- 1 -
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Có thể nói rằng việc tìm kiếm, nghiên cứu sử dụng các dạng nhiên
liệu sinh học thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang cạn kiệt
dần để đảm bảo tăng trưởng kinh tế và bảo vệ môi trường đã trở nên bức
thiết hơn bao giờ hết, đã và đang trở thành chính sách hàng đầu trong
chiến lược phát triển kinh tế của mọi quốc gia. Vì vậy việc tìm ra nguồn
năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều
rất quan trọng và cần thiết. Do nhiên liệu biodiesel có sự khác biệt về
tính chất hóa-lý và đặc tính cháy so với nhiên liệu diesel truyền thống
nên sẽ tác động đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy và các chỉ
tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel. Chính vì vậy,
trong giới hạn nghiên cứu ở Việt Nam, thấy rằng việc “Nghiên cứu quá
trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong” mang tính
cấp thiết trong bối cảnh hiện nay, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá được các đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel
có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel; Đánh giá được ảnh
hưởng của tỷ lệ biodiesel thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát
thải cũng như thông số vận hành của động cơ diesel; Đưa ra khuyến cáo
sử dụng biodiesel cho động cơ diesel hoạt động đạt hiệu quả nhất và
nâng cao công năng sử dụng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Động cơ diesel Mazda WL-Turbo 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, buồng
cháy phụ (hình trụ nối chỏm cầu) được lắp trên ô tô Mazda 2500 và Ford
Ranger, được sử dụng tương đối phổ biến trong giao thông đường bộ tại
Việt Nam.
- Hỗn hợp nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu hạt cao su có tỷ lệ pha
trộn 15%, 20%, 25%, 30% (B15, B20, B25, B30) và DO (diesel truyền
thống).
Phạm vi nghiên cứu:
- Về lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về quá trình cháy và phân tích các
mô hình toán để ứng dụng trong mô phỏng khi sử dụng phần mềm mô
phỏng ANSYS FLUENT. Trong mô phỏng, chỉ mô phỏng ở một số chế
độ tải và số vòng quay động cơ diesel thường sử dụng cụ thể là: Chế độ
tải 25%, 50%, 75% tương ứng với mức tải nhỏ, tải trung bình, tải lớn tại
số vòng quay 1500 v/ph và 2250 v/ph.
- 2 -
- Về thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel Mazda
WL ở chế độ tải 25%, 50%, 75% tương ứng với số vòng quay từ 1000
v/ph đến 3000 v/ph. Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ Mazda
WL với các loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) và biodiesel ở chế
độ 75% tải và số vòng quay 2250 v/ph.
4. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính chất và đặc điểm quá trình cháy
của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel. Nghiên cứu lựa chọn các
mô hình toán trong phần mềm mô phỏng. Nghiên cứu mô phỏng quá
trình cháy động cơ diesel sử dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao
su trên phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT.
Thực nghiệm trên băng thử công suất động cơ, đo diễn biến áp suất
trong buồng cháy động cơ từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiên
liệu diesel sinh học đến đặc tính cháy, đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát
thải của động cơ diesel. Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ
Mazda WL với các loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) và biodiesel
nhằm quan sát đánh giá đặc tính cháy.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng với
nghiên cứu thực nghiệm.
6. Tên đề tài
“Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt
trong”
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xác định được các yếu tố cơ bản nhất
của quá trình cháy từ dữ liệu diễn biến áp suất buồng cháy. Luận án đã
xây dựng được các mối quan hệ giữa các thông số vận hành. Đây là các
đường đặc tính cơ sở nhằm hỗ trợ cho việc nâng cao tỷ lệ diesel sinh học
trên thực tế.
Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã cung cấp các dữ liệu cụ thể từ kết quả
nghiên cứu để đưa ra những định hướng khoa học khi sử dụng nhiên liệu
biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su làm nhiên liệu thay thế các
động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu của
luận án là cơ sở khoa học góp phần xây dựng các tiêu chuẩn về nhiên
liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su.
8. Bố cục của luận án
Luận án được kết cấu gồm các nội dung chính như sau: Mở đầu;
Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Cơ sở lý thuyết; Chương 3: Nghiên
- 3 -
cứu thực nghiệm; Chương 4: Kết quả và thảo luận; Kết luận và hướng
phát triển.
9. Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án
1- Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ
diesel Mazda WL trên phần mềm ANSYS FLUENT. Thông qua mô
hình đã xây dựng có thể phân tích, đánh giá được đặc trưng quá trình
cháy nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong, đồng thời cũng là cơ
sở để giải thích, định hướng và đánh giá kết quả thực nghiệm.
2- Bằng mô phỏng luận án đã dự báo được sự thay đổi các thông số
đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel về
mặt qui luật. Đồng thời, cũng đã chỉ ra hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy
khi mô phỏng trong ANSYS FLUENT đối với nhiên liệu biodiesel có tỷ
lệ từ B15 đến B30 cụ thể như sau:
Áp dụng mô hình cháy chính của J. Abraham cần hiệu chỉnh các
thông số đối với tốc độ tỏa nhiệt: hệ số giãn dòng C’d=1,38Cd; hệ số số
mũ đặc trưng cho tốc độ cháy a’=0,86a; thông số dạng cháy m’= 1,14m.
