BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
______________________________________

MAI ĐỨC NGHĨA

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN
HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DIESEL - DẦU DỪA
ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG
CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CAO TỐC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÒA – 2017

i


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
______________________________________

MAI ĐỨC NGHĨA

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN
HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DIESEL - DẦU DỪA
ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG
CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CAO TỐC
Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 62520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Khành Hòa, ngày tháng 6 năm 2017
Tác giả luận án

Mai Đức Nghĩa

iv


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện luận án, tôi luôn nhận được sự giúp đỡ của Ban
giám hiệu, quý Phòng, Khoa của Trường Đại học Nha Trang. Đặc biệt là sự hướng dẫn
tận tình của PGS. TS Phạm Hùng Thắng, đã truyền thụ kiến thức và tạo mọi điều kiện
để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
sự giúp đỡ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Khoa kỹ thuật giao thông Trường Đại học
Nha Trang và Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, đã cung cấp thông
tin, tài liệu và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận án.
Xin chân thành cảm ơn cán bộ và nhân viên Trung tâm thí nghiệm thực hành
Trường Đại học Nha Trang, các đồng nghiệp công tác tại Trung tâm đăng kiểm xe cơ
giới tỉnh Khánh Hòa, đã hỗ trợ về nhân lực và trang thiết bị để quá trình thực nghiệm
được hoàn thành.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đơn vị và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động
viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án.

Xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hòa, ngày tháng 6 năm 2017
Tác giả luận án

Mai Đức Nghĩa


dầu diesel – dầu dừa trong động cơ diesel .................................................................. 17
1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................................... 18
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN
HỖN HỢP DẦU DIESEL - DẦU DỪA ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI
TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL ..................................................................... 19

vi


2.1. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến chỉ
tiêu kinh tế của động cơ diesel ................................................................................... 19
2.1.1. Quá trình phun và sự hình thành tia phun nhiên liệu ......................................... 19
2.1.2. Cấu trúc tia phun nhiên liệu ............................................................................. 22
2.1.2.1. Chiều dài phân rã tia phun lb ......................................................................... 22
2.1.2.2. Độ xuyên sâu tia phun S ................................................................................ 23
2.1.2.3. Góc nón tia phun θs ....................................................................................... 25
2.1.2.4. Đường kính trung bình của hạt nhiên liệu trong tia phun ............................... 28
2.1.3. Quá trình phân rã tia phun hình thành hỗn hợp cháy......................................... 29
2.1.3.1. Phân rã sơ cấp ............................................................................................... 29
2.1.3.2. Quá trình phân rã thứ cấp và phân rã khí động hạt nhiên liệu ........................ 32
2.1.4. Quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ diesel ................................... 36
2.1.4.1. Cơ sở quá trình bắt lửa .................................................................................. 36
2.1.4.2. Quá trình cháy............................................................................................... 41
2.2. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến chỉ
tiêu môi trường của động cơ diesel ............................................................................ 45
2.2.1. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu đến phát thải bồ hóng ......... 46
2.2.2. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu đến phát thải NOx ............... 49
2.3. Phương pháp xác định thông số phun hỗn hợp nhiên liệu theo chỉ tiêu kinh tế và
môi trường ................................................................................................................. 51
2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 54

3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................................... 92
Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................................................ 93
4.1. Bố trí thực nghiệm .............................................................................................. 93
4.1.1. Bố trí thiết bị thực nghiệm ............................................................................... 93
4.1.2. Thông số kỹ thuật động cơ và các thiết bị thực nghiệm .................................... 94
4.2. Quy hoạch thực nghiệm ...................................................................................... 95
4.2.1. Nhiên liệu thực nghiệm .................................................................................... 95
4.2.2. Quy trình thực nghiệm ..................................................................................... 95
4.2.2.1. Điều kiện và môi trường thực nghiệm ........................................................... 95
4.2.2.2. Quy trình đo và xử lý số liệu thực nghiệm ..................................................... 96
4.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ......................................................................... 99
4.3.1. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến chỉ tiêu kinh tế ge .............. 99
4.3.2. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến chỉ tiêu môi trường ......... 103
4.3.2.1. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến phát thải bồ hóng ......... 103
4.3.2.2. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến phát thải NOx ............... 106
4.4. Đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm .............................................. 111
4.5. Kết luận chương 4 ............................................................................................. 114
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ........................................................................ 115
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 115

