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

B GIAO THÔNG V N T I TR NG B GIÁO D C VÀ ÀO T O I H C HÀNG H I VI T NAM NCS NGUY N C H NH NGHIÊN C U NH H NG C A H N H P NHIÊN LI U D U TH C V T - DIESEL N PHUN NHIÊN LI U, T O H N H P, CHÁY VÀ TÍNH N NG C A NG C DIESEL TÀU TH Y LU N ÁN TI N S K THU T H I PHỊNG – N M 2020 B GIAO THƠNG V N T I TR NG B GIÁO D C VÀ ÀO T O I H C HÀNG H I VI T NAM NCS NGUY N C H NH NGHIÊN C U NH H NG C A H N H P NHIÊN LI U D U TH C V T - DIESEL N PHUN NHIÊN LI U, T O H N H P, CHÁY VÀ TÍNH N NG C A NG C DIESEL TÀU TH Y LU N ÁN TI N S K THU T NGÀNH: K THU T C KHÍ NG L C; MÃ S : 95.20.116 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ B O TRÌ TÀU TH Y Ng ih ng d n khoa h c: PGS, TSKH ng V n Uy PGS TS Nguy n H I PHÒNG – N M 2020 i An L I CAM OAN Tôi xin cam đoan Lu n án công trình nghiên c u c a riêng tơi Các s li u, k t qu nêu lu n án trung th c ch a đ c cơng b b t k cơng trình khác Vi c tham kh o ngu n tài li u đ c trích d n ghi quy đ nh Tác gi lu n án Nguy n i c H nh L I CÁM N Tr c h t, xin g i l i c m n chân thành t i Ban Giám hi u, Vi n t o sau i h c, Khoa Máy tàu bi n – Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam t o m i u ki n thu n l i giúp đ tơi su t q trình làm lu n án Tơi xin bày t lòng bi t n chân thành t i t p th ng i h ng d n khoa h c là: PGS TSKH ng V n Uy PGS TS Nguy n i An v nh ng h ng d n khoa h c nghiêm túc đ ng ý cho phép s d ng m t ph n k t qu c a tài NCKH & PTCN c p Qu c gia “Nghiên c u s d ng nhiên li u diesel sinh h c h n h p gi a d u th c v t d u diesel cho đ ng c diesel tàu th y”, mã s T.04.11/NLSH - Thu c án phát tri n NLSH đ n n m 2015, t m nhìn đ n n m 2025 c a B Công th ng đ nghiên c u sinh hồn thành lu n án Tơi xin chân thành c m n Trung tâm thí nghi m h đ ng l c - Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam t o u ki n thu n l i đ nghiên c u sinh ti n hành nghiên c u th c nghi m hoàn thành ph n th c nghi m c a lu n án Tơi xin bày t lòng bi t n đ n th y, nhà khoa h c thu c Tr ng Câu l c b C khí đ ng l c đóng góp nhi u ý ki n quý báu cho nghiên c u sinh trình th c hi n hồn thành lu n án Tơi xin bày t lòng bi t n đ n t t c b n bè, đ ng nghi p nh ng ng i thân gia đình đ ng viên giúp đ r t nhi u trình th c hi n lu n án Nghiên c u sinh Nguy n ii c H nh M CL C L I CAM OAN i L I CÁM M N ii U LÝ DO TH C HI N TÀI M C ÍCH NGHIÊN C U IT PH NG VÀ PH M VI NGHIÊN C U NG PHÁP NGHIÊN C U Ý NGH A KHOA H C VÀ TH C TI N CÁC I M ÓNG GÓP M I K T C U C A LU N ÁN CH NG T NG QUAN 1.1 H th ng nhiên li u đ ng c diesel tàu th y 1.1.1 Phân lo i h th ng nhiên li u đ ng c diesel tàu th y 1.1.1.1 H th ng nhiên li u nh (DO) 1.1.1.2 H th ng nhiên li u n