Nghiên cứu mô phỏng hiệu quả sử dụng phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên động cơ diesel

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng phụ gia vi nhũ thế hệ mới trong nhiên liệu diesel khoáng (DO) trên động cơ diesel Huyndai D4BB. Kết quả nghiên cứu với các tỷ lệ pha phụ gia khác nhau theo đường đặc tính ngoài cho thấy, tỷ lệ phụ gia 1/8000 là hợp lý nhất, giúp công suất động cơ tăng trung bình 2,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,6%, hàm lượng phát thải CO, NOx và độ khói giảm trung bình lần lượt 10,8%, 12,1% và 5,5% so với nhiên liệu DO.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL SIMULATION STUDY ON THE EFFICIENCY OF NEW GENERATION NANOEMULSION FUEL ADDITIVES ON DIESEL ENGINE NGUYỄN HỮU TUẤN1*, PHẠM HỮU TUYẾN2 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *Email liên hệ: nhtuan@tlu.edu.vn Tóm tắt Phụ gia nhiên liệu giúp cải thiện tính chất nhiên liệu và/hoặc nâng cao chất lượng trình cháy động đốt Bài báo trình bày kết nghiên cứu mô phụ gia vi nhũ hệ nhiên liệu diesel khoáng (DO) động diesel Huyndai D4BB Kết nghiên cứu với tỷ lệ pha phụ gia khác theo đường đặc tính ngồi cho thấy, tỷ lệ phụ gia 1/8000 hợp lý nhất, giúp cơng suất động tăng trung bình 2,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,6%, hàm lượng phát thải CO, NOx độ khói giảm trung bình 10,8%, 12,1% 5,5% so với nhiên liệu DO Theo đường đặc tính tải 2000 v/ph, động sử dụng nhiên liệu phụ gia với tỷ lệ 1/8000 có suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình 2,0%, thành phần phát thải giảm trung bình 8,3% CO, 11,2% NOx, 3,1% độ khói so với sử dụng diesel không pha phụ gia Từ khóa: Phụ gia nhiên liệu, giảm phát thải, tiết kiệm nhiên liệu Abstract Fuel additive is used to improve fuel properties and/or improve combustion process in internal combustion engine This paper presents testing results of new generation nano-emulsion fuel additive in diesel (DO) on a Huyndai D4BB diesel engine Among the different concentration of additive in diesel, it shows that at fulload curve the additive concentration of 1/8000 is the most reasonable that helps to increase averagely engine power by 2,7% and to reduce fuel consumption, CO, NOx emissions, smoke by 2,6%, 10,8%, 12,1%, 5,5% respectively as compared to diesel without additive Also, at different loads at speed of 2000 rpm, on average fuel consumption of the engine fueled by diesel with this additive concentration reduce by 2,0%, and CO, NO x 168 emissions and smoke reduce by 8,3%, 11,2% and 3,1%, respectively Keywords: Fuel additives, emission reduction, fuel economy Giới thiệu chung Với mức độ phát triển nhanh chóng ngành kinh tế hầu hết châu lục giới, nhu cầu tiêu thụ lượng nói chung, nhiên liệu diesel nói riêng ngày lớn dẫn tới khả thiếu hụt nguồn lượng hóa thạch Bên cạnh đó, khí thải từ động diesel nói chung, phương tiện vận tải trang bị động diesel nói riêng, có chứa nhiều chất độc hại gây ô nhiễm môi trường ảnh hưởng tới sức khỏe người Vì vậy, tìm kiếm giải pháp để sử dụng nhiên liệu cách hiệu giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ động diesel vấn đề quan tâm nghiên cứu Ngoài biện pháp cải tiến kết cấu động cơ, xử lý khí thải hướng nghiên cứu liên quan đến nhiên liệu gồm sử dụng loại nhiên liệu thay cồn ethanol, biodiesel, khí sinh học, CNG, DME, sử