Đánh giá tiêu thụ nhiên liệu riêng và độ đục khí xả của động cơ diesel d12 khi thử nghiệm nhiên liệu hỗn hợp do-Jatropha

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 1/2012 142  TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ĐÁNH GIÁ TIÊU THỤ NHIÊN LIỆU RIÊNG VÀ ĐỘ ĐỤC KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL D12 KHI THỬ NGHIỆM NHIÊN LIỆU HỖN HỢP DO - JATROPHA EVALUATON OF SPECIFIC FUEL CONSUMPTION AND EXHAUST GAS OPACITY OF DIESEL D12 WHEN IT RUN BY JATROPHA – DIESEL OIL MIXTURE Lê Minh Thảo1, PGS. TS. Quách Đình Liên2 TÓM TẮT Bài báo giới thiệu nhiên liệu dầu Jatropha làm chất pha với dầu Diesel được thử nghiệm trên động cơ diesel công suất nhỏ D12. Dẫn liệu khoa học về xác định suất tiêu thụ nhiên liệu và độ đục khí thải dầu Jatropha làm chất pha với dầu Diesel kết hợp với sấy nóng, số liệu được đối chứng với dầu Diesel. Từ khoá: Nhiên liệu Jatropha, động cơ diesel, tiêu hao nhiên liệu riêng và độ đục khí xả ABSTRACT This paper introduce Jatropha oil as fuel mixed with diesel oil is tested on diesel D12. The scientifi c data shows that specifi c fuel consumption and exhaust gas opacity when blending this diesel oil heating; carry out control experiment with Diesel oil. Keywords: Jatropha fuel, diesel engines, own fuel consumption, exhaust gas opacity 1 Lớp Cao học Kỹ thuật Tàu thủy 2008 – Trường Đại học Nha Trang 2 Trường Đại học Nha Trang KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC I. ĐẶT VẤN ĐỀ Với sự ra đời của kỹ thuật thăm dò địa chất bằng vệ tinh, con người sớm được cảnh báo là nguồn dầu mỏ sắp cạn kiệt. Với nhu cầu gia tăng năng lượng trong các hoạt động sản xuất, vận tải cùng với sức ép về môi trường nên chúng ta buộc phải nghiên cứu các nguồn năng lượng mới thay thế. Nhiên liệu mới trong đó nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật đã được nhiều nước đặc biệt quan tâm như là một năng lượng sạch, thân thiện với môi trường. Dầu Jatropha là sản phẩm chiết suất từ hạt Jatropha được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel. Dầu Jatropha được sử dụng trực tiếp hoặc đã qua chế biến thành Bio-Jatropha. Đối với việc sử dụng trực tiếp dầu Jatropha một số nghiên cứu pha trộn dầu Jatropha với dầu Diesel với tỷ lệ thích hợp; hoặc pha trộn dầu Jatropha với dầu Diesel với tỷ lệ thích hợp với chất phụ gia để cải thiện độ nhớt, tăng khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu hỗn hợp. Ưu điểm của Bio-Jatropha, sản phẩm của công nghệ hóa dầu so với dầu Jatropha nguyên chất là khi sử dụng chỉ cần điều chỉnh nhỏ động cơ. Tuy nhiên, chi phí sản xuất dầu Bio-Jatropha còn khá cao nên phương pháp sử dụng trực tiếp dầu Jatropha là đơn giản, chi phí thấp phù hợp với hạ tầng cũng như nguồn nhiên liệu sẵn có ở khu vực nông thôn, vùng sông lạch. Nhiên liệu sử dụng đề cập trong bài báo này là sản phẩm của quá trình pha trộn theo phần trăm của dầu Jatropha với dầu Diesel kết hợp với gia nhiệt. Quy hoạch thực nghiệm nhiên liệu hỗn hợp ở các mức tỷ lệ theo thể tích: 5% Jatropha + 95% Diesel, 10 Jatropha + 90% Diesel, 15% Jatropha + 85% Diesel, 20% Jatropha + 80% Diesel và 22,5% Jatropha + 77,5% Diesel (Viết tắt là: J5 ; J10 ; J15 ; J20 ; J22.5) II. ĐỐI TƯƠNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Nhiên liệu dầu Jatropha Jatropha curcas.L (gọi tắt: Jatropha) là cây bụi, có khả năng chịu hạn tốt; có lịch sử 70 triệu Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 1/2012 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG  143 năm, nguồn gốc từ Mexico, sau đó được trồng ở nhiều nước, trở thành cây bản địa ở khắp các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới trên toàn thế giới. Ở Việt Nam, từ lâu nó được trồng làm hàng rào, hiện nay, Jatropha được trồng trên các vùng đất gò đồi hoang hóa ở một số tỉnh, như: Đồng Nai, Bình Thuận, Quảng Nam Hàm lượng dầu trong nhân khoảng 50 - 60%. Bảng 1. Thà nh phầ n axit bé o trong dầu hạ t Jatropha Tên axit Công thứ c hó a họ c Tỷ lệ theokhối lượng (%) Lauric (C12:0) CH3(CH2) 10COOH 0,8 Myristic (C14:0) CH3(CH2) 12COOH 0,4 Palmitic (C16:0) CH3(CH2)4COOH 14,4 Stearic (C18:0) CH3(CH2)16COOH 7,2 Palmitoliec (C16:1) CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH 0,7 Oleic (C18:1) CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 42,0 Linoleic (C18:2) CH3(CH2)4CH=CH-CH2-CH=CH(CH2)7COOH 34,5 Axit bé o no 22,8 Axit bé o không no 77,2 Thành phần hóa học của dầu Jatropha chủ yếu là triglycerit của glycerin và axit béo chiếm khoảng 90÷95%. Dầu Jatropha được sử dụng thí nghiệm có nguồn gốc từ Xuân Mai – Hà Nội do Công ty TNHH sản xuất – thương mại Đại Đồng chế biến và cung cấp, theo kết quả phân tích ngày 04/01/2010 của Trung tâm Tiêu chuẩn - Đo lượng – Chất lượng 3, dầ u Jatropha chứ a khoả ng 22,8% axit bé o no và 77,2% axit bé o không no. Axit bé o trong dầ u chủ yế u là cá c axit: panmitic 14,4%, stearic 7,2%, oleic 42,0 % và linoleic 34,5%, nó khác nhau về độ dài chuỗi carbon và số lượng liên kết đôi hiện diện trong cấu trúc phân tử. Các axit béo không no có hàm lượng Cacbon cao, khi cháy có ánh sáng mờ hơn nhưng nhiệt tỏa ra cao hơn các axit béo no và lượng muội than sau cháy cao hơn. Dầu Jatropha có màu vàng nhạt, đặc như mỡ khi ở nhiệt độ thấp. Dầ u không phân cự c, tan rấ t tố t trong dung môi không phân cự c, không tan trong nướ c. Độ tan củ a dầ u trong dung môi phụ thuộ c và o nhiệ t độ . Bảng 2. So sánh một số tính chất của dầu Jatropha và Diesel [3] Chỉ tiêu Diesel Jatropha Chỉ số cetan 52,.0 36,7-51 Khối lượng riêng (g/cm3) 0,836 0,917 Độ nhớt (mm2/s) 3-6 50,73 Điểm chớp lửa (0C) 60 240 Điểm vẩn đục (0C) -6/-2 9-12 Tỷ trọng C/H 6,46 7,23 Nhiệt trị (kJ/kg) 43.800 39.420 Sulfur (%, w/w) 0,25 0 Nitrogen (%, w/w) 1,76 0 Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 1/2012 144  TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG Dầu Jatropha có số cetan, nhiệt trị thấp hơn dầu DO và có độ nhớt cao hơn dầu DO nhiều lần, tỷ trọng lớn hơn làm ảnh hưởng đến chất lượng quá trình cháy trong động cơ. Tuy nhiên, dầu Jatropha là nhiên liệu giàu oxy nên có thể cháy với số dự lượng không khí thấp, đặc biệt dầu Jatropha không có lưu huỳnh, Vanadi nên giảm khả năng ăn mòn động cơ. 2. Thiết bị thử nghiệm (Hình 1) Động cơ diesel D12 là động cơ 