XU HƯỚNG SỬ DỤNG PHỤ GIA NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

XU HƯỚNG SỬ DỤNG PHỤ GIA NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL Nguyễn Hữu Tuấn NCS Viện khí động lực – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Khoa khí - Trường ĐH Thủy Lợi Phạm Hữu Tuyến Viện khí động lực - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội TÓM TẮT Động đốt sử dụng rộng rãi thiết bị máy móc phục vụ phát triển kinh tế ưu điểm bật như: Kết cấu chắn, làm việc tin cậy, hiệu suất tương đối cao, thuận lợi bảo dưỡng sửa chữa tiết kiệm nhiên liệu Do có hiệu suất chuyển đổi lượng cao sử dụng nhiên liệu rẻ xăng nên động diesel ưu tiên sử dụng nguồn động lực máy phát điện, máy cơng trình, máy móc nông nghiệp, ngành công nghiệp nặng, đặc biệt phương tiện vận tải đường bộ, đường biển Tuy nhiên phát thải từ loại phương tiện chiếm tỷ trọng lớn gây ô nhiễm môi trường Chính vậy, để giải cấp bách cho động lưu hành thúc nhà khoa học nghiên cứu phát triển động nói chung, đặc biệt sử dụng phụ gia nhiên liệu ứng dụng công nghệ nano nhằm tiết kiệm nhiên liệu giảm phát thải thải chất gây ô nhiễm để đảm bảo quy định ngày nghiêm ngặt mơi trường Trong báo nhóm tác giả đề cập đến nghiên cứu, ứng dụng, thử nghiệm biện pháp tiết kiệm nhiên liệu giảm phát thải động diesel Trong trọng đến biện pháp cải tiến hiệu sử dụng nhiên liệu (bao gồm sử dụng nhiên liệu nhũ tương sử dụng nhiên liệu chứa phụ gia ứng dụng công nghệ nano đặc biệt tổ hợp loại trên) nhằm kiểm sốt q trình đốt cháy theo hướng tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu giảm phát thải Biện pháp có ưu điểm như: sử dụng động lưu hành mà không cần can thiệp vào “phần cứng” động GIỚI THIỆU CHUNG Động đốt sử dụng rộng rãi thiết bị máy móc phục vụ phát triển kinh tế ưu điểm bật như: Kết cấu chắn, làm việc tin cậy, hiệu suất tương đối cao, thuận lợi bảo dưỡng sửa chữa tiết kiệm nhiên liệu Do có hiệu suất chuyển đổi lượng cao sử dụng nhiên liệu rẻ xăng nên động diesel ưu tiên sử dụng nguồn động lực máy phát điện, máy cơng trình, máy móc nông nghiệp, ngành công nghiệp nặng, đặc biệt phương tiện vận tải đường bộ, đường biển Tuy nhiên phát thải từ loại phương tiện chiếm tỷ trọng lớn gây ô nhiễm môi trường [1] Sự phát triển nhanh chóng ngành cơng nghiệp nói chung, ngành giao thơng vận tải nói riêng dẫn đến nhu cầu nhiên liệu diesel ngày tăng cao Theo khảo sát, nhiên liệu hóa thạch chiếm tới 80% lượng tiêu thụ giới, 58 - 66% tiêu thụ phương tiện vận tải [2-3] Ở Châu Á – Thái Bình Dương, theo dự báo Wood Mackenzie, tổng nhu cầu sản phẩm dầu tăng trung bình 1,6%/năm từ năm 2015-2035 Năm 2015, mức độ sử dụng diesel chiếm 30% so với loại nhiên liệu hóa thạch khác, trì ổn định đến năm 2035 Ở Việt Nam tỷ lệ 38% 42% (hình 1) [4-5] Hình Nhu cầu, dự báo sản phẩm dầu khu vực châu Á – Thái Bình Dương Việt Nam giai đoạn 2000 – 2035 Từ nhu cầu sử dụng nhiên liệu lớn trên, với giá nhiên liệu thường xuyên biến động mạnh, nguồn cung cạn kiệt phát thải ô nhiễm không khí phương tiện vận tải ngày trầm trọng có hại cho sức khỏe người mơi trường sinh thái Có nhiều biện pháp để nâng cao hiệu suất, tính kinh tế nhiên liệu, giảm phát thải cho động diesel như: Sử dụng nhiên liệu thay hay tối ưu hóa kết cấu (cơ cấu phối khí thơng minh, ln hồi khí thải, tăng áp động cơ, công nghệ cháy nén hỗn hợp đồng nhất, hệ thống cung cấp nhiên liệu điều khiển điện tử…) Tuy nhiên, công nghệ cải tiến kèm với giá thành cao phù hợp với thiết kế động mới, khó can thiệp vào động có Chính vậy, để giải cấp bách cho động lưu hành thúc nhà khoa học nghiên cứu phát triển động nói chung, đặc biệt sử dụng phụ gia