Dụng cụ dùng để đo chi phí nhiên liệu là bình chứa nhiên liệu có chia sẵn các vạch chia và đồng hồ đo thời gian. Mỗi vạch chia trên bình chứa nhiên liệu tuơng ứng với 50ml nhiên liệu, đo thời gian động cơ tiêu thụ hết 50ml nhiên liệu (t), rồi xác định chi phí nhiên liệu giờ của động cơ theo công thức:
Gh =
t
3
(l/h) (3-1) Chi phí nhiên liệu có ích của động cơ được xác định theo công thức:
e h e N G g = (l/Hp.h) (3-2) Trong đó: Công suất có ích của động cơ được xác định theo công thức:
ϕ η η η . . .0.736cos . 2 mt td p e R U N = , ( HP) (3-3) 3.3.7. Dụng cụ, thiết bị đo độ nhớt
Dùng nhớt kế để đo độ nhớt của nhiên liệu, đo thời gian một đơn vị thể tích mẫu thử chảy qua một lỗ tiêu chuẩn của nhớt kế trong điều kiện quy ước.
Độ nhớt có thể được biểu diễn theo nhiều cách khác nhau như: Độ nhớt tuyệt đối (độ nhớt động lực), đơn vị đo Stoke (St); Độ nhớt động học đơn vị đo Kinematics
Viscosity). Ngoài hai loại trên thì người ta còn sử dụng độ nhớt quy ước, tuỳ thuộc vào thiết bị sử dụng để đo mà ta có các tên gọi và các kết quả khác nhau như độ nhớt Engler (oE), độ nhớt Saybolt (SSU), độ nhớt Redwood.
Đề tài chọn phương pháp đo độ nhớt tương đối, thứ nhất do điều kiện thiết bị đo độ nhớt hiện có tại phòng thí nghiệm ; thứ hai là phương pháp này được áp dụng ở nhiều nước Châu Âu và Việt Nam. Độ nhớt tương đối của mẫu thử được xác định:
0E =
0
τ τt
(3-4)
-τ0: Thời gian cần để 200ml mẫu thử chảy qua ống tiêu chuẩn của nhớt kế, [s]. - τt: Thời gian cần để 200ml nước cất chảy qua ống tiêu chuẩn của nhớt kế, [s].
3.3.8. Thiết bị đo độ đục khí thải
Hình 3.8. Thiết bị đo độ đục khí thải
Thiết bị sử dụng đo độ đục khí xả model DO285, do Đức sản xuất. Thiết bị do Trung tâm Đăng kiểm Xe cơ giới Khánh Hòa trợ giúp.
3.3.9. Hệ thống máy tính
Hệ thống máy tính gồm hai phần, bộ xử lý tín hiệu đo và phần mềm xử lý trên máy vi tính. Bộ tín hiệu đo có nhiệm vụ thu nhận các tín hiệu đo đạc được gửi về từ các cảm biến lắp đặt trên các thiết bị thí nghiệm.
Hình 3.7. Dụng cụ đo độ nhớt Nhãn hiệu:
LABORMMUSZERIPARIMUVEK Budapest, Hungary.
Hình 3.9. Giao diện chương trình
Máy vi tính và phần mềm xử lý có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu từ bộ xử lý và xuất ra màn hình máy tính để thuận tiện cho việc giám sát quá trình thí nghiệm và điều chỉnh các thông số thí nghiệm. Việc xử lý tín hiệu từ mạch điện tử sang máy tính được thực hiện nhờ một phần mềm.
3.4. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU THAY THẾ
Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu thay thế trong phạm vi đề tài là hệ thống nhiên liệu kép. Nhiên liệu diesel chạy khi khởi động và tắt máy; nhiên liệu hỗn hợp DO - Jatropha phục vụ thí nghiệm ở chế độ lâu dài. Hệ thống nhiên liệu thay thế nhằm đảm bảo nhiệt sấy ổn nhiệt hỗn hợp nhiên liệu, và hoạt động độc lập của các loại nhiên liệu. Do vậy, việc phân tích, lựa chọn và cải tiến hệ thống nhiên liệu cho phù hợp với các loại nhiên liệu, từng điều kiện sử dụng là rất cần thiết.
