2.3.1. Chỉ số cetan
Chỉ số cetan của dầu jatropha thấp hơn dầu diesel, chỉ số cetan thấp làm thời gian ủ cháy dài, thời gian cháy trể tăng, thời điểm bắt đầu bốc cháy và cháy chính lùi về sau, cùng lúc số lượng nhiên liệu tham gia cháy lớn làm Pz cao, áp suất tăng đột ngột.
Tuy nhiên, chỉ số cetan của hỗn hợp dầu diesel - jatropha thấp hơn dầu DO chút ít, thấp hơn nhiều so với bio-jatropha cũng gây ra cho thay đổi chậm trễ đánh lửa. Trị số cetan đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu. Yêu cầu về trị số cetan của động cơ diesel không quá cao. Nó không hoàn toàn quyết định hiệu suất động cơ đốt trong, song nhiên liệu có trị số cetan thấp hơn yêu cầu có thể dẫn đến những khó khăn, trục trặc khi khởi động máy, gây nhiều tiếng ồn, đặc biệt là giảm tốc độ trong thời tiết lạnh, tạo ra khí thải chứa nhiều chất độc…
2.3.2. Độ nhớt
Độ nhớt của dầu jatropha lớn hơn dầu diesel và bio-jatropha rất nhiều. Độ nhớt cao dẫn đến ma sát nội giữa các phần tử dầu cao, cản trở dòng chảy dầu trong đường ống, làm khả năng lưu thông qua bầu lọc kém, chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn xấu làm thời gian cháy kéo dài và cháy không hoàn toàn nhiên liệu cung cấp làm ảnh hưởng đến tính kinh tế và hiệu quả động cơ.
Độ nhớt cao của dầu hạt jatropha khi sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu động cơ, là nguyên nhân gây nên hiện tượng cặn carbon trong buồng đốt, kẹt vòi phun, hư hỏng dầu bôi trơn.
2.3.3. Tỷ trọng và nhiệt trị
Tỷ trọng của dầu jatropha (0,917 g/cm3) cao hơn dầu diesel (0.836 g/cm3) khoảng 11,86%, nhưng nhiệt trị của dầu jatropha (39.420 kJ/kg) thấp hơn dầu diesel (43.800 kJ/kg) khoảng 10%. Với sự chênh lệch về nhiệt trị nên việc sử dụng trực tiếp dầu jatropha làm nhiên liệu động cơ diesel làm cho công suất động cơ giảm hơn so với sử dụng dầu diesel và tiêu hao nhiên liệu riêng tại cùng công suất động cơ sẽ lớn hơn.
2.3.4. Nhiệt độ chớp cháy
Dầu jatropha khó bắt cháy, nhiệt độ chớp cháy của dầu jatropha (240oC) khá cao so với dầu diesel (60 oC) nên dầu jatropha an toàn trong quá trình lưu trữ và vận chuyển so với dầu diesel.
2.3.5. Nhiệt độ đông đặc
Nhiệt độ đông đặc của dầu jatropha (9÷12 oC) khá cao so với dầu diesel (-2 oC), điều này gây hạn chế sử dụng dầu jatropha tại các vùng có nhiệt độ môi trường thấp.
2.3.6. Hàm lượng lưu huỳnh
Lưu huỳnh là thành phần thường có mặt trong nhiên liệu, khi cháy lưu huỳnh bị oxy hóa thành SOx. Các SOx này kết hợp với nước tạo thành axit có tính ăn mòn lớn. Do vậy, với hàm lượng rất thấp gần như không có trong dầu jatropha so với dầu diesel (0,25%) và bio-jatropha (0,074%) là ưu điểm rất lớn trong việc sử dụng dầu jatropha nhằm hạn chế chất thải gây hại vào môi trường.
2.3.7. Hàm lượng nitơ
Trong dầu jatropha không có mặt của nitơ nhưng có thể phát thải NOx do nitơ trong không khí kết hợp khí nóng trong buồng đốt.
