CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đốt trong
1.3.1 Sử dụng DMF nguyên chất trong động cơ xăng
1.3.1.1 Đặc điểm quá trình cháy của động cơ khi sử dụng DMF
Để có thể sử dụng trên các loại động cơ đốt trong, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu đặc điểm quá trình cháy của DMF. Các vấn đề liên quan bao gồm: đặc tính phun, tốc độ lan truyền màng lửa, ảnh hưởng của pha cháy, ảnh hưởng của thời gian phun, ảnh hưởng của tỷ lệ hịa trộn khơng khí-nhiên liệu… đã được nghiên cứu và thảo luận.
Trong số những vấn đề trên, đặc tính phun của nhiên liệu ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của động cơ và q trình phát thải của nó, đặc biệt đối với các loại động cơ phun trực tiếp (DI: direct injection). Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính phun bao gồm áp suất phun, kết cấu kim phun và tính chất của nhiên liệu trong quá trình phun đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và đánh giá. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu và qua đó ảnh hưởng đến q trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ. Guohong Tian và các cộng sự [26] đã tiến hành nghiên cứu đặc tính phun của DMF và các hỗn hợp của nó với xăng. Hỗn hợp DMF với xăng được phun bởi một vịi phun cao áp và sau đó được phân tích bởi Hệ thống phân tích hạt pha Doppler (PPDA: Phase Doppler Particle Analyzer). Các vấn đề như chiều dài tia phun, vận tốc hạt và phân bố kích thước hạt của các hỗn hợp nhiên liệu khác nhau được tiến hành phân tích và đánh giá, sau đó các kết quả nghiên cứu được so sánh với xăng và etanol.
Nhóm tác giả cho biết, xăng có chiều dài tia phun ngắn hơn khoảng 10% so với etanol, DMF và D50 (D50 là hỗn hợp bao gồm 50% DMF pha trộn với 50% xăng). Cấu trúc tia phun của tất cả các loại nhiên liệu tương tự như nhau; vận tốc phun của DMF nguyên chất và các hỗn hợp của nó hơi thấp hơn so với xăng, trong đó etanol có vận tốc phun thấp nhất; áp suất phun ảnh hưởng rất lớn đến sự phân bố kích thước hạt trong q trình phun. Khi tăng áp suất phun thì quá trình phun của DMF cũng được cải thiện nhiều hơn so với etanol. Kết quả nghiên cứu cũng đưa ra kết luận rằng, quá trình phun của DMF và các hỗn hợp của nó cho thấy DMF hồn tồn có thể sử dụng trên các loại động cơ đốt trong mà hầu như không cần phải thay đổi hay điều chỉnh kết cấu động cơ.
Tốc độ lan truyền màng lửa là một đặc tính quan trọng khác của nhiên liệu. Nó rất quan trọng trong việc nghiên cứu quá trình cháy của động cơ, và đặc biệt quan trọng trong việc mơ phỏng q trình cháy. Đối với các mơ hình nghiên cứu hiện tượng của quá trình cháy, việc xác định đầy đủ các yếu tố động học - hóa học và phản ứng của ngọn lửa là vô cùng cần thiết. Tuy nhiên, do sự phức tạp và bản chất không ổn định của chuyển động rối bên trong buồng cháy, hầu hết các mơ hình mơ phỏng số
đều dựa vào vận tốc lan truyền màng lửa để mơ tả, giải thích thay cho các thành phần rối. Trong thực tế, tốc độ lan truyền màng lửa ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ cháy và qua đó ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ. Guohong Tian và các cộng sự [27] cũng đã nghiên cứu về tốc độ lan truyền màng lửa của DMF và so sánh nó với tốc độ lan truyền màng lửa của xăng và etanol. Các thử nghiệm được tiến hành dưới áp suất ban đầu là 0,1MPa và các mức nhiệt độ khác nhau (50oC, 75oC và 100oC).
Hình 1.7 Tốc độ lan truyền màng lửa của các nhiên liệu thử nghiệm (DMF, etanol và xăng) với hệ số dư lượng khơng khí λ = 1, nhiệt độ ban đầu 75oC [28]
Trên Hình 1.7, có thể thấy tốc độ lan truyền màng lửa của etanol là cao nhất. Ngọn lửa hình thành và đo được sau 3ms, và tốc độ tăng tương đối của màng lửa ln được duy trì trong suốt q trình mở rộng. Trong khi đó, ta thấy tốc độ lan truyền màng lửa của DMF và xăng ít có sự khác biệt.
