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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

HOÀNG ANH TUẤN

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

Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực; mã số: 62520116
Chuyên ngành: Khai thác, bảo trì tàu thủy

HẢI PHÒNG - 2015


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

Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Lương Công Nhớ
2. PGS.TS Lê Anh Tuấn
Phản biện 1:

GS.TS Phạm Minh Tuấn

Phản biện 2:

PGS.TS Hà Quang Minh

Phản biện 3:

PGS.TS Bùi Hải Triều
.

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp
trường họp tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào hồi 14 giờ 00 phút ngày
30 tháng 12 năm 2015.

Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
1


MỞ ĐẦU
Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ đốt trong, thay thế cho nhiên liệu
hóa thạch, được xem là một trong những giải pháp quan trọng nhằm giảm phát
thải ô nhiễm. Các loại nhiên liệu sinh học có thể kể tên như bioetanol,
biodiesel, biogas, dimetyl ete sinh học, bio-oil100. Trong điều kiện hiện nay ở
Việt Nam, với mục tiêu hướng tới là động cơ sử dụng các loại nhiên liệu sinh
học có giá thành sản xuất thấp, tiện lợi trong các lĩnh vực nông, lâm nghiệp và
thủy sản, đề tài “Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của dầu thực vật
nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel ” là cần thiết, có ý
nghĩa khoa học và mang tính thực tiễn.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Phát triển và hoàn thiện giải pháp cải thiện tính chất của dầu thực vật
nguyên chất (độ nhớt, sức căng bề mặt, tỷ trọng…).
- Thiết kế và chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện
năng để sấy nóng nhiên liệu, đánh giá tác động của hệ thống này đến tính năng
vận hành và phát thải của động cơ thử nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Dầu thực vật nguyên chất và động cơ diesel
D243 lắp trên máy kéo, tàu sông, tàu đánh cá.
Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu cải thiện 3 tính
chất cơ bản của nhiên liệu là độ nhớt, sức căng bề mặt và tỷ trọng thông qua
một hệ thống sấy nóng tích hợp nhiệt khí xả và điện. Hệ thống trên được thiết
kế, chế tạo, lắp đặt cho động cơ thử nghiệm, đánh giá đối chứng tính năng và
phát thải của động cơ so với trường hợp động cơ nguyên bản.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Về khoa học
- Xây dựng cơ sở lý thuyết sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên
liệu cho động cơ diesel. Xác lập công thức và xây dựng thành công đặc tính
quan hệ giữa một số tính chất vật lý của dầu thực vật nguyên chất với nhiệt độ
hâm sấy.
- Phát triển thành công một phương pháp tận dụng nhiệt khí thải có tích
hợp điện năng nhằm khắc phục yếu điểm như độ nhớt cao, tỷ trọng và sức căng
bề mặt lớn của dầu thực vật nguyên chất.
Về thực tiễn
- Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử
dụng cho động cơ diesel.
- Hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất được phát triển trong luận
án có thể tiếp tục hoàn thiện hướng tới ứng dụng cho các loại động cơ diesel
tĩnh tại hay tàu thủy cỡ nhỏ. Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật
và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất.
Phương pháp nghiên cứu
1


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

đánh giá tác động của việc chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất đến
tính năng của động cơ.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu về tình hình sử dụng dầu thực vật nguyên chất cho động cơ
diesel;
- Nghiên cứu đặc tính của dầu thực vật nguyên chất và các giải pháp cải
thiện đặc tính của nhiên liệu nhằm đáp ứng việc sử dụng trên động cơ diesel
truyền thống;
- Nghiên cứu tính toán phương án sấy nóng nhiên liệu, thiết kế và chế
tạo hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện năng để sấy nóng dầu thực
vật nguyên chất hỗ trợ cho quá trình khởi động lạnh và vận hành hiệu quả của
động cơ;
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tác động của việc cải thiện đặc tính
nhiên liệu đến các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và phát thải của động cơ;
- Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng thiết bị tận dụng nhiệt khí thải
sấy nóng dầu thực vật nguyên chất vào thực tiễn.
Kết cấu của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung nghiên
cứu, phần kết luận và kiến nghị. Toàn bộ luận án được trình bày trong 164
trang, 46 bảng và 62 hình vẽ và đồ thị.

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel
Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel có thể được chia thành 2 nhóm
chính là nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu thay thế.
1.2. Dầu thực vật nguyên chất
1.2.1. Giới thiệu chung
Dầu thực vật nguyên chất có thành phần chính là các mono-alkyl este
của các axit béo mạch dài, chưa pha trộn với các loại nhiên liệu khác để sử
dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel.

1.2.2. Tính chất của dầu thực vật nguyên chất (VO100)
Công thức phân tử của VO100 có dạng C27-57 H54-104 O6 và có khối lượng
phân tử lớn hơn nhiên liệu diesel. VO100 có chứa thành phần oxi trong phân tử,
chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm [40]. Tuy nhiên, độ nhớt, khối lượng
riêng, sức căng bề mặt của VO100 lớn hơn nhiều so với nhiên liệu diesel.
1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng dầu thực vật nguyên chất
1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng trên thế giới
Tại Châu Âu thường sử dụng dầu hướng dương, dầu bông, dầu hạt cải, dầu
đậu nành thì tại các nước Châu Á và Thái Bình Dương thường sử dụng chủ yếu là
dầu dừa, dầu cọ.
1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng tại Việt Nam
Dầu thực vật sử dụng tại Việt Nam rất phong phú bao gồm ngô, đậu

2


nành, dầu dừa hoặc các nguyên liệu khi thu hoạch những cây trồng không làm
thực phẩm như dầu jatropha.
1.4. Tổng quan về các nghiên cứu sử dụng dầu thực vật nguyên chất cho
động cơ diesel
Để sử dụng dầu thực vật nguyên chất, các nghiên cứu chủ yếu đi sâu vào
các hướng:
Cải tiến động cơ và hệ thống: Giải pháp này tác động vào kết cấu của
động cơ và hệ thống phục vụ nên thường chỉ thích hợp cho động cơ thiết kế
mới do đó rất ít được sử dụng [7].
Cải thiện tính chất nhiên liệu: Các phương pháp thường sử dụng như:
phương pháp pha loãng, nhũ tương hóa, sấy nóng, sử dụng chất phụ gia hoặc
chuyển đổi thành biodiesel [7,10].
1.5. Kết luận chương 1
Nguồn nguyên liệu sản xuất dầu thực vật rất đa dạng và phong phú và có

thể được sản xuất và sử dụng ở mọi quốc gia và vùng lãnh thổ.
Các công trình nghiên cứu đều chứng tỏ dầu thực vật khi trộn với các
loại nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ, với chất xúc tác hoặc phụ gia hay tạo
nhũ tương đều cho các kết quả khả quan mà không cần thay đổi kết cấu của
động cơ nguyên bản.
Các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp sấy nóng và phát triển
các hệ thống sấy nóng – đặc biệt là tận dụng năng lượng khí thải từ động cơ để
cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất nhằm sử dụng trực tiếp trên
động cơ diesel còn hạn chế hoặc chưa hoàn thiện cơ sở lý thuyết để chứng minh
sự cần thiết phải cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất.
Từ kiến giải trên, thấy rõ vấn đề nghiên cứu:“Nghiên cứu cải thiện một
số tính chất của dầu thực vật nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động
cơ diesel” là cần thiết.

