I. Chỏy trễ; II. Chỏy nhanh; III. Chỏy chớnh; VI. Chỏy rớt.
Giai đoạn chỏy nhanh: Trong giai đoạn này xảy ra quỏ trỡnh chỏy của nhiờn liệu đó được hũa trộn với khụng khớ trong giai đoạn chỏy trễ, quỏ trỡnh chỏy này diễn ra rất nhanh chỉ trong vài độ gúc quay trục khuỷu. Đặc điểm của giai đoạn này là:
+ Hỡnh thành nguồn lửa, tốc độ chỏy tăng nhanh, tốc độ tỏa nhiệt thường lớn nhất, cuối giai đoạn này lượng nhiờn liệu được đốt chỏy chiếm khoảng 1/3 lượng nhiờn liệu cấp cho chu trỡnh.
+ Áp suất và nhiệt độ mụi chất tăng nhanh.
+ Nhiờn liệu tiếp tục được phun vào làm tăng nồng độ nhiờn liệu trong hỗn hợp.
Trong giai đoạn chỏy nhanh, tốc độ tăng ỏp suất Δp/Δφ rất lớn, nếu giỏ trị này quỏ lớn sẽ tạo cỏc xung ỏp suất va đập vào bề mặt cỏc chi tiết tạo thành buồng chỏy gõy tiếng gừ, giảm tuổi thọ động cơ. Tỡnh hỡnh chỏy trong giai đoạn này phụ
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 34 thuộc chớnh vào lượng nhiờn liệu cung cấp và sự chuẩn bị về vật lý và húa học của hỗn hợp trong giai đoạn chỏy trễ. Nếu giai đoạn chỏy trễ kộo dài, lượng nhiờn liệu phun vào nhiều và được chuẩn bị đầy đủ để chỏy thỡ sau khi cú một điểm bắt đầu chỏy màng lửa sẽ lan nhanh đến mọi nơi trong buồng chỏy làm tốc độ chỏy và tốc độ tăng ỏp suất rất lớn.
Giai đoạn chỏy chớnh: Khi phần hỗn hợp nhiờn liệu/khụng khớ hũa trộn trong giai đoạn chỏy trễ được đốt chỏy hết, tốc độ chỏy (hay tốc độ tỏa nhiệt) trong giai đoạn tiếp theo phụ thuộc vào tốc độ hỡnh thành hỗn hợp đủ điều kiện cú thể chỏy. Cú nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ hỡnh thành hỗn hợp và chỏy giai đoạn này như mức độ phun sương, khả năng bay hơi nhiờn liệu, hũa trộn hơi nhiờn liệu với khụng khớ, cỏc phản ứng húa học chuẩn bị cho sự chỏy, trong đú tốc độ chỏy bị chi phối lớn nhất bởi quỏ trỡnh hũa trộn hơi nhiờn liệu với khụng khớ. Một số đặc điểm của giai đoạn này là:
+ Quỏ trỡnh chỏy tiếp diễn với tốc độ chỏy khỏ lớn, cuối giai đoạn này khoảng 70 - 80% nhiệt lượng được tỏa ra.
+ Nhiờn liệu đó kết thỳc phun, do lượng sản vật chỏy tăng nhanh nờn nồng độ nhiờn liệu và oxy giảm.
+ Nhiệt độ tăng đến giỏ trị lớn nhất, tuy nhiờn do piston bắt đầu đi xuống nờn ỏp suất hơi giảm xuống.
+ Nồng độ sản phẩm của quỏ trỡnh chỏy trung gian giảm, nồng độ sản phẩm chỏy cuối cựng tăng.
Giai đoạn chỏy rớt: Quỏ trỡnh nhả nhiệt vẫn tiếp diễn với tốc độ thấp ngay trong hành trỡnh gión nở. Một phần nhỏ nhiờn liệu chưa được chỏy, một phần năng lượng của nhiờn liệu ở dưới dạng bồ húng và cỏc sản phẩm của quỏ trỡnh chỏy giàu nhiờn liệu vẫn tiếp tục tỏa nhiệt. Đặc điểm của giai đoạn này là:
+ Tốc độ chỏy giảm dần đến kết thỳc chỏy, tốc độ tỏa nhiệt giảm dần tới khụng.
