NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER (DME) CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN LAN HƯƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER (DME) CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật Ngành: Kỹ thuật khí động lực; mã số: 62520116 Chuyên ngành: Khai thác, bảo trì tàu thủy HẢI PHÒNG - 2015 Công trình hoàn thành Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lương Công Nhớ TS Phạm Hữu Tuyến Phản biện 1: GS.TS Vũ Đức Lập Phản biện 2: PGS.TS Đào Trọng Thắng Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Ngọc Quế Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường họp Trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào hồi 30 phút ngày 30 tháng 12 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Trường Đại học Hàng hải Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Động đốt thường sử dụng nhiên liệu chưng cất từ dầu mỏ xăng dầu diesel Trước nhu cầu khai thác ngày lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch có xu hướng cạn kiệt dần Bên cạnh đó, động sử dụng diesel truyền thống phát thải nhiều chất độc hại carbonmonoxide (CO), hydrocarbon (HC), nitrogen oxide (NOx), chất thải dạng hạt (PM)…gây ô nhiễm môi trường ảnh hưởng tới sức khỏe người Vì thế, việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu sạch, có khả tái tạo để thay dầu mỏ vấn đề cấp thiết, quan tâm toàn giới Việt Nam Động diesel nguồn động lực có hiệu suất cao ứng dụng nhiều lĩnh vực đặc biệt phương tiện vận tải hạng nặng Nhiên liệu thay phần toàn diesel khoáng sử dụng cho động diesel kể đến dầu thực vật, diesel sinh học, LPG… Dimethyl ether Một số nghiên cứu giới cho thấy hiệu vấn đề đặt sử dụng DME làm nhiên liệu cho động diesel Với mục tiêu góp phần đảm bảo an ninh lượng giảm thiểu môi trường, việc nghiên cứu sử dụng DME làm nhiên liệu cho động diesel lưu hành Việt Nam cần thiết Để triển khai rộng rãi, cần có nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng DME tới tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel, đề xuất giải pháp đảm bảo tính động diesel sử dụng DME phương án cung cấp DME cho động diesel phù hợp với điều kiện Việt Nam Do nghiên cứu hạn chế nên đề tài thực nhằm bước đầu giải vấn đề nêu Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 2.1 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel thông thường sử dụng nhiên liệu DME, đề xuất giải pháp thay đổi thông số điều chỉnh nhằm đảm bảo tính kỹ thuật động Qua đánh giá khả sử dụng DME cho động diesel cỡ nhỏ phổ biến Việt Nam 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án động Kubota RT140 hãng Kubota (Nhật Bản) sản xuất, động diesel kỳ, xylanh, ứng dụng nhiều máy nông nghiệp, tàu thủy cỡ nhỏ có Việt Nam - Nghiên cứu mô thực phần mềm AVL Boost Phòng thí nghiệm Động đốt trong-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Nghiên cứu thực nghiệm chất lượng tia phun DME, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, độ khói động thay đổi bơm cao áp phù hợp sử dụng DME thực Phòng thí nghiệm Động đốt trong- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội phòng thí nghiệm Động đốt trong- Trường Đại học Chulalongkorn, Thái Lan Phương pháp nghiên cứu Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm 3.1 Nghiên cứu lý thuyết - Tổng hợp phân tích trình cung cấp nhiên liệu, hình thành hỗn hợp cháy động diesel sử dụng nhiên liệu DME; - Nghiên cứu tính toán mô chu trình công tác động diesel sử dụng diesel, DME hỗn hợp diesel/DME theo tỷ lệ khác phần mềm chuyên dụng AVL Boost 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm - Nghiên cứu hình dạng tia phun DME thực thiết bị cân chỉnh vòi phun Nghiên cứu tính kỹ thuật phát thải động diesel sử dụng nhiên liệu