trên, cĩ nhiều đặc điểm tương đồng nhau như: Hình dạng buồng cháy, tỷ số nén, đường kính xy lanh, hành trình piston, kết cấu hệ thống nhiên liệu. Bảng 1.7 trình bày thơng số kỹ thuật của một số loại động cơ diesel đang sử dụng phổ biến làm máy chính tàu cá.
Bảng 1.7. Thơng số kỹ thuật của một số động cơ diesel máy chính tàu cá [51-53] Hãng sản Hãng sản xuất Kiểu động cơ Dc x Ss (mm) Tỷ số nén φinj (0TĐCT) Buồng cháy Cơng suất (Hp/rpm) Dung tích (l) CUMMINS NTC350 102x120 14,5 18 ω 64/2200 3,90 NTA855 102x120 14,1 18 // 345/2100 14,0 DAEWOO F4L912 100x120 17,0 20 // 68/2300 3,77 F6L912 100x120 17,0 20 // 94/2300 5,66 BF4M101 108x130 17,5 20 // 109/2300 3,80 MITSU S3M3DM 91,5x135 16,1 18 // 60/2800 4,12 YANMAR 4CHE 105x125 16,4 18 // 70/2300 4,33 4TD 100x115 16,0 18 // 52/2100 3,61 4TY80 105x125 15,0 18 // 77/2500 4,33 6CHE 105x125 16,4 18 // 105/2300 6,49 6CHE-HT 105x125 14,4 18 // 155/2300 6,49 6HAE 130x150 16,4 18 // 165/2000 11,94 6S185LST 185x230 13,6 18 // 600/2000 18,20 ISUZU UM4BG1 105x125 17,5 15 // 110/2900 4,32 UM4JB1 93x102 18,2 15 // 61/3000 2,77
Từ những phân tích trên, NCS đề xuất chọn động cơ Cummins NTA855, Yanmar 6S185L-ST, Mitsubishi S3M3D-M15 là các động cơ đại diện để phục vụ nghiên cứu, trong đĩ các nghiên cứu trên động cơ Cummins NTA855 sẽ được trình bày chính trong luận án, các nghiên cứu trên động cơ Yanmar 6S185L-ST và Mitsubishi S3M3D-M15 được trình bày ở phần phụ lục, hình ảnh và thơng số kỹ thuật của động cơ Cummins như trên hình 1.6 và bảng 7.1 phụ lục 7.
Hình 1.6. Động cơ Cummins NTA855 1.4. Kết luận chương 1 1.4. Kết luận chương 1
Thơng qua đặc điểm và tính chất của nhiên liệu biodiesel nĩi chung và biodiesel cĩ nguồn gốc từ mỡ cá da trơn nĩi riêng, cũng như tham khảo các nghiên cứu trong và ngồi nước. Cĩ thể nhận thấy:
(1) Việt Nam là quốc gia cĩ ưu điểm về địa lý để phát triển thủy hải sản, đây là yếu tố quan trọng tạo tiềm năng lớn trong việc tổng hợp nguyên liệu để sản xuất biodiesel từ mỡ cá;
(2) Nhiên liệu biodiesel sử dụng cho các động cơ diesel phương tiện đánh bắt thủy sản đang lưu hành sẽ gĩp phần đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường, đồng thời phát triển kinh tế về ngư nghiệp tại Việt Nam;
(3) Mặc dù đã cĩ những nghiên cứu tương đối hồn chỉnh ở mức tỷ lệ pha trộn thấp 5% (B5) nhưng chưa đa dạng về nguồn nguyên liệu (chủ yếu từ dầu thực vật). Do vậy, nghiên cứu biodiesel cĩ nguồn gốc từ mỡ cá sẽ gĩp phần bổ sung nguồn nhiên liệu cho động cơ diesel, trong đĩ cĩ động cơ diesel làm máy chính tàu cá.
(4) Theo nghị định 53/2012/QĐ-TT của thủ tướng chính phủ ban hành ngày 22/11/2012 khuyến khích sử dụng dầu biodiesel B5 và B10 cho động cơ diesel, nên NCS đề xuất sử dụng tỉ lệ phối trộn 5%, 10% và 15% để nghiên cứu. Trong đĩ, tỷ lệ 10% (B10) được trình bày trong phần chính của Luận án, các tỷ lệ nghiên cứu cịn lại trình bày trong Phụ lục nhằm bổ sung cơ sở khoa học khi đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da trơn đến các thơng số làm việc chủ yếu của động cơ.
Từ những kiến giải trên, nổi rõ vấn đề cần thiết: “Nghiên cứu sử dụng dầu
diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản”
là đề tài mà NCS sẽ trình bày trong luận án này.
