2) Ảnh hưởng của thành phần nhiờn liệu
Khối lượng riờng, thành phần hydrocarbon thơm, hàm lượng lưu huỳnh cú
ảnh hưởng đến hàm lượng cỏc chất độc hại trong khớ thải của động cơ diesel.
Khối lượng riờng cú liờn quan đến tỷ lệ cỏc loại hydrocarbon trong nhiờn
liệu. Khối lượng riờng càng lớn, tức là hàm lượng cỏc hydrocarbon nặng càng cao sẽ dẫn đến sự gia tăng nồng độ hạt rắn trong khớ thải do gia tăng hiện tượng cốc húa nhiờn liệu.
Thành phần hydrocarbon thơm cú ảnh hưởng trực tiếp đến tớnh tự bốc chỏy của nhiờn liệu diesel. Lượng hydrocarbon chỏy khụng hồn tồn, lượng chất dễ bay hơi (SOF) và hạt rắn trong khớ thải sẽ gia tăng theo hàm lượng hydrocarbon thơm.
Thành phần hydrocarbon thơm trong nhiờn liệu diesel ớt ảnh hưởng đến nồng độ NOx trong khớ thải.
Hàm lượng lưu huỳnh là một trong những chỉ tiờu quan trọng được quy
định nghiờm ngặt đối với nhiờn liệu diesel, bởi vỡ lưu huỳnh cú trong nhiờn liệu khụng chỉ gõy ụ nhiễm mụi trường mà cũn cú ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của động cơ. SO2, SO3, H2SO4 là những chất khụng mong muốn được hỡnh thành từ thành phần lưu huỳnh trong nhiờn liệu.
3) Ảnh hưởng của chất phụ gia
Cỏc chất phụ gia kim loại dưới dạng muối axớt được sử dụng để giảm mức độ phỏt sinh bồ húng của động cơ diesel.
Những kim loại (Ca, Ba, Mg, Fe, Mn, Cu, Ni) thường được sử dụng làm chất phụ gia trong nhiờn liệu diesel. Cỏc chất phụ gia hữu cơ cho thờm vào nhiờn liệu động cơ diezel nhằm mục đớch khỏc nhau, vớ dụ : tăng tớnh tự bốc chỏy, chống oxy húa để nõng cao tớnh ổn định trong quỏ trỡnh bảo quản, tẩy rửa bề mặt để duy trỡ độ sạch của vũi phun, v.v.
2.4. ẢNH HƯỞNG CỦA GểC PHUN SỚM NHIấN LIỆU
Gúc phun sớm nhiờn liệu () ở động cơ diesel là gúc quay trục khuỷu tớnh từ thời điểm nhiờn liệu thực tế được phun vào buồng đốt đến thời điểm piston tới điểm
chết trờn (ĐCT) trong hành trỡnh nộn của động cơ.
Tương tự như gúc đỏnh lửa sớm ở động cơ phỏt hỏa bằng tia lửa, gúc phun sớm nhiờn liệu là một trong những thụng số điều chỉnh cú ảnh hưởng mạnh và trực tiếp đến hàng loạt chỉ tiờu chất lượng của động cơ diesel, trong đú cú mức độ độc hại của khớ thải.
2.4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA GểC PHUN SỚM NHIấN LIỆU ĐẾN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
Nếu quỏ lớn, tức là nhiờn liệu bắt đầu được phun vào buồng đốt khi piston cũn cỏch xa ĐCD và ỏp suất cũng như nhiệt độ của khụng khớ trong xylanh vẫn cũn thấp, quỏ trỡnh chuẩn bị cho nhiờn liệu phỏt hoả diễn ra chậm. Kết quả là tại thời điểm phỏt hoả, trong buồng đốt đĩ tập trung một phần lớn nhiờn liệu dự định phun vào buồng đốt trong một chu trỡnh, lượng nhiờn liệu phỏt hỏa đầu tiờn sẽ lớn. Lượng nhiờn liệu đầu tiờn phỏt hỏa sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phần nhiờn liệu đĩ và đang được phun vào buồng đốt bốc chỏy mĩnh liệt trong điều kiện nồng độ oxy lớn ở đầu quỏ trỡnh chỏy và thể tớch của khụng gian cụng tỏc nhỏ khi piston ở gần ĐCT, kết quả là ỏp
suất chỏy cực đại (pz) và tốc độ tăng ỏp suất (wp) sẽ lớn.