04 kỳ, 01 xylanh, kiể u nằ m, không tăng áp. Động cơ kết hợp với máy phát điện xoay chiều một pha AC 220V sử dụng để đo tải động cơ thông qua bộ điện trở phụ tải. Cụm phụ tải được thiết kế sử dụng các điện trở khô để tiêu thụ công suất phát ra của cụm diesel – máy phát. Các điện trở được nhúng trong két nước, nước trong két được bơm tuần hoàn qua két giải nhiệt. Hộp điều khiển có nhiệm vụ đóng ngắt các phụ tải điện trở để tăng hoặc giảm công suất tiêu thụ điện. Hệ thống cấp nhiên liệu gồm một bình dầu Diesel và một bình dầu Jatropha, bộ điều tiết nhiên liệu, bộ sấy nóng nhiên liệu hỗn hợp. Hệ thống điều khiển các tín hiệu đo nhiệt độ nước làm mát, khí xả, nhiệt độ sấy nóng nhiên liệu, công suất tiêu thụ được hiển thị trên màn hình máy tính. 5,498 kW. Thực tế do ảnh hưởng của môi trường và hệ số truyền động, nên hiệu suất của máy phát chọ n: ηP= 0,80, hiệu suất môi trường ηmt= 0.85 [17]; hiệu suất truyền động ηtđ=0,90 [4] ; 1hp = 0,736 kW. Công suất của động cơ tương ứng với các mức phụ tải là: 1,31hp; 2,05hp; 2,710hp; 4,02hp; 5,29hp; 6,03hp; 8,10hp; 9,93hp; 10,92hp. Pha trộn, gia nhiệt và tiến hành đo độ nhớt của các hỗn hợp đến nhiệt độ 800C, hỗn hợp dầu Diesel - Jatropha với tỷ lệ J5, J10, J15, J20, J22,5 đạt được độ nhớt tương đương với độ nhớt của dầu Diesel đo trên cùng một thiết bị. Đo chi phí nhiên liệu giờ theo mức tiêu thụ nhiên liệu 50ml bằng bình đo có chia vạch trong thời gian t (phút) theo công thức: Ge = . Đo suất chi phí nhiên liệu theo công thức ge = . Kết quả đo thể hiện ở Bảng 3. Đo độ đục khí thải bằng thiết bị của Đức (model DO-285), kết quả đo ở Bảng 4. 3.2. Thu nhận và xử lý số liệu Đo chi phí nhiên liệu và độ đục khí thải được tiến hành đồng thời, với số điểm thí nghiệm n = 9, số lần lặp tại mỗi điểm thí nghiệm r = 3, mức ý nghĩa α = 0,95 và khảo sát sự thay đổi của chi phí nhiên liệu và độ đục khí thải tại mỗi tỷ lệ ở các mức tải khác nhau. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Kết quả nghiên cứu Kết quả thực nghiệm được đánh giá bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. 1.1. Kết quả xử lý độ nhớt Xác định độ nhớt tương đối hỗn hợp dầ u Jatropha - Diesel bằng dụng cụ đo độ nhớt nhã n hiệu LABORMMUSZERIPARIMUVEK (Hunggary). Cho 200ml hỗn hợp dầ u jatropha - diesel vào nhớt kế sau đó tính thời gian cần thiết để cho 200ml hỗn hợp dầ u Jatropha - Diesel chảy qua nhớt kế. Tương tự cho 200ml nước cất ở 200C vào nhớt kế sau đó tính thời gian cần thiết để 200ml nước cất chảy qua thiết bị. Độ nhớt tương đối của mẫu thử được xác định theo công thức: 0E = Hỗn hợp nhiên liệu DO – Jatropha có độ nhớt cao, cần phải sấy nóng ở các nhiệt độ khác nhau để xác định mức nhiệt độ sấy thích hợp cho các hỗn hợp. Hình 1. Sơ đồ thử nghiệm động cơ D12 chạy có tải sử dụng DO và hỗn hợp nhiên liệu thay thế 1. Động cơ D12; 2. Máy phát điện xoay chiều; 3. Các hộ tiêu thụ (điện trở dây tóc); 4. Bộ dâm dầu thực vật; 5. Hộp kết nối máy vi tính; 6. Máy vi tính; 7. Bơm nước làm mát; 8. Két lám mát; 9. Mô tơ - Quạt; 10. Bệ của máy và động cơ điện; 11. Van ba ngả; 12. Rowle điều khiển động mạch bộ dâm dầu; 13. Bộ công tắc điều