nhiên liệu ứng dụng công nghệ nano nhằm tiết kiệm nhiên liệu giảm phát thải thải chất gây ô nhiễm để đảm bảo quy định ngày nghiêm ngặt môi trường Về ứng dụng công nghệ nano, công nghệ vật liệu tiên tiến để tổng hợp chất phụ gia tiết kiệm nhiên liệu giảm ô nhiễm môi trường thu hút ngày nhiều đầu tư phủ cơng ty nhiều nước giới hướng nghiên cứu ứng dụng có tiềm lớn Trong giai đoạn 2008-2010, đầu tư nhà nước quốc gia giới cho nghiên cứu, triển khai cho công nghệ nano ước đạt 50 tỉ USD, đứng đầu Mỹ, Nhật, Nga, Đức… Ở khối doanh nghiệp, Mỹ nước tiên phong (hình 2) [6] Hình Mức đầu tư cho hoạt động nghiên cứu chuyển giao công nghệ nano Ở Việt nam, khiêm tốn, từ năm1998 có đầu tư nghiên cứu cơng nghệ nano Đến nay, nhiều kết nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano công bố lý thuyết thực nghiệm Cùng với đơn vị nghiên cứu, khối doanh nghiệp mạnh dạn ứng dụng công nghệ nano sản xuất Trong báo nhóm tác giả đề cập đến nghiên cứu, ứng dụng, thử nghiệm biện pháp tiết kiệm nhiên liệu giảm phát thải động diesel Trong trọng đến biện pháp cải tiến hiệu sử dụng nhiên liệu (bao gồm sử dụng nhiên liệu nhũ tương sử dụng nhiên liệu chứa phụ gia ứng dụng công nghệ nano đặc biệt tổ hợp loại trên) nhằm kiểm sốt q trình đốt cháy theo hướng tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu giảm phát thải Biện pháp có ưu điểm như: sử dụng động lưu hành mà không cần can thiệp vào “phần cứng” động NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG DIESEL Nhiên liệu nhũ tương diesel nhiên liệu nước phân tán dạng hạt nhũ có kích thước cỡ từ micro đến nano mét Nhũ tương cấu tạo pha liên tục (pha dầu) pha phân tán (pha nước) Hai chất lỏng chất không tự trộn lẫn với nhau, để tạo nhũ tương dùng chất hoạt động bề mặt Nhiên liệu nhũ tương dạng nhũ tương thuận – dầu nước (Oil/Water – O/W) dạng nhũ tương đảo nước dầu (W/O) (hình 3) [7] Hình Nhiên liệu nhũ tương nước dầu (W/O) dầu nước (O/W) Cơ chế vi nổ nhiên liệu nhũ tương nước dầu (W/O): Do có điểm sơi thấp diesel, giọt nước tồn dạng nhũ tương nhỏ bọc nhiên liệu diesel hóa điều kiện nhiệt động Sự hóa tạo nổ giọt diesel cải thiện q trình ngun tử hóa nhiên liệu, tốc độ bay cuối nâng cao q trình hịa trộn khơng khí-nhiên liệu Những trình vi nổ cải thiện trình cháy hiệu động đồng thời ngăn chặn hình thành cặn cacbon [8-9] (hình 4) Hình Cơ chế vi nổ nhiên liệu diesel nhũ tương nước dầu W/O Kannan cộng nghiên cứu ảnh hưởng khả cháy nhiên liệu nhũ tương nước diesel đến hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx HC Thực nghiệm động kỳ xilanh, phun nhiên liệu trực tiếp, tốc độ 1500vòng/phút, áp suất phun 200bar, nhiên liệu diesel nhũ tương tỷ lệ 10,20% thể tích nước cho thấy: Nhiên liệu nhũ tương có khả cải tiến hiệu suất nhiệt hãm suất tiêu hao nhiên liệu động Phát thải NOx giảm 10% 25% tương ứng với hàm lượng nước 10% 20% Phát thải HC có xu hướng giảm tăng hàm lượng nước [9] Năm 2011, nhóm nghiên cứu thuộc Sở khoa học cơng nghệ thành phố Hồ Chí Minh nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống biodiesel nhũ tương DO15 (Dầu DO có pha 15% nước) Kết thử nghiệm ra: Trên động công suất lớn, nhũ tương DO tiết kiệm đáng kể nhiên liệu, giảm hầu hết khí thải độc hại chưa phù hợp với động công suất nhỏ (như động phát điện tiêu hao nhiên liệu 20%, giảm phát thải NOx muội) Nghiên cứu thực nghiệm công ty vận tải thành phố Hồ Chí Minh với quy mơ 50 xe container, chạy 250km/ngày tiết kiệm khoảng tỷ đồng/năm [19] PHỤ GIA NHIÊN LIỆU Phụ gia chất cho thêm vào nhiên liệu với lượng nhỏ, lại làm tăng tính chất sẵn có tạo tính chất cho sản phẩm Phụ gia pha vào nhiên liệu từ vài phần triệu (ppm) đến 10% Mỗi loại phụ gia có tính khác như: Nhóm phụ gia cải thiện tính chất nhiên liệu; nhóm phụ gia cải thiện tính ổn định bảo quản, tồn chứa, vận chuyển; nhóm phụ gia làm giảm ảnh hưởng có hại nhiên liệu thiết bị động cơ; nhóm phụ gia đảm bảo sử dụng nhiên liệu dùng nhiệt độ thấp… Trong nhóm nhóm phụ gia cải thiện tính chất nhiên liệu quan tâm nghiên cứu đòi hỏi thiết giới nâng cao hiệu sử dụng lượng giảm phát thải Trong số loại phụ gia tiết kiệm nhiên liệu khảo sát cho xăng dầu diesel, nhóm thứ gồm phụ gia không chứa kim loại hợp chất chứa oxy - alcohol, ester ether, hợp chất chứa nitơ - số amin, nitrile hợp chất chứa nitơ, oxy - nitrat, amid Nhóm thứ hai gồm phụ gia chứa hợp chất kim loại ferrocene hợp chất chứa Ce, Ca, Ba, Ni, naphthenate, sulphate, cacbonate Nghiên cứu phụ gia Ca, Ba, Fe, Ni naphthenate cho thấy Ca Ba có hiệu việc giảm hình thành muội tăng cường oxy hóa muội Hệ phụ gia nano nhằm cải thiện khả cháy nhiên liệu sở nano kim loại /hoặc nano oxit kim loại hệ phụ gia có hiệu [10-11] (Hình 5-6) Hình Một số vật thể qua kích thước nano [12] Hình Chuỗi phân tử nano CeO2 [13] Cơ chế hoạt động hệ phụ gia nano kim loại nano oxit kim loại: Khi hòa trộn vào nhiên liệu, phân tử hệ phụ gia có khả xúc tác cho q trình oxy hóa hydrocacbon có mặt nhiên liệu trình đốt cháy nhiên liệu dẫn tới suất tiêu thụ nhiên liệu giảm Mặt khác, hạt nano có mặt nhiên liệu lỏng tạo bề mặt xúc tác có khả cung cấp oxy cho trình đốt Nano kim loại nano oxit kim loại kết hợp loại đưa vào nhiên liệu hydrocacbon làm tăng nhiệt cháy Q trình đốt cháy (q trình oxy hóa nhiên liệu hydrocacbon) xảy nhanh nhờ phản ứng dị thể bề mặt xúc tác rắn so với q trình oxy hóa tương tự phản ứng pha khí đồng thể mang phần tử kim loại hạt oxit kim loại Phần tử kim loại oxit kim loại có kích thước nano phối hợp làm chất xúc tác cho phản ứng đốt cháy nhiên liệu, có khả qua lọc nhiên liệu tự đốt cháy, thăng hoa, tiêu thụ cho phát thải giảm thiểu loại bỏ Để đạt điều đó, đường kính hạt nano phải nhỏ 10nm Shafii cộng tổng hợp phụ gia nhiên liệu diesel cho động kỳ gồm hạt nano Fe3O4 nước Kết cho thấy hệ phụ gia làm giảm hiệu suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 11%, giảm phát thải NOx (nhưng lại tăng CO) [14] Năm 2010, TS Cù Huy Thành, học viện kỹ thuật quân sự, công bố nghiên cứu sử dụng phụ gia nano xêri điơxít (CeO2) làm phụ gia cho nhiên liệu diesel Nghiên cứu CeO2 chất xúc tác xúc tiến trình cháy nhiên liệu Kết thử nghiệm cho thấy, với thành phần CeO2 từ 4-6ppm cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu thành phần phát thải độc hại động diesel Cụ thể: Với phụ gia nano điều chế, cho phép suất tiêu hao nhiên liệu giảm tới 7%, NOx giảm tới 22,26%, HC giảm tới 34,61%, CO giảm tới 28%, CO2 giảm tới 5,5%, độ khói giảm tới 25% Những tiêu đánh giá cải thiện nhiều động sử dụng nhiên liệu có phụ gia nanơ xêri điơxít làm việc thời gian dài (Hình 7) Ngồi ra, hạt nano CeO2 nghiên cứu để làm xử lý khí thải cho lò nung gốm sứ sử dụng nhiên liệu LPG [20] Hình Mức độ cải thiện thơng số khảo sát với phụ gia CeO2 10 Năm 2011, Trần Thị Như Mai cộng tổng hợp hạt nano CeO2 (kích thước 5nm) dùng làm phụ gia nhiên liệu diesel Kết cho thấy: Các tiêu CO, HC, độ khói mức tiêu hao nhiên liệu giảm Tuy nhiên hàm lượng phát thải NOx lại tăng hiệu cháy tăng [21] NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG CHỨA PHỤ GIA Mặc dù nhiên liệu nhũ tương nhiên liệu sử dụng phụ gia nghiên cứu nhiều có tác dụng tăng hiệu suất cho nhiên liệu, yêu cầu cải tiến nhiên liệu có hiệu cao đặt Trong năm gần đây, số nghiên cứu khảo sát hệ phụ gia vi nhũ (sự tổ hợp hạt nano