ng (HFO ho c FO) 1.1.2 H th ng phun nhiên li u đ ng c diesel tàu th y 10 1.1.2.1 Yêu c u đ i v i h th ng phun nhiên li u cho đ ng c diesel tàu th y 10 1.1.2.2 Vòi phun 11 1.2 Xu th ng d ng gi i pháp nh m c i thi n ch tiêu kinh t môi tr ng c a đ ng c diesel tàu th y hi n 13 1.3 Nh ng qui đ nh pháp lý Qu c t v phát th i khí NOx đ i v i đ ng c diesel tàu th y 15 1.4 Nhiên li u sinh h c xu h ng ng d ng cho đ ng c diesel tàu th y 16 1.4.1 Nhiên li u sinh h c dùng cho đ ng c diesel 16 1.4.2 Nhiên li u sinh h c dùng nghiên c u lu n án 17 1.4.3 u, nh c m c a nhiên li u h n h p d u c - d u diesel dùng cho đ ng c diesel tàu th y so v i h n h p biodiesel - diesel 18 1.4.4 Nh ng qui đ nh t i Vi t Nam v phát tri n NLSH 21 1.5 T ng quan v cơng trình khoa h c ngồi n c liên quan lu n án 22 1.5.1 Các nghiên c u th gi i 22 1.5.2 Các nghiên c u t i Vi t Nam 24 iii 1.6 Nh ng thông s c b n nh h ng đ n ch t l ng trình phun t o h n h p-cháy c a h n h p d u th c v t – d u diesel đ ng c diesel tàu th y 27 CH NG C S LÝ THUY T ÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LI U I V I NG C DIESEL TÀU TH Y VÀ GI I PHÁP HI U CH NH NH M T CH TIÊU MÔI TR NG, KINH T 31 2.1 Các đ c tính phun nhiên li u 32 2.1.1 c tính v mơ 33 2.1.1.1 Chi u dài tia phun 33 2.1.1.2 Góc nón tia phun 35 2.1.1.3 Chi u dài phân rã s c p 36 2.1.2 c tính vi mơ 38 2.2 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n trình phun 41 2.2.1 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n th i m phun 41 2.2.2 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n th i gian cháy tr 44 2.2.3 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n áp su t phun 45 2.2.4 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n l u l 2.3 nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n phát th i NOx 48 ng phun 47 2.4 L a ch n mơ hình tốn xác đ nh nh h ng c a đ c tính nhiên li u đ n ch t l ng phun 49 2.5 C s lý thuy t CFD mô ph ng, đánh giá trình phun, t o h n h p cháy đ ng c diesel tàu th y 50 2.6 C s lý thuy t đ hi u ch nh HTPNL s d ng h n h p nhiên li u d u th c v t - diesel nh m đ t ch tiêu kinh t môi tr ng 55 2.7 K t lu n ch ng 61 CH NG NGHIÊN C U LÝ THUY T NH H NG C A H N H P NHIÊN LI U D U TH C V T - DIESEL N H TH NG PHUN NHIÊN LI U NG C DIESEL TÀU TH Y 62 3.1 ánh giá nh h ng c a nhiên li u h n h p đ n đ c tính tia phun nhiên li u 63 3.1.1 Các thông s k thu t c n thi t đ tính tốn 63 3.1.2 K t qu tính tốn v đ c tính tia phun 66 3.1.2.1 K t qu tính tốn v đ c tính v mơ c a tia phun 66 3.1.2.2 K t qu tính tốn v đ c tính vi mơ c a tia phun 67 3.1.2.3 So sánh, đánh giá đ c tính tia phun c a lo i nhiên li u 68 iv 3.1.3 Các k t qu tính tốn v nh h ng c a nhiên