DME thực băng thử động với hệ thống cung cấp DME lỏng Ý nghĩa khoa học thực tiễn 4.1 Ý nghĩa khoa học + Xây dựng mô hình mô chu trình công tác động diesel sử dụng nhiên liệu DME có độ xác phù hợp phục vụ nghiên cứu + Đánh giá định lượng ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu DME/diesel với tỷ lệ khác nhau, nhiên liệu DME với góc phun sớm khác tới tính kinh tế kỹ thuật phát thải động diesel qua mô thực nghiệm + Đóng góp thêm vào nghiên cứu sử dụng DME làm nhiên liệu cho động diesel Việt Nam giới 4.2 Ý nghĩa thực tiễn + Bước đầu đánh giá khả ứng dụng nhiên liệu DME động diesel truyền thống + Góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu thay nói chung, DME nói riêng Việt Nam nhằm giải vấn đề an ninh lượng giảm ô nhiễm môi trường Nội dung nghiên cứu Thuyết minh đề tài trình bày gồm phần sau: - Mở đầu - Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu - Chương Cơ sở lý thuyết sử dụng nhiên liệu Dimethyl ether cho động diesel - Chương Nghiên cứu mô chu trình công tác động diesel sử dụng Dimethyl ether - Chương Nghiên cứu thực nghiệm tính kỹ thuật phát thải động diesel sử dụng Dimethyl ether - Kết luận chung phương hướng phát triển Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nhiên liệu thay sử dụng động đốt 1.1.1 Sự cần thiết phải sử dụng nhiên liệu thay 1.1.2 Các loại nhiên liệu thay thường dùng Các loại nhiên liệu thay thường dùng gồm cồn ethanol, khí hoá lỏng (LPG), khí thiên nhiên, diesel sinh học, dimethyl ether (DME) 1.2 Nguồn gốc đặc điểm tính chất nhiên liệu Dimethyl Ether 1.2.1 Nguồn gốc nhiên liệu Dimethyl Ether 1.2.2 Quy trình sản xuất DME 1.2.3 Tính chất lý hóa nhiên liệu DME DME có công thức hóa học CH3-O-CH3 , hợp chất hữu không màu, tồn thể khí áp suất nhiệt độ môi trường So với nhiên liệu diesel truyền thống, DME sử dụng động có ưu nhược điểm sau: - Ưu điểm: + Tỷ lệ hàm lượng hydro/cácbon cao nên trình cháy tạo phát thải CO2; + Nhiệt độ sôi thấp giúp DME bay nhanh phun vào xylanh động cơ; + Hàm lượng ôxy cao với mối liên kết C-C phân tử dẫn đến trình cháy hình thành muội than; + Trị số Xêtan cao nhiệt độ tự cháy thấp khả bay nhanh, dẫn đến chất lượng trình cháy cải thiện; + Không chứa lưu huỳnh nên không hình thành H2SO4 thành phần hạt sulfate khí thải, giúp giảm ô nhiễm môi trường tăng tuổi thọ xử lý xúc tác - Nhược điểm: + Nhiệt trị thấp so với diesel có chứa ôxy phân tử, để đảm bảo công suất động không thay đổi cần cung cấp lượng nhiên liệu lớn hơn; + Độ nhớt thấp tính bôi trơn dẫn đến tăng khả lọt nhiên liệu, gây mòn bề mặt chi tiết chuyển động hệ thống phun nhiên liệu; + Mô đun đàn hồi thấp dẫn đến công tiêu hao cho bơm nhiên liệu cao (khoảng 10%); 1.3 Tình hình sản xuất DME giới Việt Nam 1.3.1 Tình hình sản xuất DME giới 1.3.2 Tình hình sản xuất DME Việt Nam 1.4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME cho động đốt 1.5 Một số kết nghiên cứu sử dụng DME làm nhiên liệu cho động diesel 1.5.1 Một số kết nghiên cứu giới Nghiên cứu Zhen HUANG [15] thử nghiệm sử dụng DME động diesel công suất 29,4 kW cho thấy áp suất phun DME thấp diesel, hàm Độ khói (BSU) lượng NOx độ khói giảm đáng kể (hình 1.9, 1.10) Áp suất có ích trung bình (MPa) Áp suất có ích trung bình (MPa) Hình 1.9 Hàm lượng NOx tốc độ 2200 v/ph [15] Hình 1.10 Độ khói tốc độ 2200 v/ph [15] Nghiên cứu SuHan Park [19] khảo sát đặc tính phun nhiên liệu DME diesel sử dụng động diesel với mẫu phân tích thí nghiệm Hình 1.11 Quá trình phát triển tia phun DME điều kiện áp suất nhiệt độ phòng thí nghiệm[19] Nghiên cứu Wang Ying [20] sử dụng hỗn hợp DME diesel với tỷ lệ 10%, 15% 20% DME (tương ứng DM10, DM15 DM20) động diesel kỳ, xylanh, công suất 88 kW/2800 vòng/phút, bơm cao áp kiểu khí Về hàm lượng phát thải, hỗn hợp