NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL IDI SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESELETHANOL

Đã có nhiều công trình trong và ngoài nước nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật và quá trình cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu như dieselLPG, dieselCNG. Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào đánh giá chất lượng và quá trình cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu dieselethanol có các đặc tính lý hóa khác với các nhiên liệu trên. Bài báo này trình bày nghiên cứu đánh giá chất lượng quá trình cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu dieselethanol bằng cách phân tích áp suất quá trình cháy của động cơ để xác định tốc độ tỏa nhiệt, thời điểm bắt đầu cháy và góc cháy trễ. Kết quả cho thấy tốc độ tỏa nhiệt và góc cháy trễ tăng lên khi tăng tỷ lệ ethanol tại các chế độ tải khác nhau

CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL IDI SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL RESEARCH ON COMBUSTION PROCESS OF DIESEL ENGINES FUELLED WITH DUAL-FUEL DIESEL-ETHANOL Nguyễn Thành Bắc Phạm Minh Tuấn Trần Anh Trung Bộ môn Động đốt – Viện Cơ khí Động lực – Trường Đại học Bách Khoa HN Email: ntbac.haui.hust@gmail.com Số điện thoại: 0902219922 TĨM TẮT: Đã có nhiều cơng trình ngồi nước nghiên cứu đặc tính kỹ thuật trình cháy động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG, diesel-CNG Tuy nhiên chưa có nghiên cứu đánh giá chất lượng trình cháy động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol có đặc tính lý hóa khác với nhiên liệu Bài báo trình bày nghiên cứu đánh giá chất lượng trình cháy động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol cách phân tích áp suất q trình cháy động để xác định tốc độ tỏa nhiệt, thời điểm bắt đầu cháy góc cháy trễ Kết cho thấy tốc độ tỏa nhiệt góc cháy trễ tăng lên tăng tỷ lệ ethanol chế độ tải khác Từ khóa: Lưỡng nhiên liệu, cồn-diesel, tốc độ tỏa nhiệt, góc cháy trễ, thời điểm bắt đầu cháy ABSTRACT There have been many domestic and international projects concerning technical characteristics and combustion of diesel engines fuelled with dual fuel such as diesel-LPG or diesel-CNG However, not any similar study with diesel-ethanol has been found, while physical and chemical characteristics of this dual-fuel are quite different with those of the abovementioned ones This paper presents a research on combustion process of diesel engines running on diesel-ethanol by analyzing the combustion pressure to determine the net heat release rate, the start of combustion and the ignition delay as well Results showed that the net heat release rate and the ignition delay at various loads increased when the ethanol ratio raised Key words: dual fuel, ethanol-diesel, net heat release rate, start of combustion, ignition delay KÝ HIỆU Đơn vị Ý nghĩa Ký hiệu dQn dθ  J/o Tốc độ tỏa nhiệt - Chỉ số đa biến gama p bar Áp suất khí thể V 𝑑𝑉 𝑑𝜃 𝑑𝑝 𝑑𝜃  m3 Thể tích buồng cơng tác động theo góc quay trục khuỷu m3 /o Tốc độ thay đổi thể tích buồng cơng tác theo góc quay trục khuỷu bar/o Tốc độ thay đổi áp suất theo góc quay trục khuỷu o Góc quay trục khuỷu T K Nhiệt độ khí thể CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa mair kg Lượng khơng khí nạp vào động chu trình cơng tác R J/kg.K Hằng số khí Vc m3 Thể