Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

97
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án cho phép đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến quy luật cung cấp năng lượng (QLCCNL). Luận án chỉ ra diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh; các thông số của CTCT; các chỉ tiêu kinh tế (suất tiêu hao nhiên liệu, ge), năng lượng (mô men xoắn, Me) và môi trường (mức phát thải NOx; độ khói khí thải, k) của động cơ diesel B2 trên cơ sở ứng dụng các phần mềm mô phỏng (PMMP) chuyên dụng (Inject32 và Diesel-RK).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHAN ĐẮC YẾN NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƢỢNG VÀ MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số : 62.52.01.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI Hà NộiQUÂN HỌC VIỆN KỸ THUẬT - 2015 SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Nguyễn Hoàng Vũ 2. TS Nguyễn Trung Kiên Phản biện 1: PGS. TS Khổng Vũ Quảng Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Văn Bang Phản biện 3: TS Nguyễn Trí Minh Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo Quyết định số 2592 /QĐ-HV, ngày 07 tháng 09 năm 2015 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật quân sự vào hồi… giờ …..ngày …. tháng năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật quân sự - Thư viện Quốc gia
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN LUẬN ÁN 1. Nguyễn Công Lý, Phan Đắc Yến, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ, “Mô hình hoá chu trình công tác của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp bằng phần mềm chuyên dụng Diesel-RK”, Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật (ISSN: 1859-0209), Học viện KTQS, số 140, 04/2011, tr.76-84. 2. Nguyễn Công Lý, Phan Đắc Yến, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ, “Tính toán mô phỏng hệ thống phun nhiên liệu của động cơ diesel B2 bằng phần mềm inject32”, Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật (ISSN: 1859-0209), Học viện KTQS, số 148, 6/2012, tr.164-174. 3. Nguyen Hoang Vu, Nguyen Trung Kien, Phan Dac Yen, Nguyen Cong Ly, “Study on the Effects of Biodiesel blends B10 and B20 on Performance and Emissions of a Diesel Engine by using Diesel-RK Software”, The 5th AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy; September-2012, tr. 128-133. 4. Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ, Phan Đắc Yến, “Ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ diesel”, Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật (ISSN: 1859-0209), Học viện KTQS, số 155, tháng 6/2013, tr. 116-125. 5. Phan Đắc Yến, Nguyễn Công Lý, Nguyễn Hoàng Vũ, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các hệ thống phụ trợ phục vụ việc thử nghiệm động cơ diesel B2 trên bệ thử động cơ hạng nặng của hãng AVL”, Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật (ISSN:1859-0209), Học viện KTQS, số 161, tháng 4/2014, tr.120-127. 6. Phan Đắc Yến, Nguyễn Trung Kiên,“Tính toán hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ diesel bằng phần mềm Diesel - RK”, Tạp chí Giao thông vận tải, Tháng 4/2014, tr.33-34,51. 7. Phan Đắc Yến, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ, “Xác định ảnh hưởng của biodiesel B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ B2 trên bệ thử AVL-ETC”, Tạp chí Giao thông vận tải, Tháng 7/2014, tr. 34-36,42. 8. Nguyễn Công Lý, Phan Đắc Yến, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ, “Thực nghiệm xác định đặc tính cung cấp nhiên liệu của bơm cao áp HK10 khi động cơ đang vận hành”, Tạp chí Giao thông vận tải, Tháng 8/2014, tr. 37-41.
1 MỞ ĐẦU Để đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, việc nghiên cứu sử dụng các loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu dầu mỏ truyền thống đã trở nên cấp bách và hết sức cần thiết. Đối với động cơ xăng, nguồn nhiên liệu thay thế chủ yếu là các loại cồn công nghiệp biến tính (Etanol và Metanol) hoặc các loại nhiên liệu khí (CNG, LPG và biogas). Đối với động cơ diesel, nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến hiện nay là LPG và diesel sinh học (biodiesel). Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật. Biodiesel có thể thay thế cho diesel dầu mỏ và có thể pha chế với tỷ lệ bất kỳ. Hiện nay, tỷ lệ pha trộn thường dùng là từ 6 đến 20%, [64]. Do biodiesel có sự khác biệt về tính chất hóa-lý (thành phần hóa học, tỷ trọng, độ nhớt...) và đặc tính cháy (nhiệt trị, trị số xêtan...) khi so với nhiên liệu diesel truyền thống nên sẽ tác động đến các thông số đặc trưng của quy luật cung cấp nhiên liệu (QLCCNL). Trong khi, QLCCNL lại là thông số đầu vào quan trọng phục vụ việc tính toán quá trình tạo hỗn hợp, chu trình công tác (CTCT) và các chỉ tiêu kinh tế (KT), năng lượng (NL), môi trường (MT) của động cơ diesel. Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, việc thực hiện luận án TSKT “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel“ nhằm xây dựng được mô hình mô phỏng (MHMP) cho phép đánh giá tác động của hỗn hợp biodiesel B10, B20 đến QLCCNL; các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ diesel (đang sử dụng diesel dầu mỏ) mang tính cấp thiết và thời sự. Mục đích và phạm vi nghiên cứu của luận án Xây dựng được MHMP đủ độ tin cậy, cho phép đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến QLCCNL; diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh; các thông số của CTCT; các chỉ tiêu kinh tế (suất tiêu hao nhiên liệu, ge), năng lượng (mô men xoắn, Me) và môi trường (mức phát thải NOx; độ khói khí thải, k) của động cơ diesel B2 trên cơ sở ứng dụng các phần mềm mô phỏng (PMMP) chuyên dụng (Inject32 và Diesel-RK). Đối tƣợng nghiên cứu của luận án Động cơ diesel B2 (công suất định mức Ne đm=382 kW tại n=2000 vg/ph) do Liên xô (cũ) sản xuất. Đây là loại động cơ diesel có công suất lớn, độ bền cao nhưng có suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ khói cao. Loại nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu của luận án Luận án sử dụng 3 loại nhiên liệu: diesel dầu mỏ (B0), hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha trộn 10% thể tích (B10) và 20% thể tích (B20). Trong đó, diesel sinh học gốc (B100) dùng để pha trộn tạo B10, B20 được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil) thành dầu ăn (Cooking Oil), [23]. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết (LT) và thực nghiệm (TN), nhằm thiết lập được MHMP đủ độ tin cậy cho phép đánh giá ảnh hưởng của B10, B20 đến QLCCNL, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác và mức phát thải NO x, độ khói của động cơ. Việc nghiên cứu TN nhằm xác định một số thông số đầu vào phục vụ quá trình tính toán; đánh giá mức độ phù hợp của B10, B20 với các tiêu
2 chuẩn, quy chuẩn hiện hành; đánh giá độ tin cậy và hiệu chỉnh các MHMP đã xây dựng; lượng hóa tác động của B10 và B20 đến các thông số công tác, mức phát thải của động cơ B2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án * Ý nghĩa khoa học - Đã đánh giá được ảnh hưởng của B10, B20 đến các chỉ tiêu KT, NL và MT thông qua việc xây dựng, kết nối MHMP hệ thống phun nhiên liệu (HTPNL) và CTCT của động cơ có xét đến các thuộc tính của B10 và B20. Đây là cơ sở khoa học để đánh giá, lựa chọn loại nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) và tỷ lệ pha trộn hợp lý nhằm đảm bảo các chỉ tiêu kT, NL và MT trong khai thác, sử dụng động cơ diesel. -MHMP đã xây dựng cho phép xác định các chỉ tiêu công tác, mức phát thải của động cơ B2 khi sử dụng B10, B20. Ngoài ra, MHMP cũng cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào khác (thông số kết cấu, vận hành, điều chỉnh của HTPNL và của động cơ) đến các chỉ tiêu KT, NL và MT của động cơ B2. * Ý nghĩa thực tiễn -Các kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học góp phần xây dựng các tiêu chuẩn về nhiên liệu diesel sinh học B10, B20; dùng cho việc hoạch định chính sách sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên các phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB) nói chung, PTCGQS nói riêng. -Kết quả nghiên cứu của luận án cũng cung cấp các dữ liệu cụ thể để xem xét việc sử dụng hỗn hợp biodiesel B10, B20 làm nhiên liệu thay thế các động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam. -MHMP đã xây dựng, hiệu chỉnh có thể phục vụ cho quá trình đào tạo sau đại học ngành Cơ khí động lực, Động cơ nhiệt. - MHMP đã xây dựng đã đóng góp trực tiếp cho việc thực hiện Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự”, mã số ĐT.06.12/NLSH Luận án gồm: Mở đầu, 4 chương, Kết luận và hướng phát triển, các Phụ lục. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Biodiesel là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel dầu mỏ Hiện nay, nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) và diesel sinh học (biodiesel). Việc sử dụng LPG còn gặp phải những khó khăn nhất định về mặt công nghệ. Nghiên cứu sử dụng biodiesel cho động cơ diesel đã và đang được quan tâm trên phạm vi toàn cầu, [14]. Việt Nam có tiềm năng về sản xuất nhiên liệu diesel sinh học. Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020, [1]. 1.2. Sự thay đổi thuộc tính của biodiesel so với nhiên liệu diesel dầu mỏ Sự thay đổi về thuộc tính của biodiesel phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn và nguồn diesel sinh học gốc (B100). Với cùng nguồn gốc B100, khi thay đổi tỷ lệ pha trộn các thuộc tính lý-hóa và đặc tính của biodiesel cũng thay đổi theo (Bảng 1.4).