DME/diesel làm giảm đáng kể thành phần muội than chế độ tải lớn (giảm tới khoảng 60%), giảm chút NOx HC CO có xu hướng tăng hầu hết chế độ vận hành Spencer C.Sorenson [16] nghiên cứu đặc điểm phun DME với áp suất cao hệ thống phun nhiên liệu diesel có vòi phun lỗ (hình 1.15, 1.16) Hình1.15 DME phun vào Nitrogen 15 Hình 1.16 Diesel phun vào Nitrogen 15 bar, 0,875 ms sau phun [16] bar, 0,875 ms sau phun [16] Có thể thấy hầu hết nghiên cứu thực sở thực nghiệm, chưa phân tích rõ diễn biến áp suất, diễn biến tốc độ tỏa nhiệt xylanh sử dụng DME, đồng thời nghiên cứu chưa đánh giá đầy đủ ảnh hưởng yếu tố lượng nhiên liệu cung cấp, tỷ lệ DME/diesel, góc phun sớm DME tới tính kỹ thuật phát thải động cơ, đặc biệt với động diesel cỡ nhỏ trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu khí 1.5.2 Tình hình nghiên cứu Việt nam Ở Việt Nam đến có nghiên cứu liên quan đến nhiên liệu DME Đề tài “DME- nguồn nhiên liệu thay xăng dầu diesel” [8] giới thiệu sơ lược hình thành dầu mỏ, tình hình dầu mỏ nghiên cứu cách tổng quan nguồn nhiên liệu DME Ngoài ra, chưa có đề tài nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DME động diesel 1.6 Kết luận chương Do nhu cầu khai thác ngày lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch có xu hướng cạn kiệt dần Bên cạnh đó, động sử dụng diesel truyền thống phát thải nhiều chất độc hại gây ô nhiễm môi trường ảnh hưởng tới sức khỏe người Vì vậy, việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế, nhiên liệu tái tạo nhằm giải vấn đề xu hướng chung nhiều nước giới Việt Nam Trong loại nhiên liệu thay thế, DME xem có nhiều tiềm thay diesel Với ưu điểm dễ bay hơi, trị số Xetan cao, có chứa ôxy phân tử, sử dụng DME làm nhiên liệu động diesel giúp trình hòa trộn tạo hỗn hợp tốt hơn, trình cháy triệt để hơn, có khả giảm thiểu thành phần độc hại khí thải động diesel muội than Tuy nhiên DME thường hóa lỏng áp suất lớn 5bar tồn thể khí điều kiện thông thường nên trình cung cấp DME cho động diesel truyền thống gặp khó khăn Điều tới nghiên cứu sử dụng DME chủ yếu thực phòng thí nghiệm Bên cạnh đó, tính động diesel sử dụng DME phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật công nghệ động Trên giới đến có số nghiên cứu sử dụng DME động diesel common rail sử dụng hỗn hợp DME/diesel với tỷ lệ DME nhỏ động diesel trang bị bơm cao áp khí Ở Việt Nam đến nghiên cứu đánh giá tính động diesel với nhiên liệu DME chưa thực hiện, đồng thời đa số động diesel Việt Nam sử dụng công nghệ cũ bơm cao áp vòi phun điều khiển khí Do phạm vi nghiên cứu đề tài nghiên cứu tính toán lý thuyết thực nghiệm sử dụng DME với động diesel cỡ nhỏ, động xy lanh, công suất 11kW sử dụng phổ biến Việt Nam Các kết giúp làm rõ trình diễn xylanh động sử dụng DME, đánh giá khả sử dụng DME làm nhiên liệu cho động diesel thông thường, đồng thời sở việc đa dạng hóa nguồn nhiên liệu thay Việt Nam Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 Lý thuyết trình cháy động sử dụng diesel DME 2.1.1 Quá trình hình thành hỗn hợp cháy động diesel 2.1.1.1 Diễn biến trình cháy 2.1.1.1 Diễn biến trình cháy - Giai đoạn cháy trễ I - Giai đoạn cháy nhanh II - Giai đoạn cháy (hoặc cháy chậm) - Giai đoạn cháy rớt: 2.1.1.2 Các đặc trưng tia phun diesel yếu tố ảnh hưởng đến tia phun Những yếu tố ảnh hưởng đến trình cháy động diesel gồm: tỉ số nén, hình dạng buồng cháy, tính chất lý hoá nhiên liệu, cấu trúc tia nhiên liệu, quy luật phun nhiên liệu quy luật tạo hỗn hợp cháy, góc phun sớm nhiên liệu, tốc độ quay động cơ, chế độ tải 2.1.2 Quá trình hình thành hỗn hợp cháy động diesel sử dụng DME 2.1.2.1 Sơ đồ phản ứng cháy DME Sơ đồ phản ứng cháy DME đưa Curran gồm phản ứng sau [10]: CH3OCH3 + OH → CH3OCH2 + H2O CH3OCH2 + O2 = CH3OCH2O2 CH3OCH2O2 → CH2OCH2O2H