1.3.1.2 Đặc tính làm việc của động cơ
Các nghiên cứu ở trên đã cho thấy DMF có những tính chất tương đồng với xăng và hồn tồn có khả năng thay thế xăng khi sử dụng trên động cơ đốt trong. Tuy nhiên, các thí nghiệm trên được thực hiện trong mơi trường được kiểm sốt, nhưng khi ứng dụng trên động cơ thì chưa phù hợp do nhiệt độ và áp suất cục bộ của nó thay đổi theo chu kỳ. Chính vì thế, bước tiếp theo là phải phân tích các đặc tính của động cơ để tìm hiểu ảnh hưởng sự kết hợp phức tạp của các thông số khác nhau này.
nổ… khi sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đánh lửa, phun nhiên liệu trực tiếp (DISI: Direct Injection Spark Ignition). Kết quả thử nghiệm cho thấy, để cung cấp năng lượng tương đương với 1 lít xăng thì cần đến 1,512 lít etanol và 1,073 lít DMF. Vì tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu của các loại nhiên liệu khơng giống nhau, nên vị trí bướm ga cần phải được điều chỉnh để đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí λ = 1 tại các mức tải khác nhau. Khi tăng ga thì lượng nhiên liệu qua đường nạp tăng và lượng nhiên liệu cần thiết để duy trì hệ số dư lượng khơng khí λ = 1 cũng tăng. Trong 3 loại nhiên liệu tham gia thử nghiệm, etanol có giá trị nhiệt lượng thấp nhất nên mức tiêu hao nhiên liệu cao nhất, trong khi đó mức tiêu hao nhiên liệu của DMF khơng có nhiều khác biệt so với xăng.
Hiệu suất nhiệt chỉ thị của DMF tương tự như xăng, trong khi đó etanol có hiệu suất nhiệt đặc biệt cao. Điều này là do hiệu suất cháy của etanol cao và do thành phần ôxy phân tử (ôxy chiếm 35% khối lượng etanol, cao hơn 18% so với DMF). Hiệu suất nhiệt của etanol không giảm một cách đột ngột như DMF và xăng mà vẫn duy trì ở mức trên 37%.
Hiện tượng kích nổ bắt đầu xuất hiện ở mức tải tương ứng với áp suất chỉ thị trung bình IMEP 5,5 bar (IMEP: Indicated mean effective pressure). DMF cho thấy nó có xu hướng kích nổ ít hơn xăng do chỉ số RON cao hơn. Tuy nhiên, xu hướng kích nổ tăng theo tải, và ở mức tải tương ứng với áp suất chỉ thị trung bình trên 6,5 bar, động cơ bắt đầu mất ổn định. Các thử nghiệm ở mức tải cao hơn khơng được tiến hành vì sẽ gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho động cơ. Trong số các nhiên liệu thử nghiệm thì etanol khơng xảy ra hiện tượng kích nổ ở bất kỳ mức tải nào.
Ritchie Daniel và các cộng sự [30] cũng đã trình bày cơng trình nghiên cứu về ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến quá trình cháy và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF. Kết quả nghiên cứu cho thấy DMF và etanol đều cần nhiều nhiên liệu hơn xăng để duy trì mức cơng suất cần thiết trên tồn bộ phạm vi tải. Điều này sở dĩ là do xăng có mật độ năng lượng vượt trội so với 2 nhiên liệu cịn lại. Tuy nhiên, so với etanol thì DMF tiêu thụ ít nhiên liệu hơn do nhiệt trị thấp của DMF cao
hơn khoảng 25% (6,8 MJ/kg). Kết quả nghiên cứu này cũng tương đồng với những gì mà Shaohua Zhong và cộng sự đã cơng bố trước đó.
1.3.1.3 Đặc tính phát thải
Trong cơng trình nghiên cứu của mình, Guohong Tian và các cộng sự [28] đã tổng hợp các nghiên cứu trước đó và trình bày những đánh giá khá chi tiết về quá trình cháy và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF. Lượng khí thải của động cơ được tiến hành đo đạc, phân tích và so sánh giữa 3 loại nhiên liệu là DMF, xăng và etanol ở các mức tải khác nhau. Các phát thải thông dụng như NOx, HC, CO, CO2 và phát thải không thông dụng cũng được tiến hành nghiên cứu và đánh giá.
