Luận văn Xác định chi phí nhiên liệu của động cơ d12 khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – Dầu thực vật

LUẬN VĂN XÁC ĐỊNH CHI PHÍ NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ D12 KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DIESEL –DẦU THỰC VẬT TH.Trần Tuấn Anh i MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL .......................................................................................2 1.1. Tổng quan về thực nghiệm động cơ đốt trong ...............................................2 1.1.1. Mục đích của thực nghiệm ....................................................................2 1.1.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ..................................................2 1.2. Tổng quan về tính năng kỹ thuật của động cơ diesel ....................................5 1.2.1. Khái niệm .............................................................................................5 1.2.2. Các thông số đánh giá tính năng kỹ thuật cơ bản của động cơ diesel.....5 1.2.2.1. Tốc độ của động cơ .........................................................................5 1.2.2.2. Tải của động cơ ...............................................................................5 1.2.3. Các phương pháp xác định :..................................................................9 1.2.3.1. Phương pháp lý thuyết :...................................................................9 1.2.3.1. Phương pháp thực nghiệm :...........................................................13 Chương 2. XÁC ĐỊNH CHI PHÍ NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ D12 KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DIESEL – DẦU THỰC VẬT .................16 2.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ diesel. .........................................................................................................16 2.1.1. Trên thế giới.........................................................................................16 2.1.2. Trong nước. .........................................................................................18 2.1.3. Tổng quan về dầu thực vật (DTV). .......................................................19 2.1.3.1. Thành phần hóa học của DTV .......................................................20 2.1.3.2. Đặc tính của DTV .........................................................................20 2.1.3.3. Những vấn đề khó khăn của dầu thực vật khi dùng làm nhiên liệu thay thế .........................................................................................................21 2.1.4. Các biện pháp xử lý DTV để làm nhiên liệu cho động cơ diesel. ..........22 2.1.4.1. Phương pháp sấy nóng nhiên liệu ..................................................22 2.1.4.2. Phương pháp pha loãng . ...............................................................22 ii 2.1.4.3. Phương pháp Craking . ..................................................................22 2.1.4.4. Phương pháp nhũ tương hoá dầu thực vật . ....................................23 2.1.4.5. Phương pháp ester hoá ( điều chế Biodiesel ) . ..............................23 2.1.5. Ưu nhược điểm của DTV .....................................................................24 2.1.5.1. Ưu điểm ........................................................................................24 2.1.5.2. Nhược điểm ..................................................................................25 2.1.5.3. Lý do chọn dầu dừa và dầu jatropha làm nhiên liệu cho động cơ diesel. ........................................................................................................25 2.2. Trang thiết bị phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm ...................................27 2.2.1. Động cơ D12 ......................................................................................27 