Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc phun sớm nhiên liệu B15 đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ Diesel

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 41
THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC PHUN SỚM 
NHIÊN LIỆU B15 ĐẾN CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG 
CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
STUDY ON EFFECT OF B15 FUEL EARLY INJECTION ANGLE TO ENVIRONMENT 
AND ECONOMICAL PARAMETERS OF DIESEL ENGINES BASED ON EXPERIMENT
Mai Đức Nghĩa1, Nguyễn Ngọc Cảnh2, Lê Xuân Chí3 
Ngày nhận bài: 24/4/2015; Ngày phản biện thông qua: 12/01/2016; Ngày duyệt đăng: 15/6/2016
TÓM TẮT
Nhiên liệu sinh học hiện đang được quan tâm đặc biệt trong việc thay thế nhiên liệu truyền thống của 
động cơ Diesel, do thân thiện với môi trường và có thể tái sinh. Tuy nhiên, tính chất hóa, lý của nhiên liệu này 
khác so với dầu Diesel, nên khi sử dụng, góc phun sớm cần được điều chỉnh để động cơ làm việc phù hợp. 
Trong nghiên cứu này, nhiên liệu B15 được sử dụng trên động cơ Diesel 4CHE Yanmar do Nhật Bản chế tạo, 
với góc phun sớm điều chỉnh từ 170 đến 220 GQTKTĐCT. Kết quả nghiên cứu cho thấy, suất tiêu hao nhiên liệu 
B15 và phát thải khí xả đều thấp ở góc phun sớm 180-190 GQTKTĐCT.
Từ khóa: dầu Diesel, dầu Dừa, nhiên liệu sinh học, động cơ Diesel, góc phun sớm
ABSTRACT
Biofuels are specially interesting in using alternative fuel in diesel engines, because they are friendly 
with environment and can be recycled. However, characteristic of chemical and physical are different with 
diesel fuel, when using, the fuel injection system of engine must be adjusted. In this study, B15 biofuel is used 
on 4CHE Yanmar diesel engine - Japan and early fuel injection angle is adjusted from 170 to 220 crank angle 
before top dead center. The results showed that, specifi c B15 fuel consumption and exhaust emissions are lower 
at 180-190 crank angle before top dead center.
Key word: Diesel oil, Coconut oil, Biofuels, Diesel engine, Injection crank angle 
1, 2 Trường Sĩ quan Không quân - Bộ Quốc phòng
3 Trung tâm Thí nghiệm thực hành – Trường Đại học Nha Trang
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu gốc 
dầu mỏ cho động cơ đốt trong tăng mạnh, 
dẫn đến phát sinh nhiều vấn đề ảnh hưởng 
xấu đến môi trường. Trước thực trạng trên, 
đòi hỏi các nhà sản suất nhiên liệu, chế tạo 
động cơ và người sử dụng tìm ra biện pháp 
giảm thiểu ô nhiễm khí xả. Nhiên liệu sinh 
học có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ 
động vật, ngoài chức năng như một phụ gia, 
tăng cường oxy cho quá trình cháy, thân thiện 
với môi trường, còn là nguồn nhiên liệu có thể 
tái sinh [2]. Dầu thực vật (dầu Dừa) nguyên 
gốc, không cần tổng hợp thành Biodiesel mà 
pha trực tiếp vào dầu Diesel làm nhiên liệu cho 
động cơ Diesel [1],[2]. Tuy nhiên, độ nhớt, khối 
lượng riêng của dầu Dừa có khác so với dầu 
Diesel, nên khi sử dụng hỗn hợp dầu Diesel - 
dầu Dừa, hệ thống phun nhiên liệu cần được 
điều chỉnh để động cơ hoạt động hiệu quả hơn. 
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016
42 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
Khi thay đổi góc phun sớm, áp suất cuối kỳ nén 
thực tế thay đổi, lực cản khí động trong buồng 
cháy thay đổi, làm ảnh hưởng đến cấu trúc tia 
phun nhiên liệu và quá trình hình thành hỗn 
hợp cháy [5]. Vì thế, phải xác định góc phun 
sớm phù hợp cho hệ thống nhiên liệu của động 
cơ Diesel khi sử dụng loại nhiên liệu này, để 
giảm phát thải khí xả (chủ yếu là bồ hóng và 
NOx) và nâng cao được chỉ tiêu kinh tế.
