Luận văn Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xy lanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex combustion (TVC) sử dụng nhiên liệu sinh học bio-Diesel (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xy lanh diesel phun gián tiếp có buồng cháy three vortex combustion (TVC) sử dụng nhiên liệu sinh học bio-Diesel (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HÙNG VIỆT NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ 3 XY LANH DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY THREE VORTEX COMBUSTION (TVC) SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIO - DIESEL ( THAM KHẢO ĐỘNG CƠS K C 30 0 34 92 51 XY9 LANH KUBOTA D1703 - M - E3B) NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 S KC 0 0 4 2 2 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HÙNG VIỆT NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ 3 XY LANH DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY THREE VORTEX COMBUSTION (TVC), SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIO-DIESEL. (THAM KHẢO ĐỘNG CƠ 3 XY LANH KUBOTA D1703-M-E3B) NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM XUÂN MAI Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Hùng Việt Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08/08/1988 Nơi sinh: Bình Định Quê quán: Cát Thắng - Phù Cát - Bình Định Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 23/6 B Đường 4 - Tăng Nhơn Phú B - Quận 9 - Tp.HCM E-mail: vietnguyenckd@gmail.com; vietnguyenckd@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao đẳng: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2006 đến 10/2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường CĐKT Lý Tự Trọng Tp.HCM - Tp.HCM Ngành học: Công nghệ kỹ thuật ôtô 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 03/2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu động học và động lực học xe Toyota Vios Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 21/01/2011, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Người hướng dẫn: GVC.MSC. Đặng Quý III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty cổ phần dịch vụ 08/2011 - 10/2011 Nhân viên bảo hành ô tô Hàng Xanh Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật 10/2011 - Nay Học viên cao học Tp.HCM i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2013 Người nghiên cứu (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Hùng Việt ii
5. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: - Ban giám hiệu, Bộ phận Sau Đại học - Phòng Đào tạo, quý thầy cô khoa cơ khí động lực trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, quý thầy cô khoa cơ khí giao thông - Bộ môn ô tô, máy động lực trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và hoàn thành luận văn. - PGS.TS Phạm Xuân Mai - Giảng viên hướng dẫn. Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Xin kính chúc Thầy luôn mạnh khoẻ, vui tươi và hạnh phúc. - Các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho tôi những đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận văn này. - Các học viên lớp Cao học Kỹ thuật cơ khí động lực 2011 B đã có nhiều hỗ trợ và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. - Đặc biệt, xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến ba má và người thân đã cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn. Mặc dù rất nổ lực, nhưng do kiến thức còn hạn chế, thời gian có hạn và thiết bị hỗ trợ thiếu thốn nên khó tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong Quý Thầy Cô và các bạn góp ý thêm để đề tài nghiên cứu này sớm được áp dụng vào thực tế. Xin chân thành cảm ơn! Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 10 năm 2013 Học viên Nguyễn Hùng Việt iii
6. TÓM TẮT Luận văn này giới thiệu kết quả nghiên cứu về “Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xy lanh Diesel phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-Diesel. (tham khảo động cơ 3 xy lanh KUBOTA D1703-M-E3B)”. Nghiên cứu quá trình cháy của động cơ này nhằm mục đích thiết kế, chế tạo ra một động cơ mới dựa trên nền tảng là động cơ Diesel 3 xy lanh phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVCS) sử dụng nhiên liệu Bio-Diesel thân thiện với môi trường, giảm khí thải ô nhiễm, và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống như xăng, diesel Với nghiên cứu này sẽ tạo ra loại động cơ riêng của Việt Nam mang thương hiệu của Việt Nam và đặc biệt là giá thành sẽ thấp hơn so với động cơ của thế giới nhằm phục vụ cho sự nghiệp cơ giới hóa, hiện đại hóa nền nông nghiệp nông thôn Việt Nam. ABSTRACT In this study, the author introduces research findings on "Research in combustion engine 3 cylinder indirect injection diesel combustion chamber Three Vortex Combustion (TVC), biofuel use Bio-Diesel. (Reference 3 cylinder engine KUBOTA D1703-M-E3B). Studies of the combustion engine aims to design, manufacture a new engine is based on the 3 cylinder diesel engine with indirect injection combustion chamber Three Vortex Combustion (TVC) Bio-fuel use diesel environmentally friendly, pollution emissions, and reduce dependence on traditional fuels such as gasoline, diesel. With this research will produce engines Vietnam's own brand of Vietnam and especially the price will be lower than the engine of the world to serve the cause of mechanization, modernization agricultural and rural Vietnam. Key words: biodiesel, three cylinder, idi engine, simulations, three vortex combustion, Ricardo Wave. iv
7. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tắt x Danh sách các bảng xii Danh sách các hình xiv Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1 1.1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài. 1 1.1.1. Thực trạng trang bị máy móc và phương tiện cho các ngành. 1 1.1.1.1. Quy mô sử dụng đất nông nghiệp và mức độ trang bị máy móc cơ điện nông nghiệp. 1 1.1.1.2. Nguồn động lực trong sản xuất nông nghiệp. 2 1.1.1.3. Mức độ cơ giới hóa trong sản xuất và công nghệ sau thu hoạch. 3 1.1.2. Nhu cầu động cơ nhỏ cho nông nghiệp và nông thôn Việt Nam. 5 1.1.3. Nhu cầu của động cơ 3 xy lanh Diesel tại Việt Nam. 7 1.1.4. Công nghiệp máy động lực ở Việt Nam. 9 1.1.4.1. Thị phần cạnh tranh máy nông nghiệp 9 1.1.4.2. Thị phần công suất máy nông nghiệp. 10 1.1.5. Nhiên liệu thay thế. 13 1.1.6. Phương pháp nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng nhiên liệu Biodiesel. 15 1.1.7. Kết luận. 15 1.2. Tình hình nghiên cứu nước ngoài và trong nước. 16 1.2.1. Tính hình nghiên cứu động cơ 3 xy lanh nước ngoài. 16 v
