-1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Có thể nói việc tìm kiếm, nghiên cứu sử dụng dạng nhiên liệu sinh học thay nhiên liệu hóa thạch truyền thống cạn kiệt dần để đảm bảo tăng trưởng kinh tế bảo vệ môi trường trở nên thiết hết, trở thành sách hàng đầu chiến lược phát triển kinh tế quốc gia Vì việc tìm nguồn lượng có khả tái tạo thân thiện với môi trường điều quan trọng cần thiết Do nhiên liệu biodiesel có khác biệt tính chất hóa-lý đặc tính cháy so với nhiên liệu diesel truyền thống nên tác động đến thông số đặc trưng trình cháy tiêu kinh tế, lượng, mơi trường động diesel Chính vậy, giới hạn nghiên cứu Việt Nam, thấy việc “Nghiên cứu trình cháy nhiên liệu biodiesel động đốt trong” mang tính cấp thiết bối cảnh nay, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá đặc trưng q trình cháy nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su động diesel; Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel thay đến tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải thông số vận hành động diesel; Đưa khuyến cáo sử dụng biodiesel cho động diesel hoạt động đạt hiệu nâng cao công sử dụng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: - Động diesel Mazda WL-Turbo kỳ, xylanh thẳng hàng, buồng cháy phụ (hình trụ nối chỏm cầu) lắp ô tô Mazda 2500 Ford Ranger, sử dụng tương đối phổ biến giao thông đường 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) DO (diesel truyền thống)  Phạm vi nghiên cứu: - Về lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết trình cháy phân tích mơ hình tốn để ứng dụng mô sử dụng phần mềm mô ANSYS FLUENT Trong mô phỏng, mô số chế độ tải số vòng quay động diesel thường sử dụng cụ thể là: Chế độ tải 25%, 50%, 75% tương ứng với mức tải nhỏ, tải trung bình, tải lớn số vòng quay 1500 v/ph 2250 v/ph -2- - Về thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm động diesel Mazda WL 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 Mazda WL với loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) biodiesel chế độ 75% tải số vòng quay 2250 v/ph Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu sở lý thuyết tính chất đặc điểm q trình cháy nhiên liệu biodiesel động diesel Nghiên cứu lựa chọn mơ hình tốn phần mềm mơ Nghiên cứu mơ q trình cháy động diesel sử dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su phần mềm mô ANSYS FLUENT Thực nghiệm băng thử công suất động cơ, đo diễn biến áp suất buồng cháy động từ phân tích đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu diesel sinh học đến đặc tính cháy, đặc tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel Thực nghiệm nội soi buồng cháy động Mazda WL với loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) biodiesel nhằm quan sát đánh giá đặc tính cháy Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án kết hợp chặt chẽ nghiên cứu lý thuyết, mô với nghiên cứu thực nghiệm Tên đề tài “Nghiên cứu trình cháy nhiên liệu biodiesel động đốt trong” Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Luận án xác định yếu tố trình cháy từ liệu diễn biến áp suất buồng cháy Luận án xây dựng mối quan hệ thông số vận hành Đây đường đặc tính sở nhằm hỗ trợ cho việc nâng cao tỷ lệ diesel sinh học thực tế Ý nghĩa thực tiễn: Luận án cung cấp liệu cụ thể từ kết nghiên cứu để đưa định hướng khoa học sử dụng nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su làm nhiên liệu thay động diesel lưu hành Việt Nam Các kết nghiên cứu luận án sở khoa học góp phần xây dựng tiêu chuẩn nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su Bố cục luận án Luận án kết cấu gồm nội dung sau: Mở đầu; Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Cơ sở lý thuyết; Chương 3: Nghiên -3- cứu thực nghiệm; Chương 4: Kết thảo luận; Kết luận hướng phát triển Những đóng góp mặt khoa học luận án 1- Luận án xây dựng thành cơng mơ hình mơ động diesel Mazda WL phần mềm ANSYS FLUENT Thông qua mơ hình xây dựng phân tích, đánh giá đặc trưng trình cháy nhiên liệu biodiesel động đốt trong, đồng thời sở để giải thích, định hướng đánh giá kết thực nghiệm 2- Bằng mô luận án dự báo thay đổi thông số đặc trưng trình cháy nhiên liệu biodiesel động diesel mặt qui luật Đồng thời, hệ số hiệu chỉnh trình cháy mô ANSYS FLUENT nhiên liệu biodiesel có tỷ lệ từ B15 đến B30 cụ thể sau:  Áp dụng mơ hình cháy J Abraham cần hiệu chỉnh thông số 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 mơ hình Shell để tính tốn thời gian cháy trễ đề xuất Kong Reitz, thay đổi thời gian cháy trễ Af4 từ mơ hình cháy trễ quan hệ theo phương trình f  A exp  E / RT  O x  RHy4 Hệ số hiệu f4 f4 chỉnh trình cháy Ef4 nhiên liệu biodiesel ảnh hưởng số 75 ∗ cetane mô 𝐸𝑓4 = 3,0𝑒 𝐶𝑁+25 3- Bằng thực nghiệm luận án đặc trưng trình cháy nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su động diesel Mazda WL với tỷ lệ phối trộn B15, B20, B25 B30 đánh giá ảnh hưởng tính chất, tỷ lệ pha trộn đến tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải thông số vận hành động diesel Kết thực nghiệm nội soi buồng cháy đặc điểm diễn biến trình cháy biodiesel tương đồng so với nhiên liệu diesel Kết hoàn toàn phù hợp với kết nghiên cứu mô thực nghiệm luận án 10 Hạn chế luận án Luận án chưa nghiên cứu ảnh hưởng quy luật cung cấp nhiên liệu đến tính động diesel sử dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nhiên liệu sinh học biodiesel 1.1.1 Giới thiệu chung nhiên liệu sinh học -4- Nhiên liệu sinh học (NLSH) gồm có nhiều loại xăng sinh học (biogasoline), diesel sinh học (biodiesel) khí sinh học (biogas) - loại khí tạo thành phân hủy yếm khí chất thải nơng nghiệp, chăn ni lâm nghiệp 1.1.2 Giới thiệu chung biodiesel 1.1.2.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel Nguồn biodiesel sản xuất từ nhiều dạng khác nhau, tổng hợp số nguyên liệu như: Dầu thực vật, Mỡ động vật, Dầu phế thải từ nhà máy chế biến dầu, mỡ tảo 1.1.2.2 Phương pháp tổng hợp biodiesel Đã có bốn phương pháp tổng hợp biodiesel nghiên cứu để giải vấn đề độ nhớt cao là: pha loãng, nhiệt phân, cracking xúc tác chuyển hóa este dầu thực vật [11] 1.1.2.3 So sánh tính chất biodiesel diesel khống 1.1.2.4 Tiêu chuẩn chất lượng biodiesel 1.2 Tổng quan biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su 1.2.1 Đặc điểm chung cao su dầu hạt cao su Theo hiệp hội cao su Việt Nam diện tích sản lượng cao su Việt Nam thống kê sơ đến năm 2015 có triệu [113] Hình 1.1: Hình ảnh cây, dầu hạt cao su 1.2.2 Đặc điểm tính chất hóa học dầu hạt cao su Bảng 1.3: Thành phần phần trăm hoá học nhân hạt cao su [3] % Chất khô Protein thô Chất béo Cellulose Tro Chất chiết Nitơ tự C18H32O2 C21H36O2 C19H38O2 C17H34O2 C21H40O2 91,50% 71,70% 39% 2,80% 31% 25,90% 37,6% 16,98% 9,56% 9,09% 0,2% 1.2.3 Đặc điểm tính chất vật lý dầu hạt cao su -5- Bảng 1.4: Một số tính chất hoá lý dầu hạt cao su [7], [15] Tính chất Tỷ trọng (25oC) Độ nhớt, cSt Hàm lượng chất khơng xà phòng Chỉ số xà phòng hố, mg KOH/g Chỉ số axit, mg KOH/g Chỉ số peroxide, mEq/1000g dầu Chỉ số iod, g I2/100g Điểm chớp cháy, oC Điểm cháy, oC Chỉ số khúc xạ Nhiệt