NGHIÊN cứu cải THIỆN một số TÍNH CHẤT của dầu THỰC vật NGUYÊN CHẤT sử DỤNG làm NGUYÊN LIỆU CHO ĐỘNG cơ DIESEL HOÀNG ANH TUẤN
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.12 MB, 180 trang )
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HẢI PHÒNG - 2015
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ: 62520116
CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC BẢO TRÌ TÀU THỦY
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Lương Công Nhớ
2. PGS.TS Lê Anh Tuấn
HẢI PHÒNG - 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ
công trình nào khác.
Tác giả Luận án
Hoàng Anh Tuấn
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, tập thể
giảng viên Viện Cơ khí và khoa Máy tàu biển - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam;
Ban chủ nhiệm Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm
Trọng điểm ĐCĐT - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, luôn dành cho tôi những điều
kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành Luận án.
Tôi xin tỏ lòng kính trọng và chân thành biết ơn PGS.TS. Lương Công Nhớ,
PGS.TS Lê Anh Tuấn đã nhận hướng dẫn tôi thực hiện Luận án này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy phản biện, quý Thầy trong Hội
đồng chấm Luận án đã đồng ý đọc, duyệt và đóng góp ý kiến để tôi hoàn chỉnh Luận
án và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình,
đồng nghiệp và thân hữu đã ủng hộ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận
án này.
Nghiên cứu sinh
Hoàng Anh Tuấn
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................................vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ..................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................ix
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... xii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .......................................................................................... 5
1.1. Tổng quan về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel ...............................................5
1.2. Dầu thực vật nguyên chất ...................................................................................... 7
1.2.1. Giới thiệu chung.............................................................................................. 7
1.2.2. Tính chất của dầu thực vật nguyên chất (VO100) ..........................................8
1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng dầu thực vật nguyên chất ................................ 11
1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng trên thế giới ..................................................11
1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng tại Việt Nam ................................................12
1.4. Tổng quan về các nghiên cứu sử dụng dầu thực vật nguyên chất cho động cơ
diesel .............................................................................................................................. 13
1.5. Kết luận chương 1.................................................................................................24
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......................................................................................................................... 25
2.1. Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel ............................... 25
2.1.1. Cơ chế phá vỡ chùm tia phun nhiên liệu lỏng ..............................................25
2.1.2. Cấu trúc và các thông số hình học của tia phun nhiên liệu lỏng ..................34
2.2. Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel ........................... 38
2.2.1. Tương tác của nhiên liệu với không khí ....................................................... 39
2.2.2. Tương tác của nhiên liệu với vách ................................................................ 40
2.2.3. Quá trình cháy ............................................................................................... 40
2.3. Các thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất theo nhiệt độ ............................ 44
2.3.1. Khối lượng riêng ρ ........................................................................................ 44
iii
2.3.2. Độ nhớt động học µ ...................................................................................... 44
2.3.3. Sức căng bề mặt σ ......................................................................................... 45
2.3.4. Nhiệt độ chớp cháy TF ..................................................................................45
2.3.5. Đặc tính phun ................................................................................................ 46
2.4. Giải pháp sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên liệu cho động cơ
diesel .............................................................................................................................. 46
2.4.1. Một số phương pháp sử dụng dầu thực vật nguyên chất .............................. 46
2.4.2. Lựa chọn giải pháp sử dụng trực tiếp dầu thực vật nguyên chất ..................47
2.5. Kết luận chương 2.................................................................................................49
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 ...50
3.1. Xác định nhiệt độ hâm sấy hợp lý cho dầu thực vật nguyên chất ................... 50
3.1.1. Xây dựng các thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất theo nhiệt độ .........50
3.1.2. Mô hình thử nghiệm đặc tính phun ............................................................... 52
3.1.3. Xác định nhiệt độ hâm sấy hợp lý ................................................................ 58
3.2. Phương pháp tính toán hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất kiểu tích
hợp điện – khí xả..........................................................................................................58
3.2.1. Cơ sở tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ...............................................58
