Tổng quan luận án

Tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường do khí thải từ động cơ đốt trong đang thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo thay thế. Nhiên liệu sinh học, đặc biệt là dầu thực vật nguyên chất (VO100), là nguồn năng lượng có khả năng tái sinh, hàm lượng lưu huỳnh và hợp chất thơm rất thấp. Tuy nhiên, các động cơ diesel hiện hành được thiết kế cho nhiên liệu diesel truyền thống (DO). Dầu thực vật nguyên chất có các nhược điểm vật lý lớn: độ nhớt động học cao hơn từ 10 đến 17 lần so với diesel, khối lượng riêng và sức căng bề mặt lớn, điểm vẩn đục và điểm đông đặc cao. Khi sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel, các đặc tính này làm suy giảm chất lượng phun sương, bay hơi, gây đóng cặn muội than ở kim phun, dính xéc măng và làm biến chất dầu bôi trơn.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là việc thiếu hụt cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh để chứng minh mối quan hệ giữa nhiệt độ hâm sấy với quá trình phân rã, phun sương của dầu thực vật nguyên chất, đồng thời thiếu phương pháp tính toán, thiết kế hệ thống sấy nóng tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện năng phù hợp cho các dòng động cơ diesel đang lưu hành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm hai nội dung chính:

  1. Phát triển và định hướng giải pháp cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất (độ nhớt, sức căng bề mặt, tỷ trọng) nhằm đáp ứng việc sử dụng trên động cơ diesel.
  2. Thiết kế và chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện năng để sấy nóng nhiên liệu, đánh giá tác động của hệ thống này đến tính năng vận hành và phát thải của động cơ thử nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu:

  • Dầu thực vật nguyên chất (khảo sát thực nghiệm chuyên sâu trên dầu dừa nguyên chất CO100).
  • Động cơ diesel D243 (loại động cơ được lắp đặt phổ biến trên máy kéo, tàu sông và tàu đánh cá).

Phạm vi nghiên cứu:

  • Về nội dung: Luận án tập trung cải thiện ba tính chất vật lý cơ bản gồm độ nhớt động học, sức căng bề mặt và khối lượng riêng thông qua hệ thống sấy nóng tích hợp nhiệt khí xả và điện trở.
  • Về giới hạn: Do hạn chế về thời gian và kinh phí, các ảnh hưởng dài hạn đến độ bền và tuổi thọ chi tiết động cơ chưa được thực hiện trong phạm vi nghiên cứu này.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các công trình nghiên cứu sử dụng dầu thực vật cho động cơ diesel trên thế giới và tại Việt Nam được tác giả phân chia thành các nhóm tiếp cận chính:

Nhóm nghiên cứu cải tiến kết cấu động cơ và hệ thống: Kai Juoperi và Robert Ollus (Hãng Wartsila, Phần Lan, 2007) chỉ ra rằng việc sử dụng trực tiếp dầu thực vật nguyên chất gây xâm thực bơm cao áp, tắc đường ống dẫn và ăn mòn chi tiết cao su. Các tác giả đề xuất thay thế vật liệu hệ thống nhiên liệu thay vì thiết kế lại toàn bộ động cơ. Phương pháp can thiệp sâu vào kết cấu chỉ phù hợp với động cơ đóng mới và ít khả thi cho các động cơ đang lưu hành.

Nhóm nghiên cứu chuyển hóa este hóa thành diesel sinh học (Biodiesel - B100): Nhiều công trình như của S. Kalligeros và cộng sự, Lê Anh Tuấn và cộng sự, Ravindranath, Nguyễn Đình Thành và cộng sự (thử nghiệm B20 trên xe khách Mercedes 16 chỗ chạy 1.000 km), Trần Thanh Hải Tùng, Lê Anh Tuấn và Phạm Minh Tuấn (sử dụng biodiesel từ mỡ cá basa) đã chứng minh biodiesel giúp giảm phát thải CO, HC và khói, đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ. Tuy nhiên, quy trình este hóa đòi hỏi công nghệ phức tạp, chi phí sản xuất cao, không phù hợp với mục tiêu triển khai giá thành thấp cho nông ngư nghiệp.

