Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD BIODIESEL trên động cơ diesel tàu thuỷ TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP.HỒ CHÍ MINH NGHIÊN CỨU SINH: TRẦN VIỆT DŨNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU ULSD-BIODIESEL TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số ngành: 9520116 Người hướng dẫn 1: PGS.TS Hoàng Anh Tuấn Người hướng dẫn 2: GS.TS Lê Anh Tuấn TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Giao thơng Vận tải thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn 1: PGS.TS Hoàng Anh Tuấn Người hướng dẫn 2: GS.TS Lê Anh Tuấn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng thẩm định luận án họp Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Vào lúc ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu Luận án Thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải thành phố Hồ Chí Minh; - Thư viện quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) quy định việc bắt buộc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp vận tải biển từ ngày 01/01/2020 Việc tuân thủ quy định hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu sử dụng cho tàu biển, hoạt động khu vực kiểm sốt phát thải, thực cách sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh 0,0015% thời điểm hoạt động tàu, chuyển đổi từ nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao sang nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh 0,0015% tàu vào khu vực kiểm soát phát thải Việc chuyển đổi nhiên liệu q trình hoạt động tàu gặp phải số vấn đề liên quan đến đặc tính nhiên liệu độ nhớt, khả bơi trơn, điểm bắt cháy, mồi cháy chất lượng q trình cháy Do vậy, đội tàu biển có sử dụng nhiên liệu ULSD phải trang bị thêm hệ thống làm lạnh nhằm khắc phục nhược điểm độ nhớt q thấp nhiên liệu Chính vậy, việc kết hợp loại nhiên liệu ULSD có độ nhớt thấp nhiên liệu Biodiesel (BO) có độ nhớt cao để tạo loại nhiên liệu vừa có độ nhớt đáp ứng u cầu, vừa có tính chất tái tạo, đồng thời giảm chi phí khai thác có ý nghĩa to lớn mặt kinh tế, kỹ thuật phát thải Tuy nhiên, chất lượng đồng nhiên liệu sau phối trộn phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp phối trộn Hiện nay, công nghệ phối trộn nhiên liệu sử dụng chủ yếu phối trộn học theo phương pháp khuấy tuabin, chất lượng mức chất nhận thời gian phối trộn dài Trong đó, giải pháp sử dụng sóng siêu âm để tạo xung kích từ bong bóng pha lỏng xem giải pháp có tiềm để nâng cao chất lượng đồng hỗn hợp hòa trộn pha lỏng nhiên liệu ULSD Biodiesel Do đó, xuất phát từ lý mà NCS lựa chọn phương pháp sử dụng sóng siêu âm để phối trộn loại nhiên liệu ULSD Biodiesel thành loại nhiên liệu đồng nhất, có độ nhớt tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống để sử dụng tàu thủy nhằm đáp ứng quy định IMO, giảm chi phí khai thác bảo vệ mơi trường Chính vậy, NCS lựa chọn đề tài: Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel động diesel tàu thủy Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan giải pháp sử dụng nhiên liệu ULSD cho động diesel tàu thủy; - Nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công thiết bị sử dụng sóng siêu âm để sản xuất nhiên liệu đồng ULSD Biodiesel; - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp đồng ULSD-Biodiesel làm nhiên liệu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Động diesel tàu thủy cỡ nhỏ có cơng suất từ 50 mã lực đến 100 mã lực; - Nhiên liệu diesel thơng thường có hàm lượng lưu huỳnh 0,05%, nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh 0,001% nhiên liệu Biodiesel B100 (dầu dừa); - Nghiên cứu chế tạo thiết bị tạo nhiên liệu đồng sóng siêu âm; - Hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống thải hệ thống điều khiển kiểm tra động cơ; - Các thiết bị thử nghiệm động thử nghiệm khí thải Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết chế phá vỡ cấu trúc phân tử sóng siêu âm Thực nghiệm xác định mối tương quan cơng suất bước sóng siêu âm; - Nghiên cứu lý thuyết đại giới trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp cháy động diesel sử dụng nhiên liệu đồng ULSD Biodiesel áp dụng vào toán thực tế luận án nhằm đánh giá khả ảnh hưởng nhiên liệu đồng ULSD Biodiesel đến q trình thơng số kinh tế, kỹ thuật động cơ; - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đối chứng sử dụng để đánh giá tác động việc chuyển