3.2.2. Cơ sở tính toán bộ hâm bằng điện ................................................................ 67
3.2.3. Cơ sở tính toán các thiết bị phụ ....................................................................70
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 .................................................................................72
3.3.1. Sơ đồ hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện – khí xả .......73
3.3.2. Tính toán hệ thống hâm sấy CO100 kiểu tích hợp điện - khí xả sử dụng trên
động cơ D243 ..........................................................................................................74
3.4. Mô phỏng hệ thống hâm nhiên liệu CO100 bằng phần mềm ANSYS
FLUENT ....................................................................................................................... 80
3.4.1. Các tính chất vật lý của dòng chảy ............................................................... 81
3.4.2. Các phương trình truyền nhiệt ......................................................................81
3.4.3. Mô hình mô phỏng và điều kiện biên ........................................................... 83
iv
3.4.4. Chế độ mô phỏng .......................................................................................... 84
3.4.5. Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 84
3.5. Kết luận chương 3.................................................................................................89
CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM TRÊN ĐỘNG CƠ...................................................... 90
4.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm .......................................................................90
4.1.1. Mục đích thử nghiệm .................................................................................... 90
4.1.2. Phạm vi thử nghiệm ...................................................................................... 90
4.2. Đối tượng thử nghiệm .......................................................................................... 90
4.3. Sơ đồ bố trí và thiết bị thử nghiệm .....................................................................91
4.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm .................................................................................91
4.3.2. Thiết bị thử nghiệm ....................................................................................... 92
4.4. Điều kiện và quy trình thử nghiệm .....................................................................95
4.4.1. Điều kiện thử nghiệm.................................................................................... 95
4.4.2. Quy trình thử nghiệm .................................................................................... 95
4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận ........................................................................96
4.5.1. Lượng không khí thực tế cấp cho động cơ, B(kg/kgnl) ................................ 96
4.5.2. Nhiệt độ khí xả, tkx (0C) ................................................................................97
4.5.3. Mômen của động cơ, Me (N.m) ..................................................................102
4.5.4. Công suất của động cơ, Ne (kW) .................................................................103
4.5.5. Suất tiêu hao nhiên liệu, ge (g/kW.h) ..........................................................105
4.5.6. Đặc tính phát thải ........................................................................................108
4.5.7. Thời điểm bổ sung nhiên liệu .....................................................................115
4.6. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm hệ thống cải thiện tính
chất của nhiên liệu CO100 ........................................................................................116
4.6.1. Nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt ...........................................117
4.6.2. Thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 .........................................................117
4.7. Kết luận chương 4...............................................................................................118
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...............................................120
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................123
v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT
Chữ viết tắt
Giải thích
1
CN
Cetane number - Số xetan
2
CP
Cloud point - Điểm vẩn đục
3
CO100
Dầu dừa nguyên chất
4
CO100_t80
Dầu dừa nguyên chất được hâm đến nhiệt độ 800C
5
CO100_t100
Dầu dừa nguyên chất được hâm đến nhiệt độ 1000C
6
CO100_t120
Dầu dừa nguyên chất được hâm đến nhiệt độ 1200C
7
IV
Iod Value - Chỉ số iốt
8
PP
Pour point - Điểm đông đặc
9
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
10
SoO100
Dầu đậu nành nguyên chất
11
SuO100
Dầu hướng dương nguyên chất
12
SV
Saponification Value - Chỉ số xà phòng hóa
13
TCCS
Tiêu chuẩn cơ sở
14
VO100
Vegetable Oil - Dầu thực vật nguyên chất
vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
TT
Kí hiệu
Ý nghĩa
Độ lớn/thứ nguyên
1
a,A
Hằng số thực nghiệm
2
b, B
Hằng số thực nghiệm
3
C
Hằng số thực nghiệm
0,9
4
C1
Hằng số chiều dài nhiễu loạn
2,0
5
C2
Hằng số bước sóng nhiễu loạn
0,5
6
C3
Hằng số thời gian nhiễu loạn
1,2
7
C4
Hằng số thời gian phát triển sóng
0,5
8
Cµ
Hằng số ảnh hưởng của động năng nhiễu
loạn và năng lượng tiêu hao trung bình
0,9
9
Cɛ
Hằng số năng lượng
1,92
10
CN
Chỉ số động năng xâm thực
11
D, d
Đường kính giọt nhiên liệu
µm
12
D0
Đường kính lỗ phun
mm
13
Fbm
Lực căng bề mặt
N
14
Fkđ
Lực khí động
N
15
k
Động năng rối
J
16
k1
Hằng số thời gian
0,05
17
Kc
Hệ số mất mát năng lượng
0,45
18
knl
Động năng nhiễu loạn
19
Kε
Hệ số mô hình
0,27
20
LA
Chiều dài phun sương
mm
21
Lb
Chiều dài phân rã
mm
J
vii
22
Nu
Số Nusselt
23
M
Khối lượng phân tử
g/mol
24
SMD
Đường kính Sauter
µm
25
Re
Số Reynolds
26
Oh
Số Ohnesorge
27
T
Nhiệt độ Kenvin
K
28
TF
Nhiệt độ chớp cháy
K
29
