BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

HOÀNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ TÍNH CHẤT
CỦA DẦU THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT SỬ DỤNG
LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HẢI PHÒNG - 2015


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

HOÀNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ TÍNH CHẤT
CỦA DẦU THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT SỬ DỤNG
LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ: 62520116

án và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình,
đồng nghiệp và thân hữu đã ủng hộ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận
án này.
Nghiên cứu sinh

Hoàng Anh Tuấn

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................................vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU ..................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................ix
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... xii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .......................................................................................... 5
1.1. Tổng quan về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel ...............................................5
1.2. Dầu thực vật nguyên chất ...................................................................................... 7
1.2.1. Giới thiệu chung.............................................................................................. 7
1.2.2. Tính chất của dầu thực vật nguyên chất (VO100) ..........................................8
1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng dầu thực vật nguyên chất ................................ 11
1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng trên thế giới ..................................................11
1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng tại Việt Nam ................................................12
1.4. Tổng quan về các nghiên cứu sử dụng dầu thực vật nguyên chất cho động cơ
diesel .............................................................................................................................. 13
1.5. Kết luận chương 1.................................................................................................24
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢI THIỆN TÍNH CHẤT VẬT LÝ DẦU
THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT SỬ DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ
DIESEL......................................................................................................................... 25

3.2.1. Cơ sở tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ...............................................58
3.2.2. Cơ sở tính toán bộ hâm bằng điện ................................................................ 67
3.2.3. Cơ sở tính toán các thiết bị phụ ....................................................................70
3.3. Tính toán hệ thống kiểu tích hợp điện – khí xả để hâm sấy dầu dừa nguyên
chất sử dụng trên động cơ D243 .................................................................................72
3.3.1. Sơ đồ hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện – khí xả .......73
3.3.2. Tính toán hệ thống hâm sấy CO100 kiểu tích hợp điện - khí xả sử dụng trên
động cơ D243 ..........................................................................................................74
3.4. Mô phỏng hệ thống hâm nhiên liệu CO100 bằng phần mềm ANSYS
FLUENT ....................................................................................................................... 80
3.4.1. Các tính chất vật lý của dòng chảy ............................................................... 81
3.4.2. Các phương trình truyền nhiệt ......................................................................81
3.4.3. Mô hình mô phỏng và điều kiện biên ........................................................... 83

iv


3.4.4. Chế độ mô phỏng .......................................................................................... 84
3.4.5. Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 84
3.5. Kết luận chương 3.................................................................................................89
CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM TRÊN ĐỘNG CƠ...................................................... 90
4.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm .......................................................................90
4.1.1. Mục đích thử nghiệm .................................................................................... 90
4.1.2. Phạm vi thử nghiệm ...................................................................................... 90
4.2. Đối tượng thử nghiệm .......................................................................................... 90
4.3. Sơ đồ bố trí và thiết bị thử nghiệm .....................................................................91
4.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm .................................................................................91
4.3.2. Thiết bị thử nghiệm ....................................................................................... 92
4.4. Điều kiện và quy trình thử nghiệm .....................................................................95
4.4.1. Điều kiện thử nghiệm.................................................................................... 95