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢI THIỆN TÍNH CHẤT VẬT LÝ
DẦU THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT SỬ DỤNG LÀM NHIÊN
LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
2.1. Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel
Quá trình hòa trộn hỗn hợp trong xi lanh gồm các giai đoạn: phun nhiên
liệu, phân rã chùm tia nhiên liệu, bay hơi của các hạt nhiên liệu, tương tác giữa
các hạt nhiên liệu, tương tác giữa nhiên liệu với thành vách xilanh [20,36].
2.1.1. Cơ chế phá vỡ chùm tia phun nhiên liệu lỏng
Khi phun nhiên liệu vào buồng cháy, hạt nhiên liệu chịu tác dụng đồng
thời của các lực: lực liên kết giữa các phân tử, lực căng mặt ngoài, lực kích
động ban và lực cản khí động học của khí nén trong buồng cháy [20,36]. Quá
trình phân rã là tiền đề tạo nên sự phá vỡ chùm tia phun nhiên liệu, nó được
chia thành hai quá trình cơ bản: quá trình phân rã sơ cấp và quá trình phân rã
thứ cấp [36,46].
2.1.1.1. Quá trình phân rã sơ cấp

3


Quá trình phân rã sơ cấp tia phun được chia bốn cơ chế: cơ chế nhiễu
loạn Rayleigh, cơ chế nhiễu loạn sơ cấp, cơ chế nhiễu loạn thứ cấp và cơ
chế tán nhỏ hạt hay phun sương.
2.1.1.2. Quá trình phân rã thứ cấp
Quá trình phân rã thứ cấp xảy ra khi sức căng bề mặt của giọt nhiên liệu
nhỏ, ảnh hưởng đến khả năng chống biến dạng của giọt nhiên liệu. Quá trình
phân rã thứ cấp của giọt nhiên liệu xảy ra chủ yếu do tác động của lực khí động
nên vận tốc tương đối của giọt nhiên liệu với môi trường khí xung quanh đóng
một vai trò quan trọng trong cơ chế phân rã thứ cấp.
2.1.2. Cấu trúc và các thông số hình học của tia phun nhiên liệu lỏng
2.1.2.1. Cấu trúc của tia phun nhiên liệu lỏng
Sự phát tiển chùm tia phun và hình dáng của chùm tia nhiên liệu phụ
thuộc vào thời gian phun, khối lượng riêng, kích thước lỗ phun và tính chất vật
lý của nhiên liệu [8,20].
  
Lct
 AL  l 
d 
d po
 po 

0, 48

  l l d po 



 l 

0,3

 l

 k





0 , 35

2.1.2.2. Các thông số hình học của tia phun nhiên liệu lỏng
Chiều dài của tia phun S: Giới thiệu các công thức của một số tác giả từ
công thức 2.15 đến 2.19
Góc nón của chùm tia phun Φ: Giới thiệu các công thức của một số tác
giả từ công thức 2.20 đến 2.23
Đường kính hạt nhiên liệu dSMD, SMD: Giới thiệu các công thức của một
số tác giả từ công thức 2.24 đến 2.26
Chiều dài phân rã Lb: Giới thiệu các công thức của một số tác giả từ
công thức 2.27 đến 2.29
2.1.2.3. Tia phun dầu thực vật nguyên chất
Nhóm tác giả [33] đã đề xuất cấu trúc tia phun dầu thực vật nguyên chất.
Chiều dài chùm tia (L1/3) tương ứng với quá trình phân rã sơ cấp, L’ là quá trình
phân rã thứ cấp, L là quá trình phun sương.

Hình 2.1. Cấu trúc chùm tia phun dầu thực vật nguyên chất
2.2. Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel

2.2.1. Tương tác của nhiên liệu với không khí
Kết quả thực nghiệm cho thấy các hạt nhiên liệu có đường kính d bị xé
nhỏ khi điều kiện kωd2/ >10,7 [8,20].
2.2.2. Tương tác của nhiên liệu với vách
Tùy thuộc vào nhiệt độ vách buồng cháy và số lượng của chất lỏng đọng

4


lại trên vách tương tác tia phun - vách có thể có cả tác động tiêu cực, tích cực.
2.2.3. Quá trình cháy
Quá trình cháy trong động cơ diesel được phân thành 4 giai đoạn: cháy
trễ, cháy hỗn hợp hòa trộn trước, cháy hỗn hợp có kiểm soát và cháy rớt. Trong
quá trình công tác thực tế từ lúc bắt đầu phun đến lúc kết thúc quá trình cháy
diễn ra các quá trình lý hóa phức tạp: bay hơi, bốc cháy và cháy nhiên liệu, kèm
với quá trình tỏa nhiệt, thay đổi nhiệt độ, áp suất và tổn thất nhiệt [8,20].
2.3. Các thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất theo nhiệt độ
2.3.1. Khối lượng riêng ρ
Khối lượng riêng tỉ lệ thuận với khối lượng phân tử và khả năng bay hơi
của nhiên liệu và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ [31]: ρ = a – bT
2.3.2. Độ nhớt động học µ
Độ nhớt tỉ lệ nghịch với nhiệt độ, một số mô hình tính toán độ nhớt theo
nhiệt độ [31,35]: Mô hình hàm mũ
 T   A.ebT
b
Mô hình tổng hợp
log   A 
T
2.3.3. Sức căng bề mặt σ
Sức căng bề mặt là lực căng trên một đơn vị chiều dài, tỉ lệ thuận với độ

nhớt, khối lượng riêng và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ [40].
Mô hình hàm bậc nhất
σ = A – B.T
P(T )
Mô hình Sudge
 1/ 4 
M
2.3.4. Nhiệt độ chớp cháy TF
Nhiệt độ chớp cháy của dầu thực vật nguyên chất có liên hệ với độ nhớt
và nhiệt độ như [37]: TF = A.µ(T)+ B
2.3.5. Đặc tính phun
Đặc tính phun của nhiên liệu được thể hiện qua các thông số hình học
của chùm tia phun, do đó phụ thuộc vào tính chất của nhiên liệu mà chủ yếu là
khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt của nhiên liệu.
2.4. Giải pháp sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên liệu cho động
cơ diesel
2.4.1. Một số phương pháp sử dụng dầu thực vật nguyên chất
Thường sử dụng các phương pháp như: pha loãng , nhũ tương hoá, gia
nhiệt. Ngoài các phương pháp trên, có thể sử dụng một số phương pháp khác
như hâm nhiên liệu bằng ống nhiệt, bằng năng lượng khí nóng hay kết hợp các
phương pháp như phối trộn và hâm sấy, hâm sấy kiểu tích hợp điện - khí xả,
điện - hơi nước, điện - nước làm mát.
2.4.2. Lựa chọn giải pháp sử dụng trực tiếp dầu thực vật nguyên chất
Từ việc phân tích các phương pháp hâm sấy nhiên liệu, loại nhiên liệu
sử dụng và đối tượng mà đề tài hướng tới thì phương pháp hâm sấy nhiên liệu
kiểu tích hợp điện - khí xả là phù hợp
2.5. Kết luận chương 2

