khảo sát thực nghiệm đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel dầu cọ trong buồng cháy đẳng tích

TÓM TẮT Nghiên cứu này thực hiện khảo sát đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu sinh học dầu cọ trong hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích CVCC dưới điều kiện môi trường cháy tương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CONSTANT VOLUME COMBUSTION CHAMBER

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Hướng dẫn 1: TS Võ Tấn Châu Hướng dẫn 2: TS Trần Đăng Long Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS Hồng Đức Thông Cán bộ chấm nhận xét 2:

KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: MAI THẾ TÀI MSHV: 2170107

Ngày, tháng, năm sinh: 27/07/1997 Nơi sinh: Thanh Hóa Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số : 8520116

dầu cọ trong buồng cháy đẳng tích (Experimental Study on Combustion Characteristics of

Palm Biodiesel Fuel in Constant Volume Combustion Chamber)

(CVCC) cho khảo sát đặc tính quá trình cháy nhiên liệu biodiesel – dầu cọ (2) Thực nghiệm đo đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu dầu cọ trên buồng cháy đẳng tích (3) Phân tích ảnh hưởng đặc tính lý hóa của nhiên liệu dầu cọ, hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel lên đặc

tính quá trình cháy và tính năng động cơ so với nhiên liệu diesel

LỜI CẢM ƠN

Đề tài luận văn thạc sĩ “Khảo sát thực nghiệm đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel – dầu cọ trong buồng cháy đẳng tích” nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa của chương trình đào tạo cao học Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu này

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Võ Tấn Châu, thầy hướng dẫn chính trong toàn bộ quá trình làm đề tài tốt nghiệp Thầy đã đưa ra những góp ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng, cấu trúc của đề tài, đã chia sẽ kiến thức kỹ thuật, giám sát – định hướng – hoạch định chiến lược làm việc và khuyến khích, thúc đẩy trong toàn bộ quá trình làm luận văn để nghiên cứu đạt hiệu quả

Tiếp theo, tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Trần Đăng Long, thầy hướng dẫn thứ 2 trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp Thầy đã giải đáp những vấn đề khó khăn trong quá trình làm việc, gợi ý phương pháp thực hiện và giám sát kế hoạch thực hiện để đề tài đi đến kết quả cuối cùng

Bên cạnh đó, tôi muốn cảm ơn trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, phòng thí nghiệm động cơ đốt trong Đại học Công Nghiệp TP.HCM đã tạo điều kiện, môi trường làm việc và hỗ trợ cơ sở vật chất trang thiết bị trong toàn bộ quá trình làm luận văn

Sau cùng, tôi xin cảm ơn các cộng sự đã làm việc chung trong dự án này, xin cảm ơn gia đình đã luôn bên cạnh và động viên trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn thạc sĩ

Xin trân trọng cảm ơn

TÓM TẮT

Nghiên cứu này thực hiện khảo sát đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu sinh học dầu cọ trong hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích (CVCC) dưới điều kiện môi trường cháy tương đồng với điều kiện cháy động cơ diesel Nhiên liệu thuần dầu cọ (B100) đã được so sánh với nhiên liệu thuần diesel (B0), bên cạnh đó các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ và diesel với nồng độ dầu cọ 15 % (B15), 30 % (B30), 60 % (B60) theo thể tích cũng được lựa chọn để khảo sát tổng thể ảnh hưởng của nồng dầu cọ lên đặc tính quá trình cháy Công nghệ đốt cháy cưỡng bức hỗn hợp hòa khí đã được sử dụng trên buồng cháy đẳng tích để tạo môi trường cháy chứa 21 % nồng độ oxy trong hỗn hợp hòa khí, áp suất và nhiệt độ hòa khí tại thời điểm phun nhiên liệu áp suất cao là 43 bar và 1000 K Điều kiện áp suất phun nhiên liệu 800 bar và 1200 bar cũng được lựa chọn nhằm mục đính đánh giá ảnh hưởng của dầu cọ tại các điều kiện thực nghiệm khác nhau Các đặc tính quá trình cháy bao gồm áp suất cháy, tốc độ tỏa nhiệt, thời gian chờ cháy được tính toán từ dữ liệu sự thay đổi áp suất cháy bên trong buồng cháy CVCC được ghi nhận bởi cảm biến áp suất động

Kết quả thực nghiệm cho thấy đặc tính áp suất cháy lớn nhất và đỉnh tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu B100 là thấp nhất tại cả 2 điều kiện áp suất phun nhiên liệu Đặc tính tốc độ tăng áp suất cháy lớn nhất giảm đều khi tăng nồng độ dầu cọ, giảm 27 % và 15 % tại áp suất phun 800 bar và 1200 bar khi so sánh B100 và B0 Chỉ số cetane của B100 lớn hơn B0 18 % giúp thời gian chờ cháy của nhiên liệu dầu cọ rút ngắn hơn nhiên liệu diesel Tổng nhiệt tỏa ra giảm khi tăng nồng độ dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ – diesel do đặc tính nhiên liệu nhiệt trị thấp và tốc độ tỏa nhiệt thấp của nhiên liệu dầu cọ Khi tăng nồng độ dầu cọ đến 15 % theo thể tích, tốc độ tăng nhiệt độ cháy lớn nhất cao hơn so với diesel, đại diện cho sự phát thải khí thải NOx

cao hơn

ABSTRACT

This study investigated the combustion characteristics of palm biodiesel fuel in an experimental constant volume combustion chamber (CVCC) system under combustion environmental conditions similar to diesel engine conditions Pure palm biodiesel fuel (B100) was compared with pure diesel fuel (B0), in addition to blends of palm oil and diesel fuel with palm fuel concentrations of 15 % (B15), 30 % (B30), 60 % (B60) by volume were also selected to investigate the overall effect of palm fuel concentration on combustion characteristics The pre-combustion technique has been used on the CVCC system to generate the combustion environment conditions containing 21% oxygen concentration in the air mixture, ambient pressure and temperature at the time of fuel injection pressure is 43 bar and 1000 K Fuel injection pressure conditions of 800 bar and 1200 bar were also selected to explore the effects of palm fuel at various experimental conditions The combustion characteristics including combustion pressure, heat release rate, and ignition delay were calculated from the combustion pressure data recorded by a piezoelectric transducer sensor

The experimental results revealed that maximum combustion pressure and peak of heat release rate of B100 are lowest at both fuel pressure conditions The maximum combustion pressure rise rate decreased steadily when increasing palm fuel concentrations, decreased by 27 % and 15 % at injection pressure of 800 bar 1200 bar when comparing B100 and B0 The cetane number of B100 is higher than that of B0 by 18 %, which helped shorten the ignition delay period of palm fuel compared to diesel fuel The integral heat release decreased with increasing palm biodiesel fuel concentration in blends of palm – diesel fuels due to the low heating value properties and the decline in the heat release rate of palm fuel When increasing the palm oil concentration to 15 % volume, the maximum rate of combustion temperature rise is higher than that of diesel, representing higher NOx emissions.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS Võ Tấn Châu và TS Trần Đăng Long

Các số liệu, kết quả trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ các nghiên cứu nào khác Tôi cũng xin cam đoan mọi sự tham khảo cho việc thực hiện luận văn đã được trích dẫn rõ ràng

Tôi xin chịu trách nhiệm về các công việc thực hiện của mình

TP.HCM, ngày 26 tháng 12 năm 2023

Mai Thế Tài

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.4 Phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa của luận văn 4

1.5 Bố cục của luận văn 5

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Nhiên liệu sinh học biodiesel 7

