Dựa trên kích thước đường kính khí động học, phát thái dạng thường được chia thành 4 loại trên đồ thị biểu diễn quan hệ về số lượng, diện tích bề mặt và khối lượng hạt theo đường kính hạt như sau:
- Hạt nano (Nanoparticles): gồm các hạt có đường kính nhỏ hơn 50nm - Hạt siêu mịn (Ultrafine particles): gồm các hạt có đường kính nhỏ hơn 100nm
- Hạt mịn (Fine particles), còn gọi là PM2,5: gồm các hạt có đường kinh nhỏ
hơn 2,5µm
- Hạt PM10: gồm các hạt có đường kinh nhỏ hơn 10um
Khí thải từ động cơ ra ngoài được pha loãng và hòa trộn với không khí ngoài môi trường. Tùy theo điều kiện nhiệt độ và độ ấm cụ thể, các thành phần hữu cơ trong khí thải có thể ngưng tụ, bám dính lại với nhau cũng như hấp thụ trên bề mặt các hạt rắn. Các hạt rắn cũng có thể kết tụ lại với nhau tạo thành các khối tích tụ. Cùng dựa trên đường kinh khí động, phát thải dạng hạt được chia thành 3 vùng :
- Vùng hạt lõi/hạt nhân (Nucleation): có kích thước dưới 30 nm, số lượng hạt tập trung nhiều ở vùng kích thước 10-20nm. Các hạt nhân chủ yếu là
hợp chất hữu cơ ngưng tụ và một it các hạt rắn các bon. Tùy thuộc vào công nghệ động cơ cũng như phương pháp lấy mẫu hạt, số lượng hạt ở vùng này có thể chiếm tới trên 90% tổng số lượng hạt nhưng khối lượng chi chiếm từ 0,1 đến 10% khối lượng hạt và diện tích bề mặt hạt tỷ lệ chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng diện tích bề mặt hạat trong khí thải
- Vùng hạt tích tụ (Accumulation): kích thước hạt từ 30 đến 500 nm, tập trung nhiều ở vùng kích thước 100-200nm gồm các hạt mịn, siêu mịn và một phần hạt nano. Thành phần hạt trong vùng này chủ yếu là các hạt các bon, một phần nhỏ tro kim loại dính kết với nhau và các hơi nhiên liệu hơi nhiên liệu, sunphat hắp thụ trên bề mặt hạt. Vùng này có số lượng hạt nhỏ nhưng chiếm tỷ lệ về khối lượng và diện tích bề mặt hạt lớn nhất. Vùng hạt thô (Coarse): kich thước hạt trên 500 nm, có số lượng hạt không đáng kể nhưng chiếm khoảng từ 5 đến 30% tổng khối lượng hạt. Vùng này gồm chủ yếu các hạt mài, hạt bong tróc từ các thành vách xylanh, đường thải, đường lấy mẫu... hầu như không phải các hạt hình thành từ quá trình cháy trong xylanh động cơ.
Hình 2. 17. Phản bố số tượng, khối lượng, diện tich bề mặt theo đường kinh hạt
2.5.2. Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lượng hạt
Số lượng các hạt hình thành do ngưng tụ các hợp chất hữu cơ (từ nhiên liệu, dầu bôi trơn) rất nhạay với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của không khí môi trường hay của không khí pha loãng trong quá trình lấy mẫu, gây ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Vi vậy, yêu cầu trong quá trình lấy
mẫu phải loại bỏ các hợp chất hữu cơ này và phép đo chi thực hiện đếm số lượng các hạt rắn trong khí thải với số lượng hạt phù hợp với dài đo của thiết bị đếm hạt. Để đáp ứng yêu cầu này hệ thống lấy mẫu được quy định gồm 3 bộ phận chính: bộ pha loãng thứ nhất, ống bay hơi và bộ pha loãng thứ hai (Hình 2.18).
Hình 2. 18. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lấy mẫu xác định số hượng hạt trong khi thải
Khí thái từ động cơ (hoặc từ hệ thống pha loãng CVS) được đi vào bộ pha loãng thứ nhất. Bộ pha loãng thứ nhất có nhiệm vụ pha loãng khí thải với không khí sạch và sấy khí thải tới nhiệt độ trong khoảng 150 - 400°C (nhưng không cao hơn nhiệt độ sấy ở ống bay hơi) để giảm tỷ lệ và làm bay hơi các hợp chất hữu cơ. Sau đó, khí mẫu tiếp tục tới ống bay hơi, tại đây khí thải tiếp tục được sấy tới nhiệt độ 300-400°C để làm bay hơi hoàn toàn các hợp chất hữu cơ. Bộ pha loãng thứ hai có nhiệm vụ tiếp tục pha loãng khi mẫu với không khí sạch để làm giảm tỷ lệ hợp chất hữu cơ, tránh hiện tượng ngưng tụ, đồng thời làm giảm nhiệt độ khi mẫu trước khi vào thiết bị đếm hạt.
