6 mai duc nghia 2135

Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2016 THÔNG BÁO KHOA HỌC 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 quan tâm đặc biệt việc thay nhiên liệu truyền thống động Diesel, thân thiện với mơi trường tái sinh Tuy nhiên, tính chất hóa, lý nhiên liệu khác so với dầu Diesel, nên sử dụng, góc phun sớm cần điều chỉnh để động làm việc phù hợp Trong nghiên cứu này, nhiên liệu B15 sử dụng động Diesel 4CHE Yanmar Nhật Bản chế tạo, với góc phun sớm điều chỉnh từ 170 đến 220 GQTKTĐCT Kết nghiên cứu cho thấy, suất tiêu hao nhiên liệu B15 phát thải khí xả thấp góc phun sớm 180-190 GQTKTĐCT Từ khóa: dầu Diesel, dầu Dừa, nhiên liệu sinh học, động 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, specific 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 Hiện nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu gốc dầu mỏ cho động đốt tăng mạnh, dẫn đến phát sinh nhiều vấn đề ảnh hưởng xấu đến môi trường Trước thực trạng trên, đòi hỏi nhà sản suất nhiên liệu, chế tạo động người sử dụng tìm biện pháp giảm thiểu nhiễm khí xả Nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật mỡ động vật, chức phụ gia, tăng cường oxy cho trình cháy, thân thiện với mơi trường, cịn nguồn nhiên liệu 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 Diesel [1],[2] Tuy nhiên, độ nhớt, khối lượng riêng dầu Dừa có khác so với dầu Diesel, nên sử dụng hỗn hợp dầu Diesel dầu Dừa, hệ thống phun nhiên liệu cần điều chỉnh để động hoạt động hiệu Trường Sĩ quan Không quân - Bộ Quốc phịng Trung tâm Thí nghiệm thực hành – Trường Đại học Nha Trang 1, TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 41 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2016 Khi thay đổi góc phun sớm, áp suất cuối kỳ nén thực tế thay đổi, lực cản khí động buồng cháy thay đổi, làm ảnh hưởng đến cấu trúc tia phun nhiên liệu trình hình thành hỗn hợp cháy [5] Vì thế, phải xác định góc phun sớm phù hợp cho hệ thống nhiên liệu động Diesel sử dụng loại nhiên liệu này, để giảm phát thải khí xả (chủ yếu bồ hóng NOx) nâng cao tiêu kinh tế 85% dầu Diesel có pha phụ gia nano fuel bosster tỷ lệ 1/800) trình bày bảng [2] - Động diesel 4CHE- Yanmar Loại động có đặc tính làm việc, hệ thống nhiên liệu kết cấu buồng cháy tương tự số loại động Diesel trung-cao tốc có cơng suất khoảng 100Hp, trang bị phổ biến Tàu cá khu vực Duyên hải Miền trung phương tiện thủy nội địa đồng sông Mê kông-Việt Nam (bảng 2) [3,10-15] II ĐỐI TƯỢNG, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP - Thiết bị đo Testo 350 XL Đức dùng phân tích khí thải CO, HC, NOx NGHIÊN CỨU - Thiết bị đo độ mờ khói MSA-PC hãng Đối tượng nghiên cứu Beissbarth - Đức, sử dụng hệ thống đo trực tiếp Góc phun sớm tiêu kinh tế, mơi liên tục mẫu khí thải cung cấp trường động Diesel 4CHE Yanmar - Phanh thủy lực Dynomite 13 dual-rotor hãng LAND - SEA - Mỹ Nhiên liệu thiết bị nghiên cứu - Máy tính Dynomite kết nối phanh máy - Nhiên liệu Diesel (DO) nhiên liệu hỗn in liệu để đo mô men, công suất, tốc độ hợp dầu Diesel-dầu Dừa (B15: 15% dầu Dừa Bảng Tính chất nhiên liệu hỗn hợp so với dầu Diesel [2] Hãng sản xuất CUM MINS DEUTZ YAN MAR ISUZU DEA DONG WEI CHAI CATERPILLA Loại động 4B 6B F4L912 