Mục đích của luận án nhằm Đưa ra các giải pháp hiệu chỉnh thích hợp đối với HTPNL của động cơ nghiên cứu và động cơ diesel tàu thủy nói chung khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp trên làm nhiên liệu thay thế.
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NCS NGUYỄN ĐỨC HẠNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN PHUN NHIÊN LIỆU, TẠO HỖN HỢP, CHÁY VÀ TÍNH NĂNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ 9520116 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC, BẢO TRÌ TÀU THỦY Hải Phịng - 2020 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS TSKH ĐẶNG VĂN UY PGS TS NGUYỄN ĐẠI AN Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào hồi phút, ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Trường Đại học Hàng hải Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, ô nhiễm môi trường cạn kiệt nguồn tài ngun thiên nhiên vấn đề mang tính tồn cầu, mà Việt Nam ngoại lệ Nhằm giải điều cách chiến lược, Liên hiệp quốc với quan đại diện Tổ chức lượng quốc tế (IAEA), Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO)… đưa khuyến cáo thông qua luật quốc tế mang tính bắt buộc sử dụng tiết kiệm lượng, hạn chế phát thải khí độc hại mơi trường Trong lĩnh vực hàng hải, mà Việt Nam thành viên thức IMO từ năm 1983, với đội tàu vận tải biển có tổng trọng tải triệu DWT, Phụ lục VI thuộc Bộ luật MARPOL 73/78 đưa tiêu chuẩn phát thải (NO x, SOx, CO2 ) khắt khe động diesel lắp đặt tàu làm động lực lai chong chóng, sử dụng với mục đích khác Theo Phụ lục này, tàu trang bị động diesel không đáp ứng tiêu chuẩn phát thải không cập cảng nước thành viên khác IMO ảnh hưởng nghiêm trọng đến chiến lược kinh doanh vận tải đội tàu quốc gia, có nước ta Từ Phụ lục VI, MARPOL 73/78 có hiệu lực tồn cầu (2013) [6]1 ngưỡng lưu huỳnh 0,5% dầu nhiên liệu hàng hải toàn cầu theo quy định IMO có hiệu lực vào ngày 01/01/2020, Chính phủ Việt Nam yêu cầu Bộ Giao thông vận tải, Bộ Công thương… phải xây dựng giải pháp công nghệ thích hợp để cho cơng ty vận tải biển nước ta mặt tuân thủ qui định quốc tế, mặt khác đáp ứng tính kinh tế đặc biệt khơng làm phát sinh thêm nguồn gây ô nhiễm môi trường Vậy, để đáp ứng vấn đề này, có nhiều giải pháp công nghệ đề xuất nghiên cứu, triển khai ứng dụng giới Việt Nam như: chế tạo động điện dùng pin lithium, sử dụng nguồn lượng (khí tự nhiên, khí dầu mỏ), nhiên liệu sinh học có khả tái tạo…v.v Tuy nhiên, lĩnh vực hàng hải, động diesel sử dụng có cơng suất lớn từ vài trăm kW đến hàng vạn kW, nên việc ứng dụng động chạy ắc qui điện khơng khả thi, sử dụng nhiên liệu khí địi hỏi động diesel lắp đặt tàu phải cải tiến với chi phí đầu tư cao vấn đề an toàn cháy nổ khó đảm bảo Vậy, hướng nghiên cứu khả thi sử dụng nhiên liệu sinh học giàu thành phần xy, thành phần lưu huỳnh có khả tái tạo Hiện tại, NLSH nghiên cứu sử dụng hai dạng khác cho động diesel: nhiên liệu diesel sinh học (Biodiesel) dầu thực vật nguyên chất (SVO) Nhiên liệu diesel sinh học có đặc tính lý hóa giống nhiên liệu diesel truyền thống (DO), để có loại nhiên liệu cần phải thực trình e-te hóa dầu thực vật (hoặc mỡ động vật) cần đến công nghệ đại sử dụng lượng lớn hóa chất khác (NaOH) nguồn phát sinh thêm gây ô nhiễm môi trường; bên cạnh nhiên liệu diesel sinh học có giá thành đắt Dầu thực vật nguyên chất sản xuất công nghệ đơn giản thông qua ép loại hạt (hướng dương, jatropha ) (cọ, dừa ), lọc bớt thành phần nước cặn sử dụng Dầu thực vật nguyên chất có ưu điểm giá thành rẻ, có khả tái tạo, thân thiện với môi trường không tạo thêm nguồn gây nhiễm q trình sản suất, sử dụng, có nhược điểm độ nhớt cao, nhiệt trị thấp Với ưu điểm dầu thực vật, có số cơng trình nghiên cứu sử dụng dầu thực vật trộn với nhiên liệu truyền thống tạo thành nhiên liệu hỗn hợp sử dụng loại nhiên liệu thay dành cho động diesel nói chung động diesel thủy nói riêng [20, 66] Như vậy, đối chiếu với yêu cầu cấp bách Việt Nam nhằm đáp ứng tiêu chuẩn phát thải đội tàu vận tải biển, sở điều kiện cơng nghệ, kinh phí đầu tư điều kiện xã hội khác, việc lựa chọn hướng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp (trong có thành phần dầu thực vật nguyên chất) làm nhiên liệu thay cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống đội tàu vận tải biển Việt Nam thực cần thiết giai đoạn tương lai Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu hỗn hợp làm nhiên liệu thay dành cho động diesel lắp đặt tàu thủy phát sinh hàng loại vấn đề cần giải là: hiệu suất cháy loại nhiên liệu buồng đốt động diesel thiết kế để sử dụng nhiên liệu hóa thạch, vấn đề phát thải khí độc hại, vấn đề suy giảm công suất đặc biệt để động diesel thủy khai thác sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - diesel đáp ứng hai tiêu chuẩn phát thải tính kinh tế Xuất phát từ yêu cầu thực tế nêu trên, đề tài luận án:“Nghiên cứu ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật – diesel đến phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy tính động diesel tàu thủy” NCS lựa chọn để nghiên cứu Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ nguyên chất - diesel theo tỉ lệ phần trăm khác đến đặc tính phun, tạo hỗn hợp buồng đốt số tính động diesel thủy 6LU32 - Đưa giải pháp hiệu chỉnh thích hợp HTNL động nghiên cứu động diesel tàu thủy nói chung sử dụng nhiên liệu hỗn hợp làm nhiên liệu thay Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: HTPNL động diesel tàu thủy Hanshin 6LU32 hỗn hợp dầu thực vật (dầu cọ) với dầu diesel (DO) - Phạm vi nghiên cứu: Chỉ nghiên cứu ảnh hưởng đặc tính loại nhiên liệu DO, PO10, PO20, PO30 PO100 đến đặc tính q trình phun nhiên liệu, hịa trộn - cháy hỗn hợp khơng khí nhiên liệu buồng đốt động diesel tàu thủy Hanshin 6LU32 PTN Xác định loại PO thông số phun để đạt tiêu kinh tế môi trường Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp chặt chẽ nghiên cứu lý thuyết, mô thực nghiệm kiểm chứng Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Kết luận án sở khoa học quan trọng để giúp chọn loại nhiên liệu thay hiệu cho động diesel tàu thủy Bên cạnh đó, việc ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để hiệu chỉnh tối ưu hệ thống nhiên liệu động có sẵn chuyển sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - diesel đạt lúc hai mục tiêu: mơi trường tính kinh tế sáng tạo quan trọng nội dung luận án - Ý nghĩa thực tiễn: Các kết nghiên cứu luận án sở khoa học góp phần vào định hướng cách xác lựa chọn nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật diesel làm nhiên liệu thay cho động diesel thủy - Thứ tự trích dẫn thứ tự hình vẽ tn theo thứ tự toàn văn luận án Những đóng góp luận án - Đã đưa phương pháp tính tốn thơng số phun nhiên liệu thời điểm phun, thời điểm bốc cháy, thời gian cháy trễ thay đổi theo tỉ lệ dầu cọ hỗn hợp với dầu diesel; - Đã thu qua thực nghiệm động diesel tàu thủy Hanshin 6LU32 40% 60% tải kết phun nhiên liệu, đặc biệt kết đo áp suất xy lanh hình ảnh chụp buồng đốt thiết bị Visio Scope, nhằm so sánh đánh giá độ tin cậy kết tính toán; - Đã xây dựng phương pháp hiệu chỉnh hệ thống nhiên liệu dựa lý thuyết “Bề mặt đáp ứng” với hàm tối ưu hai mục tiêu lần áp dụng cho động diesel thủy sử dụng nhiên liệu thay (hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - diesel) Kết cấu luận án Luận án gồm 131 trang A4 (không kể phụ lục), thứ tự gồm phần sau: Mở đầu; nội dung (được chia thành bốn chương); kết luận; hướng nghiên cứu tiếp theo; danh mục công trình khoa học cơng bố lien quan đến luận án (07); danh mục tài liệu tham khảo (21 tài liệu tham khảo tiếng Việt, 43 tài liệu tham khảo tiếng Anh, 07 website) phụ lục (11 phụ lục) CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Như biết, HTPNL đóng vai trị vơ quan trọng q trình biến lượng hóa học từ đốt cháy nhiên liệu thành công động đốt nói chung động diesel nói riêng Trong HTPNL truyền thống kiểu khí, bơm cao áp vòi phun hai thành phần cốt lõi thiết kế tối ưu loại nhiên liệu lựa chọn, kể từ bơm cao áp, đường ống cao áp đến vòi phun đặc biệt cấu tạo lỗ phun Vậy nên, muốn biết ảnh hưởng loại nhiên liệu HTPNL có sẵn, thiết phải tìm hiểu dựa tảng lý thuyết tổng quát HTNL cho động diesel tàu thủy Với mục đích vậy, chương này, NCS trình bày vấn đề cần thiết phục vụ trình nghiên cứu như: nguyên lý cấu tạo, chức năng, nhiệm vụ hệ thống cấp, phun nhiên liệu động diesel thủy; cấu tạo vòi phun HTPNL kiểu khí truyền thống mà luận án nghiên cứu; xu ứng dụng giải pháp nhằm cải thiện tiêu kinh tế môi trường cho động diesel hệ cũ nay, giải pháp áp dụng vào HTPNL sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật – diesel quan tâm nghiên cứu; bên cạnh đánh giá cơng trình khoa học ngồi nước liên quan đến luận án để tìm điểm mà chưa có tác giả đề cập để luận án nghiên cứu giải 1.2 Tình hình nghiên cứu Theo nguyên lý động diesel, với phát triển khoa học cơng nghệ, có nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm làm giảm lượng phát thải độc hại từ động diesel, để giảm phát thải độc hại mà giữ nguyên công suất động dùng nhiều giải pháp ln vấn đề khó chi phí cao, nên hướng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thân thiện với mơi trường (1) kiểm sốt tốt thơng số trình phun nhiên liệu (2) giải pháp khả thi dễ thực [59] Nhiên liệu sinh học dùng cho động diesel thời điểm Biodiesel dầu thực vật nguyên gốc SVO Do lợi tính chất thân thiện với mơi trường, giảm nồng nộ chất độc hại khí thải đặc biệt NO x tái sinh, nên NLSH khuyến khích nghiên cứu sử dụng Trong số loại dầu thực vật dùng làm nhiên liệu cho động dầu cọ có ưu điểm đặc tính gần giống với dầu diesel Dầu cọ nguyên gốc không cần tổng hợp thành Biodiesel mà pha trực tiếp vào dầu diesel dùng làm nhiên liệu thông qua tạo hỗn hợp Tuy nhiên, dầu cọ có độ nhớt cao so với dầu diesel, nên pha trộn dầu cọ vào dầu diesel cần gia nhiệt đến khoảng 40 độ C để giảm độ nhớt hỗn hợp gần với nhiên liệu DO Luận án sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ nguyên chất (Palm Oil) dầu diesel kết nghiên cứu đề tài cấp nhà nước Mã số: ĐT.04.11/NLSH thuộc “Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” PGS.TSKH Đặng Văn Uy chủ trì có ký hiệu PO10, PO20, PO30 loại không pha trộn PO100 Bảng 1.1 Chỉ tiêu nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ - diesel phục vụ nghiên cứu [20] Loại nhiên liệu STT Tên tiêu DO PO10 PO20 PO30 PO100 Khối lượng riêng 150C, (kg/m3) 850,0 853,8 859,9 866,8 922,5 Độ nhớt động học ở400C, (cSt) 2,60 3,42 5,31 6,45 40,24 Trị số Cetan, (CN) 42,89 50,13 50,91 52,11 52,92 Nhiệt độ chớp cháy cốc kín, (0C) 72 73 75 77 135 Nhiệt trị, (MJ/kg] 43,4 39,72 39,55 38,69 37,11 Sức căng bề mặt 400C, (mN/m) 20 21,4 22,8 24,2 34 Áp suất bão hòa 250C, (MPa) 0,0477 0,0456 0,0432 0,0407 0,05 Theo quan điểm khai thác động tàu thủy khác DTV so với nhiên liệu diesel biodiesel độ nhớt trị số Cetan Ảnh hưởng độ nhớt trị số Cetan DTV làm cho HTPNL hoạt động khơng bình thường, chất lượng q trình phun, hịa trộn cháy dẫn đến tiêu kinh tế động giảm Tuy nhiên tàu thủy pha lỗng DTV dung mơi dầu diesel phụ gia đạt số lượng lớn để cung cấp cho tàu biển lưu trữ cho chuyến hành trình dài biển Gần đây, giới thực số thiết bị chuyển đổi để động diesel hoạt động trực tiếp với dầu thực vật pha trộn với nhiên liệu diesel mà không cần chế biến thành biodiesel Công nghệ gọi “sử dụng trực tiếp dầu thực vật” - SVO Nghiên cứu số mẫu SVO nước ngồi cho thấy phần lớn khơng thích hợp với điều kiện sử dụng Việt Nam Chẳng hạn chuyển đổi SVO nước chủ yếu cho động sản xuất gần đây, đặc biệt động có hệ thống phun CDI (Common rail diesel injection), hầu hết tàu biển nước ta có đời cũ Trên giới nay, khoảng 30 loại dầu thực vật chiết xuất từ hạt cải, hạt hướng dương, đậu tương, cọ, dừa, sử dụng trực tiếp cho động diesel mà không cần pha phụ gia xử lý este hoá thành Biodiesel [39, 66] Những nghiên cứu thử nghiệm chứng tỏ động diesel hoạt động với SVO [26, 27, 28, 32, 40, 48, 54, 57, 58, 61], số vấn đề phát sinh chủ yếu phận phun nhiên liệu, xéc măng ổn định dầu bơi trơn Một số cơng trình nghiên cứu không can thiệp đến HTPNL, mà dừng lại việc xác định tương thích dầu thực vật dùng làm nhiên liệu cho động diesel Do đó, chưa ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến trình hình thành hỗn hợp cháy phát thải động diesel sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu thay Đặc biệt, nghiên cứu liên quan trực tiếp đến động diesel tàu thủy có cơng bố nghiên cứu Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu PGS-TS Nguyễn Thạch TS Bùi Trung Thành tìm giải pháp tối ưu cho SVO [18] Bộ chuyển đổi SVO sử dụng trực tiếp dầu thực vật cho động diesel cỡ nhỏ bờ, cơng suất đến 100 mã lực (HP) Cịn nhóm nghiên cứu PGS.TSKH Đặng Văn Uy [20] chế tạo thành công hệ thống thiết bị để sử dụng SVO cho động diesel tàu thủy Và cơng trình [10, 11, 13, 15, 16, 17, 20, 21] tập trung nghiên cứu tính chất lý hóa dầu thực vật, lựa chọn phương án cấp nhiên liệu vào động phù hợp để không ảnh hưởng đến hệ thống nhiên liệu, xác định loại dung môi tỉ lệ pha trộn hợp lý, đảm bảo hỗn hợp thay nhiên liệu diesel truyền thống Tuy nhiên, chưa làm rõ số yếu tố liên quan đến hỗn hợp dầu thực vật - diesel HTPNL để nâng cao tiêu công tác cho động diesel Đặc biệt phương tiện vận tải thủy tàu biển nghiên cứu hạn chế 1.3 Hướng nghiên cứu Từ phân tích nghiên cứu dầu thực vật, hỗn hợp dầu thực vật diesel dùng làm nhiên liệu cho động diesel số nghiên cứu khác theo [39, 66, 71] cho thấy, tính chất nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng trình phun, thời điểm phun, hình thành hỗn hợp - cháy ảnh hưởng đến tiêu kinh tế, môi trường động diesel Luận án nhận thấy số thơng số hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - diesel có gây ảnh hưởng là: Độ nhớt sức căng bề mặt; Nhiệt độ khối lượng riêng nhiên liệu hỗn hợp; Trị số Cetan Những yếu tố có ảnh hưởng đến cấu trúc tia phun gồm chiều dài tia phun (S), chiều dài phân rã sơ cấp tia phun (Lb), góc nón tia phun (θs), đường kính trung bình hạt nhiên liệu (SMD-Do) Trung bình dầu thực vật chứa thành phần Cacbon 10 ÷12%, Hydro ÷13%, cịn lượng xy lớn nhiều từ ÷11%, khối lượng riêng dầu thực vật lớn khoảng ÷15% độ nhớt lớn khoảng 10 ÷ 30% so với dầu diesel [5, 39] Hỗn hợp dầu thực vật - diesel cần gia nhiệt đến khoảng 400C để giảm độ nhớt; nhiệt độ sức căng bề mặt số nguyên nhân khiến chiều dài tia phun hỗn hợp nhiên liệu thay đổi so với dùng DO Một số nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ nhiên liệu lớn làm giảm độ xâm nhập tia phun khơng gian buồng cháy, cần tăng GPS, tăng áp suất phun để trình phun hình thành hỗn hợp cháy diễn tương đương với nhiên liệu DO Từ Bảng 1.5 biểu diễn mối quan hệ ba thông số: độ nhớt động học, trị số Cetan, khối lượng riêng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel theo biểu đồ sau: Khi pha trộn dầu cọ nguyên gốc vào dầu diesel tỉ lệ 10%, 20% 30% có thay đổi rõ rệt thông số nhiệt động (Hình 1.6) Vì để cấu trúc tia phun hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel trình phun, với tạo hỗn hợp, cháy nhiên liệu tương đương với nhiên liệu diesel, việc chọn tỉ lệ hòa trộn cao hợp lý, điều chỉnh áp suất phun GPS hệ thống nhiên liệu động có ảnh hưởng trực tiếp đến yếu tố nêu Trên sở phân tích trình bày, luận án xác định nội dung cần thực với mục tiêu cụ thể sau (Bảng 1.6) Bảng 1.2 Nội dung nghiên cứu mục tiêu cần đạt TT Nội dung nghiên cứu Mục tiêu cần đạt Chương 2: Nghiên cứu lý Xác định công thức thực thuyết ảnh hưởng đặc nghiệm phương trình tốn học biểu thị tính nhiên liệu hỗn hợp dầu ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu hỗn thực vật - diesel đến chất hợp đến thời điểm bắt đầu phun thời lượng phun nhiên liệu: đặc gian cháy trễ nhiên liệu; đến đặc tính tính phun; thời điểm bắt đầu phun làm thay đổi tiêu kinh tế môi phun thời gian cháy trễ trường nhiên liệu đến tiêu kinh tế Lựa chọn mơ hình mơ q trình mơi trường động phun hịa trộn – cháy động diesel tàu thủy diesel Cơ sở lý thuyết phương pháp Xây dựng hàm mục tiêu gồm qui hoạch thực nghiệm đề biến: áp suất phun, GPS tỉ lệ % dầu cọ xuất giải pháp hiệu chỉnh hỗn hợp tính điểm khảo sát thích hợp HTNL sử dụng hỗn nghiên cứu hợp dầu thực vật - diesel Chương 3: Nghiên cứu lý Dựa vào công thức thực nghiệm thuyết xác định ảnh hưởng tính tốn kết thể ảnh đặc tính hỗn hợp nhiên hưởng đặc tính nhiên liệu hỗn hợp liệu dầu cọ - diesel đến đặc đến thông số phun; đến thời điểm bắt đầu tính tia phun phun thời gian cháy trễ nhiên liệu; lưu Xây dựng mơ hình mơ lượng phun phun nhiên liệu, hịa trộn - Giới hạn trường thông số đồ cháy động diesel tàu thị Ansys Fluent xuất định tính thủy lý thuyết CFD với định lượng Với thơng số này, phần mềm Ansys Fluent rút đánh giá chi tiết ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu hỗn hợp đến chất lượng phun vòi phun HTNL động diesel tàu thủy Chương 4: Nghiên cứu thực Xây dựng quy trình tổ chức thực nghiệm xác định ảnh hưởng nghiệm động diesel tàu thủy đặc tính nhiên liệu hỗn Hanshin 6LU32 sử dụng loại nhiên liệu hợp đến thông số: áp suất DO, PO10, PO20 PO30; kiểm chứng cháy; thời điểm phun; thời kết thực nghiệm so với mô gian cháy trễ; lưu lượng với cơng thức thực nghiệm phun; hịa trộn cháy; Kết hiệu chỉnh HTPNL cho động tính kinh tế mơi trường 6LU32 phương pháp qui hoạch thực nghiệm xác định áp suất phun, GPS tỉ lệ % dầu cọ hỗn hợp để động hoạt động ổn định đạt tiêu kinh tế môi trường mong muốn 1.4 Kết luận chương Chương làm rõ số vấn đề sau: - Đã trình bày HTNL cho động diesel tàu thủy xu hướng phát triển, giải pháp khai thác vận hành giúp nâng cao tiêu kinh tế môi trường cho động diesel tàu thủy; - NLSH xu hướng ứng dụng cho động diesel tàu thủy; lý luận án chọn nghiên cứu hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ – diesel; - Phân tích, đánh giá kết đạt cơng trình nghiên cứu nước quốc tế sử dụng dầu thực vật cho động cơ; - Những thông số ảnh hưởng đến chất lượng trình phun tạo hỗn hợpcháy nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ – diesel động diesel tàu thủy; - Đã làm rõ nội dung nghiên cứu với mục tiêu cụ thể trình bày Bảng 1.6 với mục tiêu luận án là: “Nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ nguyên chất - dầu diesel theo tỉ lệ % khác đến phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy tính động diesel tàu thủy CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY VÀ GIẢI PHÁP HIỆU CHỈNH NHẰM ĐẠT CHỈ TIÊU MƠI TRƯỜNG, KINH TẾ Đối với HTPNL, thơng số áp suất phun góc phun sớm thông số quan trọng định đến hoạt động ổn định động diesel Trên sở nghiên cứu nhiên liệu truyền thống NLSH, KannanK (2010) [44], USV Prasad (2012) [63] số cơng trình khác [16, 37, 40, 49, 57, 58] cơng bố, thơng số áp suất phun góc phun sớm ảnh hưởng trực tiếp đến trình phun, hình thành hỗn hợp-cháy, dẫn đến làm thay đổi tiêu kinh tế môi trường động diesel Vì vậy, thay loại nhiên liệu HTPNL có sẵn ảnh hưởng đến đặc tính phun nhiên liệu cuối ảnh hưởng đến tiêu nêu Trên sở kết nghiên cứu, đề xuất sở lý thuyết giải pháp hiệu chỉnh thích hợp HTPNL muốn chuyển đổi động diesel tàu thủy có sẵn sang sử dụng nhiên liệu nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật-diesel Với mục đích vậy, Chương nghiên cứu cụ thể sở lý thuyết nhằm đánh giá ảnh hưởng đặc tính hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - diesel đến đặc tính phun nhiên liệu thơng số cơng tác q trình phun nhiên liệu vào động diesel tàu thủy thông qua quan hệ thể cơng thức tốn học Bên cạnh đó, trình bày sở lý thuyết mơ trình phun, tạo hỗn hợp, cháy nhiên liệu buồng đốt động sử dụng nhiên liệu hỗn hợp có tỉ lệ phần trăm dầu thực vật khác để thực mô với điều kiện biên sát thực tế; sở lý thuyết phương pháp qui hoạch thực nghiệm để xác định thơng số hiệu chỉnh HTPNL GPS áp suất phun phù hợp, đồng thời xác định tỉ lệ % dầu thực vật hỗn hợp với nhiên liệu diesel để động diesel tàu thủy hoạt động ổn định đạt tiêu kinh tế môi trường 2.1 Lựa chọn mơ hình tốn xác định ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến chất lượng phun Trên thực tế, có nhiều cơng trình nghiên cứu đặc tính tia phun nhiên liệu, mơ hình tia phun Bắt đầu từ nhà khoa học tiên phong vấn đề Warunki et all (1960), Dent (1971), Reits & Branco (1979), nhiên Hiroyasu & Arai người nghiên cứu vô tỉ mỉ đưa mơ hình tốn có độ xác cao Theo nghiên cứu F.Dos Santos Le Moyne đại học Universite’ de Bourgogne - France so sánh mơ hình biểu thị đặc tính tia phun nhiên liệu động diesel thấy rằng, mơ hình Hiroyasu & Arai đề xuất có hệ số định 87,41% sai số khoảng 7,15% so sánh với kết thực nghiệm đo được, mô hình Reits Bracco với sai số 23,91%, mơ hình Siebers với sai số 24,27% [24, 34, 37, 42, 43, 47, 64] Từ nhận định có sở trên, luận án lựa chọn mơ hình Hiroyasu & Arai đề xuất để nghiên cứu, tính tốn ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu hỗn hợp đến chất lượng phun HTPNL động diesel tàu thủy: Mơ hình tính chiều dài tia phun theo công thức: (2.3): S = 0,39 - với t=trot S = 2,39 p t l g ,(mm) Do - 0,05 l 0,13 0,5 ,(mm) l g 0,25 Wel −0,32 l g 0,37 l g −0,47 - (2.3) Mơ hình tính ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến thời điểm phun: ( pMVP − p0 )V f ,(độ) (2.4) = c v p Ap Mơ hình tính ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến thời gian cháy trễ: ,63 ,(độ) (2.5) Mơ hình tính ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến áp suất phun: 2 Ap dha ,(Pa) (2.6) p ph.lt = pc + nl n 1800 i.Fi cn d Mơ hình tính ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến lưu lượng phun: , (kg/h) (2.7) Q = C F p D - (2.2) ,(µm) 1 21,1 id (GQTK ) = (0,36 + 0,22S p ) exp E A − RTcyl 17.190 pcyl − 12,4 - (2.6) l Mơ hình tính đường kính hạt trung bình nhiên liệu theo cơng thức: (2.13): SMD = 0,38d o ( Rel ) - ,(mm) Mơ hình tính chiều dài phân rã sơ cấp theo công thức: (2.7): r Lb = 7d o 1 + 0,4 o g d o lU o - với t=trot (2.1) d ot Mơ hình tính góc nón tia phun theo công thức: (2.6): −0,22 0,15 0,26 l d o g ,(độ) = 83, - , 25 2p i l 360n Mơ hình tính ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu đến phát thải NO x: ,(g/kW.h) (2.8) 2.2 Cơ sở lý thuyết CFD mô phỏng, đánh giá trình phun, tạo hỗn hợp cháy động diesel tàu thủy Ngày nay, lý thuyết CFD trở thành công cụ mạnh mẽ tiện dụng để giải toán liên quan đến động học đặc tính lý hóa dịng lưu chất mơi trường phức tạp, đa số mơ hình tốn mơ tả q trình thường dạng phương trình vi phân Bảng 3.1 Các thông số kĩ thuật động diesel Hanshin 6LU32 [20] STT Thông số kĩ thuật Thứ nguyên Giá trị Số xy lanh Cái Công suất định mức kW 970 Vòng quay định mức v/p 340 Đường kính xy lanh mm 320 Đường kính lỗ phun hình trụ mm 0,42 Chiều dài lỗ phun mm 3,1 Số lỗ phun Cái 10 Áp suất nâng kim phun bar 280 Áp suất khơng khí nén bên xy lanh bar 60 10 GPS Độ GQTK 110 trước ĐCT 11 Suất tiêu hao nhiên liệu định mức g/kW.h 200 12 Áp suất cháy lớn bar 90 Kết tính tốn đặc tính vĩ mơ tia phun thể Bảng 3.3 đặc tính vi mơ tia phun thể Bảng 3.4 Bảng 3.3 Đặc tính vĩ mơ tia phun STT Đặc tính vĩ mơ tia phun Loại nhiên liệu DO PO10 PO20 PO30 PO100 Chiều dài tia phun S (mm) 101,5 102,0 102,3 102,6 104,2 Góc nón tia phun Φ (độ) 7,89 7,88 7,86 7,80 7,73 Chiều dài phân rã sơ cấp Lb (mm) 15,719 15,712 15,707 15,70 15,652 Bảng 3.4 Đường kính trung bình hạt nhiên liệu SMD STT Đặc tính vi mơ tia phun Loại nhiên liệu nhiên liệu DO PO10 PO20 PO30 PO100 Đường kính trung bình Sauters hạt nhiên liệu 10,13 10,16 10,17 10,18 10,22 SMD (μm) So sánh (%) so với DO / +0,3 +0,39 +0,49 +0,88 Sự ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ-diesel đến chất lượng phun nhiên liệu đánh giá thơng qua đặc tính tia phun nhiên liệu rõ ràng Các kết tính tốn ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp đến thời điểm phun thời gian cháy trễ Bảng 3.6; 3.7 Bảng 3.6 Thời điểm bắt đầu phun loại nhiên liệu Loại nhiên liệu Thời điểm bắt đầu STT phun theo GQTK DO PO10 PO20 PO30 PO100 (0GQTK) 349 348,8 348,6 348,4 348 Chênh lệch so với / -0,2 -0,4 -0,6 -1,0 DO(0GQTK) Bảng 3.7 Kết tính tốn thời gian cháy trễ loại nhiên liệu So sánh Loại nhiên liệu DO PO10 PO20 PO30 PO100 Thời gian cháy trễ (0GQTK) 2,3003 2,2279 2,2181 2,2127 2,1978 So sánh với DO (0GQTK) / -0,0724 -0,0822 -0,0876 -0,1025 Nhiên liệu hỗn hợp làm cho thời điểm phun sớm so với nhiên liệu DO có thời gian cháy trễ ngắn so với nhiên liệu DO 11 3.2 Kết mô trình phun nhiên liệu vào động diesel