2.1.1 Tổng quan nhiên liệu biodiesel 7

2.1.2 Sản xuất biodiesel 9

2.1.3 Đặc tính nhiên liệu biodiesel 11

2.1.4 Xu hướng đặc tính nhiên liệu của hỗn hợp biodiesel – diesel 13

2.2 Phương pháp tính toán đặc tính quá trình cháy trên hệ thống CVCC 14

2.2.1 Áp suất quá trình cháy 14

2.2.2 Tốc độ tỏa nhiệt 14

2.2.3 Thời gian chờ cháy 15

CHƯƠNG 3 NHIÊN LIỆU DẦU CỌ THỬ NGHIỆM 17

3.1 Hòa trộn và xác định đặc tính lý hóa nhiên liệu thử nghiệm 17

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 23

4.1 Hệ thống thực nghiệm buồng cháy CVCC 23

4.1.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thống buồng cháy CVCC 23

4.1.2 Nguyên lý tạo môi trường cháy bên trong hệ thống CVCC 27

4.2 Các hệ thống phụ trên hệ thống thực nghiệm buồng cháy CVCC 30

4.2.1 Hệ thống cung cấp khí nạp 30

4.2.2 Hệ thống đánh lửa 32

4.2.3 Hệ thống cung cấp nhiên liệu 32

4.2.4 Hệ thống điều khiển và giao diện người dùng 34

4.2.5 Hệ thống thu thập dữ liệu áp suất cháy bên trong buồng cháy 35

4.2.6 Hệ thống an toàn 37

4.3 Quy trình thực nghiệm đo đặc tính cháy trên CVCC 38

4.3.1 Quy trình thực nghiệm đốt cháy nhiên liệu dầu cọ 38

4.3.2 Điều kiện thực nghiệm 42

4.4 Phương pháp xử lý số liệu và tính toán đặc tính quá trình cháy 43

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

5.1 Áp suất quá trình cháy 45

5.2 Tốc độ tăng áp suất cháy 47

5.3 Tốc độ tỏa nhiệt 48

5.4 Thời gian chờ cháy 51

5.5 Phần trăm khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy 53

5.6 Tổng nhiệt tỏa ra 54

5.7 Nhiệt độ cháy bên trong buồng cháy 56

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

6.1 Kết luận 59

6.2 Hạn chế và hướng phát triển 60

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 74

Phụ lục A Quy trình phân tích dữ liệu và tính toán đặc tính cháy 74

Phụ lục B Xác định thời điểm phun nhiên liệu 78

Phụ lục C Công thức tính đặc tính quá trình cháy 81

Phụ lục D Tiêu chuẩn ASTM D6751 và EN 14212 của nhiên liệu biodiesel 82

Phụ lục E Kết quả đo đặc tính lý hóa của các hỗn hợp nhiên liệu 83

Phụ lục F Lưu lượng phun nhiên liệu lý thuyết 85

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Phản ứng transesterification sản xuất biodiesel [12] 7

Hình 2.2 Vòng đời của nhiên liệu sinh học biodiesel 8

Hình 2.3 Phân loại các giai đoạn phát triển của biodiesel 10

Hình 2.4 Thời điểm bắt đầu sự cháy dựa vào dữ liệu tốc độ tỏa nhiệt 16

Hình 3.1 Ngoại quan của các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel 18

Hình 3.2 Sự thay đổi đặc tính độ nhớt và mật độ của các hỗn hợp nhiên liệu 19

Hình 3.3 Sự thay đổi đặc tính nhiệt trị và chỉ số cetane của các hỗn hợp nhiên liệu 20

Hình 3.4 Sự thay đổi đặc tính nhiệt thành phần chưng cất T10, T50 và T90 của các hỗn hợp nhiên liệu 22

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích 23

Hình 4.2 Hình ảnh thực tế hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích 25

Hình 4.3 Hình vẽ 3D phân rã thân buồng cháy CVCC 25

Hình 4.4 Chi tiết được lặp đặt trên thân buồng cháy CVCC 26

Hình 4.5 Nguyên lý phương pháp đốt cháy hòa khí tạo điều kiện môi trường cháy trên CVCC 29

Hình 4.6 Bình khí cung cấp hỗn hợp khí nạp cho buồng cháy CVCC 31

Hình 4.7 Vị trí lắp đặt các chi tiết trên hệ thống cung cấp khí nạp và các thiết bị đo áp suất khí 32

Hình 4.8 Hình ảnh tia phun nhiên liệu của kim phun 1 lỗ Bosch CRIN2 33

Hình 4.9 Giá trị áp suất nhiên liệu trên đồng hồ đo áp suất tại điều kiện 800 bar và 1200 bar 33

Hình 4.10 Cấu tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail 34

Hình 4.11 Sơ đồ kết nối phần cứng và sơ đồ mạch điện hệ thống xử lý - điều khiển CVCC 35Hình 4.12 Cảm biến áp suất động đo dữ liệu áp suất cháy bên trong buồng cháy 36Hình 4.13 Kết nối hệ thống thu thập dữ liệu và hình ảnh dữ liệu áp suất cháy bên trong buồng cháy ghi nhận bởi thiết bị oscilloscope 37Hình 4.14 Van an toàn lắp trên thân buồng cháy CVCC 38Hình 4.15 Sơ đồ quy trình thực nghiệm đo đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu trên hệ thống thực nghiệm CVCC 40Hình 4.16 Lưu đồ quy trình thực nghiệm đơn trên hệ thống CVCC 41Hình 4.17 Tương quan các bước thực nghiệm và sự thay đổi áp suất bên trong buồng cháy CVCC 42Hình 4.18 Lưu đồ quy trình xử lý dữ liệu và tính toán đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel – dầu cọ 44Hình 5.1 Áp suất cháy của các hỗn hợp nhiên liệu tại áp suất phun 800 bar và 1200 bar 46Hình 5.2 Tốc độ tăng áp suất cháy lớn nhất của nồng độ dầu cọ - diesel tại áp suất phun khác nhau 48Hình 5.3 Tốc độ tỏa nhiệt của các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel tại điều kiện áp suất phun 800 bar và 1200 bar 50Hình 5.4 Thời gian chờ cháy của các hỗn hợp nhiên liệu tại điều kiện áp suất phun 800 bar và 1200 bar 52Hình 5.5 Khối lượng nhiên liệu đốt cháy của các hỗn hợp nhiên liệu dưới sự thay đổi áp suất phun 54Hình 5.6 Tổng nhiệt tỏa ra của của các hỗn hợp nhiên liệu 56Hình 5.7 Tốc độ tăng nhiệt độ cháy lớn nhất bên trong buồng cháy của các hỗn hợp nhiên liệu khi thay đổi áp suất phun nhiên liệu 58

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh các công nghệ sản xuất biodiesel chính [11] 11

Bảng 2.2 Đặc tính lý hóa của các loại nhiên liệu biodiesel khác nhau [11] 13

Bảng 2.3 Sự thay đổi đặc tính nhiên liệu khi thay đổi tỷ lệ dầu đậu nành [23] 14

Bảng 3.1 Bảng đặc tính lý hóa các hỗn hợp nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu 18

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật và thông số hoạt động của buồng cháy CVCC 26

Bảng 4.2 Đặc tính hóa học cơ bản của các loại nhiên liệu sử dụng trên công nghệ cháy trước [36] 30

Bảng 4.3 Áp suất riêng phần của từng khí tại điều kiện hỗn hợp hòa khí 14 bar 31

Bảng 4.4 Độ chênh lệch áp suất phun nhiên liệu tại các điều kiện thực nghiệm 34

Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật cảm biến áp suất động AVL GU12P 37

Bảng 4.6 Ma trận số lần lấy kết quả thực nghiệm tại các điều kiện thử nghiệm 40

Bảng 4.7 Điều kiện thí nghiệm trên buồng cháy CVCC 43

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt

ASTM American Society for Testing and Materials [-]