nước) nhằm mục đích kết hợp tăng cường ưu điểm loại quan tâm nghiên cứu Cơ chế vi nổ nhiên liệu nhũ tương nước dầu, chứa kim loại mơ tả hình [15] Hình Cơ chế vi nổ nhiên liệu nhũ tương nước dầu, chứa kim loại Khi phối trộn phụ gia vi nhũ nước dầu chứa nano oxit kim loại, hạt vi nhũ phân tán đồng toàn khối nhiên liệu, tạo nên hạt vi nhũ chứa nano oxit kim loại có kích cỡ vài nm Các hạt có khả xúc tác cho q trình oxy hóa hồn tồn hydrocacbon có mặt nhiên liệu q trình đốt cháy nhiên liệu Bên cạnh đó, hạt nano oxit kim loại có mặt nhiên liệu lỏng tạo bề mặt xúc tác có khả cung cấp oxy cho trình đốt cháy, làm cho trình cháy diễn thuận lợi triệt để Nhờ hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu giảm, chất nhiễm sinh từ q trình đốt cháy khơng hồn tồn nhiên liệu (muội, CO, HC chưa cháy hết) giảm đáng kể Sơ đồ khối pha trộn nhiên liệu vi nhũ hình 11 Hình Sơ đồ khối pha trộn nhiên liệu vi nhũ Bidita cộng nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia nhiên liệu CeO2 tới hình thành tính chất cháy nhiên liệu nhũ tương W/O Hàm lượng CeO2 trì khoảng 80ppm Kết thử nghiệm động công suất 2,2 KW, tốc độ 2600 vịng/phút 50% cơng suất cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu, dịng khí thải nhiệt độ khí thải thấp hiệu suất nhiệt cao Các thành phần khí thải CO2, NH3 NO thấp so với khí thải động sử dụng nhiên liệu khơng có phụ gia Điều giải thích ngồi hiệu ứng vi nổ làm hạ nhiệt độ khí thải (tức nhiệt độ đốt cháy giảm xuống), cịn xuất vai trị CeO2 tích trữ oxy, hỗ trợ q trình oxy hóa hồn tồn hydrocacbon thành CO2 Kết muội đen giảm đáng kể [15] Báo cáo kết nhiệm vụ thuộc chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng phụ gia nhiên liệu nano, Tổng công ty xi măng Việt Nam - Bộ công thương, hầu hết tiêu công suất, suất tiêu hao nhiên liệu phát thải cải thiện Mức độ cải thiện thể rõ chế độ tốc độ 1400vịng/phút 1600vịng/phút Ở tốc độ cơng suất động tăng tương ứng 2,29% 3,27%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,24% 3,17% Hàm lượng CO giảm 7,49% 12,23%, độ khói khí xả giảm 6,5% 2,14% Tuy nhiên có tăng hàm lượng HC hàm lượng CO tốc độ 1000vòng/phút 1200 vòng/ phút [22] KẾT LUẬN Từ nghiên cứu trên, việc sử dụng nhiên liệu nhũ tương với chất hoạt động bề mặt, phụ gia nano oxit kim loại hay phụ gia vi nhũ cải thiện tính kinh tế, kỹ thuật giảm phát thải động diesel Hầu hết nghiên cứu, thực nghiệm cho thấy động hoạt động với nhiên liệu pha phụ gia phát thải giảm đồng thời NOx phát thải dạng hạt (PM) Tỷ lệ giảm báo cáo khác nhiều yếu tố tỷ lệ phụ gia, hàm lượng nước, vùng địa lý thử nghiệm… Lượng giảm cao NOx 37%; phát thải hạt (PM) lên tới 90% Với hiệu đó, việc nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo loại phụ gia nhiên liệu đề cập đánh giá tác động nhiên liệu pha phụ gia phù hợp với 12 điều kiện Việt Nam cần thiết Ngoài nghiên cứu thử nghiệm nghiên cứu tác dụng, chế hoạt động bên buồng đốt cần quan tâm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B.L.Salvi, K.A.Subramanian, N.L.Panwar, Alternative fuels for transportation vehicles: A technical review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 25 (2013)-404 [2] Escobar JC, Lora ES, Venturini OJ, Yanez EE, Castillo EF, Almazan O Biofuels: environment, technology and food security Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009;13:1275–87 [3] Gill SS, Tsolakis A, Dearn KD, Rodríguez-Fernández J Combustion characteristics and emissions of Fischer–Tropsch diesel fuels in IC engines Progress in Energy and Combustion Science 2011;37:503–23 [4] Wood Mackenzie, Other Asia Pacific product markets long-term Outlook H1 