2.3.8. Cặn cacbon
Dư lượng carbon dầu jatropha (0,7÷0,9%) cao hơn bio-jatropha dầu diesel (0,01÷0,1%) là nguyên nhân dẫn đến lắng cặn cacbon cao trong buồng đốt của động cơ.
2.3.9 Thành phần oxy:
Dầu jatropha có tỷ lệ phần trăm trọng lượng oxy lớn (11,06%), đây là điểm khác biệt với dầu diesel. Sự hiện diện của oxy trong nhiên liệu hỗn hợp có thể giúp cải thiện tính chất quá trình đốt cháy nhiên liệu và giảm phát thải, nhưng làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu và giảm công suất của động cơ.
2.4. NHẬN XÉT VỀ KHẢ NĂNG DÙNG DẦU JATROPHA LÀM NHIÊN LIỆU Bảng 2.4. So sánh một số tính chất của dầu thực vật, biodiesel và diesel Bảng 2.4. So sánh một số tính chất của dầu thực vật, biodiesel và diesel
Chỉ tiêu Diesel Jatropha Bio-jatropha
Chỉ số Cetan 52.0 36,7-51 51-57
Khối lượng riêng (g/cm3) 0.836 0,917 0,8754 Độ nhớt (mm2/s) 3-6 50,73 34,97(400) 4,638(400C) Điểm nóng chảy (0C) -9 Điểm chớp lửa (0C) 60 240 191 Điểm vẩn đục (0C) -6/-2 9-12 2÷4 Tỷ trọng C/H 6,46 7,23 - Nhiệt trị (kJ/kg) 43.800 39420 38.500 Sulfur (%, w/w) 0,25 0 0,074 Nitrogen (%, w/w) 1,76 0 0
Qua kết quả nghiên cứu, so sánh, phân tích một số tính chất lý, hóa của các loại dầu thực vật, nhận thấy dầu jatropha có một số tính chất có ưu thế hơn các dầu thực vật khác. Dầu jatropha pha trộn với dầu diesel và kết hợp sấy nóng khắc phục nhược điểm độ nhớt cao, nâng chỉ số cetan, vì vậy việc sử dụng nhiên liệu dầu jatropha chạy trên động cơ diesel công suất nhỏ là khả thi về mặt kỹ thuật.
Chương 3
THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
3.1. THỰC NGHIỆM
3.1.1. Mục đích thực nghiệm
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu thử nghiệm dùng nhiên liệu hỗn hợp dầu diesel – jatropha trên động cơ diesel công suất nhỏ, do vậy mục tiêu thực nghiệm cần đạt được các nội dung sau:
- Chọn giải pháp kỹ thuật xử lý nhiên liệu hỗn hợp và hệ thống nhiên liệu thay thế cho phù hợp để sử dụng cho động cơ diesel công suất nhỏ. Đó là xác định các hỗn hợp có độ nhớt hợp lý có thể chạy trên động cơ diesel bằng cách pha trộn (bằng tay) kết hợp sấy nóng nhiên liệu hỗn hợp (bằng nguồn điện xoay chiều). Hệ thống nhiên liệu sử dụng là hệ thống nhiên liệu kép, nhiên liệu diesel chạy khi khởi động và tắt máy.
- Xác định tỷ lệ pha trộn hỗn hợp dầu diesel – jatropha tối ưu có thể sử dụng chạy trên động cơ diesel công suất nhỏ theo các chỉ tiêu kinh tế và môi trường, cụ thể là tiêu hao nhiên liệu riêng và độ đục khí xả của động cơ hợp lý nhất so với dầu diesel.
- Xác định nhiệt độ nước làm mát Tlm, nhiệt độ khí xả Tx của động cơ nhằm đánh giá trạng thái nhiệt của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel – jatropha so với động cơ khi sử dụng dầu diesel.
3.1.2. Lựa chọn các thông số khảo sát thực nghiệm
3.1.2.1. Các thông số đầu vào
Có nhiều thông số đầu vào tác động đến quá trình cháy nhiên liệu ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế, môi trường và kỹ thuật của động cơ nhưng khó kiểm soát được, trong phạm vi đề tài chỉ xác định một số thông số để khảo sát thực nghiệm:
- Nhiệt độ sấy của hỗn hợp (ToC). - Tỷ lệ pha dầu jatropha (J %).
