v. Bố cục của luận án
1.3. Sử dụng nhiên liệu diesel sinh học cho động cơ diesel
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu luôn không ngừng tìm kiếm các nguồn nhiên liệu mới nhằm thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt. Trong số đó, nhiên liệu diesel sinh học được coi là một trong những nhiên liệu thay thế có tiềm năng do có nhiều ưu điểm như: khả năng tái tạo sinh học nhanh, hàm lượng lưu huỳnh rất thấp (<15ppm), độc tính thấp và có thể pha trộn với nhiên liệu diesel truyền thống theo bất kỳ tỉ lệ nào [35], trong khi nó không ảnh hưởng quá mức đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Tuy nhiên, do có sự thay đổi về thuộc tính hóa-lý, khả năng lưu trữ và độ ổn định oxi hóa kém, sự suy giảm về nhiệt trị nên quá trình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học cho động cơ cần có sự thay đổi nhất định.
Thuật ngữ hỗn hợp diesel sinh học (còn được gọi là biodiesel) dùng để chỉ hỗn hợp được tạo thành từ quá trình pha trộn nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) với nhiên liệu diesel truyền thống (B0) theo một tỷ lệ nhất định về thể tích. Hỗn hợp nhiên liệu diesel sinh học thường được ký hiệu là Bxx, trong đó xx là hai chữ số chỉ tỷ lệ thể tích của diesel sinh học trong hỗn hợp (ví dụ: B40 là hỗn hợp có chứa 40% diesel sinh học gốc B100 và 60% diesel truyền thống B0). Thuộc tính của nhiên liệu biodiesel phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn và nguồn gốc của diesel sinh học. Bảng 1.2 và Bảng 1.3 cho biết sự thay đổi các thuộc tính hóa-lý, khối lượng phân tử trung bình và mô đun đàn hồi của nhiên liệu biodiesel theo các tỉ lệ pha trộn khác nhau [4].
Bảng 1.2. Sự thay đổi thuộc tính hóa-lý của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn [4]
Thông số Loại nhiên liệu
B0 B20 B40 B60 B80 B100 Khối lượng riêng ở 15oC, [kg/m3] 839,6 843,4 849,9 856,3 862,8 869,3 Độ nhớt động học ở 15o
C, [cSt] 3,11 3,32 3,60 3,85 4,21 4,6 Nhiệt trị thấp, Hu, [MJ/kg] 42,91 41,77 40,65 39,55 38,46 37,39 Trị số xê tan 52,4 54,4 57,4 62,4 63,9 66,9
Bảng 1.3. Tỷ lệ C:H:O, khối lượng phân tử trung bình, mô đun đàn hồi và công thức hóa học đại diện của các hỗn hợp diesel/biodiesel [4]
Hỗn hợp diesel/biodiesel CTHH đại diện KLPT [g.mol-1] C [%] H [%] O [%] Mô đun đàn hồi, [MPa] B0 C13.9H24.86O0.01 191,8 86,97 12,96 0,07 1575 B20 C14.64H26.49O0.3 206,74 85,15 12,84 2,32 - B40 C15.48H28.36O0.63 223,91 83,35 12,72 4,54 1634 B60 C16.46H30.52O1.02 243,86 81,59 12,61 6,72 - B80 C17.6H33.04O1.47 264,47 79,84 12,49 8,87 - B100 C18.94H36.03O2 295,31 78,13 12,38 10,99 1717 Theo Bảng 1.2, khi tỉ lệ pha trộn thay đổi thì tỷ lệ C:H:O cũng thay đổi nên sẽ làm thay đổi các thuộc tính của biodiesel so với diesel truyền thống. Tuy nhiên, sự thay đổi các thuộc tính hóa-lý (tỷ lệ C:H:O, sức căng mặt ngoài, độ nhớt, tỷ trọng...) và đặc tính (nhiệt trị thấp, trị số xê tan...) của nhiên liệu diesel sinh học ở các mức pha trộn khác nhau lại xảy ra theo những chiều hướng rất khác nhau. Nhìn chung, khi tăng tỉ lệ pha trộn của nhiên liệu diesel sinh học: khối lượng riêng, trị số xê tan, độ nhớt động học và mô đun đàn hồi của nhiên liệu tăng, trong khi giá trị nhiệt trị của nhiên liệu lại có xu hướng giảm. Sự thay đổi về thuộc tính của nhiên liệu diesel sinh học làm ảnh hưởng đến QLCCNL của động cơ [35] (như diễn biến tốc độ phun, lượng phun, sự phân rã của chùm tia phun,...), tác động trực tiếp đến các thông số nhiệt động của động cơ (như thời gian cháy trễ, tốc độ tỏa nhiệt...) và tuổi thọ của các chi tiết trên động cơ (đặc biệt là các chi tiết bằng nhựa). Từ đó, chúng ảnh hưởng đến quá trình cháy của nhiên liệu trong xi lanh, ảnh hưởng tới công suất, hiệu suất nhiệt, phát thải và tuổi thọ của động cơ [36]. Một số nghiên cứu còn chỉ ra nhiên liệu diesel sinh học có đặc tính hút ẩm mạnh có thể được sử dụng làm dung môi, do đó chúng có thể làm ăn mòn và phá hủy một số thành phần nhựa trong HTPNL, làm gia tăng sự pha loãng dầu bôi trơn của động cơ, yêu cầu phải thường xuyên thay dầu.
