Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu sử dụng dầu diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÒA – 2019

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS PHAN VĂN QUÂN

2. PGS.TS TRẦN GIA THÁI

KHÁNH HÒA – 2019

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS.TS Phan Văn Quân, Trường ĐH Giao thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh

2. PGS.TS Trần Gia Thái, Trường ĐH Nha Trang

Phản biện 1: PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm, trường ĐH Công nghệ Giao thông vận tải

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ, Học viện Kỹ thuật Quân sự

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Lê Duy Khải, Trường ĐH Bách khoa Tp.HCM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu sử dụng

dầu Diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy

sản” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ

công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.

Khành Hòa, ngày tháng 6 năm 2019

Tác giả luận án

Hồ Trung Phước

i

LỜI CẢM ƠN

Xuất phát từ niềm đam mê nghiên cứu khoa học, đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu

về tàu cá. Ngay từ khi còn là sinh viên trường Đại học Hàng Hải những năm 80, bản

thân tôi luôn gắn bó với công việc trên và với niềm đam mê đó, tôi lựa chọn đề tài luận

án này. Trong suốt thời gian thực hiện luận án, tôi luôn nhận được sự giúp đỡ của Ban

Giám hiệu, quý Phòng, Khoa của Trường Đại học Nha Trang. Đặc biệt là sự hướng

dẫn tận tình của PGS.TS Phan Văn Quân, PGS.TS Trần Gia Thái, đã truyền thụ kiến

thức và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu. Qua đây, tôi xin

gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Khoa Kỹ thuật Giao thông Trường Đại học

Nha Trang và Khoa Kỹ thuật Tàu thủy Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố

Hồ Chí Minh, đã cung cấp thông tin, tài liệu và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho

luận án.

Xin chân thành cảm ơn cán bộ và nhân viên Sở Khoa học Công nghệ của các tỉnh

khu vực miền Nam Trung Bộ và đồng bằng sông Mê Kông đã hỗ trợ về nhân lực, cung

cấp thông tin cần thiết và trang thiết bị để quá trình thực nghiệm được hoàn thành.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, cơ quan và các đồng nghiệp đã giúp đỡ,

động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án.

Xin chân thành cảm ơn!

Khánh Hòa, ngày tháng 6 năm 2019

Tác giả luận án

Hồ Trung Phước

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... ii

MỤC LỤC ................................................................................................................................ iii

DANH MỤC KÍ HIỆU ........................................................................................................... vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................... x

DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... xii

DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................... xiii

TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ................................................. xv

MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1

1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............................................................................................. 1

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 2

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................... 3

3.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................................ 3

3.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................................... 3

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 3

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN................................ 3

5.1. Ý nghĩa khoa học ............................................................................................................... 3

5.2. Tính thực tiễn của luận án ................................................................................................. 4

6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 4

6.1. Nghiên cứu lý thuyết .......................................................................................................... 4

6.2. Nghiên cứu thực nghiệm ................................................................................................... 4

7. KẾT CẤU LUẬN ÁN .......................................................................................................... 4

8. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN ............................................................................... 5

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL VÀ LỰA CHỌN

ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU ...................................................................................................... 6

1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel ................................................................ 6

1.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel trên Thế giới và tại Việt Nam ................ 14

1.2.1. Trên Thế giới ................................................................................................................. 14

1.2.2. Tại Việt Nam ................................................................................................................. 18

1.3. Cơ sở lựa chọn động cơ diesel làm máy chính tàu cá phục vụ nghiên cứu ................. 24

1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................................ 27

iii

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 ............................................................................................................... 29

2.1. Các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel ........................................................ 29

2.1.1. Công suất của động cơ .................................................................................................. 30

2.1.2. Hiệu suất ........................................................................................................................ 31

2.1.3. Tiêu hao nhiên liệu ....................................................................................................... 32

2.1.4. Phát thải khí xả .............................................................................................................. 33

2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel ................................................................................ 34

2.2.1. Nhiệt trị .......................................................................................................................... 34

2.2.2. Độ nhớt và khối lượng riêng ........................................................................................ 34

2.2.3. Sức căng bề mặt và tính bay hơi .................................................................................. 35

2.2.4. Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy ...................................................................... 35

2.2.5. Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc ....................................................................... 35

2.2.6. Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu ........................................................................... 36

2.3. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ

diesel ........................................................................................................................................ 37

2.3.1. Nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá....................................................................................... 37

2.3.2. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu biodiesel đến quá trình phun ............................ 41

2.3.3. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy ............................................ 54

2.3.4. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ........ 62

2.3.5. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải khí xả ............................................................ 62

2.3.5.1. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải bồ hóng ...................................................... 62

2.3.5.2. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải NOx ............................................................ 64

2.3.5.3. Ảnh hưởng của biodiesel đến nhiệt độ khí xả .......................................................... 66

2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................................ 66

Chương 3. ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KHI

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU B10 BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ................................................... 67

3.1. Phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu phát triển động cơ ...................................... 67

3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Cummins NTA855 sử dụng nhiên liệu B10 .... 68

3.2.1. Phần mềm mô phỏng mã nguồn mở CFD KIVA-3V ................................................ 68

3.2.2. Các phương trình chủ đạo trong tính toán của phần mềm CFD KIVA–3V ............. 73

3.2.3. Xác định các điều kiện để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng ......................................... 76

iv

3.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................................................ 79

3.3.1. Phun và hình thành hỗn hợp cháy ................................................................................ 79

3.3.2. Sự biến thiên áp suất cháy trong xi lanh ...................................................................... 81

3.3.3. Biến thiên nhiệt độ và tốc độ tỏa nhiệt ........................................................................ 87

3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................................ 99

Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ

MỠ CÁ DA TRƠN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CUMMINS NTA855 CỦA TÀU CÁ . 100

4.1. Xác định phương pháp hòa trộn nhiên liệu giữa B100 với DO .................................. 100

4.1.1. Phương pháp hòa trộn trên đường ống (On line blending) ...................................... 100

4.1.2. Phương pháp hòa trộn trong đường ống (In line blending) ...................................... 101

4.1.3. Phương pháp hòa trộn văng tóe (Splash blending) ................................................... 102

4.1.4. Phương pháp hòa trộn trung gian (Intermediate blends) .......................................... 102

4.1.5. Phương pháp hòa trộn khuấy ..................................................................................... 103

4.2. Bố trí thiết bị thực nghiệm ............................................................................................. 105

4.2.1. Thiết bị thực nghiệm ................................................................................................... 105

4.2.1.1. Động cơ thực nghiệm .............................................................................................. 105

4.2.1.2. Bộ phối trộn nhiên liệu ............................................................................................ 106

4.2.1.3. Bộ tiêu công suất (Dynometter) .............................................................................. 109

4.2.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm ............................................................................... 112

4.3. Xây dựng chế độ và qui trình thực nghiệm .................................................................. 113

4.3.1. Chế độ thực nghiệm .................................................................................................... 113

4.3.2. Quy trình thực nghiệm ................................................................................................ 114

4.4. Kết quả thực nghiệm trên động cơ Cummins NTA855 và đánh giá .......................... 115

4.4.1. Kết quả thực nghiệm ................................................................................................... 115

4.4.1.1. Kết quả ghi nhận trong thời gian khoảng 10.000 chu kỳ làm việc của động cơ khi

sử dụng nhiên liệu B10 so với DO ....................................................................................... 116

4.4.1.2. Kết quả ghi nhận trong thời gian khoảng 20.000 chu kỳ làm việc của động cơ khi

sử dụng nhiên liệu B10 so với DO ....................................................................................... 117

4.4.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ................................................................................... 119

4.5. Kết luận chương 4 .......................................................................................................... 120

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................... 121

Kết luận: ................................................................................................................................. 121

Hướng phát triển: .................................................................................................................. 122

v

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .............. 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 124

TIẾNG VIỆT ......................................................................................................................... 124

TIẾNG ANH ......................................................................................................................... 125

WEBSITE .............................................................................................................................. 128

PHỤ LỤC

vi

DANH MỤC KÍ HIỆU

CHỮ LA TINH

: Diện tích mặt cắt lỗ phun, mm2 Ah

: Hệ số giãn dòng của vòi phun, - Cd

: Vận tốc trung bình của piston, m/s cm

: Nhiệt dung riêng đẳng áp, kJ/kg K cp

: Nhiệt dung riêng đẳng tích, kJ/kg K cv

: Đường kính hạt nhiên liệu, mm D

: Đường kính xy lanh, mm Dc

: Đường kính khoang phun, mm Dh

: Đường kính ban đầu của hạt nhiên liệu, mm D0

: Đường kính lỗ phun, mm dh

: Đường kính hạt bồ hóng, mm dp

: Gia tốc, m/s2

: Thông lượng khuếch tán theo phương j, W/m2 Fh,j

: Gia tốc trọng trường, m/s2 g

: Enthalpy, kJ/kg h

: Hệ số xâm thực lỗ phun, - K

: Động năng rối, kJ/kg k

: Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, g/cm2s Pa kA

: Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, g/cm2s Pa kB

kg/m3s : Hằng số tốc độ phản ứng i của mô hình hình thành NOx ki

: Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, g/cm2s kT

: Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, 1/Pa kZ

: Chiều dài phân rã tia phun, m lb

: Chiều dài lỗ phun, mm lh

: Khối lượng hạt nhiên liệu, g md

: Lượng nhiên liệu cấp chu trình, g/ct mf

: Tốc độ phun lưu lượng nhiên liệu, g/h

: Số Avogadro, mol-1 NA

: Số hạt rắn, 1/cm3 NP

vii

: Tốc độ động cơ, n vòng/phút

: Số Ohnesorge, Oh -

: Áp suất trong xi lanh tại thời điểm phun nhiên liệu, bar pc

: Áp suất của chất khí, bar pg

: Áp suất phun nhiên liệu, bar pinj

: Áp suất hóa hơi trong lỗ phun, bar pv

: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/kgnl QH

: Hằng số khí lý tưởng, R Jmol−1K−1

: Số Reynolds pha khí, - Reg

: Số Reynolds pha lỏng, - Rel

: Bán kính hạt nhiên liệu, r mm

: Tham số phương trình cháy, r -

: Bán kính tới hạn hạt nhiên liệu, mm rc

: Bán kính cong đầu vào lỗ phun, mm rh

: Tốc độ phản ứng hình thành và ô xy hóa bồ hóng thứ i - ri

: Hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy khuếch tán, - rsc

: Hệ số khuếch tán khối lượng, -

S : Độ xuyên sâu tia phun, m

Ss : Hành trình piston, mm

s : Chỉ số thể hiện hàm nguồn, -

sh : Nguồn năng lượng, J

sij : Tenxơ tốc độ biến dạng, 1/s

sm : Nguồn khối lượng, kg

T : Nhiệt độ, K

Ta : Số Taylor, -

Tcyl : Nhiệt độ khối khí trong xi lanh, K

Td : Nhiệt độ hạt nhiên liệu, K

TKH : Thời gian phân rã hạt nhiên liệu, s

Tw : Nhiệt độ vách xi lanh, K

t : Thời gian s

tb : Thời gian phân rã tia phun, s

viii

s : Thời gian cháy, tdur

m/s : Vận tốc hạt nhiên liệu theo các phương, u

m/s : Các thành phần vận tốc mạch động, u’

m/s : Vận tốc của dòng khí, vg

m/s : Vận tốc ban đầu của tia phun nhiên liệu, vl

m/s : Vận tốc tương đối của hạt nhiên liệu và khí bao quanh vrel

- : Số weber pha khí, Weg

- : Số weber pha lỏng, Wel

m : Các tọa độ, xi

CHỮ HY LẠP

bar Δp : Độ chênh áp (pinj – pc),

độ : Thời gian phun nhiên liệu, Δθ

kJ/kg s : Động năng tiêu tán rối, ε

- : Vùng không gian chiếm chỗ của các hạt nhiên liệu, θ

độ : Góc nón tia phun, θs

- : Tỷ lệ không khí/nhiên liệu, λ

mm2/s : Độ nhớt động học chất khí, µg

mm2/s : Độ nhớt động học chất lỏng, µl

g/cm3 : Khối lượng riêng của hạt nhiên liệu, d

g/cm3 : Khối lượng riêng chất khí, ρg

g/cm3 : Khối lượng riêng chất lỏng, ρl

N/m : Sức căng mặt ngoài chất lỏng, σl

N/m2 : Các thành phần ứng suất, τij

độ : Góc quay trục khuỷu (góc cấp nhiên liệu toàn phần), φ

độ : Góc cháy trễ, φCD

độ : Góc phun sớm, φinj

độ : Góc bắt đầu cháy, φSOC

độ : Góc bắt đầu phun, φSOI

ix

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

: Sau điểm chết trên (After Top Death Center) ATDC

: Trước điểm chết trên (Before Top Death Center) BTDC

B5, B10, B15, : Biodiesel pha trộn với nhiên liệu Diesel ở tỷ lệ: 5%, 10%, 15%

: 100% Biodiesel B100

: Biodiesel BIO

: Biodiesel từ dầu jatropha (Biodiesel Jatropha) BDJ

: Nhiên liệu biodiesel từ dầu dừa (Biodiesel Fuel Coconut) BDFC

: Nhiên liệu biodiesel từ dầu ăn phế thải (Biodiesel Fuel Wasking) BDFW

: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (Brake Specific Fuel Consumption ) BSFC

: Góc quay trục khuỷu (Crank Angle) CA

: Động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics) CFD

: Thể tích kiểm soát (Control Volume) CV

ĐBSMK : Đồng bằng sông mê kông

: Động cơ đốt trong ĐCĐT

: Đường thủy nội địa ĐTNĐ

DHNTB : Duyên hải Nam trung bộ

: Nhiên liệu Diesel DO

: Phun nhiên liệu trực tiếp (Direct Injection) DI

: Châu Âu (Euro) EU

: Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method) FDM

: Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) FEM

: Phương pháp thể tích hữa hạn (Finite Volume Method ) FVM

: Góc quay trục khuỷu gqtk

HTPNL : Hệ thống phun nhiên liệu

: Sức ngựa (Horse Power) Hp

: Cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency) IEA

NLSH : Nhiên liệu sinh học

NCS : Nghiên cứu sinh

PM : Bồ hóng (Particulates Matter)

RSO : Dầu cần sa ( Rick Simpson Oil)

x

RME : Dầu hạt cải dầu (Rapeseed Oil Methyl Esters )

SO : Dầu đậu nành (Soybean Oil)

SMD : Đường kinh trung bình hạt nhiên liệu (Sauder mean diameter)

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

Tp.HCM : Thành phố Hồ Chí Minh

v/p : Vòng/ phút

WCO : Dầu ăn phế thải (Wask Cooking Oil)

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo ASTM D6751 .......... 12

Bảng 1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo EN 14214 ................. 13

Bảng 1.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo TCVN 7717 ............. 19

Bảng 1.4. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 .......................................... 20

Bảng 1.5. Tổng hợp loại động cơ phổ biến theo vùng khảo sát .................................... 25

Bảng 1.6. Loại động cơ được sử dụng phổ biến ........................................................... 25

Bảng 1.7. Thông số kỹ thuật của một số động cơ diesel máy chính tàu cá .................. 26

Bảng 2.1. So sánh chỉ tiêu kỹ thuật nhiên liệu biodiesl B100 dùng trong nghiên cứu

với B100 theo tiêu chuẩn ............................................................................................... 38

Bảng 2.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của dầu mỡ cá B100 .................................................... 39

Bảng 2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật nhiên liệu DO dùng trong nghiên cứu ........................ 40

Bảng 2.4. Kết quả phân tích dầu B5 (5% B100 + 95% dầu DO) .................................. 40

Bảng 2.5. Kết quả phân tích dầu B10 (10% B100 + 90% dầu DO) .............................. 41

Bảng 2.6. So sánh chỉ tiêu nhiên liệu B10 và DO ......................................................... 41

Bảng 2.7. Kết quả tính toán lý thuyết các thông số cơ bản của chùm tia nhiên liệu đối

với nhiên liệu DO và B10 .............................................................................................. 53

Bảng 2.8. Các hệ số mô hình Shell ............................................................................... 60

Bảng 2.9. Các bước hình thành bồ hóng và tốc độ phản ứng ........................................ 64

Bảng 2.10. Các mô hình toán sử dụng trong chương 3 phục vụ mô phỏng .................. 66

Bảng 3.1. Nội dung các pha tính toán ........................................................................... 72

Bảng 3.2. Đặc tính động cơ Cummins NTA855 sử dụng nhiên liệu DO ...................... 77

Bảng 3.3. Thông số đầu vào của nhiên liệu mô phỏng ................................................. 77

Bảng 3.4. Hệ số hiệu chỉnh mô hình mô phỏng ............................................................ 78

Bảng 3.5. Mức độ giảm áp suất cháy của nhiên liệu B10 so với DO ............................ 83

Bảng 3.6. Công suất khi động cơ sử dụng nhiên liệu DO và B10 ................................. 84

Bảng 3.7. Suất tiêu hao nhiên liệu riêng khi động cơ sử dụng nhiên liệu ..................... 84

Bảng 3.8. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu riêng khi động cơ sử dụng nhiên liệu

DO so với catalogue ...................................................................................................... 85

Bảng 3.9. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu khi động cơ sử dụng nhiên liệu B10 so

với catalogue .................................................................................................................. 86

Bảng 3.10. Mức độ giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO ........................ 89

Bảng 3.11. Mức độ giảm NOx của nhiên liệu B10 so với DO ...................................... 93

Bảng 3.12. Mức độ giảm bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO ................................ 96

Bảng 4.1. Đánh giá sự thay đổi chỉ tiêu công tác của động cơ khi sử dụng ................ 119 xii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Sơ đồ ester hóa ................................................................................................ 9

Hình 1.2. Quy trình cơ bản sản xuất dầu biodiesel từ mỡ cá .......................................... 9

Hình 1.3. Quy trình sản xuất gián đoạn biodiesel dùng xúc tác kiềm ........................... 10

Hình 1.4. Quá trình chuyển hóa biodiesel ..................................................................... 11

Hình 1.5. Biểu đồ tỷ lệ loại động cơ có dải công suất lớn hơn 300 CV ........................ 25

Hình 1.6. Động cơ Cummins NTA855.......................................................................... 27

Hình 1.7. Sơ đồ khối quá trình nghiên cứu ................................................................... 28

Hình 2.1. Biến thiên áp suất cháy p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn ............. 30

Hình 2.2. Sự phân rã của một tia phun nhiên liệu hình nón .......................................... 43

Hình 2.3. Sự phát triển của tia phun trong quá trình phun ............................................ 44

Hình 2.4. Phân bố các chất lỏng (màu đen) và hơi (màu xám) của tia phun ................ 45

Hình 2.5. Tóm tắt cơ chế phân rã của tia nhiên liệu ...................................................... 48

Hình 2.6. Xâm thực và không xâm thực của dòng chảy trong lỗ vòi phun ................... 49

Hình 2.7. Sự phát triển tia phun theo thời gian. (Busch R., 2001) ................................ 51

Hình 2.8. Sơ đồ minh hoạ va chạm vách của tia phun hình nón ................................... 52

Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc chương trình mã nguồn mở CFD KIVA-3V ......................... 70

Hình 3.2. Lưu đồ tính toán các pha trong mô phỏng ..................................................... 71

Hình 3.3. Bản vẽ piston và tọa độ buồng cháy động cơ Cummins NTA855 ................ 76

Hình 3.4. Lưới mô phỏng buồng cháy động cơ Cummins NTA855 ............................. 76

Hình 3.5. Đặc tính động cơ Cummins NTA855 ............................................................ 77

Hình 3.6. So sánh đường cong áp suất trong xi lanh khi chưa có cháy ........................ 78

Hình 3.7. Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu của động cơ Cummins NTA855 ......... 79

Hình 3.8. Cấu trúc tia phun nhiên liệu B10 so với DO ................................................. 80

Hình 3.9. Sự phát triển tia phun của nhiên liệu theo thời gian ...................................... 80

Hình 3.10. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1200 v/p .......... 81

Hình 3.11. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p .......... 82

Hình 3.12. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p .......... 82

Hình 3.13. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p .......... 82

Hình 3.14. Đặc tính công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu B10 so với DO ........... 83

Hình 3.15. Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ.................................... 84

Hình 3.16. Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO ........................ 85

Hình 3.17. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO ... 86

Hình 3.18. Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO ........................ 87

Hình 3.19. Tốc độ tỏa nhiệt của các mẫu nhiên liệu ..................................................... 88

xiii

Hình 3.20. Biến thiên nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO ............................. 88

Hình 3.21. Biến thiên nhiệt độ với áp suất cháy của nhiên liệu B10 ............................ 89

Hình 3.22. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p ........ 90

Hình 3.23. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p ........ 90

Hình 3.24. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p ........ 91

Hình 3.25. Phân bố nhiệt độ của các mẫu nhiên liệu trong buồng cháy ....................... 92

Hình 3.26. Hình thành NOx của nhiên liệu B10 so với DO .......................................... 92

Hình 3.27. Phân bố NOx trên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO ................... 93

Hình 3.28. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p ....................................... 93

Hình 3.29. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p ....................................... 94

Hình 3.30. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p ....................................... 94

Hình 3.31. Hình thành bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO .................................... 95

Hình 3.32. Phân bố bồ hóngtrên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO .............. 95

Hình 3.33. Phát thải NOx và bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO ở 1200 v/p ......... 96

Hình 3.34. Quy luật phát thải bồ hóng và NOx của nhiên liệu B10 theo tốc độ ............ 97

Hình 3.35. Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p ................................. 97

Hình 3.36. Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p ................................. 98

Hình 3.37. Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p ................................. 98

Hình 4.1. Bộ hòa trộn nhiên liệu trên đường ống ........................................................ 100

Hình 4.2. Bộ hòa trộn nhiên liệu trong đường ống ..................................................... 101

Hình 4.3. Phương pháp hòa trộn In-Line cho động cơ Cummins TNA855 ................ 105

Hình 4.4. Động cơ Cummins NTA855 lắp trên bệ thử ............................................... 106

Hình 4.5. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu DO và biodiesel song song sử dụng van 3 ngả . 107

Hình 4.6. Bộ hòa trộn nhiên liệu bằng bơm bánh răng ............................................... 108

Hình 4.7. Hệ thống hòa trộn và cấp dầu cho động cơ Cummins NTA855 ................. 109

Hình 4.8. Phanh thủy lực Dynomide ........................................................................... 110

Hình 4.9. Giao diện đo dữ liệu của bộ đo Dyno max 2010 ......................................... 111

Hình 4.10. Sơ đồ bố trí thực nghiệm ........................................................................... 112

Hình 4.11. Một số hình ảnh thử nghiệm động cơ Cummins NTA855 ........................ 116

Hình 4.12. Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B10 so với DO ghi nhận trong thời gian

khoảng 10.000 chu kỳ làm việc của động cơ .............................................................. 117

Hình 4.13. Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B10 so với DO ghi nhận trong thời gian

khoảng 20.000 chu kỳ làm việc của động cơ .............................................................. 118

xiv

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”.

Kỹ thuật cơ khí động lực Ngành/Chuyên ngành:

9520116 Mã số:

Hồ Trung Phước Nghiên cứu sinh:

2013 Khóa:

PGS.TS. Phan Văn Quân Người hướng dẫn:

PGS.TS. Trần Gia Thái

Trường Đại học Nha Trang Cơ sở đào tạo:

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

Nghiên cứu sinh

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS Phan Văn Quân

PGS.TS Trần Gia Thái

Hồ Trung Phước

xv

Thesis title: “Research to Use of Catfish Fat Biodiesel for Diesel Engines of Fishing

Ship"

Mechanical Power Engineering Mayor:

9520116 Major code:

Ho Trung Phuoc PhD Cadidate:

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.

PhD Cadidate Ho Trung Phuoc

xvi

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 của động cơ đốt trong đang ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm thì việc sử

dụng nhiên liệu sinh học (NLSH) 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 NLSH cho động

cơ trong các ngành công nghiệp và giao thông.

Nhiên liệu sinh học (biofuels), là loại nhiên liệu được sản xuất từ các hợp chất có

nguồn gốc động thực vật. Như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ

động vật, dầu dừa, dầu cây hướng dương, dầu cây cọ dầu, dầu cây Jatropha...), ngũ cốc

(lúa mì, ngô, lạc, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm, cây bắp...), sản phẩm

thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...).

So với nhiên liệu truyền thống dầu mỏ như khí đốt, than đá,... NLSH có nhiều ưu

điểm nổi bật:

- Thân thiện với môi trường: Do có nguồn gốc từ động thực vật nên hàm lượng

khí gây ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính trong khí thải của động cơ ít;

- Nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp,

nên giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống.

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.

Trong phạm vi luận án này, NCS nghiên cứu theo hướng (1)

Với lợi thế về điều kiện tự nhiên cho việc phát triển thủy hải sản tại Việt Nam,

việc tận dụng nguồn nguyên liệu từ dầu mỡ cá để sản xuất Biodiesel là rất phong phú.

Qua thực tế khảo sát ở khu vực đồng bằng sông Mê Kông (ĐBSMK), nghề nuôi trồng,

chế biến và xuất khẩu cá da trơn đang đạt được các kết quả đáng khích lệ, theo số liệu

của Hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam, sản xuất và xuất khẩu cá da

trơn năm 2011 có sản lượng cá thu hoạch gần 1,2 triệu tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt

1

hơn 1,8 tỷ USD, năm 2012 sản lượng cá thu hoạch gần 1,2 triệu tấn, kim ngạch xuất

khẩu đạt hơn 1,744 tỷ USD [47]. Theo số liệu của một số nhà sản xuất cá da trơn xuất

khẩu lượng mỡ thu được từ quá trình chế biến cá chiếm khoảng 12%, tính cho năm

2011 và 2012 lượng mỡ cá thu được bình quân khoảng 150.000 tấn/năm. Dầu

biodiesel B100 có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn ở khu vực ĐBSMK đã được một số

doanh nghiệp Việt Nam như: Minh Tú, Agrifish An Giang, Công ty Tây Nam

v.v...nghiên cứu sản xuất thành công đạt các tiêu chuẩn TCVN 7717, ASTM D 6751

của Hoa Kỳ và EN 14214 của EU, được xuất khẩu sang các thị trường như Singapore,

Nhật Bản [7], [45].

Bên cạnh các thành tựu khoa học và việc ứng dụng biodiesel như là một nguồn

nhiên liệu thay thế trong tương lai, Nhà nước đã ban hành hàng loạt các văn bản pháp

lý nhằm mục đích chỉ đạo và định hướng phát triển nhiên liệu biodiesel vào các mục

tiêu ứng phó với biến đổi khí hậu và là nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền

thống.

Theo số liệu của Cục Khai thác và Bảo vệ Nguồn lợi Thủy sản (Tổng cục Thủy

sản, Bộ NN&PTNT), tính đến năm 2014, cả nước có khoảng 120.000 tàu cá, trong đó

số tàu tại khu vực Duyên hải Nam trung bộ (DHNTB) chiếm tỷ lệ đáng kể. Như vậy,

nếu dùng nhiên liệu biodiesel sản xuất từ mỡ cá da trơn cho các phương tiện khai thác

thủy sản (được hiểu là tàu đánh cá) 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 nhiên liệu hỗn hợp biodiesel và DO 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.

Mục tiêu cụ thể:

(1) Phân tích lựa chọn nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da trơn sử dụng cho động cơ

diesel tàu cá;

(2) Đánh giá sự thay đổi các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá

khi sử dụng nhiên liệu biodiesel;

2

(3) Đề xuất công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu và các khuyến cáo cần

thiết khi sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel tàu cá.

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1. Đối tượng nghiên cứu

Nhiên liệu diesel sinh học 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% B100, 90% DO);

- 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

(1) Tổng luận và nghiên cứu cơ sở lý thuyết sử dụng nhiên liệu B10 từ mỡ cá da

trơn làm nhiên liệu cho động cơ diesel;

(2) Lựa chọn mô hình toán và mô phỏng ảnh hưởng của nhiên liệu nhiên liệu

B10 đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá;

(3) Đánh giá các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá khi sử dụng

nhiên liệu B10 làm cơ sở để kết luận khả năng ứng dụng loại nhiên liệu này.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

5.1. Ý nghĩa khoa học

(1) Phân tích lý thuyết và mô tả toán học về ảnh hưởng của việc sử dụng nhiên

liệu biodiesel đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel, làm cơ sở cho

nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm;

(2) Lựa chọn mô hình và các điều kiện mô phỏng (điều kiện ban đầu, điều kiện

biên) khi sử dụng nhiên liệu biodiesel; 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. Mô hình mô phỏng được kiểm nghiệm và điều chỉnh dựa trên đặc

tính gốc của động cơ nghiên cứu;

(3) 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

nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ diesel.

3

5.2. Tính thực tiễn của luận án

(1) Đề xuất giải pháp sử dụng nhiên liệu B10 cho động cơ diesel;

(2) Phát triển công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sang sử

dụng nhiên liệu 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;

(3) Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho việc hoàn thiện sổ tay hướng dẫn

sử dung dầu 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.

6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

6.1. Nghiên cứu lý thuyết

(1) 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;

(2) 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 B10;

(3) Mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng để xác định ảnh hưởng của nhiên

liệu B10 đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá.

6.2. Nghiên cứu thực nghiệm

(1) Xác định các thông số nhiệt động của nhiên liệu B10 từ mỡ cá;

(2) 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.

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.

4

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 dài sử dụng của động cơ khi dùng

nhiên liệu B10 có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn.

5

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 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 như SOx, HC, CO, bồ hóng (Soot), 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.

Biodiesel là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu DO

nhưng được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc dầu ăn phế thải, trong đó các

nguồn nguyên liệu chính để sản xuất được tập trung chủ yếu vào dầu thực vật của

những cây có hàm lượng dầu khá lớn như dầu đậu nành (Soybean Oil), dầu cải

(Rapeseed Oil) ở Châu Âu; dầu hướng dương (Sunflower Oil) ở Mỹ; dầu dừa

(Coconut Oil), dầu cọ (Palm Oil), dầu Jatropha ở Châu Á [1], [2]. Còn đối với mỡ

động vật và dầu ăn phế thải có phần hạn chế bởi các sản phẩm này có sản lượng ít hơn

và quá trình tổng hợp nguyên liệu phức tạp hơn so với dầu thực vật. Tuy nhiên, có

nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc sản xuất và ứng dụng NLSH, trong đó có biodiesel

dùng làm nhiên liệu cho động cơ dieseel như: Địa lý của từng quốc gia - khu vực; khí

hậu; nguyên liệu phục vụ nhu cầu thực phẩm cho con người mà Biodiesel được phát

triển với những nguyên liệu khác nhau.

Trước những thách thức về vấn đề bảo vệ môi trường và nguồn nhiên liệu dầu

mỏ ngày càng cạn kiệt thì việc sản xuất và ứng dụng biodiesel là cấp bách. Theo dự

kiến của cơ quan năng lượng quốc tế IEA (International Energy Agency - IEA), xu

hướng phát triển năng lượng trên thế giới đến năm 2050 sẽ sử dụng 23% lượng dầu

DO, 27% lượng NLSH, còn lại là các loại nhiên liệu khác trong tổng lượng nhiên liệu

cung cấp cho động cơ đốt trong (ĐCĐT) [23].

6

Tại Việt Nam, với lợi thế hơn 3.260 km bờ biển và vùng đồng bằng sông nước

Cửu Long (ĐBSMK) là ưu thế vượt trội về sản phẩm dư thừa từ mỡ cá ba sa, mỡ cá

tra… gọi chung là mỡ cá da trơn so với một số quốc gia trên thế giới. Đây là nguồn

nguyên liệu sản xuất Biodiesel trong nước phong phú và tái tạo, tạo được nhiều lĩnh

vực hữu ích khác kèm theo ngay khi đi vào sản xuất, góp phần tích cực vào sự phát

triển kinh tế xã hội [48].

Biodiesel là loại năng lượng tái tạo, về phương diện hoá học thì biodiesel là

Methyl ester (hay Ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ động thực vật khi

được ester hoá bởi các Ancol methanol hoặc Ethanol, trong đó Methanol được sử dụng

phổ biến nhất.