DAQ Hệ thống điều khiển và xử lý dữ liệu [-]

IHR Tổng nhiệt tỏa ra (Integral Heat Release) [J] MFB Phần trăm nhiên liệu đốt cháy (Mass Fraction Burnt) [-]

SOIE Tín hiệu bắt đầu điều khiển phun nhiên liệu [-]

V Thể tích buồng cháy [m3]

MFB10 Lượng nhiên liệu bị đốt cháy 10 % [-] MFB50 Lượng nhiên liệu bị đốt cháy 50 % [-] MFB90 Lượng nhiên liệu bị đốt cháy 90 % [-]

𝑚𝑓0 Khối lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy [mg]

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 1 giới thiệu, cung cấp tổng quan về nhiên liệu sinh học biodiesel và tổng hợp các nghiên cứu đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trên buồng cháy đẳng tích Từ đó xây dựng các mục tiêu nghiên cứu và xác định các ý nghĩa của luận văn

1.1 Giới thiệu

Ngày nay, năng lượng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống – xã hội và sự phát triển kinh tế toàn cầu Trong đó, năng lượng từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch luôn là sự lựa chọn hàng đầu trong các lĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, nông nghiệp, xây dựng,… Đặc tính mật độ năng lượng, tính di động và đặc tính an toàn là những tính năng rất quan trọng của một nguồn nhiên liệu, chúng quyết định khả năng ứng dụng của một loại nhiên liệu trên ứng dụng ô tô phương tiện di chuyển [1] Lượng năng lượng lưu trữ trên phương tiện quyết định phạm vi hoạt động của xe Do đó tính chất mật độ năng lượng cao trên một đơn vị thể tích của nhiên liệu hóa thạch giúp nhiên liệu hóa thạch (xăng và dầu diesel) thường được lựa chọn làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Tuy nhiên, nhiên liệu hóa thạch là hữu hạn và không sản xuất được, do đó nó ảnh hưởng tới khả năng phát triển lâu dài và vấn đề an ninh năng lượng Bên cạnh đó, trong quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch, khí thải độc hại từ quá trình đốt cháy của nhiên liệu hóa thạch luôn là một vấn đề lớn, nó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường [2][3][4][5] Chính vì vậy, nhiều chiến lược với mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính đã được thực thi trên toàn cầu như chiến lược phát thải ròng bằng không Việt Nam cũng chung tay thực hiện chiến lược này với mục tiêu vào năm 2050 đạt lượng phát thải ròng bằng không Để đáp ứng mục tiêu này, một giải pháp được lựa chọn là sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống ứng dụng trên động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng

Nhiên liệu sinh học biodiesel được xem là nhiên liệu thay thế có lượng phát thải khí thải CO2 trong vòng đời thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch Bởi vì biodiesel là

một loại nhiên liệu có thể sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp: dầu cọ, đậu nành, dầu dừa,… Từ đó giúp thúc đẩy nông nghiệp trên toàn thế giới và tăng lượng hấp thụ khí CO2 Hơn nữa, các đặc tính lý hóa của nhiên liệu biodiesel là tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống giúp có thể sử dụng nhiên liệu biodiesel thay thế cho diesel Nhiên liệu biodiesel đã được ứng dụng thay thế diesel lên đến 20 % sử dụng trên động cơ diesel thương mại mà không cần điều chỉnh cấu trúc hoặc các thông số hoạt động của động cơ [6] Tuy nhiên, mỗi loại nhiên liệu sinh học biodiesel đều có một bộ tính chất lý hóa riêng biệt, chính những sự khác biệt này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc trưng quá trình cháy của động cơ từ đó gây ra các vấn đề nghiêm trọng trên động cơ Trong nghiên cứu này, nhiên liệu được lựa chọn là nhiên liệu dầu cọ thương mại với bộ đặc tính lý hóa riêng biệt so với các loại biodiesel đã được nghiên cứu trong nước và thế giới Vì vậy một nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu dầu cọ sẽ được thực hiện để làm sáng tỏ mối liên hệ giữa đặc tính lý – hóa của nhiên liệu đến thông số đặc tính quá trình cháy Hơn thế nữa, từ những sự khác biệt về đặc tính quá trình cháy do đặc tính lý – hóa của nhiên liệu gây ra, những gợi ý về thay đổi thông số hoạt động của động cơ được xây dựng khi thay thế sử dụng nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu sinh học dầu cọ, hoặc hỗn hợp nhiên liệu giữa nhiên liệu diesel kết hợp với nhiên liệu sinh học dầu cọ

Trong nghiên cứu này tập trung phân tích ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu sinh học lên đặc tính quá trình cháy trên hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích Nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của các tỷ lệ nhiên liệu sinh học dầu thực vật (Hydrotreated vegetable oil - HVO) khác nhau hòa trộn với nhiên liệu diesel lên ảnh hưởng đặc tính quá trình cháy trên buồng cháy CVCC đã được thực hiện bởi Marasri et al [7] Nghiên cứu được thực nghiệm tại điều kiện 21 %; 15 %; 10 % oxy trong hỗn hợp khí nạp và nhiệt độ hòa khí trước khi phun nhiên liệu 1100 K; 900 K; 700 K trên buồng cháy đẳng tích Áp suất phun nhiên liệu 1000 bar, kim phun điện từ 1 lỗ tia với đường kính lỗ phun là 0.2 mm và thời gian phun 2.5 ms được giữ cố định trong toàn bộ thí nghiệm Bốn hỗn hợp nhiên liệu sử dụng: H20, H50, diesel và HVO được

hòa trộn theo khối lượng Đặc tính độ nhớt của nhiên liệu diesel HVO thấp hơn diesel 18.52 %, mật độ thấp hơn 5.58 %, nhiệt trị cao hơn 2.18 % và chỉ số cetane cao hơn 27.23 % Trong khi nhiệt độ chưng cất T90 thấp hơn 15.77 % Kết quả hiển thị chỉ số cetane cao của HVO góp phần rút ngắn thời gian chờ cháy và đóng góp vào đỉnh tốc độ tỏa nhiệt thấp hơn so với diesel Nhiên liệu HVO có khả năng hóa hơi nhiên liệu tốt hơn nhờ đặc tính độ nhớt thấp, mật độ thấp và nhiệt độ chưng cất T90 thấp, kết quả làm dễ dàng bẻ gãy mạch nhiên liệu (breakup), hình thành các hạt nhiên liệu kích thước nhỏ (droplet) và quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu tốt hơn

Trong nghiên cứu của Ji Zhang et al [8] cũng đã đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến kết quả đặc tính quá trình cháy tại điều kiện cháy động cơ diesel được mô phỏng bởi hệ thống buồng cháy đẳng tích Biodiesel được sử dụng có nguồn gốc từ dầu ăn phế phẩm (waste cooking oil) Biodiesel có đặc tính nhiên liệu độ nhớt cao hơn diesel (4.35 mm2/s so với 2.35 mm2/s), nhiệt trị của của biodiesel thấp hơn, trong khi chỉ số cetane cao hơn (49.6 so với 44) Điều kiện thực nghiệm tại áp suất phun 1000 bar, lưu lượng phun của biodiesel là 87.69 mg và diesel là 86.17 mg Nhìn chung, nhiên liệu biodiesel có thời gian chờ cháy ngắn hơn diesel, chủ yếu nhờ đặc tính chỉ số cetane cao của nhiên liệu biodiesel Đỉnh tốc độ tỏa nhiệt và áp suất cháy tối đa của nhiên liệu biodiesel thấp hơn so với diesel Bởi vì quá trình hóa hơi chậm do đặc tính độ nhớt cao làm quá trình cháy sau khi bắt đầu sự cháy chậm, từ đó giá trị tốc độ tăng tốc độ tỏa nhiệt thấp Tuy nhiên, giá trị tốc độ tỏa nhiệt tại giai đoạn cháy cuối cao được ghi nhận Xu hướng kết quả này cũng được tìm thấy trong nghiên cứu đánh giá sự khác nhau của các loại nhiên liệu sinh học biodiesel lên đặc tính quá trình cháy trên hệ thống buồng cháy đẳng tích CVCC được thực hiện bởi C W Oo et al [9] Nghiên cứu được thực hiện tại điều kiện nhiệt độ môi trường trước khi phun nhiên liệu từ 600 K – 1200 K với các loại nhiên liệu sinh học biodiesel được sử dụng là: jatropha, dầu dừa, dầu đậu nành và dầu cọ so sánh với nhiên liệu diesel truyền thống tại áp suất phun nhiên liệu là 800 bar