CH2OCH2O2H → 2CH2O + OH CH2OCH2O2H +O2 = O2CH2OCH2O2H (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) Ở nhiệt độ thấp, số lượng gốc OH nhỏ, O2 bổ sung sau CH3OCH2 tạo Tuy nhiên, số lượng gốc OH trở nên lớn, phản ứng (2.2) dần chiếm ưu Sau phản ứng cộng với O2 phản ứng (2.3) đồng phân hóa phản ứng (2.4), hai phản ứng (2.5) (2.6) xảy Hai phản ứng (2.5) (2.6) có chiếm ưu lẫn Trong trường hợp phản ứng (2.5) xảy số lượng gốc OH không đổi suốt phản ứng (2.3) phản ứng (2.4) Mặt khác cộng thêm O2 phản ứng (2.6), phản ứng (2.7) (2.8) xảy Các phản ứng phản ứng dây chuyền phân nhánh, tạo hai nhánh tương đương gốc OH làm tăng nồng độ gốc OH O2CH2OCH2O2H → HO2CH2OCHO + OH HO2CH2OCHO → OCH2OCHO +OH (2.7) (2.8) Ở nhiệt độ cao phản ứng nhiệt phân trực tiếp CH3OCH2 CH3OCH2 → CH3 + CH2O (2.9) Phản ứng (2.9) tạo chất thụ động, phản ứng phản ứng cuối Tóm lại, phản ứng nhiệt độ thấp DME bao gồm phản ứng dây chuyền có chu kỳ nhiều phản ứng song song phản ứng nối tiếp Có ba xu hướng thay đổi số lượng gốc OH phổ biến chuỗi phản ứng tăng, trì giảm Tỉ lệ ba xu hướng định chuỗi phản ứng tiếp tục hay dừng lại Tất phản ứng tóm lược lại hình 2.4 Số liệu hình vẽ thể khác biệt ba mức lượng Hình 2.4 Phản ứng oxi hóa DME Curran[10] 2.1.2.2 Đặc tính tia phun bắt cháy nhiên liệu Hình 2.5 cho thấy hình ảnh DME diesel phun vào buồng đốt nhiệt độ Tp=293 K áp suất Pa = 15 bar DME diesel chứa bình chứa để cung cấp cho bơm cao áp kiểu Bosch Đường kính piston bơm 8mm, với vòi phun lỗ đường kính 0,2mm chiều dài lỗ 0,8mm.[10] 2.2.2 Mô hình truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua thành buồng cháy nắp xylanh, piston, lót xylanh tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau: Qwi = Ai αw (Tc −Twi ) Mô hình Woschni 1978 Mô hình Woschni 1978 dùng cho động phun trực tiếp, buồng cháy thống Hệ số truyền nhiệt mô hình Woschni 1978 tính cho trình nén cháy giãn nở theo phương trình sau: α W = 130 D −0,2 p ,8 c T c − , 53   V T  C c m + C D c ,1 ( p c − p c , ) p c ,1 V c ,1   ,8 2.2.3 Mô hình cháy Để mô tả trình cháy động diesel có nhiều mô hình khác Hãng AVL phát triển mô hình cháy AVL MCC tính toán quy luật cháy sở kết hợp mô hình cháy Vibe mô hình cháy xét đến lượng động học rối tia nhiên liệu dQtotal dQMCC dQPMC = + dα dα dα (2.22) 2.2.4 Mô hình tính toán thành phần phát thải - Mô hình tính toán hàm lượng phát thải CO - Mô hình tính toán hàm lượng phát thải NOx - Mô hình tính toán hàm lượng Soot 2.2.5 Mô hình nhiên liệu 2.3 Kết luận chương Đặc tính tia phun bắt cháy nhiên liệu ảnh hưởng lớn đến hình thành hỗn hợp cháy động diesel Nhiên liệu DME thay cho diesel làm nhiên liệu động diesel, nhiên tính chất nhiên liệu khác nên có ảnh hưởng tới chất lượng phun nhiên liệu qua ảnh hưởng tới tính động Nhiên liệu DME có áp suất bão hòa khả bay cao hơn, độ nhớt môđun đàn hồi thấp so với nhiên liệu diesel Các tính chất 10 dẫn đến chiều dài tia phun, độ xuyên sâu tia nhiên liệu DME ngắn, thể tích tia phun lớn so với diesel phun vào môi trường có áp suất nhiệt độ thấp Tương ứng với đó, thời gian cháy trễ DME ngắn Điều cho thấy khả hòa trộn hình thành hỗn hợp xylanh động DME tốt so với diesel Lý thuyết trình cháy động diesel (động cháy nén) biết đến đầy đủ Phần mềm AVL Boost với mô hình mô tả tính toán trình diễn động cháy nén mô hình cháy AVL MCC, mô hình truyền nhiệt Woschni 1978, mô hình nhiên liệu, mô hình phát thải ứng dụng để tính toán mô động diesel sử dụng nhiên liệu DME 11 Chương NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ DIESEL KHI SỬ DỤNG DME 3.1 Nghiên cứu xây dựng mô hình động diesel sử dụng DME 3.1.1 Đối tượng mô Nghiên cứu mô thực với động Kubota RT140 Các thông số động thể bảng 3.1 STT 10 11 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động