3.4.1. Hệ thống nhiên liệu thay thế cho trạm diesel - máy phát điện và động cơ chính tàu thủy chính tàu thủy
Hình 3.10. Hệ thống pha trộn và gia nhiệt tự động cho hỗn hợp nhiên liệu
1, 2. Các két dầu 5. Bộ trộn C1, C2. Cảm biến lưu lượng
3. Trung tâm điều khiển ECU 6. Thiết bị gia nhiệt C3. Cảm biến nhiệt độ
Đối với các động cơ cỡ lớn có các hệ thống phục vụ chuyên biệt như trên các tàu lớn hay các trạm diesel - máy phát điện thì có thể áp dụng phương pháp pha và gia nhiệt tự động. Để giảm chi phí năng lượng cho hệ thống nhiên liệu mới cũng như tận dụng triệt để nguồn nhiệt của động cơ diesel trên các tổ diesel - máy phát điện, các tàu công suất lớn có thể tận dụng nhiệt khí xả để sấy nóng hỗn hợp nhiên liệu.
Hình 3.11.Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu bằng bộ sấy khí xả cho các tổ diesel-máy phát điện công suất lớn
1.Dòng khí xả 7. Nhiên liệu đếnBCA 13.Đường khí xả vào
2. Nhiên liệu trong bộ sấy 8. Buồng sấy 14.Van điều chỉnh lưu lượng khí xả
3. Tay gạt 9. Quạt hút khí xả 15.Khí xả
4. Lọc nhiên liệu 10. Nhiệt kế 16 .Khí xả từ động cơ
5. Ống dẫn dầu Diesel 11. Calorific 17.Khí xả ra khỏi buồng sấy
6.Van ba ngã 12. Cửa gió
3.4.2. Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ ôtô, tàu thuyền cỡ nhỏ
Với không gian bố trí nhỏ nên các thiết bị sử dụng cần phải gọn, nhẹ. Do đó giải pháp đưa ra là sử dụng bộ phối trộn tự động và sấy nóng hỗn hợp nhiên liệu thay thế bằng nguồn điện một chiều của máy khởi động. Khi đó két nhiên liệu diesel ban đầu được thay thế bằng hai két nhiên liệu diesel và jatropha mới với tỉ lệ thích hợp.
3.4.3. Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel dùng trong nông nghiệp
Các máy nông nghiệp thông thường là các máy nhỏ, không có các hệ thống phục vụ chuyên biệt. Do đó hỗn hợp nhiên liệu được pha sẵn theo qui mô công nghiệp bằng bộ phối trộn tự động (hoặc bằng tay) và được gia nhiệt bằng nước làm mát.
Hệ thống nhiên liệu được trang bị trên các động cơ diesel phục vụ nông nghiệp là hệ thống nhiên liệu song song. Khi nhiệt độ nước làm mát còn thấp chưa sấy nóng
hỗn hợp nhiên liệu được thì sử dụng hệ thống nhiên liệu DO sau đó khi nhiên liệu hỗn hợp đạt nhiệt độ cho phép 800C thì chuyển sang sử dụng nhiên liệu thay thế.
Như vậy, với phân tích như trên kết hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm động cơ thì giải pháp tạo mẫu thí nghiệm được chọn là hỗn hợp nhiên liệu được pha bằng tay và gia nhiệt bằng nguồn điện xoay chiều.
Hình 3.12. Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu cho các động cơ diesel dùng trong nông nghiệp với bộ sấy bằng nước làm mát.