động diesel tàu thủy sang sử dụng nhiên liệu đồng ULSD Biodiesel Đặc tính phun nhiên liệu đồng ULSD Biodiesel mơi trường khơng khí theo nhiệt độ sấy thực nhằm làm sở cho việc giải thích q trình hình thành hỗn hợp, trình cháy phát thải Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học Các kết thu từ luận án sở khoa học có tính tin cậy tài liệu tham khảo tốt cho viện nghiên cứu, trường đại học thuộc lĩnh vực hàng hải việc giảng dạy nghiên cứu sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp cho động diesel Ý nghĩa thực tiễn Việc kết hợp loại nhiên liệu ULSD có độ nhớt thấp nhiên liệu Biodiesel có độ nhớt cao để tạo loại nhiên liệu vừa có độ nhớt đáp ứng yêu cầu, vừa có tính chất tái tạo, đồng thời giảm chi phí khai thác có ý nghĩa to lớn mặt kinh tế, kỹ thuật phát thải Điểm của luận án - Xây dựng hệ thống sở lý thuyết hòa trộn đồng hai pha lỏng sóng siêu âm; - Thiết kế chế tạo thành công hệ thống thiết bị tạo hỗn hợp nhiên liệu đồng ULSD-Biodiesel sóng siêu âm đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật chất lượng hành Việt Nam; - Thử nghiệm đánh giá thành cơng đặc tính động cơ, tính kinh tế đặc tính phát thải động diesel tàu thủy sử dụng hỗn hợp nhiên liệu đồng ULSD-Biodiesel Kết cấu của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, chương nội dung nghiên cứu, phần kết luận chung hướng phát triển Tồn luận án trình bày 123 trang, 27 bảng 56 hình vẽ đồ thị CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nhiên liệu dùng cho động diesel tàu thủy và phụ lục MARPOL 73/78 1.2 Tổng quan về nhiên liệu ULSD 1.2.1 Đặc điểm nhiên liệu ULSD Theo đó, nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh đến 0.0015% gọi nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh siêu thấp (Ultra Low Sulfur Diesel ULSD), đến 0.05% diesel lưu huỳnh thấp (Low Sulfur Diesel) đến 0,5 % diesel thơng thường (regular diesel) 1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu ULSD 1.2.2.1 Sử dụng trực tiếp ULSD Deniz F Aktas (2016) [4] nghiên cứu đặc tính ăn mịn sinh học nhiên liệu ULSD Mayekawa (2012) [5] nghiên cứu thiết kế hệ thống làm lạnh nhiên liệu MGO (nhiên liệu ULSD) để đáp ứng trang bị cho tàu hoạt động vùng kiểm sốt phát thải ECA 1.2.2.2 Hịa trộn ULSD với Biodiesel Đặc tính nhiên liệu phục hồi cách trộn ULSD với dầu diesel sinh học 1–2 vol% kết nghiên cứu Lin cộng [7] Mangus cộng [11] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cách kiểm tra dòng chất lỏng nhiệt độ thấp (LTFT), điểm làm tắc bầu lọc nhiệt độ thấp điểm vân hóa loại nhiên liệu sinh học khác hòa trộn với ULSD nhằm cung cấp thơng tin liệu dịng chất lỏng làm mát nhiên liệu ULSD sử dụng cho động diesel Andrew M Duncan [12] cho thấy sau pha trộn ULSD với Biodiesel theo tỉ lệ 5, 10, 20, 40, 80% cho thấy, độ nhớt nhiên liệu đạt kết tối ưu với tỉ lệ 5, 10 20% Biodiesel Lin cộng [14] tiến hành nghiên cứu pha trộn nhiên liệu sinh học (metyl este dầu cải) với nhiên liệu ULSD so sánh tính chất nhiên liệu hịa trộn với nguồn nhiên liệu tiêu chuẩn 1.2.3 Tình hình nghiên cứu về cơng nghệ hịa trộn nhiên liệu Phương pháp hòa trộn đề xuất sử dụng buồng hòa trộn với hỗ trợ thiết bị khí dạng cánh (cánh khuấy dạng tuabin) [21] 1.3 Cơ sở nghiên cứu của luận án Quan điểm mấu chốt đề tài tìm giải pháp kết hợp việc sử dụng nhiên liệu ULSD nhiên liệu sinh học mà không cần cụm thiết bị chuyển đổi Do đó, vừa giảm chi phí khai thác vừa giảm phát thải độc hại môi trường, đồng thời đáp ứng yêu cầu tàu thủy hoạt động vùng biển SECA Kinh nghiệm kết nghiên cứu giới cho thấy, sử dụng nhiên liệu Biodiesel, hàm lượng phát thải CO, HC, bồ hóng muội than giảm đi, cịn hàm lượng phát thải NOx tăng Bên cạnh đó, sử dụng nhiên liệu ULSD lại giảm triệt để phát thải SOx Sự kết hợp loại nhiên liệu thành loại nhiên liệu đồng hướng hướng nghiên cứu tính đến nước giới song chưa đưa giải pháp để đảm bảo động mặt tổ chức loại nhiên liệu sau pha trộn Như vậy, việc hòa trộn loại nhiên liệu Ultra low sulfur (ULSD) Biodiesel (BO) thành loại nhiên liệu đồng nhất, có độ nhớt tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống, phương pháp sử dụng sóng siêu âm giải pháp hữu hiệu Ở Việt Nam, thời điểm nay, có số nghiên cứu giải pháp chuyển đổi động diesel tàu thủy sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biodiesel diesel dầu mỏ thông qua việc thiết kế hòa trộn kiểu