viii


KHUYẾN NGHỊ .................................................................................................... 116
DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ ........................... 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 118
PHỤ LỤC

ix



m/s

cm2

: Hệ số hiệu chỉnh thời gian chảy rối,

-

cp

: Nhiệt dung riêng đẳng áp,

kJ/kg K

cv

: Nhiệt dung riêng đẳng tích,

kJ/kg K

D

: Đường kính hạt nhiên liệu,

mm

Dc

: Đường kính xy lanh,


mm

: Gia tốc,

m/s2

Fh,j

: Thông lượng khuếch tán theo phương j,

W/m2

f

: Số hạt khả dĩ trong một đơn vị thể tích tia phun,

-

g

: Gia tốc trọng trường,

m/s2

h

: Enthalpy,

kJ/kg


: Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng,

g/cm2s

kZ

: Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng,

1/Pa

lb

: Chiều dài phân rã tia phun,

m

lh

: Chiều dài lỗ phun,

mm

md

: Khối lượng hạt nhiên liệu,

g



n

: Tốc độ động cơ,

vòng/phút

Oh

: Số Ohnesorge,

-

pc

: Áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun nhiên liệu,

bar

pg

: Áp suất của chất khí,

bar

pinj

: Áp suất phun nhiên liệu,

bar


r

: Bán kính hạt nhiên liệu,

mm

r

: Tham số phương trình cháy,

-

rc

: Bán kính tới hạn hạt nhiên liệu,

mm

rh

: Bán kính cong đầu vào lỗ phun,

mm

ri

: Tốc độ phản ứng hình thành và ô xy hóa bồ hóng thứ i,

-


sh

: Nguồn năng lượng,

J

sij

: Tenxơ tốc độ biến dạng,

1/s

sm

: Nguồn khối lượng,

kg

T

: Nhiệt độ,

K

Ta

: Số Taylor,

-



s

tb

: Thời gian phân rã tia phun,

s

tdur

: Thời gian cháy,

s

u

: Vận tốc hạt nhiên liệu theo các phương,

m/s

u’

: Các thành phần vận tốc mạch động,

m/s

Vt

: Thể tích tia phun,


-

xi

: Các tọa độ,

m

CHỮ HY LẠP
Δp

: Độ chênh áp (pinj – pc),

bar

Δθ

: Thời gian phun nhiên liệu,

độ

ε

: Động năng tiêu tán rối,

kJ/kg s

θ


: Khối lượng riêng của hạt nhiên liệu,

g/cm3

ρg

: Khối lượng riêng chất khí,

g/cm3

ρl

: Khối lượng riêng chất lỏng,

g/cm3

σl

: Sức căng mặt ngoài chất lỏng,

N/m

τij

: Các thành phần ứng suất,

N/m2

φ



DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
APCC

: Asian Pacific Coconut Community (Hiệp hội dừa Châu Á Thái Bình Dương)

B15

: Hỗn hợp nhiên liệu gồm 15% dầu dừa và 85% dầu diesel

bu

: Breakup (Phân rã)

CD

: Combustion Delay (Cháy trễ)

CFD

: Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực học lưu chất)

CI

: Compression Ignition (Tự cháy)

CN

: Cetan Number (Số xêtan)


: Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu hạn)

FVM

: Finite Volume Method (Phương pháp thể tích hữu hạn)

gqtk

: Góc quay trục khuỷu

HSU

: Hartridge Smoke Units (Đơn vị độ mờ khói)