Tkx
Nhiệt độ khí xả
o
30
Uph
Vận tốc phun
m/s
31
Utđ
Vận tốc tương đối
m/s
32
We
Số Weber
33
Δp
Độ chênh áp suất
MPa
34
ρ
Khối lượng riêng
kg/m3
35
σ
Sức căng bề mặt
N/m
36
µl
Độ nhớt động lực học của nhiên liệu lỏng
Ns/m2
37
µk
Độ nhớt động lực học của không khí
Ns/m2
38
µ
Độ nhớt động học
mm/s2
39
Φ
Góc nón chùm tia
độ
40
τA
Thời gian phun sương
s
41
τe
Thời gian tương tác khí động học
s
42
τn
Thời gian nổ bọt
s
43
τpv
Thời gian phá vỡ giọt
s
44
τpr
Thời gian phân rã
s
C
viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel hóa thạch ...............................................7
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của dầu thực vật nguyên chất và nhiên liệu diesel ........8
Bảng 1.3. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của dầu thực
vật nguyên chất và nhiên liệu diesel ở nhiệt độ 400C...................................................... 9
Bảng 1.4. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu thực vật
nguyên chất và nhiên liệu diesel ...................................................................................... 9
Bảng 1.5. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của diesel sinh
học nguyên chất (B100), dầu thực vật nguyên chất (VO100) ở nhiệt độ 400C .............16
Bảng 2.1. Các hệ số không thứ nguyên .........................................................................27
Bảng 2.2. Sự ảnh hưởng của số We đến cơ chế phân rã ...............................................33
Bảng 3.1. Thông số hình học của chùm tia phun nhiên liệu ở nhiệt độ môi trường .....53
Bảng 3.2. Thông số hình học của chùm tia phun dầu dừa nguyên chất CO100 ...........56
Bảng 3.3. Hình thức và thời gian phân rã của nhiên liệu DO và CO100 ...................... 57
Bảng 3.4. Các thông số cơ bản của động cơ diesel D243 .............................................72
Bảng 3.5. Thành phần axit trong dầu dừa nguyên chất CO100 ....................................75
Bảng 3.6. Thông số cơ bản của thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ......................................77
Bảng 3.7. Thông số cơ bản của két chứa nhiên liệu CO100 .........................................77
Bảng 3.8. Thông số cơ bản của điện trở sấy..................................................................79
Bảng 3.9. Thông số nhiệt của khí xả vào thiết bị tận dụng nhiệt ..................................84
Bảng 3.10. Kết quả mô phỏng nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt..............85
Bảng 4.1. Giá trị nhiệt độ đo tại nhiệt kế và cảm biến ..................................................93
Bảng 4.2. Hệ thống, thiết bị đo và phục vụ cho quá trình thử nghiệm.......................... 94
Bảng 4.3. Giá trị lượng không khí thực tế cấp cho động cơ theo đường đặc tính ngoài
khi sử dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100 .......................................................... 96
Bảng 4.4. 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 ......................................98
Bảng 4.5. Nhiệt lượng khí xả của động cơ sử dụng nhiên liệu CO100_t100 và
CO100_t120 ở chế độ 100% tải .................................................................................... 98
ix
Bảng 4.6. Giá trị nhiệt độ khí xả ra khỏi động cơ và ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt theo
đường đặc tính tải ở tốc độ 1500 vòng/phút và 2000 vòng/phút khi động cơ sử dụng
nhiên liệu CO100 ...........................................................................................................99
Bảng 4.7. Nhiệt lượng khí xả ra khỏi động cơ theo đường đặc tính tải ở tốc độ ........100
1500 vòng/phút và 2000 vòng/phút khi động cơ sử dụng nhiên liệu CO100 .............100
Bảng 4.8. Giá trị mômen của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi động cơ sử dụng
nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100 ............................................................................102
Bảng 4.9. Giá trị công suất của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi động cơ sử
dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100 ...................................................................104
Bảng 4.10. Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi
động cơ sử dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100 ................................................105
Bảng 4.11. Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo đường đặc tính tải khi
động cơ sử dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100 ................................................106
Bảng 4.12. Đặc tính phát thải CO của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi sử dụng
nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100, ppm ...................................................................108
Bảng 4.13. Đặc tính phát thải NOx của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi sử dụng
nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100, ppm ...................................................................110
Bảng 4.14. Đặc tính phát thải HC của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi sử dụng
nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100, ppm ...................................................................112
Bảng 4.15. Đặc tính phát thải khói của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi sử dụng
nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100, BN .....................................................................114
Bảng 4.16. Giá trị nhiệt độ khí xả (0C) ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ............117
Bảng 4.17. Thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 (giây) .............................................118
Bảng PL1. Kết quả phân tích mẫu dầu dừa nguyên chất ............................................130
Bảng PL2. Kết quả tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ........................................133
Bảng PL3. Kết quả tính toán két nhiên liệu thử nghiệm .............................................139