N T Nghĩa et al [10] đã phân đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học dầu

cá hòa trộn với nhiên liệu diesel (B10) với tỉ lệ 10 % dầu cá và 90 % diesel Nghiên

cứu được thực nghiệm trên buồng cháy đẳng tích với thông số đường kính trong là 80 mm và chiều dài xy lanh là 90 mm, tại điều kiện 20 % oxy trong hỗn hợp hòa khí và áp suất phun 1500 bar Kết quả cho thấy quá trình cháy của nhiên liệu B10 diễn ra trễ hơn và đạt áp suất tối đa trễ hơn diesel Tốc độ tăng áp suất cháy của B0 chậm hơn 10 % tại giai đoạn cháy cuối so với B0 Đỉnh áp suất cháy của B10 thấp hơn diesel do nhiệt trị thấp của B10 Hơn nữa, tốc độ tỏa nhiệt của B10 thấp hơn 10 % so với B0 Nguyên nhân là nhiên liệu biodiesel có độ nhớt cao hơn, dẫn đến khó hình thành hỗn hợp hòa trộn trước giữa không khí và nhiên liệu, thời gian chờ cháy ngắn làm cho khối lượng hỗn hợp hòa khí hòa trộn trước thấp

Đề tài nghiên cứu đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu sinh học biodiesel dầu cọ được thực hiện với những mục tiêu như sau:

• Mục tiêu thứ nhất: Giải thích sự khác biệt về đặc tính lý hóa của các nồng độ nhiên liệu dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ – diesel đến sự ảnh hưởng về đặc tính quá trình cháy trên buồng cháy đẳng tích dưới sự thay đổi của áp suất phun

• Mục tiêu thứ hai: Mối liên hệ giữa kết quả đặc tính quá trình cháy nhiên liệu dầu cọ đến tính năng động cơ và xu hướng điều chỉnh thông số hoạt động của động cơ, khi áp dụng nhiên liệu sinh học dầu cọ so với nhiên liệu diesel

❖ Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận văn này được xác định đó là thu thập dữ liệu cháy và tính toán các đặc tính quá trình cháy trên hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích của các hỗn hợp nhiên liệu sinh học dầu cọ - diesel tại điều kiện áp suất môi trường trước khi phun nhiên liệu là 43 bar và nồng độ oxy đạt 21 % dưới sự thay đổi của điều kiện áp suất phun nhiên liệu khác nhau

❖ Ý nghĩa khoa học

Làm sáng tỏ mối liên hệ giữa sự khác biệt đặc tính lý – hóa nhiên liệu đến sự khác biệt các kết quả đặc trưng quá trình cháy của các tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel tại điều kiện hoạt động động cơ diesel trên buồng cháy đẳng

tích CVCC

❖ Ý nghĩa thực tiễn

• Cung cấp bộ dữ liệu gần đúng để đối sánh với các nghiên cứu khác, và cơ sở xây dựng tính chất nhiên liệu của hỗn hợp biodiesel – dầu cọ cho các nghiên cứu mô phỏng đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel sinh học • Phản ánh xu hướng kết quả đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu sinh học dầu

cọ trên động cơ thực tế từ đó dự báo tính năng vận hành của động cơ khi ứng dụng nhiên liệu dầu cọ

• Phản ánh những thay đổi về phần cứng (hệ thống cung cấp nhiên liệu áp suất cao, hệ thống gia nhiệt nhiên liệu, hệ thống xử lý khí thải,…) và phần mềm (thời điểm phun nhiên liệu, áp suất phun nhiên liệu tại các điều kiện hoạt động,…) khi áp dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ thực tế

Luận văn bao gồm 61 trang (không bao gồm tài liệu tham khảo và phụ lục), 33 hình và 11 bảng Nội dung trong luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Giới thiệu, cung cấp tổng quan về các vấn đề nghiên cứu nhiên liệu sinh học biodiesel và tổng hợp các nghiên cứu đặc trưng quá trình cháy trên buồng cháy đẳng tích Từ các phân tích tổng hợp xây dựng các mục tiêu nghiên cứu và xác định các ý nghĩa của luận văn

Chương 2: Trình bày các cơ sở lý thuyết của nhiên liệu sinh học biodiesel, các đặc tính lý hóa đặc trưng của nhiên liệu biodiesel, cùng với ảnh hưởng của các đặc tính nhiên liệu biodiesel đến động cơ đốt trong Bên cạnh đó, các đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu trên hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích cũng được đề cập

Chương 3: Phân tích chi tiết nhiên liệu dầu cọ được sử dụng trong nghiên cứu này, các kết quả đo đặc tính lý hóa của các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel Bên cạnh đó, các đánh giá về kết quả đo kiểm đặc tính nhiên liệu và ảnh hưởng kết quả đặc tính đến kết quả đặc tính cháy được tổng hợp

Chương 4: Mô tả chi tiết nguyên lý hoạt động, cấu tạo của hệ thống thực nghiệm buồng cháy CVCC Hơn nữa, các điều kiện thực nghiệm, quy trình thực nghiệm khảo sát sự cháy trên buồng cháy CVCC, cùng với quy trình xử lý số liệu và tính toán các đặc tính quá trình cháy trên CVCC được mô tả chi tiết

Chương 5: Trình bày các kết quả đặc tính quá trình cháy của các hỗn hợp nhiên liệu sinh học dầu cọ - diesel, phân tích các nguyên nhân và xác định các yếu tố tác động đến xu hướng kết quả

Chương 6: Các kết luận của luận văn, và gợi ý hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 trình bày những cơ sở lý thuyết của nhiên liệu biodiesel, ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu lên đặc tính quá trình cháy và tính năng làm việc của động cơ thực tế Các công thức để tính toán đặc tính quá trình cháy trên hệ thống buồng cháy đẳng tích được hiển thị

2.1 Nhiên liệu sinh học biodiesel 2.1.1 Tổng quan nhiên liệu biodiesel

Nhiên liệu biodiesel được xem như là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch diesel sử dụng trên động cơ đốt trong cháy nén Nhiên liệu sinh học biodiesel được định nghĩa là một mono-alkyl esters của chuỗi dài axit béo (fatty acids) có nguồn gốc từ dầu thực vật, mỡ động vật và được sản xuất bằng cách kết hợp với alcohol như methanol hoặc ethanol [11] Hình 2.1 mô tả phản ứng transesterification tạo biodiesel từ dầu thực vật và alcohol Nhiên liệu biodiesel được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới ngay cả ở dạng nguyên chất 100 % biodiesel (B100) hoặc được trộn với nhiên liệu diesel theo các tỷ lệ khác nhau Nhiên liệu biodiesel có thể trộn lẫn với diesel ở mọi tỷ lệ Ở một số quốc gia, hỗn hợp bao gồm 20 % biodiesel và 80 % diesel (hay còn gọi là B20) được sử dụng phổ biến và thương mại thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống

Hình 2.1 Phản ứng transesterification sản xuất biodiesel [12]

