nghiên cứu giải pháp cải thiện chất lượng phun và khả năng tự bốc cháy của dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel

KHẢO SÁT SẢN LƯỢNG VÀ THÔNG SỐ NHIỆT ĐỘNG CỦA DẦU THỰC VẬT LÀM NHIÊN LIỆU THAY THẾ... Để tránh nhầm lẫn, cần phân biệt các loại nhiệt trị sau đây: · Nhiệt trị đẳng áp Hp nhiệt lượng thu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY SẢN

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN ĐỘNG LỰC TÀU THUYỀN

-oOo -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG PHUN VÀ KHẢ NĂNG TỰ BỐC CHÁY CỦA DẦU THỰC VẬT LÀM NHIÊN LIỆU THAY THẾ CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

Ngành : CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC TÀU THUYỀN

Mã ngành : 18.06.10 Mã ĐATN : 30 / ĐATN / 43 CKDL GVHD : Ths GVC PHÙNG MINH LỘC

GV HỒ ĐỨC TUẤN

SVTH : PHAN THÀNH TÍNH MSSV : 43 S1046

Lớp : 43 - DLTT- SG

Nha Trang –6/2006

KHẢO SÁT SẢN LƯỢNG VÀ THÔNG

SỐ NHIỆT ĐỘNG CỦA DẦU THỰC VẬT LÀM NHIÊN LIỆU THAY THẾ

1.1.TỔNG QUAN CÁC LOẠI DẦU THỰC VẬT HIỆN CÓ Ở VIỆT NAM

1.1.1 Khái niệm

Dầu thực vật là dầu được chế biến từ các nguồn nguyên liệu có nguồn gốc thực vật, gồm: đậu Tương, Lạc, Vừng, Bông, Cám gạo, Sở, Dừa, thành phần chủ yếu của các loại dầu này là Ester của Axít béo và Gơlixêrin Ngoài ra trong thành phần của các loại dầu thực vật còn có một số chất khác như Protêin, Gluxít, các chất màu, Vitamin,

những chất này chiếm tỷ lệ nhỏ trong dầu thực vật

· Đặc điểm của các loại dầu thực vật là có độ nhớt cao, tan tốt trong dung môi

hữu cơ không phân cực như Ête, Ester, Axêtôn, Benzen… có khối lượng phân tử lớn, khả năng bị ôxy hoá cao khi bị ôxy hoá có mùi hôi Do đó phải bảo quản trong các đồ vật kín không cho tiếp xúc với không khí

· Dầu thực vật có phạm vi sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong chế biến thực phẩm Làm dầu ăn có nhiều chất dinh dưỡng, ngoài ra nó còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác, như dùng để sản xuất các dầu mỡ bôi trơn, mỹ phẩm Trước thực trạng có nhiều biến động của nguồn năng lượng dầu mỏ trong những thập niên gần đây, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày một tăng cao, con người bắt đầu nghĩ đến một nguồn năng lượng mới để thay thế nguồn năng lượng dầu mỏ Dầu thực vật là một nguồn năng lượng đáng chú ý mà chúng ta đang nghiên cứu để dùng làm nhiên liệu trong tương lai gần cho động cơ diesel

1.1.2 Công thức tổng quát của các loại dầu thực vật chủ yếu

CH2 O C R''

O

R'

Trong đó: R, R’, R’’ lá các gốc của Axít béo

Các loại dầu thực vật khác nhau, thì chỉ có sự thay đổi thành phần các Axít béo trong công thức Ester với Gơlixêrin Ngoài ra nó còn có một số hợp chất khác chiếm một

tỷ lệ nhỏ có trong mỗi loại dầu đặc trưng

1.2 SẢN LƯỢNG, GIÁ VÀ QUY HOẠCH PHÁT TRIỂN MỘT SỐ LOẠI DẦU THỰC VẬT PHỔ BIẾN

1.2.1 Sản lượng các loại dầu thực vật ở nước ta trong năm 2005

Bảng 1-1 Sản lượng của các loại dầu thực vật trong năm 2005 [1]

2005 Diện tích gieo trồng 1000 ha

Khối lượng chế biến dầu 1000 tấn

1.2.2 Gía một số loại dầu thực vật phổ biến ở Việt Nam năm 2005

Bảng 1-2 Giá của một số loại dầu thực vật phổ biến ở Việt nam [2]

TT SẢN PHẨM ĐVT DẦU THÔ GIÁ MUA

(VND)

GIÁ BÁN SAU TINH LUYỆN (VND)

GHI CHÚ

Nhập khẩu

Mua trong nước

1.2.3 Quy hoạch phát triển một số loại dầu thực vật phổ biến ở Việt Nam [1]

· Quy hoạch vùng nguyên liệu:

Tập trung khai thác diện tích trồng các loại cây có năng suất cao, chất lượng tốt

hiện có để nâng cao sản lượng nguyên liệu cho chế biến

Quy hoạch mở rộng diện tích các cây có dầu truyền thống thành các vùng nguyên liệu tập trung để đáp ứng một phần nguyên liệu cho chế biến dầu thực vật Đầu tư mở rộng và hình thành các vùng chuyên canh các loại cây có dầu theo định hướng sản xuất hàng hóa để

có thể cạnh tranh với các nước trong khu vực Phát triển cây có dầu gắn liền với chương trình chuyển đổi cây trồng góp phần xây dựng phát triển kinh tế

· Quan điểm và định hướng phát triển

Các cây có dầu chủ yếu ở nước ta có thể chọn: Đậu Tương, Lạc, Vừng, Dừa, Sở, Trẩu, Bông và Cám gạo Riêng cây Hướng dương cần trồng thử nghiệm đại trà mới có cơ

sở để lập kế hoạch phát triển

Bảng 1-3 Quy hoạch phát triển nguồn nguyên liệu [1]

Loại cây có

Diện tích gieo trồng (1000 ha)

Khối lượng để chế biến dầu (1000 tấn)

Diện tích gieo trồng (1000 ha)

Khối lượng để chế biến (1000 tấn)

· Dự kiến nhu cầu vốn đầu tư phát triển các loại cây có dầu đến năm 2010

- Vốn đầu tư trồng Lạc, Vừng, đậu Tương: 1.537,6 - 2.652,6 tỷ đồng

- Vốn đầu tư trồng Dừa: 394,0 – 399,8 tỷ đồng

- Vốn đầu tư trồng và chăm sóc cây Sở, Trẩu: 680,8 tỷ đồng Tổng cộng 2.612,4 – 3.733,2 tỷ đồng

· Quy hoạch phát triển công nghiệp chế biến dầu thực vật

Quy hoạch khâu tinh luyện dầu:

Để phù hợp với mục tiêu phát triển ngành đã đề ra, dự kiến cân đối phát triển công suất tinh luyện dầu và nhu cầu dầu thực vật đến năm 2010:

· Quy hoạch đến năm 2010:

Đưa nhà máy tinh luyện dầu Bình Dương công suất 120.000 tấn /năm của công ty DASO vào hoạt động (năm 2004 )

VOCARIMEX đầu tư di chuyển nhà máy dầu Tường An và kết hợp xây dựng mới nhà máy tinh luyện dầu tại khu công nghiệp phú Mỹ 1, thuộc tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu công suất 180.000 tấn /năm Vốn đầu tư ước khoảng 300 tỷ đồng

VOCARIMEX đầu tư xây dựng nhà máy tinh luyện dầu tại cảng dầu thực vật, Quận 7, Thành Phố Hồ Chí Minh, hoặc tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu công suất 180.000 tấn /năm, vốn đầu tư ước khoảng 300 tỷ đồng

· Quy hoạch khâu ép và trích ly

Theo tính toán, đến năm 2005, nguồn nguyên liệu trong nước mới đáp ứng được từ (14,3 –15)% nhu cầu của ngành, năm 2010, có thể đáp ứng được từ (18,3 - 32,6)% nhu cầu Để các vùng nguyên liệu có điều kiện phát triển, các nhà máy ép, trích ly dầu thô cần

đi trước một bước Giai đoạn đầu có thể sử dụng nguyên liệu nhập (đậu Tương ), sau đó từng bước thay thế bằng nguyên liệu trong nước

Bảng 1-5 Quy hoạch trích ly dầu

trích ly (triệu tấn nguyên liệu /năm )

Công suất ép (tấn nguyên liệu /năm )

Tổng công suất (tấn nguyên liệu /năm )

900.000 273.100 – 406.000 933.100 - 1.306.000

- Xây dựng xưởng phân loại và ép dầu Vừng tại An Giang, công suất 10.000 tấn /năm, vốn đầu tư khoảng 4 tỷ đồng

Bảng 1-6 Nhu cầu vốn đầu tư chế biến dầu thực vật đến năm 2010:

Các hạng

Khâu ép và trích ly:

-Đầu tư cải tạo mở rộng -Đầu tư mới khâu tinh luyện (đầu tư mới ):

Tổng hợp nhu cầu vốn đầu tư toàn ngành đến 2010:

- Vốn đầu tư phát triển nguồn nguyên liệu: 2.612,4 -3.733,2 tỷ đồng

- Vốn đầu tư cho khu công nghiệp chế biến 1.014,0 – 1.252,0 tỷ đồng

Tổng cộng: 3.626,4 -4.985,2 tỷ đồng

· Định hướng phân vùng:

Đối với công đoạn tinh luyện, những dự án đầu tư mới sẽ được phân bố trí ở những nơi có thị trường tiêu thụ và hạ tầng phát triển Đối với công đoạn ép và trích ly dầu thô, tùy từng trường hợp các dự án đầu tư mới có thể bố trí ở gần vùng trồng cây nguyên liệu tập trung lớn

Đầu tư kết hợp tận dụng những cơ sở vật chất có sẵn, những xưởng ép và trích ly dầu thô đầu tư mới quy mô lớn sẽ bố trí vệ tinh gần các nhà máy chế biến, tinh luyện, gần cảng biển nhằm tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có, giảm bớt chi phí ban đầu, hạ gía thành sản phẩm, tăng tính cạnh tranh với dầu thô nhập ngoại, đặc biệt có thể kết hợp sử dụng nguyên liệu trong nước lẫn nguyên liệu nhập khẩu

· Về phát triển nguyên liệu:

Đối với cây Trẩu, cây Sở cần lồng ghép phát triển vùng nguyên liệu với các chương trình trồng rừng đầu nguồn, rừng phòng hộ và phủ xanh đất trồng đồi núi trọc để tranh thủ đầu tư ngân sách

Chương trình trồng Sở với quy mô lớn đang triển khai lớn tại Nghệ An, Thanh Hóa, Hà Giang, Lạng Sơn, Quảng Ninh…cần nhân rộng ra các tỉnh trung du miền núi phía bắc và các tỉnh trung bộ khác

Khuyến khích nông dân đưa các cây có dầu mới như: đậu Tương, Lạc, Vừng vào sản xuất đại trà kết hợp với thâm canh, mở rộng diện tích gieo trồng phát triển thành vùng nguyên liệu quy mô lớn

1.3 MỘT SỐ THÔNG SỐ NHIỆT ĐỘNG ĐẶC TRƯNG CỦA DẦU DIESEL

1.3.1 Mật độ

Mật độ của một chất là đại lượng đặc trưng cho số lượng chất đó có trong một đơn

vị thể tích của nó So với một số chỉ tiêu kỹ thuật khác, mật độ không phải là chỉ tiêu chất lượng quan trọng của nhiên liệu hoặc chất bôi trơn Nó thường được sử dụng vào những mục đích sau đây:

- Tính toán chuyển đổi giữa thể tích và khối lượng, chuyển đổi giữa thể tích ở nhiệt độ này sang thể tích ở nhiệt độ khác

- Đánh giá sơ bộ thành phần hoá học của sản phẩm dầu mỏ Nếu hai loại sản phẩm dầu

mỏ có cùng nhiệt độ sôi thì sản phẩm nào có mật độ cao hơn thường có hàm lượng Hyđrôcacbon loại Naphthene và Aromatic cao hơn; sản phẩm có mật độ thấp thường chứa nhiều Parafin

- Đánh giá sơ bộ nhiệt trị của nhiên liệu Nhiệt trị của nhiên liệu thường giảm theo chiều tăng của mật độ

Mật độ của sản phẩm dầu mỏ có thể được đánh giá thông qua nhiều đại lượng khác nhau, như : khối luợng riêng, trọng lượng riêng, tỷ khối, v.v

· Khối lượng riêng – khối lượng của một đơn vị thể tích của một chất

- m – khối lượng riêng của chất có trong thể tích V, [kg]

· Trọng lượng riêng – trọng lượng của một đơn vị thể tích của một chất

G - trọng lượng của chất chứa trong thể tích V, [N]

· Tỷ khối ( tỷ trọng ) của một chất là một đại lượng không thứ nguyên, có trị số bằng khối lượng của một chất đó chia cho khối lượng của nước cất cùng thể tích

d =

2

1

m m

Trong đó

d – tỷ khối

m1 – khối lượng của một đơn vị thể tích mẫu thử ở nhiệt độ t1, (kg)

m2 – khối lượng của cùng một đơn vị thể tích nước cất ở nhiệt độ t2, (kg)

1.3.2 Nhiệt trị (H )

Nhiệt trị là lượng nhiệt năng tạo 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 đơn vị kj/kg, của nhiên liệu khí kj/m3 hoặc kj/kmol Ở ANH và MỸ, nhiệt trị tính bằng đơn vị Btu/1b hoặc Btu/ft3

Nhiệt trị là một chỉ tiêu chất lượng cơ bản của tất cả các loại nhiên liệu Nhiệt trị

có thể được xác định bằng nhiệt lượng kế đẳng tích ( nhiệt lượng kế kiểu bom ) hoặc nhiệt lượng kế đẳng áp bằng cách đốt cháy một lượng xác định mẫu thử rồi đo nhiệt lượng tỏa ra và tính toán nhiệt trị Khi tính toán, chúng ta thường lấy nhiệt trị từ các bảng

số liệu có sẵn Để tránh nhầm lẫn, cần phân biệt các loại nhiệt trị sau đây:

· Nhiệt trị đẳng áp (Hp ) nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị

số lượng nhiên liệu sau khi làm lạnh sản phẩm cháy đến nhiệt độ bằng nhiệt độ của hỗn hợp trước lúc đốt cháy trong điều kiện áp suất của sản phẩm cháy đã được làm lạnh bằng

áp suất của khí hỗn hợp trước lúc đốt cháy

· Nhiệt trị đẳng tích (Hv) - nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn một đơn

vị số lượng nhiên liệu sau khi đã làm lạnh sản phẩm cháy đến nhiệt độ của hỗn hợp trước lúc đốt cháy trong điều kiện không thay đổi thể tích của sản phẩm cháy và hỗn hợp trước lúc đốt cháy

Phương trình cân bằng năng lượng nhiệt kế đẳng tích:

Ec + Um = Up + Hv {1.4}

Ec =( Hv +Up -Um )T {1.5}

Kí hiệu trong các công thức {1.1} đến {1.5} như sau ;

Uf ,Ua, Um, UP – nội năng của nhiên liệu, không khí, hỗn hợp cháy và sản phẩm cháy tương ứng

· Nhiệt trị cao ( Hh) – nhiệt lượng thu được khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị số lượng nhiên liệu, bao gồm cả lượng nhiệt tỏa ra do sự ngưng tụ của hơi nước có trong sản phẩm cháy khi ta làm lạnh nó đến nhiệt độ bằng nhiệt độ ban đầu

· Nhiệt trị thấp ( Hl ) – nhiệt lượng thu được trong trường hợp nước có trong sản phẩm cháy vẫn ở trạng thái hơi Như vậy, nhiệt trị thấp nhỏ hơn nhiệt trị cao một lượng bằng nhiệt ẩn hóa hơi của nước có trong sản phẩm cháy

1.3.3 Độ nhớt

Lực cản giữa các phân tử khi chất lỏng chuyển động dưới tác động của ngoại lực được gọi là độ nhớt Nếu độ nhớt của nhiên liệu diesel quá lớn sẽ gây khó khăn cho tính lưu động của nhiên liệu từ thùng chứa đến bơm, giảm độ tin cậy cho hoạt động của bơm, gây khó khăn cho việc xả khí khỏi hệ thống và việc xé tơi, phun sương nhiên liệu qua vòi phun sẽ kém, khiến nhiên liệu và không khí hòa trộn không đều, làm giảm công suất của động cơ Nhưng nếu độ nhớt của nhiên liệu diesel nhỏ quá sẽ gây khó khăn cho việc bôi trơn mặt ma sát của các cặp bộ đôi bơm cao áp và vòi phun, làm tăng nhiên liệu rò qua khe hở các cặp bộ đôi, ngoài ra còn làm giảm hành trình tia nhiên liệu trong buồng cháy

Như vậy cần đảm bảo độ nhớt hợp lý Nói chung độ nhớt tương đối của nhiên liệu diesel nhẹ trong khoảng E 20 * =(1- 2) O E

