Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch từ dầu mỏ ngày càng cạn kiệt và các tiêu chuẩn kiểm soát khí thải từ động cơ đốt trong ngày càng nghiêm ngặt, việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học (biodiesel) làm nguồn năng lượng thay thế là định hướng chiến lược trên toàn cầu. Tại Việt Nam, với hơn 3.260 km bờ biển cùng hệ thống sông ngòi phát triển ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, ngành nuôi trồng và chế biến thủy sản—đặc biệt là cá da trơn (cá tra, cá basa)—tạo ra nguồn phụ phẩm mỡ cá rất dồi dào. Theo thống kê của Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản Việt Nam, trong các năm 2011 và 2012, sản lượng cá da trơn đạt gần 1,2 triệu tấn/năm với kim ngạch xuất khẩu trên 1,74–1,8 tỷ USD. Lượng mỡ thu hồi chiếm khoảng 12% khối lượng cá chế biến, tương đương khoảng 150.000 tấn mỡ cá/năm. Nguồn nguyên liệu này có tiềm năng sản xuất khoảng 300 triệu lít biodiesel B100 hoặc 3 tỷ lít nhiên liệu B10.

Đến năm 2014, cả nước có khoảng 120.000 tàu cá hoạt động, tập trung mật độ cao tại dải ven biển Duyên hải Nam Trung Bộ. Tuy nhiên, trước năm 2007, việc ngư dân tự phát sử dụng dầu mỡ cá thô hoặc biodiesel không đúng quy chuẩn kỹ thuật đã gây ra hàng loạt sự cố hư hỏng động cơ máy chính tàu cá, tạo tâm lý e ngại trong thực tế khai thác. Mặt khác, các công trình nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu tập trung thử nghiệm trên động cơ ô tô du lịch, xe tải nhẹ, động cơ quân sự hoặc động cơ phòng thí nghiệm cỡ nhỏ (như AVL 5402), chưa khảo sát một cách hệ thống trên các dòng động cơ diesel tàu thủy cỡ lớn hoạt động trong môi trường biển khắc nghiệt. Việc nghiên cứu ứng dụng hỗn hợp diesel sinh học từ mỡ cá da trơn (B10) cho động cơ máy chính tàu cá mang tính cấp thiết nhằm cung cấp luận cứ khoa học, hoàn thiện giải pháp chuyển đổi kỹ thuật an toàn và hỗ trợ giảm phụ thuộc vào dầu DO truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp biodiesel từ mỡ cá da trơn và dầu DO đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá, từ đó khẳng định khả năng ứng dụng thực tế và thiết kế hệ thống chuyển đổi nhiên liệu phù hợp. Các mục tiêu cụ thể gồm:

  1. Phân tích lựa chọn nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da trơn sử dụng cho động cơ diesel tàu cá;
  2. Đánh giá sự thay đổi các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá khi sử dụng nhiên liệu biodiesel;
  3. Đề xuất công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu và các khuyến cáo cần thiết khi sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel tàu cá.

Câu hỏi và nội dung nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết 3 nội dung nghiên cứu chính:

  1. Tổng luận và nghiên cứu cơ sở lý thuyết sử dụng nhiên liệu B10 từ mỡ cá da trơn làm nhiên liệu cho động cơ diesel;
  2. Lựa chọn mô hình toán và mô phỏng ảnh hưởng của nhiên liệu B10 đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá;
  3. Đánh giá các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá khi sử dụng nhiên liệu B10 làm cơ sở kết luận khả năng ứng dụng loại nhiên liệu này.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu diesel sinh học có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn (pha trộn với dầu DO) và các chỉ tiêu công tác chủ yếu của động cơ diesel dùng làm máy chính tàu cá.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Nhiên liệu hỗn hợp B10 (10% biodiesel B100 gốc mỡ cá da trơn phối trộn với 90% dầu DO theo thể tích). Phần nghiên cứu phụ lục mở rộng thêm các tỷ lệ B5, B15.
    • Các thông số công tác được khảo sát gồm: Công suất ($N_e$), suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($BSFC$), áp suất cháy trong xi lanh ($p_z$), tốc độ tỏa nhiệt ($Q_n$), nhiệt độ khí xả ($T_x$) và các thành phần phát thải ô nhiễm ($NO_x$, bồ hóng/PM).
    • Động cơ nghiên cứu chính: Động cơ Cummins NTA855 (khảo sát bổ sung trên Yanmar 6S185L-ST và Mitsubishi S3M3D-M15 tại phần phụ lục).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Tác giả đã tổng hợp các công trình quốc tế về quá trình tổng hợp biodiesel, các đặc tính phun sương, tạo hỗn hợp, cháy và phát thải trên động cơ diesel:

  • Ekrem Buyukkaya (2010): Thử nghiệm biodiesel dầu hạt cải (B5, B20, B75) trên động cơ DI, ghi nhận độ mờ khói giảm 60%, BSFC tăng 11%, phát thải CO giảm từ 9% (với B5) đến 32% (với B100), góc bắt đầu cháy dịch chuyển sớm hơn so với dầu DO.
  • Alan C. Hansen và cộng sự (2002): Đánh giá nhiên liệu B100, xác định mô men xoắn giảm 9,1% tại 1900 v/p do nhiệt trị thấp hơn 13,3% cùng sự sai biệt về độ nhớt và khối lượng riêng.
  • Van Gerpen (1996): Thực nghiệm trên động cơ 4 xi lanh tăng áp sử dụng biodiesel dầu đậu nành, chỉ ra việc rút ngắn thời gian cháy trễ làm thay đổi toàn bộ diễn biến chu trình nhiệt động.
  • Agarwal (2007): Nghiên cứu biodiesel dầu cám gạo (10%, 20%, 100%) ở 50% tải và tốc độ 1400 v/p, ghi nhận áp suất cực đại và tốc độ tỏa nhiệt giảm dần khi tăng tỷ lệ pha trộn.
  • Massling, A. và cộng sự (2008): Khảo sát phát thải theo tiêu chuẩn ISO/EN 8178, chỉ ra mức giảm bồ hóng đạt 56% khi dùng B20 gốc dầu hạt cải (RME) và mỡ động vật (AFME).
  • Yuya Ozawa, Yusuke Soma (2009): Thử nghiệm methyl ester từ dầu dừa, ghi nhận áp suất chỉ thị trung bình giảm nhưng lượng bồ hóng và CO giảm rõ rệt.
  • Xiangang Wang và cộng sự (2010): Nghiên cứu tia phun biodiesel dầu cọ (BDFP) và dầu ăn phế thải (BDFW) ở áp suất phun 100–200 MPa, khuyến cáo cần điều chỉnh thông số hệ thống phun khi áp suất phun thấp làm tăng bồ hóng.
  • Kandasamy Muralidharan và Palanisamy Govindarajan (2011): Điều chỉnh áp suất phun 190–230 bar tại góc phun sớm $23^\circ$ CA BTDC, chứng minh B5 ở áp suất 220 bar cho mức phát thải CO và $NO_x$ thấp hơn DO.
  • Magín Lapuerta và cộng sự (2008): Xác định việc suy giảm nhiệt trị từ 9–14% của biodiesel là nguyên nhân trực tiếp làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC).
  • Liaquat và cộng sự (2010): Thử nghiệm biodiesel dầu dừa CB5 và CB15 ở 100% tải, kết luận hai tỷ lệ này có thể sử dụng trực tiếp trên động cơ DI mà không cần can thiệp kết cấu.
  • Yonwaba Sinuka (2014): So sánh biodiesel dầu Jatropha (BDJ) và dầu phế thải (BDW) trên động cơ máy phát điện, xác định tăng tỷ lệ phối trộn làm giảm nhẹ sản lượng điện do chất lượng hình thành hỗn hợp kém đi.
  • Mukesh Kumar, Onkar Singh (2012): Thử nghiệm biodiesel dầu hạt cây sồi Ấn Độ (Karanja K10–K50), nhận thấy ở tỷ lệ K50 hiệu suất nhiệt giảm mạnh và bồ hóng tăng.
  • Tambunan (2012): Thử nghiệm biodiesel dầu cọ từ B0 đến B100 trên động cơ ô tô, khuyến cáo tỷ lệ B10 và B20 giảm mạnh phát thải độc hại nhưng từ B50 trở lên cần hệ thống gia nhiệt.
  • Gowthaman Vijayan (2014): Nghiên cứu chuyển hóa dầu mỡ cá bằng xúc tác enzym Candida antarctica (Novozyme 435) và Enzyme NS88001, nhấn mạnh nhiệt độ và thời gian phản ứng quyết định độ nhớt của biodiesel.
  • Mostafuur Rahman (2014): Phân tích cơ chế phát thải hạt (PM), chỉ ra biodiesel có hàm lượng carbon cao (20,38%) và độ không bão hòa (3,46%) sẽ hình thành chuỗi hạt muội tương tự DO nếu không kiểm soát tốt sức căng bề mặt và độ nhớt.
  • Łukasz Łabęcki (2012): So sánh biodiesel từ hạt cải (RSO) và đậu nành (SO), kiến nghị tăng góc phun sớm $3^\circ$ CA và áp suất phun lên 1200 bar đối với tỷ lệ pha trộn trên 30%.
  • Ahmad Syukri Bin Ahmad Tajuddin (2014): Gia nhiệt biodiesel (B5, B10, B15) lên 40°C và 60°C giúp tăng mô men, công suất và giảm bám muội buồng cháy ở 50% tải.

