s Đường kính giọt ban đầu 2,29mm
3.3.2. Kết quả mô phỏng và bàn luận
3.3.2.1. Sự biến thiên áp suất
Hình 3-17 trình bày đường cong áp suất mô phỏng của các hỗn hợp nhiên liệu khác nhau, từ B0 đến B25. Khi thay đổi nồng độ dầu dừa trong nhiên liệu từ 0% đến 25%, do chỉ số cetan thay đổi, thời gian cháy trễ gia tăng tương ứng với bước nhảy trung bình là 1°gqtk. Sự thay đổi thời gian cháy trễ có thể nhận thấy trên đồ thị biến thiên áp suất, biểu thị bởi thời điểm bắt đầu có sự gia tăng áp suất đột ngột.
Hình 3-17. Biến thiên áp suất trong xy lanh với các mẫu thử (B0-B25) Tổng quát, khi thời gian cháy trễ gia tăng, áp suất cực đại có chiều hướng gia tăng như minh họa bởi áp suất cực đại B20 và B25.
Với mẫu B20, do kết hợp cả hai yếu tố: thời gian phun rút ngắn cùng với sự gia tăng thời gian cháy trễ so với B15, nhiên liệu đã phun vào có nhiều thời gian
Góc quay trục khuỷu, độ
Áp
su
ất,
110
hòa trộn với không khí trong xy lanh tạo nên hỗn hợp đồng nhất hơn, nhờ vậy áp suất cực đại tăng thêm 3,3 bar (3,7 %) so với mẫu B15.
Cũng theo logic này, lẽ ra áp suất cực đại của mẫu B25 sẽ tiếp tục gia tăng. Tuy nhiên do thời gian cháy trễ kéo dài hẳn so với các mẫu khác, dẫn đến phần lớn nhiên liệu bùng cháy sau ĐCT, lúc này piston đang đi xuống nên hạn chế sự tăng áp suất cực đại.
Tốc độ tăng áp suất trung bình của các mẫu nhiên liệu không sai biệt nhiều.
3.3.2.2. Tốc độ tỏa nhiệt và biến thiên nhiệt độ
Hình 3-18 trình bày sự biến thiên của đường cong tỏa nhiệt, thể hiện rõ thời gian cháy trễ gia tăng theo nồng độ dầu dừa trong hỗn hợp. Với B10, nhiên liệu bùng cháy ở 8,5° gqtk trước ĐCT, so với l7,5° gqtk trước ĐCT với mẫu B15, 7° gqtk trước ĐCT cho mẫu B20, và 6° gqtk trước ĐCT với mẫu B25. Mẫu B0 có chỉ số cetan (CN=50) nằm giữa B20 (CN=51) và B25 (CN=49) nên thời gian cháy trễ cũng nằm giữa hai mẫu này.
Hình 3-18. Đường cong tốc độ tỏa nhiệt với các mẫu thử (B0-B25)
Trong động cơ diesel, quá trình cháy gồm hai giai đoạn: giai đoạn cháy đồng nhất diễn ra ngay sau thời kỳ cháy trễ và giai đoạn cháy khuếch tán.
Góc quay trục khuỷu, độ T ốc độ tỏa nhiệt, J/đ ộ
111
Hình 3-18 thể hiện giai đoạn cháy đồng nhất (cháy nhanh, cháy ban đầu) khá ngắn, chỉ kéo dài khoảng vài độ góc quay trục khuỷu.
Giá trị đỉnh của nhiệt tỏa ra không thay đổi nhiều khi thay đổi nồng độ dầu dừa trong mẫu thử, nhưng thời điểm xuất hiện đỉnh lệch dần về phía bên phải đồ thị, thấy rõ nhất với mẫu B25.
Hình 3-19 biểu thị sự biến thiên của nhiệt độ trung bình trong buồng cháy động cơ theo góc quay trục khuỷu với các mẫu thử khác nhau.
Hình 3-19. Biến thiên nhiệt độ trung bình trong xy lanh với các mẫu thử (B0-B25)
Do đỉnh nhiệt tiến về ĐCT kết hợp cùng với hành trình nén của piston, hệ quả là nhiệt độ trung bình cực đại có sự gia tăng dần theo nồng độ dầu dừa. Giá trị lớn nhất của Tmax ứng với B20 là 1.683K, tăng 2,55% (42K) so với giá trị Tmax của B0 là 1.641K.
Bảng 3.13: Giá trị nhiệt độ cực đại trung bình (K)
B0 B10 B15 B20 B25
Giá trị 1.641 1.623 1.613 1.683 1.660
Sai biệt so với B0 - -1,09 % -1,70 % 2,55 % 1,15%
Góc quay trục khuỷu, độ
Nhi
ệt
độ,
112
3.3.2.3. Ảnh hưởng nồng độ dầu dừa đến phát thải NOx
Hình 3-20 thể hiện mối quan hệ NOx - góc quay trục khuỷu. Nhiều nghiên cứu ([18], [28]) đã chứng minh rằng sự hình thành của NOx trong buồng cháy rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ. Khi nhiệt độ buồng cháy dưới 1.700K, lượng NOx hình thành không đáng kể, nhưng khi nhiệt độ trên 2.000K tốc độ phản ứng sẽ gia tăng mãnh liệt.