8. 1.2.2. Tính hình nghiên cứu động cơ 3 xy lanh tại Việt Nam. 17 1.3. Mục đích và đối tượng nghiên cứu của đề tài. 20 1.4. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài. 20 1.5. Phạm vi nghiên cứu. 20 1.6. Nội dung nghiên cứu của đề tài. 21 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn mà đề tài mang lại. 21 1.7.1 Ý nghĩa khoa học. 21 1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn. 21 1.8. Phương pháp nghiên cứu 22 1.8.1. Phương pháp thống kê, phân tích. 22 1.8.2. Phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng. 22 1.8.3. Phương pháp nghiên cứu tính toán thiết kế. 22 1.8.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. 22 1.8.5. Phương pháp chuyên gia. 22 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY 23 2.1. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy động cơ nhiệt. 23 2.1.1. Tính chất của màng lửa. 23 2.1.2. Cháy hoàn toàn lý thuyết. 24 2.1.3. Các định luật nhiệt động học cho quá trình cháy. 26 2.1.3.1. Định luật nhiệt động học thứ nhất áp dụng cho quá trình cháy. 26 2.1.3.2. Định luật nhiệt động học thứ hai áp dụng cho quá trình cháy. 32 2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy động cơ Diesel phun gián tiếp. 36 2.2.1. Khái quát về quá trình cháy trong động cơ Diesel. 36 2.2.2. Lý thuyết quá trình cháy trong động cơ Diesel phun gián tiếp. 38 2.2.3. Phân tích áp suất trong buồng cháy. 40 2.2.4. Hiệu suất cháy. 41 2.2.5. Động cơ phun gián tiếp IDI 41 2.2.6. Quá trình cháy động cơ Diesel phun gián tiếp IDI. 44 2.3. Cơ sở lý thuyết TVCS về nhiệt hóa. 50 vi
9. 2.3.1. Lý thuyết ba dòng xoáy lốc. 50 2.3.2. Mô hình chuyển động của ba dòng xoáy lốc. 53 2.3.2.1. Mô hình của Helmholtz. 53 2.3.2.2. Mô hình Theo Goriachev. 54 2.3.2.3. Mô hình của Grobli. 54 Chương 3 NHIÊN LIỆU BIO-DIESEL SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 55 3.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học Biodiesel. 55 3.1.1. Khái niệm. 55 3.1.2. Các tính năng khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel. 55 3.1.2.1. Tính chất lý hóa của nhiên liệu Biodiesel. 55 3.1.2.2. Ưu nhược điểm về mặt môi trường của nhiên liệu Biodiesel. 56 3.1.2.3. Ưu nhược điểm về mặt kỹ thuật của nhiên liệu Biodiesel. 57 3.1.2.4. Ưu nhược điểm về mặt kinh tế của nhiên liệu Biodiesel. 57 3.2. Đặc điểm động cơ sử dụng nhiên liệu Biodiesel 61 3.2.1. Tạo hỗn hợp khi dùng nhiên liệu Biodiesel. 61 3.2.2. Vấn đề tăng khả năng lưu thông của nhiên liệu qua bầu lọc khi dùng nhiên liệu Biodiesel. 61 3.2.3. Ưu điểm của buồng cháy TVCS khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel. 61 3.3. Nguyên liệu sản xuất và thành phần hóa học của nhiên liệu Biodiesel. 63 3.3.1. Dầu thực vật. 63 3.3.2. Mỡ động vật. 64 3.3.3. Dầu thải chiên rán. 65 3.4. Phương pháp điều chế nhiên liệu Biodiesel. 67 3.4.1. Phương pháp điều chế Biodiesel từ mỡ cá Basa. 67 3.4.1.1. Qui trình công nghệ chiết tách mỡ lỏng từ mỡ cá. 67 3.4.1.2. Qui trình sản xuất Biodiesel bằng hình ảnh. 69 3.4.2. Phương pháp điều chế dầu Biodiesel từ cây Jatropha. 71 3.4.2.1. Qui trình điều chế. 71 3.4.2.2. Công nghệ sản xuất dầu Jatropha. 72 vii