5

Các tính chất nhiên liệu như khối lượng riêng, độ nhớt hay sức căng bề
mặt đều ảnh hưởng đến sự phân rã, các thông số hình học của chùm tia nhiên
liệu, thời gian phân rã và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ hâm sấy.
Cấu trúc chùm tia phun dầu thực vật nguyên chất tương tự như nhiên
liệu diesel. Quy luật thay đổi áp suất trong xi lanh của động cơ và tốc độ tỏa
nhiệt theo góc quay trục khuỷu khi sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống và
dầu thực vật nguyên chất tương tự nhau khi hâm nóng dầu thực vật nguyên chất
đến nhiệt độ phù hợp.
Một số thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất như sức căng bề mặt,
độ nhớt và khối lượng riêng đã được phân tích nhằm thiết lập mối liên hệ toán
học với nhiệt độ hâm sấy, làm cơ sở và định hướng để tính toán thiết kế và chế
tạo hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất bằng năng lượng điện – khí xả.

CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP TÍNH THIẾT BỊ HÂM VÀ ÁP DỤNG ĐỂ
TÍNH THIẾT BỊ HÂM DẦU DỪA NGUYÊN CHẤT DÙNG
CHO ĐỘNG CƠ D243
3.1. Xác định nhiệt độ hâm sấy hợp lý cho dầu thực vật nguyên chất
3.1.1. Xây dựng các thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất theo nhiệt độ

Hình 3.1. Mối liên hệ giữa khối lượng riêng, độ nhớt, sức căng bề mặt và và
nhiệt độ
3.1.2. Mô hình thử nghiệm đặc tính phun
Bảng 3.1. Thông số hình học của chùm tia phun nhiên liệu ở nhiệt độ môi
trường
Thông số
Kí
Thứ
Công

DO
VO100

6


hiệu nguyên
thức
Chiều dài phân rã
Lb
mm
2.29
66
69 - 71
Chiều dài chùm tia
S
mm
2.18
207
261 - 280
Tỉ lệ Lb/S
ψ
0,32
0,25 - 0,26
Góc nón chùm tia
θ
độ
2.23
21,5
10 - 12

So với nhiên liệu DO, dầu thực vật nguyên chất có: Lb lớn hơn khoảng
8%; S lớn hơn khoảng 26%, d32 (SMD) lớn hơn khoảng 4 - 8 lần; góc phun θ
của nhiên liệu DO và gấp 2 lần góc phun θ của VO100; tỉ lệ Lb/S của nhiên liệu
DO lớn hơn của VO100 khoảng 20%.
3.1.2.1. Xây dựng mô hình thử nghiệm
Hệ thống thử nghiệm đặc tính phun do tác giả chế tạo được mô tả trên
hình 4 gồm: một bộ hâm tự động bằng điện cấp nguồn cho điện trở sấy; một
thiết bị tạo áp lực và một thiết bị đo áp suất phun; vòi phun một lỗ với đường
kính lỗ phun D0 = 0,25 mm; một máy ảnh kỹ thuật số với độ phân giải 18
megapixel, tốc độ 120 hình/giây. Điều kiện tiến hành thử nghiệm với áp suất
phun P = 200 bar và áp suất môi trường P 0 = 1 bar.

Hình 3.2. Sơ đồ bố trí phun thử nghiệm
3.1.2.2. Kết quả thử nghiệm

(a)

Chiều dài chùm tia
S = 205 mm
Góc phun θ = 210

(b)

Chiều dài chùm tia
S = 268 mm
Góc phun θ = 110

Hình 3.3. Đặc tính phun của nhiên liệu DO (a) và dầu dừa nguyên chất
CO100 (b) ở nhiệt độ 400C

7


Kết quả phun thử nghiệm ở nhiệt độ 40 0C (hình 3.3) cho thấy, chiều dài
chùm tia phun S của CO100 lớn hơn khoảng 23,5% trong khi góc phun θ nhỏ
hơn khoảng 47,6% so với nhiên liệu DO.
Kết quả phun thử nghiệm khi thay đổi nhiệt độ hâm sấy nhiên liệu
CO100 được cho trong hình 3.4.

Chiều dài chùm tia
S =230 mm
Góc phun θ = 160
t = 800C

Chiều dài chùm tia
S = 220 mm
Góc phun θ = 170
t = 900C

Chiều dài chùm tia
S = 212 mm
Góc phun θ = 180
t = 1000C

Chiều dài chùm tia
S = 208 mm
Góc phun θ = 190
t = 1100C
Hình 3.4. Đặc tính phun của CO100 tại các nhiệt độ khác nhau
Bảng 3.2 và 3.3 cho thấy mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ hâm sấy đến

các thông số hình học khác của chùm tia phun và hình thức phân rã.
Bảng 3.2. Thông số hình học của chùm tia phun nhiên liệu CO100
Dầu dừa nguyên chất CO100
Kí
Thứ
Thông số
hiệu nguyên 800C 900C 1000C 1100C
Chiều dài phân rã
Lb
mm
70,2
68,2
66,8
66,2
Tỉ lệ Lb/S
ψ
0,305 0,31 0,315 0,318

8


Bảng 3.3. Hình thức và thời gian phân rã của nhiên liệu DO và CO100
Nhiên
Dầu dừa nguyên chất CO100
Kí
Thông số
liệu
hiệu
800C
900C 1000C 1100C

DO
Áp suất phun nhiên liệu,bar
P
200
Áp suất trong xilanh tại thời
Pc
40
điểm phun, bar
Vận tốc phun, m/s
Uph
160
155
156
156,8 157,5
Thời gian phân rã, µs
τpr
110
176
157
138
119
Thời gian tương tác khí
τe
764
1826
1462
1140
860
động học, µs
Hệ số Ohnesorge

Oh
0,36
0,17
0,22
0,28
0,34
Hệ số Reynolds
Re 11904 3983
6069
8996 10836
Phun
Phun
Phun
Phun
sương Nhiễu sương sương sương
Cơ chế phân rã
hoàn
loạn
một
hoàn
hoàn
toàn
phần
toàn
toàn
3.1.3. Xác định nhiệt độ hâm sấy hợp lý
Các kết quả tính toán và thử nghiệm cho thấy, khoảng nhiệt độ hâm sấy
hợp lý đối với nhiên liệu CO100 là từ 100oC – 110oC.
3.2. Phương pháp tính toán hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất
kiểu tích hợp điện – khí xả

