Nghiên cứu sử dụng dầu diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
_________________________________

HỒ TRUNG PHƯỚC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DẦU DIESEL SINH
HỌC TỪ MỠ CÁ DA TRƠN CHO ĐỘNG CƠ CỦA
PHƯƠNG TIỆN KHAI THÁC THỦY SẢN
Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÒA, 2019


Công trình được hoàn thành tại trường Đại học Nha
Trang.
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Phan Văn Quân, Trường Đại học Giao
thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh
PGS.TS Trần Gia Thái, Trường Đại học Nha Trang
Phản biện 1: PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm
Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ
Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Lê Duy Khải


TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Đề tài luận án: “Nghiên cứu sử dụng dầu Diesel sinh
học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai
thác thủy sản”.

Ngành/Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số:

9520116

Nghiên cứu sinh:

Hồ Trung Phước

Khóa:

2013

Người hướng dẫn:

PGS.TS. Phan Văn Quân
PGS.TS. Trần Gia Thái

Cơ sở đào tạo:

Trường Đại học Nha Trang

Nội dung:
(1) Đã xác định được một số thuộc tính của nhiên
liệu B5, B10, B100 (biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá da
trơn) dùng cho quá trình nghiên cứu.
(2) Luận án đã sử dụng phần mềm KIVA-3V để
xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng động cơ
Cummins NTA 855, dùng để khảo sát ảnh hưởng của
loại nhiên liệu sử dụng đến một số thông số nhiệt động

trong buồng cháy, mức phát thải NOx, PM và một số
thông số công tác của động cơ khi sử dụng B10.


(3) Đã đánh giá được ảnh hưởng của B10 đến một số
thông số vận hành cơ bản của động cơ Cummins NTA
855 bằng thực nghiệm và đề xuất công nghệ phối trộn
nhiên liệu phù hợp cho máy chính tàu đánh cá.

Người hướng dẫn

PGS.TS
Phan Văn Quân

PGS.TS
Trần Gia Thái

Nghiên cứu sinh

Hồ Trung Phước


Thesis title: Research to Use of Catfish Fat Biodiesel for
Diesel Engines of Fishing Ship.
Mechanical Power Engineering
Mayor:
9520116
Major code:
PhD Cadidate: Ho Trung Phuoc
Prof. Phan Van Quan

Supervisor:
Prof. Tran Gia Thai
Nha Trang University
Education
Institution:
Key Findings:
(1) Defined some properties of B5, B10, B100 fuel
(catfish fat biodiesel) used to research.
(2) The thesis used KIVA-3V software to build and
adjust the Cummins NTA 855 engine simulation model,
which used to investigate the effect of fuel on some
thermodynamic parameters in combustion chamber,
NOx, PM emissions and some cycle parameters of
engine when using B10 fuel.
(3) Estimate the influence of B10 fuel on some
basic operating parameters of Cummins NTA 855
engine by experiment and promote a suitable fuel mixing
technology for diesel engines of fishing ship.

1


MỞ ĐẦU
1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Trong xu hướng bảo vệ môi trường và giảm thiểu
sự phụ thuộc vào nhiên liệu từ dầu mỏ (nhiên liệu dieselDO) của động cơ đốt trong đang ngày càng cạn kiệt và
gây ô nhiễm, thì sử dụng nhiên liệu Biodiesel làm nguồn
nhiên liệu thay thế đã và đang được các nước phát triển
nghiên cứu, ứng dụng. Hiện nay, tại Mỹ, Anh Quốc, Đan
Mạch, Hà Lan và một số nước khác thuộc châu Âu (EU)

đã sử dụng thành công Biodiesel cho động cơ trong các
ngành công nghiệp và giao thông. Tại Việt Nam, nếu
dùng nhiên liệu Biodiesel sản xuất từ mỡ cá da trơn cho
các phương tiện thủy sẽ tiết kiệm được một lượng ngoại
tệ lớn cho quốc gia và hạn chế ô nhiễm môi trường. Vì
thế, song song với việc khảo sát đánh giá chất lượng
Biodiesel trên thị trường, “Nghiên cứu sử dụng dầu
diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của
phương tiện khai thác thủy sản” là rất cấp thiết trong
bối cảnh hiện nay.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu
Biodiesel B100 và DO (B10) từ mỡ cá da trơn đến các
thông số công tác chủ yếu của động cơ Diesel tàu cá, từ
đó chỉ ra khả năng sử dụng loại nhiên liệu này và thiết
kế hệ thống nhiên liệu chuyển đổi phù hợp.

