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 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 I. ĐẶT VẤN ĐỀ tăng cường oxy cho quá trình cháy, thân thiện Hiện nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu gốc với môi trường, còn là nguồn nhiên liệu có thể dầu mỏ cho động cơ đốt trong tăng mạnh, tái sinh [2]. Dầu thực vật (dầu Dừa) nguyên dẫn đến phát sinh nhiều vấn đề ảnh hưởng gốc, không cần tổng hợp thành Biodiesel mà xấu đến môi trường. Trước thực trạng trên, pha trực tiếp vào dầu Diesel làm nhiên liệu cho đòi hỏi các nhà sản suất nhiên liệu, chế tạo động cơ Diesel [1],[2]. Tuy nhiên, độ nhớt, khối động cơ và người sử dụng tìm ra biện pháp lượng riêng của dầu Dừa có khác so với dầu giảm thiểu ô nhiễm khí xả. Nhiên liệu sinh Diesel, nên khi sử dụng hỗn hợp dầu Diesel - học có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ dầu Dừa, hệ thống phun nhiên liệu cần được động vật, ngoài chức năng như một phụ gia, điều chỉnh để động cơ hoạt động hiệu quả hơn. 1, 2 Trường Sĩ quan Không quân - Bộ Quốc phòng 3 Trung tâm Thí nghiệm thực hành – Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 41 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 Khi thay đổi góc phun sớm, áp suất cuối kỳ nén 85% dầu Diesel có pha phụ gia nano fuel bosster thực tế thay đổi, lực cản khí động trong buồng tỷ lệ 1/800) được trình bày trong bảng 1 [2]. cháy thay đổi, làm ảnh hưởng đến cấu trúc tia - Động cơ diesel 4CHE- Yanmar. Loại động phun nhiên liệu và quá trình hình thành hỗn cơ này có đặc tính làm việc, hệ thống nhiên liệu hợp cháy [5]. Vì thế, phải xác định góc phun và kết cấu buồng cháy tương tự như một số sớm phù hợp cho hệ thống nhiên liệu của động loại động cơ Diesel trung-cao tốc có công suất cơ Diesel khi sử dụng loại nhiên liệu này, để khoảng 100Hp, đang được trang bị phổ biến giảm phát thải khí xả (chủ yếu là bồ hóng và trên Tàu cá tại khu vực Duyên hải Miền trung và các phương tiện thủy nội địa ở đồng bằng sông NOx) và nâng cao được chỉ tiêu kinh tế. Mê kông-Việt Nam (bảng 2) [3,10-15]. II. ĐỐI TƯỢNG, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP - Thiết bị đo Testo 350 XL của Đức dùng NGHIÊN CỨU phân tích khí thải CO, HC, NOx . - Thiết bị đo độ mờ khói MSA-PC của hãng 1. Đối tượng nghiên cứu Beissbarth - Đức, sử dụng hệ thống đo trực tiếp Góc phun sớm và các chỉ tiêu kinh tế, môi và liên tục những mẫu khí thải được cung cấp. trường của động cơ Diesel 4CHE Yanmar. - Phanh thủy lực Dynomite 13 dual-rotor 2. Nhiên liệu và thiết bị nghiên cứu của hãng LAND - SEA - Mỹ. - Nhiên liệu Diesel (DO) và nhiên liệu hỗn - Máy tính Dynomite kết nối phanh và máy hợp dầu Diesel-dầu Dừa (B15: 15% dầu Dừa và 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] Đường kính Góc phun Áp suất Kiểu Loại xy lanh x hành Tỷ số sớm Công suất Dung tích Hãng sản xuất phun buồng động cơ trình piston nén (0GQTK (hp/v/p) xylanh (l) (kg/cm2) cháy (mm) TĐCT) CUM 4B 102x120 180 17.5 20 ω 64/2200 3.9 MINS 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 4CHE 105x125 210 16.4 18 // 70/2300 4.330 MAR 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 DD6BR 118x115 200 17.5 18 // 132/2200 7.545 DONG DD4AK 100x105 200 16.1 18 // 93/2700 3.298 WEI ZH4100 100x115 220 17.1 20 // 44/2000 3.61 CHAI 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 42 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 Bảng 2. Thông số cơ bản của một số loại máy thủy phổ biến ở Việt Nam [3,10-15] Khối lượng riêng Độ nhớt động học Nhiên liệu Chỉ số cetan (CN) Nhiệt trị (kcal/kg) (g/cm3) ở 400c (mm2/s) D0 0.8360 50 3.25 10.478 B15 0.8420 52 3.65 10.650 3. Phương pháp nghiên cứu Nhiệt độ nước làm mát: 80oC; Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực Nhiệt độ dầu bôi trơn: 80oC; 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 Hình 2. Động cơ và các thiết bị thử nghiệm tại phòng máy phát điện. Đối với các loại động cơ Diesel thử nghiệm-ĐHNT trên, tốc độ động cơ khai thác thường ở chế độ - Quy trình thử nghiệm: đạt mô men lớn nằm trong khoảng 60% ÷ 80% Trước khi tiến hành đo, động cơ được chạy tốc độ định mức [6, 8-9]. 