Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng hỗn hợp dầu thực vật - diesel đến phun nhiên liệu và tính năng động cơ diesel tàu thủy - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NCS. NGUYỄN ĐỨC HẠNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN PHUN NHIÊN LIỆU, TẠO HỖN HỢP, CHÁY VÀ TÍNH NĂNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHÒNG – NĂM 2020 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NCS. NGUYỄN ĐỨC HẠNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN PHUN NHIÊN LIỆU, TẠO HỖN HỢP, CHÁY VÀ TÍNH NĂNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ: 95.116 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ TÀU THỦY Người hướng dẫn khoa học: 1. Nguyễn Đại An HẢI PHÒNG – NĂM 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Đức Hạnh i LỜI CÁM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau Đại học, Khoa Máy tàu biển – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới tập thể người hướng dẫn khoa học là: PGS.

Đặng Văn Uy và PGS. Nguyễn Đại An về những hướng dẫn khoa học nghiêm túc và đã đồng ý cho phép sử dụng một phần kết quả của Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học hỗn hợp giữa dầu thực vật và dầu diesel cho động cơ diesel tàu thủy”, mã số ĐT.11/NLSH - Thuộc Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 của Bộ Công thương để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm thí nghiệm hệ động lực - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và hoàn thành phần thực nghiệm của luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, các nhà khoa học thuộc các Trường trong Câu lạc bộ Cơ khí động lực đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Hạnh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.ii MỞ ĐẦU. 1 LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN.5 CÁC ĐIỂM ĐÓNG GÓP MỚI. 6 KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN.

Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy. Phân loại hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy. Hệ thống nhiên liệu nhẹ (DO). Hệ thống nhiên liệu nặng (HFO hoặc FO).

Hệ thống phun nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy. Yêu cầu đối với hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy. Xu thế ứng dụng giải pháp nhằm cải thiện chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel tàu thủy hiện nay. Những qui định pháp lý Quốc tế về phát thải khí NOx đối với động cơ diesel tàu thủy.

Nhiên liệu sinh học và xu hướng ứng dụng cho động cơ diesel tàu thủy. Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ diesel. Nhiên liệu sinh học dùng nghiên cứu trong luận án. Ưu, nhược điểm của nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel khi dùng cho động cơ diesel tàu thủy so với hỗn hợp biodiesel - diesel.

Những qui định tại Việt Nam về phát triển NLSH. Tổng quan về các công trình khoa học trong và ngoài nước liên quan luận án. Các nghiên cứu trên thế giới. Các nghiên cứu tại Việt Nam.

Những thông số cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng quá trình phun tạo hỗn hợp-cháy của hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel trong động cơ diesel tàu thủy. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH PHUN NHIÊN LIỆU ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY VÀ GIẢI PHÁP HIỆU CHỈNH NHẰM ĐẠT CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG, KINH TẾ. Các đặc tính phun nhiên liệu. Đặc tính vĩ mô.

Chiều dài tia phun. Chiều dài phân rã sơ cấp. Đặc tính vi mô. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến quá trình phun.

Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến thời điểm phun. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến thời gian cháy trễ. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến áp suất phun. Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến lưu lượng phun.

Ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến phát thải NOx. Lựa chọn mô hình toán xác định ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến chất lượng phun. Cơ sở lý thuyết CFD mô phỏng, đánh giá quá trình phun, tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel tàu thủy. Cơ sở lý thuyết để hiệu chỉnh HTPNL khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu thực vật - diesel nhằm đạt chỉ tiêu kinh tế và môi trường.

Kết luận chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ẢNH HƯỞNG CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU THỰC VẬT - DIESEL ĐẾN HỆ THỐNG PHUN NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY. Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp đến đặc tính tia phun nhiên liệu 63 3. Các thông số kĩ thuật cần thiết để tính toán.

Kết quả tính toán về đặc tính tia phun. Kết quả tính toán về đặc tính vĩ mô của tia phun. Kết quả tính toán về đặc tính vi mô của tia phun. So sánh, đánh giá đặc tính tia phun của các loại nhiên liệu.

Các kết quả tính toán về ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp đến thời điểm phun và thời gian cháy trễ. Các thông số đầu vào và điều kiện ban đầu. Các kết quả thu được trong quá trình tính toán. Kết quả tính toán về ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp đến lưu lượng phun.

Một số nhận xét. Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu vào động cơ diesel tàu thủy. Tính toán mô phỏng bằng phần mềm Ansys Fluent. Đặt điều kiện biên.

Xây dựng mô hình nghiên cứu và chia lưới không gian tính toán. Kết quả tính toán mô phỏng. Trường phân bố áp suất trong quá trình phun nhiên liệu. Trường phân bố vận tốc biểu diễn theo đường đồng mức.

