá nhân cũng tăng chóng mặt, nhất là ôtô và xe máy ði cùng với nó là nhu cầu sử dụng nhiên liệu lỏng (xăng, diesel) ngày càng tăng, trong khi ñó những nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, các cuộc chiến tranh ở những nước có trữ lượng dầu lớn nhất trên thế giới như vùng Vịnh và mới ñây là LiBi ñã gây nên những biến ñộng và khủng hoảng về nhiên liệu làm cho giá xăng dầu tăng vọt, làm cho những nước không chủ ñộng ñược về nhiên liệu phải có những quyết sách mới Việc hợp tác nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo thay thế dần cho năng lượng truyền thống ñang là một giải pháp cấp bách, nó có ý nghĩa hết sức quan trọng ñối với vấn ñề an ninh năng lượng quốc gia không những ở nước ta mà còn trên toàn thế giới

Nguy cơ khủng hoảng năng lượng sẽ ñẩy giá dầu lên rất cao, trong khi

ñó tiềm năng ñể phát triển nhiên liện sinh học (NLSH) ở nước ta hiện nay là rất lớn với nhiều loại cây trồng có thể làm nguyên liệu như mía, sắn, cây cọc rào, dầu ve Ngoài ra, còn một lượng khá lớn phụ phẩm có thể sản xuất nhiên liệu thay thế xăng dầu như hạt cao su, mỡ cá, dầu mỡ ñã qua sử dụng Trong số này, cây cọc rào (Jatropha) có nguồn gốc từ Nam Mỹ ñã ñược di thực vào Việt Nam khá lâu, hàm lượng dầu sinh học cao, thích ứng với nhiều vùng sinh thái ở Việt Nam Dầu ép từ hạt Jatropha có ưu ñiểm tính chất hoá -

lý rất thích hợp ñể làm nhiên liệu dùng cho các loại ñộng cơ

Nhiên liệu sinh học có nhiều ưu ñiểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống vì chúng có tính chất thân thiện với môi trường, sinh ra ít hàm

lượng khắ gây hiệu ứng nhà kắnh và ắt gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống Riêng ở nước ta hiện nay, tình trạng ô nhiễm môi trường do khói bụi của ựộng cơ, nhất là ở các ựô thị ựang ngày càng gia tăng nên việc sử dụng NLSH vào sử dụng dần thay thế nhiên liệu truyền thống ựang ựược xem là giải pháp cấp bách ựể hạn chế tình trạng ô nhiễm

Theo thống kê, hiện nay nước ta ựã có nhiều dự án sản xuất NLSH từ sắn, rỉ ựường, vắ dụ như nhà máy sản xuất ethanol có công suất 120 triệu lắt/năm của Công ty cổ phần Đồng Xanh, hay một số nhà máy khác ựang trong giai ựoạn thi công như nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu Dung Quất

có công suất thiết kế 100 triệu lắt/năm, nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu Bình Phước công suất 100 triệu lắt/năm

Tại miền bắc, Công ty cổ phần Hóa dầu và NLSH Dầu khắ thuộc Tập ựoàn Dầu khắ Việt Nam ựã khởi công xây dựng nhà máy sản xuất nhiên liệu ethanol tại tỉnh Phú Thọ với công suất 100.000 m3/năm Bên cạnh ựó, nước ta cũng ựã có hai nhà máy sản xuất diesel sinh học từ mỡ cá tại TP Cần Thơ và tỉnh An Giang với tổng công suất 80 tấn/ngày

Nhiên liệu sinh học ựược xem là có tiềm năng rất lớn với rất nhiều mẫu

xe và ựáp ứng với ựiều kiện thân thiện môi trường mà ngành chế tạo ôtô ựang hướng tới đó là lý do tại sao các hãng chế tạo xe hơi hàng ựầu trên thế giới tiến hành mở rộng công nghệ này trong suốt những năm qua Sự tiêu chuẩn hóa và những chỉ ựạo cho sản xuất loại nhiên liệu này ở Châu Âu sẽ còn tạo ựiều kiện cho loại nhiên liệu này ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn nữa Trong ựó, dầu Jatropha ựược ựược ép từ hạt cây Jatropha ựược ựánh giá rất cao bởi nó có giá thành rẻ, chất lượng tốt tương ựương với nhiên liệu hóa thạch truyền thống Cây Jatropha sinh trưởng và phát triển ựược ở hầu hết các loại ựất hoang hóa và bạc màu điều kiện khắ hậu, ựất ựai ở nước ta phù hợp với phát triển cây Jatropha (cọc rào), với ưu ựiểm sinh trưởng nhanh, và bắt

ñầu cho ra quả sau khi trồng từ 6÷12 tháng Hàm lượng dầu của hạt dầu cọc rào khoảng 35÷40%, nên năng suất cho dầu của cây rất cao, từ 2.500÷3.000 lít dầu biodiesel/ha/năm ðây là loại cây ñược ñánh giá rất cao trong chiến lược ñảm bảo ñảm an ninh năng lượng quốc gia và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Xuất phát từ những ñặc ñiểm trên, tác giả ñã chọn ñề tài “Nghiên cứu

ảnh hưởng góc cung cấp sớm của bơm cao áp ñến ñặc tính ñộng cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel và dầu Jatropha” làm ñề tài nghiên cứu góp

phần ñẩy mạnh việc sử dụng các loại nhiên liệu sinh học cho ñộng cơ trong chiến lược bảo ñảm an ninh năng lượng quốc gia và bảo vệ môi trường

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ SỬ DỤNG ðỘNG CƠ DIESEL

Trong cơng cuộc hiện đại hĩa nơng nghiệp và phát triển nơng thơn hiện nay việc sử dụng động cơ diesel cơng suất nhỏ cĩ vai trị rất quan trọng và gĩp phần khơng nhỏ vào việc nâng cao tỷ trọng trong nền kinh tế quốc dân, đặc biệt trong các lĩnh vực sản xuất nơng lâm nghiệp, chế biến nơng sản ðể động cơ diesel cơng suất nhỏ hoạt động cĩ hiệu quả và đa dạng trong lĩnh vực nơng lâm nghiệp, ngồi việc cải tiến, thiết kế chế tạo động cơ nhằm nâng cao cơng suất, chỉ tiêu kinh tế, cần cĩ các nghiên cứu về tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới ngay trong sản xuất nơng nghiệp nhằm thay thế nhiên liệu hố thạch và giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường

Hiện nay động cơ diesel chiếm 21,75% thị trường ơtơ mới tại Việt Nam (khoảng gần 40.000 chiếc), tăng đáng kể so với năm 2001, khi tỷ lệ này là dưới 10%, nhưng phần lớn vẫn sử dụng động cơ diesel thế hệ cũ với nhược điểm tiếng ồn lớn và thành phần độc hại khí xả cao