2


3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn và các chỉ
tiêu công tác chủ yếu của động cơ Diesel dùng làm máy
chính tàu cá.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Nhiên liệu Diesel sinh học có nguồn gốc từ mỡ cá
da trơn có tỷ lệ pha trộn 10% (B10: 10% Biodiesel B100,
90% Diesel)
- Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải khí

xả của động cơ Diesel dùng làm máy chính tàu cá khi sử
dụng nhiên liệu B10.
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Tổng luận và nghiên cứu cơ sở lý thuyết sử dụng
hỗn hợp Biodiesel B100 và DO (B10) làm nhiên liệu cho
động cơ Diesel;
- Lựa chọn mô hình toán và mô phỏng ảnh hưởng
của nhiên liệu hỗn hợp B10 đến các thông số công tác
chủ yếu của động cơ Diesel tàu cá;
- Đánh giá các thông số công tác chủ yếu của động
cơ Diesel tàu cá khi sử dụng nhiên liệu B10 và kết luận
khả năng ứng dụng loại nhiên liệu B10 cho động cơ
diesel.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN
CỦA LUẬN ÁN
5.1. Ý nghĩa khoa học

3


- Xây dựng cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của việc
sử dụng nhiên liệu hỗn hợp Biodiesel B100 và DO đến
các thông số công tác chủ yếu của động cơ Diesel;
- Xác định các điều kiện mô phỏng (điều kiện ban
đầu và điều kiện biên) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu
Biodiesel B100 và DO; xác định yếu tố điều chỉnh chính
của nhiên liệu hỗn hợp cho quá trình mô phỏng thông
qua tính chất nhiên liệu là: Nhiệt trị, độ nhớt và khối
lượng riêng;
- Dẫn liệu khoa học về kết quả chạy thử nghiệm

nhiên liệu B10 trên động cơ Diesel tàu cá đặc trưng.
Những kết quả này là cơ sở khoa học trong việc nghiên
cứu năng lượng thay thế cho động cơ Diesel.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Đề xuất giải pháp sử dụng nhiên liệu hỗn hợp B10
cho động cơ Diesel;
- Đề xuất công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu
động cơ Diesel sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp B10,
góp phần khai thác nhiên liệu sinh học sẵn có cho động
cơ Diesel tàu cá, thay thế một phần nguồn nhiên liệu
truyền thống.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho việc
hoàn thiện sổ tay hướng dẫn sử dụng nhiên liệu Biodiesel
đúng kỹ thuật, tránh các hư hỏng về máy móc động cơ,
tiết kiệm về mặt năng lượng và thực hiện tốt các chương
trình mục tiêu quốc gia về ứng phó với biến đổi khí hậu.

4


6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
6.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu tài liệu về những lý thuyết hiện đại đã
và đang được phát triển trên thế giới về các quá trình
phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháy trong động
cơ Diesel khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel;
- Phân tích lựa chọn mô hình toán hợp lý, ứng dụng
để nghiên cứu sự thay đổi các thông số công tác của động
cơ Diesel khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp B10;
- Mô phỏng ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp B10

đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ Diesel
tàu cá.
6.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Xác định các thông số nhiệt động của nhiên liệu B10;
- Khảo sát thông số công tác chủ yếu của động cơ
Diesel tàu cá khi sử dụng nhiên liệu B10 trên bệ thử so
với khi động cơ sử dụng nhiên liệu DO.
7. KẾT CẤU LUẬN ÁN
Luận án có kết cấu gồm 4 chương và phần kết luận,
kiến nghị:
Chương 1. Tổng quan về sử dụng nhiên liệu
biodiesel và lựa chọn động cơ nghiên cứu.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết và mô hình toán mô tả
ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến các thông số
công tác chủ yếu của động cơ diesel.
Chương 3. Đánh giá các thông số công tác của động
cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu B10 bằng mô phỏng số.

