chất lượng của dầu diesel
Phân tích xác định mẫu nhiên liệu chọn để thử nghiệm theo sơ đồ trên hình 2-4
Hình 2-4: Sơ đồ phân tích xác định mẫu nhiên liệu để thử nghiệm
PP, SS Mẫu PT hồi qui Chọn mẫu Tối ưu Thiết bị Trộn
Thơng số đầu ra (mẫu tối ưu) Thơng số đầu vào
Sau khi pha trộn, hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa vẫn chưa cĩ thể đáp ứng được yêu cầu chạy động cơ diesel vì độ nhớt của nhiên liệu mới vẫn cịn quá cao so với dầu diesel.
Do đĩ, chúng ta cần phải cĩ biện pháp làm giảm độ nhớt của hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa. Hơn nữa, chúng ta đã biết phương pháp làm giảm độ nhớt của dầu thực vật đĩ là cĩ thể kết hợp giữa pha lỗng với nung nĩng nhiên liệu trước khi sử dụng như phân tích ở trên. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là cĩ thể sử dụng hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa mà khơng phải thêm bất cứ chất nào, tận dụng được nhiệt thải ra trong quá trình vận hành động cơ hoặc nhiệt của hệ thống làm mát động cơ hay sấy nĩng bằng điện trở. Bên cạnh ưu điểm này cịn cĩ một nhược điểm đĩ là động cơ sẽ khơng tự vận hành được một cách độc lập khi ở trạng thái nguội và phải sử dụng dầu diesel để khởi động.
Độ nhớt của hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa cĩ ảnh hưởng đến cấu trúc của các tia nhiên liệu khi được phun vào buồng đốt của động cơ, quá trình bơm chuyển và làm sạch nhiên liệu. Nếu độ nhớt của nhiên liệu quá lớn sẽ gây khĩ khăn cho nhiên liệu từ thùng chứa đến bơm, giảm độ tin cậy cho hoạt động của bơm, gây khĩ khăn trong việc xả khí khỏi hệ thống và xé tơi phun sương nhiên liệu qua vịi phun sẽ kém, khiến nhiên liệu và khơng khí khơng hịa trộn đều, làm giảm cơng suất và hiệu suất động cơ. Một vấn đề nữa của nhiên liệu cĩ độ nhớt lớn là khi nhiên liệu được vịi phun phun vào động cơ thì tia nhiên liệu ngắn hơn, gĩc nĩn tia nhỏ (nếu là vịi phun là loại nhiều lỗ). Tia nhiên liệu mới phun cĩ kích thước hạt lớn, mật độ hạt trong tia nhiều, nặng khơng thể phân bố hết trong khơng gian buồng đốt, sinh ra hiện tượng cháy rớt, động cơ hoạt động khĩ khăn, chết máy, thành xylanh dễ bị rỗ cháy xám, tia nhiên liệu dính vào thành vách xylanh rửa trơi dầu bơi trơn xylanh,… Nhưng nếu độ nhớt của nhiên liệu quá nhỏ sẽ gây khĩ khăn cho việc bơi trơn mặt ma sát của các cặp bộ đơi bơm cao áp và vịi phun, làm tăng nhiên liệu rị rỉ qua khe hở của các cặp bộ đơi bơm cao áp-vịi phun, điều này cũng làm giảm hệ số cung cấp nhiên liệu ηT làm cơng suất động cơ giảm, ngồi ra cịn giảm hành trình tia nhiên liệu trong buồng cháy. Khi nhiên liệu được phun vào buồng đốt thì tia nhiên liệu phun vào ngắn hơn bình thường, dễ ngắt quãng, gĩc nĩn của tia lớn, mật độ và kích thước của hạt nhỏ phân tán trong buồng đốt nhanh, tạo hỗn hợp cháy nhạt, cơng suất động cơ giảm, hao tốn nhiên liệu.
Một trong những vấn đề khĩ khăn khi sử dụng dầu dừa làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel là độ nhớt. Dầu dừa cĩ độ nhớt khá cao ở 200C (30-37 cSt), gấp 6- 12 lần so với độ nhớt của dầu diesel. Theo kết quả thực nghiệm đo độ nhớt của các mẫu hỗn hợp, ta chọn nhiệt độ gia nhiệt ở 800C cho tất cả các hỗn hợp bởi vì ở nhiệt độ này, các mẫu hỗn hợp cĩ độ nhớt xấp xỉ nhau và đảm bảo phù hợp làm nhiên liệu cho động cơ diesel (E*20 = 1 – 20E) [9]. Đồng thời, điều này đã khiến cho chỉ tiêu độ nhớt khơng cịn là một chỉ tiêu chất lượng chủ yếu trong việc phân tích nhằm chọn ra mẫu hỗn hợp nhiên liệu tối ưu.