Áp dụng mô hình Shell để tính toán thời gian cháy trễ được đề xuất
bởi Kong và Reitz, thay đổi thời gian cháy trễ Af4 từ mô hình cháy trễ
quan hệ theo phương trình
44
x4 y4
4 f f 2
f A exp E / RT O RH
. Hệ số hiệu
chỉnh quá trình cháy Ef4 của nhiên liệu biodiesel do ảnh hưởng của số
cetane khi mô phỏng là 𝐸𝑓4
∗= 3,0𝑒4 75
𝐶𝑁+25 .
3- Bằng thực nghiệm luận án đã chỉ ra được đặc trưng quá trình cháy
của nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong động cơ
diesel Mazda WL với các tỷ lệ phối trộn B15, B20, B25. B30 và đánh
giá được ảnh hưởng của tính chất, tỷ lệ pha trộn đến các chỉ tiêu kinh tế,
kỹ thuật, phát thải cũng như thông số vận hành của động cơ diesel. Kết
quả thực nghiệm nội soi buồng cháy chỉ ra rằng đặc điểm diễn biến quá
trình cháy của biodiesel tương đồng so với nhiên liệu diesel. Kết quả này
hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm
trong luận án.
10. Hạn chế của luận án
Luận án chưa nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu
đến tính năng động cơ diesel khi sử dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu
hạt cao su.
Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel
1.1.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học
- 4 -
Nhiên liệu sinh học (NLSH) gồm 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.
1.1.2. Giới thiệu chung về biodiesel
1.1.2.1. Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel
Nguồn biodiesel được sản xuất từ rất nhiều dạng khác nhau, có thể
tổng hợp một số nguyên liệu chính như: Dầu thực vật, Mỡ động vật, Dầu
phế thải từ các nhà máy chế biến dầu, mỡ và tảo.
1.1.2.2. Phương pháp tổng hợp biodiesel
Đã có bốn phương pháp tổng hợp biodiesel được nghiên cứu để giải
quyết vấn đề độ nhớt cao đó là: sự pha loãng, nhiệt phân, cracking xúc
tác và chuyển hóa este dầu thực vật [11].
1.1.2.3. So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng
1.1.2.4. Tiêu chuẩn chất lượng đối với biodiesel
1.2. Tổng quan về biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su
1.2.1. Đặc điểm chung của cây cao su và dầu hạt cao su
Theo hiệp hội cao su Việt Nam thì diện tích và sản lượng cây cao su tại
Việt Nam được thống kê sơ bộ đến năm 2015 có 1 triệu ha [113].
Hình 1.1: Hình ảnh cây, quả và dầu hạt cao su
1.2.2. Đặc điểm về tính chất hóa học của dầu hạt cao su
Bảng 1.3: Thành phần phần trăm hoá học của nhân hạt cao su [3]
% Chất khô
91,50%
Protein thô
71,70%
Chất béo
39%
Cellulose
2,80%
Tro
31%
Chất chiết Nitơ tự do
25,90%
C18H32O2
37,6%
C21H36O2
16,98%
C19H38O2
9,56%
C17H34O2
9,09%
C21H40O2
0,2%
1.2.3. Đặc điểm về tính chất vật lý của dầu hạt cao su
- 5 -
Bảng 1.4: Một số tính chất hoá lý của dầu hạt cao su [7], [15]
Tính chất
Giá trị
Tỷ trọng (25oC)
0,943
Độ nhớt, cSt
66
Hàm lượng chất không xà phòng
1,20%
Chỉ số xà phòng hoá, mg KOH/g
192,016÷226,12
Chỉ số axit, mg KOH/g
32,02÷37,69
Chỉ số peroxide, mEq/1000g dầu
10,4
Chỉ số iod, g I2/100g
142,45÷144,231
Điểm chớp cháy, oC min
218,5oC
Điểm cháy, oC min
347,4oC
Chỉ số khúc xạ
1,4709
Nhiệt trị, MJ/kg
37,5
1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel
1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới
Tại Ấn Độ phát triển biodiesel quy mô công nghiệp bắt đầu thực
hiện từ năm 2003. Các nước sản xuất nhiều diesel sinh học ở Đông
Nam Á là Malaysia, Indonexia và Thái Lan [95].
Hình 1.4: Sản lượng diesel sinh học ở châu Âu [112]
1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel tại Việt Nam
Hiện nay, tại đồng bằng sông Cửu Long có 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).
1.4. Ảnh hƣởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy
1.4.1. Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ diesel
Mô hình cháy khuếch tán và rối là mô hình cơ sở để nghiên cứu quá
trình cháy trong động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biodiesel [5].
1.4.2. Ảnh hưởng của tính chất biodiesel đến quá trình cháy
Các tính chất của nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo
hỗn hợp và quá trình cháy bao gồm: tỷ trọng, độ nhớt động học, sức
căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu, nhiệt trị thấp, trị số cetane, tỷ lệ
C:H:O, hàm lượng lưu huỳnh.