1.3.4 Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy

· Nhiệt độ chớp lửa (tf ) - 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

4

3

1 2

· Nhiệt độ bắt cháy (tb ) - 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 Nhiệt độ chớp lửa của sản phẩm dầu mỏ

đo bằng cốc hở cao hơn khi đo bằng cốc kín khoảng (20 –25)0C

Khi thí nghiệm xác định nhiệt độ chớp lửa bằng cốc hở (Hình.1–2 ), rót mẫu thử vào cốc nhỏ và đặt vào một nhiệt kế Đun nóng cốc lớn và thỉnh thoảng đưa ngọn lửa mồi vào gần bề mặt mẫu thử Nhiệt độ trên nhiệt kế tại thời điểm ngọn lửa xanh lần đầu xuất hiện trên một phần hoặc trên toàn bộ bề mặt cốc nhỏ khi đưa ngọn lửa đến gần được coi

là nhiệt độ chớp lửa (tf ) Nhiệt độ bắt cháy (tb ) là nhiệt độ chỉ trên nhiệt kế tại thời điểm mẫu thử bắt cháy và tiếp tục cháy trong khoảng thời gian ít nhất là 5 giây

Hình 1-2 Cốc hở

1 – Bếp điện, 2 – Cốc lớn đựng cát,

3 – Cốc nhỏ đựng mẫu thử, 4 – Que châm lửa,

5 – Nhiệt kế

1.3.5 Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ động đặc

· Nhiệt đô vẩn đục – nhiệt độ mà tại đó sản phẩm dầu mỏ bắt đầu vẩn đục đó là

sự kết tinh của Parafin, nước và những chất khác

· Nhiệt độ đông đặc – nhiệt độ tại đó sản phẩm dầu mỏ mất tính lưu động Nhiệt

độ vẩn đục được xác định bằng cách làm lạnh mẫu thử và ghi nhận nhiệt độ vẩn đục tại thời điểm mẫu thử bắt đầu trở thành không trong suốt Để xác định nhiệt độ đông đặc, người ta rót vào ống nghiệm tiêu chuẩn và nhúng thẳng đứng ống vào hỗn hợp lạnh có nhiệt độ nhất định Sau khi mẫu thử có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hỗn hợp lạnh, nghiêng ống nghiệm một gốc 450 và giữ như vậy trong hỗn hợp lạnh khoảng 1 phút lấy ống ra và giữ ống ở tư thế nghiêng; nếu mẫu thử không xê dịch thì nhiệt độ của hỗn hợp lạnh được coi là nhiệt độ đông đặc của mẫu thử; nếu xê dịch thì lặp lại thí nghiệm với nhiệt độ thấp hơn

1.3.6 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 a - MêthylNaphthalen (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 a -C10H7CH3 n – C16H34 là một Hyđrôcacbon loại Paraphin thường có tính bốc cháy rất cao, người ta quy ước số Cetan của nó bằng 100 ; còn a - C10H7CH3 là một Hyđrôcacbon thơm, chứa một nhóm Mêthyl trộn lẫn với các nguyên tử Hyđrôgen a, khó tự bốc cháy, có số Cetan quy ước bằng không

Phương pháp xác định số Cetan được áp dụng phổ biến hiện nay là so sánh tỷ số nén tới hạn (ecr ) của nhiên liệu thí nghiệm và của nhiên liệu chuẩn trên một loại động cơ

ở một chế độ quy ước Trên thị trường hiện nay có nhiều loại động cơ thí nghiệm được sử dụng để xác định tính tự bốc cháy của nhiên liệu khi thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM D613 – 61T, điều kiện hoạt động của động cơ như sau:

Tốc độ quay : 900 ( v/ph ) Góc phun sớm nhiên liệu : 130 ( gqtk trước ĐCT) Nhiệt độ nước làm mát : 212 0 F (86.88)0C Nhiệt độ không khí nạp : 150 0F (51,33)0C Tính 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 Thời gian chậm cháy dài sẽ dẫn đến hàng loạt hậu quả sau đây:

- Làm tăng phụ tải cơ học tác dụng lên cơ cấu truyền lực của động cơ do nhiên liệu tập trung trong giai đoạn chậm cháy nhiều hơn dẫn đến tốc độ tăng áp suất (wpm ) và

Hình 1-3 Thiết bị chưng cất nhiên liệu

1 –Bếp điện ; 2 –Nhiên liệu thử nghiệm (100ml )

3 – Nhiệt kế ; 4 –Bình ngưng; 5 – Bình đo

Trên thực tế người ta thường dùng các đường cong chưng cất để đánh giá tính bay hơi của nhiên liệu Dùng thiết bị chưng cất (Hình.1-3) cứ 10 0C một lần xác định số lượng chất lỏng chưng cất được, cuối cùng vẽ các đường cong (Hình.1- 4) đó là các đường cong chưng cất của các loại nhiên liệu Cách chưng cất như trên, nhiên liệu hoàn toàn cách ly với không khí Trên thực tế, nhiên liệu được bay hơi trong hỗn hợp nhiên liệu và không khí để tạo thành hoà khí, do đó điều kiện bay hơi của nhiên liệu trong động cơ khác xa điều kiện chưng cất, mặc dù cách chưng cất kể trên có thể đánh giá mức độ khó hoặc dễ hoá hơi của các loại nhiên liệu Vì vậy, còn có cách chưng cất cân bằng trong không khí

và nhiên liệu hoà trộn trước với nhau theo tỷ lệ m = Gk /Gnl (Gk khối lượng không khí ;

