Nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm phun phân cấp và nhũ tương nhiên liệu sinh học đến đặc tính hoạt động và phát thải khí xả của động cơ diesel

MỤC LỤC DANH SÁCH BẢNG BIỂU iii DANH SÁCH HÌNH ẢNH iv DANH SÁCH THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Tổng quan tình hình nghiên cứu Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu, kết cấu đề tài Kết đạt đề tài CHƯƠNG THỰC VẬT HỌ JATROPHA VÀ ĐẶC TÍNH CỦA DẦU THỰC VẬT JATROPHA 1.1 Thực vật họ Jatropha 1.2 Khí hậu trồng Jatropha suất cho hạt 1.4 Đặc tính dầu thực vật Jatropha CHƯƠNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ SẮP ĐẶT THÍ NGHIỆM 2.1 Các thiết bị thí nghiệm 2.1.1 Động thí nghiệm thiết bị đo 2.1.2 Thiết bị đo khí xả 2.1.3 Hệ thống tạo nhũ tương nhiên liệu 12 2.2 Tiến hành thí nghiệm 13 i CHƯƠNG ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG VÀ PHÁT THẢI KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHŨ TƯƠNG JATROPHA 15 3.1 Đặc tính cháy 15 3.2 Đặc tính khai thác 19 3.3 Đặc tính phát thải khí xả 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 ii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng Các thông số động thử nghiệm iii DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình Quả hạt Jatropha chín chưa chín [30] Hình Giới hạn vùng gieo trồng thực vật Jatropha [30] Hình Bộ khuyếch đại tín hiệu áp suất xi lanh động Hình Các thiết bị thí nghiệm Hình Thiết bị đo khí xả động 10 Hình Phin lọc thiết bị lấy muội khí xả động 10 Hình Xử lí hóa chất cho mẫu muội khí xả 11 Hình Cân vi lượng đo muội khí xả 11 Hình Hệ thống hòa trộn nhiên liệu nhũ tương 12 Hình 10 Nhiên lượng nhũ tương tạo hệ thống hòa trộn 12 Hình 11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 13 Hình 12 Áp suất xi lanh (a) 3.0 kW, (b) 4.5 kW, (c) 6.0 kW 15 Hình 13 Tốc độ tỏa nhiệt động a, 3.0 kW; b, 4.5 kW; c, 6.0 kW 18 Hình 14 Độ trễ cháy động với thí nghiệm khác 19 Hình 15 Nhiệt độ khí xả động 20 Hình 16 Hiệu suất nhiệt động 20 Hình 17 Một số phát thải khí xả động 21 Hình 18 Muội, thành phần không hòa tan hòa tan muội khí xả 23 iv DANH SÁCH THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ĐCT: Điểm chết JO: Dầu thực vật Jatropha LO: Dầu nhẹ gqtk: Góc quay trục khuỷu JO-17: Dầu thực vật Jatropha-góc phun sớm 17o góc quay trục khuỷu trước điểm chết JWE: Nhũ tương Jatropha với nước JWE 10%: Nhũ tương Jatropha với 10% nước JWE 20%: Nhũ tương Jatropha với 20% nước v/p: Vòng/phút SOF: Chất hòa tan ISF: Chất không hòa tan v MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Nhiên liệu hóa thạch dần khan cạn kiệt vào năm 2060, với vấn đề ô nhiễm môi trường biến đổi khí hậu phát thải khí nhà kính đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thách thức toàn cầu Việc sử dụng lượng tái tạo nói chung nhiên liệu sinh học nói riêng dần trở nên phổ biến nước phát triển hạn chế nước chậm phát triển Việt Nam Ngay nước phát triển, nghiên cứu cải tiến công nghệ với mục đích đưa nhiên liệu tái tạo vào sử dụng tiến hành số hạn chế việc sử dụng lượng tái tạo giá thành cao hiệu suất thấp công nghệ chế tạo phức tạp Một nguồn lượng tái tạo mà giới Việt Nam hướng tới lượng từ nhiên liệu sinh học Trong số nhiên liệu sinh học dầu thực vật không sử dụng làm thực phẩm Jatropha lựa chọn chiến lược phát triển lượng sinh học toàn câu Ở Việt Nam, việc sử dụng dầu thực vật hạn chế, đặc biệt dầu thực vật họ Jatropha Thậm chí tên Jatropha biết đến xã hội Thực ra, Jatropha biết đến số khu vực miền núi với tên gọi Cọc rào người dân