2016.6/2016 [5] Wood Mackenzie, Vietnam product markets long-term Outlook H1 2016.6/2016 [6] Kirsten Rodine-Hardy Research Team, Nanotechnology in a Globalized World: Strategic Assessments of an Emerging Technology, 2014 [7] Mohammed Yahaya Khan, Z A Abdul Karim, Ftwi Yohaness Hagos, A Rashid A Aziz, and Isa M Tan, Current Trends in Water-in-Diesel Emulsion as a Fuel, The Scientific World Journal 2014(17):527472 · January 2014 [8] B.S Bidata, A.R.Suraya, M.A.Shazed, A.Mohd Salleh, A Idris, Preparation, characterization and engine performance of water in diesel nanoemulsions, Journal of the Energy Institute, vol, xxx,1-12,2015 [9] K.Kannan and M.Udayakumar, NO and HC emission control using water emulsified diesel in single cylinder diesel engine, Journal of Engineering and Applied Sciences, vol 4,59-62,2009 [10] D.C.Kim, K.C.Song, R.D.Kaushik, Fuel Additives for Particulate Matter/Dust Reduction, Asian Journal of Chemistry, vol, 20, 5797-5817,2008 [11] Miyamoto, H.Zhixin, A.Harada, H.Ogawa, T.Murayama, Characteristics of diesel soot suppression with soluble fuel addtives, SAE Technical Paper, 1-10, 1987 [12] Kai Savolainen, Ulrika Backman, Derk Brouwer, Bengt Fadeel,…; Nanosafety in Europe 2015 - 2025: Towards Safe and Sustainable Nanomaterials and Nanotechnology; Institute of Occupational Health, 2013 13 [13] Sang Woo Kim1 & Jae-Pyoung Ahn, Polycrystalline nanowires of gadoliniumdoped ceria via random alignment mediated by supercritical carbon dioxide, 2013 [14] M.B.Shafii, F.Daneshvar, N.Jahani, K.Mobini, Hindawi Publishing Corporation, Advances in Mechanical Engineering, vol,2011,1-5, 2011 [15] B.S.Bidita, A.R.Suraya&nnk, Influence of Fuel Addtive in the Formulation and Combustion Characteristics of water in diesel Nanoemulsion Fuel, Energy Fuels, vol 28,4149-4161, 2014 [16] Directives and regulations-motor vehicles, enterprise/sectors/automotive/documents/directives/motorvehicles/ http://ec.europa.eu/ [17] S Ravi, R Subramanian, Diesel fuel additives: An overview, International Review of Mechanical Engineering 7(4):698-704 · January 2013 [18] Thuyết minh đề tài cấp Nhà nước nghiên cứu phát triển phụ gia vi nhũ hệ mới… PGS.TS Vũ Thị Thu Hà, Viện hóa học cơng nghiệp Việt Nam, 2015 [19] http://www.sggp.org.vn/ khoahoc_congnghe/2011/1/249350/ [20] Cù Huy Thành, Nghiên cứu sử dụng hạt nano Xêri Điôxit (CeO2) làm phụ gia cho nhiên liệu diesel, Tạp chí khoa học công nghệ hàng hải, số 24-11/2010 [21] Trần Thị Như Mai nnk, Tổng hợp nano CeO2 sử dụng làm phụ gia cho nhiên liệu diesel, tạp chí hóa học, T.49 (5AB), 731-733, 2011 [22] Công ty CP xi măng Hồng Mai, Tổng cơng ty cơng nghiệp xi măng Việt Nam, Bộ công thương, Báo cáo kết nhiệm vụ chương trình mục tiêu quốc gia “Sử dụng phụ gia nhiên liệu nano để tiết kiệm nhiên liệu giảm khí phát thải độc hại xe gắn động diesel, 2010 [23] http://www.dieselnet.com/tech/ fuel_diesel_add.html [24] Lê Danh Quang, LATS Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia nhiên liệu sinh học E10 D5 đến tiêu kinh tế kỹ thuật động cơ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2014 14 TỔNG HỢP MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG BUỒNG CHÁY THỂ TÍCH KHÔNG ĐỔI (CVCC) ThS Nguyễn Phi Trường, T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội PGS.TS Lê Anh Tuấn, T.S Trần Đăng Quốc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt Nhu cầu nâng cao hiệu suất, giảm ô nhiễm môi trường động nhiệt nói chung động đốt nói riêng mối quan tâm lớn nhà khoa học giới Giải pháp đáp ứng yêu cầu nghiên cứu trình cháy buồng cháy tích khơng đổi (CVCC) Giới hạn buồng cháy CVCC thể