3.2.1. Cơ sở tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả
3.2.1.1. Tính nhiệt lượng khí xả
3.2.1.2. Tính toán diện tích bề mặt trao nhiệt
3.2.1.3. Tính trở kháng thủy lực của dòng khí xả
3.2.1.4. Tính bền thiết bị dụng nhiệt khí xả
3.2.1.5. Tính thông số nhiệt cho nhiên liệu và khí xả
3.2.2. Cơ sở tính toán bộ hâm bằng điện
Phương trình cân bằng nhiệt theo thời gian
dQ1 = dQ2 + dQ3 và Pdτ = MCdt + KF ( t − t0 ) dτ
Chọn điện áp nguồn cho thiết bị: Chọn điện áp 380V/220V
Điều chỉnh công suất thiết bị: dùng phương pháp rơle
Tính công suất hữu ích của thiết bị.
Tính toán nhiệt của dây đốt và tính kích thước dây đốt tròn.
3.2.3. Cơ sở tính toán các thiết bị phụ
3.2.3.1. Tính chọn bơm
3.2.3.2. Tính toán két dầu thực vật nguyên chất
3.3. Tính toán hệ thống kiểu tích hợp điện – khí xả để hâm sấy dầu dừa
nguyên chất sử dụng trên động cơ D243
3.3.1. Sơ đồ hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện – khí xả

9


Nguyên lý hoạt động của hệ thống hâm như sau: nhiên liệu CO100 được
hâm bằng năng lượng điện đến 80oC để cho động cơ khởi động lạnh, sau khi
động cơ hoạt động, nhiên liệu CO100 được tuần hoàn bên trong thiết bị hâm
bằng năng lượng khí xả bởi một bơm tuần hoàn, ở đây nhiên liệu CO100 được
hâm đến nhiệt độ 100oC. Trước khi cấp vào động cơ, nhiên liệu CO100 được đi
qua một bầu lọc có lưới
lọc làm bằng kim loại.

Nhiệt độ cần thiết để hâm
nhiên liệu CO100 khoảng
100oC – 110oC Khi nhiệt
độ của CO100 đã đạt đến
nhiệt độ trong dải 110oC
thì van by/pass sẽ điều
chỉnh để toàn bộ lượng khí
xả đi thẳng ra ngoài mà
không đi vào bầu tận dụng
nhiệt. Độ mở của van
by/pass và bơm tuần được
Hình 3.5. Mô hình nguyên lý hệ thống hâm
điều khiển bằng bộ điều
nhiên liệu kiểu tích hợp điện - khí xả
khiển.
3.3.2. Tính toán hệ thống hâm sấy CO100 kiểu tích hợp điện - khí xả sử
dụng trên động cơ D243
3.3.2.1. Thành phần hóa học của dầu dừa nguyên chất: Dầu dừa nguyên chất
chứa nhiều loại axit béo như: Caproic, Caprylic, Capric, Lauric…
3.3.2.2. Xác định các thông số của khí xả: Nhiệt lượng Qkx = 8532W.
3.3.2.3. Tính toán, thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí xả
Bảng 3.4. Thông số cơ bản thiết bị tận dụng nhiệt khí xả
TT
Các thông số
Ký hiệu
Thứ nguyên
Kết quả
1
Đường kính ống chứa CO100
d2/d1

mm/mm
12/8
2
Diện tích bề mặt truyền nhiệt
F
m2
0,04
3.3.2.4. Tính toán két nhiên liệu và tính chọn bơm
3.3.2.5. Tính toán điện trở sấy
Bảng 3.5. Thông số cơ bản của điện trở sấy
TT
Các thông số
Ký hiệu
Thứ nguyên Kết quả
d1
mm
18
1
Điện trở sấy có công suất 1000W
l1
mm
245
d2
mm
10
2
Điện trở sấy có công suất 400W
l2
mm
155

3.3.2.6. Tính tổn hao áp suất của dòng khí xả qua thiết bị tận dụng nhiệt
Tổng trở lực ở chế độ 100% Ne nhỏ hơn trở lực cho phép.
3.3.2.7. Tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải: Thiết bị đủ bền cơ và nhiệt.
3.3.2.8. Chế tạo và lắp đặt hệ thống
3.3.2.9. Kiểm tra hệ thống

10


a, Kiểm tra độ ổn định nhiệt độ của nhiên liệu CO100 thử nghiệm
Dùng 2 nhiệt kế để kiểm tra, sai số giữa 2 nhiệt kế phải nhỏ hơn 5%.
b, Kiểm tra thời gian hâm sấy nhiên liệu
Bảng 3.6. Thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 từ nhiệt độ 800C đến 1000C
Tốc độ (vòng/phút)
Tải (%)
Kí hiệu
Thứ nguyên
Kết quả
75
τ
s
1367
1500
100
τ
s
1035
3.4. Mô phỏng hệ thống hâm nhiên liệu CO100 bằng phần mềm ANSYS
FLUENT
Giải bài toán nhiệt bằng phần mềm ANSYS FLUENT đối với dạng kết

cấu 2D hoặc 3D cần biết mô hình thực của đối tượng, các thông số vật lý của
vật liệu, các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình.
3.4.1. Các tính chất vật lý của dòng chảy
3.4.2. Các phương trình truyền nhiệt
Phương trình năng lượng và phương trình liên tục
3.4.3. Mô hình mô phỏng và điều kiện biên
Sử dụng phần mềm AutoDesk Inventor dựng mô hình 3D của thiết bị
tận dụng nhiệt khí xả làm mô hình mô phỏng. Các thông số kết cấu của thiết bị
được cho trong phụ lục 2, các thông số đầu vào cho trong phụ lục 1.
3.4.4. Chế độ mô phỏng
Năng lượng khí xả chỉ được tận dụng 10% để hâm CO100 từ 80 oC đến
100oC so với toàn bộ năng lượng khí xả của động cơ làm việc ở chế độ 75% tải,
tốc độ 1500 vòng/phút.
Bảng 3.7. Thông số nhiệt của khí xả vào thiết bị tận dụng nhiệt
Chế độ mô
Nhiệt rung
Lưu
Nhiệt
Nhiệt độ
Lượng nhiên
phỏng
riêng trung
lượng lượng tận
khí xả vào
liệu cấp cho
bình của khí khí xả
dụng từ
Tốc
một chu
Tải thiết bị tận

xả Cpkx,
Gkx,
khí xả
độ
0
dụng, C
trình gct, kg
(%)
kJ/kg.K
kg/s
Qkx, kW
(v/p)
10
231
0,0000144
1,103
0,011
0,15
75
440
0,0000578
1,154
0,045
3,06
100
547
0,0000645
1,191
0,049
3,68

10
235
0,0000147
1,103
0,015
0,23
2000
75
448
0,0000596
1,158
0,061
3,96
100
578
0,0000696
1,197
0,069
5,62
3.4.5. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt khí
xả theo đặc tính tải tại tốc độ 1500 vòng/phút và 2000 vòng/phút, năng lượng
khí xả sử dụng cho mô phỏng được lấy 100% ở 10% tải, 10% ở các chế độ 75%
và 100% tải. Kết quả được cho trong bảng 3.8, hình 3.6 và hình 3.7.
Bảng 3.8. Kết quả mô phỏng nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt
1500