Nhóm nghiên cứu pha loãng, nhũ tương hóa và sử dụng phụ gia: Dimitris Tziourtzioumis và cộng sự thử nghiệm nhiên liệu pha trộn VO70 (40% dầu hạt cải, 30% dầu đậu nành, 30% dầu ăn phế thải); Selim pha trộn jatropha với diethyl ether (DEE); Aponte và cộng sự thử nghiệm nhũ tương dầu - nước; Kandasamy và cộng sự nghiên cứu nhũ tương dầu Thevetia peruviana với các tỷ lệ nước 5%, 10%, 15%, 20% (trong đó 15% nước cho hiệu quả tốt nhất); Pope và cộng sự đánh giá các phụ gia AMSOIL, FPPF, Howe’s, Power Service; Hãng TERRESOLVE phát triển phụ gia Bio FHD-30; Đặng Văn Uy thực hiện đề tài cấp Nhà nước về pha trộn dầu thực vật với dầu diesel trên tàu thủy; Phùng Minh Lộc đề xuất tỷ lệ 15% dầu dừa và 85% diesel; Hồ Sơn Lâm và cộng sự chiết xuất phụ gia STEROAD chống oxy hóa và STIGMAD tăng số cetane. Các giải pháp này vẫn phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu khoáng hoặc chất phụ gia đắt tiền.

Nhóm nghiên cứu hâm sấy dầu thực vật nguyên chất: Shyam Kumar Ranganathan và cộng sự thử nghiệm sấy dầu hạt bông ở 50°C, 70°C và 90°C trên động cơ 1 xi lanh; Forhad và cộng sự khẳng định sấy nóng là biện pháp khắc phục trở ngại về độ nhớt và khối lượng riêng; Tesfa và cộng sự tính toán nhiệt độ sấy tối ưu dựa trên tiêu chuẩn EN ISO 3675:1998 và EN ISO 3104:1996; Prithviraja và cộng sự thử nghiệm dầu hạt bông gia nhiệt trên động cơ 5,2 kW ghi nhận hiệu suất nhiệt tăng và giảm khói; G và cộng sự thử nghiệm dầu mahua sấy nóng đến 130°C cho thấy đặc tính tương đương diesel; Nguyễn Thạch thiết kế cụm chuyển đổi nhiên liệu kép DO-SVO kết hợp gia nhiệt bằng nước làm mát, khí xả và máy đồng thể.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Các hệ thống của các tác giả đi trước thường phức tạp (yêu cầu hai két nhiên liệu riêng, chuyển đổi van phức tạp hoặc dùng nước làm mát không đủ nhiệt độ cao), khó áp dụng cho máy nông nghiệp và tàu cá cỡ nhỏ có niên hạn sử dụng lớn. Luận án chọn giải pháp phát triển hệ thống hâm sấy một két nhiên liệu tích hợp nhiệt khí xả và điện trở sấy hỗ trợ khởi động lạnh, xây dựng cơ sở toán học về quá trình phân rã tia phun của dầu thực vật theo nhiệt độ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học, cơ học chất lỏng, quá trình truyền nhiệt và lý thuyết phun sương - hình thành hỗn hợp trong buồng cháy động cơ diesel.

Khung phân tích quá trình phân rã tia phun sử dụng các hệ số không thứ nguyên:

  • Số Weber pha lỏng ($We = \frac{\rho_l U^2 D}{\sigma}$): đặc trưng cho tỷ lệ giữa lực quán tính và lực căng bề mặt.
  • Số Reynolds ($Re = \frac{U D}{\nu_l}$): đặc trưng cho tỷ lệ giữa lực quán tính và lực nhớt động học.
  • Số Ohnesorge ($Oh$ hay $Z = \frac{\mu_l}{\sqrt{\rho_l \sigma D}}$): đặc trưng cho tỷ lệ giữa lực nhớt và lực căng bề mặt.