trị, MJ/kg Giá trị 0,943 66 1,20% 192,016÷226,12 32,02÷37,69 10,4 142,45÷144,231 218,5oC 347,4oC 1,4709 37,5 1.3 Tình hình sản xuất sử dụng biodiesel 1.3.1 Tình hình sản xuất sử dụng biodiesel giới Tại Ấn Độ phát triển biodiesel quy mô công nghiệp bắt đầu thực từ năm 2003 Các nước sản xuất nhiều diesel sinh học Đông Nam Á Malaysia, Indonexia Thái Lan [95] Hình 1.4: Sản lượng diesel sinh học châu Âu [112] 1.3.2 Tình hình sản xuất sử dụng biodiesel Việt Nam Hiện nay, đồng sơng Cửu Long có cơng ty Agifish - An Giang với công suất 10.000(tấn/năm); công ty Minh Tú - Cần Thơ với cơng suất 300(lít/giờ); cơng ty thương mại thủy sản Vĩnh Long với công suất 500.000 (tấn/năm) 1.4 Ảnh hƣởng nhiên liệu biodiesel đến trình cháy 1.4.1 Đặc điểm q trình cháy động diesel Mơ hình cháy khuếch tán rối mơ hình sở để nghiên cứu trình cháy động diesel sử dụng nhiên liệu biodiesel [5] 1.4.2 Ảnh hưởng tính chất biodiesel đến q trình cháy Các tính chất nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến trình tạo hỗn hợp trình cháy bao gồm: tỷ trọng, độ nhớt động học, sức căng mặt hạt nhiên liệu, nhiệt trị thấp, trị số cetane, tỷ lệ C:H:O, hàm lượng lưu huỳnh -6- Tóm lại: Khi chuyển sang sử dụng biodiesel, cần nghiên cứu, đánh giá cách lượng hóa tác động thay đổi đến trình cháy nhiên liệu tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel 1.4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn biodiesel Tóm lại: với cứ, phân tích trên, phạm vi nghiên cứu luận án, NCS tập trung vào nghiên cứu trình cháy nhiên liệu biodiesel với tỷ lệ pha trộn mức 15%, 20%, 25% 30% tương ứng với B15, B20, B25 B30 Điều phù hợp với “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu truyền thống” Chính phủ 1.5 Tình hình nghiên cứu trình cháy biodiesel 1.5.1 Trên giới 1.5.2 Tại Việt Nam Nhận xét: Hầu hết nghiên cứu giới diesel sinh học có kết luận chung tính chất nguồn gốc nhiên liệu biodiesel có ảnh hưởng định đến đặc tính phát thải động [36], [41], [42], [46], [56], [76], [77], [89], [93], [101], [102] Một số nghiên cứu khác tập trung vào mơ so sánh với thực nghiệm tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải [26], [73], [79], [88], [94] Các nghiên cứu giới trình cháy nhiên liệu biodiesel [30], [40], [47], [51], [87], [96], [106] Tuy nhiên, nghiên cứu thường tập trung vào biodiesel có nguồn gốc từ ưu nguồn cung khả tái tạo đất nước họ Chưa có đề tài nghiên cứu q trình cháy động diesel sử dụng nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su với tỷ lệ B15, B20, B25 B30 so sánh với diesel khống sản (DO) Chính vậy, nghiên cứu q trình cháy nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su động diesel mang tính cấp thiết, phù hợp với điều kiện Việt Nam 1.6 Kết luận chƣơng  Việc nghiên cứu đặc trưng trình cháy kết hợp quan sát diễn biến trình cháy nhiên liệu biodiesel động diesel chưa nghiên cứu đầy đủ chuyên sâu Nhưng lại hướng nghiên cứu quan trọng ứng dụng biodiesel thay cho diesel truyền thống sử dụng cho động diesel  Luận án tập trung nghiên cứu trình cháy nhiên liệu biodiesel: Tỷ lệ pha trộn biodiesel B15, B20, B25, B30 có nguồn gốc từ dầu hạt cao su Động diesel Mazda WL-Turbo kỳ, xylanh thẳng -7- hàng, buồng cháy ngăn cách Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình cháy hỗn hợp khuếch tán khơng hòa trộn trƣớc 2.1.1 Mơ hình rối Trong mơ hình rối k   , phương trình xây dựng sau: Theo giả thiết độ nhớt rối Boussinesq [5], ta có:  u u j    (2.1)    k   ui    u 'u '    i  i j t  x  j xi   i xi  ij 2.1.2 Hệ phương