Đánh giá tác động đặc tính lý hóa của nhiên liệu dầu cọ đến quá trình cháy hỗn hợp trước trong buồng cháy đẳng tích

Hòa trộn và xác định đặc tính lý hóa nhiên liệu thử nghiệm

Độ nhớt cao của nhiên liệu dầu cọ làm kích thước hạt nhiên liệu lớn, từ đó tác động đến quá trình nguyên tử hóa, hóa hơi nhiên liệu và kết quả là quá trình hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí kém. Chính kết quả này tác động trực tiếp tới quá trình cháy của nhiên liệu, quá trình cháy hòa trộn trước yếu. Bên cạnh đó, độ nhớt cao cũng gây ra hiện tượng cặn bám (deposit) trong xy lanh động cơ, và cũng yêu cầu tiêu thụ nhiều năng lượng cho quá trình bơm nhiên liệu tạo áp suất phun [34].

Khi cố định thời gian phun nhiên liệu, đặc tính mật độ nhiên liệu khác nhau sẽ ảnh hưởng đến kết quả lưu lượng khối lượng phun nhiên liệu khác nhau [34]. Nói cách khác, khi sử dụng nhiên liệu dầu cọ, với giá trị mật độ nhiên liệu cao hơn, sẽ làm tăng lượng năng lượng cấp vào trong mỗi chu kì hoạt động của động cơ. Nhiệt trị là giá trị đại diện cho lượng năng lượng giải phóng bởi quá trình cháy của một đơn vị nhiên liệu.

Nguyên nhân là nhiên liệu sinh học dầu cọ có chứa thành phần oxy trong cấu trúc nhiên liệu, kết quả làm giảm thành phần carbon và hydrogen. Chỉ số cetane là thông số cơ bản đặc trưng cho quá trình tự cháy của nhiên liệu diesel. Điều này dẫn đến chỉ số cetane càng tăng khi tăng nồng độ dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu.

Điều này có nghĩa, khi sử dụng nhiên liệu dầu cọ thời gian giữa quá trình phun nhiên liệu tới khi nhiên liệu tự cháy càng ngắn. Nguyên nhân được giải thích cho hiện tượng này là nhiên liệu diesel chứa các thành phần gốc paraffin với nhiệt độ chưng cất thấp. Thành phần nhiên liệu B100 chứa hầu hết là các fatty acid, với thành phần fatty acid palmitic và oleic chiếm 92.6 % khối lượng trong nhiên liệu dầu cọ [35].

Vì vậy, giá trị đặc tính nhiệt độ chưng cất của nhiên liệu B100 sẽ bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi giá trị đặc tính của 2 thành phần fatty acid này, đó là nguyên nhân giải thích tại sao sự chênh lệch giá trị nhiệt độ chưng cất T10, T50 và T90 của B100 là không đáng kể. Trong khi, nhiệt độ chưng cất của B0 chờnh lệnh rừ rệt ở T10, T50 và T90, bởi vỡ thành phần nhiên liệu của B0 chứa các gốc nhiên liệu alkan, alken, alkin và hydrocacbon mạch vòng. Chính sự khác biệt về thành phần nhiên liệu và cấu trúc mạch carbon (số C và dạng liên kết) quyết định đến lượng nhiệt cần để phá hủy mạch nhiên liệu.

Quy trình thực nghiệm đo đặc tính cháy trên CVCC .1 Quy trình thực nghiệm đốt cháy nhiên liệu dầu cọ

Van an toàn được gắn tại phần đáy của buồng cháy CVCC, với mục đích khi xảy ra sự cố, sẽ không gây ảnh hưởng tới người vận hành hệ thống. Một quạt hòa trộn với cách quạt được lắp đặt trực tiếp bên trong thân buồng cháy CVCC, và được điều khiển hòa trộn trong vòng 5 s, sau đó được điều khiển tắt trước khi quá trình của công nghệ cháy trước bắt đầu. Hỗn hợp hòa khí được đốt cháy cưỡng bức bởi tia lửa điện của Bugi với thời gian đánh lửa là TSP = 3.5 ms, tạo điều kiện môi trường hoạt động tương tự với điều kiện thực tế của động cơ diesel: nhiệt độ cao, áp suất cao và nồng độ oxy trong hỗn hợp hòa khí trước khi phun nhiên liệu.