10. 3.5. Các thông số chính của nhiên liệu Biodiesel. 74 3.5.1. Các chỉ tiêu nhiên liệu đối với dầu từ mỡ cá basa. 74 3.5.2. Các chỉ tiêu nhiên liệu đối với dầu Jatropha. 75 Chương 4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ HÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL TRONG PHẦN MỀM RICARDO WAVE. 76 4.1. Mô hình sự cháy động cơ Diesel Wiebe. 76 4.1.1. Cháy trễ. 78 4.1.2. Mô hình sự cháy phun thí điểm. 78 4.2. Mô hình sự cháy đa phần động cơ Diesel Wiebe. 79 4.3. Mô hình sự cháy tia phun Diesel. 80 4.3.1. Sự bay hơi của giọt nhiên liệu. 81 4.3.2. Hỗn hợp không khí - nhiên liệu. 81 4.3.3. Sự cháy. 82 4.3.4. Sự hình thành NOx. 82 4.3.5. Sự hình thành bồ hóng. 83 4.4. Mô hình phân tích sự giải phóng nhiệt quá trình cháy. 85 4.4.1. Sự Nén. 85 4.4.2. Sự Cháy. 85 4.4.3. Xác định đúng điểm chết trên (TDC). 89 4.5. Dữ liệu sự cháy động cơ Diesel. 90 Chương 5 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU BIO-DIESEL TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY TVCS BẰNG PHẦN MỀM RICARDO WAVE 94 5.1. Tổng quan về phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong Ricardo Wave. 94 5.1.1. Giới thiệu. 94 5.1.2. Các chức năng chính và các bước xây dựng mô hình mô phỏng. 95 5.1.2.1. Các chức năng chính của phần mềm Ricardo Wave. 95 5.1.2.2. Các bước xây dựng mô hình mô phỏng trên Ricardo Wave. 95 viii
11. 5.1.3. Phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng động cơ Diesel 3 xy lanh trong phần mềm Ricardo Wave. 96 5.2. Mô hình hóa quá trình cháy, ngọn lửa và khu vực cháy 98 5.2.1. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy khuếch tán. 98 5.2.2. Mô hình hóa quá trình cháy trong phần mềm Kiva. 102 5.2.2.1. Mô hình cháy trễ. 102 5.2.2.2. Mô hình sự cháy. 104 5.2.2.3. Mô hình hình thành bồ hóng và cháy bồ hóng. 106 5.3. Mô phỏng quá trình cháy động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu Biodiesel bằng phần mềm Ricardo Wave. 108 5.3.1. Các thông số mô phỏng động cơ Diesel 3 xy lanh sử dụng nhiên liệu Biodiesel. 108 5.3.2. Các kết quả mô phỏng động cơ bằng đồ thị. 109 5.3.2.1. Đặc tính động cơ. 109 5.3.2.2. Đặc tính khí thải động cơ. 118 5.3.3. Mô phỏng bằng hình ảnh tốc độ dòng chảy, áp suất và nhiệt độ của nhiên liệu B5 tại số vòng quay n = 2800. 124 Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 134 6.1. Kết luận kết quả đề tài 134 6.2. Kiến nghị. 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 ix
12. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT - ĐBSH: đồng bằng sông hồng. - Ha: hecta. - HP/hp (Horse Power): sức kéo (sức ngựa). - PTVN: phương tiện vận tải. - GDP (Gross Domestic Product): tổng sản phẩm quốc nội - SVEAM (Southern Vietnam Engine and Agricultural Machinery): công ty Trách nhiệm hữu hạn một thành viên Động cơ và Máy nông nghiệp Miền Nam - VEAM (Vietnam Engine and Agricultural Machinery): tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp Việt Nam - LPG (Liquefied Petroleum Gas): khí hóa lỏng - CNG (Compressed Natural Gas): khí nén thiên nhiên - LNG (Liquefied Natural Gas): khí hóa lỏng tự nhiên - BDF/BD (Biodiesel Fuel): nhiên liệu Diesel sinh học - ODA (Official Development Assistance): hỗ trợ phát triển chính thức - SAE (Society of Automotive Engineers): hiệp hội kỹ sư ô tô Mỹ - E-TVCS/TVCS/TVC (Three Vortex Combustion System): hệ thống buồng cháy 3 luồng xoáy lốc - IDI (Indirect Injection): phun gián tiếp - DI (Direct Injection): phun trực tiếp - ISFC (Indicated Specific Fuel Consumption): chỉ số tiêu hao nhiên liệu - EVO (Exhaust Valve Open): van xả mở - EVC (Exhaust Valve Close): van xả đóng - IVO (Intake Valve Open): van hút mở - IVC (Intake Valve Close): van hút đóng - TDC (Top Dead Center): điểm chết trên. - BDC (Bottom Dead Center): điểm chết dưới - CA (CRANK ANGLE): góc quay trục khuỷu x
13. - RPM (Revolutions Per Minute): vòng/phút - HC: Hidrocarbure chưa cháy - PPM (Parts Per Million): đơn vị đo mật độ - CI (Compress Ignition): động cơ Diesel nén cháy. - DO (Diesel Oil): dầu Diesel - CV (Cheval Vapeur (France)): mã lực của Pháp, 1 CV = 0,986 HP; 1 HP = 0,736 kW; 1 kW = 1,36 HP; 1 CV = 0,736 kW - A/F (Air/ Fuel): tỷ số không khí trên nhiên liệu - FAO (Food and Agriculture Organization): tổ chức nông lương liên hiệp quốc - SI (Spark Ignition): cháy bởi tia lửa (động cơ xăng) - TDCF (Top Dead Center Firing): thứ tự điểm chết trên xi
14. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1: Thống kê ruộng đất sản xuất nông nghiệp của hộ nông dân ở các vùng 1 Bảng 1.2: Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn. 2 Bảng 1.3: Thống kê cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp. 3 Bảng 1.4: Thống kê cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp. 4 Bảng 1.5: Thống kê cơ giới hóa trong ngành thủy hải sản. 5 Bảng 1.6: Mức độ đầu tư phương tiện vận tải ở khu vực nông thôn của các vùng 5 Bảng 1.7: Dãy công suất động cơ và cỡ lực kéo ở móc máy kéo. 6 Bảng 2.1: Enthalpy tạo thành tiêu chuẩn (298,150K (250C) và áp suất 1 atm) 28 Bảng 2.2: Enthalpy và năng lượng tự do của phản ứng cháy. 34 Bảng 3.1: Tính chất lý hóa cơ bản của các Biodiesel. 56 Bảng 3.2: So sánh độ cặn và trị số Cetane của các loại Biodiesel. 56 Bảng 3.3: Lượng khí thải dầu Biodiesel (BDF) so với dầu Diesel (DO). 57 Bảng 3.4: Tính chất nhiên liệu Diesel, B5, B10, B30. 62 Bảng 3.5: Thành phần mỡ cá basa được đo tại Trung Tâm Nghiên Cứu và Phát triển Chế Biến Dầu Khí (RDCPP). 74 Bảng 3.6: Các chỉ tiêu nhiên liệu đối với dầu Jatropha. 75 Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật động cơ Diesel thử nghiệm. 108 Bảng 5.2: Bảng số liệu mô phỏng công suất đầu ra của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10. 127 Bảng 5.3: Bảng số liệu mô phỏng moment đầu ra của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10. 128 Bảng 5.4: Bảng số liệu mô phỏng suất tiêu hao nhiên liệu của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10. 129 Bảng 5.5: Bảng số liệu mô phỏng hiệu suất nhiệt động cơ của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10. 130 xii