Hình 2.2 phân tích vòng đời của nhiên liệu sinh học biodiesel từ khi được sản xuất tới khi ứng dụng Chu trình bắt đầu bằng việc khai thác các nguồn nguyên liệu thô để sản xuất dầu biodiesel sinh học và kết thúc bằng việc ứng dụng chúng trên các động cơ đốt trong Chính nhờ sự cân bằng khí thải carbon dioxide (CO2) của nhiên liệu biodiesel sinh học giúp chúng được gọi là một loại nhiên liệu thay thế bền vững Biodiesel được chú trọng nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu nhờ những lý do: có khả năng phân hủy cao và độc tính thấp, nhiên liệu biodiesel có thể thay thế cho nhiên liệu diesel trên các ứng dụng khác nhau: động cơ đốt trong hoặc buồng gia nhiệt với không có bất kì sự thay đổi nào về phần cứng của các hệ thống ứng dụng, đặc biệt trong nhiên liệu biodiesel không chứa sulfates và aromatics, giúp giảm lượng khí thải độc hại tới con người và phá hủy động cơ [13][14][15] Sự phát triển của nhiên liệu biodiesel thúc đẩy phát triển nông nghiệp từ đó trung hòa khí thải CO2

Hình 2.2 Vòng đời của nhiên liệu sinh học biodiesel

2.1.2 Sản xuất biodiesel

Trên thế giới có khoảng hơn 300 loại nguyên liệu đã được xác định để sản xuất biodiesel, nó bao gồm các nguyên liệu thương mại và không thương mại [16][17] Khả năng phổ biến của nhiên liệu biodiesel phụ thuộc vào 2 yêu cầu chính: giá thành thấp và nguồn cung nguyên liệu dồi dào, ổn định Đặc thù nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel sẽ bị phụ thuộc vào các đặc thù tự nhiên của khu vực trồng trọt: khí hậu, vị trí địa lý, điều kiện đất đai và tập quán nông nghiệp Nhìn chung, biodiesel có thể được phân chia thành 4 loại chính tương ứng với 4 giai đoạn phát triển của nhiên liệu biodiesel:

❖ Giai đoạn thứ nhất: Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel chủ yếu từ dầu thực vật được sử dụng làm lương thực: củ cải, đậu nành, dầu hướng dương, dầu cọ và dầu dừa,… được xem xét như là giai đoạn thứ nhất của quá trình phát triển nhiên liệu biodiesel

❖ Giai đoạn thứ hai: Biodiesel từ các loại dầu không được sử dụng làm lương thực: jatropha, karanja, halophytes, dầu thải hoặc dầu tái chế hoặc mỡ động vật (mỡ heo, mỡ cá, mỡ gà) được coi như là một giải pháp tối ưu và được chú trọng nghiên cứu bởi vì các nguồn nguyên liệu này dễ dàng tìm kiếm trong cuộc sống hằng ngày trên toàn thế giới, không cạnh tranh lương thực thực phẩm với con người và tính kinh tế hơn so với dầu được sử dụng làm lương thực

❖ Giai đoạn thứ ba: Sinh khối tảo (algal biomass) được xem như là một sự lựa chọn hứa hẹn cho sản xuất biodiesel nói chung và các ứng dụng khác nói riêng Vi tảo có một số ưu điểm quan trọng như cần ít không gian để phát triển, hàm lượng dầu cao, khả năng phát triển trong cả môi trường nhân tạo và tự nhiên, vi tảo tiêu thụ CO2, thân thiện với môi trường và đặc biệt có thể sử dụng để sản xuất dầu biodiesel sinh học Đặc biệt, vi tảo phát triển mạnh mẽ ở các nước có nhiều đầm lầy, ao hồ và đường bờ biển dài

❖ Giai đoạn thứ tư: Giai đoạn thứ tư đi liền với sự phát triển của khoa học công nghệ, đó là quá trình biến đổi gen các vi sinh vật như vi tảo, nấm men và vi khuẩn lam,… Khả năng tốc độ tăng trưởng cao và hàm lượng dầu cao, kết hợp với độ phức

tạp cấu trúc thấp là tiền đề để thúc đẩy sản xuất thương mại và ứng dụng Ngoài công nghệ biến đổi gen, một số công nghệ khác như nhiệt phân ở nhiệt độ cao từ 400 oC tới 600 oC, khí hóa, chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiên liệu cũng đã được nghiên cứu và áp dụng để sản xuất biodiesel

Hình 2.3 Phân loại các giai đoạn phát triển của biodiesel

Trong nỗ lực nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm thiểu chi phí sản xuất và giá thành nhiên liệu biodiesel, tạo ra nhiên liệu biodiesel với độ ổn định và các đặc tính nhiên liệu là tương đồng nhất với nhiên liệu diesel hóa thạch và hướng đến sản xuất công nghiệp nhiên liệu biodiesel Để đáp ứng các mục tiêu trên, nhiều phương pháp, công nghệ sản xuất đã được nghiên cứu trên khắp thế giới Trong đó, 4 phương pháp chính đã được áp dụng trong sản xuất biodiesel thương mại: dilution, pyrolysis, transesterification và supercritical methanol Những ưu điểm và nhược điểm của các phương án sản xuất trên đã được hiển thị chi tiết trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 So sánh các công nghệ sản xuất biodiesel chính [11]

Công nghệ sản

Dilution - Quy trình chế tạo đơn giản

- Không gây ô nhiễm

- Yêu cầu nhiệt độ cao - Trang thiết bị giá thành cao - Độ tinh khiết thấp

Transesterifications - Đặc tính nhiên liệu tương đồng với nhiên liệu diesel

- Hiệu suất chuyển đổi cao - Giá thành thấp

- Phù hợp với sản xuất công nghiệp

- Không cần chất xúc tác

- Yêu cầu lượng axit béo tự do thấp và hàm lượng nước thấp

- Khí thải trong quá trình sản xuất

- Xảy ra các phản ứng phụ - Tách sản phẩm phản ứng

khó khăn Supercritical

methanol

- Thời gian phản ứng thấp - Hiệu suất chuyển đổi cao - Khả năng thích ứng tốt

- Yêu cầu nhiệt độ cao và áp suất cao

- Trang thiết bị giá thành cao - Tiêu thụ nhiều năng lượng

2.1.3 Đặc tính nhiên liệu biodiesel

Nhiên liệu sinh học biodiesel được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, công nghệ sản xuất và quy mô sản xuất khác nhau sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của nhiên liệu biodiesel Chất lượng biodiesel được thể hiện qua các đặc tính nhiên liệu là tương đồng với nhiên liệu diesel Vì vậy, các tiêu chuẩn về chất lượng nhiên liệu biodiesel được thiết lập để đảm bảo quá trình hoạt động của động cơ không gặp bất kỳ vấn đề kỹ thuật nào khi sử dụng biodiesel Mỗi quốc gia sẽ có một bộ tiêu chuẩn đặc tính lý hóa riêng cho loại nhiên liệu biodiesel, tuy nhiên, các tính chất và chất lượng của biodiesel phải tuân theo các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của dầu biodiesel sinh học toàn cầu: American Standards for Testing Materials (ASTM 6751-3) và

European Union (EN 14214) Các đặc tính lý hóa đặc trưng của các tiêu chuẩn nhiên liệu biodiesel sinh học đã được hiển thị chi tiết tại Phụ lục D

❖ Độ nhớt động học

Độ nhớt động học (µ) là một thông số đặc tính rất quan trọng trên nhiên liệu sử

dụng cho động cơ cháy nén, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng quá trình phun nhiên liệu, và quá trình hóa hơi nhiên liệu trong buồng cháy Khi độ nhớt nhiên liệu càng cao thì chất lượng quá tình phun nhiên liệu càng kém Giá trị tối đa cho phép của độ nhớt nhiên liệu biodiesel theo tiêu chuẩn ASTM D6751 và EN 14214 là 3.5 – 5.0 mm2/s [11]

