CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đốt trong
1.3.2 Sử dụng hỗn hợp DMF-điêzen trên động cơ điêzen
1.3.2.1 Đặc điểm quá trình cháy của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-điêzen
Hiện nay, có rất ít các cơng trình nghiên cứu về đặc tính q trình cháy khi sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ điêzen. Tương tự như xăng, DMF có trị số ốctan cao (trong một số cơng trình nghiên cứu, trị số ốctan của DMF có thể lên đến 119) và nhiệt độ tự bốc cháy rất cao (lên đến 333oC, so với 180oC của điêzen) nên rất khó tự bốc cháy như điêzen khi được phun vào trong buồng đốt của động cơ điêzen truyền thống. Chính vì vậy, các cơng trình nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-điêzen trên động cơ điêzen nhằm cải thiện quá trình cháy của động cơ và giảm các phát thải độc hại.
Theo hướng này, Zhang và các cộng sự [31] đã tiến hành nghiên cứu đặc điểm quá trình cháy của động cơ điêzen khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-điêzen với ứng dụng cháy ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu được tiến hành với các loại nhiên liệu: D0 (100% điêzen), D20 (20% DMF + 80% điêzen), D40 (40% DMF + 60% điêzen) và G40 (40% xăng + 60% điêzen). Tốc độ động cơ được giữ cố định ở 1400 vg/ph, thời điểm phun cố định ở góc -60 góc quay trục khuỷu (GQTK) trước điểm chết trên. Tương ứng với mỗi loại nhiên liệu, tỷ lệ tuần hồn khí xả EGR (EGR: Exhaust Gas Recirculation) thay đổi từ 0% cho đến khi động cơ không thể đạt được sự ổn định. Kết quả nghiên cứu đặc tính cháy của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu D0, D20, D40 và G40 cho thấy, tại cùng mức tỷ lệ luân hồi khí xả EGR, thời gian cháy trễ tăng tương ứng khi tăng tỷ lệ DMF trong hỗn hợp. Thời gian cháy trễ của G40 không dài hơn điêzen nhiều, trong khi đó, thời gian cháy trễ của D40 dài hơn đáng kể so với G40, nguyên nhân là do chỉ số ốctan của DMF cao hơn so với xăng. So sánh thời gian cháy của các loại nhiên liệu tương ứng với các mức tỷ lệ luân hồi khí xả EGR khác nhau nhận thấy rằng: khi mức luân hồi khí xả tăng, thời gian cháy của các loại nhiên liệu ban đầu tăng, nhưng sau đó sẽ giảm. Trong đó, thời gian cháy của D40 là ngắn nhất khi so sánh với điêzen và G40.
Helin Xiao và các cộng sự [22] cũng đã nghiên cứu quá trình cháy và phát thải của động cơ điêzen khi sử dụng hỗn hợp DMF-điêzen. Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên động cơ cháy nén phun trực tiếp DICI 4 kỳ (DICI: Direct-Injection Compression-Ignition), làm mát bằng nước với áp suất có ích trung bình (BMEP: Brake mean effective pressure) tương ứng từ 0,13 đến 1,13 MPa, tại tốc độ động cơ không đổi 1800 vg/ph. Các nhiên liệu được sử dụng trong quá trình thực nghiệm bao gồm điêzen nguyên chất, hỗn hợp với 10% và 30% DMF theo khối lượng (tương ứng với D0, D10 và D30). Kết quả nghiên cứu cho thấy, với BMEP ở 0,38 MPa, khi tăng lượng DMF trong hỗn hợp thì áp suất cực đại trong xi lanh giảm và tốc độ tỏa nhiệt tăng. Tuy nhiên, tại BMEP ở 0,63 MPa, áp suất cực đại trong xi lanh và tốc độ tỏa nhiệt đều tăng khi tăng lượng DMF trong hỗn hợp.