Phản ứng tổng hợp Methyl ester là dùng các chất Methanol và xúc tác bazơ, quá

trình trao đổi ester còn gọi là quá trình rượu hóa, có nghĩa là từ một phân tử triglyxerit

trao đổi ester với 3 phân tử rượu mạch thẳng, tách ra Glycerin và tạo ra các Ankyl

ester theo phản ứng [15], [42]:

(1.1)

Dầu, mỡ động thực vật Rượu mạch thẳng Glyxerin Biodiesel

Thực chất quá trình chuyển hóa này gồm một loạt các phản ứng thuận nghịch nối

tiếp nhau. Tức là triglyxerit chuyển hóa từng bước thành diglyxerit, rồi từ diglyxerit

chuyển hóa tiếp thành Monoglixerit và cuối cùng là Glycerin:

(1.2)

Cơ chế của phản ứng trao đổi este sử dụng xúc tác bazơ được mô tả như sau:

(1.3)

Sau đó, gốc RO’ tiếp tục phản ứng với các phân tử triglyxerit tạo thành hợp chất

trung gian:

7

(1.4)

Hợp chất trung gian này không bền, tiếp tục tạo một Anion và một Alkyl este

tương ứng:

(1.5)

Cuối cùng là sự hoàn nguyên lại xúc tác theo phương trình:

(1.6)

Xúc tác B lại tiếp tục phản ứng với các diglyxerit và monoglyxerit giống như cơ

chế trên, cuối cùng tạo ra các Alkyl este và Glyxerin.

Quá trình sản xuất diesel sinh học bắt đầu từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các

chất béo đã qua sử dụng. Các cấu trúc phân tử phân nhánh lớn của dầu (mỡ) được

chuyển sang các cấu trúc phân tử mạch thẳng ngắn hơn gọi là các ester Methyl - hoặc

Ethyl giống như các thành phần của dầu diesel truyền thống. Sơ đồ phương pháp ester

hoá trình bày trên hình 1.1. Trong đó, Glycerine được tách ra khỏi ester và sử dụng

trong các ngành công nghiệp khác [44].

8

Hình 1.1. Sơ đồ ester hóa

Biodiesel có tiềm năng lớn để làm nhiên liệu tái tạo trong các động cơ diesel. Có

được điều này chủ yếu là do các đặc tính thuận lợi của Biodiesel về khả năng pha trộn

với nhiên liệu DO thông thường và chỉ cần điều chỉnh nhỏ hệ thống nhiên liệu.

Trên cơ sở các quá trình chuyển hóa biodiesel, quy trình sản xuất biodiesel từ mỡ

cá được xây dựng như sau (hình 1.2):

Hình 1.2. Quy trình cơ bản sản xuất dầu biodiesel từ mỡ cá

9

Phụ thuộc vào phản ứng chuyển vị ester, thời gian phản ứng và tách lớp có thể

phân chia công nghệ sản xuất dầu Biodiesel thành hai loại qui trình sản xuất bao gồm:

Quy trình sản xuất gián đoạn (theo chu kỳ) và quy trình liên tục. Trong phạm vị đề tài,

NCS tóm lược các quy trình công nghệ sản xuất biodiesel gián đoạn như sau:

Quy trình sản xuất gián đoạn: Với lượng nguyên liệu đầu vào cao, phản ứng xảy

ra chậm, để đạt hiệu suất phản ứng 100% cần thời gian tương đối dài, năng suất toàn

bộ quá trình sẽ giảm. Quy trình chỉ thích hợp cho sản xuất ở quy mô nhỏ (khoảng 500-

10.000 tấn/năm) như trên hình 1.3.

Hình 1.3. Quy trình sản xuất gián đoạn biodiesel dùng xúc tác kiềm

1: Thiết bị gia nhiệt mỡ cá sơ bộ; 2: Thiết bị khuấy trộn Methanol và xúc tác;

3: Thiết bị khuấy trộn sơ bộ; 4: Bơm nhập liệu vào thiết bị phản ứng;

5: Thiết bị ngưng tụ hoàn lưu Methanol; 6: Thiết bị phản ứng chính;

7: Thiết bị lắng tách; 8: Thiết bị tách Methanol ra khỏi Glycerine;

9: Thiết bị ngưng tụ thu hồi Methanol; 10: Thiết bị tách nước.

Ưu, nhược điểm của công nghệ gián đoạn:

- Công nghệ đơn giản, chí phí thấp, có thể sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu khác

nhau;

10

- Không thu hồi được xúc tác;

- Việc phân tách và tinh chế sản phẩm chính (biodiesel) và phụ (glycerin) gặp

nhiều khó khăn, do các sản phẩm bị nhiễm xúc tác, muối, dẫn đến chất lượng sản

phẩm không tốt;

- Ngoài ra, để sản xuất dạng mẻ khi triển khai ở quy mô lớn sẽ gặp nhiều khó

khăn, đặc biệt ở hiệu suất sử dụng thiết bị.

Như vậy, từ các phân tích trên có thể phân chia quá trình chuyển hóa biodiesel

thành các công đoạn sau (hình 1.4):

Hình 1.4. Quá trình chuyển hóa biodiesel

Hiện nay trên thế giới, hàng loạt các quốc gia phát triển đang thử nghiệm thành

công và ứng dụng dầu biodiesel thay thế một phần cho nguồn năng lượng hóa thạch.

Các quốc gia như Mỹ, Hà Lan và một số nước thuộc EU đã triển khai sử dụng nhiên

liệu B5, B10 thậm chí đến B20 cho tất cả các loại động cơ sử dụng nhiên liệu truyền

thống là dầu DO. Qua thông tin NCS tìm hiểu tại Mỹ, quốc gia đi đầu trong việc bảo

11

vệ môi trường và tìm nguồn nhiên liệu thay thế đã sử dụng dầu B20 cho các phương

tiện giao thông đường bộ [14], [49].

Các Hãng chế tạo động cơ diesel thủy nổi tiếng thế giới như Wartsilar,

Caterpillar, Mitsubishi ... cũng đã tham gia nghiên cứu thay đổi một số kết cấu của

động cơ để có thể sử dụng biodiesel. Một số dòng sản phẩn của Caterpillar hay

Wartsilar cũng đã ghi rõ khả năng sử dụng biodiesel trên sản phẩm [18], [26].

Tại các quốc gia đang triển khai sử dụng biodiesel như Mỹ và châu Âu đều có

các tiêu chuẩn định giá chất lượng của dầu biodiesel B100 trước khi đưa ra thị trường.

Hoa Kỳ đã xây dựng và áp dụng bộ tiêu chuẩn ASTM D6751 và Châu Âu sử dụng bộ

tiêu chuẩn EN 14214 (bảng 1.1).

Sự tiêu chuẩn hoá các yêu cầu về chất lượng nhiên liệu được coi là một bước

quan trọng để phát triển ứng dụng iodiesel. Đạo luật về chất lượng biodiesel ở Châu

Âu (2003/17/EC) chấp nhận tỷ lệ pha trộn đến 5% cho tất cả các loại động cơ ô tô và

các nhà chế tạo hệ thống phun nhiên liệu[18].

Bảng 1.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo ASTM D6751 [18]

Phương pháp thử Mức giới hạn ASTM D 664 EN 14538 ASTM D 4530 ASTM D 613 ASTM D 2500 ASTM D 130 ASTM D 1160 ASTM D 93 ASTM D 6584 ASTM D 6584 ASTM D 445

Tên chỉ tiêu Trị số axit, mgKOH/g, max Canxi và magiê, ppm, max Cặn cacbon, % khối lượng max Trị số Cetan, min Điểm vẩn đục, 0C Ăn mòn đồng, max Nhiệt độ cất, 90% thu hồi, oC, max Điểm chớp cháy (cốc kín), oC, min Glycerin tự do, % khối lượng, max Glycerin tổng, % khối lượng, max Độ nhớt động học tại 40oC, mm2/s Hàm lượng Methanol, % khối lượng, max EN 14110 EN 14112 Độ ổn định ô xy hóa, giờ, min

Phospho, % khối lượng, max ASTM D 4951

0,50 5 0,050 47 Báo cáo No. 3 360 130 0,020 0,240 1,9-6,0 0,20 3 0,001 Wt % hoặc 10 ppm 500 0,020 15,0 500 0,050 Na và Ka, ppm, max Tro sulphát, % khối lượng, max Lưu huỳnh (S15), ppm, max Lưu huỳnh (S500), ppm, max Nước và cặn, % thể tích, max EN 14538 ASTM D 874 ASTM D 5453 ASTM D 5453 ASTM D 2709

12

Theo quy định của chính phủ Hoa Kỳ, tất cả các dầu biodiesel được đưa ra lưu

hành trên thị trường phải đảm bảo các tiêu chuẩn ASTM D6751 đối với nhiên liệu

B100. Bộ tiêu chuẩn này bao gồm 20 chỉ tiêu thành phần để đánh giá chất lượng nhiên

liệu B100. Các chỉ tiêu này đều được giới hạn thông số theo các phép phân tích chuẩn

của ASTM, là viết tắt của cụm từ “American Society for Testing and Materials”, Hiệp

hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ, là tổ chức tiêu chuẩn quốc tế phát triển và đưa ra

các tiêu chuẩn kỹ thuật cho các hệ thống, sản phẩm, dịch vụ và nguyên vật liệu. Tại

một số quốc gia trong liên minh châu Âu, cũng đã ban hành và áp dụng tương tự như

tại Hoa Kỳ bộ tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng của nhiên liệu B100, EN 14214 như

trình bày trong bảng 1.2.

Bảng 1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo EN 14214 [18]

Tên chỉ tiêu Phương pháp thử Mức giới hạn

Trị số axit, mgKOH/g, max EN 14104 0,50

Canxi và magiê, ppm, max EN 14538 5

Cặn cacbon, % khối lượng max EN OSO 10370 0,30

Trị số Cetan, min EN ISO 5165 51,0

Điểm vẩn đục, 0C EN 14538 Báo cáo

Ăn mòn đồng, max EN ISO2160 Loại 1

Hàm lượng Este, % khối lượng, min EN 14103 96,5 %

Điểm chớp cháy (cốc kín), oC, min EN 14104 130

Glycerin tự do, % khối lượng, max EN 14103, EN 14106 0,020

Glycerin tổng, % khối lượng, max EN 14105 0.250

Độ nhớt động học tại 40oC, mm2/s EN ISO 310 3,50-5,00

Hàm lượng Methanol, % khối lượng , max EN 14110 0.20

Độ ổn định ô xy hóa, tại 110oC, giờ, min EN 14112 6

Phospho, % khối lượng, max EN 14107 1,00

Na và Ka, ppm, max EN 14108, EN 14109 500

Tro sulphát, % khối lượng, max ISO 3987 0,020

Lưu huỳnh, % khối lượng, mg/Kg, max ASTM D 5453 10

Lưu huỳnh, ppm, max EN 14104 500

Nước và cặn, khối lượng mg/Kg, max EN ISO 12937 500

13

Tại Việt Nam, việc xây dựng tiêu chuẩn và quy chuẩn cho nhiên liệu diesel sinh

học được tham khảo theo các tiêu chuẩn trên thế giới như tiêu chuẩn ASTM của Mỹ,

tiêu chuẩn EN của Châu Âu.

1.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel trên Thế giới và tại Việt Nam

1.2.1. Trên Thế giới

Trên cơ sở các tiêu chuẩn về nhiên liệu biodiesel ban hành, đã có rất nhiều các

công trình trên thế giới nghiên cứu nhằm mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường và

hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu truyền thống không tái sinh:

Ekrem Buyukkaya [17], nghiên cứu thử nghiệm để đánh giá hiệu suất, khí thải và

quá trình cháy của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp (DI) khi sử dụng biodiesel

với các tỷ lệ khác nhau (B5, B20, B75) có nguồn gốc từ dầu hạt cải. Kết quả nghiên

cứu cho thấy độ mờ khói (Opacity) giảm 60%, suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) tăng

11%, lượng khí thải CO giảm 9% với B5 và 32% với B100 so với nhiên liệu DO

truyền thống. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu

biodiesel so với DO ở các tỷ lệ: B5; B20; B70; B100 là 7,750; 7,250; 6,500; 5,750 và

DO là 8,500 CA.

Nghiên cứu của Alan C. Hansen cùng các cộng sự [13] cho thấy, mô men xoắn

giảm 9,1% khi sử dụng biodiesel B100 so với DO tại tốc độ 1900 (v/p), lý do giảm bởi

sự thay đổi nhiệt trị (giảm 13,3%) và chênh lệch về khối lượng riêng, độ nhớt. Trong

nghiên cứu này, các thông số đặc tính cháy của động cơ như thời gian cháy trễ, nhiệt

độ và áp suất cháy, tốc độ tỏa nhiệt cũng đã được xem sét ở nhiều tỷ lệ khác nhau.

M. Canakci, j. H. Van gerpen [36], đã tổ chức thực nghiệm đánh giá sự khác biệt

của biodiesel từ dầu đậu nành có tỷ lệ pha trộn khác nhau với DO trên động cơ diesel

tăng áp, 4 xi lanh. Tác giả nhận thấy, khi sử dụng biodiesel, thời gian cháy trễ giảm

dẫn đến thay đổi các thông số công tác chủ yếu của động cơ so với khi sử dụng DO.

S.Sinha and A.K.Agarwal [40], đã nghiên cứu đặc tính cháy của động cơ diesel 4

kỳ, 4 xi lanh, không tăng áp cho DO và biodiesel có nguồn gốc từ cám gạo với các tỷ

lệ 10%, 20% và 100%. Thực nghiệm ở chế độ 50% tải tại 1400 (v/p). Kết quả cho

thấy, áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất là DO, sau đó thấp dần khi tỷ lệ pha

trộn tăng lên. Trong đó, thời điểm bắt đầu cháy của DO là muộn nhất và sớm nhất là

B100.

14

Massling, A và cộng sự [32], nghiên cứu trên động cơ công suất nhỏ với các loại

nhiên liệu khác nhau bao gồm: DO, 20% (B20), 100% (B100) có nguồn gốc từ mỡ

động vật (AFME) và 20% (B20) có nguồn gốc dầu hạt cải dầu (RME). Tất cả lượng

khí thải động cơ được xác định trong các chế độ làm việc khác nhau để đối chiếu với

tiêu chuẩn ISO / EN 8178. Trong đó, bồ hóng giảm mạnh nhất 56% khi động cơ sử

dụng B20 từ hạt cải dầu so với DO.

Yuya Ozawa, Yusuke Soma [46], sử dụng Methyl ester từ dầu dừa cho động cơ

diesel, kết quả cho thấy áp suất chỉ thị trung bình thấp hơn so với khi sử dụng DO. Tuy

nhiên, CO và bồ hóng giảm mạnh, tác giả khuyến cáo cần cải thiện thêm một số chỉ

tiêu cho nhiên liệu để nâng cao áp suất cháy.

Tương tự như trên, khi nghiên cứu ở tỷ lệ B20 và B40, USV Prasad (2012) [43]

đã khẳng định cần phải điều chỉnh thông số phun nhiên liệu để tạo được quá trình hình

thành hỗn hợp cháy hiệu quả, vì khi nâng tỷ lệ pha trộn biodiesel vào diesel thì độ nhớt

và khối lượng riêng tăng lên ảnh hưởng đến quá trình phun.

Xiangang Wang và cộng sự [45], tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về quá trình

phun để đánh giá các đặc tính cháy của Biodiesel trên động cơ cỡ nhỏ của hai loại

nhiên liệu sinh học bắt nguồn từ dầu cọ (BDFP) và dầu ăn đã qua sử dụng (BDFW) ở

áp suất phun 100 - 200 Mpa. Các kết quả cho thấy, áp suất phun thấp thì lượng bồ

hóng phát thải cao, suất tiêu hao nhiên liệu tăng mạnh, Xiangang Wang khuyến cáo

cần điều chỉnh hệ thống phun nhiên liệu.

Kandasamy Muralidharan và Palanisamy Govindarajan [27], nghiên cứu ảnh

hưởng của biodiessel pha trộn cùng với sự điều chỉnh thông số phun. Áp suất phun dao

động từ 190-230 bar, mỗi bước điều chỉnh 10 bar với thời điểm phun 230 CA BTDC.

Kết quả cho thấy: Áp suất phun nhiên liệu ở 220 bar, nhiên liệu B5 có lượng phát thải

CO và NOx thấp hơn diesel. Phát thải hydrocarbon không cháy tương đối cao đối với

các mẫu nhiên liệu được thử nghiệm trừ B5 và B10 ở các áp suất phun.

Magı´n Lapuerta và cộng sự [33], nghiên sứu ảnh hưởng của Biodiesel đến phát

thải động cơ ở các tỷ lệ pha trộn nhưng không quá 40% (B40). Kết quả cho thấy BSFC

tăng khi sử dụng biodiesel so với mẫu không pha trộn, nghiên cứu nhận thấy việc giảm

nhiệt trị (9-14%) là nguyên nhân chính.

A.M. Liaquat và cộng sự [11], nghiên cứu sự thay đổi hiệu suất và các đặc tính

phát thải của động cơ diesel phun trực tiếp sử dụng diodiesel gốc dầu dừa pha trộn ở

15

các tỷ lệ CB5 (5% Biodiesel và 95% DO), CB15 (15% CB và 85% DO). Kiểm tra hiệu

suất động cơ ở 100% tải, tốc độ biến đổi từ 1500 - 2400 v/p. Kết quả cho thấy đã có sự

giảm mô men xoắn, tăng tiêu thụ nhiên liệu, tuy nhiên phát thải khí xả như bồ hóng

giảm so với DO. Do đó, A.M. Liaquat kết luận CB5 và CB15 có thể sử dụng cho động

cơ Diesel mà không cần điều chỉnh hệ thống nhiên liệu.

Yonwaba Sinuka [47], thử nghiệm động cơ diesel máy phát điện sử dụng

diodiesel từ dầu Jatropha và dầu ăn phế thải. Kết quả thu được từ sản lượng điện cho

thấy hỗn hợp nhiên liệu Jatropha (BDJ50) tạo ra nhiều năng lượng hơn (74,4kW) so

với dầu phế thải (BDW50) là 72,8kW. Trong khi đó ở tỷ lệ hỗn hợp BDJ30 thu được

76,6kW, BDW30 thu được 73,6kW, BDJ10 là 79kW và BDW10 đạt 78,6kW.

Yonwaba Sinuka nhận thấy khi tăng tỷ lệ pha trộn thì quá trình hình thành hỗn hợp và

cháy kém đi là nguyên nhân giảm sản lượng điện năng.

Mukesh Kumar, Onkar Singh [34], nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu

biodiessel đến đặc tính động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp. Khi pha trộn biodiesel

gốc dầu Karanja (dầu cây sồi Ấn Độ) với tỷ lệ 10 - 50% (K10 - K50), ở tỷ lệ K50 thì

hiệu suất nhiệt giảm mạnh, bồ hóng tăng theo độ tăng của tỷ lệ pha trộn. Phát thải NOx

giảm khi động cơ hoạt động ở chế độ vừa tải. Tác giả cũng khuyến cáo cần xác định

thêm các thành phần phát thải HC, CO để đánh giá toàn diện về đặc tính quá trình

cháy của loại nhiên liệu này.

S.S. Wirawan, A.H. Tambunan [39], đánh giá đặc tính của động cơ diesel ô tô

khi sử dụng biodiesel gốc dầu cọ. Nồng độ biodiesel gốc dầu cọ được thử nghiệm từ

B0 (mẫu Diesel không trộn), B10, B20, B30, B50 và B100. Kết quả thực nghiệm cho

thấy, mô men xoắn, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của các tỷ lệ pha trộn đều

thấp hơn so với B0, các phát thải của CO, HC, PM và CO2 có xu hướng giảm mạnh ở

B10 và B20. Tác giả khuyến nghị cần gia nhiệt và điều chỉnh hệ thống nhiên liệu khi

sử dụng ở các tỷ lệ B50 và B100.

Gowthaman Vijayan [19], nghiên cứu chuyển hóa dầu cá làm biodiessel cho

động cơ. Trong nghiên cứu này tập trung vào quy trình chuyển hóa dầu và xác định

thời gian, nhiệt độ phản ứng cũng như chất xú tác. Kết quả nhận thấy, để có sản phẩm

biodiesel đạt chuẩn cần sử dụng xúc tác Candida antarctica (Novozyme 435) và

Enzyme NS88001 để chuyển hoá tinh dầu cá. Bên cạnh đó, công trình cũng chỉ ra rằng

16

nhiệt độ và thời gian chuyển hóa đóng vai trò rất quan trong, nó ảnh hưởng trực tiếp

đến độ nhớt của nhiên liệu sau này.

Md. Mostafuur Rahman [35], nghiên cứu cơ chế sự hình thành bồ hóng của

biodiesel có thành phần cacbon cao (20,38%) và không bão hoà (3,46%) so với các

loại nhiên liệu biodiesel thông thường như hỗn hợp WCO và BDJ. Kết quả cho thấy,

với loại nhiên liệu này sẽ tạo ra lượng phát thải hạt tương tự như nhiên liệu DO.

Nghiên cứu này cũng chứng minh rằng việc gia tăng hàm lượng ô xy trong nhiên liệu

không thể làm giảm phát thải hạt rắn, nếu hỗn hợp dầu biodiesel chứa tỷ lệ cacbon lớn

hơn 22 lần so với biodiesl thông thường. Bên cạnh đó, các tính chất khác (khối lượng

riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt) là nguyên nhân dẫn đến sự hình thành các chuỗi

nguyên tử hạt bồ hóng. Vì vậy, để giảm phát thải PM thì việc xác định tỷ lệ pha trộn

Biodiesel với DO cần được kết hợp với một số giải pháp khác về mặt hóa học.

Jedidah W. Maina, Ayub N. Gitau [25], sử dụng dầu hạt dẻ để điều chế thành

biodiesel và thử nghiệm xác định đặc tính của động cơ khi sử dụng hỗn hợp pha trộn là

80% (B80), 50% (B50), 20% (B20) và 5% (B5). Với tốc độ 1500 v/p, suất tiêu hao

nhiên liệu của B5 thấp nhất và cao hơn nhiên liệu DO là 7,3%, cao nhất là B80 khi

BSFC tăng so với dầu DO 20,3% , phát thải bồ hóng của B5 giảm 7,6% và của B20

giảm mạnh nhất là 24,7%. Trong đó, nồng độ NO và NO2 của B100 cao hơn khoảng

15% so với DO. Nghiên cứu nhận thấy, việc sử dụng Biodiesel dẫn đến giảm công suất

động cơ, BSFC tăng theo độ tăng của tỷ lệ pha trộn, điều này ảnh hưởng bởi khi trộn

biodiesel vào DO sẽ làm nhiên liệu hỗn hợp có mật độ và độ nhớt cao hơn.

Hasan A. M. Ali [20], khảo sát một số phương tiên giao thông sử dụng nhiên liệu

biodiessel được sản xuất từ mỡ động vật đã cho thấy áp suất cháy trong xi lanh và tốc

độ tỏa nhiệt của hỗn hợp biodiesel tương tự như của nhiên liệu DO. Tuy nhiên, ở các

hỗn hợp biodiesel, tốc độ tỏa nhiệt tăng nhanh hơn và đạt giá trị cực đại cao hơn so với

nhiên liệu DO, điều này chủ yếu ảnh hưởng bởi thời gian cháy trễ từ một số yếu tố

như: Mức độ không bão hòa của các liên kết trong biodiesel, số Cetan, độ nhớt động

học, nhiệt độ kết tinh của các axit và hàm lượng ô xy có trong nhiên liệu.

Jintana Nina Phanthanousy [24], nghiên cứu tạo ra các tiêu chuẩn phù hợp với

khả năng sản xuất diesel sinh học từ các chất thải. Trong nghiên cứu này, tác giả chủ

yếu tập trung xây dựng quy trình sản xuất, thay đổi tỷ lệ chất xúc tác, nhiệt độ và thời

17

gian xúc tác để tạo sản phẩm biodiessel có chất lượng cao, phù hợp theo tiêu chuẩn

B100 quy định mà chưa thử nghiệm nhiên liệu trên động cơ.

Ahmad Syukri Bin Ahmad Tajuddin [12], nghiên cứu ảnh hưởng của việc hâm

nóng nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu cọ, dầu ăn phế thải và dầu Jatropha

trước khi sử dụng để đánh giá đặc tính phát thải của động cơ diesel. Ở nhiệt độ gia

nhiệt 40°C và 60°C của các mẫu B5, B10, B15. Kết quả nhận thấy với mức tải 50% thì

các chỉ tiêu công tác như công suất, mô men đều tăng so với khi chưa gia nhiệt, nghiên

cứu cũng tiến hành kiểm tra, đánh giá buồng đốt và nhận thấy độ bám muội than giảm

rõ rệt.

Nghiên cứu của Łukasz Łabęcki [31] đã chỉ ra rằng, biodiesel từ hạt cải dầu

(RSO) và dầu đậu nành (SO) đều có áp suất cháy thấp hơn so với DO và RSO có hàm

lượng phát thải bồ hóng lớn hơn so với SO. Khi điều chỉnh thời điểm phun tăng

(30CA) và áp suất phun tăng lên (1200 bar) ở tỷ lệ 30% RSO đã làm giảm mạnh sự

phát thải của bồ hóng so với nhiên liệu DO. Tác giả khuyến cáo cần điều chỉnh thống

số phun cho các loại nhiên liệu này khi pha trộn ở tỷ lệ cao hơn 30%.

Claudia A. Pisac [16], nghiên cứu thử nghiệm để đánh giá đặc tính quá trình cháy

của axít béo Methyl Ester được tổng hợp từ dầu ăn phế thải (WCO). Claudia A nhận

thấy sự khác biệt giữa các nhóm liên kết trong dầu diesel và Methyl ester là yếu tố dẫn

đến thay đổi quá trình cháy, đặc biệt là thời gian cháy trễ do hóa. Kết quả nghiên cứu

cung đã chứng tỏ cấu trúc mạch hydrocarbon trong Methyl ester nhanh phá vỡ liên kết

so với dầu DO bởi các thành phần hóa học, dẫn đến giảm tốc tộ tỏa nhiệt và giảm công

suất đến 9%.

Như vậy, tất cả các nghiên cứu trên chưa chỉ ra sự thay đổi các thông số công tác

chủ yếu (công suất, suất tiêu hao nhiên liệu…) khi sử dụng nhiên liệu B10 (điều chế từ

mỡ cá da trơn) so với DO.

1.2.2. Tại Việt Nam

“Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”

với mục tiêu chủ yếu là phát triển NLSH, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để

thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng

lượng và bảo vệ môi trường đã được Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định

177/2007/QĐ-TTg phê duyệt ngày 20/11/2007. Theo Đề án này, mục tiêu đến giai

đoạn 2011 - 2015, nước ta làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản

18

xuất NLSH, ứng dụng thành công công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các

nguồn nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa sinh khối thành NLSH. Đến năm 2015,

sản lượng Ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu

của cả nước. Tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất NLSH ở nước ta đạt trình

độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng Ethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp

ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước [2].

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 1.3) với 13 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.

Bảng 1.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo TCVN 7717

Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử

Hàm lượng Ester Min 96,5 EN 14103

Khối lượng riêng tại 150C, kg/m3 860-900 TCVN 6594

Điểm chớp cháy, 0C Min 13,0 TCVN 2693

Nước và cặn, % thể tích Max 0,05 ASTM D2709

Độ nhớt động học tại 400C, 1,9-6 TCVN 3171 mm2/s

Tro, sulphat, % khối lượng Max 0,02 TCVN 2689

Lưu huỳnh, % khối lượng, ppm Max 0,05 ASTM D5453

Ăn mòn đồng No1 TCVN 2694

Trị số Cetan Min 47 TCVN 7630

Cặn Cacbon, % khối lượng Max 0,05 ASTM D4530

Trị số Axit, mgKOH/g Max 120 EN 1411

Nhiệt độ chưng cất, 90% thu hồi Max 360 ASTM D1160

Na và Ka, mg/kg Max 5,0 EN 1408

Trên cơ sở TCVN 7717:2007, năm 2009 Việt Nam đã ban hành quy chuẩn kỹ

thuật quốc gia về xăng, nhiên liệu DO và NLSH – QCVN 1:2009/BKHCN với 11 chỉ

tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 (bảng 1.4). Bên cạnh việc công bố chỉ tiêu kỹ

thuật cơ bản của biodiesel B100, các phòng thí nghiệm trọng điểm và các trung tâm

19

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 1.4. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100

Theo QCVN 1:2009/BKHCN

Tên chỉ tiêu

Mức

Phương pháp thử

Hàm lượng Este metyl axit béo (FAME), %

96,5

TCVN 7868 (EN 14103)

khối lượng, không nhỏ hơn

Nước và cặn, % thể tích, không lớn hơn

0,050

TCVN 7757 (ASTM D 2709)

Độ nhớt động học tại 400C, mm2/s

1,9 – 6,0 TCVN 3171 (ASTM D 445)

Tro sulphát, % khối lượng, không lớn hơn

0,020

TCVN 2689 (ASTM D 874)

Lưu huỳnh, % khối lượng, không lớn hơn

0,05

TCVN 7760 (ASTM D 5453)

Trị số Cetan, không nhỏ hơn

TCVN 7630 (ASTM D 613)

47

Trị số Axit, mg KOH/g, không lớn hơn

TCVN 6325 (ASTM D 664)

0,50

Độ ổn định ô xy hoá, tại 110oC, h, không

6

TCVN 7895 (EN 14112)

nhỏ hơn

Glycerin tự do, % khối lượng, không lớn

0,020

TCVN 7867 (ASTM D 6584)

hơn

Glycerin tổng, % khối lượng,

0,240

TCVN 7867 (ASTM D 6584)

không lớn hơn

Phospho, % khối lượng, không lớn hơn

0,001

TCVN 7866 (ASTM D 4951)

Năm 2004, Phân viện khoa học vật liệu tại Tp.HCM đã nghiên cứu thành công

công nghệ sản xuất dầu Biodisel từ mỡ động vật. Trong đó, nhóm nghiên cứu của tác

giả Nguyễn Hữu Hường đã “ra mắt” công nghệ sản xuất dầu biodiesel từ nguồn dầu

phế thải và mỡ cá Basa. Qua thử nghiệm trên động cơ xe ô tô Mercedes 16 chỗ với

quãng đường 1.000km, nhiên liệu B20 đảm bảo nồng độ khí thải trong mức cho phép

và không ảnh hưởng đến sự hoạt động của động cơ [5].

Năm 2005, Viện Hoá học công nghiệp Việt Nam đã được Tổng công ty Hoá chất

giao thực hiện đề tài KH&CN "Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất diesel sinh

học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau và đánh giá tính chất của nhiên liệu hỗn hợp

diesel sinh học/diesel" [48]. Đề tài tập trung chủ yếu vào việc hoàn thiện công nghệ

điều chế diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, đặc biệt là từ dầu dừa ở

quy mô phòng thí nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel. Cùng thời

20

gian đó, một đề tài độc lập cấp Nhà nước do Công ty cổ phần phụ gia và sản phẩm dầu

mỏ chủ trì cũng được triển khai nghiên cứu, nhưng nội dung chính là nghiên cứu công

nghệ sản xuất xăng và dầu diesel pha cồn. Thực tế, đề tài chưa nghiên cứu công nghệ

hoàn thiện để triển khai sản xuất ở quy mô công nghiệp, chưa nghiên cứu một cách hệ

thống các vấn đề pha trộn, phân tích, thử nghiệm và đánh giá đặc tính nhiên liệu diesel

sinh học từ các loại nguyên liệu khác nhau.

Nhóm nghiên cứu do tác giả Hồ Sơn Lâm Tp.HCM [54], đã tiến hành nghiên cứu

hàm lượng các chất độc hại có trong khí thải khi sử dụng biodiesel trên động cơ máy

phát điện và nhận thấy: Loại nhiên liệu Bio-2/IAMS (nhiên liệu dùng cho chạy máy

phát điện) cho hàm lượng hydrocacbon trong khí thải (khi sử dụng 10% Bio-2 /IAMS

để pha với DO) thấp nhất (25ppm). Khi pha 5 hay 15%, hàm lượng hydrocacbon trong

khí thải cũng ít hơn khi sử dụng 100% DO.

Tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về công nghệ lọc - hóa dầu [50], các

nhà khoa học thử nghiệm loại biodiesel pha 5% với DO trên một số loại xe 7 chỗ và xe

tải trọng 1,25 tấn, mỗi xe chạy 1.000km. Kết quả thử nghiệm cho thấy, nếu biodiesel

đạt tiêu chuẩn Việt Nam khi pha với tỷ lệ 5% sẽ không ảnh hưởng đến chất lượng vận

hành động cơ.

Trước năm 2007, tại khu vực ĐBSMK đã xảy ra hàng loạt vụ sử dụng dầu

biodiesel tự phát dẫn đến hậu quả làm hư hỏng động cơ phương tiện đánh bắt thủy hải

sản, điều này đã làm ảnh hưởng không nhỏ đến việc sử dụng dầu mỡ cá biodiesel cho

động cơ và thiệt hại về kinh tế của người dân [7].

Mỡ cá tra và cá basa Việt Nam là nguồn nguyên liệu rất thích hợp để tổng hợp

biodiesel và theo tính toán của các nhà khoa học, nếu tận dụng được nguồn nguyên

liệu này chúng ta sẽ sản xuất được 300 triệu lít B100 hay tương đương khoảng 3 tỷ lít

B10 [54]. Hiện nay, tại ĐBSMK có ba nơi đã sản xuất thành công diesel sinh học từ

mỡ cá tra và basa, cụ thể là công ty Agifish - An Giang với công suất 10.000

(tấn/năm); Công ty Minh Tú - Cần Thơ với công suất 300 (lít/giờ); Công ty thương

mại thủy sản Vĩnh Long với công suất 500.000 (tấn/năm) [7]. Không chỉ có các nhà

khoa học quan tâm, mà các nhà quản lý ở Việt Nam cũng rất quan tâm đến nguồn

nhiên liệu sinh học. Đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học” do Bộ Công Thương chủ

trì đã được Chính phủ phê duyệt để đi vào hoạt động với mục tiêu sẽ làm chủ được

công nghệ sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước và bước đầu

tiến hành pha trộn ở tỷ lệ 5% (B5).

21

Năm 2010, tác giả Trần Thanh Hải Tùng và cộng sự đã nghiên cứu đề tài “Sử

dụng nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel” [10], trong đó có thử nghiệm sử dụng B5

làm từ mỡ cá nhằm đánh giá tính năng và phát thải trên động cơ Ford Transite và

D243. Kết quả là công suất tăng và suất tiêu hao nhiên liệu giảm nhẹ (khoảng 2%).

Năm 2011, tác giả Phạm Hồng Chương đã nghiên cứu “ Đánh giá khả năng sử

dụng biodiesel trên động cơ diesel Mazda WL” [6] và kết luận: Ở vị trí tay ga 70%,

công suất của động cơ (Ne) khi sử dụng nhiên liệu B25 giảm 4,65%, suất tiêu hao

nhiên liệu (ge) tăng 0,66% so với sử dụng nhiên liệu DO.

Năm 2012, Tác giả Trương Vĩnh và cộng sự tại trường Đại học Nông Lâm

Tp.HCM [9], đã nghiên cứu sản xuất biodiesel từ tảo Chlorella, biodiesel với hàm

lượng dầu trong tảo trung bình từ 15-77%. Sử dụng tỷ lệ B5 chạy thử nghiệm trên

động cơ máy phát điện thành công, công trình đã mở ra hướng nghiên cứu mới khi tập

trung vào các loại tảo để tận dụng làm nhiên liệu, qua thí nghiệm thì hàm lượng dầu ở

tảo tại Việt Nam còn thấp, cần có những bước cải tiến để nâng hàm lượng dầu cao lên.

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các loại tảo ở Việt Nam nuôi chủ yếu làm thức ăn cho các

loại thủy sản (cá, tôm) nên hàm lượng protein nhiều hơn so với hàm lượng dầu. Vì

vậy, vấn đề quan trọng là phân tách thành giống thuần hóa, có sức đề kháng tốt và sinh

trưởng mạnh trong môi trường tự nhiên, từ đó để áp dụng nuôi đại trà vào sản xuất.

Năm 2013, để đánh giá hiệu quả của việc sử dụng diesel sinh học trên các tàu du

lịch đang hoạt động trên Vịnh Hạ Long, Ban Quản lý dự án JICA-VNU BIOMASS đã

tổ chức chạy thử nghiệm tàu du lịch Victory Star QN-8888 (Công ty TNHH Vận

chuyển khách Bài Thơ). Sau khi chạy thử trên Vịnh Hạ Long, cơ bản các thông số kỹ

thuật của tàu Victory Star QN-8888 ổn định, tàu vận hành tốt, tỷ lệ khí thải ra môi

trường giảm. Để hoàn thiện việc đánh giá trên, tỉnh Quảng Ninh phối hợp với Công ty

khách Bài Thơ cho chạy thử nghiệm trên các tàu du lịch của đơn vị này với tỷ lệ dầu

diesel sinh học từ 5-10%.

Đề tài cấp bộ của tác giả Nguyễn Hoàng Vũ và cộng sự [3], “Nghiên cứu sử

dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới Quân sự” cũng

đã được hoàn thành cuối năm 2013. Đề tài đã nghiên cứu một cách cơ bản về tính

tương thích, sự ảnh hưởng của diesel sinh học (cụ thể là B10 và B20 từ dầu cọ) đến

quá trình phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy và hình thành các chất ô nhiễm. Tuy

nhiên, đối tượng nghiên cứu là động cơ lắp trên phương tiện cơ giới Quân sự có những

đặc thù riêng, nên chưa thể đánh giá chính xác đến các động cơ lắp trên các phương

22

tiện khác nhau. Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu trên các đối tượng khác và với tỷ lệ

diesel sinh học thay đổi.

Năm 2014, Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Tuấn Nghĩa [4], nghiên cứu ảnh

hưởng của nhiên liệu diesel sinh học sản xuất tại Việt Nam đến tính năng kinh tế - kỹ

thuật và phát thải của động cơ. Kết quả với nhiên liệu diesel sinh học có nguồn ngốc từ

mỡ cá với các tỷ lệ B10, B20, B30 sử dụng cho động cơ diesel Commonrail AVL 5402

cho thấy: Khi tăng tỷ lệ pha trộn biodiesel thì công suất động cơ giảm và suất tiêu hao

nhiên liệu tăng. Công suất đối với nhiên liệu B30 giảm tới 3%, suất tiêu hao nhiên liệu

tăng 3,4%. Phát thải CO, HC và độ khói giảm nhiều nhất khi sử dụng nhiên liệu B30

lần lượt 14,3%; 26,2% và 17,5%; trong khi NOx tăng nhiều nhất đối với B30 là 5,1%.

Đề tài nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của góc phun sớm cũng như ảnh hưởng của

tỷ lệ biodiesel và nguồn gốc của biodiesel mà không đi sâu nghiên cứu quá trình cháy.

Tác giả Phan Đắc Yến (2015) [8], nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel

sinh học B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ

diesel B2. Trong đó nguồn diesel sinh học gốc (B100) sử dụng để pha trộn tạo B10,

B20 được sản xuất từ phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil),

dầu ăn (Cooking Oil). Kết quả cho thấy, mô men giảm lớn nhất là 2,6% khi dùng B10

và 8,7% khi dùng B20, bên cạnh đó là sự khuyến cáo cần thiết phải xác định các thông

số điều chỉnh, vận hành phù hợp của HTPNL (góc phun sớm, áp suất nâng kim phun

...) khi sử dụng B10, B20 để cải thiện tình trạng giảm mô men.

Năm 2017, nhóm nghiên cứu của tác giả Phạm Tuấn Anh và cộng sự [41], đã

nghiên cứu ứng dụng biodiesel từ hạt cau su làm nhiên liệu cho động cơ, bước đầu thử

nghiệm trên động cơ AVL – 5402 đã cho thấy tỷ lệ pha trộn B5, B10 đảm bảo được

các chỉ tiêu công tác của động cơ. Tuy nhiên, công suất giảm xuống so với DO.

Bên cạnh những ưu điểm thì việc sử dụng nhiên liệu B5, B10 vẫn còn những hạn

chế như: Nhiên liệu tiêu hao nhiều hơn so với DO khoảng 5 - 6%; nhiệt độ máy cao

hơn (nóng hơn) bình thường, dầu bôi trơn hao nhiều hơn. Mặt khác, khi sử dụng loại

nhiên liệu này, động cơ khó khởi động vào sáng sớm, nhất là khi thời tiết lạnh; bộ lọc

nhiên liệu nhanh bị tắc, có thể phải thay thế khi chưa đến 500 giờ sử dụng trong khi

tiêu chuẩn sử dụng là 500 giờ (Báo điện tử của Bộ Tài nguyên & Môi trường, ngày

14/7/2016).

Trên cơ sở phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế, NCS nhận

thấy:

23

(1) Ưu điểm chính của biodiesel 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 và hỗn hợp

này có tính ổn định lâu dài. Các hỗn hợp có hàm lượng dầu diesel sinh học thấp có thể

dùng thay thế trực tiếp nhiên liệu DO trong hầu hết các động cơ diesel mà không cần

điều chỉnh.

(2) 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 DO với tỷ lệ cao

không tương thích với một số loại hợp chất nhựa tổng hợp và cao su tự nhiên và chúng

bị hỏng sau một thời gian;

- Biodiesel có tốc độ lão hoá cao, khi xuống cấp sẽ tạo thành các chất lắng đọng

có thể làm hỏng hệ thống phun nhiên liệu.

Tóm lại, dầu diesel sinh học sản xuất từ các chất béo động vật có một số tồn tại:

Chủ yếu là do thành phần axít béo và đặc biệt là độ bão hoà. Các mỡ động vật thường

có độ bão hoà cao dẫn tới Ester - Methyl có nhiều tính chất xấu ở nhiệt độ thấp. Vì

vậy, nên lưu ý giới hạn tỷ lệ khi pha trộn Biodiesel với DO.

(3) Cho đến nay, tất cả các nghiên cứu trong và ngoài nước chưa công trình nào

chỉ ra sự thay đổi các thông số công tác chủ yếu khi sử dụng nhiên liệu B10 (điều chế

từ mỡ cá da trơn) so với nhiên liệu DO trên phương tiện khai thác thủy sản.

Từ những luận cứ trên, NCS đề xuất nghiên cứu sử dụng nhiên liệu B10 cho máy

chính tàu cá nhằm đánh giá khả năng ứng dụng nhiên liệu nói trên, đồng thời đảm báo

tính tin cậy cho hệ thống nhiên liệu nói riêng và con tàu nói chung.

1.3. Cơ sở lựa chọn động cơ diesel làm máy chính tàu cá phục vụ nghiên cứu

Động cơ diesel dùng làm máy chính rất phong phú nhưng có số lượng lớn tập

trung vào một số hãng có thương hiệu và được kiểm nghiệm qua thực tế mà ngư dân

lựa chọn. Tại khu vực DHNTB bao gồm 8 tỉnh: Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi,

Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Bình Thuận, Ninh Thuận. Đặc điểm tự nhiên của

các tỉnh là có được đường bờ biển dài, có ngư trường đánh bắt thủy hải sản rộng lớn

của Biển Đông, nên ngành đánh bắt thủy hải sản ở đây rất phát triển. Số liệu điều tra

24

về chủng loại động cơ diesel làm máy chính lắp trên các tàu cá khu vực DHNTB trình

bày trong bảng 1.5, bảng 1.6 và hình 1.5.

Bảng 1.5. Tổng hợp loại động cơ phổ biến theo vùng khảo sát

(Chi cục hàng hải Bình Định)

TT

Tỉnh

Loại động cơ phổ biến

Số lượng động cơ (chiếc)

Đà Nẵng Quảng Nam Quảng Ngãi Bình Định Phú Yên Khánh Hòa Bình Thuận Ninh Thuận

1 2 3 4 5 6 7 8 Tổng

Tổng số phương tiện khảo sát 210 160 1.802 2.006 411 634 1.032 145 6.400

Cummins Cummins Cummins Cummins Daewoo Cummins Hino Mitsubishi

84 55 835 1034 131 226 551 42

Tỷ lệ theo từng tỉnh (%) 40 34,38 46,34 51,55 31,87 35,65 53,39 28,97

Bảng 1.6. Loại động cơ được sử dụng phổ biến (Chi cục hàng hải Bình Định)

TT Loại động cơ khảo sát

Tỷ lệ (%)

Yanmar Komatsu Daewoo Hyundai Loại khác Doosan Isuzu

Cummins 1 2 Hino 3 Mitsubishi 4 5 6 7 8 9 10 11 Nigata Tổng

Số lượng trong tổng số động cơ khảo sát 2619 1211 635 468 450 430 246 196 37 94 14 6400

40,92 18,92 9,92 7,31 7,03 6,72 3,84 3,06 0,58 1,47 0,22 100%

Hình 1.5. Biểu đồ tỷ lệ loại động cơ có dải công suất lớn hơn 300 CV

ở 8 tỉnh Duyên hải miền Trung

25

Nhóm động cơ Cummins có model thường gặp là: Cummins NTC350, Cummins

NTC400 và Cummins NTA855. Cả ba model này được thiết kế gần giống nhau, đặc

biệt các chi tiết chính như piston, xi lanh, tay biên, trục khuỷu... đều có thể lắp lẫn cho

nhau được. Điểm khác biệt là: Cummins NTC350 và Cummins NTC400 sử dụng trên

các xe cơ giới đường bộ, Cummins NTA855 thiết kế để sử dụng cho phương tiện thủy,

có sinh hàn nước làm mát cho khí tăng áp vào động cơ. Các model động cơ Cummins

nêu trên đều là các động cơ cao tốc, nên có kích thước nhỏ gọn rất phù hợp để lắp trên

các phương tiện có không gian buồng máy hẹp.

Theo số liệu tại các trung tâm đóng mới, sửa chữa và cung cấp động cơ cho

phương tiện thủy (Viện chế tạo Tàu thủy Đại học Nha Trang, Công ty đóng Tàu

Vinashin Nha Trang, Công ty thiết bị động lực Tân Thành và Công ty cơ khí Thủy sản

III TPHCM), số lượng động cơ được trang bị đa phần thuộc các hãng sản xuất như

trên, có nhiều đặc điểm tương đồng nhau như: Hình dạng buồng cháy, tỷ số nén,

đường kính xy lanh, hành trình piston, kết cấu hệ thống nhiên liệu. Bảng 1.7 trình bày

thông số kỹ thuật của một số loại động cơ diesel đang sử dụng phổ biến làm máy chính

tàu cá.

Bảng 1.7. Thông số kỹ thuật của một số động cơ diesel máy chính tàu cá [51-53]

Hãng sản xuất

CUMMINS

DAEWOO

MITSU

YANMAR

ISUZU

Kiểu Dc x Ss động cơ (mm) NTC350 102x120 NTA855 102x120 F4L912 100x120 F6L912 100x120 BF4M101 108x130 S3M3DM 91,5x135 4CHE 105x125 4TD 100x115 4TY80 105x125 6CHE 105x125 6CHE-HT 105x125 130x150 6HAE 6S185LST 185x230 105x125 UM4BG1 93x102 UM4JB1

Tỷ số nén 14,5 14,1 17,0 17,0 17,5 16,1 16,4 16,0 15,0 16,4 14,4 16,4 13,6 17,5 18,2

φinj (0TĐCT) 18 18 20 20 20 18 18 18 18 18 18 18 18 15 15

Buồng cháy ω // // // // // // // // // // // // // //

Công suất (Hp/rpm) 64/2200 345/2100 68/2300 94/2300 109/2300 60/2800 70/2300 52/2100 77/2500 105/2300 155/2300 165/2000 600/2000 110/2900 61/3000

Dung tích (l) 3,90 14,0 3,77 5,66 3,80 4,12 4,33 3,61 4,33 6,49 6,49 11,94 18,20 4,32 2,77

26

Từ những phân tích trên, NCS đề xuất chọn động cơ Cummins NTA855, Yanmar

6S185L-ST, Mitsubishi S3M3D-M15 là các động cơ đại diện để phục vụ nghiên cứu,

trong đó các nghiên cứu trên động cơ Cummins NTA855 sẽ được trình bày chính trong

luận án, các nghiên cứu trên động cơ Yanmar 6S185L-ST và Mitsubishi S3M3D-M15

được trình bày ở phần phụ lục, hình ảnh và thông số kỹ thuật của động cơ Cummins

như trên hình 1.6 và bảng 7.1 phụ lục 7.

Hình 1.6. Động cơ Cummins NTA855

1.4. 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 nhận thấy:

(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;

27

(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.

Từ những kiến giải trên, nổi rõ vấn đề cần thiết: “Nghiên cứu sử dụng dầu

diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản”

là đề tài mà NCS sẽ trình bày trong luận án này.

Các nội dung nghiên cứu chính sẽ thực hiện theo sơ đồ trên hình 1.7.

nghiệm Thực kiểm chứng sự thay đổi công suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO Mô phỏng (dựa trên mô hình toán) sự thay đổi các thông số công tác chủ yếu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 từ mỡ cá da trơn so với nhiên liệu DO

Mô hình toán mô tả ảnh hưởng của các chỉ tiêu nhiên liệu: (nhiệt trị, độ nhớt,…) đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel

Kết luận về nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn sử dụng cho động cơ diesel làm máy chính tàu cá

Hình 1.7. Sơ đồ khối quá trình nghiên cứu

28

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

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 thông số công tác chủ yếu của động cơ 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 mới

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. Chính vì thế, khi cô lập kết cấu động cơ và tham số của

hệ thống nạp, các thông số công tác chủ yếu của động cơ chỉ còn phụ thuộc vào chỉ

tiêu 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 những vấn đề cơ bản sau:

- Phân tích và chỉ ra những chỉ tiêu khác biệt của nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da

trơn có ảnh hưởng đến các thông số công tác của động cơ;

- Nội dung quan trọng tiếp theo là cơ sở lý thuyết về hình thành hỗn hợp, quá

trình cháy và phát thải, bao gồm: Mô hình toán, các biểu đồ,…Trên cơ sở đó, với sự

hỗ trợ của máy tính thông qua phần mềm chuyên dụng giúp nghiên cứu ảnh hưởng của

chỉ tiêu nhiên liệu đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ bằng mô phỏng

(Chương 3). Cơ sở lý thuyết này còn cho phép lý giải kết quả nghiên cứu thực nghiệm

ảnh hưởng của chỉ tiêu nhiên liệu đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ

(Chương 4).

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

29

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 [22].

Hình 2.1. Biến thiên áp suất cháy p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn

Các thông số trên sẽ được làm rõ hơn trong chương 3 và chương 4, trong phần

này chủ yếu giới thiệu về công suất, hiệu suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của

động cơ.

2.1.1. Công suất của động cơ

Công suất là tốc độ thực hiện công. Trị số công suất của động cơ cho ta biết động

cơ đó "mạnh" hay "yếu". Công suất của ĐCĐT thường được đo bằng đơn vị Kilowatt

(kW) hoặc mã lực (HP, HP - Horse power; CV - Chevaux; PS - Pferdestarke).

1 kW = 1 kJ/s; 1 HP = 75 kG.m/s

1 CV = 1 HP = 0,735 kW; 1 HP = 1,014 PS

Cần phân biệt các khái niệm công suất sau đây của ĐCĐT:

- Công suất chỉ thị (Ni)

Là tốc độ thực hiện công chỉ thị của động cơ. Nói cách khác, công suất chỉ thị là

công suất của động cơ bao gồm cả phần tổn thất cơ học.

- Công suất có ích (Ne)

Công suất của động cơ được đo ở đầu ra của trục khuỷu. Từ định nghĩa của công

suất, áp suất trung bình của chu trình và tốc độ quay ta có các công thức xác định công

suất chỉ thị và công suất có ích dưới đây:

30

(2.1)

(2.2)

Trong đó:

Vs , thể tích công tác của xi lanh; i, số xi lanh của động cơ; z, hệ số kỳ: z = 1 đối

với động cơ 2 kỳ, z = 2 đối với động cơ 4 kỳ; , áp suất chỉ thị trung bình;

, áp suất có ích trung bình; Wi và We, công chỉ thị và công có ích.

- Công suất danh nghĩa (Nen)

Công suất có ích lớn nhất mà động cơ có thể phát ra một cách liên tục mà không

bị quá tải trong những điều kiện quy ước. Các điều kiện cơ bản được quy ước khi xác

định công suất danh nghĩa của ĐCĐT bao gồm:

+ Điều kiện khí quyển tiêu chuẩn;

+ Tốc độ quay danh nghĩa;

+ Loại nhiên liệu và chất bôi trơn xác định;

+ Trang thiết bị phụ trợ cho động cơ khi đo công suất,…

2.1.2. Hiệu suất

Trong tổng số nhiệt năng đưa vào động cơ, chỉ có một phần được "biến đổi"

thành cơ năng có ích, phần còn lại bị tổn thất ở những công đoạn khác nhau trong quá

trình biến đổi. Hiệu suất là đại lượng được sử dụng để đánh giá hiệu quả biến đổi nhiệt

năng thành cơ năng của động cơ. Để đánh giá mức độ tổn thất trong từng công đoạn

của cả quá trình biến đổi năng lượng, sẽ bao gồm các khái niệm hiệu suất sau đây:

Hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị, hiệu suất cơ học, hiệu suất có ích.

- Hiệu suất chỉ thị (i)

Là hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động thực tế.

(2.3)

Cả hiệu suất lý thuyết (t) và hiệu suất chỉ thị (i) đều là hiệu suất nhiệt - đại

lượng đánh giá mức độ hoàn thiện của động cơ về phương diện nhiệt động. Chúng

khác nhau ở chỗ, trong hiệu suất chỉ thị người ta tính đến tất cả các dạng tổn thất nhiệt

31

năng có thể có khi thực hiện một chu trình nhiệt động ở động cơ thực; còn hiệu suất lý

thuyết chỉ bao hàm một dạng tổn thất nhiệt năng theo quy định của định luật nhiệt

động II - nhiệt năng phải truyền cho nguồn lạnh để có thể thực hiện một chu trình nhiệt

động lực. Ta có:

(2.4)

- Hiệu suất cơ học (m)

Là đại lượng đánh giá mức độ tổn thất cơ học trong động cơ, tức là đánh giá mức

độ hoàn thiện của động cơ về phương diện cơ học. Nó được xác định bằng công thức:

(2.5)

Hiệu suất cơ học chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố cấu tạo và vận hành khác

nhau như:

+ Vật liệu chế tạo;

+ Chất lượng thiết kế, chế tạo và lắp ráp;

+ Chất bôi trơn và chế độ bôi trơn;

+ Tỷ số nén, tốc độ, tải, …

- Hiệu suất có ích (e)

Là đại lượng đánh giá tất cả các dạng tổn thất năng lượng trong quá trình biến

đổi nhiệt năng thành cơ năng có ích ở động cơ.

(2.6)

2.1.3. Tiêu hao nhiên liệu

- Tiêu hao nhiên liệu giờ

Là lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ: Đơn vị Ge là [kg/h] hoặc [lít/h]

- Suất tiêu hao nhiên liệu riêng có ích

Trong thực tế khai thác, ngưòi ta ít dùng hiệu suất mà thường dùng đại lượng thể

hiện lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để đánh giá tính tiết kiệm nhiên liệu. 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 suất tiêu hao nhiên liệu riêng có ích (ge).

[ g/kW.h ] hoặc [ g/HP.h ] (2.7)

32

Trong đó:

ge- suất tiêu hao nhiên liệu riêng có ích;

Ge- lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ;

Ne- công suất có ích của động cơ.

2.1.4. Phát thải khí xả

Khí thải được hình thành từ kết quả của quá trình cháy của hỗn hợp không

khí/nhiên liệu không đồng nhất. Các quá trình hòa trộn nhiên liệu trước khi cháy như

thời gian cháy trễ, chất lượng tia phun, thời gian lưu trú của nhiên liệu trong các vùng

nhiệt độ khác nhau, thời gian giãn nở và đặc điểm thiết kế của động cơ đóng vai trò

quan trọng trong việc tạo thành khí thải. Trong động cơ diesel, hai thành phần khí thải

quan trọng để đánh giá quá trình cháy là bồ hóng và NOx:

- Phát thải bồ hóng

Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Nó tồn

tại dưới dạng những hạt rắn và rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ

hóng ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào

khác có mặt trong không khí, bồ hóng còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các

Hydrocarbure thơm mạch vòng hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình

thành. Các hạt bồ hóng này cấu thành từ ba nhóm chính:

+ Nhóm các hạt rắn (Solid fraction - SOL): Các hạt carbon, tro;

+ Nhóm các chất hữu cơ có thể hòa tan (Soluble Organic Fraction - SOF): Gồm vật

liệu hữu cơ có nguồn gốc từ dầu bôi trơn và dầu diesel;

+ Nhóm các hạt sunphát (Sulfate particulates - SO4): Gồm Acid sulfuric và nước.

- Phát thải NOx

Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra

CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng

cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lý hóa diễn ra trong quá trình cháy,

nên trong khí xả động cơ diesel luôn có chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc

hại Oxyde nitơ (NO, NO2, N2O) gọi chung là NOx. Trong đó, NO chiếm đại bộ phận,

là khí không màu, không mùi, không tan trong nước. NO có thể gây nguy hiểm cho cơ

thể do tác dụng với hồng cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển ô xy gây bệnh

thiếu máu [28].

33

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 tỏa 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 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 do

đó giảm thiểu ô nhiễm khí xả hơn so với nhiên liệu DO. Các chỉ tiêu cơ bản của nhiên

liệu gồm [18], [26]:

2.2.1. Nhiệt trị

Nhiệt trị là lượng nhiệt năng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng

hoặc một đơn vị thể tích nhiên liệu. Nhiệt trị của nhiên liệu lỏng và rắn thường tính

bằng kJ/kg, của nhiên liệu khí kJ/m3, hoặc kJ/kmol. Ở Anh và ở Mỹ, nhiệt trị được

tính bằng đơn vị Btu/lb hoặc Btu/ft3.

Trong động cơ diesel, nhiệt trị cao không có ý nghĩa kỹ thuật nên để đơn giản,

trong Luận án sẽ dùng thuật ngữ nhiệt trị theo nghĩa là nhiệt trị thấp.

2.2.2. Độ nhớt và khối lượng riêng

Nếu độ nhớt của nhiên liệu quá lớn sẽ gây khó khăn cho tính lưu động của nhiên

liệu từ thùng chứa tới bơm, giảm độ tin cậy hoạt động của bơm, gây khó khăn cho việc

phun tơi, khiến cho nhiên liệu và không khí không thể hoà trộn đồng đều dẫn đến hệ

quả cuối cùng là làm giảm công suất của động cơ.

Khối lượng riêng của nhiên liệu là đại lượng đặc trưng cho số lượng chất đó có

trong một đơn vị thể tích của nó, thường tính bằng kg/lít (g/cm3).

34

2.2.3. Sức căng bề mặt và tính bay hơi

Sức căng bề mặt (σ) là thông số ảnh hưởng lớn đến khả năng bay hơi nhiên liệu.

Tính bay hơi (thành phần chưng cất) của nhiên liệu ảnh hưởng rất lớn tới tính năng

hoạt động của động cơ xăng lẫn động cơ diesel.

Trong thời gian cháy trễ, tốc độ và số lượng bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc vào

tính bay hơi của nhiên liệu phun vào động cơ. Tốc độ bay hơi của nhiên liệu có ảnh

hưởng lớn tới tốc độ hình thành hoà khí trong buồng cháy. Nhiên liệu có thành phần

chưng cất nặng rất khó bay hơi hết, nên không thể hình thành hoà khí kịp thời, làm

tăng cháy rớt. Ngoài ra phần chưa kịp bay hơi khi hoà khí đã cháy, do tác dụng của

nhiệt độ cao dễ bị phân huỷ (Cracking) tạo nên các hạt C khó cháy, kết quả làm tăng

nhiệt độ của khí xả động cơ, tăng tổn thất nhiệt, tăng muội than trong buồng cháy và

trong khí xả làm giảm hiệu suất và mức độ hoạt động tin cậy của động cơ.

Thực nghiệm chỉ ra rằng: Các buồng cháy ngăn cách có thể dùng nhiên liệu có

thành phần chưng cất khá rộng từ (150 – 180)0C đến (360 – 400)0C, buồng cháy thống

nhất dùng nhiên liệu có thành phần chưng cất khoảng (200 – 330)0C.

Ngoài việc đánh giá bằng đường cong chưng cất thì cũng có thể dùng áp suất hơi

bão hòa để đánh giá tính bay hơi của nhiên liệu.

2.2.4. Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy

Nhiệt độ chớp lửa (tf) là nhiệt độ tối thiểu của nhiên liệu lỏng tại đó hơi của nó

tạo được với không khí một hỗn hợp và bắt cháy khi đưa ngọn lửa tới gần.

Nhiệt độ bắt cháy (tb) là nhiệt độ tối thiểu tại đó mẫu thử được đốt nóng trong

những điều kiện quy ước bắt cháy khi đưa ngọn lửa tới gần và cháy trong thời gian

không tới 5 giây. Nhiệt độ bắt cháy của sản phẩm dầu mỏ thường cao hơn nhiệt độ

chớp lửa khoảng (30 - 40)0C. Cho đến nay có hai dụng cụ với tên gọi là cốc kín và cốc

hở được sử dụng để xác định nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bắt cháy.

2.2.5. Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc

Nhiệt độ vẩn đục là nhiệt độ mà tại đó sản phẩm dầu mỏ bắt đầu vẩn đục do sự

kết tinh của Parafin, nước và những chất khác. Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ tại đó sản

phẩm dầu mỏ mất tính lưu động. Đối với nhiên liệu có nhiệt độ vẩn đục và đông đặc

cao, cần có biện pháp sấy nóng để tránh làm tắc các bộ phận lọc và bơm chuyển.

35

2.2.6. Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu

Tính tự bốc cháy của nhiên liệu là tính chất liên quan đến khả năng tự phát hoả

khi hỗn hợp nhiên liệu - không khí chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ đủ lớn. Để

định lượng tính bốc cháy của nhiên liệu, có thể sử dụng các đại lượng sau:

- Số Cetan

Là đại lượng đánh giá tính tự bốc cháy của nhiên liệu bằng cách so sánh nó với

nhiên liệu chuẩn. Về trị số, là số phần trăm thể tích của chất n-Cetan (C16H34) có trong

hỗn hợp với chất -Methylnaphthalen (C10H7CH3) nếu hỗn hợp tương đương với

nhiên liệu thí nghiệm về tính bốc cháy. Nhiên liệu chuẩn là hỗn hợp với tỷ lệ thể tích

khác nhau của n- C16H34 và -(C10H7CH3): n- C16H34 là một Hydrocacbon loại Parafin

thường có tính bốc cháy rất cao, người ta quy ước số Cetan của nó bằng 100; Còn -

(C10H7CH3) là một Hydrocacbon thơm, chứa một nhóm Methyl trộn lẫn với các

nguyên tử Hydrogen , khó tự bốc cháy, số Cetan quy ước bằng không.

Tính tự bốc cháy của nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình

cháy ở động cơ diesel và qua đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng của động cơ.

Ngoài ra, nhiên liệu diesel còn có một số chỉ tiêu khác nhưng không hoặc ảnh hưởng

rất ít đến nhiệt động chu trình và cấu trúc tia phun nên không được xem xét ở đây.

Tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ sôi, hàm lượng tạp chất, độ nhớt,… dầu diesel có

nhiều tên gọi khác nhau như: Gasoil, dầu diesel tàu thủy, dầu solar, mazout, dầu nhẹ,

dầu nặng, dầu cặn…Tuy nhiên, để xếp một mẫu dầu diesel vào loại nào, phải căn cứ

vào chỉ tiêu kỹ thuật của nó được qui định bởi các tổ chức có chức năng tiêu chuẩn hóa

(ví dụ: ΓOCT của Liên Xô, ASMT của Mỹ, TCVN của Việt Nam, PN của Ba Lan,

DIN của Đức,…) hoặc các hãng chế tạo động cơ lớn. Tại Mỹ, ASTM là cơ quan hàng

đầu thiết lập các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như phương pháp xác định các chỉ tiêu đó đối

với hàng loạt các loại sản phẩm, trong đó có sản phẩm dầu mỏ.