3 Bảng 1.4. Sự thay đổi thuộc tính của B10, B20 theo tỷ lệ pha trộn và nguồn gốc của B100 B100 từ Nguồn 1 B100 từ Nguồn 2 TT Tên chỉ tiêu Đơn vị B10 B20 B10 B20 1 Điểm chớp cháy cốc kín o C 64 67 63 65 2 Độ nhớt động học mm /s 2 3,25 3,38 2,848 2,862 3 Ăn mòn mảnh đồng Loại 1a 1a 1a 1a 4 Trị số xê tan 53,7 54,5 52,5 52,8 5 Khối lượng riêng ở 15 C o kg/l 0,8409 0,8448 0,8389 0,8402 6 Nhiệt trị MJ/kg 43,86 43,11 - - Chú thích: Nguồn 1 B100 được chiết xuất từ phần thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thành dầu ăn Nguồn 2 B100 được chiết xuất từ mỡ thải của cá Basa trong chế biến thủy sản. 1.3. Ảnh hƣởng của thuộc tính nhiên liệu đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy của động cơ diesel 1.3.2. Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến QLCCNL, quá trình tạo hỗn hợp Các thuộc tính của nhiên liệu: tỷ trọng, độ nhớt và sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu... có ảnh hưởng đến QLCCNL và quá trình tạo hỗn hợp. Tỷ trọng và độ nhớt có ảnh hưởng đến diễn biến áp suất trong HTPNL, lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình (gct); độ nhớt và sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu ảnh hưởng đến mức độ phun tơi của tia phun nhiên liệu. 1.3.3. Ảnh hưởng của thuộc tính NL đến quá trình cháy và hình thành các chất ô nhiễm Giá trị nhiệt trị thấp ảnh hưởng trực tiếp đến tổng lượng nhiệt cấp cho CTCT. Giá trị của nhiệt trị thấp kết hợp với tốc độ phun nhiên liệu sẽ quyết định diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh. Trị số xêtan có ảnh hưởng quyết định đến thời gian cháy trễ của nhiên liệu và sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến nhiệt độ, áp suất trong xi lanh. Thành phần chưng cất sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo hỗn hợp, quá trình phát triển màng lửa và do đó sẽ ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt độ, áp suất trong xi lanh động cơ diesel. Hàm lượng lưu huỳnh tăng sẽ có xu hướng làm giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu diesel nên có xu hướng làm tăng hàm lượng PM trong khí thải. 1.4. Các vấn đề cần quan tâm khi sử dụng biodiesel cho động cơ 1.4.1. Mức pha trộn và kinh nghiệm sử dụng thực tế Với mức pha trộn nhỏ (≤ 5%) thì các động cơ khi dùng B5 hoạt động bình thường như khi dùng diesel (B0). Tuy nhiên mức pha trộn ≤ 5% thì hiệu quả thay thế chưa cao. Với mức pha trộn trung bình (từ 6% đến 20%) thì cần đảm bảo chất lượng nguồn B100 dùng để phối trộn, cần quan tâm hơn đến thời gian lưu trữ và quy trình bảo dưỡng hệ thống nhiên liệu... Với mức pha trộn lớn (trên 20%) thì hỗn hợp biodiesel chưa được xem là nhiên liệu thay thế trực tiếp cho động cơ diesel. 1.4.2. Các vấn đề cần quan tâm khi sử dụng biodiesel ở mức pha trộn trung bình Với mức pha trộn này, cần quan tâm đến tính tương thích vật liệu; tính ổn định của nhiên liệu khi lưu trữ; hiện tượng pha loãng dầu bôi trơn; ảnh hưởng đến mức độ mài mòn các chi tiết chính của HTPNL và động cơ; ảnh hưởng đến các chỉ tiêu
4 KT, NL, MT của động cơ. Trong luận án, NCS tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của biodiesel B10, B20 đến các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ diesel. 1.5. Tình hình nghiên cứu ảnh hƣởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lƣợng, môi trƣờng của động cơ diesel 1.5.1. Trên thế giới Việc đánh giá ảnh hưởng của biodiesel đến động cơ và phương tiện nói chung; đánh giá ảnh của biodiesel đến các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ diesel nói riêng đã được nhiều tác giả, tổ chức trên thế giới quan tâm. Một số công trình là các báo cáo tổng quan, tổng hợp kết quả nghiên cứu khác nhau về hiệu quả sử dụng và tác động của biodiesel nhằm dự báo cho các nhà quản lý hoạch định chính sách, hỗ trợ kỹ thuật cho việc sử dụng biodiesel ([52]; [56]; [57]; [59]. Một số công trình áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tác động của biodiesel đến các chỉ tiêu KT, NL, MT ([54]; [65]) nên kết quả nghiên cứu chỉ đúng với một số loại xe hoặc động cơ cụ thể. Một số công trình đã xây dựng mô hình lý thuyết và thực nghiệm về quá trình cháy và các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ khi sử dụng các loại biodiesel ([66]; [100]; [101]). Tuy nhiên, các tác giả chưa đề cập hoặc chưa đánh giá đầy đủ ảnh hưởng của biodiesel đến QLCCNL của HTPNL; thuộc tính của biodiesel cũng ít được xác định chi tiết bằng thực nghiệm để dùng làm thông số đầu vào cho quá trình tính toán. 1.5.2. Tại Việt Nam Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm xây dựng nền công nghiệp nhiên liệu sinh học và đẩy mạnh việc sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung, biodiesel nói riêng [1], [2]. Nhiều đề tài/dự án, công trình nghiên cứu về biodiesel đã được triển khai và đã đạt được những kết quả ban đầu [20], [21], [22], [23], [28], [87], [88], [102]. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của vấn đề cần nghiên cứu nên các công trình đã công bố trong nước vẫn còn một số hạn chế: chưa đề cập hoặc chưa đánh giá chi tiết được ảnh hưởng của biodiesel đến QLCCNL và các chỉ tiêu công tác, mức phát thải ô nhiễm của động cơ. Ngoài ra, một số thuộc tính cơ bản của hỗn hợp nhiên liệu (là thông số đầu vào cần thiết cho quá trình tính toán CTCT) chưa được phân tích, xác định trực tiếp bằng thực nghiệm mà thường được tham khảo từ các tài liệu chuyên ngành. 