5


Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nhiên
liệu biodiesel từ mỡ cá da trơn cho động cơ Cummins
NTA855 của tàu cá.
Kết luận và kiến nghị.
8. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN
Luận án chưa nghiên cứu đến quy luật cung cấp
nhiên liệu, thực nghiệm đo phát thải NOx, bồ hóng và
tình trạng kỹ thuật theo thời gian sử dụng của động cơ
khi dùng nhiên liệu Biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn.

6


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN
LIỆU BIODIESEL VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ
NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và Biodiesel
Nhiên liệu sinh học (NLSH) có nguồn gốc từ dầu
thực vật và mỡ động vật, có tiềm năng rất lớn khi làm
nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống. Ngoài chức
năng như một phụ gia tăng cường ô xy cho quá trình
cháy, giảm phát thải độc hại trong khí xả động cơ, NLSH
còn là một nguồn nhiên liệu có thể tái sinh. Bên cạnh đó,
một đặc tính thuận lợi của NLSH là dễ pha trộn với nhiên
liệu truyền thống mà không yêu cầu cao về thiết bị cũng
như năng lực sử dụng.
Nhiên liệu sinh học có nhiều loại như xăng sinh học
(Biogasoline), Diesel sinh học (Biodiesel) và khí sinh
học (Biogas) - loại khí được tạo thành do sự phân hủy
yếm khí các chất thải nông nghiệp, chăn nuôi và lâm
nghiệp. Trong các dạng trên thì chỉ có Biogasoline và
Biodiesel được quan tâm nghiên cứu, sản xuất và ứng
dụng trong quy mô công nghiệp. Học tập các quốc gia
phát triển, trên cơ sở bộ tiêu chuẩn ATSM D6751 của
Hoa Kỳ và bộ tiêu chuẩn EN 14214 của châu Âu, năm
2007 Việt Nam đã ban hành bộ tiêu chuẩn TCVN
7717:2007 (bảng 1.1) với 20 chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của
Biodiesel B100 và trở thành một trong các quốc gia đi
tiên phong ở khu vực trong việc xây dựng, phát triển và

kiểm soát sản phẩm Biodiesel.

7


Bảng 1.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của Biodiesel
B100 theo TCVN 7717
Thông số
Hàm lượng
Ester
Khối lượng
riêng tại 150C,
Điểm chớp
cháy, 0C
Nước và cặn,
% thể tích
Độ nhớt động
học tại 400C,
Tro, sulphat, %
khối lượng
Lưu huỳnh, %
khối lượng,
ppm
Ăn mòn đồng
Trị số Cetan
Cặn cacbon, %
khối lượng
Trị số axit,
mgKOH/g
Nhiệt độ

chưng cất,
90% thu hồi
Na và Ka,
mg/kg

Mức

Phương pháp
thử

min

96,5

EN 14103

kg/m3

860-900

TCVN 6594

min

13,0

TCVN 2693

max

0,05

ASTM D2709

cSt

1,9-6

TCVN 3171

max

0,02

TCVN 2689

max

0,05

ASTM D5453

min

No1
47

TCVN 2694
TCVN 7630

max

0,05

ASTM D4530

max

120

EN 1411

max

360

ASTM D1160

max

5,0

EN 1408

Trên cơ sở TCVN 7717:2007, năm 2009 Việt Nam
đã ban hành qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về xăng, nhiên
liệu Diesel và NLSH – QCVN 1:2009/BKHCN với 11

8

chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 (bảng 1.2).
Bên cạnh việc công bố chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của BIO
B100, các phòng thí nghiệm trọng điểm và các trung tâm
phân tích kiểm nghiệm của Việt Nam đã đầu tư và hoàn
thiện các bộ thí nghiệm để phân tích đánh giá các mẫu
dầu theo yêu cầu.
Bảng 1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của Biodiesel
B100 Theo QCVN 1:2009/BKHCN
Tên chỉ tiêu
Hàm lượng Este metyl axit
béo (FAME), % khối
lượng, không nhỏ hơn
Nước và cặn, % thể tích,
không lớn hơn
Độ nhớt động học tại
400C, mm2/s
Tro sulphát, % khối lượng,
không lớn hơn
Lưu huỳnh, % khối lượng,
không lớn hơn
Trị số Cetan, không nhỏ
hơn
Trị số axit, mg KOH/g,
không lớn hơn
Độ ổn định ô xy hoá, tại
1100C, h, không nhỏ hơn
Glycerin tự do, % khối
lượng, không lớn hơn
Glycerin tổng, % khối

lượng, không lớn hơn
Phospho, % khối lượng,
không lớn hơn

Mức
96,5

Phương pháp thử
TCVN 7868
(EN 14103)