- Thời gian cháy trễ (i)

Nhiên liệu có tính bốc cháy càng cao thì thời gian cháy trễ (i) càng ngắn và

ngược lại. Đo trực tiếp một khoảng thời gian ngắn như vậy là một việc rất khó, cho

nên trong thực tế thường dùng một đại lượng khác để đánh giá tính tự bốc cháy trên cơ

sở so sánh tính tự bốc cháy của mẫu thử và của nhiên liệu chuẩn.

Sự tự bốc cháy của hydrocarbon trong động cơ diesel là một quá trình chuỗi phân

nhánh bao gồm các lớp phản ứng bốn chuỗi: Khởi đầu, lan truyền, chuỗi phân nhánh

36

và kết thúc chuỗi. Phát hỏa xảy ra sau khi bắt đầu phun một thời gian nhất định, trong

thời gian này nhiên liệu bay hơi cho đến khi hình thành một khu vực đầu tiên của hỗn

hợp có tỷ lệ không khí - nhiên liệu là 0,5 <γ <0.7. Hơn nữa, các phản ứng hóa học

trong khu vực này đã sản sinh đủ gốc tự do nhiên liệu để bắt đầu quá trình đốt cháy.

Chuỗi khởi tạo gốc tự do đầu tiên là từ các phân tử nhiên liệu ổn định. Phản ứng này

xảy ra từ từ do các phân tử bền vững. Sau đó, khi đạt tới một nồng độ nhất định, phản

ứng dây chuyền và phản ứng chuỗi phân nhánh sẽ xảy ra.

Một số phản ứng dây chuyền tạo ra gốc tự do, sau đó các gốc tự do này tham gia

trong chuỗi phân nhánh làm tăng số lượng phản ứng và kết quả là gia tốc đáng kể các

phản ứng, cuối cùng dẫn đến phát hỏa.

2.3. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến các thông số công tác chủ yếu của

động cơ diesel

2.3.1. Nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá

Lượng mỡ cá da trơn được sản xuất tại khu vực ĐBSMK góp phần không nhỏ

trong việc xuất khẩu và cũng được sử dụng làm nguồn nhiên liệu thay thế sử dụng cho

động cơ diesel. NCS đã tiến hành nghiên cứu, khảo sát thực tế tình hình sản xuất và sử

dụng nhiên liệu diesel sinh học ở các tỉnh ĐBSMK. Từ đó đánh giá tổng quan tình

hình sản xuất, sử dụng cũng như chất lượng dầu diesel sinh học thông qua các nội

dung sau:

- Tình hình, quy mô, quy trình sản xuất của các cơ sở sản xuất dầu diesel sinh

học từ mỡ cá da trơn ở các tỉnh ĐBSMK;

- Tiến hành thu thập mẫu dầu diesel sinh học sản xuất từ mỡ cá da trơn để phân

tích chất lượng của dầu diesel sinh học đã được sản xuất ở các Công ty thuộc khu vực

ĐBSMK.

NCS tiến hành khảo sát điều tra các nhà máy, xưởng sản xuất chế biến nhiên liệu

diesel sinh học tại ĐBSMK từ 01/08/2014 đến 15/08/2014. Địa điểm khảo sát:

- Các sở giao thông vận tải ở các tỉnh ĐBSMK;

- Công Ty TNHH Minh Tú;

- Công ty Cổ phần Xuất Nhập Khẩu Thủy sản An Giang;

- Công ty TNHH Thái Phương Lâm;

- Công ty cổ phần Vĩnh Hoàn.

37

Bảng 2.1 đến bảng 2.6 là thông tin về chỉ tiêu kỹ thuật biodiesel từ mỡ cá da trơn

được khảo sát so với nhiên liệu DO dùng trong nghiên cứu. Mẫu kết quả thử nghiệm

nhiên liệu tại trung tâm đo lường chất lượng trình bày tại phụ lục 7.

Bảng 2.1. So sánh chỉ tiêu kỹ thuật nhiên liệu biodiesl B100 dùng trong nghiên

cứu với B100 theo tiêu chuẩn

Phương pháp Tên chỉ tiêu Mức thử

Biodiesel B100 theo B100 dùng TCVN trong LA

Hàm lượng Ester Min 96,5 69,91 EN 14103

TCVN 6594/ 860-900 885 Khối lượng riêng tại 150C, kg/m3 ASTM D 4052

TCVN 2693/ Điểm chớp cháy, 0C Min 13,0 40 ASTM D 93

ASTM D2709/ Nước và cặn, % thể tích Max 0,05 Không có ASTM D 2709

TCVN 3171/ 1,9-6 5,693 Độ nhớt động học tại 400C, mm2/s ASTM D 445

TCVN 2689/ Tro, sulphat, % khối lượng Max 0,02 0,01 ASTM D 874

Lưu huỳnh, % khối lượng, Max 0,05 7,1 mg/kg ASTM D5453 ppm

TCVN 2694/ Ăn mòn đồng No1 No1 ASTM D 130

TCVN 7630/ Trị số Cetan Min 47 58,6 ASTM D 613

ASTM D4530 Cặn Cacbon, % khối lượng Max 0,05 0,13

EN 1411/ ASTM Trị số Axit, mgKOH/g Max 120 0,57 D 664

Nhiệt độ chưng cất, 90% thu Max 360 ASTM D1160 hồi

Na và Ka, mg/kg Max 5,0 EN 1408

38

Bảng 2.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu dầu mỡ cá B100

Tính chất Phương pháp Đơn vị Tiêu Dầu sinh học

thử nghiệm chuẩn từ mỡ cá basa

Pcinometer ASTM D93 – 07 ASTM D445 – 06 kg/l 0C cSt 93,0 min 1,9 – 6,0 - 149 4,851

Tỷ trọng, 200C Điểm chớp cháy Độ nhớt động học, 400C Tro sulfated ASTM D874 – 06 wt % < 0,005

0,020 max

ASTM D5453 – 06 wt % ASTM D130 No.3 max 0,001 1a

Sulphur Độ ăn mòn đồng, 1000C trong 3 giờ Chỉ số Cetan Điểm vẫn đục Chỉ số axít 47 min ASTM D613 – 01 0C ASTM D2500 – 05 ASTM D664 – 07 mg 69,5 - + 12 0,50 max 0,295

KOH/g

ASTM D6584 – 07 wt % ASTM D6584 – 07 wt % 0,020 0,240 0,003 0,269

0,15 3,76 0,19 28,31 0,78 0,22 7,75 40,35 13,64 0,96 0,32 1,19 0,53 0,68 0,18 0,68 0,32

Glycerin tự do Tổng glycerin Thành phần hóa học Lauric (C12:0) Myristic (C14:0) Pentadecanoic C15:0) Palmitic (C16:0) Palmitoleic (C16:1) Margarine (C17:0) Stearic (C18:0) Oleic (C18:1) Linoleic (C18:2) Linoleic (C18:3) Arachidate (C20:0) Gadoleate (C20:1) Arachidonic (C20:4) Eicosapentanoic (C20:5) Erucate (C22:0) Docosahexaenoic (C22:6) Lignoceric (C24:0) Điểm chưng cất IP 10 %vol 50 %vol 90 %vol Report wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % wt % ASTM D1160–02a 0C 0C 0C 0C 317,9 334,1 348,9 362,5

39

Bảng 2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật nhiên liệu DO dùng trong nghiên cứu

Kết quả Tiêu chuẩn Các thông số

Nhiệt trị, MJ/kg 45,69 45,70

Khối lượng riêng ở 150C (g/cm3) 0,830 DO – sạch

226/1000000 1034 S% 226 mg/kg

Chỉ số Cetan 52,1 Min 46

Điểm chớp cháy cốc kín, 0C 57 Min 55

Độ nhớt động học ở 400C, mm/s2 2,419 2,0-4,5

Cặn carbon của 10% cặn trưng cất 0,17 0,3 max

Hàm lượng tro % khối lượng <0,001 Max 0,01

Hàm lượng nước, mg/kg 85 Max 200

Độ bôi trơn 380 Max 460

Nhiệt độ cất, 90% thể tích 334 MAX 360

Điểm đông đặc 0C 0

Bảng 2.4. Kết quả phân tích nhiên liệu B5 (5% B100 + 95% DO)

(Trung tâm đo lường chất lượng Khu vực 3, Tp. HCM)

Các thông số Kết quả Tiêu chuẩn

Nhiệt trị, MJ/kg 45,42 45,43

Khối lượng riêng ở 150C (g/cm3) 0,836 DO – sạch

S% 987 mg/kg 987/1000000 Max 50010004

Chỉ số Cetan 52,4 Min 46

Điểm chớp cháy cốc kín, 0C 61 Min 55

Độ nhớt động học ở 400C, mm/s2 2,740 2,0 – 4,5

Cặn Carbon của 10 % cặn trưng cất 0,05 0,3 max

Hàm lượng tro % khối lượng <0,001 Max 0,01

138 Hàm lượng nước Max 200

165 Độ bôi trơn

345 Nhiệt độ cất, 90% thể tích Max 360

-6

Điểm đông đặc, 0C

40

Bảng 2.5. Kết quả phân tích nhiên liệu B10 (10% B100 + 90% DO)

(Trung tâm đo lường chất lượng Khu vực 3, Tp. HCM)

Kết quả 45,40 0,839 926/1000000 52,5 63 2,848

Tiêu chuẩn 45,41 DO – sạch Max 500 983 Min 46 Min 55 2,0 – 4,5 0,3 max Max 0,01 Max 200 Max 360

Các thông số Nhiệt trị, MJ/kg Khối lượng riêng ở 150C (g/cm3) S% 987 mg/kg Chỉ số Cetan Điểm chớp cháy cốc kín, 0C Độ nhớt động học ở 400C, mm/s2 Cặn Carbon của 10 % cặn trưng cất 0,15 Hàm lượng tro % khối lượng Hàm lượng nước, mg/kg Nhiệt độ cất, 90% thể tích Độ bôi trơn Điểm đông đặc, 0C <0,001 185 345 197 -6

Bảng 2.6. So sánh chỉ tiêu nhiên liệu B10 và DO

(Trung tâm đo lường chất lượng Khu vực 3, Tp. HCM)

Chỉ tiêu

Nhiệt trị, MJ/kg Độ nhớt động học ở 400C, mm/s2 Khối lượng riêng ở 150C (g/cm3) Chỉ số Cetan Điểm bốc cháy cốc kín, 0C Cặn carbon ở 10% cặn trưng cất Hàm lượng tro, % khối lượng Hàm lượng nước, mmg/kg Nhiệt độ cất, 90% thể tích Điểm đông đặc, 0C B10 45,40 2,85 0,839 52,5 63 0,15 < 0,001 185 345 - 6 Kết quả DO 45,69 2,42 0,830 52,1 57 0,17 < 0,001 85 334

Số liệu từ các bảng trên cho thấy, ba chỉ tiêu có sự sai khác giữa biodiesel và DO

và ảnh hưởng trực tiếp đến chu trình công tác của động cơ diesel là: Nhiệt trị; độ nhớt

và khối lượng riêng. Sau đây lần lượt xét ảnh hưởng của các chỉ tiêu này đến thông số

công tác chủ yếu của động cơ diesel.

2.3.2. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu biodiesel đến quá trình phun

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.

41

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, đó là số Reynolds [21]:

(2.8)

Trong đó, pinj- áp suất nâng kim phun; pc- áp suất cuối kỳ nén; vl- vận tốc tia

phun; dh- đường kính lỗ phun; ρ, μ là khối lượng riêng, độ nhớt của nhiên liệu; Cd- hệ

số giãn dòng của vòi phun.

Nhiên liệu được phun vào trong buồng đốt động cơ diesel bằng vòi phun với áp

suất cao và phân rã thành các hạt nhỏ với kích thước khác nhau, chúng tập trung thành

chùm tia hạt nhiên liệu. 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 sử dụng nhiên liệu thay thế,

bởi vì sự cháy của động cơ diesel phụ thuộc chặt chẽ vào chất lượng phun nhiên liệu

vào trong buồng đốt.

Độ nhớt và khối lượng riêng lớn làm tăng sức căng bề mặt, giảm khả năng bay

hơi, ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc tia phun nhiên liệu và do đó ảnh hưởng đến chất

lượng chu trình và thông số công tác của động cơ diesel, số Weber là đại lượng đặc

trưng cho cho quá trình phân rã hình thành cấu trúc tia phun [21]:

(2.9)

Trong công thức trên, σ là sức căng bề mặt hạt nhiên liệu.

Hình 2.2 mô tả các thông số chính của tia nhiên liệu. Chiều dài chùm tia S (độ

xuyên sâu tia phun), chiều dài phân rã sơ cấp (lb) cho ta khái niệm sự phân tán của

chùm tia nhiên liệu. Góc nón chùm tia 2 và kích thước trung bình của các hạt nhiên

liệu là kết quả của quá trình phân tán để hình thành hỗn hợp cháy [20].

- 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. Biểu đồ mô tả một tia phun cao áp hình nón được cho

trong hình 2.2 (đường kính lỗ phun 180 μm, chiều dài của lỗ phun 1 mm). Hiện nay,

áp lực phun của hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ Diesel lên đến 200 MPa.

42

Nhiên liệu phun vào trong buồng đốt với vận tốc 500 m/s hoặc lớn hơn, tia phun bị phá

vỡ theo cơ chế tán xạ hạt.

Hình 2.2. Sự phân rã của một tia phun nhiên liệu 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 là phân rã thứ cấp gây ra do lực khí động tạo bởi vận tốc

tương đối giữa các giọt và khí bao quanh.

Các lực khí động cản trở chuyển động của những giọt nhỏ. Những giọt ở biên tia

phun chịu lực kéo mạnh nhất và di chuyển chậm hơn các giọt phía trong. Vì lý do này

các giọt nhỏ ở biên liên tục được thay thế bằng những giọt mới, và sự xuyên sâu của

tia phun S tăng lên như trên hình 2.3. Những giọt có động năng thấp được đẩy ra ngoài

và hình thành các khu vực ngoại biên. Nhìn chung, một hình nón phun (góc nón 2θ )

tạo ra hỗn hợp càng xa miệng phun càng loãng do sự vận động của không khí.

43

Hình 2.3. Sự phát triển của tia phun trong quá trình phun

(Stegemann J., Seebode J., Baltes J., Baumgarten C., Merker G.P. 2002,

prail = 70 MPa, pback = 5 MPa, Tair = 8900K)

Hầu hết khối lượng chất lỏng được tập trung gần trục tia phun, trong khi khu vực

biên chứa khối lượng chất lỏng ít và hơi nhiên liệu nhiều hơn như trên hình 2.4. Giọt

có vận tốc cực đại là tại trục tia phun và giảm theo hướng xuyên tâm do sự tương tác

với khí vận động. Trong chùm tia phun dày đặc, xác suất va chạm giọt là rất cao.

Những va chạm này dẫn đến sự thay đổi vận tốc và kích thước giọt. Các giọt nhỏ vì

thế phân rã thành những giọt nhỏ hơn, nhưng chúng cũng có thể kết hợp để tạo thành

giọt lớn hơn, được gọi là giọt liên kết. Trong hỗn hợp loãng ở xa miệng phun, các yếu

tố chính ảnh hưởng đến sự phân rã và bốc hơi là những điều kiện của buồng đốt như:

Nhiệt độ, mật độ và lưu lượng khí (rối, xoáy). Độ dài tia được giới hạn bởi khoảng

cách giữa miệng phun và đỉnh piston. Trong trường hợp phun áp suất cao và thời gian

phun dài (đầy tải) hoặc mật độ khí thấp (phun sớm) tia phun có thể va chạm với vách

hình thành màng chất lỏng. Màng chất lỏng này có ảnh hưởng xấu đến khí thải, bởi

bay hơi chậm hơn và không thể đốt cháy hoàn toàn.

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. Vì những thí nghiệm thường được thực hiện với sự phun gần

như ổn định nên hầu hết các kết quả chỉ có thể được sử dụng để mô tả giai đoạn phun

chính (kim phun nâng hoàn toàn) của tia phun hình nón.

Thời gian phát triển chiều dài S của tia phun có thể được chia thành hai giai đoạn.

Giai đoạn đầu tiên bắt đầu tại đầu của lỗ phun (t = 0, kim bắt đầu mở) và kết thúc tại

thời điểm chất lỏng từ các lỗ vòi phun bắt đầu phân rã (t = tbreak).

44

Hình 2.4. Phân bố các chất lỏng (màu đen) và hơi (màu xám) của tia phun

áp suất cao từ vòi phun nhiều lỗ (Hiroyasu H., Arai M. 1990)

Do hành trình nâng kim nhỏ và khối lượng dòng chảy thấp khi bắt đầu phun, vận

tốc phun nhỏ, và sự phân rã đầu tiên của tia phun không phải luôn luôn xảy ra ngay

sau khi chất lỏng ra khỏi lỗ phun. Trong thời gian này, sự tăng trưởng của S tuyến tính

theo t (Công thức 2.10).

Chiều dài tia càng lớn, năng lượng và vận tốc các hạt vùng biên càng nhỏ. Nhìn

chung, các tác giả (Dent J.C., 1971; Fujimoto H., Sugihara H., Tanabe H., Sato G.T. -

1981) cung cấp cho các quan hệ sau đây [21]:

(2.10)

(2.11)

Trong đó: (2.12)

Trong công thức 2.10, Δp (bar) là sự chênh lệch của áp lực phun và áp suất

buồng cháy, ρl và ρg là khối lượng riêng các chất lỏng và môi chất cuối kỳ nén

[kg/m3], t là thời gian [s], và d0 là đường kính lỗ phun [m]. Kết quả là: Tăng khối

lượng riêng thì thời gian phân rã và độ xuyên sâu của tia nhiên liệu tăng lên.

- 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 (Hiroyasu và Arai, 1990).

45

(2.13)

- Góc nón chùm tia nhiên liệu 2

Góc nón là thông số đặc trưng của tia phun hình nón. Để khảo sát về mặt lý

thuyết tia phun nhiên liệu biodiesel so với DO, cần giả thiết rằng các điều kiện kỹ

thuật của động cơ không đổi, nghĩa là: Áp suất phun nhiên liệu, lượng cung cấp nhiên

liệu chu trình, đường kính lỗ vòi phun, tốc độ động cơ, áp suất cuối kỳ nén pc là như

nhau. Khi đó, ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu đến các thông số cơ bản của chùm tia

nhiên liệu trong trường hợp phun ổn định (kim phun nâng hết) theo các công thức sau

[28], [37]:

(2.14)

(2.15)

Hoặc: (2.16)

Trong các công thức trên, θ là góc nón phun [độ], D0 là đường kính khoang phun

[m], và l0 là chiều dài của lỗ phun [m]. Trong trường hợp tỷ lệ l0/D0 nhỏ, cấu trúc bọt

xâm thực không vỡ bên trong các lỗ mà vỡ bên ngoài vòi phun và tăng góc nón phun.

Với d0/D0 lớn làm giảm diện tích mặt cắt ngang tại lối vào của lỗ phun, dẫn đến giảm

áp lực tĩnh và tạo điều kiện xuất hiện xâm thực. Thông số ảnh hưởng quan trọng nhất

là tỷ số khối lượng riêng, khối lượng riêng của nhiên liệu lớn thì góc nón giảm [21]:

(2.17)

Với A là một hằng số tùy thuộc vào kết cấu vòi phun và có thể được rút ra từ

thực nghiệm hoặc công thức gần đúng A = 3,0 + 0,28 (L/D). Đại lượng cuối cùng ở vế

phải của công thức 2.17 là một hàm số của các tính chất vật lý của chất lỏng và vận tốc

phun [21]:

(2.18)

46

- Kích thước hạt nhiên liệu

Một đại lượng đặc trưng cho kích thước giọt phun, và do đó quyết định sự phân

rã tia phun là đường kính Sauter (SMD). SMD là đường kính của một giọt mô hình

(đơn vị: m) có tỷ lệ khối lượng/ diện tích bề mặt bằng với tỷ lệ của tổng tất cả các khối

lượng giọt (V) trong tia phun /tổng của tất cả các diện tích bề mặt giọt (A):

(2.19)

(2.20)

Từ công thức 2.19 và 2.20 rút ra:

(2.21)

Với các SMD nhỏ, sự hình thành hỗn hợp và bay hơi hiệu quả hơn. Mặc dù SMD

là một đại lượng đặc trưng cho quá trình phun, nhưng lưu ý là nó không cung cấp

thông tin về phân bố kích thước giọt của các tia phun. Nói cách khác, hai loại tia phun

với SMD như nhau có thể có phân bố kích thước giọt khác nhau đáng kể vì quá trình

hình thành và phân rã tia phun phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trong đó, hiện tượng xâm

thực ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tia phun và đường kính giọt.

Hiroyasu and Arai (1990) xây dựng biểu thức với các thông số: Độ nhớt, khối

lượng riêng của nhiên liệu thông qua công thức phổ biến để xác định đường kính trung

bình Sauters cho hai trường hợp của tia phun khi ra khỏi lỗ phun như sau [28]:

- Tia phun không có hiện tượng xâm thực trong lỗ phun trước khi ra khỏi lỗ phun:

(2.22)

- Khi tăng áp suất phun đến giá trị nhất định, hiện tượng xâm thực xuất hiện trong lỗ

phun:

(2.23)

Trong công thức 2.23, SMD [m] và μ là độ nhớt động học [N.s/m2]. Các đơn vị

của đại lượng khác đã được đưa ra trong các phương trình trên. Tăng độ nhớt và khối

lượng riêng của nhiên liệu thì SMD tăng lên.

47

Sự phân rã sơ cấp chính là sự tan vỡ đầu tiên của chất lỏng hình thành các giọt

nhỏ và các liên kết tạo những giọt lớn.

Vận tốc tương đối rất cao giữa tia phun và pha khí sinh ra lực cắt khí động tại bề

mặt phân giới khí - lỏng. Do có sự nhiễu loạn chất lỏng được tạo bên trong các miệng

phun, bề mặt tia phun được bao phủ một lớp hạt nhỏ li ti. Một số lớp khác do lực cắt

khí động trở nên không bền vững, được tách ra khỏi tia phun và hình thành các giọt sơ

cấp. Tuy nhiên, đó là một quá trình phụ thuộc vào thời gian và không thể phân rã ngay

khi ra khỏi miệng phun. Hơn nữa, lực khí động chỉ có thể ảnh hưởng đến lớp biên của

tia phun mà không tác động vào lõi, do đó phân rã khí động chỉ là cơ chế của phân rã

giọt thứ cấp, có tầm quan trọng thứ hai.

Cơ chế phân rã thứ hai là cơ chế gây nhiễu loạn - phân rã. Nếu vận tốc rối xuyên

tâm trong tia phun được tạo ra từ trong các miệng phun đủ lớn, vận động rối thắng sức

căng bề mặt và tách các giọt ra khỏi tia phun. Đây là cơ chế phân rã quan trọng nhất

của tia phun áp lực cao (hình 2.5) [21].

Hình 2.5. Tóm tắt cơ chế phân rã của tia nhiên liệu

Trong trường hợp của dòng chảy rối (tỉ lệ L/D lớn, không tạo bọt xâm thực), biểu

đồ vận tốc có dạng phân bố. Tuy nhiên, trong trường hợp phun áp suất cao, có xâm

thực, tỷ lệ L/D nhỏ, sự hình thành biểu đồ trên là rất khó xảy ra. Một cơ chế phân rã sơ

cấp rất quan trọng là cơ chế tan vỡ bọt của tia phun. Cấu trúc bọt xâm thực phát triển

bên trong các lỗ vòi phun vì giảm áp lực tĩnh do sự tăng tốc mạnh của chất lỏng

48

(Gradient áp lực hướng trục) kết hợp với độ cong lớn của dòng chảy (bổ sung Gradient

áp lực hướng tâm) tại cạnh cửa vào lỗ phun.

Do đó, có hai pha dòng chảy cùng tồn tại bên trong các lỗ vòi phun. Cường độ và

cấu trúc không gian của vùng xâm thực phụ thuộc vào thông số hình học của vòi phun

và điều kiện áp suất. Những bọt bong bóng sẽ nổ vỡ khi rời khỏi vòi phun vì áp suất

cao trong xi lanh. Do đó, hai cơ chế phân rã chính trong trường hợp tia phun cao áp

hình nón là nhiễu loạn và tạo bọt xâm thực. Thông thường, cả hai cơ chế xảy ra đồng

thời và không thể tách biệt [21].

Cho đến nay, chỉ có một số ít tác giả khảo sát hiện tượng xâm thực ở vòi phun

trong suốt, kích thước thực (nội soi, X quang, kỹ thuật Laser - quang học). Theo các

tác giả này, hiện tượng xâm thực có thể được giải thích: Các chất lỏng vào lỗ phun

tăng tốc mạnh do sự giảm diện tích mặt cắt ngang. Giả sử dòng chảy một chiều, ổn

định, không ma sát, không chịu nén và đẳng nhiệt, có phương trình Bernoulli:

(2.24)

Phương trình trên có thể được sử dụng để giải thích thực tế là sự gia tăng tốc độ

dòng chảy u từ điểm 1 đến điểm 2, kết quả là vùng hạ lưu giảm áp suất p (Gradient áp

suất hướng trục). Tại miệng của lỗ phun, các lực quán tính gây ra bởi độ cong của biên

dạng tạo ra Gradient áp lực bổ sung hướng tâm. Áp lực tĩnh thấp nhất đạt ở mép thắt

như hình 2.6 [21].

Hình 2.6. Xâm thực và không xâm thực của dòng chảy trong lỗ vòi phun

(Prosperetti A., Lezzi A. 1986)

Nếu áp lực tại đây đạt tới áp suất bay hơi của chất lỏng, vùng này sẽ chứa đầy

hơi. Tác dụng bổ sung gia tăng sự hình thành xâm thực trong vùng áp suất thấp này cắt

mạnh dòng do Gradient vận tốc lớn ở giữa dòng chảy cong và dòng chảy chính. Điều

49

này tạo các dòng xoáy nhỏ gây nhiễu loạn… Do lực ly tâm, áp lực tĩnh ở tâm của

những dòng xoáy thấp hơn so với chất lỏng xung quanh và bong bóng xâm thực được

tạo ra. Các khu xâm thực phát triển dọc theo thành lỗ, tách ra thành các cụm bong

bóng và bắt đầu nổ vỡ bên trong các lỗ vòi phun.

Để giảm mức độ xâm thực, cần giảm chênh áp do giảm đột ngột diện tích mặt cắt

ngang. Diện tích mặt cắt ngang phải giảm dần tới các miệng ra của lỗ. Tóm lại, có thể

làm giảm đáng kể mức độ xâm thực, nhưng hầu như không thể chế tạo vòi phun triệt

tiêu hoàn toàn hiện tượng này. Do kích thước rất nhỏ, vận tốc dòng chảy cao và phun

dày đặc, không cho phép nội soi trực tiếp trong miệng phun, cho đến nay chưa có công

trình nào được công bố về nghiên cứu thử nghiệm chi tiết cấu trúc và kích thước của

các bong bóng khí xâm thực trong các tia phun chính.

Vì vậy, những công bố về sự vận động và kích thước của bong bóng khí xâm

thực ở điều kiện giống như phun trong động cơ là hoàn toàn dựa trên mô hình toán

học. Xâm thực xảy ra được quy ước tính bằng cách sử dụng một hệ số không thứ

nguyên, gọi là hệ số xâm thực K. Tồn tại nhiều định nghĩa khác nhau về hệ số này:

(2.25)

Trong đó. pvap là áp suất hơi. Hệ số xâm thực này đại diện cho tỷ lệ giảm áp lực

bên trong các lỗ (tăng vận tốc dòng chảy).

Định nghĩa thứ hai về hệ số xâm thực (He L., Ruiz F. 1995 [28]):

(2.26)

Tóm lại, diễn biến đặc trưng của tia phun hình nón trong động cơ Diesel được

chia thành ba giai đoạn.

* Giai đoạn đầu tiên, tính từ khi kim phun bắt đầu mở. Trong giai đoạn này, tại

mặt tựa và côn kim phun tiết diện ngang dòng chảy nhỏ làm giảm lưu lượng phun,

đồng thời do tiết lưu, bọt xâm thực xuất hiện tạo ra dòng chảy rối ở lỗ phun. Vì vận tốc

dọc trục thấp, vận tốc rối hướng tâm gia tăng mạnh nên góc nón phun ban đầu gần

miệng phun thường lớn (hình 2.7) [21]. Ngay sau khi tăng vận tốc dọc trục, góc nón

phun sẽ nhỏ đi. Do đó, cấu trúc tia phun ban đầu phụ thuộc vào tốc độ nâng kim: Nếu

mở chậm thì góc nón lớn và ngược lại.

50

** Giai đoạn hai, diễn ra khi kim phun mở hoàn toàn. Lúc này diện tích mặt cắt ngang

dòng chảy tại mặt tựa và côn kim phun lớn hơn tổng diện tích lỗ vòi phun. Mức độ

xâm thực bây giờ phụ thuộc vào hình dạng lỗ. Nếu xâm thực mạnh thì góc nón phun

lớn, chiều dài tia phun nhỏ và ngược lại.

Hình 2.7. Sự phát triển tia phun theo thời gian. (Busch R, 2001)

prail = 60 MPa, pback = 0,1 MPa, Tair = 2930K

Sự xâm nhập của tia phun tăng theo thời gian do hiệu ứng của những giọt mới

với động năng cao liên tục thay thế những giọt bay chậm ở đầu tia phun.

*** Cuối quá trình phun, kim phun đóng dần và vận tốc phun giảm về không, dẫn đến

nhiễu loạn tia phun theo chiều dọc trục. Do tốc độ phun giảm, lực liên kết làm tăng

kích thước giọt chất lỏng và sự tạo sương không xảy ra.

Như vậy, nếu kim phun đóng nhanh sẽ giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực của

những giọt chất lỏng lớn về khí thải Hydrocarbon và bồ hóng.

Khi phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt động cơ còn phát sinh tương tác tia

phun - vách. Hai quá trình vật lý chính có thể xảy ra: Tương tác tia phun - vách phát

triển và hình thành màng mỏng. Cả hai quá trình có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất

51

cháy và sự hình thành các chất ô nhiễm. Tương tác tia phun - vách xảy ra hay không

phụ thuộc vào độ dài xâm nhập của các tia phun và khoảng cách giữa vòi phun và vách

buồng cháy. Phun áp lực cao, mật độ và nhiệt độ khí thấp, khối lượng riêng của nhiên

liệu lớn sẽ làm tăng khả năng tương tác này (hình 2.8) [21].

Tùy thuộc vào nhiệt độ vách buồng cháy và số lượng của chất lỏng đọng lại trên

vách, tương tác tia phun - vách có thể có cả tác động tiêu cực và tích cực. Trong

trường hợp nhiệt độ vách buồng cháy thấp, ví dụ trong điều kiện khởi động lạnh, sự

hình thành của một lớp màng chất lỏng sẽ tăng đáng kể các Hydrocarbon chưa cháy và

phát thải bồ hóng vì nhiên liệu cháy không hoàn toàn do bay hơi chậm.

Hình 2.8. Sơ đồ minh hoạ va chạm vách của tia phun hình nón

Mặt khác, sự va đập các giọt vào vách có thể tăng cường sự tan vỡ giọt và tăng

tổng diện tích bề mặt tia phun. Sự hình thành xoáy lốc mạnh gần vách cuốn theo

không khí làm tăng cường sự hình thành hỗn hợp. Hơn nữa, tương tác với vách buồng

cháy có nhiệt độ cao làm tăng sự bốc hơi.

Cho dù những giọt dính vào vách và tiếp tục bay hơi, lan rộng ra để tạo thành

một màng chất lỏng, phản xạ, hoặc phá vỡ thành những giọt nhỏ hơn, phụ thuộc vào

động năng va chạm và sự giảm nhiệt độ vách. Sự xoáy lốc mạnh được hình thành xung

quanh vách cuốn theo một số lượng đáng kể khí nóng vào tia phun. Trong trường hợp

khoảng cách giữa các vòi phun và vách nhỏ cũng như tốc độ phun cao và nhiệt độ

vách buồng cháy thấp, một lớp màng chất lỏng có thể được tạo ra.