li u h n h p đ n th i m phun th i gian cháy tr 70 3.1.3.1 Các thông s đ u vào u ki n ban đ u 70 3.1.3.2 Các k t qu thu đ 3.1.4 K t qu tính tốn v c q trình tính tốn 71 nh h ng c a nhiên li u h n h p đ n l u l ng phun 72 3.1.5 M t s nh n xét 73 3.2 Mơ ph ng q trình phun nhiên li u vào đ ng c diesel tàu th y 74 3.2.1 Tính tốn mơ ph ng b ng ph n m m Ansys Fluent 74 3.2.1.1 t u ki n biên 74 3.2.1.2 Xây d ng mơ hình nghiên c u chia l i khơng gian tính tốn 75 3.2.2 K t qu tính tốn mơ ph ng 77 3.2.2.1 Tr ng phân b áp su t trình phun nhiên li u 77 3.2.2.2 Tr ng phân b v n t c bi u di n theo đ 3.2.2.3 Tr ng phân b v n t c theo đ 3.2.2.4 Tr ng phân b v n t c bi u di n theo đ 3.2.2.5 Tr ng phân b v n t c bi u di n theo véc t 82 3.2.2.6 Tr ng phân b n ng l ng đ ng m c 79 ng dòng c a chùm 10 l phun 80 ng dòng c a l phun 81 ng đ ng n ng r i 84 3.3 Mơ ph ng q trình hòa tr n-cháy c a nhiên li u h n h p đ ng c diesel tàu th y 86 3.3.1 Ph ng án tính tốn mơ ph ng 87 3.3.2 Xây d ng mơ hình mơ ph ng q trình hòa tr n-cháy 88 3.3.2.1 L a ch n khu v c tính tốn 88 3.3.2.2 L a ch n mơ hình tính tốn 88 3.3.2.3 Xây d ng mơ hình nghiên c u chia l i khơng gian tính tốn 89 3.3.3 K t qu tính tốn cho lo i nhiên li u PO20 90 3.3.3.1 Phân b áp su t q trình hòa tr n - cháy 90 3.3.3.2 Phân b nhi t đ q trình hòa tr n - cháy 93 3.3.3.3 Phân b v n t c cháy trình hòa tr n - cháy 96 3.4 3.5 CH 4.1 ánh giá đ tin c y k t qu tính tốn mơ ph ng 101 K t lu n ch ng 103 NG NGHIÊN C U TH C NGHI M 104 M c đích, ch đ , u ki n đ i t v ng th c nghi m 104 4.1.1 M c đích 104 4.1.2 Ch đ t i đ ng c u ki n th c nghi m 104 4.1.3 4.2 it ng th c nghi m 105 Trang thi t b ph c v nghiên c u th c nghi m 105 4.2.1 xu t mơ hình th c nghi m 105 4.2.2 c m k thu t c a đ ng c diesel tàu th y 6LU32 106 4.2.3 c m k thu t c a thi t b đo 107 4.2.4 Nhiên li u thí nghi m 109 4.2.5 Quy trình đo x lý s li u th c nghi m 109 4.3 K t qu nghiên c u th c nghi m 110 4.3.1 Áp su t cháy xy lanh đ ng c 110 4.3.2 Th i m b t đ u phun áp su t phun l n nh t 111 4.3.3 Th i gian cháy tr c a nhiên li u 113 4.3.4 Su t tiêu hao nhiên li u 115 4.3.5 ánh giá s thay đ i c a l u l 4.3.6 Ch t l ng phun s ng phun 116 ng, t o h n h p cháy 117 4.3.7 Phát th i NOx 123 4.4 K t qu gi i pháp hi u ch nh b ng ph 4.4.1 Các b ng pháp quy ho ch th c nghi m 124 c th c hi n hi u ch nh phòng thí nghi m 124 4.4.2 K t qu hi u ch nh đ i v i h th ng nhiên li u 125 4.5 K t lu n ch ng 129 K T LU N VÀ KI N NGH : 130 K t lu n: 130 Ki n ngh : 131 DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH Ã CÔNG B C A TÁC GI LIÊN QUAN N LU N ÁN 132 TÀI LI U THAM KH O CÁC PH L C vi DANH M C CÁC CH VI T T T VÀ TI NG ANH Ch vi t t t Di n gi