❖ Mật độ

Đặc tính mật độ (ρ) của nhiên liệu được định nghĩa là khối lượng của nó trên một

đơn vị thể tích Dầu thực vật (metyl ester) có mật độ cao hơn nhiên liệu diesel thông thường Mật độ được đo theo tiêu chuẩn ASTM D1298 và được thử nghiệm tại điều kiện nhiệt độ tham khảo là 15 – 20 oC

❖ Nhiệt trị

Nhiệt trị (Q) là lượng nhiệt được giải phóng bởi quá trình đốt cháy một đơn vị

nhiên liệu Theo tiêu chuẩn EN 14213 giá trị nhiệt trị thấp nhất cho phép của nhiên liệu biodiesel là 35 MJ/kg, trong khi tiêu chuẩn ASTM D6751 không quy định giá trị đặc tính nhiệt trị của nhiên liệu

❖ Chỉ số cetane

Chỉ số cetane (CN) là một trong những đặc tính quan trọng nhất của nhiên liệu khi đánh giá khả năng ứng dụng trong động cơ cháy nén Chỉ số cetane hiển thị cho khả năng tự cháy của nhiên liệu diesel sau khi nhiên liệu được phun vào buồng đốt Chỉ số cetane càng lớn thì thời gian giữa quá trình phun nhiên liệu tới khi nhiên liệu tự cháy càng ngắn, nhiên liệu biodiesel có chỉ số cetane lớn hơn so với diesel từ đó giúp tăng hiệu suất quá trình cháy [18][19] Độ chênh lệch chỉ số cetane của biodiesel và nhiên liệu diesel truyền thống phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel Chi tiết sự khác biệt đặc tính lý hóa của các loại biodiesel khác nhau được hiển thị tại

Bảng 2.2 Chỉ số cetane của biodiesel được giới hạn bởi các tiêu chuẩn: thấp nhất là 47 với tiêu chuẩn ASTM D613 và 51 với tiêu chuẩn EN ISO 5165 [11]

❖ Nồng độ oxy trong nhiên liệu

Nồng độ oxy trong nhiên liệu biodiesel chiếm 11 % khối lượng theo bộ tiêu chuẩn ASTM D6751 [11] Trong khi nhiên liệu diesel gần như không chứa nồng độ oxy Nồng độ oxy trong nhiên liệu của biodiesel cao giúp cải thiện quá trình cháy khuếch tán từ đó làm ngắn thời gian cháy của nhiên liệu và giảm tổn thất nhiệt [20] Đồng thời giúp quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel hoàn toàn và sạch hơn, từ đó giúp giảm lượng khí thải PM [21][22] Tuy nhiên, quá trình cháy tốt do nồng độ oxy trong biodiesel cao lại gây ra những ảnh hưởng tiêu cực tới thành phần khí thải NOx

[18][21]

Bảng 2.2 Đặc tính lý hóa của các loại nhiên liệu biodiesel khác nhau [11]

Đặc tính nhiên

2.1.4 Xu hướng đặc tính nhiên liệu của hỗn hợp biodiesel – diesel

Nhiên liệu biodiesel có thể trộn lẫn với diesel ở mọi tỷ lệ Nhiên liệu biodiesel và nhiên liệu diesel có sự chênh lệnh về giá trị các đặc tính nhiên liệu Vì vậy, khi hòa trộn nhiên liệu biodiesel và diesel, kết quả đặc tính nhiên liệu của hỗn hợp nhiên liệu sẽ thay đổi Xu hướng kết quả này đã được chứng minh trong tất cả các nghiên cứu về đặc tính của hỗn hợp nhiên liệu biodiesel – diesel, và xu hướng kết quả này cũng được khám phá với tất cả các loại biodiesel khác nhau

Bảng 2.3 Sự thay đổi đặc tính nhiên liệu khi thay đổi tỷ lệ dầu đậu nành [23]

2.2.1 Áp suất quá trình cháy

Trong nghiên cứu này, sự thay đổi áp suất quá trình cháy của nhiên liệu dầu cọ bên trong buồng cháy CVCC được ghi lại bằng cảm biến biến áp suất động (piezoelectric transducer) Toàn bộ dữ liệu quá trình cháy này sẽ được khuếch đại bởi thiết bị khuếch đại tín hiệu và được lưu bởi thiết bị oscilloscope Vì vậy trong công thức (2.1) tính toán áp suất quá trình cháy yêu cầu hệ số khuếch đại được thiết lập trên thiết bị khuếch đại Hệ số này tùy thuộc vào sự biến động áp suất của từng nghiên cứu cụ thể Trong nghiên cứu không xác định thời gian chờ phun của kim phun nhiên liệu Vì vậy, dữ liệu đặc tính áp suất quá trình cháy là dữ liệu được xác định từ khi bắt đầu có tín hiệu điều khiển mở kim phum nhiên liệu diesel (Start of Enegizing) đến khi kết thúc quá trình cháy của nhiên liệu dầu cọ

𝑃 = 𝑉𝑜(𝑀𝑈

trong đó: P – áp suất bên trong buồng cháy (bar);

𝑉𝑜 – giá trị điện áp ghi nhận trên oscilloscope (V);

MU/Volt – hệ số khuếch đại được thiết lập trên Charge Amplifier;

𝑃𝑎𝑚𝑏. – áp suất hòa khí trước khi phun nhiên liệu (bar)

2.2.2 Tốc độ tỏa nhiệt

Trong nghiên cứu này, tốc độ tỏa nhiệt (HRR) đã được tính toán từ dữ liệu áp suất quá trình cháy bên trong buồng cháy sau khi nhiên liệu được phun vào buồng

cháy dựa vào định luật thứ nhất của nhiệt động lực học [24], phương trình được miêu tả cụ thể theo công thức số (2.2)

𝑑𝑄𝑑𝑡 =

𝛾𝛾 − 1𝑃

𝑑𝑉𝑑𝑡 +

1𝛾 − 1𝑉

𝑑𝑡 – tốc độ tỏa nhiệt (J/ms); 𝛾 – chỉ số đoạn nhiệt (1.35);

P – áp suất bên trong buồng cháy (bar);

𝑑𝑡 bị loại bỏ trong công thức tính tốc độ tỏa nhiệt của nghiên cứu này Vì vậy, tốc độ tỏa nhiệt trong hệ thống buồng cháy CVCC được hiển thị như công thức số (2.3) Công thức này cũng được sử dụng trong các nghiên cứu tương tự trên buồng cháy CVCC [7][25]

𝑑𝑄𝑑𝑡 =

1𝛾 − 1𝑉

2.2.3 Thời gian chờ cháy

Thời gian chờ cháy (IGD) được định nghĩa là thời gian mà kim phun bắt đầu nhấc đầu kim để phun nhiên liệu vào buồng đốt (SOI), đến khi quá trình cháy của nhiên liệu bắt đầu diễn ra (SOC) [26][27] Trong nghiên cứu này không tập trung phân tích chi tiết độ trễ nhấc kim phun do các chi tiết cơ khí, điện từ và thủy lực của kim phun diesel solenoid Do đó thời điểm SOI được xác định từ khi có tín hiệu điều khiển phun nhiên liệu từ hộp điều khiển phun nhiên liệu (SOE) Rất khó để có thể xác định chính xác thời điểm bắt nhiên liệu bắt đầu sự cháy (SOC), và nó được xác định tùy thuộc vào đặc thù hệ thống thực nghiệm [24] Trên hệ thống buồng cháy đẳng tích CVCC, thời điểm SOC được xác định theo các phương pháp: hình ảnh sự cháy tự

nhiên của nhiên liệu khi có sự phát quang ngọn lửa đầu tiên [28][29]; giám sát sự tăng áp suất bên trong buồng cháy dựa vào tín hiệu cảm biến áp suất động [26][30][31]; giám sát sự gia tăng tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu bên trong buồng cháy dựa vào tín hiệu cảm biến áp suất động [32][33] Trong nghiên cứu này, hệ thống camera ghi dữ liệu diễn biến sự cháy chưa được trang bị Vì vậy, phương pháp giám sát sự gia tăng tốc độ tỏa nhiệt được lựa chọn để xác định thời điểm SOC

𝐼𝐺𝐷 = 𝑑𝐻𝑅𝑅

Hình 2.4 Thời điểm bắt đầu sự cháy dựa vào dữ liệu tốc độ tỏa nhiệt.

