KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
130
BÀI BÁO KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GÓC PHUN SỚM VÀ ÁP SUẤT
PHUN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY KHI
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU L62
Nguyễn Đình Hoàng1, Lương Đình Thi2, Nguyễn Duy Tuyển1, Trần Đình Huy3
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một số kết quả mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel
tàu thủy Caterpillar C9, sử dụng nhiên liệu L62, bằng phần mềm GT-Suite khi thay đổi đặc tính phun
nhiên liệu. Các thông số của đặc tính phun nhiên liệu được khảo sát gồm áp suất phun (ASP) và góc
phun sớm (GPS). Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi thay đổi GPS nhiên liệu, tính năng kỹ thuật và phát
thải của động cơ thay đổi đáng kể; tuy nhiên, ASP ít ảnh hưởng đến tính năng kỹ thuật của động cơ và
hàm lượng phát thải NOx, CO, Soot. Theo đó, để đạt được công suất lớn nhất, suất tiêu hao nhiên liệu
nhỏ nhất thì nên chọn GPS là 10 độ góc quay trục khuỷu (gqtk) trước điểm chết trên, để có mức phát
thải CO thấp nhất thì nên chọn góc phun sớm từ 14-18 độ, để có mức phát thải Soot thấp nhất thì nên
chọn GPS từ 18 đến 22 độ, trong khi để giảm NOx thì cần giảm GPS. Khi sử dụng nhiên liệu diesel L62,
tính năng kỹ thuật của động cơ được cải thiện so với khi sử dụng nhiên liệu diesel DO.
Từ khóa: Động cơ diesel, nhiên liệu L62, áp suất phun, góc phun sớm.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
Động cơ diesel là nguồn động lực chính trên tàu
thủy, loại phương tiện này hàng năm tiêu thụ một
lượng rất lớn nhiên liệu trong đó phần lớn là dầu
diesel (Lê Viết Lượng, 2004). Hiện nay, diesel L62
do nhà máy lọc dầu Dung Quất sản xuất đạt tiêu
chuẩn TCVN/QS 1754:2014 có chất lượng tương
đương với dầu diesel L62 của Nga theo tiêu chuẩn
ГОСТ 305-82 (ГОСТ 305-82). Nhiên liệu diesel
L62 do Việt Nam sản xuất đang được sử dụng rộng
rãi cho động cơ diesel lắp trên các tàu thủy quân sự
của nước ta. Hiện nay, các nước trên thế giới đều
áp dụng các tiêu chuẩn khí thải rất nghiêm ngặt cho
từng loại phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch
nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
Mặc dù động cơ dùng trong lĩnh vực quân sự
không bắt buộc phải tuân thủ quy định về tiêu
chuẩn khí thải nhưng việc hạn chế lượng phát thải
luôn là cần thiết nhằm bảo vệ môi trường. Ngoài ra,
do tiềm năng sản xuất và sử dụng nhiên liệu L62
lớn, nên nó hoàn toàn có thể sử dụng cho các
phương tiện vận tải dân sự, do đó kết quả nghiên
1 Hệ Quản lý Sau đại học, Học viện Kỹ thuật quân sự
2 Viện Cơ khí Động lực, Học viện Kỹ thuật quân sự
3 Phòng Hậu cần-Kỹ thuật, Vùng Cảnh sát biển 1
cứu về việc sử dụng L62 cho động cơ diesel sẽ
cung cấp nhiều thông tin hữu ích cho việc hoạch
định chính sách sử dụng của cơ quan chức năng.
Trong (Khổng Minh Tuấn, Nguyễn Hà Hiệp, 2022)
nhóm tác giả đã chỉ rõ nhiên liệu L62 hoàn toàn có
thể thay thế hoặc dùng lẫn với nhiên liệu DO
0,05%S để phục vụ cho hoạt động của phương tiện
ô tô quân sự. Do có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn,
độ nhớt lớn hơn và yêu cầu chất lượng lại thấp hơn
nên việc sử dụng nhiên liệu diesel L62 sẽ tạo ra
lượng khí thải gây ô nhiễm nhiều hơn so với nhiên
liệu diesel DO 0,05%S, hoặc DO 0,001%S (Phạm
Minh Tuấn, 2009; Nguyễn Hoàng Vũ, 2010). Vì
vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng của đặc tính phun
nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật của động cơ tàu
thủy khi sử dụng nhiên liệu L62 do Việt Nam sản
xuất là hết sức cần thiết nhằm phát huy công suất
cho động cơ diesel tàu thủy, đồng thời đưa ra các
khuyến cáo phù hợp để đáp ứng các yêu cầu
nghiêm ngặt về tiêu chuẩn khí thải hiện nay. Bài
báo này hướng tới việc tìm ra các thông số phù hợp
nhất của đặc tính phun (ASP và GPS) nhằm cải
thiện tính năng kỹ thuật (công suất, suất tiêu hao
nhiên liệu) mà vẫn hạn chế được lượng phát thải
của động cơ.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
131
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel
Caterpillar C9, được lắp trên lớp xuồng tuần tra
cao tốc Metal Shark thuộc biên chế của lực lượng
Cảnh sát biển Việt Nam. Đây là động cơ 4 kỳ, 6 xi
lanh bố trí thẳng hàng, hệ thống nhiên liệu kiểu
HEUI (Hydraulically Actuated Electronically
Controlled Unit Injector), làm mát bằng chất lỏng.