Cetane number - Số xetan

2

CP

Cloud point - Điểm vẩn đục

3

CO100

Dầu dừa nguyên chất

4

CO100_t80

Dầu dừa nguyên chất được hâm đến nhiệt độ 800C

5

CO100_t100

Dầu dừa nguyên chất được hâm đến nhiệt độ 1000C

6

CO100_t120


Dầu hướng dương nguyên chất

12

SV

Saponification Value - Chỉ số xà phòng hóa

13

TCCS

Tiêu chuẩn cơ sở

14

VO100

Vegetable Oil - Dầu thực vật nguyên chất

vi


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
TT

Kí hiệu

Ý nghĩa


5

C2

Hằng số bước sóng nhiễu loạn

0,5

6

C3

Hằng số thời gian nhiễu loạn

1,2

7

C4

Hằng số thời gian phát triển sóng

0,5

8

Cµ

Hằng số ảnh hưởng của động năng nhiễu

Đường kính lỗ phun

mm

13

Fbm

Lực căng bề mặt

N

14

Fkđ

Lực khí động

N

15

k

Động năng rối

J

16


LA

Chiều dài phun sương

mm

21

Lb

Chiều dài phân rã

mm

J

vii


22

Nu

Số Nusselt

23

M

Khối lượng phân tử


28

TF

Nhiệt độ chớp cháy

K

29

Tkx

Nhiệt độ khí xả

o

30

Uph

Vận tốc phun

m/s

31

Utđ

Vận tốc tương đối


N/m

36

µl

Độ nhớt động lực học của nhiên liệu lỏng

Ns/m2

37

µk

Độ nhớt động lực học của không khí

Ns/m2

38

µ

Độ nhớt động học

mm/s2

39

Φ


τpv

Thời gian phá vỡ giọt

s

44

τpr

Thời gian phân rã

s

C

viii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel hóa thạch ...............................................7
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của dầu thực vật nguyên chất và nhiên liệu diesel ........8
Bảng 1.3. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của dầu thực
vật nguyên chất và nhiên liệu diesel ở nhiệt độ 400C...................................................... 9
Bảng 1.4. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu thực vật
nguyên chất và nhiên liệu diesel ...................................................................................... 9
Bảng 1.5. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của diesel sinh
học nguyên chất (B100), dầu thực vật nguyên chất (VO100) ở nhiệt độ 400C .............16
Bảng 2.1. Các hệ số không thứ nguyên .........................................................................27

Bảng 4.9. Giá trị công suất của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi động cơ sử
dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100 ...................................................................104
Bảng 4.10. Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi
động cơ sử dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100 ................................................105
Bảng 4.11. Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo đường đặc tính tải khi
động cơ sử dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100 ................................................106
Bảng 4.12. Đặc tính phát thải CO của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi sử dụng
nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100, ppm ...................................................................108
Bảng 4.13. Đặc tính phát thải NOx của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi sử dụng
nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100, ppm ...................................................................110
Bảng 4.14. Đặc tính phát thải HC của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi sử dụng
nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100, ppm ...................................................................112
Bảng 4.15. Đặc tính phát thải khói của động cơ theo đường đặc tính ngoài khi sử dụng
nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100, BN .....................................................................114
Bảng 4.16. Giá trị nhiệt độ khí xả (0C) ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ............117
Bảng 4.17. Thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 (giây) .............................................118
Bảng PL1. Kết quả phân tích mẫu dầu dừa nguyên chất ............................................130
Bảng PL2. Kết quả tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ........................................133
Bảng PL3. Kết quả tính toán két nhiên liệu thử nghiệm .............................................139
Bảng PL4. Kết quả tính chọn bơm ..............................................................................140
Bảng PL5. Kết quả tính toán điện trở sấy....................................................................141

x


Bảng PL6. Kết quả tính sức cản tác dụng lên dòng khí lưu động qua thiết bị tận dụng
.....................................................................................................................................143
Bảng PL7. Kết quả tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải ..............................................144
Bảng PL8. Kết quả tính kiểm nghiệm các thông số nhiệt động của hệ thống .............146
Bảng PL9. Bộ hâm bằng điện ......................................................................................149

Hình 3.3. Mối liên hệ giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ ...............................................52
Hình 3.4. Sơ đồ bố trí phun thử nghiệm ........................................................................54
Hình 3.5. Đặc tính phun của nhiên liệu DO (a) và dầu dừa nguyên chất CO100 (b) ở
nhiệt độ 400C .................................................................................................................55
Hình 3.6. Đặc tính phun của CO100 tại các nhiệt độ khác nhau...................................56
Hình 3.7. Sơ đồ tính thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ....................................................... 59

xii


Hình 3.8. Sơ đồ mạch điều khiển công suất điện trở sấy ..............................................69
Hình 3.9. Mô hình nguyên lý hệ thống hâm nhiên liệu kiểu tích hợp điện - khí xả......73
Hình 3.10. Mô hình 3D thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ..................................................76
Hình 3.11. Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống hâm nhiên liệu CO100 ............................ 78
Hình 3.12. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng
nhiệt tại chế độ 10% tải, tốc độ 1500 vòng/phút ........................................................... 85
Hình 3.13. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng
nhiệt tại chế độ 75% tải (a) và 100% tải (b), tốc độ 1500 vòng/phút ............................ 86
Hình 3.14. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng
nhiệt tại chế độ 10% tải, tốc độ 2000 vòng/phút ........................................................... 87
Hình 3.15. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng
nhiệt tại chế độ 75% tải (a) và 100% tải (b), tốc độ 2000 vòng/phút ............................ 88
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên băng thử động lực cao ETB ............................. 91
Hình 4.3. Bố trí nhiệt kế và cảm biến nhiệt độ .............................................................. 93
Hình 4.4. Phòng thử nghiệm động cơ ............................................................................94
Hình 4.5. Lượng không khí thực tế cấp cho động cơ ở chế độ 100% tải ...................... 97
Hình 4.6. Nhiệt lượng khí xả của động cơ ở chế độ 100% tải ......................................99
Hình 4.7. Nhiệt lượng khí xả của động cơ theo đặc tính tải ở tốc độ 1500 vòng/phút.
.....................................................................................................................................101
Hình 4.8. Nhiệt lượng khí xả của động cơ theo đặc tính tải ở tốc độ 2000 vòng/phút

