v. Bố cục của luận án
4.4.3. Ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến các thông số công tác của
động cơ khi PC2GĐ
Nhiên liệu diesel sinh học ở các tỉ lệ pha trộn khác nhau sẽ có thuộc tính hóa- lý khác nhau về: độ nhớt, khối lượng riêng, nhiệt trị, trị số cetan… Trong đó, sự thay đổi các thông số vật lý của nhiên liệu (đặc biệt là độ nhớt, khối lượng riêng) sẽ có tác động trực tiếp đến đặc tính của vòi phun như thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, diễn biến IR, từ đó ảnh hưởng đến QLCCNL, quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong xi lanh động cơ. Tuy nhiên, theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm đặc tính phun của vòi phun CRI2.2 trình bày trong mục 2.3.4 và mục 2.3.5 thì sự ảnh hưởng của thuộc tính diesel sinh học đến diễn biến IR đối với HTPNL kiểu CR là không lớn. Kết quả thực nghiệm cho vòi phun CRI2.2 cho thấy, khi sử dụng PC2GĐ, các đường diễn biến IR đối với B0, B40, B100 bám rất sát nhau cả về thời
điểm bắt đầu phun, kết thúc phun và diễn biến quá trình phun; sai số lớn nhất về lượng phun trong trường hợp sử dụng B0, B40, B100 (khi xét cùng trong cùng điều kiện vận hành) là 7%. Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của PC2GĐ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên HTPNL kiểu CR, có thể giả thiết rằng diễn biến quá trình phun là giống nhau với các tỉ lệ pha trộn khác nhau của diesel sinh học.
Tuy nhiên, do sự suy giảm về nhiệt trị của diesel sinh học nên để đảm bảo tổng nhiệt năng cấp vào cho động cơ trong một CTCT là không đổi, cần thiết phải bổ sung một lượng nhiên liệu nhất định cho diesel sinh học tùy theo tỉ lệ pha trộn. Bảng 4.3 cho biết lượng diesel sinh học cần bổ sung tương ứng với các mức pha trộn khác nhau và Bảng 4.4 cho biết lượng nhiên liệu cấp cho một CTCT của B0, B40, B100 sau khi đã bổ sung để bù sự suy giảm nhiệt trị (ở chế độ đặc tính ngoài của động cơ). Theo Bảng 4.3 và Bảng 4.4, khi tỉ lệ pha trộn tăng thì lượng nhiên liệu cần bổ sung cũng tăng, lớn nhất là B100 (bổ sung 14,74% về khối lượng hoặc 14,19% về thể tích). Do lượng nhiên liệu tăng lên so với khi sử dụng diesel khoáng nên thời gian phun tương ứng cũng tăng, kết hợp với sự thay đổi các thuộc tính hóa - lý của nhiên liệu diesel sinh học so với nhiên liệu diesel khoáng, làm thay đổi quá trình tạo hỗn hợp và các quá trình nhiệt động trong xi lanh, từ đó làm thay đổi mô men, công suất và các chỉ tiêu công tác khác của động cơ.
Bảng 4.3. Lượng nhiên liệu cần bổ sung khi sử dụng hỗn hợp diesel/biodiesel
Hỗn hợp
diesel/biodiesel Lượng bổ sung nhiên liệutheo khối lượng [%] Lượng bổ sung nhiên liệutheo thể tích [%]
B40 5,55 5,46
B100 14,74 14,19
Bảng 4.4. Lượng nhiên liệu cấp cho một CTCT ứng với các mức pha trộn khác nhau của biodiesel (sau khi bù suy giảm nhiệt trị)
Chế độ Tải động cơ Tốc độ động cơ, [vg/ph] Lượng phun, [mg] B0 B40 B100 1 100% 3500 70,8 74,7 81,2
Khi sử dụng B40 và B100, lượng phun tăng lên trong khi tổng nhiệt cấp vào không đổi, dẫn đến sự suy giảm đáng kể mô men của động cơ khi giữ nguyên thời điểm bắt đầu phun như khi sử dụng B0. Kết quả mô phỏng cho thấy sự giảm mô men có thể lên đến 8,2% với B40 và 11,3% với B100 khi PC1GĐ. Do đó, để hạn chế sự suy giảm mô men của động cơ cần thiết phải điều chỉnh SOI với B40 và B100. Bảng 4.5 thể hiện sự thay đổi SOI khi PC1GĐ với B40 và B100 so với B0.