15. Bảng 5.6: Bảng số liệu mô phỏng nồng độ CO của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10. 131 Bảng 5.7: Bảng số liệu mô phỏng nồng độ NOx của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10. 132 Bảng 5.8: Bảng số liệu mô phỏng nồng độ HC của các mẫu nhiên liệu Diesel, B5, và B10. 133 xiii
16. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Thị phần động cơ 3 xy lanh 30 - 50 Hp. 8 Hình 1.2: Sơ đồ các loại máy móc và các công ty cơ khí tiêu biểu. 9 Hình 1.3: Sơ đồ các nhóm chiếm lược trong ngành chế tạo máy nông nghiệp. 10 Hình 1.4: Thị phần máy nông nghiệp tại Việt Nam. 10 Hình 1.5: Thị phần động cơ phục vụ cho nông nghiệp Việt Nam. 11 Hình 1.6: Thị phần động cơ 24 - 37 HP phục vụ cho nông nghiệp Việt Nam. 12 Hình 2.1: Tỷ lệ hỗn hợp hòa trộn nhiên liệu và không khí. 26 Hình 2.2: Sự biến đổi của hệ thống phản ứng cháy theo định luật nhiệt động học thứ nhất. 27 Hình 2.3: Quá trình cháy đoạn nhiệt đẳng tích hay đẳng áp trên giản đồ U(T) hay H(T). 30 Hình 2.4: Hệ thống hở dùng để khảo sát động cơ đốt trong. 31 Hình 2.5: Biến thiên hiệu suất cháy theo độ đậm đặc ∅. 32 Hình 2.6: Hiệu suất nhiệt của động cơ. 34 Hình 2.7: Sơ đồ đường cong phun nhiên liệu và tỏa nhiệt của động cơ Diesel phun gián tiếp có buồng cháy xoáy lốc. 40 Hình 2.8: Sơ đồ buồng cháy dự bị và buồng cháy chính trong động cơ Diesel phun gián tiếp. 42 Hình 2.9: Đường cong tỏa nhiệt tính toán đối với động cơ Diesel phun gián tiếp ở chế độ tải cố định với 0,29 ≤ ∅ < 0,32, tốc độ 2500 vòng/phút. 43 Hình 2.10: Mô hình tổng thể buồng cháy động cơ Diesel phun gián tiếp IDI. 47 Hình 2.11: Quá trình hoạt động của động cơ Diesel phun gián tiếp. 47 Hình 2.12: Kết cấu buồng cháy trong động cơ Kubota D1703-M-E3B 48 Hình 2.13: Buồng cháy Three Vortex Combustion. 49 Hình 2.14: Mô hình buồng cháy Three Vortex và đỉnh piston 49 Hình 2.15: Các dạng xoáy lốc. 51 xiv
17. Hình 2.16: Mô hình chuyển động của 3 dòng xoáy lốc. 53 Hình 2.17: Mô hình chuyển động của 4 và 5 xoáy lốc. 54 Hình 2.18: Mô phỏng chuyển động của ba dòng xoáy do Grobli thiết lập. 54 Hình 3.1: Nguyên liệu dầu Diesel sinh học trên thế giới. 58 Hình 3.2: Lịch sử giá của dầu dừa, đậu tương, dầu cọ và dầu hạt cải so với Diesel năm 2007. 59 Hình 3.3: Lịch sử giá của Diesel so với Biodiesel tại Mỹ (2005- 2008) 59 Hình 3.4: Lịch sử giá Diesel so với Biodiesel tại EU (Đức) 2005 60 Hình 3.5: Bảng thống kê sản lượng Biodiesel ở các nước châu Á từ 2007 – 2009 60 Hình 3.6: Công thức cấu tạo của triglyceride. 64 Hình 3.7: Qui trình công nghệ chiết tách mỡ lỏng từ mỡ cá. 68 Hình 3.8: Qui trình sản xuất Biodiesel bằng hình ảnh. 69 Hình 3.9: Biểu đồ quá trình hydro cracking. 71 Hình 3.10: Qui trình điều chế dầu Biodiesel từ cây Jatropha. 71 Hình 3.11: Quả và hạt Jatropha khô. 72 Hình 3.12: Sơ đồ máy ép hạt Jatropha KK - 40 của Đức sử dụng tại Việt Nam 73 Hình 3.13: Quá trình lọc dầu bằng phương pháp lọc lắng 73 Hình 4.1: Bảng các thông số đầu vào của động cơ Kubota D1703-M-E3B. 91 Hình 4.2: Chức năng động cơ Diesel Wiebe (cháy qua 3 bước: cháy trước khi hòa trộn hỗn hợp, cháy chính và cháy đuôi). 92 Hình 4.3: Thanh sự cháy trong bảng điều chỉnh động cơ 92 Hình 5.1: Giao diện phần mềm Ricardo Wave. 94 Hình 5.2: Bảng thông số đầu vào của động cơ Kubota D1703-M-E3B. 97 Hình 5.3: Mô hình mô phỏng động cơ Diesel 3 xy lanh. 98 Hình 5.4: Kết cấu buồng cháy chính và đỉnh piston. 101 Hình 5.5: Thông số động cơ về moment, công suất và sức tiêu hao nhiên liệu 109 Hình 5.6: Công suất của động cơ Kubota D1703–M-E3B với nhiên liệu Diesel, B5,và B10. 109 xv