Gnl khối lượng nhiên liệu ), giữ hỗn hợp ở nhiệt độ không đổi, xác định lượng nhiên liệu được bay hơi trong điều kiện cân bằng ấy Kết quả xác định được số phần trăm nhiên liệu bay hơi ở các nhiệt độ khác nhau (các đường đứt trên Hình.1- 4 ) thí nghiệm trên thấy rõ, nhiệt độ bay hơi thực tế thấp hơn nhiều so với nhiệt độ chưng cất cách ly với không khí

Hình 1-4 Đường đặc tính chưng cất cách ly của nhiên liệu (đường liền) và đường đặc tính chưng cất cân bằng trong

lúc bắt đầu cháy ) tốc độ và số lượng bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc nhiều 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 Thời gian hình thành hoà khí của động

cơ diesel cao tốc rất ngắn, do đó đòi hỏi tính bay hơi cao của nhiên liệu Nhiên liệu có nhiều 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 nhiên liệu chưa kịp bay hơi khi hoà khí đã cháy, do tác dụng của nhiệt độ cao dễ bị phân giải (Cracking ) tạo nên các hạt C khó cháy, kết quả làm tăng nhiệt độ khí xả của động cơ, tăng tổn thất nhiệt, tăng muội than trong buồng cháy và trong khí xả làm giảm hiệu suất và độ hoạt động tin cậy của động

cơ Nhưng nếu thành phần chưng cất nhẹ quá, sẽ khiến hoà khí khó tự cháy, làm tăng thời gian cháy trể, và hoà khí đã bắt đầu tự cháy thì hầu như toàn bộ thành phần chưng cất nhẹ của nhiên liệu đã phun vào động cơ sẽ bốc cháy tức thời, khiến tốc độ tăng áp suất rất lớn, gây tiếng nổ không êm Mỗi loại buồng cháy của động cơ diesel đòi hỏi khác nhau

về tính bay hơi của nhiên liệu Các buồng cháy dự bị và xoáy lốc có thể dùng nhiên liệu với thành phần chưng cất nhẹ Thực nghiệm chỉ rằng: các buồng cháy ngăn cách có thể dùng nhiên liệu có thành phần chưng cất khá rộng từ (150 – 180)oC đến (360 – 400)oC, buồng cháy thống nhất dùng nhiên liệu có thành phần chưng cất khoảng (200 – 330)oC

riêng động cơ đa nhiên liệu không có yêu cầu gì đặc biệt đối với tính bay hơi của nhiên liệu

1.3.8 Hàm lượng tạp chất

Dầu diesel, đặc biệt là dầu cặn, thường chứa một lượng tạp chất đáng kể có nguồn gốc từ dầu mỏ ( ví dụ : S, V, Na, P, ) hoặc từ môt trường xung quanh thâm nhập vào trong quá trình chế biến, vận chuyển, bảo quản và phân phối ( ví dụ :nước, đất cát, )

· Hàm lượng nước ( tiêu chuẩn xác định ASTM D 95) Nước lẫn vào nhiên liệu làm tăng sự điện ly của các chất gây ăn mòn có lẫn trong sản phẩm Hàm lượng nước được xác định đối với các loại, nhiên liệu nặng như diesel, nhiên liệu đốt lò và các loại dầu nhờn Phương pháp xác định là chưng cất tách nước trong dụng cụ thí nghiệm

chuyên dùng Quy định hàm lượng nước trong nhiên liệu diesel không vượt quá giới hạn cho phép

· Hàm lượng lưu huỳnh (S ) Lưu huỳnh trong nhiên liệu tồn tại dưới dạng tự do hoặc hợp chất Mercaptan, Sulffide, v v dù tồn tại ở dạng nào, lưu huỳnh đều có tác động

- Sulfur (S) tự do sẽ được đốt cháy thành SO2 một phần SO2 bị ôxy hoá tiếp thành

SO3 dưới tác dụng xúc tác của ôxy sắt (Fe2O3 ) và một số chất khác có trong nhiên liệu

Sau đó, SO3 kết hợp với hơi nước để tạo thành (H2SO4 )

- Phương pháp xác định theo tiêu chuẩn ATSM D129 dùng xác định hàm lượng lưu huỳnh tổng số (%kl ) bằng cách đốt mẫu phân tích trong bom khí ôxy có thể tích không nhỏ hơn 300 ml và ở áp suất cao Các hợp chất lưu huỳnh cháy trong điều kiện này hình thành SO3, được chuyển thành muối kết tủa (BaSO4 ) Lượng muối này được định lượng theo phương pháp phân tích khối lượng

Bảng 1-7 Thông số của Nhiên liệu diesel – PERTROLIMEX [3]

2 Thành phần chưng cất, {oC} : max -t50

7.Hàm lượng nước, {% vol } 0,05 0,05

9.Khối lượng riêng ở 20oC,{g/cm3 }, max

1.4 MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA DẦU THỰC VẬT PHỔ BIẾN Ở VIỆT NAM

1.4.1 Một số thông số của dầu Dừa

Bảng 1-8 Thông số của dầu Dừa [5]

1.4.2 Một số thông số của dầu đậu Nành

Bảng 1 –9 Thông số của dầu đậu Nành [5]

1.4.3 Một số thông số của dầu đậu Phộng.

Bảng 1-10 Thông số của dầu đậu Phộng.[5]

Hình.1-5 Dụng cụ đo độ nhớt

Mã hiệu:

LABORMUSZERIPARIMUVEK Budapost - Hunggary

Ta xác định độ nhớt của dầu Dừa như sau:

- Cho 250 ml dầu Dừa ở nhiệt độ bất kỳ vào nhớt kế sau đó tính thời gian cần thiết để 200 ml dầu Dừa chảy qua thiết bị đo