dụng phụ gia để cải thiện trình cháy nhiên liệu truyền thống quan tâm Sử dụng phụ gia nhiên liệu có ưu điểm phối trộn với tỷ lệ nhỏ nhiên liệu, quy mô sản xuất không cần lớn Bên cạnh đó, nhiên liệu pha phụ gia sử dụng động truyền thống mà không cần phải thay đổi kết cấu điều chỉnh thông số làm việc động Đã có nhiều nghiên cứu phụ gia nhiên liệu nhằm nâng cao hiệu sử dụng lượng Tuy nhiên nghiên cứu thường tập trung vào thực nghiệm động phịng thí nghiệm với phụ gia đơn lẻ vi nhũ nước dầu nano oxít kim loại Thử nghiệm sử dụng phụ gia nano ơxít xeri CeO2 động giúp giảm độ mờ khói tới 42,4% tốc độ 1400v/ph, THC giảm 12,4%, CO giảm 2,8%, NOx giảm 2,6%, CO2 tăng nhẹ 0,1% suất tiêu hao nhiên liệu giảm 7,7% [1] Cũng với phụ gia có nghiên cứu suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện tới 7,0% hầu hết phát thải giảm, phát SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Phương pháp nghiên cứu 2.1 Các bước nghiên cứu Thực nghiệm xây dựng đặc tính động (đặc tính ngồi đặc tính tải tốc độ 2.000v/ph); Xây dựng mơ hình mơ AVL Boost; Đánh giá độ tin cậy mơ hình; Mơ động sử dụng nhiên liệu DO, nhiên liệu DO pha phụ gia vi nhũ hệ với tỷ lệ 1/8000 tỷ lệ phụ gia lân cận 1/6000, 1/7000, 1/9000, 1/10000; SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 2.2 Xây dựng mơ hình mơ Đối tượng nghiên cứu động Huyndai D4BB Thông số kỹ thuật thể Bảng Bảng Thông số kỹ thuật động diesel D4BB Thông số Kiểu động Công suất định mức/tốc độ Mơ men cực đại/tốc độ Đường kính xy lanh Hành trình piston Tỷ số nén Giá trị xy lanh, kỳ 59kW/4000v/ph 170Nm/2200v/ph 91,1mm 100mm 18:1 Động diesel D4BB sử dụng nghiên cứu qua sử dụng nên thông số kỹ thuật không giống với động Nghiên cứu thử nghiệm xây dựng đường đặc tính ngồi động (Hình 1), kết cho thấy động có mômen lớn 144,3Nm tốc độ 2.000v/ph, tốc độ 4.000v/ph 100% ga động rung giật mạnh khơng đảm bảo an tồn thử nghiệm nên tốc độ lớn chọn thử nghiệm 3.500v/ph Nghiên cứu mơ sử dụng phương trình nhiệt động học thứ để tính tốn q trình cháy động [6] 50 150 40 140 30 130 20 120 Ne 10 1000 1500 2000 2500 3000 Mômen (Nm) Để nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia vi nhũ hệ tới thông số trình cháy tính kỹ thuật phát thải động diesel Bài báo thực tính tốn mô phần mềm AVL - Boost Trong nghiên cứu mô phỏng, tỷ lệ pha phụ gia nhiên liệu 1/8000 tỷ lệ lân cận Nghiên cứu đánh giá tương đối toàn diện ảnh hưởng phụ gia vi nhũ hệ nhiên liệu DO với tỷ lệ khác động diesel Huyndai D4BB theo đường đặc tính ngồi đặc tính tải Từ kết đó, xây dựng mối quan hệ thông số cháy, thông số phát thải với tỷ lệ nhiên liệu pha phụ gia Đánh giá kết mô ảnh hưởng tỷ lệ phụ gia đến tính kỹ thuật phát thải động Công suất (kW) thải HC cải thiện tới 34,61% [2] Hiện nay, phụ gia vi nhũ hệ mới, bao gồm phụ gia vi nhũ nước dầu phụ gia nano oxít kim loại, vừa nâng cao công suất vừa giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều Phụ gia vi nhũ nước dầu cấu tạo pha phân tán (pha nước) pha liên tục (pha dầu) Hai chất lỏng chất không tự trộn lẫn với Cơ chế vi nổ giọt nước tồn dạng nhũ tương nhỏ bọc nhiên liệu diesel hóa điều kiện nhiệt động Sự hóa tạo nổ giọt diesel cải thiện trình nguyên tử hóa nhiên liệu, tốc độ bay cuối nâng cao q trình hịa trộn khơng khí -nhiên liệu [3] Nhằm tăng khả hấp thụ oxy cho q trình cháy, bổ sung hạt nano oxít