II. ĐỐI TƯỢNG, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP 
NGHIÊN CỨU
1. Đối tượng nghiên cứu
Góc phun sớm và các chỉ tiêu kinh tế, môi 
trường của động cơ Diesel 4CHE Yanmar.
2. Nhiên liệu và thiết bị nghiên cứu
- Nhiên liệu Diesel (DO) và nhiên liệu hỗn 
hợp dầu Diesel-dầu Dừa (B15: 15% dầu Dừa và 
85% dầu Diesel có pha phụ gia nano fuel bosster 
tỷ lệ 1/800) được trình bày trong bảng 1 [2].
- Động cơ diesel 4CHE- Yanmar. Loại động 
cơ này có đặc tính làm việc, hệ thống nhiên liệu 
và kết cấu buồng cháy tương tự như một số 
loại động cơ Diesel trung-cao tốc có công suất 
khoảng 100Hp, đang được trang bị phổ biến 
trên Tàu cá tại khu vực Duyên hải Miền trung và 
các phương tiện thủy nội địa ở đồng bằng sông 
Mê kông-Việt Nam (bảng 2) [3,10-15].
- Thiết bị đo Testo 350 XL của Đức dùng 
phân tích khí thải CO, HC, NOx . 
- Thiết bị đo độ mờ khói MSA-PC của hãng 
Beissbarth - Đức, sử dụng hệ thống đo trực tiếp 
và liên tục những mẫu khí thải được cung cấp.
- Phanh thủy lực Dynomite 13 dual-rotor 
của hãng LAND - SEA - Mỹ. 
- Máy tính Dynomite kết nối phanh và máy 
in dữ liệu để đo mô men, công suất, tốc độ.
 Bảng 1. Tính chất của nhiên liệu hỗn hợp so với dầu Diesel [2] 
Hãng sản xuất Loạiđộng cơ
Đường kính 
xy lanh x hành 
trình piston 
(mm)
Áp suất 
phun 
(kg/cm2)
Tỷ số
nén
Góc phun 
sớm 
(0GQTK
TĐCT)
Kiểu 
buồng 
cháy
Công suất
(hp/v/p)
Dung tích 
xylanh (l)
CUM
MINS
4B 102x120 180 17.5 20 ω 64/2200 3.9
6B 102x120 180 17.5 20 // 98/2200 5.9
DEUTZ F4L912 100x120 200 17 20 // 68/2300 3.770
F6L912 100x120 200 17 20 // 94/2300 5.660
BF4M1013M 108x130 210 17.5 20 // 109/2300 3.800
BF4M2012C 101x126 210 17 20 // 100/2500 4.764
YAN
MAR
4CHE 105x125 210 16.4 18 // 70/2300 4.330
4TD 100x115 200 16 18 // 52/2100 3.613
4TY80 105x125 200 15 18 // 77/2500 4.330
6CHE 105x125 210 16.4 18 // 105/2300 6.494
6CHE-HTE 105x125 210 14.4 16 // 155/2300 6.494
6HAE 130x150 210 16.4 18 // 165/2000 11.94
6TY120 105x125 200 16 18 // 115/2500 6.494
ISUZU UM4BG1Z 105x125 200 17.5 16 // 110/2900 4.329
UM4JB1 93x102 200 18.2 16 // 61/3000 2.77
DEA
DONG
DD6BR 118x115 200 17.5 18 // 132/2200 7.545
DD4AK 100x105 200 16.1 18 // 93/2700 3.298
WEI
CHAI
ZH4100 100x115 220 17.1 20 // 44/2000 3.61
ZH4100D 100x115 220 17.1 20 // 31/1500 3.61
ZH4100G1 100x115 220 17.1 20 // 45/2400 3.61
ZH4100L 100x115 220 17.1 20 // 43/2000 3.61
D226B-3C1 105x120 220 16.1 20 // 38/1800 3.12
TD226B-3C 105x120 220 16.1 20 // 40/1500 3.12
CATERPILLA 3054 100 x 127 180 17.25 20 // 108/2600 4.41
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 43
3. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực 
nghiệm, quá trình thực hiện nghiên cứu 
như sau:
- Điều kiện thử nghiệm: 
Điều kiện tiến hành thử nghiệm động cơ 
được xác định theo điều kiện hoạt động thực 
tế diễn ra phổ biến của động cơ Diesel máy 
thủy, nhất là trường hợp tàu chạy hành trình để 
xác định chỉ tiêu kinh tế (ge) và môi trường (bồ 
hóng, NOx). Động cơ Diesel trung-cao tốc khi 
sử dụng trên tàu nếu làm máy chính lai chân vịt 
phải thông qua hộp số hoặc làm máy phụ, lai 
máy phát điện. Đối với các loại động cơ Diesel 
trên, tốc độ động cơ khai thác thường ở chế độ 
đạt mô men lớn nằm trong khoảng 60% ÷ 80% 
tốc độ định mức [6, 8-9]. 
