Bài báo này thực hiện thử nghiệm và đánh giá tính năng kỹ thuật, chất lượng khí thải của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu DME. Thử nghiệm được tiến hành với động cơ Kubota RT140 trên băng thử động cơ ở các chế độ ổn định. Kết quả đối chứng trong trường hợp giữ nguyên thể tích cung cấp cho một chu trình cho thấy khi chạy với DME, mô men của động cơ và độ khói giảm tương ứng 51,81% và 89,25%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 44,78%.
CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 [5] Vineet Srivastava, Pulak M Pandey “Effect of process parameters on the performance of EDM process with ultrasonic assisted cryogenically cooled electrode”[J] Journal of Manufacturing Processes, 2012, 393–402 [6] VASUDEVAMURTHY G, KNIGHT T W “Effect of system parameters on size distribution of 304 stainless steel particles produced by Electrical Discharge Mechanism” [J] Materials Letters, 2007, 61：4872-4874 [7] Shervani-Tabar, M T., & Mobadersany, N (2013) “Numerical study of the dielectric liquid around an electrical discharge generated vapor bubble in ultrasonic assisted EDM” [J] Ultrasonic, 53,943–955 [8] Yifan Liu, Xianglong Li, Fushi Bai, Jian Chen, Yantao Wang, Nan Liu “Effect of system parameters on the size distributions of hollow nickel microspheres produced by an ultrasoundaided electrical discharge machining process” [J] Journal of Particuology,2014 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG DIMETHYL ETHER (DME) EXPERIMETAL STUDY ON PERFORMANCE AND EMISSIONS OF A DIESEL ENGINE FUELED BY DIMETHYL ETHER (DME) (1) (1) (2) NGUYỄN LAN HƢƠNG , LƢƠNG CÔNG NHỚ , KANIT WATTANAVICHIEN (1) Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam (2) Trường Đại học Chulalongkorn- Thái Lan Tóm tắt: Việc nghiên cứu phát triển ứng dụng loại nhiên liệu thay xu hướng chung nhiều nước giới nhằm đảm bảo an ninh lượng giảm nhiễm mơi trường Trong đó, Dimethyl Ether (DME) với công thức ph n tử CH3-O-CH3 xem nhiên liệu tiềm sử dụng cho đông diesel Bài báo thực thử nghiệm đánh giá tính kỹ thuật, chất lượng khí thải động diesel sử dụng nhiên liệu DME Thử nghiệm tiến hành với động Kubota RT140 băng thử động chế độ ổn định Kết đối chứng trường hợp giữ nguyên thể tích cung cấp cho chu trình cho thấy chạy với DME, mơ men động độ khói giảm tương ứng 51,81% 89,25%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 44,78% Từ khóa: Nhiên liệu thay thế, Dimethyl Ether, động diesel, khí thải động Abstract: Recently, finding and utilizing alternative fuels have been general trend of many countries in the world in order to meet the requirements of energy security and of emission reduction Among them, Dimethyl Ether has beenconsideredas a potential alternative fuel for diesel engine This paper presents the experimental results of performance and emissions of a diesel engine fueled by DME The test was carried out on engine test bed with a Kubota RT140 diesel engine at steady state conditions In case of keeping the same volume of fuel deliveried per cycle, result shows that with DME, the engine torque and smoke in exhaust gas decrease by 51.81% and 89.25%, respectively, whereas the specific fuel consumption