0,050

TCVN 7757
(ASTM D2709)
TCVN 3171
(ASTM D445)
TCVN 2689
(ASTM D874)
TCVN 7760
(ASTM D5453)
TCVN 7630
(ASTM D613)
TCVN 6325
(ASTM D664)
TCVN 7895
(EN 14112)
TCVN 7867
(ASTM D6584)
TCVN 7867

(ASTM D6584)
TCVN 7866
(ASTM D4951)

1,9 –
6,0
0,020
0,05
47
0,50
6
0,020
0,240
0,001

9


1.2. Cơ sở lựa chọn động cơ Diesel làm máy chính tàu
cá phục vụ nghiên cứu
Với diện tích biển rộng lớn và hệ thống sông nước
đa dạng ở miền Tây nam bộ, số lượng tàu cá nói chung
và phương tiện thủy nội điạ là rất lớn. Trong đó, động cơ
dùng làm máy chính cũng rất phong phú và có số lượng
tập trung vào những hãng sản xuất cụ thể, động cơ được
sử dụng chủ yếu dựa vào thương hiệu cũng như độ tin
cậy mà ngư dân đã lựa chọn. Trên cơ sở này, khảo sát ở
2 vùng có số lượng tàu cá và phương tiện thủy nội địa
lớn là: Khu vực Duyên hải Nam Trung bộ (DHNTB) và
09 tỉnh đồng bằng sông Mê kông (ĐBSMK). Theo kết

quả thống kê cho thấy, các loại động cơ phổ biến nhất
được sử dụng trên các phương tiện thủy là động cơ hãng
Cummins, Yanmar và Mitsubishi. Luận án đề xuất chọn
động cơ Cummins NTA855 là động cơ đại diện để phục
vụ nghiên cứu.
1.3. Kết luận chương 1
Thông qua đặc điểm và tính chất của nhiên liệu
Biodiesel nói chung và Biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá
da trơn nói riêng cũng như tham khảo các nghiên cứu
trong và ngoài nước, có thể thấy:

10


(1) Việt Nam là quốc gia có ưu điểm về địa lý để
phát triển thủy hải sản, đây là yếu tố quan trọng tạo
tiềm năng lớn trong việc tổng hợp nguyên liệu để sản
xuất biodiesel từ mỡ cá;
(2) Nhiên liệu biodiesel sử dụng cho các động cơ
diesel phương tiện đánh bắt thủy sản đang lưu hành sẽ
góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu ô
nhiễm môi trường, đồng thời phát triển kinh tế về ngư
nghiệp tại Việt Nam;
(3) Mặc dù đã có những nghiên cứu tương đối hoàn
chỉnh ở mức tỷ lệ pha trộn thấp 5% (B5) nhưng chưa đa
dạng về nguồn nguyên liệu (chủ yếu từ dầu thực vật). Do
vậy, nghiên cứu biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá sẽ góp
phần bổ sung nguồn nhiên liệu cho động cơ diesel, trong
đó có động cơ diesel làm máy chính tàu cá.
(4) Theo nghị định 53/2012/QĐ-TT của thủ tướng

chính phủ ban hành ngày 22/11/2012 khuyến khích sử
dụng dầu biodiesel B5 và B10 cho động cơ diesel, nên
NCS đề xuất sử dụng tỉ lệ phối trộn 5%, 10% và 15% để
nghiên cứu. Trong đó, tỷ lệ 10% (B10) được trình bày
trong phần chính của Luận án, các tỷ lệ nghiên cứu còn
lại trình bày trong Phụ lục nhằm bổ sung cơ sở khoa học
khi đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel từ mỡ
cá da trơn đến các thông số làm việc chủ yếu của động cơ.