i Ansys Fluent Ph n m m mô ph ng đ ng l c h c dòng ch y ASTM Tiêu chu n v V t li u Th nghi m ASP Áp su t phun BCA B m cao áp Biodiesel Nhiên li u diesel sinh h c Biofuels Nhiên li u sinh h c CDI Common rail diesel injection (H th ng phun nhiên li u n t ) CFD Computational Fluid Dynamics (Tính tốn đ ng l c h c l u ch t ) CO Ơ xít bon Common rail H th ng phun nhiên li u n t dùng ECU CTCT CD (BOT) C T CT (TOP) Chu trình cơng tác i m ch t d i (Bottom) ng c đ t i m ch t (Top) DME Dimetyl Ete DO Diesel oil – d u nh DTV D u th c v t DWT Deadweight – Tr ng t i tàu (t n) EGR Exhaust Gas Recirculation (Tu n hồn khí th i) EOC K t thúc trình cháy FAME Fatty Acid Methyl Esters (Este metyl a xít béo) FUEL Nhiên li u GQTK Góc quay tr c khu u Grid; Gambit Ph n m m chia l i GT Gross tonnage – T ng dung tích tàu GTVT Giao thơng v n t i GPS (SOI) Góc phun s m HAGL Hoàng Anh Gia Lai vii HC Hydrocacbon HFO (FO) Heavy Fuel Oil - d u n ng HTNL H th ng nhiên li u HTPNL H th ng phun nhiên li u IMO International Maritime Organization (T ch c Hàng h i qu c t ) KH&CN Khoa h c công ngh NCKH Nghiên c u khoa h c NCS Nghiên c u sinh NLSH Nhiên li u sinh h c NOx Các Ơ xít Ni t PO Palm oil - Diesel oil (H n h p d u c - d u diesel) PPO Pure Plant Oil (D u th c v t nguyên g c) PTN Phòng thí nghi m QCVN Quy chu n Vi t Nam QLCCNL Quy lu t cung c p nhiên li u QTCN Quy trình cơng ngh SOC B t đ u cháy h n h p SVO Straight vegetable oil (D u th c v t dùng tr c ti p) TCVN Tiêu chu n Vi t Nam Tecplot Ph n m m đ v bi u đ d li u TSKT Ti n s k thu t VP Vòi phun viii hình kh p (fit) v i d li u t t đ n m c Vi c đánh giá nh v y đ c g i “ki m đ nh m c đ không phù h p c a mơ hình” (Lack of fit test) Gi thuy t th ng kê đ c phát bi u nh sau: - Gi thuy t đ o: Mơ hình kh p v i d li u; - Gi thuy t chính: Mơ hình khơng kh p v i d li u; C ng nh phép ki m đ nh th ng kê khác, thông s quan tr ng đ ch p nh n hay lo i b gi thuy t đ o giá tr p (p-value) Lý thuy t tính tốn th ng kê ch nh sau: - N u giá tr p nh h n m c ý ngh a , ta lo i b gi thuy t đ o Ngh a là, mơ hình xây d ng khơng kh p v i d li u; - N u giá tr p l n h n m c ý ngh a , mơ hình d ng phù h p đ mơ t d li u; có th ki m đ nh v m c đ phù h p c a mơ hình, m i bi n m t k ho ch thí nghi m c n nh n m c giá tr D th y n u ch kh o sát giá tr c a bi n, mơ hình b c nh t s ln t phù h p v i d li u v y, ta khơng có kh n ng phát hi n mơ hình khơng phù h p Trong thí nghi m kh i đ u, đ có m c giá tr cho m i bi n, ta th ng b sung m thí nghi m trung tâm - m có giá tr trung bình c ng c a hai giá tr cao nh t th p nh t c a bi n T i u hóa đa m c tiêu Bài tốn t i u hóa đ ng th i nhi u ch tiêu ph c t p h n không ch xem xét nhi u ch