thường sử dụng để làm rào chắn ruộng vườn Những nghiên cứu động với dầu thực vật họ Jatropha nói riêng nhiên liệu có nguồn gốc thực vật nói chung không nước phát triển Tuy nhiên, nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất giảm thiểu ô nhiễm môi trường động sử dụng dầu thực vật cần thiết Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng dầu thực vật Jatropha động diesel nhằm cải thiện hạn chế có ý nghĩa quan trọng Đề tài đề cập nghiên cứu số thông số khai thác (thời điểm phun nhiên liệu) nhiên liệu đến đặc tính cháy, đặc tính khai thác, phát thải khí xả động diesel sử dụng dầu thực vật Jatropha nhũ tương với nước với tỉ lệ hòa trộn khác nước với dầu Jatropha Tổng quan tình hình nghiên cứu Ngày nay, động diesel sử dụng rộng rãi hiệu suất độ bền lớn Việc sử dụng động diesel thường kèm với phát thải NOx muội Bên cạnh đó, khí thải CO2 từ động diesel nguyên nhân gây hiệu ứng nhà kính Một số nghiên cứu cho biết, động diesel sử dụng dầu thực vật trực tiếp mà không cần hoán cải nhiều chi tiết Tuy nhiên, số nghiên cứu lại cho động diesel gặp số cố kẹt xéc măng, hình thành keo muội động vòi phun [1] Trong số dầu thực vật, dầu họ Jatropha quan tâm đặc biệt không nguồn thực phẩm người [2] Do tính khan dần nhiên liệu hóa thạch, động diesel nghiên cứu để sử dụng nguồn nhiên liệu sinh học với mục đích đảm bảo động hoạt động bình thường hạn chế phát thải khí xả độc hại môi trường Động diesel sử dụng nhiên liệu thực vật thường có số hạn chế như: hiệu suất giảm [2, 3-6], phát thải ô nhiễm lớn, đặc biệt khói muội sản phẩm không cháy hết CO, HC [2, 4, 5], giảm lượng NOx khí xả động số nghiên cứu [2, 5] Nguyên nhân dẫn tới đặc tính động diesel sử dụng dầu có nguồn gốc thực vật độ nhớt cao; đặc tính bay dầu thực vật kém; phân tử nhiên liệu dầu thực vật lớn, cồng kềnh, trị số xê tan thấp Những hạn chế động sử dụng dầu thực vật khắc phục số giải pháp hâm sấy nhiên liệu [4, 5]; hòa trộn với diesel hóa thạch [7, 8]; thay đổi phương pháp phun nhiên liệu Phương pháp sử dụng nhiên liệu nhũ tương biết đến hiệu việc giảm phát thải NOx, phát thải muội từ động [9-12] Điều tác dụng làm lạnh nước nhiên liệu nhũ tương [9-12]; muội giảm khả hòa trộn tôt tượng vi nổ [10, 112] có mặt gốc OH sinh trình cháy [10, 12], không khí xâm nhập vào đám cháy nhiều [13] Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Từ kết trên, việc kết hợp thay đổi phương pháp phun nhiên liệu với nhũ tương hóa dầu thực vật họ Jatropha cho kết tốt động diesel Do đó, nhóm nghiên cứu đưa ý tưởng thực chúng để kiểm chứng kết Mục tiêu nghiên cứu tìm phương pháp phun phù hợp tỉ lệ nước hòa trộn tối ưu để nhũ tương hóa nhiên liệu để thử nghiệm động diesel cỡ nhỏ Nghiên cứu phân tích đặc tính cháy, đặc tính khai thác, đặc tính phát thải khí xả động thay đổi tải động giá trị vòng quay định với phương pháp phun mẫu nhiên liệu nhũ tương khác Phương pháp nghiên cứu, kết cấu đề tài Phương pháp sử dụng nghiên cứu phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Chúng tiến hành chạy thử nghiệm động với mẫu nhiên liệu khác nhau, kết hợp với việc đo ghi thông số đặc trưng cho trình hoạt động động để đánh giá đặc tính động Kết cấu đề tài bao gồm phần sau: Mở đầu Chương Đặc tính thực vật họ Jatropha dầu thực vật Jatropha Chương Thiết bị thí nghiệm bố trí thí nghiệm Chương Đặc tính hoạt động khí xả động diesel sử dụng nhũ tương Jatropha Kết luận Kết đạt đề tài Nhóm nghiên cứu thực thí nghiệm động diesel kỳ phun nhiên liệu trực tiếp sử dụng nhiên liệu nhũ tương ba giá trị