11


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH
TOÁN MÔ TẢ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU
BIODIESEL ĐẾN CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC
CHỦ YẾU CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
2.1. Các thông số công tác chủ yếu của động cơ Diesel
Các thông số công tác chủ yếu của động cơ gồm:
Công suất, hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu có ích và
phát thải khí xả. Trong đó, áp suất cháy cực đại (pz) và
nhiệt độ khí xả (Tx) đại diện cho tải trọng cơ và nhiệt của
động cơ, phản ánh đặc tính quá trình cháy và liên quan
đến các thông số vừa nêu. Khi quá trình cháy xảy ra trong
động cơ, sự tỏa nhiệt được thể hiện ở các giai đoạn như
trên hình 2.1. Ở giai đoạn đầu, tốc độ cháy thường rất
cao và kéo dài khoảng vài độ góc quay trục khuỷu. Giai
đoạn này tương ứng với việc gia tăng nhanh chóng áp
suất trong xi lanh và đạt độ lớn của đỉnh đầu tiên trên đồ
thị tốc độ cháy. Giai đoạn 2 tương ứng với việc giảm đều
đặn tốc độ tỏa nhiệt, đây là giai đoạn tỏa nhiệt chính và

kéo dài khoảng 400 góc quay trục khuỷu (gqtk). Giai
đoạn 3 tương ứng với phần đuôi của đồ thị tỏa nhiệt, kéo
dài trong phần lớn kỳ giãn nở.

12


-

Hình 2.1. Biến thiên áp suất p, tốc độ phun nhiên
liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn
2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ Diesel
Dựa trên lý thuyết về nhiên liệu, những chất cháy
được và toả ra nhiều nhiệt thì được sử dụng làm nhiên
liệu. Tuy nhiên không phải chất nào cháy được và toả ra
nhiều nhiệt cũng được sử dụng làm nhiên liệu cho động
cơ, nó còn phải thỏa mãn một số điều kiện sau:
Phải có số lượng nhiều trong tự nhiên để cung cấp lâu
dài cho việc sử dụng;
Có năng suất toả nhiệt lớn;
Sản phẩm cháy ít gây ảnh hưởng tới môi trường, đặc biệt
là con người;
An toàn dễ sử dụng và vận chuyển;
Đáp ứng được công nghệ.
Nhiên liệu Diesel truyền thống là sản phẩm được
chưng cất từ dầu mỏ, nhiên liệu Biodiesel từ mỡ cá là sản

13

phẩm được sản xuất từ mỡ cá, có các tính chất tương tự
như DO nhưng có ít hàm lượng lưu huỳnh, thành phần
các bon thấp, chứa nhiều ô xy và giảm thiểu ô nhiễm khí
xả hơn so với nhiên liệu DO.
2.3. Ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên liệu BIO đến
các thông số công tác chủ yếu của động cơ Diesel
Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu Biodiesel từ mỡ
cá đến quá trình phun, hình thành hỗn hợp cháy chủ yếu
là độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt và khả năng
bay hơi.
Trong quá trình phun nhiên liệu, thông số dòng
chảy trong lỗ vòi phun có phụ thuộc rất nhiều vào độ
nhớt và khối lượng riêng của nhiên liệu, qua đó ảnh
hưởng đến quá trình phân tán hạt và hình thành hỗn hợp
cháy:
- Nhiệt trị của nhiên liệu quyết định lượng cấp nhiệt
cho chu trình và do đó ảnh hưởng đến các thông số công
tác chủ yếu của động cơ;
- Cấu trúc của tia phun nhiên liệu phụ thuộc vào
các tính chất vật lý của nhiên liệu, đáng kể nhất là: Độ
nhớt, khối lượng riêng (kéo theo sức căng bề mặt và tính
bay hơi). Cấu trúc này quyết định chất lượng hình thành
hỗn hợp cháy và do đó chi phối chất lượng quá trình
cháy, ảnh hưởng trực tiếp đến thông số công tác chủ yếu
của động cơ Diesel.
Hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của
động cơ cũng đồng nghĩa với khái niệm " tính tiết kiệm

14

nhiên liệu" của nó. Trong đó, Nhiệt trị phản ánh lượng
nhiệt cấp cho chu trình, có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc
độ tỏa nhiệt theo công thức 2.1, qua đó ảnh hưởng đến
thông số công tác của động cơ.
m