CHƯƠNG 3 NHIÊN LIỆU DẦU CỌ THỬ NGHIỆM

Chương 3 miêu tả chi tiết các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của nồng độ dầu cọ đến đặc tính quá trình cháy Xu hướng và nguyên nhân của sự thay đổi đặc tính lý hóa của các hỗn hợp nhiên liệu khi thay đổi tỷ lệ dầu cọ

Nhiên liệu biodiesel dầu cọ (B100) được sử dụng là loại nhiên liệu sinh học biodiesel có nguồn gốc từ hạt trái cọ, được sản xuất thương mại bằng phương pháp Fatty Acid Methyl Esters (FAME) và nhập khẩu trực tiếp từ Thái Lan Nhiên liệu diesel thương mại (B0) có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp, nhỏ hơn 500 ppm tính theo khối lượng được sử dụng như là nhiên liệu nền tảng để so sánh đánh giá ảnh hưởng của nồng độ dầu cọ lên đặc tính quá trình cháy Hỗn hợp nhiên liệu sinh học dầu cọ – diesel được hòa trộn với các tỷ lệ theo thể tích là 0 % dầu cọ – 100 % diesel (B0), 15 % dầu cọ – 85 % diesel (B15), 30 % dầu cọ – 70 % diesel (B30), 60 % dầu cọ – 40 % diesel (B60), và 100 % dầu cọ – 0 % diesel (B100) Các hỗn hợp này đại diện cho sự thay đổi nồng độ dầu cọ trong hỗn hợp từ thấp đến trung bình và cao Các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ và diesel được hòa trộn trong vòng 20 phút bằng phương pháp hòa trộn không tác động trực tiếp và được đặt ổn định trong vòng 30 phút tại nhiệt độ phòng để nhiên liệu đạt trạng thái cân bằng Phương pháp này được tham khảo trong nghiên cứu của O Ali et al [34] Hình 3.1 thể hiện ngoại quan của các hỗn hợp nhiên liệu sau khi hòa trộn Nhiên liệu thuần dầu cọ (B100) có màu đậm hơn so với nhiên liệu thuần diesel (B0), và khi hòa trộn dầu cọ vào hỗn hợp dầu cọ – diesel, màu của hỗn hợp bắt đầu đậm dần khi tăng nồng độ dầu cọ Các đặc tính lý hóa của các hỗn hợp nhiên liệu này đều được đo theo phương pháp ASTM (American Society for Testing and Materials) và được thực hiện đo bởi các đơn vị đo lường được cấp phép hoạt động tại Việt Nam Chi tiết các kết quả đo đặc tính lý hóa của các hỗn hợp nhiên liệu được hiển thị tại Bảng 3.1

Hình 3.1 Ngoại quan của các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel

Bảng 3.1 Bảng đặc tính lý hóa các hỗn hợp nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu

Chỉ số cetane 51.8 54.2 55.9 57.3 61.5 ASTM D4737 - 10 Nhiệt trị (MJ/kg) 45.68 44.78 44.07 42.63 39.75 ASTM D240 - 19 Mật độ tại 15 oC

(kg/m3) 831.9 838.3 843.3 855.5 874.2

ASTM D1298 - 12b

Độ nhớt động học

tại 40 oC (mm2/s) 3.24 3.46 3.55 3.91 4.27 ASTM D445 - 19a Chưng cất T10 (oC) 209 231.3 242 269.3 316 ASTM D86 - 20b Chưng cất T50 (oC) 284.3 296.7 301.3 315 327.4 ASTM D86 - 20b Chưng cất T90 (oC) 353.6 346 343 337.3 333.7 ASTM D86 - 20b

3.1.1 Độ nhớt động học

Hình 3.2 hiển thị xu hướng thay đổi độ nhớt của các hỗn hợp nhiên liệu khi tăng nồng độ dầu cọ Độ nhớt của các hỗn hợp nhiên liệu thay đổi từ 3.24mm2/s với nhiên liệu B0 tới 4.27 mm2/s với nhiên liệu B100 (µB100 lớn hơn µB0 32 %) Độ nhớt hỗn hợp nhiên liệu sinh học dầu cọ – diesel tăng khi tăng nồng độ dầu cọ Tuy nhiên, khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu B100, giá trị đặc tính độ nhớt đã vượt giá trị cho phép của tiêu chuẩn ASTM D7467 (1.9 – 4.1 mm2/s) Độ nhớt cao của nhiên liệu dầu cọ làm kích thước hạt nhiên liệu lớn, từ đó tác động đến quá trình nguyên tử hóa, hóa hơi nhiên liệu và kết quả là quá trình hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí kém

Chính kết quả này tác động trực tiếp tới quá trình cháy của nhiên liệu, quá trình cháy hòa trộn trước yếu Bên cạnh đó, độ nhớt cao cũng gây ra hiện tượng cặn bám (deposit) trong xy lanh động cơ, và cũng yêu cầu tiêu thụ nhiều năng lượng cho quá trình bơm nhiên liệu tạo áp suất phun [34]

Hình 3.2 Sự thay đổi đặc tính độ nhớt và mật độ của các hỗn hợp nhiên liệu

3.1.2 Mật độ

Giá trị đặc tính mật độ của hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ – diesel là khá tương đồng,

nhiên liệu dầu cọ (B100) - ρB100 có giá trị mật độ tại 15 oC cao hơn so với diesel (B0)

- ρB0 5 % Do đó, kết quả đặc tính mật độ sẽ tăng dần khi tăng nồng độ dầu cọ Mật độ nhiên liệu là một thông số rất quan trọng ảnh hưởng đến công suất của động cơ Khi cố định thời gian phun nhiên liệu, đặc tính mật độ nhiên liệu khác nhau sẽ ảnh hưởng đến kết quả lưu lượng khối lượng phun nhiên liệu khác nhau [34] Nói cách khác, khi sử dụng nhiên liệu dầu cọ, với giá trị mật độ nhiên liệu cao hơn, sẽ làm tăng lượng năng lượng cấp vào trong mỗi chu kì hoạt động của động cơ

33.544.55

hợp nhiên liệu dầu cọ Nhiên liệu dầu cọ B100 có giá trị 39.75 MJ/kg trong khi diesel

B0 có giá trị nhiệt trị là 45.68 MJ/kg, QB100 < QB0 (13%) Khi thêm nồng độ dầu cọ vào trong hỗn hợp, nhiệt trị giảm dần Nguyên nhân là nhiên liệu sinh học dầu cọ có chứa thành phần oxy trong cấu trúc nhiên liệu, kết quả làm giảm thành phần carbon và hydrogen Trong khi nhiên liệu B0 thì không chứa thành phần oxy

Hình 3.3 Sự thay đổi đặc tính nhiệt trị và chỉ số cetane của các hỗn hợp nhiên liệu

