Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp dầu thực vật diesel đến phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy và tính năng của động cơ diesel tàu thủy

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NCS NGUYỄN ĐỨC HẠNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN PHUN NHIÊN LIỆU, TẠO HỖN HỢP, CHÁY VÀ TÍNH NĂNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHỊNG – NĂM 2020 BỘ GIAO THƠNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NCS NGUYỄN ĐỨC HẠNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN PHUN NHIÊN LIỆU, TẠO HỖN HỢP, CHÁY VÀ TÍNH NĂNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ: 95.20.116 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ TÀU THỦY Người hướng dẫn khoa học: PGS, TSKH Đặng Văn Uy PGS TS Nguyễn Đại An HẢI PHỊNG – NĂM 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan Luận án cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu trích dẫn ghi quy định Tác giả luận án Nguyễn Đức Hạnh i LỜI CÁM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau Đại học, Khoa Máy tàu biển – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ suốt trình làm luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới tập thể người hướng dẫn khoa học là: PGS TSKH Đặng Văn Uy PGS TS Nguyễn Đại An hướng dẫn khoa học nghiêm túc đồng ý cho phép sử dụng phần kết Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học hỗn hợp dầu thực vật dầu diesel cho động diesel tàu thủy”, mã số ĐT.04.11/NLSH - Thuộc Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Bộ Cơng thương để nghiên cứu sinh hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Trung tâm thí nghiệm hệ động lực - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu thực nghiệm hoàn thành phần thực nghiệm luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy, nhà khoa học thuộc Trường Câu lạc Cơ khí động lực đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho nghiên cứu sinh q trình thực hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất bạn bè, đồng nghiệp người thân gia đình động viên giúp đỡ nhiều trình thực luận án Nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Hạnh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CÁM ƠN ii MỞ ĐẦU LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CÁC ĐIỂM ĐÓNG GÓP MỚI KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG TỔNG QUAN .7 1.1 Hệ thống nhiên liệu động diesel tàu thủy 1.1.1 Phân loại hệ thống nhiên liệu động diesel tàu thủy .8 1.1.1.1 Hệ thống nhiên liệu nhẹ (DO) 1.1.1.2 Hệ thống nhiên liệu nặng (HFO FO) 1.1.2 Hệ thống phun nhiên liệu động diesel tàu thủy 10 1.1.2.1 Yêu cầu hệ thống phun nhiên liệu cho động diesel tàu thủy 10 1.1.2.2 Vòi phun 11 1.2 Xu ứng dụng giải pháp nhằm cải thiện tiêu kinh tế môi trường động diesel tàu thủy 13 1.3 Những qui định pháp lý Quốc tế phát thải khí NOx động diesel tàu thủy 15 1.4 Nhiên liệu sinh học xu hướng ứng dụng cho động diesel tàu thủy .16 1.4.1 Nhiên liệu sinh học dùng cho động diesel .16 1.4.2 Nhiên liệu sinh học dùng nghiên cứu luận án .17 1.4.3 Ưu, nhược điểm nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel dùng cho động diesel tàu thủy so với hỗn hợp biodiesel - diesel .18 1.4.4 Những qui định Việt Nam phát triển NLSH .21 1.5 Tổng quan cơng trình khoa học nước liên quan luận án 22 1.5.1 Các nghiên cứu giới .22 1.5.2 Các nghiên cứu Việt Nam 24 iii 1.6 Những thông số ảnh hưởng đến chất lượng trình phun tạo hỗn hợp-cháy hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel động diesel tàu thủy .27 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY VÀ GIẢI PHÁP HIỆU CHỈNH NHẰM ĐẠT CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG, KINH TẾ 31 2.1 Các đặc tính phun nhiên liệu 32 2.1.1 Đặc tính vĩ mơ 33 2.1.1.1 Chiều dài tia phun 33 2.1.1.2 Góc nón tia phun 35 2.1.1.3 Chiều dài phân rã sơ cấp 36 2.1.2 Đặc tính vi mơ 38 2.2 Ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến q trình phun 41 2.2.1 Ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến thời điểm phun .41 2.2.2 Ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến thời gian cháy trễ 44 2.2.3 Ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến áp suất phun 45 2.2.4 Ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến lưu lượng phun .47 2.3 Ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến phát thải NOx 48 2.4 Lựa chọn mơ hình tốn xác định ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến chất lượng phun 49 2.5 Cơ sở lý thuyết CFD mô phỏng, đánh giá trình phun, tạo hỗn hợp cháy động diesel tàu thủy 50 2.6 Cơ sở lý thuyết để hiệu chỉnh HTPNL sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - diesel nhằm đạt tiêu kinh tế môi trường 55 2.7 Kết