tích buồng cháy D m Đường kính piston xi m Chuyển vị piston Thể tích cơng tác động Vh m  - Tỷ số nén động S m Hành trình piston  - Thông số kết cấu động L m Chiều dài truyền 𝜏𝑖𝑑 (𝐶𝐴) o Thời gian cháy trễ Sp m/s Tốc độ trung bình piston 𝑇𝑇𝐷𝐶 K Nhiệt độ xy lanh điểm chết 𝑃𝑇𝐷𝐶 bar Áp suất xy lanh điểm chết 𝐸𝐴 (J/mol) Năng lượng kích hoạt CN - Trị số xê tan τid (ms) ms Thời gian cháy trễ ne vg/ph Tốc độ động CHỮ VIẾT TẮT LPG Khí hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas) CNG Khí thiên nhiên (Compressed Natural Gas) D4BB Động diesel kỳ xy lanh IDI Buồng cháy ngăn cách (Indirect Injection) APA 100 Băng thử động lực học cao AVL 733S Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL 735S Thiết bị điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu QC33C Cảm biến áp suất xy lanh AVL 553 thiết bị cung cấp điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát ECU Bộ điều khiển điện tử ĐẶT VẤN ĐỀ Với yêu cầu hơn, rẻ thay mở nhiều hướng nghiên cứu nhiên liệu ô tô nhằm làm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch giảm tác động tới mơi trường đặc biệt khí gây hiệu ứng nhà kính Vấn đề không nhà khoa học quan tâm mà nhà sản xuất ô tô nỗ lực tìm kiếm mà giá nhiên liệu hóa thạch ngày tăng đồng thời tổng lượng nhiên liệu hóa thạch giới sụt giảm Cho đến số nhiên liệu tiềm có khả thay nhiên liệu cho động đốt tìm biogas, dầu thực vật, cồn, khí thiên nhiên CNG, khí hóa lỏng LPG hyđrơ Cồn êtylíc thường gọi ethanol nhiên liệu sinh học sử dụng thay cho nhiên liệu động diesel [2] Đã có nhiều cơng trình ngồi nước nghiên cứu CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 đặc tính kỹ thuật q trình cháy động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu dieselLPG, diesel-CNG Tuy nhiên chưa có nghiên cứu đánh giá chất lượng trình cháy động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol loại nhiên liệu có đặc tính lý hóa khác với nhiên liệu ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ ĐỘ THỰC NGHIỆM Nghiên cứu sử dụng hai loại nhiên liệu diesel ethanol với số tính chất trình bày bảng Bảng Các thơng số kỹ thuật nhiên liệu diesel ethanol [9] Thông số Diesel Ethanol o Khối lượng riêng 20 C (kg/m ) 856 785 Hệ số khơng khí lý thuyết (kgkk/kgnl) 14.7 8.96 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 41.66 26.8 Nhiệt hóa (kJ/kg) 270 840 Nhiệt độ tự cháy (K) 500 665 Trị số xê tan 45 ÷ 50 5÷8 Hàm lượng bon (% khối lượng) 87 52.2 Hàm lượng hydro (% khối lượng) 13 13 Hàm lượng ô xy (% khối lượng) 34.8 Động thử nghiệm lựa chọn loại động diesel D4BB xy lanh, kỳ buồng cháy ngăn cách IDI (Indirect Injection), sử dụng bơm phân phối lắp xe tải 1,25 hãng Huyndai, thông số động trình bày bảng Động đặt băng thử động lực học cao APA 100 thuộc Phòng thí nghiệm Động đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đi kèm thiết bị đo kiểm bao gồm: thiết bị đo tiêu hao điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu kiểu khối lượng AVL 733S 735S; thiết bị phân tích khí xả AVL CEBII; cảm biến áp suất xy lanh QC33C thiết bị thu nhận liệu Indicating với phần mềm Indiwin có chức đo diễn biến áp suất xy lanh theo góc quay trục khuỷu; thiết bị cung cấp điều chỉnh nhiệt độ dung dịch làm mát động AVL 553; vòi phun ethanol điều khiển ECU MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C [10] hãng Woodward đặc tính mối quan