Nhiệt độ nước làm mát: 80oC; 
Nhiệt độ dầu bôi trơn: 80oC; 
Bảng 2. Thông số cơ bản của một số loại máy thủy phổ biến ở Việt Nam [3,10-15]
Nhiên liệu Khối lượng riêng (g/cm3) Chỉ số cetan (CN)
Độ nhớt động học 
ở 400c (mm2/s) Nhiệt trị (kcal/kg)
D0 0.8360 50 3.25 10.478
B15 0.8420 52 3.65 10.650
Hình 1. Sơ đồ bố trí các thiết bị thí nghiệm
Động cơ hoạt động trong điều kiện tự 
nhiên với nhiệt độ trong phòng thử khoảng 
32oC, sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày 
trên hình 1, động cơ và các thiết bị thí nghiệm 
được trình bày trên hình 2, thông số động cơ 
cho trong bảng 2.
Khi bắt đầu thí nghiệm, động cơ được khởi 
động và chạy ở chế độ không tải khoảng 45 
phút cho đến khi động cơ đạt trạng thái ổn định 
về nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ dầu bôi 
trơn như sau: 
Hình 2. Động cơ và các thiết bị thử nghiệm tại phòng 
thử nghiệm-ĐHNT
- Quy trình thử nghiệm:
Trước khi tiến hành đo, động cơ được chạy 
hâm nóng đến các giá trị theo điều kiện trên. 
Các thí nghiệm được tiến hành tại chế độ tốc 
độ không đổi (1800 vòng /phút); tải trọng thay 
đổi từ không tải, 20%, 40%, 60%, 80%; áp suất 
phun 230 kg/cm2; góc phun sớm điều chỉnh từ 
170 đến 220 GQTKTĐCT (góc quay trục khủyu 
trước điểm chết trên) để đánh giá ảnh hưởng 
lên tính kinh tế và khí thải động cơ. 
Lượng tiêu hao nhiên liệu được đo theo chi 
phí nhiên liệu giờ (g/h) để tính toán suất tiêu 
hao nhiên liệu riêng của động cơ (g/kW.h). Ở 
mỗi chế độ tải, thời gian ghi nhận số liệu cho 
một lần đo trên 1000 chu kỳ, số liệu thu được 
cho một lần đo là trung bình của các giá trị có 
tần xuất xuất hiện nhiều nhất trong thời gian 
ghi nhận. Kết quả trình bày trong nghiên cứu 
này là trung bình của 3 lần đo và được xây 
dựng thành các đường đặc tính thể hiện quan 
hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kW.h), 
phát thải bồ hóng, NOx, theo tải và góc phun 
sớm bằng phương pháp bình phương nhỏ 
nhất [4], có độ tin cậy > 95% và được thể hiện 
trên các hình trong phần kết quả nghiên cứu.