IEA

: International Energy Agency (Cơ quan năng lượng quốc tế)

inj

: Injection (Phun nhiên liệu)

NL

: Nhiên liệu

NLSH

: Nhiên liệu sinh học


: Trước điểm chết trên

v/ph

: Vòng /phút

xiii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của một số động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp ........ 7
Bảng 1.2. Giải pháp giảm ô nhiễm và nâng cao hiệu suất động cơ diesel ................... 10
Bảng 1.3. Các biện pháp tối ưu hóa quá trình cháy động cơ diesel ............................. 10
Bảng 1.4. Thành phần hóa học và các chỉ tiêu nhiên liệu dầu dừa, dầu diesel............. 11
Bảng 1.5. Chỉ tiêu nhiên liệu cơ bản của hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa ...................... 12
Bảng 1.6. Nội dung nghiên cứu và mục tiêu cần đạt được .......................................... 18
Bảng 2.1. Các hệ số mô hình Shell............................................................................. 40
Bảng 2.2. Các bước hình thành bồ hóng và tốc độ phản ứng ...................................... 48
Bảng 2.3. Quy hoạch các điểm khảo sát chung .......................................................... 52
Bảng 2.4. Quy hoạch các điểm khảo sát động cơ AVL - 5402.................................... 53
Bảng 2.5. Quy hoạch các điểm khảo sát động cơ 4CHE Yanmar ............................... 54
Bảng 3.1. Nội dung các pha tính toán......................................................................... 56
Bảng 3.2. Các thông số thay đổi chính cho nhiên liệu DO và nhiên liệu B15 ............. 63
Bảng 3.3. Công suất mô phỏng từ mô hình ứng với các hệ số hiệu chỉnh khác nhau .. 64
Bảng 3.4. Hiệu chỉnh các hệ số rsc, cm2, d en ................................................................. 64
Bảng 3.5. Điều kiện về thời gian phun của động cơ khi mô phỏng ............................. 65
Bảng 3.6. Điều kiện về áp suất nén của động cơ khi mô phỏng .................................. 66
Bảng 3.7. Tổng hợp các mô hình toán chính sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng ..... 66
Bảng 3.8. So sánh độ xuyên sâu tia phun S của nhiên liệu DO và nhiên liệu B15....... 68

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Mô tả quy luật phun nhiên liệu kiểu cơ khí và phun điện tử.......................... 8
Hình 1.2. Sơ đồ mô tả hình thành hỗn hợp và cháy nhiên liệu động cơ diesel .............. 9
Hình 1.3. Quan hệ giữa các thông số nhiệt động của hỗn hợp nhiên liệu .................... 18
Hình 2.1. Các trạng thái hình thành tia phun nhiên liệu lỏng ...................................... 20
Hình 2.2. Sự phân bố hạt nhiên liệu trong tia phun..................................................... 21
Hình 2.3. Cấu trúc và sự phân rã tia phun nhiên liệu .................................................. 22
Hình 2.4. Cấu trúc tia phun không xâm thực và xâm thực trong lỗ phun .................... 23
Hình 2.5. Mô hình biến thiên tia nhiên liệu trong buồng cháy động cơ....................... 26
Hình 2.6. Sơ đồ Ohnesorge ........................................................................................ 30
Hình 2.7. Các giai đoạn phá vỡ bề mặt tia phun theo vận tốc phun............................. 31
Hình 2.8. Sơ đồ mô tả cơ chế phân rã tia phun ........................................................... 31
Hình 2.9. Hiện tượng chảy rối, xâm thực và xuất hiện lực cản khí động..................... 32
Hình 2.10. Cơ chế phá vỡ hạt theo Wierzba ............................................................... 33
Hình 2.11. Đồ thị đường cong nhiệt sinh ra và đường cong nhiệt mất mát ................. 37
Hình 2.12. Đồ thị cháy nhiên liệu .............................................................................. 38
Hình 2.13. Hiệu ứng nhiệt độ tiêu cực........................................................................ 39
Hình 2.14. Biến thiên áp suất cháy p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn.. 43
Hình 2.15. Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” ......................................................... 47
Hình 3.1. Sơ đồ khối mô phỏng xác định thông số phun nhiên liệu B15..................... 55
Hình 3.2. Lưu đồ tính toán các pha trong mô phỏng................................................... 55
Hình 3.3. Bản vẽ Piston động cơ 4CHE ..................................................................... 58
Hình 3.4. Lưới mô phỏng buồng cháy động cơ 4CHE................................................ 58
Hình 3.5. So sánh đường cong áp suất nén giữa mô phỏng và thực nghiệm................ 62
Hình 3.6. Đồ thị áp suất cháy với các hệ số hiệu chỉnh cho nhiên liệu B15 ................ 63
Hình 3.7. Áp suất cháy từ mô hình mô phỏng nhiên liệu DO và nhiên liệu B15 ......... 64
Hình 3.8. Ảnh hưởng của hệ số hiệu chỉnh rcs đến áp suất cháy.................................. 65
Hình 3.9. Ảnh hưởng của hệ số hiệu chỉnh cm2 đến áp suất cháy ................................ 65
Hình 3.10. Lưới 3D buồng cháy động cơ 4CHE Yanmar thể hiện tia phun ................ 67