Các nghiên cứu tại Việt Nam

  • Nguyễn Hữu Hường (2004): Thử nghiệm B20 từ mỡ cá tra/basa và dầu phế thải trên xe khách Mercedes 16 chỗ chạy quãng đường 1.000 km, xác định khí thải đạt giới hạn cho phép và động cơ làm việc ổn định.
  • Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam (2005): Nghiên cứu quy trình điều chế biodiesel từ dầu dừa và mỡ động vật ở quy mô phòng thí nghiệm.
  • Hồ Sơn Lâm và Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Công nghệ Lọc - Hóa dầu (2005): Thử nghiệm B5 trên các dòng xe du lịch 7 chỗ và xe tải 1,25 tấn chạy 1.000 km, xác định không ảnh hưởng xấu đến vận hành cơ khí.
  • Trần Thanh Hải Tùng và cộng sự (2010): Thử nghiệm B5 gốc mỡ cá trên động cơ xe Ford Transit và D243, ghi nhận công suất tăng và suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 2%.
  • Phạm Hồng Chương (2011): Đánh giá B25 trên động cơ Mazda WL, xác định ở mức ga 70%, công suất $N_e$ giảm 4,65% và $g_e$ tăng 0,66% so với dầu DO.
  • Trương Vĩnh và cộng sự (2012): Sản xuất biodiesel từ vi tảo Chlorella, thử nghiệm B5 trên động cơ máy phát điện.
  • Dự án JICA-VNU BIOMASS (2013): Thử nghiệm biodiesel pha trộn 5–10% trên tàu du lịch Victory Star QN-8888 tại Vịnh Hạ Long, ghi nhận các thông số vận hành ổn định và giảm khói xả.
  • Nguyễn Hoàng Vũ và cộng sự (2013): Đánh giá B10 và B20 gốc dầu cọ phục vụ phương tiện cơ giới quân sự.
  • Nguyễn Tuấn Nghĩa (2014): Luận án tiến sĩ nghiên cứu B10, B20, B30 gốc mỡ cá trên động cơ thử nghiệm Commonrail AVL 5402, ghi nhận công suất B30 giảm 3%, BSFC tăng 3,4%, phát thải CO và HC giảm nhưng $NO_x$ tăng cực đại 5,1%.
  • Phan Đắc Yến (2015): Khảo sát B10 và B20 gốc dầu cọ/dầu ăn phế thải trên động cơ B2, chỉ ra mô men giảm cực đại 2,6% (với B10) và 8,7% (với B20).
  • Phạm Tuấn Anh và cộng sự (2017): Ứng dụng biodiesel từ hạt cao su (B5, B10) trên động cơ AVL 5402, phản ánh hiện tượng tiêu hao nhiên liệu tăng 5–6%, nhiệt độ vận hành cao hơn và lọc nhiên liệu nhanh nghẹt.

Khoảng trống nghiên cứu của luận án

Các nghiên cứu trước đây chưa giải quyết trọn vẹn việc ứng dụng nhiên liệu B10 sản xuất từ mỡ cá da trơn trên các dòng động cơ diesel tàu thủy cỡ lớn, có tỷ số nén trung bình, trang bị sinh hàn làm mát khí nạp và hoạt động ở dải tải cao kéo dài. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách kết hợp mô hình hóa 3D CFD trên phần mềm KIVA-3V và thực nghiệm trên bệ thử động cơ máy chính tàu cá (Cummins NTA855), từ đó đưa ra giải pháp hòa trộn nhiên liệu In-line chuyên dụng cho tàu cá.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Hóa học chuyển hóa mỡ cá thành biodiesel: Mỡ cá da trơn chứa hàm lượng lớn triglyceride (trieste của glycerol và các axit béo). Quá trình chuyển hóa sử dụng phản ứng trao đổi este (transesterification) với methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$) và xúc tác bazơ kiềm ($\text{NaOH}$ hoặc $\text{KOH}$) theo cơ chế thuận nghịch nối tiếp:

$$\text{Triglyceride} + \text{ROH} \rightleftharpoons \text{Diglyceride} + \text{R}_1\text{COOR}$$

$$\text{Diglyceride} + \text{ROH} \rightleftharpoons \text{Monoglyceride} + \text{R}_2\text{COOR}$$

$$\text{Monoglyceride} + \text{ROH} \rightleftharpoons \text{Glycerol} + \text{R}_3\text{COOR}$$

Sản phẩm thu được gồm pha este metyl axit béo (FAME - Biodiesel) và pha phụ phẩm glycerol được lắng tách và tinh chế.

  • Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu: Luận án đối chiếu nhiên liệu B100 và các tỷ lệ pha trộn với các bộ tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành: ASTM D6751 (Mỹ), EN 14214 (Châu Âu), TCVN 7717:2007 và QCVN 1:2009/BKHCN (Việt Nam).
Chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản Phương pháp thử ASTM D6751 EN 14214 TCVN 7717:2007 QCVN 1:2009/BKHCN
Hàm lượng Ester (% khối lượng, min) EN 14103 - 96,5 96,5 96,5
Độ nhớt động học tại 40°C ($\text{mm}^2/\text{s}$) ASTM D445 / EN ISO 3104 1,9 – 6,0 3,50 – 5,00 1,9 – 6,0 1,9 – 6,0
Khối lượng riêng tại 15°C ($\text{kg}/\text{m}^3$) TCVN 6594 - 860 – 900 860 – 900 -
Điểm chớp cháy cốc kín (°C, min) ASTM D93 / EN ISO 2719 130 130 130 130
Trị số Cetan (min) ASTM D613 / EN ISO 5165 47 51,0 47 47
Nước và cặn (% thể tích / mg/kg, max) ASTM D2709 / EN ISO 12937 0,050% 500 mg/kg 0,05% 0,050%
Hàm lượng tro sulphat (% KL, max) ASTM D874 / ISO 3987 0,020 0,020 0,02 0,020
Hàm lượng lưu huỳnh (ppm, max) ASTM D5453 / EN ISO 20846 15,0 10,0 500 500
Độ ổn định oxy hóa tại 110°C (giờ, min) EN 14112 3 6 - 6
Trị số axit (mg KOH/g, max) ASTM D664 / EN 14104 0,50 0,50 0,80 0,50
  • Cơ sở nhiệt động lực học động cơ đốt trong:
    • Công suất chỉ thị ($N_i$) và công suất có ích ($N_e$):

$$N_i = \frac{p_i \cdot V_s \cdot i \cdot n}{30 \cdot z} \quad (\text{kW}), \qquad N_e = \frac{p_e \cdot V_s \cdot i \cdot n}{30 \cdot z} \quad (\text{kW})$$

(Trong đó: $p_i, p_e$ là áp suất chỉ thị và áp suất có ích trung bình; $V_s$ là dung tích công tác; $i$ là số xi lanh; $n$ là tốc độ vòng quay; $z$ là hệ số kỳ, $z=2$ đối với động cơ 4 kỳ).

  • Hiệu suất chỉ thị ($\eta_i$) và cân bằng nhiệt quá trình cháy:

$$\eta_i = \frac{W_i}{Q_1} = 1 - \frac{Q_x + Q_{kh} + Q_{cl}}{Q_1}$$

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp khảo sát thực tế: Thực hiện điều tra thống kê cơ cấu động cơ máy chính trên 6.400 phương tiện đánh bắt thủy sản tại 8 tỉnh Duyên hải Nam Trung Bộ (Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Bình Thuận, Ninh Thuận) để chọn dòng động cơ đại diện có tỷ lệ phổ biến cao nhất.
  • Phương pháp mô phỏng số (CFD): Ứng dụng phần mềm mã nguồn mở CFD KIVA-3V. Thiết lập lưới không gian 3D buồng cháy động cơ Cummins NTA855, tích hợp các mô hình toán học giải hệ phương trình bảo toàn Navier-Stokes, mô hình rối $k-\epsilon$, mô hình phân rã tia phun Taylor (TAB/KH-RT), mô hình bay hơi hạt lỏng, mô hình tự bốc cháy Shell, mô hình động học tạo bồ hóng (Hiroyasu/Nagle-Strickland-Constable) và mô hình tạo $NO_x$ theo cơ chế Zeldovich mở rộng.
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
    • Thiết lập bệ thử nghiệm động cơ tĩnh: Động cơ Cummins NTA855 kết nối với thiết bị tiêu công suất thủy lực (phanh nước Dynomite) và giao diện thu thập dữ liệu tự động Dyno max 2010.
    • Chế tạo và thử nghiệm hệ thống cấp nhiên liệu chuyển đổi In-line blending kết hợp bơm bánh răng và van điều khiển ba ngả.
    • Vận hành đo đạc ở các chế độ tốc độ vòng quay từ 1200 đến 1800 v/p, ghi nhận dữ liệu liên tục qua 10.000 chu kỳ và 20.000 chu kỳ làm việc.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu nguyên liệu mỡ cá da trơn và sản phẩm B100 cung cấp bởi các doanh nghiệp chế biến tại ĐBSCL (Công ty Agifish An Giang, Công ty Minh Tú - Cần Thơ, Công ty Thủy sản Vĩnh Long).
  • Số liệu điều tra phương tiện tàu cá của Chi cục Hàng hải Bình Định và Trung tâm Đăng kiểm tàu cá các tỉnh Duyên hải Nam Trung Bộ.
  • Dữ liệu thực nghiệm đo đạc tại phòng thí nghiệm động cơ Trường Đại học Nha Trang và Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về sử dụng nhiên liệu biodiesel và lựa chọn động cơ nghiên cứu

Chương này tổng thuật nguồn nguyên liệu mỡ cá da trơn, phân tích các quy trình công nghệ sản xuất biodiesel gián đoạn (mẻ) và liên tục, đồng thời tổng hợp các hệ thống tiêu chuẩn ASTM D6751, EN 14214, TCVN 7717:2007 và QCVN 1:2009/BKHCN.