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016
44 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
1. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến suất 
tiêu hao nhiên liệu
tia phun, tương đương với tia nhiên liệu DO 
ở 180. Tuy nhiên, góc phun sớm quá lớn, sẽ 
kéo dài thời gian cháy trễ, đỉnh áp suất cháy 
tiến sát ĐCT khi piston đang đi lên gây tổn hao 
công suất, khiến công suất giảm, suất tiêu hao 
nhiên liệu tăng.
2. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến phát 
thải bồ hóng và NOx 
Hình 3. Suất tiêu hao nhiên liệu B15 
theo góc phun sớm ở 80% tải
Trong thực tế hoạt động của động cơ, chế 
độ tải trọng thường gặp ở 80% tải. Vì vậy, kết 
quả nghiên cứu sẽ tập trung phân tích ở chế 
độ tải đặc trưng này và so sánh với trường hợp 
động cơ sử dụng nhiên liệu DO ở góc phun 
180, áp suất phun 210 kg/cm2.
Từ giá trị đo được về tiêu hao nhiên liệu 
giờ của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B15 và 
công suất động cơ có xét đến ảnh hưởng của 
môi trường và tổn hao cơ khí bộ truyền động tới 
phanh. Kết quả cho thấy, ở 80% tải, suất tiêu 
hao nhiên liệu B15 tại 190 GQTKTĐCT giảm 
so với các góc phun khác và tương đương với 
trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu DO 
ở thông số phun tiêu chuẩn (180, 210kg/cm2), 
được thể hiện trên hình 3. Tại góc phun này, 
cấu trúc tia phun B15 phù hợp với buồng cháy, 
quá trình hình thành hòa khí tốt, cháy kiệt hơn, 
làm gia tăng công suất, điều này được giải 
thích như sau:
- Nhiên liệu B15 gia nhiệt để giảm độ nhớt, 
nên nhiệt độ cao, sẽ làm giảm góc nón chùm 
tia và độ xuyên sâu của tia phun vào trong 
không gian buồng cháy [7]. Vì vậy, ở cùng góc 
phun 180 so với dầu DO, cấu trúc tia nhiên liệu 
B15 sẽ kém đi.
- Khi tăng góc phun sớm làm giảm lực 
cản khí động, dẫn đến gia tăng độ xuyên sâu 
Hình 4. Phát thải bồ hóng của nhiên liệu B15
 theo góc phun sớm ở 80% tải
Biến thiên bồ hóng theo góc phun khác 
nhau được trình bày trên hình 4. Do nhiên 
liệu B15 có tỷ lệ C/H thấp hơn dầu Diesel và 
hàm lượng Ô xy chiếm 11% [2], nên ở chế độ 
hoạt động đầy tải, phát thải bồ hóng đều thấp 
hơn nhiên liệu DO cho tất cả các góc phun, 
đây chính là lợi điểm của nhiên liệu này. Ở góc 
phun 180-190 TĐCT, bồ hóng phát thải thấp là 
do nhiệt độ cao trong xy lanh, làm mức độ ô 
xy hóa bồ hóng lớn. Ở các góc phun khác, có 
hai lý do khiến hàm lượng bồ hóng phát thải 
cao hơn:
Hình 5. Phát thải NOx của nhiên liệu B15 
theo góc phun sớm ở 80% tải
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 45
- Xuất phát từ ảnh hưởng của cấu trúc tia 
phun, làm quá trình hình thành hỗn hợp cháy 
không hiệu quả, dẫn đến lượng bồ hóng sinh 
ra lớn.
- Nhiệt độ quá trình cháy thấp, khả năng ô xy 
hóa kém nên hàm lượng phát thải bồ hóng cao.
