nghiÊn cỨu chẾ tẠo thiẾt bỊ phỐi trỘn hỖn hỢp dẦu …ntu.edu.vn/portals/66/tap...

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2011

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG 71

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỐI TRỘN HỖN HỢP DẦU DO, DẦU THỰC VẬT VÀ CHẤT PHỤ GIA LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG

CƠ DIESEL TÀU THỦY TRUNG - CAO TỐC

STUDY ON MANUFACTURE MIXTURE FOR MIXING DIESEL OIL, VEGETABE OIL AND ADDITIVE TO USE AS FUEL FOR MEDIUM - HIGH SPEED MARINE DIESEL ENGINES

Phùng Minh Lộc1, Mai Đức Nghĩa2

1-Trường Đại học Nha Trang, 2-Trường SQ Không quân

TÓM TẮTBài báo giới thiệu hỗn hợp dầu thực vật, dầu DO và chất phụ gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Bộ

tạo hỗn hợp được thiết kế và chế tạo dựa trên các thông số đầu vào: Nhiệt độ sấy, tỷ lệ pha dầu thực vật, tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel tàu thủy công suất nhỏ (dưới 90Hp). Nhiên liệu từ đầu ra của Bộ tạo hỗn hợp tự động này được thử nghiệm trên động cơ 4CHK YANMAR DIESEL đối chứng với phương pháp tạo hỗn hợp thủ công.

Từ khóa: Nhiên liệu sinh học, động cơ Diesel, phụ gia nhiên liệu, dầu thực vật. ABSTRACT

This paper presents a mixture of vegetable oils, diesel oils and additives as fuel for diesel engines. The automatic Mixture is designed and manufactured based on the input parameters: drying temperature, ratio of vegetable oil, fuel consumption of small marine diesel engines (less than 90Hp). The fuel mixture from the Mixture are tested on 4CHK Yanmar engine and confronting with manual mixed methods.

Keywords: fuel, diesel engines, additives, vegetable oil.

I. MỞ ĐẦU

1. Hỗn hợp dầu thực vật, dầu DO và chất phụ gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel.

Hiện nay, có thể chia công nghệ sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel (cả trong nước và nước ngoài) thành hai hướng chính:

1.1. Xử lý về mặt hoá học để dầu thực vật có được những tính chất tương đương với die-sel dầu mỏ (DO). Dầu qua xử lý như vậy gọi là Biodiesel. Theo hướng này công nghệ chủ yếu là hoá dầu để sản xuất nhiên liệu theo qui mô công nghiệp, giá thiết bị rất cao.

1.2. Xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu DO. Theo hướng này, công nghệ chủ yếu theo 2 nhánh sau:

- Thứ nhất, chế tạo Bộ chuyển đổi hoặc Bộ phun nhiên liệu chuyên dùng có thể sử dụng đến 100% dầu thực vật (SVO). Công nghệ này phức tạp, can thiệp sâu vào kết cấu nên chỉ ứng dụng cho động cơ vừa và lớn

- Thứ hai, tạo hỗn hợp dầu thực vật, chất phụ gia và dầu DO đạt tiêu chuẩn nhiên liệu dùng cho động cơ diesel. Công nghệ theo nhánh này đơn giản, phù hợp với động cơ công suất nhỏ.


72 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG

Việc chọn dầu dừa làm nhiên liệu đã được lý giải [4], chọn dung môi là dầu diesel tiện dụng và phù hợp với Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020 của chính phủ

Xuất phát từ cơ sở lý thuyết nhiên liệu dùng cho động cơ diesel; hình thành hỗn hợp cháy và cháy nhiên liệu trong động cơ, hai vấn đề cần ưu tiên giải quyết khi sử dụng nhiên liệu thay thế là:

Xử lý độ nhớt: 100% hệ thống nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ hiện tại dùng dầu diesel nhẹ, độ nhớt thấp. Hệ thống này không thể hoạt động với nhiên liệu có độ nhớt cao hơn dầu DO, dầu dừa độ nhớt cao, vì vậy cần pha loãng bằng dầu DO và sấy nóng để hỗn hợp đạt độ nhớt tương đương dầu diesel.