hệ thời gian phun lượng phun xây dựng trước lắp lên động Các thông số đầu vào ECU, hệ thống cung cấp vị trí lắp vòi phun ethanol giới thiệu hình Bảng Những thông số động D4BB Thông số Giá trị Động diesel kỳ, xy lanh thẳng hàng, xu páp, buồng cháy ngăn cách Kiểu động Đường kính/hành trình D/S (mm) 91,1/100 Dung tích xy lanh (cm ) 2607 Cơng suất lớn (kW – vg/ph) 59 – 4000 Mô men lớn (N.m – vg/ph) 165 – 2200 Tỷ số nén ε 22 Chiều dài truyền L (m) 0,15805 CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 AVL 735S AVL 733S INDICATING AVL PUMA COMPUTER 11 10 12 Input signal E C U Output signal Hình Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm AVL 733 735- Thiết bị đo tiêu hao điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu; indicating- Thiết bị đo áp suất; AVL PUMA- Thiết bị xử lý trung tâm; Computer- Máy tính; AVL 553- Thiết bị cung cấp điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát; ECU- Bộ điều khiển vòi phun ethanol; 1- Bơm cao áp; 2- Cảm biến vị trí răng; 3- Lọc khơng khí; 4- Bơm ethanol; 5- Thùng chứa ethanol; 6- Lọc ethanol; 7- Cảm biến lưu lượng khơng khí; 8- Cảm biến vị trí trục cam; 9- Cảm biến vị trí trục khuỷu; 10- Cảm biến áp suất; 11- Vòi phun diesel; 12- Vòi phun ethanol Chế độ thực nghiệm động lựa chọn theo tỷ lệ 100, 75 50% giá trị mô men động lớn cụ thể 165, 121 81(Nm) với tốc độ động cố định 2000 vg/ph Thời điểm bắt đầu phun ethanol vòi phun điều khiển độc lập vị trí cuối nén đầu cháy xy lanh phun lên xu páp nạp nhằm tận dụng nhiệt xu páp giúp ethanol bay tốt Lượng ethanol thay điều khiển tăng lên lượng diesel điểu khiển giảm tương ứng ngược lại cách điều khiển ga để đảm bảo cố định tải 100%, 75% 50% Đồng thời lượng ethanol thay lớn kiểm soát tín hiệu kích nổ thu nhận từ cảm biến kích nổ gắn động Góc phun sớm diesel 15o trước điểm chết Giá trị áp suất xy lanh trình thực nghiệm ghi nhận thiết bị thu nhận liệu Indicating với phần mềm Indiwin có chức đo diễn biến áp suất xy lanh theo góc quay trục khuỷu CƠ SỞ LÝ THUYẾT Theo nghiên cứu [3, 5-7], tốc độ tỏa nhiệt nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu xác định phương trình sau: dQn dθ = γ γ-1 p dV dθ Trong đó: 𝑑𝑄𝑛 𝑑𝜃 - Tốc độ tỏa nhiệt (J/o); 𝛾 - Chỉ số đa biến gama; dp + γ-1 V dθ (J/o) (1) CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 p- Áp suất khí thể (xác định thực nghiệm) (bar); V- Thể tích buồng cơng tác động theo góc quay trục khuỷu (m3); 𝑑𝑉 𝑑𝜃 𝑑𝑝 𝑑𝜃 - Tốc độ thay đổi thể tích buồng cơng tác theo góc quay trục khuỷu (m3/o); - Tốc độ thay đổi áp suất theo góc quay trục khuỷu (bar/o); 𝜃 - Góc quay trục khuỷu (o);  Chỉ số đa biến gama xác định thực nghiệm theo nghiên cứu [5], cụ thể sau: γ = 1.338 – 6.10-5.T + 10-8.T2 (2) Trong đó: T- Nhiệt độ khí thể xác định theo phương trình trạng thái khí lý tưởng p.V T= m air R (K) (3) Trong đó: mair- Lượng khơng khí nạp vào động chu trình cơng tác (kg); R- Hằng số khí (J/kg.K)  Thể tích buồng cơng tác động theo góc quay trục khuỷu xác định theo qui luật động học cấu trục khuỷu truyền theo biểu thức sau: V = Vc + (π.D2.xi) / (m3) (4) Trong đó: Vc- Thể tích buồng cháy (m3) xác định biểu thức (5); D- Đường kính piston (m) (Bảng 2); xi- Chuyển vị piston tính từ điểm chết xác đình theo qui luật động học cấu trục khuỷu truyền theo biểu thức (6) Vc = Vh / (ε - 1) (m3) (5) xi=S/2.((1-cosθ)+(1/λ).