Bờn cạnh hiện tượng làm việc "cứng" do tốc độ tăng ỏp suất lớn, cụng suất và hiệu suất của động cơ cũng bị ảnh hưởng xấu khi quỏ lớn do phải tiờu hao nhiều cụng cho việc nộn mụi chất cụng tỏc cú ỏp suất lớn ở giai đoạn cuối hành trỡnh nộn và tổn thất do ma sỏt cũng lớn hơn do ỏp lực trờn cơ cấu truyền lực lớn.
Nếu quỏ nhỏ, lượng nhiờn liệu được đốt chỏy trước ĐCT sẽ nhỏ, ỏp suất chỏy cực đại và tốc độ tăng ỏp suất sẽ khụng quỏ lớn do phần lớn nhiờn liệu được đốt chỏy sau khi piston đĩ rời ĐCT trong điều kiện thể tớch khụng gian cụng tỏc tăng dần.
[0gqtk] p [bar] 80 2 1 3 i.3 i.1 i.2 60 40 20 0 40 ĐCT 40 cf3 cf2 cf1
H. 2-14. Ảnh hưởng của gúc phun sớm
đến ỏp suất và nhiệt độ trong xylanh của động cơ diesel
opt fs opt.1 opt.2 opt.3
Ne Ne Ge ge n1 = 1000 rpm n1 = 1500 rpm n1 = 2000 rpm fs ge.min Ne.max Ne Ge ge
H. 2-15. Quan hệ giữa gúc phun sớm tối ưu (opt) với cụng suất (Ne) ,
lượng tiờu thụ nhiờn liệu giờ (Ge), suất tiờu thụ nhiờn liệu (ge)
và tốc độ quay của động cơ (n).
Trị số gúc phun sớm tối ưu (opt) phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, như : cấu hỡnh buồng đốt, tỷ số nộn, loại nhiờn liệu, chế độ làm việc của động cơ , v.v. Đối với một loại động cơ cụ thể, opt được lựa chọn bằng con đường thực nghiệm và được nhà chế tạo quy định trong tài liệu hướng dẫn khai thỏc kỹ thuật động cơ. Những loại động cơ cú chế độ làm việc thường xuyờn thay đổi trong phạm vi rộng thường được trang bị
thiết bị tự động điều chỉnh gúc phun sớm để đảm bảo opt trờn cơ sở xử lý cỏc thụng số cụng tỏc của động cơ như tốc độ quay, tải, nhiệt độ và ỏp suất khớ nạp, v.v. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Và điều này làm tăng nồng độ NOx sinh ra trong động cơ vỡ sự hỡnh thành NOx phụ rất lớn vào nhiệt độ và nồng độ oxy cú trong buồng đốt.
Khi gúc phun sớm quỏ lớn làm cho hỗn hợp chỏy khụng được hũa trộn đều nờn ảnh hưởng xấu đến quỏ trỡnh chỏy của hỗn hợp, sự hũa trộn khụng đồng đều cú thể làm cho hỗn hợp quỏ giàu cục bộ hay dẫn đến sự làm mỏt đột ngột làm tắt màng lửa, sinh ra cỏc sản phẩm chỏy khụng hồn tồn trong khớ xả, mà cụ thể là làm cho hỗn hợp chỏy khụng sạch điều này làm tăng nồng độ hidrocarbua trong khớ xả của động cơ. Ngồi ra, nú cũn làm tăng nồng độ bồ húng cú trong khớ xả do theo nghiờn cứu của cỏc nhà khoa học thỡ nồng độ bồ húng cú mặt trong khớ chỏy sau khi thoỏt ra khỏi ngọn lửa khuếch tỏn phụ thuộc vào 4 yếu tố cơ bản: thành phần nhiờn liệu, nồng độ nhiờn liệu, nồng độ oxygốne và sự phõn bố nhiệt độ trong ngọn lửa.
Khi nhiệt độ khớ xả của động cơ tăng sẽ làm tăng nồng độ NOx , cũn khi lượng nhiờn liệu chỏy rớt tăng sẽ làm tăng nồng độ HC trong khớ xả.
ẹaởc tớnh ủiều chổnh goực phun sụựm ủửụùc thửùc hieọn ụỷ ủiều kieọn khõng thay ủoồi toỏc ủoọ vaứ lửụùng nhiẽn lieọu caỏp cho chu trỡnh. Goực phun sụựm toỏt nhaỏt phú thuoọc vaứo loái buồng chaựy cuỷa ủoọng cụ, caực loái buồng chaựy phun trửùc tieỏp, s toỏt nhaỏt naốm trong giụựi hán (25 ữ 350) goực quay trúc khuyỷu caực loái buồng chaựy ngaờn caựch,
s
toỏt nhaỏt nhoỷ hụn, khoaỷng (15 ữ 20o) goực quay trúc khuyỷu.