Xu hướng sử dụng ơtơ động cơ diesel thế hệ mới được dự báo sẽ phát triển rất mạnh trong tương lai bởi nĩ tiết kiệm nhiên liệu, cĩ cơng suất lớn, vận hành êm ái và ít ơ nhiễm mơi trường Tập đồn Honda cho biết họ đã cĩ

kế hoạch trong 3 năm tới sẽ cho ra mắt loại động cơ diesel sạch đáp ứng tiêu chuẩn khí thải như động cơ xăng

1.2 NHIÊN LIỆU DIESEL

1.2.1 Khái niệm

Nhiên liệu diesel là nhiên liệu được sản xuất từ quá trình chưng cất cracking dầu mỏ, đĩ là hỗn hợp phức tạp của các nhĩm hydrocacbon khác nhau, các nhiên liệu phổ biến được chưng cất trung bình gồm các cấp 1D, 2D

và 4D [16]

6 Cặn cacbon của 10% cặn chưng

cất, % khối lượng, max

0,3 TCVN 6324:1997

ASTM D189/ ASTM D4530

7 ðiểm ñông ñặc, oC, max +6 TCVN 3753:1995, ASTM D97

8 Hàm lượng tro, % khối lượng,

13 ðộ bôi trơn, µ m, max 460 ASTM D6079

14 Ngoại quan Sạch,

trong

ASTM D4176

1.2.2.1 Hàm lượng lưu huỳnh

Lưu huỳnh (S) là một trong những thành phần quan trọng cần lưu ý trong nhiên liệu, nếu hàm lượng S vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ra quá trình ăn mịn cho các chi tiết, đặc biệt là sự cĩ mặt của H2S khi khơng cháy hết thải ra khơng khí sẽ gây ơ nhiễm mơi trường Lưu huỳnh và các sản phẩm của nĩ tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như: dạng nguyên tố, H2S, mercapthane, sulfur, disulfur, dị vịng …Tùy theo dạng tồn tại của nĩ mà cĩ thể gây ăn mịn trực tiếp hay gián tiếp

Trong nhiên liệu diesel, lưu huỳnh chủ yếu tồn tại dưới dạng sulfur, disulfur hay dị vịng khơng cĩ khả năng ăn mịn trực tiếp mà chúng chỉ gây ăn mịn khi bị cháy trong động cơ diesel để tạo ra SO2, sau đĩ nĩ cĩ thể chuyển một phần thành SO3 Phần lớn lượng khí này thốt ra cùng khí cháy, nhưng cĩ thể một phần nhỏ lọt qua xecmang xuống cacte dầu bơi trơn và khi nhiệt độ cacte này xuống thấp thì chúng kết hợp với hơi nước để tạo thành các axit tương ứng gây ăn mịn các bề mặt chi tiết khi dầu được bom trở lại các bề mặt bơi trơn Chỉ tiêu này cho phép ta theo dõi được hàm lượng lưu huỳnh cảu các sản phẩm dầu mỏ khác nhau và các phụ gia cĩ lưu huỳnh, từ đĩ cĩ thể dự đốn các tính chất sử dụng và bảo quản Hàm lượng lưu huỳnh tổng (Total Sulfur Content) cĩ thể được xác định bằng nhiều phương pháp, trong đĩ ASTM D4294 được xem là một phương pháp khá thơng dụng, dựa trên nguyên lý hấp thụ của phổ huỳnh quang tia X (Energy Dispersive X- Ray Fluorescence Spectrometry)

1.2.2.2 Chỉ số cetane

Chỉ số cetane của nhiên liệu diesel xác định chất lượng cháy của nhiên liệu Chỉ số này càng cao, thời gian chờ để bốc cháy càng ngắn Chỉ số cetane được định nghĩa theo số phần trăm thể tích cetane bình thường pha với alphamethylnapthalene tương hợp với chất lượng cháy của nhiên liệu thử

nghiệm Chỉ số cetane ảnh hưởng tới sự khởi ñộng lạnh, quá trình cháy, sưởi nóng, cặn lắng trong ñiều kiện tải nhẹ Tuy nhiên, yêu cầu bốc cháy của nhiên liệu diesel thay ñổi theo thiết kế của buồng ñốt, tốc ñộ ñộng cơ, ñiều kiện vận hành và nhiệt ñộ môi trường

Các ñộng cơ tốc ñộ cao ñòi hỏi chỉ số cetane cao nhưng thời gian chờ bốc cháy có thể làm tăng tỷ trọng khói xả trong ñiều kiện mô men xoắn cực ñại do nhiên liệu ñược phun vào buồng ñốt sẽ bốc cháy sớm Khoảng chờ bốc cháy ñược coi là thời gian khi phun nhiên liệu và bắt ñầu quá trình cháy

Bảng 1-2 Mối quan hệ giữa tốc ñộ ñộng cơ và chỉ số cetane

Khoảng chưng cất ảnh hưởng ñến nhiệt trị của nhiên liệu (tính theo ñơn

vị nhiệt Anh - Btu), tỷ trọng và ñộ nhớt của nhiên liệu Do ñó, ảnh hưởng ñến công suất, khởi ñộng, ñộ khói và mùi khí xả Khoảng chưng cất càng cao thì ảnh hưởng ñến chỉ số cetane càng lớn

1.2.2.4 Nhiệt trị và tỷ trọng

Nhiệt trị (Btu) và tỷ trọng API rất quan trọng, chúng có tác ñộng lớn ñến công suất, quá trình cháy, khởi ñộng và xả khí thải

1.2.2.5 ðộ nhớt

Là ñại lượng vật lý ñặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh ra giữa các phân tử khi chúng có chuyển ñộng trượt lên nhau ðộ nhớt có ảnh hưởng ñến khả năng thực hiện các quá trình của bơm, vận chuyển chất lỏng trong các ñường ống và khả năng thực hiện các quá trình phun ðộ nhớt thấp hơn yêu cầu sẽ làm giảm tác dụng của nhiên liệu như một chất bôi trơn, do ñó làm tăng tốc ñộ mài mòn của các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu diesel ðộ nhớt cao sẽ làm giảm lượng nhiên liệu ñưa vào hệ thống này do trở lực lưu ñộng lớn ðộ nhớt cao hoặc thấp ñều ảnh hưởng ñến kích cỡ giọt nhiên liệu ñược phun vào xilanh, làm thay ñổi thời gian bốc cháy

1.2.2.6 ðiểm chớp cháy (cốc kín)