Động cơ được tăng áp bằng bộ tuabin khí thải với
khí nạp được làm mát. Thông số kỹ thuật của
động cơ Caterpillar C9 (Caterpillar Inc., 2012)
được thể hiện trong bảng 1.
Bảng 1. Tính năng kỹ thuật của
động cơ Caterpillar C9
Thông số Đơn vị Giá trị
Công suất định mức kW 298
Tốc độ định mức v/ph 2200
Số xi lanh - 6
Tỷ số nén - 17:1
Đường kính xy lanh mm 115
Hành trình pit tông mm 149
Mô men xoắn lớn nhất Nm 1293,5
Suất tiêu hao nhiên liệu
có ích g/kWh 190
Góc phun sớm (GPS) độ gqtk 15
Áp suất nâng kim phun MPa 162
Nhiên liệu được sử dụng cho động cơ là diesel
L62 (do Việt Nam chế xuất). Các tính chất lý-hóa
của nhiên liệu diesel DO 0,05%S (Nguyễn Hoàng
Vũ, 2010) và diesel L62 (Tiêu chuẩn TCVN/QS
1754:2014) được thể hiện trong bảng 2.
Bảng 2. Tính chất lý-hóa của nhiên liệu diesel
DO 0,05%S và diesel L62
CHỈ TIÊU DO
0,05%S L62
Hàm lượng lưu huỳnh, % 0,05 0,2
Trị số xê tan 49 51
Khối lượng riêng ở 200C,
kg/m3 830 840
Nhiệt trị thấp, MJ/kg 42,5 43,1
Nhiệt độ chớp cháy, oC 55 62
2.2. Cơ sở lý thuyết
Các mô hình toán học được sử dụng để tính toán
chu trình công tác theo phương pháp cân bằng năng
lượng bao gồm: định luật nhiệt động học thứ nhất,
mô hình cháy, mô hình thời gian cháy trễ, mô hình
truyền nhiệt, mô hình tổn hao cơ giới, mô hình tính
toán hàm lượng các chất ô nhiễm (NOx, Soot, CO,
HC) có trong khí xả (J.A Caton, 2016).
Trong động cơ đốt trong, quá trình cháy là quá
trình không thuận nghịch biến hoá năng thành
nhiệt năng, được thể hiện qua phương trình nhiệt
động thứ nhất:
.. .
cw
F BB
c BB
d m u dQ
dQ dm
dV
p h
d d d d d
(1)
Mô hình cháy Vibe:
.
. 1 m
a y
dx
x d e
d
(2)
Mô hình thời gian cháy trễ Arrhenius:
*
3 2 , 5 1 , 0 4
, , 4 , 0 .1 0 e x p
P P P
P
E
P T p
T
(3)
Mô hình truyền nhiệt Woschni:
0 , 8
,10 , 2 0 ,8 0 ,5 3
1 2 , 0
,1 ,1
.
1 3 0 . . . .
D c
w c c m c c
c c
V T
D p T C c C p p
p V
(4)
Mô hình tính toán hàm lượng bồ hóng (Soot):
0,5 exp
g
sf sf
f f
dm E
A m P
dt RT
(5)
Mô hình tính toán hàm lượng NOx (Zeldovich):
2
2 2
1 2
1 2 2 3
1 /
21 /
NO K O N
dNO k O N
dt
k NO k O k NO
(6)
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
132
Khí thải CO và HC là sản phẩm của quá trình
cháy thiếu oxy và được xác định theo tỷ lệ không
khí/ nhiên liệu cấp vào xi lanh.
2.3. Xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng
Công cụ dùng để mô phỏng, tính toán các
thông số thể hiện tính năng kỹ thuật và hàm lượng
phát thải của động cơ là phần mềm GT-Suite. Sử
dụng dữ liệu ở bảng 1 và bảng 2 làm số liệu đầu
vào cho mô hình mô phỏng trong phần mềm GT-
suite. Mô hình mô phỏng động cơ Caterpillar C9
được thể hiện trên hình 1.