Ảnh hưởng của chất lượng hệ thống phun đối với động cơ phun trực tiếp lớn hơn đối với động cơ phun giỏn tiếp về phương diện phỏt sinh ụ nhiễm. Trong cả hai trường hợp sự thay đổi gúc phum sớm cú ảnh hưởng ngược nhau đối với sự phỏt sinh NOx, HC và bồ húng.
Tăng gúc phun sớm làm tăng ỏp suất cực đại và nhiệt độ của quỏ trỡnh chỏy, do đú làm tăng nồng độ NOx. Thụng thường, động cơ phun trực tiếp cú gúc phun sớm lớn hơn nờn phỏt sinh NOx nhiều hơn động cơ cú buồng chỏy ngăn cỏch. Giảm gúc phun sớm là biện phỏp hữu hiệu giảm NOx trong khớ xả. Tuy nhiờn việc giảm gúc phun sớm cần phải xem xột đến chế độ tốc độ và chế độ tải để hạn chế sự gia tăng suất tiờu thụ nhiờn liệu.
NO
HC
Gĩc phun sớm Bồ
hĩng
. H. 2-16: Ảnh hưởng của gúc phun sớm tới mức độ
phỏt sinh ụ nhiễm ở động cơ diesel
NOx [%] HC [%] HC NOx 50 100 150 200 250 50 100 150 200 250 Gĩc phun sớm tối ưu Sớm Muộn
Phạm vi thay đổi đối với ơtơ trọng tải từ 1000 đến 1600 kg, động cơ cĩ buồng đốt dự
bị, khơng hồi lưu khí thải
H. 2-17. Ảnh hưởng của gúc phun sớm
đến mức độ phỏt sinh CnHm và NOx
Mặt khỏc, khi tăng gúc phun sớm, do quỏ trỡnh chỏy trễ kộo dài, lượng nhiờn liệu hoà trộn trước với hệ số dư khụng khớ lớn gia tăng. Hỗn hợp này khú bộn lửa do đú chỳng thường chỏy khụng hoàn tồn và phỏt sinh nhiều CO. Về mặt lý thuyết, tăng gúc đỏnh lửa sớm cú thể làm giảm CH do quỏ trỡnh chỏy cú thể diễn ra thuận lợi hơn, nhưng trờn thực tế nú cú tỏc dụng ngược lại. Thật vậy, do thời gian bộn lửa kộo dài, nhiờn liệu phun ra cú thể bỏm trờn thành buồng chỏy, đú là nguồn phỏt sinh CH.
Đối với động cơ phun trực tiếp, sự giảm gúc phun làm tăng độ khúi và cũng là tăng suất tiờu hao nhiờn liệu nhưng làm giảm nồng độ NOx và thành phần SOF. Đối với động cơ diesel cỡ lớn, giảm gúc phun sớm cú thể làm giảm đi 50% nồng độ NO trong khớ xả. Đối với động cơ cú buồng chỏy ngăn cỏch, giảm gúc phun sớm làm tăng nồng độ HC nhưng làm giảm nồng độ NO và bồ húng, đặc biệt là ở chế độ đầy tải.
Sự thay đổi gúc phun sớm phự hợp theo tốc độ và tải cho phộp chọn được vị trớ điều chỉnh tối ưu hài hồ giừa nồng độ cỏc chất ụ nhiễm và hiệu suất động cơ. Đối với động cơ cú buồng chỏy dự bị, sự điều khiển gúc đỏnh lửa sớm tối ưu bằng hệ thống điện từ theo chế độ tốc độ và chế độ tải cho phộp giảm 15% nồng độ NOx và 25% nồng độ bồ húng trong phạm vi gia tăng suất tiờu hao nhiờn liệu khụng đỏng kể.