Cải thiện chất lượng quá trình cháy: Nhìn chung, chất lượng quá trình cháy giảm khi tăng tỉ lệ dầu dừa, vì vậy cần pha chất phụ gia vào hỗn hợp. Chất phụ gia chọn theo tiêu chí giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường [5], pha trước vào dầu DO với tỉ lệ pha theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

2. Công nghệ tạo nhiên liệu hỗn hợp:2.1. Ước định giới hạn tỉ lệ pha dầu dừa: (X1,X2)

- Cận dưới, pha dầu dừa vào hỗn hợp (không gia nhiệt) với tỉ lệ X1% sao cho độ nhớt nằm ở giới hạn trên của tiêu chuẩn dầu DO.

- Cận trên, pha dầu dừa vào hỗn hợp và gia nhiệt đến 800C (trên nhiệt độ này độ nhớt giảm không đáng kể) với tỉ lệ X2% đủ lớn nhưng độ nhớt vẫn nằm trong tiêu chuẩn dầu của DO. 2.2. Bộ tạo hỗn hợp được nghiên cứu thiết kế, chế tạo dựa trên cơ sở:

Các thông số đầu vào: Nhiệt độ sấy, tỷ lệ pha dầu dừa (X1,X2), tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel tàu thủy công suất nhỏ (dưới 90Hp); Máy đồng thể đã được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp...dùng để trộn hai hoặc nhiều chất lỏng vào nhau thành một thể đồng

nhất [10]. Bộ phối trộn gồm hai phần chính:- Phần điều khiển - Phần thao tác bao gồm: các bộ phận

truyền động khuấy trộn hỗn hợp, cụm gia nhiệt.

II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1. Xây dựng phương án thiết kế Bộ tạo hỗn hợp1.1. Thông số đầu vào

- Nhiệt độ gia nhiệt: 800C- Tỷ lệ pha vào dầu DO: Phụ gia Nano fuel

bosster (0,125)%; Dầu dừa trong khoảng (10-25)%- Tiêu hao nhiên liệu giờ ở chế độ toàn tải:

18(l/h)1.2. Lựa chọn phương án

Thiết bị phối trộn được ứng dụng trong việc nghiên cứu, tạo ra nhiên liệu mới cho động cơ tàu thủy trung và cao tốc. Vì vậy, nó phải đáp ứng các yêu cầu về tính đơn giản, dễ sử dụng, giá thành hạ… nhưng vẫn phải đảm bảo độ tin cậy trong quá trình làm việc. Các chi tiết chính của thiết bị gồm:

- Thùng phối trộn: thùng được chế tạo bằng nhôm bên trong có các cánh dẫn hướng tạo

Hình 1. Phương án thiết kế thiết bị



dòng chảy rối; trong thùng có đặt cánh khuấy; bên ngoài có đặt các điện trở gia nhiệt nhằm tăng nhanh quá trình đồng thể và đảm bảo độ nhớt hợp lý cho hỗn hợp khi phối trộn.

- Động cơ, trục cánh khuấy, thùng chứa dầu, bộ phận điều khiển, các cảm biến và màn hình hiển thị. Phương án thiết kế được xây dựng như hình 1.