increases by 44.78% Keywords: Alternative fuels, Dimethyl Ether, ,diesel engine, exhaust gas emissions Giới thiệu Động diesel nguồn động lực có hiệu suất cao, phát thải CO HC thấp nên sử dụng nhiều giao thông vận tải, đặc biệt phương tiện vận tải hạng nặng Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu dầu mỏ sử dụng cho động diesel dần cạn kiệt, đồng thời khí thải động diesel có chứa hàm lượng lớn NOx chất thải hạt (Particulate Matter-PM) gây ô nhiễm môi trường ảnh hưởng tới sức khỏe người Vì thế, việc tìm kiếm nguồn nhiên Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 21 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 liệu sạch, có khả tái tạo để thay dầu mỏ vấn đề cấp thiết, quan tâm toàn giới Việt Nam Dimethyl Ether (DME) loại nhiên liệu đáp ứng phần yêu cầu DME chế biến sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác sinh khối, than, khí thiên nhiên…Đây nguồn nguyên liệu sẵn có với trữ lượng lớn Việt Nam Một số nghiên cứu giới [2,3,4,5,6] cho thấy khả sử dụng khó khăn sử dụng DME cho động diesel Ở Việt Nam, việc chế biến sản xuất DME quan tâm Cùng với đề án phát triển nhiên liệu sinh học Chính phủ phê duyệt, nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay nói chung, DME nói riêng cho động diesel để thay cho nhiên liệu truyền thống cần thiết, góp phần bảo đảm an ninh lượng bảo vệ môi trường Do vậy, việc đánh giá ảnh hưởng DME tới tính kỹ thuật phát thải động diesel thông thường trở nên cấp thiết Bài báo thực thử nghiệm đánh giá tính kỹ thuật, chất lượng khí thải động diesel sử dụng nhiên liệu DME Thử nghiệm tiến hành với động Kubota RT140 băng thử động chế độ ổn định Thiết lập thử nghiệm 2.1 Xây dựng hệ thống cung cấp nhiên liệu DME cho động diesel Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME xây dựng dựa hệ thống nhiên liệu diesel động nguyên Để cung cấp DME dạng lỏng cho động cơ, nhiệt độ môi trường, DME cần nén với áp suất lớn 7bar Trong nghiên cứu DME nén tới áp suất 30bar bình N2 nén vào đường nhiên liệu thấp áp (Hình 1) Khí N2 sử dụng có độ tan thấp DME Hình Hệ thống cung cấp Dimethyl Ether cho động Diesel 2.2 Trang thiết bị thử nghiệm Thử nghiệm thực Phịng thí nghiệm Động đốt trong, Trường Đại học Chulalongkorn, Thái Lan băng thử động (Hình 2) Phịng 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 Lượng nhiên liệu tiêu hao xác định cân nhiên liệu Ngoài , 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 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 22 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Hình ubota RT140 Hình Sơ đồ thử nghiệm 2.3 Đối tƣợng động thử nghiệm Quá trình thử nghiệm tiến hành động Kubota RT140 (Hình 3) với thông số kỹ thuật bảng Đây động diesel kỳ, xylanh hãng Kubota sản xuất, ứng dụng nhiều máy nông nghiệp Bảng Thông số kỹ thuật động ubota RT14 TT Thơng số/ kí hiệu Giá trị Đơn vị Thể tích cơng tác (Vh) 709 cc 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 v/ph Mô men xoắn lớn (Me-max) 42 N.m Tốc độ ứng với mô men xoắn lớn 1500 v/ph c phun sớm (s) 25 độ 10 Áp suất phun 240 bar 11 Hệ thống cung cấp nhiên liệu Kiểu khí Nhiên liệu thử nghiệm gồm diesel thông thường DME Tính chất hai loại nhiên liệu thể