góc phun sớm so sánh kết sử dụng nhiên liệu thực vật họ Jatropha dầu nhẹ góc phun sớm định Kết nghiên cứu cho thấy tỉ lệ nước hòa trộn nhiên liệu nhũ tương 10% góc phun sớm giá trị 20o trước ĐCT, tăng 3o so với góc phun sớm định nhà sản xuất động cơ, cho kết tối ưu hiệu suất phát thải khí xả động sử dụng nhiên liệu nhũ tương Jatropha CHƯƠNG THỰC VẬT HỌ JATROPHA VÀ ĐẶC TÍNH CỦA DẦU THỰC VẬT JATROPHA 1.1 Thực vật họ Jatropha Jatropha phân tán phổ biến Châu Á, Châu Phi, vùng Cape Verde [30] Có ba chủng Jatropha Nicaraguan (quả to quả), Mê-xi-cô (quả chất độc hại) Cape Verde Jatropha họ thực vật cỡ nhỏ mọc thành bụi với chiều cao m phụ thuộc vào điều kiện nước tưới dinh dưỡng đất trồng Lá có chiều rộng chiều dài từ đến 15 cm mọc đan xen cuống Hoa đực hoa phân tách với tỉ lệ trung bình 29/1 Khả hoa tăng lên với tuổi tỉ lệ hoa đực hoa giảm xuống Quả Jatropha hình e líp, có màu xanh non có màu vàng chuyển nâu già Sau hoa nở chừng 90 ngày, bắt đầu chín sẵn sàng cho thu hoạch Quả chín chưa chín xen kẽ hoa kết trái liên tục Quả Jatropha có từ đến hạt màu đen với kích thước khoảng cm x cm Hạt chứa trung bình 35% dầu theo khối lượng [30] Hình hình ảnh hạt chín hạt chưa chín Jatropha Hình Quả hạt Jatropha chín chưa chín [14] 2.2 Tiến hành thí nghiệm Các thí nghiệm tiến hành điều kiện tự nhiên phòng thí nghiệm, kết thí nghiệm ghi lại điều kiện động hoạt động ổn định Động sử dụng dầu nhẹ (LO), dầu thực vật Jatropha để lấy số liệu đối sánh Khi đó, góc phun sớm động đặt 17o góc quay trục khuỷu (gqtk) trước ĐCT, JO-17 Động chạy thử nghiệm với nhũ tương nhiên liệu Jatropha nước, JWE, góc phun sớm 17, 20, 23o gqtk trước ĐCT Trước thí nghiệm, dầu thực vật Jatropha nhũ tương hóa với 10 20% khối lượng nước (JWE 10%, JWE 20%) để cấp cho động chạy thử nghiệm Nhũ tương nhiên liệu tạo cách bơm dầu Jatropha tuần hoàn hệ thống hòa trộn, sau dung dịch nước dung môi bổ sung từ két chứa nước qua van điều chỉnh lưu lượng Hình 11 thể sơ đồ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu Exhaust Surge air tank Dust sampler Gas analyzer Combustion analyzer Test fuel tank Electronic Injector Mechanical Injector Pressure transducer Water tank Mixing tank Common rail Rotary encoder Electrical Dynamometer Test engine Circulating pump (a) (b) Hình 11 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Trong nghiên cứu này, tải động thử nghiệm đặt giá trị 3.0 kW, 4.5 kW, and 6.0 kW tốc độ quay 2000 v/p Áp suất nhiên liệu bình tích đặt giá trị 100 MPa Các thành phần khí xả động bao gồm CO, CO2, HC, NOx muội ghi lại thí nghiệm Trong muội lấy mẫu phin lọc từ 10 lít mẫu khí xả Phin lọc lấy mẫu muội sấy nhiệt độ 50 oC để loại nước khỏi phin lọc Khối lượng 13 Static Orifice Motor driven pump Intake muội tính dựa mẫu lấy khối lượng phin lọc trước lấy mẫu Chúng tính trung bình từ lần đo Sau thành phần hòa tan phin lọc lấy mẫu hòa tan dung dịch dichloromethane, sấy khô nhiệt độ 100 oC Khối lượng chất hòa tan (SOF) không hòa tan (ISF) tính vào khối lượng phin lọc có muội trước sau xử lí hóa chất 14 CHƯƠNG ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG VÀ PHÁT THẢI KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHŨ TƯƠNG JATROPHA 3.1 Đặc tính cháy In-cylinder pressure [MPa] (a) LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 320 In-cylinder pressure [MPa] 340 360 380 Crank angle [deg.] 400 420 (b) LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 320 In-cylinder pressure [MPa] 340 360 380 Crank angle [deg.] 400 420 (c) LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 320 340 360 380 Crank angle [deg.] 400 420 Hình 12 Áp suất xi lanh (a) 3.0 kW, (b) 4.5 kW, (c) 6.0 kW 15 Quá trình cháy động diesel phụ thuộc vào trình hòa trộn nhiên liệu-không khí đặc tính nhiên liệu, ví dụ độ nhớt, khả bay hơi, hệ thống phun nhiên liệu Hơn nữa, thông số khai thác thời điểm phun nhiên liệu ảnh hưởng lớn đến trình cháy Trong nghiên cứu này, đề cập đến số thông số đặc trưng cho trình cháy áp suất xi lanh động cơ, tốc độ tỏa nhiệt, độ trễ cháy Áp suất xi lanh động mô tả Hình 12 Từ Hình 12 cho thấy, áp suất cực đại xi lanh động phụ thuộc vào nhiên liệu sử dụng phương pháp phun nhiên liệu Đối với động sử dụng nhiên liêu nhũ tương, mức độ tăng áp suất xi lanh động phụ thuộc vào vài yếu tố như: việc làm mát nước nhiên liệu nhũ tương; cháy nhiên liệu tích tụ buồng đốt; tác dụng tán xé nhiên liệu thứ cấp tượng vi nổ Khi so sánh với áp suất động sử dụng Jatropha thời điểm phun 17o gqtk trước ĐCT (JO-17), áp suất suất cực đại động sử dụng nhiên liệu nhũ tương 10% nước (JWE 10%) giảm %, 5.8 %, 4.5 %; nhũ tương 20 % nước giảm với mức 0.1 %, 0.9 %, 0.2 % tải 3.0, 4.5, 6.0 kW Ở góc phun sớm 17o trước ĐCT này, áp suất nhiên liệu động sử dụng nhũ tương phát triển muộn so sánh với động sử dụng dầu nhẹ (LO) dầu Jatropha (JO) Áp suất xi lanh động giảm phát triển muộn tác dụng làm lạnh nước nhiên liệu nhũ tương, độ nhớt cao nhiên liệu nhũ tương Khi thay đổi thời điểm phun sớm hơn, áp suất cực đại xi lanh động hầu hết tăng sử dụng nhiên liệu nhũ tương, đặc biệt góc phun sớm 23o gqtk trước ĐCT Ở tải nhỏ, nhiên liệu nhũ tương 10% nước (JWE 10%) tăng áp suất cực đại với mức 7.0 8.8%, nhũ tương 20% nước (JWE 20%) tăng 7.0 5.5% so với áp suất động sử dụng JO-17 Ở mức tải cao 6.0 kW, JWE 20% có mức tăng áp suất 5.9%, JWE 10% có mức tăng 7.1% so với áp suất cực đại động sử dụng JO-17 Việc tăng áp suất cực đại xi lanh động nhiên liệu tích lũy buồng đốt, 16 tượng vi nổ làm cho trình hòa trộn nhiên liệu-không khí tốt Ở thời điểm phun 20o gqtk trước ĐCT, JWE 10%, áp suất xi lanh có chút giảm nhẹ tải nhỏ, có mức tăng đáng kể 6.2% so với JO-17 tải lớn Điều tác dụng làm lạnh lấn át yếu tố khác tải thấp, tải cao, lượng nhiên liệu tích tụ khả tán xé nhiên liệu thứ cấp tăng khả phát triển áp suất bên xi lanh động Ở góc phun sớm này, tải thấp, JWE 20% có mức tăng 4.3 5.8%, áp suất tương đương sử dụng JO-17 6.0 kW Kết giải thích đủ lượng nước nhũ tương JWE 20% dẫn đến tán nhiên liệu thứ cấp tốt tải nhỏ, tác dụng làm lạnh tải cao Tốc độ tỏa nhiệt xi lanh động thể Hình 13 Tốc độ tỏa nhiệt cực đại giảm từ 65.9, 66.2 64 J/độ động sử dụng LO-17 tới giá trị 62.5, 59, 57 J/độ động sử dụng JO-17 giá trị tải 3.0, 4.5, 6.0 kW Giảm tốc độ tỏa nhiệt cực đại giải thích đặc tích nhiên liệu dầu thực vật Jatropha độ nhớt cao hơn, tính bay hơn, trị số xê tan thấp Ở góc phun sớm 17o trước ĐCT, tốc độ tỏa nhiệt sử dụng nhiên liệu nhũ tương giảm tương đối 13.1, 12.9 11% JWE 10% 3.1, 8.1, -1.5% JWE 20% so với JO-17 tải 3.0, 4.5 6.0 kW Giảm giá trị tốc độ tỏa nhiệt giải thích tác dụng làm lạnh nước nhiên liệu nhũ tương Tuy nhiên, hiệu làm lạnh nước JWE 20% bị lấn át hiệu ứng vi nổ Khi phun nhiên liệu sớm hơn, tốc độ tỏa nhiệt tăng dần so với chúng thời điểm phun thiết lập nhà sản xuất động cơ, đặc biệt góc phun sớm 23o gqtk trước ĐCT Ở 20o gqtk trước ĐCT Nhiên liệu JWE 10% giảm tốc độ tỏa nhiệt 6% tải 3.0 kW, tăng tốc độ tỏa nhiệt 10.6, 19.7% 4.5 6.0 kW Ở thời điểm phun này, nhiên liệu JWE 20% tăng tốc độ tỏa nhiệt 