Hình 3-20. Biến thiên NOx với các mẫu thử (B0-B25)
Với động cơ diesel, giai đoạn cháy đồng nhất đóng vai trò quan trọng nhất với sự hình thành NOx. Vùng phản ứng tạo NOx chỉ tập trung quanh khu vực màng lửa, nơi có hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1 và có đủ oxy. Quan sát thực nghiệm cho thấy hầu hết NOx hình thành trong khoảng 20° góc quay trục khuỷu từ lúc bắt đầu cháy [15]. Xu hướng này cũng được thể hiện rõ trên hình 3-19, trong đó NOx bắt đầu hình thành ngay gần ĐCT, tương ứng với thời điểm nhiệt độ trong buồng cháy gia tăng và tiến tới giá trị đỉnh trên Hình 3-19. Sau đó NOx gia tăng nồng độ nhanh chóng và “đóng băng” ở khoảng 20° gqtk sau ĐCT vì lúc này hầu hết nhiên liệu phun vào đã cháy hết, điều kiện cần thiết cho NOx hình thành không còn.
Nhận xét trên được minh họa rõ hơn trên Hình 3-21, thể hiện sự phân bố nhiệt độ và nồng độ NOx tại mặt cắt dọc bên trong buồng cháy động cơ tại thời
Góc quay trục khuỷu, độ NO x , g
113
điểm 10° và 30° gqtk sau ĐCT với mẫu thử B0. Trên các mặt cắt đồng thời thể hiện khu vực có hệ số dư lượng không khí giữa 0,8 và 1,2 bởi các đường nét liền. Đây chính là khu vực tập trung nhiên liệu đã được hòa trộn với không khí và bùng cháy (khu vực màng lửa). Như thấy rõ trên Hình 3-21b, nhiệt độ cao nhất tập trung tại khu vực này và giảm dần ra vùng lân cận. Ở 10o gqtk sau ĐCT, nhiệt độ cao nhất trong xy lanh lên đến trên 2.800K, trong khi ở 30o gqtk sau ĐCT chỉ còn tối đa là 2.400K vì đã chuyển sang quá trình cháy khuếch tán chứ không còn là cháy đồng nhất, đồng thời chịu tác động truyền nhiệt khi piston đi xuống trong hành trình giãn nở. So sánh với Hình 3-20, mặc dù nhiệt độ trung bình tối đa của mẫu B0 chỉ là 1.641K, từng khu vực trong buồng cháy vẫn có nhiệt độ cao hơn 2.000K và đây
chính là khu vực hình thành NOx.
Cột bên phải trên Hình 3-21b và c giới thiệu sự phân bố của NOx thời điểm 10° và 30° gqtk sau ĐCT của mẫu B0. Ở 10o gqtk sau ĐCT, NOx hình thành mãnh liệt tại khu vực nhiệt độ cao trên 2.000K và có đủ oxy. Ở 30° gqtk sau ĐCT, NOx hầu như không còn tạo ra trong buồng cháy, với nồng độ NOx tối đa trên mặt cắt dọc chỉ còn 3.5*10-5, giảm đến hơn 4 lần so với giá trị tối đa của NOx ở 10o gqtk sau ĐCT là 1.5*10-4.
Khi thay đổi tỷ lệ dầu dừa trong nhiên liệu từ 0% đến 25%, kết quả mô phỏng cho thấy lượng NOx biến thiên không theo quy luật, như trình bày ở Bảng 3.14 và Hình 3-20.
Bảng 3.14: Khối lượng NOx phát thải tại thời điểm mở van xả (g)
B0 B10 B15 B20 B25
Giá trị 0,00112 0,00091 0,00086 0,00107 0,00095 Sai biệt so với
B0
- 18,75% - 23,21% - 4,46% - 15,17%
So với mẫu B10, giá trị NOx của mẫu B15 giảm xuống, nhưng sau đó lại tăng mạnh với B20 và giảm nhẹ trở lại với B25, nhưng tất cả các giá trị này đều thấp hơn giá trị NOx của B0. Đây chính là một ưu điểm của hỗn hợp nhiên liệu diesel - dầu dừa.
114
Hình 3-21. Phân bố nhiệt độ và nồng độ NOx trong buồng cháy động cơ của mẫu B0
Sự suy giảm NOx phát thải của mẫu B15 so với mẫu B10 có thể giải thích dựa trên Hình 3-22, thể hiện lượng nhiên liệu đốt cháy theo góc quay trục khuỷu của các mẫu thử. Do có chỉ số cetan thấp hơn mẫu B10, thời gian cháy trễ của mẫu B15 kéo dài hơn so với B10. Tuy nhiên, thời gian gia tăng này có lẽ chưa đủ dài để có tác động mạnh đến việc hòa trộn nhiên liệu với không khí, do vậy tốc độ bùng cháy nhiên liệu của mẫu B15, cũng chỉ tương đương mẫu B10 trong suốt giai đoạn cháy đồng nhất, nhưng lại cháy sau B10.