Quá trình phân rã sơ cấp và thứ cấp được phân tích qua các mô hình:

  • Mô hình Huh và Gosman: tính toán phân rã do nhiễu loạn bề mặt tia phun và góc nón chùm tia $\Phi$.
  • Mô hình Arcoumanis: tính toán phân rã sơ cấp do hiện tượng xâm thực thủy động trong lỗ vòi phun và phân loại cơ chế phân rã thứ cấp theo giá trị số Weber ($We$).
  • Mô hình Nishimura và Assanis: tính toán tác động đồng thời của năng lượng nổ bọt khí xâm thực ($E_{nl} = \Delta V \cdot p$) và động năng nhiễu loạn ($k_{nl}$).
  • Đường kính trung bình Sauter ($SMD$ hay $d_{32}$) và mô hình phân bố kích thước hạt theo Lefebvre, Long, Simmons.
  • Công thức thực nghiệm T. Dent để tính chiều dài chùm tia phun $S$ và thời gian phân rã $\tau_{pr}$.
Hệ số không thứ nguyên Ký hiệu Công thức Ý nghĩa vật lý
Số Weber $We$ $\frac{\rho_l U^2 D}{\sigma}$ Tỉ lệ giữa lực quán tính và lực căng bề mặt
Số Reynolds $Re$ $\frac{U D}{\nu_l}$ Tỉ lệ giữa lực quán tính và lực nhớt động học
Số Ohnesorge $Z$ ($Oh$) $\frac{\mu_l}{\sqrt{\rho_l \sigma D}}$ Tỉ lệ giữa lực nhớt động học và lực căng bề mặt

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm đối chứng:

  • Phương pháp lý thuyết và tính toán kỹ thuật: Áp dụng phương trình bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng và phương trình cân bằng truyền nhiệt để tính toán diện tích truyền nhiệt, sức cản khí động và độ bền cơ học của bộ tận dụng nhiệt khí xả cùng bộ gia nhiệt điện.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để mô phỏng dòng chảy hai pha, trường nhiệt độ của dòng khí thải và nhiên liệu dầu dừa trong thiết bị tận dụng nhiệt ở các chế độ tải và dải tốc độ vòng quay khác nhau.
  • Phương pháp thực nghiệm: Đo đạc đặc tính vật lý (độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt) của dầu thực vật theo dải nhiệt độ; thực nghiệm ghi hình dạng hình học chùm tia phun; thử nghiệm động cơ trên băng thử công suất với các thiết bị đo tiêu chuẩn công nghiệp.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Mẫu nhiên liệu: Dầu dừa nguyên chất (CO100), dầu diesel thương phẩm (DO) đối chứng theo TCCS 03:2009/PETROLIMEX và ASTM D975.
  • Dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ phòng thí nghiệm động cơ đốt trong và kết quả giải số trên phần mềm ANSYS FLUENT.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các đặc tính lý hóa của dầu thực vật nguyên chất so với nhiên liệu diesel hóa thạch, đồng thời phân tích thực trạng sản xuất và các phương pháp sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu trên thế giới và tại Việt Nam.

Tác giả chỉ ra công thức tổng quát của dầu thực vật là $C_{27-57}H_{54-104}O_6$. Phân tử dầu thực vật chứa khoảng 10,8% - 12,5% oxy, hàm lượng lưu huỳnh rất thấp (0,006% - 0,02%) và không chứa hợp chất thơm. Tuy nhiên, khối lượng phân tử lớn khiến dầu thực vật có độ nhớt động học ở 40°C đạt 24 - 48 cSt (so với 2,7 - 3,0 cSt của DO), khối lượng riêng đạt 903 - 924 $\text{kg/m}^3$ (so với 822 - 837 $\text{kg/m}^3$ của DO), sức căng bề mặt đạt 31 - 35 mN/m (so với 24 mN/m của DO), và nhiệt trị thấp hơn (37 - 39,5 MJ/kg so với 43 MJ/kg của DO).