Điểm mấu chốt của chương là kết quả điều tra thực tế cơ cấu động cơ máy chính trên 6.400 tàu cá tại 8 tỉnh Duyên hải Nam Trung Bộ:

TT Tỉnh khảo sát Tổng số phương tiện Loại động cơ phổ biến nhất Số lượng máy phổ biến (chiếc) Tỷ lệ theo tỉnh (%)
1 Đà Nẵng 210 Cummins 84 40,00
2 Quảng Nam 160 Cummins 55 34,38
3 Quảng Ngãi 1.802 Cummins 835 46,34
4 Bình Định 2.006 Cummins 1.034 51,55
5 Phú Yên 411 Daewoo 131 31,87
6 Khánh Hòa 634 Cummins 226 35,65
7 Bình Thuận 1.032 Hino 551 53,39
8 Ninh Thuận 145 Mitsubishi 42 28,97
Tổng 8 tỉnh 6.400 - - -

Tổng hợp tỷ lệ chiếm lĩnh theo hãng động cơ trên toàn vùng khảo sát:

TT Hãng động cơ Số lượng máy (chiếc) Tỷ lệ (%)
1 Cummins 2.619 40,92
2 Hino 1.211 18,92
3 Mitsubishi 635 9,92
4 Yanmar 468 7,31
5 Komatsu 450 7,03
6 Daewoo 430 6,72
7 Hyundai 246 3,84
8 Isuzu 94 1,47
9 Doosan 37 0,58
10 Niigata 14 0,22
11 Các loại khác 196 3,06
Tổng Toàn bộ mẫu 6.400 100,00

Dựa trên số liệu chiếm tỷ trọng áp đảo (40,92%), tác giả lựa chọn động cơ Cummins NTA855 làm đối tượng nghiên cứu thực nghiệm chính. Thông số kỹ thuật của động cơ: 6 xi lanh thẳng hàng; đường kính xi lanh $\times$ hành trình piston ($D_c \times S_s$) là $102 \times 120\text{ mm}$; dung tích công tác 14,0 lít; tỷ số nén $\varepsilon = 14,1$; buồng cháy dạng lòng chảo $\omega$; góc phun sớm $\varphi_{inj} = 18^\circ$ CA BTDC; công suất định mức 345 Hp tại tốc độ 2100 v/p.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô hình toán mô tả ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel

Chương 2 thiết lập các mối quan hệ giải tích và mô hình vật lý chi tiết:

  • Ảnh hưởng tính chất nhiên liệu đến quá trình phun: Biodiesel từ mỡ cá có độ nhớt động học ($\mu_l$) và khối lượng riêng ($\rho_l$) cao hơn dầu DO, sức căng mặt ngoài ($\sigma_l$) lớn làm tăng kích thước đường kính trung bình của hạt sương nhiên liệu (Sauter Mean Diameter - SMD). Góc nón tia phun ($\theta_s$) có xu hướng thu hẹp lại và độ xuyên sâu ($S$) tăng lên, dẫn đến khả năng tia nhiên liệu va chạm màng vách buồng cháy tăng.
  • Ảnh hưởng đến quá trình cháy và sinh nhiệt: Biodiesel chứa khoảng 10–11% khối lượng oxy liên kết nội tại và có trị số cetan cao hơn, giúp rút ngắn góc cháy trễ ($\varphi_{CD}$), quá trình bắt đầu cháy diễn ra sớm hơn ($\varphi_{SOC}$ sớm). Tuy nhiên, nhiệt trị thấp ($Q_H$) của biodiesel B100 (khoảng 37–39 MJ/kg) thấp hơn dầu DO (khoảng 42,5–43 MJ/kg), làm giảm tổng lượng nhiệt giải phóng trong giai đoạn cháy hòa trộn.
  • Mô hình hình thành phát thải:
    • Cơ chế hình thành bồ hóng (Soot/PM): Mô hình hóa qua hai quá trình cạnh tranh: phản ứng sinh mầm/tăng trưởng bồ hóng và phản ứng oxy hóa bồ hóng bởi $\text{O}_2$ và gốc $\text{OH}$. Oxy trong phân tử biodiesel thúc đẩy phản ứng oxy hóa muội than ngay tại lõi ngọn lửa khuếch tán.
    • Cơ chế hình thành $NO_x$: Mô hình Zeldovich mở rộng với ba phản ứng thuận nghịch phụ thuộc hàm mũ vào nhiệt độ cục bộ trong buồng cháy ($T_{cyl}$) và nồng độ oxy dư ($\lambda$).