2.2.2. Máy phát điện.....................................................................................28 2.2.3. Bộ tạo tải ............................................................................................29 2.2.4. Thiết bị đo chi phí nhiên liệu ..............................................................30 2.2.5. Thiết bị đo độ nhớt .............................................................................31 2.2.6. Bộ tạo hỗn hợp dầu diesel – dầu thực vật............................................31 2.3. Quy hoạch thực nghiệm ..............................................................................31 2.3.1. Nội dung của quy hoạch thực nhiệm ...................................................31 2.3.2. Quy hoạch thực nghiệm xác định độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu thực vật . ....................................................................................32 2.3.2.1. Chọn yếu tố ảnh hưởng .................................................................32 2.3.2.2. Chọn hàm mục tiêu .......................................................................32 2.3.2.3. Chọn miền khảo sát của các yếu tố ................................................32 2.3.3. Quy hoạch thực nghiệm xác định chi phí nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel – dầu thực vật. ..........................................33 2.3.3.1. Chọn yếu tố ảnh hưởng .................................................................33 2.3.3.2. Chọn hàm mục tiêu .......................................................................33 2.3.3.3. Chọn miền khảo sát của các yếu tố ................................................33 2.4. Tiến hành thực nhiệm ................................................................................33 2.4.1. Xác định độ nhớt của nhiên liệu..........................................................33 iii 2.4.1.1. Phương pháp xác định độ nhớt ......................................................33 2.4.1.2. Kết quả đo độ nhớt ........................................................................34 2.4.2. Xác định chi phí nhiên liệu của động cơ D12 khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu thực vật. ..............................................................36 2.4.2.1. Chi phí nhiên liệu của động cơ D12 khi sử dụng nhiên liệu diesel ...................................................................................................37 2.4.2.2. Chi phí nhiên liệu của động cơ D12 khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel – Jatropha..................................................................................38 2.4.2.3. Chi phí nhiên liệu của động cơ D12 khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel - dầu dừa ...................................................................................40 2.5. Xử lý kết quả thực nghiệm .........................................................................42 2.5.1. Xử lý số liệu thực nghiệm theo phương pháp BPNN. ..........................44 2.5.2. Xử lý kết quả thực nghiệm độ nhớt ......................................................46 2.5.2.1. Xử lý kết qủa thực nghiệm độ nhớt của hỗn hợp diesel – jatropha......................................................................................................46 2.5.2.2. Xử lý kết quả thực nghiệm độ nhớt hỗn hợp diesel – dầu dừa........50 2.5.3. Xử lý kết quả thực nghiệm xác định chi phí nhiên liệu của động cơ .....50 2.6. Lý giải kết quả thực nghiệm.......................................................................51 Chương 3. KẾT LUẬN ........................................................................................55 3.1. Kết luận ......................................................................................................55 3.2. Đề xuất ý kiến.............................................