xiv


MỞ ĐẦU
Hiện nay, ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt các nguồn năng lượng là những vấn
đề đang được mọi quốc gia trên thế giới quan tâm. Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh
tế thế giới dẫn tới nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và điều tất yếu là lượng tiêu thụ
dầu mỏ ngày càng lớn. Một mặt do trữ lượng dầu mỏ có hạn nên nguy cơ cạn kiệt dầu
mỏ là điều có thể dự đoán được. Mặt khác, vấn đề ô nhiễm môi trường, phát thải gây
hiệu ứng nhà kính sẽ ngày càng gia tăng do sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch.
Việc tìm ra các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng tái tạo có ý nghĩa rất quan
trọng đối với thế giới nhằm giải quyết các vấn đề ở trên.
Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ đốt trong, thay thế cho nhiên liệu hóa
thạch truyền thống, được xem là một trong những giải pháp quan trọng và nhận được
sự quan tâm lớn của các nước trên thế giới. Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là loại
nhiên liệu nhận được từ các nguồn tái tạo được như dầu thực vật và mỡ động vật hay
sinh khối. Các loại nhiên liệu sinh học có thể kể tên như bioetanol, biodiesel, biogas,
dimetyl ete sinh học, bio-oil100.
Do hầu hết các động cơ đều được thiết kế và chế tạo nhằm đáp ứng việc sử dụng
loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Trong khi các loại nhiên liệu sinh học lại có
nguồn gốc khác nhau nên tính chất nhiên liệu có nhiều điểm khác biệt. Nhằm sử dụng
được các loại nhiên liệu này trên động cơ đang lưu hành hoặc tiêu chuẩn hóa nhiên
liệu sinh học gần với quy định đối với các loại nhiên liệu truyền thống thì cần phải
dùng các quá trình lý hóa để cải thiện tính chất nhiên liệu trong giai đoạn cung cấp
nhiên liệu cho động cơ hoặc có thể triển khai dưới dạng pha trộn nhiên liệu sinh học
với nhiên liệu hóa thạch hoặc cải thiện trực tiếp tính chất của nhiên liệu sinh học
nguyên chất trong quá trình cung cấp cho động cơ.
Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam, với mục tiêu hướng tới đối tượng động cơ
sử dụng các loại nhiên liệu sinh học có giá thành sản xuất thấp, tiện lợi trong các lĩnh
vực nông, lâm nghiệp và thủy sản, đề tài “Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của

chất vật lý của dầu thực vật nguyên chất với nhiệt độ hâm sấy.

2


- Phát triển thành công một phương pháp tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện
năng nhằm khắc phục yếu điểm như độ nhớt cao, tỷ trọng và sức căng bề mặt lớn của
dầu thực vật nguyên chất.
Về thực tiễn
- Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho
động cơ diesel.
- Hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất được phát triển trong luận án có thể
tiếp tục hoàn thiện hướng tới ứng dụng cho các loại động cơ diesel tĩnh tại hay tàu
thủy cỡ nhỏ.
- Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi
chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt và truyền chất được sử dụng
nhằm tính toán, mô phỏng và đánh giá khả năng tận dụng nhiệt khí thải của động cơ
diesel vào mục đích sấy nóng cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất.
- Nghiên cứu các lý thuyết về các quá trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp
và cháy trong động cơ diesel khi sử dụng dầu thực vật nguyên chất và áp dụng vào bài
toán thực tế của luận án nhằm đánh giá khả năng ảnh hưởng của dầu thực vật nguyên
chất đến các quá trình và các thông số kinh tế, kỹ thuật của động cơ.
Nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đối chứng được sử dụng để đánh giá tác
động của việc chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất đến tính năng của động
cơ. Trong đó giải pháp cải thiện tính chất của nhiên liệu được áp dụng là sấy nóng nhờ
nhiệt khí thải và sấy điện.

