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

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 2/2011<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỐI TRỘN HỖN HỢP DẦU DO,<br /> DẦU THỰC VẬT VÀ CHẤT PHỤ GIA LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG<br /> CƠ DIESEL TÀU THỦY TRUNG - CAO TỐC<br /> STUDY ON MANUFACTURE MIXTURE FOR MIXING DIESEL OIL, VEGETABE OIL AND ADDITIVE<br /> TO USE AS FUEL FOR MEDIUM - HIGH SPEED MARINE DIESEL ENGINES<br /> Phùng Minh Lộc1, Mai Đức Nghĩa2<br /> 1-Trường Đại học Nha Trang, 2-Trường SQ Không quân<br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo giới thiệu hỗn hợp dầu thực vật, dầu DO và chất phụ gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Bộ<br /> 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<br /> hao nhiên liệu của động cơ diesel tàu thủy công suất nhỏ (dưới 90Hp). Nhiên liệu từ đầu ra của Bộ tạo hỗn<br /> hợp tự động này được thử nghiệm trên động cơ 4CHK YANMAR DIESEL đối chứng với phương pháp tạo hỗn<br /> hợp thủ công.<br /> Từ khóa: Nhiên liệu sinh học, động cơ Diesel, phụ gia nhiên liệu, dầu thực vật.<br /> ABSTRACT<br /> This paper presents a mixture of vegetable oils, diesel oils and additives as fuel for diesel engines. The<br /> automatic Mixture is designed and manufactured based on the input parameters: drying temperature, ratio<br /> of vegetable oil, fuel consumption of small marine diesel engines (less than 90Hp). The fuel mixture from the<br /> Mixture are tested on 4CHK Yanmar engine and confronting with manual mixed methods.<br /> Keywords: fuel, diesel engines, additives, vegetable oil.<br /> <br /> I. MỞ ĐẦU<br /> 1. Hỗn hợp dầu thực vật, dầu DO và chất phụ<br /> gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel.<br /> Hiện nay, có thể chia công nghệ sử dụng<br /> dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ<br /> diesel (cả trong nước và nước ngoài) thành hai<br /> hướng chính:<br /> 1.1. Xử lý về mặt hoá học để dầu thực vật<br /> có được những tính chất tương đương với die-<br /> <br /> 1.2. Xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật<br /> đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu<br /> DO. Theo hướng này, công nghệ chủ yếu theo<br /> 2 nhánh sau:<br /> - Thứ nhất, chế tạo Bộ chuyển đổi hoặc Bộ<br /> phun nhiên liệu chuyên dùng có thể sử dụng đến<br /> 100% dầu thực vật (SVO). Công nghệ này phức<br /> tạp, can thiệp sâu vào kết cấu nên chỉ ứng dụng<br /> cho động cơ vừa và lớn<br /> <br /> sel dầu mỏ (DO). Dầu qua xử lý như vậy gọi là<br /> <br /> - Thứ hai, tạo hỗn hợp dầu thực vật, chất<br /> <br /> Biodiesel. Theo hướng này công nghệ chủ yếu<br /> <br /> phụ gia và dầu DO đạt tiêu chuẩn nhiên liệu dùng<br /> <br /> là hoá dầu để sản xuất nhiên liệu theo qui mô<br /> <br /> cho động cơ diesel. Công nghệ theo nhánh này<br /> <br /> công nghiệp, giá thiết bị rất cao.<br /> <br /> đơn giản, phù hợp với động cơ công suất nhỏ.<br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 71<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> Việc chọn dầu dừa làm nhiên liệu đã được<br /> <br /> Soá 2/2011<br /> nhất [10].