tích gần điểm chết so với động đốt truyền thống, nhiên nghiên cứu trình cháy buồng cháy CVCC đem đến nhiều ưu điểm so với nghiên cứu động truyền thống Các ưu điểm như: chi phí nghiên cứu rẻ, sử dụng loại nhiên liệu khác nhau, dễ dàng phân tích ảnh hưởng động lực học nhiệt động học đến chất tham gia phản ứng chất sau phản ứng để đạt hiệu suất nhiệt cao giảm ô nhiễm môi trường Bài báo giới thiệu số nghiên cứu kết cấu, mô ứng dụng buồng cháy CVCC loại nhiên liệu khác Từ kết làm sở để định hướng thiết kế mô chế tạo điều kiện Việt Nam Từ khóa: CVCC; RCEM; Nhiên liệu thay thế; Cửa sổ quang học Giới thiệu chung Hiện nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho động đốt ngày tăng không giới mà nước ta Tuy nhiên trữ lượng nhiên liệu hóa thạch tiêu chuẩn khí thải ln tỷ lệ nghịch với nhau, sử dụng nhiên liệu thay cho động đốt giải pháp tất yếu theo định hướng Nghị Trung ương số 26-NQ/ TW ban hành ngày 05 tháng 08 năm 2008 Sử dụng nhiên liệu thay cho động đốt cần phải tiến hành nghiên cứu cách tỷ mỷ để giảm tối đa khí thải độc hại Carbonmonoxide (CO), Hydrocarbon (HC), Nitrogen Oxide (NOx), các chất thải dạng hạt (PM) Một hướng nghiên cứu đáp ứng phần u cầu nghiên cứu q trình cháy hỗn hợp nhiên liệu khơng khí buồng cháy tích khơng đổi Q trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu khơng khí diễn phức tạp bên xylanh động cơ, trình đặc trưng hai yếu tố quan trọng động lực học nhiệt động lực học Có thể hiểu cách đơn giản động lực học nghiên cứu tốc độ tỷ lệ phản ứng cháy, nhiệt động học thực nghiên cứu tính ổn định sản phẩm sau cháy Nghiên cứu động lực học cần phải tiến hành nghiên 15 cứu động lực học vật lý động lực học hóa học.Trong đó, động lực học vật lý nghiên cứu chuyển động nguyên nhân phản ứng cháy, động lực học hóa học nghiên cứu chế hình thành phản ứng hóa học Để thực nghiên cứu cần phải có thiết bị chuyên dụng, hai hệ thống thiết bị sử dụng nhiều giới là: Buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC) xác định điều kiện để tốc độ tỷ lệ phản ứng cháy nhanh (nghiên cứu động lực học vật lý) Hệ thống thứ hai biết đến máy nén giãn nở nhanh (RCEM), sử dụng để nghiên cứu chế phản ứng hóa học (nghiên cứu động lực học hóa học) Hai hệ thống CVCC RCEM Việt Nam chưa có, tiến hành nghiên cứu tổng quan hệ thống CVCC bước hướng đến hệ động đạt hiệu suất nhiệt cao giảm tối thiểu khí thải độc hại đồng thời thỏa mãn tiêu chuẩn ngặt nghèo khí thải Hệ thống CVCC thực nhiều nghiên cứu cháy theo định hướng khác nhiên liệu cháy cưỡng tự bốc cháy Các định hướng nghiên cứu kể đến như: tỷ lệ nhiên liệu khơng khí, điều kiện (nhiệt độ, áp suất, góc đánh lửa) để xảy phản ứng xi hóa nhiên liệu … v.v Buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC) có kết cấu đặc biệt kết hợp với hệ thống quang học giới hạn nghiên cứu tượng gần điểm chết động Do vậy, kết thu xem xét phân tích ba vùng: (1) trước phản ứng xi hóa khử gồm điều kiện thiết lập phản ứng chất tham gia phản ứng, (2) trình phản ứng để xây dựng nên chế phản ứng xi hóa chất tham gia phản ứng, (3) sản phẩm thu sau phản ứng chất tạo thành sau phản ứng ô xi hóa nhiên liệu, đồng thời xem xét ảnh hưởng nhiệt động học đến độ bền chất có sản phẩm cháy Về hệ thống CVCC cấu thành gồm tối thiểu phận hình bao gồm: Bộ thu thập giữ liệu, Nguồn cấp điện áp cao, Bộ hòa trộn cung cấp nhiên liệu, Cụm thiết bị buồng cháy, Cụm khuếch đại tín hiệu Tuy nhiên, buồng cháy thể tích khơng đổi thay đổi thiết kế tùy theo mục đích nghiên cứu loại nhiên liệu sử dụng Hình Sơ đồ hệ thống CVCC 16 Một số nghiên cứu hệ thống CVCC Alireza Hajialimohammadi cộng sử dụng phần mềm Ansys 12.0 để thiết