Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH THỜI GIAN CHÁY TRỄ
CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL/BIODIESEL
RESEARCH BUILDING AN EMPIRICAL FORMULA TO DETERMINE IGINITION
DELAY OF DIESEL/BIODIESEL BLENDS
ThS. Dương Quang Minh, TS. Lương Đình Thi, PGS.TS. Nguyễn Hoàng Vũ
Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, Việt Nam
, ,
TÓM TẮT
So với nhiên liệu diesel truyền thống, các thuộc tính (trị số xê tan, tỷ lệ C/H/O, nhiệt trị
thấp…) của nhiên liệu diesel sinh học có sự khác biệt. Điều này sẽ dẫn đến sự thay đổi các
đặc tính cháy của biodiesel (thời gian cháy trễ, tốc độ cháy tầng, nhiệt độ bốc cháy giới
hạn…). Bài báo trình bày kết quả thực nghiệm đo thời gian cháy trễ của hỗn hợp
diesel/biodiesel sản xuất tại Việt Nam với các tỷ lệ pha trộn khác nhau (B0, B20, B40, B60,
B80 và B100) bằng ống Xung kích (Shock tube) và xây dựng công thức thực nghiệm tính thời
gian cháy trễ của hỗn hợp diesel/biodiesel với tỷ lệ pha trộn bất kỳ.
Từ khóa: thời gian cháy trễ, ống xung kích, diesel, biodiesel, nhiên liệu.
ABSTRACT
Compared to petroleum diesel fuel, there is difference among the properties (Cetane
Number, C/H/O fractions, lower heating values...) of biodiesel fuel. This leads to a change
in combustion characteristics of biodiesel (Ignition Delay, Laminar Flame Speeds, Limited
Auto-ignition Temperature...). This paper presents measured ignition delays of diesel/
biodiesel blends with various fractions (B0, B20, B40, B60, B80 and B100) by using a
shock tube, and establishes an experimental expression to determine ignition delays of
the blends with any fractions.
Keywords: Ignition Delay, shock sube, diesel, biodiesel, fuel.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, nhằm giảm thiểu mức ô nhiễm môi trường và sự phụ thuộc vào nguồn nhiên
liệu hóa thạch, các quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đã và đang tập trung nghiên
cứu sản suất, sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) cho động cơ diesel. Biodiesel có

loại alkan (n-Decan, n-dodecane và n-hexadecan); methyl decanoate; và DF- 2 (có chỉ số
cetan trong khoảng 42 -55) bằng ống xung kích. Ở nhiệt độ cao, thời gian cháy trễ của hỗn
hợp nghèo dài hơn đáng kể so với hỗn hợp giàu. Saleh [19] đã đo thời gian cháy trễ cho hỗn
hợp nhiên liệu diesel/biodiesel có nguồn gốc từ cây bông trên ống xung kích, tác giả nhận
thấy rằng thời gian cháy trễ của tất cả các loại nhiên liệu thử nghiệm tại ϕ =1,05 là nhỏ nhất.

Mặc dù các nghiên cứu trước đây trên thế giới về xác định thời gian cháy trễ của nhiên
liệu diesel và nhiên liệu diesel sinh học là khá nhiều, nhưng các dữ liệu thu được không đủ để
hiểu đầy đủ các đặc tính cháy của chúng do sự đa dạng của diesel sinh học và sự phức tạp của
cơ chế động học. Do nhiên liệu diesel sinh học vẫn còn là vấn đề mới ở Việt Nam nên các
nghiên cứu về đặc tính cháy nói chung và thời gian cháy trễ nói riêng còn ít được quan tâm.
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng công thức xác định thời gian cháy trễ của
các loại hỗn hợp diesel/ biodiesel tại các tỉ lệ tương đương khác nhau bằng ống xung kích
với biodiesel (B100) được sản xuất tại Việt Nam từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô
thành dầu ăn [6].
2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
2.1. Trang thiết bị
Thực nghiệm xác định thời gian cháy trễ được tiến hành trên ống xung kích và thiết bị
đo thời gian cháy trễ được thể hiện trên hình 1.