<br /> <br /> lý giải [4], chọn dung môi là dầu diesel tiện dụng<br /> <br /> Bộ phối trộn gồm hai phần chính:<br /> <br /> và phù hợp với Đề án phát triển nhiên liệu sinh<br /> <br /> - Phần điều khiển<br /> <br /> học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020 của<br /> <br /> - Phần thao tác bao gồm: các bộ phận<br /> <br /> chính phủ<br /> Xuất phát từ cơ sở lý thuyết nhiên liệu dùng<br /> cho động cơ diesel; hình thành hỗn hợp cháy và<br /> <br /> truyền động khuấy trộn hỗn hợp, cụm gia nhiệt.<br /> II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br /> <br /> cháy nhiên liệu trong động cơ, hai vấn đề cần ưu<br /> <br /> 1. Xây dựng phương án thiết kế Bộ tạo hỗn<br /> <br /> tiên giải quyết khi sử dụng nhiên liệu thay thế là:<br /> <br /> hợp<br /> <br /> Xử lý độ nhớt: 100% hệ thống nhiên liệu<br /> <br /> 1.1. Thông số đầu vào<br /> <br /> động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ hiện tại dùng dầu<br /> <br /> - Nhiệt độ gia nhiệt: 800C<br /> <br /> diesel nhẹ, độ nhớt thấp. Hệ thống này không<br /> <br /> - Tỷ lệ pha vào dầu DO: Phụ gia Nano fuel<br /> <br /> thể hoạt động với nhiên liệu có độ nhớt cao hơn<br /> <br /> bosster (0,125)%;<br /> <br /> dầu DO, dầu dừa độ nhớt cao, vì vậy cần pha<br /> <br /> Dầu dừa trong khoảng (10-25)%<br /> <br /> loãng bằng dầu DO và sấy nóng để hỗn hợp đạt<br /> <br /> - Tiêu hao nhiên liệu giờ ở chế độ toàn tải:<br /> <br /> độ nhớt tương đương dầu diesel.<br /> Cải thiện chất lượng quá trình cháy: Nhìn<br /> <br /> 18(l/h)<br /> 1.2. Lựa chọn phương án<br /> <br /> chung, chất lượng quá trình cháy giảm khi tăng tỉ<br /> <br /> Thiết bị phối trộn được ứng dụng trong việc<br /> <br /> lệ dầu dừa, vì vậy cần pha chất phụ gia vào hỗn<br /> <br /> nghiên cứu, tạo ra nhiên liệu mới cho động cơ<br /> <br /> hợp. Chất phụ gia chọn theo tiêu chí giảm tiêu<br /> <br /> tàu thủy trung và cao tốc. Vì vậy, nó phải đáp<br /> <br /> hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường [5], pha<br /> <br /> ứng các yêu cầu về tính đơn giản, dễ sử dụng,<br /> <br /> trước vào dầu DO với tỉ lệ pha theo hướng dẫn<br /> <br /> giá thành hạ… nhưng vẫn phải đảm bảo độ tin<br /> <br /> của nhà sản xuất.<br /> <br /> cậy trong quá trình làm việc. Các chi tiết chính<br /> <br /> 2. Công nghệ tạo nhiên liệu hỗn hợp:<br /> 2.1. Ước định giới hạn tỉ lệ pha dầu dừa: (X1,X2)<br /> - Cận dưới, pha dầu dừa vào hỗn hợp<br /> <br /> của thiết bị gồm:<br /> - Thùng phối trộn: thùng được chế tạo bằng<br /> nhôm bên trong có các cánh dẫn hướng tạo<br /> <br /> (không gia nhiệt) với tỉ lệ X1% sao cho độ nhớt<br /> nằm ở giới hạn trên của tiêu chuẩn dầu DO.<br /> - Cận trên, pha dầu dừa vào hỗn hợp và gia<br /> nhiệt đến 800C (trên nhiệt độ này độ nhớt giảm<br /> không đáng kể) với tỉ lệ X2% đủ lớn nhưng độ<br /> nhớt vẫn nằm trong tiêu chuẩn dầu của DO.<br /> 2.2. Bộ tạo hỗn hợp được nghiên cứu thiết kế,<br /> chế tạo dựa trên cơ sở:<br /> Các thông số đầu vào: Nhiệt độ sấy, tỷ lệ<br /> pha dầu dừa (X1,X2), tiêu hao nhiên liệu của<br /> động cơ diesel tàu thủy công suất nhỏ (dưới<br /> 90Hp); Máy đồng thể đã được sử dụng trong<br /> các lĩnh vực công nghiệp...dùng để trộn hai hoặc<br /> nhiều chất lỏng vào nhau thành một thể đồng<br /> <br /> 72 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Hình 1. Phương án thiết kế thiết bị<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 2/2011<br /> <br /> dòng chảy rối; trong thùng có đặt cánh khuấy; bên ngoài có đặt các điện trở gia nhiệt nhằm tăng<br /> nhanh quá trình đồng thể và đảm bảo độ nhớt hợp lý cho hỗn hợp khi phối trộn.