cánh khuấy nhằm bổ sung liên tục hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel cho động diesel tàu thủy Tuy nhiên, khối lượng kích thước cụm chi tiết cồng kềnh, khó lắp đặt khơng gian hạn chế buồng máy tàu thuỷ chất lượng hịa trộn khơng tốt khơng hâm sấy trước hịa trộn Vì vậy, để nâng cao chất lượng đồng nhiên liệu sau phối trộn, đồng thời giảm kích thước thiết bị kèm cho hệ thống phối trộn để dễ dàng tích hợp hệ thống nhiên liệu tàu thủy giải pháp NCS đưa sử dụng cơng nghệ sóng siêu âm để phối trộn hỗn hợp nhiên liệu 1.4 Kết luận chương Với việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu ngồi nước việc sử dụng nhiên liệu ULSD việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel tàu biển làm sở để NCS tìm khoảng trống cần nghiên cứu cho luận án Việc hòa trộn trực tiếp nhiên liệu ULSD với nhiên liệu sinh học xem giải pháp hiệu nhằm cải thiện đặc tính độ nhớt thấp nhiên liệu ULSD, đồng thời nhằm đảm bảo an ninh lượng cho ngành vận tải hàng hải mà nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt dần Đặc biệt cơng nghệ sử dụng sóng siêu âm để phối trộn hỗn hợp nhiên liệu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÒA TRỘN HỖN HỢP NHIÊN LIỆU ULSD VÀ BIODIESEL SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Cơ sở lý thuyết về hòa trộn nhiên liệu Hòa trộn chất lỏng hiểu tượng biến đổi hệ thống không đồng thành hệ thống đồng Hợp chất chất lỏng coi đồng hay đồng thể hóa cấu trúc hợp phần thể tích khối chất lỏng lớn không khác biệt so với cấu trúc hợp trung bình khối chất lỏng 2.2.1 Một số nguyên lý hòa trộn tiêu biểu - Loại cánh loại thiết bị hòa trộn đơn giản nhất; - Thiết bị hòa trộn kiểu nghiền; - Thiết bị hòa trộn 2.2.2 Một số thiết bị hịa trộn điển hình - Thiết bị hịa trộn tĩnh dạng chữ S thẳng; - Thiết bị hòa trộn kiểu khuấy 2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết bị tạo sóng siêu âm - Sự hình thành bong bóng dung dịch; - Số lượng bong bóng hình thành dung dịch; - Các nhân tố ảnh hưởng đến hình thành bong bóng dung dịch; - Cơ chế phát triển vỡ tan bong bóng; - Phân tích động lực học bong bóng 2.4 Cơ sở lý thuyết đánh giá tính khả của thiết bị hòa trộn Về nguyên tắc, dầu metanol khơng thể trộn lẫn Do cần tạo nhũ tương metanol dầu Điều đòi hỏi thiết bị tạo nhũ máy trộn máy khuấy thông thường Trộn sóng siêu âm phương tiện tiên tiến để tạo thành nhũ tương kích thước nhỏ quy mô xử lý lớn 2.5 Cơ sở lý thuyết cháy của hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel động diesel tàu thủy - Quá trình cháy; - Cơ chế hình thành phát thải: Gồm phát thải Nox, phát thải bồ hóng, phát thải HC phát thải CO 2.6 Kết luận chương Trong chương 2, NCS tìm hiểu sở lý thuyết tính tốn, thiết bị hịa trộn nhiên liệu sóng siêu âm nhằm tạo sở cho việc tính tốn thiết kế hệ thống phối trộn nhiên liệu ULSD nhiên liệu sinh học Đồng thời, lý thuyết trình cháy hình thành phát thải động diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD Biodiesel NCS tìm hiểu để làm sở cho việc thực nghiệm hỗn hợp nhiên liệu động diesel CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THIẾT BỊ HÒA TRỘN HỖN HỢP NHIÊN LIỆU ULSD-BIODIESEL BẰNG SÓNG SIÊU ÂM 3.1 Giới thiệu chung Dựa sở lý thuyết tìm hiểu chương 2, NCS tiến hành tính tốn thiết kế thành cơng hệ thống hịa trộn nhiên liệu ULSD Biodiesel sóng siêu âm thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật QCVN 1:2015/BKHCN 3.2 Thiết kế thiết bị hòa trộn nhiên liệu sóng siêu âm 3.2.1 Tổng quan về hệ thống Bộ điều khiển trung tâm có vai trị tạo tín hiệu sóng siêu âm tần số thay đổi được, tín hiệu sóng siêu âm đưa vào điều khiển đệm cách ly Sau tín hiệu sóng siêu âm đưa đến khuếch đại công suất lớn để điều khiển loa phát sóng siêu âm qua bể hịa trộn 3.2.2 Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển - Khối điều khiển; - Bộ khuếch đại công suất; - Bộ phát sóng siêu âm 3.2.3 Tính toán lựa chọn bể chứa nhiên liệu lỏng xử lý siêu âm Xây dựng tiêu chí kỹ thuật thiết bị hịa trộn liên tục dầu dừa dầu ULSD dựa vào sở sau đây: - Bộ luật SOLAS 74 qui định yêu cầu hệ thống nhiên liệu cho động diesel tàu thủy yêu cầu an toàn; - Các tiêu chuẩn kĩ thuật thiết bị hòa trộn chất lỏng để đạt chất lượng hỗn hợp chất lỏng sau trộn Các tiêu chuẩn kỹ thuật có liên quan đến thời gian trộn, kích thước bể trộn, chế độ làm việc q trình trộn; - Mơ hình dịng chảy