Bảng 2.7. Trình bày kết quả tính toán lý thuyết các thông số cơ bản của chùm tia

nhiên liệu đối với nhiên liệu diesel (DO) và B10.

52

Bảng 2.7. Kết quả tính toán lý thuyết các thông số cơ bản của chùm tia nhiên liệu

đối với nhiên liệu DO và B10

Mô hình DO B10 Thông số Công thức tính toán toán

Hiroyasu và Chiều dài phân rã, Arai, 1990 16,86 16,90 mm

1,183 1,196 Thời gian phân rã, ms Sato G.T, 1981

Đường

kính trung Hiroyasu and

bình Arai, 1990 1,96 2,18

Sauter, m

; Độ xuyên Sato G.T, sâu chùm 1981 tia, mm 25,41 25,26

Góc nón Hiroyasu and chùm tia, Arai, 1980 33 32 độ

Bảng 2.7 cho thấy:

- Chiều dài phân rã lb và đường kính hạt của nhiên liệu B10 lớn hơn DO.

- Góc nón θ và độ xuyên sâu tia phun của nhiên liệu B10 nhỏ hơn DO.

Mặc dù sự chênh lệch về cấu trúc tia phun giữa hai loại nhiên liệu là không lớn.

Tuy nhiên từ những lý do trên cho thấy:

- Ở tỷ lệ pha trộn thấp, có thể coi cấu trúc tia nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da

trơn như là tia nhiên liệu DO và sử dụng được cho động cơ diesel;

- Ở tỷ lệ pha trộn càng cao, càng có sự chênh lệch về cấu trúc hình học tia phun

do sự sai biệt về khối lượng riêng và độ nhớt càng lớn, điều này làm ảnh hưởng đến sự

bay hơi của nhiên liệu và cháy hỗn hợp trong động cơ, bên cạnh đó thời gian cháy trễ

nhiên liệu B10 sẽ nhỏ hơn DO vì nhiên liệu B10 có số Cetan cao, dẫn đến thay đổi áp

suất cháy cực đại, ảnh hưởng đến công suất.

53

2.3.3. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy

Diễn biến quá trình cháy là rất phức tạp và khó có thể nhận biết cụ thể. Các yếu

tố ban đầu điều khiển quá trình cháy động cơ diesel là sự hình thành hỗn hợp. Sự hình

thành hỗn hợp được điều khiển bởi đặc tính phun, đặc tính loại nhiên liệu, chuyển

động xoáy lốc và rối loạn của không khí nạp trong xi lanh. Yếu tố tiếp theo của quá

trình cháy ở động cơ Diesel là thời gian cháy trễ và phát triển ngọn lửa sau khi bốc

cháy. Sự cháy trong động cơ Diesel là không đồng nhất, đây là sự kết hợp của phần

hòa khí cháy trước và phần cháy khuyếch tán (lan truyền ngọn lửa).

Nhiều hướng tiếp cận đã được thực hiện để tạo các mô hình toán học của sự cháy

không đồng nhất. Trong đó, mô hình chi tiết đa chiều dựa vào giải pháp số, các

phương trình vi phân được thực hiện bởi các ô lưới nhỏ hai hoặc ba chiều trong buồng

đốt. Các mô hình đa chiều có thể mô tả chi tiết hiện tượng trong xi lanh, có khối lượng

tính toán lớn nên cần nhiều thời gian cũng như cấu hình máy tính. Một trong những

mô hình phản ánh chi tiết quá trình phun là mô hình Kelvin - Helmholtz và Rayleigh-

Taylor (KH - RT), đây là mô hình được sử dụng phổ biến trong mô phỏng quá trình

phân rã tia phun. Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy mô hình KH - RT diễn tả phù hợp

các điều kiện hoạt động luôn thay đổi của động cơ. Mô hình KH - RT được phát triển

dựa trên mô hình TAB (Taylor – Analogy Breakup), là sự kết hợp giữa hai mô hình

phân rã tia phun [21]:

Mô hình KH giải thích sự phát triển không ổn định các sóng bề mặt của tia nhiên

liệu lỏng gây ra bởi sự sai khác về vận tốc giữa pha lỏng và pha khí.

Mô hình RT giải thích sự phát triển sóng bề mặt của các hạt nhiên liệu gây ra bởi

sự cọ xát giữa các bề mặt hạt và khí.

Theo KH, lớp biên của trường tia nhiên liệu sinh ra sự phát triển nhanh chóng về

chiều dài sóng (KH) và tốc độ hình thành hạt nhiên liệu (KH):

(2.27)

(2.28)

54

Bán kính tới hạn của hạt nhiên liệu rc, là bán kính hình thành sau khi hạt nhiên

liệu thoát khỏi tia phun, rc phụ thuộc vào chiều dài sóng KH và tốc độ mà tại đó hạt

nhiên liệu thoát khỏi tia phun, giá trị thời gian phân rã tKH (đại diện cho tốc độ phân rã

hạt) phụ thuộc vào chiều dài sóng KH. Tốc độ hình thành hạt nhiên liệu KH và bán

kính hạt nhiên liệu r có quan hệ như sau:

(2.29)

(2.30)

Trong đó, rc- bán kính tới hạn của hạt nhiên liệu; hằng số mô hình B0 = 0,61,

B1 = 40; r- bán kính hạt nhiên liệu.

Sự biến thiên kích thước hạt có thể được xác định bằng phương trình sau:

(2.31)

Phương trình trên mô tả tốc độ mà hạt nhiên liệu đạt đến trạng thái cân bằng.

Thông số B0 sẽ xác định điều kiện để sự phân rã bắt đầu, nếu We < Wegiới hạn = 6, các

hạt nhiên liệu sẽ tự đạt tới trạng thái ổn định và quá trình phân rã tia phun không xảy

ra (chiều dài phân rã lb quá lớn). Thông số thứ hai là B1, kiểm soát thời điểm mà tại đó

hạt nhiên liệu mới được hình thành.

Theo RT, việc xuất hiện hạt nhiên liệu bị chi phối bởi tốc độ xáo trộn trên bề mặt

hạt, sự xáo trộn này bắt đầu từ đuôi của lớp biên. Chiều dài sóng RT và tốc độ hình

thành RT được xác định như sau:

(2.32)

Với: (2.33)

(2.34)

Trong đó, thông số mô hình CRT = 0,1, CRT xác định điều kiện để hạt phân rã

thành các hạt mới có kích thước nhỏ hơn và thông số này cũng xác định kích thước mà

hạt mới đạt được; - gia tốc của các hạt do lực kéo gây nên; vrel- vận tốc tương đối giữa

các hạt và khí bao quanh.

55

Trong quá trình phân rã, hiện tượng bay hơi hạt nhiên liệu xảy ra do không khí

nóng bị kéo vào chùm tia, nung nóng các hạt nhiên liệu ngay sau khi bị phân rã. Thông

số cơ bản để tính toán quá trình bay hơi của hạt nhiên liệu chính là thông số thời gian

tồn tại của các hạt này. Để xác định thời gian tồn tại của các hạt, lấy đạo hàm theo thời

gian khối lượng của hạt hình cầu như sau:

(2.35)

Mặt khác,

(2.36)

Trong đó, Ce là hằng số.

Từ phương trình trên, tích phân 2 vế theo thời gian:

(2.37) Để xác định thời gian (e) mà một hạt có kích thước D0 bốc hơi hoàn toàn, cần

thay D = 0 vào phương trình 2.37 và kết quả sẽ có phương trình 2.38:

(2.38)

Giá trị chưa biết của phương trình là Ce. Để xác định Ce, kết hợp hai phương

trình (2.35) và (2.36), khi đó:

(2.39)

Thời gian chuyển hóa từ pha lỏng sang pha khí của hạt có thể xác định bằng

công thức 2.40 [21]:

(2.40)

Kết hợp phương trình (2.39) và (2.40), Ce được xác định như sau:

(2.41)

Trong đó, Sh là hằng số Sherwood:

(2.42)

56

Khi thay Ce vào phương trình (2.38), thời gian tồn tại của hạt nhiên liệu được xác định:

(2.43)

Trong đó, md- khối lượng hạt nhiên liệu; d- khối lượng riêng của hạt nhiên liệu;

- hệ số D- đường kính hạt nhiên liệu; D0- đường kính ban đầu của hạt nhiên liệu;

khuếch tán khối lượng; Xv,s- hệ số khối lượng của hơi nhiên liệu tại bề mặt hạt; Xv,-

hệ số khối lượng của hơi nhiên liệu ở vị trí xa hạt; Sc- số Schmidt của không khí; v-

khối lượng riêng hơi nhiên liệu, thông số này ảnh hưởng rõ rệt đến .

Quá trình cháy trong động cơ Diesel được tính từ thời điểm nhiên liệu thực tế

được phun vào buồng cháy. Để có thời gian cần thiết cho quá trình hình thành hỗn hợp

nhiên liệu - không khí và chuẩn bị cho hỗn hợp bốc cháy, nhiên liệu được phun vào

buồng cháy trước khi piston tới ĐCT. Góc quay của trục khuỷu tính từ thời điểm phun

nhiên liệu đến ĐCT được gọi là góc phun sớm. Trị số của góc phun sớm thường xê

dịch trong khoảng (φs = 10 ÷ 400) và phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và tốc độ quay

của động cơ. Toàn bộ quá trình phun nhiên liệu kéo dài khoảng 25 ÷ 300 gqtk [22].

Ở động cơ diesel rất khó tạo ra một hỗn hợp cháy đồng nhất. Tại các khu vực của

buồng cháy ở xa các tia nhiên liệu, hỗn hợp nhiên liệu - không khí quá loãng, không

đủ để bốc cháy (λ >λ max). Còn ở khu vực trung tâm các tia nhiên liệu có mật độ các hạt

nhiên liệu rất lớn, hỗn hợp nhiên liệu - không khí ở đây quá đậm, vượt quá giới hạn

bốc cháy (λ < λmin). Khu vực có lợi nhất cho quá trình cháy khởi phát là vỏ ngoài của

chùm tia nhiên liệu, ở đó các hạt nhiên liệu có kích thước nhỏ chuyển động cùng với

không khí. Quá trình cháy nhiên liệu ở động cơ diesel không bắt đầu từ một điểm như

ở động cơ đốt cháy bằng tia lửa điện. Trong thể tích buồng cháy có thể xuất hiện nhiều

trung tâm cháy tại những khu vực có điều kiện thích hợp. Để phân biệt với mô hình

“cháy bề mặt” ở động cơ xăng, có thể gọi mô hình bốc cháy nhiên liệu trong động cơ

Diesel là “cháy thể tích” của một hỗn hợp không đồng nhất [22].

Cháy không hoàn toàn là điều không mong muốn vì khi đó tổng nhiệt lượng cấp

cho môi chất công tác sẽ nhỏ hơn so với trường hợp cháy hoàn toàn. Ngoài ra, tồn tại

một số sản phẩm cháy không hoàn toàn như oxide carbon, aldehyt, hydrocacbon … là

những hợp chất độc hại đối với sức khoẻ con người và môi trường sống.

57

Đối với động cơ diesel, hiện tượng cháy không hoàn toàn gia tăng trong quá trình

sử dụng chủ yếu do tình trạng kỹ thuật của động cơ, đặc biệt là tình trạng kỹ thuật của

hệ thống phun nhiên liệu bị giảm sút và chất lượng nhiên liệu.

Như vậy, một quá trình cháy có chất lượng cao sẽ đạt hai yêu cầu cơ bản sau đây:

- Nhiên liệu cháy hoàn toàn (sản phẩm cháy cuối cùng là CO2 và H2O) và cháy

kịp thời (cháy gần ĐCT). Khi đó, hiệu quả sử dụng nhiệt là cao nhất;

- Tốc độ tăng áp suất trung bình (wtb) và áp suất cháy cực đại (pz) có trị số vừa

phải, đảm bảo cho động cơ làm việc “mềm”, độ ồn thấp và hạn chế tải trọng cơ học tác

dụng lên cơ cấu truyền lực.

Đối với nhiên liệu biodiesel, khi không can thiệp đến các thông số điều chỉnh hệ

thống phun nhiên liệu thì tính chất lý hóa của nhiên liệu này như: Độ nhớt, số Cetan,

khối lượng riêng ảnh hưởng đến quá trình phun, hình thành hỗn hợp và do đó ảnh

hưởng đến thời gian cháy trễ dẫn đến thay đổi quá trình cháy so với nhiên liệu DO.

Theo Kong và Reitz [29], quá trình tính toán thời gian cháy trễ đã hoàn thiện

được mô hình tự bốc cháy của nhiên liệu (mô hình Shell). Do không thể mô hình hóa

tất cả hàng trăm các phản ứng có liên quan trong quá trình phát hỏa, nên mô hình này

dựa trên lớp phản ứng hóa học bao gồm tám bước. 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. Trong

mô hình này, một thông số quan trọng là số Cetan, các phương trình tính toán thời gian

cháy trễ gồm:

(i) (2.44)

(ii) (2.45)

(iii) (2.46)

(iv) (2.47)

(v) (2.48)

(vi) (2.49)

(vii) (2.50)

(viii) (2.51)

58

Trong đó, R*: gốc tổng quát hydrocacbon; Q: chất trung gian không bền; B: chất

tạo nhánh; P: sản phẩm cháy (CO, CO2, H2O).

Tốc độ hình thành các chất:

(2.52)

(2.53)

(2.54)

(2.55)

(2.56)

Trong đó: , với n và m là các chỉ số Cacbon và Hydro trong nhiên

liệu, γ = 0.67 là tỷ số CO/CO2 trong mô hình. Các hệ số mô hình như trong bảng 2.8.

Phương trình xác định các hệ số của tốc độ hình thành các chất:

(2.57)

(2.58)

(2.59)

(2.60)

,với i=1,2,3,q,b,t (2.61)

(2.62)

59

Bảng 2.8. Các hệ số mô hình Shell [29]

Hệ số Hệ số Giá trị Giá trị

7,3e-4 1,51e4 Af1 Ef4

1,8e2 0,0 Af2 E1

1,47 1,5e4 Af3 E2

1,6e7 8,5e2 Af4 E3

1,0e12 3,5e4 A1 Eq

1,0e11 4,5e4 A2 Eb

1,0e13 0,0 A3 Et

1,2e12 x1 1,0 Aq

4,4e17 x3 0,0 Ab

3,0e12 x4 -1,0 At

-1,5e4 y1 0,0 Ef1

-7,0e3 y3 0,0 Ef2

1,0e4 y4 0,35 Ef3

Theo Kong [29], phương trình 2.60 kiểm soát quá trình cháy và thời gian cháy

trễ. Trong đó mỗi loại nhiên liệu đều có ảnh hưởng cụ thể qua phương trình:

(2.63)

Ở đây: Ef4 - hệ số dùng cho nhiên liệu diesel; CN - chỉ số Cetan của nhiên liệu

tính toán (nhiên liệu B10 có CN lớn hơn so với DO).

Từ công thức 2.63 nhận thấy chỉ tiêu năng lượng, kinh tế và môi trường ngoài

phụ thuộc vào thông số kết cấu, đặc tính động cơ, chế độ làm việc, còn phụ thuộc vào

tính chất nhiên liệu, trong đó có chỉ số Cetan.

Như phân tích trên hình 2.1, tốc độ tỏa nhiệt cho biết sự biến đổi theo thời gian

của năng lượng giải phóng trong buồng cháy động cơ [22].

(2.64)

Trong đó, Qf,total = mf.QH - tổng năng lượng tỏa ra; QH- nhiệt trị thấp nhiên liệu;

mf - lượng nhiên liệu cấp chu trình xác định theo công thức 2.65. Khi đó tốc độ tỏa

nhiệt được xác định theo phương trình 2.66.

60

(2.65)

(2.66)

Ở đây, a và m- hệ số của phương trình Vibe, n- tốc độ động cơ, - thời gian

cháy (s), φSOC- góc bắt đầu cháy; - thời gian cháy (0gqtk); φ- có giá trị: φSOC < φ

< φSOC + ΔφCD.

Một yếu tố quan trọng là truyền nhiệt giữa khí cháy trong xi lanh và vách buồng

cháy, ảnh hưởng trực tiếp đến tải trọng nhiệt các chi tiết, hiệu suất nhiệt và hàm lượng

khí thải của động cơ. Dựa theo phương trình bảo toàn năng lượng và biến thiên nhiệt

động tỷ trọng của pha khí và sự gia tăng số rối Prandtl trong lớp biên dòng chảy [26],

thông lượng nhiệt truyền qua vách xi lanh có xét đến độ nhớt phân tử để có độ chính

xác và hoàn thiện hơn được viết dưới dạng:

(2.67)

Với: (2.68)

Trong phương trình trên, Tcyl- nhiệt độ khối khí trong xi lanh; Tw- nhiệt độ vách

xi lanh; y- khoảng cách đến vách xi lanh; μ- độ nhớt phân tử; cp- nhiệt dung riêng đẳng

áp; cμ- hằng số; y+- đại lượng không thứ nguyên; uτ- thứ nguyên của bình phương vận

tốc (vận tốc cắt) song song với vách được xác định theo công thức 2.69.

Vận tốc cắt, (2.69)

Thông lượng nhiệt được xác định:

(2.70)

61

Từ các công thức trên cho thấy, khi thông số về nhiên liệu thay đổi sẽ dẫn đến

thay đổi tính chất phun và ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tỏa nhiệt, truyền nhiệt của

động cơ.

2.3.4. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến công suất và suất tiêu hao nhiên

liệu

Hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của ĐCĐT cũng đồng nghĩa với khái

niệm "tính tiết kiệm 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 2.66, qua đó

ảnh hưởng đến thông số công tác của động cơ [22].

Từ công thức 2.7 về xác định suất tiêu hao nhiên liệu riêng có ích. Theo

Heywood [22], tốc độ lưu lượng phun nhiên liệu trong 1 giờ ( ) xác định lượng tiêu

tính theo công thức 2.71. Khi đó công thức 2.7 hao nhiên liệu giờ Ge của động cơ,

được viết lại thành công thức 2.72:

(2.71)

(2.72)

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).

Từ công thức 2.72 cho thấy mỗi loại nhiên liệu đều có ảnh hưởng đến công suất

và suất tiêu hao nhiên liệu riêng có ích của động cơ mà trước hết là quá trình phun,

hình thành hỗn hợp cháy, nội dung này đã được phân tích trong mục 2.3.2.

2.3.5. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải khí xả

2.3.5.1. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải bồ hóng

Sự hình thành bồ hóng trong ngọn lửa khuếch tán trước tiên phụ thuộc vào nhiên

liệu. Nhiên liệu có thành phần carbon càng cao thì nồng độ bồ hóng càng lớn. Nhiên

liệu biodiesel có thành phần carbon thấp, ít hàm lượng lưu huỳnh và chứa nhiều ôxy

nên hạn chế được sự hình thành bồ hóng, đây là một ưu điểm so với DO. Hạt bồ hóng

62

hình thành là sản phẩm của các quá trình tạo hạt cơ sở, hình thành hạt bồ hóng, phát

triển và ô xy hóa. Bồ hóng phát thải là hiệu số giữa tốc độ sản sinh bồ hóng và tốc độ ô

xy hóa chúng [40]. Nếu quá trình hình thành hỗn hợp cháy của nhiên liệu biodiesel tốt

sẽ làm giảm sự hình thành bồ hóng và đặc biệt là nhiệt độ cháy cao sẽ gia tăng quá

trình ô xy hóa bồ hóng, khiến lượng bồ hóng phát thải giảm mạnh.

Theo Magnussen, tốc độ sản sinh bồ hóng được xác định:

Rs,f = mp.(a – b.N).n (Kg/m3/s) (2.73)

Tốc độ ô xy hóa bồ hóng được xác định:

(Kg/m3/s) (2.74)

Trong đó:

n- nồng độ hạt cơ sở (hạt/m3)

N- nồng độ hạt bồ hóng (hạt/m3)

mp- khối lượng một hạt bồ hóng (kg)

a, b- các hằng số tốc độ sản sinh bồ hóng (-)

A- hằng số tốc độ ô xy hóa bồ hóng (-)

cs- nồng độ bồ hóng ( kg/m3)

k- động năng rối (m2/s2)

ԑ- tốc độ tiêu tán động năng rối (m2/s2)

Rs,c- tốc độ ôxy hoá bồ hóng.

Nhiên liệu biodiesel giảm được lượng bồ hóng hình thành hơn so với DO do có ít

hàm lượng lưu huỳnh, đây chính là một ưu điểm của biodiesel. Như vậy, lượng bồ

hóng phát thải của nhiên liệu biodiesel sẽ phụ thuộc nhiều vào tốc độ ô xy hóa bồ

hóng. Trên cơ sở này, khi nghiên cứu trên động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp với

các mô hình phát thải bồ hóng, ReitZ [38] đã chỉ ra rằng mô hình bồ hóng hai bước có

thể tính toán phù hợp quá trình ôxy hóa nhưng không phản ánh chi tiết các bước hình

thành bồ hóng, đặc biệt đối với loại nhiên liệu đa thành phần. Do đó khi tính toán cho

nhiên liệu phi truyền thống, mô hình 8 bước của Kazakov và Foster [30] đã chỉ ra cụ

thể các quá trình hình thành và ôxy hóa bồ hóng như trình bày trong bảng 2.9.

63

Tốc độ phản ứng

Bảng 2.9. Các bước hình thành bồ hóng và tốc độ phản ứng

Nhiệt phân nhiên liệu

(i)

(ii)

Sau đó các hạt bồ hóng sơ cấp sẽ phát triển thành bồ hóng:

(iii)

Acetylen thêm phân tử Cacbon vào bề mặt của nguyên tử bồ hóng để tạo nên nguyên tử mới có kích thước lớn hơn và nguyên tử bồ hóng mới này cũng tự kết hợp để tiếp tục phát triển về kích thước.

(iv)

(v)

Do nhiệt độ cao và sự có mặt của ô xy trong suốt quá trình cháy nên các hạt cơ sở Acetylen và nguyên tử bồ hóng bị ô xy hóa. Bồ hóng phát thải là hiệu số của lượng bồ hóng hình thành và lượng bồ hóng bị ô xy hóa trong buồng cháy.

(vi)

(vii)

(viii)

Trong đó, fv: thể tích hạt bồ hóng; KA, KB, KT, KZ: các hằng số tốc độ phản ứng ôxy hóa bồ hóng; SP: diện tích bề mặt hạt bồ hóng; Np: mật độ hạt; DP; đường kính hạt bồ hóng; PO2: áp suất riêng phần ô xy; ri: tốc độ phản ứng thứ i.

2.3.5.2. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải NOx

Như phân tích trong mục 2.1.3. Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với

phản ứng cháy hydrocarbon. Tốc độ phản ứng ô xy hóa N2 và lượng NO được hình

thành phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Nồng độ NO cũng phụ thuộc vào nồng độ ô xy

tham gia phản ứng. Vì vậy, trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 đủ lớn thì nồng

độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn. Nếu nhiên liệu biodiesel có thời điểm bắt đầu

quá trình cháy xuất hiện trễ hơn (thời gian cháy trễ lớn), sẽ làm tăng nhiệt độ cháy cực

đại và thời gian sản phẩm cháy tồn tại ở nhiệt độ cao tăng lên khiến nồng độ NOx tăng,

còn nhiên liệu biodiesel có thời điểm bắt đầu quá trình cháy sớm thì NOx giảm, vì NOx

rất nhạy cảm với sự biến thiên nhiệt độ. Nhìn chung, phát thải NOx từ quá trình cháy

64

nhiên liệu biodiesel cũng sẽ phụ thuộc vào thời gian cháy trễ của nhiên liệu. Sự hình

thành và cơ sở tính toán hàm lượng phát thải NO được mô tả thông qua cơ chế

Y.B.Zeldovich [22] theo các phản ứng sau:

NO + N (2.75) O + N2

NO + O (2.76) N + O2

N + OH NO + H (2.77)

- Tốc độ biến đổi động lực học được xác định:

(2.78)

(2.79)

Kết hợp phương trình 2.79 và 2.80, có được phương trình 2.81:

(2.80)

(2.81) Với,

- Các giá trị tốc độ phản ứng:

(2.82) và

(2.83) và

(2.84) và

(2.85)

(2.86)

65

Trong đó, ki [kg/m3s]: tốc độ phản ứng phần tử i; [*][mole/cc]: mật độ phần tử *.

Tổng hợp các mô hình toán cơ bản sử dụng trong mô phỏng trình bày trong bảng 2.10.

2.3.5.3. Ảnh hưởng của biodiesel đến nhiệt độ khí xả

Nhiệt độ khí xả phản ánh thời kỳ cháy nhiên liệu trong động cơ ứng với các chế

độ tải, tốc độ và loại nhiên liệu khác nhau. Nhiệt độ khí xả của động cơ có giá trị đồng

biến theo tải và tốc độ. Theo đó, nhiệt độ khí xả tăng khi gia tăng thời kỳ cháy nhiên

liệu trên đường giãn nở. Nếu quá trình cháy nhiên liệu Biodiesel kết thúc sớm thì nhiệt

độ khí xả giảm xuống.

2.4. Kết luận chương 2

Dựa trên lý thuyết về chu trình công tác của động cơ diesel khi sử dụng nhiên

liệu truyền thống cũng như NLSH. 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 bảng 2.10 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.

Bảng 2.10. Các mô hình toán sử dụng trong chương 3 phục vụ mô phỏng

Mô hình Ghi chú

Mô hình phun nhiên liệu RT-KH Theo Kelvin - Helmholtz và Rayleigh-Taylor

Mô hình cháy Shell Theo Kong và Reitz

Theo Y.B.Zeldovich Mô hình phát thải NOx

Mô hình phát thải bồ hóng Theo Kazakov và Foster

66

Chương 3. ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU B10 BẰNG MÔ PHỎNG SỐ

Trước khi tiến hành thử nghiệm trên động cơ trình bày trong chương 4, chương 3

sẽ sử dụng các mô hình toán đã được phân tích tại chương 2 (bảng 2.10) kết hợp với

các phương trình bảo toàn và các phương trình điều kiện của phần mềm mô phỏng để

tiến hành mô phỏng xác định các thông số công tác động cơ diesel của phương tiện

khai thác thủy sản khi sử dụng nhiên liệu B10 so với nhiên liệu DO, việc kiểm nghiệm

và điều chỉnh mô hình được dựa vào catalogue của động cơ nghiên cứu. Các chế độ

mô phỏng để đánh giá các thông số công tác chủ yếu của động cơ khi sử dụng nhiên

liệu B10 và DO cũng dựa vào đặc tính của động cơ.

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, rõ ràng 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 công

tác, thay đổi kết cấu động cơ đã mang lại hiệu quả rất 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 và mọi lúc;

- Hiệu quả cao về thời gian và chi phí.

Hiện nay có rất nhiều phần phần mềm tính toán động lực học chất lỏng

(Computational Fluid Dynamics - CFD) trên thị trường như FLUENT, KIVA (Mỹ),

AVL-FIRE (Áo), STAR-CD (Anh), … Các phần mềm này đã tính toán quá trình cháy

bên trong động cơ cho kết quả phù hợp với số liệu đo bằng thực nghiệm. Trong số đó,

sự thành công của phần mềm mô phỏng KIVA đã tạo được ứng dụng rộng rãi trên thế

giới. Một khảo sát trên cơ sở dữ liệu của Tạp chí SAE International trong những năm

qua cho thấy, số lượng bài báo có sử dụng phần mềm mô phỏng CFD theo thứ tự là

KIVA, kế tiếp là ba phần mềm STAR-CD, AVL-FIRE và FLUENT [47].

67

3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Cummins NTA855 sử dụng nhiên liệu B10

3.2.1. Phần mềm mô phỏng mã nguồn mở CFD KIVA-3V

Lý thuyết CFD giải quyết các bài toán liên quan đến chuyển động và các đặc tính

lý hóa của dòng lưu chất trong môi trường, tất cả các mô hình toán mô tả các quá trình

trên thường ở dạng các phương trình vi phân. Việc tìm nghiệm của những phương

trình này rất phức tạp nên thông thường không thể dùng phương pháp giải tích. Thay

vào đó là sử dụng các phương pháp số để tìm nghiệm gần đúng, các phương pháp số

được sử dụng phổ biến gồm có phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference

Method - FDM), phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM), thể tích hữu hạn

(Finite Volume Method - FVM). Các phương pháp này được gọi chung là phương

pháp rời rạc hóa phương trình vi phân theo không gian và thời gian trên cơ sở chia nhỏ

miền tính toán thành một lưới gồm những phần tử ràng buộc lẫn nhau trên lưới theo

những nguyên tắc xác định.

Phương pháp số để giải các bài toán của dòng lưu chất không ổn định và chảy

rối, các bài toán với dòng chảy đa chiều luôn được giải dựa trên hệ phương trình vi

phân của các phương trình bảo toàn khối lượng, năng lượng và động lượng theo thời

gian và không gian. Trong buồng cháy động cơ, dòng lưu chất có hai pha: Pha khí luôn

có rất nhiều thành phần và thay đổi do tham gia các phản ứng hoá học; pha lỏng là các

hạt nhiên liệu phân rã, có sự tham gia phản ứng hoá học của nhiều chất và diễn biến

phức tạp. Do vậy, đây là quá trình nhiều thành phần và nhiều pha, khi tính toán các

quá trình này, các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng cần bổ

sung thêm các số hạng “nguồn” khi xét đến sự chuyển hoá năng lượng, thay đổi nồng

độ các chất và tương tác giữa pha khí - pha lỏng. Vì vậy, áp dụng lý thuyết CFD với sự

trợ giúp của máy tính thông qua các chương trình mã nguồn mở CFD để tính toán mô

phỏng các quá trình diễn ra trong buồng cháy động cơ là cần thiết. Ưu điểm của

phương pháp này là cho kết quả tin cậy, giảm thời gian và chi phí nên được ứng dụng

rộng rãi trong các công trình nghiên cứu của nhiều lĩnh vực khoa học.

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.

Tháng 2/1985, chương trình mã nguồn mở KIVA chính thức ra đời. KIVA có

khả năng mô phỏng cả 2D và 3D với mô hình tia phun có tính đến sự va chạm và kết

68

hợp của các hạt nhiên liệu. Cho phép điều chỉnh để tính toán hiệu quả dòng chảy với

số Mach thấp.

Tháng 5/1989, KIVA nâng cấp thành KIVA-II, cho phép giải các phương trình

không ổn định của chuyển động hỗn hợp khí lý tưởng, chảy rối, có phản ứng hóa học,

kết hợp với các phương trình bay hơi của tia phun nhiên liệu. Giải thuật cho trạng thái

khí dựa trên phương pháp ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian). Rời rạc hóa về không

gian được tính toán trên các lưới sai phân hữu hạn, trong đó vùng tính toán được chia

thành nhiều ô nhỏ có dạng sáu mặt. Vị trí của các đỉnh là hàm số xác định tùy biến

theo thời gian, do đó cho phép mô tả theo phương pháp Lagrang, Euler hay hỗn hợp cả

hai. Lưới tùy biến cho phép tạo hình các mặt biên cong và có thể di chuyển theo sự

thay đổi hình dạng hình học của buồng cháy.

Tuy nhiên, KIVA-II không hiệu quả khi cần mô phỏng các cửa nạp và van,

buồng cháy phụ của động cơ Diesel và toàn bộ đường ống nạp - thải vì sử dụng lưới

kiểu Tensor. Tháng 3/1993 KIVA-III ra đời khắc phục khuyết điểm trên bằng sử dụng

lưới theo cấu trúc khối. Phương pháp này sử dụng địa chỉ gán gián tiếp, cho phép kết

nối các ô tính toán hoàn toàn tùy ý. Mỗi ô tính được định vị bằng một chỉ số đơn và

các định vị lân cận được duy trì trong ma trận chỉ ra vị trí của 6 ô lân cận.