Tốc độ phun cao (nhờ tăng ỏp suất phun) cú ảnh hưởng đến quỏ trỡnh phỏt sinh ụ nhiễm của động co phun trực tiếp. Thật vậy, do tăng tốc độ hoà trộn nhiờn liệu và khụng khớ, lượng nhiờn liệu chỏy ở điều kiện hoà trộn trước gia tăng, do đú nồng độ NOx tăng nhưng lượng bồ húng giảm. Tuy nhiờn sự gia tăng ỏp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lượng hạt rắn do tăng lượng phỏt sinh SOF. Sử dụng vũi phun cú nhiều lỗ phun đường kớnh bộ làm tăng chất lượng hoà trộn khụng khớ và nhiờn liệu do kớch thước hạt nhiờn liệu giảm, hỗn hợp bốc chỏy dễ dàng hơn, bự trừ được sự phun trễ do đú làm giảm NOx. Với cựng lượng phỏt thải NOx cho trước, sự gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ húng.
Đối với động cơ phun trực tiếp, ỏp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 10MPa tựy theo chế độ động cơ. Vượt qua ỏp suất này, với cựng lượng phỏt sinh NOx, lượng hạt rắn phỏt sinh giảm nhưng suất tiờu hao nhiờn liệu và độ ồn của quỏ trỡnh chỏy gia tăng do sự tăng đột ngột của ỏp suất. Điều này cú thể khắc phục được bằng cỏch dựng một tia phun mồi.
Khi động cơ sử dụng hỗn hợp LPG – DO ta phải thay đổi gúc phun sớm cho phự hợp, mà cụ thể là phải giảm gúc phun sớm đi so với khi động cơ chỉ sử dụng DO thuần tỳy. Vỡ nếu vẫn giữ nguyờn gúc phun sớm đú thỡ lượng nhiờn liệu DO được phun vào buồng đốt vẫn giữ nguyờn, ngồi ra trong buồng đốt cũn cú một lượng nhiờn liệu LPG được cấp vào. Nờn tại thời điểm phỏt hỏa trong buồng đốt chứa một lượng nhiờn liệu lớn hơn thường lệ, khi chỏy nú sẽ làm ỏp suất chỏy cực đại (pz) và tốc độ tăng ỏp suất (wp) lớn. Trường hợp này tương tự như trong trường hợp gúc phun sớm quỏ lớn khi động cơ sử dụng DO thuần tỳy đĩ phõn tớch ở trờn.
Chương 3
VẤN ĐỀ SỬ DỤNG KHÍ HểA LỎNG
CHẠY ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
3.1. KHÍ HểA LỎNG
Khớ hoỏ lỏng là tờn gọi chung cho loại sản phẩm cú thành phần chủ yếu là hydrocarbon cú 3 4 nguyờn tử carbon (C3 C4) trong phõn tử. Sản phẩm này tồn tại ở trạng thỏi khớ trong điều kiện ỏp suất và nhiệt độ khớ quyển nhưng sẽ hoỏ lỏng khi được nộn đến ỏp suất khụng cao lắm (thường < 16 bar). Khớ đốt tự nhiờn qua xử lý, chế biến và hoỏ lỏng được gọi là khớ tự nhiờn hoỏ lỏng (Liquefied Natural Gases - LNG) ; cũn khớ đốt thu được trong quỏ trỡnh chế biến dầu mỏ rồi hoỏ lỏng thỡ được gọi là khớ dầu mỏ hoỏ lỏng (Liquefied Petroleum Gases - LPG). Trong cỏc phần tiếp theo, LPG là viết tắt chỉ nhiờn liệu khớ húa lỏng núi chung. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thành phần cơ bản của khớ hoỏ lỏng rất khỏc nhau, tuỳ thuộc vào nguồn nguyờn liệu và tiờu chuẩn của mỗi nước.
Theo tiờu chuẩn chõu Âu, LPG phải cú 19 ữ 50 % propane (C3H8) và propylene (C3H6). LPG được sử dụng ở chõu Á cú thành phần chủ yếu hydrocarbon C4, cũn ở Hoa Kỳ chủ yếu là hydrocarbon C3.
Hiện nay thị trường ở nước ta cú sản phẩm LPG của nhiều cụng ty kinh doanh khỏc nhau, thành phần propane và butan trong hỗn hợp cũng khỏc nhau, vớ dụ : LPG của Elf Gas Sài Gũn cú tỷ lệ propan/butan là 20/80, của Petrolimex là 30/70, của Sài Gũn Petro là 50/50.
Ở Nhật, LPG cung cấp cho dõn cư dưới dạng 100% propane vỡ thời tiết lạnh, cung cấp cho cụng nghiệp dưới dạng 100% butane vỡ dễ vận chuyển, tồn chứa và trong điều kiện sản xuất dễ trang bị cỏc thiết bị đun núng LPG để bốc hơi hồn tồn khi sử dụng.