Các nội dung nghiên cứu chính sẽ thực hiện theo sơ đồ trên hình 1.7.
Hình 1.7. Sơ đồ khối quá trình nghiên cứu
Mơ hình tốn mơ tả ảnh hưởng của các chỉ tiêu nhiên liệu: (nhiệt trị, độ nhớt,…) đến các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ diesel
Mơ phỏng (dựa trên mơ hình tốn) sự
thay đổi các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 từ mỡ cá da trơn so với nhiên liệu DO Thực nghiệm kiểm chứng sự thay đổi cơng suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO
Kết luận về nhiên liệu biodiesel cĩ nguồn gốc từ mỡ cá da trơn sử dụng cho động cơ
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MƠ HÌNH TỐN MƠ TẢ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU BIODIESEL ĐẾN CÁC THƠNG SỐ CƠNG TÁC
CHỦ YẾU CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
Với động cơ diesel (do nén áp suất cao, nhiên liệu tự bốc cháy) ngồi đặc điểm cấu tạo động cơ thì tính chất nhiên liệu cĩ ý nghĩa quyết định đặc tính phun, chất lượng hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải trong động cơ. Điều đĩ cũng cĩ
nghĩa là, các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ phụ thuộc vào tính chất loại nhiên liệu sử dụng.
Như đã trình bày ở phần Tổng quan, chủ ý của NCS khi sử dụng nhiên liệu mới trên động cơ diesel là khơng can thiệp vào kết cấu động cơ mà chỉ lắp thêm bộ tạo hỗn
hợp vào Hệ thống nhiên liệu. Chính vì thế, khi cơ lập kết cấu động cơ và tham số của
hệ thống nạp, các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ chỉ cịn phụ thuộc vào chỉ tiêu nhiên liệu. Nghiên cứu mối quan hệ này cũng chính là mục tiêu của đề tài Luận
án.
Với lập luận như vậy, phần cơ sở lý thuyết sẽ trình bày những vấn đề cơ bản sau: - Phân tích và chỉ ra những chỉ tiêu khác biệt của nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da trơn cĩ ảnh hưởng đến các thơng số cơng tác của động cơ;
- Nội dung quan trọng tiếp theo là cơ sở lý thuyết về hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải, bao gồm: Mơ hình tốn, các biểu đồ,…Trên cơ sở đĩ, với sự hỗ trợ của máy tính thơng qua phần mềm chuyên dụng giúp nghiên cứu ảnh hưởng của
chỉ tiêu nhiên liệu đến các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ bằng mơ phỏng
(Chương 3). Cơ sở lý thuyết này cịn cho phép lý giải kết quả nghiên cứu thực nghiệm
ảnh hưởng của chỉ tiêu nhiên liệu đến các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ
(Chương 4).
2.1. Các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ diesel
Các thơng số cơng tác chủ yếu của động cơ gồm: Cơng suất, hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu cĩ ích và phát thải khí xả. Trong đĩ, áp suất cháy cực đại (pz) và nhiệt độ khí xả (Tx) đại diện cho tải trọng cơ và nhiệt của động cơ, phản ánh đặc tính q trình cháy và liên quan đến các thơng số vừa nêu. Khi quá trình cháy xảy ra trong động cơ, sự tỏa nhiệt được thể hiện ở các giai đoạn như trên hình 2.1. Ở giai đoạn đầu, tốc độ cháy thường rất cao và kéo dài khoảng vài độ gĩc quay trục khuỷu. Giai đoạn này tương ứng với việc gia tăng nhanh chĩng áp suất trong xi lanh và đạt độ lớn của đỉnh đầu tiên trên đồ thị tốc độ cháy. Giai đoạn 2 tương ứng với việc giảm đều đặn tốc độ
tỏa nhiệt. Đây là giai đoạn tỏa nhiệt chính và kéo dài khoảng 400 gĩc quay trục khuỷu (gqtk). Giai đoạn 3 tương ứng với phần đuơi của đồ thị tỏa nhiệt, kéo dài trong phần lớn kỳ giãn nở [22].
Hình 2.1. Biến thiên áp suất cháy p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn
Các thơng số trên sẽ được làm rõ hơn trong chương 3 và chương 4, trong phần này chủ yếu giới thiệu về cơng suất, hiệu suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ.
2.1.1. Cơng suất của động cơ
Cơng suất là tốc độ thực hiện cơng. Trị số cơng suất của động cơ cho ta biết động cơ đĩ "mạnh" hay "yếu". Cơng suất của ĐCĐT thường được đo bằng đơn vị Kilowatt (kW) hoặc mã lực (HP, HP - Horse power; CV - Chevaux; PS - Pferdestarke).