Bảng 4.5. Sự thay đổi SOI khi PC1GĐ với B40 và B100 so với B0
Nhiên liệu Thời điểm SOI ứng với Me max [o GQTK]
B0 -11.5
B40 -12
B100 -13
Kết quả đạt được khi khảo sát ảnh hưởng của PC2GĐ đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A với B0 (mục 4.4.1 và 4.4.2), cho thấy: với SOI1 = -17,5o GQTK, tỉ lệ phun 70/30, RDT = 10o GQTK sẽ cho hiệu quả cải thiện tốt về hàm lượng phát thải soot (giảm 39,6%), trong khi sự suy giảm mô men của động cơ không vượt quá 5%. Trên cơ sở này, ảnh hưởng của PC2GĐ khi sử dụng diesel sinh học (B40 và B100) ở n = 3500 vg/ph, 100% tải cũng được lựa chọn khảo sát ở chế độ tương tự và được trình bày trong Bảng 4.6. Kết quả thu được sẽ so sánh với PC1GĐ của cùng loại nhiên liệu và SOI được sử dụng như trong Bảng 4.6.
Bảng 4.6. Chế độ khảo sát sự ảnh hưởng của diesel sinh học đến các thông số công tác của động cơ khi PC2GĐ so với PC1GĐ
Nhiên
liệu Kỹ thuật phun Tải động cơ Tốc độ động cơ, [vg/ph] Áp suất phun, [bar] SOI1, [o GQTK] RDT, [o GQTK] B40 PC1GĐ 100% 3500 1598 -12 RDT= 10 PC2GĐ 70/30 -34 ÷ -12 (12 bước) B100 PC1GĐ 100% 3500 1598 -13 RDT= 10 PC2GĐ 70/30 -35 ÷ -13 (12 bước)
Hình 4.19 và Hình 4.20 trình bày kết quả so sánh các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ giữa PC2GĐ với PC1GĐ khi sử dụng B40 và B100. Nhìn chung, khi PC2GĐ, sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ với B40 và B100 có xu hướng tương tự như B0. Mô men xoắn của động cơ khi PC2GĐ đều bị suy giảm so với PC1GĐ từ 2% đến 8%. Đồng thời suất tiêu hao nhiên liệu của PC2GĐ đều cao hơn PC1GĐ từ 4% đến 7,5%. Tương tự như B0, trong phạm vi giới hạn sự suy giảm mô men động cơ không quá 5%, mục tiêu giảm phát phải soot khi PC2GĐ có thể được tìm thấy trong vùng SOI1 từ -22 đến -16o GQTK đối với B40 và trong vùng từ -23 đến -17o GQTK đối với B100.