2. Thiết kế, chế tạo thiết bị2.1. Lực cản trên cánh khuấy và chọn động cơ

Cánh khuấy trộn khi chuyển động quay trong thùng chứa hỗn hợp sẽ tạo ra dòng xoáy của chất lỏng. Cánh khuấy là một yếu tố quan trọng quyết định dòng lưu chuyển của chất lỏng. Trong các loại cánh khuấy thì cánh tua-bin được sử dụng chủ yếu khuấy ở tốc độ trung bình và tốc độ cao với các mục đích khuấy để phân tán, hòa tan và huyền phù. Như vậy dựa trên tính chất đồng thể của nhiên liệu. Chọn cánh khuấy trộn hỗn hợp dạng đĩa tua-bin trên hình 2. Để tính toán cho cánh khuấy ta coi phần đĩa cánh khuấy là tấm mỏng ngập trong chất lỏng và tính lực cản của chất lỏng lên diện tích tiếp xúc của lá cánh khuấy theo công thức [8].

(π.n)2

Fcv = Cv.ρ.S. . R2 (1) 302.2Trong đó: - Fcv là lực cản của chất lỏng lên bề mặt tiếp xúc của lá cánh khuấy

- vC là hệ số lực cản của hỗn hợp; vC =1,17 - ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp - R là bán kính cánh khuấy; R =70.10-3cm - n là tốc độ quay của cánh khuấy; n =1200v/p - S là diện tích bề mặt tiếp xúc lá cánh khuấy

Trong quá trình khuấy trộn độ nhớt của dầu thực vật là yếu tố tạo nên sức cản lớn, loại dầu thực vật được chọn là dầu dừa có khối lượng riêng: ρ = 0.915g/cm3 [7], với kích thước lá cánh khuấy đã chọn như trên hình 3, thay vào công thức (1) ta có: (π.n)2 (12.102)2

Fcv = Cv.ρ.S. . R2 = 1,17.0,915.497,9.10-6.3,142. (70.10-3)2 ⇒ Fcv = 20,6N 302.2 302.2

Mô men xoắn trên trục cánh khuấy: Mz: Mz = Fcv.R ⇒ Mz = 20,6. 70.10-3 = 1442NmmCông suất động cơ được tính như sau:

π.n 3.14.1200Ne = Mz .ω = Mz . ⇒ Ne = 1142.10-3 = 181W

30 30Từ kết quả có được, chúng tôi chọn động cơ servo. Động cơ này có tỉ số mô men kéo và quán

tính cao cho phép tăng nhanh tốc độ, hãm nhanh và dừng chính xác.2.2. Thiết kế trục cánh khuấy, khớp nối và gối đỡ trục

Từ kích thước thùng phối trộn đã chọn tiến hành tính toán cho trục, khớp nối và gối đỡ trục. 2.3. Tính công suất gia nhiệt hỗn hợp

Gọi Q là tổng nhiệt lượng cần thiết gia nhiệt hỗn hợp đến 800C:Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 ; (2)

Hình 2. Cánh đĩa tua-bin

Hình 3. Sơ đồ tính lực cản



với Q1 = m1. c1.∆t ; Q2 = m2. c2.∆t ; Q3 = m3. c3.∆t ; Q4 = m4. c1.∆t. Là nhiệt lượng cần thiết làm nóng 1, 2, 3, 4, lên 800C và m1, c1; m2, c2; m3, c3; m4, c4 là khối lượng và nhiệt dung riêng của 1, 2, 3, 4 như trên sơ đồ hình 5. Thay các số liệu đã thực nghiệm vào (2), được Q=1081537,2(J)

Theo định luật bảo toàn năng lượng: U2 U2Q = t ⇒ Q = 1081537,2 = t R R

U2 2202⇒ R = t = .360 = 16,11Ω 1081537,2 1081537,2

U2 2202⇒ R = 16,11Ω ⇒ P = = = 3000W R 16,11

là công suất cần thiết của điện trở gia nhiệt theo số liệu tính toán. 2.4. Thiết kế thiết bị điều khiển2.4.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều điều khiển

Căn cứ vào yêu cầu đầu vào và đầu ra của thiết bị đã được lựa chọn, xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển cho thiết bị như hình 5.