18. Hình 5.7: Moment của động cơ Kubota D1703-M-E3B với nhiên liệu Diesel, B5,và B10 110 Hình 5.8: Biểu đồ áp suất xy lanh phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với nhiên liệu B5, B10 và Diesel. 112 Hình 5.9: Biểu đồ nhiệt độ xy lanh phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với nhiên liệu B5, B10 và Diesel. 113 Hình 5.10: Biểu đồ tỷ lệ truyền nhiệt phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với nhiên liệu B10, B5 và Diesel. 113 Hình 5.11: Mức độ giải phóng nhiệt và lượng nhiệt giải phóng tích lũy. 114 Hình 5.12: Hiệu suất nhiệt của động cơ với ba nhiên liệu Diesel, B5, và B10. 115 Hình 5.13: Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ CI sử dụng nhiên liệu B5, B10 và Diesel. 116 Hình 5.14: Đồ thị công chỉ thị P-V của động cơ CI sử dụng nhiên liệu B10, B5 và Diesel. 117 Hình 5.15: Đồ thị nhiệt - Enthalpy của động cơ CI sử dụng nhiên liệu B10, B5 và Diesel. 118 Hình 5.16: Biểu đồ nồng độ NOx phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với nhiên liệu B10, B5 và Diesel. 119 Hình 5.17: Biểu đồ nồng độ NO phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với nhiên liệu B5, B10 và Diesel. 120 Hình 5.18: Biểu đồ nồng độ CO phụ thuộc vào tải và góc quay trục khuỷu với nhiên liệu B5, B10 và Diesel. 121 Hình 5.19: Mô phỏng diễn biến áp suất từng xy lanh của động cơ CI sử dụng nhiên liệu B5 124 Hình 5.20: Mô phỏng diễn biến nhiệt độ buồng cháy của động cơ CI sử dụng nhiên liệu B5. 125 Hình 5.21: Mô phỏng tốc độ của dòng chảy khí cháy của động cơ CI sử dụng nhiên liệu B5. 126 xvi
19. Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài. 1.1.1. Thực trạng trang bị máy móc và phương tiện cho các ngành. 1.1.1.1. Quy mô sử dụng đất nông nghiệp và mức độ trang bị máy móc cơ điện nông nghiệp. Theo tài liệu Tổng cục Thống kê, tính đến năm 2011, cả nước có khoảng 26.226.400 ha đất nông nghiệp, chiếm gần 79,65 % diện tích đất tự nhiên. Kết quả điều tra, phân tích và tính toán cho thấy, qui mô ruộng đất sản xuất nông nghiệp của hộ nông dân ở các vùng như bảng 1.1 [1]: Bảng 1.1: Thống kê ruộng đất sản xuất nông nghiệp của hộ nông dân ở các vùng. Khu vực Tổng số hộ Tổng diện tích đất Cơ cấu hộ chia theo quy mô (%) ha/hộ nông nghiệp (ha) Dưới Từ Từ Từ 2 ha 0,2 0,2 - 0,5 0,5 - 2 trở lên Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) 3.136.734 1.405.390 59,51 37,23 3,18 0,08 0,44 Trung du và miền núi phía 2.142.383 7.264.140 28,24 37,5 29,56 4,7 3,39 Bắc Bắc Trung Bộ & duyên hải miền 3.006.663 7.424.560 36,27 41,74 19,12 2,87 2,46 Trung Tây Nguyên 904.645 4.825.890 6,49 14,87 55,4 23,24 5,33 Đông Nam Bộ 624.618 1.902.020 18,77 19,19 42,22 19,82 3,04 Đồng bằng sông 2.133.218 3.404.400 18,97 29,1 41,84 10,09 1,59 Cửu Long 1