340 (a) 335
330
Đường giới hạn 5% mô men so với PC1GĐ
325 320 315 310
-34-32-30-28-26-24-22-20-18-16-14-12
Thời điểm bắt đầu phun lần 1 (SOI1), [độ GQTK]
Mô men_PC1GĐ Mô men_PC2GĐ
280 (b)
Suất tiêu thụ nhiên liệu_PC1GĐ Suất tiêu thụ nhiên liệu_PC2GĐ
270
260
250
-34-32-30-28-26-24-22-20-18-16-14-12
Thời điểm bắt đầu phun lần 1 (SOI1), [độ GQTK]
12 (c) 10 NOx_PC1GĐNOx_PC2GĐ 8 6 4 2 0 -34-32-30-28-26-24-22-20-18-16-14-12
Thời điểm bắt đầu phun lần 1 (SOI1), [độ GQTK]
Su ất tiê u th ụ nh iê n liệ u, [g/ k M ô m en xo ắn , [N N O x, [g/ k W
300 (b) 295
290 285
280 Suất tiêu thụ nhiên liệu_PC1GĐ Suất tiêu thụ nhiên liệu_PC2GĐ 275
270
-35-33-31-29-27-25-23-21-19-17-15-13
Thời điểm bắt đầu phun lần 1 (SOI1), [độ GQTK]
5 (d) 4 Soot_PC1GĐ Soot_PC2GĐ 3 2 1 0 -34-32-30-28-26-24-22-20-18-16-14-12
Thời điểm bắt đầu phun lần 1 (SOI1), [độ GQTK]
340 (a)
335
330Đường giới hạn 5% mô men so với PC1GĐ 325
320 315
-35-33-31-29-27-25-23-21-19-17-15-13
Thời điểm bắt đầu phun lần 1 (SOI1), [độ GQTK]
Mô men_PC1GĐ Mô men_PC2GĐ
Hình 4.19. Ảnh hưởng của SOI1 đến các thông số công tác của động cơ ở chế độ 100% tải, nđc = 3500vg/ph tỉ lệ phun 70/30, nhiên liệu B40
Su ất tiê u th ụ nh iê n liệ u, [g/ k M ô m en xo ắn , [N So ot, [g/ k W h]
14 (c) 12 NOx_PC1GĐ NOx_PC2GĐ 10 8 6 4 2 0 -35-33-31-29-27-25-23-21-19-17-15-13
Thời điểm bắt đầu phun lần 1 (SOI1), [độ GQTK]
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 (d) Soot_PC1GĐ Soot_PC2GĐ -35-33-31-29-27-25-23-21-19-17-15-13
Thời điểm bắt đầu phun lần 1 (SOI1), [độ GQTK]
Hình 4.20. Ảnh hưởng của SOI1 đến các thông số công tác của động cơ ở chế độ 100% tải, nđc = 3500 vg/ph tỉ lệ phun 70/30, nhiên liệu B100
Kết quả so sánh tương quan giữa độ giảm soot và độ tăng NOx của B40 và B100 được trình bày trong Bảng 4.7 và Bảng 4.8. Kết quả so sánh trong Bảng 4.7 cho thấy, tại SOI1 = -18o GQTK hàm lượng phát thải soot giảm lớn nhất (31,3%), trong khi độ tăng NOx không quá lớn (46%). Tại tại SOI1 = -16o GQTK độ tăng NOx
nhỏ nhất (31%) nhưng độ giảm soot không cao (14,1%). Vì vậy, để giảm hàm lượng phát thải soot khi sử dụng PC2GĐ ở 3500 vg/ph, 100% tải, các thông số QLCCNL phù hợp nhất ứng với B40 nên chọn là: SOI1 = -18o GQTK với tỉ lệ phun 70/30, RDT = 10o GQTK. Tương tự căn cứ vào kết quả so sánh trong Bảng 4.8, QLCCNL phù hợp cho PC2GĐ khi sử dụng B100 nên lựa chọn là: SOI1 = -19o GQTK với tỉ lệ phun 70/30, RDT = 10o GQTK. N O x, [g/ k W So ot, [g/ k W h]
Bảng 4.7. So sánh độ giảm hàm lượng phát thải soot và độ tăng hàm lượng phát thải NOx giữa PC1GĐ và PC2GĐ khi sử dụng B40
SOI1 [o GQTK] Soot, [g/kWh] NOx, [g/kWh] PC1GĐ PC2GĐ Độ giảm PC1GĐ PC2GĐ Độ tăng -22 1,63 1,21 25,8% 4,19 7,54 80% -20 1,63 1,21 25,8% 4,19 6,82 63% -18 1,63 1,12 31,3% 4,19 6,11 46% -16 1,63 1,4 14,1% 4,19 5,52 31%