Kubota RT140 Thông số/ kí hiệu Giá trị Đơn vị Thể tích công tác (Vh) 709 ml Đường kính xylanh (D) 97 mm Hành trình piston (S) 96 mm Tỷ số nén (ε) 18 Công suất định mức (Ne-đm) 11 kW Tốc độ quay ứng với Ne-đm 2400 vòng /phút Mô men xoắn lớn (Me-max) 42 Nm Tốc độ ứng với mô men xoắn lớn 1400 vòng /phút 25 độ Góc phun sớm (ϕs) Áp suất phun 240 bar Hệ thống cung cấp nhiên liệu Kiểu khí 3.1.2 Xây dựng mô hình mô Hình 3.3 Mô hình động Kubota RT140 3.2 Kết nghiên cứu mô 3.2.1 Kết mô động Kubota RT140 dùng 100% DME Tính kỹ thuật phát thải động RT140 mô trường hợp: - Trường hợp lượng cung cấp DME chu trình với diesel vct- DME = vct- diesel vị trí 100% tải; 12 - Trường hợp tăng lượng DME để đảm bảo công suất động tương đương với sử dụng diesel vị trí 100% tải 3.2.1.1 Trường hợp giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình vct Lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình xác định từ trình đo đạc thực nghiệm áp dụng công thức để tính thể tích nhiên liệu cung cấp cho chu trình Mômen động Kubota RT140 dùng DME nhỏ so với dùng diesel tất tốc độ, trung bình toàn dải 50,5% (Hình 3.4) Hình 3.4 Mô men suất tiêu hao nhiên liệu mô trường hợp vct - Diễn biến áp suất xylanh động Hình 3.5 Áp suất xylanh dùng diesel DME 1400 v/ph Hình 3.5 thể diễn biến áp suất xylanh động tốc độ 1400 vòng/phút DME có trị số Xêtan cao với khả bay nhanh, hòa trộn hỗn hợp tốt nên thời gian cháy trễ thời gian trình cháy ngắn, hầu hết lượng DME cháy hết sau phun nên áp suất xylanh giai đoạn đầu tăng tương tự diesel - Tốc độ tỏa nhiệt Hình 3.8 Tốc độ tỏa nhiệt xylanh dùng diesel DME 1400 v/ph Theo hình 3.8 tốc độ tỏa nhiệt xy lanh dùng diesel lớn tốc độ tỏa nhiệt dùng DME 13 3.2.1.2 Trường hợp tăng lượng DME để đảm bảo công suất động tương đương với sử dụng diesel Để đảm bảo công suất động không thay đổi sử dụng DME cần cung cấp lượng nhiên liệu lớn Cụ thể vct_DME = 1,87vct_diesel đảm bảo công Su?t tiêu hao nhiên li?u (g/kWh) 400 50 45 40 35 30 25 20 350 300 250 1100 1400 1700 1900 2100 Mô men (Nm) suất động dùng diesel 2400 T?c đ? đ?ng (vòng/phút) Mô men diesel Mô men DME Su?t tiêu hao nhiên li?u diesel Su?t tiêu hao nhiên li?u DME Hình 3.12 Đặc tính mô men suất tiêu hao nhiên liệu mô diesel DME Như tăng thể tích DME lên 1,87 lần so với thể tích diesel, công suất động trì sử dụng diesel, nhiên suất tiêu hao nhiên liệu tăng trung bình tương ứng 20,67% (Hình 3.12) - Áp suất xylanh động Hình 3.13 Áp suất xylanh dùng diesel DME 1400 v/ph Quá trình cháy DME diễn sớm theo phân tích nên áp suất cực đại xylanh lớn so với diesel, pz max đạt 87,95 bar 367 độ so với giá trị 93,79 bar 366 độ Sau đạt pz max áp suất xylanh giảm nhanh với giá trị tương tự diesel - Tốc độ tỏa nhiệt 14 Hình 3.16 Tốc độ tỏa nhiệt xylanh dùng diesel DME 1400 v/ph Do DME cháy nhanh nên tốc độ tỏa nhiệt lớn, lớn so với diesel, từ giai đoạn bắt đầu cháy (hình 3.16) - Thành phần khí thải độc hại Hình 3.20 Phát thải NOx Hình 3.21 Phát thải CO Hình 3.22 Phát thải muội than 3.2.2 Nghiên cứu mô động Kubota RT 140 thay đổi góc phun sớm với nhiên liệu DME 3.2.3 Nghiên cứu mô động diesel sử dụng nhiên liệu hỗn hợp DME/diesel Hình 3.28 Mô men động sử dụng sử dụng hỗn hợp DME diesel Hình 3.29 Suất tiêu hao nhiên liệu động sử dụng hỗn hợp DME diesel - Phát thải sử dụng hỗn hợp DME diesel 15 Hình 3.30 Phát thải NOx sử dụng hỗn hợp DME diesel Hình 3.31 Phát thải CO sử dụng hỗn hợp DME diesel Hình 3.32 Phát thải muội than sử dụng hỗn hợp DME diesel 3.3 Kết luận chương Luận án xây dựng mô hình mô động RT 140 phần mềm AVL Boost thực tính toán lý thuyết trình nhiệt động, tính kinh tế kỹ thuật phát thải sử dụng nhiên liệu diesel, DME hỗn hợp diesel/DME Trường hợp thể tích nhiên liệu cung cấp