Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật Ô tô, máy kéo: Nghiên cứu quá trình cháy động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu Biofuel từ dầu hạt cao su

ii TÓM TẮT Luận văn này nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel sản suất từ hạt cao su đến quá trình cháy và khí thải trên động cơ Diesel một xy lanh Kubota RT125 phun nhiên liệu trự

TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nhiên liệu hóa thạch của thế giới và Việt Nam

Tình hình sử dụng nhiên liệu của thế giới

Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA) ước tính năm 2006 rằng nguồn năng lượng nguyên thủy bao gồm 36,8% dầu mỏ, than 26,6%, khí thiên nhiên 22,9%, chiếm 86% nhiên liệu nguyên thủy sản xuất trên thế giới [1] Trong đó, dầu mỏ đóng góp một phần rất quan trọng trong công nghiệp và vận tải … Theo báo cáo của tổ chức OPEC năm 2013, nhu cầu dầu thô trong năm 2013 là 89.6 thùng/ ngày và nhu cầu tăng hằng năm là 0.8% từ 2010 đến 2035 [2] Tổ chức WEC dự báo trự lượng dầu thô toàn cầu là 233,454 tỷ tấn (1.711, 217 tỷ thùng) và sẽ cạn vào khoảng 56 năm sử dụng nữa [3].

Tình hình sử dụng nhiên liệu của Việt Nam

Việt Nam hiện có trữ lượng dầu 4,4 tỷ thùng Dầu thô được khai thác từ đầu những năm 1980 Theo dự đoán của OPEC, nguồn dầu dự trữ Việt Nam sẽ cạn vào khoảng 40 năm nữa, với mức độ khai thác như đánh giá Sản lượng dầu thô năm 2011 là 326.000 thùng/ngày Và dự đoán có thể tăng thêm 50.000 thùng/ngày trong 2 năm tới

Hiện nay, Việt Nam chủ yếu xuất khẩu dầu thô và nhập sản phẩm từ dầu thô về lại.Nhu cầu dầu của Việt Nam trong một thập kỉ đã tăng gấp đôi từ 175.000 thùng/ngày năm 2000 lên 320.000 thùng/ ngày năm 2010 Do vậy, Việt Nam hiện có nhu cầu nhập khẩu khoảng 70% các sản phẩm từ hóa dầu, vì nhà máy Dung Quốc không đáp ứng được

Nhiên liệu dầu được sử dụng trong giao thông vận tải, nhà máy phát điện … Trong đó, ngành vận tải chiếm 60% Dự đoán nhu cầu dầu sẽ tăng 830.000 thùng/ngày đến năm 2030 [3] Hiện nay, Việt Nam đang liên kết với Nga để thăm dò một số vùng có tiềm năng để tăng thêm sản lượng Các dự án nhà máy lọc dầu mới như Nghi Sơn, Vũng

Rô, Nhơn Hội, Cần Thơ, Cát Lái …[4] để đáp ứng nhu cầu xăng dầu trong nước, giảm nhập khẩu.

Tổng quan về dầu diesel

Nhiên liệu diesel là một loại nhiên liệu lỏng, được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gasoil nhẹ, là sản phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ với khoảng nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển từ 250 đến 350 0 C bao gồm các hydrocarbon khác nhau từ C 16 đến C 20,

C 21 Nhiên liệu diesel được sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel (đường bộ, đường sắt, đường thủy…) và cũng được sử dụng trong các tuabin khí (công nghiệp xây dựng, phát điện…) Ngoài ra, phân đoạn gasoil cũng có thể được trộn chung với các sản phẩm của quá trình như: Cracking nhiệt, cracking xúc tác…để tăng sản lượng và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật

Phần lớn trong phân đoạn này là các n-parafin, iso-parafin, naphthene, olefin và các aromatic, còn hydrocarbon thơm rất ít Ở cuối phân đoạn có những n-parafin có nhiệt độ kết tinh cao, chúng là những thành phần gây mất tính linh động của phân đoạn ở nhiệt độ thấp Trong gasoil, ngoại naphthene và thơm 2 vòng chủ yếu, những chất có 3 vòng bắt đầu tăng lên

Hàm lượng các hợp chất chứa S, N, O tăng nhanh Lưu huỳnh ở dạng disunfua, dị vòng Trong gasoil đã xuất hiện nhựa, song còn ít, trọng lượng phân tử của nhựa còn thấp

1.2.2 Các tiêu chuẩn về chất lƣợng Để đáp ứng các yêu cầu của động cơ cũng như tiêu chuẩn của môi trường, nhiên liệu diesel phải thỏa mãn một số chỉ tiêu về chất lượng sản phẩm quy định Tùy theo điều kiện cụ thể mà mỗi quốc gia, có những tiêu chuẩn khác nhau, như Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), ASTM… Một số các tiêu chuẩn quan trọng đối với diesel:

Trị số cetane là đơn vị đo quy ước, đặc trưng cho khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu diesel, có giá trị đúng bằng giá trị của hỗn hợp chuẩn có cùng khả năng tự bắt cháy Hỗn hợp chuẩn này gồm 2 hydrocacbon: n-xetan (n-C16H34) quy định là 100, có khả năng tự bắt cháy tốt, và a-metyl naphtalen (C4H10) quy định là 0, khả năng tự bốc cháy kém

Yêu cầu về trị số cetane của động cơ diesel tốc độ chậm (dưới 500 vòng/phút) chỉ cần 45 đến 50.Với động cơ chạy nhanh (đến 1000 vòng/phút) chỉ cần trên 50 Trị số cetane cao quá sẽ lãng phí nhiên liệu vì một số thành phần ở nhiệt độ cao trong xilanh sẽ phân hủy thành cacbon tự do (tạo muội) trước khi cháy Trị số cetane thấp quá sẽ xảy ra tiếng gõ, do có nhiều thành phần khó bị oxy hóa đòi hỏi phải phun rất nhiều nhiên liệu vào xilanh mới xảy ra quá trình tự cháy, dẫn đến lượng nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn yêu cầu, nhiệt lượng sinh ra rất lớn gây tăng mạnh áp suất, động cơ bị rung giật…

Phân đoạn gasoil nhẹ chưng cất trực tiếp từ dầu mỏ nói chung có trị số cetane thích hợp để sử dụng luôn làm nhiên liệu diesel

1.2.2.2 Độ nhớt Độ nhớt là tính chất của một chất lỏng, được xem là ma sát nội của chất lỏng và cản trở sự chảy của chất lỏng Nguyên nhân có độ nhớt là do ái lực cơ học giữa các hạt cấu tạo nên chất lỏng Đặc biệt ở những vùng có nhiệt độ môi trường thấp, nhiên liệu phải lưu động một cách dễ dàng trong hệ thống nhiên liệu, nhiên liệu sẵn sàng cung cấp đủ và liên tục

Tuy nhiên, nếu độ nhớt quá cao thì nhiên liệu khó phun tơi và bốc hơi hoàn toàn, gây chất lượng xấu tới chất lượng hỗn hợp và cháy của nhiên liệu Độ nhớt động học của nhiên liệu Diesel tối thiểu là υ 20 o C = 1.52.0 cSt

1.2.2.3 Độ đông đặc Đông đặc là một tính chất của dầu mỏ, chúng bị mất linh động khi nhiệt độ hạ xuống thấp Tính linh động là do sự tạo thành những mạng tinh thể parafin hoặc độ nhớt tăng mạnh

Nhiên liệu có thành phần chưng cất ổn định được đặc trưng bởi nhiệt độ bốc hơi của nhiên liệu từ 155375 o C Trong đó 50% nhiên liệu bốc hơi ở t o '0280 o C, 96% nhiên liệu bốc hơi ở t o 40360 o C Nhiên liệu có tính bốc hơi tốt thì động cơ càng dễ khởi động, thời gian chạy hâm nóng máy giảm và nồng độ khói đen trong khí thải càng ít

Bảng 1.1 Tính chất của diesel

STT Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử

1 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max 500

2 Chỉ số cetan, không nhỏ hơn 46 ASTM D 4737

3 Nhiệt độ cất o C, 90% thể tích, max 360 ASTM D 86

4 Điểm chớp cháy cốc kín, o C, min 55 ASTM D 83/3828

5 Độ nhớt động học ở 40 o C, cSt 2 ÷ 4,5 ASTM D 445

6 Cặn cacbon của 10% cặn chưng cất, max mmmã % khối lượng, max

7 Điểm đông đặc, o C, max +6 ASTM D 97

8 Hàm lượng tro, % khối lượng, max 0,01 ASTM D 482

9 Hàm lượng nước, mg/kg, max 200 ASTM E 203

10 Tạp chất dạng hạt, mg/l, max 10 ASTM D 2276

11 Ăn mòn mảnh đồng ở 50 o C, 3giờ, max

12 Khối lượng riêng ở 15 o C, kg/l 820-860 ASTM D 1298/4052

13 Độ bôi trơn, max 460 ASTM D 6079

Tổng quan về biodiesel

Biodiesel còn được gọi diesel sinh học, là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ, là hỗn hợp các ester của axit béo được sản xuất từ quá trình chuyển ester hóa giữa các triglyceride, là thành phần chính có trong dầu thực vật và mỡ động vật, và methanol với xúc tác axit hoặc bazơ, chủ yếu là methyl ester ( Fatty Axit Methyl Ester – FAME)

Bản chất của biodiesel là sản phẩm ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và axit béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật

1.3.2 Phương pháp chuyển hóa dầu mỡ động thực vật Để sử dụng dầu thực vật và mỡ động vật làm nhiên liệu, cần áp dụng những phương pháp xử lý dầu thực vật và mỡ động vật để tính chất của nó gần giống với nhiên

5 liệu diesel Theo quan điểm khai thác động cơ thì khác nhau cơ bản giữa dầu thực vật và mỡ động vật so với nhiên liệu diesel chính là độ nhớt và chỉ số cetane

Các giải pháp xử lý dầu thực vật và mỡ động vật làm nhiên liệu là các phương pháp làm giảm độ nhớt và tăng chỉ số cetane Ta có các phương pháp sau:

Phương pháp này dựa trên đồ thị thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ của dầu thực vật và mỡ động vật Độ nhớt của dầu thực vật và mỡ động vật sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên Tuy nhiên, tăng nhiệt độ lên quá cao (>80 0 C) làm thay đổi trạng thái nhiệt và ảnh hưởng xấu đến hệ thống cấp nhiên liệu Mặt khác phương pháp này không cải thiện được trị số cetan của dầu thực vật và mỡ động vật Do đó phương pháp này chỉ thích hợp để áp dụng đồng thời với các phương pháp khác

Phương pháp pha loãng là một trong những phương pháp đơn giản, dễ thực hiện ở mọi quy mô Phương pháp này có thể sử dụng nhiên liệu diesel để làm môi chất pha loãng Pha loãng dầu thực vật và mỡ động vật bằng diesel sẽ tạo ra một hỗn hợp nhiên liệu mới từ dầu thực vật và mỡ động vật Đây là một hỗn hợp cơ học giữa nhiên liệu dầu thực vật, mỡ động vật và diesel, hỗn hợp này đồng nhất và bền vững Các chỉ số đặc tính của hỗn hợp dầu hoặc mỡ và diesel tùy thuộc vào tỷ lệ thành phần giữa dầu thực vật hoặc mỡ động vật và diesel

Tuy nhiên, các chỉ số này không đạt nếu pha với tỷ lệ lớn hơn 50% thì độ nhớt của hỗn hợp thu được lớn hơn rất nhiều so với nhiên liệu diesel Ngoài ra, dầu còn chứa các axit tự do, có thể hình thành nhựa bởi sự oxy hóa và polymer hóa suốt quá trình tồn trữ và đốt cháy, tạo cặn cacbon và làm đặc dầu bôi trơn

Quá trình cracking dầu thực vật và mỡ động vật gần giống như cracking dầu mỏ Nguyên tắc cơ bản là cắt ngắn mạch hydrocacbon của dầu thực vật và mỡ động vật dưới tác dụng của nhiệt độ và chất xúc tác thích hợp Sản phẩm thường gồm: nhiên liệu khí, xăng, diesel và một số sản phẩm phụ khác Cracking có thể thực hiện trong môi trường khí nitơ hoặc không khí

Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là tốn năng lượng để điều chế nhiên liệu Sản phẩm thu được bao gồm nhiều thành phần nhiên liệu khác nhau và đặc biệt là khó thực hiện được ở qui mô lớn

1.3.2.4 Phương pháp nhũ tương hóa

Nhiên liệu ban đầu là dầu thực vật hoặc mỡ động vật, rượu và chất tạo sức căng bề mặt với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra nhũ tương dầu thực vật hoặc mỡ động vật – rượu, trong đó các hạt rượu có kích thước hạt 150 nm được phân bố đều trong nhũ tương

Nhiên liệu nhũ tương có độ nhớt tương đương diesel, tỷ lệ rượu càng lớn thì độ nhớt nhũ tương càng giảm Tuy nhiên lúc đó dễ tạo ra các hạt nhũ tương nhỏ, khả năng phân lớp nhũ tương tăng lên làm nhũ tương kém đồng nhất do đó cần có biện pháp bảo quản nhũ tương Nhiệt độ hóa hơi của rượu thấp nên một phần rượu bay hơi sẽ cản trở quá trình làm việc bình thường của động cơ

Phương pháp ester hóa dầu thực vật hoặc mỡ động vật là phương pháp được chú ý đến trong thời gian gần đây, nguyên lý chuyển hóa cơ bản có thể miêu tả như là phản ứng của một phần tử glyceride (axit béo có độ nhớt cao) và ba nguyên tử rượu tạo thành ester của axit béo và một nguyên tử glycerin

Nhiên liệu dầu thực vật hoặc mỡ động vật và rượu ít nước lúc này lần lượt các liên kết R 1 CO-, R 2 CO-, R 3 CO-, bị tách ra khỏi phân tử glyceride và đính vào các nguyên tử hydro và rượu Các sản phẩm đầu tiên là diglyceride và cuối cùng là glycerin Glycerin dễ dàng được tách ra khỏi ester và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác Sản phẩm ester

Hình 1.1: Phản ứng transester hóa tổng hợp bio diesel ester hóa tổng hợp biodiesel

7 chẳng những đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của động cơ diesel như độ nhớt, chỉ số cetan và nhiệt trị… mà còn góp phần bảo vệ môi trường do những ưu việt của nó

Một số nguồn nguyên liệu chứa một lượng lớn axit béo tự do Axit béo tự do phản ứng với xúc tác kiềm sinh ra xà phòng và nước Thực tế cho thấy rằng quá trình thu biodiesel có thể xảy ra bình thường với hàm lượng axit béo tự do thấp hơn 5% Khi đó, cần dùng thêm xúc tác để trung hòa axit béo tự do Khi hàm lượng axit béo tự do lớn hơn 5%, lượng xà phòng tạo ra làm chậm quá trình tách pha ester và glycerin, đồng thời tăng mạnh sự tạo nhũ tương trong quá trình rửa nước Để giảm hàm lượng axit béo tự do, trước phản ứng transester hóa, người ta dùng xúc tác axit, như H2SO 4 , chuyển hóa axit béo tự do thành ester (phản ứng ester hóa) Vì vậy, hàm lượng axit béo tự do là yếu tố chính trong việc lựa chọn công nghệ cho quá trình sản xuất biodiesel