KIVA-3V được phát triển kế tiếp từ KIVA-III, là chương trình máy tính dùng để

mô phỏng các quá trình công tác của động cơ đốt trong nói chung và quá trình phun,

hình thành hỗn hợp cháy, cháy nhiên liệu và phát thải của động cơ Diesel nói riêng.

Cấu trúc của chương trình gồm 3 phần chính:

 “Pre - processor”: k3prep_chương trình dùng để tạo lưới cho mô hình;

 “Main - processor”: kiva3v_chương trình xử lý chính;

 “Post - processor”: Origin + Tecplot_ chương trình tạo biểu đồ, hình ảnh.

KIVA-3V làm việc dựa theo cấu trúc như hình 3.1. Lưu đồ tính toán các pha thể hiện

trên hình 3.2, nội dung tính toán được trình bày cụ thể trong bảng 3.1.

Trên cơ sở này, các bước cơ bản giải bài toán CFD có liên quan đến dòng nhiều

pha và có phản ứng hóa học như mô phỏng chu trình công tác của động cơ diesel khi

sử dụng chương trình mã nguồn mở KIVA–3V bao gồm:

 Xây dựng mô hình hình học buồng cháy và rời rạc hóa mô hình hình học;

 Xác định các phương trình vi phân chủ đạo;

 Xác định các điều kiện cho mô hình;

 Phân tích chọn các mô hình tính toán;

 Giải và xử lý kết quả.

69

Iprep.txt (tệp tin đầu vào)

Pre-processor

k3prep

otape17.txt (thông số lưới) otape11.txt (thông tin chung)

itape5.txt (thông số hoạt động của động cơ)

itapeerc.txt (hằng số của mô hình ERC) kiva3v

Main-processor

itape18 (dữ liệu độ nâng xú páp)

*.txt (tệp tin đầu ra chứa dữ liệu các chất trong xy lanh)

*.dat (tệp tin đầu ra chứa thông tin trạng thái các chất trong xy lanh

tại các góc quay trục khuỷu định trước)

otape12.txt (thông tin chung)

Post -processor

Tecplot Origin (or excel)

Biểu đồ, hình ảnh 3 chiều Biểu đồ - Đồ thị

Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc chương trình mã nguồn mở CFD KIVA-3V

70

Nhập các giá trị đầu vào

n = 0

Cài đặt

Qn

Pha A

QA

Pha B

Diễn giải các thông số

QB

Pha C

n + 1

Qn + 1

Hình 3.2. Lưu đồ tính toán các pha trong mô phỏng

71

Bảng 3.1. Nội dung các pha tính toán

Pha Phạm vi Tính toán

Cài đặt giá trị đầu vào - Đọc giá trị đầu vào; - Tạo lưới; - Tính toán; - Cài đặt thời gian, tốc độ piston; - Bắt đầu, cài đặt.

Pha A

- Mẫu phun ( phun nhiên liệu, phân rã hạt, va chạm, bay hơi...; - Quá trình cháy; - Mẫu khí thải; - Số lượng và năng lượng tạo thành quá trình phun và đốt cháy; - Phân rã hạt, phun nhiên liệu.

Pha A: Tính toán ảnh hưởng của phản ứng hóa học và tương tác của các hạt nhiên liệu: - Ảnh hưởng tia phun: + Phun nhiên liệu; + Sự di chuyển của piston; + Tính toán sự chảy rối và các phương trình chuyển đổi của hạt nhiên liệu; + Tính toán quá trình phân rã hạt nhiên liệu; + Tính toán quá trình kết hợp hạt nhiên liệu; + Xác định lượng nhiên liệu bay hơi. - Ảnh hưởng hóa học: + Động học phản ứng và phản ứng bùng cháy; + Cân bằng phản ứng.

Pha B

Pha B: Tính toán các phương trình đặc trưng chính của lưu chất với một số ảnh hưởng của tia phun do mô men động lượng của các hạt nhiên liệu đến lưu chất.

- Tính toán pha lưu chất; - Khối lượng, mô men, tốc độ, nhiệt độ, áp suất, thuộc tính bất ổn; - Tìm kiếm giải pháp, vòng lặp; - Cập nhật tốc độ hạt; - Diễn giải các thông số.

Pha C: Tạo lại vùng tính toán, chuẩn bị cho vòng lặp kế tiếp. Pha C

- Lưới chuẩn; - Vẽ lại các thuộc tính lưu chất sang lưới mới; - Thuộc tính ô lưới; - Giá trị, trạng thái, ô lưới.

72

3.2.2. Các phương trình chủ đạo trong tính toán của phần mềm CFD KIVA–3V

Khi tính toán mô phỏng (đối với phương pháp tính toán CFD), 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 năng lượng cần bổ sung thêm các số hạng mô tả sự truyền

nhiệt giữa pha khí với pha lỏng, sự phát nhiệt do các phản ứng hoá học. Trong phương

trình động lượng cũng xét đến sự chuyển đổi động năng giữa hai pha. Xét hết những

yếu tố trên, các phương trình bảo toàn sẽ được bổ sung để áp dụng vào mô phỏng quá

trình cháy trong buồng cháy động cơ như sau [21]:

Phương trình bảo toàn khối lượng:

Giả định phần tử m có thể tích CV (thể tích kiểm soát: Control Volume - CV) cố

định trong không gian còn dòng lưu chất di chuyển vào và ra khỏi CV. Khối lượng

phần tử m được xem xét sẽ gia tăng nếu khối lượng vào lớn hơn khối lượng ra và

ngược lại, khi đó phương trình bảo toàn khối lượng được viết như sau:

(3.1)

Trong đó:

- tổng khối lượng riêng của các khối lượng thành phần đi vào không gian

quan sát do sự dịch chuyển của dòng lưu chất;

- điều kiện của tổng khối lượng nguồn khi phun;

- điều kiện ràng buộc các nguồn khối lượng do cháy.

Phương trình bảo toàn động lượng:

Sự thay đổi động lượng theo thời gian sẽ bằng tổng ngoại lực tác động lên thể

tích CV. Tuy nhiên, để cải thiện hiệu suất tính toán cho dòng chảy có số Mach nhỏ cần

bổ sung tham số 1/α2 và hệ số mô hình chảy A0 cho thành phần áp suất. Phương trình

có dạng:

, j = 1,2,3 (3.2)

73

Phương trình bảo toàn năng lượng:

Phương trình bảo toàn năng lượng giúp mô tả sự phân bố vận tốc, nhiệt độ và áp

suất trong dòng lưu chất. Dạng tổng quát của phương trình năng lượng cho thể tích CV

cố định trong không gian như sau:

(3.3)

Trong các phương trình trên, t- thời gian (s); xi- các tọa độ (m); p- áp suất

(N/m2); ρm-khối lượng riêng của chất m (kg/m3); ui, uj- vận tốc của phần tử chất lỏng

(m/s); T- nhiệt độ (K); tij- các thành phần của tenxơ ứng suất (N/m2 ); h- enthalpy tĩnh

(J/kg); A0 và 1/α2- tham số cải thiện hiệu suất tính toán dòng chảy có số Mach nhỏ.

Các hàm nguồn mô tả sự tương tác giữa pha khí và pha lỏng và phải bảo đảm sự

bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng của toàn hệ (hai pha). Theo Reitz [29],

hàm nguồn do sự bay hơi hạt nhiên liệu được thể hiện qua các phương trình:

(3.4)

Tốc độ biến đổi động lượng do lực cản hạt, lực quán tính và bay hơi:

(3.5)

Sự chuyển hoá năng lượng giữa khí và hạt nhiên liệu do bay hơi, truyền nhiệt vào hạt

và công sinh ra do chuyển động rối:

(3.6)

Sự suy giảm thế năng rối do sự phân tán hạt nhiên liệu:

(3.7)

Trong đó, chỉ số s thể hiện hàm nguồn (source term); - hiệu số giữa gia tốc và gia

tốc trọng trường ; - vector vận tốc hạt trong pha lỏng; - vector vân tốc dòng khí;

- vận tốc tương đối giữa hạt và pha khí; - biên độ rối của vận tốc khí; ud-nội

năng riêng của hạt; ρl- khối lượng riêng nhiên liệu; cp- nhiệt dung riêng đẳng áp.

Trong các phương trình trên, ẩn số cần xác định là ρ, ρm, p, hm, T, k, ε và vận tốc

uj theo 3 phương. Tuy nhiên chỉ có 3 phương trình, để giải được hệ này cần bổ sung

thêm các phương trình trạng thái và mô hình rối:

74

Phương trình trạng thái:

(3.8)

(3.9)

(3.10)

(3.11)

Mô hình rối lai k-ε (RNG k-) được sử dụng do sự mô tả các hiện tượng xảy ra

của dòng lưu chất trong buồng cháy động cơ chi tiết hơn mô hình rối k-, đặc biệt là

dạng buồng cháy thống nhất [21], với ưu điểm này sẽ giúp tính toán nhiệt độ được

chính xác. Mô hình RNG k- được biểu diễn như sau:

(3.12)

(3.13)

(3.14) Các hệ số bổ sung:

(3.15) , S = (2SijSij)1/2,

Trong các phương trình trên, , u,  và  là khối lượng riêng, vận tốc, ứng suất,

độ nhớt; - là tỉ số phụ thuộc S; S- là độ lớn biến dạng; các hằng số của mô hình: m =

0,5, n = 1,4, Cs = 1,5 (Amsden, 1999); C = 0,0845, C1 = 1,42, C2 = 1,68, k =  =

1,39, 0 = 4,38 và  = 0,012 (Yakhot và cộng sự, 1986).

Như vậy, số phương trình là 9, số ẩn là 10, cần một điều kiện nhất quán về khối

lượng riêng sẽ đủ giải.

Điều kiện nhất quán: (3.16)

75

3.2.3. Xác định các điều kiện để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng

Trước hết là xây dựng mô hình buồng cháy động cơ Cummins, ngoài các thông

số cơ bản của động cơ về hệ thống nhiên liệu, kết cấu buồng cháy (phụ lục 7), 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. Bản vẽ hình dạng piston động cơ Cummins

NTA855 thể hiện như trên hình 3.3. Lưới mô hình được thể hiện trên hình 3.4.

Hình 3.3. Bản vẽ piston và tọa độ buồng cháy động cơ Cummins NTA855

a) Hình chiếu không gian b) Nhìn từ trên

Hình 3.4. Lưới mô phỏng buồng cháy động cơ Cummins NTA855

Trước khi tiến hành mô phỏng với các thông số thay đổi của nhiên liệu. Một số

yêu cầu quan trọng để đảm bảo kết quả mô phỏng đáng tin cậy là phải so sánh và hiệu

chỉnh các thông số mô hình mô phỏng với đặc tính gốc của động cơ (lý lịch máy) ở

một số điều kiện nhất định để mô hình mô phỏng sát với thực tế.

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…). Việc thực

76

hiện các chế độ mô phỏng động cơ căn cứ vào lý lịch máy (hình 3.5, bảng 3.2). Kết

quả mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu DO và B10 sẽ được so sánh với các đường

đặc tính gốc của động cơ để đánh giá sự thay đổi đặc tính quá trình cháy của động cơ.

Hình 3.5. Đặc tính động cơ Cummins NTA855

Bảng 3.2. Đặc tính động cơ Cummins NTA855 sử dụng nhiên liệu DO

Mô men, Me (N.m) và công suất của động cơ, Ne (kW) theo tốc độ, n (v/ph)

1200

1400

1600

1800

2100

Giá trị

Ne 134

Me 1034

Ne 180

Me 1227

Ne 215

Me 1283

Ne 225

Me 1193

Ne Me 255

1182

42 50 58 62 72

Tiêu hao nhiên liệu giờ (l/h) Suất tiêu hao nhiên liệu riêng có ích g/kW.h)

261,09 231,38 224,71 229,53 234,35

Bảng 3.3 trình bày thông số nhiệt động nhiên liệu mô phỏng, bảng 3.4 trình bày

các hệ số hiệu chỉnh cơ bản của mô hình mô phỏng.

Bảng 3.3. Thông số đầu vào của nhiên liệu mô phỏng

Nhiên liệu

Chỉ số cetane (CN)

Độ nhớt ở 400C (mm2/s)

Khối lượng riêng (g/cm3)

52,1 52,5

0,830 0,839

Nhiệt trị (MJ/kg) 45,70 45,41

2,419 2,848

DO B10

77

Bảng 3.4. Hệ số hiệu chỉnh mô hình mô phỏng

Thông số

Giá trị

Ghi chú

Ý nghĩa

DO

B10

Ký hiệu tspmas

Lượng nhiên liệu cấp chu trình (kg)

Do thay đổi khối lượng riêng của nhiên liệu

Thời điểm phun Hệ số quá trình cháy

Thay đổi theo lý lich máy (bảng 3.2) -180CA 1,51e4

Thay đổi theo lý lich máy (bảng 3.2)) -180CA 1,46e4

ca1inj ef4

16e6

25,6e6

af4

1,43 2,13

1,3 1,3

rsc distant

0,256e10

4,1e10

denomc

Hệ số quá trình phát thải

Bắt đầu phun Do thay đổi chỉ số cetan theo phương trình 2.46 Do thay đổi thành phần nhiên liệu theo phương trình 2.43 Hiệu chỉnh đường cong áp suất khi chưa có cháy theo KIVA Hiệu chỉnh phát thải bồ hóng, NOx theo KIVA

So sánh sự biến thiên áp suất trong xi lanh khi không có cháy được thể hiện trên

hình 3.6, đường nét rời là đường cong mô phỏng, đường nét liền là đường cong thực

nghiệm. Sự trùng khớp của hai đường cong chứng minh thông số tỷ số nén, áp suất và

nhiệt độ ban đầu của mô hình là phù hợp, code chương trình cho trong phụ lục 5. Giá

trị áp suất trong xi lanh thực tế khi chưa có cháy được trình bày trong phụ lục 6.

Hình 3.6. So sánh đường cong áp suất trong xi lanh khi chưa có cháy

giữa mô phỏng và thực nghiệm

78

3.3. Kết quả mô phỏng

Như đã phân tích trong chương 2, độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng mặt

ngoài nhiên liệu ảnh hưởng đến cấu trúc tia phun, hình thành hỗn hợp cháy, cháy và

hình thành phát thải dẫn đến thay đổi chỉ tiêu công tác chủ yếu của động cơ diesel khi

chuyển sang sử dụng nhiên liệu biodiesel gốc mỡ cá. Nội dung dưới đây tập trung

phân tích đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu B10 so với nhiên liệu DO.

3.3.1. Phun và hình thành hỗn hợp cháy

Thông thường khi khối lượng riêng của nhiên liệu tăng lên theo tỷ lệ pha trộn,

chiều dài tia nhiên liệu tăng và kích thước hạt nhiên liệu cũng tăng theo. Tuy nhiên, do

ảnh hưởng của độ nhớt và đặc biệt là sức căng bề mặt của nhiên liệu lớn có xu hướng

giữ nguyên hình dạng của hạt nhiên liệu và hình dáng chùm tia khi nhiên liệu được

phun vào buồng cháy nên độ xuyên sâu của tia phun bị hạn chế. Sau khi rời khỏi lỗ

phun, tia phun bắt đầu tách ra thành hình nón phun, đây là sự phá vỡ đầu tiên của

nhiên liệu tạo ra các hạt có đường kính nhỏ và tiếp tục va chạm, phân rã theo thời gian

phun tạo thành quá trình hình thành hỗn hợp cháy. Quá trình này đánh giá chất lượng

cháy nhiên liệu hỗn hợp và là yếu tố chính đánh giá chỉ tiêu công tác của động cơ khi

sử dụng các nhiên liệu khác nhau.

Hình 3.7 biểu thị quá trình phun nhiên liệu, hình 3.8 thể hiện cấu trúc tia phun

của nhiên liệu Biodiesel 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, điều này

thấy rõ khi so sánh độ xuyên sâu của tia phun như trên hình 3.9. Kết quả này phù hợp

với những phân tích, tính toán lý thuyết và các nghiên cứu liên quan đến tính chất của

nhiên liệu đã được công bố trước đây.

Hình 3.7. Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu của động cơ Cummins NTA855

79

Thời điểm 150BTDC (sau khi phun 30CA)

Thời điểm 130BTDC (sau khi phun 50CA)

Hình 3.8. Cấu trúc tia phun nhiên liệu B10 so với DO

Hình 3.9. Sự phát triển tia phun của nhiên liệu theo thời gian

Khi khảo sát một số thông số cụ thể như độ nhớt, tỷ trọng của nhiên liệu B10

theo bảng 3.5, luận án nhận thấy độ nhớt động học có sự thay đổi (độ nhớt của nhiên

liệu B10 tăng 17.7% so với DO, tỷ trọng của nhiên liệu B10 tăng 1% so với DO). Theo

tiêu chuẩn thì các thông số trên của nhiên liệu B10 đều nằm trong khoảng cho phép

khi sử dụng cho động cơ, tuy nhiên sự tạo hỗn hợp, độ phun xa của chùm tia sẽ có

80

những thay đổi nhất định so với DO. Vì thế từ hình 3.9 xuất hiện sai lệch trung bình về

chiều dài tia phun giữa nhiên liệu B10 và DO khoảng 3%.

3.3.2. Sự biến thiên áp suất cháy trong xi lanh

Trên hình 3.10 trình bày quy luật biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các

mẫu nhiên liệu, hình dáng tổng thể của đường cong áp suất cháy được thể hiện trong

khoảng thời gian từ cuối quá trình nén TĐCT đến kết thúc quá trình cháy SĐCT, quá

trình cháy của các mẫu nhiên liệu xảy ra đều có sự thay đổi và nhiên liệu DO có áp

suất cháy cực đại lớn hơn B10 khoảng 2% ở trường hợp sử dụng tốc độ 1200 v/p (bảng

3.7), điều này là do lượng nhiên liệu DO bay hơi lớn hơn so với B10 dẫn đến gia tăng

quá trình cháy.

Khi mô phỏng ở chế độ 1400 v/p, nhiên liệu B10 cũng cháy sớm hơn so với

nhiên liệu DO, đặc tính này không thay đổi khi mô phỏng ở chế độ 1600 v/p và 1800

v/p. Điều lưu ý là ở tất cả các trường hợp mô phỏng thì áp suất cháy cực đại của nhiên

liệu B10 luôn thấp hơn so với nhiên liệu DO như trình bày trên các hình 3.11, hình

3.12, hình 3.13 và bảng 3.5. Nguyên nhân trên chính là bởi nhiên liệu B10 có chỉ số

Cetan cao, thêm vào đó là lượng ô xy có trong nhiên liệu lớn làm thời gian cháy trễ

ngắn nên lượng nhiên liệu bay hơi ít hơn dẫn đến áp suất cháy giảm.

Hình 3.10. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1200 v/p

81

Hình 3.11. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p

Hình 3.12. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p

Hình 3.13. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p

82

Như vậy, khi tăng tốc độ thì mức chênh lệch áp suất cháy giữa hai loại nhiên liệu

càng giảm, vì tốc độ tăng sẽ làm quá trình phun nhiên liệu B10 có độ nhớt lớn được

đồng đều hơn, sự hình thành hỗn hợp cháy diễn ra gần với sự hình thành hỗn hợp cháy

của nhiên liệu DO (bảng 3.5).

Bảng 3.5. Mức độ giảm áp suất cháy của nhiên liệu B10 so với DO

ở các chế độ mô phỏng

Nhiên liệu

Tốc độ (v/p) DO B10

Áp suất (bar) Áp suất (bar) Độ giảm áp suất của

B10 so với DO (%)

1200 77,66 76,39 1,63

1400 79,21 78,61 0,75

1600 80,26 80,01 0,31

1800 80,98 80,81 0,20

Sự thay đổi thời gian cháy trễ của nhiên liệu B10 so với DO có thể nhận thấy rất

rõ trên các đồ thị áp suất tại thời điểm bắt đầu có sự gia tăng áp suất đột ngột (đường

cong áp suất cháy tách khỏi đường cong áp suất nén của nhiên liệu B10 sớm hơn so

với DO), chính vì thế công suất động cơ sử dụng nhiên liệu B10 bị giảm xuống, suất

tiêu hao nhiên liệu riêng có ích tăng lên (hình 3.14, bảng 3.6, hình 3.15, bảng 3.7).

Hình 3.14. Đặc tính công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu B10 so với DO

83

Bảng 3.6. Công suất khi động cơ sử dụng nhiên liệu DO và B10

Nhiên liệu

Tốc độ (v/p) DO B10

Công suất (kW) Công suất (kW) Độ giảm công suất của

B10 so với DO (%)

124,87 122,86 -1,60 1200

172,27 165,87 -3,71 1400

204,62 201,64 -1,45 1600

212,78 207,82 -2,33 1800

Hình 3.15. Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ

sử dụng nhiên liệu B10 so với DO

Bảng 3.7. Suất tiêu hao nhiên liệu riêng khi động cơ sử dụng nhiên liệu

DO và B10

Nhiên liệu

Tốc độ (v/p) B10

DO Suất tiêu hao nhiên liệu riêng (g/kW.h)

1200 1400 1600 1800 280,17 241,77 233,83 242,72 Suất tiêu hao nhiên liệu riêng (g/kW.h) 286,81 252,90 241,33 250,30 Độ tăng suất tiêu hao nhiên liệu của B10 so với DO (%) 2,36 4,60 2,20 3,12

84

Đặc tính công suất và suất tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ khi sử dụng

nhiên liệu B10 và DO so với catalogue được thể hiện trên hình 3.16, bảng 3.8, hình

3.17, bảng 3.9.

Hình 3.16. Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO

so với catalogue (lý lịch máy)

Bảng 3.8. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu riêng khi động cơ sử dụng nhiên

liệu DO so với catalogue

Nhiên liệu

Tốc độ Mô men DO

(v/p) (Nm) Công suất (kW) Suất tiêu hao nhiên liệu riêng

(g/kW.h)

(kW) Độ lệch so với (g/kW.h) Độ lệch so với

catalogue (%) catalogue (%)

1200 993 124,87 280,17 7,31 -6,81

1400 1175 172,27 241,77 4,49 -4,29

1600 1221 204,62 233,83 5,07 -4,82

1800 1128 212,78 242,72 5,74 -5,43

85

Bảng 3.9. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu khi động cơ sử dụng nhiên liệu

B10 so với catalogue

Nhiên liệu

Tốc độ Mô men B10

(v/p) (Nm) Công suất (kW) Suất tiêu hao nhiên liệu

(g/kW.h)

(kW) Độ lệch so với (g/kW.h) Độ lệch so với

catalogue (%) catalogue (%)

1200 977 122,86 -8,31 286,81 9,85

1400 1131 165,87 -7,85 252,90 9,30

1600 1203 201,64 -6,21 241,33 7,39

1800 1102 207,82 -7,63 250,30 9,05

Hình 3.17. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO

so với catalogue

Đồ thi so sánh mô men động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO, B10 theo mô phỏng

so với đặc tính gốc được trình bày trên hình 3.18.

86

Hình 3.18. Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO

so với catalogue

3.3.3. Biến thiên nhiệt độ và tốc độ tỏa nhiệt

Hình 3.19 biểu thị sự biến thiên của đường cong tỏa nhiệt, sự tỏa nhiệt của các

mẫu nhiên liệu chia thành 3 giai đoạn khác nhau. Ở giai đoạn đầu, tốc độ cháy 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, thời điểm

gia tăng tốc độ tỏa nhiệt chính là thời điểm đường cong áp suất cháy tách khỏi đường

cong áp suất nén. Giai đoạn 2 tương ứng với việc giảm đều đặn tốc độ tỏa nhiệt. Giai

đoạn 3 tương ứng với phần đuôi của đồ thị và kéo dài trong phần lớn kỳ giãn nở. Quy

luật và giá trị cực đại của đường cong tỏa nhiệt nhiên liệu B10 tương đương với nhiên

liệu DO.

Nhìn chung tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu B10 so với DO không sai biệt nhiều,

diễn biến tốc độ tỏa nhiệt phù hợp với đồ thị áp suất và nhiệt độ cháy và phù hợp với

cơ sở lý thuyết phân tích trong chương 2 (hình 2.1).

87

Hình 3.19. Tốc độ tỏa nhiệt của các mẫu nhiên liệu

Hình 3.20 biểu thị sự biến thiên nhiệt độ trong buồng cháy động cơ theo góc

quay trục khuỷu với các mẫu nhiên liệu khác nhau. Từ đồ thị cho thấy thời điểm gia

tăng nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 xuất hiện sớm hơn so với DO, điều này là do

thời gian cháy trễ của B10 ngắn hơn DO, bởi vậy tốc độ tỏa nhiệt diễn ra sớm hơn và

sự gia tăng áp suất cũng suất hiện sớm hơn như đã phân tích ở các đồ thị phần trên.

Hình 3.20. Biến thiên nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO

88

Trong quá trình cháy, khi piston bắt đầu đi xuống trong kỳ sinh công khiến thể

tích tăng lên, áp suất cháy giảm nhanh nhưng nhiên liệu vẫn phun vào và cháy, do đó

nhiệt độ có sự gia tăng mạnh và đạt cực đại là đỉnh đường cong luôn lệch sang bên

phải ĐCT so với đỉnh đường cong áp suất cháy, quy luật này được thể hiện như trên

hình 3.21, giá trị cụ thể của nhiệt độ cực đại trình bày trong bảng 3.10.

Hình 3.21. Biến thiên nhiệt độ với áp suất cháy của nhiên liệu B10

Bảng 3.10. Mức độ giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO

ở các chế độ mô phỏng

Nhiên liệu

Tốc độ (v/p) DO B10

Nhiệt độ cực đại (K) Nhiệt độ cực đại

(K) Độ giảm nhiệt độ cháy của B10 so với DO (%)

0,99 1887,94 1869,22 1200

0,30 1904,92 1899,12 1400

0,47 1933,21 1923,98 1600

0,94 1992,73 1973,81 1800

89

Ở tất cả các chế độ mô phỏng, mặc dù mức chênh lệch nhiệt độ giữa nhiên liệu

B10 và DO là không lớn (bảng 3.10), nhưng đường cong nhiệt độ cháy nhiên liệu B10

luôn tách sớm hơn so với DO (gia tăng nhiệt độ trước) như trên các hình 3.22, hình

3.23, hình 3.24.

Hình 3.22. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p

Hình 3.23. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p

90

Hình 3.24. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p

Mức độ hóa hơi nhiên liệu chịu ảnh hưởng lớn của đường kính hạt nhiên liệu.

Các nghiên cứu trước đây cũng đã chỉ ra sự liên quan của tính chất dòng chảy bên

trong vòi phun đến khi tia phun được hình thành và sự tương tác của nó với môi

trường có phụ thuộc đến khối lượng riêng, sức căng bề mặt và độ nhớt động học của

nhiên liệu. Do ở cùng một điều kiện phun, nên sự khác biệt về tính chất lý hóa của

nhiên liệu như phân tích ở phần trên đã dẫn đến sự khác nhau về đường kính hạt nhiên

liệu, ảnh hưởng đến mức độ hóa hơi nhiên liệu. Vì chỉ hơi nhiên liệu mới hòa trộn

được với không khí để tạo thành hỗn hợp cháy. Chính quá trình này dẫn đến thay đổi

diễn biến áp suất, nhiệt độ cháy trong xi lanh động cơ. Ngoài ra, nhiên liệu DO cháy

trễ hơn nên lượng nhiên liệu bị tích tụ và bùng cháy mãnh liệt là nguyên nhân khiến

nhiệt độ lớn hơn so với B10.

Dựa trên đặc điểm các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ Diesel, các

hình ảnh trích xuất tại vị trí góc quay trục khuỷu sao cho tương ứng với những thời

điểm quan trọng cho toàn bộ quá trình cháy trong 1 chu kỳ, như thời điểm 200 SĐCT

để quan sát diễn biến phân bố nhiệt độ quá trình cháy của các mẫu nhiên liệu như trên

hình 3.25. Ở mỗi mẫu nhiên liệu đều có sự phân bố nhiệt độ khác nhau, đây chính là lý

do tạo nên sự khác biệt về giá trị cực đại và diễn biến các đường cong trên đồ thị như

đã trình bày.

91

DO B10

Hình 3.25. Phân bố nhiệt độ của các mẫu nhiên liệu trong buồng cháy

3.3.4. Phát thải khí xả

Trên hình 3.26 thể hiện quy luật phát thải NOx của nhiên liệu B10 và DO, do

nhiên liệu B10 cháy sớm hơn so với DO, vì thế sự hình thành NOx cũng diễn ra sớm

hơn, từ đồ thị cho thấy quá trình hình thành NOx diễn ra khoảng 200gqtk SĐCT và có

giá trị thấp hơn so với DO, điều này phù hợp với đồ thị nhiệt độ. Hàm lượng phát thải

NOx đạt cực đại khi nhiệt độ cháy càng cao, sự hình thành NOx tại vùng có nhiệt độ

cao trong buồng cháy được thể hiện như trên hình 3.27, giá trị cho trong bảng 3.11.

Hình 3.26. Hình thành NOx của nhiên liệu B10 so với DO

92

DO B10

Hình 3.27. Phân bố NOx trên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO

Bảng 3.11. Mức độ giảm NOx của nhiên liệu B10 so với DO

ở các chế độ mô phỏng

Nhiên liệu Tốc độ (v/p) B10

DO NOx (g) NOx (g)

0,00636 0,00691 0,00733 0,00757 0,00667 0,00711 0,00777 0,00785 Độ giảm NOx của B10 so với DO (%) 4,64 2,81 5,66 3,56

1200 1400 1600 1800 Khi tăng tốc độ, quá trình cháy diễn ra nhanh hơn nên phát thải NOx của nhiên

liệu B10 cũng xuất hiện sớm hơn và có giá trị gần bằng đối với phát thải NOx của

nhiên liệu DO. Mặc dù nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 thấp hơn DO nhưng hàm

lượng ô xy trong nhiên liệu B10 lớn nên sự gia tăng NOx của nhiên liệu B10 càng lớn

khi tăng tốc độ như trên các hình 3.28, hình 3.29, hình 3.30.

Hình 3.28. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p

93

Hình 3.29. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p

Hình 3.30. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p

Tương tự như NOx, bồ hóng bắt đầu hình thành khoảng 50gqtk SĐCT và tăng vọt

nhanh chóng đạt giá trị cực đại như trên hình 3.31. Tuy nhiên do nhiệt độ cao trong

buồng cháy, phần lớn bồ hóng hình thành sẽ bị ô xy hóa khiến hàm lượng bồ hóng

phát thải giảm đáng kể. Mặc dù nhiệt độ cháy của DO cao nhưng giá trị phát thải bồ

94

hóng vẫn lớn hơn so với B10, bởi đối với nhiên liệu B10 thì lượng bồ hóng hình

thành lại thấp hơn, đây chính là lợi thế của Biodiesel. Sự phân bố quá trình hình

thành bồ hóng trong buồng cháy như trên hình 3.32.

Hình 3.31. Hình thành bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO

DO B10

Hình 3.32. Phân bố bồ hóngtrên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO

Tổng hợp giá trị phát thải NOx, bồ hóng của nhiên liệu B10 và DO ở tốc độ 1200

v/p được so sánh như trên hình 3.33. Giá trị và đặc tính phát thải của nhiên liệu B10

theo tốc độ so vói DO được trình bày trên bảng 3.12 và hình 3.34.

95

0,007

0,006

0,005

0,004

0,003

0,002

0,001

1,2E-17

-0,001

NOx, g PM, g

DO 0,00667 0,00379

B10 0,00636 0,00356

Hình 3.33. Phát thải NOx và bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO ở 1200 v/p

Bảng 3.12. Mức độ giảm bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO

ở các chế độ mô phỏng

Nhiên liệu

Tốc độ (v/p) DO B10

Bồ hóng (g) Bồ hóng (g) Độ giảm bồ hóng

của B10 so với DO

(%)

1200 3,79e-3 3,56e-3 6,06

1400 2,11e-3 1,66762e-3 20,96

1600 2,35e-3 1,78757e-3 23,93

1800 2,54e-3 2,47644e-3 2,50

96

Hình 3.34. Quy luật phát thải bồ hóng và NOx của nhiên liệu B10 theo tốc độ

Khi tăng tốc độ ở 1400 v/p và 1600 v/p thì phát thải bồ hóng có xu hướng giảm

mạnh, điều này là do nhiệt độ cháy gia tăng dẫn đến gia tăng quá trình ô xy hóa. Tuy

nhiên ở chế độ 1800 v/p thì lượng bồ hóng phát thải lại tăng lên, vì ở chế độ này quá

trình cháy sẩy ra nhanh hơn, một phần lượng nhiên liệu chưa kịp cháy đã sang kỳ giãn

nở dẫn đến gia tăng lượng bồ hóng hình thành (bảng 3.12). Tuy vậy, ở tất cả các chế

độ mô phỏng, phát thải bồ hóng của nhiên liệu B10 luôn thấp hơn của nhiên liệu DO

như trên hình 3.35, hình 3.36, hình 3.37.