Bảng 4.8. So sánh độ giảm hàm lượng phát thải soot và độ tăng hàm lượng phát thải NOx giữa PC1GĐ và PC2GĐ khi sử dụng B100
SOI1 [o GQTK] Soot, [g/kWh] NOx, [g/kWh] PC1GĐ PC2GĐ Độ giảm PC1GĐ PC2GĐ Độ tăng -23 1,81 1,55 14,4% 4,39 8,55 94% -21 1,81 1,34 26% 4,39 7,28 66% -19 1,81 1,09 39,8% 4,39 6,5 45% -17 1,81 1,28 29,3 4,39 6,02 37% 4.5. Kết luận Chƣơng 4
Từ những nội dung đã thực hiện trong chương 4, nghiên cứu sinh rút ra một số kết luận:
1- Thời gian dừng giữa hai lần phun (RDT) và tỉ lệ phun có ảnh hưởng rõ rệt đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ. Khi RDT tăng, mô men xoắn có xu hướng giảm, mức độ giảm phụ thuộc vào tỉ lệ phun. Mô men xoắn lớn nhất đạt được tại RDT = 0o GQTK và nhỏ nhất tại RDT = 28o GQTK trong phạm vi khảo sát. Độ giảm của mô men càng lớn ứng với tỉ lệ phun có lượng phun lần 1 càng nhỏ: với tỉ lệ phun 70/30 độ giảm mô men lớn nhất là 29,6 Nm, tương ứng 9,1%; ở tỉ lệ phun 50/50 là 68,2 Nm, tương ứng 21,1% và ở tỉ lệ phun 30/70 là 124 Nm, tương ứng 38,5%. Trái ngược với mô men, khi RDT tăng, suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng, suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất đạt được khi RDT = 00 GQTK và lớn nhất khi RDT
lượng phun lần 1 càng nhỏ: với tỉ lệ phun 70/30 là 24,3 g/kWh, tương ứng 9,8%; với tỉ lệ phun 50/50 là 68,1 g/kWh, tương ứng 27% và với tỉ lệ phun 30/70 là 156,9 g/kWh, tương ứng 62,3%.
2- RDT = 0o GQTK mang lại lợi ích cho động cơ về giá trị công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải NOx (mô men xoắn đạt giá trị lớn nhất, suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất và hàm lượng phát thải NOx nhỏ nhất), tuy nhiên phát thải soot lại có giá trị cao nhất. Trong khi, với RDT = 10o GQTK sẽ cho giá trị phát thải soot thấp nhất khi sử dụng tỉ lệ phun 70/30 và trong trường hợp này mô men giảm không quá 5,2%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm không quá 5,6% và phát thải NOx cao hơn không quá 7,2% so với RDT = 0o GQTK.
3- Tỉ lệ phun có lượng phun lần 1 thấp giúp giảm phát thải NOx tuy nhiên phát thải soot lại có xu hướng tăng. Trường hợp lượng phun lần 1 cao, phát thải NOx và soot có xu hướng ngược lại. Vì vậy, muốn đạt được mục tiêu giảm hàm lượng phát thải (NOx hoặc soot) cần lựa chọn tỉ lệ phun phù hợp.
4- Việc kỳ vọng giảm hàm lượng các chất ô nhiễm (ưu tiên giảm soot) tại chế độ tải cao (100% tải), tốc độ cao (3500 vg/ph) có thể đạt được khi sử dụng phun chính hai giai đoạn. Tuy nhiên, hiệu quả của phun chính hai giai đoạn phụ thuộc vào tỉ lệ phun, thời điểm bắt đầu phun lần 1 và thời gian dừng giữa hai lần phun và loại nhiên liệu sử dụng. Với B0, hàm lượng soot có thể giảm tới 39,7%; với B40 là 31,3% và B100 là 39,8%.