Phương pháp ester hoá có nhiều ưu điểm nên người ta tập trung nhiều vào nghiên cứu phản ứng chuyển hóa này[9]

1.3.3 Các đặc tính và tiêu chuẩn của biodiesel

Các đặc tính quan trọng của biodiesel ảnh hưởng đến đặc tính công suất khí thải và quá trình cháy, tuổi thọ của động cơ diesel như:

1.3.3.1 Chỉ số CP (Cloud Point) và chỉ số PP (Pour Point)

Lý do chọn đề tài

1.4.1 Cây cao su và dầu biodiesel từ hạt cây cao su

Cây cao su có nguồn gốc từ vùng rừng mưa nhiệt đới Amazon (Brazil) Ngày nay,cây cao su hiện diện ở nhiều nơi thế giới, trong đó, nhiều nhất là vùng Đông Nam Á và một số vùng có khí hậu nhiệt đới ở Phi châu Cây cao su trưởng thành có thể cao đến

30 m Đời sống của mỗi cây cao su kéo dài từ 30-40 năm Cây cao su bắt đầu cho trái sau bốn năm Mỗi năm cây cho trái hai lần và mỗi trái chứa từ 3-4 hạt, khi chín chúng rơi xuống đất và hạt được tách ra (T P Hilditch, 1951)

Hiện nay, Việt Nam là nước sản xuất cao su tự nhiên lớn thứ năm trên thế giới Tổng diện tích trồng cao su năm 2012 là 910.500 ha (hiện năm 2013 là trên 1 triệu ha) Rừng cao su Việt Nam chủ yếu phân bố Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, Bắc Trung Bộ Trong đó một số tỉnh có diện tích lớn như Bình Phước (29% diên tích cả nước), Tây Ninh (22%), Bình Dương (18%), Gia Lai (11%) …[6]

Tại Ấn Độ, một ha cao su thu hoạch được 150 kg hạt, hằng năm Hạt nhân cao su (chiếm 50-60% hạt) chứa 40-50% dầu cao su [11] Với diện tích canh tác cao su Việt Nam hiện có khoảng 1 triệu ha thì hằng năm sẽ cho khoảng 30.000 – 45.000 tấn dầu hạt cao su Hiệu suất tổng hợp biodiesel từ hạt cao su 75%, hàng năm sẽ có khoảng 22.500 – 33.750 tấn dầu biodiesel từ hạt cao su

Mối quan tâm lớn hiện nay là khủng hoảng nguồn năng lượng và nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch Ngoài ra, khí thải hiệu ứng nhà kính gây ra hiện tượng ấm lên toàn cầu cũng là điều đáng quan tâm, khi sử dụng nhiên liệu dầu mỏ Để đáp ứng được nguồn nhiên liệu thay thế, hiện nay trên thế giới đang phát triển các nguồn nhiên liệu như biodiesel, bioalcohol, biomass, biogas và các loại nhiên liệu tổng hợp khác Trong số các loại nhiên liệu đó thì biodiesel là nhiên liệu được sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel mà không cần thay đổi kết cấu động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel Tùy thuộc vào điều kiện khí hậu và nguồn đất, các nước sẽ lựa chọn nguồn nguyên liệu thay thế thích hợp Ví dụ: Mỹ sử dụng nguồn dầu đậu, các nước châu Âu sử dụng nguồn từ cải dầu và dầu hướng dương; các nước Đông Nam Á như Indonesia, Malaysia sử dụng dầu cọ, Philipine sử dụng dầu dừa Hiện tại, có khoảng 95% dầu biodiesel được sản xuất từ dầu ăn được vì có nguồn nguyên liệu sẵn có trong canh tác nông nghiệp Tuy nhiên, nếu tiếp tục mở rộng

11 nguồn nguyên liệu từ dầu ăn được để sản xuất biodiesel thì sẽ gây ra cạnh tranh trong nguồn lương thực của con người Về lâu dài thì nó sẽ ảnh hưởng lớn đến nguồn lương thực của con người Các loại cây có dầu không ăn được có tính khả thi trong việc sản xuất dầu biodiesel Việc sử dụng dầu khồng ăn được thay vì dầu ăn được rất có ý nghĩa đối với các nước đang phát triển, vì dầu ăn được có giá cao để sản xuất biodiesel Gần đây, Ấn độ cũng đang quan tâm đến cây Karanja và cây Jatropha trong sản xuất biodiesel [12]

Tại Việt Nam cũng có hướng phát triển các loại cây lấy dầu không ăn được để sản xuất cho biodiesel Ví dụ, cây Jatropha, cây trấu, … Hiện nay cây cao su ở Việt Nam cũng là một nguồn cung cấp dầu không ăn được để sản xuất dầu biodiesel Tuy nhiên, ứng dụng của nó vào sản xuất biodiesel còn hạn chế Nó chỉ được sử dụng một phần nhỏ trong sản xuất sơn, làm dầu bôi trơn khi ép bánh cao su nguyên liệu, phần lớn là bỏ không theo các mùa hàng năm Với diện tích rừng cao su lớn, tập trung cao theo vùng Sản xuất dầu hạt cao su là tận dụng diện tích sẵn có của rừng cao su đang canh tác nên không cần phải bỏ thêm chi phí nào khác để trồng, chăm sóc và cũng không ảnh hưởng thêm nguồn đất canh tác khác Đồng thời, người canh tác rừng cao su cũng có thêm một nguồn thu nhập khác ngoài mủ cao su

Theo “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” thì nguồn nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu cả nước với lượng pha E5 và B5, sản lượng đạt 250 nghìn tấn Tầm nhìn 2025, sản lượng đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước Vì vậy, nguồn biodiesel từ dầu hạt cao su sẽ là một phần cung cấp mới cho nhu cầu chung của Việt Nam về biodiesel

1.4.2 Các nghiên cứu về biodiesel từ dầu hạt cao su

Biodiesel từ dầu hạt cao su được quan tâm nghiên cứu ở các nước nhiệt đới trồng nhiều cao su.Các nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng đặc tính của dầu biodiesel đến đặc tính khí thải và quá trình cháy trong động cơ diesel.Ví dụ như bài báo "Effect of Injection Characteristics on Emissions and Combustion of Gasoline Fuelled Partially-Premixed Compression Ignition Engine” được viết bởi A Nemati, Sh Khalilarya, S Jafarmadar, H Khatamnezhadvà V Fathi đăng trên tạp chí International Journal of Automotive Engineering

1.4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng đặc tính của dầu biodiesel đến quá trình cháy và khí thải trong động cơ diesel trong nước và trên thế giới

Dầu bodiesel từ hạt cao su được sự quan tâm nghiên cứu của các nước trồng nhiều cây cao suở châu Á Các nghiên cứu này tập theo hướng: ảnh hưởng của tỷ lệ hòa trộn 5%, 10%, 20% dầu biodiesel đến phát thải và quá trình cháy, hình thành cặn cacbon, đầu kim phun và ảnh hưởng của biodiesed bơm cao áp Sau đây là một số nghiên cứu trong nước:

 Bùi Tấn Đạt; Luận văn Thạc sĩ Nghiên cứu ứng dụng biodiesel từ cây Jatropha cho động cơ đốt trong, tháng 12, 2009

 Hoàng Ngọc Tân; Luận văn Thạc sĩ Nghiên cứu ứng dụng biodiesel cho động cơ từ dầu Jatropha, tháng 12, 2010

Hầu hết các luận văn cũng như các bài báo khoa học trong nước chưa thu thập đồ thị P-V để đánh giá quá trình cháy của của hỗn hợp biodiesel Nhưng với nghiên cứu của nước trên thế giới, tác giả đánh giá quá trình cháy thông qua đồ thị P-V:

 A.S Ramadhas, S Jayaraj, C Muraleedharan; Characterization and effect of using rubber seed oilas fuel in the compression ignition engines, Renewable Energy 30 (2005) 795–803

 Iman K Reksowardojo, Hung Ngoc Bui, Ratnak Sok, Athol J Kilgour, Tirto P Brodjonegoro, Tatang H Soerawidjaja, Mai Xuan Pham, Toshio Shudo, Wiranto Arismunandar; The effect of biodiesel fuel from rubber(hevea brasiliensis) seed oil on a directinjection (DI) diesel engine,

 Prashant Gill a, S.K Soni b, K.Kundu c,Shankaransh Srivastava; Effect of blends of

Rubber seed oil on engine performance and Emissions,Sundaram Arvind Narayan,

Sutha Shobana; Characteristics and Thermal Efficiency of Biofuels: Rubber Seed

Oil as a Renewable Energy Source, (IJISME) ISSN: 2319-6386, Volume-1, Issue-

Dựa trên các nghiên cứu và bài báo khoa học trên, người thực hiện tiến hành nghiên cứu thực tế trên động cơ diesel một xylanh Kubota RT125 để đánh giá thực tế các thông số về quá trình cháy cũng như khí thải khi thay đổi thành phần hỗn hợp B5, B10 và B20

1.4.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Với điều kiện thuận lợi tại Việt Nam với nguồn cung cấp dầu hạt cao su nhiều, chính sách phát triển dầu biodiesel hiện có nên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao su” nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của Biodiesel được sản xuất từ hạt cao su đến quá trình cháyvà mức độ phát thải

1.4.5 Phương pháp thực hiện đề tài

+ Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện thí nghiệm trên động cơ với hỗn hợp B5, B10, B20 cùng với dầu diesel DO trên động cơ Kubota RT125 sử dụng bệ thử động cơ của AVL

Giới hạn đề tài

- Dầu biodiesel được tổng hợp từ hạt cao su và chỉ tiến hành thực nghiệm cho hỗn hợp nhiên liệu biodiesel đến B20 (20% biodiesel)

- Nghiên cứu chỉ thực hiện trên một loại động cơ (Kubota RT125)

- Chưa đánh giá được sự ăn mòn của các chi tiết, tuổi thọ của động cơ khi sử dụng dầu Biodiesel

- Thực nghiệm chỉ tiến hành ở 2 chế độ:

1) Tốc độ không đổi 1600 vòng/phút và thay đổi các chế độ tải;

2) Tải cố định (đầy tải) và thay đổi tốc độ Và chưa phân tích hết các thành phần khí thải cũng như chưa thiết lập được quy trình so sánh với tiêu chuẩn khí thải Euro 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY

Khái quát về quá trình cháy trong động cơ Diesel

Khác với động cơ xăng, quá trình cháy trong động cơ Diesel diễn ra trong hỗn hợp không đồng nhất Nhiên liệu cao áp được phun vào buồng cháy động cơ vào cuối kỳ nén, ngay trước thời điểm bắt đầu quá trình cháy theo dự kiến Nhiên liệu lỏng thoát ra khỏi vòi phun với tốc độ cao và ngay sau đó được xé tươi thành những hạt nhỏ và xuyên thâu vào khối không khí nóng trong buồng cháy động cơ Nhờ kích thước hạt bé, nhiên liệu bốc hơi nhanh chóng và hoà trộn với không khí nóng trong lòng xy lanh Vì áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy ở thời điểm đó cao hơn điều kiện tự cháy của nhiên liệu nên sự bốc cháy của một bộ phận hỗn hợp nhiên liệu không khí đã được hoà trộn tốt diễn ra sau giai đoạn cháy trễ (khoảng vài độ góc quay trục khuỷu) Sự cháy diễn ra làm áp suất trong lòng xy lanh gia tăng, do đó bộ phận môi chất chưa cháy bị nén mạnh, thời gian chuẩn bị cháy được rút ngắn, làm giảm thời gian cháy của hỗn hợp Quá trình phun nhiên liệu tiếp tục cho đến khi toàn bộ lượng nhiên liệu cần thiết đã được cung cấp hết vào trong lòng xy lanh động cơ Sự xé nhỏ tia nhiên liệu , nhiên liệu bốc hơi, hơi nhiên liệu hoà trộn với không khí và bốc cháy tiếp tục diễn ra cho đến khi hầu như toàn bộ nhiên liệu trải qua các quá trình ấy Mặt khác sự hoà trộn không khí còn sót lại trong xy lanh với hỗn hợp đang cháy và đã cháy tiếp tục suốt quá trình cháy và giãn nở

Sự mô tả khái quát trên đây cho thấy quá trình cháy trong động cơ Diesel cực kỳ phức tạp Diễn biến chi tiết của quá trình phụ thuộc vào tính chất của nhiên liệu, dạng buồng cháy, hệ thống phun nhiên liệu và điều kiện vận hành động cơ Đó là một quá trình cháy ba chiều, không đồng nhất, không liên tục Ngày nay một số vấn đề thuộc quá trình cháy trong động cơ Diesel mới được hiểu biết một cách khái quát, việc mô tả định lượng nhiều quá trình liên quan vẫn còn chưa được biết kỹ Sau đây là một số đặc điểm quan trọng của quá trình cháy động cơ Diesel:

1 Vì sự phun nhiên liệu vào trong buồng cháy bắt đầu ngay trước quá trình cháy diễn ra, do đó không thể xảy ra sự kích nổ như trong động cơ xăng Tỷ số nén của động cơ Diesel vì vậy có thể chọn cao hơn làm tăng hiệu suất động cơ

2 Vì thời điểm cháy được khống chế bởi thời điểm phun, thời kỳ cháy trễ giữa lúc bắt đầu phun và lúc bắt đầu cháy phải ngắn Thời gian tồn tại áp suất cực đại trong xy lanh phải ngắn để động cơ có thể chịu đựng được tác dụng cơ nhiệt Vì vậy khả năng tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu - không khí phải nằm trong khoảng nhiệt độ vừa phải Điều này đòi hỏi nhiên liệu dùng cho động cơ Diesel phải có chỉ số cetane lớn hơn một giới hạn nhất định

3 Vì moment của động cơ được điều chỉnh theo lượng nhiên liệu phun vào cho mỗi chu trình, trên đường nạp không có tiết lưu, công bơm nhỏ nên hiệu suất cơ giới của động cơ Diesel cao hơn so với động cơ xăng

4 Khi lượng nhiên liệu chu trình tăng sẽ dẫn đến hình thành một lượng bồ hóng không cháy hết trước khi thải Chính lượng bồ hóng này gây hiện tượng nhả khói đen và làm hạn chế khả năng nâng cao tỷ số nhiên liệu/không khí nhất là ở chế độ toàn tải Vì vậy áp suất có ích trung bình của động cơ Diesel thấp hơn so với động cơ xăng tương đương

5 Vì động cơ Diesel luôn làm việc với tỉ lệ nhiên liệu/không khí trung bình bé (ở chế độ tải thấp, hỗn hợp rất nghèo) nên giá trị thực của chỉ số nén đa biến (=c p /c v ) trong kỳ giãn nở cao hơn ở động cơ xăng Nhờ vậy hiệu suất biến đổi nhiên liệu của động cơ Diesel cao hơn động cơ xăng ứng với một tỷ số giãn nở cho trước

Vấn đề chính khi thiết kế buồng cháy động cơ Diesel là làm sao bảo đảm được tốc độ hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí đủ lớn cho quá trình cháy có thể xảy ra gần điểm chết trên Những phân tích chi tiết trong các phần sau sẽ cho thấy trong động cơ Diesel tốc độ cháy bị khống chế bởi tốc độ hoà trộn hỗn hợp Động cơ Diesel trong thực tế được chế tạo với kích thước xy lanh thay đổi trong phạm vi rất rộng Đường kính xy lanh thay đổi từ 70 đến 900 mm Tốc độ trung bình của piston ở chế độ công suất cực đại xấp xỉ như nhau, do vậy tốc độ quay cực đại của động cơ sẽ tỷ lệ nghịch với hành trình piston Đối với một khoảng quay trục khuỷu cho trước dành cho quá trình cháy (khoảng 40 ÷ 50 o để giữ cho hiệu suất biến đổi nhiên liệu lớn), thời gian dành cho quá trình cháy tỷ lệ với hành trình piston Kết quả là ở động cơ Diesel cỡ nhỏ (đường kính xy lanh khoảng 70 mm), thời gian dành cho sự hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí giảm đi khoảng 10 lần ở động cơ Diesel cỡ lớn (đường kính xy lanh khoảng 900 mm)

Tất cả những phân tích trên đây cho thấy kết cấu buồng cháy và hệ thống phun nhiên liệu phải thay đổi cho phù hợp với phạm vi kích cỡ của động cơ Diesel, đặc biệt là sự vận động của dòng không khí và của tia nhiên liệu phải đảm bảo tốc độ hoà trộn tốt nhất Kích thước động cơ giảm cần phải gia tăng tốc độ vận động của không khí trong buồng cháy

Từ những khái niệm ban đầu này chúng ta có thể giải thích được tại sao trong thực tế tồn tại nhiều loại buồng cháy và hệ thống phun khác nhau đối với các cỡ động cơ Diesel trong thương mại.