12.1%, 16.5% 3.0, 4.5 kW, giảm 6.5% 6.0 kW Ở góc phun sớm 23o gqtk trước ĐCT, nhiên liệu JWE 10%, tốc độ tỏa nhiệt tăng 9.6, 33.2, 31.4%, nhiên liệu JWE 20% giảm 14, 13.6, 9.7% so với JO-17 tải 3.0, 4.5, 6.0 kW Kết tác dụng làm lạnh JWE 20% chiếm ưu so với JWE 10%, đặc biệt tải cao 17 Heat release rate [J/deg.] 120 LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 (a) 100 80 60 40 20 -15 15 30 45 -20 Crank angle [deg.] Heat release rate [J/deg.] 120 LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 (b) 100 80 60 40 20 -15 15 30 45 -20 Crank angle [deg.] Heat release rate [J/deg.] 120 LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 (c) 100 80 60 40 20 -15 15 30 45 -20 Crank angle [deg.] Hình 13 Tốc độ tỏa nhiệt động a, 3.0 kW; b, 4.5 kW; c, 6.0 kW Độ trễ cháy thể Hình 14 Độ trễ cháy khoảng thời gian từ thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu tới thời điểm nhiên liệu bắt đầu cháy Thời điểm bắt đầu cháy thời điểm tốc độ tỏa nhiệt thay đổi từ giá trị âm sang dương đồ thị tốc độ tỏa nhiệt Độ trễ cháy ngắn nhiên liệu dầu nhẹ LO, nhiên liệu dầu thực vật JO, nhiên liệu nhũ tương tăng độ trễ cháy tăng góc phun sớm tăng lên Ở góc phun sớm thiết lập nhà sản xuất động cơ, 18 nhiên liệu JWE 10% tăng độ trễ cháy từ 6.4 lên 8.3%, 23o gqtk trước ĐCT, độ cháy tăng từ 22.9 lên 29.9% so với độ cháy trễ JO-17 Với nhiên liệu JWE 20% 17o trước ĐCT độ trễ cháy tăng từ 4.0 lên 6.4 % tăng lên 30% góc phun sớm tăng lên 23o gqtk trước ĐCT so với độ cháy trễ JO-17 Tăng độ trễ cháy nhiên liệu nhũ tương tăng tăng góc phun sớm tác dụng làm lạnh nước nhiên liệu nhũ tương điều kiện cháy tăng góc phun sớm 3.0 Ignition delay [ms] 2.5 2.0 LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 1.5 1.0 0.5 0.0 3.0 4.5 Engine power [kW] 6.0 Hình 14 Độ trễ cháy động với thí nghiệm khác 3.2 Đặc tính khai thác Đặc tính khai thác động nhiệt độ xi lanh, nhiệt độ khí xả, hiệu suất nhiệt động giới thiệu mục Nhiệt độ khí xả động đo cặp nhiệt kế gắn đường khí xả ghi lại trình thí nghiệm Hiệu suất nhiệt động tính tỉ số công có ích lượng cấp việc đốt cháy nhiên liệu Nhiệt độ khí xả biểu thị Hình 15 Nhiệt độ khí xả tăng công suất động tăng, điều tăng lượng nhiên liệu cấp cho động Ở hầu hết góc phun sớm, nhiệt độ khí xả sử dụng nhiên liệu JWE 10% giảm so với sử dụng nhiên liệu JO-17 Việc giảm nhiệt độ khí xả giải thích tác dụng làm lạnh nước nhiên liệu nhũ tương Đối với nhiên liệu JWE 20%, góc phun sớm thiết lập nhà sản xuất động cơ, nhiệt độ khí xả giảm nhẹ tương đương với nhiệt độ khí xả sử dụng JO-17 19 Exhaust gas temperature [oC] 800 600 LO-17 JWE10%-17 JWE10%-23 JWE20%-20 JO-17 JWE10%-20 JWE20%-17 JWE20%-23 400 200 3.0 4.5 Engine power [kW] 6.0 Hình 15 Nhiệt độ khí xả động 50 LO-17 JWE10%-17 JWE10%-23 JWE20%-20 Brake thermal efficiency [%] 45 40 35 JO-17 JWE10%-20 JWE20%-17 JWE20%-23 30 25 20 15 10 3.0 4.5 Engine power [kW] 6.0 Hình 16 Hiệu suất nhiệt động Hiệu suất nhiệt động biểu thị Hình 16 Nhiên liệu nhũ tương tăng hiệu suất nhiệt động cơ, đặc biệt tăng góc phun sớm, so với hiệu suất động sử dụng JO-17 Ở góc phun sớm thiết lập nhà sản xuất động cơ, tải cao hơn, hiệu suất động sử dụng JWE 10% tăng tương đối 3% tới 6%, JWE 20% tăng tương đối 8% tới 10.7% so với hiệu suất nhiệt động sử dụng JO-17 Khi tăng góc phun sớm, hiệu suất động sử dụng nhiên liệu nhũ tương JWE 10% tăng tương đối từ 13.6% đến 23.5% Đối với JWE 20%, mức tăng tương đối 10.9% tới 14.9% so với JO-17 Ở tải trung bình, JWE 10% có hiệu suất cực đại đạt 31.8% lớn