Bảng PL4. Kết quả tính chọn bơm ..............................................................................140
Bảng PL5. Kết quả tính toán điện trở sấy....................................................................141
x
Bảng PL6. Kết quả tính sức cản tác dụng lên dòng khí lưu động qua thiết bị tận dụng
.....................................................................................................................................143
Bảng PL7. Kết quả tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải ..............................................144
Bảng PL8. Kết quả tính kiểm nghiệm các thông số nhiệt động của hệ thống .............146
Bảng PL9. Bộ hâm bằng điện ......................................................................................149
Bảng PL10. Bầu hâm điện và két nhiên liệu CO100...................................................150
Bảng PL11. Ống nối và van ........................................................................................151
Bảng PL12. Bầu tận dụng nhiệt khí xả ........................................................................151
xi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của dầu thực vật nguyên chất...............................................7
Hình 1.2. Sơ đồ biểu diễn tính chất của dầu thực vật nguyên chất ............................... 10
Hình 1.3. Tỉ lệ sử dụng dầu thực vật của các nước phát triển trong năm 2006.............12
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý tổng thể bộ chuyển đổi trong hệ thống nhiên liệu kép DOSVO ............................................................................................................................... 22
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi VO100 một két nhiên liệu đơn giản một giai
đoạn gia nhiệt (a) và nâng cao hai giai đoạn gia nhiệt (b).............................................23
Hình 2.1. Quá trình phân rã và phá vỡ chùm tia phun ..................................................26
Hình 2.2. Đồ thị Z = f(Re) ............................................................................................. 28
Hình 2.3. Mô hình phân rã của nhiên liệu lỏng khi qua lỗ vòi phun ............................. 29
Hình 2.4. Mô hình phân rã do nhiễu loạn ......................................................................30
Hình 2.5. Mô hình phân rã do xâm thực........................................................................31
Hình 2.6. Cấu trúc tia phun nhiên liệu lỏng trong động cơ diesel .................................34
Hình 2.7. Cấu trúc chùm tia phun dầu thực vật nguyên chất ........................................38
Hình 2.8. Tương tác của chùm tia phun nhiên liệu với vách ........................................40
Hình 2.9. Đồ thị thay đổi các thông số công tác trong xi lanh động cơ ........................ 41
Hình 2.10. Đồ thị thay đổi áp suất trong xi lanh động cơ khi dùng dầu thực vật nguyên
chất so với nhiên liệu diesel .......................................................................................... 42
Hình 2.11. Tốc độ tỏa nhiệt của động cơ khi dùng dầu thực vật nguyên chất so với
nhiên liệu diesel .............................................................................................................43
Hình 2.12. Sơ đồ bộ hâm nhiên liệu kiểu tích hợp điện - khí xả ...................................48
Hình 3.1. Mối liên hệ giữa khối lượng riêng và nhiệt độ ..............................................51
Hình 3.2. Mối liên hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ............................................................. 52
Hình 3.3. Mối liên hệ giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ ...............................................52
Hình 3.4. Sơ đồ bố trí phun thử nghiệm ........................................................................54
Hình 3.5. Đặc tính phun của nhiên liệu DO (a) và dầu dừa nguyên chất CO100 (b) ở
nhiệt độ 400C .................................................................................................................55
Hình 3.6. Đặc tính phun của CO100 tại các nhiệt độ khác nhau...................................56
Hình 3.7. Sơ đồ tính thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ....................................................... 59
xii
Hình 3.8. Sơ đồ mạch điều khiển công suất điện trở sấy ..............................................69
Hình 3.9. Mô hình nguyên lý hệ thống hâm nhiên liệu kiểu tích hợp điện - khí xả......73
Hình 3.10. Mô hình 3D thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ..................................................76
Hình 3.11. Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống hâm nhiên liệu CO100 ............................ 78
Hình 3.12. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng
nhiệt tại chế độ 10% tải, tốc độ 1500 vòng/phút ........................................................... 85
Hình 3.13. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng
nhiệt tại chế độ 75% tải (a) và 100% tải (b), tốc độ 1500 vòng/phút ............................ 86
Hình 3.14. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng
nhiệt tại chế độ 10% tải, tốc độ 2000 vòng/phút ........................................................... 87
Hình 3.15. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng
nhiệt tại chế độ 75% tải (a) và 100% tải (b), tốc độ 2000 vòng/phút ............................ 88
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên băng thử động lực cao ETB ............................. 91
Hình 4.3. Bố trí nhiệt kế và cảm biến nhiệt độ .............................................................. 93
Hình 4.4. Phòng thử nghiệm động cơ ............................................................................94
Hình 4.5. Lượng không khí thực tế cấp cho động cơ ở chế độ 100% tải ...................... 97
Hình 4.6. Nhiệt lượng khí xả của động cơ ở chế độ 100% tải ......................................99
Hình 4.7. Nhiệt lượng khí xả của động cơ theo đặc tính tải ở tốc độ 1500 vòng/phút.