5- Nhiên liệu diesel sinh học có ảnh hưởng đến QLCCNL của động cơ và các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ chủ yếu do sự suy giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Để bù sự suy giảm nhiệt trị của nhiên liệu nên lượng phun tăng, làm kéo dài thời gian phun. Vì vậy, thời điểm bắt đầu phun khi sử dụng diesel sinh học có xu hướng sớm lên trong cả hai trường hợp phun chính một giai đoạn và phun chính hai giai đoạn. QLCCNL phù hợp giúp giảm phát thải soot (trong khi mô men suy giảm không vượt quá 5%) ứng với B0 là SOI1 = -17,5o GQTK với tỉ lệ phun 70/30, RDT
= 10o GQTK và B40 là SOI1 = -18o GQTK với tỉ lệ phun 70/30, RDT = 10o GQTK, còn với B100 là: SOI1 = -19o GQTK với tỉ lệ phun 70/30, RDT = 10o GQTK.
KẾT LUẬN CHUNG, HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận chung
Luận án đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của phun chính hai giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế- kỹ thuật của động cơ Hyundai 2.5 TCI-A khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học. Luận án đã đạt được các kết quả cụ thể như sau:
1- Đã xác định đặc tính của vòi phun CommonRail kiểu điện từ CRI2.2. Từ đó làm rõ mối quan hệ giữa các thông số điều khiển và các thông số của quá trình phun, đánh giá khả năng của vòi phun CRI2.2 khi động cơ chuyển sang sử dụng phun chính hai giai đoạn.
2- Khi áp dụng phun chính hai giai đoạn, thời gian dừng giữa hai lần cấp điện là thông số đặc biệt quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến QLCCNL của động cơ. Thay đổi thời gian dừng giữa hai lần cấp điện sẽ làm thay đổi diễn biến tốc độ phun lần 2, từ đó làm thay đổi lượng phun lần 2 đồng thời thay đổi tổng lượng phun và tỉ lệ phun giữa hai lần phun. Đây là một trong những khó khăn khi nghiên cứu về kỹ thuật phun chính hai giai đoạn.
3- Khi sử dụng loại nhiên liệu khác nhau B0, B40 và B100, thuộc tính nhiên liệu (độ nhớt, khối lượng riêng, mô đun đàn hồi của nhiên liệu) thay đổi, tuy nhiên dưới tác động của áp suất phun cao (600 bar đến 1600 bar), các đường diễn biến tốc độ phun của B0, B40 và B100 bám rất sát nhau, cả về đặc điểm hình dáng, thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc phun.
4- Thời gian dừng giữa hai lần phun và tỉ lệ phun có ảnh hưởng rõ rệt đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ. Khi thời gian dừng giữa hai lần phun tăng, mô men động cơ có xu hướng giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, hàm lượng phát thải NOx
tăng, trong khi soot có xu hướng giảm. Mức độ tăng (giảm) của các chỉ tiêu trên phụ thuộc vào tỉ lệ phun. Bên cạnh đó, tỉ lệ phun với lượng phun lần 1 thấp cho phép giảm phát thải NOx còn tỉ lệ phun với lượng phun lần 1 cao cho phép giảm phát thải soot.
5- Kết quả nghiên cứu của luận án cho thấy kỹ thuật phun chính hai giai đoạn hoàn toàn có thể áp dụng hiệu quả trong vùng tải cao, tốc độ cao của động cơ nhằm đạt mục đích giảm phát thải soot hoặc NOx, tuy nhiên cần lựa chọn hợp lý quy luật cung cấp nhiên liệu.
Hƣớng phát triển
1- Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của phun chính hai giai đoạn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ;
2- Xây dựng, hoàn thiện phương pháp kiểm soát tỉ lệ phun khi phun chính hai giai đoạn.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1.Nguyễn Xuân Đạt, Nguyễn Hoàng Vũ, Phạm Xuân Phương (5/2018), "Kỹ thuật phun nhiên liệu dùng cho động cơ diesel điều khiển điện tử". Kỷ yếu Hội nghị