3.1.2.2. Các thông số đầu ra
Quá trình làm việc của động cơ, có nhiều thông số đầu ra để đánh giá hiệu quả kinh tế, môi trường. Trong phạm vi đề tài chỉ chọn một số thông số có thể đo đạc, kiểm sóat đánh giá được để đánh giá kết quả thực nghiệm, như:
- Tiêu hao nhiên liệu riêng (ge). - Độ đục khí thải (% HSU).
- Nhiệt độ khí xả Tx, nhiệt độ nước làm mát Tlm.
Hình 3.1. Sơ đồ các thông số đầu vào, đầu ra của quá trình nghiên cứu
3.2. QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM
Khi nghiên cứu mối quan hệ phụ thuộc các yếu tố với nhau, thường chưa biết chưa rõ qui luật hoạt động của các mối quan hệ bên trong giữa các yếu tố, tạm xem sự biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu hỗn hợp DO –Jatropha là một hộp đen. Tiến hành nghiên cứu quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của động cơ qua việc chạy thực nghiệm để tìm ra được hỗn hợp nhiên liệu tốt nhất về mặt tiêu hao nhiên liệu, môi trường.
3.2.1. Quy hoạch thực nghiệm xác định độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu DO– Jatropha
3.2.1.1. Chọn yếu tố chi phối đến độ nhớt
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt là nhiệt độ sấy và tỷ lệ chất pha trong hỗn hợp. Xét tại một nhiệt độ sấy nhất định thì chỉ còn lại tỷ lệ chất pha ảnh hưởng đến độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu. Để thuận tiện trong việc xử lý số liệu xét ảnh hưởng của tỷ lệ chất pha tại các nhiệt độ gia nhiệt khác nhau.
Hàm mục tiêu độ nhớt của hỗn hợp, phương trình biểu diễn có dạng:~y = f(x).
3.2.1.2. Chọn miền khảo sát của các yếu tố đầu vào
Tỷ lệ chất pha là: J5, J10, J15, J20, J22.5 đối với chất pha là dầu jatropha. Nhiệt độ sấy là: 330C, 400C, 500C, 600C, 700C và 800C. Chọn số lần lặp r = 3, số điểm thí nghiệm n=6. Chọn mức ý nghĩa α =0,95, tức là độ tin cậy đạt 95%. Chọn khảo sát sự thay đổi độ nhớt tại nhiệt độ sấy khác nhau với các tỷ lệ chất pha như trên.
3.2.2. Quy hoạch thực nghiệm xác định chi phí nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel – jatropha dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel – jatropha
3.2.2.1. Chọn yếu tố chi phối đến chi phí nhiên liệu riêng
Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí nhiên liệu của động cơ là: tải và tỷ lệ chất pha. Khi cố định tỷ lệ chất pha thì chỉ có tải là ảnh hưởng đến chi phí nhiên liệu của động cơ. t0 J % Động cơ D12 ge %SHU Tx ; Tlm T0 sấy DO - Jatropha
Hàm mục tiêu y là chi phí nhiên liệu của động cơ có dạng:~y = f(x)
3.2.2.2. Chọn miền khảo sát của các yếu tố đầu vào
Các mức tải là: 1.311 HP; 2,054 HP; 2,710 HP; 4,021 HP; 5,288 HP; 6,031 HP; 8,100 HP; 9,928 HP và 10,922 HP. Tỷ lệ chất pha là: J5, J10, J15, J20, J22.5. Chọn số lần lặp tại mỗi điểm thí nghiệm r = 3, số điểm thí nghiệm n = 9, mức ý nghĩa α =0,95 và khảo sát sự thay đổi của chi phí nhiên liệu tại mỗi tỷ lệ ở các mức tải khác nhau.