tàu thủy Trong toán này, yêu cầu đặt mơ q trình nhiên liệu lưu thơng qua lỗ phun vòi phun động 6LU32 cho kết trường áp suất, đông rối vận tốc nhiên liệu lưu động qua lỗ phun với điều kiện biên: không gian tĩnh lỗ tia phun, không trao đổi nhiệt; mức tải động 60% (ở vòng quay 273 v/p); lưu lượng phun 3,15 g/ct; vận tốc phun 30 m/s; nhiệt độ 1300K; áp suất phun nhiên liệu pinj=800bar (xem Phụ lục 4) thông số kĩ thuật động diesel Hanshin 6LU32 Bảng 3.1 Các loại nhiên liệu sử dụng bao gồm loại: DO, PO10, PO20, PO30 PO100 với tính chất thể Bảng 1.5 chương Hình 3.9: nhận thấy có khác biệt loại nhiên liệu lưu động lỗ phun Các đoạn màu lỗ phun vng góc với đường tâm lỗ chứng tỏ mặt cắt ngang đẳng áp vng góc với đường tâm lỗ nên thể dịng chảy sn đều, không bị tắc lỗ Quy luật thay đổi tương đồng với tính tốn mơ hình lý thuyết phần 3.1, tia phun nhiên liệu hỗn hợp có độ xâm nhập lớn góc phun nhỏ so với nhiên liệu DO Hiện tượng áp suất cửa vào cửa lỗ phun nhiên liệu hỗn hợp cao so với nhiên liệu DO, giải thích độ nhớt nhiên liệu hỗn hợp cao so với nhiên liệu DO Hình 3.10: vận tốc chuyển động loại nhiên liệu không đồng lỗ phun Ở trung tâm lỗ phun có vận tốc cao so với khu vực tiếp giáp với thành lỗ phun; Vận tốc chuyển động thấp nhiên liệu hỗn hợp cửa vào cửa lỗ phun giải thích quy luật thay đổi chiều dài tia phun theo đặc tính nhiên liệu hỗn hợp ngắn so với nhiên liệu DO tính tốn mơ hình lý thuyết phần 3.1 Trường phân bố áp suất, vận tốc, lượng động rối Áp suất cửa vào lỗ phun Áp suất cửa lỗ phun Hình 3.10 Trường phân bố vận tốc lỗ phun loại nhiên liệu Hình 3.1 Trường phân bố áp suất lỗ phun loại nhiên liệu 12 Hình 3.14 thơng qua ứng dụng mơ phần mềm Ansys Fluent, cho thấy hình ảnh phân bố lượng động rối (đơn vị [J/kg]) không gian cửa vào, bên cửa lỗ phun vòi phun động 6LU32 cho thấy nhiều khác biệt loại nhiên liệu - Năng lượng chảy rối nhiên liệu DO thấp so với nhiên liệu hỗn hợp, tăng dần từ đầu ống đến cuối ống lỗ phun nên đạt hiệu phun cao - Giữa nhiên liệu DO PO10 có tính tương đương cao, cịn nhiên liệu hỗn hợp PO20 PO30 có lượng chảy rối tương tự nhau; loại nhiên liệu có lượng động rối phân bố đều, tăng lên theo chiều dài lỗ phun tập trung cao cửa lỗ phun (các chấm màu đỏ); - Năng lượng động rối cao gây Hình 3.14 Trường phân bố theo nên nhiễu loại áp suất lớn lượng động rối lỗ nguyên nhân gây lên tượng xâm phun loại nhiên liệu thực mạnh cửa vào cửa lỗ phun 3.3 Mơ q trình hịa trộn-cháy nhiên liệu hỗn hợp động diesel tàu thủy Dựa vào sở lý thuyết mô số CFD phần mềm Ansys Fluent trình bày mục 2.5, NCS nghiên cứu tiếp nhiên liệu hỗn hợp phun vào buồng đốt động diesel hòa trộn với khơng khí cháy nào? Kết mô cho thấy số vấn đề quan trọng sau đây: phân bố áp suất, nhiệt độ vận tốc q trình hịa trộn-cháy Các điều kiện biên xác định theo đặc điểm động 6LU32 vòi phun động theo Bảng 3.1; điều kiện khác mục 3.2.1.1 mục 3.2.1.2 NCS tập trung thực mô cho q trình hịa trộn - cháy loại nhiên liệu PO20, loại nhiên liệu hỗn hợp cho có đặc tính lý hóa phù hợp dành cho động diesel 6LU32 khuyến cáo kết nghiên cứu thuộc đề tài cấp nhà nước mã số: ĐT.04.11/NLSH “Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” [20] tương ứng với mức tải 60% Kết phân bố áp suất Bằng việc tính tốn cho khơng gian buồng đốt suốt q trình khảo sát theo bước thời gian tương ứng với góc quay trục khuỷu sử dụng loại nhiên liệu hỗn hợp PO20 cho phép ta ghi lại kết tính tốn Dưới phân bố áp suất tồn khơng gian buồng đốt theo góc quay trục khuỷu, để tiện theo dõi kết thể mặt phẳng đối xứng qua vị trí tia phun nhiên liệu Trên hình nhỏ cửa sổ thể kết chương trình tính tốn, ta ghi lại theo bước thời gian tương ứng với góc quay trục khuỷu hay tương ứng với vị trí piston 13 Hình 3.20 Phân bố áp suất buồng đốt mặt cắt đứng qua đường tâm xy lanh theo GQTK động diesel 6LU32, PO20 Như cách trích xuất kết hình ảnh chia nhỏ theo GQTK khoảng thời gian khảo sát tương ứng cho thấy kết diễn biến thay đổi áp suất không gian buồng đốt động thuộc khoảng góc trục khuỷu khảo sát, xác định vị trí đạt áp suất lớn Kết phân bố nhiệt độ Hình 3.21 Phân bố nhiệt độ buồng đốt mặt cắt đứng qua đường tâm xy lanh theo GQTK động diesel 6LU32, PO20 14 Mô số xuất kết hình ảnh chia nhỏ theo GQTK khoảng thời gian khảo sát tương ứng cho thấy kết diễn biến thay đổi nhiệt độ không gian buồng đốt động cơ, thể vùng có nhiệt độ lớn bắt đầu cháy Kết phân bố vận tốc Hình 3.2 Phân bố vận tốc cháy buồng đốt mặt cắt đứng qua đường tâm xy lanh theo GQTK động diesel 6LU32, PO20 Hình 3.22 cho thấy hình ảnh phun nhiên liệu đồng buồng đốt 3.4 Đánh giá độ tin cậy kết tính tốn mơ So sánh biến thiên áp suất xy lanh thể Hình 3.26, đường nét màu đỏ đường đồ thị thị áp suất thực nghiệm, đường nét màu xanh đường đồ thị thị áp suất mô Sự trùng khớp hai đường cong chứng minh thông số tỉ số nén, áp suất nhiệt độ ban đầu hai mơ hình phù hợp Hình 3.4 So sánh diễn biến áp suất xi lanh mô thực nghiệm 15 3.5 Kết luận chương - Trên sở lý thuyết Chương 2, dựa vào mơ hình tốn lựa chọn để nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu đến đặc tính phun đưa kết tính tốn lý thuyết so sánh hỗn hợp PO với DO đặc tính vĩ mô (chiều dài phân rã sơ cấp ngắn hơn; góc phun bé hơn; chiều dài tia phun lớn hơn), vi mơ (đường kính trung bình hạt nhiên liệu lớn hơn); kết cho thấy thời điểm phun PO sớm hơn, thời gian cháy trễ ngắn hơn, lưu lượng phun lớn so với DO - Đã dựa vào lựa chọn giải pháp ứng dụng mô số CFD phần mềm Ansys Fluent để hỗ trợ nghiên cứu tượng xảy lỗ phun nhiên liệu mà mơ hình lý thuyết đề cập chưa xử lý như: trường phân bố áp suất, vận tốc lượng động rối Kết mơ q trình phun nhiên liệu qua lỗ phun vòi phun động 6LU32 phần mềm Ansys Fluent cho kết có sở khoa học (Từ Hình 3.9 đến 3.14) Các kết phù hợp quy luật thay đổi với kết nghiên cứu mơ hình tốn xu ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp đến chất lượng phun HTPNL cho động cơ, cho thấy hình ảnh rõ hơn; - Kết mơ động rối loại nhiên liệu qua lỗ phun thể cụ thể Với nhiên liệu hỗn hợp, động rối có xu cao so với DO, mà trường hợp nhiên liệu PO100 