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 Hình 1. Sơ đồ bố trí các thiết bị thí nghiệm mỗi chế độ tải, thời gian ghi nhận số liệu cho Động cơ hoạt động trong điều kiện tự một lần đo trên 1000 chu kỳ, số liệu thu được nhiên với nhiệt độ trong phòng thử khoảng cho một lần đo là trung bình của các giá trị có 32oC, sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày tần xuất xuất hiện nhiều nhất trong thời gian trên hình 1, động cơ và các thiết bị thí nghiệm ghi nhận. Kết quả trình bày trong nghiên cứu được trình bày trên hình 2, thông số động cơ này là trung bình của 3 lần đo và được xây cho trong bảng 2. dựng thành các đường đặc tính thể hiện quan Khi bắt đầu thí nghiệm, động cơ được khởi hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kW.h), động và chạy ở chế độ không tải khoảng 45 phát thải bồ hóng, NOx, theo tải và góc phun phút cho đến khi động cơ đạt trạng thái ổn định sớm bằng phương pháp bình phương nhỏ về nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ dầu bôi nhất [4], có độ tin cậy > 95% và được thể hiện trơn như sau: trên các hình trong phần kết quả nghiên cứu. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 43 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN tia phun, tương đương với tia nhiên liệu DO ở 180. Tuy nhiên, góc phun sớm quá lớn, sẽ 1. Ảnh hưởng của góc phun sớm đến suất kéo dài thời gian cháy trễ, đỉnh áp suất cháy tiêu hao nhiên liệu 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 Hình 4. Phát thải bồ hóng của nhiên liệu B15 độ tải đặc trưng này và so sánh với trường hợp theo góc phun sớm ở 80% tải động cơ sử dụng nhiên liệu DO ở góc phun Biến thiên bồ hóng theo góc phun khác 180, áp suất phun 210 kg/cm2. nhau được trình bày trên hình 4. Do nhiên Từ giá trị đo được về tiêu hao nhiên liệu liệu B15 có tỷ lệ C/H thấp hơn dầu Diesel và giờ của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B15 và hàm lượng Ô xy chiếm 11% [2], nên ở chế độ công suất động cơ có xét đến ảnh hưởng của hoạt động đầy tải, phát thải bồ hóng đều thấp môi trường và tổn hao cơ khí bộ truyền động tới hơn nhiên liệu DO cho tất cả các góc phun, phanh. Kết quả cho thấy, ở 80% tải, suất tiêu đây chính là lợi điểm của nhiên liệu này. Ở góc hao nhiên liệu B15 tại 190 GQTKTĐCT giảm phun 180-190 TĐCT, bồ hóng phát thải thấp là so với các góc phun khác và tương đương với do nhiệt độ cao trong xy lanh, làm mức độ ô trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu DO xy hóa bồ hóng lớn. Ở các góc phun khác, có ở thông số phun tiêu chuẩn (180, 210kg/cm2), hai lý do khiến hàm lượng bồ hóng phát thải được thể hiện trên hình 3. Tại góc phun này, cao hơn: 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 Hình 5. Phát thải NOx của nhiên liệu B15 cản khí động, dẫn đến gia tăng độ xuyên sâu theo góc phun sớm ở 80% tải 44 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 - Xuất phát từ ảnh hưởng của cấu trúc tia trong trường hợp phun sớm. Nhìn chung, khi phun, làm quá trình hình thành hỗn hợp cháy tăng góc phun sớm cho B15, NOx có xu hướng không hiệu quả, dẫn đến lượng bồ hóng sinh tăng do tăng thời gian cháy trễ. ra lớn. IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Nhiệt độ quá trình cháy thấp, khả năng ô xy hóa kém nên hàm lượng phát thải bồ hóng cao. 1. Kết luận Trên hình 5, trình bày hàm lượng phát Động cơ Diesel 4CHE Yanmar sử dụng nhiên liệu B15, khi điều chỉnh góc phun sớm ở thải NOx của động cơ ứng với góc phun sớm khác nhau. Với động cơ Diesel, giai đoạn cháy 180- 190 GQTKTĐCT với áp suất phun 230kg/ đồng nhất đóng vai trò quan trọng cho sự hình cm2 so với góc phun tối ưu của nhiên liệu DO (180, 210kg/cm2): thành NOx. Vùng phản ứng tạo NOx chỉ tập trung quanh khu vực màng lửa, nơi có hệ số dư - Phát thải bồ hóng, NOx giảm mạnh so với lượng không khí xấp xỉ 1 và có đủ oxy. Sau đó nhiên liệu DO. - Suất tiêu hao nhiên liệu B15 tương đương NOx gia tăng nồng độ nhanh chóng và “đóng băng” cho đến khi nhiên liệu phun vào đã cháy với trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu DO ở thông số phun tiêu chuẩn. hết, điều kiện cần thiết cho NOx hình thành không còn [6]. Khi thay đổi góc phun sớm, 2. Kiến nghị làm thay đổi thời gian cháy trễ. Nếu thời gian Trong nghiên cứu này, chỉ thay đổi góc cháy trễ dài, làm hỗn hợp hòa trộn trước cháy phun sớm theo các điều kiện thử nghiệm đã mãnh liệt khiến nhiệt độ gia tăng nhanh chóng, được trình bày ở phần trên. Cần thay đổi áp là nguyên nhân phát thải NOx lớn, điều này xẩy suất phun ở 190 GQTKTĐCT và ở các góc phun ra ở các góc phun sớm lớn. Ở góc phun trễ, sớm khác, để xác định ảnh hưởng của thông nhiên liệu phun vào càng gần điểm chết trên số phun đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của cảng dễ bị bay hơi, khiến thời gian cháy trễ động cơ Diesel khi chuyển sang sử dụng hỗn sẽ giảm. Nhờ vậy, nhiên liệu được cháy từ từ, hợp dầu Diesel-dầu Dừa. thay vì bị tích tụ và bùng cháy đột ngột như 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 . TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 45 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2016 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. 46 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG