Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel cao tốc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG MAI ĐỨC NGHĨA NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DIESEL – DẦU DỪA ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CAO TỐC Ngành đào tạo: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 62520116 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÁNH HỊA – 2017 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Nha Trang Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Hùng Thắng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Lê Duy Khải Phản biện 2: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng Phản biện 3: PGS.TS Phan Văn Quân MỞ ĐẦU LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Việt Nam quốc gia nằm khu vực nhiệt đới gió mùa, có tiềm lớn việc phát triển nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học Các nguồn nguyên liệu chủ yếu thời điểm để sản xuất mỡ cá basa, dầu Jatropha, dầu dừa Trong đó, dầu dừa xem nguồn nguyên liệu tốt điều kiện tự nhiên xã hội Việt Nam thích hợp thuận lợi cho phát triển dừa Mở rộng phạm vi sử dụng hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa làm nhiên liệu cho động diesel, ý nghĩa việc bảo vệ mơi trường mà giảm thiểu phụ thuộc nguồn nhiên liệu truyền thống khơng tái sinh Tuy nhiên, số tính chất lý hóa hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa như: Độ nhớt, trị số cetan, khối lượng riêng khả bay không nhiên liệu diesel nên sử dụng cho động không đạt hiệu cao giữ nguyên thông số phun nhiên liệu diesel (DO) MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu xác định thông số phun hợp lý hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp động diesel cao tốc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa nhằm nâng cao tiêu kinh tế môi trường ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu Thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa tiêu kinh tế, môi trường động diesel cao tốc có buồng cháy dạng ω 3.2 Phạm vi nghiên cứu Về lý thuyết: - Nghiên cứu quy luật thay đổi: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích, ge (g/kW.h) động diesel cao tốc theo góc phun sớm (φinj) áp suất phun (pinj) sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa B15 (15% dầu dừa 85% dầu diesel - B15) để đánh giá tiêu kinh tế; - Nghiên cứu quy luật thay đổi: Phát thải bồ hóng, phát hải NOx động diesel cao tốc theo φinj p inj sử dụng hỗn hợp nhiên liệu B15 để đánh giá tiêu môi trường Về thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm xác định góc phun sớm áp suất phun hỗn hợp nhiên liệu B15 theo tiêu kinh tế (ge) tiêu môi trường (bồ hóng, NOx) động diesel cao tốc 4CHE Yanmar NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng thông số phun nhiên liệu đến tiêu kinh tế môi trường động diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu B15; - Nghiên cứu mô ảnh hưởng thông số phun hỗn hợp nhiên liệu B15 đến tiêu kinh tế môi trường động diesel lý thuyết tính tốn động lực học lưu chất CFD (Computational Fluid Dynamics - CFD); - Nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số phun (φinj, pinj) hỗn hợp nhiên liệu B15 theo tiêu kinh tế môi trường động diesel cao tốc; - Xây dựng công thức điều chỉnh hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp động diesel cao tốc chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu B15 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô thực nghiệm kiểm chứng Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 6.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng thông số phun nhiên liệu đến góc nón tia phun, độ xuyên sâu tia phun, chiều dài phân rã, thời gian phân rã tia phun, trình hình thành hỗn hợp cháy, cháy hình thành phát thải động diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa Ứng dụng lý thuyết CFD biến đổi mơ hình cháy, mơ hình truyền nhiệt theo thơng số phun phục vụ mơ q trình cháy hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa Những kết sở khoa học việc nghiên cứu lượng thay cho động diesel 6.2 Tính thực tiễn đề tài Các kết nghiên cứu đạt đề tài sở cho việc tối ưu điều khiển vận hành hợp lý, nhằm tiết kiệm nhiên liệu giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho động diesel chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu thực vật, có hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa KẾT CẤU LUẬN ÁN Luận án kết cấu gồm chương phần kết luận, khuyến nghị: Chương 1: Tổng quan đề tài nghiên cứu; Chương 2: Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng thông số phun hỗn hợp dầu diesel dầu dừa đến tiêu kinh tế môi trường động diesel; Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng áp suất phun góc phun sớm hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa đến tiêu kinh tế môi trường động diesel lý thuyết CFD; Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm; Kết luận khuyến nghị HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN Luận án chưa nghiên cứu ảnh hưởng quy luật cung cấp nhiên liệu đến tiêu kinh tế môi trường động diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Xu hướng phát triển giải pháp nâng cao tiêu kinh tế, môi trường động diesel Động diesel hay gọi động tự cháy CI (Compression Ignition) có ưu điểm vượt trội so với động xăng tính kinh tế nhiên liệu, đạt 45% hiệu suất chuyển đổi nhiệt sang công học, động xăng đạt khoảng 30% Tuy nhiên, số tồn động diesel mà chủ yếu độ ồn, khí thải có nhiều chất độc hại Nhiều hãng sản xuất động như: Yanmar, Cummins, Mitsubishi, Deutz, Isuzu, áp dụng kỹ thuật đại việc chế tạo động để cải thiện hạn chế trên, cụ thể: Phun nhiên liệu điện tử (Common Rail), sử dụng hồi lưu khí xả (EGR), lọc bồ hóng Do đó, động diesel ngày sử dụng nhiều lĩnh vực giao thông vận tải số lĩnh vực khác phục vụ kinh tế xã hội Sự kết hợp nhiên liệu tổ chức tốt trình phun hướng nghiên cứu tốn kém, nâng cao tiêu kinh tế môi trường cho động diesel Bảng 1.1 trình bày số giải pháp nhằm giảm ô nhiễm nâng cao hiệu suất động diesel Bảng 1.2 trình bày số biện pháp tối ưu hóa q trình cháy động diesel dựa sở giải pháp đặt Bảng 1.1 Giải pháp giảm ô nhiễm nâng cao hiệu suất động diesel Giải pháp Xử lí bên động Thực - Cải thiện trình nạp động cơ; - Cải thiện trình phun nhiên liệu; - Cải thiện hình dáng buồng đốt Xử lí bên ngồi động - Sử dụng lọc xúc tác (Catalyst); - Sử dụng lọc bồ hóng Thay đổi thành phần nhiên liệu - Giảm nồng độ lưu huỳnh có nhiên liệu dầu diesel; (nhiên liệu thay thế) - Thêm phụ gia vào nhiên liệu; - Sử dụng nhiên liệu sinh học Bảng 1.2 Các biện pháp tối ưu hóa q trình cháy động diesel Biện pháp NOx Điều chỉnh góc phun sớm Hồi lưu khí thải (EGR) Hồi lưu khí thải có làm mát Tăng áp (Super charging) Làm mát khí nạp (Intercooling) Phun mồi (Pilot injection) Phun thêm (Post injection) Điều chỉnh áp suất phun Giảm tỷ số nén HC/CO + + - + + + + + Bồ hóng + + + - Suất tiêu hao nhiên liệu + + + Độ ồn 0 0 + Ghi chú: giảm (-), tăng (+), không thay đổi (0) 1.2 Nhiên liệu sinh học dùng cho động diesel Nhiên liệu sinh học dùng cho động diesel thời điểm Biodiessel, dầu thực vật nguyên gốc SVO (Straight Vegetable Oil - SVO) Dầu thực vật (dầu dừa) không cần tổng hợp thành Biodiesel mà pha trực tiếp vào dầu diesel thông qua tạo hỗn hợp Hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel - dầu dừa gia nhiệt đến 800C để giảm độ nhớt gần với nhiên liệu DO, nhiệt độ nguyên nhân khiến chiều dài tia phun hỗn hợp B15 ngắn so với DO Khi pha trộn dầu dừa nguyên gốc vào dầu diesel tỷ lệ thấp, mức chênh lệch giá trị nhiệt động không đáng kể so với dầu diesel, tăng tỷ lệ 10% có thay đổi lớn thơng số nhiệt động Từ phân tích trên, luận án nhận thấy số yếu tố hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa như: - Độ nhớt sức căng bề mặt; - Nhiệt độ khối lượng riêng nhiên liệu Những yếu tố có ảnh hưởng đến cấu trúc tia phun gồm độ xuyên sâu tia phun (S), chiều dài phân rã (lb), góc nón tia phun (θs), đường kính hạt nhiên liệu (D0) Kết luận chương 1: Nội dung chương luận án đề cập đến xu hướng phát triển giải pháp giúp nâng cao tiêu kinh tế mơi trường cho động diesel Phân tích, đánh giá kết đạt cơng trình nghiên cứu nước quốc tế sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ, xem xét khác biệt tính chất lý hóa dầu dừa, hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa so với dầu diesel Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN HỖN HỢP DẦU DIESEL - DẦU DỪA ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 Ảnh hưởng thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến tiêu kinh tế động diesel 2.1.1 Quá trình phun hình thành tia phun nhiên liệu Q trình phun nhiên liệu giúp nhiên liệu hồ trộn với khơng khí tăng diện tích bề mặt, tăng tốc độ bay cháy Đặc biệt động phun trực tiếp, trình phun biện pháp hiệu để kiểm sốt q trình cháy Trong đó, động tia phun nguồn tạo xốy lốc chính, khống chế việc hồ trộn khơng khí – nhiên liệu tốc độ lan truyền lửa hồ trộn trước, ảnh hưởng lớn đến q trình bắt cháy, toả nhiệt hình thành khí thải, ảnh hưởng đến độ ồn, tiêu hao nhiên liệu phát thải động Trên Hình 2.1 thể trạng thái tia phun nhiên liệu, nhiên liệu sau khỏi lỗ phun chia thành nhiều vùng khác nhau, vùng hạt nhiên liệu có biến đổi khác tập trung thành chùm tia nhiên liệu Hình 2.1 Các trạng thái hình thành tia phun nhiên liệu lỏng (1): Vùng lõi tia phun chưa phân rã (2): Vùng dòng lưu chất bắt đầu phân rã (phân rã sơ cấp) λ > khí (λ