chất phù hợp với loại động cơ sử dụng; hàm lượng khí phát thải độc hại nhỏ; dễ bảo
quản và sử dụng, đảm bảo tính kinh tế. Trên cơ sở đó, nhiên liệu dùng cho động cơ
diesel có thể được chia thành 2 nhóm chính là nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu thay
thế.
Nhiên liệu hóa thạch dùng cho động cơ diesel là loại nhiên liệu thu được từ quá
trình chưng cất dầu mỏ, chủ yếu gồm nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu khí
bao gồm các loại khí thiên nhiên như CNG, LPG, LNG... Nhiên liệu lỏng gồm các loại
như xăng, dầu diesel là loại nhiên liệu dùng chủ yếu cho động cơ xăng và động cơ
diesel.
Nhiên liệu thay thế là loại nhiên liệu có một số tính chất tương tự như nhiên liệu
diesel truyền thống, có thể thay thế nhiên liệu diesel một phần hay toàn bộ để sử dụng
trên động cơ. Nhiên liệu thay thế là loại nhiên liệu có nguồn nguyên chất từ sinh học
nên có khả năng tự phân hủy và tạo ra theo ý muốn. Nhiên liệu thay thế bao gồm các
loại nhiên liệu khí như biogas, nhiên liệu lỏng như bioetanol, biodiesel, bio-oil…
Để đánh giá khả năng sử dụng một loại nhiên liệu trên động cơ diesel, cần xét
đến tính chất nhiên liệu và sự phù hợp của nó với loại động cơ sử dụng. Để xác định
tính khả dụng của nhiên liệu cần dựa vào một số thông số sau:
Nhiệt trị là nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng hoặc
một đơn vị thể tích nhiên liệu. Nhiệt trị thấp của nhiên liệu là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt
cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu, không kể đến lượng nhiệt toả ra do hơi nước ngưng tụ.
Số cetane (CN) là đại lượng đánh giá khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu bằng
cách so sánh nó với nhiên liệu chuẩn. Về trị số, số cetan là số phần trăm thể tích của
chất n-Cetane (C16H34) có trong hỗn hợp với chất α-metylnaphtalen (C11H10) nếu hỗn

5


hợp tương đương với nhiên liệu thí nghiệm về tính bốc cháy. Đối với động cơ cháy do
nén, CN có ảnh hưởng đến tính tự bốc cháy của nhiên liệu nên nó tác động trực tiếp
đến diễn biến quá trình cháy ở động cơ và qua đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất

Bảng 1.1. Tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel hóa thạch
Thành phần

TT

Phương
pháp thử

TCCS
03:2009

ASTM
D975

D93

55

52

1

Điểm chớp cháy,oC, nhỏ nhất

2

Hàm lượng nước và lắng cặn, % thể tích,
lớn nhất

D2709

D482

0,01

0,01

6

Số cetane, nhỏ nhất

D613

46

40

7

Ăn mòn tấm đồng trong 3 giờ ở 50oC

D130

Loại 1

Loại 1

8

Nhiệt độ cất tại 90% thể tích, oC


phân tử lớn hơn nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, dầu thực vật nguyên chất có chứa thành
phần oxi trong phân tử, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm (bảng 1.2) nên dầu thực
vật nguyên chất ít gây hại đối với môi trường [40,50].
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của dầu thực vật nguyên chất và nhiên liệu diesel
TT Thành phần hóa học

Dầu thực vật
nguyên chất

Nhiên liệu diesel

73 – 77,6

83,5 - 87

1

Hàm lượng cácbon, %kl

2

Hàm lượng hidro, %kl

11,6 – 12,3

11,5 - 14

3

Hàm lượng oxi, %kl


Chỉ số iốt

70 - 157

0

8

Hàm lượng tro, %kl

0,002 – 0,03

0,006 – 0,01

Tính chất vật lý của dầu thực vật nguyên chất có ảnh hưởng nhiều đến chất
lượng quá trình cháy, các tính chất này được đặc trưng bởi:
Khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt là một thuộc tính quan trọng của
VO100 (bảng 1.3) [35,43]. Bộ ba thông số này ảnh hưởng đến độ lớn lực liên kết phân

8


tử Van der Waals [40]. Việc tăng chiều dài chuỗi cacbon làm tăng khối lượng phân tử,
do đó tăng độ lớn lực Van der Waals nên cũng làm tăng độ nhớt và ngược lại. Các tính
chất này quyết định lớn đến chất lượng phun sương của nhiên liệu, chúng đều có mối
quan hệ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Việc sử dụng trực tiếp VO100 làm nhiên liệu cho
động cơ diesel nhất thiết phải tính đến việc cải thiện các thông số trên nhằm đảm bảo
nó nằm trong phạm vi cho phép và gần với giá trị của nhiên liệu diesel.
Bảng 1.3. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của dầu

903 - 924

31 - 35

195 - 270

2

Nhiên liệu diesel

2,7 - 3

822 - 837

24

73

Điểm chớp cháy, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của VO100 cao hơn nhiên
liệu diesel. Vì lý do này, VO100 gần như không có khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp
do mất tính lưu động của nhiên liệu lỏng. Nhiệt trị của VO100 phụ thuộc vào chỉ số xà
phòng hóa (SV) và chỉ số Iốt (IV), SV và IV tăng tức là tăng số liên kết đôi (-C = C-)
do đó sẽ làm giảm nhiệt trị của dầu (bảng 1.4) [40].
Bảng 1.4. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu thực vật
nguyên chất và nhiên liệu diesel

TT

Nhiên liệu


48

- 14

- 30

9