3.2.3. Quy hoạch thực nghiệm xác định độ đục khí xả của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel – jatropha nhiên liệu hỗn hợp diesel – jatropha
3.2.3.1. Chọn yếu tố chi phối đến độ đục khí thải
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ đục khí xả của động cơ là: tải và tỷ lệ chất pha. Khi cố định tỷ lệ chất pha thì chỉ có tải là ảnh hưởng đến độ đục khí xả của động cơ.
Hàm mục tiêu y là độ đục khí xảcủa động cơ có dạng:~y = f(x).
3.2.3.2. Chọn miền khảo sát của các yếu tố đầu vào
Các mức tải là: 1.311 HP; 2,054 HP; 2,710 HP; 4,021 HP; 5,288 HP; 6,031 HP; 8,100 HP; 9,928 HP và 10,922 HP. Tỷ lệ chất pha là: J5, J10, J15, J20, J22.5. Chọn số lần lặp tại mỗi điểm thí nghiệm r = 3, số điểm thí nghiệm n = 9, mức ý nghĩa α =0,95 và khảo sát biến thiên độ đục khí xảtại mỗi tỷ lệ ở các mức tải khác nhau.
3.3. THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
Thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm động cơ của Khoa Kỹ thuật Tàu thủy thuộc Trường Đại học Nha Trang.
Hình 3.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm
1. Động cơ D12; 5. Hộp điều khiển bơm – quạt 9. Máy phát
2. Các điện trở 6. Két giải nhiệt 10. Két nhiên liệu thay thế 3. Bơm nước làm mát 7. Két nhiên liệu diesel 11. Bình sấy nhiên liệu 4. Két nước làm mát 8. Hộp kết nối máy tính 12.Van ban ngã
3.3.1. Động cơ nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu DO – Jatropha
3.3.1.1. Chọn động cơ thử nghiệm
So với dầu diesel thì dầu jatropha có độ nhớt cao hơn, sức căng bề mặt lớn hơn, chỉ số cetan thấp hơn chút ít ảnh hưởng đến thời gian cháy trể của dầu jatropha tăng. Với đặc điểm này, sử dụng loại buồng phân cách của động ơ diesel D12 phù hợp, tạo điệu kiện thuận lợi cho quá trình hòa trộn nhiên liệu hỗn hợp này.
Một số nghiên cứu về sử dụng pha ethanol (15%) hoặc dầu hỏa (15%) với dầu dừa (85%) tại Trường Đại học Nha Trang đã sử dụng trên loại động cơ này, kết quả khẳng định nhiên liệu hỗn hợp dầu dừa – ethanol, dầu dừa – dầu hỏa sử dụng tốt trên động cơ D12, tuy nhiên tiêu hao nhiên liệu riêng cao hơn đối với khi động cơ sử dụng DO. Như vậy, cơ sở thực tế là dầu thực vật chạy trên động cơ D12 có là khả thi. Tuy nhiên, trong quá trình chuẩn bị thực nghiệm ngoài việc pha dầu jatropha với dầu diesel ở tỷ tệ thích hợp kết hợp với xử lý giảm độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu, cải thiện chỉ số cetan đảm bảo không ảnh hưởng xấu đến chất lượng nhiên liệu, cần điều chỉnh một số thông số của động cơ như góc phun sớm, áp lục phun của bơm cao áp hợp lý nhằm hạn chế khả năng chậm cháy, cải thiện quá trình cháy.
Từ phân tích trên, đề tài chọn động cơ diesel D12 tại phòng Thí nghiệm động lực – Khoa Kỹ thuật Tàu thủy (Trường Đại học Nha Trang) là khả thi.
3.3.1.2. Thông số kỹ thuật của động cơ thí nghiệm
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ diesel D12
Nhãn hiệu
Thông số kỹ thuật Số hiệu,
kiểu cách Làm mát, khởi động Đường kính xilanh, (mm) 95 Hành trình piston, (mm) 115 Công suất định mức, (HP) 12 Tốc độ quay định mức, (vòng/phút) 2000 Thể tích xilanh, (lít) 0,815 Tỷ số nén 20:1
Áp suất nén hữu hiệu trung bình,
(kg/cm2) 6,63
Tiêu hao nhiên liệu riêng, (g/HP.h) 185 Áp suất phun dầu, (kg/cm2) 120 ± 5
Kích thước, (mm) 814x551 x620 C H A N G C H A I Trọng lượng, (kg) 135 MÁY DIESEL S195. Một xylanh, 4 kỳ, Kiểu nằm Làm mát bằng nước (két nước và quạt gió) Tay quay.