chất lỏng bể trộn áp dụng tần số sóng siêu âm khác Thiết bị hòa trộn liên tục dầu dừa dầu ULSD xây dựng sở sử dụng tạo sóng siêu âm với mục đích tạo nên hỗn hợp nhiên liệu có chất lượng đồng cao Thiết bị hòa trộn liên tục đảm bảo cung cấp liên tục cho động cân lượng nhiên liệu cấp vào thiết bị hòa trộn với lượng tiêu thụ nhiên liệu động Đối với thiết bị hòa trộn chất lỏng dầu dừa với dầu ULSD dùng cho động diesel thủy, yêu cầu thể tích két trộn chưa có quy định cụ thể Tuy nhiên, tàu sử dụng nhiên liệu dầu nặng (FO) dầu diesel (DO), tàu có trang bị két trộn nhằm mục đích hịa trộn đổi dầu 3.3 Thiết kế mơ hình hệ thống Có phương án bố trí hệ thống mơ hình hệ thống với khuếch đại nằm nằm ngang mơ hình hệ thống với khuếch đại nằm thẳng đứng Nguyên tắc hoạt động thiết bị hòa trộn siêu âm đơn giản dễ sử dụng, phù hợp cho đối tượng Khi cấp nguồn, hệ thống hoạt động chế độ mặc định phát sóng siêu âm tần số 28KHz Người dùng thiết lập chế độ hoạt động hệ thống cho phép thiết lập tham số thời gian hoạt động hệ thống cơng suất sóng siêu âm Từ phân tích trên, phù hợp với điều kiện gia cơng, thiết bị có sẵn nước nay, đề tài lựa chọn hệ thống với loại bể chứa nhiên liệu có khuếch đại nằm thẳng đứng Hình 3.11, với thơng số sau: - Kích thước lịng bể chứa nhiên liệu (chiều dài, chiều rộng, chiều cao): LxBxH = 250mmx250mmx250mm - Số lượng đầu khuếch đại siêu âm: (cái) - Nguồn phát siêu âm có cơng suất: 900W ULSD-COB bao gồm mật độ, độ nhớt động học sức căng bề mặt đưa Bảng 3.1 Tuy nhiên, thông số cịn lại LHV CN liên quan đến trình cháy nhũ tương ULSD – COB dự đốn CN COB cao ULSD DO Trong đó, LHV COB thấp không đáng kể so với ULSD DO Bảng Tính chất nhũ tương ULSD – COB sau phối trộn Tính chất ULSD-COB COB ULSD DO Khối lượng riêng, kg/m 856 880 832 852 Độ nhớt động học, cSt 3,68 7,2 1,9 3,6 Sức căng bề mặt, N/m 25,3 26,5 24,4 25,2 Từ Bảng 3.1, giá trị cao ba đặc tính nhũ tương ULSD-COB so với DO thấy Cụ thể độ nhớt động học, tỷ trọng sức căng bề mặt cao 1,02%, 0,47% 0,40% so với nhiên liệu DO Tuy nhiên, giá trị đáp ứng yêu cầu nhiên liệu sử dụng cho động diesel Kết đạt dựa tỷ lệ trộn 50%: 50% ULSD COB coi kết tối ưu Bên cạnh đó, sai số độ nhớt động học giá trị tính (3.7 cSt) kết thực nghiệm (3.67 cSt) nhỏ, 0,54% Cuối cùng, SEP µ nhũ tương ULSD-COB hàm thời gian xử lý sóng siêu âm khoảng cách (h) 90 mm vẽ Hình 3.14 Hình Sự thay đổi SEP (%) độ nhớt động học (KV) nhũ tương ULSDCOB với thời gian xử lý siêu âm (t) h = 90mm 12 Hình 3.14 cho thấy thay đổi SEP thay đổi tăng mạnh 10 phút Sau đó, SEP thay đổi không đáng kể giữ tương đối ổn định Những thay đổi tương tự µ xảy sau 10 phút xử lý sóng siêu âm Tuy nhiên, xu hướng SEP µ dường xảy theo hướng ngược nhau, giá trị chúng cho thấy tiệm cận với giá trị ổn định Cụ thể, giá trị SEP gần 100% giá trị µ 3,68 cSt Nhũ tương ULSD-COB với phân tán pha so với DO BO (COB) thể H.3.15 Hình Sự phân tán pha: (A) dầu diesel, (B) nhũ tương ULSD-COB, (C) Dầu diesel sinh học gốc dầu dừa Hình ảnh vi mơ sử dụng để kiểm tra vi cấu trúc nhũ tương ULSD – COB (Hình 3.15B) sau xử lý siêu âm với tỷ lệ thể tích 50% (ULSD): 50% (COB) Hình 3.15 cho thấy hình ảnh vi mơ lấy mẫu từ phần nhũ tương ULSD-COB Theo quan sát mắt thường, hỗn hợp ULSD COB tạo thành nhũ tương đồng sau xử lý siêu âm Hơn nữa, thành phần dầu diesel sinh học gốc dầu dừa tích hợp hồn tồn thành phần ULSD Kích thước giọt trung bình nhũ tương ULSD-COB lớn so với DO (Hình 3.15A) lại nhỏ COB (Hình 3.15C) Rõ ràng lượng sóng siêu âm phá vỡ sức căng bề mặt ULSD-COB, dẫn đến pha phân tán với giọt nhỏ nhũ tương chúng Ngồi ra, đặc tính vật lý nhũ tương hỗ trợ sóng siêu âm độ nhớt, mật độ sức căng bề mặt ổn định sau sử dụng lâu dài 3.5 Kết luận chương Dựa sở lý thuyết tìm hiểu được, NCS tính tốn thiết kế thành cơng thiết bị hịa trộn nhiên liệu ULSD Biodiesel sóng siêu âm thỏa mãn 13 yêu cầu kỹ thuật QCVN 1:2015/BKHCN Các tính tốn lựa chọn phù hợp với dung tích tốc độ mẻ hòa trộn, đồng thời thiết bị tạo sóng siêu âm có khả đáp ứng yêu cầu tần số sóng siêu âm phát cường độ sóng để trì số lượng bong bóng kích thước cỡ nano dung dịch hòa trộn; Để đánh giá khả hòa trộn chất lượng hỗn hợp nhiên liệu sau phối trộn hệ thống thiết kế, tác giả tiến hành phối trộn hai loại nhiên liệu có nhiều khác biệt đặc tính diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp diesel sinh học gốc dầu