Hình 1. Mô hình mô phỏng động cơ Caterpillar C9
Việc tính toán mô phỏng tính năng kỹ thuật của
động cơ Caterpillar C9 trước tiên được thực hiện ở
chế độ định mức (100% tải, tốc độ 2200 v/ph) sử
dụng nhiên liệu diesel DO 0,05%S rồi so sánh kết
quả mô phỏng với số liệu trong bảng 1 nhằm kiểm
nghiệm độ chính xác và tin cậy của mô hình mô
phỏng. Sau khi hiệu chỉnh mô hình, kết quả thu
được như bảng 3.
Bảng 3. So sánh tính năng kỹ thuật
của động cơ Caterpillar C9
Giá trị
Thông số Đơn vị Nhà xản
xuất Tính toán Sai số
(%)
Công suất
định mức kW 298 284,2 4,6
Suất tiêu hao
nhiên liệu g/kWh 193 198,2 4,3
Kết quả so sánh ở bảng 3 cho thấy mô hình mô
phỏng cho kết quả phù hợp với số liệu công bố
của nhà sản xuất. Do vậy, mô hình này đảm bảo
độ tin cậy và có thể sử dụng để nghiên cứu các
vấn đề chuyên sâu.
3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Trong nghiên cứu này, nhiên liệu sử dụng là
diesel L62, lượng nhiên liệu cấp vào động cơ
không thay đổi, GPS nhiên liệu được thay đổi lần
lượt là 0, 4, 8, 10, 12, 14, 15, 18, 22 độ gqtk trước
điểm chết trên, ASP nhiên liệu được điều chỉnh
lần lượt là 820, 1020, 1220, 1420, 1620, 1820,
2000 bar.
Ở ASP nhiên liệu 820 bar, công suất của động
cơ được thể hiện như trên hình 2. Kết quả cho
thấy, công suất của động cơ đạt giá trị cao nhất là
292,5 kW ở 10 độ gqtk.
Hình 2. Diễn biến công suất của động cơ theo
GPS với ASP 820 bar
Tương tự như trên, trong các trường hợp ASP
1020, 1220, 1420, 1620, 1820, 2000 bar ta thu
được kết quả về công suất của động cơ như trong
bảng 4.
Từ kết quả tính toán trong bảng 4 cho thấy,
tương ứng với các giá trị ASP nhiên liệu 820,
1020, 1220, 1420, 1620, 1820, 2000 bar, công
suất của động cơ đạt giá trị cao nhất ở giá trị
GPS là 10 độ gqtk. Khi thay đổi ASP thì công
suất động cơ thay đổi không đáng kể, điều này
có thể là do ASP của động cơ C9 luôn có giá trị
cao hơn nhiều so với động cơ dùng hệ thống
nhiên liệu kiểu cơ khí truyền thống (Nguyễn
Hoàng Vũ, Hà Quang Minh, 2010), ở dải áp suất
nghiên cứu, điều kiện phân rã của chùm tia
nhiên liệu thay đổi không nhiều nên khả năng
bay hơi và hình thành hòa khí thay đổi không
đáng kể.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
133
Bảng 4. Kết quả tính toán công suất của động cơ (kW) theo ASP và GPS
GPS (độ)
ASP (bar) 0 4 8 10 12 14 15 18 22
820 276,6 284,1 290,1 292,5 290,4 289,2 288,9 283,9 274,6
1020 276,9 284,2 290,4 292,1 288,8 289,0 288,8 281,7 274,4
1220 277,7 284,5 291,5 291,3 290,2 289,5 287,1 283,3 276,0
1420 276,9 284,7 291,2 291,4 289,5 288,6 287,4 281,4 273,7
1620 276,8 284,8 291,5 291,6 291,1 288,9 288,0 284,2 276,2
1820 277,4 284,3 289,7 291,4 290,5 288,6 288,3 283,4 275,2
2000 276,4 284,5 291,1 291,6 290,2 289,9 288,2 282,5 276,1
So sánh kết quả mô phỏng về công suất của
động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO 0,05%S với
L62 ở chế độ tiêu chuẩn (tốc độ 2200 v/p, ASP là
1620 bar, GPS là 15 độ) cho thấy, công suất động
cơ khi dùng nhiên liệu L62 đạt 288 kW so với
284,2 kW khi dùng diesel DO (Bảng 3), điều này
là do nhiệt trị, khối lượng riêng và trị số xêtan của
nhiên liệu L62 cao hơn so với diesel DO (Bảng 2).
Ở áp suất phun nhiên liệu 820 bar, suất tiêu
hao nhiên liệu của động cơ được thể hiện như
trên hình 3. Kết quả cho thấy, suất tiêu hao
nhiên liệu đạt giá trị thấp nhất là 196,1 g/kWh ở
10 độ gqtk.
Hình 3. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của
động cơ theo GPS với ASP 820 bar
Tương tự như trên, trong các trường hợp ASP 1020,
1220, 1420, 1620, 1820, 2000 bar ta thu được kết quả về
suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở bảng 5.