   SOC 
dQf
 Qf ,totala(m  1) 
 e
d

CD 


 SOC 
a

 CD 

m1

(2.1)

Ở đây, a và m: hệ số của phương trình Vibe, φSOC:
góc bắt đầu cháy; CD : thời gian cháy (0gqtk); φ: φSOC <
φ < φSOC + ΔφCD.
Trong thực tế khai thác, lượng nhiên liệu do động
cơ tiêu thụ trong một đơn vị thời gian được gọi là lượng

tiêu thụ nhiên liệu giờ (Ge). Lượng nhiên liệu do động cơ
tiêu thụ để sinh ra một đơn vị công suất có ích trong một
đơn vị thời gian được gọi là lượng tiêu thụ nhiên liệu
riêng có ích (gọi tắt là suất tiêu thụ nhiên liệu - ge).

ge 

Ge
Ne

(2.2)

Tốc độ lưu lượng phun nhiên liệu trong 1 giờ ( minj )
xác định lượng tiêu hao nhiên liệu giờ Ge của động cơ,
minj tính theo công thức 2.3. Khi đó, lượng tiêu thụ nhiên
liệu riêng có ích tính theo công thức 2.4:

minj  Ah .vl .l

ge 

(2.3)

A h .Cd
A .C
. 2l (pinj  pc )  h d . 2l .p (2.4)
Ne
Ne
15

Trong các công thức trên, Ah: diện tích mặt cắt lỗ
phun; Cd: hệ số giãn dòng vòi phun; ρl: khối lượng riêng
nhiên liệu; pinj: áp suất phun; pc: áp suất cuối kỳ nén (áp
suất trong xi lanh tại thời điểm phun nhiên liệu); ge: suất
tiêu thụ nhiên liệu có ích; Ge: lượng tiêu thụ nhiên liệu
giờ; Ne: công suất có ích của động cơ. Đơn vị của Ge là
[kg/h] hoặc [lít/h]; đơn vị của ge là [g/kW. h] hoặc [g/HP. h].
2.4. Kết luận chương 2
Nội dung chương 2 đã phân tích, dẫn chứng khoa học
để đưa ra những kết luận sau:
1) Cấu trúc của tia phun nhiên liệu phụ thuộc vào
các tính chất vật lý của nhiên liệu, đáng kể nhất là: Độ
nhớt, khối lượng riêng (kéo theo sức căng bề mặt và
tính bay hơi). Cấu trúc này quyết định chất lượng hình
thành hỗn hợp cháy và do đó chi phối chất lượng quá
trình cháy, ảnh hưởng trực tiếp đến thông số công tác
chủ yếu của động cơ diesel.
(2) Trên cơ sở phân tích lý thuyết và các mô hình
toán có liên quan đến tính chất nhiên liệu đã được trình
bày, các mô hình toán cơ bản trong chương 2 sẽ được sử
dụng để mô phỏng quá trình cháy và hình thành phát thải
của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel có nguồn
gốc từ mỡ cá. Quá trình nghiên cứu tiếp theo sẽ được
NCS làm rõ trong chương 3.

16


Chương 3. ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ CÔNG

TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KHI SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU B10 BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
3.1. Phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu phát
triển động cơ
Cải thiện tính năng động cơ đốt trong ngày càng tốt
hơn là một nhiệm vụ phức tạp, chỉ có thể đạt được bằng
kết hợp đồng thời thực nghiệm và mô phỏng. Mặc dù các
thông số mô phỏng có thể không chính xác như thực
nghiệm, nhưng phương pháp này vẫn có những ưu điểm
nổi trội và hữu ích cho việc phát triển động cơ. Trên quan
điểm này, đây là phương pháp “không thể thiếu” hiện
nay tại các trung tâm nghiên cứu lớn trên thế giới, đặc
biệt khi tiến hành các nghiên cứu về biến đổi thông số
làm việc, năng lượng thay thế vì hiệu quả cao và có thể
nghiên cứu trên nhiều mẫu động cơ khác nhau. Các ưu
điểm chính của phương pháp mô phỏng là:
- Có thể thay đổi dễ dàng tất cả các thông số cần
nghiên cứu.
- Có thể áp đặt các điều kiện ban đầu trên một dải
rộng.
- Có thể nghiên cứu tách biệt từng quá trình con
trong tổng thể quá trình cháy.
- Có thể trích xuất thông tin liên quan một cách
chi tiết ở mọi thời điểm.
- Hiệu quả cao về thời gian và chi phí.