F6L912 BF4M1013M BF4M2012C 4CHE 4TD 4TY80 6CHE 6CHE-HTE 6HAE 6TY120 UM4BG1Z UM4JB1 DD6BR DD4AK ZH4100 ZH4100D ZH4100G1 ZH4100L D226B-3C1 TD226B-3C 3054 Đường kính Áp suất xy lanh x hành phun trình piston (kg/cm2) (mm) 102x120 102x120 100x120 100x120 108x130 101x126 105x125 100x115 105x125 105x125 105x125 130x150 105x125 105x125 93x102 118x115 100x105 100x115 100x115 100x115 100x115 105x120 105x120 100 x 127 42 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 180 180 200 200 210 210 210 200 200 210 210 210 200 200 200 200 200 220 220 220 220 220 220 180 Tỷ số nén 17.5 17.5 17 17 17.5 17 16.4 16 15 16.4 14.4 16.4 16 17.5 18.2 17.5 16.1 17.1 17.1 17.1 17.1 16.1 16.1 17.25 Góc phun Kiểu Cơng suất Dung tích sớm buồng ( GQTK (hp/v/p) xylanh (l) cháy TĐCT) 20 20 20 20 20 20 18 18 18 18 16 18 18 16 16 18 18 20 20 20 20 20 20 20 ω // // // // // // // // // // // // // // // // // // // // // // // 64/2200 98/2200 68/2300 94/2300 109/2300 100/2500 70/2300 52/2100 77/2500 105/2300 155/2300 165/2000 115/2500 110/2900 61/3000 132/2200 93/2700 44/2000 31/1500 45/2400 43/2000 38/1800 40/1500 108/2600 3.9 5.9 3.770 5.660 3.800 4.764 4.330 3.613 4.330 6.494 6.494 11.94 6.494 4.329 2.77 7.545 3.298 3.61 3.61 3.61 3.61 3.12 3.12 4.41 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2016 Bảng Thông số số loại máy thủy phổ biến Việt Nam [3,10-15] Nhiên liệu Khối lượng riêng (g/cm3) Chỉ số cetan (CN) Độ nhớt động học 400c (mm2/s) Nhiệt trị (kcal/kg) D0 0.8360 50 3.25 10.478 B15 0.8420 52 3.65 10.650 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, trình thực nghiên cứu sau: - Điều kiện thử nghiệm: Điều kiện tiến hành thử nghiệm động xác định theo điều kiện hoạt động thực tế diễn phổ biến động Diesel máy thủy, trường hợp tàu chạy hành trình để xác định tiêu kinh tế (ge) mơi trường (bồ hóng, NOx) Động Diesel trung-cao tốc sử dụng tàu làm máy lai chân vịt phải thơng qua hộp số làm máy phụ, lai máy phát điện Đối với loại động Diesel trên, tốc độ động khai thác thường chế độ đạt mô men lớn nằm khoảng 60% ÷ 80% tốc độ định mức [6, 8-9] Hình Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm Động hoạt động điều kiện tự nhiên với nhiệt độ phòng thử khoảng 32oC, sơ đồ bố trí thí nghiệm trình bày hình 1, động thiết bị thí nghiệm trình bày hình 2, thơng số động cho bảng Khi bắt đầu thí nghiệm, động khởi động chạy chế độ không tải khoảng 45 phút động đạt trạng thái ổn định nhiệt độ nước làm mát nhiệt độ dầu bôi trơn sau: Nhiệt độ nước làm mát: 80oC; Nhiệt độ dầu bơi trơn: 80oC; Hình Động thiết bị thử nghiệm phịng thử nghiệm-ĐHNT - Quy trình thử nghiệm: Trước tiến hành đo, động chạy hâm nóng đến giá trị theo điều kiện Các thí nghiệm tiến hành chế độ tốc độ không đổi (1800 vịng /phút); tải trọng thay đổi từ khơng 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 khí thải động Lượng tiêu hao nhiên liệu đo theo chi phí nhiên liệu (g/h) để tính tốn suất tiêu hao nhiên liệu riêng động (g/kW.h) Ở chế độ tải, thời gian ghi nhận số liệu cho lần đo 1000 chu kỳ, số liệu thu cho lần đo trung bình giá trị có tần xuất xuất nhiều thời gian ghi nhận Kết trình bày nghiên cứu trung bình lần đo xây dựng thành đường đặc tính thể quan hệ suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kW.h), phát thải bồ hóng, NOx, theo tải góc phun sớm phương pháp bình phương nhỏ [4], có độ tin cậy > 95% thể hình phần kết nghiên cứu TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 43 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Ảnh hưởng góc phun sớm đến suất tiêu hao nhiên liệu Số 2/2016 tia phun, tương đương với tia nhiên liệu DO 180 Tuy nhiên, góc phun sớm lớn, kéo dài thời gian cháy trễ, đỉnh áp suất cháy tiến sát ĐCT piston lên gây tổn hao công suất, khiến công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng Ảnh hưởng góc phun sớm đến phát thải bồ hóng NOx Hình Suất tiêu hao nhiên liệu B15 theo góc phun sớm 80% tải Trong thực tế hoạt động động cơ, chế độ tải trọng thường gặp 80% tải Vì vậy, kết nghiên cứu tập trung phân tích chế độ tải đặc trưng so sánh với trường hợp động sử dụng nhiên liệu DO góc phun 180, áp suất phun 210 kg/cm2 Từ giá trị đo tiêu hao nhiên liệu động sử dụng nhiên liệu B15 công suất động có xét đến ảnh hưởng mơi trường tổn hao khí truyền động tới phanh Kết cho thấy, 80% tải, suất tiêu hao nhiên liệu B15 190 GQTKTĐCT giảm so với góc phun khác tương đương với trường hợp động sử dụng nhiên liệu DO thông số phun tiêu chuẩn (180, 210kg/cm2), thể hình Tại góc phun này, cấu trúc tia phun B15 phù hợp với buồng cháy, q trình hình thành hịa khí tốt, cháy kiệt hơn, làm gia tăng công suất, điều giải thích sau: - Nhiên liệu B15 gia nhiệt để giảm độ nhớt, nên nhiệt độ cao, làm giảm góc nón chùm tia độ xuyên sâu tia phun vào khơng gian buồng cháy [7] Vì vậy, góc phun 180 so với dầu DO, cấu trúc tia nhiên liệu B15 - Khi tăng góc phun sớm làm giảm lực cản khí động, dẫn đến gia tăng độ xuyên sâu 44 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Hình Phát thải bồ hóng nhiên liệu B15 theo góc phun sớm 80% tải Biến thiên bồ hóng theo góc phun khác trình bày hình Do nhiên liệu B15 có tỷ lệ C/H thấp dầu Diesel hàm lượng Ô xy chiếm 11% [2], nên chế độ hoạt động đầy tải, phát thải bồ hóng thấp nhiên liệu DO cho tất góc phun, lợi điểm nhiên liệu Ở góc phun 180-190 TĐCT, bồ hóng phát thải thấp nhiệt độ cao xy lanh, làm mức độ xy hóa bồ hóng lớn Ở góc phun khác, có hai lý khiến hàm lượng bồ hóng phát thải cao hơn: Hình Phát thải NOx nhiên liệu B15 theo góc phun sớm 80% tải Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 2/2016 - Xuất phát từ ảnh hưởng cấu trúc tia trường hợp phun sớm Nhìn chung, phun, làm trình hình thành hỗn hợp cháy tăng góc phun sớm cho B15, NOx có xu hướng khơng hiệu quả, dẫn đến lượng bồ hóng sinh tăng tăng thời gian cháy trễ lớn - Nhiệt độ q trình cháy thấp, khả xy hóa nên hàm lượng phát thải bồ hóng cao IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trên hình 5, trình bày hàm lượng phát Động Diesel 4CHE Yanmar sử dụng thải NOx động ứng với góc phun sớm nhiên liệu B15, điều chỉnh góc phun sớm khác Với động Diesel, giai đoạn cháy 180- 190 GQTKTĐCT với áp suất phun 230kg/ đồng đóng vai trị quan trọng cho hình cm2 so với góc phun tối ưu nhiên liệu DO thành NOx Vùng phản ứng tạo NOx tập trung (180, 210kg/cm2): quanh khu vực màng lửa, nơi có hệ số dư lượng khơng khí xấp xỉ có đủ oxy Sau NOx gia tăng nồng độ nhanh chóng “đóng - Phát thải bồ hóng, NOx