Hình 3.35. Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p

97

Hình 3.36. Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p

Hình 3.37. Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p

Từ những kết quả trên cho thấy, diễn biến tổng thể quá trình cháy và hình thành

phát thải của động cơ cummins xác định được bằng phương pháp mô phỏng có sự thay

đổi khi thay đổi các thông số nhiệt động nhiên liệu. Căn cứ vào các thông số nhiệt

động của nhiên liệu B10 và DO, kết quả mô phỏng cho thấy áp suất, nhiệt độ cháy cực

đại và công suất của nhiên liệu DO cao hơn B10, điều đó khẳng định việc xây dựng,

hiệu chỉnh mô hình mô phỏng và kết quả mô phỏng phù hợp với cơ sở lý thuyết đã

được phân tích về tính chất nhiên liệu Biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn trong

chương 1 và chương 2.

98

3.4. Kết luận chương 3

Từ nội dung thực hiện trong chương 3, NCS rút ra một số kết luận sau:

(1) Nội dung chương 3 đã tích hợp các phương trình toán được biến đổi từ

chương 2 theo một số thông số nhiệt động của nhiên liệu biodiesel gốc mỡ cá vào phần

mền mã nguồn mở KIVA–3V, đồng thời xác định các điều kiện cần thiết để xây dựng

mô hình mô phỏng quá trình cháy của động cơ Cummins NTA855. Các kết quả mô

phỏng quá trình phun, hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu DO, B5, B10 và B15

có quy luật phù hợp theo phân tích lý thuyết. Trong đó, các kết quả mô phỏng ở tỷ lệ

5% (B5), 15% (B15) được trình bày trong phụ lục 1 nhằm bổ sung cơ sở khoa học khi

đánh giá sự phù hợp của nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá dùng làm nhiên liệu cho động

cơ diesel.

(2) Kết quả mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu B10 so với DO ở các chế độ làm

việc của động cơ Cumins NTA 855 trình bày trong luận án đã xác định được mức độ

chênh lệch cụ thể:

- Về áp suất cháy: nhiên liệu B10 giảm so với DO từ 0,31÷1,63%

- Về công suất: nhiên liệu B10 giảm so với DO từ 1,45÷2,33%

- Về suất tiêu hao nhiên liệu: nhiên liệu B10 tăng so với DO từ 2,20÷4,60%

- Về phát thải bồ hóng: nhiên liệu B10 giảm so với DO từ 2,50÷23,93%

Từ kết quả trên cho thấy, nhiên liệu B10 có mức giảm công suất và tăng suất tiêu

hoa nhiên liệu so với DO là không lớn, trong khi phát thải bồ hóng giảm mạnh so với

nhiên liệu DO. Qua đây có thể khẳng định về mặt lý thuyết thì nhiên liệu B10 phù hợp

làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel và với những kết quả đạt được như trên đối

với ý nghĩa thực tiễn sẽ giúp định hướng cho việc xây dựng quy trình và giới hạn chế

độ thực nghiệm trên động cơ tại phòng thí nghiệm trước khi ứng dụng ra thị trường.

Nội dung thực nghiệm được trình bày cụ thể trong chương 4.

99

Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

BIODIESEL TỪ MỠ CÁ DA TRƠN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

CUMMINS NTA855 CỦA TÀU CÁ

Như đã trình bày trong phần kết luận chương 3, nội dung chương 4 là tổ chức

thực nghiệm kiểm chứng trên động cơ diesel dùng làm máy chính tàu cá bao gồm:

Cummins NTA 855, Yanmar 6S185L-ST, Mitsubishi S3M3D-M15 ở một số chế độ

hoạt động nhất định khi sử dụng nhiên liệu biodiesel gốc mỡ cá, nhằm đánh giá về mặt

thực tiễn việc sử dụng loại nhiên liệu trên thay thế nhiên liệu DO trước khi ứng dụng

ra thị trường, trong đó kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ Cummins NTA

855 được trình bày chính trong nội dung của chương 4, các nghiên cứu trên động cơ

còn lại có tính chất tham khảo và được NCS trình bày ở phần phụ lục. Toàn bộ quá

trình thử nghiệm được thực hiện trên bệ thử tại phòng Máy tàu trường Đại học Giao

thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh.

4.1. Xác định phương pháp hòa trộn nhiên liệu giữa B100 với DO

Hiện nay trên thế giới đã và đang sử dụng một số phương pháp hòa trộn nhiên

liệu Biodiesel B100 với DO như sau:

4.1.1. Phương pháp hòa trộn trên đường ống (On line blending)

Là phương pháp hòa trộn nhiên liệu trên đường ống trước khi vào động cơ, theo

phương pháp này dầu biodiesel B100 và dầu DO sẽ chứa trong các két chứa khác nhau

và thông qua hệ thống bơm, bộ hòa trộn 2 loại nhiên liệu này sẽ được cung cấp theo tỉ

lệ tùy chọn và đưa trực tiếp vào động cơ. Trong trường hợp chuyển đổi sử dụng từ dầu

biodiesel về dầu DO 100% (ứng với B0) sẽ chuyển đổi hệ thống van và ngắt hoàn toàn

nhiên liệu biodiesel cấp vào động cơ như trên hình 4.1.

Hình 4.1. Bộ hòa trộn nhiên liệu trên đường ống

100

Ưu điểm của phương pháp này là tránh không cần phải hòa trộn dầu biodiesel để

lưu trữ và trong trường hợp cần thiết thì dừng việc sử dụng dầu biodiesel nhưng vẫn

không phải dừng động cơ. Nhược điểm của phương pháp này là phải bố trí thiết bị hòa

trộn trên đường ống, làm phức tạp thêm hệ thống và phần dầu hồi về sau quá trình cấp

dầu đến vòi phun vẫn phải sử dụng két lưu trữ dầu đã hòa trộn.

4.1.2. Phương pháp hòa trộn trong đường ống (In line blending)

Hòa trộn in-line là phương pháp hòa trộn trong đường ống và tạo tiếp xúc giữa 2

dòng nhiên liệu trên cánh bơm. Để tiến hành phương án hòa trộn này, thường sử dụng

2 két chứa, một két là dầu DO và két còn lại là dầu sinh học B100 và một bơm bánh

răng hoặc bơm trục vít có lưu lượng phù hợp. Hai két này có 2 van điều chỉnh tỉ lệ 2

loại nhiên liệu phân bố đi vào đường ống hút của bơm và hỗn hợp dầu Biodiesel sẽ

được tạo ra ở cửa đẩy và sau đó được đưa về két chứa. Dầu từ két chứa dầu Biodiesel

sẽ đến một van 3 ngả để cấp vào động cơ. Van 3 ngả này cho phép cấp vào động cơ

dầu biodiesel hoặc dầu DO tùy theo yêu cầu. Đây là phương pháp tốt nhất để hòa trộn

dầu DO và biodiesel B100 như trên hình 4.2.

Hình 4.2. Bộ hòa trộn nhiên liệu trong đường ống

101

Để tránh việc kết tinh sản phẩm hòa trộn thì dầu sinh học nên được hòa trộn ở

nhiệt độ thấp nhất không dưới 600C và bên trên điểm vẩn đục thực tế của nó khi được

sử dụng cho hòa trộn in-line. Ưu điểm của phương pháp này là đảm bảo nhiên liệu hòa

trộn đồng đều, tránh được hiện tượng hòa trộn cục bộ trong két chứa, dễ dàng chuyển

đổi sử dụng từ dầu Biodiesel sang dầu DO. Nhược điểm của phương pháp này là bố trí

thêm thiết bị làm phức tạp hệ thống, chỉ phù hợp với tàu có trọng tải và mức tiêu hao

nhiên liệu lớn.

4.1.3. Phương pháp hòa trộn văng tóe (Splash blending)

Hòa trộn Splash xảy ra khi dầu sinh học được bơm vào trong một thùng đã có sẵn

dầu DO. Quá trình đưa nhiên liệu lên thùng, di chuyển và bơm nhiên liệu xuống các

két chứa chính là cơ chế hòa trộn của phương pháp này.

Chưa có nghiên cứu nào xác định nhiệt độ tối ưu cho két chứa B100 và cho hòa

trộn vung tóe. Đây là điều quan trọng để giữ cho két chứa B100 ở điều kiện nhiệt độ

tốt nhất mà không phải gia nhiệt khi không cần thiết theo yêu cầu bảo quản để đạt

được hiệu quả và chi phí. Điều này rất quan trọng để biết nhiệt độ tốt nhất hoặc sự

khác biệt nhiệt độ giữa dầu DO và Biodiesel khi hòa trộn Splash. Ngoài ra cần phải

xem xét đến độ vẩn đục và tỷ lệ hòa trộn trước khi hòa trộn.

Khi dầu sinh học được hòa trộn có nguồn gốc từ mỡ động vật với điểm vẩn đục

là 150C, thì nhiệt độ của B100 trước khi hòa trộn được yêu cầu là 20 – 220C. Hòa trộn

theo phương pháp văng tóe đều diễn ra trong két chứa có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng

và gần như không mất chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống. Tuy nhiên, nhược điểm

của nó là nếu văng tóe không đều sẽ xảy ra hiện tượng không đồng đều về nhiên liệu.

Phương pháp này chỉ phù hợp với các phương tiện nhỏ có lượng tiêu thụ nhiên liệu ít

và tầm hoạt động ngắn.

4.1.4. Phương pháp hòa trộn trung gian (Intermediate blends)

Đối với hòa trộn trung gian “Intermediate Blends”, dầu sinh học B100 được hòa

trộn với dầu DO tạo thành hỗn hợp. Kỹ thuật căn bản này là hòa trộn trung gian được

làm với dầu sinh học lạnh và dầu DO lạnh, bất kỳ một lượng nhỏ dơ bẩn nào trong dầu

sinh học cũng có thể phân tán ra ngoài dẫn tới các phin lọc bị tắc. Phương pháp hòa

trộn này thực chất là một biện pháp nâng cao chất lượng hòa trộn nhiên liệu biodiesel

chứ không phải là một phương pháp độc lập như 3 phương pháp trên.

102

4.1.5. Phương pháp hòa trộn khuấy

Khi sử dụng hòa trộn với số lượng nhỏ, thực tế thường dùng phương pháp hòa

trộn khuấy. Hai két dầu B100 và DO có dung tích nhỏ, có thang chia xác định thể tích

dầu của mỗi két. Tùy theo mục đích hòa trộn có thể mở một lượng dầu B100 vào két

DO sau đó dùng thiết bị khuấy đều két hòa trộn. Phương pháp này thường được sử

dụng cho các phương tiện nhỏ, động cơ sử dụng có lượng tiêu hao nhiên liệu nhỏ. Ưu

điểm của phương pháp này là dễ dàng sử dụng và được thực hiện một cách nhanh

chóng do thể tích hòa trộn nhỏ. Phương pháp này tương tự phương pháp vung tóe.

Trên cơ sở các phương pháp trên, Luận án xác định mô hình bộ hòa trộn cho

động cơ Cummin NTA855 như sau:

Máy Cummins NTA855 là dòng máy cao tốc có nguồn gốc từ Mỹ, có công suất

trung bình. Dòng máy này có độ tin cậy về tuổi thọ và độ bền cao, khả năng lắp lẫn với

các dòng động cơ cùng seri thuận lợi nên được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam, đặc

biệt là trên các tàu đánh cá xa bờ,… Tại vòng quay định mức 2100 rpm, công suất của

động cơ phát ra là 255 kW, lượng tiêu thụ nhiên liệu trong 1 giờ (Ge) là 72 lít.

Vì là động cơ lai chân vịt nên thực tế lượng nhiên liệu tiêu thụ ở đây sẽ bị dao

động. Một phần do động cơ lắp đặt ở nước ta chủ yếu là động cơ cũ, nên công suất

phát ra sẽ giảm đi đáng kể so với công suất định mức. Phần khác là do điều kiện khai

thác của tàu ở nhiều chế độ vòng quay chứ không phải là một chế độ vòng quay định

mức.

Ngoài ra còn có nhiều yếu tố ảnh hưởng khác như dòng chảy, gió, luồng lạch…

Trong nội dung này, sẽ chọn tiêu hao nhiên liệu lớn nhất với tải và vòng quay định

mức để làm cơ sở lựa chọn phương pháp hòa trộn. Đối với dòng động cơ trên, Luận án

đề xuất chọn phương án hòa trộn trong ống (In line blending) và phương pháp hòa trộn

vung tóe như đã phân tích. Ở phương pháp hòa trộn này, thay vì hòa trộn xong được

đưa trực tiếp tới động cơ thì hỗn hợp sau khi hòa trộn sẽ được đưa vào một két gọi là

két hòa trộn, từ két này nhiên liệu sẽ được cung cấp trực tiếp tới động cơ. Thực hiện

theo phương pháp này thì có thể hòa trộn trực tiếp dưới tàu rồi đưa vào két chứa nếu

như không gian buồng máy động cơ rộng. Trường hợp không thể hòa trộn do không

gian hẹp sẽ phải thực hiện hòa trộn trên bờ trước khi cấp nhiên liệu xuống tàu.

Từ những phân tích cho thấy, phương pháp hòa trộn kiểu trong ống là một trong

những phương pháp hòa trộn thuận lợi. Với khả năng hòa trộn hoàn toàn được 2 loại

103

nhiên liệu nên các thông số kỹ thuật của nhiên liệu được đảm bảo một cách tốt nhất.

Ngoài ra, do động cơ sử dụng lượng nhiên liệu ở mức trung bình nên phương pháp hòa

trộn In-Line sẽ được thực hiện trên bờ trước khi đưa vào sử dụng. Bên cạnh đó, trong

phương pháp hòa trộn này ngoài dầu được hòa trộn trong đường ống và trong các bánh

răng của bơm khi quay vận chuyển dầu, thì dầu khi được cấp xuống tàu chứa trong két

còn được hòa trộn thêm do quá trình vận chuyển dầu xuống tàu, các rung động tạo ra

trong két khi tàu chạy... giúp cho việc hòa trộn hoàn toàn hơn.

Mô hình hòa trộn In-Line cho động cơ Cummins NTA855 như trên hình 4.3 sử

dụng 2 két dầu DO và biodiesel B100 tách biệt. Van 1 và van 3 mở dầu đưa tới các

phin lọc, sau phin lọc là van điều chỉnh có thang chia lưu lượng đi vào bơm. Ở van

chia này có thể mở lưu lượng khác nhau tùy theo vào mục đích hòa trộn. Việc xác định

tỷ lệ hai van 5 và 6 này được tiến hành bằng thực nghiệm nhiều lần để xác định đúng

vị trí độ mở của 2 van sao cho thể tích hòa trộn là chính xác. Dầu sau khi đi qua 2 van

5 và 6 sẽ đi qua bơm, ngoài tác dụng hòa trộn trong đường ống thì khoảng không gian

giữa các răng để vận chuyển dầu cũng giúp cho dầu được hòa trộn một cách tốt nhất.

Từ vị trí của bơm 1, nếu cả hệ thống được lắp đặt dưới tàu thì dầu sẽ được bơm trực

tiếp tới két chứa dầu hòa trộn, tiếp đến sẽ được bơm 2 vận chuyển đi vào động cơ.

Trong trường hợp khác nếu thực hiện hòa trộn theo kiểu văng tóe thì dầu sau khi hòa

trộn sẽ được cấp xuống tàu và chứa trong két chứa dầu hòa trộn và được bơm dầu 2

cấp tới động cơ.

Như vậy, khi hòa trộn cho máy Cummins NTA855, có thể mở nhỏ van số 2 và 4,

kiểm tra xem trong 2 két dầu DO và biodiesel B100 có nước trong đó không. Nếu có,

phải thực hiện xả hết lượng nước trong đó, vì nếu để nước xâm nhập vào trong động

cơ thì ngoài tác dụng gây khó nổ, ăn mòn còn gây kẹt vòi phun… Tiếp theo là đóng

van 2 và van 4 lại, mở van 1 và 3 để nhiên liệu đi tới các phin lọc. Mở van 7 trước

bơm đi tới két chứa hòa trộn, sau đó cho chạy bơm dầu số 1 để hòa trộn dầu và đưa về

két chứa dầu hòa trộn. Tỉ lệ mở van số 5 và 6 như đã nói ở trên là sẽ mở theo tỉ lệ hòa

trộn B10. Thang chia trên van 5 và 6 là định tỉ lệ từ thực nghiệm trước đó, dùng để

kiểm soát tỉ lệ hòa trộn cho chính xác. Dầu ở trong két chứa hòa trộn sẽ được bơm dầu

số 2 chạy đưa tới động cơ. Việc xác định lưu lượng của bơm là dựa vào suất tiêu hao

nhiên liệu của động cơ.

104

Hình 4.3. Phương pháp hòa trộn In-Line cho động cơ Cummins TNA855

4.2. Bố trí thiết bị thực nghiệm

4.2.1. Thiết bị thực nghiệm

4.2.1.1. Động cơ thực nghiệm

Động cơ thử nghiệm được phân tích, lựa chọn tại chương 1, các thông số chủ

yếu xem ở bảng 1.8. Động cơ Cummins NTA855 là một dòng máy cao tốc có nguồn

gốc từ Mỹ, có lịch sử phát triển lâu đời và được sử dụng rất phổ biến trên các tàu cá,

phương tiện giao thông đường bộ như xe tải, xe container. Ngoài ra loại động cơ này

còn được lắp đặt trên các phương tiện đường thủy khác như xà lan và dùng làm máy

phát điện trên tàu và trên bờ. (hình 4.4).

105

Hình 4.4. Động cơ Cummins NTA855 lắp trên bệ thử

Động cơ Cummins NTA855 là loạt động cơ có hệ thống nhiên liệu điều khiển

quá trình phun vào xi lanh bằng CAM, không sử dụng cụm vòi phun – bơm cao áp

dạng BOSCH truyền thống. Hệ thống nhiên liệu sử dụng cơ cấu BIG CAM điều khiển

và tạo áp lực phun trực tiếp tại vòi phun, bơm cao áp được thay thế bằng một bơm

bánh răng áp lực thấp và điều khiển lưu lượng dầu đến các vòi phun. Đối với hệ thống

nhiên liệu này, chỉ xác định được lượng dầu cấp sử dụng vào động cơ thông qua lưu

lượng kế và mức tiêu hao nhiên liệu thực tế tại két chứa. Một đặc trưng khác của dòng

động cơ Cummins là mặt qui lát của động cơ được đúc liền cho từng cặp 2 xi lanh,

không có van biệt xả và vị trí lắp nhiệt kế để xác định cho từng xi lanh. Đây chính là

điểm hạn chế và rất khó khăn khi nghiên cứu để xác định được tình trạng làm việc của

từng xi lanh.

4.2.1.2. Bộ phối trộn nhiên liệu

Động cơ chỉ tiến hành thực nghiệm với nhiên liệu biodiessel theo chế độ thực

nghiệm và tỷ lệ xác định trong chương 3 để đánh giá kết quả khi so sánh với nhiên liệu

DO. Trong đó, nhiên liệu DO và B100 thoả mãn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717.

Phương án cấp nhiên liệu biodiesel cho động cơ là hệ thống cấp nhiên liệu được lắp

106

đặt song song với nhiên liệu DO. Trên cơ sở này, sơ đồ bố trí hệ thống phối trộn nhiên

liệu vào động cơ được trình bày như trên hình 4.5.

Hình 4.5. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu DO và biodiesel song song sử dụng van 3 ngả

Từ sơ đồ hình 4.5, yêu cầu của quá trình thực nghiệm khi tiến hành cấp dầu

biodiesel cho động cơ được thực hiện như sau:

 Các vật tư cần thiết:

- 1 két dầu biodiesel B10 có thể tích bằng két dầu DO có sẵn.

- Một van cấp dầu tương tự van cấp dầu DO.

- 2 van ba ngả để chuyển đổi dầu cấp và dầu hồi song song, 2 két dầu DO và B10.

- Đường ống nối từ két chứa đến van cấp dầu và từ van ba ngả về két chứa.

- Một bình định lượng dầu B100 có thể tích bằng 10% bình chứa dầu B10.

 Lắp đặt két dầu B10:

- Két dầu B10 lắp liền kề với két dầu DO và dùng đoạn đường ống nối song song

từ 2 két đến van cấp dầu ba ngả vào động cơ.

- Lắp đường ống và van ba ngả từ đường dầu hồi về két chứa dầu B10.

- Lắp đặt hoàn chỉnh đường ống, van như sơ đồ hính 4.4.

107

 Chuyển đổi vị trí làm việc của hệ thống:

- Khi làm việc với dầu DO, đặt tay điều khiển của van ba ngả của dầu cấp và dầu

hồi về vị trí cấp dầu DO hoặc ngược lại khi làm việc với dầu B10 đặt vị trí đồng thời

của van cấp và van hồi về vị trí cấp dầu B10.

- Dầu B100 được nhận và bảo quản trong két chứa, để pha chế hòa trộn thành

dầu B10, luận án sẽ sử dụng phương pháp hòa trộn thủ công bằng cách: Cấp dầu DO

vào két B10 với khoảng 90% thể tích và sau đó dùng két định lượng rót dầu B100 vào

két B10 ứng với 10% thể tích.

- Sau khi rót dầu B100 vào bình B10, sử dụng que thăm khuấy đều dầu B100

khoảng 5 – 10 phút tùy thuộc vào thể tích két chứa, khi dầu B100 đảm bảo hòa tan

hoàn toàn trong dầu DO mới tiến hành sử dụng.

Với các yêu cầu trên, lựa chọn thiết bị lắp đặt hệ thống hòa trộn cho động cơ đặc

trưng Cummins NTA855. Các van điều chỉnh lưu lượng và phin lọc được bố trí trên

đường ống nhiên liệu cấp vào bơm. Bộ hòa trộn nhiên liệu bằng bơm bánh răng sử

dụng cho phương án hòa trộn trong đường ống (In- Line) được luận án nghiên cứu chế

tạo như trên hình 4.6.

Hình 4.6. Bộ hòa trộn nhiên liệu bằng bơm bánh răng

Các két chứa dầu của hệ thống hòa trộn và cấp nhiên liệu cho động cơ Cummins

NTA855 như trên hình 4.7.

108

Hình 4.7. Hệ thống hòa trộn và cấp dầu cho động cơ Cummins NTA855

4.2.1.3. Bộ tiêu công suất (Dynometter)

Để tiến hành thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel như đã phân tích

và lựa chọn ở phần trên. Căn cứ vào cấu tạo thực tế của động cơ, NCS tiến hành lựa

chọn thiết bị đo phù hợp với đặc điểm cụ thể của từng động cơ. Trên cơ sở đó, tận

dụng khả năng làm việc của các thiết bị đo phục vụ thực nghiệm động cơ Cummins

NTA855 cũng sẽ dùng cho các loại động cơ khác được trình bày trong phụ lục 2 và

phụ lục 3 để giảm thiểu chi phí.

Để đánh giá được khả năng làm việc và tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel

máy thủy, thông thường sử dụng thiết bị tạo mô men cản cho động cơ thay thế phụ tải

đó là bộ tiêu công suất Dynometter. Ở các thiết bị này cho phép thay đổi phụ tải liên

tục tác động lên động cơ tùy theo giá trị mong muốn và được xác định bằng mô men

hay công suất. Mô men cản được tạo ra trong các bộ tiêu công suất tùy thuộc vào thiết

kế. Bộ tiêu công suất hiện nay trên thị trường chủ yếu được chế tạo theo 3 nguyên tắc

chính sau:

 Bộ tiêu công suất bằng ma sát cơ khí;

 Bộ tiêu công suất bằng thủy lực, sử dụng nước làm môi chất;

 Bộ tiêu công suất bằng điện.

Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hãng chế tạo bộ tiêu công suất sử dụng cho

thực nghiệm để đánh giá tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel. Một số hãng chế tạo

109

bộ tiêu công suất nổi tiếng như: Dyno Mite Land & Sea, Taylor Dynometter, KAHN

của Mỹ, DB của Anh Quốc và một số thương hiệu khác của Trung Quốc.

Để lựa chọn bộ tiêu công suất thử nghiệm cho từng loại động cơ đặc trưng, luận

án đưa ra các tiêu chí lựa chọn như sau:

 Công suất cản của bộ tiêu công suất phải đảm bảo làm việc được trong giới hạn

công suất phát ra của động cơ;

 Vòng quay làm việc và mô men cản phải tương thích với động cơ thực nghiệm;

 Dễ sử dụng, làm việc ổn định và tin cậy;

 Giá thành thấp;

 Thiết bị hiện có sẵn tại thị trường Việt Nam.

Dựa theo các tiêu chí trên, luận án lựa chọn bộ tiêu công suất cho quá trình thực

nghiệm là Dyno Mite Land & Sea của Mỹ như trên hình 4.8. Các thông số cơ bản như

sau:

 Bộ tiêu công suất: 800 Marine Engine Dyno, mã số: #050-800-1K;

 Công suất cản từ 2 ÷ 800Hp;

 Mô men cản từ 1 ÷ 1.359 Nm;

 Vòng quay từ 1000 ÷12.000 v/p;

 Sai số cho phép: 1%.

Hình 4.8. Phanh thủy lực Dynomide

1: Phanh Dynomite; 2: Trục chính; 3: Ống nước ra; 4: Ống nước vào; 5: Bệ máy

Giao diện chương trình đo công suất, mô men và vòng quay của phanh Dyno như

trên hình 4.9.

110

Hình 4.9. Giao diện đo dữ liệu của bộ đo Dyno max 2010

Nguyên lý hoạt động:

Thiết bị Dynomite dual rotor hoạt động trên nguyên lý làm việc chung của phanh

thuỷ lực: Công suất từ động cơ tiêu hao một phần để vận chuyển chất lỏng chứa trong

phanh, một phần để thắng lực ma sát giữa rotor với chất lỏng. Chất lỏng làm việc trong

phanh thường là nước, vì nó có nhiệt dung lớn, độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ và rẻ

tiền. Khi đo với công suất lớn người ta có thể dùng dầu với độ nhớt lớn. Năng lượng

nhận được từ phanh thủy lực chuyển thành nhiệt và làm nóng chất lỏng .

Mô men trong phanh thủy lực được xác định:

(4.1)

Mô men cần đo sẽ bằng tổng mô men tính toán trên lực kế và mô men trong

phanh thuỷ lực:

(4.2)

Trong đó:

Gn - lượng nước cần cho phanh làm việc;

C - tỷ nhiệt của nước;

Tv, Tr - nhiệt độ tại cửa vào và cửa ra khỏi phanh;

p - lực kế;

l - chiều dài cánh tay đòn.

111

Khi làm việc, phanh thủy lực được nối cứng vào bích ra của động cơ, nước được

cung cấp vào phanh qua cụm van điều khiển tải nhờ một bơm được thiết kế tuần hoàn

khép kín. Động cơ sẽ làm quay bánh công tác, tác động lên môi trường nước truyền

động qua stato xoay toàn bộ cụm thiết bị của bộ hút thu. Nhờ cánh tay đòn lực được

gắn cố định trên stato của phanh ngăn cản chuyển động xoay này. Máy tính sẽ đo lực

căng qua bộ cảm biến gắn trên bề mặt cánh tay đòn lực, tự động truyền đến bộ xử lý

nhờ phần mềm đã cài đặt (Dynomax 2010), chuyển thành dữ liệu số. Máy tính lưu trữ

toàn bộ dữ liệu, tiến hành tính toán và trình bày dưới những trạng thái khác nhau.

4.2.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm

Nối mặt bích công suất của động cơ với mặt bích của bộ tạo tải (thông qua bộ

truyền bánh răng) các cảm biến tốc độ, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí xả được

lắp đặt như hình 4.10.

Hình 4.10. Sơ đồ bố trí thực nghiệm

1. Động cơ, 2. Van ba ngả, 3. Thiết bị phối trộn, 4. Cảm biến to khí xả và đo khí xả,

5. Nguồn điện, 6. Máy vi tính, 7. Thiết bị kết nối cảm biến, 8. Cảm biến to nước làm

mát, 9. Két nước làm mát, 10. Bộ điều chỉnh mức tải (mô men) động cơ, 11. Bơm, 12.

Bộ phận tải, 13. Cảm biến tốc độ, 14. Cơ cấu điều chỉnh tay ga, 15. Bệ máy.

112

4.3. Xây dựng chế độ và qui trình thực nghiệm

4.3.1. Chế độ thực nghiệm

- Chọn tốc độ thử nghiệm:

Khi động cơ thử nghiệm được nối với phanh thủy lực thì chế độ làm việc gần

với chế độ kéo lai dắt khi tàu hoạt động. Ở chế độ này thường sử dụng tốc độ kéo nk =

(50÷60) %nđm (tốc độ định mức). Động cơ có vòng quay định mức là 2.100 v/p (lý lịch

máy) như vậy tốc độ 1.200 v/ph là tốc độ hợp lý (khoảng 60% nđm).

- Chọn mô men phanh:

Ở chế độ kéo, thông thường công suất kéo của động cơ được tính toán là Nek

= (25÷36) % Neđm. Công suất động cơ thực tế làm việc được xác định phụ thuộc vào

hiệu suất do tác động của môi trường và hiệu suất truyền động giữa động cơ và bộ

phận tải.

(4.3)

Ở đây: Hiệu suất do tác động của môi trường và hiệu suất truyền động giữa

động cơ và bộ phận tải trong điều kiện bình thường đạt khoảng (80÷85)%.

Động cơ cơ công suất định mức . Để đảm bảo động cơ không

bị quá tải trong qúa trình thực nghiệm, sẽ chọn:

Nek = 30% Neđm (4.4)

Theo 4.3 và 4.4, công suất thử nghiệm có thể đạt khoảng 110kW tương ứng

khoảng (145÷146)Hp, mô men động cơ được xác định:

(Nm) (4.5)

Ở chế độ 1.200 v/p, mô men động cơ tính theo 4.5 đạt khoảng 870Nm. Đối

chiếu với lý lịch máy, đây là chế độ thử nghiệm vừa tải (khoảng 50% tải).

Như vậy, mô men phanh sẽ điều chỉnh (lượng nước vào phanh) để đảm bảo

mô men động cơ đạt khoảng 870Nm. Trên cơ sở này, cài đặt lại chương trình máy tính

Dynomite (giới hạn mô men phanh) để đo công suất động cơ.

- Điều chỉnh tốc độ động cơ ở tốc độ 1.200(v/ph). Khi động cơ chạy ổn định

mở van tải cấp nước vào phanh. Dưới tác dụng của phanh tốc độ động cơ sẽ giảm

xuống, tăng ga để tốc độ của động cơ là n = 1.200 (v/ph). Trong khi tiến hành thực

nghiệm, phanh bị nóng phải được làm mát kịp thời.

113

- Tiến hành đo chi phí nhiên liệu của động cơ đối với từng mẫu nhiên liệu.

Lượng tiêu hao nhiên liệu đo được là Gh(lít/h) đổi thành Ge(kg/h) bằng công thức:

(4.6)

Trong đó: ρ là khối lượng riêng của nhiên liệu (DO, ρ=0,830 kg/cm3; B10,

ρ=0,830 kg/cm3)

Suất tiêu hao nhiên liệu ge được tính bởi công thức sau:

(4.7)

- Mỗi lần đo xong một mẫu phải kiểm tra làm mát của phanh, xả hết nhiên liệu

cũ rồi thực hiện với mẫu tiếp theo.

4.3.2. Quy trình thực nghiệm

Kiểm tra tình trạng kỹ thuật vòi phun, bơm cao áp, tình trạng kỹ thuật chung của

xi lanh, piston và xéc măng. Kết nối các két dầu DO, B10 qua các van để nối với

đường dầu vào của động cơ. Kết nối bộ tiêu công suất trên trục dẫn của bánh đà động

cơ, chạy bơm nước kết nối vào bộ tiêu công suất, điều chỉnh áp lực nước vào ra của bộ

tiêu công suất, mở các màn hình hiển thị… Chuẩn bị các thiết bị đo: Đồng hồ vòng

quay, đồng hồ đo nhiệt độ, gắn kết thiết bị đo bộ tiêu công suất tới màn hình hiển

thị…sổ nhật ký ghi nhận các thông số thử nghiệm.

Qui trình thực nghiệm chạy dầu biodiesel đối với động cơ Cummins NTA855

được thực hiện như sau:

Bước 1:

- Nổ máy chạy ở vòng quay thấp sử dụng nhiên liệu DO (nhiên liệu DO là loại

nhiên liệu được sử dụng theo hướng dẫn của nhà sản xuất, các thông số đã được trình

bày trong chương 3).

- Cho máy chạy ở vòng quay thấp khoảng 30-45 phút để hâm nóng máy cho các

thông số ổn định (vòng quay không tải 600 vòng/phút).

- Tăng vòng quay của động cơ lên vòng quay cần thử nghiệm, khoảng 1200 v/p.

Để máy chạy ổn định khoảng 30 – 45 phút (nhiệt độ nước làm mát đạt khoảng 800C),

ghi nhật ký các thông số động cơ chạy không tải sử dụng nhiên liệu dầu DO bao gồm:

Vị trí thanh răng đặt tốc độ, vòng quay động cơ (vòng/phút), nhiệt độ khí xả, nhiệt độ

nước làm mát động cơ.

114

- Mở van nước điều chỉnh lưu lượng nước cấp vào phanh để đo công suất của

động cơ, việc điều chỉnh tải này phải được tăng từ từ để tránh hiện tượng quá tải động

cơ. Quan sát màn hình hiển thị công suất động cơ, đo nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước

làm mát, vòng quay của động cơ. Tăng tải nhưng không cho phép nhiệt độ khí xả vượt

quá giá trị giới hạn của nhà sản xuất để tránh hiện tượng hư hỏng buồng đốt và mặt qui

lát.

- Để máy chạy tải ổn định và chọn chế độ tải 50% (khoảng 145 Hp ở vòng quay

1200 v/p) để thử nghiệm chuyển đối nhiên liệu và đo đạc thông số công suất, vòng

quay, nhiệt độ khí xả, ghi nhận sự thay đổi các thông số động cơ.

Bước 2:

Mở van dầu B10, đóng van dầu DO, đồng thời chuyển đường dầu hồi từ két dầu

DO sang két dầu B10. Để máy chạy ổn định, tiến hành đo đạc các thông số (vị trí

thanh răng đặt tốc độ không đổi, tải không thay đổi): Công suất động cơ, vòng quay,

nhiệt độ khí xả.

Bước 3:

Mở van dầu DO, đóng van dầu B10, đồng thời chuyển đường dầu hồi từ két

Biodiesel B10 qua két DO. Để máy chạy ổn định với dầu DO, đo đạc các thông số trên

và ghi vào nhật ký.

4.4. Kết quả thực nghiệm trên động cơ Cummins NTA855 và đánh giá

4.4.1. Kết quả thực nghiệm

Các bước của qui trình thử nghiệm đã được trình bày ở phần trên, đo đạc các

thông số công tác của động cơ khi thay đổi nhiên liệu từ DO sang B10 thông qua các

thiết bị của hệ thống phanh thủy lực và chương trình ghi nhận dữ liệu Dyno max 2010

trên máy tính.

Quan sát trong thời gian thu nhận dữ liệu, giá trị công suất có sự dao động từ 143

Hp ÷ 146 Hp đối với cả hai trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu DO và B10, tương

ứng với độ lệch khoảng 2% giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất, điều này cho thấy

sai số trong quá trình thu nhận dữ liệu từ thiết bị đo là rất nhỏ, các số liệu ghi nhận

được có độ tin cậy đạt 98%.

Vì đây là động cơ cao tốc nên để đảm an toàn cho động cơ và thiết bị, các van

chuyển đổi dầu được đặt ngay sát vị trí đầu vào của bơm cao áp nhằm giảm chiều dài

115

đường ống để hạn chế lượng dầu sót. Một số hình ảnh quá trình thực nghiệm như trên

hình 4.11.

Hình 4.11. Một số hình ảnh thử nghiệm động cơ Cummins NTA855

4.4.1.1. Kết quả ghi nhận trong thời gian khoảng 10.000 chu kỳ làm việc của động

cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO

Kết quả ghi nhận công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO được

trình bày như trên hình 4.12. Trong đó, thời gian ghi nhận dữ liệu cho một lần đo đối

với một mẫu nhiên liệu khoảng 10.000 chu kỳ, mỗi giá trị công suất nhận được cho

từng mẫu nhiên liệu trên hình 4.12 là giá trị công suất có tần suất xuất hiện nhiều nhất

trong thời gian ghi nhận, độ chênh lệch giữa giá trị thấp nhất và cao nhất hiển thị trên

giao diện chương trình đo cũng được biểu thị thông qua số liệu và độ dao động (mấp

mô) của đường tín hiệu ghi nhận giá trị. Kết quả đường tín hiệu ghi nhận giá trị đều có

độ dao động rất thấp, điều này cho thấy các giá trị công suất đo được cho mỗi mẫu

nhiên liệu là tin cậy, động cơ hoạt động ổn định, hình ảnh thu được từ giao diện đo thể

hiện từ hình 7.1 đến hình 7.6 trình bày trong phụ lục 7.

116

146

145,8

145,5

145,6

145,4

145,4

145,3

145,3

145,4

) p H

145,2

144,9

145

( t ấ u s

144,8

g n ô C

144,6

144,4

144,2

144

DO

B10

DO

B10

DO

B10

Nhiên liệu (DO, B10)

Hình 4.12. Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B10 so với DO ghi nhận trong thời gian

khoảng 10.000 chu kỳ làm việc của động cơ

Nhận xét:

Động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO sau đó chuyển sang sử dụng nhiên liệu B10:

- Công suất: NDO = 145,5 Hp giảm về: NB10 = 145,3 Hp

- Vòng quay: nDO = 1210 v/p giảm về: nB10 = 1206 v/p (hình 7.1, hình 7.2 của phụ lục 7)

- Nhiệt độ khí xả: TkxDO = 305oC không đổi: TkxB10 = 305oC Động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 sau đó chuyển sang sử dụng nhiên liệu DO:

- Công suất: NB10 = 145,3 Hp tăng thành: NDO = 145,4 Hp

- Vòng quay: nB10 = 1206 v/p tăng thành: nDO = 1214 v/p (hình 7.3 của phụ lục 7)

- Nhiệt độ khí xả: TkxB10 = 305oC không đổi: TkxDO = 305oC

Với kết quả chuyển đổi dầu DO sang B10 và trở về lại DO, kết quả thực nghiệm

nhận thấy khi động cơ chuyển sang sử dụng với nhiên liệu B10, công suất và vòng

quay động cơ gần như không thay đổi (công suất thay đổi 0,2 Hp, vòng quay thay đổi 4-8 v/p). Sự sai lệch này là không đáng kể, có thể kết luận rằng các thông số kỹ thuật của động cơ gần như không thay đổi khi sử dụng nhiên liệu B10 thay cho DO.

4.4.1.2. Kết quả ghi nhận trong thời gian khoảng 20.000 chu kỳ làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO Tương tự như trình bày ở mục 4.4.1.1 nhưng gia tăng thời gian ghi nhận để đánh

giá công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO (hình 4.13). Trong

đó, thời gian ghi nhận dữ liệu cho một lần đo đối với một mẫu nhiên liệu tăng lên khoảng 20.000 chu kỳ, mỗi giá trị công suất nhận được cho từng mẫu nhiên liệu trên

117

hình 4.13 cũng là giá trị công suất có tần suất xuất hiện nhiều nhất trong thời gian ghi

145,8

145,4

145,2

145

nhận.

) p H

144,8

144,6

144,6

( t ấ u s

g n ô C

144,2

143,9

143,8

143,7

143,8

143,4

143

DO

B10

DO

B10

DO

B10

Nhiên liệu (DO, B10)

Hình 4.13. Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B10 so với DO ghi nhận trong thời gian

khoảng 20.000 chu kỳ làm việc của động cơ

Nhận xét:

Động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO sau đó chuyển sang sử dụng nhiên liệu B10:

- Công suất: NDO = 145,2 Hp giảm về: NB10 = 143,9 Hp

- Vòng quay: nDO = 1208 v/p giảm về: nB10 = 1201 v/p (hình 7.4, hình 7.5 của phụ

lục 7)

- Nhiệt độ khí xả: TkxDO= 305oC giảm về: TkxB10 = 295oC

Động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 sau đó chuyển sang sử dụng nhiên liệu DO:

- Công suất: NB10 = 143,9 Hp tăng thành: NDO = 144,6 Hp

- Vòng quay: nB10 = 1201 v/p tăng thành: nDO = 1211 v/p (hình 7.6 của phụ lục 7)

- Nhiệt độ khí xả: TkxB10 = 295oC tăng thành: TkxDO = 300oC

Với kết quả chuyển đổi dầu DO sang B10 và trở về lại DO, kết quả thực nghiệm

nhận thấy khi chuyển đổi từ nhiên liệu DO sang sử dụng với nhiên liệu B10 trong thời

gian ghi nhận 20.000 chu kỳ, công suất, vòng quay và nhiệt độ khí xả của động cơ đều

giảm xuống so với thời gian ghi nhận trong 10.000 chu kỳ đối với cả hai loại nhiên

liệu. Tuy nhiên, mức độ sụt giảm là không nhiều, khoảng 1,5%. Sai lệch này một phần

do thao tác điều khiển động cơ, một phần do sai số từ thiết bị đo.

118

4.4.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm

Trong quá trình sản xuất các dòng động cơ của các hãng khác nhau, việc sử dụng

đúng nhiên liệu cho động cơ là rất quan trọng. Điều đó quyết định đến công suất, chất

lượng cũng như tuổi thọ của động cơ. Việc sử dụng một loại nhiên liệu không đúng

theo khuyến cáo của nhà sản xuất có thể dẫn tới tình trạng ăn mòn các chi tiết bên

trong động cơ, các chỉ tiêu cháy không đảm bảo, không đảm bảo công suất phát ra

hoặc động cơ có thể không nổ được. Chính vì vậy, điều trước tiên trong quá trình thử

nghiệm là phân tích các thành phần hợp chất hóa học của loại nhiên liệu mới có phù

hợp với các tiêu chuẩn qui định của nhiên liệu hay không, điều này đã được trình bày

trong nội dung chương 2.

Mặc dù thời gian chạy thử nghiệm ngắn, nhưng các chi tiết và tình trạng động cơ

cũng được kiểm tra sau khi sử dụng nhiên liệu B10 so với trước khi sử dụng, đặc biệt

là hệ thống phun nhiên liệu và nhóm piston-xéc măng (trình bày trong phụ lục 4).

Từ kết quả thực nghiệm cho thấy, khi động cơ đặc trưng Cummins NTA855 có

công suất dưới 500Hp sử dụng nhiên liệu Biodiesel B10, các thông số công tác của

động cơ là hoàn toàn tương tự như trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu truyền

thống. Trong đó, chi phí nhiên liệu giờ của các mẫu nhiên liệu đo theo từng trường

hợp nghi nhận được chuyển đổi theo công thức 4.6, suất tiêu hao nhiên liệu được xác

định theo công thức 4.7. So sánh kết quả thực nghiệm giữa nhiên liệu B10 và nhiên

liệu DO để đánh giá sự thay đổi chỉ tiêu công tác của động cơ được trình bày trong

bảng 4.1.

Bảng 4.1. Đánh giá sự thay đổi chỉ tiêu công tác của động cơ khi sử dụng

nhiên liệu B10 so với DO

Nhiên liệu

Thời

gian đo

DO

B10

(chu

Công suất,

Suất tiêu hao

Công suất, Hp(kW)

Suất tiêu hao

kỳ)

Hp(kW)

nhiên liệu (g/kW.h)

nhiên liệu (g/kW.h)

10.000

145,5

145,3 (108,97)

277,17

273,80

(109,13)

(giảm so với DO 0,14% )

(tăng so với DO 1,23%)

145,4

145,3 (108,97)

277,17

(109,05)

274,00

(giảm so với DO 0,07% )

(tăng so với DO 1,15%)

20.000

145,2

143,9 (107,92)

279,87

(108,90)

275,51

(giảm so với DO 0,9% )

(tăng so với DO 1,58% )

144,6

143,9 (107,92)

279,87

274,38

(108,45)

(giảm so với DO 0,5%)

(tăng so với DO 2% )

119

Bảng 4.1 cho thấy sự sụt giảm công suất dẫn đến tăng suất tiêu hao nhiên liệu của

động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO có độ lệch không lớn, từ kết quả thực

nghiệm có thể đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng thông qua mức độ chênh lệch

giữa công suất và suất tiêu hao nhiên liệu mà cụ thể ở đây là cả thực nghiệm và mô

phỏng thì công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 đều thấp hơn so với khi

động cơ sử dụng nhiên liệu DO. Điều này khẳng định việc xây dựng và hiệu chỉnh mô

hình mô phỏng trong chương 3 là phù hợp với thực tế.

4.5. Kết luận chương 4

Trên cơ sở kết quả phân tích về ảnh hưởng của nhiên liệu Biodiesel từ mỡ cá da

trơn trong chương 2 và kết quả nghiên cứu mô phỏng từ chương 3, chương 4 đã thực

hiện được các nội dung sau:

(1) Xây dựng quy trình và các bước vận hành khi chuyển đổi nhiên liệu DO sang

Biodiesel cho các loại động cơ thực nghiệm;

(2) Tổ chức thực nghiệm thành công trên 3 loại động cơ Diesel: Cummins

NTA855; Yanmar 6S185L-ST; Mitsubishi S3M3D-M15. Trong đó, kết quả thực

nghiệm trên động cơ Yanmar 6S185L-ST và Mitsubishi S3M3D-M15 có tính chất

tham khảo cho việc ứng dụng của nhiên liệu Biodiesel từ mỡ cá da trơn đối với

phương tiện thủy nói chung và động cơ Diesel tàu cá nói riêng (phụ lục 2, phụ lục 3).

(3) Từ kết quả thực nghiệm đã giúp đánh giá kết quả mô phỏng phù hợp với thực

tế, điều đó khẳng định quá trình phân tích lý thuyết và xây dựng mô hình, hiệu chỉnh

các thông số mô phỏng quá trình cháy nhiên liệu Biodiesel từ mỡ cá da trơn là tin cậy.

Về thực nghiệm: suất tiêu hao nhiên liệu B10 tăng so với DO từ 1,15-1,58%, trong khi

kết quả mô phỏng có suất tiêu hao nhiên liệu B10 tăng so với DO từ 2,20÷4,60%;

công suât của nhiên liệu B10 khi thực nghiệm giảm so với DO từ 0,14-0,9%, trong khi

kết quả mô phỏng có công suất của nhiên liệu B10 giảm so với DO từ 1,45÷2,33%.

Trên cơ sở này cho thấy, những những nhận định về việc sử dụng nhiên liệu B10 có

thể thay thế nhiên liệu DO cho động cơ diesel máy chính tàu cá là có cơ sở khoa học

và kết quả mô phỏng, thực nghiệm có độ tin cậy.

120

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận:

Với những nội dung đạt được, luận án rút ra một số kết luận như sau:

1 - Các động cơ thực nghiệm là các động cơ rất thông dụng dùng làm máy chính

tàu cá ở các tỉnh Duyên hải Nam trung bộ và làm động cơ cho các phương tiện thủy

nội địa ở khu vực ĐBSMK, đây là cơ sở thực tiễn đánh giá sự phù hợp của nhiên liệu

Biodiesel từ mỡ cá khi dùng làm nhiên liệu thay thế cho các động cơ Diesel.

2 - Phương pháp hòa trộn nhiên liệu được xác định sử dụng trong nghiên cứu

thực nghiệm phù hợp với điều kiện thực tế khi áp dụng cho động cơ trên tàu và phù

hợp với tập quán của người dân.

3 - Trong quá trình thử nghiệm, các thiết bị đo và bộ tiêu công suất đã được lựa

chọn là các thiết bị hiện đại đang được áp dụng phổ biến cả ở trong và ngoài nước.

Đây cũng là cơ hội giúp luận án tiếp cận công nghệ đo lường và điều khiển hiện đại.

Kết quả thực nghiệm thu được từ các thiết bị là tin cậy, làm cơ sở để đánh giá đúng

đắn về khả năng sử dụng Biodiesel từ mỡ cá cho các động cơ Diesel.

4 - Kết quả đạt được của luận án là cơ sở khoa học khẳng định Biodiesel B10 từ

mỡ cá da trơn hoàn toàn ứng dụng được cho động cơ Diesel. Trong đó suất tiêu hao

nhiên liệu B10 tăng so với DO từ 1,15-1,58%; công suât của nhiên liệu B10 giảm so

với DO từ 0,14-0,9%.

5 - Đã thực hiện phân tích và xác định được một số thuộc tính của nhiên liệu B5,

B10, B100 (biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn) tại trung tâm kiểm định và đo

lường chất lượng 3 TpHCM để phục vụ cho quá trình nghiên cứu.

6 - 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.

7 - Luận án cũng 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.

121

Hướng phát triển:

 Để vận hành động cơ Diesel dùng làm máy chính tàu cá với dầu Biodiesel

B5 hoặc B10, cần thực hiện như sau:

- Khởi động động cơ với dầu DO.

- Khi động cơ làm việc ở vòng quay ổn định, dùng van ba ngả hoặc các van chặn,

chuyển dầu từ DO sang Biodiesel.

- Quan sát trạng thái làm việc của động cơ và khí xả, nếu động cơ làm việc bất

thường thì phải chuyển chế độ làm việc từ dầu Biodiesel sang lại DO.

- Dầu DO chỉ sử dụng trong các trường hợp động cơ có sự cố với hệ thống dầu

Biodiesel và chỉ sử dụng dự phòng an toàn cho động cơ.

- Khi chuyển đổi van cấp dầu, lưu ý sau đó khoảng 3 - 5 phút cần chuyển đổi van

dầu hồi về vị trí tương ứng.

- Trước khi dừng động cơ khoảng 15 phút cần chuyển đổi dầu Biodiesel về lại

dầu DO để làm sạch đường ống, đồng thời đảm bảo an toàn trong Ma nơ điều động

tàu.

- Kiểm tra tổng quát tình trạng kỹ thuật của động cơ sau khi dừng máy.

 Bên cạnh những khuyến nghị về việc sử dụng nhiên liệu Biodiesel gốc mỡ

cá da trơn, luận án cũng còn những hạn chế chưa đề cập và nghiên cứu đến, do vậy cần

được bổ sung và làm rõ một số vấn đề ở những công trình kế tiếp:

- Đánh giá thêm ảnh hưởng của nhiên liệu Biodiesel gốc mỡ cá da trơn ở tỷ lệ

pha trộn cao hơn đến công suất của động cơ bằng thực nghiệm.

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định hàm lượng khí thải của động cơ Diesel khi sử

dụng Biodiesel gốc mỡ cá da trơn.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của cơ chế phun nhiên liệu Biodiesel đến các chỉ tiêu

kinh tế, kĩ thuật và môi trường của động cơ Diesel.

- Xem xét ảnh hưởng của góc phun sớm và tối ưu hoá hệ thống phun khi chuyển

sang sử dụng B5 và B10 nhằm gia tăng công suất cho động cơ.

122

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN

LUẬN ÁN

1) H.T. Phuoc, P.V. Quan, A Study on applying the Catfish Biofuel in The Mekong

Delta for The Marine Diesel Engine, the International Journal on Marine

Navigation and Safety of Sea Transportation, Volume 9, Number 4, December

2015.

2) Phan Văn Quân, Hồ Trung Phước, Sổ tay hướng dẫn sử dụng dầu Diesel sinh

học từ mỡ cá da trơn cho động cơ Diesel lắp đặt trên phương tiện thủy nội địa

đồng bằng sông mê kông, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, năm 2015.

3) Hồ Trung Phước, Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của nhiên liệu Biodiesel

từ mỡ cá đến công suất động cơ Diesel Cummins, tạp chí Cơ khí Việt Nam, số

6/2018.

4) Hồ Trung Phước, Mô hình hệ thống hòa trộn và cấp nhiên liệu sinh học cho

động cơ Diesel tàu cá, Hội nghị Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải lần

thứ 4, Trường Đại học Giao thông Vận tai Tp HCM, 2018.

5) Hồ Trung Phước, Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của nhiên liệu Biodiesel từ

mỡ cá đến công suất và phát thải động cơ Diesel Cummins, tạp chí cơ khí việt

nam, số 7/2018.

123

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TIẾNG VIỆT

[1]. Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2007, Các quá trình sử lý để sản xuất

nhiên liệu sạch, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

[2]. Hội đồng chính sách và khoa học công nghệ quốc gia, Hội thảo phát triển nhiên

liệu sinh học hiệu quả và bền vững, Hà Nội ngày 25/9/2009.

[3]. Nguyễn Hoàng Vũ, Đề tài NCKH & PTCN cấp Nhà nước “Nghiên cứu sử dụng

nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự”, mã số:

ĐT.06.12/ NLSH thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm

nhìn đến năm 2025.

[4]. Nguyễn Tuấn Nghĩa, Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học sản

xuất tại Việt Nam đến tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ, luận

án tiến sĩ, đại học bách khoa hà nội, 2014.

[5]. Nguyễn Hữu Hường, Nguyễn Đình Hùng, Nguyễn Văn Sỹ, TẬP 12, SỐ 14 –

2009, Nghiên cứu ứng dụng mỡ cá basa làm nhiên liệu cho động cơ diesel, Tạp

chí phát triển KH&CN.

[6]. Phạm Hồng Chương, nghiên Cứu đánh giá khả năng sử dụng biodiesel trên động

cơ diesel MAZDA WL, luận văn thạc sĩ, đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2011.

[7]. Phan Văn Quân, 2015, Ứng dụng thí điểm dầu mỡ cá da trơn cho phương tiện

thủy nội địa lắp động cơ diesel ở đồng bằng sông Mê Kông, báo cáo tổng kết dự

án thuộc chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu, Trường

Đại học Giao thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh.

[8]. Phan Đắc Yến, 2015, Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học B10,

B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ diesel, luận

án Tiến sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự.

[9]. Trương Vĩnh, Nghiên cứu qui trình công nghệ sản xuất biodiesel từ vi tảo của

Việt Nam, mã Số: B2008 – 12 – 66, báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công

nghệ cấp bộ, Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, 2012.

[10]. Trần Thanh Hải Tùng, Lê Anh Tuấn, Phạm Minh Tuấn, nghiên cứu sử dụng

nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 21 – 01/2010.

124

TIẾNG ANH

[11]. A.M. Liaquat, H.H. Masjuki, M.A. Kalam, Effect of coconut biodiesel blended

fuels on engine performance and emission characteristics, Procedia Engineering

56 ( 2013 ) 583 – 590, elsevier.

[12]. Ahmad Syukri Bin Ahmad Tajuddin, Influences Of Preheat Biodiesel Fuel On

Performance And Emissions Characteristic Of Diesel Engine, 2015, A thesis

submitted for the degree of Doctor of Philosophy, Faculty of Mechanical and

Manufacturing Engineering Universiti Tun Hussein Onn Malaysia.

[13]. Alan C. Hansen, Jinlin Xuea, Tony E. Grift, Effect of biodiesel on engine

performances and emissions, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15

(2011) 1098–1116.

[14]. Breda Kegl , Marko Kegl , Stanislav Pehan, Green Diesel Engines, Springer

Science & Business Media , 19; 10, 2013.

[15]. BBI Biofuels International – Canada, Biodiesel Blending Guild, 2008, 701 – 30

Duke St. W.Kitchener, ON, N2H 3W5.

[16]. Claudia A. Pisac, An Experimental Study of Combustion Characteristics of Fatty

Acid Methyl Ester Biodiesel, 2014,Submitted to the University of Hertfordshire

in partial fulfilment of the requirements of the degree of Doctor of Philosophy.

[17]. Ekrem Buyukkaya, Effects of biodiesel on a DI diesel engine performance,

emission and combustion characteristics, Fuel vol. 89, pp 3099-3105, 2010.

[18]. Gisela Montero and Margarita Stoytcheva, Biodiesel - Quality, Emissions and

By-Products ISBN 978-953-307-784-0, 392 pages, Publisher: Intech, chapters

published November 16, 2011 under CC BY 3.0 license.

[19]. Gowthaman Vijayan, Enzymatic Transesterification Of Fish Oil For The

Production Of Biodiesel, 2013, A thesis submitted for the degree of Doctor of

Philosophy Dalhousie University Halifax, Nova Scotia. Open Access JPEE 9.

[20]. Hasan A. M. Ali, Vehicle and Engine Biodiesel Investigations, 2011, A thesis

submitted for the degree of Doctor of Philosophy University of Bath.

[21]. Haiying Li, 2013, CFD Modelling Study of Sprays and Combustion of Gasoline

and Dmf In Direct Injection Gasoline Engines, A thesis of Doctor of Philosophy,

University of Birmingham Research Archive.

125

[22]. Heywood, J.B, 1998, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill,

Singapore.

[23]. IEA - International Energy Agency, 2011, Technology Roadmap, Biofuel for

Transport. OECD/IEA, Paris.

[24]. Jintana Nina Phanthanousy, Creating Standards Compliant Biodiesel Production

Capability Using Waste Peanut Oil at Embry-Riddle Aeronautical niversity,

2013, A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy, Embry-Riddle

Aeronautical University.

[25]. Jedidah W. Maina, Ayub N. Gitau, Diesel Engine Emissions and Performance

Characteristics under Cape Chestnut Biofuel, Journal of Power and Energy

Engineering, 2013, 1, 9-14.

[26]. Jeffrey Rissman and Hallie Kennan, March 2013, Advanced Diesel Internal

Combustion Engines, American Energy Innovation Council.

[27]. Kandasamy Muralidharan and Palanisamy Govindarajan, The Effect of Bio-Fuel

Blends and Fuel Injection Pressure on Diesel Engine Emission for Sustainable

Environment, American Journal of Environmental Sciences 7 (4): 377-382, 2011

ISSN 1553-345X, © 2011 Science Publications.

[28]. K. Mollenhauer, H. Tschoeke, 2010, Handbook of Diesel Engines, DOI

10.1007/978-3-540-89083-6, Springer - Verlag Berlin Heidelberg.

[29]. Kong, S, Z.Han, R.D.Reitz, 1994, The Development and Application of a Diesel

Ignition and Combustion Model for Multidimensional Engine Simulation. SAE

paper 950278.

[30]. Kazakov, A., and D.E.Foster, 1998, Modeling of Soot Formation During DI Diesel Combustion Using a Multi - Step Phenomenological Model, SAE paper No. 98246. [31]. Łukasz Łabęcki, Combustion And Emission Characteristics Of Biofuels In

Diesel Engines, 2010, A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy,

School of Engineering and Design Brunel University United Kingdom.

[32]. Massling, A., Nøjgaard, J. K., Wåhlin, P., Jensen, B., Hemmersam, A. G.,

Raahede, C, A (2008), laboratory emission study on biodiesel fuelled low duty

engines, Energy and Fuels 20, 1418-1424.

126

[33]. Magı´n Lapuerta_, Octavio Armas, Jose´ Rodrı´guez-Ferna´ ndez, Effect of

biodiesel fuels on diesel engine emissions, Progress in Energy and Combustion

Science 34 (2008) 198–223, elsevier.

[34]. Mukesh Kumar, Onkar Singh, Study of Biodiesel As A Fuel For Ci Engines And

Its Environmental Effects: A Research Review, International Journal of

Advances in Engineering & Technology, Jan. 2013. ©IJAET ISSN: 2231-1963.

[35]. Md. Mostafuur Rahman, Influences of biodiesel chemical compositions and

physical properties on engine exhaust particle emissions, 2015, A thesis by

publication submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree of

Doctor of Philosophy, Queensland University of Technology (QUT).

[36]. M. Canakci, j. H. Van gerpen, comparison of engine performance and emissions

for petroleum diesel fuel, yellow grease biodiesel, and soybean oil biodiesel,

2013 american society of agricultural engineers issn 0001–2351.

[37]. Naber J.D, Siebers D.L, 1996, Effects of Gas Density and Vaporization on

Penetration and Dispersion of Diesel Sprays, SAE Paper 960034.

[38]. RolfD. ReitZ, 2005, Comparison of Three Soot Models Applied to Multi-

Dimensional Diesel Combustion Simulation, JSME International Journal, Series

B.24.

[39]. S.S. Wirawan, A.H. Tambunan, M. Djamin, and H. Nabetani. The Effect of Palm

Biodiesel Fuel on the Performance and Emission of the Automotive Diesel

Engine. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal. Manuscript

EE 07 005. Vol. X. April, 2008.

[40]. S Sinha, A K Agarwal, Experimental investigation of the combustion

characteristics of a biodiesel (rice-bran oil methyl ester)-fuelled direct-injection

transportation diesel engine, Engineers, Part D: Journal of Automobile

Engineering, First Published August 1, 2017.

[41]. Tuan Anh Pham, Ngoc Dung Nguyen, Hong Hai Nguyen, Quoc Trinh Lam,

Akihiko AZETSU, Performance, Exhaust Gas Emission and Combustion

Characteristics of DI Diesel Engine Fueled with Rubber Seed Oil Methyl Ester,

The 3rd ASEAN Smart Grid Congress The 5th International Conference on

Sustainable Energy, Viet Nam National University Ho Chi Minh City, Vietnam

2017.

127

[42]. U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information,

(2008), Biodiesel Handling and Use Guide (Fourth Edition).

[43]. USV Prasad, K.Madhu Murthy, and G.Amba Prasad Rao, Influence of Fuel

Injection Parameters of DI Diesel Engine Fuelled With Biodiesel and Diesel

Blends, International Conference on Mechanical, Automobile and Robotics

Engineering (ICMAR'2012) Penang. Malaysia.

[44]. Vern Hofman, Dennis Wiesenborn, professor, Michael Rosendahl and Jason

Webster,(2006), Biodiesel Use In Engines, NDSU North Dakota State

University.

[45]. Xiangang Wang , Zuohua Huang , Olawole Abiola Kuti , Wu Zhang, Keiya

Nishida, An experimental investigation on spray, ignition and combustion

characteristics of biodiesels, Proceedings of the Combustion Institute, 2011

elsevier.

[46]. Yuya ozawa, yusuke soma, the application of coconut – oil methyl ester for

diesel engine, international journal of automotive engineering 2 (2011) 95-100.

[47]. Yonwaba Sinuka, Performance Testing Of A Diesel Engine Running On Varying

Blends Of Jatropha Oil, Waste Cooking Oil And Diesel Fuel, 2016 Degree of

Doctor of Philosophy, Mechanical Engineering, Renewable Energy in the

Faculty of Engineering at the Cape Peninsula University of Technology.

WEBSITE

[48]. https://vnexpress.net/tin-tuc/khoa-hoc/bien-mo-ca-thanh-dau-biodiesel-

2059548.html.

[49]. https://energy.gov/eere/bioenergy.

[50]. http://nangluongvietnam.vn/news/vn/dien-hat-nhan-nang-luong-tai-tao/nang-

luong-tai-tao/ biodiesel.html.

[51]. http://dongcothuy.com/san-pham/dong-co-dung-cho-tau-thuyen.html.

[52]. http://www.sbmar.com/cummins-marine-diesel-engines.php.

[53]. http://www.yanmar.eu.

[54]. http//www.ioop.org.vn/vn/NCTK/Thanh-Tuu-Cua-Vien/Ban-Tin-Khoa-Hoc-

Cong- ghe/Tinh-Hinh-San-Xuat.

128