8. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN
3.3. Kết quả mơ phỏng
3.3.3. Biến thiên nhiệt độ và tốc độ tỏa nhiệt
Hình 3.19 biểu thị sự biến thiên của đường cong tỏa nhiệt, sự tỏa nhiệt của các mẫu nhiên liệu chia thành 3 giai đoạn khác nhau. Ở giai đoạn đầu, tốc độ cháy cao và kéo dài khoảng vài độ gĩc quay trục khuỷu. Giai đoạn này tương ứng với việc gia tăng nhanh chĩng áp suất trong xi lanh và đạt độ lớn của đỉnh đầu tiên trên đồ thị, thời điểm gia tăng tốc độ tỏa nhiệt chính là thời điểm đường cong áp suất cháy tách khỏi đường cong áp suất nén. Giai đoạn 2 tương ứng với việc giảm đều đặn tốc độ tỏa nhiệt. Giai đoạn 3 tương ứng với phần đuơi của đồ thị và kéo dài trong phần lớn kỳ giãn nở. Quy luật và giá trị cực đại của đường cong tỏa nhiệt nhiên liệu B10 tương đương với nhiên liệu DO.
Nhìn chung tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu B10 so với DO khơng sai biệt nhiều, diễn biến tốc độ tỏa nhiệt phù hợp với đồ thị áp suất và nhiệt độ cháy và phù hợp với cơ sở lý thuyết phân tích trong chương 2 (hình 2.1).
Hình 3.19. Tốc độ tỏa nhiệt của các mẫu nhiên liệu
Hình 3.20 biểu thị sự biến thiên nhiệt độ trong buồng cháy động cơ theo gĩc quay trục khuỷu với các mẫu nhiên liệu khác nhau. Từ đồ thị cho thấy thời điểm gia tăng nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 xuất hiện sớm hơn so với DO, điều này là do thời gian cháy trễ của B10 ngắn hơn DO, bởi vậy tốc độ tỏa nhiệt diễn ra sớm hơn và sự gia tăng áp suất cũng suất hiện sớm hơn như đã phân tích ở các đồ thị phần trên.
Trong quá trình cháy, khi piston bắt đầu đi xuống trong kỳ sinh cơng khiến thể tích tăng lên, áp suất cháy giảm nhanh nhưng nhiên liệu vẫn phun vào và cháy, do đĩ nhiệt độ cĩ sự gia tăng mạnh và đạt cực đại là đỉnh đường cong luơn lệch sang bên phải ĐCT so với đỉnh đường cong áp suất cháy, quy luật này được thể hiện như trên hình 3.21, giá trị cụ thể của nhiệt độ cực đại trình bày trong bảng 3.10.
Hình 3.21. Biến thiên nhiệt độ với áp suất cháy của nhiên liệu B10 Bảng 3.10. Mức độ giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO Bảng 3.10. Mức độ giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO
ở các chế độ mơ phỏng
Tốc độ (v/p)
Nhiên liệu
DO B10
Nhiệt độ cực đại (K) Nhiệt độ cực đại (K)
Độ giảm nhiệt độ cháy của B10 so với
DO (%)
1200 1887,94 1869,22 0,99
1400 1904,92 1899,12 0,30
1600 1933,21 1923,98 0,47
Ở tất cả các chế độ mơ phỏng, mặc dù mức chênh lệch nhiệt độ giữa nhiên liệu B10 và DO là khơng lớn (bảng 3.10), nhưng đường cong nhiệt độ cháy nhiên liệu B10 luơn tách sớm hơn so với DO (gia tăng nhiệt độ trước) như trên các hình 3.22, hình 3.23, hình 3.24.