Tính chất (ở 40°C) Đơn vị Dầu thực vật nguyên chất (VO100) Nhiên liệu Diesel (DO)
Độ nhớt động học cSt 24 - 48 2,7 - 3,0
Khối lượng riêng $\text{kg/m}^3$ 903 - 924 822 - 837
Sức căng bề mặt mN/m 31 - 35 24
Điểm chớp cháy °C 195 - 270 73
Nhiệt trị thấp MJ/kg 37 - 39,5 43
Số cetane ($CN$) - 28 - 42 48
Hàm lượng oxy % khối lượng 10,8 - 12,5 0
Hàm lượng lưu huỳnh % khối lượng 0,006 - 0,02 0,02 - 0,05
Hàm lượng hợp chất thơm % thể tích 0 10

Chương 1 tổng kết các nghiên cứu quốc tế (Reid, Tahir, Bruwer, Engler, Pryor, Auld) và tại Việt Nam (Nguyễn Thạch, Đặng Văn Uy, Lê Anh Tuấn). Tác giả rút ra kết luận: phương pháp sấy nóng là giải pháp hợp lý nhất để hạ thấp độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt của VO100 về gần với diesel mà không làm thay đổi bản chất hóa học hay đòi hỏi cải tiến phức tạp kết cấu động cơ nguyên bản.

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

Chương 2 thiết lập nền tảng lý thuyết về động học phun sương, phân rã dòng nhiên liệu lỏng và quá trình cháy trong buồng đốt động cơ diesel. Dưới tác động đồng thời của lực căng bề mặt, lực nhớt, lực kích động ban đầu và lực cản khí động học, tia phun nhiên liệu trải qua hai giai đoạn:

  1. Phân rã sơ cấp: Xảy ra ngay tại miệng lỗ phun dưới tác động của cơ chế nhiễu loạn và xâm thực thủy động. Mô hình Arcoumanis xác định thời gian nổ vỡ bọt khí xâm thực ($\tau_n$) và thời gian bùng nổ bọt khí ($\tau_{bn}$). Góc nón tia phun $\Phi$ phụ thuộc vào tỷ số giữa vận tốc nhiễu loạn và vận tốc phun.
  2. Phân rã thứ cấp: Các hạt nhiên liệu không ổn định tiếp tục bị xé nhỏ do lực khí động học của môi trường nén, phụ thuộc trực tiếp vào số Weber pha khí ($We_k$).
Phạm vi số Weber ($We$) Cơ chế phân rã tia phun theo Arcoumanis et al.
$We \le 12$ Phân rã rung động (Vibrational breakup)
$12 \le We < 18$ Phân rã dạng túi (Bag breakup)
$18 \le We < 45$ Phân rã dạng túi/màng (Bag/plume breakup)
$45 \le We < 350$ Phân rã hỗn loạn, tách lớp (Sheet/shear stripping)
$350 \le We < 1000$ Phân rã dạng sóng (Wave breakup)
$We \ge 1000$ Phân rã mãnh liệt (Catastrophic breakup)

Chương 2 cũng khảo sát sự biến thiên các thuộc tính vật lý của dầu thực vật theo nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ, lực liên kết phân tử Van der Waals giảm, dẫn đến độ nhớt động học $\mu$, khối lượng riêng $\rho$ và sức căng bề mặt $\sigma$ đều giảm theo quy luật phi tuyến. Điều này giúp cải thiện kích thước hạt sương ($SMD$), tăng góc nón tia phun và rút ngắn chiều dài phân rã $L_b$, tạo điều kiện hòa trộn tốt với không khí.

Chương 3: Phương pháp tính thiết bị hâm và áp dụng để tính thiết bị hâm dầu dừa nguyên chất dùng cho động cơ D243

Chương 3 trình bày quy trình tính toán nhiệt và thủy động học cho hệ thống sấy nóng dầu dừa nguyên chất (CO100) kiểu tích hợp điện - khí xả, áp dụng cụ thể cho động cơ D243.

Các nội dung kỹ thuật chính gồm:

  • Xác định dải nhiệt độ hâm sấy: Dựa trên thực nghiệm phun sương và đo độ nhớt, các mức nhiệt độ khảo sát được xác định là 80°C (CO100_t80), 100°C (CO100_t100) và 120°C (CO100_t120). Tại 100°C - 120°C, các đặc tính vật lý của CO100 tiệm cận với nhiên liệu diesel ở nhiệt độ thường.
  • Tính toán nhiệt thiết bị tận dụng nhiệt khí xả: Tính toán diện tích trao đổi nhiệt bề mặt giữa dòng khí xả động cơ và đường ống dẫn dầu dừa, tính toán trở lực dòng khí xả nhằm đảm bảo áp suất ngược không vượt quá giới hạn cho phép của động cơ D243.
  • Tính toán bộ hâm điện trở: Thiết kế công suất điện trở gia nhiệt và mạch điều khiển nhằm sấy nóng nhiên liệu trong giai đoạn khởi động lạnh khi nhiệt độ khí xả chưa đủ cao.
  • Mô phỏng trên phần mềm ANSYS FLUENT: Xây dựng mô hình hình học 3D, thiết lập lưới tính toán, phương trình truyền nhiệt và điều kiện biên ở các chế độ 10% tải, 75% tải và 100% tải tại các dải tốc độ 1500 vòng/phút và 2000 vòng/phút. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố nhiệt độ dòng nhiên liệu ra khỏi bộ trao đổi nhiệt đạt yêu cầu công nghệ hâm sấy đề ra.

Chương 4: Thử nghiệm trên động cơ

Chương 4 trình bày quá trình thực nghiệm đối chứng trên động cơ diesel D243 lắp đặt trên băng thử công suất động lực cao ETB.

Hệ thống thiết bị thử nghiệm gồm:

  • Động cơ thử nghiệm: Diesel D243 (4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, làm mát bằng nước).
  • Băng thử công suất: Băng thử động lực học ETB.
  • Hệ thống điều hòa nhiệt phụ trợ: Thiết bị làm mát nước AVL 553, thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554, bộ điều khiển vị trí tay ga THA100.
  • Thiết bị phân tích khí xả: Tủ phân tích CEB-II (đo nồng độ CO, NOx bằng cảm biến quang phổ/hóa phát quang), hệ thống đo nồng độ hydrocacbon HC, thiết bị đo độ khói khí xả SPC 472.

Kết quả thử nghiệm thực nghiệm:

  • Lượng không khí nạp thực tế ($B$): Động cơ sử dụng CO100 có lượng không khí nạp thực tế tương đương và thay đổi không đáng kể so với DO.
  • Nhiệt độ khí xả ($t_{kx}$): Khi sử dụng CO100 chưa sấy, nhiệt độ khí xả cao hơn DO do cháy trễ; khi hâm sấy lên 100°C - 120°C, nhiệt độ khí xả giảm dần và ổn định.
  • Công suất ($N_e$) và Mômen ($M_e$): Khi sử dụng CO100 được hâm nóng ở 100°C và 120°C theo đường đặc tính ngoài, công suất và mômen động cơ đạt xấp xỉ mức sử dụng nhiên liệu DO (chênh lệch nhỏ do nhiệt trị của CO100 thấp hơn).
  • Suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$): Do nhiệt trị của CO100 thấp hơn DO (khoảng 37 - 39,5 MJ/kg so với 43 MJ/kg), suất tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng $g_e$ của CO100 cao hơn nhiên liệu DO ở các chế độ tải.
  • Đặc tính phát thải:
    • Phát thải CO và HC: Giảm đáng kể khi sử dụng CO100 hâm sấy ở 100°C - 120°C so với DO nhờ sự hiện diện của phân tử oxy nội tại trong dầu thực vật giúp quá trình oxy hóa hoàn toàn hơn.
    • Phát thải độ khói (BN): Giảm rõ rệt khi dùng CO100_t100 và CO100_t120 so với nhiên liệu DO truyền thống.
    • Phát thải NOx: Tăng nhẹ khi nhiệt độ hâm sấy tăng lên (CO100_t120) do nhiệt độ cháy cục bộ trong xi lanh cao hơn và sự có mặt của oxy trong phân tử dầu thực vật.
  • So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Các thông số về nhiệt độ khí xả ra khỏi bộ tận dụng nhiệt và thời gian gia nhiệt nhiên liệu đạt độ tương đồng cao giữa mô hình ANSYS FLUENT và kết quả đo thực tế trên băng thử.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