+ Thể tớch mụi chất trong xylanh tăng dần nờn ỏp suất và nhiệt độ mụi chất giảm xuống.
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 35 Điều kiện chỏy trong giai đoạn này kộm do ỏp suất, nhiệt độ thấp, chuyển động của dũng khớ yếu và sản phẩm chỏy tăng dẫn đến tăng khả năng hỡnh thành muội than[5].
2.1.2. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến quỏ trỡnh chỏy trong động cơ diesel
- Ảnh hưởng của tớnh chất nhiờn liệu: tăng trị số xetan của nhiờn liệu sẽ rỳt ngắn thời gian chỏy trễ, khiến tốc độ tăng ỏp suất trong thời kỳ chỏy nhanh khụng lớn, động cơ chạy sẽ ờm hơn .
- Ảnh hưởng của tỷ số nộn: động cơ diesel, cần đảm bảo chắc chắn để nhiờn liệu được phỏt hỏa bốc chỏy trong mọi điều kiện sử dụng, muốn vậy nhiệt độ mụi chất cuối quỏ trỡnh nộn, phải vượt qua nhiệt độ phỏt hỏa tự chỏy của nhiờn liệu lỳc đú (khoảng 300oC), muốn vậy phải cú tỷ số nộn đủ lớn. Tăng tỷ số nộn sẽ tăng nhiệt độ và ỏp suất cuối quỏ trỡnh nộn, làm tăng tốc độ sấy núng, bay hơi và phản ứng húa học, rỳt ngắn thời kỳ chỏy trễ, nờn tốc độ tăng ỏp suất của thời kỳ chỏy nhanh tương đối thấp, làm cho động cơ chạy ờm hơn, nhưng dựng tỷ số nộn lớn quỏ, ỏp suất cực đại của chu trỡnh sẽ tăng lờn quỏ nhiều, làm tăng mức phụ tải của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, gõy ảnh hưởng đến tuổi thọ động cơ.
- Ảnh hưởng của quy luật phun nhiờn liệu: nếu lượng nhiờn liệu được phun vào xy lanh tương đối ớt ở thời kỳ chỏy trễ, động cơ chạy sẽ ờm hơn nhưng quỏ trỡnh chỏy sẽ kộo dài, làm giảm hiệu suất nhiệt. Nếu cung cấp một lượng nhiờn liệu như nhau nhưng rỳt ngắn thời gian cung cấp, sẽ làm tăng lượng nhiờn liệu phun vào xy lanh trong thời kỳ chỏy trễ, làm cho tốc độ tăng ỏp suất của thời kỳ chỏy nhanh tăng cao, rỳt ngắn thời gian chỏy làm tăng cụng suất và hiệu suất động cơ, nhưng động cơ chạy khụng ờm. Quy luật phun hợp lý nhất là: lỳc bắt đầu phun, cần cú tốc độ phun nhỏ, ỏp suất phun thấp, để giảm lượng nhiờn liệu phun vào xylanh trong thời kỳ chỏy trễ. Giai đoạn giữa và cuối quỏ trỡnh phun cần tăng nhanh tốc độ phun và ỏp suất phun làm cho lượng nhiờn liệu phun vào xylanh tăng nhanh.
- Ảnh hưởng của gúc phun sớm: tăng gúc phun sớm, nhiờn liệu được phun vào khối khụng khớ cú nhiệt độ và ỏp suất khụng lớn, sẽ làm kộo dài thời kỳ chỏy trễ, động cơ làm việc sẽ khụng ờm. Nhưng nếu phun nhiờn liệu muộn quỏ, quỏ trỡnh
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 36 chỏy sẽ kộo dài sang kỳ gión nở, nhiệt độ khớ xả sẽ tăng lờn, tăng tổn thất nhiệt cho nước làm mỏt và giảm hiệu suất động cơ.
- Ảnh hưởng của chất lượng phun sương: trong động cơ diesel, nhiờn liệu cú chỏy kiệt và kịp thời hay khụng, phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng phun tơi nhiờn liệu, vỡ nếu nhiờn liệu khụng được phun tơi và phõn bố khụng đều trong khụng gian buồng chỏy sẽ gõy khú khăn cho việc hỡnh thành hũa khớ, kộo dài thời gian chỏy rớt, làm giảm cụng suất và hiệu suất động cơ, ngoài ra cũn thải khúi đen gõy ụ nhiễm mụi trường.