dừa sử dụng cho mục đích nghiên cứu Khoảng cách tối ưu từ đáy buồng nhũ hóa đến đầu dò 90 mm Sau tiến hành phối trộn siêu âm với tần số 28 kHz công suất siêu âm 100 W độ cao 90 mm khoảng cách đầu dò siêu âm so với đáy buồng nhũ hóa, độ ổn định cao đạt nhũ tương ULSD-COB 98,5% sau 17 phút Độ nhớt động học nhũ tương ULSD-COB 3,68 cSt sau 10 phút Kết chứng tỏ thiết bị hịa trộn hỗn hợp nhiên liệu sóng siêu âm hoàn toàn đáp ứng tiêu chất lượng nhiên liệu hòa trộn, đồng thời thể ưu điểm vượt trội thời gian hòa trộn độ đồng nhiên liệu so với phương pháp khuấy học CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Đặt vấn đề 4.1.1 Mục đích thử nghiệm Quá trình thử nghiệm động băng thử nhằm đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu ULSD-Biodiesel đến động cơ, chuyên đề tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá mức độ ảnh hưởng dựa tính làm việc động như: Cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu, đặc tính cháy phát thải độc hại Như vậy, nghiên cứu thực nghiệm dựa ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn nhiên liệu ULSD với Biodiesel thiết bị hoà trộn sóng siêu âm đặc tính tải đặc tính ngồi động Đánh giá tác động hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel với tỷ lệ hịa trộn thể tích Biodiesel với ULSD 0%, 10%, 20%, 30% 50% 14 đến tính kỹ thuật, kinh tế phát thải động phịng thí nghiệm Đánh giá ảnh hưởng số thông số đầu vào động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel đến tính động 4.1.2 Đối tượng và phạm vi thử nghiệm - Nhiên liệu ULSD, nhiên liệu diesel sinh học (gốc dầu dừa); - Động diesel; - Các thiết bị hệ thống thử nghiệm động thử nghiệm khí thải Các hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel (ULSD, B10, B20, B30, B50) hoà trộn thiết bị sử dụng sóng siêu âm theo tỷ lệ thể tích Q trình thử nghiệm thực động diesel D243 với chế độ tải chế độ đặc tính ngồi phịng thử nghiệm động lực cao Trung tâm thử nghiệm động đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội 4.2 Trang thiết bị và quy trình thử nghiệm 4.2.1 Thiết bị thử nghiệm Hệ thống thử nghiệm bao gồm thiết bị sau: Phanh điện APA 100; Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554; Thiết bị làm mát nước làm mát AVL 553; Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL 733S; Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753; Bộ điều khiển tay ga THA 100 4.2.2 Động và nhiên liệu thử nghiệm 4.2.2.1 Động thử nghiệm Động D243 động diesel kỳ, xylanh thẳng hàng, thứ tự làm việc 13-4-2, không tăng áp Động sử dụng hệ thống làm mát nước cưỡng vịng tuần hồn kín, với bơm nước tuần hồn kiểu ly tâm, cấu phối khí xupáp treo, trục cam đặt thân máy có biên dạng cam cam lồi ba cung Hiện nay, Việt Nam số lượng động D243 sử dụng nhiều lĩnh vực đường sông, phát điện tàu thủy cỡ nhỏ Động nghiên cứu nhiều nên tài liệu kỹ thuật động tương đối đầy đủ đảm bảo độ xác Do đó, tác giả lựa chọn động D243 làm đối tượng nghiên cứu áp dụng cho chuyên đề thực nghiệm 4.2.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm Các nhiên liệu thử nghiệm: 15 - Nhiên liệu ULSD thương phẩm (diesel 0,001%S); - Nhiên liệu diesel sinh học nguồn gốc từ dầu dừa pha trộn với nhiên liệu ULSD với tỷ lệ 10% (B10), 20% (B20), 30% (B30), 50% (B50); - Nhiên liệu pha trộn ULSD-Biodiesel hoà trộn thiết bị sử dụng sóng siêu âm NCS thiết kế chế tạo (Hình 4.7 Hình 4.8): ULSD, B10, B20, B30, B50 Các tính chất lý hóa nhiên liệu thử nghiệm thể thể Bảng 4.2 Bảng Tính chất loại nhiên liệu thử nghiệm Tính chất Đ.vị ULSD B10 B20 B30 B50 B100 Khối lượng riêng tại15oC kg/m 838.8 846.4 850.3 856.2 861.8 880 Độ nhớt 40oC mm2/ 1.60 3.524 3.882 4.116 4.425 7.2 Sức căng bề mặt 30oC N/m 0.0258 0.0257 0.026 0.0264 0.0263 2.65 Nhiệt trị thấp MJ/k g 42.8 42.03 41.65 41.06 40.5 37.78 - 45 46.05 46.5 47.5 48 41 C 66 72.55 84.12 95.45 102.25 200 %C % 0.86 0.84615 0.83875 0.82165 0.81275 0.7602 %H % 0.134 0.13215 0.13075 0.1295 0.1275 0.1363 %S % 0.001 0.00085 0.00076 0.00065 0.00052 0.0002 %O % - 0.01345 0.02597 0.03895 0.05195 0.1023 s Số Xê tan Điểm chớp cháy o 4.2.3 Quy trình thử nghiệm Trước tiến hành đo thông số cần tiến hành sau: Cho động chạy thử nghiệm với nhiên liệu DO khoảng thời gian 10 phút với chế độ không tải, tiến hành kiểm tra thông số động hoạt động ổn định chưa; kiểm tra tình trạng hoạt động thiết bị đo thông số Cho động làm việc chế độ 50% tải, tốc độ 1500 vòng/phút thời gian 30 phút để ổn định trạng thái nhiệt tình trạng làm việc động Tiêu 16 chí đánh giá động làm việc ổn định: Các thông số đo ổn định, mức độ dao động thông số đo nhỏ Sau động làm việc ổn định, tiến hành đo tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải với nhiên liệu DO theo đặc tính tải tốc độ 1500 vịng/phút 2000 vòng/phút (tại giá trị tải 10%, 25%, 50%, 75% 100%) đặc tính ngồi 100% tải tốc độ 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 2000 vòng/phút Đo tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải động D243 với nhiên liệu khác chế độ đặc tính tải đặc tính ngồi động cơ, so sánh đối chứng với nhiên liệu ULSD Mỗi điểm đo 05 loại nhiên liệu thực 03 lần lấy kết trung bình 4.2.4 Điều kiện thử nghiệm Băng thử động lực học cao ETB trang bị Phịng thí nghiệm Động đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội băng thử cung cấp hãng AVL Áo Hình 4.9 Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm băng thử động lực cao ETB 4.3 Kết thử nghiệm và thảo luận 4.3.1 Đặc tính kỹ thuật 17 4.3.1.1 Đặc tính cơng suất Cơng śt (kW) 59 51 UL SD B50 43 B30 35 27 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2000 Tốc độ (vòng/phút) Hình Cơng suất động theo đặc tính 100% tải với nhiên liệu khác Hình 4.11 cho thấy cơng suất động giảm so với sử dụng nhiên liệu ULSD giảm tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên Công suất giảm dần suất tiêu hao nhiên liệu tăng dần tỷ lệ pha trộn diesel sinh học nhiên liệu tăng lên Công suất động sử dụng nhiên liệu diesel sinh học giảm nhiệt trị nhiên liệu diesel sinh học thấp Tính trung bình hai chế độ tốc độ cơng suất động sử dụng nhiên liệu B10, B20 B30 giảm so với ULSD là: -1,08%; -2,16% -3,00% Trong suất tiêu hao nhiên liệu giảm là: 1,21%; 2,45% 3,40% 4.3.1.2 Đặc tính mơmen Kết Hình 4.12 bên cho thấy tỷ lệ pha trộn nhiên liệu sinh học tăng lên mơ men động có xu hướng giảm xuống Khi tỷ lệ phần trăm hỗn hợp diesel sinh học tăng lên, góc quay mà nhiệt độ cực đại xảy bị trì hỗn ảnh hưởng độ nhớt đến q trình ngun tử hóa nhiên liệu Khi 18 nhiên liệu độ nhớt lớn rời khỏi kim phun, giọt nhiên liệu lớn không bay hiệu Mô men (N.m) 315 305 ULSD 295 B50 285 B30 275 B20 B10 265 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2000 Tốc độ (vịng/phút) Hình Mơ men động theo đặc tính ngồi chế độ 100% tải loại nhiên liệu khác 4.3.2 Đặc tính kinh tế 4.3.2.1 Suất tiêu hao nhiên liệu ULSD B50 B30 Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) 280 270 260 250 240 230 Tốc độ (vòng/phút) 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2000 Hình 4 Suất tiêu hao nhiên liệu động theo đặc tính ngồi chế độ 100% tải cho loại nhiên liệu khác 19 Mức tiêu thụ nhiên liệu (BSFC) tính mơ-men xoắn động cơ, tốc độ động tốc độ tiêu thụ khối lượng nhiên liệu BSFC giảm tăng tải động cho tất loại nhiên liệu khác Đối với chế độ thử nghiệm, tỷ lệ diesel sinh học nhiên liệu hỗn hợp cao BSFC cao, giá trị nhiệt diesel sinh học thấp So với ULSD, B50 có mức tăng BSFC trung bình cao 8,68% 2000 vòng/phút tiến hành thử nghiệm theo đặc tính tải Trong đó, 1500 vòng/phút, mức chênh lệch lớn (9,84%) BSFC chứng kiến B30 4.3.2.2 Nhiệt độ khí thải Nhiệt độ khí thải (oC) 660 640 620 ULSD 600 B50 580 B30 560 B20 540 B10 520 500 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2000 Hình Nhiệt độ khí xả động theo đặc tính ngồi chế độ 100% tải sử dụng nhiên liệu khác Kết thử nghiệm Bảng 4.11, Bảng 4.12 Bảng 4.13 cho thấy thử nghiệm theo đặc tính ngồi, tốc độ cao mức chênh nhiệt độ khí xả rõ rệt, đặc biệt vòng quay 1500 vòng/phút chứng kiến mức chênh nhiệt độ khí xả lớn nhiên liệu sinh học ULSD Ở vòng quay 1500 vịng/phút tất mẫu nhiên liệu sinh học hòa trộn nghi nhận giảm nhiệt độ khí thải so với ULSD, nguyên nhân đến từ bổ sung oxy hàm lượng hydro cacbon thơm làm cho nhiên liệu sinh học có q trình cháy tập trung thời kỳ cháy mà bị cháy rớt 20 4.3.3 Đặc tính phát thải 4.3.3.1.Phát thải Nox Phát thải NOx (ppm) 2000 1900 1800 ULSD 1700 B50 1600 B30 1500 B20 1400 B10 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2000 Tốc độ (vòng/phút) Hình Phát thải NOx động theo đặc tính ngồi chế độ 100% tải sử dụng nhiên liệu khác Phát thải NOx tăng dần tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên Hình 4.15 Tính chung cho tất chế độ thử nghiệm theo đặc tính ngồi cho thấy, phát thải NOx nhiên liệu B10, B20, B30 B50 tăng trung bình 2,8%; 3,8%; 6,2% 9,9% so với nhiên liệu khoáng ULSD Tuy nhiên, gia tăng phát thải NOx cho nhiên liệu có bổ sung nhiên liệu sinh học dường không diễn điều kiện tải phận tải thấp Cụ thể, kết thử nghiệm theo đặc tính tải vịng quay 1500 vịng/phút cho thấy có sụt giảm hàm lượng NOx 4,1% 1,8% với nhiên liệu B10 B30 so với ULSD Các nghiên cứu gần nồng độ oxy nhiên liệu thử nghiệm tăng lên làm giảm lượng NOx hình thành Trái lại, chiều dài chuỗi mạch C tăng lên có ảnh hưởng mạnh đến gia tăng phát thải NOx Với diesel sinh học, nhiệt độ đốt buồng tăng lên lượng oxy tăng lên, điều cải thiện trình đốt cháy dẫn đến hình thành khí thải NOx cao 4.3.3.2 Phát thải CO 21 Phát thải CO (ppm) 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 ULSD B50 B20 B10 1000120014001500160018002000 Tốc độ (vịng/phút) Hình Phát thải CO động theo đặc tính ngồi chế độ 100% tải sử dụng loại nhiên liệu khác Kết Hình 4.16 cho thấy tỷ lệ pha trộn tăng lên phát thải CO giảm tương ứng 15,18%, 21,8% 25,82% với nhiên liệu B20, B30 B50 so với ULSD thực theo đặc tính ngồi Tính trung bình cho tất chế độ thử nghiệm thay đổi phát thải CO cho nhiên liệu B10, B20, B30 B50 so với nhiên liệu ULSD là: -17,52%, -21,49%, 32,79% -30,29% Sự giảm phát thải CO sử dụng nhiên liệu diesel sinh học giải thích có mặt thành phần Oxy nhiên liệu diesel sinh học giúp giảm khu vực cục có tỷ số A/F nhỏ 4.3.3.3 Phát thải HC Phát thải HC (ppm) ULSD 300 275 250 225 200 175 150 125 100 1000 1200 B50 B30 Tốc độ (vịng/phút) 1400 1500 1600 B20 1800 B10 2000 Hình Phát thải HC động theo đặc tính chế độ 100% tải sử dụng nhiên liệu khác 22 Phát thải HC động sử dụng diesel sinh học thấp nhiều so với sử dụng nhiên liệu ULSD Khi tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên phát thải HC giảm Sự giảm phát thải HC nguyên nhân thành phần oxy trị số xêtan nhiên liệu diesel sinh học cao so với nhiên liệu diesel Kết thử nghiệm theo chế độ đặc tính vịng quay cho thấy tốc độ cao phát thải HC thấp Điều mơ tả Hình 4.17, với nhiên liệu B10 B20, phát thải vịng quay 2000 vòng/phút giảm 47% 52%so với vòng quay 1000 vòng/phút Nguyên nhân tốc độ động tăng lên tốc độ dịng khí vào tăng lên dịng chảy hỗn loạn, làm tăng tốc độ nguyên tử hóa nhiên liệu xi lanh, làm cho hỗn hợp đồng giảm phát thải HC Mức giảm phát thải HC lớn ứng với B50 so với ULSD tương ứng khoảng sấp xỉ 48% 4.3.3.4 Phát thải PM Bảng Nồng độ phát thải PM động theo đặc tính ngồi 100% tải sử dụng ULSD, B10, B20, B30, B50 n ULSD B50 Thay B30 Thay đổi B20 đổi Thay B10 đổi Thay đổi rpm ppm ppm % ppm % ppm % ppm % 2000 1,56 1,35 -13,6 1,42 -8,7 1,49 -4,3 1,45 -6,7 1800 1,97 1,71 -13,3 1,84 -6,7 1,93 -1,9 1,94 -1,4 1600 2,07 1,89 -8,8 1,97 -5,0 2,00 -3,6 2,02 -2,4 1500 2,10 1,79 -14,5 1,92 -8,5 1,99 -4,8 2,03 -3,1 1400 2,03 1,82 -10,4 1,92 -5,5 2,01 -1,2 2,03 0,0 1200 2,04 1,81 -11,3 1,92 -5,8 1,97 -3,2 2,04 0,0 1000 2,01 1,70 -15,6 1,82 -9,7 1,87 -6,9 1,92 -4,4 Trung bình -12,5 -7,1 -3,7 -2,6 Kết thử nghiệm cho thấy việc sử dụng Biodiesel hòa trộn nhiên liệu ULSD làm giảm phát thải PM Lượng phát thải PM giảm tỷ lệ với tham gia 23 nhiên liệu sinh học hỗn hợp nhiên liệu thử nghiệm Kết Bảng 4.23 cho thấy phát thải PM giảm tới 15,6% sử dụng B50 so với ULSD Hơn nữa, PM tạo từ trình đốt cháy nhiên liệu sinh học có chất khác so với PM tạo từ nhiên liệu ULSD Nhìn chung, thơng số khối lượng, kích thước hạt tổng số hạt chứng kiến thấp nhiên liệu sinh học Cơ chế ngăn chặn hình thành kết tụ muội xu hướng hình thành tiền chất muội việc trì áp suất cháy nhiệt độ cháy cao buồng đốt với nhiên liệu sinh học 4.4 Kết luận chương Ảnh hưởng tải động hỗn hợp nhiên liệu đến công suất động cơ, khí thải theo quy định khí thải không theo quy định nghiên cứu So với ULSD việc sử dụng ULSD pha trộn với diesel sinh học, dẫn đến gia tăng mức tiêu thụ nhiên liệu Về phát thải quy định, nói chung, phát thải HC CO cao tải động thấp thấp tải động cao NOx, phát thải khói khối lượng hạt tăng theo tải trọng động Độ mờ khói nồng độ hạt giảm tăng diesel sinh học nhiên liệu hỗn hợp, đặc biệt tải động cao KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN CHUNG Dựa tìm hiểu nguyên lý tạo hỗn hợp nhũ tương nhờ sóng siêu âm với tần số siêu âm làm nổ vi hạt nhiên liệu, luận án tính tốn thiết kế thành công hệ thống phối trộn nhiên liệu ULSD Biodiesel sóng siêu âm với chất lượng đồng khoảng 98,5% sau 17 phút xử lý Luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn nhiên liệu ULSD với nhiên liệu Biodiesel đến đặc tính động đặc tính phát thải Kết cho thấy, việc sử dụng nhiên liệu ULSD có hàm lượng lưu huỳnh siêu thấp phối trộn nhiên liệu sinh học động diesel băng thử phòng thử nghiệm cho thấy: 24 - Công suất động giảm tỷ lệ với mức nhiên liệu Biodiesel pha trộn, điều xảy mật độ lượng nhiên liệu diesel sinh học thấp nhiên liệu ULSD Trong đó, suất nhiên liệu tăng hàm lượng tham gia chất có nguồn gốc sinh học gia tăng Khi sử dụng nhiên liệu B30 cơng suất giảm 1,42%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 2,33% so với nhiên liệu ULSD; - Các phát thải độc hại CO, HC phát thải khói giảm mạnh tỷ lệ thể tích nhiên liệu sinh học gia tăng Với B50, mức giảm đo 21,8%, 30,24% 7,12% Tuy nhiên, việc tham gia nhiên liệu sinh học với có mặt chất thúc đẩy oxi hóa hồn tồn chất có mạch cacbon dài nên làm q trình cháy diễn mạnh hơn, nhiệt độ cháy cao kéo theo gia tăng phát thải NOx Với B50 mức tăng chứng kiến khoảng 10% Tính động phụ thuộc vào nguồn gốc diesel sinh học, nguồn gốc khác dẫn đến số tính chất nhiên liệu thay đổi có ảnh hưởng khác đến động Nhiệt trị, trị số xêtan độ nhớt nhiên liệu tính chất ảnh hưởng đến hoạt động động Nhiên liệu có nhiệt trị thấp làm cho công suất giảm suất tiêu hao nhiên liệu tăng Dựa kết đạt từ thực nghiệm đối chứng động cơ, tỷ lệ phối trộn ULSD-BO khuyến nghị 90-10 80-20 Với tỷ lệ đó, đáp ứng yêu cầu làm việc an toàn tin cậy động diesel xét phạm vi nghiên cứu luận án HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong thời gian tới, nghiên cứu cần tiếp tục phát triển thêm số vấn đề sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu diesel sinh học pha trộn đến dầu bôi trơn động cơ, đến sức bền tuổi thọ chi tiết động Đặc biệt chi tiết phi kim hệ thống nhiên liệu động - Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn áp suất phun nhiên liệu đến đặc điểm trình hình thành phát triển tia phun nhiên liệu điều kiện thực tế buồng cháy động - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu diesel sinh học sản xuất Việt Nam đến tiêu kinh tế - kỹ thuật động lưu hành 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Các cơng trình khoa học đăng tạp chí hội nghị nước: Trần Việt Dũng, Đồng Văn Hướng, Lê Anh Tuấn (5.2018) Một số giải pháp sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp động diesel tàu thuỷ Tạp chí Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải NCS Trần Việt Dũng thành viên tham gia 01 đề tài cấp Bộ Giao thông Vận tải Mã số đề tài: 183025 Tên đề tài: “Chế tạo hệ thống tạo nhiên liệu đồng ULSD-BO sóng siêu âm nghiên cứu chuyển đổi động Diesel tàu thủy sang sử dụng nhiên liệu dạng đồng ULSD-BO nhằm giảm triệt để phát thải SOX” Bảo vệ cấp Bộ năm 2018-2019 Kết bảo vệ: Đạt loại xuất sắc Các cơng trình khoa học đăng tạp chí quốc tế: Hoang, A T., Tran, V D., Dong, V H., & Le, A T (2019) An experimental analysis on physical properties and spray characteristics of an ultrasound-assisted emulsion of ultra-low-sulphur diesel and Jatrophabased biodiesel Journal of Marine Engineering & Technology ISSN: 2046-4177; SCIE, Q2 Hoang, A T., & Tran, V D (2019) Experimental Analysis on the Ultrasound-based mixing technique applied to Ultra-low Sulphur diesel and Bio-oils International Journal on Advanced Science Engineering Information Technology Vol.9 (No.1), page 307-313 ISSN: 2088-5334; SCOPUS, Q2 Viet Dung Tran, Anh Tuan Le, and Anh Tuan Hoang (2020) An experimental study on the performance characteristics of a diesel engine fueled with ULSD-Biodiesel blends ISSN: 2252-4940; SCOPUS, Q3 26 ... để phối trộn hỗn hợp nhiên liệu 1.4 Kết luận chương Với việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu ngồi nước việc sử dụng nhiên liệu ULSD việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD- Biodiesel tàu biển làm... bị sử dụng sóng siêu âm để sản xuất nhiên liệu đồng ULSD Biodiesel; - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp đồng ULSD- Biodiesel làm nhiên liệu. .. nhiên liệu ULSD- Biodiesel động diesel tàu thủy Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan giải pháp sử dụng nhiên liệu ULSD cho động diesel tàu thủy; - Nghiên cứu thiết kế chế