1.6. Kết luận chƣơng 1 - Để đảm bảo an ninh năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, việc nghiên cứu sử dụng biodiesel để thay thế một phần nhiên liệu diesel dầu mỏ đã trở nên cấp bách đối với các quốc gia, trong đó có Việt Nam. Đối với động cơ diesel nói chung và nhất là các động cơ diesel đang lưu hành, biodiesel là loại nhiên liệu thay thế tiềm năng, có nhiều ưu điểm, đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm. - Do sự thay đổi các thuộc tính hóa-lý, đặc tính cháy của hỗn hợp biodiesel nên sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến QLCCNL, quá trình hình thành và phát triển tia phun, quá trình cháy và hình thành các chất ô nhiễm của động cơ diesel. Những tác động này cần được đánh giá bằng cả LT lẫn TN. Các thuộc tính chính của biodiesel cần được xác định bằng TN để làm thông số đầu vào cho quá trình tính
5 toán, đánh giá một cách lượng hóa tác động việc sử dụng biodiesel đến QLCCNL; đến các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ diesel. - Sự thay đổi các thuộc tính hóa-lý, đặc tính cháy của hỗn hợp biodiesel phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn và nguồn gốc của B100. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, NCS sử dụng B100 được sản xuất từ phần thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô thành dầu ăn và chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của B10 và B20 đến QLCCNL; đến các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ diesel B2. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƢỢNG, MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ diesel 2.1.1. Mô hình hệ thống phun nhiên liệu dùng bơm cao áp kiểu cơ khí truyền thống Khi tính toán HTPNL diesel dùng bơm cao áp (BCA) kiểu cơ khí truyền thống thường chỉ quan tâm đến quá trình vật lý diễn ra tại BCA, đường ống cao áp và vòi phun (VP) như sơ đồ trên Hình 2.1 2.1.2. Tính toán quá trình truyền sóng áp suất trên đường ống cao áp Tính toán quá trình cung cấp nhiên liệu chính là giải phương trình sóng, truyền sóng trong đường ống cao áp. Dòng nhiên Hình 2.1. Mô hình HTPNL diesel liệu chảy trong đường ống cao áp kiểu cơ khí truyền thống được coi là dòng không ổn định và có thể được mô tả bằng hệ phương trình, [104]:  p U  .  2. .k .U  0 (2.1)  x t   p  1 . p  0  x  .a 2 t Khi sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn, bằng cách vi phân toàn phần hệ phương trình (2.1) ta có, [107]:  U U p k .U (2.5) .  t  U . .    t x f    . f     . U  U .   U . . f  0  f t t x x f x Nghiệm của hệ phương trình (2.5) có dạng:   x   k1  x   k 2  p  po  F  t  a  e  W  t  a  e      (2.6)  U  U  1  F  t  x  e k1  W  t  x  e  k 2         a.   a  o  a  2.1.3. Các phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp và vòi phun 2.1.3.1. Phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp a) Tại khoang xi lanh bơm cao áp
6 dpH 2 f n cn   p .VH   0 .0 . f 0 pH  pBC  1. f K .cK   K .K . f K' pH  pH'  Q1 (2.7) dt  b) Tại khoang van cao áp dpH' 2  'p .VH'  fT .U  0, t    1. f K .cK   K . K . f K' p  pH' (2.8) dt  H *Đối với các chi tiết chuyển động cùng van cao áp: d 2 hK M   1  .hK  f K . pK 0    1. f K  pH  pH'  (2.9) dt 2 2.1.3.2. Phương trình điều kiện biên tại vòi phun dp 2 (2.10) fT .U (l , t )   p .V   2 . . f p  p'   3 . f u .c y  Q2 dt  *Các chi tiết chuyển động cùng với kim phun: d2y (2.11) M'   3 . ' . y  ( fu  fu' )( p  p 0 )  f u' . p'  dt 2 * Tính toán lượng nhiên liệu rò lọt Q1, Q2:   13  p2  1 Q1    d12  13  p2  1  2H  (2.12) Q2  (2.13) 6 nl  ln   1 12 nl  l  R  2.1.3.3. Hệ phương trình vi phân điều kiện biên dpH  2  1    f n .cn   0 .0 . f 0 pH  pBC   K . K . f K' pH  pH'   1. f K .cK  Q1   dc    6.nc . p .VH   dpH'  2  1    K . K . f K' pH  pH   1. f K .cK  fT .U (0, t )  dc    6.nc . p .VH ' '   dcK 1    1  f K ( pH  pH' )   .hK  f K . pK0   d c 6.nc .M  dhK c   K  d c 6.nc  dp    2 1    fT .U (l , t )   3 . f u .c y  Q2   2 .d . f d p  p  ' d c    6.nc . p .V   dc y 1    3 ( fu  f u' )( p  p0 )   ' . y  f u' . p'   d c 6.nc .M '  dy cy    d c 6.nc  2.1.4. Xác định quy luật cung cấp nhiên liệu Tốc độ phun nhiên liệu q: Lượng nhiên liệu đã phun :  2(p   p xl ) 1 ' q  cfc  . 6n c (2.15)    qd (2.16) 0
7 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác và các chỉ tiêu kinh tế, năng lƣợng của động cơ 2.2.1. Mô hình vật lý dùng để tính toán CTCT của động cơ Mô hình vật lý các dòng năng lượng, khối lượng ứng với 1 CTCT của động cơ diesel được trình bày trên Hình 2.2, [11]. 