.....................................................................................................................................101
Hình 4.8. Nhiệt lượng khí xả của động cơ theo đặc tính tải ở tốc độ 2000 vòng/phút
.....................................................................................................................................101
Hình 4.9. Đặc tính mômen của động cơ ở chế độ 100% tải ........................................103
Hình 4.10. Đặc tính công suất của động cơ ở chế độ 100% tải ...................................104
Hình 4.11. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ 100% tải ...........................105
Hình 4.12. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở vòng quay 1500 vòng/phút ..........107
Hình 4.13. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở vòng quay 2000 vòng/phút ..........107
Hình 4.14. Đặc tính phát thải CO ở chế độ 100% tải ..................................................109
Hình 4.15. Đặc tính phát thải NOx ở chế độ 100% tải ................................................110
Hình 4.16. Đặc tính phát thải NOx ở vòng quay 1500 vòng/phút ...............................111
Hình 4.17. Đặc tính phát thải NOx ở vòng quay 2000 vòng/phút ...............................111
xiii
Hình 4.18. Đặc tính phát thải HC ở chế độ 100% tải ..................................................113
Hình 4.19. Đặc tính phát thải khói ở chế độ 100% tải ................................................114
Hình 4.20. Đồ thị thay đổi lượng nhiên liệu và nhiệt độ theo thời gian ở chế độ 75%
tải, 1500 vòng/phút ......................................................................................................115
Hình PL 1. Kết cấu thiết bị tận dụng nhiệt khí xả .......................................................138
Hình PL 2. Gia công và lắp đặt hệ thống trên băng thử ..............................................156
Hình PL 3. Sơ đồ nguyên lý làm mát nước AVL 553 .................................................157
Hình PL 4. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu AVL 554 .......................................158
Hình PL 5. Bộ điều khiển tay ga THA100 ..................................................................158
Hình PL 6. Sơ đồ xác định lượng nhiên liệu CO100 tiêu thụ cho động cơ D243 .......159
Hình PL 7. Mô hình tủ CEB–II ...................................................................................160
Hình PL 8. Sơ đồ cấu tạo của bộ phận phân tích khí CO ............................................161
Hình PL 9. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx..............................................162
Hình PL 10. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo HC ............................................................163
Hình PL 11. Cấu hình thiết bị SPC 472.......................................................................164
xiv
MỞ ĐẦU
Hiện nay, ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt các nguồn năng lượng là những vấn
đề đang được mọi quốc gia trên thế giới quan tâm. Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh
tế thế giới dẫn tới nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và điều tất yếu là lượng tiêu thụ
dầu mỏ ngày càng lớn. Một mặt do trữ lượng dầu mỏ có hạn nên nguy cơ cạn kiệt dầu
mỏ là điều có thể dự đoán được. Mặt khác, vấn đề ô nhiễm môi trường, phát thải gây
hiệu ứng nhà kính sẽ ngày càng gia tăng do sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch.
Việc tìm ra các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng tái tạo có ý nghĩa rất quan
trọng đối với thế giới nhằm giải quyết các vấn đề ở trên.
Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ đốt trong, thay thế cho nhiên liệu hóa
thạch truyền thống, được xem là một trong những giải pháp quan trọng và nhận được
sự quan tâm lớn của các nước trên thế giới. Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là loại
nhiên liệu nhận được từ các nguồn tái tạo được như dầu thực vật và mỡ động vật hay
sinh khối. Các loại nhiên liệu sinh học có thể kể tên như bioetanol, biodiesel, biogas,
dimetyl ete sinh học, bio-oil100.
Do hầu hết các động cơ đều được thiết kế và chế tạo nhằm đáp ứng việc sử dụng
loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Trong khi các loại nhiên liệu sinh học lại có
nguồn gốc khác nhau nên tính chất nhiên liệu có nhiều điểm khác biệt. Nhằm sử dụng
được các loại nhiên liệu này trên động cơ đang lưu hành hoặc tiêu chuẩn hóa nhiên
liệu sinh học gần với quy định đối với các loại nhiên liệu truyền thống thì cần phải
dùng các quá trình lý hóa để cải thiện tính chất nhiên liệu trong giai đoạn cung cấp
nhiên liệu cho động cơ hoặc có thể triển khai dưới dạng pha trộn nhiên liệu sinh học
với nhiên liệu hóa thạch hoặc cải thiện trực tiếp tính chất của nhiên liệu sinh học
nguyên chất trong quá trình cung cấp cho động cơ.
Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam, với mục tiêu hướng tới đối tượng 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,
1
có ý nghĩa khoa học và mang tính thực tiễn.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Phát triển và định hướng giải pháp cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên
chất (độ nhớt, sức căng bề mặt, tỷ trọng…) nhằm đáp ứng việc sử dụng trên động cơ
diesel.
- 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.
- Động cơ diesel D243 lắp trên máy kéo, tàu sông và 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 cải thiện tính chất nhiên liệu sau khi thiết kế, chế tạo được lắp đặt
cho động cơ thử nghiệm và đánh giá đối chứng tính năng và phát thải của động cơ so
với trường hợp động cơ nguyên bản. Do hạn chế về thời gian và kinh phí nên nghiên
cứu ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ của động cơ sau khi trang bị hệ thống cải thiện
tính chất dầu thực vật nguyên chất chưa được đề cập trong phạm vi của luận án.
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.
2
- Phát triển thành công một phương pháp tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện
năng nhằm khắc phục yếu điểm như độ nhớt cao, tỷ trọng và sức căng bề mặt lớn của
dầu thực vật nguyên chất.
Về thực tiễn
- Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho
động cơ diesel.
- Hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất được phát triển trong luận án có thể
tiếp tục hoàn thiện hướng tới ứng dụng cho các loại động cơ diesel tĩnh tại hay tàu
thủy cỡ nhỏ.
- Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi
chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt và truyền chất được sử dụng
nhằm tính toán, mô phỏng và đánh giá khả năng tận dụng nhiệt khí thải của động cơ
diesel vào mục đích sấy nóng cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất.
- Nghiên cứu các lý thuyết về các quá trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp
và cháy trong động cơ diesel khi sử dụng dầu thực vật nguyên chất và áp dụng vào bài
toán thực tế của luận án nhằm đánh giá khả năng ảnh hưởng của dầu thực vật nguyên
chất đến các quá trình và các thông số kinh tế, kỹ thuật của động cơ.
Nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp 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. Trong đó giải pháp cải thiện tính chất của nhiên liệu được áp dụng là sấy nóng nhờ
nhiệt khí thải và sấy điện.
- Thực nghiệm xác định tương quan giữa nhiệt độ và các tính chất của dầu thực
vật nguyên chất như độ nhớt, tỷ trọng, sức căng bề mặt được thực hiện nhằm xây dựng
3
các quan hệ phục vụ cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống sấy nóng nhiên liệu. Ngoài
ra, đặc tính phun của nhiên liệu diesel truyền thống và dầu thực vật nguyên chất trong
môi trường không khí theo nhiệt độ sấy cũng được thực hiện nhằm làm cơ sở cho việc
giải thích quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải của động cơ diesel.
Nội dung nghiên cứu
Luận án tập trung vào các nội dung nghiên cứu chính sau:
- 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.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel
Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: có tính
chất phù hợp với loại động cơ sử dụng; hàm lượng khí phát thải độc hại nhỏ; dễ bảo
quản và sử dụng, đảm bảo tính kinh tế. Trên cơ sở đó, 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.
Nhiên liệu hóa thạch dùng cho động cơ diesel là loại nhiên liệu thu được từ quá
trình chưng cất dầu mỏ, chủ yếu gồm nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu khí
bao gồm các loại khí thiên nhiên như CNG, LPG, LNG... Nhiên liệu lỏng gồm các loại
như xăng, dầu diesel là loại nhiên liệu dùng chủ yếu cho động cơ xăng và động cơ
diesel.
Nhiên liệu thay thế là loại nhiên liệu có một số tính chất tương tự như nhiên liệu
diesel truyền thống, có thể thay thế nhiên liệu diesel một phần hay toàn bộ để sử dụng
trên động cơ. Nhiên liệu thay thế là loại nhiên liệu có nguồn nguyên chất từ sinh học
nên có khả năng tự phân hủy và tạo ra theo ý muốn. Nhiên liệu thay thế bao gồm các
loại nhiên liệu khí như biogas, nhiên liệu lỏng như bioetanol, biodiesel, bio-oil…
Để đánh giá khả năng sử dụng một loại nhiên liệu trên động cơ diesel, cần xét
đến tính chất nhiên liệu và sự phù hợp của nó với loại động cơ sử dụng. Để xác định
tính khả dụng của nhiên liệu cần dựa vào một số thông số sau:
Nhiệt trị là nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng hoặc
một đơn vị thể tích nhiên liệu. Nhiệt trị thấp của nhiên liệu là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt
cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu, không kể đến lượng nhiệt toả ra do hơi nước ngưng tụ.