- Cho 250 ml nước cất ở 200C vào nhớt kế sau đó tính thời gian cần thiết để 200

ml nước cất chảy qua thiết bị đo

- Để phương pháp đo được chính xác thì khi thử cần để chất lỏng chảy thành dòng

Tính độ nhớt theo công thức Engler

t0 - thời gian cần thiết để 200 ml nước cất chảy qua nhớt kế ở 200C

1.5 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN LOẠI DẦU THỰC VẬT LÀM NHIÊN LIỆU THAY THẾ CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

1.5.1 Bảng so sánh các thông số nhiệt động của dầu thực vật và dầu diesel

Bảng 1-11 So sánh thông số giữa dầu thực vật và dầu diesel

Độ nhớt ở 330C [0E]

dầu thực vật tương đương với dầu diesel Có như vậy, dầu thực vật mới có thể làm nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ diesel

1.5.2 Phân tích lựa chọn loại dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế

Bảng 1 –12 So sánh thông số của ba loại dầu thực vật phổ biến

Trị số Cetan Chưa xác định Chưa xác định Chưa xác định

- Điều kiện ở nước ta không thể đo được tính bay hơi của dầu thực vật Vì dầu thực vật có nhiệt độ sôi rất cao khoảng trên 3000C, trong khi máy đo tính bay hơi ở nước ta chủ yếu dùng xác định tính bay hơi của dầu mỏ có nhiệt độ sôi để chưng cất dầu diesel giới hạn khoảng (200 –300)0C

- Trị số Cetan của dầu thực vật không thể xác định được vì ở nước ta đo trị số Cetan gián tiếp qua điểm sôi 50% V và 0API theo công thức:

TSXT = 454,74 –1641,416D + 774,74D2 – 0,554B +97,803 (log B)2 {1.6}

Trong đó:

D: tỷ trọng của nhiên liệu diesel d 15/15

B : điểm sôi 50%V đo bằng 0C

Cũng có thể tính trị số Cetan theo công thức khác như sau:

Cũng có thể không tính bằng công thức mà sử dụng biểu đồ quan hệ giữa 0API và điểm sôi 50%V để xác định trị số Cetan của nhiên liệu diesel

Tóm lại tính bay hơi, trị số Cetan của dầu thực vật rất kém so với dầu diesel Vì thế chưa thể dựa vào tính bay hơi, trị số Cetan để lựa chọn loại dầu làm nhiên liệu thay thế Vậy, trước mắt chúng ta chọn loại dầu làm nhiên liệu dựa vào độ nhớt, tỷ trọng của

các loại dầu đo được Qua bảng số liệu của ba loại dầu trên, thì chỉ có dầu Dừa là có

độ nhớt và tỷ trọng nhỏ nhất nên ta chọn dầu Dừa làm nhiên liệu thay thế

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG PHUN CỦA DẦU THỰC VẬT.

2.1 TỔNG QUAN CHẤT LƯỢNG PHUN NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG

CƠ DIESEL

2.1.1 Giới thiệu hệ thống phun nhiên liệu thường gặp

Hệ thống phun nhiên liệu thường gặp là tên gọi mang tính quy ước của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp có những đặc điểm sau đây: toàn bộ hệ thống phun nhiên liệu đuợc tổ hợp từ các ‘’tiểu hệ thống phun’’ hoàn toàn giống nhau Mỗi hệ thống phun được cấu thành từ một phần tử bơm, 1 ống cao áp và một vòi phun nhiên liệu (Hình 2- 1)

Động cơ có bao nhiêu Cylindre thì có bấy nhiêu hệ thống phun Các tiểu hệ thống phun hoạt động độc lập với nhau Thông thường, động cơ nhiều Cylindre vẫn có thể làm việc nếu một hoặc vài tiểu hệ thống phun bị hỏng

Hình 2- 1 Cấu tạo tiểu hệ thống phun

1 – Cam nhiên liệu, 2 – Con đội,

3 – Lò so khứ hồi, 4 – Piston,

5 – Vành răng và thanh điều khiển,

6 – Xylanh, 7 –Van triệt hồi ,

N - Khoang nạp, B – Khoang bơm,

C - Khoang cao áp, F – Khoang phun.

2.1.2.Chất lượng tạo hỗn hợp cháy ở động cơ diesel

· Yêu cầu về chất lượng tạo hỗn hợp cháy ở động cơ diesel

- Nhiên liệu phải hóa hơi nhanh

- Nhiên liệu phải hòa trộn đều với không khí

- Giảm thời gian cháy trễ

- Giảm thời gian cháy rớt

- Tăng lượng nhiên liệu và tốc độ trong thời gian cháy chính

- Hệ số dư lượng không khí a phải phù hợp với các chế độ hoạt động của động

- Cấu trúc tia nhiên liệu

- Quy luật phun

Lượng nhiên liệu chu trình (gct ) và độ định lượng không đồng đều (Dg )

· Góc phun sớm (F ) và độ định thời không đồng đều (DF )

· Áp suất bơm (pb ) – áp suất của nhiên liệu đươc đo tại khoang bơm của bơm cao ( khoang bơm là không gian trong Cylindre của bơm cao áp được giới hạn bởi Piston, mặt dưới của van triệt hồi và thành Cylindre)

· Áp suất phun (pf ) – áp suất của nhiên liệu tại khoang phun ( không gian chứa nhiên liệu trong đầu phun của vòi phun)

· Áp suất mở vòi phun (pfo) – áp suất phun tại thời điểm kim phun bắt đầu được nâng lên khỏi bệ đỡ

· Hành trình của kim phun ( hk) – chuyển vị của kim phun trong quá trình phun nhiên liệu Quy ước lấy hk = 0 ứng với vị trí đóng kim phun, tức là khi kim phun còn tiếp xúc với bệ đỡ