Hình 4.7. Biến thiên NOx của nhiên liệu B15 theo thông số phun khác nhau ............ 107
Hình 4.8. Đồ thị 3 chiều mô tả ảnh hưởng của φinj, pinj đến phát thải NOx ................ 108
Hình 4.9. Đồ thị 3 chiều mô tả ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm nhiên
liệu B15 đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel.......................... 110

xvii


TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Đề tài luận án:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu
dầu diesel – dầu dừa đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của
động cơ diesel cao tốc”.

Ngành/Chuyên ngành:

Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số:

62520116

Nghiên cứu sinh:

Mai Đức Nghĩa

Khóa:

2012

xviii


Thesis title:

“Research on effects of fuel injection parameters of diesel - coconut
oil mixture on economical and environmental parameters of high
speed diesel engine”.

Mayor:

Mechanical Dynamics Engineering

Major code:

62520116

PhD Student:

Mai Duc Nghia

Supervisor:

Prof. Pham Hung Thang

Education Institution:

Nha Trang University

Key Findings:

là các loại nhiên liệu khác trong tổng lượng nhiên liệu cung cấp cho ĐCĐT [30], [35].
Nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ động vật, có tiềm năng
rất lớn khi làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống. Ngoài chức năng như một
phụ gia tăng cường ôxy cho quá trình cháy, NLSH còn là một nguồn nhiên liệu có thể
tái sinh. Bên cạnh đó, một đặc tính thuận lợi của NLSH là dễ pha trộn với nhiên liệu
truyền thống mà không cần đến các thiết bị phức tạp. Các nguồn nguyên liệu chính để
sản xuất NLSH là dầu thực vật được tập trung chủ yếu vào những cây có hàm lượng
dầu khá lớn như dầu đậu nành (Soybean Oil), dầu cải (Rapeseed Oil) ở Châu Âu; dầu
hướng dương (Sunflower Oil) ở Mỹ; dầu dừa (Coconut Oil), dầu cọ (Palm Oil), dầu
Jatropha ở Châu Á [4], [10].
Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc ứng dụng NLSH cho ĐCĐT như:
Địa lý của từng quốc gia - khu vực; khí hậu; nguyên liệu phục vụ nhu cầu thực phẩm
cho con người mà NLSH được phát triển với những nguyên liệu khác nhau.
Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, có tiềm năng lớn
trong việc phát triển nguồn nguyên liệu để sản xuất NLSH. Các nguồn nguyên liệu chủ
yếu tại thời điểm này để sản xuất là mỡ cá ba sa, dầu Jatropha, dầu dừa [10].

1


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full