1 kW = 1 kJ/s; 1 HP = 75 kG.m/s 1 CV = 1 HP = 0,735 kW; 1 HP = 1,014 PS Cần phân biệt các khái niệm cơng suất sau đây của ĐCĐT:
- Cơng suất chỉ thị (Ni)
Là tốc độ thực hiện cơng chỉ thị của động cơ. Nĩi cách khác, cơng suất chỉ thị là cơng suất của động cơ bao gồm cả phần tổn thất cơ học.
- Cơng suất cĩ ích (Ne)
Cơng suất của động cơ được đo ở đầu ra của trục khuỷu. Từ định nghĩa của cơng suất, áp suất trung bình của chu trình và tốc độ quay ta cĩ các cơng thức xác định cơng suất chỉ thị và cơng suất cĩ ích dưới đây:
i s i p .V .n.i N z (2.1) e s e p .V .n.i N z (2.2) Trong đĩ:
Vs , thể tích cơng tác của xi lanh; i, số xi lanh của động cơ; z, hệ số kỳ: z = 1 đối
với động cơ 2 kỳ, z = 2 đối với động cơ 4 kỳ; i i s W p V , áp suất chỉ thị trung bình; e e s W p V
, áp suất cĩ ích trung bình; Wi và We, cơng chỉ thị và cơng cĩ ích.
- Cơng suất danh nghĩa (Nen)
Cơng suất cĩ ích lớn nhất mà động cơ cĩ thể phát ra một cách liên tục mà khơng bị quá tải trong những điều kiện quy ước. Các điều kiện cơ bản được quy ước khi xác định cơng suất danh nghĩa của ĐCĐT bao gồm:
+ Điều kiện khí quyển tiêu chuẩn; + Tốc độ quay danh nghĩa;
+ Loại nhiên liệu và chất bơi trơn xác định;
+ Trang thiết bị phụ trợ cho động cơ khi đo cơng suất,…
2.1.2. Hiệu suất
Trong tổng số nhiệt năng đưa vào động cơ, chỉ cĩ một phần được "biến đổi" thành cơ năng cĩ ích, phần cịn lại bị tổn thất ở những cơng đoạn khác nhau trong quá trình biến đổi. Hiệu suất là đại lượng được sử dụng để đánh giá hiệu quả biến đổi nhiệt năng thành cơ năng của động cơ. Để đánh giá mức độ tổn thất trong từng cơng đoạn của cả quá trình biến đổi năng lượng, sẽ bao gồm các khái niệm hiệu suất sau đây: Hiệu suất lý thuyết, hiệu suất chỉ thị, hiệu suất cơ học, hiệu suất cĩ ích.
- Hiệu suất chỉ thị (i)
Là hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động thực tế.
m x kh cl i i i 1 1 1 Q Q +Q +Q w Q 1 1 Q Q Q (2.3) Cả hiệu suất lý thuyết (t) và hiệu suất chỉ thị (i) đều là hiệu suất nhiệt - đại
lượng đánh giá mức độ hồn thiện của động cơ về phương diện nhiệt động. Chúng khác nhau ở chỗ, trong hiệu suất chỉ thị người ta tính đến tất cả các dạng tổn thất nhiệt
năng cĩ thể cĩ khi thực hiện một chu trình nhiệt động ở động cơ thực; cịn hiệu suất lý thuyết chỉ bao hàm một dạng tổn thất nhiệt năng theo quy định của định luật nhiệt động II - nhiệt năng phải truyền cho nguồn lạnh để cĩ thể thực hiện một chu trình nhiệt động lực. Ta cĩ: i i t i t t i 1 1 t w w w Q Q w (2.4)
- Hiệu suất cơ học (m)
Là đại lượng đánh giá mức độ tổn thất cơ học trong động cơ, tức là đánh giá mức độ hồn thiện của động cơ về phương diện cơ học. Nĩ được xác định bằng cơng thức:
e m m i i w w 1 w w (2.5) Hiệu suất cơ học chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố cấu tạo và vận hành khác
nhau như:
+ Vật liệu chế tạo;
+ Chất lượng thiết kế, chế tạo và lắp ráp; + Chất bơi trơn và chế độ bơi trơn; + Tỷ số nén, tốc độ, tải, …
- Hiệu suất cĩ ích (e)
Là đại lượng đánh giá tất cả các dạng tổn thất năng lượng trong quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng cĩ ích ở động cơ.