tiêu, mà ch c n ch có m t s hàm ch tiêu có “l i ích” trái ng gi i quy t toán này, ta c n ch p nh n m t s nh c ng b (Trade-offs) nh t đ nh Vi c xác đ nh c c tr cho hàm m c tiêu Minitab r t đ n gi n Tr c h t, m Worksheet ch a d li u thí nghi m Ti p đó, kích menu Stat > DOE > Response Surface > Response Optimizer Ch n tên c t ch a k t qu thí nghi m cho hàm m c tiêu cho h p Selected Ti p đó, kích nút Setup đ thi t l p giá tr xác đ nh cách tìm c c tr Có l a ch n sau: - Goal: ch n d ng c c tr mu n tìm (Maximize – t i đa; Minimize – t i thi u hay Target: giá tr mong mu n); - Nh p giá tr gi i h n cho hàm m c tiêu:  Lower: Nh p giá tr gi i h n d  Target: Nh p giá tr mong mu n cho hàm m c tiêu;  Upper: Nh p giá tr gi i h n cho hàm m c tiêu i c a giá tr hàm m c tiêu; N u tìm c c ti u, c n nh p giá tr Target Upper; tìm c c đ i, c n nh p giá tr Target Lower N u tìm m t giá tr mong mu n, c n nh p c giá tr 36/PL6 Lower, Target Upper Các giá tr đ c nh p c n đ m b o nguyên t c Lower < Target < Upper Kích nút OK h p tho i K t qu phân tích t i u s đ c Minitab hi n th b ng đ th Optimization Plot b ng v n b n c a s Session T i u hóa b ng th c nghi m th mơ hình b m t đáp ng D ng đ c th c hi n thông qua vi c xây d ng i l u ý thi t k thí nghi m b m t đáp ng: - S l n thí nghi m c n thi t tích s gi a s l n l p (Replication) v i s m thí nghi m thi t k Nói cách khác, m i l n l p m t l n th c hi n l i tồn b k ho ch thí nghi m thi t k - Vi c l p l i thí nghi m nh m gi m b t sai s nhi u M c đích l p đ xác đ nh m t cách tin c y y u t nh h ng đ c th c hi n b c thí nghi m sàng l c Do v y, n u khơng có yêu c u đ c bi t v i thí nghi m t i u hóa, m t l n l p đ ; - N u vi c th c hi n thí nghi m CCD g p khó kh n, có th ch n d ng k ho ch Box-Behnken - N u có ba bi n thí nghi m, k ho ch thí nghi m Box-behnken ch c n 15 l n ch y s ti t ki m h n so v i k ho ch CCD c n 20 l n ch y; - N u có bi n thí nghi m, k ho ch CCD v i 32 l n ch y s ti t ki m h n k ho ch Box-behnken v i 43 l n ch y; - C n th c hi n thí nghi m ki m đ nh vùng d ng (vùng lân c n c c tr ) đ kh ng đ nh mơ hình h i quy b c nh t khơng phù h p tr c th c hi n k ho ch thí nghi m b m t đáp ng K t lu n Ph n trình bày m t cách có h th ng t ng b u hóa cho nhi u ch tiêu đ ng th i b ng ph bi t hai thu t ng : ph c c a m t trình t i ng pháp b m t đáp ng C n phân ng pháp thí nghi m b m t đáp ng (Response Surface Method) thí nghi m b m t đáp ng (Response Surface Design) Ph ng pháp b m t đáp ng (RSM) cách th c kh o sát tìm vùng c c tr ho c vùng đáp ng giá tr xác đ nh cho hàm m c tiêu b ng cách xây d ng b m t đáp ng Ph ng pháp đ c th c thi thơng qua giai đo n: thí nghi m kh i đ u; leo d c/xu ng d c; ki