Quá trình cháy trong động cơ Diesel

Việc phân tích diễn biến áp suất trong xy lanh cùng với ảnh chụp màng lửa trong buồng cháy là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất ngày nay để mô tả quá trình cháy của động cơ Diesel Khái niệm về tốc độ tỏa nhiệt đóng vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu quá trình cháy Đó là tốc độ tỏa hóa năng của nhiên liệu trong quá trình cháy Tốc độ tỏa nhiệt có thể tính từ đồ thị áp suất Mô hình quá trình cháy trong động cơ Diesel được chia làm bốn giai đoạn và mỗi giai đoạn diễn biến của quá trình được khống chế bằng các hiện tượng hóa lý khác nhau của môi chất Mặc dù hình dạng buồng cháy và điều kiện vận hành có ảnh hưởng ít nhiều đến các giai đoạn nói trên, nhưng nói chung việc phân chia quá trình cháy làm bốn giai đoạn này phù hợp đối với tất cả các loại động cơ Diesel

2.2.1 Quá trình cháy trong động cơ phun trực tiếp với vòi phun nhiều tia

Hình 2.1 giới thiệu biến thiên áp suất xylanh, của độ nâng kim phun và của áp suất trong đường ống nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu trong quá trình nén và giãn nở của động cơ Diesel phun trực tiếp Vòi phun 4 lỗ đặt ở trên đường tâm xylanh và phun nhiên liệu vào buồng cháy dạng đĩa đặt trên đỉnh piston

Hình 2.1 Sự biến thiên của áp suất trong buồng cháy p, độ nâng kim phun I N và áp suất nhiên liệu trong đường ống cao áp theo góc quay trục khuỷu trong động cơ Diesel phun trực tiếp cỡ nhỏ

Tốc độ của nhiên liệu thoát ra khỏi vòi phun có thể tính toán từ áp suất trong đường ống cao áp, áp suất trong cylinder động cơ, hình dạng lỗ phun và hành trình nâng kim phun Thời gian cháy trễ từ lúc bắt đầu phun đến lúc bắt đầu cháy là 9 o Áp suất trong xy lanh tăng nhanh chóng trong vài độ góc quay trục khuỷu, sau đó tăng chậm dần tới đỉnh của đường cong, khoảng 5 o sau điểm chết trên Quá trình phun được tiếp tục sau khi quá trình cháy đã bắt đầu Tốc độ tỏa nhiệt nhận được trong cùng một thí nghiệm thông qua việc phân tích tốc độ phun nhiên liệu và diễn biến áp suất được trình bày ở trên Tốc độ tỏa nhiệt ở đây là tốc độ tỏa nhiệt thực Nó là tổng của độ gia tăng nội năng của khí trong xy lanh và công truyền cho piston, nó khác với nhiệt lượng tỏa ra bởi quá trình cháy một lượng bằng tổn thất nhiệt truyền qua thành xylanh Ở động cơ Diesel cỡ nhỏ, tổn thất này chiếm khoảng 10 ÷ 25% nhiệt lượng tỏa ra và ở động cơ cỡ lớn tổn thất này thấp hơn Theo định nghĩa đó, tốc độ tỏa nhiệt thực có thể dùng để chỉ tốc độ tỏa nhiệt của quá trình cháy khi tổn thất nhiệt bé Dạng đường cong tỏa nhiệt này rất phổ biến đối với động cơ phun trực tiếp ở mọi chế độ tải trọng và tốc độ Đường cong này cho thấy nhiệt lượng tỏa ra không đáng kể từ lúc phun đến khoảng cuối kỳ nén (chủ yếu là tổn thất nhiệt nhẹ do truyền nhiệt qua thành buồng cháy và sấy nóng, bốc hơi nhiên liệu Trong quá trình cháy, sự oxy hóa nhiên liệu được chia thành 3 giai đoạn khác nhau Ở giai đoạn đầu, tốc độ cháy

19 thường rất cao và kéo dài khoảng vài độ góc quay trục khuỷu Giai đoạn này tương ứng với việc gia tăng nhanh chóng áp suất trong cylinder Giai đoạn 2 tương ứng với việc giảm đều đặn tốc độ tỏa nhiệt, đường cong tỏa nhiệt có thể đạt được một đỉnh thứ hai thấp hơn đỉnh thứ nhất như (Hình 2.2) Đây là giai đoạn tỏa nhiệt chính và kéo dài khoảng 40 o Bình thường khỏang 80% năng lượng chứa trong nhiên liệu được giải phóng ra trong hai giai đoạn đầu tiên này Giai đoạn 3 tương ứng với phần đuôi của đồ thị tỏa nhiệt, kéo dài trong phần lớn kỳ giãn nở Lượng nhiệt tỏa ra trong giai đoạn này khỏang 20% năng lượng nhiên liệu mang vào

Từ các nghiên cứu đồ thị tốc độ phun và tốc độ tỏa nhiệt ở các chế độ tải trọng, tốc độ và thời điểm đánh lửa khác nhau, người ta đã rút ra được những nhận xét sau đây:

- Thời gian tổng cộng của quá trình cháy dài hơn nhiều so với thời gian phun

- Tốc độ cháy tuyệt đối tăng tỷ lệ với sự gia tăng tốc độ động cơ, vì vậy giai đoạn cháy tính theo góc quay trục khuỷu hầu như không đổi

- Độ lớn của đỉnh đầu tiên trên đồ thị tốc độ cháy phụ thuộc vào thời kỳ cháy trễ.Độ cao của đỉnh càng lớn khi thời gian cháy trễ càng dài

Những nhận xét này kết hợp với những hình ảnh chụp được trong buồng cháy động cơ cho phép chúng ta đưa ra mô hình quá trình cháy trong động cơ Diesel

Hình 2.2 Biến thiên áp suất trong cylinder p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt thực Qn tính toán từ p đối với động cơ Diesel phun trực tiếp, 1000v/phút, thời điểm phun bình thường, áp suất có ích trung bình 620kPa

Hình 2.3 trình bày sơ đồ diễn biến tỷ lệ nhiên liệu phun vào xylanh và tỷ lệ nhiên liệu cháy Nhiên liệu phun vào buồng cháy được phân chia thành nhiều phân tử nhỏ Phần nhiên liệu đầu tiên phun vào hòa trộn với không khí và trở nên "sẵn sàng bốc cháy" (nghĩa là hỗn hợp nằm trong giới hạn bốc cháy) nó được biểu diễn bằng tam giác nằm gần trục hoành nhất trên đồ thị bốc cháy Những phần tử nhiên liệu khác cũng được hòa trộn với không khí theo kiểu này và người ta nhận được giản đồ "sẵn sàng bốc cháy" toàn bộ, khép kín bởi đường nét đứt Diện tích toàn bộ của giản đồ này bằng diện tích toàn bộ của giản đồ tỷ lệ phun Tuy nhiên sự bốc cháy chỉ diễn ra sau thời kỳ cháy trễ Ở điểm bắt đầu cháy, một lượng nhiên liệu đã được phun vào hòa trộn với không khí để đạt được một hỗn hợp nằm trong giới hạn cháy Hỗn hợp được hòa trộn trước này (giống như hỗn hợp đồng nhất trong động cơ xăng), sau thời kỳ cháy trễ bốc cháy nhanh chóng tạo ra tốc độ cháy ban đầu cao như biểu diễn trên hình vẽ

Dạng đường cong tỏa nhiệt này thường gặp ở động cơ phun trực tiếp không tăng áp Những hình ảnh chụp được trong buồng cháy chơ thấy tới lúc đường cong tỏa nhiệt đạt được đỉnh cao, vùng màng lửa sóng xanh trông thấy rõ vì quá trình cháy được khống chế bởi bộ phận nhiên liệu hòa trộn trước Sau điểm cực đại này lượng hỗn hợp hòa trộn trước giảm còn lượng hỗn hợp chưa cháy mới hòa trộn gia tăng, sự cháy vì vậy diễn ra với ngọn lửa khuếch tán chảy rối với ánh sáng vàng nhạt hay màu cam do sự hiện diện của các hạt carbon

Hình 2.3 Sơ đồ tương quan giữa tỷ lệ nhiên liệu phun vào và tỷ lệ nhiên liệu cháy

(hay tỷ lệ tỏa nhiệt)

Tóm lại, toàn bộ quá trình cháy trong động cơ Diesel phun trực tiếp có thể chia làm 4 giai đoạn như hình dưới đây:

- Thời kỳ cháy trễ (ab): là giai đoạn từ lúc bắt đầu phun đến khi bắt đầu cháy (xác định nhờ sự thay đổi độ cong của đồ thị p(0), hoặc nhờ cảm biến quang học)

Hình 2.4 Đường cong tỏa nhiệt tiêu biểu trong động cơ Diesel

Các thời kỳ cháy trong động cơ Diesel:

3 Thời kỳ cháy khống chế bởi tốc độ hòa trộn

- Thời kỳ cháy nhanh hay thời kỳ cháy của hỗn hợp đồng nhất (bc): Trong thời kỳ này, lượng nhiên liệu đã hòa trộn với không khí trong thời kỳ cháy trễ bốc cháy nhanh chóng trong vài độ góc quay trục khuỷu làm cho tỷ lệ hòa khí rất cao

- Thời kỳ cháy khống chế bởi tốc độ hòa trộn (cd): Khi hỗn hợp nhiên liệu - không khí hòa trộn trước đã được cháy hết thì tốc độ cháy (hay tốc độ tỏa nhiệt) được khống chế bởi tốc độ hòa trộn giữa giữa nhiên liệu và không khí để đạt được thành phần hỗn hợp trong giới hạn bốc cháy Đường cong tỷ lệ tỏa nhiệt có thể xuất hiện một đỉnh thứ hai (thường thấp hơn đỉnh thứ nhất) trong giai đoạn này

- Thời kỳ cháy rớt (de): Sự tỏa nhiệt tiếp tục với tốc độ thấp trong thời kỳ giãn nở

Phân tích áp suất trong buồng cháy

Phân tích áp suất xy lanh theo góc quay trục khuỷu có thể cung cấp cho chúng ta những thông tin cần thiết về diễn biến của quá trỉnh cháy Phương pháp phân tích áp suất áp dụng cho động cơ Diesel cũng tương tự như phương pháp áp dụng cho động cơ xăng, nghĩa là cũng bắt đầu từ định luật nhiệt động học thứ nhất áp dụng cho hệ thống hở giả sử đồng nhất về áp suất và nhiệt độ Định luật nhiệt động học thứ nhất trong trường hợp này được viết như sau:

 i i i dt h dU dt m pdV dt dQ  (2.1) Ở đây dQ/dt là tốc độ truyền nhiệt vào hệ thống qua lớp biên, p(dV/dt) là tốc độ truyền công tạo ra do sự dịch chuyển biên giới của hệ thống,Ġ là tốc độ truyền chất qua lớp biên ở vị trí I (dòng chảy qua hệ thống mang dấu -), h i là entanpi của thông lượng I vào hay ra hệ thống và U là nội năng của môi chất chứa bên trong hệ thống Việc áp dụng phương trình này vào động cơ Diesel gặp nhiều khó khăn do những nguyên nhân chính sau đây:

- Nhiên liệu lỏng được phun vào trong lòng xy lanh, sau đó bốc hơi và hòa trộn với không khí tạo nên hỗn hợp có thành phần không đồng nhất và thay đổi theo thời gian

- Thành phần của sản phẩm cháy khuếch tán (cũng không đồng nhất) thay đổi ngẫu nhiên

- Các quan hệ đã thiết lập để tính toán truyền nhiệt trong động cơ Diesel chưa được xác định một cách chính xác

- Các vùng "hốc" (hay khe, chẳng hạn các khe hở giữa piston, xéc măng và xy lanh) có thể tích khoảng vài phần trăm thể tích buồng cháy Khí chứa trong các hốc này có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ thành xy lanh, chứa một lượng môi chất đáng kể ở điều kiện khác biệt so với các phần còn lại trong buồng cháy làm tăng ảnh hưởng của chúng đối với quá trình

Do những khó khăn nêu trên, mọi phương pháp phân tích áp suất trong buồng cháy của động cơ Diesel dù phức tạp hay đơn giản đều có kết quả gần đúng

Việc tính toán dự báo tốc độ tỏa nhiệt cũng như tốc độ tiêu thụ nhiên liệu đều cần đến một yếu tố quan trọng, đó là sự hoàn thiện của quá trình cháy Việc sử dụng không khí ở động cơ Diesel bị giới hạn bởi sự phát sinh khói đen trên đường thải Khói đen gồm chủ yếu là các hạt carbon Sự xuất hiện của khói đen và các sản phẩm cháy không hoàn toàn làm giảm hiệu suất động cơ Thông thường, động cơ Diesel phải được thiết kế sao cho ở chế độ đầy tải, lượng nhiên liệu sinh khói đen không được vượt quá 0.5%, lượng nhiên liệu chưa cháy có mặt trong khí thải không vượt quá 1% và phần nhiên liệu sinh CO chiếm nhỏ hơn 0.5% lượng nhiên liệu cung cấp Vì tổn thất của quá trình cháy thường nhỏ hơn 2% và hiệu suất cháy thường lớn hơn 98%.Mặc dù sự cháy không hoàn toàn là một yếu tố rất quan trọng khi đánh giá ô nhiễm không khí, nhưng trên quan điểm chuyển đổi năng lượng, người ta có thể xem gần đúng quá trình cháy diễn ra hoàn toàn

2.3.2 Động cơ phun trực tiếp Đối với dạng động cơ này, môi chất trong xy lanh có thể xem chứa trong một hệ thống hở duy nhất Trao đổi khối lượng qua biên giới hệ thống khi xupap nạp và thải đều đóng chỉ là nhiên liệu và dòng chảy vào các hốc Nếu gộp chung thể tích các hốc vào thể tích buồng cháy thì ảnh hưởng của chúng có thể bỏ qua Khi đó phương trình (2.1) trở thành: dt h dU dt m pdV dt dQ r r 

Người ta thường dùng hai phương pháp phân tích áp suất khác nhau dựa trên phương trình (2.2) để nhận biết các thông tin về quá trình cháy Cả hai phương pháp này đều giả định rằng môi chất trong xy lanh có nhiệt độ đồng đều ở mọi thời điểm trong quá trình cháy Phương pháp thứ nhất sử dụng tốc độ tỏa nhiệt còn phương pháp thứ hai dùng tốc độ tiêu thụ nhiên liệu Cả hai phương pháp đều mang tính chất biểu kiến vì giá trị thật của chúng không thể nào xác định được một cách chính xác

26 a) Phương pháp phân tích tốc độ tỏa nhiệt

Nếu các đại lượng U và h r trong phương trình (2.2) là nội năng tương đối của môi chất trong xy lanh và entanpi tương đối của nhiên liệu phun vào buồng cháy thì dQ/dt là sự khác biệt giữa hóa năng hay nhiệt lượng tỏa ra bởi quá trình cháy của nhiên liệu (mang dấu dương) và lượng nhiệt truyền ra khỏi hệ thống (mang dấu âm) Vì hsf 0, phương trình (2.2) trở thành: s ht ch n dU dtdt p dv dt dQ dt dQ dt dQ     (2.3)

Tốc độ tỏa nhiệt tính biểu kiến dQ ht /dt là hiệu số giữa tốc độ tỏa nhiệt thô biểu kiến dQ ch /dt và tốc độ truyền nhiệt qua thành xylanh dQ ht /dt, chính bằng tốc độ truyền công cho piston cộng với độ thay đổi nội năng tương đối của môi chất trong xylanh

Nếu chúng ta giả định rằng môi chất trong xy lanh là khí lý tưởng thì phương trình (2.3) có thể viết:

T mc dT dt p dV dt dQ v n   (2.4)

Từ phương trình khí lý tưởng, pV = mRT, trong đó R được xem là hằng số, chúng ta có thể viết:

Phương trình (2.5) có thể dùng để khử T trong phương trình (2.4), ta có: dt

V dp R c dt c dt c dt pdV R c dt dQ n v v v v

V dp dt pdV dt dQ n

Trong đó γ =c p /c v Khi phân tích tỏa nhiệt trong động cơ Diesel có thể dùng γ =1.25 -1.4 Phân tích một cách chi tiết hơn, người ta dùng giá trị của không khí ở cuối quá trình

27 nén trước khi cháy γ = 1.35 và dùng giá trị trung bình của sản phẩm cháy γ =1.26 trong giai đoạn cháy và giãn nở Những giá trị chính xác của trong quá trình cháy tới nay vẫn chưa được xác định

Hình 2.6 minh họa về giá trị tương đối của tốc độ tỏa nhiệt tinh, tỏa nhiệt thô, truyền nhiệt, ảnh hưởng của hốc, nhiệt sấy nóng và bốc hơi nhiên liệu của động cơ Diesel chạy ở chế độ 50% tải cực đại và 50% tốc độ cực đại Lượng tỏa nhiệt tính bằng hiệu số giữa lượng tỏa nhiệt thô với tổng các lượng nhiệt truyền cho thành, lượng nhiệt do ảnh hưởng của hốc, của sự sấy nóng và bốc hơi nhiên liệu Entanpi bốc hơi nhiên liệu của Diesel nhỏ hơn 1% nhiệt trị; sự thay đổi nhiệt lượng do sấy nóng nhiên liệu từ nhiệt độ phun đến nhiệt độ không khí nén trong buồng cháy chiếm khỏang 3% nhiệt trị Truyền nhiệt tổng cộng trong giai đoạn cháy chiếm khoảng từ 10 đến 25% lượng nhiệt do nhiên liệu tỏa ra

Hình 2.6 Sơ đồ cân bằng nhiệt trong giai đoạn cháy của động cơ Diesel b) Phương pháp phân tích lượng nhiên liệu tiêu thụ

Nếu nội năng của hỗn hợp nhiên liệu không khí và sản vật cháy trong phương trình (2.1) được xác định tương đối so với một số liệu thích hợp thì phương trình này có thể được dùng để xác định tốc độ khối lượng nhiên liệu tiêu thụ biểu kiến từ đồ thị áp suất khí trong xy lanh Người ta đã chứng minh rằng phương trình (2.1) có thể viết:

  dt h dm dt dQ dt pdV dt mu d

 (2.7) Ở đây Q là nhiệt truyền cho khí trong buồng cháy (nghĩa là Q=-Qht), m là khối lượng môi chất trong buồng cháy, và dm/dt thay thế cho giá trị Ġ

Vì các thông số đặc trưng của khí trong xy lanh trong quá trình cháy (giả sử đồng nhất, ở trạng thái cân bằng hóa học ở áp suất p và nhiệt độ trung bình T) nói chung là hàm số của p,T và độ đậm đặc , vì vậy: dt d u t p p u dt dT T u dt du 

Thời kỳ cháy trễ

Thời kỳ cháy trễ trong động cơ Diesel được dịnh nghĩa bằng khoảng thời gian (hay khoảng góc quay trục khuỷu) giữa lúc bắt đầu phun và lúc bắt đầu cháy Thời điểm bắt đầu phun thường được tính kể từ lúc kim nhấc lên khỏi đế (xác dịnh nhờ cảm biến độ nâng kim) Thời điểm bắt đầu quá trình cháy rất khó xác định chính xác Cách tốt nhất là xác định vị trí thay đổi độ cong của đường cong tỏa nhiệt trên đồ thị áp suất giới thiệu ở (Hình 2.1) Các loại cảm biến quang học cũng được dùng cũng được dùng để đánh dấu thời điểm đầu tiên xuất hiện màng lửa Thực nghiệm cho thấy, trong những điều kiện vận hành bình thường, điểm xuất hiện màng lửa xảy ra chậm hơn một chút so với điểm áp suất bắt đầu tăng

Các quá trình hóa lý cần được chuẩn bị trước khi nhiên liệu cháy tỏa ra một bộ phận hóa năng đáng kể Các quá trình vật lý là: Xé nhỏ tia nhiên liệu lỏng thành những hạt nhỏ, bốc hơi hạt nhiên liệu và hòa trộn hơi nhiên liệu với không khí Các quá trình hóa học bao gồm, các phản ứng hình thành các phần tử hoạt tính chuẩn bị cho quá trình tự bén lửa Kết cấu động cơ, những thông số vận hành và tính chất của nhiên liệu ảnh hưởng đáng kể đến các quá trình này

Hạt nhiên liệu càng nhỏ khi áp suất phun và áp suất trong thành xy lanh càng cao Đường kính hạt nhiên liệu cũng giảm theo đường kính lỗ phun Tốc độ bốc hơi của hạt nhiên liệu phụ thuộc vào kích thước và sự phân bố hạt Mặt khác, tốc độ bốc hơi cũng phụ

31 thuộc vào áp suất và nhiệt độ trong buồng cháy cũng như tính bay hơi của nhiên liệu Tốc độ hòa trộn nhiên liệu không khí được khống chế chủ yếu bằng kết cấu buồng cháy à vòi phun Ở một số động cơ, dạng buồng cháy thống nhất được thiết kế đặc biệt sao cho cường độ xoáy lốc cuối kỳ nén lớn nhất Ở một số loại động cơ khác người ta dùng buồng cháy dự bị hoặc buồng cháy xoáy lốc để tạo ra các chuyển động các chuyển động khí cần thiết cho việc hòa trộn nhanh chóng hơi nhiên liệu và không khí Mặt khác kết cấu vòi phun, chẳng hạn số lượng và bố trí không gian của các lỗ phun cũng có ảnh hưởng đến tốc độ hòa trộn nhiên liệu không khí Lỗ phun ảnh hưởng trực tiếp đến góc mở của tia Độ xuyên thâu của tia phụ thuộc vào kích thước của hạt, áp suất phun, mật độ không khí và các tính chất của dòng không khí trong buồng cháy

Giai đoạn cháy trễ được khống chế bởi các phản ứng cháy dự bị của nhiên liệu Vì hỗn hợp trong động cơ Diesel không đồng nhất nên quá trình tự bén lửa của nó phức tạp hơn nhiều so với động cơ xăng Dù rằng sự bén lửa diễn ra ở khu vực pha khí nhưng các phản ứng oxy hóa cũng có thể tiến hành ở pha lỏng giữa hạt nhiên liệu và oxygen khuếch tán vào hạt Trong quá trình cháy cũng đồng thời diễn ra quá trình cracking biến những phân tử hydrocarbon nặng thành những phân tử hydrocarbon nhẹ hơn

Trình tự cháy của nhiên liệu ảnh hưởng lớn đến thời kỳ cháy trễ và được đánh giá bằng chỉ số cetane Chỉ số cetane được xác định bằng cách so sánh thời kỳ cháy trễ của nhiên liệu với hỗn hợp nhiên liệu chuẩn trong động cơ thí nghiệm đặc biệt Đối với những nhiên liệu có chỉ số cetane bé, thời kỳ cháy trễ kéo dài do vậy phần lớn nhiên liệu của chu trình được phun vào động cơ trước khi bén lửa làm tăng tốc độ cháy ban đầu và áp suất cực đại của chu trình

Khi thời kỳ cháy trễ kéo dài, sự tự cháy của một bộ phận lớn nhiên liệu ban đầu tạo ra tiếng gõ máy, thường được gọi là "tiếng gõ Diesel" Đối với nhiên liệu có chỉ số cetane quá thấp, thời kỳ cháy trễ kéo dài, sự bén lửa có thể diễn ra rất chậm trên đường giãn nở, làm giảm hệ số lợi dụng nhiệt do đó làm giảm công suất và hiệu suất động cơ Đối với những nhiên liệu có chỉ số cetane cao, thời kỳ cháy trễ rút ngắn, sự bén lửa diễn ra trước khi phần lớn nhiên liệu được phun vào Tốc độ tỏa nhiệt và tốc độ tăng áp suất được

32 khống chế trước tiên bởi tốc độ phun và tốc độ hòa trộn nhiên liệu với không khí do đó động cơ làm việc êm hơn

2.4.2 Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến thời kỳ cháy trễ

Các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến sự phát triển của tia nhiên liệu và trạng thái của không khí trong buồng cháy (áp suất, nhiệt độ, tốc độ …) sẽ ảnh hưởng đến thời kỳ cháy trễ Những đại lượng này phụ thuộc vào kết cấu của hệ thống phun và buồng cháy cũng như điều kiện vận hành của động cơ Các thông số của hệ thống phun ảnh hưởng đến sự phát triển của tia nhiên liệu là thời điểm phun, khối lượng nhiên liệu phun, kích thước hạt và hình dạng tia nhiên liệu

Hình 2.8 Thời gian cháy trễ trong động cơ Diesel cỡ nhỏ 4 kỳ, phun trực tiếp, có tỉ số nén

16.5; n80 v/phút + Thời điểm phun Ở điều kiện làm việc bình thường của động cơ, thời kỳ cháy trễ ngắn nhất khi góc phun sớm nằm trong khoảng 10 – 15 o Sự kéo dài thời kỳ cháy trễ khi phun sớm hơn hay muộn hơn là do nhiệt độ và áp suất không khí thay đổi rất mạnh ở gần điểm chết trên Nếu phun quá sớm, nhiệt độ và áp suất không khí còn thấp nên thời kỳ cháy trễ kéo dài Nếu bắt đầu phun muộn hơn nhiệt độ và áp suất không khí lúc bắt đầu phun cao hơn một chút nhưng sau đó giảm xuống khi xuất hiện thời kỳ cháy trễ

+ Lƣợng nhiên liệu chu trình

Hình trên biểu diễn ảnh hưởng của lượng nhiên liệu chu trình hay tải của động cơ đến chu kỳ trễ Đối với động cơ phun trực tiếp thời gian cháy trễ giảm gần như tuyến tính khi tăng tải Thật vậy khi tải tăng nhiệt độ khí sót và nhiệt độ thành buồng cháy cũng tăng làm nhiệt độ môi chất cao hơn lúc bắt đầu phun nên thời gian cháy trễ giảm

+ Kích thước hạt, tốc độ phun

Những đại lượng này được khống chế bởi áp suất phun, đường kính và dạng lỗ phun… Thực nghiệm cho thấy tất cả những yếu tố này không có ảnh hưởng gì đáng kể đến thời kỳ cháy trễ Trong những điều kiện vận hành bình thường sự gia tăng áp suất phun thì chỉ làm giảm một ít thời gian cháy trễ Tăng gấp đôi đường kính lỗ phun khi giữ áp suất phun không đổi (để tăng lưu lượng phun (gấp 4 lần) và tăng đường kính hạt khoảng 30%) không có ảnh hưởng gì đáng kể đến kỳ cháy trễ Nghiên cứu các dạng lỗ phun khác nhau cho thấy tỉ số chiều dài/đường kính lỗ cũng như dạng vòi phun (nhiều lỗ, có kim, có chốt) không gây ảnh hưởng gì quan trọng đến thời kỳ cháy trễ trong những điều kiện vận hành bình thường của động cơ

Nếu thời gian cháy trễ tính bằng ms thì khi tăng tốc độ động cơ mà vẫn giữ tải không đổi sẽ rút ngắn τ i ; nếu biểu diễn thời kỳ cháy trễ theo góc quay trục khuỷu thì τ i tăng hầu như tuyến tính theo tốc độ Khi thay đổi tốc độ động cơ thì những quan hệ nhiệt độ - thời gian và áp suất - thời gian cũng thay đổi theo Mặt khác, áp suất phun tăng và lọt khí giảm khi tăng tốc độ động cơ

+ Ảnh hưởng của buồng cháy

Kết cấu buồng cháy sẽ quyết định chất lượng hình thành hỗn hợp, tạo xoáy lốc làm cho sự hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí tốt  quá trình cháy tốt hơn Sự tiếp xúc của tia nhiên liệu với thành buồng cháy gây ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình bay hơi và tạo hỗn hợp của nhiên liệu Sự tiếp xúc này diễn ra trong tất cả các động cơ cao tốc cỡ nhỏ Với buồng cháy M.A.N ("M") người ta cố ý làm cho tia nhiên liệu tráng lên thành buồng

34 cháy để không chế tốc độ tăng áp suất (động cơ làm việc êm) Thời kỳ cháy trễ của động cơ có buồng cháy "M" kéo dài hơn ở động cơ phun trực tiếp thông thường khác

Thay đổi cường độ xoáy lốc sẽ làm thay đổi quá trình bốc hơi của nhiên liệu và quá trình hòa trộn nhiên liệu không khí Sự xoáy lốc cũng ảnh hưởng đến truyền nhiệt cho thành buồng cháy và vì vậy gây ảnh hưởng đến nhiệt độ môi chất lúc bắt đầu phun Ở chế độ làm việc bình thường của động cơ, ảnh hưởng việc thay đổi cường độ xoáy lốc đến thời kỳ cháy trễ không quan trọng Ở điều kiện khởi động (tốc độ và nhiệt độ môi chất trong xy lanh thấp) ảnh hưởng của xoáy lốc quan trọng hơn do tăng cường tốc độ bốc hơi và hòa trộn khi nhiên liệu ở nhiệt độ thấp

+ Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu

Giai đoạn cháy khống chế bởi tốc độ hòa trộn nhiên liệu - không khí 35

2.5.1 Cấu trúc nhiên liệu và màng lửa

Mỗi tia nhiên liệu bao gồm một lõi nhỏ chứa nhiên liệu lỏng bao quanh là vùng hơi nhiên liệu Nồng độ nhiên liệu trong lõi cực kỳ cao: độ đậm đặc (ở khu vực gần lỗ phun xấp xỉ bằng 10 Nồng độ nhiên liệu giảm khi tăng khỏang cách hướng kính hay hướng trục ở một thời điểm cho trước và giảm dần theo thời gian ở một vị trí cố định

Hình 2.10 Ảnh chụp sự phát triển biên dạng tia và màng lửa ở các thời điểm khác nhau

Vị trí của khu vực tự bén lửa và sự phát triển khu vực cháy phụ thuộc vào sự phân bố nhiên liệu trong tia Hình 2.10 cho thấy diễn biến của quá trình trong những điều kiện tiêu biểu của buồng cháy của động cơ Diesel phun trực tiếp, không xoáy lốc Biên dạng tia nhiên liệu và vùng bén lửa bốc cháy ghi được nhờ máy quay phim cực nhanh Sự tự cháy đầu tiên xuất hiện ở khu vực có độ đậm đặc nằm trong giới hạn từ 1 đến 1.5 Sự phát triển của màng lửa tiếp theo tiến hành dọc theo lớp biên có  

 =1 do sự tăng nhiệt độ kèm theo sóng áp suất mạnh xuất phát từ các vị trí tự đánh lửa gây ra bởi sự tỏa năng lượng cục bộ Mặt khác sự tự đánh lửa ở những khu vực khác cũng có thể diễn ra một cách độc lập so với các vị trí ban đầu Sự hòa trộn rối tạo ra một cơ chế lan tràn màng lửa khác xa so với màng lửa của hỗn hợp hòa trộn trước Do vậy từ điểm bén lửa, màng lửa lan ra nhanh chóng, đồng thời sự giãn nở của khí cháy làm hình dạng của tia bị thay đổi mạnh Diễn biến của các quá trình này hầu như giống nhau đối với mỗi tia nhiên liệu (nếu vòi phun có nhiều tia đối xứng)

2.5.2 Tốc độ hòa trộn nhiên liệu không khí và tốc độ cháy

Phân tích tốc độ tỏa nhiệt từ đồ thị áp suất phân biệt rõ hai giai đoạn chính của quá trình cháy Giai đoạn đầu là giai đoạn cháy đồng nhất, trong đó lượng nhiên liệu đã hòa trộn với không khí trong giới hạn bốc cháy Giai đọan sau là giai đoạn cháy được khống chế bởi tốc độ hòa trộn, trong đó tốc độ cháy thấp hơn Phân tích thực nghiệm cho thấy phần lớn nhiên liệu (thường khoảng 75%) cháy trong giai đoạn sau (giai đoạn cháy được khống chế bởi tốc độ hòa trộn) Kết quả đó tạo cơ sở để mô hình hóa quá trình tỏa nhiệt trong động cơ Tỷ lệ nhiên liệu cháy trong giai đoạn hòa trộn trước được rút ra từ biểu thức thực nghiệm Watson: c i a b

  là độ đậm đặc, τ i thời gian cháy trễ (ms), a = 0.9; b = 0.35 và c

= 0.4 là những hằng số phụ thuộc vào kết cấu động cơ

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tốc độ tiêu thụ nhiên liệu hay tốc độ tỏa nhiệt được khống chế bởi tốc độ hòa trộn nhiên liệu - không khí Các tính toán tốc độ hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu không khí để đạt được giới hạn bốc cháy dựa trên mô hình dòng tia rối cho thấy tốc độ hòa trộn đó và tốc độ cháy cùng độ lớn Các tính toán về thời gian đặc trưng của quá trình hòa trộn trong tia rối cho thấy các giá trị này tương đương với thời gian của quá trình tỏa nhiệt và dài hơn nhiều hơn thời gian đặc trưng đối với sự bay hơi và động hóa học của quá trình cháy Việc đo tốc độ tỏa nhiệt trong động cơ cho thấy tốc độ này trước tiên bị khống chế bởi tốc độ hòa trộn nhiên liệu - không khí Ví dụ về dạng các đường cong tỏa nhiệt đo được trong động cơ Diesel phun trực tiếp trình bày trên (Hình 2.11) Hình 2.11a cho thấy profil của tốc độ tỏa nhiệt ở các giá trị nhiệt độ ban đầu khác nhau dẫn đến thời gian của kỳ cháy trễ khác nhau Thời kỳ cháy trễ kéo dài cho phép nhiên liệu hòa trộn với không khí đạt giới hạn bốc cháy trong giai đoạn này nhiều hơn vì vậy đỉnh của đường cong tỏa nhiệt trong giai đoạn đầu lớn hơn Tuy nhiên cường độ tỏa nhiệt trong giai đoạn sau, giai đoạn tốc độ hòa trộn khống chế hầu như giống nhau vì quá trình hòa trộn ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ Hình 2.11b và 2.11c cho thấy

38 cường độ tỏa nhiệt tăng theo áp suất phun và cường độ xoáy lốc Sự gia tăng của hai yếu tố này làm tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu không khí trong tia nhiên liệu vì vậy làm tăng tốc độ tỏa nhiệt trong giai đoạn cháy khống chế bởi tốc độ hoà trộn

Hình 2.11 Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt theo thời gian của động cơ Diesel phun trực tiếp a) Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp: xoáy lốc 4000 vòng/phút, áp suất phun 60MPa; b) Ảnh hưởng của áp suất phun: không xoáy lốc c) Ảnh hưởng của xoáy lốc: áp suất phun 60MPa.

THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM VÀ QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM

Thiết lập thí nghiệm

Nhiên liệu thí nghiệm là hỗn hợp nhiên liệu gồm dầu biodiesel chiết xuất từ hạt cao su và dầu diesel thương phẩm Tổng cộng 4 loại nhiên liệu được thí nghiệm trong nghiên cứu này, bao gồm luôn cả nhiên liệu diesel để so sánh

Nhiên liệu thí nghiệm bao gồm:

B00 - nhiên liệu diesel thương phẩm trên thị trường Việt Nam;

B05 - hỗn hợp thể tích nhiên liệu 5% biodiesel và 95% diesel;

Nhiên liệu biodiesel được tổng hợp tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên và được pha trộn tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Động cơ đốt trong, trường Đại học Bách khoa Các mẫu nhiên liệu phối trộn được gửi đi thử nghiệm Trung tâm Kiểm định Đo lường Chất lượng 3 (Trung tâm 3) Bảng 3.1 trình bày một số tính chất cơ bản của các loại nhiên liệu thử nghiệm

Bảng 3.1 Tính chất của nhiên liệu thí nghiệm (Số liệu được cung cấp bởi Trung Tâm 3)

Khối lượng riêng tại 30 o C (g/cm 3 ) 0.808 0.812 0.815 0.822 0.877 Độ nhớt động học tại 40 o C (mm 2 /s) 2.745 3.030 3.089 3.28 5.414

Toàn bộ các thí nghiệm được thực hiện trong bệ thử AVL sử dụng động cơ Kubota RT125 một xy lanh, 4 kỳbuồng cháy trực tiếp, phun dầu bằng bơm cơ khí, làm mát bằng nước Phòng thử được vận hành theo sự điều khiển của học viên chạy thực nghiệm, các thông số đặc tính công suất (được đo 3 lần) và đặc tính quá trình cháy được đo trong vòng 50 chu kỳ hoạt động của động cơ

Hình 3.1 Sơ đồ thí nghiệm động cơ Kubota RT 125 DI

1 Động cơ 9 Thùng dầu chính

2 Điện lực kế (dynamometer) 10 Ống burette đo mức tiêu hao nhiên liệu

3 Cảm biến đo áp suất trong xy lanh 11 Ống góp thải

4 Bộ chuyển đổi (charge amplifier) 12 Ống góp nạp

5 Máy tính phân tích dữ liệu 13 Thiết bị đo khí nạp và bộ chống dao động

6 Máy đo khí thải 14 Bơm cao áp

7 Máy đo độ mờ khói 15 Cảm biến đường ống nhiên liệu (cao áp)

8 Kim phun nhiên liệu 16 Đĩa chia vạch và bộ giải mã (Encoder)

*Các cảm biến khác: Cảm biến nhiệt độ khí nạp, Cảm biến nhiệt độ khí thải, Cảm biến nhiệt độ nước làm mát, Cảm biến nhiệt độ dầu

41 Động cơ nghiên cứu một xy lanh Kubota RT125 được gắn với dynamometer để điều khiển tốc độ và tải trọng Đặc tính quá trình cháy, khí thải được đo và lưu trữ tự động trong máy tính ở phòng điều khiển trung tâm Cảm biến áp suất nhiên liệu được lắp và trên đường ống cao áp nhằm theo dõi áp suất phun Ngoài ra động cơ được lắp đặt cảm biến đo áp suất buồng cháy trên nắp xy-lanh, hai cảm biến trên được kết nối với bộ khuyếch đại tín hiệu (Amplifier) và hệ thống chỉ thị để quan sát, đo và phân tích quá trình cháy động cơ Khí thải động cơ được trích vào thiết bị phân tích khí thải Hesbon HG 520 để đo nồng độ của HC, CO, CO 2 , O 2 , NO x Độ mờ khói được phân tích bởi thiết bị Opacimeter hiệu AVL

+ Một vài hình ảnh bố trí thí nghiệm:

1 Động cơ thí nghiệm 2 Điện lực kế (Dynamometer)

3 Cảm biến đo áp suất nhiên liệu, cảm biến áp suất buồng cháy

4 Bộ chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu

5 Máy tính phân tích dữ liệu áp suất đường ống cao áp và áp suất buồng cháy

7 Máy đo độ mờ khói 16 Đĩa chia vạch và bộ giải mã

9 & 10 Thùng nhiên liệu và Ống burret đo suất tiêu hao nhiên liệu Máy tính phân tích dữ liệu Công suất,

14 &15 Bơm cao áp, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước Cảm biến nhiệt độ nhớt, lọc nhiên liệu

Hình 3.2 Động cơ Kubota RT 125 DI Động cơ Kubota là động cơ được sản xuất tại Thái lan theo công nghệ của Nhật Động cơ Kubota RT 125 DI là động cơ diesel một xylanh có công suất cực đại 12.5 Hp Động cơ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, xây dựng, phát điện…Sau đây là một số thông số kỹ thuật của động cơ

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của động cơ Kubota RT 125 DI

Loại động cơ 4 kỳ, 1 xylanh, nằm ngang Đường kính xylanh (mm) x Hành trình piston (mm) 94 x 96

Công suất cực đại/số vòng quay động cơ (HP/rpm) 12.5/2400

Mô-men cực đại/số vòng quay động cơ (kGm/rpm) 4.7/1600

Hệ thống nhiên liệu Phun nhiên liệu trực tiếp Áp suất phun nhiên liệu 240 bar

Kiểu kim phun 4 lỗ tia

Kiểu buồng đốt (buồng cháy trực tiếp) Xoáy lốc

3.1.4 Bệ thí nghiệm Động cơ được đặt trên bệ thí nghiệm AVL và được nối với điện lực kế thông qua khớp các đăng Điện lực kếđược điều khiển bởi máy tính có chức năng dẫn động khi khởi động động cơ và thay đổi tải lên động cơ bằng dòng kích từ Động cơ được cung cấp nhiên liệu từ một bình nhiên liệu và ống burret (dùng đo mức tiêu hao nhiên liệu) đặt trên cao, nhiên liệu được cung cấp cho bơm cao áp nhờ lực trọng trường Không khí được đưa vào động cơ do sức hút cuối kì nén thông qua lọc, bộ đo lưu lượng khí nạp và bình ổn

45 định lưu lượng khí nạp Khí thải được đưa ra ngoài thông qua bộ ổn định khí thải Trên đường góp xả gắn thiết bị đo khí thải: CO, CO 2 , OPA, HC, NOx, … Đối với động cơ được gắn các cảm biến để lấy tín hiệu: nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ khí thải, nhiệt độ dầu bôi trơn, nhiệt độ nước làm mát, cảm biến tốc độ và một số cảm biến khác tùy theo yêu cầu của người thí nghiệm, các tín hiệu này được gửi về máy tính hiển thị.

Quy trình thí nghiệm

3.2.1 Điều kiện và môi trường thí nghiệm

Trước khi tiến hành thí nghiệm, động cơ và các thiết bị đo được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác và vận hành tốt của thiết bị Các thiết bị đo được cân chỉnh theo như các yêu cầu của nhà chế tạo Động cơ được hoạt động trong điều kiện tự nhiên với nhiệt độ trong phòng thử khoảng 35 0 C

Khi bắt đầu thí nghiệm, động cơ được khởi động và chạy ở chế độ không tải khoảng 30 phút cho đến khi động cơ đạt trạng thái ổn định về nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn

Toàn bộ thí nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp Kubota RT125 Động cơ được gắn với dynamometer, nó được thiết kế cho phép điều chỉnh tải động cơ

Nhiên liệu dẫn vào động cơ sẽ được lấy từ bình chứa có vạch chia hiển thị thể tích nhiên nhiệu trong bình Ống burret dùng để đo lượng nhiên liệu tiêu thụ được áp dụng cho tất cả các chế độ thí nghiệm

Khí thải động cơ được trích vào thiết bị phân tích khí thải để đo nồng độ của HC,

CO, CO 2 , O 2 , NO x Độ mờ khói được phân tích bởi Opacimeter Động cơ dẫn động dynamometer làm việc ở các mức tải khác, có 2 chế độ đo được áp dụng:

1 Chế độ đầy tải: Kéo thanh răng ở vị trí tối đa và thay đổi tốc độ động cơ bằng dynamometer ở 7 vị trí tốc độ khác nhau 1200 vòng/phút, 1400 vòng/phút, 1600 vòng/phút, 1800 vòng/phút, 2000 vòng/phút, 2200 vòng/phút và 2400 vòng/phút

2 Chế độ tốc độ động cơ không đổi 1600 vòng/phút thay đổi các giá trị công suất (kW) ở 5 vị trí 1.4 kW, 2.8 kW, 4.2 kW, 5.6 kW và 6.8 kW Tại mỗi điểm đo, các thông số về đặc tính khí thải, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ dầu bôi trơn, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ khí thải và lượng tiêu hao nhiên liệu được đo và ghi nhận số liệu Số lần thử nghiệm (đo) tại mỗi điểm là 03 lần Kết quả đánh giá là kết quả trung bình của cả 03 lần thử Quá trình thí nghiệm trên động cơ một xylanh để thu thập các dữ liệu như áp suất trên đường ống cao áp nhiên liệu và áp suất trong buồng đốt thiết lập các đường đặc tính: quá trình cháy, đường cong toả nhiệt theo sự thay đổi công suất (kW), nhằm giải thích các thông số khí thải: CO, CO2, NOx, suất tiêu hao nhiên liệu(g/kWh)

Bốn loại nhiên liệu B0 (dầu DO), B5, B10 và B20 lần lượt được thử nghiệm trên động cơ Kubota RT125 Động cơ được vận hành ở chế độ hoạt động ổn định (Steady State Condition) Sau một loại mẫu thử, hệ thống nhiên liệu của động cơ được rửa sạch, đảm bảo không lẫn tạp chất của nhiên liệu từ lần thử trước

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Ở TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1600

VÒNG/PHÚT VÀ THẢO LUẬN

Chương này thể hiện kết quả thí nghiệm cho tất cả các nhiên liệu thử B0 (dầu DO), B5, B10 và B20 ở tốc độ động cơ không đổi 1600 vòng/phút tại các chế độ công suất khác nhau, để đánh giá quá trình cháy và đặc tính khí thải

Công suất định mức (kW) được thay đổi ở 5 giá trị khác nhau 1.4 kW, 2.8 kW, 4.2 kW, 5.6 kW, 6.8 kW tương ứng với các giá trị Bmep (Bar) khác nhau của động cơ: 1.4 bar, 2.8 bar, 4.2 bar, 5.6 bar, 6.8 bar

4.1 Đặc tính quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel và dầu DO trong động cơ Đặc tính quá trình cháy của những hỗn hợp biodiesel B5, B10 và B20 so với B0 (dầu DO) được phân tích bằng cách đo áp suất trong lòng xylanh ứng với góc quay trục khuỷu

Dữ liệu đo được lấy trong 50 chu kỳ và được tính trung bình để hạn chế sự sai số Dựa trên dữ liệu của áp suất trong buồng cháy, phần mềm AVL sẽ tính toán được đường cong toả nhiệt, cũng như nhiệt lượng toả ra theo góc quay của trục khuỷu

Từ dữ liệu áp suất tỷ lệ toả nhiệt được tính theo định luật đầu tiên của nhiệt động lực học:

Hình 4.1 Áp suất xylanh ở công suất 1.4kW

Hình 4.2 Áp suất xylanh ở công suất 2.8kW Ở chế độ công suất thấp (Hình 4.1) và (Hình 4.2) hầu hết các hỗn hợp biodiesel B5, B10 và B20 đều có xu hướng cháy sớm hơn so với B0 (dầu DO) Tuy nhiên khi tăng công suất động cơ, thời gian tăng áp suất của xy lanh của tất cả các nhiên liệu thử đều gần như nhau Góc mà áp suất trong buồng cháy bắt đầu tăng cho B5, B10 và B20 càng tiến về

Góc quay trục khuỷu (độ) Áp suất xylanh ở công suất 1.4 kW

49 phía dầu DO Sự thay đổi này được quan sát thấy từ công suất 4.2 kW (Hình 4.3) cho đến toàn tải

Chế độ công suất 1.4 kW và 2.8 kW áp suất buồng cháy cực đại của B0 (dầu DO) có xu hướng cao hơn hỗn hợp dầu biodiesel, trong đó B5 và B20 có áp suất buồng cháy gần hơn với B0 (dầu DO) Ở chế độ này do có sự hiện diện của oxy trong hỗn hợp biodiesel điều này hỗ trợ tốt hơn quá trình cháy Kết quả đo khí thải (Hình 4.23) cho thấy hàm lượng CO 2 do các hỗn hợp biodiesel tạo ra đều cao hơn B0 (dầu DO) Nhiệt toả ra cộng với lượng oxy sẵn có trong hỗn hợp dầu biodiesel cao hơn (Hình 4.8 và 4.9) dẫn đến hàm lượng phát thải NOx cao hơn so với B0 (dầu DO)

Hình 4.3 Áp suất xylanh ở công suất 4.2kW Ở chế độ công suất cao (Hình 4.4 và 4.5), đặc tính cháy của dầu biodiesel được cải thiện do nhiệt độ cao và áp suất cao hơn ở thời gian bắt đầu cho sự cháy và cũng ở chế độ này do khí sót và nhiệt độ trong thành xylanh nóng hơn giúp cải thiện quá trình hoà trộn cho những nhiên liệu có độ bay hơi thấp như B20 Đó chính là lý do làm cho áp suất cực đại trong buồng cháy của B20 cao hơn B0 (dầu DO) ở tốc độ cao

Lượng NOx (Hình 4.24) do quá trình cháy của B0 (dầu DO) phát ra ở công suất 4.2 kW trở lên có xu hướng cao hơn hỗn hợp biodiesel Khoảng thời gian cháy trễ ngắn, cộng với áp suất trong buồng cháy cao làm tăng nhiệt độ trong buồng cháy và dẫn đến lượng NOx do B0 (dầu DO) tạo ra cao hơn một ít so với hỗn hợp biodiesel

Đường cong toả nhiệt (HRR: Heat Release Rate)

Đường cong toả nhiệt của B0 (dầu DO), B5, B10 và B20 thu được tại các công suất khác nhau, tất cả các hỗn hợp biodiesel đều cho hình dạng sự cháy tương tự so với B0 (dầu DO) Sau thời gian cháy trễ, nhiên liệu và không khí được hoà trộn trước cháy một cách nhanh chóng và giải phóng một lượng nhiệt rất lớn Theo sau giai đoạn này là giai đoạn cháy khuếch tán, tỉ lệ nhiên liệu cháy tương đối chậm hơn do phải vừa cháy vừa hoà trộn Trong giai đoạn bắt đầu sự toả nhiệt thu được giá trị âm là do sự bốc hơi của nhiên liệu trong giai đoạn cháy trễ và nhiệt toả ra trở nên dương khi bắt đầu của sự cháy Ở chế độ công suất 1.4 kW và 2.8 kW (Hình 4.8 và 4.9) biên dạng của đường cong toả nhiệt thể hiện chủ yếu sự cháy hoà trộn trước và điều này thay đổi khi ở tải cao hơn khi sự cháy kết hợp giữa hoà trộn trước và cháy khuếch tán Ở chế độ công suất này đỉnh của đường cong toả nhiệt do B0 (dầu DO) tạo ra cao nhất, sau đó đến B5 và các hỗn hợp B10 và B20 Do sự có mặt của các thành phần Oxy trong B5, B10 và B20 làm cho quá trình cháy và toả nhiệt của các hỗn hợp biodiesel diễn ra sớm hơn 0,5 - 1 độ vòng quay trục khuỷu so với B0 (dầu DO)

Gó c qu ay tr ục kh uỷ u (đ ộ)

Góc quay trục khuỷu mà áp suất đại giá trị cực đại

Hình 4.8 Đường cong toả nhiệt ở công suất 1.4 kW

Hình 4.9 Đường cong toả nhiệt ở công suất 2.8 kW

Tuy nhiên ở công suất cao hơn (Hình 4.11 và 4.12) thời gian cháy trễ của tất cả nhiên liệu thử tương tự nhau, do dầu DO bốc hơi và hoà trộn tốt hơn dưới nhiệt độ cao Nồng độ oxy trong hỗn hợp biodiesel trở thành yếu tố ít ảnh hưởng ở công suất cao hơn

Nh iệt to ả ra ( kJ /m 3d eg )

Góc quay trục khuỷu (độ) Đường cong toả nhiệt ở công suất 1.4 kW

Nh iệt lượn g to ả ra ( kJ /m 3d eg )

Qua đường cong toả nhiệt của tất cả các nhiên liệu thử, nhiệt lượng toả ra của B0 (dầu DO) ở tất cả các chế độ công suất đều cao hơn so với hỗn hợp biodiesel, tuy nhiên cũng không thể phủ nhận ở công suất thấp cũng như công suất cao hỗn hợp B5 và B10 vẫn tạo ra một lượng nhiệt tương đương với dầu DO

Hình 4.10 Đường cong toả nhiệt ở công suất 4.2kW

Nh iệt lượn g to ả ra (k J/m 3d eg )

Nh iệt lượn g to ả ra ( kJ /m 3d eg )

+ Tổng lƣợng nhiệt toả ra theo góc quay trục khuỷu:

Hình 4.13 Tổng lượng nhiệt toả ra ở công suất 1.4kW

Lượng nhiệt toả ra cho tất cả các nhiên liệu thử tăng theo sự gia tăng công suất vì một lượng nhiên liệu nhiều hơn được phun vào trong buồng cháy Ở công suất thấp (Hình 4.13) các hỗn hợp biodiesel cháy sớm hơn so với dầu DO và kết quả thu được cho thấy tất

T ổn g nh iệt lượn g to ả ra ( KJ /m 3)

Góc quay trục khuỷu (độ)

Tổng lượng nhiệt toả ra ở công suất 1.4 kW

56 cả các hỗn hợp Biodisel B5, B10 và B20 toả ra một lượng nhiệt thấp hơn một ít so với dầu

Hình 4.14 Tổng lượng nhiệt toả ra công suất 6.8kW Ở công suất 6.8kW (100% tải) hỗn hợp biodiesel bốc hơi và hoà trộn tốt hơn, thời gian cháy trễ của các nhiên liệu thử gần như nhau, điều này tạo nên quá trình cháy tốt hơn Theo góc quay trục khuỷu tổng lượng nhiệt toả ra của hỗn hợp B5, B10 và B20 Biodiesel ghi nhận tương đương với B0 (dầu DO).

Áp suất trên đường ống nhiên liệu

Hình 4.15 Áp suất nhiên liệu ở công suất 1.4 kW

T ổn g nh iệt lượn g to ả ra (k J/m 3)

Góc quay trục khuỷu (độ)

Góc quay trục khuỷu (độ) Áp suất nhiên liệu ở công suất 1.4 kW

Hình 4.16 Áp suất nhiên liệu ở công suất 2.8 kW Áp suất nhiên liệu đối với tất cả các mẫu nhiên liệu thử B0, B5, B10 và B20 đều tăng theo sự tăng công suất vì một lượng nhiên liệu lớn hơn lưu thông qua đường ống khi công suất lớn Ở công suất 1.4 kW và 2.8 kW (tải thấp) (Hình 4.15 và 4.16) áp suất nhiên liệu của B0 (dầu DO) có xu hướng cao hơn các hỗn hợp B5, B10 và B20 tuy nhiên khi tăng công suất thì hầu hết các hỗn hợp dầu biodiesel đều có áp suất nhiên liệu cao hơn Điều này do hỗn hợp biodiesel có khả năng chịu nén được cao hơn so với B0 (dầu DO)

Hình 4.19 Áp suất nhiên liệu ở công suất 6.8 kW Ở công suất 5.6 kW (Hình 4.18) do áp suất phun cao nhất cho tất cả các loại nhiên, làm cho lượng phun nhiều hơn cộng nhiệt độ cao trong buồng cháy dẫn đến lượng NOx tạo nhiều nhất Ở công suất 6.8 kW (100% tải) áp suất phun của tất cả nhiên liệu thử giảm một lượng, điều này do tổn thất công dẫn động cơ khí của động cơ Tuy nhiên áp suất phun của các hỗn hợp biodiesel cao hơn so với B0 (dầu DO) (Hình 4.20) do có khối lượng

59 riêng cao hơn dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng đường sóng lan truyền áp suất từ bơm đến kim phun

Hình 4.20 Áp suất nhiên liệu cực đại ở những chế độ công suất khác nhau

Nhiệt độ khí xả

Hình 4.21 là kết quả thu thập được từ cảm biến nhiệt độ khí thải được gắn trên cổ góp thải nhằm đo nhiệt độ khí thải cho tất cả các loại nhiên liệu thử Sự gia tăng nhiệt độ khí xả cùng với sự gia tăng công suất cho tất cả các loại nhiên liệu thử được thể hiện theo hình trên Lượng phát thải NOx cũng trực tiếp liên quan đến nhiệt độ trong buồng cháy động cơ mà sau đó nó được thể hiện qua nhiệt độ khí thải

Hình 4.21 Ảnh hưởng % hỗn hợp Biodiesel đến nhiệt độ khí thải

Nh iệt đổ k hí xả ( o C)

Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến phát thải CO

Hàm lượng CO đo được từ khí thải ở các chế độ công suất khác nhau được ghi lại theo (Hình 4.22) Nhìn chung hàm lượng phát thải CO không thay đổi nhiều giữa các nhiên liệu thử CO được tạo ra do không đủ lượng oxy để chuyển hoá thành CO 2 , một lượng nhiên liệu không cháy hoàn toàn dẫn đến việc tạo CO cao, nó được hình thành tại khu vực cháy có nhiệt độ 1245 o C Nhân tố khác tạo ra CO chính là sự hoà trộn kém giữa không khí và nhiên liệu Ở công suất 1.4kW và 2.8 kW (tải thấp) các nhiên liệu biodiesel có độ bay hơi và hoà trộn kém, điều này thể hiện qua kết quả thí nghiệm hàm lượng CO do hỗn hợp biodiesel tạo ra đều cao hơn dầu DO Tuy nhiên ảnh hưởng sự hoà trộn là không quan trọng khi động cơ ở tốc độ cao, do lúc này CO bị ảnh hưởng nhiều hơn dưới áp suất tăng cao Hàm lượng CO phát thải cực đại ở 100% tải điều này do quá trình cháy không hoàn hảo cho tất cả các loại nhiên liệu thử

Hình 4.22 Ảnh hưởng % hỗn hợp biodiesel đến mức phát thải CO

Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến phát thải CO 2

Hình 4.23 Ảnh hưởng % hỗn hợp biodiesel đến mức phát thải CO 2

Mức phát thải CO 2 cho tất cả nhiên liệu thử được thể hiện ở (Hình 4.23) Lượng CO 2 gia tăng cùng với sự gia tăng công suất, hàm lượng CO2 trong khí thải càng nhiều thể hiện quá trình cháy hoàn hảo Ở công suất 1.4 kW và 2.8 kW hàm lượng CO 2 do các hỗn hợp B5, B10 và B20 phát ra đều cao hơn so với DO điều này do thành phần hỗn hợp biodiesel có oxy nên hỗ trợ tốt cho quá trình cháy Ở công suất cao hơn 5.6kW và 6.8 kW lượng

CO 2 do DO tạo ra cao hơn hỗn hợp biodiesel do sự cháy không hoàn hảo của hỗn hợp biodiesel Quá trình cháy của các nhiên liệu hoá thạch tạo ra nhiều CO 2 và làm ảnh hưởng đến vấn đề môi trường, hỗn hợp dầu biodiesel cũng tạo ra CO2 tuy nhiên chúng bị hấp thụ đi một phần do hàm lượng oxy có trong thành phần nhiên liệu theo đó cân bằng được làm lượng CO 2 phát thải ra môi trường.