bảng Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 23 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Bảng Tính chất DME nhiên liệu diesel TT Thơng số/ kí hiệu Giá trị Đơn vị Thể tích cơng tác (Vh) 709 cc 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 v/ph Mô men xoắn lớn (Me-max) 42 N.m Tốc độ ứng với mô men xoắn lớn 1500 v/ph c phun sớm (s) 25 độ 10 Áp suất phun 240 bar 11 Hệ thống cung cấp nhiên liệu Kiểu khí 2.4 Chế độ thử nghiệm Thử nghiệm tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động sử dụng diesel DME chế độ tồn tải, tốc độ 1400, 1700 2100 vịng/phút, giữ nguyên vị trí (vị trí cung cấp nhiên liệu) Bảng Bảng thểtích nhiênliệu cung cấp cho chu trình gct (ml/chu trình) n (vịng/phút) 1400 1700 2100 0,0743 0,0597 0,0478 Kết thử nghiệm 3.1 Mô men suất tiêu hao nhiên liệu động RT140 dùng diesel DME Khi sử dụng DME, mô men động giảm suất tiêu hao nhiên liệu tăng so với dùng diesel (Hình 4) Mơ men động nhỏ suất tiêu hao nhiên liệu lớn dùng DME so với dùng diesel Cụ thể mô men giảm suất tiêu hao nhiên liệu tăng 1400 vòng/phút 48,69%, 40,08%, 1700 vòng/ phút 48,93%, 41,78% 2100 vịng/ phút 57,83%, 52,47% Trung bình tồn dải tốc độ mô men giảm 51,81% suất tiêu hao nhiên liệu tăng 44,78% Điều nhiệt trị DME thấp 33,1% so với diesel (QH_DME = 28,43 MJ/kg, QH_diesel = 42,5 MJ/kg) khối lượng riêng trạng thái lỏng DME thấp diesel 20,47% Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 24 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Hình Mơ men suất tiêu hao nhiên liệu động RT140 dùng diesel DME Hình Nhiệt độ khí xả động RT140 dùng diesel DME 3.2 Thành phần phát thải động RT140 dùng diesel DME Nhiệt độ khí xả động dùng DME thấp so với dùng diesel hầu hết tốc độ, chế độ nđc = 1400v/ph nhiệt độ khí xả giảm 51,24%, cịn nđc = 2100v/ph nhiệt độ khí xả giảm 53,63%, tính trung bình tồn dải tốc độ nhiệt độ khí xả giảm 51,81% (Hình 5) Hình thể độ khói động dùng DME giảm nhiều Cụ thể chế độ n đc = 2100v/ph độ khói giảm 90%, cịn n đc = 1700v/ph độ khói giảm 87,75%, giảm trung bình tồn dải tốc độ 89,25% Độ khói giảm nhiên liệu DME có chứa thành phần ôxy, giảm tượng thiếu ôxy cục bộ, trình cháy triệt để hơn, trị số Xêtan cao nhiệt độ tự cháy thấp khả bay nhanh, dẫn đến chất lượng trình cháy cải thiện Hình Độ khói động RT140 dùng diesel DME Hình Áp suất xylanh 1400 vòng/phút 3.3 Diễn biến áp suất xylanh động dùng diesel DME Hình thể diễn biến áp suất xylanh tốc độ 1400 v/ph, trình cháy diễn sớm khả hình thành hỗn hợp cháy DME tốt nên áp suất xilanh đạt o giá trị lớn DME cao so với diesel (cùng 405 TK với giá trị 69,94 bar so với giá trị 62,15 bar) diễn biến áp suất xilanh đầu trình cháy ( từ phun nhiên liệu bắt o đầu cháy đến khoảng 400 TK) DME cao diesel (cháy mạnh mẽ hơn) sau giảm nhanh Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 25 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 3.4 Ảnh hưởng góc phun sớm tới diễn biến áp suất xylanh động dùng DME Hình Áp suất xylanh với mơ men 11.06 Nm 1400 vg/ph Hình Áp suất xylanh với mô men 15.56 Nm 1400 vịng/phút Theo hình 8, áp suất cháy lớn xylanh đạt giá trị lớn đặt góc phun sớm 27 độ với giá trị 69,69 bar Theo hình 9, thay đổi góc phun