m đ nh vùng d ng (n u tìm c c tr ) cu i thi t k , th c thi phân tích thí nghi m b m t đáp ng Thí nghi m b m t đáp ng g m d ng ch y u thí nghi m h n h p tâm xoay (CCD) thí nghi m Box-Behnken Vi c phân tích b m t đáp ng đ t i u hóa hay đáp ng yêu c u đ t đ giá tr xác đ nh cho hàm m c tiêu đ c m t kho ng c th c hi n d dàng, nhanh chóng xác b ng máy tính 37/PL6 PH L C7 CÁC HÌNH NH TH C HI N MƠ PH NG B NG PH N M M ANSYS FLUENT TRÊN MÁY TÍNH CH Hình B t n ng l ng Hình Nh p v t li u Hình Hình Ch n tr c t a đ Hình Ch n gi i pháp u n t u ki n biên Hình Hi u ch nh gi i pháp u n 38/PL7 Hình Giám sát ki m tra h i t Hình K t qu tính n u h i t Hình Kh i t o ch ng trình tính Hình 10 Ch y vòng l p đ tìm m h it Hình 11 Hai m t c t vng góc c a tr ng nhi t đ Hình 12 Tr 39/PL7 ng v n t c, PO10 Hình 13 K t qu tr ng nhi t đ h i t , PO20 t i 362,750GQTK Hình 14 K t qu tr ng nhi t đ h i t , PO20 t i 363,250GQTK Hình 15 K t qu tr ng nhi t đ h i t , PO30 t i 362,750GQTK Hình 17 Tr ng nhi t đ , PO20 40/PL7 Hình 16 Tr ng v n t c, PO20 Hình 18 Tr ng áp su t, PO20 PH L C8 CÁC HÌNH NH TH C NGHI M V I NG C DIESEL 6LU32 T I PHỊNG THÍ NGHI M H NG L C - HHHVN Hình H th ng c p nhiên li u cho đ ng c Hanshin 6LU32 Hình Piston xi lanh s c a đ ng c đ c tháo ki m tra tr ch y PO Hình Ki m tra ch t l ng phun b th đo l u l 41/PL8 c sau ng phun Hình Tình tr ng vòi phun nhiên li u đ ng c 6LU32 tr c ch y th Hình B th vòi phun đ ng c diesel B th vòi phun đ ng c diesel t i phòng thí nghi m v i thông s : - Ki m tra áp su t phun t i 1000 bar; - C n b m b ng tay; - Bình đ ng nhiên li u dung tích lít có phin l c tinh; - K t c u bàn chân kim lo i v ng ch c; - ng n i cao áp, gi c co; - Ngoài có: cân ti u ly n t , nhi t k , thi t b hâm đ trì nhi t đ , ly th y tinh chuyên d ng, gi y đ xem hình nh phun, camera quay phim t c đ cao 42/PL8 Hình Các m u nhiên li u h n h p PO Hình Ki m tra tr c quan ch t l ng d u c Hình Tình tr ng đ u vòi phun đ ng c 6LU32 sau ch y th lo i h n h p nhiên li u 43/PL8 Hình M t s hình nh trình tháo l p đ ng c 44/PL8 45/PL9 46/PL9 47/PL9 48/PL10 49/PL10 50/PL11 ... nhiên li u nh (DO) S đ h th ng: (5) (3) (8) V-4 V-1 E-3 E-2 V-2 (4) (9) V-3 E-4 (1) V-5 V-8 E-1 V-7 (2) (6) V-9 V-10 V-12 V-11 E-5 V-13 (7) V-6 Hình 1.1 S đ h th ng nhiên li u nh cho đ ng c diesel. .. V-2 V-8 E-3 V-15 V-10 V-11 V-9 V-4 V-5 V-12 V-18 No.2 No.1 V-13 E-4 V-6 E-2 V-14 E-5 E-1 V-16 E-6 V-17 V-19 V-20 Hình 1.2 S đ h th ng nhiên li u n ng cho đ ng c diesel tàu th y (FO) (1) (2) (3)... đ ng c ; - C i thi n trình phun nhiên li u; - C i thi n hình dáng bu ng đ t; - C p h i n c vào đ ng n p - Gi m n ng đ l u hu nh có nhiên li u diesel; - Thêm ph gia vào nhiên li u; - Nhiên li