Trường phân bố vận tốc theo đường dòng của chùm 10 lỗ phun. Trường phân bố vận tốc biểu diễn theo đường dòng của 1 lỗ phun. Trường phân bố vận tốc biểu diễn theo véc tơ. Trường phân bố năng lượng động năng rối.

Mô phỏng quá trình hòa trộn-cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ diesel tàu thủy. Phương án tính toán mô phỏng. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình hòa trộn-cháy. Lựa chọn khu vực tính toán.

Lựa chọn mô hình tính toán. Xây dựng mô hình nghiên cứu và chia lưới không gian tính toán. Kết quả tính toán cho loại nhiên liệu PO20. Phân bố áp suất trong quá trình hòa trộn - cháy.

Phân bố nhiệt độ trong quá trình hòa trộn - cháy. Phân bố vận tốc cháy trong quá trình hòa trộn - cháy. Đánh giá độ tin cậy kết quả tính toán mô phỏng. Kết luận chương 3.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. Mục đích, chế độ, điều kiện và đối tượng thực nghiệm. Chế độ tải động cơ và điều kiện thực nghiệm. Đối tượng thực nghiệm.

Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm. Đề xuất mô hình thực nghiệm. Đặc điểm kỹ thuật của động cơ diesel chính tàu thủy 6LU32. Đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị đo.

Nhiên liệu thí nghiệm. Quy trình đo và xử lý số liệu thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Áp suất cháy trong xy lanh động cơ.

Thời điểm bắt đầu phun và áp suất phun lớn nhất. Thời gian cháy trễ của nhiên liệu. Suất tiêu hao nhiên liệu. Đánh giá sự thay đổi của lưu lượng phun.

Chất lượng phun sương, tạo hỗn hợp và cháy. Phát thải NOx. Kết quả giải pháp hiệu chỉnh bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Các bước thực hiện hiệu chỉnh trong phòng thí nghiệm.

Kết quả hiệu chỉnh đối với hệ thống nhiên liệu. Kết luận chương 4.129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.132 TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH Chữ viết tắt Diễn giải Ansys Fluent Phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy ASTM Tiêu chuẩn về Vật liệu và Thử nghiệm ASP Áp suất phun BCA Bơm cao áp Biodiesel Nhiên liệu diesel sinh học Biofuels Nhiên liệu sinh học CDI Common rail diesel injection (Hệ thống phun nhiên liệu điện tử) CFD Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực học lưu chất ) CO Ô xít các bon Common rail Hệ thống phun nhiên liệu điện tử dùng ECU CTCT Chu trình công tác ĐCD (BOT) Điểm chết dưới (Bottom) ĐCĐT Động cơ đốt trong ĐCT (TOP) Điểm chết trên (Top) DME Dimetyl Ete DO Diesel oil – dầu nhẹ DTV Dầu thực vật DWT Deadweight – Trọng tải tàu (tấn) EGR Exhaust Gas Recirculation (Tuần hoàn khí thải) EOC Kết thúc quá trình cháy FAME Fatty Acid Methyl Esters (Este metyl a xít béo) FUEL Nhiên liệu GQTK Góc quay trục khuỷu Grid; Gambit Phần mềm chia lưới GT Gross tonnage – Tổng dung tích tàu GTVT Giao thông vận tải GPS (SOI) Góc phun sớm HAGL Hoàng Anh Gia Lai vi HC Hydrocacbon HFO (FO) Heavy Fuel Oil - dầu nặng HTNL Hệ thống nhiên liệu HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu IMO International Maritime Organization (Tổ chức Hàng hải quốc tế) KH&CN Khoa học và công nghệ NCKH Nghiên cứu khoa học NCS Nghiên cứu sinh NLSH Nhiên liệu sinh học NOx Các Ô xít Ni tơ PO Palm oil - Diesel oil (Hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel) PPO Pure Plant Oil (Dầu thực vật nguyên gốc) PTN Phòng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu QTCN Quy trình công nghệ SOC Bắt đầu cháy hỗn hợp SVO Straight vegetable oil (Dầu thực vật dùng trực tiếp) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Tecplot Phần mềm để vẽ biểu đồ dữ liệu TSKT Tiến sĩ kỹ thuật VP Vòi phun vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU TT Kí hiệu Ý nghĩa Độ lớn/thứ nguyên 1. Sp Vận tốc trung bình của piston động cơ m/s 2. Tn Nhiệt độ không khí nạp K  Tỉ số của nhiệt trị riêng theo áp suất với 3.

nhiệt trị riêng theo thể tích dha Tốc độ dịch chuyển piston bơm cao áp theo m/s 4.