2.6. Kết luận chương 2
Do tính chất của ethanol khác với diesel khoáng như độ nhót thấp, nhiệt trị thấp, trị số xêtan thấp, tính bay hơi cao... nên khi phối trộn, tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol sẽ thay đổi so với diesel gốc và ảnh hưởng
tới quá trình cháy động cơ làm tăng thời gian cháy trễ, đồng thời ảnh hưởng tới cấu trúc chùm tia phun. Các nghiên cứu cho thấy các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel- ethanol giống như khi sử dụng diesel khoáng, tuy nhiên do tính chất nhiên liệu khác nhau nên thời gian chảy trễ và chi tiết về diễn biến áp suất trong xylanh có sự khác nhau. Luận án lựa chọn phần mềm AVL Boost để thực hiện tính toán mô phỏng động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp làm cơ sở cho thực nghiệm. Đây là phần mềm hiện đại, chuyên dụng tính toán các quá trình nhiệt động và hình thành phát thái trong động cơ đốt trong. Luận án đã trình bảy cơ sở lý thuyết một số mô hình chính trong phần mềm gồm mô hình cháy AVL MCC, mô hình truyền nhiệt, mô hình nhiên liệu, mỏ hình tính toán hàm lượng phát thải.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG KĨ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN
HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL
3.1. Xây dựng mô hình động cơ diesel và đánh giá độ tin cậy của mô hình. của mô hình.
Dựa trên cơ sở lý thuyết được trình bày trong chương 2, chương này của luận án sử dụng phần mềm AVL Boost thực hiện nghiên cứu mô phỏng đánh giá tính năng kinh tế kĩ thuật và phát thải của động cơ diesel, hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol với các tỷ lệ phối trộn khác nhau.
3.1.1. Mục đích và đối tượng mô phỏng.
3.1.1.1.Mục đích mô phỏng.
Đánh giá ảnh hưởng của hỗn hớp diesel-ethaonol đến đặc tính cháy, hình thành phát thải độc hại cũng như thông số tính năng của động cơ thông qua mô hinh mô phỏng xây dụng trên phân mềm AVL Boost
3.1.1.2.Đối tượng mô phỏng
Đối tượng nghiên cứu mô phỏng là động cơ AVL5402, 1 xylanh. Các thông số kĩ thuật cơ bản của động cơ AVL5402 được trình bày trên bảng 3.1
STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Kiểu động cơ AVL5402
2 Số kỳ t 4 Kỳ 3 Số xy lanh I 1 - 4 Thể tích công tác Vh 501 cc 5 Hành trình piston S 90 mm 6 Đường kính xy lanh D 85 mm 7 Góc phun sớm Φs 14 Độ
8 Chiều dài thanh truyền Ltt 148 mm
9 Tỷ số nén ε 17,3
10 Công suất định mức Neđm 11 Mômen xoắn định mức meMax
Hình 3. 1. Động cơ AVL5402
Thông số kĩ thuật tại bảng 3.1 là đối tượng động cơ mới, tuy nhiên nghiên cứu mô phỏng thực hiện đối với động cơ đã qua sử dụng. Qua thực hiện trình bày trong chương 2, thông số đặc tính ngoài của động cơ nghiên cứu được trình bày tại bảng 3.2 và hình 3.2
Nhiên liệu sử dụng trong mô phỏng gồm diesel, hỗn hợp diesel- ethanol với các tỷ lệ khác nhau. Mặc dù ở phần mở đầu đã xác đinh nghiên cứu hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol nhưng mới dựa trên suy luận định tính. Vì vậy ở phần mô phỏng tại đây cũng như thực hiện nghiên cứu ở chương 2, NCS vẫn tiến hành nghiên cứu hỗn hợp diesel-ethanol để có kết quả định lượng và qua đó có cơ sở vững chắc tiến hành nghiên cứu hỗn hợp diesel-ethanol với ethanol như là một phụ gia cải thiện tính năng.