Hình 3.22. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p
Hình 3.24. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p
Mức độ hĩa hơi nhiên liệu chịu ảnh hưởng lớn của đường kính hạt nhiên liệu. Các nghiên cứu trước đây cũng đã chỉ ra sự liên quan của tính chất dịng chảy bên trong vịi phun đến khi tia phun được hình thành và sự tương tác của nĩ với mơi trường cĩ phụ thuộc đến khối lượng riêng, sức căng bề mặt và độ nhớt động học của nhiên liệu. Do ở cùng một điều kiện phun, nên sự khác biệt về tính chất lý hĩa của nhiên liệu như phân tích ở phần trên đã dẫn đến sự khác nhau về đường kính hạt nhiên liệu, ảnh hưởng đến mức độ hĩa hơi nhiên liệu. Vì chỉ hơi nhiên liệu mới hịa trộn được với khơng khí để tạo thành hỗn hợp cháy. Chính q trình này dẫn đến thay đổi diễn biến áp suất, nhiệt độ cháy trong xi lanh động cơ. Ngồi ra, nhiên liệu DO cháy trễ hơn nên lượng nhiên liệu bị tích tụ và bùng cháy mãnh liệt là nguyên nhân khiến nhiệt độ lớn hơn so với B10.
Dựa trên đặc điểm các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ Diesel, các hình ảnh trích xuất tại vị trí gĩc quay trục khuỷu sao cho tương ứng với những thời điểm quan trọng cho tồn bộ quá trình cháy trong 1 chu kỳ, như thời điểm 200 SĐCT để quan sát diễn biến phân bố nhiệt độ quá trình cháy của các mẫu nhiên liệu như trên hình 3.25. Ở mỗi mẫu nhiên liệu đều cĩ sự phân bố nhiệt độ khác nhau, đây chính là lý do tạo nên sự khác biệt về giá trị cực đại và diễn biến các đường cong trên đồ thị như đã trình bày.
DO B10
Hình 3.25. Phân bố nhiệt độ của các mẫu nhiên liệu trong buồng cháy 3.3.4. Phát thải khí xả 3.3.4. Phát thải khí xả
Trên hình 3.26 thể hiện quy luật phát thải NOx của nhiên liệu B10 và DO, do nhiên liệu B10 cháy sớm hơn so với DO, vì thế sự hình thành NOx cũng diễn ra sớm hơn, từ đồ thị cho thấy quá trình hình thành NOx diễn ra khoảng 200gqtk SĐCT và cĩ giá trị thấp hơn so với DO, điều này phù hợp với đồ thị nhiệt độ. Hàm lượng phát thải NOx đạt cực đại khi nhiệt độ cháy càng cao, sự hình thành NOx tại vùng cĩ nhiệt độ cao trong buồng cháy được thể hiện như trên hình 3.27, giá trị cho trong bảng 3.11.
DO B10
Hình 3.27. Phân bố NOx trên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO Bảng 3.11. Mức độ giảm NOx của nhiên liệu B10 so với DO Bảng 3.11. Mức độ giảm NOx của nhiên liệu B10 so với DO
ở các chế độ mơ phỏng
Tốc độ (v/p) DO Nhiên liệu B10
NOx (g) NOx (g) Độ giảm NOx của B10
so với DO (%)
1200 0,00667 0,00636 4,64
1400 0,00711 0,00691 2,81
1600 0,00777 0,00733 5,66
1800 0,00785 0,00757 3,56
Khi tăng tốc độ, quá trình cháy diễn ra nhanh hơn nên phát thải NOx của nhiên liệu B10 cũng xuất hiện sớm hơn và cĩ giá trị gần bằng đối với phát thải NOx của nhiên liệu DO. Mặc dù nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 thấp hơn DO nhưng hàm lượng ơ xy trong nhiên liệu B10 lớn nên sự gia tăng NOx của nhiên liệu B10 càng lớn khi tăng tốc độ như trên các hình 3.28, hình 3.29, hình 3.30.