Payri và các cộng sự [37] chỉ ra rằng, trên thực tế, việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có nhiều ảnh hưởng đối với sự vận hành hệ thống phun. Ví dụ, do khối lượng riêng và độ nhớt của diesel sinh học thường cao hơn so với diesel truyền thống nên giá trị IR lớn nhất với nhiên liệu diesel sinh học sẽ cao hơn trong điều kiện kim phun đã nâng tối đa [37]. Độ nhớt cao hơn có thể ảnh hưởng đến sự vận hành của vòi phun, làm chậm việc mở và đóng kim phun từ đó làm thay đổi độ trễ mở và trễ đóng của vòi phun. Đặc biệt độ nhớt cao còn tác động tiêu cực đến sự ổn
định khi phun nhiều lần trong một CTCT [37], từ đó ảnh hưởng đến thời gian dừng cần thiết giữa các lần phun (là thời gian dừng đảm bảo quá trình phun hoạt động ổn định). Lapuerta và các cộng sự [38] kết luận rằng khi nhiên liệu diesel sinh học được phun vào, do mô đun đàn hồi của biodiesel lớn hơn nên năng lượng cần để nén nhiên liệu thấp hơn, sự gia tăng áp suất do bơm cao áp tạo ra đạt được nhanh hơn và tốc độ truyền áp suất tới các vòi phun nhanh hơn. Ngoài ra, biodiesel có độ nhớt lớn hơn sẽ làm giảm sự rò rỉ của bơm cao áp, giảm rò rỉ ở các phần tử trong vòi phun, cho phép tăng áp suất phun. Tất cả điều này dẫn đến việc mở kim phun nhanh hơn và sớm hơn so với nhiên liệu diesel. Đây được coi là một trong các lý do giúp giải thích các đỉnh nhiệt độ cao hơn và hàm lượng phát thải NOx lớn hơn khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học, đặc biệt là trong trường hợp sử dụng HTPNL kiểu cơ khí truyền thống.
Một số nghiên cứu trên động cơ diesel đã cho thấy rằng việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có ảnh hưởng rõ rệt đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu cho thấy sự ảnh hưởng này cũng có nhiều chiều hướng khác nhau. Có sự đồng thuận chung giữa các nhà nghiên cứu rằng, nhiên liệu diesel sinh học và diesel khoáng đều cho công suất động cơ tương tự nhau cũng như đặc điểm quá trình cháy ở mức pha trộn thấp của diesel sinh học, nhưng nhiên liệu diesel sinh học có thời gian cháy trễ ngắn hơn, nhiệt độ cháy cao hơn, áp suất cháy lớn hơn và đỉnh tốc độ giải phóng nhiệt cao hơn. Một số công trình khẳng định, việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có thể làm giảm công suất, mô men động cơ đồng thời tăng mức tiêu thụ nhiên liệu [35, 39-41]. Về phát thải, gần như tất cả các nhà nghiên cứu đều đồng ý rằng hỗn hợp diesel sinh học có liên quan đến việc giảm tỷ lệ phát thải soot, CO và lượng hydrocarbon không cháy (HC), trong khi phát thải NOx tăng. Sự gia tăng NOx khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học còn được gọi là “Hiệu ứng NOx của nhiên liệu diesel sinh học” - là một chủ đề vẫn đang được tranh luận do các cơ chế hình thành NOx đối với nhiên liệu diesel sinh học phức tạp hơn nhiều so với nhiên liệu diesel khoáng.
Lapuerta và các cộng sự [38], kết luận rằng khi sử dụng diesel sinh học cho động cơ diesel có một số đặc điểm sau: (i) suất tiêu hao nhiên liệu tăng theo tỷ lệ pha trộn do liên quan đến sự suy giảm nhiệt trị của nhiên liệu diesel sinh học; (ii) hàm lượng thải soot giảm mạnh; (iii) có khả năng tái tạo và không lo bị cạn kiệt. Suất tiêu hao nhiên liệu lớn hơn không phải do hiệu suất nhiên liệu diesel sinh học giảm mà chủ yếu là nhiệt trị của diesel sinh học thấp hơn. Về hiệu ứng NOx của diesel sinh học, công trình [38] cũng chỉ ra rằng phần lớn các nghiên cứu đều khẳng định sự giảm phát thải NOx khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học, một số nghiên cứu khác
nhận thấy NOx chỉ tăng trong một số điều kiện hoạt động nhất định hoặc ít có sự khác biệt giữa diesel và diesel sinh học [42, 43]; hoặc thậm chí NOx giảm khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học [44, 45].
Szybist và cộng sự [46] nói rằng: diesel sinh học giống như các loại nhiên liệu diesel có oxy khác, có thể làm giảm lượng soot hình thành trong quá trình cháy nhưng nó cũng có thể làm tăng lượng phát thải NOx trong động cơ sử dụng HTPNL kiểu cơ khí. Giống như phần lớn các nhà nghiên cứu khác, họ lý giải cơ chế chính của hiện tượng trên là do sự dịch chuyển (sớm lên) của thời điểm bắt đầu phun (SOI) gây ra do mô đun đàn hồi cao hơn. Tuy vậy, đối với động cơ sử dụng HTPNL kiểu CR, họ khẳng định sự gia tăng của NOx khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học chỉ xảy ra trong một số trường hợp nhất định và trong những trường hợp này, họ phủ nhận sự gia tăng NOx trong động cơ CR là do sự khác nhau về mô đun đàn hồi của nhiên liệu, coi đây vẫn là một câu hỏi mở.
Qi và cộng sự [47] gần đây đã chỉ ra phát thải NOx giảm trung bình 5% khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có nguồn gốc từ đậu nành so với diesel khoáng trong động cơ diesel cao tốc, một xi lanh, bốn thì, không tăng áp, làm mát bằng nước, phun trực tiếp. Công suất động cơ ở chế độ toàn tải là rất giống nhau đối với cả hai loại nhiên liệu, trong khi mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn đối với nhiên liệu diesel sinh học do nhiệt trị của nó thấp hơn. Hiệu suất nhiệt gần như giống hệt nhau, trong khi lượng khí thải CO, HC và soot ở chế độ toàn tải khi sử dụng diesel sinh học hơi giảm đi.
Monyem và Van Gerpen [48] đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình oxi hóa biodiesel đến hiệu suất của động cơ diesel bốn xi lanh, bốn kỳ, phun trực tiếp, có tăng áp, nhận thấy hiệu suất động cơ và hiệu suất nhiệt khi sử dụng diesel sinh học, diesel khoáng và hỗn hợp của chúng tương tự nhau, nhưng suất tiêu hao nhiên liệu với diesel sinh học lớn hơn. Nhiên liệu diesel sinh học và hỗn hợp pha trộn của nó tạo ra lượng khí thải CO, HC và soot thấp hơn, trong khi NOx cao hơn 13% –14% so với nhiên liệu diesel, sự khác biệt giữa nhiên liệu diesel khoáng và B20 là không đáng kể.
Rakopoulos và cộng sự [49] đã nghiên cứu hiệu suất và phát thải của một động cơ diesel phun trực tiếp, hút khí tự nhiên, sử dụng nhiên liệu diesel pha trộn với nhiều loại nhiên liệu diesel sinh học có nguồn gốc khác nhau ở tỷ lệ pha trộn 10/90 và 20/80. Họ tìm thấy sự giống nhau về hiệu suất động cơ và hiệu suất nhiệt của nhiên liệu với tất cả các hỗn hợp pha trộn có nguồn gốc khác nhau. Phát thải soot và CO giảm dần với hỗn hợp nhiên liệu có tỉ lệ diesel sinh học cao, hàm lượng phát thải HC không có xu hướng rõ ràng. Một phát hiện trái ngược với số lượng lớn
các công trình đã công bố là phát thải NOx đã giảm nhẹ với các hỗn hợp diesel sinh học có nguồn gốc khác nhau sử dụng trong nghiên cứu.
Từ những vấn đề nêu trên, khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học với các tỷ lệ pha trộn khác nhau cần phải quan tâm đến một số vấn đề sau:
- Do sự gia tăng về tỷ trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt ngoài nên sẽ tác động đến quá trình hình thành, phát triển và phân rã tia phun; quá trình hòa trộn của hạt nhiên liệu với không khí. Nhìn chung, khi tăng tỷ lệ pha trộn của biodiesel, cần tăng áp suất phun nhiên liệu để đảm bảo mức độ phun tơi.
- Do sự suy giảm về nhiệt trị nên để duy trì công suất (mô men xoắn) của động cơ thì cần tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình;
- Do sự gia tăng về hàm lượng ôxy trong nhiên liệu, sự gia tăng về trị số xê tan và mô đun đàn hồi của nhiên liệu nên để giảm hàm lượng phát thải NOx cần thiết phải giảm góc phun sớm nhiên liệu. Tuy nhiên, điều này chỉ phù hợp với động cơ sử dụng HTPNL kiểu cơ khí còn đối với động cơ sử dụng HTPNL kiểu CR cần xét đến từng chế độ vận hành cụ thể.
- Việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có tỉ lệ pha trộn thấp (không quá 20%) không tạo ra sự khác biệt đáng kể so với nhiên liệu diesel khoáng về công suất, mô men, hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.4.1. Trên thế giới
1.4.1.1. Các công trình nghiên cứu về đặc tính vòi phun kiểu CommonRail
Trong HTPNL kiểu CR, một số thông số của QLCCNL như thời điểm phun, thời gian phun, lượng phun, tốc độ phun… không điều khiển được trực tiếp mà phải điều khiển gián tiếp thông qua dòng điện điều khiển cấp tới vòi phun và phụ thuộc vào đặc tính của vòi phun (độ trễ mở, độ trễ đóng, lưu lượng của vòi phun - Flow Number
[50]…). Để nghiên cứu ảnh hưởng của các kỹ thuật phun đến sự vận hành của động cơ, việc xác định chính xác các thông số của QLP thông qua việc xác định đặc tính của vòi phun là cần thiết. Hiện nay, nhìn chung các công trình nghiên cứu trên thế giới về đặc tính vòi phun kiểu CR là chưa nhiều và cũng mới được công bố trong những năm gần đây. Các công trình này tập trung làm rõ mối quan hệ giữa các thông số điều khiển vòi phun và thông số phun, cách xác định các thông số của quá trình phun.
Tài liệu của Konrad Reif [29] đã mô tả QLCCNL và các thông số điều khiển vòi phun, bao gồm vòi phun CR (kiểu điện từ; piezo). Tài liệu này đã chỉ ra phương pháp điều khiển vòi phun kiểu điện từ và các thuật ngữ mô tả QLCCNL (thời gian cấp điện -ET, thời gian phun - IT, độ trễ mở của vòi phun - NOD, và độ trễ đóng của
vòi phun - NCD). Tài liệu cũng khẳng định thông số điều khiển vòi phun chính là dòng điện điều khiển vòi phun (ET), độ lớn và diễn biến của ET ở các chế độ vận hành của động cơ đã được xây dựng sẵn trong các bản đồ dữ liệu tích hợp trong ECU. Vì vậy, việc xác định chính xác QLCCNL, mối quan hệ giữa thông số điều khiển và QLCCNL đóng vai trò hết sức quan trọng khi nghiên cứu các kỹ thuật phun mới, nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển vòi phun, chính xác hóa thời điểm bắt đầu phun và lượng cung cấp nhiên liệu, từ đó có biện pháp cải thiện hiệu suất động cơ, tăng công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.
Melis cùng các cộng sự [51], đã xây dựng các mô hình cho PC2GĐ để ước lượng độ trễ mở và độ trễ đóng của vòi phun điện từ, từ đó xác định được mối liên hệ giữa thời gian cấp điện (ET) và thời gian phun (IT). Dựa trên ước lượng về các độ trễ của vòi phun, nhóm tác giả đã đưa ra cách ước lượng thời gian dừng thủy lực giữa hai lần phun (RDT) thông qua thời gian dừng điện (DT). Với mạch nghiên cứu đó, Melis cùng các cộng sự [52] cũng đã chỉ ra phương pháp điều khiển vòi phun khi thực hiện PCNGĐ (hiệu chỉnh thời gian cấp điện ET của các lần phun và thời gian dừng DT giữa chúng), để đạt được thời gian dừng thủy lực (RDT) mong muốn, đặc biệt là trường hợp hai xung phun rất gần nhau (tức là trường hợp không tồn tại khoảng trống thủy lực giữa hai lần phun RDT = 0).
Ảnh hưởng của dao động và truyền sóng áp suất của lần phun thứ nhất đến thời gian phun và lượng phun của lần phun thứ hai khi PNGĐ cũng được trình bày trong một số nghiên cứu [53-55]. Akiyama và cộng sự [55] đã chỉ ra rằng, có sự thay đổi (dao động) của lượng phun lần hai do tác động của sóng áp suất của lần phun thứ nhất khi nghiên cứu về trường hợp phun ba giai đoạn (phun mồi + phun chính + phun muộn). Do đó, để kiểm soát tổng lượng nhiên liệu cấp cho một chu