sớm, áp suất đỉnh xylanh có giá trị thấp 61,08 bar với góc phun sớm nguyên thủy , giá trị lớn 70,89 bar với góc phun sớm 27 độ Khi mơ men tăng áp suất cháy lớn xy lanh tăng, đồng thời đặt góc phun sớm khác ứng với góc 27 độ có giá trị lớn 3.5 Ảnh hưởng góc phun sớm tới nhiệt độ khí xả dùng DME Hình 10 Nhiệt độ khí xả tốc độ 1400 vòng /phút Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 Hình 11 Nhiệt độ khí xả tốc độ 1700 vịng /phút 26 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Nhiệt độ khí xả (0 C) 300 250 200 29 độ 150 27 độ 100 25 độ 50 23 độ 11,06 15,56 Mơ men (Nm) Hình 12 Nhiệt độ khí xả tốc độ 2100 vịng /phút Từ hình 10 đến hình 12, cho thấy vịng quay xác định động cơ, mơ-men tăng nhiệt độ khí xả tăng cao, mức độ tiêu thụ nhiên liệu cao Qua số liệu ta thấy có gia tăng mơ-men nhiệt độ khí xả tăng lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt lớn Kết luận Bài báo trình bày kết thử nghiệm đánh giá tính kỹ thuật, chất lượng khí thải, ảnh hưởng góc phun sớm tới áp suất xy lanh nhiệt độ khí xả động diesel sử dụng nhiên liệu DME - Mô men động nhỏ suất tiêu hao nhiên liệu lớn dùng DME so với dùng diesel trường hợp giữ nguyên vị trí (vị trí cung cấp nhiên liệu) Trung bình tồn dải tốc độ mơ 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, vịng quay 1400v/ph nhiệt độ khí xả giảm 51,24%, 2100 vịng/phút giảm 53,63% Tính trung bình tồn dải tốc độ nhiệt độ khí xả giảm 51,81% - Khi động dùng DME độ khói giảm nhiều Cụ thể chế độ 2100 vịng/phút độ khói giảm 90%, 1700 vịng/phút giảm 87,75%, giảm trung bình tồn dải tốc độ 89,25% - Khi tăng góc phun sớm từ 23 đến 29 độ trước điểm chết áp suất cháy xylanh có xu hướng tăng, nhiệt độ khí xả lớn ứng với góc phun sớm 23 độ Tài liệu tham khảo [1] Kaoru Fujimoto- DME handbook Edited by Japan DME Forum 2007 [2] Yoshio Sato, Akira Noda & Li Jun, “Effects of Fuel Injection Characteristics on Heat Release and Emissions in a DI Diesel Engine Operated on DME ” SAE 2001-01-3634, 2001 [3] Zhen HUANG, Xinqi QIAO, Wugao ZHANG, Junhua WU, Junjun ZHANG “Dimethyl ether as alternative fuel for CI engine and vehicle” Front Energy Power Eng China 2009, 3(1): 99–108 [4] Rolf Egnell, “Comparison of Heat Release and NO x Formation in a DI Diesel Engine Running on DME and Diesel Fuel ” SAE 2001-01-0651, 2001 [5] VolVo Bio-DME Unique field test in commercial operations, 2010 –2012 Volvo Truck Corporation Volvotruck.com [6] PGS.TS Phạm Minh Tuấn Lý thuyết động đốt Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2008 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 27 ... DME tới tính kỹ thuật phát thải động diesel thông thường trở nên cấp thiết Bài báo thực thử nghiệm đánh giá tính kỹ thuật, chất lượng khí thải động diesel sử dụng nhiên liệu DME Thử nghiệm tiến... trình bày kết thử nghiệm đánh giá tính kỹ thuật, chất lượng khí thải, ảnh hưởng góc phun sớm tới áp suất xy lanh nhiệt độ khí xả động diesel sử dụng nhiên liệu DME - Mô men động nhỏ suất tiêu... 240 bar 11 Hệ thống cung cấp nhiên liệu Kiểu khí 2.4 Chế độ thử nghiệm Thử nghiệm tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động sử dụng diesel DME chế độ tồn tải, tốc độ 1400, 1700 2100 vịng/phút, giữ