e e i m t t 1 m 1 w Q (2.6)
2.1.3. Tiêu hao nhiên liệu
- Tiêu hao nhiên liệu giờ
Là lượng nhiên liệu tiêu hao trong 1 giờ: Đơn vị Ge là [kg/h] hoặc [lít/h]
- Suất tiêu hao nhiên liệu riêng cĩ ích
Trong thực tế khai thác, ngưịi ta ít dùng hiệu suất mà thường dùng đại lượng thể hiện lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để đánh giá tính tiết kiệm nhiên liệu. Lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để sinh ra một đơn vị cơng suất cĩ ích trong một đơn vị thời gian được gọi là suất tiêu hao nhiên liệu riêng cĩ ích (ge).
e e e G g N [ g/kW.h ] hoặc [ g/HP.h ] (2.7)
Trong đĩ:
ge- suất tiêu hao nhiên liệu riêng cĩ ích; Ge- lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ; Ne- cơng suất cĩ ích của động cơ.
2.1.4. Phát thải khí xả
Khí thải được hình thành từ kết quả của quá trình cháy của hỗn hợp khơng khí/nhiên liệu khơng đồng nhất. Các q trình hịa trộn nhiên liệu trước khi cháy như thời gian cháy trễ, chất lượng tia phun, thời gian lưu trú của nhiên liệu trong các vùng nhiệt độ khác nhau, thời gian giãn nở và đặc điểm thiết kế của động cơ đĩng vai trị quan trọng trong việc tạo thành khí thải. Trong động cơ diesel, hai thành phần khí thải quan trọng để đánh giá q trình cháy là bồ hĩng và NOx:
- Phát thải bồ hĩng
Bồ hĩng là chất ơ nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động cơ Diesel. Nĩ tồn tại dưới dạng những hạt rắn và rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Sự nguy hiểm của bồ hĩng ngồi việc gây trở ngại cho cơ quan hơ hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác cĩ mặt trong khơng khí, bồ hĩng cịn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các Hydrocarbure thơm mạch vịng hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành. Các hạt bồ hĩng này cấu thành từ ba nhĩm chính:
+ Nhĩm các hạt rắn (Solid fraction - SOL): Các hạt carbon, tro;
+ Nhĩm các chất hữu cơ cĩ thể hịa tan (Soluble Organic Fraction - SOF): Gồm vật liệu hữu cơ cĩ nguồn gốc từ dầu bơi trơn và dầu diesel;
+ Nhĩm các hạt sunphát (Sulfate particulates - SO4): Gồm Acid sulfuric và nước.
- Phát thải NOx
Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với khơng khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự khơng đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lý hĩa diễn ra trong q trình cháy, nên trong khí xả động cơ diesel luơn cĩ chứa một hàm lượng đáng kể những chất độc hại Oxyde nitơ (NO, NO2, N2O) gọi chung là NOx. Trong đĩ, NO chiếm đại bộ phận, là khí khơng màu, khơng mùi, khơng tan trong nước. NO cĩ thể gây nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển ơ xy gây bệnh thiếu máu [28].
2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel
Dựa trên lý thuyết về nhiên liệu, những chất cháy được và toả ra nhiều nhiệt thì được sử dụng làm nhiên liệu. Tuy nhiên, khơng phải chất nào cháy được và toả ra nhiều nhiệt cũng được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ, nĩ cịn phải thỏa mãn một số điều kiện sau:
- Phải cĩ số lượng nhiều trong tự nhiên để cung cấp lâu dài cho việc sử dụng; - Cĩ năng suất tỏa nhiệt lớn;
- Sản phẩm cháy ít gây ảnh hưởng tới mơi trường, đặc biệt là con người; - An tồn dễ sử dụng và vận chuyển;
- Đáp ứng được cơng nghệ.
Nhiên liệu diesel truyền thống là sản phẩm được chưng cất từ dầu mỏ, nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá là sản phẩm được sản xuất từ mỡ cá, cĩ các tính chất tương tự như DO nhưng cĩ ít hàm lượng lưu huỳnh, thành phần các bon thấp, chứa nhiều ơ xy và do đĩ giảm thiểu ơ nhiễm khí xả hơn so với nhiên liệu DO. Các chỉ tiêu cơ bản của nhiên liệu gồm [18], [26]:
2.2.1. Nhiệt trị
Nhiệt trị là lượng nhiệt năng toả ra khi đốt cháy hồn tồn một đơn vị khối lượng hoặc một đơn vị thể tích nhiên liệu. Nhiệt trị của nhiên liệu lỏng và rắn thường tính bằng kJ/kg, của nhiên liệu khí kJ/m3, hoặc kJ/kmol. Ở Anh và ở Mỹ, nhiệt trị được tính bằng đơn vị Btu/lb hoặc Btu/ft3.