Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu ...

Tài liệu Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường (tiếng việt)

.PDF
27
674
108

Mô tả:

1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Tuỳ thuộc vào phương thức sản xuất và sử dụng, nhiên liệu sinh học có thể phân làm 4 nhóm chính như sau: NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIOFUELS DIESEL SINH HỌC Biodiesel DẦU THỰC VẬT NGUYÊN GỐC - SVO Straight Vegetable Oil NHIÊN LIỆU SINH KHỐI Biomass ETHANOL Hiện nay có thể chia công nghệ sử dụng mỡ động vật và dầu thực vật làm nhiên liệu (với tỷ lệ thích hợp) cho động cơ diesel thành hai hướng chính: (1). Xử lý về mặt hoá học để mỡ động vật và dầu thực vật có được những tính chất tương đương với diesel dầu mỏ (DO). Dầu qua xử lý như vậy gọi là biodiesel. (2). Xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu DO. Theo hướng này, công nghệ chủ yếu theo 2 nhánh sau: - Thứ nhất, chế tạo bộ chuyển đổi thành hệ thống nhiên liệu kép hoặc chế tạo bộ phun nhiên liệu chuyên dùng cho SVO thành hệ thống nhiên liệu đơn. - Thứ hai, tạo hỗn hợp dầu thực vật với dung môi có độ nhớt thấp (như: dầu hỏa, ethnol, dầu diesel...), và chất phụ gia đạt tiêu chuẩn nhiên liệu dùng cho động cơ diesel. Trong đề tài này, NCS chọn giải pháp tạo hỗn hợp vì: - Việc chế tạo, lắp đặt thêm bộ chuyển đổi hoặc bộ phun chuyên dùng SVO có khả năng sử dụng đến 100% dầu thực vật nguyên chất nhưng sẽ làm đội giá thành hệ thống nhiên liệu, gây phức tạp trong sử dụng. - Không cần có nhà máy xử lý với quy mô công nghiệp như biodiesel, hiện giá thành thiết bị còn rất cao (30.000 EU cho thiết bị có năng suất 50lít/ mẻ). Mặt khác, biodiesel dễ bị nhiễm khuẩn làm giảm sút chất lượng, dầu biodiesel làm hư hỏng vật liệu tổng hợp PVC, các ống dẫn cao su, vòng đệm. Chưa tìm thấy công trình nào công bố tác hại tương tự khi sử dụng công nghệ tạo hỗn hợp. - Sử dụng trực tiếp dầu thực vật từ các cơ sở sản xuất dầu hiện có, đặc biệt là dầu không ăn được, tạo hỗn hợp với chất phụ gia và nhiên liệu DO sẽ hạ giá đầu vào nhiên liệu. Giải pháp này không đòi hỏi người sử dụng trình độ cao, rất phù hợp với điều kiện nước ta. Trong lĩnh vực Nông - Lâm - Ngư và giao thông ở Việt Nam, động cơ diesel được sử dụng rất phổ biến (trên 90%). Đến tháng 10/2011 cả nước có gần 500.000 máy kéo các loại sử dụng trong nông nghiệp, với tổng công suất trên 5 triệu mã lực (cv); 580.000 máy tuốt đập lúa; 17.992 máy gặt lúa các loại...Đến cuối năm 2008, số lượng tàu cá Việt Nam lên đến 128.000 chiếc với tổng công suất trên 6.784.000 cv (bình quân 53 cv/chiếc). Ngoài ra, tàu giao thông vận tải đường sông, dịch vụ du lịch... cũng có số lượng rất lớn. Như vậy, nếu dùng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel sẽ tiết kiệm được một lượng ngoại tệ lớn cho quốc gia và hạn chế ô nhiễm môi trường. 2 Dầu thực vật Việt Nam được chế biến từ các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật gồm: đậu nành, đậu tương, đậu phụng (lạc), vừng, dừa, cám gạo…trong đó phổ biến nhất là dầu dừa. Dầu dừa có độ nhớt, khối lượng riêng, điểm chớp lửa thấp nhất, chỉ số cetan cao nhất. Đây là lợi điểm đáng kể khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế, hơn nữa sản lượng dầu dừa đứng đầu trong 3 loại dầu thực vật phổ biến ở Việt Nam. Gần đây xuất hiện thêm một số loại dầu không ăn được như: dầu cây cọc rào (jatropha), dầu cây rong tảo,…đầy tiềm năng nhưng chưa thành thương phẩm. Từ những luận cứ trên, thấy rằng: “Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường” là rất cấp thiết trong bối cảnh hiện nay. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường trên động cơ diesel, từ đó xác định công thức hỗn hợp làm tham số đầu vào cho việc thiết kế Hệ thống nhiên liệu chuyển đổi. Để giải quyết mục tiêu của đề tài, NCS đặt ra giả thuyết: - Động cơ diesel có thể hoạt động được nếu sử dụng nhiên liệu mới có tính chất (chủ yếu là độ nhớt và chỉ số cetan) tương đương nhiên liệu truyền thống. - Chỉ tiêu kinh tế, môi trường của động cơ thay đổi theo tính chất nhiên liệu. 3. Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ diesel 4. Phạm vi nghiên cứu: Hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: 1. Về khoa học - Xây dựng cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa, dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel; Xác lập công thức tính và xây dựng các thông số nhiệt động cho nhiên liệu hỗn hợp: dầu dừa, dầu diesel và chất phụ gia làm nhiên liệu cho 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 dầu dừa với dầu diesel; Xác định yếu tố điều chỉnh chính của nhiên liệu hỗn hợp cho quá trình mô phỏng là thời gian phun và thời gian cháy trễ thông qua tính chất nhiên liệu là độ nhớt và chỉ số cetan; - Dẫn liệu khoa học về kết quả chạy thử nghiệm nhiên liệu hỗn hợp từ dầu dừa, dầu diesel và chất phụ gia trên cụm thử nghiệm chuyên dùng AVL. 2.Về thực tiễn - Đề xuất giải pháp sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho các động cơ diesel; - Chuyển đổi thành công hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia và dầu diesel. Góp phần khai thác nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel để thay thế một phần nguồn nhiên liệu truyền thống đang ngày càng khan hiếm và giảm ô nhiễm môi trường. 