  1. Đóng góp về mặt lý luận:
  • Xây dựng cơ sở lý thuyết về động học chùm tia phun và quá trình phân rã của dầu thực vật nguyên chất trong buồng cháy động cơ diesel.
  • Xác lập công thức và quy luật tương quan giữa các thông số vật lý chủ yếu (độ nhớt động học $\mu$, khối lượng riêng $\rho$, sức căng bề mặt $\sigma$) của dầu thực vật nguyên chất với nhiệt độ hâm sấy, làm cơ sở tính toán quá trình bay hơi và hòa trộn.
  1. Đóng góp về mặt thực tiễn và kỹ thuật:
  • Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hoàn chỉnh hệ thống hâm sấy nhiên liệu kiểu tích hợp điện - nhiệt khí thải lắp trên động cơ diesel D243. Hệ thống cho phép tận dụng năng lượng nhiệt khí thải trong quá trình làm việc liên tục và sử dụng bộ sấy điện trở hỗ trợ khởi động lạnh.
  • Chứng minh tính khả thi của việc sử dụng trực tiếp dầu dừa nguyên chất (CO100) hâm sấy ở nhiệt độ 100°C - 120°C trên động cơ D243 mà không cần cải tiến kết cấu cơ khí bên trong động cơ, giúp giảm phát thải khói, CO, HC và duy trì công suất làm việc của động cơ.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Khuyến nghị ứng dụng hệ thống hâm sấy tích hợp nhiệt khí xả - điện trở cho các động cơ diesel tĩnh tại, máy phát điện, máy kéo nông nghiệp và tàu thuyền cỡ nhỏ hoạt động tại các vùng nguyên liệu dồi dào.
  • Cần hoàn thiện hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ nhiên liệu theo tải trọng động cơ nhằm tối ưu hóa nhiệt độ sấy trong mọi dải công tác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Nghiên cứu chưa đánh giá được ảnh hưởng lâu dài của việc sử dụng dầu thực vật nguyên chất hâm sấy đến độ bền cơ học, độ mài mòn kim phun, bơm cao áp, séc măng và tuổi thọ dầu bôi trơn do giới hạn về kinh phí và thời gian thử nghiệm.
  • Thử nghiệm thực tế mới tập trung chủ yếu trên dầu dừa nguyên chất (CO100) và dòng động cơ D243.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Thử nghiệm vận hành dài hạn (đo độ mài mòn chi tiết và phân tích biến chất của dầu nhờn bôi trơn sau hàng nghìn giờ hoạt động).
  • Mở rộng thử nghiệm trên các loại dầu thực vật nguyên chất phi thực phẩm khác (như dầu jatropha, dầu hạt cao su, dầu phế thải).
  • Nghiên cứu tối ưu hóa tự động hóa hệ thống chuyển đổi và điều khiển công suất điện trở sấy theo chu trình hoạt động thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Động cơ đốt trong, Kỹ thuật Máy tàu thủy: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình tính toán phân rã chùm tia phun, mô phỏng truyền nhiệt dòng chảy trên phần mềm ANSYS FLUENT và phương pháp thực nghiệm động cơ trên băng thử ETB.
  • Các kỹ sư thiết kế hệ thống động lực và cải tạo phương tiện thủy/nông nghiệp: Tham khảo bản vẽ nguyên lý, công thức tính toán thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng khí xả và mạch điều khiển gia nhiệt điện trở cho nhiên liệu có độ nhớt cao.
  • Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách phát triển năng lượng sinh học: Tham khảo các dữ liệu thực nghiệm về mức độ giảm phát thải (CO, HC, khói) và tiềm năng ứng dụng nhiên liệu dầu thực vật tự nhiên trong giao thông thủy nội địa và nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao dầu thực vật nguyên chất không thể sử dụng trực tiếp ngay trên động cơ diesel thông thường ở nhiệt độ môi trường?
Dầu thực vật nguyên chất ở nhiệt độ thường có độ nhớt động học cao gấp 10 - 17 lần so với diesel, cùng khối lượng riêng và sức căng bề mặt lớn. Nếu không xử lý, nhiên liệu khó phun sương tơi xốp, kích thước hạt sương lớn, dẫn đến quá trình bay hơi hòa trộn kém, cháy không hết, gây đóng cặn muội than ở đầu kim phun, bó kẹt xéc măng và làm hỏng dầu bôi trơn.