20. 1.1.1.2. Nguồn động lực trong sản xuất nông nghiệp. Theo Tổng cục Thống kê tính đến năm 2011 cả nước đã trang bị: 15.500 máy kéo, máy cày lớn (trên 35 HP), 207.112 máy kéo, máy cày trung (từ 12 – 35 HP), và 275.131 máy kéo, máy cày nhỏ (< 12 HP), 40.146 ô tô vận tải hành khách và hàng hóa, 175.189 động cơ điện, 126.704 máy phát điện, 281.049 động cơ chạy xăng, diesel, 6.282 tàu thuyền dịch vụ thủy sản có động cơ, 5.325 tàu thuyền vận tải hành khách, 142.183 tàu thuyền vận tải hàng hóa, 231.069 máy tuốt lúa có động cơ, 58.914 lò, máy sấy sản phẩm nông lâm thủy sản, 204.654 máy chế biến lương thực, 551.508 bình phun thuốc trừ sâu có động cơ, 1.932.349 máy bơm nước dùng cho sản xuất nông lâm thủy sản, 62.364 máy chế biến thức ăn gia súc, 5.774 máy chế biến thức ăn thủy sản, 25.712 máy giàn gieo sạ, 13.109 máy gặt đập liên hợp, 62.045 máy gặt khác. Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn bảng 1.2 . Bảng 1.2: Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn [1] Năm Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, Động cơ, PTVT vận PTVT vận Canh tác trên 2011 máy cày máy cày máy cày máy phát chuyển trên chuyển trên đồng ruộng, đất lớn 35 trung nhỏ dưới điện đường bộ đường thủy trồng cây lâm HP 12-35 HP 12 HP nghiệp và thủy sản Số lượng (cái) 15.500 207.112 275.131 456.238 40.146 153.790 3.147.498 Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. Máy kéo, máy cày lớn 35 HP Nguồn động lực dùng trong Máy kéo, máy cày trung 12-35HP nông nghiệp nông thôn 15500 207112 Máy kéo, máy cày nhỏ dưới 12HP 275131 Động cơ, máy phát điện 456238 40146 PTVT vận chuyển trên đường bộ 153790 PTVT vận chuyển trên đường thủy 3147498 Canh tác trên đồng ruộng, đất trồng cây lâm nghiệp và thủy sản 2
21. 1.1.1.3. Mức độ cơ giới hóa trong sản xuất và công nghệ sau thu hoạch. - Về cơ giới hóa các khâu sản xuất nông nghiệp gồm có các khâu như làm đất, cơ giới hóa khâu làm đất, cơ giới hóa khâu gieo cấy gồm có khâu gieo và khâu cấy, cơ giới hóa khâu thu hoạch gồm có khâu cắt, gặt và khâu tuốt đập, lúa và sau đây là bảng 1.3 thống kê về cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp [1]. Bảng 1.3: Thống kê cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp [1]. Năm Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, Động cơ, PTVT vận Canh tác trên 2011 máy cày lớn máy cày trung máy cày nhỏ máy phát chuyển trên đất trồng cây hơn 35 HP 12 - 35 HP dưới 12 HP điện đường bộ nông nghiệp Số lượng (cái) 15.311 206.035 272.791 531.277 58.002 2.926.174 Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. Thống kê cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp Sức kéo lớn 35 hp 15311 206035 272791 Sức kéo trung 12- 35 hp Sức kéo nhỏ dưới 12 hp 531277 58002 Động cơ, máy phát điện 2926174 PTVT trên đường bộ Canh tác trên đất trồng cây nông nghiệp -Về cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp: Cơ giới hóa tập trung vào lĩnh vực canh tác, trồng mới (làm đất, tạo bầu cây giống ). Trong khai thác rừng trồng, mặc dù sản lượng không lớn, nhưng về cơ bản được tiến hành bằng máy như các khâu: chặt cây, bốc xếp, vận chuyển . Áp dụng dây chuyền sơ chế tại cửa rừng nhằm nâng cao tỷ lệ thu hồi gỗ và giảm giá thành trong khâu vận chuyển. 3