Trên hình 5, trình bày hàm lượng phát 
thải NOx của động cơ ứng với góc phun sớm 
khác nhau. Với động cơ Diesel, giai đoạn cháy 
đồng nhất đóng vai trò quan trọng cho sự hình 
thành NOx. Vùng phản ứng tạo NOx chỉ tập trung 
quanh khu vực màng lửa, nơi có hệ số dư 
lượng không khí xấp xỉ 1 và có đủ oxy. Sau đó 
NOx gia tăng nồng độ nhanh chóng và “đóng 
băng” cho đến khi nhiên liệu phun vào đã cháy 
hết, điều kiện cần thiết cho NOx hình thành 
không còn [6]. Khi thay đổi góc phun sớm, 
làm thay đổi thời gian cháy trễ. Nếu thời gian 
cháy trễ dài, làm hỗn hợp hòa trộn trước cháy 
mãnh liệt khiến nhiệt độ gia tăng nhanh chóng, 
là nguyên nhân phát thải NOx lớn, điều này xẩy 
ra ở các góc phun sớm lớn. Ở góc phun trễ, 
nhiên liệu phun vào càng gần điểm chết trên 
cảng dễ bị bay hơi, khiến thời gian cháy trễ 
sẽ giảm. Nhờ vậy, nhiên liệu được cháy từ từ, 
thay vì bị tích tụ và bùng cháy đột ngột như 
trong trường hợp phun sớm. Nhìn chung, khi 
tăng góc phun sớm cho B15, NOx có xu hướng 
tăng do tăng thời gian cháy trễ. 
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận 
Động cơ Diesel 4CHE Yanmar sử dụng 
nhiên liệu B15, khi điều chỉnh góc phun sớm ở 
180- 190 GQTKTĐCT với áp suất phun 230kg/
cm2 so với góc phun tối ưu của nhiên liệu DO 
(180, 210kg/cm2):
- Phát thải bồ hóng, NOx giảm mạnh so với 
nhiên liệu DO.
- Suất tiêu hao nhiên liệu B15 tương đương 
với trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu DO 
ở thông số phun tiêu chuẩn.
2. Kiến nghị
Trong nghiên cứu này, chỉ thay đổi góc 
phun sớm theo các điều kiện thử nghiệm đã 
được trình bày ở phần trên. Cần thay đổi áp 
suất phun ở 190 GQTKTĐCT và ở các góc phun 
sớm khác, để xác định ảnh hưởng của thông 
số phun đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của 
động cơ Diesel khi chuyển sang sử dụng hỗn 
hợp dầu Diesel-dầu Dừa. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
 Tiếng Việt
1. Mai Đức Nghĩa, Phùng Minh Lộc, 2011, Nghiên cứu chế tạo thiết bị phối trộn hỗn hợp dầu DO với dầu thực vật 
làm nhiên liệu cho động cơ diesel, Tạp chí Khoa học - Công nghệ thủy sản, số 2 - 2012.
2. Phùng Minh Lộc, 2012, Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dung làm nhiên liệu cho động 
cơ diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Nha Trang.
3. Phan Văn Quân, Ứng dụng thí điểm dầu mỡ cá da trơn cho phương tiện thủy nội địa lắp động cơ diesel ở đồng 
bằng sông Mê Kông, báo cáo tổng kết dự án thuộc chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu, 
Trường Đại học Giao thông Vận tải TP Hồ Chí Minh, năm 2015
4. Bùi Minh Trí (2005), Xác suất thống kê và qui hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội .
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016
46 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
 Tiếng Anh
5. Carsten Baumgarten, 2010, Mixture Formation in Internal Combustion Engines, Springer Springer. ISBN-
3540308350.
6. K. Mollenhauer, H. Tschoeke, Handbook of Diesel Engines, DOI 10.1007/978-3-540-89083-6, Springer-Verlag 
Berlin Heidelberg 2010.
7. Lacoste Julien, 2006, Characteristics of Diesel Sprays at High Temperatures and Pressures, A thesis submitted 
in partial fulfi lment of the requirement of the University of Brighton for the degree of Doctor of philosophy.
8. Stijn Verzee, Tim Roels, Experimental study of the injection characteristics of high pressure diesel and rapeseed 
oil fuel sprays, International Conference on Mechanical, Automobile and Robotics Engineering (ICMAR’2012) 
December 14-15, 2012 Singapore.
 Website
9.  
10. 
11. 
12. 
13. 
14. 
15.