Số cetane (CN) là đại lượng đánh giá khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu bằng
cách so sánh nó với nhiên liệu chuẩn. Về trị số, số cetan là số phần trăm thể tích của
chất n-Cetane (C16H34) có trong hỗn hợp với chất α-metylnaphtalen (C11H10) nếu hỗn
5
hợp tương đương với nhiên liệu thí nghiệm về tính bốc cháy. Đối với động cơ cháy do
nén, CN có ảnh hưởng đến tính tự bốc cháy của nhiên liệu nên nó tác động trực tiếp
đến diễn biến quá trình cháy ở động cơ và qua đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất
lượng của động cơ.
Độ nhớt là đại lượng đặc trưng cho khả năng kháng lại tính chảy của chất lỏng và
tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Độ nhớt của nhiên liệu càng cao càng không có lợi khi sử
dụng vì nó làm tăng trở lực đường ống, làm giảm việc phun sương và khả năng phân
tán khi được phun vào thiết bị cũng như làm tăng khả năng lắng căn trong thiết bị.
Khối lượng riêng là một đặc tính về mật độ, là đại lượng đo bằng thương
số giữa khối lượng nguyên chất của chất ấy và thể tích.
Sức căng bề mặt là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt. Khi sức
căng bề mặt của nhiên liệu lớn, sự phun sương sẽ kém do đó ảnh hưởng xấu đến chất
lượng quá trình cháy của động cơ. Sức căng bề mặt tỉ lệ thuận với độ nhớt, khối lượng
riêng và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ.
Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất của nhiên liệu lỏng mà tại đó hơi của nó
tạo với không khí trong bình kín thành một hỗn hợp có khả năng bắt cháy khi cho
nguồn nhiệt từ bên ngoài. Nhiệt độ vẩn đục là nhiệt độ mà tại đó nhiên liệu lỏng bắt
đầu vẩn đục do sự kết tinh nước và những chất khác. Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ tại
đó nhiên liệu lỏng mất tính lưu động. Đối với nhiên liệu có nhiệt độ vẩn đục và nhiệt
độ đông đặc cao, cần có biện pháp sấy nóng để tránh làm tắc các bộ phận lọc và tạo
điều kiện thuận lợi cho quá trình bơm chuyển.
Tính bay hơi của nhiên liệu quyết định một phần quan trọng quá trình cháy của
nhiên liệu trong động cơ. Nó ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi, mức độ bay hơi hoàn toàn
và khả năng hòa trộn với không khí khi phun nhiên liệu vào buồng đốt của động cơ
diesel. Nhiên liệu có tính bay hơi kém làm quá trình cháy không hoàn toàn, lãng phí
nhiên liệu và giảm hiệu suất. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bay hơi: độ nhớt, khối
lượng riêng, sức căng bề mặt và nhiệt độ môi trường [8].
Theo TCCS 03:2009/PETROLIMEX hay [23] hoặc ASTM D975, nhiên liệu
6
diesel dùng cho động cơ diesel phải thỏa mãn bảng 1.1
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel hóa thạch
Thành phần
TT
Phương
pháp thử
TCCS
03:2009
ASTM
D975
D93
55
52
1
Điểm chớp cháy,oC, nhỏ nhất
2
Hàm lượng nước và lắng cặn, % thể tích,
lớn nhất
D2709
-
0,05
3
Độ nhớt động học ở 40oC, mm2/s
D445
2,0 – 4,5
1,3 – 4,1
4
Hàm lượng lưu huỳnh, % khối lượng,
lớn nhất
D5453
0,05
0,05
5
Hàm lượng tro, % khối lượng, lớn nhất
D482
0,01
0,01
6
Số cetane, nhỏ nhất
D613
46
40
7
Ăn mòn tấm đồng trong 3 giờ ở 50oC
D130
Loại 1
Loại 1
8
Nhiệt độ cất tại 90% thể tích, oC
D1160
370
356
1.2. Dầu thực vật nguyên chất
1.2.1. Giới thiệu chung
Dầu thực vật nguyên chất là tên được sử dụng để chỉ một loại nhiên liệu có
nguồn gốc từ nhiên liệu sinh học, có thể sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel [50].
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của dầu thực vật nguyên chất
Dầu thực vật nguyên chất là nhiên liệu thu được từ quá trình tinh chế dầu thực
vật, có thành phần chính là axit béo mạch dài, chưa pha trộn với các loại nhiên liệu
khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, ký hiệu là VO100 (chữ V chỉ tên
loại dầu thực vật).
