1.3.4. Một số nghiờn cứu ứng dụng dầu thực vật làm nhiờn liệu cho động cơ diesel
Nhu cầu sử dụng nhiờn liệu dầu mỏ trờn thế giới mà đặc biệt là trong ngành giao thụng vận tải cú xu hướng tăng nhanh, nguồn nhiờn liệu dựa trờn dầu mỏ thu được từ nguồn húa thạch cú trữ lượng hạn chế. Do đú thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng nguồn nhiờn liệu. Đứng trước tỡnh trạng đú một số quốc gia đó nghiờn cứu, thử nghiệm và ứng dụng nhiờn liệu cú nguồn gốc từ thực vật cú sẵn trong nước để dần thay thế cho nhiờn liệu dầu mỏ.
Cỏc nhà khoa học tại Đại học Gazi, Thổ Nhĩ Kỳ đó thử nghiệm trờn động cơ diesel với 7 mẫu nhiờn liệugồm một mẫu nhiờn liệu diesel và sỏu mẫu dầu thực vật: diesel khoỏng, dầu hướng dương, dầu bụng, dầu đậu nành, dầu ngụ, dầu cõy thuốc phiện,dầu hạt cải dầu [10]. Kết quả thử nghiệm như sau:
- Cụng suất động cơ (Hỡnh 1.5): cụng suất động cơ khi sử dụng dầu ngụ hoặc dầu hạt cải dầu gần bằngcụng suất động cơ khi sử dụng nhiờn liệu diesel khoỏng.
Loại nhiờn liệu Nhiệt trị (MJ/kg)
Diesel 43,8
Dầu dừa 37,1
Dầu hạt cải 37,4
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 27
Loại nhiờn liệu
Hỡnh 1.5. So sỏnh cụng suất động cơ[10]
- Phỏt thải CO (Hỡnh 1.6): phỏt thải CO của diesel khoỏngkhoảng 2225ppm thấp hơn với cỏc mẫu nhiờn liệu cũn lại, tuy nhiờn mẫu nhiờn liệu phỏt thải CO cao nhất cũng chỉ 4000ppm.
Loại nhiờn liệu
Hỡnh 1.6. Phỏt thải CO[10]
- Phỏt thải CO2 (Hỡnh 1.7): phỏt thải CO2 của diesel khoỏng cao hơn cỏc mẫu nhiờn liệu cũn lại.
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 28
Loại nhiờn liệu
Hỡnh 1.7. Phỏt thải CO2[10]
- Phỏt thải NO2 (Hỡnh 1.8): phỏt thải NO2 của diesel khoỏng cao hơn với cỏc mẫu nhiờn liệu cũn lại, đặc biệt mẫu nhiờn liệu dầu bụng phỏt thải NO2 chỉ bằng khoảng 65% mẫu nhiờn liệu diesel khoỏng.
Loại nhiờn liệu
Hỡnh 1.8. Phỏt thải NO2[10]
Tại Ấn Độ năm 2007 cỏc nhà khoa học nước này đó đưa ra kết quả thử nghiệm với cỏc mẫu nhiờn liệu: diesel khoỏng, j10 (10% dầu jatropha và 90% diesel khoỏng, j20 (20% dầu jatropha và 80% diesel khoỏng), j50 (50% dầu jatropha và 50% diesel khoỏng), j75 (75% dầu jatropha và 25% diesel khoỏng), j100 (100% dầu jatropha) [8]. Kết quả thử nghiệm như sau:
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 29 - Phỏt thải CO (Hỡnh 1.9): nhỡn vào đồ thị ta thấy phỏt thải CO của mẫu nhiờn liệu j10 và j20 cao hơn khụng nhiều mẫu nhiờn liệu diesel khoỏng.
Tải động cơ (%)
Hỡnh 1.9. Phỏt thải CO[8]
- Phỏt CO2 (Hỡnh 1.10): phỏt thải CO2 của mẫu nhiờn liệu diesel khoỏng và mẫu nhiờn liệu j10, j20 ở 80% tải trở nờn là như nhau.
Tải động cơ (%)
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 30 - Phỏt thải HC (Hỡnh 1.11.): ta nhận thấy cỏc mẫu nhiờn liệu j10 và j20 phỏt thải HC cú những thời điểm thấp hơn mẫu nhiờn liệu diesel khoỏng, mẫu nhiờn liệu j50 mức phỏt thải HC tương ứng mẫu nhiờn liệu diesel khoỏng
Tải động cơ (%)
Hỡnh 1.11. Phỏt thải HC[8]
- Độ khúi của khớ xả (Hỡnh 1.12): cỏc mẫu nhiờn liệu j10 và j20 độ khúi của khớ xả tương đương mẫu nhiờn liệu diesel khoỏng.