2. Nhiệt độ hâm sấy tối ưu cho dầu dừa nguyên chất (CO100) được luận án xác định là bao nhiêu?
Qua tính toán lý thuyết và thực nghiệm đặc tính phun, luận án xác định dải nhiệt độ hâm sấy thích hợp cho dầu dừa nguyên chất là từ 100°C đến 120°C (CO100_t100 và CO100_t120). Tại dải nhiệt độ này, độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt của dầu dừa giảm mạnh, đạt gần tương đương với các thông số của nhiên liệu diesel ở nhiệt độ thường.

3. Hệ thống hâm sấy kiểu tích hợp điện - khí xả hoạt động theo nguyên lý nào?
Hệ thống sử dụng bộ trao đổi nhiệt khí xả để tận dụng nhiệt lượng từ dòng khí thải động cơ hâm nóng dòng dầu thực vật trong quá trình động cơ hoạt động có tải. Đồng thời, một bộ gia nhiệt bằng điện trở được tích hợp để sấy nóng nhiên liệu trong giai đoạn khởi động nguội khi nhiệt độ khí xả chưa đủ lớn hoặc khi động cơ chạy ở chế độ không tải/tải rất thấp.

4. Khi sử dụng dầu dừa nguyên chất hâm sấy, các chỉ tiêu phát thải của động cơ D243 thay đổi như thế nào so với khi dùng dầu diesel?
Phát thải khói (BN), CO và HC giảm rõ rệt nhờ cấu trúc phân tử dầu thực vật chứa sẵn 10,8% - 12,5% oxy giúp quá trình cháy triệt để hơn. Tuy nhiên, phát thải oxit nitơ (NOx) có xu hướng tăng nhẹ ở nhiệt độ hâm sấy 120°C do nhiệt độ cục bộ trong buồng cháy tăng.

5. Động cơ thử nghiệm trong luận án là loại nào và sử dụng hệ thống thiết bị đo đạc gì?
Luận án sử dụng động cơ diesel D243 thử nghiệm trên băng thử động lực cao ETB, kết hợp cùng các thiết bị kiểm soát nhiệt AVL 553 (nước làm mát), AVL 554 (dầu nhờn), bộ điều khiển tay ga THA100, tủ phân tích khí xả CEB-II và thiết bị đo độ khói SPC 472.

Kết luận

Luận án của tác giả Hoàng Anh Tuấn đã giải quyết vấn đề sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thông qua giải pháp hâm sấy tích hợp nhiệt khí thải và điện năng. Bằng việc kết hợp giữa lý thuyết động học tia phun, mô phỏng số trên phần mềm ANSYS FLUENT và thực nghiệm trên động cơ D243, công trình đã chứng minh dầu dừa nguyên chất khi hâm sấy ở 100°C - 120°C đảm bảo công suất, mômen tương đương diesel và giảm thiểu đáng kể phát thải độc hại. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn có khả năng áp dụng cho các phương tiện cơ giới nông nghiệp và vận tải thủy nội địa.