n (v/ph) Ne (Kw) Me (Nm) 1000 1,89 18,09 1200 3,07 24,4 1400 4,14 28,23 1600 5,1 30,41 1800 5,91 31,36 2000 6,58 31,4 2200 7,1 30,83 2400 7,52 29,94 2600 7,86 28,86 2800 8,06 27,5 3000 8,16 25,97
Bảng 3. 2. Thông số mô phỏng đặc tính ngoài động cơ nghiên cứu
Hình 3. 2. Đường đặc tính ngoài mô phỏng động cơ AVL5402
Một số tính chất của nhiên liệu diesel, ethanol được thể hiện ở trên bảng 3.3. như trình bày ở chương 2 tính chất của diesel khi phối trộn ethanol sẽ thay đổi, tăng tỷ lệ ethanol thì các tính chất chính cả nhiên liệu như độ nhớt, nhiệt trị, trị số xêtan đều giảm. Với tỷ lệ 10%,và 15% ethanol, độ nhớt
0 5 10 15 20 25 30 35 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1000 2000 3000 4000 M e ( Nm ) Ne (k W) n (v/ph) Ne (kW) Me (Nm)
giảm tương ứng 9,32% và 13,79%. Do vậy, trong nghiên cứu hỗn hợp điesel ethanol luận án chỉ chọn tỷ lệ ethanol tối đa là 10% gồm DE5 và DE10 để tính chất nhiên liệu không thay đổi quá nhiều. một số nghiên cứu cho thấy tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp có thể lên tới 30%.
Bảng 3. 3. Tính chất của nhiên liệu mô phỏng [1]
3.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ
3.1.2.1.Xây dựng mô hình
Dựa trên kết cấu thực tế của động cơ, mô hình động cơ AVL5402 được xây dựng trong phần mềm AVL Boost bằng cách lựa chọn các phần tử được định nghĩa sẵn tương ứng với các chi tiết thực tế của động cơ, sau ddos liên kết với các phần tử đó bằng các phần tử ống và khai báo các thông số kĩ thuật cho các phần tử, bằng điều kiện biên cho các phần tử. Các phần tử tương ứng được lựa chon như trong bảng 3.4 va mô hình động cơ được xây dựng như trong hình 3.3.
STT Tên phần tử lượng Số STT Tên phần tử Số lượng 1 Phần tử biên 2 1 Xy lanh 1 2 Lọc khí 1 2 Bình ổn áp PL 2 3 Cản dòng 2 3 Điểm đo 4
4 Vòi (phun trực tiếp) 1 4 Đường ống 12
Bảng 3. 4. Các phần tử xây dựng mô hình động cơ AVL5402
Hình 3. 3. Mô hình động cơ AVL5402 3.1.2.2.Các thông số nhập cho mô hình 3.1.2.2.Các thông số nhập cho mô hình
Các số liệu nhập cho mô hình bao gồm: Thông số kết cấu(hình dạng kích thước của động cơ), thông số làm việc(lượng nhiên liệu cung cấp, tốc độ động cơ, góc phun sớm, áp suất phun...) và các mô hình tính toán(mô hinh nhiên liệu, mô hình cháy, mô hình truyền nhiệt, mô hình phát thải). Mô hình cháy AVL MCC và mô hình truyền nhiệt Woschni 1987 được lựa chọn trong tính toán mô phỏng do các mô hình nay phù hợp với động cơ AVL5402 là dộng cơ diesel buồng cháy thống nhất, phun trực tiếp và chế độ mô phỏng là ở toàn tải. Nhập số liệu cho các phần tử:
_ Phần tử xy lanh: các thông số cơ bản được nhập căn cứ theo thông số kỹ thuật của đông cơ AVL5402 được thể hiện trong phụ lục 1.1
_ Điều kiện biên và các thông số nhập cho mô hình được xác định căn cứ theo đều kiện môi trường thí nghiệm thực tế của động cơ
_ Mô hình cháy: các thông số của mô hình cháy AVL MCC
_ Mô hình truyền nhiệt: các thông số của mô hình truyền nhiệt Woschini 1978
_ Các thông số của các mô hình khác được lấy căn cứ trên cơ sở các tài liệu tham khảo và số liệu đo đạc thực tế và dựa vào đó để xây dựng mô hình mô phỏng.
_Các phần tử khác của động cơ: được xây dựng căn cứ trên thông số kỹ thuật của động cơ đã cho bao gồm: Phần tử vòi phun; phần tử lọc khí, phần tử ổn áp, phần tử đường ống, phần tử điểm đo, phần tử mô trường và phần tử động cơ.
_ Mô hình nhiên liệu: nhiên liệu trong mô phỏng diesel, DE5, DE10. Các hỗn hợp nhiên liệu này được phố trộn từ nhiên liệu gốc là diesel, ethanol với các tỷ lệ khác nhau. Do đó các nhiên liệu gốc cần được định nghĩa trước, sau đó hỗn hợp nhiên liệu được mô tả theo tỷ lệ phối trộn của các nhiên liệu gốc. Diesel và ethanol có thành phần nhiên liệu tương đối ổn định nên phần mềm AVL Boost đã định nghĩa sẵn, tuy phần nhiên liệu đã ổn định nene phần hydrocacbon trong biodiesel thay đổi khá nhiều tùy vào nguồn gốc chế biến, do vậy biodiessel được định nghĩa từ các thành phần hydrocacbon tạo nên.