hiệu suất động sử dụng dầu nhẹ LO, đạt 30.7%, góc phun sớm thiết lập Tăng hiệu suất nhiên liệu nhũ tương giải thích hiệu ứng vi nổ làm tăng khả hòa trộn nhiên liệu không khí bên buồng đốt động 20 3.3 Đặc tính phát thải khí xả Phát thải khí xả động Các bon dioxít (CO2), Các bon oxít (CO), Hydro bon (HC), oxít ni tơ (NOx) biểu thị Hình 17a-d CO2 emissions [g/kWh] 900 LO-17 JWE10%-17 JWE10%-23 JWE20%-20 (a) 800 700 JO-17 JWE10%-20 JWE20%-17 JWE20%-23 600 500 0.3 LO-17 JWE10%-17 JWE10%-23 JWE20%-20 (c) 0.25 HC emissions [g/kWh] 1000 0.2 JO-17 JWE10%-20 JWE20%-17 JWE20%-23 0.15 400 300 200 0.1 0.05 100 0 3.0 4.5 Engine power [kW] 6.0 3.0 14 6.0 14 LO-17 (b) 10 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 LO-17 JO-17 12 JWE10%-17 JWE10%-20 10 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 (d) NOx emissions [g/kWh] CO emissions [g/kWh] 12 4.5 Engine power [kW] 0 3.0 4.5 Engine power [kW] 6.0 3.0 4.5 Engine power [kW] 6.0 Hình 17 Một số phát thải khí xả động Hình 17a cho thấy phát thải khí CO2 động sử dụng nhiên liệu Jatropha, JO, so với sử dụng nhiên liệu nhẹ góc phun sớm thiết lập nhà sản xuất động Khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương, phát thải khí xả CO2 động giảm so với sử dụng JO-17 Khi đặt góc phun sớm lớn hơn, động sử dụng nhiên liệu nhũ tương giảm phát thải CO2 Giảm CO2 hòa trộn tốt nhiên liệu không khí, đặc biệt tăng góc phun sớm Hiệu suất nhiệt cao đồng nghĩa giảm tiêu hao nhiên liệu, phát thải CO2 thấp 21 Phát thải Các bon oxít (CO) biểu thị Hình 17b Nhiên liệu nhũ tương tăng phát thải CO hàm lượng nước nhiên liệu nhũ tương tăng lên Khi công suất động tăng lên, phát thải CO giảm, sau lại tăng Khi tăng góc phun sớm, phát thải CO giảm đáng kể Nhiên liệu nhũ tương làm tăng phát thải CO độ nhớt cao nhiên liệu nhũ tương Khi tăng góc phun sớm làm giảm phát thải CO động có nhiều thời gian để oxy hóa CO thành CO2, giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng hiệu suất nhiệt trình bày Phát thải Hydro bon (HC) biểu thị Hình 17c Phát thải HC phụ thuộc vào công suất động cơ, góc phun sớm nhiên liệu, loại nhiên liệu sử dụng cho động Phát thải HC giảm tăng công suất động cơ, điều nhiệt độ buồng đốt động cao tải lớn Ở tải thấp, sử dụng JWE 10% mức giảm tương đối HC 16.6% 4% 20o, 23o trước ĐCT so với sử dụng JO-17 Điều giải thích nhiều thời gian để nhiên liệu oxy hóa Tuy nhiên, JWE 20% làm tăng tương đối HC lên 20.8 tới 58% so với JO-17 Đây nhiều nước nhiên liệu nhũ tương, tăng độ nhớt khối lượng riêng, có nhiều hạt nhiên liệu chui vào kẽ hở buồng đốt làm tăng HC Mặt khác, điều kiện cháy công suất thấp làm tăng phát thải HC Ở tải trung bình, điều kiện cháy tốt nhiên liệu JWE 10% góc phun sớm tăng vừa phải làm giảm đáng kể HC với mức giảm tương đối 12.7% so với JO-17 Ở tải trung bình cao, nhiên liệu JWE 20% làm tăng HC so với JO-17 tăng độ nhớt tỉ trọng so với dầu thực vật Jatropha, JO Hình 17d biểu thị phát thải NOx động Phát thải NOx có môi quan hệ mật thiết với nhiên liệu sử dụng thời điểm phun nhiên liệu Từ Hình 17d rõ ràng ta thấy nhiên liệu nhũ tương giảm phát thải NOx nhiều so với nhiên liệu thực vật Jatropha, JO, nhiên liệu dầu nhẹ, LO, góc phun sớm nguyên Khi so sánh với phát thải NOx JO-17, nhiên liệu JWE 10% giảm 21.3, 11.2, 25.8%, khi, JWE 20% giảm 37.1, 22.4, 29.9 3.0, 4.5, 6.0 kW Giảm phát thải NOx giải thích tác dụng làm lạnh pha loãng 22 nước nhiên liệu nhũ tương Phát thải NOx tăng tăng góc phun sớm, điều giải thích nhiều nhiên liệu tích lũy cháy buồng đốt tăng