6. Phương pháp nghiên cứu: 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 thay thế. - Phân tích lựa chọn mô hình toán hợp lý trong ứng dụng xác định thông số của tia phun nhiên liệu dầu dừa so với nhiên liệu diesel làm cơ sở cho giải pháp sử dụng nhiên liệu hỗn hợp - Mô phỏng bằng phần mềm ảnh hưởng của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến quá trình cháy trong động cơ làm cơ sở chọn số mẫu nhiên liệu thực nghiệm 2. Nghiên cứu thực nghiệm: 3 - Xác định sự tương quan nhiệt - nhớt của các mẫu nhiên liệu hỗn hợp ứng với các tỷ lệ pha khác nhau, từ đó xác định khoảng tỷ lệ pha hợp lý. - So sánh và kiểm chứng các đặc tính công suất, đặc điểm quá trình cháy, chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ khi sử dụng dầu diesel với các mẫu nhiên liệu hỗn hợp trên băng thử chuyên dùng. 7. Nội dung nghiên cứu: 1. Tổng luận và nghiên cứu cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel; 2. Lựa chọn mô hình toán và mô phỏng bằng phần mềm quá trình phun và cháy nhiên liệu dầu dừa dầu diesel trong động cơ diesel; 3. Đánh giá ảnh hưởng khi thay đổi tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel. 8. Kết cấu Luận án Luận án được kết cấu thành 4 chương: 1. Tổng quan về sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel. 2. Cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. 3. Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel bằng phần mềm mô phỏng; 4. Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel;. 9. Hạn chế của Luận án Luận án chưa nghiên cứu giải quyết được các vấn đề có liên quan như: Công thức phân tử của nhiên liệu hỗn hợp; Độ ổn định của nhiên liệu hỗn hợp theo thời gian và điều kiện bảo quản. Chương 1- TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC CHO ĐỘNG CƠ DIESEL Khái niệm cũng như công nghệ chế biến và sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ diesel là khá rộng. Phạm vi của đề tài này chỉ đề cập đến nhiên liệu lỏng: biodiesel và SVO. 1.1. Sử dụng nhiên liệu biodiesel Biodiesel là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Về phương diện hóa học thì biodiesel là methyl ester của những axít béo. Nguyên liệu sản xuất biodiesel từ động vật là mỡ cá tra, cá basa, mỡ gà,… còn từ thực vật: dầu dừa, dầu đậu nành, dầu hạt cải, dầu hướng dương, dầu mè, dầu lạc,… Ưu điểm chính của là có thể sử dụng trong các động cơ diesel thông dụng mà không cần cải tạo lớn, biodiesel hoà trộn tốt với nhiên liệu DO. Nhược điểm chính của biodiesel là: - Phải xử lý hoá học, đầu tư dây chuyền công nghệ làm gia tăng giá thành nhiên liệu. - Biodiesel hoạt động như một chất hoà tan, nên pha vào dầu diesel (DO) không tương thích với một số loại hợp chất nhựa tổng hợp và cao su tự nhiên. - Dầu diesel sinh học có tốc độ lão hoá cao 1.2. Sử dụng trực tiếp dầu thực vật làm nhiên liệu (SVO) Bên cạnh biodiesel còn có nhiều công trình nghiên cứu lắp đặt thêm cụm thiết bị chuyển đổi để động cơ diesel có thể hoạt động trực tiếp với dầu thực vật hoặc hỗn hợp giữa chúng với chất pha mà không cần chế biến thành biodiesel. Công nghệ này được gọi là “sử dụng trực tiếp dầu thực vật” (Straight Vegetable Oil) gọi tắt là SVO. 1.2.1. Sử dụng dầu thực vật nguyên chất. 4 Theo cách này, dầu thực vật có thể được sử dụng trực tiếp cho các động cơ diesel không cần sử dụng phụ gia hoặc xử lý hoá học như biodiesel. SVO cho các động cơ diesel trên thế giới được chiết xuất từ hạt cải, hạt hướng dương, đậu tương, cọ, dừa, đậu phụng,… Từ những năm 1970, nhiều công trình nghiên cứu cải tiến động cơ diesel để sử dụng SVO. Công ty Elsbett (Đức) đã đi tiên phong về công nghệ này, động cơ "Elsbett" của công ty này là động cơ ô tô diesel đầu tiên trên thế giới sử dụng SVO. Tổng hợp các nghiên cứu sử dụng SVO rút ra kết luận: “100% các loại dầu thực vật chưa xử lý không thể làm nhiên liệu thay thế hợp lý cho nhiên liệu diesel” Công nghệ sử dụng trực tiếp dầu thực vật chủ yếu là hâm nóng kết hợp pha loãng dầu để đạt được độ nhớt tương đương với nhiên liệu DO. Điều này giúp cho chất lượng phun dầu tốt và kết quả là quá trình cháy trong động cơ hoàn toàn hơn. Hiện nay, trên thế giới phổ biến có hai loại hệ thống nhiên liệu dùng SVO: Hệ thống nhiên liệu kép; Hệ thống nhiên liệu chỉ có SVO. 1.2.1.1. Hệ thống nhiên liệu kép: Đây là loại hệ thống dùng nhiên liệu DO để khởi động và dừng động cơ đúng qui cách như động cơ dùng nhiên liệu diesel truyền thống. Theo hướng này, các công trình của PGS.TS Nguyễn Thạch - Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp.HCM đã cho những kết quả tốt. Giải pháp này phù hợp với trạm Diesel - Máy phát điện có công suất vừa và lớn. 1.2.1.2. Hệ thống nhiên liệu chỉ có SVO: Các động cơ có bộ nhiên liệu bổ sung có thể chạy với 100% SVO mà không cần dùng dầu diesel. Hầu hết, chúng đặc trưng bởi vòi phun, bơm nhiên liệu bổ sung và bộ lọc phụ. Giải pháp này can thiệp sâu vào kết cấu động cơ, thậm chí chỉ thích hợp cho động cơ thiết kế mới. 1.2.2. Sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật và chất pha. Nội dung nghiên cứu chính là xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu diesel truyền thống (DO). Theo hướng này, công nghệ chủ yếu là: 1.2.2.1. Pha dầu thực vật với dung môi hòa tan có độ nhớt thấp Nhánh này đã có một số nghiên cứu của: Ao Hùng Linh (2005). Ứng dụng dầu dừa làm nhiên liệu cho động cơ diesel DS-60R. Hồ Đức Tuấn (2008). Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất pha Ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu dầu dừa – Ethanol đến một số thông số kỹ thuật cơ bản của động diesel. NCS đã có công trình: Nghiên cứu thử nghiệm dầu thực vật Việt Nam làm nhiên liệu cho động cơ diesel tàu cá cỡ nhỏ, Đề tài NCKH cấp bộ B2006-13-09. Dung môi sử dụng trong các đề tài trên là dầu hỏa và ethanol, tùy theo tỷ lệ pha, hỗn hợp có thể cần sấy nóng hoặc không. 1.2.2.2. Pha dầu thực vật và chất phụ gia với dầu diesel (DO) Xuất phát từ cơ sở lý thuyết nhiên liệu dùng cho động cơ diesel; sự hình thành hỗn hợp cháy và cháy nhiên liệu trong động cơ, hai vấn đề cần ưu tiên giải quyết khi sử dụng nhiên liệu thay thế là: a/ Xử lý độ nhớt: 100% hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel sử dụng trong lĩnh vực Nông-LâmNgư hiện tại dùng dầu diesel độ nhớt thấp. Hệ thống này không thể hoạt động với nhiên liệu có độ nhớt cao hơn tiêu chuẩn DO. Nhiên liệu hỗn hợp do có mặt dầu thực vật độ nhớt cao, vì vậy cần phải: - Một là, pha dầu thực vật vào dầu diesel với tỷ lệ đủ nhỏ để độ nhớt vẫn nằm trong giới hạn tiêu chuẩn của nhiên liệu DO mà không cần gia nhiệt. - Hai là, pha dầu thực vật vào dầu diesel với tỷ lệ đủ lớn nhưng công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ không quá phức tạp, không can thiệp vào kết cấu động cơ và giá thành chấp nhận được. Theo lựa chọn này buộc phải sấy nóng hỗn hợp đến nhiệt độ nhất định để độ nhớt đạt tiêu chuẩn. 5 b/ Cải thiện chất lượng quá trình cháy: Nhìn chung, chất lượng quá trình cháy giảm khi tăng tỷ lệ dầu thực vật, vì vậy cần pha chất phụ gia vào hỗn hợp. Chất phụ gia phải chọn theo tiêu chí giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Theo nhánh này, NCS đã có những thành công bước đầu trong đề tài NCKH cấp bộ B2009-13-42: Nghiên cứu công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel tàu thủy cỡ nhỏ sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa, chất phụ gia và dầu DO Tóm lại, từ kiến giải trên, nổi rõ vấn đề cần nghiên cứu: Xác định tỷ lệ pha dầu thực vật hợp lý vào dầu diesel (có phụ gia) để hỗn hợp này có thể làm nhiên liệu cho động cơ diesel, thỏa mãn các chỉ tiêu kinh tế và môi trường. Vì vậy: “Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường” là đề tài mà NCS sẽ trình bày trong Luận án này. Nội dung nghiên cứu đã trình bày ở phần Mở đầu Tiến trình nghiên cứu sẽ thực hiện theo sơ đồ trên Hình 1-2. SƠ ĐỒ KHỐI QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU B100 (SVO) Chỉ tiêu kinh tế Mục tiêu T 0C 0 ge Nội dung nghiên cứu ηt x%+Pg 1 x1 B00 (DO) 2 3 x2 Chỉ tiêu môi trường NOx K% % HC COx Hình 1-1. Sơ đồ khối quá trình nghiên cứu Trong đó: x1%: Cận dưới của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel (không gia nhiệt) sao cho độ nhớt nằm ở giới hạn trên của tiêu chuẩn dầu diesel. x2%: Cận trên của tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel và gia nhiệt hỗn hợp đến 800C (trên nhiệt độ này độ nhớt giảm không đáng kể), tỷ lệ đủ lớn nhưng độ nhớt vẫn nằm trong tiêu chuẩn dầu diesel. x% (x1, x2): tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel có gia nhiệt làm các mẫu nhiên liệu thử nghiệm. Pg: Chất phụ gia; T(0C): Nhiệt độ sấy hỗn hợp. 6 Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU DỪA VÀ DẦU DIESEL LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL Với động cơ diesel (do nén áp suất cao, nhiên liệu tự bốc cháy) ngoài đặc điểm cấu tạo động cơ thì tính chất nhiên liệu có ý nghĩa quyết định đặc tính phun, chất lượng hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải trong động cơ. Điều đó cũng có nghĩa là, các chỉ tiêu công tác mà chủ yếu là chỉ tiêu kinh tế và môi trường phụ thuộc vào tính chất loại nhiên liệu sử dụng. Như đã trình bày ở phần Tổng quan, chủ ý của NCS khi sử dụng nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel là không can thiệp vào kết cấu động cơ mà chỉ lắp thêm bộ tạo hỗn hợp vào Hệ thống nhiên liệu. Và như thế, theo mô tả trên sơ đồ ở Hình 2-1, khi cô lập kết cấu động cơ và tham số của hệ thống nạp, các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ chỉ còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu. Nghiên cứu mối quan hệ này cũng chính là mục tiêu của đề tài Luận án. Với lập luận như vậy, phần cơ sở lý thuyết sẽ trình bày các ý cơ bản sau: - Trên cơ sở lý thuyết về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel chỉ ra những thông số cần xử lý khi dùng dầu dừa làm nhiên liệu thay thế. - Phân tích ảnh hưởng của các thông số: độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt… của nhiên liệu đến cấu trúc tia phun. Sự ảnh hưởng này được mô tả bằng các biểu đồ và công thức toán học, làm cơ sở phân tích cấu trúc tia phun và hình thành giải pháp sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu. - Nội dung quan trọng tiếp theo là cơ sở lý thuyết về hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải, bao gồm: các biểu đồ, mô tả toán học, mô hình…Trên cơ sở đó, với sự hỗ trợ của máy tính thông qua phần mềm chuyên dụng giúp nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường bằng mô phỏng (Chương 3). Cơ sở lý thuyết này còn cho phép lý giải kết quả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường (Chương 4). 2.1. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel Các chỉ tiêu cơ bản của nhiên liệu diesel gồm: 2.1.1. Độ nhớt 2.1.2. Nhiệt trị 2.1.3. Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy. 2.1.4. Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc. 2.1.5. Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu Để định lượng tính bốc cháy của nhiên liệu, có thể sử dụng các đại lượng: 2.1.5.1. Thời gian cháy trễ (τi) 2.1.5.2. Số cetan 2.1.6. Khối lượng riêng 2.1.7. Tính bay hơi 2.1.8. Sức căng bề mặt. Sức căng bề mặt (σ) là thông số quan trọng ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tia phun nhiên liệu. Ngoài ra, nhiên liệu diesel còn có một số tính chất khác nhưng không hoặc ảnh hưởng rất ít đến cấu trúc tia phun nên không được xem xét ở đây. 2.2. Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu và cấu trúc tia phun nhiên liệu dầu dừa trong động cơ diesel 2.2.1. Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel 2.2.1.1. Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng 7 Không khí Nhiên liệu EGR Đặc tính tăng áp Tính chất nhiên liệu Kết cấu cửa nạp Đặc điểm chuyển động của không khí (xoáy, rối) Hệ thống phun Đặc điểm quá trình phun (Quy luật phun, thời điểm phun) Kết cấu buồng đốt Cấu trúc tia phun (phân bố hạt, sự xâm nhập tia phun, góc nón phun) Đặc tính bay hơi Hỗn hợp nhiên liệu, không khí Đặc tính trễ phun Sự bốc cháy Cháy trễ Cháy trước một phần hòa khí Quá trình cháy Cháy khuếch tán Truyền nhiệt Khuếch tán của sản phẩm cháy Hiệu suất nhiệt NOx Bồ hóng Phát thải Khí xả HC Hình 2-1. Sơ đồ mô tả sự hình thành hỗn hợp và cháy nhiên liệu của động cơ diesel Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng phụ thuộc vào vận tốc tương đối và các thuộc tính của chất lỏng và khí bao quanh, sự phá vỡ của tia phun chất lỏng được quy định bởi các cơ chế phân rã khác nhau. Các cơ chế này thường được đặc trưng bởi khoảng cách giữa miệng lỗ phun tới điểm hình thành giọt nhỏ đầu tiên, gọi là độ dài phân rã và kích thước của các giọt nhỏ được tạo ra. Có thể chia thành bốn giai đoạn phân rã tia phun, giai đoạn Rayleigh, giai đoạn nhiễu loạn sơ cấp, giai đoạn nhiễu loạn thứ cấp và giai đoạn tán nhỏ hạt (phun sương). 8 Hình 2-2 là sơ đồ Ohnesorge (Ohnesorge W., 1931), ở đó Z là hàm của của Re. Với điều kiện ổn định, phân biệt được sự khác nhau giữa bốn cơ chế phân rã tia phun. Tuy nhiên, chỉ mô tả các tính chất pha lỏng trong các cơ chế trên là không đủ, vì sự xé tơi hạt (phun sương) có thể được tăng cường bằng cách tăng mật độ khí. Hình 2-2. Sơ đồ Ohnesorge: Cơ chế phá vỡ tia phun Vì vậy, Reitz (Reitz R.D., Bracco F.V. - 1986) đề cập tỷ lệ mật độ khí/lỏng và mở rộng sơ đồ Ohnesorge hai chiều thành ba chiều như Hình 2-3. Hình 2-3. Sơ đồ ảnh hưởng của mật độ khí đến sự phá vỡ tia phun Hình 2-4. Sơ đồ mô tả cơ chế phá vỡ tia phun 2.2.1.2. Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng Nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng, cơ chế phá vỡ giọt phụ thuộc vào số Weber khác nhau. Hình 25 cho thấy tóm tắt cơ chế phân rã giọt, tại số Weber rất thấp gần giá trị Weg = 12, giọt biến dạng không phân rã. Kết quả sự phân rã của giọt do biến dạng giống như một cái túi. Tại bề mặt hình thành giọt lớn, trong khi phần còn lại của túi vỡ thành các giọt nhỏ hơn, kết quả có 2 phương thức phân bố kích thước. 9 Hình 2-5. Cơ chế phá vỡ giọt theo Wierzba (Wierzba A., 1993) 2.2.1.3. Cấu trúc của tia phun trong động cơ Hình 2-6. Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón Ngay sau khi rời khỏi lỗ phun, tia phun bắt đầu tách ra thành hình nón phun. Đây là sự phá vỡ đầu tiên của chất lỏng được gọi là phân rã sơ cấp và kết quả là các giọt lớn phân bố dày đặc gần các lỗ phun. Trong trường hợp phun áp suất cao, sự xâm thực tạo bọt và nhiễu loạn bên trong các lỗ phun là cơ chế phân rã chính. Sự phân rã tiếp theo tạo thành những giọt có kích thước nhỏ hơn được gọi phân rã thứ 10 cấp gây ra do lực khí động tạo bởi vận tốc tương đối giữa các giọt và khí bao quanh, như đã mô tả trong phần trước. Những thí nghiệm cơ bản và bán thực nghiệm mối quan hệ của các tham số phun có liên quan của động cơ diesel như: góc nón, độ dài tia, chiều dài phân rã, và đường kính trung bình của giọt là hàm số của điều kiện biên đã được thực hiện và công bố bởi nhiều tác giả khác nhau 2.2.2. Phân tích cấu trúc tia phun nhiên liệu dầu dừa. Sự am hiểu quá trình phân tán và đặc điểm chùm tia có ý nghĩa quan trọng để thiết kế động cơ diesel và nghiên cứu nhiên liệu thay thế, bởi vì sự cháy trong diesel phụ thuộc chặt chẽ vào chất lượng phun nhiên liệu vào trong buồng đốt. Hình 2-7 mô tả các thông số chính của tia nhiên liệu. Chiều dài chùm tia S, chiều dài phân rã Lb cho ta khái niệm sự phân tán của chùm tia nhiên liệu. Góc nón chùm tia 2θ và kích thước trung bình của các hạt nhiên liệu là kết quả của quá trình phân tán. 2.2.2.1. Chiều dài phân rã Lb: Tia nhiên liệu lỏng phun ra không phân rã ngay sau khi ra khỏi lỗ vòi phun, mà trải qua một phần nào đó của chùm tia mới phân rã thành hạt. Chiều dài đó gọi là chiều dài phân rã Lb. Chiều dài của Lb khoảng (20 ÷ 30) mm. Góc phun Chiều dài phân rã- Lb Phân bổ kích cỡ giọt nhiên liệu Độ xuyên sâu - S Hình 2-7. Thông số của tia phun 2.2.2.2. Kích thước hạt nhiên liệu: Tính bằng đường kính trung bình Sauter (D32) 2.2.2.3. Chiều dài chùm tia nhiên liệu S: Chiều dài chùm tia nhiên liệu S tỷ lệ thuận với căn bậc hai của thời gian tính từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu. 2.2.2.4. Góc nón chùm tia nhiên liệu 2θ Để khảo sát về mặt lý thuyết tia phun nhiên liệu của dầu dừa so với dầu diesel, cần giả thiết rằng các điều kiện kỹ thuật của động cơ không đổi, khi đó, tính toán các thông số cơ bản của chùm tia nhiên liệu như trong Bảng 2.1. 11 Bảng 2.1: Kết quả tính toán lý thuyết các thông số cơ bản của chùm tia nhiên liệu đối với nhiên liệu diesel và dầu dừa. Thông số Mô hình tính toán Công thức tính toán Dầu diesel Dầu dừa ρl ρg 26,572 27,799 ρl d 0 ρ g ∆p 1,688 1,848 39,503 39,038 41,989 43,928 43,9415 43,9415 Reitz and Diwakar Chiều dài phân or Kelvin- rã, mm Helmholz (KH), Lb = 10d 0 1987 Thời gian phân rã, ms Đường kính trung bình Levich, 1962 tb = 29,8d 0 Hiroyasu and D32 = 2,33.103 (∆p ) Kadota, 1974 Sauter, µm −0,135 (ρ ) (Q ) 0,121 0 ,131 g 0 < t < tb Chiều dài chùm Hiroyasu and Arai, tia, mm 1980 Góc nón chùm Hiroyasu and Arai, tia, độ 1980 S = 0,39t 2∆p ρl  ρ g ∆pd 02   2θ = 0,05   µ2  g   0, 25 Trong đó: d0 – đường kính lỗ phun. Cb – hệ số, theo mô hình Levich Cb = 15,8; theo mô hình của Reitz và Diwakar or KelvinHelmholz (1987) thí nghiệm với áp suất phun cao có xảy ra hiện tượng xâm thực bọt khí thì Cb =10. D32 – Kích thước trung bình Sauter, µm; ∆p – Chênh lệch áp suất, Pa; ρg – Khối lượng riêng của không khí, kg/m3; Q – Lượng nhiên liệu phun trong một chu trình, kg/m3 Bảng 2.1 cho thấy: - Sai lệch chiều dài phân rã Lb của dầu dừa với nhiên liệu diesel không lớn (khoảng 5%). - Thời gian phân rã tb của dầu dừa lớn hơn diesel gần 9%. - Chiều dài của tia nhiên liệu trong thời gian t < tb dầu dừa lớn hơn nhiên liệu diesel gần 5%. Như vậy, có thể nhận định: - Trên quan điểm kích thước cơ bản của tia nhiên liệu thì có thể sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu cho động cơ diesel. - Chiều dài Lb của dầu dừa lớn hơn nhiên liệu diesel, như vậy cần tăng áp suất phun pph. 12 - Thời gian phân rã tb dầu dừa lớn hơn nhiên liệu diesel, đây là thông số ảnh hưởng nhiều đến thời gian cháy trễ của động cơ, vì vậy cần tăng góc phun sớm của động cơ khi chuyển sang sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu. Cần chú ý rằng, các nhận định trên được xét trong điều kiện độ nhớt của dầu thực vật nguyên chất (100% SVO) được hâm nóng đạt độ nhớt tương đương với nhiên liệu diesel. Như đã trình bày, cấu trúc (vĩ mô và vi mô) của tia phun nhiên liệu quyết định chất lượng hình thành hỗn hợp cháy (nhiên liệu và không khí) và do đó chi phối chất lượng quá trình cháy trong động cơ diesel. Cấu trúc này phụ thuộc vào thông số phun, buồng cháy và các tính chất vật lý của nhiên liệu, đáng kể nhất là: Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng mặt ngoài, tính bay hơi. Để chuyển động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu dầu dừa mà không can thiệp sâu vào kết cấu, ngoài việc cải thiện khả năng tự bốc cháy, nhất thiết phải có giải pháp để các thông số kể trên tương đồng với nhiên liệu truyền thống (DO). 2.3. Các vấn đề cần giải quyết khi sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu cho động cơ diesel Bảng 2.2: Thành phần hóa học và các chỉ tiêu nhiên liệu của dầu dừa so với dầu diesel [7] Thành phần hóa học Dầu dừa Dầu diesel 72,00 86,60 Hydro 12,00 13,40 Oxy 16,00 0,00 Tỷ lệ C/H 6,00 6,46 11,83 14,51 0,913 0,836 33,4/28,4 26,2/23,4 Cacbon Tỉ số lượng không khí/Lượng nhiên liệu (A/F) Các chỉ tiêu nhiên liệu Khối lượng riêng, (g/cm3) Sức căng bề mặt ở 200C/800C, (mN/m) Hàm lượng tro, % 0,02 ÷ 0,05 Hàm lượng iod, gI2/100g 21,3 ÷ 22,1 Độ nhớt ở 200C, (cSt) 30 ÷ 37 3÷6 28,92÷29,03 1,3-2,4 Chỉ số cetan, (CN) 40÷42 45÷50 Điểm đục, (0C) 20÷28 (-14)÷(-18) 110 60 37,1/8.875 43,8/10.478 400C Điểm chớp lửa, (0C) Nhiệt trị, (MJ/kg;Kcal/kg) 2.3.1. Về thành phần hóa học 13 Về thành phần hóa học của dầu dừa so với dầu diesel (Bảng 2.2): hàm lượng C ít hơn 14,6%, hàm lượng H ít hơn 12% còn lượng O thì lớn hơn rất nhiều (dầu diesel chỉ có vài phần ngàn O, còn dầu dừa có 16% O, cho nên dầu dừa là nhiên liệu có chứa nhiều oxy). Chính vì điều này mà dầu dừa có thể làm việc với lượng dư không khí nhỏ mà vẫn cháy hoàn toàn. Đây là một thuận lợi khi tạo hỗn hợp cháy, do quá trình tạo hỗn hợp cháy trong động cơ diesel khó đồng nhất. 2.3.2. Về các thông số nhiên liệu Về các thông số nhiên liệu có thể nhận định và xử lý như sau: 2.3.2.1. Độ nhớt Độ nhớt của dầu dừa ở nhiệt độ 200C cao hơn so với dầu diesel khoảng (6 ÷12) lần, nhưng đường cong chỉ thị độ nhớt rất dốc. a/ Các phương pháp làm giảm độ nhớt Để giảm độ nhớt của dầu dừa có thể sử dụng các phương pháp xử lý sau: (1). Phương pháp sấy nóng Phương pháp này dựa trên đặc tính thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ. (2). Phương pháp pha loãng Phương pháp pha loãng là một trong những phương pháp đơn giản làm giảm độ nhớt, có thể sử dụng các dung môi pha loãng khác nhau. (3). Phương pháp Craking Có thể hình dung quá trình craking dầu thực vật gần giống như quá trình craking dầu mỏ. (4). Phương pháp nhũ tương hoá Nhiên liệu ban đầu là dầu thực vật, rượu và chất tạo sức căng bề mặt với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra nhũ tương dầu thực vật - rượu, trong đó các hạt rượu được phân bố đều trong nhũ tương. (5). Phương pháp ester hoá (điều chế biodiesel) b/ Giải pháp xử lý Qua phân tích ta thấy, chọn giải pháp phối hợp pha loãng và sấy nóng có những ưu điểm: (1). Không cần có nhà máy xử lý với quy mô công nghiệp như phương pháp Craking hay điều chế Biodiesel, hiện giá thành thiết bị còn rất cao (2). Sử dụng trực tiếp dầu thực vật từ các cơ sở sản xuất dầu hiện có, pha loãng với dầu diesel (DO) và sấy nóng sẽ hạ giá đầu vào nhiên liệu, thích hợp với động cơ công suất nhỏ tĩnh tại và cơ giới thủy, bộ. Kết quả xử lý bằng giải pháp pha loãng phối hợp sấy nóng để giảm độ nhớt hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel cho ở Bảng 2.3. Ở đó, giới hạn trên của tỷ lệ pha dầu dừa là 25% thể tích ( ký hiệu là B25) khống chế bởi nhiệt độ sấy hỗn hợp ≤ 80oC. Bảng 2.3: Độ nhớt (0E) hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel theo tỷ lệ pha và nhiệt độ sấy T(oC) B05 B10 B15 B20 B25 30 1,27 1,31 1,37 1,40 1,43 40 1,25 1,29 1,33 1,36 1.38 50 1,23 1,27 1,30 1,32 1,33 60 1,22 