3.1.2.3.Chế độ mô phỏng
_ Theo đường đặc tính ngoài: ở chế độ 100%, tốc độ 1000v/ph đến 3000v/ph
3.2. Tính toán mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol
3.2.1. Kết quả tính toán mô phỏng tính năng kỹ thuật động cơ
Mômen và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ở chế độ 100% tải với các hỗn hợp nhiên liệu được tính toán tại các tốc độ khác nhau theo đường đặc tính ngoài thể hiện ở bảng 3.5 và bẳng 3.6. Tỷ lệ ethanol càng tăng thì mômen động cơ giảm tương ứng là 2,14%, 6,2% (hình 3.4)
Tốc độ Me (Nm) DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%) Diesel DE5 DE10
1000 18,09 17,21 16,08 -4,89 -11,10 1500 29,49 29,16 28,24 -1,13 -4,23 2000 31,4 31,02 29,91 -1,19 -4,74 2500 29,39 28,60 27,89 -2,69 -5,10 3000 25,97 25,76 24,45 -0,81 -5,86 Trung bình 26,87 26,35 25,32 -2,14 -6,20
Hình 3. 4. Biểu đồ mômen theo đặc tính ngoài
Tỷ lệ ethanol càng tăng thì suất tiêu hao nhiên liệu tăng lần lượt 0,99% và 4,21% (hình 3.5). Tốc độ ge (g/kWh) DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%) Diesel DE5 DE10
1000 395 396,27 403,30 0,32 2,10 1500 253 254,67 262,89 0,66 3,91 2000 237 239,53 247,63 1,07 4,49 2500 249,65 252,92 261,81 1,31 4,87 3000 275,28 279,68 290,99 1,60 5,71 Trung bình 281,99 284,62 293,32 0,99 4,21
Bảng 3. 6. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5, DE10
15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 1000 1500 2000 2500 3000 M e (N m ) n (v/ph) Diesel DE5 DE10
Hình 3. 5. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngoài
3.2.2. Kết quả tính toán phát thải
Kết quả tính toán phát thải NOx theo đặc tính ngoài. Hàm lượng NOx khi sử dụng DE5 tăng hầu như không đáng kể, nhưng tăng nhiều khi sử dụng DE10, so với nhiên liệu Diesel. Cụ thể theo đường đặc tính ngoài hàm lượng NOx lần lượt tăng trung bình 1,16%, 7,46% (hình 3.6).
Tốc độ NOx (ppm) DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%) Diesel DE5 DE10
1000 3915 3927,15 4335,09 0,31 10,73 1500 3589 3631,58 3634,88 1,19 1,28 2000 3139 3199,41 3502,22 1,92 11,57 2500 2597 2615,99 2700,72 0,73 3,99 3000 1657 1684,58 1817,88 1,66 9,71 Trung bình 2979,40 3011,74 3198,16 1,16 7,46
Bảng 3. 7. Phát thải NOx theo đường đặc tính ngoài
150 200 250 300 350 400 450 1000 1500 2000 2500 3000 ge (g/k Wh ) n (v/ph)
Hình 3. 6. Hàm lượng NOx theo đường đặc tính ngoài
Kết quả tính toán phát thải CO theo đặc tính ngoài bảng 3.8. Khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol, thành phần CO trong không khí có xu hướng giảm. Tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp, mức giảm CO càng lớn. So với diesel, hỗn hợp DE5, DE10, giảm CO trung bình tương ứng 12,79%, 22,45% (hình 3.7) Tốc độ CO (ppm) DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%) Diesel DE5 DE10
1000 5,49 4,93 4,38 -10,13 -20,22 1500 20,59 18,88 16,51 -8,33 -19,80 2000 20,38 19,09 16,75 -6,35 -17,82 2500 135 103,44 92,04 -23,38 -31,82 3000 138 116,22 106,86 -15,78 -22,57 Trung bình 63,89 52,51 47,31 -12,79 -22,45
Bảng 3. 8. Phát thải CO theo đặc tính ngoài
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 1000 1500 2000 2500 3000 Nox (p p m ) n (v/ph)
Hình 3. 7. Hàm lượng CO theo đường đặc tính ngoài
Kết quả tính toán phát thải muộn than theo đặc tính ngoài thể hiện ở bẳng 3.18. Hàm lượng Soot giảm đáng kể khi sử dụng DE5, DE10 trung bình trên toàn dải tốc độ theo đường đặc tính ngoài mức giảm tương ứng là