11

Chế độ mô phỏng
Tốc độ (v/p) Tải (%)
10
1500
75
100
10
2000
75
100

Qkx phục vụ cho
mô phỏng, kW

Tkx ra khỏi thiết
bị,0C

TCO100 ra khỏi
thiết bị, 0C

0,15
0,306
0,368
0,23
0,396
0,562

219
371
476

221
385
498

92
103
105
95
106
108

(a)

(b)

(c)
Hình 3.6. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị
tận dụng nhiệt tại chế độ 10% (a),75% (b) và 100% tải (c), tốc độ 1500 v/p

(a)

12


(b)

(c)
Hình 3.7. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị
tận dụng nhiệt tại chế độ 10% (a),75% (b) và 100% tải (c), tốc độ 2000 v/p
3.5. Kết luận chương 3

Tính toán được các thông số về chùm tia phun của nhiên liệu DO và dầu
thực vật nguyên chất. Xây dựng được đặc tính phụ thuộc giữa một số tính chất
vật lý của dầu thực vật nguyên chất theo nhiệt độ, qua đó cho phép xác định
được khoảng nhiệt độ hâm sấy phù hợp với từng loại nhiên liệu. Đối với dầu
dừa nguyên chất, khoảng nhiệt độ phù hợp đó nằm trong khoảng 100 – 1100C.
Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống hâm sấy dầu dừa nguyên chất sử dụng
làm nhiên liệu cho động cơ diesel D243. Kết quả mô phỏng trên hệ thống sau
khi tính toán thiết kế cho thấy, sai số nhiệt độ của dầu dừa nguyên chất sau khi
hâm sấy từ 3% - 8%.

CHƯƠNG 4
THỬ NGHIỆM TRÊN ĐỘNG CƠ
4.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm
4.1.1. Mục đích thử nghiệm
Đánh giá khả năng làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu CO100.
Đánh giá khả năng tận dụng nhiệt khí thải vào mục đích hâm sấy nhiên liệu so
với việc tính toán bằng lý thuyết. Xác định nhiệt độ hâm sấy hợp lý cho
CO100. So sánh đối chứng hàm lượng phát thải, các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật
của động cơ khi sử dụng 2 loại nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100.
4.1.2. Phạm vi thử nghiệm
Thử nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ hâm sấy nhiên liệu
CO100 đến các chỉ tiêu kinh tế và phát thải của động cơ và so sánh đối chứng
với nhiên liệu DO.
4.2. Đối tượng thử nghiệm
Nhiên liệu CO100 được hâm sấy từ nhiệt độ 80 oC đến 120oC và nhiên
liệu DO được tiến hành thử nghiệm trên động cơ diesel D243.
4.3. Sơ đồ bố trí và thiết bị thử nghiệm
13

Lượng không khí thực tế cấp cho
động cơ, B (kg/kgnl)

4.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Hệ thống được bố trí trên băng thử động lực học cao ETB tại Phòng thí
nghiệm Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
4.3.2. Thiết bị thử nghiệm
4.3.2.1. Hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện - khí xả
Hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện – khí xả do tác
giả thiết kế và chế tạo gồm: Thiết bị hâm sấy bằng điện gồm: 04 điện trở sấy
loại 400W và 02 điện trở sấy loại 1000W. Thiết bị tận dụng nhiệt khí xả gồm:
01 xiphong giãn nở, thiết bị tận dụng nhiệt khí xả kiểu ống trơn. Thiết bị phục
vụ gồm: 01 bầu lọc có lưới bằng kim loại và 01 bơm tuần hoàn.
4.3.2.2. Thiết bị băng thử nghiệm động cơ: Băng thử được trang bị các thiết bị
phụ trợ được trình bày trong phụ lục 9.
4.4. Điều kiện và quy trình thử nghiệm
4.4.1. Điều kiện thử nghiệm
Nhiên liệu dùng cho động cơ kể cả khi khởi động lạnh là nhiên liệu
CO100, sử dụng trực tiếp trên động cơ D243, các thông kết cấu của động cơ và
hệ thống phục vụ được giữ nguyên bản.
4.4.2. Quy trình thử nghiệm
Ngắt hệ thống cung cấp nhiên liệu DO và nối đường cấp nhiên liệu
CO100 vào trước bơm cao áp của động cơ D243. Đo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ
thuật và phát thải của động cơ D243 với nhiên liệu CO100 tại các nhiệt độ hâm
sấy khác nhau ở các chế độ đặc tính tải và đặc tính ngoài. Mỗi điểm đo thực
hiện 03 lần và lấy kết quả trung bình.
4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
4.5.1. Lượng không khí thực tế cấp cho động cơ, B(kg/kgnl)
B_DO
B_CO100_t80

18
Lượng không khí thực tế cấp
B_CO100_t100
B_CO100_t120
cho động cơ đánh giá lượng không khí
nạp cần thiết để đốt cháy nhiên liệu
14
trong điều kiện khai thác bình thường
của động cơ, do đó ảnh hưởng đến chất
10
lượng hình thành hỗn hợp cháy và đặc
tính phát thải.Lượng không khí thực tế
6
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
cấp cho động cơ khi sử dụng
Tốc độ quay (vòng/phút)
CO100_t80,
CO100_t100
và
Hình
4.1.
Lượng
không khí thực tế
CO100_t120 giảm so với trường hợp
cấp
cho
động
cơ
ở chế độ 100% tải
sử dụng nhiên liệu DO tương ứng với

đặc tính ngoài lần lượt trong khoảng từ 16,00%-17,52%, từ 12,00%-15,33% và
từ 14,00%-16,79%;
4.5.2. Nhiệt độ khí xả, tkx (0C)
Nhiệt độ khí xả là một trong những thông số đánh giá chất lượng quá
trình cháy của động cơ. Nhiệt độ khí xả của động cơ trên đường đặc tính ngoài
ở chế độ 100% tải với nhiên liệu CO100 được cho ở bảng 4.1.
Bảng 4.1. Giá trị nhiệt độ khí xả ra khỏi động cơ và ra khỏi thiết bị tận dụng
nhiệt theo đường đặc tính ngoài khi động cơ sử dụng nhiên liệu CO100
14


Dầu dừa nguyên chất (CO100)
Nhiệt độ khí xả ra khỏi
Nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết
Đặc tính
động cơ, oC
bị tận dụng nhiệt, oC
800C
1000C
1200C
800C
1000C
1200C
1000
377
358
348 Khí xả
321
313
1200

529
510
500 không
442
439
1400
554
531
518 đi vào
468
459
100% tải
1500
568
547
533 thiết bị
484
478
tận
1600
580
557
545
490
482
dụng
1800
590
568
550