Nhiệt ñộ chớp cháy cốc kín hay còn gọi là Flash point PMCC (Pensky – Martens Closed Cup) là nhiệt ñộ thấp nhất ở ñiều kiện áp suất không khí, mẫu nhiên liệu thử nghiệm hầu như bắt cháy khi ngọn lửa xuất hiện và tự lan truyền một cách nhanh chóng trên bề mặt của mẫu Nhiệt ñộ chớp cháy ñược xác ñịnh theo tiêu chuẩn ASTM D93 Nếu thiết bị ño nhiệt ñộ chớp cháy dùng cốc hở thì sẽ ñược gọi là ñiểm chớp cháy cốc hở Flash Point COC (Clevland Open Cup) Nhiệt ñộ chớp cháy cốc kín sẽ thấp hơn nhiệt ñộ chớp cháy cốc

hở và sự chênh lệch giữa hai nhiệt ñộ này càng lớn nếu nhiệt ñộ chớp cháy nói chung của phân ñoạn càng cao

Nhiệt ñộ chớp cháy xác ñịnh xu hướng hình thành hỗn hợp có thể cháy với không khí dưới ñiều kiện thí nghiệm, ñây là một trong những chỉ tiêu ñể ñánh giá mức ñộ dễ bắt cháy của nhiên liệu cũng như thời gian cảm ứng trong ñộng cơ diesel Nhiệt ñộ chớp cháy có ý nghĩa quan trọng ñối với quá trình vận chuyển và bảo quản nhiên liệu Nhiệt ñộ chớp cháy quá thấp rất dễ gây cháy nổ, nó cũng là dấu hiệu cho thấy nhiên liệu ñã bị lẫn với nhiên liệu khác

có ñộ bay hơi cao hơn Nhiệt ñộ chớp cháy hầu như không có ý nghĩa ñối với

chất lượng của nhiên liệu khi ñánh giá trên góc ñộ tính năng kỹ thuật của các thiết bị sử dụng nó

1.2.2.7 ðiểm chảy

Là nhiệt ñộ thấp nhất nhiên liệu có thể chảy qua bộ lọc hoặc ñược dẫn qua bơm truyền ñể ñến bơm phun nhiên liệu Dòng chảy nhiên liệu chỉ bị tác ñộng khi nhiệt ñộ môi trường thấp hơn ñiểm chảy

1.2.2.8 Tính bay hơi

Các chất lỏng có thể bay hơi ở nhiệt ñộ tương ñối thấp Sự bay hơi của nhiên liệu làm giảm công suất, hiệu suất ñộng cơ, quá trình khởi ñộng, khói xả…

1.2.2.9 Các thành phần khác

- Nước: nếu lượng nước vượt quá giá trị cho phép có thể gây ra ăn mòn

và tác ñộng ñến mọi bộ phận chuyển ñộng của hệ thống phun nhiên liệu, ñặc biệt là ñầu phun Các giọt nước sẽ không ñi qua ñầu phun nhiều lỗ, do ñó có thể làm hư hại ñầu phun Cặn nước tích tụ trong hệ thống có thể làm nghẹt các

bộ lọc, làm mòn các chi tiết của hệ thống phun [16]

- Cặn carbon: là cặn còn lại trong buồng ñốt do quá trình cháy không hiệu quả hoặc sử dụng nhiên liệu không thích hợp

- Tro: có nguồn gốc từ các chất phụ gia hoặc từ dầu thô, chúng làm mòn nhanh chóng hệ thống phun nhiên liệu như pittông, xilanh bơm cao áp, …

- Phụ gia nhiên liệu: ñược sử dụng ñể cải thiện một số ñặc tính của nhiên liệu diesel Các chất ức chế có thể ñược dùng ñể tăng khả năng cháy, giảm ôxy hóa hoặc giữ sạch cho hệ thống phun nhiên liệu, một số phụ gia ñược dùng ñể giảm ô nhiễm cho khí thải

1.3 NHIÊN LIỆU SINH HỌC

1.3.1 Khái niệm

Nhiên liệu sinh học là các dạng nhiên liệu có nguồn gốc thực vật và mỡ ñộng vật Khác với các dạng nhiên liệu hóa thạch ñược hình thành do quá trình phân hủy xác sinh vật trong hàng triệu năm Hiện nay trên thế giới phổ biến nhất là dầu diesel sinh học và ethanol Ngoài ra còn sử dụng trực tiếp dầu thô (ép từ hạt, cây ) làm nhiên liệu cho ñộng cơ ñốt trong

Diesel sinh học nói riêng hay nhiên liệu sinh học nói chung là một loại năng lượng tái tạo Về phương diện hoá học diesel sinh học là methyl este của axit béo Dầu diesel sinh học ñược chế biến từ dầu thực vật và mỡ ñộng vật ðể sản xuất diesel sinh học người ta pha khoảng 10% mêtanol vào dầu thực vật

và dùng nhiều chất xúc tác khác nhau (ñặc biệt là hiñrôxít kali, hiñrôxít natri

và các ancolat) Ở áp suất thông thường và nhiệt ñộ vào khoảng 60°C liên kết este của glyxêrin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axít béo sẽ ñược este hóa với mêtanol Chất glyxêrin hình thành phải ñược tách ra khỏi dầu diesel sinh học sau ñấy Thông qua việc chuyển ñổi este này dầu diesel sinh học có

ñộ nhớt ít hơn dầu thực vật rất nhiều và có thể ñược dùng làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel mà không cần phải cải biến ñộng cơ ñể phù hợp.Biodiesel

là một chất lỏng, có màu giữa vàng hay nâu tối phụ thuộc vào nguyên liệu ñể chế biến Methyl ester ñiển hình có ñiểm bốc cháy khoảng ~150 0C (3000 F),

tỷ trọng thấp hơn nước (d= ~0,88g/cm3), có ñộ nhớt tương tự diesel từ dầu

mỏ Nhiều nước trên thế giới dùng chữ B với ý nghĩa là biodiesel, chữ BA hay E ñể cho biết hoá hợp với ethanol Ví dụ: nhiên liệu chứa 20% biodiesel ñược ký hiệu là B20, biodiesel tinh khiết là loại B100 Biodiesel có thể sản xuất từ các loại dầu khác nhau như: dầu thực vật, mỡ ñộng vật hay từ dầu của tảo, hoặc cả dầu mỡ phế thải sau khi ñã ñược làm sạch Trên bảng 1-3 là một

số thông số cơ bản của Biodiessel

Bảng 1-3 Thông số của dầu diesel sinh học

Hiện tại trên thế giới thường sử dụng loại diessel sinh học có nguồn gốc sau:

- RME: Mêthyl este của cây cải dầu, (Brassica napus) theo DIN EN

14214 (có giá trị toàn châu Âu từ 2004)

- SME: Mêthyl este của dầu cây ñậu nành hay dầu hạt hướng dương

- PME: Mêthyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau Bên cạnh ñó còn có

mêthyl este từ mỡ nhưng chỉ có những sản phẩm hoàn toàn từ dầu thực vật (PME và ñặc biệt là RME) là ñược dùng trong các loại xe diesel hiện ñại, khi ñược các nhà sản xuất cho phép