Bảng 5. Kết quả tính toán suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) của động cơ theo ASP và GPS
GPS(độ)
ASP (bar) 0 4 8 10 12 14 15 18 22
820 207,4 201,6 197,5 196,1 197,2 197,9 198,3 202,1 208,0
1020 207,3 202,0 197,2 196,5 198,8 197,7 197,7 203,8 208,1
1220 206,7 201,8 196,9 197,0 197,8 197,3 198,9 204,0 209,4
1420 207,3 201,6 197,0 197,0 198,3 197,9 198,7 202,8 208,1
1620 207,4 201,6 196,9 196,9 197,2 197,7 197,9 202,1 208,0
1820 206,9 201,9 198,2 197,0 197,6 197,9 198,1 202,0 208,5
2000 207,7 201,8 197,2 196,9 197,8 197,0 198,2 204,0 208,0
Từ kết quả tính toán trong bảng 5 cho thấy,
tương ứng với các giá trị ASP nhiên liệu, suất
tiêu hao nhiên liệu của động cơ đạt giá trị thấp
nhất ở giá trị GPS là 10 độ gqtk. Khi thay đổi
ASP thì suất tiêu hao nhiên liệu thay đổi không
đáng kể.
Về tính năng phát thải NOx, hàm lượng phát
thải NOx ứng với trường hợp áp suất phun 1620
bar được thể hiện như trên hình 4.
Hình 4. Hàm lượng phát thải NOx theo GPS
với ASP 1620 bar
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 85 (9/2023)
134
Kết quả tính toán mô phỏng hàm lượng phát thải NOx của động cơ ở các ASP từ 820 đến 2000 bar
được thể hiện trong bảng 6.
Bảng 6. Lượng phát thải NOx (ppm) của động cơ
GPS (độ)
ASP (bar) 0 4 8 10 12 14 15 18 22
820 556,2 681,7 814,6 893,6 949,1 1009,6 1052,6 1136,3 1198,9
1020 553,7 680,9 816,7 889,1 930,9 1010,1 1057,8 1101,7 1210,6
1220 564,3 686,7 821,2 885,4 946,8 1018,5 1026,5 1124,8 1236,9
1420 564,2 685,7 821,1 887,8 937,9 1010,8 1036,4 1098,3 1180,8
1620 564,1 685,6 823,3 891,3 956,2 1014,8 1045,1 1145,5 1244,6
1820 558,8 684,4 816,7 891,6 950,9 1012,3 1048,9 1140,4 1239,2
2000 558,9 689,9 824,6 894,3 950,5 1024,4 1050,5 1125,3 1248,5
Từ kết quả ở hình 4 và bảng 6 cho thấy, khi
giảm GPS thì hàm lượng NOx giảm theo, điều này
là do khi giảm GPS thì nhiệt độ lớn nhất trong xy
lanh cũng giảm mạnh (Hình 5), mà hàm lượng
NOx sinh ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ của môi chất
công tác trong xy lanh. Ở giá trị GPS thấp, hàm
lượng NOx ít thay đổi theo áp suất phun, tuy
nhiên ở giá trị GPS cao thì hàm lượng NOx tăng
theo áp suất phun là đáng kể. Kết quả này cho
thấy, hàm lượng phát thải NOx rất nhạy cảm với
nhiệt độ của môi chất trong xy lanh.
Hình 5. Diễn biến nhiệt độ trong xylanh
theo GPS với ASP 1620 bar
Về tính năng phát thải khí CO, hàm lượng phát
thải CO ứng với trường hợp ASP 1620 bar được
thể hiện như trên hình 6.
Hình 6. Hàm lượng phát thải CO theo GPS với
ASP 1620 bar
Kết quả tính toán mô phỏng hàm lượng phát
thải CO của động cơ ở các ASP từ 820 đến 2000
bar được thể hiện trong bảng 7.
Bảng 7. Lượng phát thải CO (ppm) của động cơ
GPS (độ)
ASP (bar) 0 4 8 10 12 14 15 18 22
820 822,6 673,0 484,2 408,9 402,2 380,4 364,5 376,9 464,9
1020 829,5 664,7 480,1 416,9 426,2 381,6 368,5 415,7 463,7
1220 787,6 662,5 463,1 423,6 404,4 372,3 391,2 390,7 433,7
1420 833,9 647,3 465,0 425,2 412,6 390,2 385,2 421,6 489,4
1620 848,9 644,9 460,4 420,2 388,3 386,0 377,7 372,0 427,8
1820 800,4 690,6 486,7 421,7 394,6 387,4 373,7 380,7 439,7
2000 856,7 661,3 455,1 416,6 398,7 367,8 371,7 401,1 424,3