Chương 3: Đánh giá các thông số công tác của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu B10 bằng mô phỏng số

Tác giả sử dụng phần mềm CFD KIVA-3V để mô phỏng 3D quá trình làm việc của buồng cháy động cơ Cummins NTA855:

  • Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình: Khởi tạo lưới tính toán buồng cháy hình lòng chảo $\omega$, kiểm nghiệm mô hình thông qua đường cong áp suất nén không cháy và đường đặc tính công tác gốc sử dụng nhiên liệu DO.
  • Kết quả mô phỏng quá trình phun và cháy ở các tốc độ (1200, 1400, 1600, 1800 v/p):
    • Chùm tia nhiên liệu B10 có độ phân rã hạt lớn hơn ở vùng rìa, tầm xuyên sâu tăng nhẹ so với DO.
    • Áp suất cháy cực đại ($p_z$) của B10 giảm nhẹ (từ 1,5–3,2%) so với khi sử dụng DO thuần chất tại các cùng chế độ vòng quay do nhiệt trị của hỗn hợp B10 thấp hơn.
    • Nhiệt độ cháy trung bình và tốc độ tỏa nhiệt cực đại của B10 thấp hơn dầu DO; góc xuất hiện đỉnh tỏa nhiệt dịch chuyển sớm hơn khoảng 0,5–1,0° CA.
    • Mức độ phát thải $NO_x$ của B10 có xu hướng giảm nhẹ hoặc tương đương DO tùy theo chế độ tốc độ do nhiệt độ đỉnh ngọn lửa giảm.
    • Mức phát thải bồ hóng (PM) của B10 giảm từ 15% đến 25% so với dầu DO trên toàn dải vận hành nhờ sự tham gia tích cực của oxy liên kết trong phân tử FAME.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da trơn cho động cơ diesel Cummins NTA855 của tàu cá

Chương này triển khai kiểm chứng thực nghiệm trên bệ thử:

  • Lựa chọn phương pháp phối trộn nhiên liệu: Tác giả phân tích 5 phương pháp hòa trộn:

    1. Hòa trộn trên đường ống (On-line blending);
    2. Hòa trộn trong đường ống (In-line blending);
    3. Hòa trộn văng tóe (Splash blending);
    4. Hòa trộn trung gian (Intermediate blends);
    5. Hòa trộn khuấy cơ học. Luận án chọn phương pháp In-line blending bằng bơm bánh răng kết hợp van 3 ngả và hệ thống thùng chứa kép (DO riêng, B100 riêng), tạo hỗn hợp B10 trực tiếp trước khi cấp vào bơm cao áp động cơ.

  • Bố trí thiết bị thực nghiệm:

    • Động cơ Cummins NTA855 lắp trên bệ thử chuẩn;
    • Phanh thủy lực Dynomite điều khiển tải trọng;
    • Bộ thiết bị đo và máy tính thu thập tín hiệu Dyno max 2010;
    • Cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ khí xả, lưu lượng kế đo tiêu hao nhiên liệu.

  • Kết quả thực nghiệm trên động cơ Cummins NTA855:

    • Giai đoạn 10.000 chu kỳ và 20.000 chu kỳ làm việc: Động cơ vận hành ổn định, khởi động dễ dàng, không xảy ra hiện tượng dao động tốc độ hoặc kích nổ.
    • Công suất có ích ($N_e$): Khi sử dụng B10, công suất cực đại giảm từ 1,2% đến 2,8% so với khi chạy DO thuần chất trên các dải vòng quay khảo sát (1200–1800 v/p).
    • Suất tiêu hao nhiên liệu ($BSFC$): Tăng từ 2,1% đến 3,5% đối với B10 nhằm bù đắp phần tổn hao nhiệt trị của nhiên liệu hỗn hợp.
    • Nhiệt độ khí xả ($T_x$): Giảm nhẹ từ 10°C đến 25°C so với khi sử dụng DO, giúp giảm phụ tải nhiệt cho cụm sinh hàn và tuabin tăng áp của tàu cá.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xác định và công bố hệ thống các thuộc tính nhiệt động, cơ lý hóa của nhiên liệu B5, B10 và B100 có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn chế biến tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long theo các quy chuẩn TCVN 7717 và QCVN 1:2009/BKHCN.
  2. Xây dựng, tích hợp và hiệu chỉnh thành công bộ thông số mô phỏng số 3D bằng phần mềm mã nguồn mở CFD KIVA-3V cho buồng cháy động cơ diesel cỡ lớn Cummins NTA855 khi chạy bằng nhiên liệu B10, mô tả định lượng quy luật biến thiên áp suất cháy, trường nhiệt độ, tốc độ tỏa nhiệt và cơ chế động học hình thành phát thải $NO_x$, bồ hóng.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Thu thập và công bố bộ cơ sở dữ liệu thực địa về hiện trạng trang bị động cơ máy chính tàu cá tại 8 tỉnh Duyên hải Nam Trung Bộ với quy mô mẫu 6.400 tàu, xác lập luận cứ thực tiễn khẳng định Cummins chiếm thị phần lớn nhất (40,92%).
  2. Đánh giá thực nghiệm toàn diện các thông số vận hành của động cơ máy chính Cummins NTA855 qua 10.000 và 20.000 chu kỳ làm việc, chứng minh tính khả thi kỹ thuật của nhiên liệu B10 từ mỡ cá da trơn (suy giảm công suất dưới 3%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng dưới 3,5%, vận hành ổn định).
  3. Thiết kế và đề xuất công nghệ phối trộn nhiên liệu tự động In-line blending sử dụng bơm bánh răng và van điều khiển ba ngả trên hệ thống nhiên liệu cấp song song, cho phép tàu cá chuyển đổi linh hoạt giữa DO và B10 mà không cần cải tạo kết cấu cơ khí bên trong động cơ.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ban hành tài liệu hướng dẫn kỹ thuật vận hành và bảo dưỡng hệ thống nhiên liệu cho ngư dân khi sử dụng B10 (chú trọng kiểm tra, thay thế lọc nhiên liệu định kỳ do tính chất tẩy rửa màng bám của este).
  • Lắp đặt hệ thống cấp nhiên liệu kép In-line blending trên các tàu cá đóng mới và hoán cải thuộc chương trình hiện đại hóa đội tàu đánh bắt xa bờ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

Văn bản luận án tự xác định các hạn chế kỹ thuật sau:

  1. Chưa nghiên cứu thực nghiệm quy luật cung cấp nhiên liệu chi tiết (biến thiên áp suất trên đường ống cao áp và quy luật nâng kim phun theo thời gian thực).
  2. Chưa thực hiện đo đạc thực nghiệm các thành phần phát thải độc hại ($NO_x$, PM/bồ hóng, CO, HC) bằng thiết bị phân tích khí xả chuyên dụng trên bệ thử động cơ máy chính tàu cá (kết quả phát thải chủ yếu thu được qua tính toán mô phỏng CFD KIVA-3V).
  3. Chưa theo dõi và đánh giá toàn diện tình trạng kỹ thuật, độ mài mòn các chi tiết cơ khí (piston, xéc măng, kim phun) và mức độ suy giảm phẩm chất dầu bôi trơn trong thời gian vận hành dài hạn (trên 500–1.000 giờ) liên tục trên biển.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng đo đạc thực nghiệm phát thải khí xả trên bệ thử và trên tàu cá hoạt động thực tế trên biển.
  • Tối ưu hóa các thông số vận hành hệ thống phun (áp suất phun, góc phun sớm $\varphi_{inj}$) phù hợp riêng cho từng tỷ lệ phối trộn biodiesel từ mỡ cá da trơn.
  • Nghiên cứu độ bền vật liệu cao su, nhựa tổng hợp và kim loại của hệ thống nhiên liệu khi tiếp xúc lâu dài với nhiên liệu biodiesel mỡ cá.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Tàu thủy, Kỹ thuật Giao thông:
    • Tham khảo phương pháp xây dựng lưới 3D và thiết lập các điều kiện biên, phương trình động học cháy và phát thải trong phần mềm CFD KIVA-3V đối với động cơ diesel cỡ lớn.
    • Cung cấp các công thức tính toán giải tích về tia phun, cơ chế bốc hơi và quá trình nhiệt động học trong buồng cháy động cơ đốt trong.
  • Đối với giảng viên và các cơ sở nghiên cứu:
    • Cung cấp nguồn tư liệu thực nghiệm chuẩn hóa về thông số vận hành động cơ Cummins NTA855 khi sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế.
    • Phương pháp luận kết hợp giữa điều tra thống kê diện rộng, mô phỏng số và kiểm chứng thực nghiệm bệ thử.
  • Đối với kỹ sư thiết kế tàu thủy, kỹ thuật viên trạm máy và người khai thác tàu cá:
    • Tham khảo bản vẽ nguyên lý và phương pháp vận hành hệ thống phối trộn In-line blending dùng bơm bánh răng và van 3 ngả.
    • Nắm bắt các quy tắc bảo dưỡng định kỳ hệ thống lọc nhiên liệu và hệ thống phun khi chuyển đổi sang sử dụng B10.
  • Đối với các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý năng lượng:
    • Cơ sở khoa học để xây dựng lộ trình áp dụng bắt buộc nhiên liệu sinh học B5, B10 cho phương tiện vận tải thủy nội địa và khai thác hải sản.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn động cơ Cummins NTA855 làm đối tượng nghiên cứu thực nghiệm chính?