Áp suất bơm (pb) và áp suất phun (pf) thay đổi theo góc quay trục khuỷu động cơ (Hình.2- 2) Đặc điểm biến thiên và trị số của pb, pf phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố, như : đặc điểm cấu tạo và tình trạng kỹ thuật của hệ thống phun, chế độ làm việc của động cơ, các hiện tượng thủy động diễn ra trong khoang nạp, khoang bơm và khoang cao áp, v.v

Áp suất mở vòi phun (pfo) là một thông số điều chỉnh quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tia nhiên liệu và chất lượng quá trình tạo hỗn hợp cháy, bởi vì khi thay đổi

áp suất mở vòi phun cũng có nghĩa là ta thay đổi đồng thời áp suất đóng vòi phun và áp suất phun trung bình trong quá trình phun nhiên liệu

Áp suất mở vòi phun cao hay thấp phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật của động cơ, trong đó cấu tạo buồng đốt và tốc độ quay là hai yếu tố quyết định Thông thường, pfo

=100 – 200 bar; trị số nhỏ dùng cho động cơ có buồng đốt ngăn cách với vòi phun kiểu chốt, trị số lớn – buồng đốt thống nhất với vòi phun kiểu lỗ Đối với một kiểu động cơ cụ thể, áp suất mở vòi phun được điều chỉnh theo trị số do nhà chế tạo quy định

Thời điểm bắt đầu hành trình bơm của piston của bơm cao áp được ký hiệu bằng điểm A trên đồ thị Thời điểm bắt đầu bơm hình học (thời điểm piston đóng hoàn toàn lỗ xả) được ký hiệu bằng điểm 1 nhiên liệu bắt đầu được bơm vào khoang cao áp khi áp suất trong khoang bơm cân bằng với áp suất dư trong ống cao áp và thắng sức căng của của lò xo van triệt hồi (điểm 2) Khi áp suất của nhiên liệu trong khoang phun đạt tới trị

số pfo ( điểm 3), kim phun được nâng lên khỏi vị trí tiếp xúc với bệ đỡ Đó chính là thời điểm thực tế bắt đầu phun nhiên liệu

Giai đoạn tính từ điểm 2 đến điểm 3 được gọi là giai đoạn chậm phun (j23)

Thông thường j23 = 2 –150 gqtk

Góc quay trục khuỷu tính từ thời điểm thực tế bắt đầu bơm (điểm 2) và thực tế bắt đầu phun ( điểm 3) đến thời điểm Piston của động cơ tới ĐCT gọi là góc bơm sớm (j )

và góc phun sớm (q) Việc xác định thời điểm thực tế bắt đầu phun nhiên liệu đòi hỏi những trang thiết bị phức tạp, bởi vậy thay vì phải kiểm chỉnh góc phun sớm, chúng ta thường kiểm chỉnh góc bơm sớm Rõ ràng là, với cùng một trị số góc bơm sớm, giai đoạn chậm phun càng lớn thì góc phun càng nhỏ

Thời điểm kết thúc phun hình học ( thời điểm rãnh chéo trên Piston thông với khoang nạp ) được ký hiệu bằng điểm 5 trên đồ thị Trong một thời gian rất ngắn sau thời điểm 5, nhiên liệu từ khoang bơm thoát ra khoang nạp với vận tốc rất lớn làm cho áp suất trong khoang bơm và khoang cao áp giảm xuống đột ngột Kim phun bắt đầu hành trình đóng tại thời điểm áp suất trong khoang phun đạt tới trị số nhỏ hơn pfo một ít ( điểm 6)

Thời điểm kết thúc chu trình công tác của hệ thông phun ( thời điểm Piston BCA trở lại điểm cận trên ) được ký hiệu bằng điểm 7 và điểm B

Giai đoạn kéo dài từ thời điểm bắt đầu phun thực tế ( điểm 3) đến thời điểm kết thúc phun hình học ( điểm 5) được gọi là giai đoạn phun chính (jII ) Giai đoạn phun chính dài hay ngắn phù thuộc vào tải của động cơ và được thể hiện bằng hành trình có ích của Piston của bơm cao áp Giai đoạn từ điểm 5 đến điểm 7 được gọi là giai đoạn phun rớt (jIII) Giai đoạn phun rớt diễn ra trong điều kiện áp suất phun đã giảm nhiều nên cấu trúc tia nhiên liệu không đảm bảo yêu cầu đối với quá trình tạo hỗn hợp cháy Rất nhiều bơm cao áp hiện nay được trang bị van triệt hồi giảm tải để rút ngắn giai đoạn phun rớt

Thời gian phun thực tế (j1 ) được tính từ thời điểm bắt đầu phun thực tế ( điểm 3) đến thời điểm kết thúc phun thực tế ( điểm 7)

Hình 2-2 Đồ thị biểu diễn quá trình phun nhiên liệu

2.1.3 Phun nhiên liệu trong động cơ diesel

Hình thành hoà khí trong động cơ diesel dùng buồng cháy thống nhất có đòi hỏi cao với chất lượng phun, tức là nhiên liệu phải được phun rất nhỏ, đều và được phân bố khắp không gian buồng cháy, mới đảm bảo cho nhiên liệu được sấy nóng, bay hơi nhanh

và hoà trộn đều với không khí trong đó để tạo hỗn hợp cháy tốt

Phun và xé tơi được thực hiện khi tia nhiên liệu đi qua các lỗ phun nhỏ (đường kính khoảng 0,3 –0,35 mm ) với tốc độ lớn

Do quá trình diễn biến rất phức tạp, nên việc nghiên cứu lý thuyết để xác định các thơng số của tia phun gặp rất nhiều khĩ khăn trở ngại, vì vậy người ta dùng phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu các hệ thống phun thực tế