2.2.2. Các phương trình cơ bản dùng để tính toán diễn biến áp suất, nhiệt độ trong xi lanh động cơ diesel -Phương trình cân bằng khối lượng: dm  dmn  dmnl  dmth (2.17) -Phương trình cân bằng năng lượng: dQc  dQw   dmn hn   dmth hth  dU  pdV -Phương trình trạng thái khí lý tưởng: pV  RmT (2.19) Hình 2.2. Mô hình vật lý CTCT của động cơ 2.2.3. Mô hình tính toán quá trình cháy 2.2.3.1. Khái quát chung Các mô hình tính toán quá trình cháy trong động cơ rất đa dạng. Nếu đánh giá theo chiều không gian tính toán có thể phân làm 3 loại mô hình: không chiều (Zero Dimensional model); một chiều (Quasi Dimensional Model); đa chiều (Multi Dimensional model). Nếu đánh giá theo vùng cháy có thể phân làm 3 loại: Mô hình cháy đơn vùng (Single Zone); Mô hình cháy 2 vùng (Two Zone) và Mô hình cháy đa vùng (Multi Zone). Việc sử dụng mô hình cháy nào để tính toán phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu. Với mục đích xác định ảnh hưởng của biodiesel đến các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ B2, luận án lựa chọn MH cháy đa vùng của Razleitsev- Kuleshov để tính toán CTCT của động cơ. 2.2.3.2. Mô hình cháy đa vùng Razleitsev-Kuleshov a. Mô hình tia phun Chùm tia diesel phun vào buồng cháy được chia làm 7 vùng đặc trưng như trên Hình 2.5. Chuyển động của phần tử nhiên liệu từ vòi phun đến đỉnh chùm tia được xác định theo công thức: 3/ 2 U  l (2.22)    1 U0  lm Hình 2.5. Sơ đồ phân bố các vùng của chùm tia phun diesel [84] Độ rộng của chùm tia khi chưa chạm vào thành được xác định theo công thức: 0,32 0,07  U 02m .d n . f    2f  (2.25) bm  Am .l.Fs      0,5  f     f .d n . f  b.Mô hình bay hơi của hạt nhiên liệu Tốc độ bay hơi nhiên liệu cho vùng thứ i được xác định:
8 d ui  3/ 2   1  1  bui . ui   zi (2.27) d    ui Hằng số bay hơi của nhiên liệu theo từng vùng được xác định theo công thức: 4.106.NuD .Dp . pS Kui  (2.28) f c. Thời gian cháy trễ Theo Kuleshov, thời gian cháy trễ cho mỗi phần nhiên liệu được xác định từ biểu thức, [84]:  ij  Ct .Cc . ih (2.32) d. Tốc độ tỏa nhiệt khi cháy Theo mô hình RK, tốc độ tỏa nhiệt khi cháy phụ thuộc vào tốc độ cháy tương ứng với các giai đoạn cháy khác nhau,[84]: tốc độ cháy trong giai đoạn cháy nhanh được xác định theo công thức: dx (2.34)  P  P d 0 0 1 1 Tốc độ cháy trong giai đoạn cháy chính được xác định: dx  1 P1  2 P2 (2.35) d Tốc độ cháy trong giai đoạn cháy rớt (khi kết thúc phun) được xác định:  3 . A3 .K T 1  x  b  x  dx (2.36) d Quá trình đốt cháy hơi nhiên liệu trong các vùng được tính theo: A1   m    16000    dx (2.38) rV   300 rWi exp  W   1   b  x   i 1   d  2500  TWi   2.2.4. Mô hình tính trao đổi nhiệt của môi chất với thành vách Trong quá trình cháy, truyền nhiệt xảy ra dưới 2 hình thức là tỏa nhiệt đối lưu và tỏa nhiệt bức xạ: dQw dQ dQ (2.43)   dt dt dt Do tốc độ tỏa nhiệt bức xạ là nhỏ nên thường xét chung trong hệ số tỏa nhiệt đối lưu α. Tốc độ tỏa nhiệt đối lưu được xác định trên cơ sở phương trình Newton – Richman: dQw  AT  T  w (2.44) dt Hệ số tỏa nhiệt đối lưu α được tính theo công thức của Woschni, [127]: p 0,8W 0,8 [W/m2K] (2.46)   110 T 0,53 D0,3 2.2.5. Tính toán các thông số đánh giá chu trình và chỉ tiêu kinh tế, năng lượng Sau khi có được quy luật biến thiên của áp suất và nhiệt độ trong xi lanh sẽ xác định được các thông số đánh giá CTCT, các chỉ tiêu KT, NL của động cơ diesel. 2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán NOx và độ khói k của động cơ 2.3.1. Xác định thành phần NOx trong khí thải động cơ
9 Mô hình Zeldovich được nhiều tác giả sử dụng để tính toán hàm lượng NO,[111]. Thành phần thể tích của NO rNO trong vùng cháy xác định theo công thức:  38020   r  2  p  2,333 107  e TSPC  rN2eq  rOeq  1   NO     rNOeq   1 (2.60) drNO    d  2346 3365 rNO   R.TSPC  1  e TSPC    TSPC rNOq    2.3.2. Tính toán độ khói khí thải k Việc tính toán độ khói khí thải dựa theo phương pháp của Giáo sư Razleitsev. Theo đó, độ khói được xác định trên cơ sở vận tốc tạo muội than: - Vận tốc tạo muội trong vùng cháy:  dC  g dx (2.62)    0 ,004 ct  d  K V d - Vận tốc hình thành muội than theo cơ chế trùng hợp nhân các giọt nhiên liệu được xác định trong từng quá trình (trong quá trình phun, quá trình đốt cháy các hạt muội, quá trình thay đổi mật độ muội do giãn nở). Tổng vận tốc thay đổi mật độ muội trong xi lanh được xác định theo công thức:  dC   dC   dC  1  dC   dC  (2.67)    B   B        d   d  K  d  P B  d  B  d  V 2.4. Lựa chọn phần mềm tính toán 2.4.1. Lựa chọn phần mềm tính toán QLCCNL NCS lựa chọn phần mềm Inject32 của Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman (LB Nga) [129] để tính toán QLCCNL của động cơ diesel B2 với một số lý do: - Phần mềm Inject32 cho phép tính đến ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến QLCCNL và đã xét đến được tối đa các hiện tượng xảy ra trong HTPNL diesel. - Inject32 có nhiều thông số lựa chọn được khuyến cáo cho các họ động cơ của Liên xô (cũ) và LB Nga hiện nay. Điều này sẽ phù hợp với đối tượng nghiên cứu của Luận án là động cơ B2 do Liên Xô (cũ) sản xuất. - Kết quả tính toán QLCCNL bằng phần mềm Inject32 hoàn toàn tương thích với yêu cầu về dữ liệu đầu vào của phần mềm Diesel-RK mà luận án sử dụng để tính toán CTCT của động cơ. 2.4.2.Lựa chọn phần mềm tính toán CTCT và các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ Luận án lựa chọn phần mềm Diesel-RK để tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel do Diesel-RK có một số ưu điểm sau: - Cho phép đánh giá chi tiết tác động của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phun nhiên liệu, quá trình hình thành hỗn hợp; động học quá trình cháy và sự hình thành các chất ô nhiễm. - Cho phép tính toán ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu, các thuộc tính của nhiên liệu đến quá trình hình thành hỗn hợp, động học quá trình cháy và sự hình thành các chất ô nhiễm. Có thư viện dữ liệu về các loại nhiên liệu sinh học (trong