Hiện nay trên thế giới nhiều nước ñã tiến hành nghiên cứu trồng và phát triển các loài cây nông, lâm nghiệp ñể cung cấp nguyên liệu sinh học cho chế biến năng lượng sinh học

Tại Hoa Kỳ ñã nghiên cứu về dầu diesel sinh học từ những năm 1990

Dự kiến ñến 2017 hàng năm sản xuất 132 tỷ lít nhiên liệu sinh học, giảm 20% lượng xăng Hiện nay Mỹ có 114 nhà máy ñang sản xuất ethanol sinh học, 79 nhà máy ñang xây dựng, mở rộng 11 nhà máy và 200 nhà máy ñã hoạt ñộng vào tháng 9 năm 2008 Hãng dầu mỏ lớn thứ 3 nước Mỹ là Conoco Phillips sẽ ñầu tư 22,5 triệu USD cho ñại học Iowa State University (ISU, Mỹ) trong 8 năm ñể phát triển các công nghệ sinh học mới

Braxin sản xuất 14 tỷ lít cồn (tương ñương 20 vạn thùng) từ cây mía Luật pháp nước này qui ñịnh tất cả các loại xe phải sử dụng xăng pha với 22% cồn ethanol và nước này ñã có 20% số lượng xe chỉ dùng cồn ethanol Chương trình sản xuất cồn này của họ tạo việc làm cho 1 triệu người và tiết kiệm ñược 60 tỷ USD tiền nhập dầu trong 3 thập kỷ qua Từ sau 1985 sản lượng ethanol nhiên liệu ñạt bình quân 10 triệu tấn/năm, thay thế luỹ kế 200 tấn dầu mỏ Hiện nay toàn bộ xăng chạy ô tô của Braxin ñều pha 20-25% ethanol sinh học và ñã có loại ô tô chạy hoàn toàn bằng ethanol sinh học Năm 2005 có 70% số ôtô ñã sử dụng nhiên liệu sinh học Lượng tiêu thụ ethnol sinh học ở quốc gia này ñạt 12 triệu tấn năm 2005, thay thế 45% lượng tiêu thụ xăng và chiểm 1/3 tổng lượng tiêu thụ nhiên liệu cho các loại xe, tạo công ăn việc làm cho 700.000 người Braxin có thể sản xuất ñược lượng ethanol thay thế 10% nhu cầu xăng dầu của thế giới trong vòng 20 năm tới với lượng xuất khẩu khoảng 200 tỷ lít, so với mức 3 tỷ lít hiện nay

Trong khối EU nhiên liệu sinh học là một ưu tiên trong chính sách môi trường và giao thông Theo tính toán của các nhà kinh tế sử dụng nhiên liệu sinh học trong các loại hình vận tải ở châu Âu có thể tiết kiệm ñược 120

triệu thùng dầu thô trong năm 2010 Từ ñầu năm 2004 các trạm xăng ARAL

và Sell ở ðức bắt ñầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà theo ñó từ 31/12/2005 ít nhất 2% và ñến 31/12/2010 ít nhất 5,75% các nhiên liệu dùng

ñể chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo Tại Áo một phần chỉ thị của EU ñã ñược thực hiện sớm hơn và từ 1/11/2005 chỉ có dầu diesel với 5% nguồn gốc sinh học ñược bán

EU ñặt mục tiêu ñến 2020 sản xuất 20% ñiện năng từ các nguồn năng lượng tái sinh EU qui ñịnh các nước thành viên phải sử dụng ít nhất 10% nhiên liệu sinh học từ nay ñến 2020

Indonesia ñã phải trợ cấp khoảng 7 tỷ USD cho năng lượng Nước này ñặt mục tiêu ñến năn 2015 nhiên liệu sinh học ñáp ứng 10% nhu cầu cho ngành ñiện và giao thông Hiện nay ở ñây phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng dầu diesel sinh học- một hỗn hợp dầu cọ với nhiên liệu hoá thạch - do Công ty dầu khí quốc doanh Pertamina cung cấp

Ở Trung Quốc các tỉnh Hà Nam, An Huy, Cát Lâm, Hắc Long Giang…vv ñã sản xuất ethanol từ lương thực tồn kho với sản lượng hàng năm ñạt 1,02 triệu tấn Hắc Long Giang ñã sản xuất thử ethanol ñạt khối lượng

5000 tấn/năm Nước này ñang nghiên cứu công nghệ sản xuất ethanol từ xenlulose và hiện ñã có cơ sở ñạt 600 tấn/năm Theo kế hoạch năm 2010 sản lượng nhiên liệu sinh học của Trung Quốc khoảng 6 triệu tấn ðến năm 2020

là 19 triệu tấn, trong ñó ethanol 10 triệu tấn và diesel 9 triệu tấn

Malaysia hiện có 3 nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học với công suất 276.000 tấn /năm

Thái Lan ñã xây dựng chương trình phát triển năng lượng thay thế các nguồn nhiên liệu hoá thạch

Từ năm 2001, Nhật Bản ñã dùng tế bào Rhizopus oryzae cố ñịnh ñể sản suất diesel sinh học với tỷ lệ chuyển hoá ñạt 80% Với công nghệ nêu trên tỷ

lệ chuyển hoá có thể ñạt trên 95%, cao hơn phương pháp hoá học, giá thành giảm từ 15-20%

1.3.2 Tính chất dầu Jatropha

Hiện nay nhiều nước ñã và dang sử dụng dầu cây mè (Jatropha oil) ðây

là loại cây thuộc họ Thầu dầu Euphorbiaceae, vừa dễ trồng vừa phân bố rộng ðây là loại cây bụi, có nguồn gốc ở Trung Mỹ, có thể cao tới 5m, có khả năng sống ở cả vùng nhiệt ñới và ôn ñới Hiện cây này cũng có tại nhiều nước Châu

Á (trong ñó có Việt Nam), Châu Phi Jatropha có thể sống trên ñất hoang, ñất cát, ñất mặn, cả ở kẽ các vách ñá và còn ñược trồng làm bờ rào bảo vệ cây trồng tránh không bị các ñộng vật phá hại Hạt của Jatropha curcas có tới 30% dầu là nguyên liệu quan trọng ñể sản xuất biodiesel chất lượng cao dùng cho ñộng cơ diesel tiêu chuẩn (Sperbeck, Jack 2007) Tại ðức, xe Mercedes ñã ñược vận hành bằng Jatropha diesel ñể chạy trên ñường dài (McCormick, R.L 2006) và Jatropha curcas ñược xem là “ứng cử viên” cho việc sản xuất biodiesel trong tương lai (Sperbeck, Jack., 2001) Tại Châu Á, Ấn ðộ là nước chú ý nhiều nhất ñến dầu nhiên liệu biodiesel, sau ñó là Indonesia, Phillipine Riêng Ấn ðộ, giống Jatropha curcas và Jatropha podagrica là nguồn ñể lấy dầu quan trọng Họ ñã có mục tiêu chiến lược tới năm 2012 cho hầu hết các bang

về sản xuất biodiesel ñể ñộc lập tự chủ về năng lượng nhằm giảm bớt sử dụng than ñá và dầu hoả Trong chính sách năng lượng, họ chú trọng trồng nhiều Jatrpha, ñã giải quyết công ăn việc làm cho nông dân nghèo (Centre For Jatropha Promotion - 2006)