Hình 5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động Bộ phối trộn nhiên liệu

Hình 4. Sơ đồ tính toán điện trở nhiệt:1,3-Thùng nhôm; 2-Nnước;

4-Hỗn hợp nhiên liệu

Cảm biến báo mức DO trong két trung gian

Mạch công suất điều khiển các solenoid cấp DO và SVO

Mạch công suất điều khiển động cơ khuấy

Điều khiển công suất cấp cho các điện trở gia nhiệt

Hiển thị LCD

Cảm biến báo mức SVO trong két trung gian

Cảm biến báo mức chất lỏng trong két đồng thể

Cài đặt tốc độ khuấy

Giao tiếp bàn phím

Cài đặt thời gian khuấy

Cảm biến t0 nướcCảm biến t0 hỗn hợp

Khuyếch đại tín hiệu

Cảm biến tốc độ động cơ

Đồng bộ tín hiệu

Cài đặt nhiệt độ hỗn hợp

MicrocontrollGiám sát mức chất

lỏng trong két đồng thể và các két trung gian

Tính toán giá trị tốc độ động cơ và điều khiển

tốc độ động cơ theo giá trị cài đặt

Điều khiển nhiệt độ hỗn hợp theo giá trị

cài đặt

Cho phép bắt đầu, kết thúc tiến trình;

thu thập, xử lí vàtính toán số liệu;

xuất dữ liệu ra LCD



Sơ đồ hệ thống điều khiển gồm 3 khối chính là khối đầu vào, khối xử lí trung tâm và khối đầu ra. Nhiệm vụ của khối đầu vào bao gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường từ các cảm biến, tín hiệu điều khiển từ thiết bị điều khiển và gửi tới bộ xử lí trung tâm. Bộ xử lí trung tâm sau khi nhận tín hiệu sẽ tiến hành chuyển đổi, tính toán, phân tích và xuất các tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu ra bao gồm thiết bị hiển thị và các mạch điều khiển các cơ cấu chấp hành. 2.4.2. Thiết kế chế tạo mạch điều khiển trung tâm

Mạch điều khiển sẽ bao gồm các khối: khối nguồn, khối khuyếch đại tín hiệu cho các cảm biến, khối đo tốc độ, khối hiển thị LCD, khối điều khiển van điện từ, khối điều khiển mạch công suất cho motor và các điện trở gia nhiệt, giao tiếp bàn phím và cuối cùng là khối xử lí trung tâm. Khối xử lí trung tâm gồm 2 vi điều khiển Atmega16, hai vi điều khiển này liên lạc với nhau theo quan hệ chủ tớ. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C, được soạn thảo bằng phần mềm AVRCodevision và được biên dịch thành fi le.HEX. Tập tin chương trình điều khiển sẽ được nạp vào ROM của ATMEGA16.2.5. Xây dựng bản vẽ lắp thiết bị phối trộn

Bản vẽ lắp được trình bày trên hình 7.

Hình 6. Mạch điều khiển trung tâmsau khi chế tạo

Hình 7. Bản vẽ lắp thiết bị phối trộn



3. Thử nghiệm Bộ tạo hỗn hợp3.1. Kết quả thử nghiệm.

Phối trộn hỗn hợp ở tỷ lệ 15% dầu dừa vào dầu DO với chất phụ gia và gia nhiệt ở 800C. Tiến

hành chạy thử nghiệm trên động cơ 4CHK YANMAR DIESEL và lấy đặc tính không tải như sau:

Tiêu hao nhiên liệu giờ Ge= f(n): n- tốc độ động cơ (v/p).

Khởi động động cơ bằng nhiên liệu diesel, sau khi ấm máy chuyển sang chạy bằng nhiên liệu

hỗn hợp phối trộn ở tỷ lệ trên.

Khi nhiệt độ nước làm mát ổn định, tiến hành đo tiêu hao nhiên liệu.