10 đó có biodiesel) khá phong phú, cho phép cập nhật trực tiếp về thuộc tính của các loại nhiên liệu mới. - Chức năng tối ưu hóa đa tham số cho phép tối ưu hóa về thiết kế, quá trình cung cấp nhiên liệu, cơ cấu phối khí… nhằm đạt được sự thỏa hiệp của 2 mục tiêu lớn nhất là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm mức độ ô nhiễm (NO x, PM). - Cho phép liên kết với các phần mềm mô phỏng khác phục vụ mục đích thiết kế tổng thể phương tiện... Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của phần mềm, cũng như mục đích nghiên cứu của luận án, NCS lựa chọn phần mềm Diesel-RK làm công cụ tính toán CTCT, các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ B2 khi sử dụng B0 và biodiesel B10, B20. 2.5. Kết luận Chƣơng 2 - Trên cơ sở nghiên cứu LT tính toán HTPNL của động cơ diesel, NCS đã phân tích, lựa chọn được công cụ tính toán phù hợp là PMMP chuyên dụng Inject32 nhằm mục đích đánh giá ảnh hưởng của B10, B20 đến QLCCNL; xác định QLCCNL dùng làm dữ liệu đầu vào cho quá trình tính toán CTCT của động cơ B2. - Trên cơ sở nghiên cứu LT tính toán CTCT và các thông số công tác của động cơ; mô hình tính toán hàm lượng NOx và độ khói khí thải diesel, đã phân tích lựa chọn được công cụ nghiên cứu phù hợp là PMMP chuyên dụng Diesel-RK phục vụ mục đích đánh giá ảnh hưởng của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel B2. CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƢỢNG, MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ B2 3.1. Lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ diesel B2, đây là động cơ diesel công suất lớn được sử dụng trên các phương tiện vận tải tại các mỏ khai thác khoáng sản, phương tiện vận tải thủy, dàn khoan dầu khí... 3.2. Tính toán QLCCNL của động cơ B2 bằng phần mềm mô phỏng Inject32 3.2.1. Hệ thống phun nhiên liệu của động cơ B2 3.2.2. Xây dựng mô hình và xác định các thông số đầu vào Căn cứ theo đặc điểm kết cấu của HTPNL (Hình 3.2), lựa chọn mô hình tính QLCCNL trong Inject32 như trên Hình 3.3. Cần xác định chi tiết các nhóm thông số đầu vào và khai báo trong Inject32, bao gồm: Hệ thống dẫn động bơm cao áp (20 thông số), Bộ đôi pít tôn-xi lanh BCA (25 thông số), Van cao áp (21 thông số), Đường ống cao áp (8 thông số), Vòi phun (10 thông số). Các thông số được xác định trên cơ sở Bộ bản vẽ chế tạo các chi tiết của HTPNL (Nhà máy Z153/TCKT), theo tài liệu kỹ thuật của động cơ B2, [114] và theo khuyến nghị của Inject32, [129]. Các thông số đầu vào này được trình bày trong Phụ lục 1.
11 Hình 3.2. Kết cấu HTPNL của động cơ B2 Hình 3.3. MH tính QLCCNL trong Inject32 3.2.3. Thuộc tính của nhiên liệu dùng cho phần mềm Inject32 Một số thuộc tính của B0, B10, B20 ở nhiệt độ 200C được phân tích bằng thực nghiệm tại PTN Trọng điểm Quốc gia về Công nghệ lọc & hóa dầu (thuộc Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam) và Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng 1 (Quatest 1) Các thông số còn lại cần cho quá trình tính toán được chọn theo khuyến nghị của Inject32 [129]. 3.2.4. Chế độ, trình tự tính toán và phương pháp đánh giá tác động của B10, B20 đến quy luật cung cấp nhiên liệu - Chế độ tính toán, khảo sát: QLCCNL được tính toán theo đặc tính ngoài (ứng với 100% hành trình của thanh răng BCA) trong toàn dải tốc độ (n=12002000 vg/ph); khi so sánh ở cùng chế độ tốc độ sẽ chọn tốc độ định mức, n=2000 vg/ph. - Trình tự tính toán: + Bước 1: Tính toán QLCCNL khi sử dụng B0, đánh giá mức độ phù hợp của kết quả tính so với thông số kỹ thuật theo thiết kế. + Bước 2: Sử dụng kết quả gct đo thực nghiệm, khi sử dụng B0, để hiệu chỉnh MH tính trên cơ sở các tham số hiệu chỉnh cho phép của Inject32. + Bước 3: Sử dụng MH đã hiệu chỉnh để tính toán QLCCNL khi sử dụng nhiên liệu B10, B20. - Phương pháp đánh giá tác động của B10, B20: So sánh đối chứng với B0. 3.2.5. Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình tính quy luật cung cấp nhiên liệu Do hạn chế về điều kiện thực nghiệm, 170 gct [mg/ct] luận án chỉ sử dụng lượng nhiên liệu cấp 160 gct - B0 - LT gct - B0 - TN cho một chu trình (gct) để hiệu chỉnh MH 150 tính QLCCNL. Kết quả tính toán (sau khi hiệu chỉnh MHMP) so sánh với thực 140 nghiệm khi sử dụng nhiên liệu B0 được 130 trình bày trên Hình 3.4. 120 Kết quả tính toán về gct là phù hợp với 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 n [vg/ph] kết quả đo thực nghiệm trên toàn dải tốc Hình 3.4. Kết quả tính toán và thực độ 1200 vg/ph đến 2000 vg/ph và phù hợp nghiệm xác định gct của phân bơm cao với đặc tính cung cấp của BCA (HK-10) áp, ở chế độ 100% tải lắp trên động cơ B2, [114]. Sai số lớn nhất về gct giữa tính toán (LT) và thực nghiệm (TN) là 1,17 %. Do vậy, mô hình tính QLCCNL được xây dựng, hiệu chỉnh trong Inject32 có đủ độ