luận chương 61 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY .62 3.1 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp đến đặc tính tia phun nhiên liệu 63 3.1.1 Các thông số kĩ thuật cần thiết để tính tốn 63 3.1.2 Kết tính tốn đặc tính tia phun 66 3.1.2.1 Kết tính tốn đặc tính vĩ mô tia phun 66 3.1.2.2 Kết tính tốn đặc tính vi mơ tia phun 67 3.1.2.3 So sánh, đánh giá đặc tính tia phun loại nhiên liệu 68 iv 3.1.3 Các kết tính tốn ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp đến thời điểm phun thời gian cháy trễ 70 3.1.3.1 Các thông số đầu vào điều kiện ban đầu 70 3.1.3.2 Các kết thu q trình tính tốn .71 3.1.4 Kết tính toán ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp đến lưu lượng phun 72 3.1.5 Một số nhận xét 73 3.2 Mơ q trình phun nhiên liệu vào động diesel tàu thủy .74 3.2.1 Tính tốn mô phần mềm Ansys Fluent .74 3.2.1.1 Đặt điều kiện biên 74 3.2.1.2 Xây dựng mơ hình nghiên cứu chia lưới khơng gian tính tốn 75 3.2.2 Kết tính tốn mơ 77 3.2.2.1 Trường phân bố áp suất trình phun nhiên liệu 77 3.2.2.2 Trường phân bố vận tốc biểu diễn theo đường đồng mức 79 3.2.2.3 Trường phân bố vận tốc theo đường dòng chùm 10 lỗ phun 80 3.2.2.4 Trường phân bố vận tốc biểu diễn theo đường dòng lỗ phun .81 3.2.2.5 Trường phân bố vận tốc biểu diễn theo véc tơ 82 3.2.2.6 Trường phân bố lượng động rối 84 3.3 Mô trình hịa trộn-cháy nhiên liệu hỗn hợp động diesel tàu thủy 86 3.3.1 Phương án tính tốn mơ .87 3.3.2 Xây dựng mơ hình mơ q trình hịa trộn-cháy 88 3.3.2.1 Lựa chọn khu vực tính tốn .88 3.3.2.2 Lựa chọn mô hình tính tốn 88 3.3.2.3 Xây dựng mơ hình nghiên cứu chia lưới khơng gian tính tốn 89 3.3.3 Kết tính tốn cho loại nhiên liệu PO20 90 3.3.3.1 Phân bố áp suất q trình hịa trộn - cháy .90 3.3.3.2 Phân bố nhiệt độ trình hòa trộn - cháy 93 3.3.3.3 Phân bố vận tốc cháy q trình hịa trộn - cháy 96 3.4 Đánh giá độ tin cậy kết tính tốn mơ 101 3.5 Kết luận chương 103 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .104 4.1 Mục đích, chế độ, điều kiện đối tượng thực nghiệm 104 v 4.1.1 Mục đích 104 4.1.2 Chế độ tải động điều kiện thực nghiệm .104 4.1.3 Đối tượng thực nghiệm 105 4.2 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 105 4.2.1 Đề xuất mơ hình thực nghiệm .105 4.2.2 Đặc điểm kỹ thuật động diesel tàu thủy 6LU32 106 4.2.3 Đặc điểm kỹ thuật thiết bị đo 107 4.2.4 Nhiên liệu thí nghiệm 109 4.2.5 Quy trình đo xử lý số liệu thực nghiệm 109 4.3 Kết nghiên cứu thực nghiệm 110 4.3.1 Áp suất cháy xy lanh động 110 4.3.2 Thời điểm bắt đầu phun áp suất phun lớn 111 4.3.3 Thời gian cháy trễ nhiên liệu 113 4.3.4 Suất tiêu hao nhiên liệu .115 4.3.5 Đánh giá thay đổi lưu lượng phun 116 4.3.6 Chất lượng phun sương, tạo hỗn hợp cháy .117 4.3.7 Phát thải NOx 123 4.4 Kết giải pháp hiệu chỉnh phương pháp quy hoạch thực nghiệm .124 4.4.1 Các bước thực hiệu chỉnh phịng thí nghiệm .124 4.4.2 Kết hiệu chỉnh hệ thống nhiên liệu 125 4.5 Kết luận chương 129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130 Kết luận: 130 Kiến nghị 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH Chữ viết tắt Diễn giải Ansys Fluent Phần mềm mơ động lực học dịng chảy ASTM Tiêu chuẩn Vật liệu Thử nghiệm ASP Áp suất phun BCA Bơm cao áp Biodiesel Nhiên liệu diesel sinh học Biofuels Nhiên liệu sinh học CDI Common rail diesel injection (Hệ thống phun nhiên liệu điện tử) CFD Computational Fluid Dynamics (Tính tốn động lực học lưu chất ) CO Ô xít bon Common rail Hệ thống phun nhiên liệu điện tử dùng ECU CTCT Chu trình cơng tác ĐCD (BOT) Điểm chết (Bottom) ĐCĐT Động đốt ĐCT (TOP) Điểm chết (Top) DME Dimetyl Ete DO Diesel oil – dầu nhẹ DTV Dầu thực vật DWT Deadweight – Trọng tải tàu (tấn) EGR Exhaust Gas Recirculation (Tuần hồn khí thải) EOC Kết thúc q trình cháy FAME Fatty Acid Methyl Esters (Este metyl a xít béo) FUEL Nhiên liệu GQTK Góc quay trục khuỷu Grid; Gambit Phần mềm chia lưới GT Gross tonnage – Tổng dung tích tàu GTVT Giao thơng vận tải GPS (SOI) Góc phun sớm HAGL Hồng Anh Gia Lai vii HC Hydrocacbon HFO (FO) Heavy Fuel Oil - dầu nặng HTNL Hệ thống nhiên liệu HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu IMO International Maritime Organization (Tổ chức Hàng hải quốc tế) KH&CN Khoa học công nghệ NCKH Nghiên cứu khoa học NCS Nghiên cứu sinh NLSH Nhiên liệu sinh học NOx Các Ơ xít Ni tơ PO Palm oil - Diesel oil (Hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel) PPO Pure Plant Oil (Dầu thực vật nguyên gốc) PTN Phòng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu QTCN Quy trình cơng nghệ SOC Bắt đầu cháy hỗn hợp SVO Straight vegetable oil (Dầu thực vật dùng trực tiếp) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Tecplot Phần mềm để vẽ biểu đồ liệu TSKT Tiến sĩ kỹ thuật VP Vòi phun vii