trình tổng qt biểu diễn tia phun rối Nhằm mơ hình hóa trình cung cấp nhiên liệu cho động diesel, phần mềm mô biểu diễn tia phun rối phương trình liên tục sau [5]; Phương trình liên tục; Phương trình bảo tồn động lượng; Phương trình bảo tồn Enthalpie tồn phần; Phương trình bảo tồn phần tử; Phương trình động rối k; Phương trình tốc độ tiêu tán động rối : 2.1.3 Mơ hình cháy J Abraham Xét biến thiên chất như: O2, N2, CO2, CO, H2, H20 trình cháy theo thời gian J Abraham [64] tính tốn nhiệt độ thấp nhiệt độ cao xác định theo phương trình: dm   *m (2.11)  m dt c 2.1.4 Mơ hình cháy trễ Kong Reitz - Mơ hình cháy trễ Shell Kong Reitz [69] tính tốn thời gian cháy trễ gồm tám phản ứng chất Xác định hệ số tốc độ hình thành chất theo phương trình 2.1.5 Đại lượng bảo toàn Đại lượng bảo toàn đại lượng không tự sinh không tự q trình cháy mà dựa vào tính tốn thống số nhiệt hóa học hỗn hợp 2.1.6 Tốc độ màng lửa rối 2.1.7 Tính tốn nhiệt độ 2.1.8 Tính tốn đại lượng trung bình 2.1.9 Mơ hình hình thành bồ hóng Theo Magnussen, bồ hóng (Soot) hình thành q trình cháy hydrocarbure tiến hành qua hai giai đoạn, việc hình thành nhân sở giai đoạn sau việc hình thành bồ hóng từ nhân Tốc độ sản sinh nhân sở tính theo biểu thức [75] -8- Rn.f = n0+ (fb – g).n – g0 n.N (hạt/m3/s) (2.55) 2.1.10 Mơ hình hình thành NOx Sự hình thành NO mô tả thông qua chế Y.B.Zeldovich: Quá trình hình thành chúng thể qua phương trình phản ứng theo chế Zeldovich trình bày bảng 2.3 [108] 2.1.11 Mơ hình phát thải HC Tốc độ hình thành HC tính theo phương trình sau [72]: 𝑑 𝐻𝐶 = −𝐶𝐻𝐶 𝐴𝐻𝐶 𝑒 −𝐸𝐻𝐶 /𝑅𝑇𝑔𝑤 𝐻𝐶 𝑎 𝑂2 𝑏 (2.73) 𝑑𝑡 2.1.12 Mơ hình phát thải CO Tốc độ tạo thành CO tính theo công thức [104]: 𝑑 𝐶𝑂 𝐶𝑂 = (𝑅1 + 𝑅2 ) − 𝐶𝑂 (2.74) 𝑑𝑡 𝑒 2.2 Tính tốn mơ q trình cháy biodiesel động 2.2.1 Các phần mềm dùng nghiên cứu mô động 2.2.2 Giới thiệu mô CFD phần mềm ANSYS FLUENT 2.2.3 Mục tiêu, đối tượng phạm vi mô Kết mô nhằm dự đốn đặc tính cháy, tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động Làm sở cho việc đánh giá kết thực nghiệm động thực Đối tượng nghiên cứu mô phỏng: động Mazda WL-Turbo kỳ, xylanh thẳng hàng Các thông số kỹ thuật động Mazda WL trình bày bảng 2.4 Bảng 2.4: Các thơng số động Mazda WL-Turbo Tên thông số Công suất cực đại 3500 (v/ph) Tỉ số nén Mơmen cực đại 2000(v/ph) Đường kính xylanh Chiều dài truyền Hành trình pít tơng Dung tích Số xylanh Số kỳ Góc phun sớm trước ĐCT Góc mở sớm xupáp nạp Góc đóng muộn xupáp nạp Góc mở sớm xupáp thải Góc đóng muộn xupáp thải Áp suất nhiên liệu bắt đầu phun Ký hiệu Ne ε Me D L S V i τ  1 2 3 4 Thứ nguyên kW Nm mm mm mm cm3 O TK TK O TK O TK O TK bar O Giá trị 80 19,8:1 266 93 152 92 2499 4 10 10 44 51 114÷121 2.2.4 Xây dựng mơ hình hình học buồng cháy rời rạc hóa mơ hình -9- Hình 2.3: Chia lưới buồng cháy động Mazda WL- Turbo 2.2.5 Cài đặt thông số mơ hình Bảng 2.5: So sánh số tính chất B15, B20, B25 B30 với diesel Chỉ tiêu,đơn vị tính Phƣơng pháp thử Hàm lượng lưu huỳnh TCVN 6701:2000 (ASTM mg/kg D5453) Nhiệt trị kJ/kg ASTM D240 - 06 Nhiệt độ chớp cháy cốc TCVN 6608:2000 (ASTM kín, oC D93) Độ nhớt động học TCVN 3171:2003 (ASTM o 40 C, cSt D445) TCVN 3753:1995 (ASTM Điểm đông đặc, oC D97) Nước tạp chất học, ASTM D2709 – 06 %thể tích Tạp chất dạng hạt, mg/l ASTM D2276 –06 Ăn mòn mảnh đồng TCVN 2694:2000 (ASTM o 50 C/3giờ D130) Khối lượng riêng 15oC, TCVN 6594:2000 (ASTM kg/m3 D1298) Trị số Cetane ASTM D 6751 Diesel B15 B20 B25 B30 500 295 238 238 217 43738 38730 37500 55 68 72,0 74,0 74,0 3,070 3,310 3,990 4,693 4,693 +6 -6 -6 -9 -9