Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất phun hỗn hợp nhiên liệu B15 đến suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí xả của động cơ diesel 4CHE Yanmar

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT PHUN HỖN HỢP NHIÊN LIỆU B15 ĐẾN SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆU VÀ PHÁT THẢI KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 4CHE YANMAR EXPERIMENTS STUDY OF THE EFFECT OF FUELS B15 INJECTION PRESSURE ON 4CHE YANMAR DIESEL ENGINE’ EMISSIONS AND FUEL CONSUMPTION Mai Đức Nghĩa1, Trần Văn Bảy2, Phạm Hùng Thắng3 Ngày nhận bài: 20/4/2014; Ngày phản biện thông qua: 08/5/2015; Ngày duyệt đăng: 10/6/2015 TÓM TẮT Nhiên liệu sinh học hiện đang được quan tâm đặc biệt trong việc sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ diesel, do là nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường và có thể tái sinh. Tuy nhiên, do tính chất hóa, lý của nhiên liệu này có khác so với nhiên liệu diesel nên khi sử dụng cho động cơ diesel, hệ thống phun nhiên liệu cần được điều chỉnh để động cơ làm việc phù hợp. Trong nghiên cứu này, nhiên liệu sinh học B15 được sử dụng trên động cơ diesel 4CHE Yanmar - Nhật Bản và áp suất phun nhiên liệu được điều chỉnh ở: 205; 210; 215; 220; và 225 bar trong giới hạn điều chỉnh của bơm cao áp. Kết quả nghiên cứu cho thấy, suất tiêu hao nhiên liệu B15 tương đương với nhiên liệu diesel, phát thải bồ hóng và NOx đều thấp ở áp suất phun 215 bar. Từ khóa: động cơ diesel, nhiên liệu sinh học, nhiên liệu diesel, dầu dừa, áp suất phun ABSTRACT Biofuels are interesting in using alternative fuel in diesel engines, because they are friendly with environment and can be recycled. However, characteristic of chemical and physical different diesel fuel, while using, the fuel injection system of engine must be adjusted. In this study, B15 biofuel used on 4CHE Yanmar diesel engine - Japan and the fuel injection pressure is adjusted at: 205; 210; 215; 220; and 225 bar within the limits of high-pressure pumps adjustment. The results showed that, specifi c fuel B15 consumption is equivalent with B0, emissions of soot and NOx lower at 215 bar. Key word: diesel engine, biofuels, diesel oil, coconut oil, injection pressure I. ĐẶT VẤN ĐỀ tăng cường oxy cho quá trình cháy, còn là một Ngày nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản nguồn nhiên liệu có thể tái sinh [3]. phẩm dầu mỏ phát triển mạnh trong lĩnh vực động Dầu thực vật (dầu dừa) nguyên gốc không cần cơ đốt trong dẫn đến phát sinh nhiều vấn đề cần tổng hợp thành Biodiesel mà pha trực tiếp vào dầu được giải quyết như: Nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel [1], [2]. Tuy ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ ngày càng nhiên, do tính chất nhiên liệu dầu dừa khác so với gia tăng. Các yếu tố này đòi hỏi các tổ chức sản dầu diesel như: độ nhớt, nhiêt tri, trị số cetan, nên xuất nhiên liệu, chế tạo động cơ và người sử dụng hỗn hợp tạo thành khi sử dụng làm nhiên liệu cần tìm ra các biện pháp khắc phục những hạn chế trên điều chỉnh hệ thống nhiên liệu để động cơ hoạt động nhằm góp phần bảo vệ môi trường. Nhiên liệu sinh hiệu quả hơn. Khi thay đổi áp suất phun, cấu trúc học (NLSH) có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ tia phun nhiên liệu thay đổi dẫn đến quá trình hình động vật có tiềm năng rất lớn trong việc sử dụng thành hỗn hợp cháy khác nhau [2]. Vì thế, cần phải làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống của xác định áp suất phun hợp