- Ảnh hưởng của điều kiện nạp và thải: nếu tăng ỏp, ỏp suấtvà nhiệt độ mụi chất đi vào xylanh đều tăng, do đú làm tăng ỏp suất và nhiệt độ mụichất cuối thời kỳ nộn và nhờ đú cải thiện mụi trường hỡnh thành hũa khớ, làm giảm thời gian chỏy trễ và rỳt ngắn thời gian của quỏ trỡnh chỏy.
- Ảnh hưởng của vật liệu làm piston và nắp xylanh: nếu dựng vật liệu bằng gang, bề mặt piston và nắp xylanh sẽ núng hơn so với trường hợp dựng hợp kim nhụm vỡ gang hấp thụ nhiệt nhanh, tản nhiệt chậm hơn so với hợp kim nhụm. Kết quả dựng vật liệu gang sẽ rỳt ngắn thời gian chỏy trễ, khi đú động cơ làm việc ờm hơn.
- Ảnh hưởng của tốc độ động cơ và phụ tải động cơ:Tăng tải sẽ làm tăng nhiệt độ động cơ, cải thiện điều kiện chuẩn bị chỏy, vỡ vậy sẽ rỳt ngắn thời gian chỏy trễ [3].
2.2. Cỏc thụng số cơ bản của động cơ
- Áp suất cú ớch trung bỡnh pe: Áp suất cú ớch trung bỡnh là cụng cú ớch của chu trỡnh tớnh cho một đơn vị thể tớch cụng tỏc của xylanh.
Pe = Vh
Le
(1-1)
Trong đú: Le là cụng cú ớch của chu trỡnh Vh là thể tớch cụng tỏc của xylanh
- Cụng suất cú ớch: cụng suất cú ớch để kộo mỏy cụng tỏc là hiệu của cụng suất chỉ thị và cụng suất tổn thất cơ khớ.
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 37 Ne = Ni - Nm
Trong đú: Ni là cụng suất chỉ thị
Nm là cụng suất tổn thất cơ khớ
- Hiệu suất cú ớch: hiệu suất cú ớch ηe là tỉ số giữa nhiệt lượng chuyển thành cụng cú ớch chia cho nhiệt lượng cấp cho động cơ, do nhiờn liệu đốt chỏy trong xylanh tạo ra. ηe = QH Gnl Ne .
Trong đú: Gnl là lượng nhiờn liệu tiờu thụ trong một đơn vị thời gian QH là nhiệt trị của nhiờn liệu.
- Suất tiờu hao nhiờn liệu: ge =
Ne Gnl
- Cỏc thành phần phỏt thải: phỏt thải của động cơ bao gồm những thành phần ; CO2, H2O, H2, CO, O2 (dư), -CHO (andehyt), HC (hydrocacbon), NOx, PM (cỏc chất thải dạng hạt).
2.3. Cỏc thành phần độc hại trong khớ thải động cơ diesel
Đặc điểm của động cơ diesel là hỗn hợp bờn trong nờn so với ở động cơ xăng hệ số dư lượng khụng khớ λ nằm trong một giới hạn rất rộng từ 1,2 đến 10 tương ứng từ toàn tải đến khụng tải [2].
Trờn hỡnh 2.2 trỡnh bày đặc tớnh của cỏc thành phần độc hại chủ yếu trong động cơ diesel phun trực tiếp theo hệ số dư lượng khụng khớ λ. Sau đõy ta sẽ khảo sỏt những đặc tớnh này.
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 38
- NOx
Khi λ tăng, nhiệt độ chỏy giảm nờn thành phần NOx giảm (xem hỡnh 2.2). So với động cơ xăng thỡ động cơ diesel cú NOx thấp hơn. Tuy nhiờn, thành phần NO2 trong NOx lại cao hơn, chiếm tới 5 ữ 15% trong khi tỷ lệ này của động cơ xăng chỉ là 2 ữ 10%.