Hình 1.8 Thời gian cháy trễ (a) và Thời gian cháy (b) tương ứng với các mức tải khác nhau [32]
Trong một nghiên cứu khác, Helin Xiao và các cộng sự [32] cũng nghiên cứu quá trình cháy và phát thải của động cơ điêzen khi sử dụng hỗn hợp DMF-điêzen. Quá trình thực nghiệm và điều kiện thử nghiệm cũng tương tự như nghiên cứu trước đó, nhưng các nhiên liệu sử dụng trong lần nghiên cứu này bao gồm D0, D10, D20, D30 và D40. Kết quả nghiên cứu cho thấy D10, D20 và D30 có đặc tính cháy tương tự như điêzen. Khi tăng lượng DMF trong hỗn hợp sẽ dẫn đến kéo dài thời gian cháy trễ và rút ngắn quá trình cháy so với khi sử dụng điêzen thuần túy, chính vì vậy áp suất cực đại trong xi lanh sẽ càng xa điểm chết trên (ĐCT). Điều này là do nhiệt độ tự cháy của DMF khá cao và DMF là loại nhiên liệu có chứa ơxy (Hình 1.8).
Guisheng Chen và các cộng sự [23] tiến hành nghiên cứu về đặc tính cháy và phát thải của động cơ điêzen khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF-điêzen, n- butanol-điêzen và xăng-điêzen. Nghiên cứu được tiến hành trên một động cơ cháy nén (CI) nhiều xi lanh, hoạt động với các hỗn hợp nhiên liệu là D30, B30 và G30 (pha trộn 30% theo thể tích tương ứng với các loại nhiên liệu DMF, n-butanol và xăng vào điêzen). Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi so sánh với B30 và G30, hỗn hợp D30 có thời gian cháy trễ dài hơn do DMF có chỉ số xêtan thấp hơn xăng và n-butanol, điều này dẫn đến quá trình cháy diễn ra nhanh hơn và áp suất trong xi lanh tăng cao hơn.
1.3.2.2 Đặc tính làm việc của động cơ
Một trong những vấn đề quan trọng khi tiến hành nghiên cứu khả năng ứng dụng DMF trên động cơ điêzen là phải tìm hiểu về các đặc tính kỹ thuật của động cơ như công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất tỏa nhiệt… khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-điêzen. Hiện nay, có rất ít cơng trình nghiên cứu đề cập đến vấn đề này.
Khi nghiên cứu về ảnh hưởng của thời gian phun đến quá trình cháy và phát thải của động cơ điêzen khi sử dụng hỗn hợp DMF-điêzen, Wei và các cộng sự [33] đã tiến hành so sánh hiệu suất tỏa nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu của D0, D10 và D30 (tương ứng với nhiên liệu điêzen gốc và các hỗn hợp gồm 10% và 30% DMF) (Hình 1.9). Kết quả cho thấy, tại cùng thời điểm phun, so với điêzen ngun chất thì
D10 và D30 có thời gian cháy trễ dài hơn, dẫn đến quá trình cháy ổn định hơn và do đó làm tăng hiệu suất nhiệt (BTE: Brake thermal efficiency). Hơn nữa, do DMF có hàm lượng ôxy và độ bay hơi cao giúp tăng tốc quá trình cháy, điều này cũng dẫn đến sự gia tăng hiệu suất tỏa nhiệt. Tương ứng thì suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC: Brake specific fuel consumption) giảm khi tăng hàm lượng DMF trong hỗn hợp do hỗn hợp DMF-điêzen có giá trị nhiệt lượng thấp hơn so với điêzen thuần túy.