7
1.2.2. Tính chất của dầu thực vật nguyên chất (VO100)
Dầu thực vật nguyên chất là các phân tử chất béo trung tính, không tan trong
nước, chứa ba chuỗi hydrocarbon liên kết với một gốc glixerol nên có khối lượng riêng
lớn và độ nhớt cao [10]. Nó có thể là các loại dầu có nguồn gốc thực vật gồm loại ăn
được (dầu mè, dầu đậu lành, dầu dừa…) hoặc không ăn được (dầu hạt bông, dầu
jatropha, dầu hạt cao su…).
Thành phần hóa học của VO100 là este của glixerol với các axit béo bão hòa
(palmitic (16:0) và stearic (18:0) là hai loại axit béo bão hòa thường gặp nhất) hay không
bão hòa (oleic (18:1) và linoleic (18:2) là các axit béo không bão hòa phổ biến nhất).
Công thức phân tử của dầu thực vật nguyên chất có dạng C27-57 H54-104 O6 và có khối lượng
phân tử lớn hơn nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, dầu thực vật nguyên chất có chứa thành
phần oxi trong phân tử, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm (bảng 1.2) nên dầu thực
vật nguyên chất ít gây hại đối với môi trường [40,50].
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của dầu thực vật nguyên chất và nhiên liệu diesel
TT Thành phần hóa học
Dầu thực vật
nguyên chất
Nhiên liệu diesel
73 – 77,6
83,5 - 87
1
Hàm lượng cácbon, %kl
2
Hàm lượng hidro, %kl
11,6 – 12,3
11,5 - 14
3
Hàm lượng oxi, %kl
10,8 – 12,5
0
4
Hàm lượng lưu huỳnh, %kl
0,006 – 0,02
0,02 – 0,05
5
Hàm lượng nitơ, %kl
0,002 – 0,007
0,0001 – 0,0003
6
Hàm lượng hợp chất thơm, % tt
0
10
7
Chỉ số iốt
70 - 157
0
8
Hàm lượng tro, %kl
0,002 – 0,03
0,006 – 0,01
Tính chất vật lý của dầu thực vật nguyên chất có ảnh hưởng nhiều đến chất
lượng quá trình cháy, các tính chất này được đặc trưng bởi:
Khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt là một thuộc tính quan trọng của
VO100 (bảng 1.3) [35,43]. Bộ ba thông số này ảnh hưởng đến độ lớn lực liên kết phân
8
tử Van der Waals [40]. Việc tăng chiều dài chuỗi cacbon làm tăng khối lượng phân tử,
do đó tăng độ lớn lực Van der Waals nên cũng làm tăng độ nhớt và ngược lại. Các tính
chất này quyết định lớn đến chất lượng phun sương của nhiên liệu, chúng đều có mối
quan hệ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Việc sử dụng trực tiếp VO100 làm nhiên liệu cho
động cơ diesel nhất thiết phải tính đến việc cải thiện các thông số trên nhằm đảm bảo
nó nằm trong phạm vi cho phép và gần với giá trị của nhiên liệu diesel.
Bảng 1.3. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của dầu
thực vật nguyên chất và nhiên liệu diesel ở nhiệt độ 400C
TT
Nhiên liệu
Độ nhớt
động học ở
40oC, cSt
Khối lượng
riêng,
kg/m3
Sức căng
bề mặt,
mN/m
Điểm chớp
cháy,
o
C
1
Dầu thực vật nguyên
chất
24 - 48
903 - 924
31 - 35
195 - 270
2
Nhiên liệu diesel
2,7 - 3
822 - 837
24
73
Điểm chớp cháy, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của VO100 cao hơn nhiên
liệu diesel. Vì lý do này, VO100 gần như không có khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp
do mất tính lưu động của nhiên liệu lỏng. Nhiệt trị của VO100 phụ thuộc vào chỉ số xà
phòng hóa (SV) và chỉ số Iốt (IV), SV và IV tăng tức là tăng số liên kết đôi (-C = C-)
do đó sẽ làm giảm nhiệt trị của dầu (bảng 1.4) [40].
Bảng 1.4. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu thực vật
nguyên chất và nhiên liệu diesel
TT
Nhiên liệu
1
Dầu thực vật nguyên chất
2
Nhiên liệu diesel
Nhiệt trị,
MJ/kg
CN
Điểm vẩn
đục,oC
Điểm
đông
đặc,oC
37 – 39,5
28 - 42
3 - 15
-6 ÷ -2
43
48
- 14
- 30
9