(1-sqrt(1-(λ.sinθ) ))) (m) (6) Trong đó: Vh- Thể tích cơng tác động (m3) xác định theo biểu thức (7); ε- Tỷ số nén động (Bảng 2); S- Hành trình piston (m) (Bảng 2); λ- Thông số kết cấu động xác định theo biểu thức (8) Vh = π.D2.S/4 (m3) (7) λ = S/2.L (8) Trong đó: L- Chiều dài truyền (m) (Bảng 2)  Tốc độ thay đổi thể tích buồng cơng tác theo góc quay trục khuỷu xác định theo biểu thức: dV dθ = Vh ( sinθ+ λ sinθ cosθ √1- λ2 sin2 θ ) (m3/o) (9) Thời gian cháy trễ xác định theo nghiên cứu [4, 8], cụ thể sau: τid (CA)=(0,36+0,22.Sp ).exp [EA (R.T TDC Trong đó: 𝜏𝑖𝑑 (𝐶𝐴)- Thời gian cháy trễ (o); - 17190) (P 21,2 TDC 0.63 ) -12,4 ] (10) CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 𝑆𝑝 - Tốc độ trung bình piston (m/s); 𝑇𝑇𝐷𝐶 - Nhiệt độ xy lanh điểm chết (K); 𝑃𝑇𝐷𝐶 - Áp suất xy lanh điểm chết (bar); 𝐸𝐴 - Năng lượng kích hoạt (J/mol), xác định theo biểu thức (11) 618840 EA = CN+25 (11) Trong đó: 𝐶𝑁- Trị số xê tan (Trị số xe tan tăng làm giảm lượng kích hoạt) Thời gian cháy trễ qui đổi đơn vị thời gian theo nghiên cứu [8], cụ thể sau: τ (CA) id τid (ms)= 0,006.n (ms) e (12) KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Kết thực nghiệm đo giá trị áp suất xy lanh thể hình từ hình đến hình Qua hình từ đến hình cho thấy tăng lượng ethanol phun vào, thời điểm đường áp suất bắt đầu tách khỏi đường nén có xu hướng muộn đi, nhiên vị trí đạt áp suất cực đại không thay đổi, kết ethanol bay thu nhiệt khơng khí làm giảm nhiệt độ q trình nén dẫn tới thời điểm bắt đầu cháy muộn đi, nhiên ethanol cháy nhanh [1] nên đỉnh áp suất không bị muộn so với trường hợp không phun ethanol Tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu chế độ tải khác thay đổi tỷ lệ ethanol thay thể hình đến hình Hình Áp suất xy lanh theo góc quay Hình Áp suất xy lanh theo góc quay trục khuỷu 50% tải thay đổi tỷ lệ trục khuỷu 75% tải thay đổi tỷ lệ ethanol thay ethanol thay Hình Áp suất xy lanh theo góc quay Hình Tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục trục khuỷu 100% tải thay đổi tỷ lệ khuỷu 50% tải thay đổi tỷ lệ ethanol ethanol thay thay CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 Hình Tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục Hình Tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu 75% tải thay đổi tỷ lệ ethanol khuỷu 100% tải thay đổi tỷ lệ ethanol thay thay Qua hình đến hình cho thấy chế độ tải cụ thể tốc độ tỏa nhiệt hỗn hợp công tác xy lanh tăng tăng tỷ lệ ethanol thay Nguyên nhân ethanol có tốc độ cháy lớn diesel, tăng tỷ lệ ethanol thay tốc độ tỏa nhiệt tăng Theo [4, 8] thời điểm bắt đầu cháy xác định cách đạo hàm lần áp suất khí thể buồng cơng tác động Khi đạo hàm bậc áp suất đạt giá trị khơng sau phun nhiên liệu diesel điểm thời điểm bắt đầu cháy tính theo góc quay trục khuỷu Kết đạo hàm bậc áp suất thể cụ thể hình đến hình 10 Hình Đạo hàm bậc áp suất theo góc quay trục khuỷu 50% tải thay đổi tỷ lệ ethanol thay Hình Đạo hàm bậc áp suất theo góc quay trục khuỷu 75% tải thay đổi tỷ lệ ethanol thay Hình 10 Đạo hàm bậc áp suất theo góc Hình 11 Thời điểm bắt đầu cháy theo góc quay trục khuỷu 100% tải thay đổi tỷ quay trục khuỷu 50% tải thay đổi tỷ lệ ethanol thay lệ ethanol thay CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 Mối qua hệ thời điểm bắt đầu cháy với tỷ lệ ethanol thay tải khác thể hình 11 đến hình 13 Qua hình cho thấy chế độ tải