Trong cơng trình nghiên cứu của mình, Helin Xiao và các cộng sự [32] cũng đề cập đến hiệu suất nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu điêzen gốc và các hỗn hợp từ D10-D40 (Hình 1.10). Kết quả nghiên cứu cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu của tất cả các nhiên liệu thử nghiệm đều có xu hướng giảm khi tăng tải động cơ. Suất tiêu hao nhiên liệu tăng tương ứng khi tăng tỷ lệ pha trộn DMF trong hỗn hợp. Đối với các tỷ lệ hòa trộn thấp như D10, suất tiêu hao nhiên liệu ít có sự khác biệt khi so với điêzen thuần túy, nhưng sự khác biệt sẽ tăng dần khi tăng tỷ lệ hòa trộn, đặc biệt là D40. Điều này là do DMF có giá trị năng lượng thấp hơn so với điêzen, dẫn đến suất tiêu hao nhiên liệu của các hỗn hợp cao hơn so với khi sử dụng điêzen gốc. Suất tiêu hao nhiên liệu của D40 cao hơn nhiều so với các nhiên liệu thử nghiệm khác, đặc biệt là ở các mức tải thấp và trung bình. Điều này sở dĩ là do lượng DMF quá nhiều trong hỗn hợp sẽ làm cho quá trình cháy trong xi lanh diễn ra kém hơn.
Hình 1.9 Hiệu suất nhiệt (a) và suất tiêu hao nhiên liệu (b) của các nhiên liệu tương ứng với thời gian phun [33]
Hình 1.10 Suất tiêu hao nhiên liệu (a) và Hiệu suất nhiệt (b) của các nhiên liệu tương ứng với tải động cơ [32]
Ngược lại với suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt tăng khi tăng tải động cơ (Hình 1.10b). Tuy nhiên, hiệu suất nhiệt của điêzen giảm ở mức tải tương ứng với áp suất có ích trung bình 1,13 MPa, cho thấy sự suy giảm hiệu suất động cơ ở mức tải này. Hiệu suất nhiệt của hỗn hợp D40 thấp hơn 2,8% so với điêzen ở mức tải thấp, nguyên nhân là do quá trình cháy của D40 rất kém. Hiệu suất nhiệt của tất cả các hỗn hợp khác ngoài D40 đều cao hơn điêzen và tăng theo tải động cơ. Mặt khác, hiệu suất nhiệt cũng tăng khi tăng tỷ lệ DMF trong hỗn hợp, điều này là do hàm lượng ôxy cao trong hỗn hợp giúp cải thiện quá trình cháy. Hiệu suất nhiệt của D30 tăng 6,4% so với điêzen nguyên chất ở mức tải tương ứng với áp suất có ích trung bình 0,88 MPa.
1.3.2.3 Đặc tính phát thải
Về đặc tính phát thải, hầu hết các cơng trình nghiên cứu đều chỉ ra rằng việc sử dụng nhiên liệu DMF pha trộn với điêzen để tạo thành hỗn hợp dẫn đến kết quả là lượng phát thải HC, CO và phát thải hạt giảm đáng kể, còn phát thải NOx thay đổi tùy từng trường hợp cụ thể [23], [31–33], [35].
Trong cơng trình nghiên cứu của mình, Helin Xiao và các cộng sự [32] đã chỉ ra rằng quá trình phát thải của động cơ điêzen khi sử dụng các hỗn hợp DMF-điêzen sẽ dẫn đến phát thải HC giảm và phát thải CO tăng khi động cơ hoạt động ở mức tải thấp tương ứng với áp suất có ích trung bình từ 0,13-0,38 MPa. Ở các mức tải trung bình và cao trên 0,38 MPa, phát thải HC và CO của các hỗn hợp hầu như khơng có
khác biệt đáng kể và đều ở mức rất thấp. Trong khi đó, phát thải NOx tăng tại các mức tải trung bình và cao (0,63-1,13 MPa) và phát thải hạt giảm mạnh khi gia tăng tỷ lệ pha trộn DMF trong hỗn hợp.