tiêu biểu Trên thực tế, nhà nghiên cứu lĩnh vực khẳng định rằng, động rối cao dẫn đến tạo tượng xâm thực lớn Vậy nên, sử dụng nhiên liệu hỗn hợp làm nhiên liệu thay cho động diesel thủy, phải đặc biệt lưu ý đến tượng xâm thực xảy lỗ phun, khơng gian nhiên liệu vịi phun; - Kết nghiên cứu mơ q trình hịa trộn-cháy nhiên liệu hỗn hợp PO20 để minh chứng cho kết thực nghiệm thông qua phần mềm Ansys Fluent cho hình ảnh theo thang đo định lượng áp suất, nhiệt độ vận tốc cháy động 6LU32 thể rõ (Hình 3.20 đến Hình 3.25) cho thấy chất lượng hòa trộn - cháy tốt, đảm bảo thông số thị gần với thực nghiệm Các kết nghiên cứu lý thuyết mơ Chương hồn thành mục tiêu đặt Bảng 1.6 Chương hoàn toàn đáng tin cậy để áp dụng cho phần nghiên cứu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Quá trình thực nghiệm tiến hành Trung tâm thí nghiệm hệ động lực -Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, động diesel thủy 6LU32 loại nhiên liệu (DO, PO10, PO20 & PO30) - Bảng 1.5 lựa chọn với thiết bị đo, trang thiết bị phụ trợ đại hãng AVL, Cộng hòa Áo (mục 4.2.3 PL1) Thực nghiệm tập trung nghiên cứu ảnh hưởng loại nhiên liệu đến chất lượng phun tiêu kinh tế (g e) môi trường (NOx) để kiểm chứng kết mơ tính tốn lý thuyết phần 3.1 chương 4.1 Mục đích, chế độ, điều kiện đối tượng thực nghiệm Mục đích Thu thập đầy đủ kết trình cấp nhiên liệu cho động liên quan đến thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu, áp suất phun nhiên liệu cao nhất… động chế độ tải định nhằm đánh giá ảnh hưởng đến thời điểm phun, lưu lượng áp suất hệ thống phun nhiên liệu; đo nồng độ NOx khí thải So sánh tiêu quan trọng nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm động diesel thực; 16 Chế độ tải động điều kiện thực nghiệm Thực nghiệm tiến hành điều kiện nhiệt độ môi trường 24 0C, áp suất môi trường p0= bar, độ ẩm tương đối 75% Bảng 4.1 Các chế độ thử nghiệm Chế độ tải động Tốc độ (v/p) 40% (400 kW) 238 60% (600 kW) 273 Đối tượng thực nghiệm Động diesel tàu thủy HANSHIN 6UL32 lai phanh thủy lực Omega 1500 HTPNL cho động lắp đặt Trung tâm nghiên cứu hệ động lực, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Đề xuất mơ hình thực nghiệm Nhằm đáp ứng mục tiêu thử nghiệm nêu trên, mơ hình thực nghiệm đề xuất Hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ HTPNL cho động thiết bị thí nghiệm 4.2 Kết nghiên cứu thực nghiệm 4.2.1 Áp suất cháy xy lanh động Bảng 4.2 Giá trị pz loại nhiên liệu chế độ tải khác Áp suất cháy cực đại - pz (bar) Chế độ tải động DO PO10 PO20 PO30 40% 53,245 52,869 49,241 45,823 60% 65,245 63,869 62,941 59,823 17 Áp suất cháy cực đại nhiên liệu hỗn hợp PO có xu hướng nhỏ so với nhiên liệu DO 4.2.2 Thời điểm bắt đầu phun áp suất phun lớn Bảng 4.3 Thời điểm bắt đầu phun áp suất phun nhiên liệu lớn Thời điểm bắt đầu phun Áp suất phun lớn Vòng quay (0GQTK) (bar) STT (v/p) DO PO10 PO20 PO30 DO PO10 PO20 PO30 238 349,3 349,0 348,7 348,2 300 303 308 314 Chênh lệch so với DO / -0,3 -0,6 -1,1 / +3 +8 +14 273 348,8 348,5 348,1 347,8 459 483 486 495 Chênh lệch so với DO / -0,3 -0,7 -1,0 / +24 +27 +36 Nhiên liệu hỗn hợp có thời điểm phun sớm, áp suất phun lớn p max-inj cao so với nhiên liệu DO tỉ lệ với % dầu thực vật 4.2.3 Thời gian cháy trễ nhiên liệu Bảng 4.4 Kết thực nghiệm thời gian cháy trễ nhiên liệu STT Thời gian cháy trễ nhiên liệu (0GQTK) DO PO10 PO20 PO30 400 2,4082 2,3879 2,3663 2,3430 Chênh lệch so với DO (0GQTK) / -0,0203 -0,0419 -0,0652 600 2,4235 2,3774 2,3560 2,3312 Chênh lệch so với DO (0GQTK) / -0,0461 -0,0675 -0,0923 Chế độ tải (kW) 18 Các loại nhiên liệu hỗn hợp PO10, PO20 PO30 có thời điểm bốc cháy sớm so với nhiên liệu DO có thời gian cháy trễ ngắn 4.2.4 Suất tiêu hao nhiên liệu Bảng 4.5 Suất tiêu hao nhiên liệu loại nhiên liệu khác Suất tiêu thụ nhiên liệu (g/kW.h) STT Loại nhiên Tải/vòng quay Tăng so với Tải/vòng quay Tăng so với liệu (40%/238v/p) DO (60%/273v/p) DO DO 198 / 205 / PO10 200 (1,0%) 210 (2,4%) PO20 203 (2,5%) 216 11 (5,3%) PO30 206 (4,0%) 220 15 (7,3%) Khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp, suất tiêu thụ nhiên liệu cao so với sử dụng nhiên liệu DO Ở chế độ tải cao 600kW (60% tải), suất tiêu thụ nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp PO30 cao so với sử dụng DO khoảng 7,3% chênh lệch chế độ tải 400kW (40% tải) tăng khoảng 4% 4.2.5 Đánh giá thay đổi lưu lượng phun Bảng 4.6 Ảnh hưởng loại nhiên liệu đến định lượng cấp nhiên liệu Loại nhiên liệu Lượng nhiên liệu phun/lần (g/ct) DO PO10 PO20 PO30 Q, (g/ct) 3,142 3,154 3,172 3,201 Sự thay đổi so với DO, (%) / +0,381 +0,946 +1,843 Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình nhiên liệu hỗn hợp lớn so với nhiên liệu DO tỉ lệ với phần trăm dầu cọ hỗn hợp Theo thực nghiệm lượng cấp nhiên liệu cho chu trình nhiên liệu PO30 tăng tới 1,843% PO20 tăng khoảng 0,946% so với nhiên liệu DO 4.2.6 Chất lượng phun sương, tạo hỗn hợp cháy Trong q trình thí nghiệm, loại nhiên liệu thử nghiệm thiết bị Visio Scope áp dụng để ghi lại hình ảnh trình diễn biến thời điểm bắt đầu cấp nhiên liệu vào buồng đốt động cơ, thời điểm bắt đầu cháy diễn biến trình cháy Hình 4.11 đến 4.16 cho thấy hình ảnh thời điểm nhiên liệu bắt đầu phun vào buồng đốt xy lanh số động diesel thủy 6LU32 vòng quay 273 v/p tương đương 600kW (60% tải) q trình bắt đầu hịa trộn cháy hỗn hợp Nhiên liệu hỗn hợp phun, cháy sớm so với nhiên liệu DO 19 Hình 4.11 Hình ảnh nhiên liệu bắt đầu Hình 4.12 Hình ảnh nhiên liệu hịa trộn, phun -11,7 độ GQTK trước ĐCT, 273 v/p cháy -7 độ GQTK trước ĐCT, 273 v/p Hình 4.13 Hình ảnh nhiên liệu cháy -3 Hình 4.14 Hình ảnh nhiên liệu cháy độ độ GQTK trước ĐCT, 273 v/p GQTK sau ĐCT, 273 v/p Hình 4.15 Hình ảnh nhiên liệu cháy 22 độ GQTK sau ĐCT, 273 v/p Hình 4.16 Hình ảnh nhiên liệu cháy 11 độ GQTK sau ĐCT, 273 v/p 20 4.2.7 Phát thải NOx Bảng 4.7 Kết thực nghiệm hàm lượng NOx khí thải Hàm lượng khí NOx khí thải động cơ(g/kW.h) DO PO10 PO20 PO30 19,4 17,0 14,8 13,9 Hàm lượng khí NO x khí thải động (g/kW.h) 30 20 10 Loại nhiên liệu DO PO10 PO20 PO30 Hình 4.17 Đồ thị biểu thị hàm lượng NOx khí thải động chế