1-Phần cao áp; 2-Đồng hồ báo áp suất; 3-Màng ngăn; 4- Đồng hồ báo độ chân không;
5- Phần thấp áp; 6- Phần thực nghiệm; 7- Cảm biến thời điểm cháy; 8- Nguồn cao áp;
9- Hệ thống thu thập dữ liệu; 10-Bộ đếm thời gian; 11- Bơm chân không số 1; 12- Cảm biến
áp suất;13- Bình hòa trộn; 14- Đồng hồ áp suất của bình hòa trộn; 15-Bơm chân không số 2;
16- Bình khí He li; 17- Bình khí Ni tơ
Hình 1. Sơ đồ bố trí trang thiết bị đo thời gian cháy trễ
246


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Bảng 1. Tính chất của nhiên liệu diesel (B0) và Biodiesel (B100)
Tỷ lệ Nhiệt trị thấp/ Khối lượng phân Trị số Khối lượng
-1
H/C
MJ.kg-1
tử /g.mol-1
xê tan riêng /kg.l

Độ nhớt/
mm2.s-1

B0

1,788

42,92

191,8

49

0,8369

3,14

B100

1,902

37,39


76,96

12,17

10,83

0,04

2.3. Điều kiện thử nghiệm
Các hỗn hợp nhiên liệu được hòa trộn với O 2 và N 2 theo các tỷ lệ tương đương ϕ = 0,5;
1,0 và 1,5, N 2 được sử dụng như là khí pha loãng. Các hỗn hợp được pha trộn trong một bình
thép không gỉ có thể tích 128 lít. Bình này được hút chân không đến áp suất dưới 0,02 Pa
trước khi đưa hỗn hợp nhiên liệu vào trong bình. Sau khi trộn, hỗn hợp được lưu giữ ít nhất
12 giờ trước khi thí nghiệm để các phân tử khuếch tán đồng đều sau đó nạp đầy vào phần thấp
áp. Vì áp suất hơi bão hòa của diesel và dầu diesel sinh học đều thấp nên cả ống xung kích và
247


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
bình hòa trộn đều được gia nhiệt đến 393 K và duy trì ở nhiệt độ đó để đảm bảo sự hóa hơi
hoàn toàn các hạt nhiên liệu lỏng. Hàm lượng chi tiết của các thành phần hỗn hợp thực
nghiệm được trình bày trong Bảng 3. Thử nghiệm xác định thời gian cháy trễ được thực hiện
với 6 hỗn hợp nhiên liệu (B0, B20, B40, B60, B80 và B100) trong khoảng nhiệt độ từ 1174K
đến 1685 K; áp suất 0,12 MPa và các tỷ lệ tương đương lần lượt là 0,5; 1,0 và 1,5.
Bảng 3. Thành phần của hỗn hợp thực nghiệm
Hỗn
Diesel Biodiesel
O xi
Ni tơ