chỉnh mức tải của động cơ. 3. Phương pháp nghiên cứu 3.1. Thực nghiệm Bộ phụ tải tiêu thụ công suất cố định với dãi công suất: 0,660 kW; 1,034 kW; 1,364 kW; 2,024 kW; 2,662 kW; 3,036 kW; 4,078 kW; 4,998 kW; Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 1/2012 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG  145 Hình 2. Kết quả xử lý độ nhớt theo nhiệt độ Với nhiệt độ sấy 800C, các hỗn hợp có tỷ lệ J5, J10, J15, J20 và J22,5 có độ nhớt ở mức tương đương và dưới 1,31 0E nên thích hợp cho việc chạy thử nghiệm trên động cơ. 1.2. Kết quả tiêu thụ nhiên liệu riêng Bảng 3. Kết quả tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ (ml/hp.h) sử dụng DO và các hỗn hợp Ne (hp) geD gej5 gej10 gej15 gej20 gej22.5 1,31 0,727 0,742 0,747 0,750 0,752 0,753 2,05 0,519 0,542 0,559 0,603 0,615 0,643 2,71 0,422 0,427 0,517 0,542 0,565 0,565 4,02 0,324 0,343 0,368 0,388 0,415 0,412 5,23 0,269 0,283 0,334 0,364 0,384 0,389 6,03 0,245 0,263 0,311 0,347 0,371 0,376 8,10 0,225 0,239 0,270 0,290 0,307 0,309 9,93 0,270 0,279 0,296 0,300 0,311 0,319 10,92 0,377 0,385 0,399 0,408 0,415 0,419 1.3. Kết quả giá trị độ đục khí xả Bảng 4. Kết quả giá trị đo độ đục khí thải (%) động cơ khi sử dụng dầu DO và các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 Ne(hp) HSU-DO HSU-j5 HSU-j10 HSU-j15 HSU-j20 HSU-j22,5 1,31 0,40 0,89 1,03 1,46 1,75 1,97 2,05 0,90 1,02 1,12 1,72 2,04 2,22 2,71 1,30 1,35 1,48 2,06 2,47 2,68 4,02 2,10 1,76 1,85 2,33 2,99 3,36 5,29 3,00 2,23 2,56 3,27 3,78 4,35 6,03 4,22 3,47 3,66 4,75 5,22 5,47 8,10 6,72 6,75 6,87 7,78 8,48 8,89 9,93 11,24 11,36 11,47 12,78 14,28 14,84 10,92 15,63 16,29 16,44 18,86 20,35 22,38 Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 1/2012 146  TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG Bảng 5. Tiêu hao nhiêu liệu riêng của hỗn hợp so với dầu diesel ở các mức tải Ne(hp) Tỷ lệ tăng (%) J5 J10 J15 J20 J22.5 1,31 2,08 2,66 3,18 3,45 3,59 2,05 4,37 8,27 16,12 18,43 23,82 2,71 1,28 12,16 28,56 34,01 34,01 4,02 5,83 10,00 19,72 28,05 27,12 5,29 5,20 8,30 35,32 42,75 44,61 6,03 7,22 11,15 41,46 51,24 53,28 8,10 6,03 8,90 28,66 36,20 37,09 9,93 3,26 8,83 11,03 15,10 18,06 10,92 2,18 5,.65 8,28 10,14 11,20 Trung bình 4,16 8,44 21,37 26,60 28,09 2. Thảo luận 2.1. Thảo luận kết quả tiêu hao nhiên liệu riêng Kết quả thực nghiệm cho thấy, động cơ có tiêu hao nhiên liệu riêng lớn hơn ở mọi chế độ tải khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DO – Jatropha so với nhiên liệu Diesel. Đáng chú ý là hỗn hợp nhiên liệu J5 và J10 có suất tiêu hao nhiên liệu riêng theo thể tích tăng không đáng kể so với nhiên liệu Diesel (Bảng 5). Mức tăng của tiêu hao nhiên liệu riêng của các hỗn hợp có thể giải thích bởi các lý do: - Sự hiện diện của oxy trong nhiên liệu có cải thiện quá trình cháy nhưng khi tăng tỷ lệ pha trộn dầu Jatropha trong hỗn hợp làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu hỗn hợp, nhiệt trị của dầu Jatropha thấp hơn so với DO làm tiêu hao nhiên liệu riêng theo thể tích ge tăng. - Tăng tỷ lệ dầu Jatropha làm độ nhớt tăng, do độ nhớt cao và tính bay hơi kém của dầu thực vật làm