Ảnh hưởng nồng độ Biodisel đến phát thải NO X

Hàm lượng NOx được đo cho tất cả các loại nhiên liệu thử theo các chế độ công suất được thể hiện theo (Hình 4.24) Ở công suất 1.4 kW và 2.8 kW hỗn hợp biodiesel tạo ra

62 lượng NOx cao hơn so với dầu DO do nhiệt độ trong buồng cháy cộng với lượng oxy có sẵn trong các hỗn hợp biodiesel

Hình 4.24 Ảnh hưởng % hỗn hợp biodiesel đến mức phát thải NOx

Tuy nhiên ở công suất cao hơn bắt đầu từ 4.2 kW trở lên xu hướng NOx của hỗn hợp dầu biodiesel giảm và ngày càng thấp hơn so với B0 (dầu DO) Điều này do sự hình thành NOx tập trung ở khí thải ít gây ảnh hưởng bằng sự gia tăng công suất động cơ NOx phụ thuộc vào hàm lượng oxy tập trung cũng như nhiệt độ tối đa trong xy lanh (khoảng

1800 o C), một số các nghiên cứu cũng cho rằng nhiên liệu có liên kết oxy như biodiesel cũng tạo làm tăng lượng NOx trong động cơ NOx tăng một cách nhanh chóng với tất cả nhiên liệu thử và đạt cực đại tại công suất 5.6kW còn do nhiệt độ cao và lượng phun nhiều hơn điều này tạo nên cơ hội hình thành các chất trung gian như NH, NCO và HO2 tạo nên NOx nhanh chóng Ở công suất 1.4kW và 2.8 kW lượng NOx phát thải thấp cho tất cả các loại nhiên liệu thử là do lượng không khí không đủ để hoà trộn nhiên liệu, cộng với nhiệt độ thấp trong xy lanh làm cho lượng NO x tạo ra thấp hơn Lượng NOx tăng theo công suất cho tất cả các loại nhiên liệu và đạt cực đại ở công suất 1,58 kW và giảm ở công suất 6.8 kW (100% tải) do lượng Oxy (Hình 4.26) gần như dùng hết cho việc hoà trộn với nhiên liệu cho dù nhiệt độ buồng đốt cao

Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến độ mờ khói

Hình 4.25 Ảnh hưởng % hỗn hợp biodiesel đến độ mờ khói

Thành phần khói bao gồm các phân tử carbon được tạo ra ở những vùng không đủ lượng oxy phản ứng với carbon hay ở những vùng giàu nhiên liệu trong xylanh trong suốt quá trình cháy Kết quả thử nghiệm cho thấy độ mờ khói cho tất cả hỗn hợp nhiên liệu dầu biodiesel B5, B10 và B20 đều thấp hơn dầu DO ở mọi chế độ tải, điều này do oxy trong biodiesel giúp cho sự cháy tốt hơn ở những khu vực giàu nhiên liệu trong buồng cháy Độ mờ khói giảm cùng với sự gia tăng % hỗn hợp dầu Biodiesel Đây là một ưu điểm lớn nhất khi sử dụng hỗn hợp Biodiesel, động cơ phát ra ít khói đen hơn và làm giảm ô nhiễm môi trường.

Mức độ phát thải O 2

Hàm lượng O2 trong khí thải giảm khi tăng tải cho tất cả các loại nhiên liệu thử nghiệm Điều này do ở chế độ tải cao hơn động cơ cần một lượng O 2 nhiều hơn để hoà trộn với lượng phun nhiên liệu Hàm lượng O 2 trong khí thải của các hỗn hợp B10, B20 luôn lớn hơn dầu DO trong các chế độ tải điều này do lượng O2 sẵn có trong trong biodiesel

Công suất (kW) Độ mờ khói (OPA)

Hình 4.26 Mức độ phát thải O 2 Đối với B5 ở chế độ công suất thấp hơn 5.6kW hàm lượng O 2 phát thải thấp hơn dầu

DO, điều này là do O2 trong biodiesel đóng vai trò cho chất xúc tác cho quá trình cháy, nên lượng O 2 thải ra thấp hơn dầu DO Ở 100% tải nhiên liệu bốc hơi và cháy tốt hơn, nên lượng O 2 trong dầu biodiesel không đóng vai trò chủ yếu trong quá trình cháy và lượng O 2 thải ra theo thí nghiệm cho thấy cao hơn dầu DO

Kết luận: Kết quả thí nghiệm ở tốc độ động cơ không đổi, 1600 vòng/phút

 Ở tải thấp, lượng CO 2 do hỗn hợp biodiesel tạo ra cao hơn B0, ở tải cao hơn B0 lại tạo ra nhiều CO 2 hơn và đó là tác nhân ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính

 Lượng phát thải NO x do các hỗn hợp biodiesel được cho là cao hơn B0 do hàm lượng oxy có sẵn trong hỗn hợp

 Độ mờ khói do hỗn hợp biodiesel tạo ra thấp hơn B0 ở tất cả các chế độ thử, kết quả cho thấy B20 tạo ra độ mờ khói thấp nhất Đây cũng là ưu điểm nổi bật của nhiêu liệu bio.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Ở CHẾ ĐỘ TOÀN TẢI VÀ THẢO LUẬN

Đặc tính quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel và dầu DO trong động cơ

Hình 5.1 Áp suất trong buồng cháy ở tốc độ động cơ 1400 vòng/phút Ở tốc độ thấp 1400 vòng/phút (Hình 5.1) khả năng bay hơi của các hỗn hợp dầu biodiesel kém, dẫn đến thời gian cháy trễ của các hỗn hợp này dài hơn so với dầu DO Áp suất trong buồng cháy do dầu DO tạo ra cao hơn so với các hỗn hợp dầu biodiesel Ở tốc độ động cơ cao hơn (Hình 5.2) dưới sự gia tăng nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt, hỗn hợp nhiên liệu biodiesel có xu hướng cháy sớm hơn so với B0 (dầu DO)

Góc quay trục khuỷu (độ) Áp suất trong buồng cháy ở tốc độ động cơ 1400 vòng/phút

66 do sự hoà trộn nhiên liệu và không khí diễn ra tốt hơn Áp suất trong buồng cháy do B20 và B5 tạo ra lớn hơn so với B0 (dầu DO)

Hình 5.2 Áp suất trong buồng cháy ở tốc độ động cơ 2000 vòng/phút

Hình 5.3 Áp suất trong buồng cháy ở tốc độ động cơ 2400 vòng/phút

67 Ở tốc độ lớn nhất của động cơ 2400 vòng/phút (Hình 5.3) các hỗn hợp biodiesel cho thể hiện rõ đặc điểm của mình khi tốc độ bay hơi và hoà trộn tốt với không khí Dẫn đến thời gian cháy trễ ngắn và áp suất trong buồng đốt của tất cả các hỗn hợp biodiesel tạo ra đều cao hơn so với B0 (dầu DO) Ở tốc độ cao hầu hết các nhiên liệu kết hợp vừa cháy hoà trộn và cháy khuếch tán vì vậy tạo nên các đường sóng áp suất thể hiện như trên hình.

Đường cong toả nhiệt (HRR: Heat Release Rate)

Ở tốc độ thấp 1400 vòng/phút (Hình 5.4) cho thấy lượng nhiệt cho hỗn hợp biodiesel tạo trễ hơn 1 độ góc quay trục khuỷu so với dầu DO Lượng nhiệt toả ra của các hỗn hợp biodiesel cũng thấp hơn dầu DO do khả năng bay hơi và hoà trộn kém

Hình 5.4 Đường cong toả nhiệt ở tốc độ động cơ 1400 vòng/phút Ở tốc độ 1600 vòng/phút (Hình 5.5) lượng nhiệt do các hỗn hợp biodiesel tạo ra tiến gần hơn so với B0 (dầu DO) và thời gian cháy trễ được rút ngắn do lúc này hỗn hợp biodiesel bay hơi tốt hơn

Góc quay trục khuỷu (độ) Đường cong toả nhiệt ở tốc độ động cơ 1400 vòng/phút

Hình 5.5 Đường cong toả nhiệt ở tốc độ động cơ 1600 vòng/phút Ở tốc độ 2000 vòng/phút (Hình 5.6) các hỗn hợp biodiesel thể hiện ưu điểm của nhiên liệu, cháy sớm hơn dầu DO và lượng nhiệt toả ra cao hơn dầu DO Ở chế độ này các hỗn hợp dầu biodiesel được hỗ trợ tốt bởi áp suất và nhiệt độ trong buồng đốt Làm cho quá trình bay hơi và hoà trộn với không khí nhanh hơn

Hình 5.6 Đường cong toả nhiệt ở tốc độ động cơ 2000 vòng/phút

69 Ở tốc độ cao nhất, 2400 vòng/phút (Hình 5.8) quá trình cháy của B0 (dầu DO) và hỗn hợp biodiesel diễn ra kết hợp giữa cháy hoà trộn trước và cháy khuếch tán Vì vậy ở khoảng 20 độ sau điểm chết xuất hiện thêm những đỉnh khác của đường cong toả nhiệt mà những điểm này có giá trị nhỏ hơn đỉnh ban đầu

5.3 Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến áp suất trên đường ống nhiên liệu Áp suất nhiên liệu tăng cùng với sự gia tăng tốc độ động cơ, điều này là do một lượng nhiên liệu lớn hơn lưu thông qua kim phun để đáp ứng lại sự tăng tốc độ Ở tốc độ thấp (Hình 5.9) áp suất phun của dầu DO có xu hướng cao hơn hỗn hợp biodiesel Góc bắt đầu gia tăng áp suất nhiên liệu gần như trùng nhau đối với tất cả nhiên liệu thử

Hình 5.9 Áp suất nhiên liệu ở tốc độ 1400 vòng/phút Ở tốc độ cao hơn (Hình 5.10, 5.11) áp suất nhiêu liệu của hỗn hợp dầu biodiesel có xu hướng gần với dầu DO B10 và B20 có độ nhớt cao hơn dẫn đến góc bắt đầu gia tăng áp suất phun trễ hơn so với dầu DO

Góc quay trục khuỷu (độ) Áp suất nhiên liệu ở tốc độ 1400 vòng/phút

Hình 5.10 Áp suất nhiên liệu ở tốc độ 1600 vòng/phút

Hình 5.11 Áp suất nhiên liệu ở tốc độ 1800 vòng/phút Ở tốc độ tối đa của động cơ (Hình 5.12, 5.13) B20 luôn duy trì sự trễ trong việc gia tăng áp suất nhiên liệu từ 1-2 độ quay trục khuỷu so với dầu DO và áp suất phun B20 lớn hơn dầu DO cũng được ghi nhận

Hình 5.15 Nhiệt độ khí thải

Nhiệt độ khí xả gia tăng cùng với sự gia tăng tốc độ động cơ đạt giá trị cực đại tại

1600 vòng/phút sau đó giảm dần khi tốc độ động cơ tiếp tục tăng Hầu hết hỗn hợp dầu biodiesel đều tạo ra nhiệt độ khí xả cao hơn so với dầu DO Điều này do sự hoà trộn và hình thành hỗn hợp kém của dầu bio dẫn đến giai đoạn sau khi cháy kéo dài cho đến kỳ

Nh iệt độ k hí xả (˚ C )

Tốc độ động cơ (Vòng/phút)

74 xả, một phần năng lượng giải thoát vào khí xả làm cho nhiệt độ cao hơn Lượng phát thải NOx trực tiếp liên quan đến nhiệt độ trong buồng đốt mà chủ yếu được chuyển hoá thành nhiệt độ khí thải Với sự gia tăng nhiệt độ khí thải lượng NOx cũng sẽ tăng (Hình 5.15) ở tốc độ trên 2000 vòng/phút lượng NOx do hỗn hợp biodiesel tạo ra cao hơn so với dầu

DO Điều này cho thấy động cơ sử dụng hỗn hợp biodiesel có tiềm năng tạo ra nhiều NOx hơn so với dầu DO

5.5 Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến phát thải CO

Lượng CO tạo ra từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy Hàm lượng CO cực đại cho các hỗn hợp biodiesel ở tốc độ 1600 vòng/phút (tốc độ mà moment xoắn đạt giá trị cực đại) lượng nhiên liệu nhiều hơn được cung cấp vào kim phun tuy nhiên lượng oxy thấp (Hình 5.20) dẫn đến không oxi hoá hoàn toàn nhiên liệu và tạo ra nhiều CO Lượng CO phát ra ở tốc độ động cơ từ 1600 – 2400 vòng/phút cho các hỗn hợp dầu biodiesel đều cao hơn so với dầu DO

Hình 5.16 Mức phát thải CO

5.6 Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến phát thải CO 2

Lượng CO2 là sản phẩm của quá trình cháy hoàn toàn của nhiên liệu, lượng CO 2 trong khí thải càng nhiều thể hiện quá trình cháy càng hoàn hảo Ở tốc độ động cơ 1200 –

Tốc độ đông cơ (vòng/phút)

1400 vòng/phút (Hình 5.17) lượng phát thải CO 2 của các hỗn hợp dầu biodiesel thấp hơn dầu DO thể hiện quá trình cháy không hoàn toàn do các hỗn hợp biodiesel có độ bay hơn và hoà trộn thấp, nhiên liệu có độ nhớt cao dẫn đến nhiên liệu phun kém tơi sương với kết quả là CO 2 do B10 và B20 tạo ra thấp nhất Ở tốc độ cao hơn 2000 – 2400 vòng/phút nhiên liệu biodiesel được hỗ trợ bởi nhiệt độ và áp suất cao hơn của buồng đốt làm cho sự hoà trộn được cải thiện, sự cháy diễn ra hoàn hảo hơn Kết quả là hàm lượng CO 2 do các hỗn hợp biodiesel tạo ra cao hơn so với dầu DO

Hình 5.17 Mức phát thải CO 2

5.7 Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến phát thải NO x

Lượng NOx phát ra tăng cùng với sự gia tăng tốc độ động cơ và đạt giá trị cực đại tại

1800 vòng/phút đối với tất cả nhiên liệu thử Từ 2000 – 2400 vòng/phút NOx có xu hướng giảm do không đủ thời gian hình thành các chất xúc tác tạo nên NOx Ở tốc độ 1200 – 1800 vòng/phút lượng NOx do dầu DO phát ra nhiều hơn so với các hỗn hợp B5, B10 và B20 điều này do sự cháy của dầu DO tốt hơn, lượng nhiệt tạo ra cũng lớn hơn (Hình 5.4, 5.5) tạo điều kiện hình thành nhiều NOx Nhiệt độ khí thải do B5 và

Tốc độ động cơ (vòng/phút)

B20 tạo ra lớn hơn dầu DO, tuy nhiên lượng oxy trong hỗn hợp biodiesel ở giai đoạn tải thấp chủ yếu để hỗ trợ cho quá trình cháy, vì vậy lượng NOx do hỗn hợp biodiesel tạo ra thấp hơn dầu DO

Hình 5.18 Mức phát thải NOx Ở tốc độ 2000 – 2400 vòng/phút nhiên liệu biodiesel bốc hơi và hoà trộn tốt hơn, sự cháy diễn ra hoàn hảo tạo ra lượng nhiệt lớn và kết quả là lượng NOx do hỗn hợp biodiesel tạo ra ở giai đoạn này cao hơn dầu DO

Nhiệt độ khí xả

Hình 5.15 Nhiệt độ khí thải

Nhiệt độ khí xả gia tăng cùng với sự gia tăng tốc độ động cơ đạt giá trị cực đại tại

1600 vòng/phút sau đó giảm dần khi tốc độ động cơ tiếp tục tăng Hầu hết hỗn hợp dầu biodiesel đều tạo ra nhiệt độ khí xả cao hơn so với dầu DO Điều này do sự hoà trộn và hình thành hỗn hợp kém của dầu bio dẫn đến giai đoạn sau khi cháy kéo dài cho đến kỳ

Nh iệt độ k hí xả (˚ C )

Tốc độ động cơ (Vòng/phút)

74 xả, một phần năng lượng giải thoát vào khí xả làm cho nhiệt độ cao hơn Lượng phát thải NOx trực tiếp liên quan đến nhiệt độ trong buồng đốt mà chủ yếu được chuyển hoá thành nhiệt độ khí thải Với sự gia tăng nhiệt độ khí thải lượng NOx cũng sẽ tăng (Hình 5.15) ở tốc độ trên 2000 vòng/phút lượng NOx do hỗn hợp biodiesel tạo ra cao hơn so với dầu

DO Điều này cho thấy động cơ sử dụng hỗn hợp biodiesel có tiềm năng tạo ra nhiều NOx hơn so với dầu DO.

Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến phát thải CO

Lượng CO tạo ra từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu oxy Hàm lượng CO cực đại cho các hỗn hợp biodiesel ở tốc độ 1600 vòng/phút (tốc độ mà moment xoắn đạt giá trị cực đại) lượng nhiên liệu nhiều hơn được cung cấp vào kim phun tuy nhiên lượng oxy thấp (Hình 5.20) dẫn đến không oxi hoá hoàn toàn nhiên liệu và tạo ra nhiều CO Lượng CO phát ra ở tốc độ động cơ từ 1600 – 2400 vòng/phút cho các hỗn hợp dầu biodiesel đều cao hơn so với dầu DO

Hình 5.16 Mức phát thải CO

Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến phát thải CO 2

Lượng CO2 là sản phẩm của quá trình cháy hoàn toàn của nhiên liệu, lượng CO 2 trong khí thải càng nhiều thể hiện quá trình cháy càng hoàn hảo Ở tốc độ động cơ 1200 –

Tốc độ đông cơ (vòng/phút)

1400 vòng/phút (Hình 5.17) lượng phát thải CO 2 của các hỗn hợp dầu biodiesel thấp hơn dầu DO thể hiện quá trình cháy không hoàn toàn do các hỗn hợp biodiesel có độ bay hơn và hoà trộn thấp, nhiên liệu có độ nhớt cao dẫn đến nhiên liệu phun kém tơi sương với kết quả là CO 2 do B10 và B20 tạo ra thấp nhất Ở tốc độ cao hơn 2000 – 2400 vòng/phút nhiên liệu biodiesel được hỗ trợ bởi nhiệt độ và áp suất cao hơn của buồng đốt làm cho sự hoà trộn được cải thiện, sự cháy diễn ra hoàn hảo hơn Kết quả là hàm lượng CO 2 do các hỗn hợp biodiesel tạo ra cao hơn so với dầu DO

Hình 5.17 Mức phát thải CO 2

5.7 Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến phát thải NO x

Lượng NOx phát ra tăng cùng với sự gia tăng tốc độ động cơ và đạt giá trị cực đại tại

1800 vòng/phút đối với tất cả nhiên liệu thử Từ 2000 – 2400 vòng/phút NOx có xu hướng giảm do không đủ thời gian hình thành các chất xúc tác tạo nên NOx Ở tốc độ 1200 – 1800 vòng/phút lượng NOx do dầu DO phát ra nhiều hơn so với các hỗn hợp B5, B10 và B20 điều này do sự cháy của dầu DO tốt hơn, lượng nhiệt tạo ra cũng lớn hơn (Hình 5.4, 5.5) tạo điều kiện hình thành nhiều NOx Nhiệt độ khí thải do B5 và

B20 tạo ra lớn hơn dầu DO, tuy nhiên lượng oxy trong hỗn hợp biodiesel ở giai đoạn tải thấp chủ yếu để hỗ trợ cho quá trình cháy, vì vậy lượng NOx do hỗn hợp biodiesel tạo ra thấp hơn dầu DO

Hình 5.18 Mức phát thải NOx Ở tốc độ 2000 – 2400 vòng/phút nhiên liệu biodiesel bốc hơi và hoà trộn tốt hơn, sự cháy diễn ra hoàn hảo tạo ra lượng nhiệt lớn và kết quả là lượng NOx do hỗn hợp biodiesel tạo ra ở giai đoạn này cao hơn dầu DO

5.8 Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến độ mờ khói (OPA) Độ mờ khói cao nhất đối ở tốc độ động cơ 1600 vòng/phút với tất cả nhiên liệu thử, khi tăng tốc độ động cơ độ mờ khói ban đầu sẽ giảm bởi vì sự gia tăng nhiệt độ trong xylanh điều này làm cho việc oxy hoá các hạt dễ dàng hơn, độ mờ khói thấp nhất ở tốc độ động cơ 2200 vòng/phút Sau đó OPA tăng trở lại cùng với tốc độ động cơ do ít thời gian hơn cho việc oxi hoá các hạt

Hình 5.19 Độ mờ khói (OPA) Ở tốc độ thấp 1200 RPM, độ mờ khói của B10 và B20 cao hơn so với DO do có độ nhớt cao, sức căng bề mặt, và khả năng bay hơi kém của biodiesel là lý do không đủ sự hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí ở nhiệt độ thấp và áp suất thất trong xylanh động cơ dẫn đến sự kém tơi xương của nhiên liệu phun Ở tốc độ cao hơn, từ 1400 – 1600 vòng/phút khả năng bay hơi và hoà trộn của hỗn hợp biodiesel được cải thiện, độ mờ khói do B10, B20 tạo ra thấp hơn dầu DO Ở 1800-

2400 vòng/phút OPA do B10 và B20 tạo ra có xu hướng tiệm cận với dầu DO Kết quả thí nghiệm cho thấy B5 có độ mờ khói thấp hơn dầu DO ở mọi tốc độ động cơ

Nồng độ phát thải của dầu DO dao động quanh giá trị 18% khi thay đổi tốc độ động cơ Tuy nhiên nồng độ oxy do hỗn hợp biodiesel lại giảm mạnh khi tốc độ động cơ lớn hơn 1600 vòng/phút Một lượng lớn oxy có trong hỗn hợp biodiesel dùng trong quá trình cháy, dẫn đến lượng oxy tạo ra giảm dần theo sự gia tăng tốc độ động cơ

Hình 5.20 Nồng độ Oxy trong khí thải

Kết luận: Kết quả thí nghiệm ở chế độ đầy tải của động cơ

 Lượng NOx do các hỗn hợp biodiesel tạo ra thấp hơn dầu DO ở tốc độ thấp hơn 2000 vòng/phút

 Ở tải cao, quá trình cháy khuếch tán kéo dài dẫn đến nhiệt độ khí thải hỗn hợp biodiesel cao hơn dầu DO

 Mức phát thải CO2 do B5, B10 thấp hơn dầu DO ở tốc độ thấp và tiệm cận ở tốc độ cao

 Độ mờ khói do B5 và B10 tạo ra thấp hơn dầu DO Kết quả ở chế độ thí nghiệm này cho thấy, độ mờ khói thấp chính là ưu điểm lớn nhất của nhiên liệu bio

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Nhìn chung dầu chưa tinh chế từ hạt cao su được coi là tiềm năng (dầu không ăn được) để sản xuất dầu biodiesel Độ nhớt và tỷ trọng của dầu từ hạt cao su phát hiện giống với dầu Diesel Nhiệt trị của Biodiesel thấp hơn một ít so với diesel nhưng nhiệt độ chớp cháy cốc kính của biodiesel cao hơn Những thuộc tính quan trọng của Biodiesel tạo ra từ hạt cao su rất giống với dầu Diesel theo đó dầu chiết suất từ hạt cao su được trông đợi như một nhiên liệu thay thế hay thực hiện chức năng như một chất phụ gia cho dầu DO dùng cho động cơ Diesel

Dựa vào kết quả thí nghiệm 4 loại nhiên liệu khác nhau B5, B10, B20 và dầu DO trên động cơ Kubota RT125 1 xylanh 4 kỳ, buồng cháy trực tiếp tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Động cơ đốt trong tại trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, luận văn này sẽ tiến hành đánh giá thực tế các thông số về quá trình cháy cũng như khí thải (nồng độ CO, NOx, độ mờ khói) khi thay đổi thành phần hỗn hợp B5, B10 và B20 Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liện tham khảo cho “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” khi nguồn nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu cả nước với lượng pha E5 và B5

Kết quả thu được cho thấy hỗn hợp B5 và B10 là hai lựa chọn tốt cho việc hoà trộn Biodiesel với dầu DO Theo kết quả thí nghiệm của từng chế độ thử người nghiên cứu nhận thấy một vài thông số như sau:

* Thí nghiệm 1: Ở tốc độ động cơ không đổi, 1600 vòng/phút

 Độ mờ khói do B5, B10 và B20 tạo ra đều thấp hơn so với dầu DO ở tất cả các chế độ công suất

 Lượng CO phát thải thấp ở chế độ tải cao

 Hàm lượng oxy trong nhiên liệu bio giúp cho các hỗn hợp biodiesel cháy sớm ở công suất thấp, tuy nhiên oxy là tác nhân tạo ra nhiều NOx hơn dầu DO (ở dãy công suất thấp)

 Áp suất cực đại trong xylanh do B5 và B10 tạo ra gần với dầu DO

* Thí nghiệm 2: Ở chế độ đầy tải (thanh răng ở vị trí tối đa)

 Mức phát thải CO 2 do B5, B10 thấp hơn B0 ở tốc độ thấp và tiệm cận với B0 ở tốc độ cao

 Hàm lượng 5% dầu bio được xem như chất phụ gia cho quá trình cháy và kết quả tạo ra lượng NOx hầu hết thấp hơn dầu DO ở tốc độ thấp hơn 2000 vòng/phút

Ảnh hưởng nồng độ Biodiesel đến độ mờ khói

Độ mờ khói cao nhất đối ở tốc độ động cơ 1600 vòng/phút với tất cả nhiên liệu thử, khi tăng tốc độ động cơ độ mờ khói ban đầu sẽ giảm bởi vì sự gia tăng nhiệt độ trong xylanh điều này làm cho việc oxy hoá các hạt dễ dàng hơn, độ mờ khói thấp nhất ở tốc độ động cơ 2200 vòng/phút Sau đó OPA tăng trở lại cùng với tốc độ động cơ do ít thời gian hơn cho việc oxi hoá các hạt

Hình 5.19 Độ mờ khói (OPA) Ở tốc độ thấp 1200 RPM, độ mờ khói của B10 và B20 cao hơn so với DO do có độ nhớt cao, sức căng bề mặt, và khả năng bay hơi kém của biodiesel là lý do không đủ sự hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí ở nhiệt độ thấp và áp suất thất trong xylanh động cơ dẫn đến sự kém tơi xương của nhiên liệu phun Ở tốc độ cao hơn, từ 1400 – 1600 vòng/phút khả năng bay hơi và hoà trộn của hỗn hợp biodiesel được cải thiện, độ mờ khói do B10, B20 tạo ra thấp hơn dầu DO Ở 1800-

2400 vòng/phút OPA do B10 và B20 tạo ra có xu hướng tiệm cận với dầu DO Kết quả thí nghiệm cho thấy B5 có độ mờ khói thấp hơn dầu DO ở mọi tốc độ động cơ

Nồng độ phát thải của dầu DO dao động quanh giá trị 18% khi thay đổi tốc độ động cơ Tuy nhiên nồng độ oxy do hỗn hợp biodiesel lại giảm mạnh khi tốc độ động cơ lớn hơn 1600 vòng/phút Một lượng lớn oxy có trong hỗn hợp biodiesel dùng trong quá trình cháy, dẫn đến lượng oxy tạo ra giảm dần theo sự gia tăng tốc độ động cơ

Hình 5.20 Nồng độ Oxy trong khí thải

Kết luận: Kết quả thí nghiệm ở chế độ đầy tải của động cơ

 Lượng NOx do các hỗn hợp biodiesel tạo ra thấp hơn dầu DO ở tốc độ thấp hơn 2000 vòng/phút

 Ở tải cao, quá trình cháy khuếch tán kéo dài dẫn đến nhiệt độ khí thải hỗn hợp biodiesel cao hơn dầu DO

 Mức phát thải CO2 do B5, B10 thấp hơn dầu DO ở tốc độ thấp và tiệm cận ở tốc độ cao

 Độ mờ khói do B5 và B10 tạo ra thấp hơn dầu DO Kết quả ở chế độ thí nghiệm này cho thấy, độ mờ khói thấp chính là ưu điểm lớn nhất của nhiên liệu bio

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

 Độ mờ khói tiếp tục là ưu điểm của nhiên liệu biodiesel, kết quả thử nghiệm cho thấy độ mờ khói do B5, B10 tạo ra thấp hơn so với dầu DO

Tóm lại, vì tính chất của dầu Biodiesel có thể pha trực tiếp vào DO và sử dụng trên động cơ đốt trong mà không cần bất kỳ sự thay đổi nào trên động cơ, những kết quả nghiên cứu trên sẽ giúp cho việc ứng dụng biodiesel như một phần nhiên liệu thay thế để bảo vệ môi trường và giảm rủi ro về khả năng cung cấp không ổn định của DO

6.2 Đề xuất hướng phát triển

Nhằm đánh giá chính xác hơn khả năng áp dụng và % dầu Bio hoà trộn dầu DO cần tiến hành nhiều thí nghiệm hơn trên những loại động cơ khác nhau Trong thí nghiệm này người nghiên cứu chỉ thực hiện trên một loại động cơ Kubota RT125 với 3 loại nhiên liệu dầu Biodiesel (B5, B10 và B20) để so sánh với dầu DO về quá trình cháy và mức độ phát thải Để tăng khả năng áp dụng thực tế cần tiến hành thêm nhiều thí nghiệm ở các chế độ thử khác nhau và đánh giá thêm nhiều các thông số như công suất, độ bền các chi tiết của động cơ và mức độ ăn mòn các chi tiết kim loại của dầu Biodiesel sau một khoảng thời gian sử dụng để đề suất % hỗn hợp tối ưu sử dụng trên động cơ Diesel.

Kết luận

 Độ mờ khói tiếp tục là ưu điểm của nhiên liệu biodiesel, kết quả thử nghiệm cho thấy độ mờ khói do B5, B10 tạo ra thấp hơn so với dầu DO

Tóm lại, vì tính chất của dầu Biodiesel có thể pha trực tiếp vào DO và sử dụng trên động cơ đốt trong mà không cần bất kỳ sự thay đổi nào trên động cơ, những kết quả nghiên cứu trên sẽ giúp cho việc ứng dụng biodiesel như một phần nhiên liệu thay thế để bảo vệ môi trường và giảm rủi ro về khả năng cung cấp không ổn định của DO.

Đề xuất hướng phát triển

Nhằm đánh giá chính xác hơn khả năng áp dụng và % dầu Bio hoà trộn dầu DO cần tiến hành nhiều thí nghiệm hơn trên những loại động cơ khác nhau Trong thí nghiệm này người nghiên cứu chỉ thực hiện trên một loại động cơ Kubota RT125 với 3 loại nhiên liệu dầu Biodiesel (B5, B10 và B20) để so sánh với dầu DO về quá trình cháy và mức độ phát thải Để tăng khả năng áp dụng thực tế cần tiến hành thêm nhiều thí nghiệm ở các chế độ thử khác nhau và đánh giá thêm nhiều các thông số như công suất, độ bền các chi tiết của động cơ và mức độ ăn mòn các chi tiết kim loại của dầu Biodiesel sau một khoảng thời gian sử dụng để đề suất % hỗn hợp tối ưu sử dụng trên động cơ Diesel xv

Tiêu đề	Nghiên cứu quá trình cháy động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu Biofuel từ dầu hạt cao su
Tác giả	Nguyễn Vĩnh Thanh
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Lê Duy Khải
Trường học	Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa
Chuyên ngành	Kỹ thuật ô tô – máy kéo
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	104
Dung lượng	2,84 MB