kim loại vào phụ gia Do tính chất phụ gia vi nhũ hệ chứa nano oxít kim loại, nhiên liệu pha phụ gia phun vào xy lanh, phụ gia có nhiên liệu nhanh chóng khuếch tán tạo thành dạng hạt nước hình cầu kích cỡ nanomét Các hạt nano oxít 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 [4] Các thử nghiệm nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ hệ cho thấy hiệu suất tiêu hao nhiên liệu giảm 4,1%, phát thải CO, HC, NOx, độ khói giảm 6,36%, 7,72%, 7,72%, 3,42% [5] 110 100 3500 Tốc độ động (vịng/phút) Hình Xây dựng mơ hình mơ Q trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua thành buồng cháy nắp xy lanh, piston lót xy lanh tính dựa vào phương trình truyền nhiệt thể phương trình (1): Qwi = Ai a w Tc - Twi (1) Trong đó: Qwi nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xy lanh, piston, lót xy lanh); Ai diện tích truyền nhiệt (nắp xy lanh, piston, lót xy lanh); aw hệ số truyền nhiệt; Twi nhiệt độ thành (nắp xy lanh, piston, lót xy lanh); Tc nhiệt độ môi chất xy lanh Mơ hình Woschni 1978 phù hợp cho động 169 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 diesel sử dụng buồng cháy thống nhất, với động diesel, sử dụng để tính tốn hệ số truyền nhiệt [7] Mơ hình cháy sử dụng nghiên cứu mơ hình AVL MCC [8] CO sản phẩm cháy trình cháy thiếu O2, tức CO chủ yếu sinh từ q trình cháy khơng hồn tồn hydro cácbon [9] Cơ chế hình thành NOx mơ Boost dựa sở Pattas Hafner [10] Quá trình hình thành chúng thể qua sáu phương trình phản ứng theo chế Zeldovich Phát thải Soot thường dựa theo chế đề xuất Hiroyasu cộng [11] Sự hình thành phát thải HC động đốt nhà nghiên cứu quan tâm từ lâu Do hàm lượng phát thải HC động diesel nói chung nhỏ nên nghiên cứu này, mơ hình cháy MCC bỏ qua thành phần phát thải HC Mơ hình động xây dựng sở đặc điểm kết cấu động thực D4BB Trong Hình xây dựng mơ hình mơ động diesel diesel pha phụ gia, khơng khí từ SB1 qua phần tử lọc gió CL1 vào phần tử ổn định áp suất PL1 trước vào xy lanh C1 ¸ thơng qua đường ống ¸ 10, sau khí xả đưa ngồi nhờ đường ống khí thải 11 ¸ 22, phần tử PL2 SB2 2.3 Nhiên liệu trang thiết bị thử nghiệm Phụ gia sử dụng nghiên cứu phụ gia vi nhũ hệ dạng nhũ tương nước dầu (W/O) với hàm lượng nước 20% nano oxít sắt bổ sung vào DO với tỷ lệ 1/8000 tỷ lệ lân cận Tính chất đặc điểm phụ gia sau: (1) Chất hoạt động bề mặt (HĐBM): Hỗn hợp ethoxylated từ dầu dừa/Hydroxyethyl imidazoline/ polyethylen glycol este axit béo theo tỷ lệ 3/2/1; (2) Tỷ lệ chất HĐBM: 10,3 %; (3) Hàm lượng nước: 20% [12] cứu Động cơ, nhiên liệu khí thải, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Hình 3) Các thiết bị gồm phanh điện AVL APA100, cân nhiên liệu AVL733S có độ xác ±0,12%; tủ phân tích khí thải AVL CEBII có độ xác 0,1%; thiết bị đo hàm lượng muội AVL Smoke Meter có độ xác 0,1% Hình Sơ đồ băng thử động Trong phần mềm AVL - Boost định nghĩa sẵn hệ số phương trình nhiên liệu diesel chưa có hệ số nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ hệ Bên cạnh đó, với tỷ lệ phụ gia nhỏ 1/8000 tỷ lệ lân cận, tính chất nhiên liệu diesel pha phụ gia vi nhũ hệ tương đương với diesel thơng thường Do đó, nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ hệ định nghĩa giống diesel hệ số mơ hình cháy phương trình (3) hiệu chỉnh kết thực nghiệm nhằm đảm bảo q trình cháy mơ sát với thực tế Kết thảo luận 3.1 Đánh giá độ tin