giảm mạnh so với nhiên liệu DO - Suất tiêu hao nhiên liệu B15 tương đương băng” nhiên liệu phun vào cháy với trường hợp động sử dụng nhiên liệu DO hết, điều kiện cần thiết cho NOx hình thành thơng số phun tiêu chuẩn khơng cịn [6] Khi thay đổi góc phun sớm, Kiến nghị 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, nguyên nhân phát thải NOx lớn, điều xẩy góc phun sớm lớn Ở góc phun trễ, nhiên liệu phun vào gần điểm chết cảng dễ bị bay hơi, khiến thời gian cháy trễ giảm Nhờ vậy, nhiên liệu cháy từ từ, thay bị tích tụ bùng cháy đột ngột Trong nghiên cứu này, thay đổi góc phun sớm theo điều kiện thử nghiệm trình bày phần Cần thay đổi áp suất phun 190 GQTKTĐCT góc phun sớm khác, để xác định ảnh hưởng thông số phun đến tiêu kinh tế môi trường động Diesel chuyển sang sử dụng hỗn hợp dầu Diesel-dầu Dừa TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 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 diesel, Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ thủy sản, số - 2012 Phùng Minh Lộc, 2012, Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý dầu dừa dầu diesel dung làm nhiên liệu cho động diesel nhằm cải thiện tiêu kinh tế môi trường, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Nha Trang Phan Văn Quân, Ứng dụng thí điểm dầu mỡ cá da trơn cho phương tiện thủy nội địa lắp động diesel đồng sông Mê Kơng, 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 Bùi Minh Trí (2005), Xác suất thống kê qui hoạch thực nghiệm, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 45 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản 10 11 12 13 14 15 Số 2/2016 Tiếng Anh Carsten Baumgarten, 2010, Mixture Formation in Internal Combustion Engines, Springer Springer ISBN3540308350 K Mollenhauer, H Tschoeke, Handbook of Diesel Engines, DOI 10.1007/978-3-540-89083-6, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010 Lacoste Julien, 2006, Characteristics of Diesel Sprays at High Temperatures and Pressures, A thesis submitted in partial fulfilment of the requirement of the University of Brighton for the degree of Doctor of philosophy 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 http://www.delphi.com/pdf/emissions/Delphi_HD.pdf http://www.cheap-diesel.com/product_13536/Deutz-4-cylinder-diesel-engine.html http://www.deutzpartsdirect.com/Deutz-912-Engines.html http://www.minelinks.com/tools/engines.html http://www.dieselenginemotor.com/isuzu/j_series/.html http://www.sbmar.com/cummins-marine-diesel-engines.php http://www.mshs.com/deutz_page.html 46 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ... 155/2300 165 /2000 115/2500 110/2900 61 /3000 132/2200 93/2700 44/2000 31/1500 45/2400 43/2000 38/1800 40/1500 108/ 260 0 3.9 5.9 3.770 5 .66 0 3.800 4. 764 4.330 3 .61 3 4.330 6. 494 6. 494 11.94 6. 494 4.329... CATERPILLA Loại động 4B 6B F4L912 F6L912 BF4M1013M BF4M2012C 4CHE 4TD 4TY80 6CHE 6CHE-HTE 6HAE 6TY120 UM4BG1Z UM4JB1 DD6BR DD4AK ZH4100 ZH4100D ZH4100G1 ZH4100L D226B-3C1 TD226B-3C 3054 Đường kính... 220 220 220 220 220 180 Tỷ số nén 17.5 17.5 17 17 17.5 17 16. 4 16 15 16. 4 14.4 16. 4 16 17.5 18.2 17.5 16. 1 17.1 17.1 17.1 17.1 16. 1 16. 1 17.25 Góc phun Kiểu Cơng suất Dung tích sớm buồng ( GQTK