1,25 1,28 1,29 1,30 70 1,21 1,23 1,25 1,26 1,27 80 1,20 1,21 1,22 1,23 1,24 14 0 Qua kết quả khảo sát, khi sấy đến 80 C độ nhớt các hỗn hợp gần như nhau và tương đương độ nhớt của dầu diesel (ở nhiệt độ phòng thử nghiệm). Riêng hỗn hợp dưới 10% dầu dừa không cần sấy nếu nhiệt độ môi trường khoảng 300C, đã có công trình thử nghiệm hỗn hợp Jatropha và DO ở tỷ lệ này được công bố. Vì vậy, nhiên liệu trong phạm vi đề tài được chọn là hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel (B10 – B25) sấy 0 đến 80 C 2.3.2.2. Chỉ số cetan Số cetan của dầu dừa nguyên chất nhỏ hơn dầu diesel khoảng 12%. Từ định nghĩa số cetan, gọi: CN là số cetan của hỗn hợp; x là tỷ lệ phần trăm dầu dừa pha vào dầu diesel. Khi pha trộn dầu dừa vào DO, mối quan hệ CN và x là tuyến tính CN = ax + b Với số cetan của dầu dừa: 40 (giới hạn dưới), số cetan của DO: 50 (Bảng 2.4, lấy giới hạn trên), với phép nội suy ta có hàm: CN = - 0,06x + 50 (2.1) Trong đó: CN là trị số cetan của hỗn hợp; x là tỉ lệ % dầu dừa. Trị số cetan tính toán của các hỗn hợp cho ở Bảng 2.4 Muốn tăng chỉ số cetan cho hỗn hợp có thể dùng biện pháp thêm chất phụ gia "procetane". Các phụ gia thường dùng như: Acetonperoxid, Ethyl nitrate, Isometyl nitrate... đây là các hợp chất khi cháy gây ô nhiễm. Chất phụ gia Nano fuel bosster được chiết xuất từ dầu Cọ do đó thân thiện với môi trường, phù hợp với hướng nghiên cứu. Các phân tử chất phụ gia này làm gãy chuỗi và tái định dạng các phân tử Hydrocarbon trong nhiên liệu làm tăng khả năng tự bốc cháy và cháy kiệt. 2.3.2.3. Nhiệt trị Tương tự, sự thay đổi nhiệt trị hỗn hợp theo tỉ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel được tính bằng công thức: H = - 16,03 x + 10.478 (2.2) Trong đó: H là nhiệt trị hỗn hợp (Kcal/kg); x là tỉ lệ % pha dầu dừa. Số liệu ở Bảng 2.4 và 2.5 cho thấy, nhiệt trị các hỗn hợp nhỏ hơn dầu diesel khoảng 1-3% 2.3.2.4. Khả năng bay hơi. Về chỉ tiêu này, nhiên liệu dầu dừa tương thích với cả buồng cháy ngăn cách và thống nhất. Điểm đáng lưu ý là dầu dừa không hoàn toàn bay hơi hết, đây có thể là nguyên nhân gây đóng cặn trên buồng cháy, việc pha loãng kết hợp sấy nóng sẽ hạn chế hiện tượng này. 2.3.2.5. Sức căng bề mặt. Khi nhiệt độ > 700C sức căng bề mặt của dầu dừa gần bằng dầu diesel ở nhiệt độ phòng. Như vậy, khi sấy đến 800C sức căng bề mặt của hỗn hợp tương đương dầu diesel (Bảng 2.4). Mối quan hệ sức căng bề mặt hỗn hợp và tỷ lệ pha dầu dừa vào dầu diesel được tính bằng: σ = 0,05x + 23,4 Trong đó: σ là sức căng bề mặt hỗn hợp (mN/m); x là tỉ lệ % pha dầu dừa. 2.3.2.6. Khối lượng riêng. (2.3) 15 Khi pha loãng và sấy nóng khối lượng riêng của hỗn hợp dầu dừa - DO xấp xỉ với dầu diesel. Mối quan hệ khối lượng riêng hỗn hợp (g/cm3) và tỷ lệ pha dầu dừa được tính bằng: ρ = 0,0008x + 0,836 (2.4) Trong đó: ρ là khối lượng riêng hỗn hợp; x là tỉ lệ % pha dầu dừa 2.3.2.7. Điểm chớp lửa, điểm vẩn đục Dầu dừa nguyên chất có điểm đục khá cao (>200C) nhưng pha loãng (điểm đục tính toán cho hỗn hợp < - 40C) và sấy nóng đến 800C thì vấn đề này được giải quyết. Từ những điều vừa trình bày có thể khẳng định rằng: Pha loãng dầu dừa và chất phụ gia vào dầu diesel với tỷ lệ 10-25%, sấy nóng đến 800C sẽ tạo ra nhiên liệu hỗn hợp thỏa mãn các chỉ tiêu cơ bản của dầu diesel truyền thống. 2.4. Giải pháp sử dụng hỗn hợp dầu dừa và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. 2.4.1. Phương pháp phối trộn hỗn hợp. Phương pháp pha thủ công, điểm hạn chế lớn nhất là khó đảm bảo sự đồng nhất hỗn hợp sau khi pha. Phương pháp pha nhiên liệu theo qui mô công nghiệp, hỗn hợp, nhiên liệu theo các tỷ lệ được pha chế ngay trong các nhà máy quy mô lớn và được phân phối đến các điểm cấp nhiên liệu. Phương pháp dùng thiết bị đồng thể hóa hỗn hợp nhiên liệu, thiết bị đồng thể thủy động làm việc theo nguyên tắc xâm thực là có thể ứng dụng để xử lý hỗn hợp nhiên liệu. 2.4.2. Phương pháp gia nhiệt cho hỗn hợp. 2.4.2.1. Sấy bằng nước làm mát. Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng nước có ưu điểm là tận dụng được nhiệt làm mát động cơ. Tuy nhiên, phải tốn thời gian để sấy nhiên liệu đạt được nhiệt độ như mong muốn. 2.4.2.2. Sấy bằng khí xả. Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng khí xả có ưu điểm là tận dụng được nhiệt khí xả động cơ. Nhược điểm là khó ổn nhiệt, nhiệt khí thải ở giai đoạn khởi động thấp nên thời gian sấy dài, không phù hợp với động cơ công suất nhỏ. 2.4.2.3. Sấy bằng điện Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng điện một chiều của accu khởi động. 2.4.3. Lựa chọn hệ thống nhiên liệu thay thế 2.4.3.1. Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ ôtô, tàu thuyền cỡ nhỏ: Giải pháp đưa ra là sử dụng bộ phối trộn tự động và sấy nóng nhiên liệu hỗn hợp bằng nguồn điện một chiều của máy khởi động. 2.4.3.2. Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel trong nông nghiệp: Các máy nông nghiệp thông thường là các máy nhỏ, không có các hệ thống phục vụ chuyên biệt. Do đó hỗn hợp nhiên liệu được pha sẵn theo qui mô công nghiệp bằng bộ phối trộn tự động (hoặc bằng tay tùy vào điều kiện sử dụng) và được gia nhiệt bằng nước làm mát. Từ kết quả phân tích trên, ta có: (1). Tỷ lệ pha dầu thực vật và chất phụ gia vào dầu DO: Pha dầu dừa vào dầu diesel (DO) với tỷ lệ lần lượt: 10, 15, 20, 25% Pha chất phụ gia Nano fuel bosster theo chỉ định của Nhà sản xuất 1/800 Các nhiên liệu hỗn hợp được ký hiệu từ B10 đến B25 (2). Các công thức nội suy từ 2.1 đến 2.4 được sử dụng để: Đánh giá sự tương hợp các thông số của vật lý của mẫu nhiên liệu thay thế so với nhiên liệu truyền thống, từ đó hình thành giải pháp sử dụng nhiên liệu mới. 16 Khai báo các thông số, hệ số điều chỉnh thông số đầu vào phục vụ cho nghiên cứu mô phỏng khi chuyển loại nhiên liệu được trình bày ở chương tiếp theo. DO SVO Lọc thô Van tiết lưu DO Van tiết lưu SVO Thùng đồng thể Gia nhiệt đến 800C và khuấy trộn Động cơ diesel Đường xả nhiên liệu dư Hình 2-8. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị phối trộn dùng van tiết lưu Chương 3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHA DẦU DỪA VÀO DẦU DIESEL ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG. 3.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel và mô hình của nó. Nhiều hướng tiếp cận đã được thực hiện để tạo các mô hình toán học của sự cháy không đồng nhất. Các mô hình đó đã miêu tả về nhiệt động lực học, hiện tượng và các mô hình chi tiết. 3.1.1. Mô hình tia phun nhiên liệu. 3.1.1.1. Phân rã sơ cấp a/ Phương pháp Blob (giọt hình cầu) Cách tiếp cận này được phát triển bởi Reitz và Diwakar (1987). b/ Hàm phân bố tia phun hình nón Phương pháp này giả định rằng, nhiên liệu đã được phun sương hoàn toàn tại miệng ra lỗ vòi phun và sự phân bố của kích thước các giọt có thể được mô tả bởi các phương trình toán học. c/ Sự phân rã do nhiễu loạn Huh và Gosman (1991) đã công bố một mô hình của hiện tượng nhiễu loạn tạo ra sương mù của tia phun động cơ diesel, nó còn được sử dụng để dự đoán góc nón phun. Mô hình phun sương bắt đầu với các giọt hình cầu đường kính xấp xỉ đường kính lỗ vòi phun D. Sóng bề mặt ban đầu phát triển do vận tốc tương đối giữa khí và giọt theo cơ chế Kelvin-Helmholtz (K-H) và phân rã tạo màn sương. d/ Sự phân rã do xâm thực Arcoumanis và cộng sự (1997) đã phát triển một mô hình phân rã sơ cấp cho tia nón phun động cơ diesel mà xâm thực, nhiễu loạn và các hiệu ứng khí động đều được tính đến. Phân rã giọt ban đầu được mô 17 hình hóa bằng cách sử dụng các cơ chế Kelvin-Helmholtz, trong trường hợp phân rã do tác động của lực khí động, áp dụng mô hình của Huh K.Y., Gosman (1991). đ/ Sự phân rã do xâm thực và nhiễu loạn Nishimura và Assanis (2000) đã trình bày một mô hình phân rã sơ cấp gây ra do xâm thực và nhiễu loạn cho tia nón phun động cơ diesel có tính đến năng lượng nổ vỡ bong bóng khí xâm thực. 3.1.1.2. Phân rã thứ cấp a/ Mô hình hiện tượng Arcoumanis C., Gavaises M., French B. (1997), phân biệt cơ chế phân rã thứ cấp theo 7 hình thức phụ thuộc vào số Weber. b/ Mô hình phân rã tương tự Taylor: O’Rourke P.J., Amsden A.A. (1987) đề xuất mô hình phân rã tương tự Taylor c/ Biến dạng giọt và mô hình phân rã: Ibrahim E.A., Yang H.Q., Przekwas A.J. (1993), đề xuất sự biến dạng giọt và mô hình phân rã. d/ Mô hình phân rã Kelvin-Helmholtz: Mô hình này được đề xuất bởi Reitz R.D. (1990) đ/ Mô hình phân rã Rayleigh-Taylor: Các mô hình này dựa trên lý thuyết Taylor G.I. (1963) 3.1.2. Chuyển động rối của không khí và phân tán hỗn loạn Chuyển động rối của không khí trong xy lanh ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình thành hỗn hợp cháy. Các mô hình chi tiết đa chiều (Gosman - 1985, [20]) đã đề cập đến tốc độ xoáy lốc của không khí. Các phân toán hỗn loạn được mô tả bởi: Faeth G.M. (1983, 1987) và Gosman A.D., Ioannides E. (1981). 3.1.3. Sự bay hơi của nhiên liệu, tự bốc cháy và cháy trễ 3.1.3.1. Sự bay hơi của nhiên liệu 3.1.3.2. Sự tự bốc cháy của nhiên liệu Mô hình tự bốc cháy của nhiên liệu sử dụng rộng rãi nhất là mô hình Shell. Mô hình Shell là mô hình sử dụng nhiều nhất trong mô phỏng tự phát hỏa động cơ diesel hiện nay. Nó có khả năng mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và thành phần hỗn hợp nhiên liệu - không khí khi cháy trễ. 3.1.3.3. Thời gian cháy trễ. Hai tiêu chí chung nhất được sử dụng là độ trễ tăng áp suất và độ trễ phát hỏa. Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ môi trường đến thời gian cháy trễ được nghiên cứu bởi Arai và cộng sự (1984). 3.1.4. Tỏa nhiệt và truyền nhiệt 3.1.4.1. Tốc độ tỏa nhiệt Trong các mô hình Wiebe (1956) và Shipinski (1968) tốc độ tỏa nhiệt biểu kiến được xác định bằng mối quan hệ đơn giản với các thông số vận hành của động cơ. Austen (1960) và Lyn (1962) chia tỷ lệ khối lượng nhiên liệu trong chu trình phun tạo được mối quan hệ giữa tốc độ tỏa nhiệt biểu kiến và quá trình phun. Ngoài ra còn một số công trình của Tanasawa (1953), Shipiski (1970) và Ikegami (1967) mô tả mối quan hệ giữa tốc độ phun, khối lượng bay hơi nhiên liệu với tốc độ tỏa nhiệt biểu kiến. 3.1.4.2. Truyền nhiệt Có nhiều nghiên cứu đo sự truyền nhiệt trên xy lanh động cơ và các mô hình đã được đưa ra. Các nghiên cứu về truyền nhiệt chia ra thành: Quá trình nén và giãn nở; quá trình cháy; quá trình thay đổi khí và toàn bộ chu trình công tác. Trên cơ sở đó các tác giả đã thiết lập được các công thức kinh nghiệm ước lượng tốc độ truyền nhiệt tức thời. 3.1.5. Phát thải 3.1.5.1. Phát thải Oxyt Nitơric (NOx) 18 Sản phẩm NOx hình thành trong vùng ngọn lửa có nhiệt độ cao, ở đây Nitơ có thể tạo thành một lượng nhỏ hợp chất CN, HCN và bị oxy hóa hình thành NOx. 3.1.5.2. Phát thải hạt Các hạt trong khí thải động cơ diesel cơ bản là các hạt Carcbon với các chất hữu cơ có phân tử lượng cao kết tụ thành khối hoặc kết hợp lại ở dạng chuỗi. Các hạt này gọi là muội than hay bồ hóng. 3.1.6. Các mô hình số sử dụng trong phần mềm mô phỏng Bảng 3.2: Các mô hình tính toán trong mô phỏng quá trình cháy Hiện tượng Dòng chảy rối Mô hình tính Re-Normalisation Group (RNG) k-ε cải tiến của Han và Reitz, 1995 Xé tơi tia nhiên liệu Wave Breakup của Liu và cộng sự, 1993 Cháy trễ Mô hình Shell bởi Kong và cộng sự, 1995 Cháy chính Mô hình cháy theo thời gian đặc trưng của Abraham và cộng sự, 1985 Hình thành NOx Cơ chế Zel’dovich mở rộng Hình thành bồ hóng Mô hình hình thành bồ hóng theo nhiều bước của Kazakov và Foster, 1998 Ô xy hóa bồ hóng Mô hình Nagle and Strickland-Constable, 1962 3.2. Quá trình mô phỏng 3.2.1. Lưu đồ tính toán trong KIVA Tất cả các mô hình trên được tích hợp vào KIVA. Trình tự tính toán được mô tả trên Hình 3-14 và Bảng 3.7 trong Luận án . 