Tính tự bốc cháy của nhiên liệu cũng là một trong những chỉ tiêu hàng đầu để đánh giá chất lượng của dầu diesel. Để định lượng tính tự bốc cháy của nhiên liệu, ta cĩ thể sử dụng số cetane. Theo kết quả bảng 2-3, ta nhận thấy số cetane của các mẫu hỗn hợp (5%÷25% dầu dừa) thay đổi từ 54÷49. Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn của Petrolimex, số cetane của dầu diesel CN=46÷50 thì khả năng tự bốc cháy của các hỗn hợp trên đã được đảm bảo. Do đĩ, số cetane lúc này cũng cĩ ý nghĩa như một chỉ tiêu thứ yếu trong việc phân tích chọn mẫu hỗn hợp nhiên liệu tối ưu.
Nhiệt trị của dầu diesel là 10.478 kcal/kg và của dầu dừa là 8.875 kcal/kg. Tuy nhiên, theo kết quả ở bảng 2-2, nhiệt trị của các mẫu hỗn hợp chênh lệch nhau tương đối ít. Mẫu nhiệt trị 25% dầu dừa kém hơn 3,2% so với mẫu 5% dầu dừa. Chính vì thế, nhiệt trị cũng được xem cĩ ảnh hưởng khơng đáng kể cho quá trình phân tích.
Điểm đục của mẫu hỗn hợp cao nhất là -40C (mẫu 30% dầu dừa), trong khi đĩ khí hậu nhiệt đới cĩ nhiệt độ trung bình lớn hơn 200C nên chỉ tiêu này khơng cần xét đến.
Như vậy, để phân tích và chọn mẫu hỗn hợp nhiên liệu tối ưu, ta căn cứ trên các chỉ tiêu chất lượng cịn lại như: Sức căng bề mặt, khối lượng riêng và thành phần oxy cĩ trong hỗn hợp.
Chùm phun chất lỏng từ đầu vịi phun đến khi phân rã thành các hạt nhỏ được chia làm hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất xảy ra ở vùng lân cận lỗ vịi phun và thường được gọi là phân rã sơ cấp. Sau đĩ, sự phân rã thành hạt ban đầu gia tăng mạnh lên một cách tương đối cĩ thể phá vỡ thành các hạt thứ cấp nhỏ hơn. Giai đoạn này được
gọi là phân rã thứ cấp và xảy ra ở trong chùm tia cách xa đầu vịi phun hơn một chút. [19]
Hình 2-5: Minh họa các chế độ dịng tia khác nhau của chùm dầu diesel ở áp suất cao
Giai đoạn phân rã sơ cấp, phá vỡ dịng chất lỏng thành hạt phụ thuộc vào giá trị Reynolds [19]: 0 vp e v d R ρ = µ (2.5) và giá trị Ohnesorge: vp Z d µ = ρσ (2.6)
Trong đĩ: ρ, µ, σ tương ứng là mật độ, độ nhớt và sức căng bề mặt của chất lỏng v0 – tốc độ tia chất lỏng
dvp – đường kính lỗ vịi phun
Giai đoạn phân rã thứ cấp của nhiên liệu lỏng tạo thành những hạt nhỏ hơn chủ yếu là do tác động của lực khí động trên các vùng biên với pha khí. Các lực này làm biến dạng các hạt hình cầu ban đầu và cuối cùng thì phá vỡ thành các hạt nhỏ nếu như lực biến dạng lớn hơn sức căng bề mặt của giọt chất lỏng. Do đĩ, chuẩn số Weber[19]:
2 g d rel e r v W ρ = σ (2.7) Trong đĩ: ρg – mật độ chất lỏng (kg/m3) rd – đặc trưng độ dài (m)
vrel – vận tốc của chất lỏng (m/s)
σ – sức căng bề mặt của chất lỏng (mN/m)
Biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất động với sức căng bề mặt là một thơng số xác định tính chất phân rã của các hạt chất lỏng.
Từ các cơng thức (2.5), (2.6), (2.7), ta thấy chất lượng phun tơi sương nhiên liệu phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Sức căng bề mặt của chất lỏng - Mật độ chất lỏng và khơng khí - Đường kính lỗ phun
- Tốc độ phun nhiên liệu
Sức căng bề mặt của chất lỏng cĩ ảnh hưởng rất lớn đến độ phân tán thành các hạt nhiên liệu nhỏ. Nhiên liệu cĩ sức căng bề mặt lớn sẽ khĩ bị phân rã thành các hạt nhỏ, làm cho quá trình hĩa hơi của nhiên liệu trong buồng đốt chậm lại, kéo dài thời gian cháy trễ và là nguyên nhân khiến cho tồn bộ quá trình cháy diễn ra khơng tốt, gây ảnh hưởng xấu đến hàng loạt các chỉ tiêu kinh tế cũng như chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ. Với kết quả nội suy được, ta nhận thấy mẫu 5% dầu dừa cĩ sức căng bề mặt nhỏ nhất 23,65 (mN/m) và mẫu 30% dầu dừa cĩ sức căng bề mặt lớn nhất 24,90 (mN/m).