Tải động cơ (%)
Hỡnh 1.12. Độ khúi của khớ xả[8]
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 31
Kết luận chương 1:
Việc tỡm kiếm nguồn nhiờn liệu thay thế cú khả năng tỏi tạo và thõn thiện với mụi trường là xu hướng chung của nhiều nước trờn thế giới. Nguồn nhiờn liệu này cũng rất đa dạng, chương này tỏc giả đó tỡm hiểu và trỡnh bày về sự cần thiết sử dụng cỏc loại nhiờn liệu thay thế và tổng quan về cỏc loại nhiờn liệu cồn sinh học, diesel sinh học, LPG, khớ thiờn nhiờn… đặc biệt là dầu thực vật, cũng như một số cụng trỡnh nghiờn cứu trờn thế giới về sử dụng dầu thực vật làm nhiờn liệu cho động cơ diesel. Tựy theo đặc điểm của từng vựng, dầu thực vật được chế biến từ cỏc nguồn khỏc nhau như: hạt cõy cải dầu, cọ, hạt bụng, dừa… Dầu thực vật cú tớnh chất tương tự như diesel nờn cú thể sử dụng trờn động cơ thay cho diesel khoỏng. Tuy nhiờn dầu thực vật cú độ nhớt cao hơn 10 lần so với diesel, đồng thời cú chứa khoảng 10% ụxy nờn cú ảnh hưởng nhất định tới tớnh năng kinh tế, kỹ thuật và phỏt thải động cơ diesel thụng thường. Sự ảnh hưởng này cũng phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể như loại dầu thực vật, tỷ lệ pha trộn dầu thực vật trong diesel, loại động cơ thử nghiệm. Để dựng được trờn động cơ diesel đang lưu hành mà khụng phải thay đổi kết cấu, chỉ nờn pha một lượng nhỏ dầu thực vật vào diesel. Nước ta là nước nụng nghiệp cú nhiều tiềm năng trong chế biến sản xuất dầu thực vật. Do vậy cần nghiờn cứu đỏnh giỏ ảnh hưởng của dầu thực vật tới tớnh năng động cơ diesel đang lưu hành trong điều kiện Việt Nam.
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 32
CHƯƠNG 2. CƠ SỞĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIấN LIỆU DIESEL PHA DẦU THỰC VẬT TỚI TÍNH NĂNG KINH TẾ, KĨ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL
2.1. Quỏ trỡnh hỡnh thành hỗn hợp và chỏy trong động cơ diesel
2.1.1. Quỏ trỡnh hỡnh thành hỗn hợp chỏy trong động cơ diesel
Khỏc với động cơ xăng, quỏ trỡnh hỡnh thành hỗn hợp đối với động cơ diesel được thực hiện bờn trong xylanh. Nhiờn liệu cú ỏp suất cao được phun vào xylanh ở cuối hành trỡnh nộn, trước thời điểm quỏ trỡnh chỏy diễn ra. Toàn bộ nhiờn liệu phun vào đều lần lượt trải qua cỏc quỏ trỡnh xộ tơi, bay hơi, hũa trộn nhiờn liệu với khụng khớ và bốc chỏy. Trong suốt hành trỡnh chỏy và gión nở, liờn tục diễn ra sự hũa trộn của khụng khớ cũn sút lại trong xylanh với hỗnhợp đang chỏy và đó chỏy.
Quỏ trỡnh chỏy của động cơ diesel thực chất là cỏc phản ứng chỏy của nhiờn liệu với khụng khớ. Sản phẩm của quỏ trỡnh chỏy bao gồm: CO2, H2O, N2, O2, CO, HC chỏy khụng hết, NOx, bụi, khúi và tuỳ thuộc vào chất lượng của nhiờn liệu mà sản phẩm chỏy cú thể cú SOx. Trong cỏc thành phần khớ thải thỡ NOx, phỏt thải hạt, CO và HC chỏy khụng hết là phỏt thải gõy độc hại nghiờm trọng nhất của động cơ đốt trong .
Quỏ trỡnh hỡnh thành hỗn hợp và chỏy trong động cơ diesel cú thể được chia thành 4 giai đoạn gồm: chỏy trễ, chỏy nhanh, chỏy chớnh (chỏy chậm), chỏy rớt (Hỡnh 2.1).
Giai đoạn chỏy trễ: Được tớnh từ khi bắt đầu phun nhiờn liệu vào buồng chỏy đến khi bắt đầu chỏy. Đặc điểm của giai đoạn này là:
+ Tốc độ phản ứng húa học tương đối chậm, phản ứng tạo ra cỏc sản phẩm trung gian.
+ Nhiờn liệu được phun liờn tục vào buồng chỏy, lượng nhiờn liệu được phun vào cuối thời kỳ chỏy trễ khoảng 30-40%, cỏ biệt đối với một vài động cơ cao tốc cú thể tới 100%.
HV: Nguyễn Văn Nụ MSHV: CA120147 33
Hỡnh 2.1. Đồ thị quỏ trỡnh chỏy trong động cơ diesel[5] I. Chỏy trễ; II. Chỏy nhanh; III. Chỏy chớnh; VI. Chỏy rớt. 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