12 tin cậy cần thiết và có thể sử dụng để tính toán QLCCNL của động cơ B2 khi sử dụng B10, B20. 3.2.6. Kết quả tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu NCS đã tính toán, mô phỏng và đánh giá chi tiết về diễn biến áp suất trong khoang xi lanh BCA, pH (MPa); trong khoang van cao áp, p’H (MPa); khoang vòi phun, p (MPa). Do khuôn khổ của Tóm tắt LATS nên các kết quả này không được trình bày tại đây. Kết quả tính toán các thông số chính của QLCCNL, bao gồm: diễn biến áp suất phun, p’ (Mpa); diễn biến tốc độ phun, q (ml/s); diễn biến lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình, gct (g/ct); mức độ phun tơi, d32 (μm) khi sử dụng B0, B10, B20 được trình bày trên các Hình 3.8, 3.9, 3.10, 3.11. Ta thấy: q [ml/s] 60 P’ [MPa] p'  - B0 80 q - B0 50 p'  - B10 q - B10 40 p'  - B20 60 q - B20 30 40 20 20 10 0 0 25 35 45 55 25 35 45 55 GQTC [độ] GQTC [độ] Hình 3.8. Diễn biến (p‘ ) tại n = 2000 vg/ph Hình 3.9. Diễn biến (q) tại n = 2000 vg/ph - Quy luật thay đổi các thông số khi sử dụng B0, B10, B20 là tương tự nhau. Không có sự khác biệt về thời điểm đạt tốc độ phun cực đại q max, thời điểm bắt đầu phun và khoảng thời gian phun. Tại n=2000 vg/ph, áp suất phun lớn nhất p’ max tăng 3,07% khi sử dụng B10 và tăng 4,11% khi dùng B20 so với khi sử dụng B0. q max có sự gia tăng nhẹ; khi dùng B10 qmax tăng 0,12% và khi dùng B20 qmax tăng 0,99% so với khi sử dụng B0. d32 [μm] 32,0 170 gct [mg/ct] 31,6 150 31,2 30,8 130 30,4 110 30,0 gct - B0 gct - B10 gct - B20 29,6 90 B0 B10 B20 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 n [vg/ph] Hình 3.11.Sự thay đổi d32 tại n =2000 vg/ph Hình 3.12. Sự thay đổi gct khi dùng B0, B10, B20 - Mức độ phun tơi (đánh giá thông qua d 32) khi sử dụng B10, B20 kém hơn so với khi sử dụng B0 (tại n=2000 vg/ph, d32 tăng 1,65% khi dùng B10 và tăng 4,16% khi dùng B20). - Diễn biến gct được trình bày trên Hình 3.12, ta thấy trên toàn dải tốc độ vận hành, khi sử dụng biodiesel sẽ làm gia tăng nhẹ về gct so với khi sử dụng B0 (mức tăng cao nhất của gct khi dùng B10 là 1,46% tại n=1200 vg/ph; khi dùng B20 là 2,62% ở n=1200 vg/ph).
13 3.3.Tính toán các quá trình nhiệt động, các chỉ tiêu kinh tế, năng lƣợng, môi trƣờng của động cơ B2 bằng phần mềm mô phỏng Diesel-RK 3.3.1. Xây dựng mô hình tính và xác định các thông số đầu vào Để xây dựng mô hình tính toán CTCT của động cơ B2 trong Diesel-RK, cần xác định thông số đầu vào và khai báo dữ liệu theo các nhóm, bao gồm: thông số chung của động cơ; thông số về HTPNL và buồng cháy; thông số về hệ thống nạp, Hình 3.13. Sơ đồ khối mô hình mô phỏng CTCT thải... (Hình 3.13). của động cơ diesel trong Diesel-RK Các thông số đầu vào nêu trên được xác định dựa theo Bộ bản vẽ chế tạo động cơ B2 (Nhà máy Z153/TCKT), theo tài liệu kỹ thuật của động cơ B2 [114];đo đạc trực tiếp trên động cơ thực tế tại Nhà máy Z153; một số thông số được xác định gián tiếp thông qua các tính toán trung gian hoặc lựa chọn dựa theo khuyến nghị của Diesel-RK [81], [82], [83], [84]. Các thông số đầu vào dùng cho MH được NCS trình bày chi tiết trong Phụ lục 2. Diesel-RK yêu cầu khá nhiều thông số đầu vào về thuộc tính nhiên liệu. Trong luận án, các thuộc tính quan trọng của nhiên liệu được xác định như sau: + Thành phần C:H:O của các mẫu nhiên liệu được tham khảo từ công trình [70]. Đây cũng là một sản phẩm của Đề tài mã số ĐT.06.12/NLSH, ứng với đúng các mẫu nhiên liệu được dùng cho nghiên cứu của luận án. + Nhiệt trị thấp được tính toán theo công thức thực nghiệm [74] dựa trên kết quả phân tích thành phần C:H:O của các mẫu nhiên liệu, [70]. + Hàm lượng Lưu huỳnh, Trị số xêtan, Khối lượng riêng ở T=323K, Độ nhớt động lực học ở T=323K của các mẫu nhiên liệu được phân tích thực nghiệm tại PTN Trọng điểm về Công nghệ lọc-hóa dầu (Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam) và Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1 (Quatest 1). 3.3.2. Chế độ, trình tự tính toán và phương pháp đánh giá tác động của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ B2 - Chế độ tính toán, khảo sát: tính toán theo đặc tính ngoài trên toàn dải tốc độ, khi so sánh một số thông số ở cùng chế độ tốc độ sẽ chọn tốc độ định mức. - Trình tự tính toán: + Bước 1: Tính toán xác định các chỉ tiêu kinh tế (ge), năng lượng (Me, Ne) của động cơ B2 khi sử dụng B0; đánh giá về mức độ phù hợp của kết quả thu được so với thông số kỹ thuật theo thiết kế. + Bước 2: Sử dụng giá trị Me, ge đo thực nghiệm khi động cơ B2 sử dụng B0 để hiệu chỉnh MH đã xây dựng sơ bộ trên cơ sở các tham số hiệu chỉnh cho phép của Diesel-RK. + Bước 3: Sử dụng mô hình đã hiệu chỉnh để tính toán xác định các quá trình nhiệt động, các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ B2 khi sử dụng B10, B20.