chất lượng phun xấu và quá trình đốt cháy kém hiệu quả hơn, dẫn đến tiêu thụ nhiên liệu tăng. - Khi tăng tỷ lệ dầu Jatropha thì khối lượng riêng cũng thay đổi tăng so với DO, điều này ảnh hưởng đến chất lượng phun tơi nhiên liệu [4]. - Ngoài ra, vòi phun chế tạo dùng cho DO nên chất lượng phun nhiên liệu hỗn hợp Diesel - Jatropha sẽ kém hơn. 2.2. Thảo luận kết quả độ đục khí xả Kết quả thực nghiệm cho thấy, độ đục khí xả tăng khi tăng tỷ lệ dầu Jatropha trong hỗn hợp. Ở mức tải thấp, các hỗn hợp nhiên liệu đều có độ đục khí xả cao hơn chút ít so với diesel. Ở mức tải ổn định độ đục khí xả các hỗn hợp J5, J10 thấp hơn so với diesel, J15 tăng nhẹ so diesel. Độ đục tăng khá rõ rệt ở mức tải cao đối với các hỗn hợp J20, J22.5 (Bảng 5). Do nồng độ của dầu Jatropha lớn ở tải cao nên khả năng phun sương của nhiên liệu kém hơn, do vậy quá trình cháy không tốt dẫn đến độ đục khí xả tăng. Hình 3. Đồ thị hồi qui đặc tính tải động cơ D12 sử dụng các loại nhiên liệu Hình 4. Đồ thị biến thiên độ đục khí thải của động cơ D12 sử dụng các loại nhiên liệu Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 1/2012 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG  147 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận 1.1. Theo chỉ tiêu kinh tế và môi trường, hỗn hợp nhiên liệu DO - Jatropha tối ưu là J5 và J10 khi được gia nhiệt ở 80oC. Hỗn hợp này, sử dụng tốt trên động cơ D12 và có tiêu hao nhiên liệu riêng ge tăng nhẹ so với dầu Diesel, độ đục khí xả của các hỗn hợp J5, J10 khi được gia nhiệt ở 80oC là tương đương với dầu Diesel và độ đục chỉ tăng chút ít khi ở tải cao. 1.2. Động cơ hoạt động có tiếng ồn và rung động tăng khi hoạt động ở tải lớn, đặc biệt là đối với hỗn hợp có tỷ lệ pha Jatropha cao J20, J22.5. Nhiệt độ nước làm mát, khí xả của động cơ khi sử dụng các hỗn hợp J15, J20, J22.5 cao hơn khi sử dụng dầu DO. 2. Kiến nghị 2.1. Khi thử nghiệm dầu Jatropha trên động cơ xét thêm ảnh hưởng của góc phun sớm, áp suất phun nhiên liệu, hàm lượng nước trong dầu Jatropha đến chất lượng hoạt động của động cơ để có được các thông số làm việc hợp lý nhất. 2.2. Pha phụ gia, sử dụng thiết bị phối trộn để đạt được tỷ lệ chính xác và độ đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu. 2.3. Nghiên cứu thêm về độ tin cậy, độ bền của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DO - Jatropha làm nhiên liệu chạy động cơ diesel để có kết luận đầy đủ hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đặ ng Văn Giá p (2007), Phân tí ch dữ liệ u khoa họ c bằ ng chương trì nh excel, Nhà xuấ t bả n Giáo dục, Hà Nội. 2. Phùng Minh Lộc, 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, trang 193-196, số đặc biệt 2009. 3. D.Agarwal (2007), Performance and emissions characteristics of Jatropha oil in a direct injection compression ignition engine, Applied Thermal Engineering, 27, 2314–2323. 4. Carsten Baumgarten (2006), Mixture Formation in Internal Combustion Engines, © Springer-verlag Berlin Heidelberg 2006 printed in German. 5. K Pramanik (2002), Properties and use of jatropha curcas oil and diesel fuel blends in compression ignition engine.