Trong một nghiên cứu khác, Zhang và các cộng sự [31] đã tiến hành đánh giá phát thải của các hỗn hợp nhiên liệu với các mức tỷ lệ tuần hồn khí xả EGR khác nhau. Khi mức tuần hồn khí xả EGR thấp hơn 30%, phát thải CO của các nhiên liệu thử nghiệm hầu như khơng có sự khác biệt và đều ở mức rất thấp. Sau đó, phát thải CO tăng mạnh khi tăng tỷ lệ EGR. Cịn phát thải HC thì tăng rất chậm theo EGR, trong đó thì hỗn hợp nhiên liệu G40 có mức phát thải HC thấp nhất. Về mức phát thải NOx theo EGR, nghiên cứu cho thấy phát thải NOx có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ EGR. Khi tỷ lệ tuần hồn khí xả EGR ở mức thấp hơn 35%, phát thải NOx sẽ tăng khi lượng DMF trong hỗn hợp tăng. Nhưng khi tỷ lệ EGR đạt mức 35% trở lên thì phát thải NOx giữa các hỗn hợp hầu như khơng có sự khác biệt. Trong số các hỗn hợp nhiên liệu thử nghiệm thì phát thải NOx của G40 tương tự như điêzen, còn phát thải NOx của D40 là cao nhất. Nguyên nhân là do tính chất của các loại nhiên liệu ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy trễ trong động cơ CI, và quá trình cháy trễ này dẫn đến kết quả là tỷ lệ nhiên liệu được hòa trộn tốt hơn, quá trình cháy nhanh hơn, làm cho áp suất cực đại của xi lanh đạt cao hơn.
Có thể dễ dàng nhận thấy rằng khi tăng tỷ lệ DMF trong hỗn hợp thì phát thải hạt giảm rõ rệt. Khi tỷ lệ pha trộn DMF trong hỗn hợp với điêzen tăng lên đến 40% thì phát thải hạt giảm gần bằng khơng. Có 2 ngun nhân chính dẫn đến kết quả này. Thứ nhất, việc bổ sung DMF vào hỗn hợp giúp kéo dài thời gian cháy trễ, do đó hỗn hợp nhiên liệu có nhiều thời gian hơn để hòa trộn trước khi cháy, dẫn đến việc giảm sự hình thành phát thải hạt trong khói thải. Ngun nhân thứ hai là do sự có mặt của ngun tử ơxy trong DMF. Vì phát thải hạt chủ yếu hình thành trong giai đoạn cháy khuếch tán, việc thêm ôxy vào trong hỗn hợp nhiên liệu với điêzen sẽ dẫn đến việc cải thiện giai đoạn cháy khuếch tán và thúc đẩy q trình ơxy hóa sau ngọn lửa, giúp làm giảm phát thải hạt. Bên cạnh các phát thải thông dụng như NOx, HC, CO và phát thải hạt, các phát thải ít thơng dụng hơn cũng được các nhà khoa học quan tâm đến.
Trong một nghiên cứu khác, Helin Xiao và các cộng sự [22] đã đề cập đến các phát thải 1,3-butadien, benzen và axetandehit. Theo đó, các tác giả nhận thấy khi tăng lượng DMF trong hỗn hợp với điêzen sẽ làm tăng phát thải axetandehit, tuy nhiên các phát thải benzen và 1,3-butadien giảm. Điều này là rất quan trọng trong việc góp phần làm giảm các phát thải độc hại gây ơ nhiễm mơi trường.
Tóm lại, các cơng trình nghiên cứu trên đều cho thấy, do DMF có trị số ốctan cao và nhiệt độ tự bốc cháy rất cao nên rất khó tự bốc cháy khi được phun vào buồng đốt của động cơ điêzen. Chính vì thế, các cơng trình nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-điêzen trên động cơ điêzen nhằm cải thiện quá trình cháy của động cơ và giảm các phát thải độc hại. Tại Việt Nam, hiện nay cũng chưa có bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào cơng bố về việc sử dụng DMF làm nhiên liệu trên động cơ điêzen. Tuy nhiên, so với động cơ điêzen thì động cơ xăng phổ biến hơn rất nhiều về số lượng và chủng loại, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng DMF làm nhiên liệu trên động cơ điêzen khơng có nhiều ý nghĩa về tính kinh tế và thực tiễn. Chính vì thế, hướng nghiên cứu này cũng khơng được tác giả lựa chọn và đề cập đến trong cơng trình này.