<br /> - Động cơ, trục cánh khuấy, thùng chứa dầu, bộ phận điều khiển, các cảm biến và màn hình<br /> hiển thị. Phương án thiết kế được xây dựng như hình 1.<br /> 2. Thiết kế, chế tạo thiết bị<br /> 2.1. Lực cản trên cánh khuấy và chọn động cơ<br /> Cánh khuấy trộn khi chuyển động quay trong thùng chứa hỗn hợp<br /> sẽ tạo ra dòng xoáy của chất lỏng. Cánh khuấy là một yếu tố quan trọng<br /> quyết định dòng lưu chuyển của chất lỏng. Trong các loại cánh khuấy<br /> <br /> Hình 2. Cánh đĩa tua-bin<br /> <br /> thì cánh tua-bin được sử dụng chủ yếu khuấy ở tốc độ trung bình và<br /> tốc độ cao với các mục đích khuấy để phân tán, hòa tan và huyền phù.<br /> Như vậy dựa trên tính chất đồng thể của nhiên liệu. Chọn cánh khuấy<br /> trộn hỗn hợp dạng đĩa tua-bin trên hình 2. Để tính toán cho cánh khuấy<br /> ta coi phần đĩa cánh khuấy là tấm mỏng ngập trong chất lỏng và tính<br /> lực cản của chất lỏng lên diện tích tiếp xúc của lá cánh khuấy theo công<br /> thức [8].<br /> <br /> Trong đó:<br /> <br /> (π.n)2 2<br /> Fcv = Cv.ρ.S. <br /> .R<br /> 302.2<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ tính lực cản<br /> <br /> (1)<br /> <br /> - Fcv là lực cản của chất lỏng lên bề mặt tiếp xúc của lá cánh khuấy<br /> <br /> - Cv là hệ số lực cản của hỗn hợp; Cv =1,17<br /> - ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp<br /> <br /> - R là bán kính cánh khuấy; R =70.10-3cm<br /> - n là tốc độ quay của cánh khuấy; n =1200v/p<br /> - S là diện tích bề mặt tiếp xúc lá cánh khuấy<br /> Trong quá trình khuấy trộn độ nhớt của dầu thực vật là yếu tố tạo nên sức cản lớn, loại dầu thực<br /> <br /> vật được chọn là dầu dừa có khối lượng riêng: ρ = 0.915g/cm3 [7], với kích thước lá cánh khuấy đã<br /> chọn như trên hình 3, thay vào công thức (1) ta có:<br /> <br /> (π.n)2 2<br /> (12.102)2<br /> -6<br /> 2<br /> Fcv = Cv.ρ.S. <br /> .<br /> R<br /> =<br /> 1,17.0,915.497,9.10<br /> .3,14<br /> .<br /> <br /> (70.10-3)2 ⇒ Fcv = 20,6N<br /> 302.2<br /> 302.2<br /> Mô men xoắn trên trục cánh khuấy:<br /> <br /> Mz: Mz = Fcv.R ⇒ Mz = 20,6. 70.10-3 = 1442Nmm<br /> <br /> Công suất động cơ được tính như sau:<br /> <br /> π.n<br /> 3.14.1200<br /> Ne = Mz .ω = Mz . ⇒ Ne = 1142.10-3  = 181W<br /> 30<br /> 30<br /> Từ kết quả có được, chúng tôi chọn động cơ servo. Động cơ này có tỉ số mô men kéo và quán<br /> tính cao cho phép tăng nhanh tốc độ, hãm nhanh và dừng chính xác.<br /> 2.2. Thiết kế trục cánh khuấy, khớp nối và gối đỡ trục<br /> Từ kích thước thùng phối trộn đã chọn tiến hành tính toán cho trục, khớp nối và gối đỡ trục.<br /> 2.3. Tính công suất gia nhiệt hỗn hợp<br /> Gọi Q là tổng nhiệt lượng cần thiết gia nhiệt hỗn hợp đến 800C:<br /> <br /> Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 ; (2)<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 73<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 2/2011<br /> <br /> Q1 = m1. c1.∆t ; Q2 = m2. c2.∆t ; Q3 = m3. c3.∆t ; Q4 =<br /> m4. c1.∆t. Là nhiệt lượng cần thiết làm nóng 1, 2, 3, 4, lên 800C<br /> với<br /> <br /> và m1, c1; m2, c2; m3, c3; m4, c4 là khối lượng và nhiệt dung riêng<br /> của 1, 2, 3, 4 như trên sơ đồ hình 5. Thay các số liệu đã thực<br /> nghiệm vào (2), được Q=1081537,2(J)<br /> Theo định luật bảo toàn năng lượng:<br /> <br /> U2 t ⇒ Q = 1081537,2 = <br /> U2 t<br /> Q=<br /> R<br /> R<br /> <br /> 2202 .360 = 16,11Ω<br /> U2<br /> ⇒ R = <br /> t = <br /> 1081537,2<br /> 1081537,2<br /> <br /> Hình 4. Sơ đồ tính toán điện trở nhiệt:<br /> 1,3-Thùng nhôm; 2-Nnước;<br /> 4-Hỗn hợp nhiên liệu<br /> <br /> 2202 = 3000W<br /> U2 = <br /> ⇒ R = 16,11Ω ⇒ P = <br /> R<br /> 16,11<br /> là công suất cần thiết của điện trở gia nhiệt theo số liệu tính toán.