Hình 3.29. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p
Hình 3.30. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p
Tương tự như NOx, bồ hĩng bắt đầu hình thành khoảng 50gqtk SĐCT và tăng vọt nhanh chĩng đạt giá trị cực đại như trên hình 3.31. Tuy nhiên do nhiệt độ cao trong buồng cháy, phần lớn bồ hĩng hình thành sẽ bị ơ xy hĩa khiến hàm lượng bồ hĩng phát thải giảm đáng kể. Mặc dù nhiệt độ cháy của DO cao nhưng giá trị phát thải bồ
hĩng vẫn lớn hơn so với B10, bởi đối với nhiên liệu B10 thì lượng bồ hĩng hình thành lại thấp hơn, đây chính là lợi thế của Biodiesel. Sự phân bố quá trình hình thành bồ hĩng trong buồng cháy như trên hình 3.32.
Hình 3.31. Hình thành bồ hĩng của nhiên liệu B10 so với DO
DO B10
Hình 3.32. Phân bố bồ hĩngtrên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO
Tổng hợp giá trị phát thải NOx, bồ hĩng của nhiên liệu B10 và DO ở tốc độ 1200 v/p được so sánh như trên hình 3.33. Giá trị và đặc tính phát thải của nhiên liệu B10 theo tốc độ so vĩi DO được trình bày trên bảng 3.12 và hình 3.34.
Hình 3.33. Phát thải NOx và bồ hĩng của nhiên liệu B10 so với DO ở 1200 v/p Bảng 3.12. Mức độ giảm bồ hĩng của nhiên liệu B10 so với DO Bảng 3.12. Mức độ giảm bồ hĩng của nhiên liệu B10 so với DO
ở các chế độ mơ phỏng Tốc độ (v/p) Nhiên liệu DO B10 Bồ hĩng (g) Bồ hĩng (g) Độ giảm bồ hĩng của B10 so với DO (%) 1200 3,79e-3 3,56e-3 6,06 1400 2,11e-3 1,66762e-3 20,96 1600 2,35e-3 1,78757e-3 23,93 1800 2,54e-3 2,47644e-3 2,50 DO B10 NOx, g 0,00667 0,00636 PM, g 0,00379 0,00356 -0,001 1,2E-17 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007
Hình 3.34. Quy luật phát thải bồ hĩng và NOx của nhiên liệu B10 theo tốc độ
Khi tăng tốc độ ở 1400 v/p và 1600 v/p thì phát thải bồ hĩng cĩ xu hướng giảm mạnh, điều này là do nhiệt độ cháy gia tăng dẫn đến gia tăng quá trình ơ xy hĩa. Tuy nhiên ở chế độ 1800 v/p thì lượng bồ hĩng phát thải lại tăng lên, vì ở chế độ này quá trình cháy sẩy ra nhanh hơn, một phần lượng nhiên liệu chưa kịp cháy đã sang kỳ giãn nở dẫn đến gia tăng lượng bồ hĩng hình thành (bảng 3.12). Tuy vậy, ở tất cả các chế độ mơ phỏng, phát thải bồ hĩng của nhiên liệu B10 luơn thấp hơn của nhiên liệu DO như trên hình 3.35, hình 3.36, hình 3.37.
Hình 3.36. Phát thải bồ hĩng của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p
Hình 3.37. Phát thải bồ hĩng của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p
Từ những kết quả trên cho thấy, diễn biến tổng thể quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ cummins xác định được bằng phương pháp mơ phỏng cĩ sự thay đổi khi thay đổi các thơng số nhiệt động nhiên liệu. Căn cứ vào các thơng số nhiệt động của nhiên liệu B10 và DO, kết quả mơ phỏng cho thấy áp suất, nhiệt độ cháy cực đại và cơng suất của nhiên liệu DO cao hơn B10, điều đĩ khẳng định việc xây dựng, hiệu chỉnh mơ hình mơ phỏng và kết quả mơ phỏng phù hợp với cơ sở lý thuyết đã được phân tích về tính chất nhiên liệu Biodiesel cĩ nguồn gốc từ mỡ cá da trơn trong chương 1 và chương 2.