góc phun sớm Tuy nhiên, 20o trước ĐCT, nhiên liệu nhũ tương, đặc biệt JWE 20% phát thải NOx thấp 10 đến 12% tương đương với phát thải NOx động sử dụng JO-17 Dust concentration [mg/m 3] 600 500 400 LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 (a) 300 200 100 3.0 4.5 Engine power [kW] 6.0 ISF concentration [mg/m3] 600 500 400 LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 (b) 300 200 100 3.0 4.5 Engine power [kW] 6.0 SOF concentration [mg/m3] 600 500 400 LO-17 JO-17 JWE10%-17 JWE10%-20 JWE10%-23 JWE20%-17 JWE20%-20 JWE20%-23 (c) 300 200 100 3.0 4.5 Engine power [kW] 6.0 Hình 18 Muội, thành phần không hòa tan hòa tan muội khí xả 23 Nồng độ muội, có thành phần không hòa tan (ISF), thành phần không hòa tan (SOF) biểu thị Hình 18a-c Nhiên liệu nhũ tương phát thải nhiều muội so với nhiên liệu thực vật Jatropha, JO, nhiên liệu dầu nhẹ, LO, góc phun sớm thiết lập nhà sản xuất động Khi so với JO-17, muội tăng tương đối 87.7, 30.5, 50.4% sử dụng JWE 10%, JWE 20% tăng tương đối 109, 13.5, 29% tải động 3.0, 4.5, 6.0 kW Khi tăng góc phun sớm lên 20o trước ĐCT, tải cao, nhiên liệu JWE10% giảm tương đối muội 28%, JWE 20% giảm 5.8 tới 31.6% Ở 23o trước ĐCT nhiên liệu JWE 10% giảm 19.1 28.3%, nhiên liệu JWE 20% giảm 3.1, 31.1% Giảm muội tăng góc phun sớm pha loãng nhiên liệu thành phần nước nhiên liệu nhũ tương, hiệu ứng vi nổ, có nhiều thời gian để oxy hóa hết nhiên liệu trình cháy Hình 18b cho thấy thành phần không hòa tan (ISF) muội giảm tăng góc phun sớm Khi so với JO-17, 20o trước ĐCT nhiên liệu JWE 10% giảm ISF tương đối lớn 31.3%, JWE 20% giảm ISF tương đối lớn 37.7% Ở tải động nhỏ, điều kiện cháy buồng đốt kém, nhiên liệu nhũ tương phát thải thành phần hòa tan muội SOF cao Ở tải trung bình, JWE10% làm giảm thành phần SOF 25.9 17.7% góc phun sớm 20 23o trước ĐCT, khi, JWE20% giảm SOF không đáng kể so với JO-17 Ở mức tải 6.0 kW, SOF giảm 23 33.7% JWE 10%, JWE 20% giảm tương đối SOF 13.1 21.2% Ở mức tải cao, nhiệt độ buồng đốt cao hơn, làm tăng hiệu ứng vi nổ làm giảm thành phần SOF 24 KẾT LUẬN Động diesel phun nhiên liệu trực tiếp sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng góc phun sớm nhiên liệu nhũ tương Jatropha với tỉ lệ hòa trộn nước 10% 20% đến đặc tính cháy, đặc tính khai thác, đặc tính phát thải khí xả động Qua nghiên cứu này, tóm lược đặc điểm sau: 1- Áp suất cực đại xi lanh động giảm nhiên liệu nhũ tương sử dụng góc phun sớm thiết lập nhà sản xuất động Khi tăng góc phun sớm áp suất xi lanh động tăng nhẹ so với nhiên liệu thực vật Jatropha góc phun sớm thiết lập nhà sản xuất động Tốc độ tỏa nhiệt giảm nhẹ sử dụng nhiên liệu nhũ tương góc phun sớm thiết lập nhà sản xuất động Khi tăng góc phun sớm, tốc độ tỏa nhiệt tỏa nhiệt tăng lên Độ trễ cháy tăng lên tăng góc phun sớm nhiên liệu thực vật Jatropha nhiên liệu nhũ tương 2- Nhiên liệu nhũ tương giảm nhiệt độ khí xả Hiệu suất động tăng lên sử dụng nhiên liệu nhũ tương so với nhiên liệu thực vật Jatropha Khi tăng góc phun sớm, hiệu suất động sử dụng nhiên liệu nhũ tương tăng lên so với JO-17 3- Khi tăng góc phun sớm đến giá trị phù hợp, nhiên liệu nhũ tương làm giảm giữ cho phát thải CO2, CO, HC, NOx không tăng Khi tăng góc phun sớm, nhiên liệu nhũ tương giảm đáng kể muội, thành phần hòa tan thành phần không hòa tan, đặc biệt nhiên liệu nhũ tương JWE 10% 4- Với 10% nước nhiên liệu nhũ tương, góc phun sớm 20o trước ĐCT, sớm 3o so với góc phun sớm định nhà sản xuất động cơ, sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho kết tối ưu