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................56 PHỤ LỤC .........................................................................................................57 1 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, tình hình giá dầu mỏ tăng lên và vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ nói chung, động cơ diesel nói riêng đang là những vấn đề được nhiều nước quan tâm. Vì vậy, việc tìm kiếm sử dụng nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng. Nước ta là một nước nhập khẩu xăng dầu vì vậy chịu ảnh hưởng rất lớn của biến động giá xăng dầu trên thế giới. Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiên liệu mới đang được nhà nước rất quan tâm. Một trong những nguồn nhiên liệu được quan tâm là nhiên liệu dầu thực vật, chính vì lí do trên nên em quyết định thực hiện đề tài: ‘Xác định chi phí nhiên liệu của động cơ D12 khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel – dầu thực vât’. Sau một thời gian nghiên cứu em đã thực hiện xong đề tài với các nội dung sau: 1. Tổng quan về thực nghiệm và tính năng kỹ thuật của động cơ diesel. 2. xác định chi phí nhiên liệu của động cơ D12 khi swr dụng nhiên liệu dầu diesel – dầu thực vật. 3. Kết luận Có được kết quả này ngoài sự cố gắng của bản thân, còn có sự giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy cô trong bộ môn Động lực, Ban chủ nhiệm khoa. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy ThS. Phùng Minh Lộc đã hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thâỳ cô và các bạn Xin chân thành cảm ơn!!! Nha Trang, tháng 12 năm 2009 Sinh viên thực hiện Trần Tuấn Anh 2 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 1.1. Tổng quan về thực nghiệm động cơ đốt trong 1.1.1. Mục đích của thực nghiệm - Kiểm nghiệm động cơ trước khi xuất xưởng (nhằm kiểm tra động cơ sau khi thiết kế, chế tạo có đạt được những chỉ tiêu đề ra không). - Kiểm nghiệm động cơ sau khi sữa chữa lớn. - Khi động cơ đang hoạt động có nhu cầu kiểm nghiệm (chẳng hạn như kiểm tra suất tiêu hao nhiên liệu để kịp thời điều chỉnh nhằm tiết kiệm nhiên liệu,…) - Vẽ đặc tính động cơ (nhằm hướng dẫn cho người sử dụng chế độ hoạt động có lợi nhất). Tuy nhiên, tùy từng mục đích nghiên cứu cụ thể mà người ta chỉ nghiên cứu một hoặc nhiều các mục đích nói trên. Trong đề tài này chỉ đề cập đến việc xác định suất tiêu hao nhiên liệu. 1.1.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm là xác định các thông số cần thiết thông qua việc đo đạc. Cụ thể cần xác định các thông số sau: Bảng 1.1. Các thông số trong nghiên cứu thực nghiệm động cơ đốt trong STT Giá trị đo Đơn vị Thiết bị Ghi chú 1.1 Momen xoắn N.m Torque flange 1.2 Tốc độ động cơ RPM Encoder 1.3 Công suất động cơ kW Dynamometer Phanh 1.4 Lượng tiêu thụ nhiên liệu kg/h Fuel Balance 733S 1.5 Lượng khí thoát khỏi cacte l/min Blow-by meter 442 1.6 Nhiệt độ khí nạp C Pt100 3 1.7 Nhiệt độ khí xả C Thermocouple- type K 1.8 Nhiệt độ nhiên liệu C Pt100 1.9 Nhiệt độ dầu bôi trơn C Pt100 1.10 Nhiệt độ nước làm mát C Pt100 1.11 Nhiệt độ môi trường C Humidity- transducer 1.12 Áp suất khí nạp bar FEM-P 1.13 Áp suất khí xả bar FEM-P 1.14 Áp suất nhiên liệu bar FEM-P 1.15 Áp suất dầu bôi trơn bar FEM-P 1.16 Áp suất môi trường bar Barometric- transducer 1.17 Độ ẩm môi trường % Humidity- transducer Kết hợp với hệ thống chỉ thị 2.1 Áp suất xylanh bar QC33C, QC43D, GU21C, GU13Z 2.2 Áp suất phun nhiên liệu bar QL61D, SL31D 2.3 Áp suất khí nạp bar QC43D 2.4 Áp suất khí xả bar QC43D 2.5 Rung động g Accelerometer 2.6 Độ nhấc kim phun mm Nozzle needle lift indicating transducer 4 2.7 Độ nhấc xupap mm Valve lift indicating transducer 2.8 Thời điểm đánh lửa CA Ignition-time module Kết hợp với hệ thống chuẩn đoán 3.1 Độ đục khí xả % DiSmoke 4000 Dùng cho động cơ Diesel 3.2 CO, CO2, NOx, HC, O2, Lambda %, ppm DiGas 4000 Dùng cho động cơ xăng 3.3 