Động cơ D12 được sử dụng thí nghiệm là động cơ diesel 4 kỳ, 01 xylanh, kiểu nằm, buồng cháy phân cách, không có turbo tăng áp khí nạp, là loại động cơ đốt trong hoạt động theo nguyên lý nhiên liệu tự phát hoả khi được phun vào buồng đốt chứa không khí được nén đến áp suất và nhiệt độ đủ cao, có các thông số kỹ thuật cơ bản như bảng 3.1.
3.3.2. Cụm tạo tải
- Máy phát điện
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của máy phát điện
Thông số Trị số Đơn vị Ký hiệu máy ST – 7,5 Điện áp dây định mức 230/115 V Tần số 50 Hz Số vòng quay định mức 1500 vòng/phút Hiệu suất 0,8-0,85 Số pha 1 Điện áp kích từ định mức 61 V Dòng điện kích từ 2,7 A
Máy phát điện trong hệ thống khảo nghiệm động cơ kết hợp với cụm phụ tải có nhiệm vụ tiêu thụ công suất do động cơ phát ra và cho phép đo được công suất đó ở những chế độ tải khác nhau. Máy phát điện nhãn hiệu A.C.SYNCHRONOUS GENERATOR, được động cơ lai tạo ra dòng điện xoay chiều một pha, tự kích từ theo phương pháp kích từ song song.
- Cụm phụ tải
Hình 3.3. Các bộ phận của cụm phụ tải 1. Máy bơm nước ; 2. Lò xo nhiệt ; 3. Két đựng nước
Cụm phụ tải được thiết kế sử dụng các điện trở khô để tiêu thụ công suất phát ra của cụm diesel – máy phát. Các điện trở được nhúng trong két nước, nước trong két
được bơm tuần hoàn qua két giải nhiệt (giải nhiệt thông qua quạt gió). Hộp điều khiển có nhiệm vụ đóng ngắt các phụ tải điện trở để tăng hoặc giảm công suất tiêu thụ điện. Động cơ diesel D12 dùng để lai máy phát điện cung cấp điện cho bộ phụ tải có khả năng tiêu thụ công suất cố định với dãi công suất: 0,660 KW; 1,034 KW; 1,364 KW; 2,024 KW; 2,662 KW; 3,036 KW; 4,078 KW; 4,998 KW; 5,498.
Hiệu suất của máy phát chọn: ηP= 0,80 ; hiệu suất môi trường ηmt= 0.85 [21] ; hiệu suất truyền động ηtđ=0,90 [6]. Công suất của động D12 tương ứng với các mức phụ tải là: 1,311HP; 2,054HP; 2,71HP; 4,021HP; 5,288HP; 6,031HP; 8,10HP; 9,928HP; 10,922HP.
Hình 3.4. Sơ đồ đấu dây thiết bị tiêu thụ
R1 – R7. Điện trở; 1: Công tắc trung gian. (2-6): Công tắc các mức phụ tải.
3.3.3. Thiết bị đo nhiệt độ
Hình 3.5. Nhiệt kế, cảm biến đo nhiệt độ khí xả
Dùng nhiệt kế và cảm biến để đo nhiệt độ của nhiên liệu, nước làm mát và khí xả.
3.3.4. Thiết bị đo tốc độ quay
Đo tốc độ quay của động cơ được thực hiện nhờ cảm biến tốc độ vòng quay động cơ. Roto của cảm biến là một đĩa kim loại có khắc các lỗ. Các lỗ này kết hợp với diot phát quang và diot cảm quang là bộ phận để phát xung. Xung này được truyền về bộ xử lý, từ đó cho ta giá trị của tốc độ quay của động cơ.
Hình 3.6. Cảm biến tốc độ động cơ