3.1.4 Chỉ số cetane

Chỉ số cetane là thông số cơ bản đặc trưng cho quá trình tự cháy của nhiên liệu diesel Trong nghiên cứu này, chỉ số cetane được đo lường theo tiêu chuẩn ASTM D4737 – 10 Phương pháp đo này cho kết quả chỉ số cetane của nhiên liệu diesel B0

– CNB0 (51.8) thấp hơn so với nhiên liệu dầu cọ B100 – CNB100 18 % (61.5) Điều này dẫn đến chỉ số cetane càng tăng khi tăng nồng độ dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu Chỉ số cetane của dầu cọ cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn về chỉ số cetane (47 với tiêu chuẩn ASTM D613 và 51 với tiêu chuẩn EN ISO 5165) [11] Điều này có nghĩa, khi sử dụng nhiên liệu dầu cọ thời gian giữa quá trình phun nhiên liệu tới khi nhiên liệu tự cháy càng ngắn Thời gian chờ cháy ngắn, ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả quá

44.78 44.07

54.2 55.9

3035404550

trình hòa trộn trước, từ đó ảnh hưởng đến đỉnh tốc độ tỏa nhiệt và thời điểm đạt đỉnh tốc độ tỏa nhiệt của giai đoạn cháy hòa trộn trước

3.1.5 Nhiệt độ chưng cất

Hình 3.4 hiển thị nhiệt độ chưng cất 10 % (T10), 50 % (T50), và 90 % (T90) của các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ – diesel Kết quả cho thấy, sự chênh lệch nhiệt độ chưng cất T10 và T50 của các hỗn hợp là đáng kể, nhiên liệu diesel (B0) mất 209 oC để đạt T10, trong khi B100 mất 316 oC, chênh lệch 51 % T50 của B0 thấp hơn 15 % so với T50 của B100 Điều này thể hiện, nhiên liệu B0 cần ít nhiệt độ để hóa hơi 10 % và 50 % nhiên liệu so với biodiesel dầu cọ Nguyên nhân được giải thích cho hiện tượng này là nhiên liệu diesel chứa các thành phần gốc paraffin với nhiệt độ chưng cất thấp Một xu hướng ngược lại đã được ghi nhận tại nhiệt độ chưng cất T90 Nhiệt độ chưng cất T90 của nhiên liệu B100 (334 oC) thấp hơn 5 % so với B0 (353 oC) Thành phần nhiên liệu B100 chứa hầu hết là các fatty acid, với thành phần fatty acid palmitic và oleic chiếm 92.6 % khối lượng trong nhiên liệu dầu cọ [35] Vì vậy, giá trị đặc tính nhiệt độ chưng cất của nhiên liệu B100 sẽ bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi giá trị đặc tính của 2 thành phần fatty acid này, đó là nguyên nhân giải thích tại sao sự chênh lệch giá trị nhiệt độ chưng cất T10, T50 và T90 của B100 là không đáng kể Trong khi, nhiệt độ chưng cất của B0 chênh lệnh rõ rệt ở T10, T50 và T90, bởi vì thành phần nhiên liệu của B0 chứa các gốc nhiên liệu alkan, alken, alkin và hydrocacbon mạch vòng Chính sự khác biệt về thành phần nhiên liệu và cấu trúc mạch carbon (số C và dạng liên kết) quyết định đến lượng nhiệt cần để phá hủy mạch nhiên liệu

Hình 3.4 Sự thay đổi đặc tính nhiệt thành phần chưng cất T10, T50 và T90 của các hỗn hợp nhiên liệu.

231.3 242

316284.3

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 4 mô tả chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích, các hệ thống phụ buồng cháy, hệ thống điều khiển và xử lý tín hiệu Quy trình thực nghiệm nghiên cứu đặc tính cháy của nhiên liệu dầu cọ trên buồng cháy CVCC được giải thích cụ thể Các điều kiện thực nghiệm cũng được thiết lập, phương pháp xử lý số liệu và tính toán đặc tính cũng được hiển thị

4.1.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thống buồng cháy CVCC

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích

Trong nghiên cứu này, hệ thống buồng cháy đẳng tích đã được sử dụng để khảo sát các đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu sinh học dầu cọ và các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ – diesel Hình 4.1thể hiện chi tiết sơ đồ bố trí hệ thống buồng cháy đẳng tích CVCC trong nghiên cứu này Hệ thống CVCC gồm 3 cụm hệ thống chính được kết nối trực tiếp với thân buồng cháy: hệ thống cung cấp khí nạp, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống điều khiển và xử lý dữ liệu (DAQ) Thân buồng cháy CVCC được chế tạo từ vật liệu inox 304 với ưu điểm về khả năng chịu bền, chịu nhiệt và không bị oxy hóa trong quá trình vận hành hệ thống Đường kính trong của thân buồng cháy là 80 mm, trong khi chiều dài của xy lanh là 109 mm, tổng thể tích của buồng cháy CVCC là 546.1 cm3 Trên thân buồng cháy được thiết kế 6 cổng kết nối chính để kết nối trực tiếp các chi tiết khác vào xy lanh buồng cháy: kim phun diesel solenoid, bugi, van nạp – van xả, van an toàn, quạt hòa trộn và cảm biến áp suất động (Hình 4.4) Hệ thống cung cấp hỗn hợp hòa khí được kết nối trực tiếp với thân buồng cháy để nạp các khí C2H2, O2, N2 đi vào buồng cháy Hệ thống cung cấp nhiên liệu áp suất cao điều khiển điện tử được sử dụng nhằm đáp ứng nhanh, độ ổn định áp suất phun nhiên liệu cao, và các áp suất phun nhiên liệu khác nhau tại các điều kiện thử nghiệm Bên cạnh đó, hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử cũng được sử dụng với mục đích điều khiển chính xác thời gian phun nhiên liệu của tất các hỗn hợp nhiên liệu Tín hiệu từ các cảm biến trang bị trên hệ thống và các lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành được quản lý và xác định bởi hệ thống điều khiển và xử lý dữ liệu (DAQ) Hệ thống này được kết nối trực tiếp với phần mềm xử lý dữ liệu cháy, tại đây dữ liệu cháy sẽ được tính toán và hiển thị ngay sau mỗi lần thực nghiệm đơn Chi tiết thông số hệ thống kỹ thuật buồng cháy đẳng tích được thể hiện tại Bảng 4.1 Hơn thế nữa, với mục đích quan sát diễn biến sự cháy bên trong buồng cháy, 2 cửa sổ tinh thể thạch anh với đường kính 100 mm và độ dày 85 mm được lắp đặt tại 2 bên của thân buồng cháy Vật liệu thạch anh tự nhiên với dãy UV từ 220 – 2500 nm và transmitstance tại 90 % đã được lựa chọn sử dụng cho nghiên cứu này nhằm đảm bảo hình ảnh diễn biến sự cháy không bị biến dạng khi ghi hình Các cụm hệ thống được thiết kế lắp đặt riêng biệt tại các khu vực riêng lẻ, giúp quá trình vận hành và kiểm tra trở nên dễ dàng Buồng cháy đẳng tích CVCC được thiết kế vận hành ở điều kiện hoạt động áp

suất cao (lên đến 100 bar) và chứa hỗn hợp khí Vì vậy, bài toán kỹ thuật đảm bảo hệ thống kín khí trong quá trình vận hành được ưu tiên giải quyết đầu tiên Trong nghiên cứu này, phương pháp lắp ghép từng cụm chi tiết đã được gia công chính kết hợp với các lớp gioăng đã được áp dụng Hệ thống điều khiển vận hành hoạt động buồng cháy CVCC trong quá trình thực nghiệm được đặt cách nơi diễn ra sự cháy khoảng 3 m, để đảm bảo an toàn cho người vận hành

Hình 4.2 Hình ảnh thực tế hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích

Hình 4.3 Hình vẽ 3D phân rã thân buồng cháy CVCC