Hình 1-1 cho ta thấy chu trình phát triển và các sản phẩm ñược chế biến

từ hạt Jatropha Từ chu trình khép kín này cho ta thấy dầu Jatropha có thể chế biến thành sản phẩm tiêu dùng (xà phòng) hoặc sử dụng cho ñộng cơ diesel

với giải pháp hợp lý Bã ép sau khi lấy dầu qua chế biến và khử ñộc tố là nguồn thức ăn cho chăn nuôi gia súc (lợn) Phế thải của chăn nuôi sử dụng cho cây Jatropha phát triển ra hoa kết quả vv

Hình 1-1 Chu trình phát triển và sử dụng cây Jatropha

Việt Nam chúng ta ñang gặp những khó khăn về nhiên liệu, giá dầu và khí ñốt tăng liên tục Trong sản xuất biodiesel, Việt Nam có nhiều thuận lợi,

vì chúng ta có nhiều loại cây có dầu Loại cây mà cả thế giới “tín nhiệm” như thầu dầu (giống Jatropha) thì Việt Nam không thiếu, bên cạnh ñó còn có các cây có dầu như: sở, trẩu, vừng, lạc, dừa, cọ [1], [9]

Dầu Jatropha có thể dùng ñể tinh chế thành biodiessel, nhưng mặt khác theo nhiều tài liệu ñã công bố thì cũng có thể sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho ñộng cơ ñốt trong

Trên hình 1-2 là mẫu dầu ép từ hạt Jatropha gọi là dầu Jatropha

Hình 1-2 Dầu Jatropha Dầu Jatropha có mầu vàng, ñược ép trực tiếp từ hạt cây Jatropha, các

tính chất ñặc trưng của dầu Jatropha ñược trình bày trong bảng 1-3 (theo kết quả phân tích của phòng thử nghiệm quốc gia dầu mỡ bôi trơn-VILAS 292 – PETROLEUM PRODUCTS ANALYSISABORATORY)

Bảng 1-4 Kết quả phân tích mẫu dầu Jatropha

Từ kết quả phân tích mẫu dầu Jatropha trên bảng 1-4 ta so sánh một số tính chất của nhiên liệu diesel và dầu Jatropha thể hiện trên bảng 1-5

Bảng 1-5 So sánh một số tính chất của nhiên liệu diesel và dầu Jatropha

1.3.2.1 Hàm lượng lưu huỳnh

Trong quá trình cháy, lưu huỳnh sẽ bị oxy hóa thành SO2, SO3 Các oxit lưu huỳnh này kết hợp với hơi nước sẽ tạo thành axit có tính ăn mòn lớn Do vậy, với hàm lượng lưu huỳnh rất thấp của dầu Jatropha (0,033%) so với nhiên liệu diesel (0,43%) là ưu ñiểm rất lớn trong việc sử dụng dầu Jatropha ñể hạn chế chất thải ñộc hại vào môi trường

1.3.2.2 Chỉ số cetane

Chỉ số cetane của dầu Jatropha trong khoảng 40÷50 của nhiên liệu diesel, như vậy chỉ số cetane của dầu Jatropha phù hợp khi sử dụng ñộng cơ diesel Tuy nhiên, ñối với nhiên liệu Jatropha, do ñặc ñiểm có khả năng tự phân hủy khi nhiệt ñộ cao của những ester mạch dài thành các mạch cacbon ngắn hơn, làm tăng khả năng cháy kiệt của nhiên liệu cho ñộng cơ diesel giúp hoàn thiện khả năng cháy của nhiên liệu Như vậy, với chỉ số cetane của dầu

Jatropha sẽ không ảnh hưởng nhiều cho việc vận hành ñộng cơ diesel, khả năng tự bốc cháy ñược ñảm bảo khi chỉ số cetane nằm trong khoảng 40÷50

1.3.2.3 ðộ nhớt

ðộ nhớt ña số các loại dầu thực vật cao hơn ñáng kể so với nhiên liệu diesel, dầu Jatropha có ñộ nhớt 34,35mm2/s trong khi ñó ñộ nhớt của nhiên liệu diesel hóa thạch nằm trong khoảng (2÷4,5)mm2/s ðộ nhớt cao gây khó khăn cho quá trình cung cấp nhiên liệu trong bình lọc và vòi phun, ñộ nhớt là một ñại lượng quyết ñịnh ñến chất lượng phun tơi của nhiên liệu do ñó ảnh hưởng ñến chất lượng quá trình cháy

Có thể giảm bớt ñộ nhớt bằng cách hâm nóng trước hoặc trộn lẫn nhiên liệu diesel khi khởi ñộng Phương pháp này dựa trên ñặc tính thay ñổi của ñộ nhớt theo nhiệt ñộ, nhiệt ñộ trong khoảng 30÷80oC sẽ làm ñộ nhớt thay ñổi nhiều, ngược lại khi nhiệt ñộ vượt trên 80oC thì ñộ nhớt thay ñổi rất ít ðộ nhớt của dầu thực vật sẽ giảm khi nhiệt ñộ tăng lên, vì vậy sấy nóng ñược coi

là một phương pháp hữu hiệu làm giảm ñộ nhớt của dầu thực vật

Khi ñộng cơ hoạt ñộng ở chế ñộ ổn ñịnh thì nhiệt ñộ của nhiên liệu ở sau bơm cao áp thay ñổi trong phạm vi từ 35÷40oC Trong khoảng nhiệt ñộ này thì ñộ nhớt của dầu thực vật thay ñổi từ 25÷35mm2/s, cao hơn 10 lần so với ñộ nhớt của nhiên liệu diesel ðể ñạt ñược ñộ nhớt của nhiên liệu diesel thì cần tăng nhiệt ñộ của dầu thực vật lên 60÷80oC

1.3.2.4 Nhiệt trị

Nhiệt trị cho biết giá trị năng lượng hàm chứa trong nhiên liệu, nhiệt trị càng cao càng có ưu ñiểm về chi phí nhiên liệu Nhiệt trị của dầu Jatropha là 9432cal/kg trong khi ñó của nhiên liệu diesel là 10478cal/kg, nhỏ hơn khoảng 10% Khối lượng riêng của dầu Jatropha là 0,918g/ml, của nhiên liệu diesel là 0,82÷0,86g/ml, cao hơn khoảng 10% Như vậy nhiệt trị tính theo thể tích là

tương ñương, nếu không thay ñổi gì trong hệ thống cung cấp nhiện liệu thì có thể nhận ñược công suất ñộng cơ theo chi phí nhiên liệu thể tích là tương ñương