504
496
nhiệt
2000
596
578
560
510
502
Nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt tại 10% tải tại 2 tốc độ
1500 vòng/phút và 2000 vòng/phút cũng lớn hơn nhiệt độ điểm sương. Nhiệt
lượng khí xả của động cơ khi sử dụng nhiên liệu CO100_t100 cao hơn khi sử
dụng nhiên liệu CO100_t120 khoảng từ 5% đến 20%.
4.5.3. Mômen của động cơ, M e (N.m)
Me_DO
Me_CO100_t80
Xét trong dải nhiệt độ sấy nóng
Me_CO100_t100 Me_CO100_t120
300
0
0
từ 80 C đến 120 C, mức độ sấy nóng
280
cao hơn thì giá trị mômen động cơ có
xu hướng giảm.Trong toàn dải tốc độ,
260
tương ứng với nhiệt độ sấy nóng của
240
CO100 là 800C, 1000C và 1200C,
220

mômen của động cơ giảm so với
200
trường hợp sử dụng nhiên liệu DO lần
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
lượt trong khoảng từ 6,61%-11,59%,
Tốc độ quay (vòng/phút)
từ 7,14%-14,44% và từ 10,31%Hình 4.2. Đặc tính mômen của
15,14%
động cơ ở chế độ 100% tải
4.5.4. Công suất của động cơ, Ne (kW)
DO CO_t80 CO_t100 CO_t120
Trong dải nhiệt độ sấy nóng từ
60
800C đến 1200C, mức độ sấy nóng cao
55
thì giá trị công suất động cơ có xu
50
45
hướng giảm, tuy nhiên sự khác nhau
40
về công suất khi sử dụng nhiên liệu
35
30
CO100 ở dải nhiệt độ hâm sấy trên là
25
không lớn, khoảng 2,5% - 4%. Trên
20
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
toàn dải tốc độ, tương ứng với nhiên
Tốc độ quay (vòng/phút))

liệu CO100_t80, CO100_t100 và
Hình 4.3. Đặc tính công suất của
CO100_t120 , công suất của động cơ
động cơ ở chế độ 100% tải
giảm so với trường hợp sử dụng nhiên
liệu DO lần lượt trong khoảng từ 7,73%-12,02%, từ 8,87%-13,41% và từ
10,29%-15,23%.
4.5.5. Suất tiêu hao nhiên liệu, ge (g/kW.h)
Công suất, Ne (kW)

Mômen, Me (N.m)

Tốc độ
(v/p)

15


Hàm lượng phát thải NOx (ppm)

Hàm lượng phát thải CO(ppm)

Suất tiêu hao nhiên liệu,
ge (g/kW.h)

Trong khoảng nhiệt độ hâm sấy,
ge_DO
ge_CO100_t80
400
ge_CO100_t100 ge_CO100_t120

suất tiêu hao nhiên liệu CO100_t100
360
đạt giá trị nhỏ nhất và CO100_t80 là
320
lớn nhất. Suất tiêu hao nhiên liệu của
280
động cơ ge , theo đặc tính ngoài ở chế
240
độ 100% tải, khi sử dụng nhiên liệu
CO100_t80,
CO100_t100
và
200
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
CO100_t120 tăng so với trường hợp sử
Tốc độ quay(vòng/phút)
dụng nhiên liệu DO tương ứng trong
Hình
4.4.
Suất
tiêu hao nhiên liệu
khoảng từ 16,08%-26,45%, từ 14,68%của
động
cơ
ở 100% tải
24,83% và từ 15,73%-25,64%.
Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu như trên
tăng so với trường hợp sử dụng nhiên liệu DO tương ứng tại vòng quay 1500
vòng/phút lần lượt trong khoảng từ 14,29%-30,18%, từ 11,66%-26,31% và từ
12,79%-28,09%. Tại vòng quay 2000 vòng/phút tăng trong khoảng từ 13,98%27,18%, từ 10,88%-20,84% và từ 11,98%-24,01%.

4.5.6. Đặc tính phát thải
4.5.6.1. Phát thải CO
Thông số quan trọng nhất của
CO_DO
CO_CO100_t80
CO_CO100_t100 CO_CO100_t120
động cơ ảnh hưởng đến phát thải CO là
4,000
3,500
tỷ lệ tương đương giữa nhiên liệu –
3,000
không khí, những thông số khác chỉ là
2,500
2,000
những yếu tố ảnh hưởng thứ yếu. Hàm
1,500
lượng phát thải CO của động cơ khi sử
1,000
500
dụng
nhiên
liệu
CO100_t80,
0
CO100_t100 và CO100_t120 tăng so
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tốc độ quay (vòng/phút)
với trường hợp sử dụng nhiên liệu DO
tương ứng trong khoảng từ 59,92%Hình 4.5. Đặc tính phát thải CO
113,29%, từ 6,73%-53,85% và từ

ở chế độ 100% tải
27,39%-78,06%; tính trung bình, hàm
lượng phát thải CO tăng lần lượt là 77,57%; 22,02% và 40,90%.
4.5.6.2. Phát thải NOx
NOx_DO
NOx_CO100_t80
Hàm lượng phát thải NOx của
NOx_CO100_t100 NOx_CO100_t120
động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO lớn
1200
hơn so với khi sử dụng nhiên liệu
1100
1000
CO100_t80, CO100_t100,CO100_t120
900
tương ứng 21,62% - 24,47%, từ
800
7,27%-10,35% và từ 15,38%-16,90%.
700
Tương tự, hàm lượng phát thải NOx
600
giảm so với trường hợp sử dụng nhiên
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tốc độ quay (vòng/phút)
liệu DO tương ứng với đặc tính tải tại
vòng quay 1500 vòng/phút lần lượt
Hình 4.6. Đặc tính phát thải NOx
trong khoảng từ 23,51%-43,48%, từ
ở chế độ 100% tải

16


17

Lượng nhiên liệu còn lại, Gnl (kg)

Nhiệt độ nhiên liệu CO100_t100,
Tnl (oC)

Chỉ số phát thải khói (BN)

Hàm lượng phát thải HC (ppm)

8,44%-22,61%, từ 16,35%-29,27%. Còn tại vòng quay 2000 vòng/phút giảm
lần lượt khoảng từ 31,25%-53,64%, từ 8,36%-18,74% và từ 16,90%-29,84%.
4.5.6.3. Phát thải HC
HC_DO
HC_CO100_t80
Hàm lượng phát thải HC của
HC_CO100_t100 HC_CO100_t120
động cơ khi sử dụng nhiên liệu CO100
600
cao hơn khi sử dụng nhiên liệu DO ở
500
tất cả các chế độ vòng quay. Tính
400
trung bình trên toàn dải, hàm lượng
300
phát thải HC của động cơ khi sử dụng

200
nhiên liệu CO100_t80, CO100_t100 và
100
CO100_t120 tăng so với trường hợp sử
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tốc độ quay(vòng/phút)
dụng nhiên liệu DO lần lượt là
Hình 4.7. Đặc tính phát thải HC
37,28%; 10,43% và 21,71%.
ở chế độ 100% tải
4.5.6.4. Phát thải khói
Smoke_DO
Smoke_CO100_t80
Trong dải nhiệt độ hâm sấy từ
10
Smoke_CO100_t100 Smoke_CO100_t120
9
800C đến 1200C của nhiên liệu CO100,
8
chỉ số phát thải khói trong khí xả của
7
động cơ khi sử dụng CO100_t100 là
6
5
nhỏ nhất, còn CO100_t80 là lớn nhất.
4
Xét trên toàn dải tốc độ của động cơ,
3
2
chỉ số phát thải khói khi sử dụng nhiên