Chuẩn đoán hoạt động của các hệ thống điện- điện tử trong động cơ - DiScope Kết hợp với hệ thống nội soi 4.1 Phân tích sự phân bố nhiệt độ K Ghi hình ở 3 góc độ khác nhau: 0, 30, 70 Dùng cho động cơ diesel 4.2 Phân tích mật độ tập trung bồ hóng % Ghi hình ở ba góc độ khác nhau: 0, 30, 70 Dùng cho động cơ diesel 4.3 Ghi hình ảnh phun nhiên liệu, hình ảnh ngọn lửa tại những vị trí góc quay trục khuỷu xác định trước - Ghi hình ở 3 góc độ nhau: 0, 30, 70 Dùng cho động cơ diesel 5 1.2. Tổng quan về tính năng kỹ thuật của động cơ diesel 1.2.1. Khái niệm Tính năng kỹ thuật của động cơ là thuật ngữ dùng để biểu đạt mức độ và hiệu quả thực hiện chức năng của động cơ. Có thể định lượng tính năng kỹ thuật của động cơ đốt trong bằng 3 nhóm thông số sau đây: tốc độ, tải và hiệu suất. 1.2.2. Các thông số đánh giá tính năng kỹ thuật cơ bản của động cơ diesel 1.2.2.1. Tốc độ của động cơ Tốc độ quay (n) là số vòng quay của trục trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo của tốc quay là vòng/phút [v/ph], viết tắt tiếng Anh là [rpm]. Tốc độ quay danh nghĩa (nn) là tốc độ quay do nhà chế tạo định ra và là cơ sở để xác định công suất danh nghĩa, để tính toán các kích thước cơ bản của động cơ, để lựa chọn chế độ làm việc hợp lý… Tốc độ quay cực đại (nmax) là tốc độ quay lớn nhất mà nhà chế tạo cho phép sử dụng trong một thời gian xác định mà công suất của động cơ không bị quá tải. Tốc độ quay cực tiểu (nmin) là tốc độ quay nhỏ nhất, tại đó động cơ vẫn có thể hoạt động bình thường. Tốc độ quay sử dụng (ns) là tốc độ quay được người thiết kế tổ hợp động cơ – máy công tác khuyến cáo sử dụng để vừa phát huy hết tính năng của động cơ vứa đảm bảo độ tin cậy và tuổi bền cần thiết 1.2.2.2. Tải của động cơ Tải là đại lượng đặc trưng cho số cơ năng mà động cơ phát ra trong một chu trình công tác hoặc trong một đơn vị thời gian. Các đại lượng được dùng để đánh gía của động cơ đốt trong bao gồm: áp suất trung bình, công suất, momen quay. Áp suất trung bình của chu trình là đại lượng được xác định bằng công sinh ra trong một chu trình và dung tích công tác của xylanh. s ct tb V Wp  (1.1) Tùy thuộc vào việc công chu trình được xác định như thế nào, có thể phân biệt: 6 - Áp suất lý thuyết trung bình: s t t V Wp  (1.2) - Áp suất chỉ thị trung bình: s i i V Wp  (1.3) - Áp suất có ích trung bình: s e e V Wp  (1.4) Trong đó: - Wct : công của chu trình, [J] - Wt : công lý thuyết của chu trình, [J] - Wi : công chỉ thị của chu trình, [J] - We : công có ích của chu trình, [J] - Wm : công tổn thất cơ giới, [J] Công chỉ thị: là công do môi chất công tác sinh ra trong một chu trình thực tế, trong đó chưa xét đến phần tổn thất cơ học, có thể xác định công chỉ thị như sau: Wi = Q1 - Qi = Q1 - (Qm + Qx + Qkh + Qcl ) (1.5) Trong đó: - Q1: lượng nhiệt chu trình (lượng nhiệt sinh ra khi đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu đưa vào buồng đốt trong một chu trình công tác). - Qi : tổng nhiệt năng bị tổn thất trong một chu trình nhiệt động thực tế. - Qm : tổn thất do làm mát (phần nhiệt năng truyền từ môi chất công tác qua vách xylanh cho môi chất làm mát) - Qx: tổn thất theo khí xả - Qcl: phần nhiệt tổn thất không tính chính xác được vào các dạng kể trên, ví dụ: tổn thất do lọt khí qua khe hở giữa piston và xylanh, lọt khí do xupap không kín… Công tổn thất cơ học: là công tiêu hao cho các hoạt động mang tính chất cơ học khi thực hiện một chu trình công tác. Các dạng tổn thất năng lượng sau đây được tính vào công tổn thất cơ học: 7 - Tổn thất do ma sát giữa các chi tiết của động cơ chuyển động tương đối với nhau. - Phần năng lượng tiêu hao cho việc dẫn động các thiết bị và cơ cấu của bản thân động cơ như: bơm nhiên liệu, bơm dầu bôi trơn, cơ cấu phân phối khí… - “Tổn thất bơm” phần cơ năng tiêu hao cho quá trình thay đổi khí. Công có ích: là công thu được ở đầu ra của trục khuỷu. đó là phần cơ năng thực tế có thể sử được để dẫn động hộ tiêu thụ công suất. We = Q1 - Qe = Wi – Wm (1.6) Trong đó Qe là tổng tất các dạng tổn thất năng lượng khi thực hiện một chu trình công tác thực tế. Công suất là tốc độ thực hiện công. Trị số công suất của động cơ cho biết động cơ đó “mạnh” hay “yếu”. công suất của động cơ thường được đo bằng các đơn vị sau: kilowatt (kW), mã lực (HP, hp – Horse power; cv – Chevaux; PS - Pferdestarke). 