B60

0,44

0,44

20,82

78,3

B80

0,22

0,6

20,84

78,34

B100

0

0,77

20,85

78,38


φ = 1,5

Nhiên
liệu

A

Ea

A

Ea

A

Ea

B0

0,00084

35373

0,0003

39178

0,000005


B60

0,00087

35042

0,000028

45669

0,000124

42822

B80

0,00043

36680

0,0015

34176

0,000087

43310

B100


số giữa hai dữ liệu nhỏ hơn 20%. Các sai số
đó có thể do các điều kiện thí nghiệm khác
nhau và các loại khí pha loãng khác nhau.
Ngoài ra, một nguyên nhân khác có thể là
do sự khác nhau về thuộc tính của B0 giữa
Hình 3. Sự thay đổi của τ của B0 theo T và φ
nghiên cứu này và công trình [9].
Năng lượng kích hoạt của diesel trong nghiên cứu này là 35373 cal/mol trong khi đó
năng lượng kích hoạt trong nghiên cứu [9] là 36028 cal/mol. Rõ ràng, hai nguồn năng lượng
kích hoạt là gần giống nhau cho thấy rằng phương pháp đo và ống xung kích trong nghiên cứu
này là đáng tin cậy và chính xác.
3.2. Thời gian cháy trễ của các hỗn hợp B20, B40, B60, B80, B100
Hình 4 biểu diễn sự thay đổi thời gian cháy trễ của hỗn hợp diesel/biodiesel (B20, B40,
B60, B80 và B100) ở điều kiện áp suất 0,12 MPa và nhiệt độ trong khoảng từ 1174K đến
1685 K với φ = 0,5; 1 và 1,5. Ta thấy thời gian cháy trễ của từng hỗn hợp cũng thể hiện rõ sự
phụ thuộc vào nhiệt độ và tỷ lệ tương đương. Độ dốc của đường thời gian cháy trễ so với
nghịch đảo của nhiệt độ ở các tỷ lệ tương đương khác nhau đại diện cho năng lượng kích hoạt
của các hỗn hợp chất phản ứng. Năng lượng kích hoạt trung bình tổng thể của tất cả các hỗn
hợp là khoảng 39000 cal/mol như thể hiện trong Bảng 4. Phương pháp hồi quy đa biến chỉ
được áp dụng cho từng hỗn hợp nhiên liệu/không khí. Do đó, thông số áp suất và tỷ lệ tương
đương trong phương trình (1) không cần phải tính, bởi vì số mũ của (α, β) bằng 0. Độ dốc của
đường thời gian cháy trễ so với nghịch đảo của nhiệt độ ở các tỷ lệ tương đương khác nhau
đại diện cho năng lượng kích hoạt của các hỗn hợp chất phản ứng. Năng lượng kích hoạt
trung bình tổng thể của tất cả các hỗn hợp là khoảng 39000 cal/mol như thể hiện trong Bảng
4. Phương pháp hồi quy đa biến chỉ được áp dụng cho từng hỗn hợp nhiên liệu/không khí. Do
đó, thông số áp suất và tỷ lệ tương đương trong phương trình (1) không cần phải tính bởi vì số
mũ của (α, β) bằng 0.
Đối với tất cả các hỗn hợp diesel/biodiesel, thời gian cháy trễ tăng lên cùng với sự gia
tăng của tỷ lệ tương đương cho tất cả hỗn hợp, tuy nhiên, ảnh hưởng của tỷ lệ tương đương
với thời gian cháy trễ là khá nhỏ. Điều này phù hợp với những phát hiện trước đó trong

đáng kể. Điều này chứng tỏ rằng việc bổ sung biodiesel ảnh hưởng không đáng kể đến thời
gian cháy trễ hóa học, tuy nhiên, việc bổ sung biodiesel có thể làm giảm thời gian cháy trễ
vật lý do tính chất vật lý của nó như là độ nhớt cao hơn, khối lượng riêng cao hơn, khả năng
chịu nén thấp hơn, nhiệt trị thấp hơn và tính dễ bay hơi thấp hơn [20].
4. Xây dựng công thức tính thời gian cháy trễ
Sử dụng dữ liệu thực nghiệm thu được từ nghiên cứu này cùng với phương pháp hồi
quy đa biến (MLR) ta nhận được biểu thức tổng thể tính thời gian cháy trễ của hỗn hợp
diesel/biodiesel/không khí. Công thức tính thời gian cháy trễ τ được trình bày như sau:
 38704 

 RT 

τ = 3.47 ⋅10−4 ⋅ φ 0.73 ⋅ exp 

(2)

Số mũ của tỷ lệ tương đương là dương chứng tỏ rằng ϕ tỷ lệ thuận với thời gian cháy
trễ và điều này hoàn phù hợp với kết quả thực nghiệm.