- CO
Trong khớ thải của động cơ diesel, tuy λ > 1 và khỏ lớn (thừa nhiều oxy) nhưng vẫn cú thành phần CO mặc dự khỏ nhỏ là do vẫn cú những vựng cục bộ thiếu oxy với λ < 1. Khi λ tăng, ban đầu CO giảm do nồng độ oxy tăng và đạt cực tiểu tại
λ ≈ 2. Tiếp tục tăng λ, CO tăng do tỷ lệ tỏi hợp của CO với oxy trong quỏ trỡnh gión nở giảm đi nờn lượng CO cũn lại trong khớ thải tăng lờn.
- HC
Do λ lớn nờn HC trong động cơ diesel so với ở động cơ xăng cũng nhỏ hơn. Khi λ tăng, nhiệt độ chỏy giảm nờn phần nhiờn liệu khụng chỏy được sẽ tăng lờn (HC tăng).
- Chất thải dạng hạt (P-M)
Hỡnh 2.2. Đặc tớnh cỏc thành phần độc hại của động cơ diesel theoλ[5]
λ 0,15 P-M 0,10 0,05 0 g m3 500 1000 1500 NOx CmHn CO ppm 0 1 2 3 4 5 6 NOx CmHn CO P-M
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 39 Cỏc hạt (P-M) cú kớch thước từ 0,01 đến 1 àm. Phần lớn hạt cú kớch thước <
0,3 àm nờn rất dễ bị hớt vào và gõy tổn thương cho đường hụ hấp và phổi.
P-M của động cơ diesel cao hơn nhiều so với của động cơ xăng, chủ yếu là do một phần đỏng kể nhiờn liệu chỏy ở dạng giọt lỏng rất nhỏ trong khi ở động cơ xăng thỡ ở dạng hơi. P-M phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và phương phỏp hỡnh thành khớ hỗn hợp. Thụng thường, trong P-M của động cơ diesel chứa: 40% dầu bụi trơn, 31% bồ húng, 14% cỏc muối sunfat ngậm nước, 7% nhiờn liệu diesel, 8% cỏc loại khỏc cũn lại.
Với λ tăng, nhiệt độ chỏy giảm nờn tỷ lệ nhiờn liệu phõn huỷ giảm, P-M giảm. Từ λ = 3 trở đi, P-M hầu như khụng đổi.
- Hợp chất chứa lưu huỳnh
Trong khớ thải cú cỏc hợp chất chứa lưu huỳnh là do trong nhiờn liệu cũn một lượng tạp chất lưu huỳnh cũn lại khi chưng cất dầu mỏ. Lưu huỳnh khi chỏy tạo thành SO2 sẽ kết hợp với hơi nước (sản phẩm chỏy hydro của nhiờn liệu) tạo thành axit yếu H2SO3 gõy ăn mũn cỏc chi tiết và mưa axit, đồng thời tạo ra P-M thụng qua cỏc muối cú gốc sunfat
2.4. Quy trỡnh đỏnh giỏ ảnh hưởng của nhiờn liệu diesel pha dầu thực vật tới tớnh năng kinh tế, kỹ thuật và phỏt thải động cơ diesel trờn băng thử tớnh năng kinh tế, kỹ thuật và phỏt thải động cơ diesel trờn băng thử
- Phối trộn nhiờn liệu: Sau khi chọn được loại dầu thực vật để thớ nghiệm ta tiến hành phõn tớch tớnh chất của dầu thực vật sau đú phối trộn nhiờn liệu diesel với dầu thực vật.
- Phõn tớch cỏc mẫu nhiờn liệu thử: Trước khi thử nghiệm với động cơ, cỏc mẫu nhiờn liệu được đưa đi phõn tớch cỏc thành phần chớnh như trị số cetan, nhiệt trị… Sau đú ta chọn cỏc mẫu nhiờn liệu tốt nhất để thử nghiệm trờn động cơ.
- Chạy rà động cơ: Chạy rà động cơ với nhiờn liệu diesel pha dầu thực vật ở tốc 1500 vũng/phỳt, nhằm mục đớchđể cho động cơ thớch nghi với nhiờn liệu
- Chạy động cơ ở cỏc chế độ tải: Mỗi loại nhiờn liệu chạy ở 4chế độ tải là 10%, 25%, 50% và 75%, ứng với mỗi chế độ tải, chạy ở 2 chế độ tốc độ gồm 1400 và 2000 vũng/phỳt. Khi thử nghiệm với mẫu nhiờn liệu mới tiếp theo ta cần thay hết
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 40 nhiờn liệu cũ rồi chạy mẫu nhiờn liệu mới đú ổn định trong vũng 15 phỳt để đảm bảo khụng cũn nhiờn liệu cũ trong đường ống.