cho chu trình, mô men động dùng nhiên liệu DME nhỏ so với dùng diesel trung bình toàn dải tốc độ 50,5% Để đảm bảo công suất động không thay đổi cần tăng thể tích nhiên liệu/chu trình lên 187% Kết mô cho thấy dùng DME thành phần phát thải thay đổi lớn Lượng NOx phát thải động dùng DME cao so với dùng diesel hầu hết tốc độ, tính trung bình toàn dải tốc độ NOx tăng 57,18% Phát thải CO nhỏ dùng diesel với mức giảm trung bình 43,72%, Đồng thời, thành phần phát thải muội than giảm nhiều, trung bình toàn dải tốc độ 91% Hàm lượng CO muội than giảm nhiên liệu DME có chứa thành phần ôxy, giảm tượng thiếu ôxy cục bộ, trình cháy nhanh triệt để hơn, ưu điểm giảm phát thải dùng DME Ở chế độ công suất tốc độ động cơ, sử dụng hỗn hợp DME diesel, phát thải NOx tăng dần tăng tỷ lệ DME Còn CO muội than có xu hướng ngược lại Kết mô giúp làm rõ diễn biến trình nhiệt động xylanh động cơ, đồng thời đưa tính toán thay đổi thông số điều chỉnh nhằm đảm bảo tính kỹ thuật động diesel sử dụng DME 16 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL KHI SỬ DỤNG DIMETHYL ETHER 4.1 Mục đích thử nghiệm Chương luận án tập trung nghiên cứu thực nghiệm đánh giá chất lượng tia phun DME với vòi phun thông thường thử nghiệm động Kubota RT140 sử dụng nhiên liệu DME băng thử Các kết đồng thời sử dụng để hiệu chỉnh đánh giá độ tin cậy mô hình động xây dựng chương 4.2 Thiết lập thử nghiệm băng thử 4.2.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm Thử nghiệm thực Phòng thí nghiệm Động đốt trong, Trường Đại học Chulalongkorn, Thái Lan băng thử động (hình 4.1) Phòng thử trang bị phanh thử thủy lực tạo tải cân với công suất động phát ra, từ xác định thông số mômen tốc độ động Suất tiêu hao nhiên liệu xác định cân nhiên liệu Ngoài ra, cảm biến đo nhiệt độ nước, nhiên liệu, áp suất xylanh, tốc độ tỏa nhiệt sử dụng để giám sát tình trạng hoạt động động Quạt hút Hình 4.1 Sơ đồ băng thử động 4.2.2 Xây dựng hệ thống cung cấp nhiên liệu DME cho động diesel Để cung cấp DME dạng lỏng cho động cơ, nhiệt độ môi trường, DME cần nén với áp suất lớn bar Trong nghiên cứu DME nén tới áp suất 30bar bình N2 nén vào đường nhiên liệu thấp áp Do DME nén cung cấp trực tiếp vào đường vào bơm cao áp nên không cần sử dụng bơm chuyển nhiên liệu thấp áp Khí N2 sử dụng có độ tan thấp DME (hình 4.3) 17 Hình 4.3 Hệ thống cung cấp DME cho động Kubota 4.2.3 Các trang thiết bị thử nghiệm 4.2.3.1 Phanh động 4.2.3.2 Thiết bị đo tốc độ động 4.2.3.3 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 4.2.3.4 Cảm biến đo nhiệt độ 4.2.3.5 Bộ cảm biến đo áp suất xylanh áp suất nhiên liệu 4.2.3.6 Thiết bị đo độ khói 4.2.3.7 Thiết bị thu nhận liệu 4.2.4 Động nhiên liệu thử nghiệm Thử nghiệm thực với động Kubota RT140 Nhiên liệu thử nghiệm gồm diesel thông thường DME 4.2.5 Chế độ thử nghiệm - Thử nghiệm tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động sử dụng diesel DME chế độ toàn tải, tốc độ 1400, 1700 2100 vòng/phút, giữ nguyên thể tích nhiên liệu/ chu trình vct (giữ nguyên vị trí cung cấp nhiên liệu) - Thử nghiệm theo đường đặc tính tải tốc độ 1400, 1700, 2100 vòng /phút với giá trị mômen 11,06 Nm, 15,56 Nm, 19,71 Nm - Đánh giá thông số kỹ thuật động phát thải sử dụng DME với góc phun sớm hợp lý - Tại điểm đo, động chạy ổn định phút trước đo, số lần đo điểm lần 4.2.6 Kết thử nghiệm 4.2.6.1 Kết thử nghiệm chế độ toàn tải a) Đánh giá độ tin cậy mô hình mô sử dụng diesel DME 18 60 290 50 285 280 40 275 30 270 265 20 260 Su?t tiêu hao nhiên li?u TN Su?t tiêu hao nhiên li?u MP Mô men TN Mô men MP 1700 2100 255 250 1400 Mô men (Nm) Su?t tiêu hao nhiên li?u (g/kWh) 295 10 T?c đ? đ?ng (vòng/phút) 800 30 600 20 400 10 200 Mô men (Nm) Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) Hình 4.9 Mô