kế buồng cháy tích khơng đổi có thêm hai cửa sổ gắn kính thạch anh chịu áp suất lên đến 100 bar Với hai cửa sổ có nguồn sáng laser chiếu qua kết hợp hệ thống camera đặc biệt để quan sát phát triển màng lửa [1] Hình Là buồng cháy thể tích khơng đổi bao gồm phận chính: mặt bích phía ngồi; kính thạch anh chịu áp lực cao; mặt bích phía Các phận liên kết với bulông chịu lực Trong buồng cháy CVCC cửa sổ thạch anh buồng cháy tiếp xúc trực tiếp với hỗn hợp khí có áp suất cao Q trình đốt cháy diễn thời gian ngắn nên cửa sổ thạch anh buồng cháy xem xét để phân tích ứng suất Hình Buồng cháy CVCC Do nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch gia tăng nhu cầu sử dụng nhiên liệu với nhiễm môi trường ngày trầm trọng, giải pháp hiệu để giải quết vấn đề sử dụng nhiên liệu thay Ronnachart Munsin nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu mô ba loại nhiên liệu hịa trộn từ bên ngồi: diesel, ethanol diesel sinh học Kết nghiên cứu cho thấy vật liệu làm cửa dẫn ánh sáng laser chịu áp suất cao, hình dạng buồng cháy thể tích khơng đổi phù hợp với thể tích buồng cháy động tự bốc cháy có tỷ số nén thay đổi từ ε = 16 ÷ 28 [2] Nhóm nghiên cứu Prathan Srichai sử dụng phần mền mô Solidworks Simulation CAE tiến hành phân tích, thiết kế chế tạo CVCC có cửa sổ quang học thiết kế với độ an toàn cao, hệ thống hịa trộn bên ngồi để giả lập thành khơng khí (hịa trộn hỗn hợp khí O2 N2) bao gồm: Common-rail điều chỉnh nhiệt độ áp suất, hệ thống van an tồn, hệ thống phun khí C2H2 Kết thu xác định giới hạn nghèo hỗn hợp ảnh hưởng áp suất phun nhiên liệu đến khả bắt cháy 17 hỗn hợp mạnh so với hỗn hợp hịa trộn sẵn từ bên ngồi điều kiện nhiệt độ mơi trường [3] Nghiên cứu nhóm Choongsik Bae tiến hành hỗn hợp nghèo với hai nhiên liệu xăng vàn-butan Điều kiện thí nghiệm để cháy ổn định hai loại nhiên liệu xăng n-butan thiết lập khác góc đánh lửa, áp suất phun thời gian phun Kết nghiên cứu không giống xăng, n-butan bốc bắt đầu phun nhiên liệu kết thúc bốc kết thúc phun So với xăng, cấu trúc n-butan bị bẻ gãy phía đầu trục phun bẻ gãy lớn áp suất phun tăng lên Phun nhiên liệu n-butan cho thấy tỉ lệ bay cao áp suất nước cao hơn, cấu trúc phun bị phân rã Sự phân rã bị ảnh hưởng áp suất phun nhiệt độ, ngược lại cấu trúc xăng tương đối ổn định không chịu ảnh hưởng nhiều áp suất phun Cấu trúc n-butan có nhiều điểm giống với xăng phun áp xuất thấp, chiều rộng đoạn cuối tia phun tăng lên n-butan phun với áp suất thấp Kết cho thấy với n-butan nên để áp suất phun nhỏ thời gian hòa trộn n-butan ngắn hẹp so với xăng liên kết n-butan liên kết đơn xăng đa liên kết [4] Nhược điểm động diesel q trình khởi động lạnh thành phần khí thải H-C lớn, nhằm cắt giảm lượng khí thải H-C nàyChoongsik Bae cộng nghiên cứu ảnhảnh hưởng nhiệt độ đến phun cháy nhiên liệu Các nghiên cứu thực phương pháp mô điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất nhiên liệu phun vào buồng cháy với áp suất 35 MPa Kết cho thấykhi sử dụng hệ thống common-rail buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC) đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ nhiên liệu diesel đến đặc tính hệ thống phun nhiên liệu trình cháy điều kiện khởi động lạnh Khi nhiệt độ nhiên liệu diesel điều kiện lạnh thời gian phun dài so với nhiệt độ nhiên liệu diesel sấy nóng lên, nguyên nhân làm cho thời gian phun kéo dài độ nhớt động học nhiên liệu cao nhiệt độ giảm Quá trình cháy hoàn thiện nhiệt độ nhiên liệu diesel tăng lên mà độ tăng áp suất cao thời gian cháy ngắn hơn, xu hướng giống kết đặc tính phun bốc nhiên liệu nhiệt độ cao Tuy nhiên, ảnh hưởng nhiệt độ nhiên liệu giảm so với