Hỡnh 2.3. Sơ đồ quy trỡnh đỏnh giỏ ảnh hưởng của nhiờn liệu diesel pha dầu thực vật
1.Phối trộn nhiờn liệu
2. Mẫu số 1
Diesel khoỏng
2. Mẫu số 2 Diesel pha 5% dầu
dừa
2. Mẫu số 3 Diesel pha 10% dầu
dừa
Chọn dầu thực vật
3.Phõn tớch cỏc
thành phần chớnh và chọn mẫu nhiờn liệu
3.Phõn tớch cỏc
thành phần chớnh và chọn mẫu nhiờn liệu
3.Phõn tớch cỏc
thành phần chớnh và chọn mẫu nhiờn liệu
5.Chạy động cơ ở tốc độ 1400 v/ph với cỏc chế độ tải: 10%, 25%, 50%, 75% 6.Chạy động cơ ở tốc độ 2000 v/ph với cỏc chế độ tải: 10%, 25%, 50%, 75% 5.Chạy động cơ ở tốc độ 1400 v/ph với cỏc chế độ tải: 10%, 25%, 50%, 75% 6.Chạy động cơ ở tốc độ 2000 v/ph với cỏc chế độ tải: 10%, 25%, 50%, 75% Phõn tớch và đỏnh giỏ kết quả 5.Chạy động cơ ở tốc độ 1400 v/ph với cỏc chế độ tải: 10%, 25%, 50%, 75% 6.Chạy động cơ ở tốc độ 2000 v/ph với cỏc chế độ tải: 10%, 25%, 50%, 75%
4.Động cơ chạy mẫu
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 41
Kết luận chương 2:
Tớnh chất nhiờn liệu ảnh hưởng nhiều đến quỏ trỡnh chỏy trong xylanh, cỏc thụng sốtớnh năng kinh tế, kỹ thuật (cụng suất, suất tiờu hao nhiờn liệu) và cỏc thành phần phỏt thải độc hại (CO, HC, NOx, PM) trong khớ thải động cơ diesel. Do đú để nghiờn cứu ảnh hưởng của dầu thực vật tới động cơ diesel trước hết cần đỏnh giỏ cỏc thụng số này. Quỏ trỡnh đỏnh giỏ thường được tiến hành theo phương phỏp đối chứng. Trong chương này tỏc giả đó trỡnh bày quy trỡnh hỡnh thành hỗn hợp và chỏy trong động cơ diesel, cỏc thụng số cơ bản của động cơ, cỏc thành phần độc hại trong khớ thải động cơ diesel và xõy dựng được quy trỡnh thử nghiệm để đỏnh giỏ ảnh hưởng của nhiờn liệu diesel pha dầu thực vật tới tớnh năng động cơ diesel ở cỏc chếđộ tốc độ và chế độ tải khỏc nhau. Đõy là cơ sở để tiến hành thử nghiệm ở chương tiếp theo.
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 42
CHƯƠNG 3: NGHIấN CỨUTHỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG NHIấN LIỆU DIESEL PHA DẦU THỰC VẬT TỚI TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ
3.1. Trang thiếtbị thử nghiệm
Việc nghiờn cứu thớ nghiệm để hoàn thiện cỏc đặc tớnh của động cơ đũi hỏi sự phối hợp của nhiều ngành khoa học với nhau. Nhờ sự phỏt minh mới trong lĩnh vực húa lý, cụng nghệ thụng tin, điện tử đó tạo ra những cụng cụ quan trọng cho việc nghiờn cứu. Quỏ trỡnh thử nghiệm được tiến hành tại phũng thớ nghiệm động cơ nhiều xylanh được trang bị nhiều thiết bị hiện đại và bố trớ như sơ đồ dưới đõy:
Hỡnh 3.1. Sơ đồ kết nối cỏc thiết bị của hệ thống băng thử
Hệ thống băng thử gồm cỏc trang thiết bị cơ bản sau: - Động cơ D243
- Cụm phanh điện APA100
Đ iê u ho à n hiệt độ n uớ c l àm má t