Bảng 3.1 : Đặc trưng kỹ thuật của LPG
ĐẶC TÍNH PGLL Phương phỏp thử
MIN Đặc trưng MAX
Tỉ trọng tại 150C 0.55 0.55 0.575 ASTM D1657
Áp suất hơi ở 37.80C (Kpa) 420 460 1000 ASTM D2598 Thành phần (% khối lượng) + Ethane + propane + butane + pentane và thành phần khỏc 40 40 50 50 2 60 60 2 ASTM D2163
Ăn mũn lỏ đồng ở (37.80C/giờ) 1A 1A 1A ASTM D1838
Nước tự do (% khối lượng) 0 0 0
Sulphur sau khi tạo mựi (PPM) 20 25 30 ASTM D4260 Cặn cũn lại sau khi húa hơi
(% khối lượng) 0 0 0.05 ASTM D2158
H2S (% khối lượng) 0 0 0 ASTM D2420
Nhiệt lượng +KJ/kg
+Kcal/cm3 (150C, 760mm Hg)
50000 26000 Nhiệt lượng 1kg tương đương
+ Điện (KW.h) + Dầu hỏa (Lit) + Than (kg) + Củi gỗ (kg) 14 1.5-2 3-4 7-9 Nhiệt Độ Chỏy 0c + Trong Khụng Khớ + Trong Oxy 1900 2900 Tỷ lệ húa hơi: Lỏng Hơi 250 lần Giới hạn chỏy trong khụng khớ
(% thể tớch)
2-10
Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt chỏy ( nhiệt chỏy ) của Propane 11.070 kcal/kg trong khi đú Butane là 10.920 kcal/kg. Mặt khỏc ỏp suất hơi tạo ra ở 200C của Propane là 13,5 kg/ cm2, của Butane là 3,2 kg/ cm2. Qua đú ta thấy LPG càng nhiều Propane thỡ nhiệt chỏy cú cao hơn một ớt và sử dụng được triệt để vỡ bốc hơi hồn tồn ở nhiệt độ mụi trường. Ngược lại, LPG cú nhiều butane thỡ bỡnh chứa khụng cần ỏp lực cao vỡ ỏp suất hơi khụng lớn ở nhiệt độ mụi trường nhưng khụng sử dụng được triệt để nếu nhiệt độ mụi trường thấp. Núi chung thành phần của propane và butane cú thể khỏc nhau nhưng chất lượng khụng cú gỡ đỏng kể.
Nhiờn liệu khớ húa lỏng cú nhiệt trị riờng theo khối lượng (PCIm) cao, cao hơn cả xăng và dầu diesel. Tuy nhiờn khối lượng riờng của nú thấp,nhiệt trị riờng theo thể tớch (PCI) thấp hơn nhiờn liệu lỏng.
Bảng 3.2: Đặc tớnh lý húa của cỏc loại LPG thương phẩm
Loại LPG
Đặc tớnh Propane Butane 50 % Butane - 50
% Propane Tỷ trọng [g/cm3] (150C) 0,507 0,580 0,541 Áp suất hơi [kg/ cm2] (400C) 13,5 3,2 9,2 Thành phần: C2 (Etane) C3 (Propane) C4 (Butane) C5 (Pentane) 1,7 96,2 1,5 0,0 0,0 0,4 99,4 0,2 0,0 51,5 47,5 1,0 Nhiệt trị [kcal/kg] 11.070 10.920 10.980
Bảng 3.3: So sỏnh LPG với cỏc loại nhiờn liệu cổ điển.
Thụng số đặc trưng Eurosuper Diesel Propane thương mại Butane thương mại LPG
Khối lượng riờng (kg/dm3) 0.725- 0.,780 0.820- 0.860 0.51 0.58 0.51- 0.58 Nhiệt trị thấp PCI
- Theo khối lượng (MJ/kg) - Theo thể tớch (MJ/dm3) 42.7 32.0 42.6 35.8 46.0 23.5 45.6 26.4 45.8 25.0 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
LPG cú thể được húa lỏng ở nhiệt độ bỡnh thường bằng cỏch gia tăng ỏp suất vừa phải hoặc ở ỏp suất bỡnh thường bằng cỏch sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt độ.
Bảng 3.4: So sỏnh LPG với xăng và dầu diesel
Đặc tớnh Propane Butane Petro Diesel
Tỷ trọng ở 150C
0.508 0.584 0.73- 0.78 0.81- 0.85