1kW = 1kJ/s. 1HP = 75Kg.m/s 1PS = 0.735 Kw 1hp = 1.04 PS Ta có các khái niệm về công suất của động cơ đốt trong: - Công suất chỉ thị (Ni): là tốc độ thực hiện công chỉ thị của động cơ. Nói cách khác, công suất chỉ thị là công suất của động cơ, trong đó bao gồm cả phần tổn thất cơ học. - Công suất có ích (Ne): là công suất của động cơ được đo ở đầu ra của trục khuỷu. Từ định nghĩa của công suất, áp suất trung bình của chu trình và tốc độ quay ta có các công thức xác định công suất chỉ thị và công suất có ích sau: z inVpN sii ...  (1.6) 8 z inVpN see ...  (1.7) Trong đó: - i: số xylanh của động cơ - z: hệ số kỳ; z = 1 đối với động cơ 2 kỳ; z = 2 đối với động cơ 4 kỳ. - Công suất danh nghĩa (Nen): là công suất lớn nhất mà động cơ có thể phát ra một cách liên tục mà không bị quá tải trong những điều kiện quy ước. - Công suất cực đại (Nemax): là công suất có ích lớn nhất mà động cơ có thể phát ra trong một thời gian nhất định mà không bị quá tải. TCVN 1684 – 75 quy định công suất cực đại của động cơ phải đạt 110% Nen trong khoảng thời gian một giờ. Tổng số thời gian làm việc ở chế độ công suất cực đại không quá 10% tổng thời gian làm việc của động cơ. Khoảng thời gian lặp lại chế độ công suất cực đại không được nhỏ hơn 6 giờ. - Công suất sử dụng (Nes): là công suất có ích do người thiết kế tổ hợp động cơ – hộ tiêu thụ công suất khuyến cáo sử dụng để vừa phát huy hết tính năng của động cơ vừa đảm bảo tuổi bền, độ tin cậy cần thiết. Hiệu suất là đại lượng đánh giá hiệu quả biến đổi nhệt năng thành cơ năng của động cơ. Để đánh giá mức độ tổn thất trong từng công đoạn của cả quá trình biến đổi năng lượng, người ta đưa ra các khái niệm hiệu suất sau: hiệu suất lý thuyết, hiệu suất cơ học, hiệu suất chỉ thị, hiệu suất có ích. - Hiệu suất lý thuyết ( t ): là hiệu suất của chu trình lý thuyết. - Hiệu suất chỉ thị ( i ): là hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động thực tế 111 11 Q QQQQ Q Q Q W clkhxmii i     (1.8). - Hiệu suất cơ học ( m ): là đại lượng đánh giá mức độ tổn thất cơ học trong động cơ, tức là đánh giá mức độ hoàn thiện của động cơ về phương diện cơ học. Nó được xác định bằng công thức: m = i m i e W W W W 1 (1.9). 9 - Hiệu suất có ích ( e ): là đại lượng đánh giá tất cả các dạng tổn thất năng lượng trong quá trình biển đổi nhiệt năng có ích của động cơ. miti e e Q W  .. 1  (1.10). Trong đó: ηt-i _ Hệ số diện tích đồ thị công, nó đặc trưng cho mức độ khác nhau giữa diện tích đồ thị công chỉ thị và đồ thị công lý thuyết Hiệu quả biến đổi nhịêt năng thành cơ năng của động cơ đốt trong cũng đồng nghĩa với khái niệm “ tính tiết kiệm nhiên liệu ” của nó. Trong thực tế khai thác, người ta ít dùng hiệu suất mà thường dùng đại lượng thể hiện lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để đánh giá tính tiết kiệm nhiên liệu. Lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ trong một đơn vị thời gian được gọi là lượng nhiên liệu tiêu thụ giờ ( Gnl). Lượng nhiên liệu do động cơ tiêu thụ để sinh ra một đơn vị công suất có ích trong một đơn vị thời gian được gọi là lượng tiêu thụ nhiên liệu riêng có ích ( gọi tắt là suất tiêu hao nhiên liệu ge ) . Công thức tính như sau : ge = eN Gh (1.11) Trong đó : - ge : Suất tiêu hao nhiên liệu có ích . - Gh : Lượng tiêu thụ nhiên liệu giờ . - Ne : Công suất có ích của động cơ . Đơn vị thường dùng của Gh là [ kg/h ] hoặc [ lít/h ] . Đơn vị thường dùng của ge là [ g/Kw.h ] hoặc [ g/HP.h ] 1.2.3. Các phương pháp xác định : 1.2.3.1. Phư