hiệu suất giảm phát thải khí xả động 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Altın, S Çetinkaya, and H S Yücesu The potential of using vegetable oil fuels as fuel for diesel engines Energy Conversion and Management 2001, Volume 42, p 529-538 [2] M S Kumar, A Ramesh, B Nagalingam An experimental comparison of methods to use methanol and Jatropha oil in a compression ignition engine Biomass and Bioenergy 2003, Volume 25, p 309-318 [3] K Pramanik Properties and use of jatropha curcas oil and diesel fuel blends in compression ignition engine Renewable Energy 2003, Volume 28, p 239-248 [4] Deepak Agarwal, Avinash Kumar Agarwal Performance and emissions characteristics of Jatropha oil (preheated and blends) in a direct injection compression ignition engine Applied Thermal Engineering 2007, Volume 27, p 2314-2323 [5] B S Chauhan, N Kumar, Y D Jun, K B Lee Performance and emission study of preheated Jatropha oil on medium capacity diesel engine Energy 2010, Volume 35, p 2484-2492 [6] A K Agarwal and A Dhar Performance, emission and combustion characteristics of preheated and blended Jatropha oil Chapter 26 in "Jatropha, Challenges for a New Energy Crop", Volume 1: Farming, Economics and Biofuel by Carels, Nicolas, Sujatha, Mulpuri, Bahadur, Bir (Eds.) [7] B S Chauhan, N Kumar, H M Cho A study on the performance and emission of a diesel engine fueled with Jatropha biodiesel oil and its blends Energy 2012, Volume 37, p 616-622 [8] M Mofijur, H H Masjuki, M A Kalam, A E Atabani Evaluation of biodiesel blending, engine performance and emissions characteristics of Jatropha curcas methyl ester: Malaysian perspective Energy 2013, Volume 55, p 879-887 26 [9] R J Crookes, F Kiannejad, and M A A Nazha Systematic assessment of combustion characteristics of biofuel and emulsions with water for use and diesel engine fuels Energy Conversion and Management 1997, Volume 38, p 1785-1795 [10] O Armas, R Ballesteros, F J Martos, J R Agudelo Characterization of light duty diesel engine pollutant emissions using water-emulsified fuel Fuel 2005, Volume 84, p 1011-1018 [11] J Ghojel, D Honnery, K Al-Khaleefi Performance, emissions and heat release characteristics of direct injection diesel engine operating on diesel oil emulsion Applied Thermal Engineering 2006, Volume 26, p 2132-2141 [12] R Ochoterena, A Lif, M Nyden, S Andersson, I Denbratt Optical studies of spray development and combustion of water-in-diesel emulsion and microemulsion fuels Fuel 2010, Volume 89, p 122-132 [13] A Maiboom, X Tauzia NOx and PM emissions reduction on an automotive HSDI diesel engine with water-in-diesel emulsion and EGR: An experimental study Fuel 2011, Volume 90, p 3179-3192 [14] Richard Brittaine and NeBambi Lutaladio, Jatropha: A Smallholder Bioenergy Crop-The Potential for Pro-Poor Development, Integrated Crop Management Vol 8, 2010 27 ... ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG VÀ PHÁT THẢI KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHŨ TƯƠNG JATROPHA 15 3.1 Đặc tính cháy 15 3.2 Đặc tính khai thác 19 3.3 Đặc tính phát thải khí xả. .. nghiệm động diesel cỡ nhỏ Nghiên cứu phân tích đặc tính cháy, đặc tính khai thác, đặc tính phát thải khí xả động thay đổi tải động giá trị vòng quay định với phương pháp phun mẫu nhiên liệu nhũ tương. .. ảnh hưởng góc phun sớm nhiên liệu nhũ tương Jatropha với tỉ lệ hòa trộn nước 10% 20% đến đặc tính cháy, đặc tính khai thác, đặc tính phát thải khí xả động Qua nghiên cứu này, tóm lược đặc điểm