Mật độ chất lỏng: Trên cùng một áp suất phun, đường kính lỗ phun, nhiên liệu cĩ mật độ thấp sẽ khơng bao trùm được khơng gian buồng đốt. Nhiên liệu cĩ mật độ phù hợp sẽ giúp cho hỗn hợp cháy phân bố đều trong khơng gian buồng đốt, tránh được tình trạng quá trình cháy bị xấu đi do cĩ hỗn hợp cháy quá đậm hoặc quá nhạt tại một nơi nào đĩ trong buồng đốt.
So với dầu diesel, dầu dừa cĩ hàm lượng oxy tương đối lớn, gấp 16 lần dầu diesel. Cĩ thể xem đây là một ưu điểm lớn của dầu dừa khi pha trộn với dầu diesel để tạo ra những hỗn hợp nhiên liệu chứa nhiều oxy hơn. Hàm lượng oxy ảnh hưởng trực tiếp tới các phản ứng oxy hĩa. Cùng với mật độ của nhiên liệu, mật độ oxy lớn làm tăng số lần va chạm của các phân tử tham gia phản ứng, xác suất xảy ra phản ứng cao hơn và qua đĩ nâng cao tốc độ phản ứng, rút ngắn thời gian cháy của nhiên liệu. Theo [6], ta cĩ: a E N R .T h w = F.P .e (2.8)
trong đĩ: wh – Tốc độ phản ứng hĩa học (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
F – hằng số, phụ thuộc vào tính chất lý hĩa của hỗn hợp cháy, đặc trưng cho số lần va chạm của các phần tử tham gia phản ứng.
P – áp suất T – nhiệt độ
N – đại lượng đặc trưng cho thứ tự các giai đoạn của phản ứng Ea – năng lượng kích hoạt
R – hằng số chất khí
Đồng thời, ở giai đoạn cháy cĩ điều khiển, sản vật cháy tăng nhiều, nhiên liệu cháy trong điều kiện rất nĩng và thiếu oxy nên tạo ra muội than và theo khí thải ra ngồi. Nếu nhiên liệu được tăng cường oxy để cải thiện chất lượng hình thành hịa khí sẽ làm tăng tốc độ cháy, rút ngắn thời kỳ cháy chậm, làm cho nhiên liệu cháy hồn tồn, nâng cao tính năng động lực và tính năng kinh tế của động cơ. Từ những phân tích trên, ta nhận thấy mẫu hỗn hợp nhiên liệu 5%, 10% dầu dừa cĩ hàm lượng oxy nhỏ. Trong khi đĩ, mẫu 20%, 25% và 30% dầu dừa lại cĩ sức căng bề mặt tương đối lớn. Do đĩ, ta quyết định loại bỏ các mẫu nhiên liệu 5%, 10%, 20%, 25% và 30% dầu dừa.
Kết luận: Qua phân tích các chỉ tiêu trên, theo sơ đồ 2-4, Từ bảng 2-10, ta nhận
thấy: hầu hết chỉ tiêu chất lượng của các mẫu hỗn hợp đã chọn và xử lý gần như tương đương với dầu diesel: Sự chênh lệch của chỉ số cetane, nhiệt trị, khối lượng riêng, thành phần C, H so với dầu diesel là khơng đáng kể. Riêng hàm lượng oxy và sức căng bề mặt thay đổi đáng kể. Đồng thời, điểm đục cao nhất của các mẫu là -80C nên hồn tồn phù hợp với điều kiện khí hậu ở Việt Nam.
Như vậy, chọn mẫu hỗn hợp 15% dầu dừa cĩ thể được xem là mẫu tối ưu để phục vụ cho quá trình chạy thử nghiệm.
Từ bảng 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, 2-6, 2-7, 2-8, 2-9 ta cĩ bảng
Bảng 2-10: Các chỉ tiêu chất lượng của các mẫu hỗn hợp
Các chỉ tiêu
chất lượng M0 M5 M10 M15 M20 M25 M30
Độ nhớt ở 300C/
800C (0E) 1,23/- 1,28 -/1,32 -/1,34 -/1,34 1,35 1,41 Khối lượng riêng
hỗn hợp ở 150C/800C (kg/l) 0,836/- 0,8369/ 0,8125 0,8372/ 0,8128 0,8420/ 0,8174 0,8468/ 0,8221 0,8518/ 0,8299 - Nhiệt trị (kcal/kg) 10.478 10.755 10.755 10.650 10.540 10.430 - Điểm đục -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 Cetane (CN) 46 54 53 52 52 49 - Sức căng bề mặt ở 800C (mN/m) 23,40 23,65 23,90 24,15 24,40 24,65 24,90 Thành phần C (%wt) 86,60 85,87 85,14 84,41 83,68 82,95 82,22 Thành phần H (%wt) 13,40 13,33 13,26 13,19 13,12 13,05 12,98 Thành phần O (%wt) 0,0 0,8 1,6 2,4 3,2 4,0 4,8
CHƯƠNG III. THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MẪU HỖN HỢP NHIÊN LIỆU MỚI TỐI ƯU TRÊN ĐỘNG CƠ THỬ NGHIỆM (AVL 5402) 3.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm
0
0
M 5± : M là hỗn hợp nhiên liệu mới cộng, trừ 5% dầu dừa