Tài liệu Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của dầu thực vật nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel

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