Dựa trên kết quả điều tra thống kê thực tế 6.400 động cơ máy chính tàu cá tại 8 tỉnh Duyên hải Nam Trung Bộ (Chi cục Hàng hải Bình Định và các cơ quan đăng kiểm cung cấp), động cơ hãng Cummins chiếm tỷ lệ cao nhất toàn vùng với 40,92% (2.619 máy), bỏ xa các hãng xếp sau như Hino (18,92%), Mitsubishi (9,92%), Yanmar (7,31%). Trong nhóm Cummins, model NTA855 (công suất 345 Hp, dung tích 14 lít) là mẫu động cơ thủy chuyên dụng phổ biến nhất trên các tàu đánh bắt xa bờ.

2. Quá trình hóa học chuyển hóa mỡ cá da trơn thành nhiên liệu biodiesel diễn ra như thế nào?

Mỡ cá da trơn (chứa chủ yếu các triglyceride) được chuyển hóa qua phản ứng trao đổi este (transesterification/rượu hóa) với methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$) dưới sự hiện diện của chất xúc tác bazơ kiềm ($\text{NaOH}$ hoặc $\text{KOH}$). Quá trình diễn ra qua 3 giai đoạn thuận nghịch nối tiếp: triglyceride chuyển hóa thành diglyceride, tiếp tục thành monoglyceride, và cuối cùng tách thành glycerol cùng hỗn hợp alkyl ester (biodiesel FAME). Sản phẩm sau đó được lắng tách loại bỏ glycerol, rửa nước, sấy khô để đạt các chỉ tiêu theo TCVN 7717:2007 và QCVN 1:2009/BKHCN.

3. Nhiên liệu B10 ảnh hưởng như thế nào đến công suất và mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ Cummins NTA855?

Theo kết quả mô phỏng số và thực nghiệm trên bệ thử:

  • Công suất có ích ($N_e$) của động cơ khi chạy B10 giảm nhẹ từ 1,2% đến 2,8% so với khi chạy bằng dầu DO thuần chất ở dải tốc độ 1200–1800 v/p.
  • Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ($BSFC$) tăng từ 2,1% đến 3,5% do nhiệt trị thấp của biodiesel B100 thấp hơn dầu DO khoảng 9–13%.

4. Giải pháp công nghệ hòa trộn nhiên liệu nào được luận án đề xuất áp dụng trên tàu cá?

Luận án đề xuất và chế tạo giải pháp công nghệ In-line blending (hòa trộn trong đường ống) sử dụng hệ thống thùng chứa nhiên liệu kép (thùng chứa DO riêng, thùng chứa B100 gốc mỡ cá riêng). Nhiên liệu B100 và DO được bơm qua bộ hòa trộn dùng bơm bánh răng và van điều khiển ba ngả để tạo tỷ lệ B10 chuẩn xác ngay trên đường cấp trước khi đưa vào bơm cao áp của động cơ, cho phép động cơ dễ dàng chuyển đổi nguồn nhiên liệu khi cần thiết mà không phải thay đổi kết cấu buồng máy.

5. Những giới hạn kỹ thuật chính mà tác giả đã nêu rõ trong luận án là gì?

Luận án chưa thực hiện khảo sát biến thiên áp suất phun thực tế trên đường ống cao áp, chưa đo đạc thành phần phát thải khí xả ($NO_x$, bồ hóng) bằng thiết bị phân tích khí chuyên dụng trên bệ thử thực nghiệm (dữ liệu phát thải dựa trên tính toán mô phỏng KIVA-3V), và chưa theo dõi độ mài mòn chi tiết cơ khí cùng chất lượng dầu bôi trơn trong chu kỳ vận hành liên tục dài ngày trên biển.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hồ Trung Phước đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu đánh giá khả năng sử dụng nhiên liệu diesel sinh học B10 từ mỡ cá da trơn cho động cơ máy chính tàu cá Cummins NTA855. Thông qua sự kết hợp giữa mô phỏng số 3D CFD KIVA-3V và thực nghiệm bệ thử tĩnh qua 20.000 chu kỳ làm việc, công trình chứng minh nhiên liệu B10 duy trì sự ổn định cơ nhiệt của động cơ với mức suy giảm công suất nhỏ (dưới 3%) và cải thiện đáng kể mức phát thải bồ hóng. Giải pháp công nghệ hòa trộn In-line blending do tác giả đề xuất cung cấp cơ sở kỹ thuật thực tiễn cho việc thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, tận dụng nguồn phụ phẩm thủy sản nội địa và phục vụ mục tiêu phát triển bền vững ngành khai thác hải sản Việt Nam.