Điều khiển cho động cơ chạy ở các tốc độ:

n(vòng/phút)

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

Với mức giảm của nhiên liệu 50 ml trong thời gian t phút, tính được lượng tiêu hao nhiên liệu

trong 1giờ theo công thức: 3Ge = k , (l/h). Trong đó: t là thời gian chạy hết 50 ml nhiên liệu; k là hệ số hiệu chỉnh độ lệch t

nhiệt trị của nhiên liệu hỗn hợp và dầu DO

Ở mỗi mức tốc độ thực nghiệm đo 3 lần

(r = 3, độ tin cậy 98%), lấy kết quả giá trị trung

bình. Từ bảng số liệu đo giá trị thực nghiệm, ứng

dụng phần mềm SPSS 15.0 for Windows, xây

dựng hàm hồi quy. Số liệu tính từ các hàm hồi qui

cho phép vẽ tự động đồ thị đặc tính không tải của

động cơ như trên hình 8.

3.2. Thảo luận

Trên hình 8, tiêu hao nhiên liệu giờ của hỗn

hợp 15% dầu dừa với dầu diesel và chất phụ gia

Nano fuel bosster phối trộn bằng thiết bị xấp xỉ

với dầu DO, như vậy, chất lượng quá trình cháy

của hỗn hợp này là tương đương với dầu DO,

điều này khẳng định hỗn hợp có độ đồng nhất

cao. Trong khi đó, tiêu hao nhiên liệu hỗn hợp

không dùng thiết bị phối trộn (khuấy và gia nhiệt

thủ công) lớn hơn trung bình khoảng 4%, nguyên nhân chính là do hỗn hợp có độ đồng nhất thấp,

mật độ hạt phân bố không đều dẫn đến chất lượng hỗn hợp cháy xấu, làm giảm hiệu suất, tăng tiêu

hao nhiên liệu.

Như vậy, thiết bị phối trộn đã cơ bản giải quyết được các yêu cầu đặt ra, việc sử dụng nó trong

nghiên cứu nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel tàu thủy trung, cao tốc là hợp lý.

Hình 8. Đồ thị đặc tính không tải



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển (2009). Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, NXB Giáo dục.2. Nguyễn Tăng Cường (2004). Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà

Nội. 3. Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm (2009. Thiết kế chi tiết máy, NXB Giáo dục.4. Phùng Minh Lộc, Hồ Đức Tuấn (2008). Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật Việt Nam làm nhiên liệu cho

động cơ diesel cỡ nhỏ - Tạp chí Khoa học- Công nghệ thủy sản, số 1-20085. Phùng Minh Lộc( 2009). Xác định suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ D12 chạy bằng nhiên liệu dầu dừa

có phụ gia nano fuel bosster, Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản, số đặc biệt -2009.6. Nguyễn Hữu Lộc (2004). Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại học quốc gia TPHCM 7. Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng (2007). Các quá trình sử lý để sản xuất nhiên liệu sạch, NXB

Khoa học và Kỹ thuật.8. Hoàng Thị Bích Ngọc (1999). Lý thuyết lớp biên, NXB Khoa học và Kỹ thuật.9. Nguyễn Tất Tiến (1998). Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục.10. Nguyễn Thạch (2009). Nghiên cứu máy đồng thể tạo nhũ tương nhiên liệu dầu thực vật- nước cho cho động

cơ diesel, Tạp Chí Cơ Khí Việt Nam (ISSN 0866 – 7056)11. Nguyễn Thành Trí (2006). Hệ thống thủy lực trên máy công nghiệp, NXB Đà Nẵng.12. Eran Sher (1998). Handbook of Air Pollution from Internal Combustion Engines, Academic Press,

California, USA. Engine Fundamentals13. John B. Heywood (1988). Internal Combustion , Mc- Graw Hill, USA. 14. Daewoo Motor Co. LTD (2001). Service Training Manual_Electrical Wiring Diagram, Korea

nghiÊn cỨu chẾ tẠo thiẾt bỊ phỐi trỘn hỖn hỢp dẦu …ntu.edu.vn/portals/66/tap...

Documents