1. Két nước ngọt dự trữ 6. Van 3 ngã 10. Bình chứa nước nóng
2. Két nước làm mát 7. Lọc tinh 11. Phao tự cấp nhiên liệu
3. Nhiệt kế 8. Cần gạt 12. Phao tự cấp nước
4. Đường dầu Diesel 9. Bình nhiên liệu hỗn hợp 13. Két dự trữ nhiên liệu 5. Nhiên liệu đến BCA a,b,c. Các van
3.5. PHƯƠNG PHÁP TẠO HỖN HỢP NHIÊN LIỆU 3.5.1. Xác định tỉ lệ hỗn hợp và nhiệt độ sấy 3.5.1. Xác định tỉ lệ hỗn hợp và nhiệt độ sấy
Chọn nhiệt độ sấy là 800C (lý do trình bày ở mục 3.7.1) ta có thể pha dầu jatropha vào hỗn hợp với tỷ lệ lớn nhất có thể. Thứ nhất, tại nhiệt độ này tương hợp khi sử dụng các phương pháp gia nhiệt khác nhau để gia nhiệt cho hỗn hợp như dùng nước làm mát để sấy nhiên liệu, nhằm giảm thời gian và năng lượng dùng cho bộ sấy. Thứ hai, bởi độ nhớt của dầu thực vật giảm nhẹ khi nhiệt độ lớn hơn 800C [19]. Với lý do trên, trong quá trình pha chế, gia nhiệt và tiến hành đo độ nhớt của các hỗn hợp, ta nhận thấy ở nhiệt độ 800C, hỗn hợp J5, J10, J15, J20, J22.5 đạt được độ nhớt tương đương với độ nhớt của dầu diesel đo trên cùng một thiết bị.
Có hai yếu tố ảnh hưởng tới độ nhớt của hỗn hợp dầu diesel - jatropha đó là tỷ lệ dầu jatropha có trong hỗn hợp và nhiệt độ gia nhiệt cho hỗn hợp. Xét sự biến thiên của độ nhớt theo nhiệt độ gia nhiệt tại một tỷ lệ jatropha nhất định, ta xây dựng được hàm số biểu diễn sự biến thiên của độ nhớt theo nhiệt độ. Trên cơ sở tính toán các mức
nhiệt độ gia nhiệt hỗn hợp để có hỗn hợp gồm các tỷ lệ khác nhau có độ nhớt tương đương với dầu diesel, sử dụng nó làm cơ sở chạy các hỗn hợp với tỷ lệ pha khác nhau.
3.5.2. Phương pháp pha hỗn hợp theo tỷ lệ pha trộn
Có nhiều phương pháp pha hỗn hợp nhiên liệu jatropha vào diesel như: pha thủ công bằng tay, pha theo qui mô công nghiệp, dùng thiết bị đồng thể hóa hỗn hợp nhiên liệu. Mỗi phương pháp pha đều có những ưu thế và hạn chế nhất định.
Đối với phương pháp pha nhiên liệu theo qui mô công nghiệp, hỗn hợp nhiên liệu theo các tỷ lệ được pha chế ngay trong các nhà máy quy mô lớn và được phân phối đến các điểm cấp nhiên liệu. Khi sử dụng hỗn hợp này chỉ cần thêm động tác gia nhiệt đến 800C và đưa vào sử dụng kết hợp với các thiết bị đồng thể hóa nhiên liệu. Nhược điểm của phương pháp này là nếu nhiên liệu lưu giữ lâu thì khả năng đồng nhất của hỗn hợp bị hạn chế.
Đối với phương pháp pha nhiên liệu dùng thiết bị đồng thể hóa hỗn hợp nhiên liệu, với nhiều loại máy đồng thể, như: máy đồng thể loại van ; máy đồng thể loại quay ; máy đồng thể loại rung ; máy đồng thể siêu âm ; máy đồng thể thủy động. Trong đó, thiết bị đồng thể thủy động làm việc theo nguyên tắc xâm thực là có thể ứng dụng để xử lý hỗn hợp nhiên liệu. Ưu điểm của thiết bị đồng thể thủy động là có kết cấu đơn giản, tiêu thụ năng lượng thấp phù hợp với động cơ diesel công suất nhỏ. Tuy nhiên, trong điều kiện thí nghiệm chưa đáp ứng nên chọn phương pháp đơn giản nhất là pha thủ công bằng tay.