Như vậy, dựa vào kết quả phân tích, so sánh một số tính chất của dầu Jatropha và nhiên liệu diesel chúng ta có nhận xét sau:

- Dầu Jatropha có nhiều ưu ñiểm ñối với môi trường so với nhiên liệu diesel, phát sinh khí thải ít hơn rất nhiều so với nhiên liệu hóa thạch, bụi trong khí thải ñược giảm một nửa, các hợp chất hydrocacbon ñược giảm thiểu ñến 40% Dầu Jatropha gần như không chứa ñựng lưu huỳnh, không ñộc và có thể dễ dàng phân hủy bằng sinh học, ñây là một loại nhiên liệu mới thân thiện với môi trường

- Dầu Jatropha có tính chất rất gần như nhiên liệu diesel và vì vậy có thể làm nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu ñộng cơ diesel

1.3.2.5 Nhiệt ñộ chớp cháy (cốc kín)

Nhiệt ñộ chớp cháy của dầu Jatropha là 101oC khá cao so với nhiên liệu diesel (65oC), với nhiệt ñộ chớp cháy cao dầu Jatropha an toàn hơn trong bảo quản và vận chuyển

1.4 QUI TRÌNH ÉP DẦU JATROPHA

Quá trình ép dầu từ hạt Jatropha ñược thực hiện trên máy ép dầu kiểu trục vít KK40-2Standar của CHLB ðức (hình 1-3)

Hình 1-3 Máy ép dầu kiểu trục vít KK40-2Standar

Máy sử dụng ñộng cơ 3pha V451/8/32,4KW; 720/1480 v/ph Máy ép

có 2 trục vít, năng suất ép 40kg/h Máy chuyên dùng ñể ép các loại hạt có dầu với kích thước nhỏ (hạt cải, vừng, ñậu vv) Lần ñầu tiên thực hiện ñể ép hạt Jatropha tại Huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ

Qui trình ép dầu Jatropha trên máy ép KK40 Standar như sau:

1- Chuẩn bị hạt

Làm sạch, phân loại và kiểm tra ñộ ẩm của hạt

2- Chuẩn bị máy ép KK 40 Standar

- Kiểm tra bộ phận cấp liệu

- Lắp trục vít, sàng, ñầu ñùn bã

- Lắp bộ phận ra nhiệt (cho hoạt ñộng trước khi cấp liệu 15 phút)

- Lựa chọn tốc ñộ ñộng cơ ñiện

3- Tiến hành ép

- Cho ñộng cơ hoạt ñộng ở số truyền 1 (720 v/p)

- ðiều chỉnh van cấp liệu cho máy: mở 1/3 hành trình van cho hạt xuống khoang ép từ từ và quan sát phần dầu chảy ra từ sàng: chảy ra ở giữa sàng là lượng cấp ñảm bảo, còn nếu không có dầu hoặc chảy ra phần cuối sàng chứng tỏ lượng hạt vào chưa ñúng cần tăng ñộ mở van lên một chút sau

ñó cố ñịnh van cấp liệu

- Quan sát sự thoát của bã dầu: Nếu bã dầu khô, mầu vàng óng, dạng phoi thì chất lượng dầu ñảm bảo Nếu bã không tạo dạng phoi hoặc gẫy vụn cần phải thay ñổi tiết diện lỗ ñùn (thay ống ñùn khác có tiết diện nhỏ hơn) Nếu bã dầu có mầu ñen và có mùi khét chứng tỏ bộ gia nhiệt có nhiệt ñộ quá cao, lúc này loại bỏ bộ gia nhiệt khoảng 5 phút sau ñó lại cấp ñiện bình thường

- Khi thấy máy hoạt ñộng bình thường, dầu ép ra ñều từ vùng giữa sàng, bã dầu thoát qua ống ñùn ñều ñặn thì giữ nguyên cho máy hoạt ñộng lâu dài (sử dụng ñầu ñùn có tiết diện 9÷12mm; tùy theo loại giống hạt Jatropha) Chú ý kiểm tra lượng hạt trong phễu cấp liệu khi hạt còn 1/4 phễu phải ñổ bổ sung ngay

4- Thu gom dầu, lọc dầu và bảo quản

- Chuẩn bị các xô ñựng dầu nối với nhau theo nguyên lý bình thông nhau Dầu chảy ñầy thùng 1 qua lỗ sang thùng 2, thùng 3 và ñã ñược lọc sạch một phần tạp chất

- Cho dầu vào thùng có thể tích lớn hơn và ñợi cho lắng, lấy phần dầu sạch bên trên, ñóng chai bảo quản

5- Kết thúc quá trình ép

- Khi phễu hết hạt, ñóng van cấp liệu lại

- ðể máy hoạt ñộng bình thường khoảng 6÷8 phút, quan sát khi nào thấy bã dầu thoát ra bị gãy thành ñoạn ngắn (không còn dạng phoi) thì cắt ñiện bộ gia nhiệt, tăng tốc ñộ ñộng cơ lên số 2 (1480v/p) cho ñến khi hết bã thì tắt máy

- ðợi sau 5 phút tháo các chi tiết máy làm sạch, lau khô (ñầu ñùn, ống ñùn, sàng, trục vít)

1.5 HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESL VÀ DẦU JATROPHA

1.5.1 Khái niệm

Là hỗn hợp giữa nhiên liệu diesel và dầu Jatropha ñược pha trộn theo một tỷ lệ nhất ñịnh (từ 10 ñến 100% Jatropha) mà không có bất cứ một một chất phụ gia nào khác

1.5.2 Phương pháp pha trộn

- Pha trộn bằng phương pháp thủ công: phương pháp này chỉ áp dụng trong quá trình tạo mẫu thí nghiệm

- Pha trộn bằng máy: hỗn hợp ñược pha trộn trong các nhà máy với quy

mô lớn sau ñó ñược cung cấp ñến các ñiểm cấp nhiên liệu

Trong phạm vi của ựề tài này chúng tôi dùng phương pháp pha trộn bằng tay với tỷ lệ nhất ựịnh, lắc ựều và có gia nhiệt trong quá trình thực hiện thắ nghiệm

1.5.3 Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu cho ựộng cơ ựốt trong

Trong các nghiên cứu gần ựây của bộ môn Cơ khắ động lực khoa Cơ điện đHNN Hà Nội ựã công bố [8], có thể sử dụng trực tiếp dầu Jatropha cho các ựộng cơ diesel cỡ nhỏ phục vụ Nông Lâm nghiệp Việt Nam Vấn ựề ựặt ra

là với mức phối trộn khác nhau của dầu Jatropha trong nhiên liệu khi sử dụng

có ảnh hưởng gì ựến các thông số ựiều chỉnh (góc cung cấp sớm của bơm cao áp) của ựộng cơ hay không đó chắnh là mục ựắch và nội dung sẽ nghiên cứu của luận văn