khác thời điểm bắt đầu cháy chậm tăng tỷ lệ ethanol thay Do làm cho góc cháy trễ tăng lên tăng tỷ lệ ethanol thay chế độ tải khác Nguyên nhân kết cấu phân tử ethanol bền vững diesel ethanol bay thu nhiệt làm cho nhiệt độ bắt đầu trình cháy giảm dẫn tới thời gian cháy trễ tăng Hình 12 Thời điểm bắt đầu cháy theo góc Hình 13 Thời điểm bắt đầu cháy theo góc quay trục khuỷu 75% tải thay đổi tỷ quay trục khuỷu 100% tải thay đổi tỷ lệ ethanol thay lệ ethanol thay KẾT LUẬN Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành động diesel D4BB IDI sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol với tỷ lệ khác chế độ 50% tải, 75% tải 100% tải tốc độ động không đổi 2000 v/ph Từ đánh giá chất lượng trình cháy động tăng tỷ lệ ethanol thay thế:    Vị trí đạt áp suất cực đại không thay đổi, ethanol bay thu nhiệt khơng khí làm giảm nhiệt độ trình nén dẫn tới thời điểm bắt đầu cháy muộn đi, nhiên ethanol cháy nhanh nên đỉnh áp suất không bị muộn; Tốc độ tỏa nhiệt tăng ethanol có tốc độ cháy lớn diesel; Góc cháy trễ tăng kết cấu phân tử ethanol bền vững diesel ethanol bay thu nhiệt làm cho nhiệt độ bắt đầu trình cháy giảm dẫn tới thời gian cháy trễ tăng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chinda Chareonphonphanich Prathan Srichai, "Flame Propagation of Bio-Ethanol in a Constant Volume Combustion Chamber"(SAE paper No 2009-32- 0113)-2009 [2] F G Kremer and A Fachetti, "Alcohol as automotive Fuel – Brazilian Experience", Presented at CEC/SAE Spring Fuels & Lubricants Meeting & Exposition, France-2000 [3] Fabrizio Ponti cộng sự., "Common rail multi-jet Diesel engine combustion development investigation for MFB50 on-board estimation"(SAE International 2010-01-2211)2010 [4] John B.Heywood, "Internal combustion engine fundamentals", New York McGrawHill, Inc 1988- 1988 [5] Michael F J, Brunt and Harjit Rai Andrew L Emtage, "The calculation of heat release energy from engine cylinder pressure data"(February 23-26,1998)-1998 CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 [6] Michael F J Brunt Kieron C Platts, "Calculation of heat release in direct injection diesel engines"(International Congress and Exposition Detroit, Michigan March 1-4, 1999)1999 [7] P.K Sahoo L.M Das, "Combustion analysis of jatropha, karanja and polanga based biodiesel as fuel in a diesel engine"(Fuel 88 (2009) 994–999)-2009 [8] Richard Stone, "Introduction to internal combustion engines", tr 190 - 1992 [9] Andrzej Kowalewicz Zbigniew Pajączek, "Dual fuel engine fuelled with ethanol and diesel fuel" (Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol.10, No1-2)-2003 [10] MotoHawk ECM-0565-128-0704, chủ biên, Woodward- 2015 ... sinh học sử dụng thay cho nhiên liệu động diesel [2] Đã có nhiều cơng trình nước nghiên cứu CKĐL 15-38 Bài biên tập gửi phản biện, ngày 06/02/2017 đặc tính kỹ thuật trình cháy động diesel sử dụng... động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu dieselLPG, diesel- CNG Tuy nhiên chưa có nghiên cứu đánh giá chất lượng trình cháy động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol loại nhiên liệu có đặc... LUẬN Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành động diesel D4BB IDI sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol với tỷ lệ khác chế độ 50% tải, 75% tải 100% tải tốc độ động không đổi 2000 v/ph Từ đánh giá chất