lý cho hệ thống nhiên động cơ, NLSH ngoài chức năng như một phụ gia, liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B15 để 1 ThS. Mai Đức Nghĩa, 2ThS. Trần Văn Bảy: Trường Sĩ quan Không quân Nha Trang 3 PGS.TS. Phạm Hùng Thắng: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang 140 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 giảm phát thải khí xả (chủ yếu là bồ hóng và NOx) và Do đó, tốc độ động cơ 4CHE chọn thực nghiệm là nâng cao được chỉ tiêu kinh tế. 1800v/ph, góc phun nhiên liệu không thay đổi, áp suất phun thay đổi mỗi bước 5 bar. Trước khi tiến II. ĐỐI TƯỢNG, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP hành thử nghiệm, động cơ và các thiết bị đo được NGHIÊN CỨU kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác và vận hành tốt của các thiết bị. Các thiết bị đo được “cân 1. Đối tượng nghiên cứu chỉnh” theo như các yêu cầu của nhà chế tạo [2]. Hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp kiểu cơ khí Động cơ được hoạt động trong điều kiện tự nhiên động cơ diesel 4CHE- YANMAR –Nhật Bản, được với nhiệt độ trong phòng thử khoảng 300C. Sơ đồ bố trang bị tại Phòng Thí nghiệm động cơ - Trường Đại trí thử nghiệm như hình 1. học Nha Trang. Khi bắt đầu thí nghiệm, động cơ được khởi 2. Thiết bị nghiên cứu động và chạy ở chế độ không tải khoảng 45 phút - Nhiên liệu diesel (B0) và hỗn hợp nhiên liệu cho đến khi động cơ đạt trạng thái ổn định về nhiệt dầu diesel-dầu dừa (B15: 15% dầu dừa và 85% dầu độ nước làm mát và nhiệt độ dầu bôi trơn. Trong diesel) được trình bày trong bảng 1 [2]. nghiên cứu này, các thông số điều khiển động cơ - Động cơ diesel 4CHE- YANMAR, thông tin trong quá trình thử nghiệm như sau: động cơ được trình bày trong bảng 2. Nhiệt độ nước làm mát: 800C 0 - Thiết bị phân tích khí thải CO, HC, NOx . Testo Nhiệt độ dầu bôi trơn: 80 C 350 XL của Đức, giao tiếp với máy tính thông qua Nhiệt độ nhiên liệu thử nghiệm: 600C cổng kết nối RS 232 kết hợp phần mềm chuyên - Quy trình thử nghiệm dùng lưu trữ dữ liệu đo. Trước khi tiến hành đo, động cơ được chạy - Thiết bị đo độ mờ khói MSA-PC-SE. NR 00601 hâm nóng đến các giá trị nhiệt độ nước làm mát và của hãng Beissbarth - Đức, sử dụng hệ thống đo nhiệt độ dầu bôi trơn ổn định và được giữ cố định trực tiếp và liên tục những mẫu khí thải được cung tại nhiệt độ 800C. cấp. Kỹ thuật đo dựa trên sự che phủ của mẫu khí Các thí nghiệm được tiến hành tại chế độ tốc thải trong phạm vi đo từ mức trong suốt đến mức tối độ không đổi, tải trọng thay đổi để so sánh, đánh giá hẳn. Mức trong suốt được nhận diện là hoàn toàn đặc tính ngoài và đặc tính khí thải động cơ. Áp suất không có khói trong ống lấy mẫu, mức tối hẳn được phun được thay đổi để đánh giá ảnh hưởng lên tính nhận diện là bị che phủ hoàn toàn. Độ mờ khói tính kinh tế và khí thải động cơ. Tốc độ động cơ được bằng Opacity (N%): 0-99.9% sai lệch 0.1%, mức 0% giữ cố định tại 1800 vòng/phút, tải trọng động cơ được nhận diện là không có khói (độ mờ khói) trong thay đổi tương ứng 20%, 40%, 60%. 80%. buồng đo, mức 100% được nhận diện là bị che phủ Bảng 1. Tính chất của nhiên liệu hỗn hợp so hoàn toàn (độ mờ 100%). với dầu diesel (Trung tâm ĐLCL 3) - Phanh thủy lực dynomite 13 dual-rotor của Độ nhớt hãng LAND-SEA -Mỹ Khối lượng Chỉ số Nhiệt độ Nhiên động học Nhiệt trị - Máy tính kết nối phanh và máy in dữ liệu. Máy riêng (g/ cetan bén cháy liệu ở 400c (kcal/kg) cm3) (CN) cốc kín (0c) tính dynomite 13 có cổng kết nối với các cảm biến (mm2/s) từ phanh, giá trị đo gồm : B0 0.8360 50 3.25 10.478 Min 60 + Giá trị đo mô men (fl b) = 1.35Nm. B15 0.8420 52 3.652 10.650 75 + Giá trị đo công suất (Hp). + Giá trị đo tốc độ (rpm). Bảng 2. Thông số động cơ Kiểu buồng cháy Thống nhất 3. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, Số xilanh 4 Đường kính xilanh x hành quá trình thực hiện nghiên cứu như sau: 105x125 - Điều kiện thử nghiệm: trình piston (mm) Trong thực tế hoạt động của động cơ, chế độ Công suất định mức (Hp/rpm) 70/2300 tải lớn là chế độ phát sinh nhiều yếu tố phản ánh Tốc độ động cơ 1800v/ph rõ hơn đặc tính làm việc của động cơ. Tuy nhiên, Số lỗ tia phun x đường kính x 4 x 0.32 x 1400 trong khai thác thì chế độ thường sử dụng ở 80% góc phun tải và số vòng quay động cơ vào khoảng 80% tốc Thời điểm phun 0BTDC 180 BTDC độ thiết kế giới hạn nhằm bảo đảm khai thác, vận hành an toàn và mô men động cơ đạt giá trị lớn [4]. Áp suất phun (bar) 205-225 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 141 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 phun khác và tương đương với trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu diesel (B0), có được điều này là do tăng áp suất phun làm đường kính hạt nhiên liệu hỗn hỗn hợp giảm xuống tạo nên quá trình hình thành hòa khí tốt hơn, cháy tốt hơn, nâng cao được tính kinh tế cho động cơ. Hình 1. Sơ đồ bố trí các thiết bị thí nghiệm Hình 3. Suất tiêu hao nhiên liệu theo áp suất phun khác nhau 2. Ảnh hưởng của áp suất phun đến phát thải bồ hóng và NOx Hình 4 thể hiện sự biến thiên của bồ hóng (độ mờ khói xả - N%) theo các áp suất phun khác nhau, ở áp suất phun thấp đường kính hạt nhiên liệu lớn Hình 2. Động cơ và các thiết bị thí nghiệm làm quá trình hình thành hỗn hợp cháy xấu dẫn đến Lượng tiêu hao nhiên liệu được đo theo chi phí phát thải bồ hóng cao. nhiên liệu giờ (g/h) để tính toán suất tiêu hao nhiên Tại áp suất phun 220 bar; 225 bar, khi động cơ liệu riêng của động cơ (g/kW.h). Các thiết bị phân ở chế độ non và vừa tải giá trị bồ hóng thấp, khi tích khí thải động cơ được hiệu chỉnh với mẫu khí tăng tải, lượng bồ hóng phát thải cao do tăng lượng tiêu chuẩn trước khi tiến hành thử nghiệm. Ở mỗi cấp nhiên liệu chu trình, hệ số dư lượng không khí chế độ tải, số lần đo được lặp lại 03 lần nhằm giảm α nhỏ dẫn đến cháy hỗn hợp đậm làm quá trình oxy sai số các giá trị đo được. Kết quả trình bày trong hóa bồ hóng kém hơn [5]. nghiên cứu này là trung bình của 3 lần đo và được Trên hình 5, trình bày hàm lượng phát thải NO so sánh với giá trị đo khi động cơ sử dụng nhiên liệu x theo đặc tính tải của động cơ ứng với mỗi áp suất diesel truyền thống với thông số phun tiêu chuẩn. Nhiên liệu thử nghiệm sẽ bao gồm nhiên liệu phun khác nhau. Với động cơ diesel, giai đoạn cháy diesel truyền thống và hỗn hợp nhiên liệu 15% dầu đồng nhất đóng vai trò quan trọng nhất với sự hình dừa +85% diesel. thành NOx. Vùng phản ứng tạo NOx chỉ tập trung quanh khu vực màng lửa, nơi có hệ số dư lượng III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN không khí xấp xỉ 1 và có đủ oxy, sau đó NOx gia tăng nồng độ nhanh chóng và “đóng băng” cho đến khi 1. Ảnh hưởng của áp suất phun đến suất tiêu nhiên liệu phun vào đã cháy hết, điều kiện cần thiết hao nhiên liệu cho NO hình thành không còn [3]. Đối với nhiên Ở điều kiện góc phun nhiên liệu sớm quy định x của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel (bảng 2) liệu hỗn hợp, tại áp suất phun 215 bar và 220 bar, và áp suất phun thay đổi từ 205 bar; 210 bar, 215 mức độ hình thành NOx thấp, điều này cho thấy khi bar, 220 bar và 