<br /> 2.4. Thiết kế thiết bị điều khiển<br /> 2.4.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều điều khiển<br /> Căn cứ vào yêu cầu đầu vào và đầu ra của thiết bị đã được lựa chọn, xây dựng sơ đồ khối hệ<br /> thống điều khiển cho thiết bị như hình 5.<br /> <br /> Cảm biến báo mức DO<br /> trong két trung gian<br /> Cảm biến báo mức SVO<br /> trong két trung gian<br /> Cảm biến báo mức chất<br /> lỏng trong két đồng thể<br /> Cài đặt tốc độ khuấy<br /> Cảm biến tốc độ động cơ<br /> Cài đặt nhiệt độ hỗn hợp<br /> Cảm biến<br /> t0 nước<br /> Cảm biến<br /> t0 hỗn hợp<br /> <br /> Khuyếch<br /> đại tín hiệu<br /> <br /> Cài đặt thời gian khuấy<br /> Giao tiếp bàn phím<br /> Đồng bộ tín hiệu<br /> <br /> Microcontroll<br /> Giám sát mức chất<br /> lỏng trong két đồng thể<br /> và các két trung gian<br /> Tính toán giá trị tốc độ<br /> động cơ và điều khiển<br /> tốc độ động cơ theo giá<br /> trị cài đặt<br /> Điều khiển nhiệt độ<br /> hỗn hợp theo giá trị<br /> cài đặt<br /> Cho phép bắt đầu, kết<br /> thúc tiến trình;<br /> <br /> Mạch công suất<br /> điều khiển các<br /> solenoid cấp DO<br /> và SVO<br /> Mạch công suất<br /> điều khiển động<br /> cơ khuấy<br /> Điều khiển công<br /> suất cấp cho các<br /> điện trở gia nhiệt<br /> <br /> Hiển thị LCD<br /> <br /> thu thập, xử lí và<br /> tính toán số liệu;<br /> xuất dữ liệu ra LCD<br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động Bộ phối trộn nhiên liệu<br /> <br /> 74 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 2/2011<br /> <br /> Sơ đồ hệ thống điều khiển gồm 3 khối chính là khối<br /> đầu vào, khối xử lí trung tâm và khối đầu ra. Nhiệm vụ của<br /> khối đầu vào bao gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường<br /> từ các cảm biến, tín hiệu điều khiển từ thiết bị điều khiển<br /> và gửi tới bộ xử lí trung tâm. Bộ xử lí trung tâm sau khi<br /> nhận tín hiệu sẽ tiến hành chuyển đổi, tính toán, phân tích<br /> và xuất các tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu<br /> ra bao gồm thiết bị hiển thị và các mạch điều khiển các cơ<br /> cấu chấp hành.<br /> 2.4.2. Thiết kế chế tạo mạch điều khiển trung tâm<br /> <br /> Hình 6. Mạch điều khiển trung tâm<br /> sau khi chế tạo<br /> <br /> Mạch điều khiển sẽ bao gồm các khối: khối nguồn, khối khuyếch đại tín hiệu cho các cảm<br /> biến, khối đo tốc độ, khối hiển thị LCD, khối điều khiển van điện từ, khối điều khiển mạch công suất<br /> cho motor và các điện trở gia nhiệt, giao tiếp bàn phím và cuối cùng là khối xử lí trung tâm. Khối xử lí<br /> trung tâm gồm 2 vi điều khiển Atmega16, hai vi điều khiển này liên lạc với nhau theo quan hệ chủ tớ.<br /> Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C, được soạn thảo bằng phần mềm AVRCodevision và được<br /> biên dịch thành file.HEX. Tập tin chương trình điều khiển sẽ được nạp vào ROM của ATMEGA16.<br /> 2.5. Xây dựng bản vẽ lắp thiết bị phối trộn<br /> Bản vẽ lắp được trình bày trên hình 7.<br /> <br /> Hình 7. Bản vẽ lắp thiết bị phối trộn<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 75<br /> <br />