men suất tiêu hao nhiên liệu thực nghiệm mô với nhiên liệu diesel Hình 4.10 thể kết mô thực nghiệm động Kubota RT140 dùng DME Độ chênh lệch lớn mô men 4,62 % 2100 vòng/phút, sai lệch trung bình 3,53% Độ chênh lệch lớn suất tiêu hao nhiên liệu 5,04 % 2100 vòng/phút, sai lệch trung bình 3,77% Các kết thể độ tin cậy mô hình sử dụng mô hình để phục vụ cho bước nghiên cứu 1400 1700 2100 Tốc độ động (vòng/phút) Suất tiêu hao nhiên liệu TN Mô men TN Suất tiêu hao nhiên liệu MP Mô men MP Hình 4.10 Mô men suất tiêu hao nhiên liệu thực nghiệm mô với nhiên liệu DME b) Đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động sử dụng nhiên liệu diesel DME - Mô men suất tiêu hao nhiên liệu động Khi sử dụng DME, mô men động giảm suất tiêu hao nhiên liệu tăng so với dùng diesel (hình 4.11) Mô men động nhỏ suất tiêu hao nhiên liệu lớn dùng DME so với dùng diesel Trung bình điểm đo mô men giảm 51,81% suất tiêu hao nhiên liệu tăng 44,78 Kết phù hợp với tính toán mô 19 Hình 4.11 Mô men suất tiêu hao nhiên liệu với diesel DME - Nhiệt độ khí xả Nhi t đ khí x (0C) 600 500 400 300 200 100 Diesel DME 1400 1700 2100 T c đ đ ng c (vòng/phút) Hình 4.12 Nhiệt độ khí xả dùng diesel DME Hình 4.12 cho thấy nhiệt độ khí xả động dùng DME thấp so với dùng diesel hầu hết tốc độ, tính trung bình toàn dải tốc độ nhiệt độ khí xả giảm 51,81% - Thành phần muội than khí thải Hình 4.13 cho thấy động dùng DME muội than giảm nhiều, giảm Muội than ( %) trung bình toàn dải tốc độ 89,25% so với diesel 60 40 20 1400 1700 2100 Tốc độ động (vòng/phút) Diesel DME Hình 4.13 Muội than động RT140 dùng diesel DME 20 4.2.6.2 Nghiên cứu thử nghiệm động theo đường đặc tính tải - Diễn biến áp suất xylanh thay đổi góc phun sớm Theo hình 4.20, giá trị lớn pzmax 71,87 bar với góc phun sớm 27 độ 367,2 độ góc quay trục khuỷu Hình 4.20 Áp suất xylanh với mô men 15,56 Nm 1400 v/ph Qua kết thực nghiệm thay đổi góc phun sớm cho thấy góc phun sớm 27 độ đảm bảo tiêu mômen lớn nhất, suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất, áp suất cháy xy lanh lớn 4.3 Nghiên cứu thử nghiệm đánh giá chất lượng tia phun nhiên liệu DME 4.3.1 Điều kiện thử nghiệm Nghiên cứu tiến hành thiết bị cân chỉnh vòi phun với vòi phun kín có bốn lỗ phun, đường kính lỗ 0,5 mm động Kubota RT140 (Hình 4.1) Tia nhiên liệu phun không gian có áp suất nhiệt độ môi trường (T=298 K, p = bar) Áp suất phun nhiên liệu điều chỉnh giá trị nguyên thủy vòi phun 240 bar Hình ảnh tia phun với nhiên liệu diesel DME thu lại máy quay với tốc độ 900 FPS 4.3.2 So sánh tia phun nhiên liệu diesel DME Hình dạng tia phun đánh giá chiều dài thâm nhập (S) góc nón tia phun (ϕ) Từ hình ảnh cho thấy chiều dài tia phun nhiên liệu diesel lớn so với nhiên liệu DME 21 Hình 4.25 Hình ảnh tia phun nhiên liệu diesel DME Hình dáng chùm tia DME dày ngắn chùm tia diesel Do nhiệt độ sôi độ nhớt DME thấp, chùm tia DME có thời gian phá vỡ ngắn (khoảng 0,3 ms đến 0,5 ms) so với chùm tia diesel (khoảng 0,5 ms đến 0,7 ms) Quá trình hóa DME nhanh diesel nhiều 4.4 Kết luận chương Động diesel Kubota RT140 thiết lập băng thử với hệ thống cung cấp nhiên liệu DME trạng thái lỏng phù hợp phục vụ nghiên cứu thử nghiệm Kết thử nghiệm đánh giá độ tin cậy mô hình mô sử dụng diesel DME với sai lệch lớn mômen suất tiêu hao nhiên liệu ≤ % Về thông số tính kỹ thuật trường hợp thể tích nhiên liệu/chu trình toàn tải, mômen động Kubota RT140 dùng DME nhỏ dùng diesel, trung bình toàn dải tốc độ 51,81%, suất tiêu hao nhiên liệu lớn trung bình 44,78 % Nhiệt độ khí xả động dùng DME thấp so với dùng diesel hầu hết tốc độ, trung bình giảm 51,81% Muội than khí thải giảm nhiều, trung bình 89,25%, DME có chứa thành phần ôxy, giảm tượng thiếu ôxy cục nên trình cháy triệt để Bên cạnh đó, luận