1.6 MỤC đÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

1.6.1 Mục ựắch

Nghiên cứu sự thay ựổi góc cung cấp sớm của bơm cao áp ựến ựặc tắnh ngoài ựộng cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu giữa diesel và dầu Jatropha với các mức pha trộn khác nhau

1.6.2 Nhiệm vụ

Nghiên cứu lý thuyết về cơ sở quá trình cháy trong ựộng cơ diesel, quá trình phun nhiên liệu và hòa trộn với không khắ trong xilanh ựộng cơ Nghiên cứu về các ựặc tắnh cơ bản của ựộng cơ (ựặc tắnh ngoài, ựặc tắnh tải trọng và ựặc tắnh ựiều chỉnh) Nghiên cứu tắnh năng và sử dụng các thiết bị ựo hiện ựại

Chuẩn bị trang thiết bị thắ nghiệm, tổ chức tiến hành thắ nghiệm ựộng

cơ trên băng thử

Thắ nghiệm ựộng cơ diesel với mức hỗn hợp nhiên liệu khác nhau khi thay ựổi góc cung cấp sớm bơm cao áp

Sử lý phân tắch kết quả thắ nghiệm

1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng các cơ sở nghiên cứu lý thuyết về thành

phần tính chất nhiên liệu, lý thuyết ñộng lực học máy, chế ñộ làm việc và ñặc tính của ñộng cơ Các cơ sở lý thuyết tính toán lựa chọn các thông số xây dựng ñường ñặc tính ñộng cơ, nghiên cứu và sử dụng chương trình phần mềm hiện ñại và ña năng Dayslab 7.0

Nghiên cứu thực nghiệm: ñể ñánh giá ñược sự ảnh hưởng của góc cung

cấp sớm bơm cao áp ñến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của ñộng cơ diesel Chúng tôi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xác ñịnh các thông số làm việc của ñộng cơ như mômen xoắn trên trục, tốc ñộ quay, khả năng chịu tải Chúng tôi sử dụng phương pháp khảo nghiệm trực tiếp ñộng cơ cỡ nhỏ D15 trên băng thử ñộng cơ với sự trợ giúp của máy tính số và phần mềm ña năng Dasylab 7.0

Sự tạo thành hỗn hợp thực bắt ñầu ở thời ñiểm bắt ñầu phun nhiên liệu

và kết thúc ñồng thời với việc cháy hỗn hợp Sự phát triển và tạo thành hỗn hợp ñược xác ñịnh bởi các ñặc tính phun và phun tơi, tốc ñộ chuyển ñộng của mồi mới nạp trong buồng ñốt, tính chất của nhiên liệu và mồi mới nạp, hình dạng, kích thước và diện tích bề mặt buồng ñốt, cả hướng chuyển ñộng tương ñối của dòng tia và khí nạp Mức ñộ ảnh hưởng riêng của các thông số phụ thuộc vào dạng buồng ñốt [19]

Hòa trộn hỗn hợp trong xilanh ñộng cơ [12] là quá trình nhiễu loạn không khí với nhiên liệu ở dạng sương ñể thu ñược hỗn hợp không khí – nhiên liệu Chất lượng quá trình cháy và các thông số của quá trình công tác phụ thuộc nhiều vào chất lượng và thời gian chuẩn bị nhiên liệu Thời gian hòa trộn hỗn hợp trong ñộng cơ diesel khoảng 1,5÷60µs, hỗn hợp cần có tỷ lệ tối ưu giữa không khí và nhiên liệu và có sự ñồng nhất cao ñể ñảm bảo sự làm việc tin cậy và tính kinh tế của ñộng cơ

Sự hòa trộn hỗn hợp trong xilanh xảy ra khi nhiên liệu ñược phun vào xilanh ở cuối kỳ nén, quá trình hòa trộn và cháy ñược bắt ñầu Chất lượng và thời gian của các quá trình này do quá trình cấp nhiên liệu vào xilanh ñộng cơ quyết ñịnh

Chất lượng hòa trộn hỗn hợp trong xilanh ñộng cơ phụ thuộc vào kích thước và ñộ ñồng ñều hạt nhiên liệu sau khi phun Kích thước các hạt nhiên liệu càng nhỏ, càng ñều thì tổng diện tích sấy nóng và bốc hơi của một ñơn vị thể tích càng lớn, tốc ñộ bốc hơi càng nhanh Kích thước và ñộ ñồng ñều hạt nhiên liệu sau khi phun phụ thuộc vào loại vòi phun, áp suất phun, vỏng quay ñộng cơ, loại nhiên liệu sử dụng, kích thước xilanh và dạng buồng cháy

2.1.2 Quá trình phun nhiên liệu

2.1.2.1 ðặc tính phun

Kết cấu vòi phun ñược thể hiện trên hình 2-1

Hình 2-1 Kết cấu vòi phun

1- ñầu nối ống nhiên liệu cao áp; 2- ống hồi dầu; 3- nắp chụp; 4- vít ñiều chỉnh; 5- ñế lò xo; 6- lò xo; 7- thân; 8- thanh ñẩy; 9- ñai ốc; 10- kim phun; 11- ñế kim phun; 12- lỗ phun; 13- khoang nhiên liệu; 14- ñường dẫn nhiên liệu; 15- chốt kim phun

ðối với việc thực hiện chu trình thực ở ñộng cơ diesel, vào cuối kỳ nén (pittông ñến gần ðCT) nhiên liệu bắt ñầu ñược phun vào buồng ñốt Việc phun nhiên liệu vào buồng ñốt xảy ra từ lỗ phun của vòi phun dưới sự chênh lệch áp suất giữa các lỗ phun và buồng ñốt ñược gọi là phun dưới áp suất, áp suất phụ và tiết diện lưu thông của lỗ phun thay ñổi trong quá trình phun do ñó làm thay ñổi cả tốc ñộ dòng nhiên liệu và lưu lượng nhiên liệu trong một giây Giá trị và ñặc tính thay ñổi theo thời gian (góc quay trục khuỷu) phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống

nhiên liệu, chế ñộ làm việc của hệ thống cung cấp nhiên liệu và tính chất của nhiên liệu [19]

ðể tiến hành có hiệu quả các quá trình làm việc tiếp theo, việc phun nhiên liệu ở ñộng cơ diesel cần thỏa mãn những yêu cầu sau:

1) Việc phun nhiên liệu cần ñược thực hiện ở các pha xác ñịnh của một chu trình Bắt ñầu cung cấp, ñặc trưng của góc phun sớm và kết thúc cung cấp phụ thuộc vào thời gian phun, cần phải ñảm bảo sử dụng nhiệt của nhiên liệu nhiều nhất ðối với ñộng cơ diesel của ôtô và máy kéo khi tải trọng hoàn toàn, góc phun sớm từ 5÷30o còn thời gian cung cấp nhiên liệu từ 25÷45o góc quay trục khuỷu Cần nhớ rằng không thể luôn luôn ñảm bảo pha cung cấp tối ưu cho mọi chế ñộ làm việc có thể sử dụng của ñộng cơ diesel Trong những trường hợp này thường ñặt các pha cung cấp có lợi nhất hay tối ưu cho các chế ñộ sử dụng thường gặp nhất

2) Khi phun cần ñảm bảo chất lượng theo yêu cầu của hạt nhiên liệu và phân bố nhiên liệu trong buồng ñốt ðiều ñó tạo ñiều kiện cho nhiên liệu khi vào buồng ñốt thực hiện nhanh các quá trình vật lý và hóa học tiếp theo như hâm nóng, hóa hơi, hỗn hợp, oxy hóa …vv

3) Có sự thay ñổi xác ñịnh như mong muốn của tốc ñộ cung cấp nhiên liệu theo thời gian Sự thay ñổi này quan hệ với các chỉ tiêu ñặc trưng cho sự thay ñổi

áp suất trong xilanh ở quá trình cháy tiếp theo

4) Lượng cung cấp chu trình cần tương ứng với chế ñộ tải trọng và tốc ñộ của ñộng cơ khi ñó cần ñảm bảo tính ñồng nhất việc tiến hành quá trình cung cấp

ở tất cả các chu trình và ở tất cả các xilanh của ñộng cơ

ðể ñánh giá quá trình phun và xác ñịnh lượng nhiên liệu ra khỏi lỗ phun người ta sử dụng các ñặc tính phun vi phân và tích phân như trên hình 2.2

ðặc tính phun vi phân là sự phụ thuộc của lưu lượng (thể tích hoặc khối lượng) của nhiên liệu khi ra khỏi lỗ phun vào thời gian hay là góc quay của trục

ϕ ϕ

bơm nhiên liệu cao áp Khi phân tích chu trình làm việc của ñộng cơ diesel, ñặc tính phun vi phân ñược xây dựng phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu ñộng cơ (ñường cong 1 trên hình 2-2) Trục hoành là góc quay trục khuỷu, trục tung là lượng cung cấp trên 1o góc quay trục khuỷu

Hình 2-2 ðặc tính phun vi phân và tích phân

ðặc tính phun tích phân xác ñịnh lượng nhiên liệu ra khỏi lỗ phun từ khi bắt ñầu phun ñến thời ñiểm bất kỳ Nếu ñặt dVBn/dφ =f(φ) thì lượng nhiên liệu phun sẽ là:

Giá trị VBn là diện tích gạch chéo ñược thể hiện trên hình 2-2, ñặc tính phun tích phân ñược biểu diễn trên ñường cong 2 Lúc này trục tung biểu diễn lượng nhiên liệu ra khỏi vòi phun Trong trường hợp φ = φBK trên ñặc tính phun tích phân nhận ñược tất cả lượng nhiên liệu ñưa vào xilanh trong một lần phun, lượng nhiên liệu này ñược gọi là lượng cung cấp chu trình Trị số

Vct (m3 hoặc cm3) ñược xác ñịnh bởi các chế ñộ tải trọng và chế ñộ tốc ñộ ñộng cơ

2.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng ñến áp suất phun nhiên liệu

ðể ñạt ñược ñộ tin cậy và tính kinh tế của ñộng cơ, cần phải ñảm bảo phun vào xilanh lượng nhiên liệu nhất ñịnh với góc phun sớm phù hợp và phun sương [12] Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng ñến chất lượng phun nhiên liệu là áp suất ðối với hệ thống phun trực tiếp, trong quá trình phun áp suất phun thay ñổi trong giới hạn rộng và thay ñổi theo chế ñộ làm việc của ñộng cơ, chất lượng phun nhiên liệu cũng thay ñổi tương ứng

ðặc tính thay ñổi áp suất phun pf phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu ñược biểu thị trên hình 2-3, thời gian phun ñược xác ñịnh bởi thời ñiểm mở và ñóng kim phun (ñường hnk) ðặc tính thay ñổi áp suất phun phụ thuộc vào chế

ñộ làm việc của ñộng cơ, các thông số kết cấu của hệ thống cấp nhiên liệu và các tính chất vật lý của nhiên liệu Sự phụ thuộc này có thể xác ñịnh từ phương trình suất tiêu hao nhiên liệu thể tích và lượng cấp nhiên liệu thể tích của bơm nhiên liệu

Hình 2-3 ðặc tính phun nhiên liệu

Nếu giả thiết không có sự rò lọt nhiên liệu qua các khe hở vòi phun và

bỏ qua ñộ nhớt, ñộ nén của nhiên liệu, ñộ co giãn ñường ống cao áp thì có thể viết suất tiêu hao nhiên liệu thể tích qua vòi phun bằng lượng cấp nhiên liệu thể tích của bơm (Qf = Qb) Suất tiêu hao nhiên liệu Qf ñược biểu thị bằng phương trình liên tục:

Qf = fc.ωf ; m3/s Trong ñó: fc- tổng tiết diện lưu thông của lỗ phun, m2;

ωf- tốc ñộ chảy nhiên liệu qua lỗ phun, m/s

ðối với các lỗ hình trụ, tốc ñộ chảy nhiên liệu qua lỗ ñược tính bằng công thức:

Với: φcn- hệ số chảy nhiên liệu;

pc- áp suất môi chất trong xilanh tại thời ñiểm phun, Pa;

pf- khối lượng riêng của nhiên liệu tại thời ñiểm phun, kg/m3

2.1.2.3 Ảnh hưởng của tính chất vật lý nhiên liệu ñến chất lượng phun

Theo tính chất vật lý của nhiên liệu, ảnh hưởng lớn nhất ñến chất lượng phun là ñộ nhớt và sức căng bề mặt ðộ nhớt có khả năng ngăn ñộ rối của dòng còn sức căng bề mặt có xu hướng giữ nguyên tia và các hạt ñã ñược hình thành Vì vậy, khi tăng ñộ nhớt chất lượng phun nhiên liệu xấu

ñi, góc tán xạ giảm và chiều dài chùm tia tăng lên ðể cải thiện chất lượng phun, hòa trộn hỗn hợp và cháy, khi dùng nhiên liệu có ñộ nhớt cao phải giảm ñộ nhớt xuống bằng cách sấy nóng

Như vậy, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình tạo thành hỗn hợp ñốt của ñộng cơ diesel, trong phạm vi của ñề tài chúng tôi nghiên cứu