Đối với phương pháp pha thủ công bằng tay, điểm hạn chế của nó phương pháp này khó đảm bảo cho sự đồng nhất hỗn hợp sau khi pha có thể ảnh hưởng đến quá trình tạo hỗn hợp cháy trong động cơ. Tuy nhiên, phương pháp này không thể áp dụng ở quy mô lớn nên chỉ áp dụng trong quá trình tạo mẫu thử nghiệm của đề tài.
Hình 3.13. Sơ đồ cấu tạo máy đồng thể thủy động
Như phân tích trên, kết hợp với thực trạng thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm, đề tài chọn phương pháp pháp pha thủ công bằng tay để tiến hành thực nghiệm.
3.5.3. Phương pháp gia nhiệt cho hỗn hợp
Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu thay thế dùng thực nghiệm là hệ thống nhiên liệu kép, hệ thống chuẩn bị cần thực hiện các nhiệm vụ sấy ổn nhiệt hỗn hợp nhiên liệu để giảm độ nhớt, lọc và đảm bảo sự làm việc độc lập của hai loại nhiên liệu. Nhiều phương pháp gia nhiệt cho hỗn hợp nhiên liệu như: phương pháp sấy bằng nước làm mát, phương pháp sấy bằng bộ sấy bằng khí xả, phương pháp sấy bằng bộ sấy điện ắc qui hoặc điện xoay chiều. Mỗi phương pháp sấy đều có những lợi thế nhất định.
Đối với hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng nước, ưu điểm của nó là tận dụng được nhiệt làm mát động cơ. Tuy nhiên, phải tốn thời gian để sấy nhiên liệu đạt được nhiệt độ như mong muốn, do vậy, không thích hợp trong điều kiện thí nghiệm của đề tài này.
Đối với hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng khí xả, ưu điểm của nó là tận dụng được nhiệt làm mát động cơ. Tuy nhiên, do điều kiện cơ sở vật chất trong quá trình thực hiện không đáp ứng nên đề tài này không chọn phương pháp này.
Đối với hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng dòng điện, ưu điểm của nó là ngoài việc đáp ứng yêu cầu chung là cung cấp nhiệt nhanh, giữ nhiệt độ sấy ổn định. Đối với hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy điện xoay chiều, sơ đồ bố trí và nguyên lý hoạt động tương tự như đối với bộ sấy điện một chiều nhưng không có bộ tiết chế và ắc qui. Dòng điện xoay chiều được truyền trực tiếp từ máy phát tới que đun.
1. Két hỗn hợp nhiên liệu 5. Lọc tinh 9. Tiết chế
2. Van phao 6. Dầu đến BCA 10. Ắc qui
3. Bộ sấy 7. Động cơ 11. Bộ điều khiển
4. Lọc thô 8. Máy phát 12. Que đun
13. Cảm biến nhiệt
Như vậy, để sử dụng nhiên liệu hỗn hợp DO - Jatropha trong động cơ diesel cần có phải có biện pháp sấy nóng nhiên liệu phù hợp với từng điều kiện sử dụng. Đề tài chọn phương pháp sấy nóng nhiên liệu bằng dòng điện xoay chiều.