3.2.2. Các điều kiện mô phỏng Để so sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng, các thông số đưa vào mô phỏng cũng tương ứng với các thông số động cơ nghiên cứu một xy lanh AVL 5402 tại Phòng thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong của Đại học Quốc gia TPHCM. Trong thực tế hoạt động của động cơ, chế độ tải lớn là chế độ phát sinh nhiều khí thải ô nhiễm nhất. Vì vậy việc mô phỏng được thực hiện tại chế độ 80% tải ở số vòng quay 2000 vg/phút với 5 mẫu nhiên liệu khác nhau: B0 – B25 Do tính chất đối xứng của buồng cháy và vòi phun có 5 lỗ phun, việc mô phỏng được thực hiện trên mô hình 1/5 buồng cháy (72o) thay vì toàn buồng cháy để giảm thời gian tính toán. Mô hình chia lưới buồng cháy để tính toán được trình bày trên Hình 3-15 với 37 ô theo phương hướng kính (trục x), 36 ô phương tiếp tuyến (trục y) và và 31 ô theo theo phương dọc trục (trục z). Việc tính toán được thực hiện trên máy vi tính lắp bộ vi xử lý Intel Core 2 Duo, trung bình mất 4 giờ để có một kết quả. 19 Để xét đến các ảnh hưởng của chỉ số cetan và độ nhớt, một số thông số đầu vào được thay đổi trong khi mô phỏng, còn các thông số khác giữ nguyên như khi tính toán cho dầu diesel. Điều này đã được đề cập từ Chương 1 Bảng 3.3: Các thông số chính được điều chỉnh Ca Mẫu thử Hệ số điều chỉnh theo cetan: Ef4 Thời điểm phun Thời gian phun 1 2 B0 B10 1 0,926 18o gqtk trước ĐCT 18o gqtk trước ĐCT 10° gqtk 10° gqtk 3 4 B15 B20 0,974 0,987 18o gqtk trước ĐCT 18o gqtk trước ĐCT 10° gqtk 9,5° gqtk 5 B25 1,013 18o gqtk trước ĐCT 9,5° gqtk 3.3. Phân tích quá trình cháy và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp đến chỉ tiêu kinh tế, môi trường bằng phần mềm mô phỏng KIVA-3V. 3.3.1. Các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ Diesel 3.3.1.1. Chỉ tiêu kinh tế a/ Hiệu suất của động cơ b/ Suất tiêu hao nhiên liệu (ge) 3.3.1.2. Chỉ tiêu môi trường a/ Oxyt lưu huỳnh (SO2) b/ Oxyt carbon (CO) c/ Carbonic (CO2) d/ Oxyt nitơric (NOx) đ/ Hydrocarbon (HC) e/ Bồ hóng Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ diesel Như vậy: - Chỉ tiêu kinh tế cần đánh giá là: suất tiêu hao nhiên liệu - ge (g/kW.h). - Chỉ tiêu môi trường đối với động cơ diesel đáng chú ý nhất là: hàm lượng NOx và Bồ hóng (độ mờ khói xả - K%) 3.3.2. Kết quả mô phỏng. 3.3.2.1. Sự biến thiên áp suất Tốc độ tăng áp suất trung bình của các mẫu nhiên liệu không sai biệt nhiều. 3.3.2.2. Tốc độ tỏa nhiệt và biến thiên nhiệt độ Bảng 3.4: Giá trị nhiệt độ cực đại trung bình (K) Giá trị Sai biệt so với B0 B0 B10 B15 B20 B25 1.641 1.623 1.613 1.683 1.660 - -1,09 % -1,70 % 2,55 % 1,15% 3.3.2.3. Ảnh hưởng tỷ lệ dầu dừa đến phát thải NOx 20 Bảng 3.5: Khối lượng NOx phát thải tại thời điểm mở van xả (g) Giá trị B0 B10 B15 B20 B25 0,00112 0,00091 0,00086 0,00107 0,00095 - 18,75% - 23,21% - 4,46% - 15,17% Sai biệt so với B0 3.3.2.4. Ảnh hưởng tỷ lệ dầu dừa đến phát thải bồ hóng Bảng 3.6: Khối lượng bồ hóng phát thải tại thời điểm mở van xả (g) Giá trị Sai biệt so với B0 B0 B10 B15 B20 B25 7,7 x 10-5 5,6 x 10-5 - 27,3 % 4,8 x 10-5 - 37,6 % 5,6 x 10-5 - 27,2 % 6,6 x 10-5 - 14,2 % 3.3.2.5. Ảnh hưởng tỷ lệ dầu dừa đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu Bảng 3.7 giới thiệu công suất động cơ khi thay đổi tỷ lệ dầu dừa trong nhiên liệu từ 0% đến 25%. Trong khi tất cả các mẫu có sự tăng nhẹ công suất so với mẫu B0, thì mẫu B25 giảm hơn 4%. Bảng 3.7: Công suất động cơ (kW) Giá trị B0 B10 B15 B20 B25 5,328 5,354 5,477 5,394 5,108 0,48 % 2,79 % 1,24 % - 4,12 % Sai biệt so với B0 Suất tiêu hao nhiên liệu ge (ISFC) của các mẫu thử được trình bày trong Bảng 3.8. ge có xu hướng ngược lại với công suất. Ở mẫu B25 có ge tăng 4,3%, còn các mẫu khác giảm nhẹ so với B0. Bảng 3.8: Suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kWh) Giá trị B0 B10 B15 B20 B25 337,3 334,2 326,9 331,7 349,9 - 0,92 % - 2,96 % - 1,51 % 3,76 % Sai biệt so với B0 Kết quả mô phỏng cho thấy: • Áp suất và nhiệt độ trung bình cực đại trong xy lanh tăng nhẹ khi tăng tỷ lệ dầu dừa trong nhiên liệu. • Công suất có sự biến thiên nhẹ nhưng không đáng kể, giảm nhiều nhất là B25 với 4,12 % và tăng nhiều nhất là B15 với 2,79 % • Về chỉ tiêu kinh tế: Suất tiêu hao nhiên liệu biến thiên nhẹ, tăng nhiều nhất là B25 với 3,76 % và giảm 2,96 % với B15. • Về chỉ tiêu môi trường: Lượng NOx của tất cả các mẫu có pha dầu dừa đều thấp hơn mẫu B0, với mức giảm nhiều nhất là B15 đến 23%. Hàm lượng bồ hóng phát thải giảm đáng kể với tất cả các mẫu có pha dầu dừa so với dầu diesel, nhiều nhất là mẫu B15, giảm hơn 37% so với B0. Thông thường, các biện pháp giảm bồ hóng luôn luôn gây ra hiệu ứng phụ là tăng NOx và ngược lại. Trong khi đó các mẫu có pha dầu dừa đều giảm được đồng thời cả NOx và bồ hóng. Đây chính là ưu điểm lớn nhất của hỗn hợp nhiên liệu có pha thêm dầu dừa so với nhiên liệu diesel nguyên chất.
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan

Tài liệu xem nhiều nhất