Khi nhiệt độ hòa khí bên trong buồng cháy giảm tới ngưỡng nhiệt độ được thiết lập trước khi quá trình thực nghiệm bắt đầu, nhiên liệu áp suất cao (Pinj. = 2.0 ms với tất cả các hỗn hợp nhiên liệu thực nghiệm, lúc này quá trình cháy của nhiên liệu dầu cọ chính thức bắt đầu. Trong nghiên cứu này, thời điểm phun nhiên liệu được xác định là TASOSI = 847 ms sau khi có tín hiệu điều khiển đánh lửa.

Hơn nữa, tín hiệu phun nhiên liệu, tín hiệu điện áp kích hoạt kim phun, tín hiệu đánh lửa của bugi cũng được ghi lại nhằm phục vụ cho việc đánh giá tính chính xác của hệ thống điều khiển CVCC. Dữ liệu áp suất cháy đo bằng cảm biến áp suất động sẽ được nhập vào hệ thống phân tích dữ liệu cháy ngay sau khi thực nghiệm để so sánh với các kết quả áp suất cháy khác. Tại mỗi điều kiện thực nghiệm, các kết quả phải có độ tương đồng nằm trong giới hạn của phương pháp phân tích dữ liệu và có ít nhất 10 lần tương đồng về xu hướng kết quả để đảm bảo độ tin cậy của kết quả thực nghiệm.

Sau khi trải qua quá trình thực nghiệm liên tục, thân buồng cháy CVCC sẽ xuất hiện các muội than và cặn bám xung quanh thành buồng, đặc biệt tại vị trí tiếp xúc trực tiếp với tia phun nhiên liệu. Năm hỗn hợp nhiên liệu sinh học dầu cọ – diesel được sử dụng để so sánh đánh giá ảnh hưởng của nồng độ dầu cọ lên đặc tính quá trình cháy. Trong nghiên cứu này, áp suất nhiên liệu thực nghiệm được thay đổi ở mức 800 bar và 1200 bar, nhằm phản ánh ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu trung bình và cao tới đặc tính cháy.

Mỗi loại nhiên liệu có đặc tính độ nhớt và mật độ khác nhau, từ đó lưu lượng phun theo lý thuyết của mỗi loại nhiên liệu cũng khác. Quá trình thực nghiệm được thực hiện tại chế độ điều kiện hoạt động của động cơ diesel thương mại bao gồm 21% nồng độ oxy trong khí nạp trước khi phun, nhiệt độ hỗn hợp hòa khí tại thời điểm phun nhiên liệu là 1000 K, tương đương áp suất hỗn hợp hòa khí là 43 bar. Điều kiện này đại diện cho điều kiện môi trường bên trong xy lanh động cơ tại thời điểm piston ở gần điểm chết trên, và giai đoạn cuối quá trình nén.

Phương pháp xử lý số liệu và tính toán đặc tính quá trình cháy

Kết quả là năng lượng cấp vào của mỗi lần phun sẽ khác nhau giữa các hỗn hợp nhiên liệu thực nghiệm. Để có thể tính toán đặc tính tốc độ tỏa nhiệt, dữ liệu áp suất cháy từ thiết bị oscilloscope phải được thực hiện làm mịn. Hàm lọc nhiễu Bessel với thông số bậc lọc nhiễu là 2 và tần số cắt là 800 được sử dụng trong nghiên cứu này.

Kết quả đặc tính áp suất quá trình cháy sẽ được tính toán đầu tiên. Nếu độ lệch chuẩn của kết quả áp suất cháy lệch dưới 3 % so với giá trị trung bình, thì các đặc tính cháy tốc độ tỏa nhiệt và thời gian chờ cháy tiếp tục được tính toán. Nếu kết quả áp suất sai lệch trên 3 % thì dữ liệu này sẽ bị loại bỏ.

Chi tiết quy trình đánh giá lựa chọn đồ thị áp suất cháy cho tính toán các đặc tính quá trình cháy được hiển thị tại Phụ lục A. Sau khi dữ liệu áp suất cháy trung binh được tính toán, dữ liệu này sẽ được sử dụng để tính toán các đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu dầu cọ theo các công thức tính đặc tính đã được hiển thị tại mục 2.3.