17


3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Cummins

NTA855 sử dụng nhiên liệu B10
Phần mềm mã nguồn mở CFD code KIVA–3V
được phát triển nhiều năm qua tại Phòng thí nghiệm quốc
gia Los Alamos (Los Alamos National Laboratory –
LANL) Hoa Kỳ, là chương trình mã nguồn mở sử dụng
ngôn ngữ Fortran mô phỏng 2D và 3D các dòng lưu chất
chảy rối với tia phun có phản ứng hóa học như mô phỏng
quá trình cháy của động cơ đốt trong. Khi tính toán mô
phỏng, việc giải chỉ một phương trình bảo toàn khối
lượng không còn đủ mà phải là hệ phương trình bảo toàn
cho từng chất.
Phương trình bảo toàn khối lượng:

m (m u i )   (m / )  s
c

 D
  m  m (3.1)
t
x i
x i 
x i 
Phương trình bảo toàn động lượng:

 (u j )
t





1 p
u i u j  ij    2

x i
 x j

2   k 
F  g j  A 0
3 x i

, j = 1,2,3

(3.2)

s
j

Phương trình bảo toàn năng lượng:

 T T 
 2T  
(m / ) 
cp  
k 2 
  D  hm

x i x i 
x i 
m
 t x i 

 A 0  Qs  Qc
(3.3)

18


Để xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng,
ngoài các thông số cơ bản của động cơ về hệ thống nhiên
liệu, kết cấu buồng cháy, thì thông số hình học của buồng
cháy đặc biệt là phần biên dạng Omega phải đầy đủ các
kích thước để có thể tạo lưới mô phỏng. Bên cạnh đó là
một số thông số thực nghiệm ở tình trạng hiện tại của
động cơ như công suất, áp suất, nhiệt độ. Sau khi hiệu
chỉnh mô hình mới có thể thay đổi các thông số đầu vào
(đặc tính nhiên liệu) để xác định đầu ra (đồ thị công,
nhiệt độ, tốc độ tỏa nhiệt…). Lưới mô hình được thể hiện
trên hình 3.1.

a) Hình chiếu không gian
b) Nhìn từ trên
Hình 3.1. Lưới mô phỏng buồng cháy động cơ
Cummins NTA855
3.3. Kết quả mô phỏng
Phun và hình thành hỗn hợp cháy: Hình 3.2 biểu
thị quá trình phun và cấu trúc tia phun của nhiên liệu B10
so với DO ở chế độ 1200 v/p. Trong đó cho thấy ở cùng
điều kiện phun của động cơ, tia nhiên liệu DO có cấu
trúc phát triển tốt hơn. Kết quả này phù hợp với những
phân tích lý thuyết và các nghiên cứu liên quan đến tính
chất của nhiên liệu đã được công bố trước đây.

19


Thời điểm 150BTDC
(sau khi phun 30CA)

Thời điểm 130BTDC
(sau khi phun 50CA)

Hình 3.2. Cấu trúc tia phun nhiên liệu B10 so với DO
Sự biến thiên áp suất cháy trong xi lanh: Hình 3.3
trình bày quy luật biến thiên áp suất cháy trong xi lanh
của các mẫu nhiên liệu. Hình 3.4, hình 3.5 thể hiện biến
thiên công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
khi sử dụng nhiên liệu B10.

Hình 3.3. Quy luật biến thiên áp suất cháy trong xi
lanh của các mẫu nhiên liệu

20


Hình 3.4. Đặc tính công suất của động cơ sử dụng
nhiên liệu B10 so với DO

Hình 3.5. Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu của động
cơ sử dụng nhiên liệu B10 so với DO
Biến thiên nhiệt độ và tốc độ tỏa nhiệt: Tốc độ tỏa
nhiệt của nhiên liệu B10 so với DO không sai biệt nhiều

(hình 3.6), điều này phù hợp với đồ thị nhiệt độ cháy như

21