án thực thử nghiệm quan sát tia phun DME diesel với vòi phun động Kubota RT140 Kết cho thấy điều kiện tương tự nhau, độ xâm nhập đầu tia phun DME ngắn diesel góc chùm tia phun DME rộng diesel Hình dáng chùm tia DME dày ngắn chùm tia diesel Kết làm rõ ảnh hưởng tính chất nhiên liệu DME tới chất lượng tia phun, trình hình thành hỗn hợp cháy động diesel 22 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận chung Luận án thực nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm trình nhiệt động, thông số tính kinh tế kỹ thuật phát thải sử dụng DME cho động diesel cỡ nhỏ sử dụng phổ biến Việt Nam.Về nghiên cứu lý thuyết, luận án xây dựng thành công mô hình mô động Kubota RT140 phần mềm AVL Boost sử dụng nhiên liệu diesel DME đảm bảo độ tin cậy Kết mô cho thấy trường hợp lượng nhiên liệu cung cấp mô men động dùng nhiên liệu DME nhỏ so với dùng diesel trung bình toàn dải tốc độ 50,5% Để đảm bảo công suất động không thay đổi cần tăng thể tích nhiên liệu/chu trình lên 187% Kết mô cho thấy dùng DME thành phần phát thải thay đổi lớn Lượng NOx phát thải động dùng DME cao so với dùng diesel hầu hết tốc độ, tính trung bình toàn dải tốc độ NOx tăng 57,18% Phát thải CO nhỏ dùng diesel với mức giảm trung bình 43,72%, Đồng thời, thành phần phát thải muội than giảm nhiều, trung bình toàn dải tốc độ 91% Ở chế độ công suất tốc độ động cơ, sử dụng hỗn hợp DME diesel, phát thải NOx tăng dần tăng tỷ lệ DME Còn CO muội than có xu hướng ngược lại Nghiên cứu thực nghiệm hình dạng tia phun DME với vòi phun khí thông thường, cho thấy điều kiện tương tự nhau, độ xâm nhập đầu tia phun DME ngắn góc chùm tia rộng diesel Hình dáng chùm tia diesel mỏng dài chùm tia DME Nghiên cứu thực nghiệm động diesel Kubota RT140 băng thử với hệ thống cung cấp DME lỏng đánh giá tính phát thải động sử dụng DME Khi sử dụng DME, mô men động nhỏ suất tiêu hao nhiên liệu lớn dùng diesel trường hợp giữ nguyên vị trí cung cấp nhiên liệu Trung bình toàn dải tốc độ mô men giảm 51,81% suất tiêu hao nhiên liệu tăng 44,78% Nhiệt độ khí xả động dùng DME thấp so với dùng diesel hầu hết tốc độ, tính trung bình toàn dải tốc độ nhiệt độ khí xả giảm 51,81% Khi động dùng DME muội than giảm nhiều giảm trung bình toàn dải tốc độ 89,25% Như DME sử dụng thay nhiên liệu diesel với hiệu giảm phát thải CO muội than rõ rệt Tuy nhiên để đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật, cần tăng lượng nhiên liệu DME cung cấp cho động điều chỉnh góc phun sớm phù hợp Đồng thời hệ thống cung cấp DME cần đảm bảo trì DME trạng thái lỏng, sử dụng phương án dùng bình Nitơ để nén sử dụng bơm thấp áp có áp suất nén lớn 8bar 23 Luận án nghiên cứu bước đầu Việt Nam sử dụng DME động diesel góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu thay nói chung, DME nói riêng nhằm giải vấn đề an ninh lượng giảm ô nhiễm môi trường Phương hướng phát triển Trong thời gian tới, nghiên cứu cần phát triển thêm số vấn đề sau: - Sử dụng bơm thấp áp thay việc sử dụng bình Nitơ lỏng để trì áp suất DME - Bổ sung phương án nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu khí thông thường sang hệ thống nhiên liệu common rail 24 ... (Hình 3.4 ) Hình 3.4 Mô men suất tiêu hao nhiên liệu mô trường hợp vct - Diễn biến áp suất xylanh động Hình 3.5 Áp suất xylanh dùng diesel DME 1400 v/ph Hình 3.5 thể diễn biến áp suất xylanh động... tương ứng 20,67% (Hình 3.1 2) - Áp suất xylanh động Hình 3.1 3 Áp suất xylanh dùng diesel DME 1400 v/ph Quá trình cháy DME diễn sớm theo phân tích nên áp suất cực đại xylanh lớn so với diesel,... diesel - Tốc độ tỏa nhiệt Hình 3.8 Tốc độ tỏa nhiệt xylanh dùng diesel DME 1400 v/ph Theo hình 3.8 tốc độ tỏa nhiệt xy lanh dùng diesel lớn tốc độ tỏa nhiệt dùng DME 13 3.2 .1.2 Trường hợp tăng lượng