điều kiện môi trường xung quanh Số lần phun tăng kết hợp với áp suất phun cao cải thiện q trình hịa trộn khơng khí- nhiên liệu áp dụng để cải thiện khả với điều kiện nhiên liệu lạnh ban đầu Kết luận Sử dụng phần mền mơ thiết kế chế tạo thành cơng buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC), để phục vụ trình nghiên cứu trình hình thành hỗn hợp cháy loại nhiên liệu động đốt Buồng cháy thể tích khơng đổi thiết bị cần thiết để nghiên cứu tượng bên buồng cháy điều kiện khác như: Ảnh hưởng nhiệt độ nhiên liệu đến trình phun cháy So sánh đặc tính cháy nhiên liệu n-butan nhiên liệu xăng Nghiên cứu đặc điểm hình thành hỗn hợp cháy hỗn hợp hình thành bên bên buồng cháy… 18 Hiện nay, Việt Nam chưa có phịng thí nghiệm có buồng cháy thể tích khơng đổi Việc thiết kế chế tạo buồng cháy cần thiết để phục vụ nghiên cứu trình hình thành cháy loại nhiên liệu khác Việt Nam Nó tiền đề cho nghiên cứu sau trình vật lý, hóa học loại nhiên liệu khác Việt Nam Tài liệu tham khảo [1] Alireza Hajialimohammadi Design And Manufacturing of A Constant Volume Test Combustion Chamber For Jet And Flame Visualization of CNG Direct Injection, Applied Mechanics and Materials Vols 217-2192543 (2012) [2] Ronnachart Munsin Design of Constant Volume Combustion Chamber (CVCC) with Pre-Combustion Technique for Simulation of CI Engine Conditions, The 4th TSME International Conference on Mechanical Engineering 16-18 October 2013 [3] Prathan Srichai, Design Concept of Biodiesel Direct Injection Constant Volume Combustion Chamber, The 3rd TSME International Conference on Mechanical Engineering October 2012, Chiang Rai [4] Stanton D, Lippert A, Reitz R, Rutland C Influence of spray-wall interaction and fuel films on cold starting in direct injection diesel engines SAE International; 1998 [SAE paper 982584] [5] Payri R, Salvador FJ, Gimeno J, Bracho G The effect of temperature and pressure on thermodynamic properties of diesel and biodiesel fuels Fuel 2011;90 (3):1172–80 [6] H Gen Fujimoto, K.H., T Yamashita, J Senda,(2006), Effects of Ambient Temperature and Oxygen Concentration on Soot Behavior in Diesel Flame, SAE 2006-013371 [7] J.D Naber and D L Siebers, (1994), Effects of Natural Gas Composition on Ignition Delay Under Diesel Conditions, www.osti.gov access on June 2012 [8]Cengel, Y.A.a.M.A.B.(2007),Thermodynamics An Engineering Approach sixth ed., McGraw- Hill [9] High pressure mixing gas, [Online] Available http://www.atom.rmutphysics.com access on June 2012 [10] F Parsinejad: Experimental and Theoretical Studies on Flame Propagation and Burning Speeds of JP-8, JP-10 and Reformed Fuels at High Temperatures and Pressures, PhD thesis, Northeastern University, US (2005) [11] E C Chan : Spark Ignition Of Partially Stratified Gaseous Fuel-Air mixtures, PhD thesis, The University of British Columbia,Canada (2010) 19 [12] X Fei Tian, H G Zhang, X L Bai: Strength Analysis and Structure Optimization of Constant Volume Combustion Bomb, Advanced Materials Research, Vol 233-235 (2011), p 821 [13] www.matweb.com [14] www.mt-berlin.com [15] ANSYS 12.0, Theory Guide 2009 [16] Han Z, Henein N, Nitu B, Bryzik W Diesel engine cold start combustion instability and control strategy SAE International; 2001 [SAE paper 2001-011237] [17] Henein N, Zahdeh A, Yassine M, Bryzik W Diesel engine cold starting: combustion instability SAE International; 1992 [SAE paper 920005] [18] John D, Ghodke P, Gajarlawar N, Joseph lng J Experiences in cold start optimization of a multi-purpose vehicle equipped with 2.2L common rail diesel engine SAE International; 2011 [SAE paper 2011-01-0124] 20