225 bar. Kết quả thực nghiệm động tăng áp suất phun làm thay đổi cấu trúc chùm tia cơ sử dụng nhiên liệu hỗn hợp đã cho thấy sự thay nhiên liệu hỗn hợp, thời gian phân rã tia phun ngắn, đổi rõ rệt về suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kW.h) ở đường kính hạt nhiên liệu nhỏ, tốc độ hóa hơi nhiên mỗi áp suất phun khác nhau. liệu nhanh làm rút ngắn thời gian chậm cháy nên Tại áp suất phun 215 bar (hình 3) suất tiêu hao áp suất cháy cực đại và nhiệt độ trong xylanh lúc nhiên liệu cho kết quả thấp hơn các giá trị áp suất này giảm xuống khiến nồng độ NOx xung quanh 142 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2015 màng lửa giảm. Khi tăng áp suất phun lên quá cao trong khi thời điểm phun trễ làm tăng sự vận động rối của dòng khí trong xylanh giúp cho quá trình bắt cháy và ôxy hóa bồ hóng tốt hơn (hình 4). Tuy nhiên, do thời gian cháy trễ quá ngắn dẫn đến hiệu suất nhiệt giảm làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu (hình 3) [6]. Ngoài ra, nhiên liệu hỗn hợp có chứa thành phần ôxy trong dầu dừa nên điều kiện hình thành NOx lúc này vẫn tăng, kết quả ở áp suất phun 225 bar lượng NOx phát thải lớn hơn 215 bar và 220 bar (hình 5). Hình 5. Biến thiên NOx theo tải và áp suất phun Hình 4. Biến thiên bồ hóng theo tải và áp suất phun khác nhau Ở các chế độ tải khi thay đổi áp suất phun cho Hình 6. Quan hệ giữa NO và bồ hóng ở 80% tải theo áp thấy, phát thải NO và bồ hóng của nhiên liệu hỗn x x suất phun khác nhau hợp chỉ tăng mạnh ở mức tải cao (70-80% tải trở lên). Trên hình 6 thể hiện mối quan hệ giữa NOx và IV. KẾT LUẬN bồ hóng ở 80% tải, NOx giảm trong khoảng áp suất Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đánh giá đồng phun từ 215 bar đến 220 bar nhưng bồ hóng trong thời cả chỉ tiêu kinh tế và môi trường đã chỉ ra được khoảng này lại tăng và ở áp suất phun 220÷225 bar, sự chênh lệch về suất tiêu hao nhiên liệu và phát bồ hóng giảm, NO tăng, đây là yếu tố trái ngược x thải khí xả của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B15 ở nhau giữa hai loại ô nhiễm này trong động cơ diesel áp suất phun 215 bar so với nhiên liệu B0 ở áp suất và có được điều này là do ở nhiệt độ cao việc hình phun tiêu chuẩn (205 bar) như sau: thành NOx phát triển nhưng lại làm quá trình ôxy hóa các hydrocacbon tốt hơn nên bồ hóng giảm. Nhìn - Phát thải bồ hóng giảm 30% so với B0. chung, khi sử dụng nhiên liệu B15 có tăng áp suất - Phát thải NOx giảm 58% so với B0. phun lên so với nhiên liệu diesel, phát thải bồ hóng - Suất tiêu hao nhiên liệu B15 tương đương và NOx đều giảm mạnh. với B0. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Mai Đức Nghĩa, Phùng Minh Lộc, 2011, Nghiên cứu chế tạo thiết bị tự động 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. Trường Đại học Nha Trang 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. Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2007, Các quá trình xử lý để sản xuất nhiên liệu sạch, NXB Khoa học và Kỹ thuật. Tiếng Anh 4. Gary L. Borman, Kenneth W. Ragland, 1998, Combustion Engineering, Wcb/Mcgraw Hill, ISBN 0-07-115978-9. 5. Carsten Baumgarten, 2010, Mixture Formation in Internal Combustion Engines, Springer. ISBN3540308350. 6. USV Prasad, K.Madhu Murthy, and G.Amba Prasad Rao, Infl uence of Fuel Injection Parameters of DI Diesel Engine Fuelled With Biodiesel and Diesel Blends, International Conference on Mechanical, Automobile and Robotics Engineering (ICMAR’2012) Penang. Malaysia. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 143