Phương trình (2) chỉ ra rằng thời gian cháy trễ phụ thuộc vào ϕ. Khi hỗn hợp nhiên
liệu diesel/biodiesel được sử dụng trong một động cơ diesel thì ngoài ảnh hưởng trên còn có

sự ảnh hưởng của hàm lượng biodiesel trong hỗn hợp đối với thời gian cháy trễ. Khi các
thông số làm việc của động cơ được cố định, số lượng không khí đi vào động cơ là không đổi,
khi đó sự khác biệt của tỷ lệ C/H/O có trong biodiesel pha trộn dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ nhiên
liệu/không khí (do bản thân các phân tử biodiesel có chứa một lượng oxy nhất định và tỷ lệ
nguyên tố carbon trong nhiên liệu giảm xuống trong khi tỷ lệ hydro gần như không thay đổi
khi hàm lượng biodiesel tăng) sẽ dẫn đến thay đổi ϕ. Phản ứng hóa học tổng thể của sự pha
trộn nhiên liệu với O 2 được thể hiện như sau:


B90

B100

0,983 0,966 0,948 0,931 0,914 0,897 0,879 0,862 0,845 0,828

Theo Bảng 5 ta thấy hàm lượng biodiesel trong hỗn hợp nhiên liệu càng cao thì ϕ càng
giảm. Mối quan hệ giữa ϕ và hàm lượng biodiesel với tỷ lệ pha trộn bất kỳ được thể hiện theo
công thức sau:
φBx =1 − 1.725 ⋅10−3 ⋅ x φB 0
(4)

(

)

trong đó: x là tỷ lệ phần trăm của biodiesel trong hỗn hợp diesel/biodiesel.
Kết hợp giữa phương trình (2) và phương trình (4) ta được công thức tính thời gian cháy
trễ của hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodisel với tỷ lệ pha trộn bất kỳ:

τ Bx= 3.47 ⋅10−4 ⋅ (1 − 1.725 ⋅10−3 ⋅ x )

0.73

 38704 
⋅ φB0.73
0 ⋅ exp 

 RT 


[3]. Nguyễn Hoàng Vũ, Nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong, NXB QĐND, 2010.
[4]. B. Kegl, M. Kegl, S. Pehan (2013), Green diesel engines, Springer-Verlag, London. (179 -181).
[5]. D.Y.C. Leung (2003), Feasibility study of using biodiesel as motor fuel in Hong Kong,
The University of Hong Kong.
[6]. V.H. Nguyen, H.T.T Vu, H.M Do, J.Y Woo, H.H Jun, Esterification of waste fatty acid
from palm oil refining process into biodiesel by heterogeneous catalysis: fuel properties
of B10, B20 blends, International Journal of Renewable Energy and Environmental
Engineering, 01 (01), 2013, 1-5.
[7]. D.N. Assanis, Z.S. Filipi, S.B. Fiveland, M. Simiris, A predictive ignition delay
correlation under steady-state and transient operation of a direct injection diesel
engine, J. Eng. Gas Turbines Power 2003;125:450–7.
[8]. H. An, W.M. Yang, A. Maghbouli, J. Li, S.K. Chou, K.J. Chua, Performance,
combustion and emission characteristics of biodiesel derived from waste cooking oils,
Applied Energy 112 (2013) 493–499.
[9]. D.R. Haylett, P.P. Lappas, D.F. Davidson, R.K. Hanson, Application of an aerosol
shock tube to the measurement of diesel ignition delay times, Proceedings of the
Combustion Institute 32 (2009), 477–484.
[10]. D.R. Haylett, D.F. Davidson, R.K. Hanson, Ignition delay times of low-vapor-pressure
fuels measured using an aerosol shock tube, Combustion and Flame 159 (2012) 552–
561.
[11]. M.EL-Kasaby, M.A. Nemit-allah, Experimental investigations of ignition delay period
and performance of a diesel engine operated with Jatropha oil biodiesel, Alexandria
Engineering Journal (2013) 52, 141–149.
[12]. C. Morl, Gaseq, http ://www.c.morley.d sl.pipex.com/.
252


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[13]. Thi Luong Dinh, Vu Nguyen Hoang, Determination of C/H/O Fractions and Lower
Heating Values for Diesel-Biodiesel Blends Derived from Vietnam, International Journal

TS.Lương Đình Thi, Học viện Kỹ thuật Quân sự,
, 0974.922.757.

3.

PGS.TS. Nguyễn Hoàng Vũ, Học viện Kỹ thuật Quân sự,
, 0913.226.206.

253