cậy mơ hình 1.0 Các hệ số 0.9 0.8 Thông số cháy Hệ số phát thải NOx 0.7 Hệ số phát thải Soot 0.6 DO DO-PG DO-PG DO-PG DO-PG DO-PG 1/6000 1/7000 1/8000 1/9000 1/10000 Loại nhiên liệu Hình Các thơng số điều chỉnh mơ Hình Xây dựng mơ hình mơ Nhiên liệu thử nghiệm nhiên liệu DO lưu hành thị trường có hàm lượng lưu huỳnh 0,05% Thử nghiệm lấy số liệu hiệu chỉnh mơ hình thực băng thử động Trung tâm nghiên 170 Để đảm bảo độ tin cậy mơ hình trước áp dụng nghiên cứu mô phỏng, mô hiệu chỉnh so sánh với số liệu thử nghiệm theo đường đặc tính tải tốc độ 2.000v/ph có mơmen lớn 147,1Nm diến biến áp suất xy lanh, phát SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ phụ gia tới tính kỹ thuật động Từ Hình cho thấy, công suất động sử dụng nhiên liệu DO - phụ gia lớn suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ so với động sử dụng nhiên liệu DO Trong động sử dụng nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 có mức độ cải thiện trung bình công suất suất tiêu hao nhiên liệu cao Giá trị tăng giảm lớn tốc độ 3.500v/ph với giá trị 4,3% 4,1% Tính tồn dải tốc độ, cơng suất tăng 2,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,6% Với lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình nhiên liệu, kết điều chỉnh mơ hình DO - phụ gia 1/8000 có hệ số cháy hiệu mơ hình DO Điều phù hợp với chế vi nổ nhiên liệu chứa phụ gia vi nhũ hệ giúp cháy khuếch tán không gian rộng làm trình cháy triệt để, hiệu sinh nhiệt cao 60 Cong suat (kW) 50 40 Ne DO Ne DO-PG1/7000 Ne DO-PG1/9000 ge DO ge DO-PG1/7000 ge DO-PG1/9000 Ne DO-PG1/6000 300 Ne DO-PG1/8000 Ne DO-PG1/10000 290 ge DO-PG1/6000 280 ge DO-PG1/8000 ge DO-PG1/10000 270 260 30 250 240 20 230 10 1000 1500 2000 2500 3000 Tốc độ động (vòng/phút) Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) 3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ phụ gia tới phát thải động 220 3500 Phát thải CO (ppm) Hình Kết công suất suất tiêu hao nhiên liệu 450 DO Phát thải NOx (ppm) Mối quan hệ thông số điều chỉnh hệ số phát thải thể hệ Hình giảm động dùng nhiên liệu DO Mức giảm lớn động sử dụng nhiên liệu DO - phụ gia với tỷ lệ 1/8000, độ giảm trung bình tồn dải tốc độ 10,8% Sự giảm phụ gia có tác dụng bổ sung oxy dẫn đến giảm tượng thiếu oxy cục bộ, trình cháy triệt để hơn, tăng nhiệt độ cháy DO-Phụ gia 1/6000 250 1000 1500 2000 2500 3000 Tốc độ động (vòng/phút) 1000 DO DO-Phụ gia 1/6000 DO-Phụ gia 1/7000 DO-Phụ gia 1/8000 DO-Phụ gia 1/9000 1500 2000 2500 3000 Tốc độ động (vòng/phút) 300 1000 DO DO-Phụ gia 1/6000 DO-Phụ gia 1/7000 DO-Phụ gia 1/8000 DO-Phụ gia 1/9000 DO-Phụ gia 1/10000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động (vịng/phút) Hình Phát thải CO - Với phát thải CO: Phát thải CO động dùng nhiên liệu DO - phụ gia với tỷ lệ khác SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 3500 Hình Phát thải Soot Bảng Suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải theo đặc tính tải Thơng số Tốc độ Tải DO ge (g/kWh) DO-PG 1/8000 Trung bình (%) DO CO (ppm) DO-PG 1/8000 Trung bình (%) DO NO x (ppm) DO-PG 1/8000 Trung bình (%) DO Độ khói (FSN) DO-PG 1/8000 Trung bình (%) 800 3500 Hình Phát thải NOx Độ khói (FSN) thải CO, NOx, Soot Trong q trình tính tốn, điều chỉnh thông số cháy, hệ số phát thải loại nhiên liệu nghiên cứu để sai số mô thực nghiệm nằm phạm vi cho phép (sai lệch áp suất đỉnh