NOx là phát thải được quan tâm hàng đầu trong động cơ. Nó có độc tính cao gấp 20 lần so với CO và là nhân tố chính gây nên hiện tượng sương mù quang hóa. Sự hình thành phát thải NOx chủ yếu xảy ra khi nhiệt độ quá trình cháy cao hơn 1800K và hỗn hợp giàu ôxy. Lượng phát thải chỉ thị của NOx được tính bằng khối lượng phát thải tương ứng với năng lượng phát ra từ động cơ và có đơn vị là g/kWh. Phát thải NOx phụ thuộc vào tải động cơ và thường tăng theo tải. Tương ứng với cùng thời điểm đánh lửa, etanol có lượng phát thải NOx thấp hơn nhiều so với xăng. Nguyên nhân là do etanol có tốc độ cháy tương đối cao hơn xăng và nhiệt độ quá trình cháy thấp hơn. Mặc dù DMF dường như có tốc độ cháy nhanh hơn etanol một chút, nhưng lượng phát thải NOx lại tương đương với xăng do nhiệt độ quá trình cháy của DMF rất cao. Lượng phát thải NOx tương đối cũng có thể quy cho tỷ lệ H/C của nhiên liệu. Etanol có lượng phát thải NOx thấp nhất là do nó có tỷ lệ H/C cao nhất, trong khi đó DMF có lượng phát thải NOx rất cao vì tỷ lệ H/C của nó là thấp nhất. Do đó, ta thấy lượng phát thải NOx tỷ lệ nghịch với tỷ lệ H/C của nhiên liệu.
Etanol có hàm lượng ơxy cao hơn DMF dẫn đến hiệu quả quá trình cháy cao hơn, đồng thời hỗ trợ q trình ơxy hóa các hydrocacbon chưa cháy và vì thế, giúp giảm lượng phát thải HC. Khi tải tăng lên tương ứng với áp suất chỉ thị trung bình từ 3,5 đến 8,5 bar, lượng phát thải HC giảm khoảng 30% đối với tất cả các nhiên liệu. Nguyên nhân là do khi tăng tải, nhiệt độ quá trình cháy sẽ tăng lên và do đó giúp tăng
hiệu suất cháy. Lượng phát thải HC và CO phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng ơxy trong cơng thức phân tử. Chính vì thế, mức phát thải HC của DMF nằm giữa xăng và etanol.
Phát thải CO của các nhiên liệu được mô tả tương tự như phát thải HC, phát thải CO thường giảm khi tăng tải. Xu hướng này ngược lại với quá trình tăng hiệu suất chỉ thị, nghĩa là lượng phát thải CO thấp nhất khi đạt hiệu suất cao nhất. Giữa 2 loại nhiên liệu có chứa ơxy (DMF và etanol), etanol ln tạo ra lượng phát thải CO thấp nhất trong tất cả các điều kiện thử nghiệm. Điều này là do hiệu quả quá trình cháy của etanol là cao nhất và lượng ơxy của nó cũng nhiều nhất.
Mặc dù CO2 là một loại khí khơng độc hại và khơng được phân vào loại khí thải động cơ gây ơ nhiễm, nhưng nó là một trong những chất chịu trách nhiệm chính cho sự nóng lên tồn cầu thơng qua hiệu ứng nhà kính. Do đó, việc đánh giá và so sánh phát thải CO2 của các loại nhiên liệu là cần thiết. Lượng phát thải CO2 giảm khi tăng tải và khi động cơ hoạt động với góc đánh lửa tối ưu. Phát thải CO2 là một dấu hiệu cho thấy sự hồn thiện của q trình cháy. Khi tăng tải động cơ, quá trình cháy sẽ hồn thiện hơn, dẫn đến làm tăng hiệu suất của q trình cháy và qua đó làm giảm phát thải CO2.
Tóm lại, các cơng trình nghiên cứu trên đều cho thấy, khi sử dụng DMF nguyên chất (100%) để làm nhiên liệu cho động cơ thì đặc điểm quá trình cháy của nó và đặc tính làm việc của động cơ khi sử dụng loại nhiên liệu này khá tương đồng so với xăng, đồng thời đặc tính phát thải của DMF được cải thiện khá nhiều so với khi sử dụng xăng, đặc biệt là các phát thải độc hại. Hiện nay, tại Việt Nam, chưa có bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào công bố về việc sử dụng DMF nguyên chất trên động cơ. Tuy nhiên, do DMF là một loại nhiên liệu mới nên quá trình sản xuất ra nó cũng đang được các nhà nghiên cứu trên Thế giới tập trung cải thiện, và Việt Nam vẫn chưa thể tự sản xuất ra loại nhiên liệu này, mặc dù Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn ngun liệu để sản xuất ra DMF. Chính vì thế, hướng nghiên cứu sử dụng DMF nguyên chất sẽ không được tác giả lựa chọn.