1
liệu CO100_t80, CO100_t100 và
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
CO100_t120 nhỏ hơn so với khi sử
Tốc độ quay (vòng/phút)
dụng nhiên liệu DO tương ứng
Hình 4.8. Đặc tính phát thải khói
23,51%-52,56%, từ 40,03%-62,01%
ở chế độ 100% tải
và từ 34,38%-57,87%;
4.5.7. Thời điểm bổ sung nhiên liệu
Lượng nhiên liệu còn lại trong
Gnl, Tnl
114
44
bầu hâm và sự thay đổi nhiệt độ của
112
42
nhiên liệu ở chế độ vận hành của động
110
40
108
cơ phục vụ cho việc tính toán, thiết kế
106
38
được thể hiện ở hình 4.9.
104
36
Mối liên hệ giữa lượng nhiên liệu
102

100
34
CO100 còn lại trong bầu hâm ΔG (kg)
0
400
800
1200
1600
và nhiệt độ nhiên liệu Tnl (oC) theo thời
Thời gian, τ (s)
Tnl_CO100_t100
Gnl_CO100_t100
gian τ (s) được biểu diễn bằng biểu
thức:
Hình 4.9. Đồ thị thay đổi lượng
ΔG = 43 – 0,0057.τ
nhiên liệu và nhiệt độ theo thời gian
Tnl = 100 + 0,0083.τ
ở chế độ 75% tải, 1500 vòng/phút
Như vậy, sau thời gian khoảng 1200s thì cần bổ sung nhiên liệu CO100
khi động cơ hoạt động ở chế độ 75% tải và 1500 vòng/phút.


4.6. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm hệ thống cải thiện
tính chất của nhiên liệu CO100
4.6.1. Nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt
Bảng 4.3. Giá trị nhiệt độ khí xả (0C) ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt khí xả
CO100_t100
Nhiên liệu
Nhiệt độ khí xả ra khỏi

Sai số
Nhiệt độ khí
thiết bị tận dụng
xả vào thiết
Tốc độ
Tải
Mô phỏng
Thực
Sai số
bị tận dụng
(vòng/phút)
(%)
(MP)
nghiệm (TN)
MP/TN
10
231
219
222
1,1%
1500
75
440
371
376
1,3%
100
547
476
484

1,7%
10
235
221
226
2,2%
2000
75
448
385
390
1,3%
100
578
498
510
2,4%
Sai số nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt giữa mô phỏng và
thực nghiệm cao nhất là 2,4%. Đây là mức chênh lệch phù hợp đối với mô hình
mô phỏng trên phần mềm ANSYS FLUENT.
4.6.2. Thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100
Bảng 4.4. Thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 (giây)
Dầu dừa nguyên chất CO100 được hâm sấy
từ nhiệt độ 800C đến 1000C
Nhiên liệu
Kết quả
Tốc độ (vòng/phút)
Tải (%)
Lý thuyết
Thực nghiệm

Sai số
75
1367
1200
12,2%
1500
100
1035
900
13,0%
Sai số giữa thời gian hâm thực tế và lý thuyết là 12,2% ở chế độ 75% tải
và 13,0% ở chế độ 100% tải.
4.7. Kết luận chương 4
1. Dầu dừa nguyên chất CO100 đã được sấy nóng ở các nhiệt độ khác nhau
(800C, 1000C, 1200C) trước khi cung cấp cho động cơ. Các kết quả thử nghiệm
đối chứng với nhiên liệu DO trên động cơ D243 với đặc tính ngoài và đặc tính
tải của động cơ cho thấy:
- Tính trung bình trên toàn dải tốc độ, lượng không khí thực tế cấp cho
động cơ làm việc theo đặc tính ngoài ở chế độ 100% tải khi sử dụng nhiên liệu
CO100_t80, CO100_t100 và CO100_t120 giảm so với trường hợp sử dụng
nhiên liệu DO tương ứng lần lượt là 16,98%; 13,02% và 15,00%; giá trị trung
bình của mômen tương ứng là 9,72%; 11,24% và 12,90%; công suất trung bình
của động cơ giảm tương ứng 10,18%; 11,27% và 12,67%.
- Nhiệt độ khí xả của động cơ khi sử dụng CO100_t80 là cao nhất
- Tính trung bình trên toàn dải tốc độ, hàm lượng phát thải CO của động
cơ khi sử dụng nhiên liệu CO100_t80, CO100_t100 và CO100_t120 tăng so với
trường hợp sử dụng nhiên liệu DO lần lượt là 77,57%; 22,02% và 40,90%.

18

Hàm lượng phát thải HC tăng tương ứng là 30,77%; 4,77% và 14,57%.
- Tính trung bình, hàm lượng phát thải NOx của động cơ theo đặc tính
ngoài ở chế độ 100% tải khi sử dụng nhiên liệu CO100_t80, CO100_t100 và
CO100_t120 giảm so với trường hợp sử dụng nhiên liệu DO lần lượt là
23,38%; 8,38% và 16,16%; chỉ số phát thải khói giảm lần lượt là 33,15%;
48,23% và 43,62% so với nhiên liệu DO.
2. So sánh kết quả giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm cho thấy
sai số tương đối nhỏ, cụ thể là:
- Sai số nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt giữa mô phỏng
và thực nghiệm nằm trong khoảng từ 1% - 3%.
- Sai số thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 giữa lý thuyết và thực
nghiệm nằm trong khoảng 12% - 14%.

KẾT LUẬN CHUNG
Luận án đã xây dựng cơ sở lý thuyết cải thiện tính chất của dầu thực vật
nguyên chất bằng phương pháp gia nhiệt nhằm đáp ứng việc sử dụng trực tiếp
trên động cơ diesel.
Đã tính toán thiết kế và chế tạo thành công hệ thống cải thiện tính chất
của dầu dừa nguyên chất (CO100) bằng phương pháp hâm sấy nhờ nhiệt khí
thải và sấy điện, sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để tính toán một số
thông số nhiệt động đặc trưng khi sử dụng CO100 được hâm sấy trên động cơ
diesel, áp dụng cụ thể cho động cơ diesel D243. Từ kết quả tính toán lý thuyết,
mô phỏng và thử nghiệm cho thấy: khoảng nhiệt độ tối ưu cần hâm sấy CO100
nhằm đạt được độ nhớt, sức căng bề mặt và tỷ trọng tương đương với nhiên liệu
DO là 1000C đến 1100C.
Xây dựng thành công đặc tính phụ thuộc giữa độ nhớt, khối lượng riêng
và sức căng bề mặt với nhiệt độ hâm sấy.
Kết quả thử nghiệm động cơ sử dụng CO100 được cải thiện tính chất
nhờ biện pháp hâm sấy cho thấy nhiệt độ hâm sấy phù hợp nhất là 100 0C. Tại

nhiệt độ hâm sấy này các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ là
khả quan nhất so với trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu DO.
Chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của động cơ không thay đổi nhiều khi sử
dụng dầu dừa nguyên chất làm nhiên liệu trực tiếp cho động cơ diesel D243.
Khi động cơ làm việc theo đặc tính ngoài ở chế độ 100% tải, nhiên liệu CO100
được sấy nóng đến nhiệt độ 800C đến 1200C, công suất của động cơ nhỏ hơn
khoảng 7,73% - 15,23%; mômen của động cơ nhỏ hơn khoảng 6,61% 15,14%; suất tiêu hao nhiên liệu lớn hơn khoảng 14,68% - 26,45% so với khi
sử dụng nhiên liệu DO. Với mức sấy nóng nhiên liệu CO100 là 100 0C, các chỉ
tiêu trên thay đổi trung bình lần lượt là 8,87% - 13,41%; 7,14% - 14,44% và
14,68% - 24,83%.
Sử dụng nhiên liệu CO100 làm nhiên liệu cho phép giảm phát thải khói
một cách rõ rệt nhờ quá trình đốt cháy nhiên liệu có chứa gốc ôxy. Do đặc tính
của nhiên liệu CO100, nên mặc dù có sấy nóng, quá trình hình thành hỗn hợp
và cháy diễn ra trong động cơ vẫn kém hơn một chút so với nhiên liệu DO.
Điều này được thể hiện rõ ở việc tăng nhẹ hàm lượng phát thải CO và thành
19


phần phát thải NOx giảm. Ở nhiệt độ sấy nóng 1000C, động cơ làm việc trên
đường đặc tính ngoài, tính trung bình các thành phần phát thải thay đổi như
sau: độ khói giảm 40,03% - 62,01%, NOx giảm 7,27% - 10,35%, CO tăng
6,73% - 53,85%, HC tăng 4,54% - 18,69%.
Các kết quả so sánh giữa các thông số của hệ thống sấy nóng nhiên liệu
CO100 nhờ nhiệt khí xả và sấy điện giữa tính toán mô phỏng và thực nghiệm
cho thấy sai số phù hợp và hiệu quả rõ rệt thông qua các chỉ tiêu kinh tế, kỹ
thuật và phát thải của động cơ. Đây là cơ sở khẳng định tính xác thực và độ tin
cậy của phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu của luận án.
Những đóng góp mới của luận án
Về khoa học
- Xây dựng cơ sở lý thuyết sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên

liệu cho động cơ diesel thông qua giải pháp hâm sấy nhiên liệu bằng nhiệt khí
xả kết hợp với hâm sấy bằng điện nhằm cải thiện các tính chất quan trọng của
nhiên liệu như độ nhớt, sức căng bề mặt và khối lượng riêng.
- Xác lập được mối quan hệ giữa một số tính chất vật lý của dầu thực vật
nguyên chất như sức căng bề mặt, độ nhớt và khối lượng riêng với nhiệt độ
hâm sấy, làm cơ sở cho việc sử dụng trực tiếp nhiên liệu này trên động cơ.
Về thực tiễn
- Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử
dụng cho động cơ diesel.
- Phát triển một phương pháp hâm sấy nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải
có tích hợp sấy điện nhằm khắc phục yếu điểm về tính chất của dầu thực vật
gốc. Phương pháp và thiết bị hâm sấy nhiên liệu được pháp triển có thể ứng
dụng để triển khai trên các loại động cơ khác nhau.
- Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của
động cơ khi chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Dựa trên kết quả của nghiên cứu cho thấy dầu thực vật nguyên chất có
thể làm nhiên liệu thay thế và phương pháp hâm sấy kiểu tích hợp năng lượng
điện - khí thải nhằm cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất là một
trong những giải pháp đơn giản, dễ áp dụng và mang lại hiệu quả kinh tế và
môi trường. Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài:
- Nghiên cứu sử dụng hệ thống hâm sấy nhiên liệu cho các loại nhiên
liệu sinh học nguyên chất khác nhau và nghiên cứu về độ bền của hệ thống hâm
sấy nhiên liệu trong điều kiện vận hành thực tế.
- Nghiên cứu đặc tính cháy của dầu thực vật nguyên chất sau khi được
hâm sấy.
- Hoàn thiện cơ sở lý thuyết đánh giá tính ổn định của dầu thực vật nguyên
chất và giải pháp nâng cao khả năng chống oxi hóa và biến chất của nó. Ảnh hưởng
của loại nhiên liệu này đến tuổi thọ động cơ.

- Hoàn thiện giải pháp nâng cao tính ổn định và duy trì nhiệt độ của dầu
thực vật khi sử dụng phương pháp gia nhiệt.

20


DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN
[1] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn: Tiềm năng, tình
hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên động cơ diesel
truyền thống, Tạp chí GTVT 7/2012, ISSN 0888-7012.
[2] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn: Tính toán tận dụng
nhiệt khí xả để hâm nóng nhiên liệu diesel sinh học dùng trên động cơ
thủy. Tạp chí GTVT 4/2013, ISSN 0888-7012.
[3] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn: Một số phương
pháp hâm nóng nhiên liệu nhằm sử dụng trực tiếp diesel sinh học nguyên
chất trên động cơ thủy, tạp chí KHCN Hàng Hải 4/2014, ISSN 1859 316X.
[4] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Nguyễn Lan Hương: Ảnh hưởng
của nhiệt độ hâm sấy dầu dừa nguyên chất đến đặc tính phát thải của
động cơ diesel, tạp chí KHCN Hàng Hải 11/2015, ISSN 1859 - 316X.
[5] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn: Nghiên cứu sử
dụng dầu sinh học nguyên chất (bio-oil100) trên động cơ diesel lai máy
phát điện, TP Hồ Chí Minh 5/2015, ISBN 978-604-76-0594-1.
[6] Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan, Tran Quang Vinh:
Design and Manufacture the Raw Vegetable Oil Heating System Utilizing
Heat from Exhaust Gas with Auxiliary Electric Power to Fuel the Diesel
Engine, 7th AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable
Energy, Ha Noi, 10/2014, ISBN 978-604-91-1942-2.
[7] Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan: Properties and
Spray Characteristics of Heated Pure Coconut Oil Aiming a Direct Use in

Conventional Diesel Engines, Chaingmai, Thailand, 12/2014, ISBN 978616-33-8035-7.
[8] Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan: Improve the
Properties of Pure Bio-oil Aiming a Direct Use in Diesel Engines, TP Hồ
Chí Minh 10/2013, ISBN 978-604-73-1990-9.
[9] Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan: Effects of the
Heating Temperature of Pure Coconut Oil on Breakup Mechanism of Fuel
Sprays, Ho Chi Minh city, Vietnam 10/2015, ISBN 978-604-63-1599-5.

22