độ tải 600kW sử dụng loại nhiên liệu Kết thực nghiệm nồng độ phát thải khí NOx cho thấy: hàm lượng khí NOx khí thải sử dụng nhiên liệu DO có giá trị 19,4 g/kW.h Như hàm lượng phát thải cao so với hàm lượng phát thải khí NOx sử dụng nhiên liệu hỗn hợp Khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp PO30, hàm lượng khí NO x khí thải động 6LU32 đo 13,9 g/kW.h, chí cịn thấp so với tiêu chuẩn phát thải qui định loại động Phụ lục VI, MARPOL 73/78; PO20 14,8 g/kW.h; 4.3 Kết giải pháp hiệu chỉnh phương pháp quy hoạch thực nghiệm Trên sở kết phân tích sử dụng lý thuyết tối ưu hóa phương pháp qui hoạch thực nghiệm nêu phần 2.6 Chương để thực giải pháp hiệu chỉnh thích hợp cho HTPNL cho động nhằm đáp ứng mục tiêu cần thiết Trong cơng thức tốn học xây dựng dạng hàm mục tiêu (2.72) ứng dụng Thực nghiệm hiệu chỉnh thực động diesel tàu thủy Hanshin 6LU32 trang bị PTN Trung tâm thí nghiệm hệ động lực - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam có thơng số trình bày Bảng 3.1 theo điều kiện thực nghiệm trình bày phần 4.1 4.2 Chương loại nhiên liệu PO10, PO20, PO30 có tính chất trình bày Bảng 1.5 Bảng 4.8 Bảng dự kiến yếu tố gây ảnh hưởng mức giá trị Mức Yếu tố ảnh hưởng Ký hiệu Thấp (-1) Trung tâm (0) Cao (1) Thời điểm bắt đầu A 11 13 phun (0CA GQTK) Áp suất phun (MPa) B 27 28 29 Tỉ lệ dầu cọ (%) C 10 20 30 Tiến hành thực nghiệm động 6LU32: dựa số lần cần làm thực nghiệm tiến hành đo đạc thông số cần thiết đề xuất Bảng 4.10, cho động diesel làm việc chế độ 600kW (273 v/p) đo mức độ phát thải với suất tiêu thụ nhiên liệu Ở cần lưu ý rằng, lần làm thí nghiệm tiến hành với ghép yếu tố ảnh hưởng với mức giá trị khác Như vậy, cần thực lần thí nghiệm hiệu chỉnh giá trị yếu tố ảnh hưởng 21 Trong q trình hiệu chỉnh, cơng việc cần làm phức tạp cơng phu hiệu chỉnh cam nhiên liệu theo yêu cầu với vị trí để mở vịi phun thời điểm 100, 110 120GQTK trước ĐCT Bằng cách làm vậy, toàn số lần thực nghiệm liệu cần thiết thể Bảng 4.11 Bảng 4.9 Tạo ma trận thí nghiệm TT X1 -1 1 -1 -1 -1 X2 1 -1 -1 1 -1 -1 X3 1 -1 -1 -1 -1 Y1 (g/kW.h) 223 221 222 221 219 222 224 222 221 Y2 (g/kW.h) 15,3 16,1 15,2 15,7 14,8 16,5 16,4 16,8 16,1 Các kết thí nghiệm trình bày Bảng 4.13 Bảng 4.10 Kết nghiên cứu tối ưu hóa TT Điểm trung tâm (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) X1 Y1 X2 X3 SOI [0CA ge IP [MPa] PO [%] ĐCT] [g/kW.h] Y2 NOx [g/kW.h] Mức chất lượng 11 28 20 223 15,3 472,63 11 11 12 10 12 12 10 10 28,5 29 29,5 29,5 30 30 29 28 10 30 10 20 20 20 30 30 221 222 221 219 222 224 222 221 16,1 15,2 15,7 14,8 16,5 16,4 15,8 15,1 427,42 431,24 469,86 492,58 483,48 429,75 456,32 467,95 Giới hạn NOx theo yêu cầu Tổ chức Hàng hải Quốc tế trình bày phụ lục VI Công ước quốc tế MARPOL 73/78, động diesel tàu thủy Hanshin 6LU32 có mức phát thải NOx = 19,4g/kW.h (ở chế độ thử nghiệm PTN ứng với tải 600kW, 273 v/p) cần hướng tới mức phát thải giới hạn mục tiêu NOx.g = 14,19g/kW.h Thông qua kết hàm tối ưu, xác nhận kết hợp (SOI = 100CA, IP = 29,5MPa, tỉ lệ = 20% PO) giá trị điều chỉnh HTPNL phục vụ cho động hoạt động hiệu cao đạt tiêu ge = 219g/kW.h, mức phát thải NOx = 14,8g/kW.h Điều có nghĩa q trình tối ưu hóa theo phương pháp bề mặt đáp ứng tìm thấy yếu tố kiểm sốt tối ưu cho động diesel 6LU32 GPS = 100GQTK, áp suất nâng kim phun = 29,5MPa, nhiên liệu hỗn hợp với dầu diesel có tỉ lệ dầu cọ 20% PO chọn để đặt thông số làm việc tối ưu cho động diesel tàu thủy 6LU32 sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho thay nhiên liệu thông thường 22 Kết luận chương Từ sở kết nghiên cứu lý thuyết Chương tính tốn lý thuyết, mơ Chương 3, Chương triển khai nghiên cứu thực nghiệm xác định thông số quan trọng đánh giá chất lượng phun nhiên liệu DO hỗn hợp PO10, PO20, PO30 hai chế độ tải 40% (238 v/p) 60% (273 v/p) động diesel tàu thủy lai phanh thủy lực Hanshin 6LU32 PTN Các kết nghiên cứu thực nghiệm cho kết thử nghiệm phong phú, xác thực tổng hợp phân tích mục 4.3 cho thấy rõ ảnh hưởng sau: áp suất cháy cháy cực đại PO nhỏ DO (PO20 nhỏ khoảng 3,5% tốc độ 273 v/p); thời điểm phun PO sớm DO (PO20 sớm khoảng 0,7 độ tốc độ 273 v/p), áp suất phun lớn PO lớn DO (PO20 lớn khoảng 5,5% tốc độ 273 v/p); thời gian cháy trễ PO nhỏ DO (PO20 nhỏ khoảng 0,0675 độ tốc độ 273 v/p); suất tiêu hao nhiên liệu (PO20 tăng khoảng 5,3% tốc độ 273 v/p); lưu lượng phun PO20 tăng khoảng 0,946% so với DO; chất lượng phun sương hòa trộn - cháy camera VisioScope chụp hình quay phim lại cho thấy PO20 đảm bảo có DO; phát thải NOx PO20 giảm khoảng 23% so với DO Xây dựng giải pháp hiệu chỉnh thích hợp phương pháp tổng hợp biện pháp hiệu chỉnh thông số hệ thống nhiên liệu để đạt hiệu kinh tế tiêu chuẩn môi trường cơng thức tốn học dạng hàm mục tiêu (2.72) thực thực nghiệm kiểm chứng trực tiếp động diesel Hanshin 6LU32 Kết xác định thông số điều chỉnh yếu tố kiểm soát tối ưu cho động diesel 6LU32 GPS = 100GQTK trước ĐCT, áp suất nâng kim phun = 29,5MPa, nhiên liệu hỗn hợp với dầu diesel có tỉ lệ dầu cọ 20%PO chọn để đặt thông số làm việc tối ưu cho động diesel tàu thủy 6LU32 sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho thay nhiên liệu truyền thống đạt tiêu kinh tế ge=219 g/kW.h tiêu mơi trường NOx=14,8 g/kW.h Nội dung Chương hồn thành mục tiêu đề Bảng 1.6 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Sau thời gian làm việc nghiêm túc, phương pháp nghiên cứu tổng hợp nghiên cứu lý thuyết, áp dụng mô số nghiên cứu thực nghiệm, NCS thực hoàn chỉnh mục tiêu, yêu cầu đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật – diesel đến phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy tính động diesel tàu thủy” sau kết luận: Đã phân tích kết nghiên cứu nước liên quan đến luận án, sở tổng hợp lựa chọn sở lý thuyết thích hợp để phục vụ nghiên cứu ảnh hưởng đặc tính hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu diesel đến chất lượng phun nhiên liệu tiêu kinh tế (g e), môi trường (NOx) động diesel tàu thủy; đề xuất giải pháp để áp dụng giải pháp hiệu chỉnh thích hợp thơng số HTPNL tỉ lệ % dầu cọ hỗn hợp để động hoạt động ổn định đạt