3.6. SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THỰC NGHIỆM
Hệ thống thử nghiệm động cơ chạy có tải sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu dầu jatropha – diesel, sơ đồ như sau:
Hình 3.15. Sơ đồ thiết bị chạy có tải sử dụng động cơ D12
1. Cảm biến đo tốc độ 2. Động cơ D12
3. Bơm cao áp 4. Lọc dầu
5. Cảm biến nhiệt độ dầu 6. Van 3 ngả
7. Dây điện 8. Đường dẫn nhiên liệu
9. Van 2 ngả 10. Bình đựng nhiên liệu diesel
11. Hộp điều chỉnh tốc độ, nhiệt độ 12. Bình nhiên liệu thử nghiệm 13. Thước đo nhiên liệu 14. Bình đựng nước sấy nhiên liệu
15. Thiết bị đun nước 16. Nguồn điện 220V
17. Máy bơm nước 18. Ống nước
19. Hộp điều khiển các mức tải 20. Giá đỡ 21. Đồng hồ báo ampe kế 22. Quạt gió
23. Đồng hồ báo vôn kế 24. Két làm mát nước
25. Các lò xo nhiệt 26. Két đựng nước
27. Đồng hồ báo vôn kế ra 28. Máy phát
29. Khớp nối đàn hồi 30. Bệ đỡ
Sơ đồ bố trí thực nghiệm xác định chi phí nhiên liệu của động cơ D12 khi sử dụng diesel và hỗn hợp dầu jatropha - diesel.
Trong quá trình đo đạc thực nghiệm sẽ xảy ra một số sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng, sai số do độ nhạy của cảm biến bị thay đổi, sai số do điều kiện và chế độ sử dụng, sai số do xử lý kết quả đo, sai số do tính không xác định của đặc trưng thiết bị, sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. Do vậy, biện pháp khắc phục sai số khi đo lường, số lần tiến hành thí nghiệm phải có từ 8-10 điểm. Việc đo lường được tiến hành với những độ chính xác theo TCVN 1864-75, công suất được xác định nhờ máy phát điện trong trường hợp không thể đo công suất trực tiếp của momen xoắn, sai số đo cho phép ± 2,5%. Số vòng quay với sai số cho phép là ± 1%. Chi phí nhiên liệu giờ được xác định theo phương pháp cân hoặc thể tích với sai số đo cho phép ± 0,5%...
Bảng 3.3. Các mức tải chạy thử nghiệm
Mức tải 1 Mức tải 2 Mức tải 3 Mức tải 4 Mức tải 5 Mức tải 6 Mức tải 7 Mức tải 8 Mức tải P (HP) 1.311 2.054 2.710 4.021 5.288 6.031 8.100 9.928 10.922 3.7. TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM 3.7.1. Thực nghiệm xác định độ nhớt
3.7.1.1. Tiến hành xác định độ nhớt của các mẫu thử
Bảng 3.4. Kết quả đo độ nhớt của dầu diesel và dầu jatropha ở 33 0C
Độ nhớt
Loại dầu
E1 E2 E3 E4 E5 Etb
Dầu diesel 1,30 1,32 1,30 1,32 1,31 1,31
Dầu jatropha 8,17 8,19 8,19 8,17 8.18 8,18
Độ nhớt tương đối của các mẫu dầu diesel và dầu jatropha trên cùng một thiết bị đo nhớt và ở nhiệt độ môi trường (33 0C), độ nhớt của dầu jatropha (8,18 0E) lớn hơn dầu diesel (8,18 0E) khoảng 6 lần. Như vậy, khả năng dùng trực tiếp dầu jatropha trên động cơ diesel là khó khả thi nếu không có giải pháp xử lý nhiên liệu tương đương với dầu diesel.
Bảng 3.5. Tổng hợp kết quả đo độ nhớt các hỗn hợp DO, J5, J10, J15, J20 và J22.5
Độ nhớt T(0C) EDO Ej5 Ej10 Ej15 Ej20 Ej22.5 33 1,310 1,428 1,473 1,535 1,598 1,680 40 1,357 1,421 1,463 1,513 1,595 50 1,302 1,361 1,395 1,435 1,511 60 1,244 1,292 1,323 1,36 1,396 70 1,207 1,242 1,281 1,317 1,324 80 1,185 1,197 1,227 1,251 1,310
Các kết quả đo giá trị độ nhớt của các hỗn hợp J10, J15, J20 và J22.5 được trình