Nghiên cứu thực nghiệm được làm trong buồng kín với áp suất khác nhau của mơi trường phun, dùng thiết bị chụp ảnh nhanh, nghiên cứu phát triển của tia nhiên liệu Cho tia nhiên liệu phun lên mặt kính, đặt vuơng gĩc với tia phun và cách lỗ phun với những khoảng khác nhau, trên mặt kính phủ một lớp Gơlixêrin hoặc nước thuỷ tinh mỏng chụp ảnh các vết hằn của các hạt nhiên liệu trên mặt phẳng ấy, đếm số hạt, đo đường kính từng hạt và xây dựng đặc tính phun nhiên liệu cho từng trường hợp

Đặc tính phun nhiên liệu (Hình.2- 3 ) thể hiện cả hai mặt chất lượng phun: nhỏ và đều Đường 1 – thể hiện vừa nhỏ vừa đều; Đường 2 – khơng nhỏ và khơng đều; Đường 3 – khơng nhỏ nhưng đều Như vậy hai nhánh lên và xuống của đặc tính càng dốc thì độ phun đều càng tốt, cịn đỉnh đường đặc tính càng sát trục tung thì độ phun nhỏ càng tốt

0 10 20 30 40

số hạt

Chất lượng phun nhỏ và đều của nhiên liệu phụ thuộc vào các yếu tố sau: kích thước lỗ phun, tốc độ trục cam, độ nhớt và lực căng mặt ngoài của nhiên liệu Tăng áp

suất phun sẽ làm tăng độ phun nhỏ

Giảm đường kính lỗ phun sẽ làm tăng độ phun nhỏ và phun đều

Tăng tốc độ trục cam bơm cao áp sẽ làm tăng tốc độ Piston của bơm, qua đó làm tăng áp suất phun, kết quả sẽ làm tăng độ phun nhỏ và phun đều của tia nhiên liệu

Sơ đồ cấu tạo của một tia nhiên liệu thể hiện ( Hình.2- 4)

Hình 2- 4 Sơ đồ cấu tạo của tia nhiên liệu

1- Phần lõi tia; 2 – Phần vỏ tia; 3 – Mật độ hạt; 4 – Phân bố tốc độ

Sau khi ra khỏi lỗ phun, dòng nhiên liệu được xé nhỏ và tạo thành tia Vì gặp cản của môi trường phun, nên càng xa lỗ phun tốc độ các hạt nhiên liệu trong tia càng thấp dần

Chuyển động của các hạt nhiên liệu thường tạo lực hút đối với lớp không khí bao quanh hạt đặc biệt là phần lõi tia, vì tại đây tốc độ kích thước, mật độ hạt đều lớn

Không khí cuốn theo tia nhiên liệu, một mặt làm giảm tốc độ tương đối của hạt so với không khí nhờ đó giảm lực cản của không khí đối với tia, mặt khác làm cho không khí trong tia bị dồn ra mặt ngoài

Phần nhiên liệu phun vào thường gặp sức cản của môi trường phun nên tốc độ bị giảm nhanh, số nhiên liệu phun sau đi vào môi trường cùng chiều chuyển động của tia ít gặp cản, nên sẽ đuổi kịp và gạt nhiên liệu phun trước ra rìa ngoài để trở thành mũi tia

như vậy tia nhiên liệu chia thành hai phần với những đặc điểm khác nhau: phần lõi 1 ( Hình.2- 4 ) mật độ kích và thước hạt lớn và phần vỏ 2 mật độ và kích thước hạt rất nhỏ

Phần lõi gặp cản của môi trường ít, tập trung các hạt có kích thước lớn và tốc độ cao nên động năng khá lớn Từ lõi đi ra, kích thước mật độ và tốc độ hạt giảm dần ( Hình.2- 4 ) nhưng hạt nhiên liệu nhỏ nhất thường nằm ngoài cùng của tia

· Cấu trúc tia nhiên liệu

Cấu trúc của tia nhiên liệu là thuật ngữ được sử dụng để biểu đạt khái niệm bao hàm đặc điểm của các tia nhiên liệu được hình thành trong buồng đốt trong quá trình phun Cấu trúc tia nhiên liệu bao gồm cấu trúc vĩ mô và cấu trúc vi mô

· Cấu trúc vĩ mô:

Được đặc trưng bằng số lượng, vị trí tương đối và kích thước của các tia Vòi phun nhiên liệu thường có từ 1 đến 8 lỗ phun và tạo ra số tia nhiên liệu tương ứng Kích thước mỗi tia nhiên liệu được đặc trưng bằng chiều dài ( Lf ) và góc nón ( af ) Các tia nhiên liệu

có thể được phân bố đối xứng hoặc không đối xứng qua đường tâm của vòi phun (Hình

đốt, điều đó không những làm nhiên liệu cháy rớt nhiều mà còn gia tăng cường độ hao mòn chi tiết do màng dầu bôi trơn trên mặt gương Cylindre bị tổn hại Các tia nhiên liệu quá ngắn và phân bố không hợp lý, kích thước các hạt nhiên liệu không đủ độ nhỏ đều ảnh hưởng xấu đến độ đồng nhất của hỗn hợp cháy

Trong một số trường hợp, người thiết kế chú ý phân bố các tia nhiên liệu không đối xứng hoặc để nhiên liệu được phun sao cho hình thành các màng nhiên liệu lỏng trên vách buồng đốt nhằm tạo ra quy luật hình thành hỗn hợp cháy có lợi nhất

Hình 2 5 Cấu trúc tia nhiên liệu

L f - Chiều dài tia nhiên liệu

a f - Góc nón tia nhiên liệu

b f , g - Các góc xác định vị trí các tia trong trường hợp đầu phun nhiều lỗ

· Quy luật phun nhiên liệu:

Quy luật phun nhiên liệu là khái niệm bao hàm thời gian phun và đặc điểm phân

bố tốc độ phun Có thể biểu diễn dưới dạng vi phân hoặc dưới dạng tích phân