tiêu kinh tế môi trường; Đã đánh giá ảnh hưởng đặc tính nhiên liệu hỗn hợp đến chất lượng phun nhiên liệu HTPNL cho động diesel tàu thủy Hanshin 6LU32 sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel PO10, PO20, PO30 DO Các kết cho thấy: hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel làm thay đổi đặc tính vĩ mơ vi mơ tia phun nhiên liệu vòi phun; dẫn đến thay đổi q trình phun, hịa trộn - cháy 23 hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí buồng đốt động diesel tàu thủy; làm cho thời điểm phun sớm so với nhiên liệu DO; giảm thời gian cháy trễ thời điểm bốc cháy nhiên liệu sớm so với DO; Xây dựng mơ hình mơ số cho kết trường vận tốc, trường áp suất, trường phân phối lượng động rối phân phối không gian chứa nhiên liệu đầu vòi phun, cửa vào cửa lỗ phun làm sở khoa học quan trọng đánh giá chất lượng phun nhiên liệu Kết mơ q trình hịa trộn - cháy PO20 buồng đốt động diesel 6LU32 cho thông số khả quan minh chứng cho kết thực nghiệm; Tổ chức thực nghiệm động 6LU32 chế độ tải 40% (238 v/p) 60% (273 v/p), xác định thông số: áp suất cháy; thời điểm phun, áp suất phun lớn nhất; thời gian cháy trễ; suất tiêu hao nhiên liệu; lưu lượng phun; chất lượng phun sương hòa trộn - cháy; phát thải NOx thông số công tác khác động nhằm so sánh, đánh giá chất lượng phun nhiên liệu loại nhiên liệu nghiên cứu; Từ kết nghiên cứu kết hợp lý thuyết việc sử dụng cơng thức tốn học, xây dựng mơ hình mơ số nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm đề xuất giải pháp hiệu chỉnh thích hợp HTPNL động diesel 6LU32 sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cách hiệu thân thiện với môi trường Đây biện pháp nghiên cứu đại ứng dụng vào khai thác vận hành hệ động lực tàu thủy phù hợp với chuyên ngành khai thác bảo trì tàu thủy mã số 9520116 Kết sau thực nghiệm hiệu chỉnh: - Xác định thông số điều chỉnh để kiểm soát tối ưu cho động diesel Hanshin 6LU32 hoạt động ổn định GPS = 10 0GQTK (giảm 10), áp suất nâng kim phun = 29,5MPa (tăng lên 1,5MPa), nhiên liệu hỗn hợp với dầu diesel có tỉ lệ dầu cọ 20% PO; - Động diesel làm việc đạt hai mục tiêu suất tiêu thụ nhiên liệu hợp lý (ge=219g/kW.h) tiệm cận với tiêu chuẩn phát thải NO x (=14.8 g/kW.h) IMO Tuy nhiên chế độ thử nghiệm cao PTN động diesel tàu thủy cỡ vừa Các kết nghiên cứu tổng hợp khẳng định rằng: hồn tồn sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - diesel làm nhiên liệu thay tàu thuộc đội vận tải biển Việt Nam đáp ứng tiêu chuẩn phát thải Quốc tế Hơn nữa, kết khoa học lần nghiên cứu thành công Việt Nam hưởng ứng đề án “Sử dụng tiết kiệm nhiên liệu bảo vệ môi trường” Chính phủ đề Kiến nghị: Đây thành cơng bước đầu, luận án cịn hạn chế sau cần tiếp tục nghiên cứu thời gian tới: Mở rộng nghiên cứu đến BCA, hệ thống cam nhiên liệu để nghiên cứu ảnh hưởng QLCCNL đến trình phun, hình thành hỗn hợp cháy, cháy phát thải động diesel tàu thủy chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ-dầu diesel; Đánh giá độ ổn định HTPNL động diesel tàu thủy chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ-dầu diesel vấn đề bơi trơn, mài mịn, ăn mịn xy hóa chi tiết hệ thống; Mở rộng đối tượng nghiên cứu, loại động diesel tàu thủy đại với HTPNL common rail điều khiển điều khiển điện tử ECU 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN [1] ThS Nguyễn Đức Hạnh, PGS TSKH Đặng Văn Uy, PGS TS Nguyễn Đại An(tháng11/2013).Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel đến áp suất phun nhiên liệu động diesel Hanshin 6LU32 Tạp chí Khoa học–Công nghệ Hàng hải số 36 ISSN1859316X [2] ThS Nguyễn Đức Hạnh, PGS TSKH Đặng Văn Uy, PGS TS Nguyễn Đại An (tháng10/2014) Nghiên cứu ảnh hưởng hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel đến lưu lượng phun nhiên liệu vào động diesel Hanshin 6LU32 Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số đặc biệt ISSN 0866-7056 [3] ThS Nguyễn Đức Hạnh, PGS TSKH Đặng Văn Uy, PGS TS Nguyễn Đại An, (tháng 4/2015) Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel đến trạng thái kỹ thuật bơm cao áp vịi phun động diesel Hanshin 6LU32 Tạp chí Khoa học – Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội số 27 ISSN 1859-3585 [4] MSc Nguyen Duc Hanh, Prof., Dr Nguyen Dai An, Prof., Dr Dang Van Uy (July/2017) A study on the applicability of biofuel for the small marine diesel engines in Vietnam conditions Tạp chí Khoa học–Công nghệ Xây dựng số ISSN1859-2996 [5] Prof., DSc Dang Van Uy, Prof., Dr Nguyen Dai An, MSc Nguyen Duc Hanh (Oct.17-19/2018, Barcelona, Spain).An optimization of marine diesel engine operation parameters when using a mixed fuel (DO and palm oil) as alternative fuel IAMU 2018, 19th Annual General Assembly – AGA, of the International Association of Maritime Universities (IAMU) [6] ThS Nguyễn Đức Hạnh, PGS TSKH Đặng Văn Uy, PGS TS Nguyễn Đại An Ứng dụng CFD tính tốn mơ số q trình hịa trộn - cháy động diesel thủy sử dụng nhiên liệu hỗn hợp (dầu DO - dầu cọ) làm nhiên liệu thay Tạp chí KHKT Thuỷ lợi Mơi trường số đặc biệt tháng 10 năm 2019 ISSN1859-3941 [7] MSc Nguyen Duc Hanh, Prof., Dr Nguyen Dai An, Prof., Dr Dang Van Uy Simulation of fluid dynamics through nozzles into marine diesel engine combustion chamber using the mixture fuel oil (diesel oil and palm oil) as an alternative one by Fluent-Ansys software 30th International Symposium on Transport Phenomena, Vinpearl Halong Bay Resort | 1-3 November 2019 ... cầu đề tài luận án ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật – diesel đến phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy tính động diesel tàu thủy? ?? sau kết luận: Đã phân tích kết nghiên cứu nước... tính kinh tế Xuất phát từ yêu cầu thực tế nêu trên, đề tài luận án: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật – diesel đến phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy tính động diesel tàu thủy? ??... NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN HTPNL ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY Để đạt mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp đến chất lượng phun nhiên liệu