14 - Phương pháp đánh giá tác động của B10, B20: so sánh đối chứng với B0. 3.3.3. Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình tính chu trình công tác Mô hình mô phỏng CTCT được đánh giá, hiệu chỉnh dựa theo kết quả đo mô men xoắn có ích Me và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge. Các thông số dùng để hiệu chỉnh mô hình bao gồm: Các hệ số của mô hình cháy RK; Các hệ số trong công thức tính áp suất tổn hao ma sát trung bình (2.47); Các hệ số chọn liên quan đến hệ thống làm mát, cơ cấu phối khí. Kết quả tính toán (LT) và thực nghiệm (TN) về Me và ge ở chế độ 100% tải, trong dải dải tốc độ n=1200÷2000 vg/ph, khi sử dụng B0 được được trình bày trên các Hình 3.14 và 3.15. Ta thấy: Me [Nm] ge [kg/kW.h] 0,295 2300 Me - B0 - LT 0,285 ge - B0 - LT 2100 Me - B0 - TN ge - B0 - TN 0,275 1900 0,265 1700 0,255 1500 0,245 1200 1400 1600 1800 2000 1200 1400 1600 1800 2000 n [vg/ph] n [vg/ph] Hình 3.14. So sánh Me tính toán và Hình 3.15. So sánh ge tính toán và thực thực nghiệm khi sử dụng B0 ở 100% tải nghiệm khi sử dụng B0 ở 100% tải Kết quả tính toán mô phỏng là phù hợp với thực nghiệm trên toàn dải tốc độ vận hành. Sai số lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm về M e là 9,3 N.m (tương ứng là 0,5%); về ge là 0,002 g/kW.h (tương ứng 0,63 %). Do vậy, mô hình mô phỏng CTCT đã hiệu chỉnh trong Diesel-RK có đủ độ tin cậy cần thiết và hoàn toàn có thể sử dụng để tính toán các thông số nhiệt động, các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ B2 khi sử dụng nhiên liệu B10, B20. 3.3.4. Kết quả tính toán và nhận xét 3.3.4.1. Quá trình hình thành và phát triển tia phun Với mô hình tia phun 7 vùng trong mô hình cháy RK (Hình 2.5) cho phép tính toán, mô phỏng và đánh giá chi tiết ảnh hưởng của B10 và B20 đến quá trình hình thành và phát triển tia phun trong buồng cháy động cơ B2. Kết quả này được NCS trình bày chi tiết trong Phụ lục 3. 3.3.4.2. Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp và cháy Các thông số được tính toán, đánh giá bao gồm: Hệ số dư lượng không khí, ; thời gian cháy trễ, id (độ GQTK); tốc độ cháy, dx/d (độ GQTK), quy luật cháy, xb; khoảng thời gian cháy, z (độ GQTK); nhiệt độ vùng cháy, T burn (K); tốc độ tỏa nhiệt, dQc/d (J/độ GQTK) của B0, B10, B20 ở chế độ 100% tải. Do khuôn khổ của Tóm tắt LATS nên những kết quả này không được trình bày tại đây. 3.3.4.3. Kết quả tính toán các thông số nhiệt động trong xi lanh Kết quả tính toán diễn biến áp suất pxl, (bar); giá trị áp suất cực đại p xl max; nhiệt độ Txl, [K]; nhiệt độ lớn nhất T xl max trong xi lanh ứng với các loại nhiên liệu B0, B10 và B20 được trình bày trên các Hình 3.23, 3.24 và Hình 3.26, 3.27.
15 p xl [bar] p xl max [bar] 80 90 70 p xl - B0 60 p xl - B10 80 50 p xl - B20 40 70 pxl max - B0 30 20 60 pxl max - B10 10 pxl max - B20 0 50 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 1200 1400 1600 1800 2000 GQTK [độ] n [vg/ph] Hình 3.23. Diễn biến (pxl) tại n=2000 vg/ph Hình 3.24. Sự thay đổi (pxl) max 2000 2300 T xl [K] T xl max [K] Txl - B0 Txl max - B0 1800 2200 Txl - B10 Txl max - B10 1600 Txl - B20 2100 Txl max - B20 1400 2000 1200 1000 1900 800 1800 320 340 360 380 400 420 440 460 480 1200 1400 1600 1800 2000 GQTK [độ] n [vg/ph] Hình 3.26. Diễn biến (Txl) tại n=2000 vg/ph Hình 3.27. Sự thay đổi (Txl ) max Ta thấy: Áp suất trong xi lanh khi sử dụng B10, B20 bắt đầu phát triển và đạt cực trị sớm hơn, với giá trị pxl max cao hơn (mức tăng cao nhất về pxl max của B10 là 4,85% ở n=1800 vg/ph; của B20 là 10,65% ở n=2000 vg/ph) khi so với B0. Nhiệt độ trong xi lanh Txl khi sử dụng B10, B20 bắt đầu tăng và đạt cực trị sớm hơn, với Txl max cao hơn (mức tăng cao nhất của T xl max với B10 là 1,48 % ở n=1300 vg/ph; của B20 là 2,81 % ở n=1300 vg/ph) khi so với B0. 3.3.4.4. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng Các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng được tính toán bao gồm: áp suất chỉ thị trung bình-pi [bar]; áp suất có ích trung bình- pe [bar]; hiệu suất chỉ thị- i [%]; mô men xoắn có ích-Me [N.m] và suất tiêu hao nhiên liệu có ích-ge [kg/kWh]. Kết quả tính toán Me, ge khi sử dụng B0, B10, B20 được trình bày trên Hình 3.31; 3.32. ge [kg/kWh] Me [Nm] 2400 2200 0,30 2000 0,25 1800 1600 0,20 1400 ge - B0 ge - B10 ge - B20 Me - B0 Me - B10 Me - B20 0,15 1200 1000 0,10 1200 1400 1600 1800 2000 1200 1400 1600 1800 2000 n [vg/ph] n [vg/ph] Hình 3.31.Ảnh hưởng của B10, B20 đến Me Hình 3.32. Ảnh hưởng của B10, B20 đến ge Ta thấy: Về mặt hình dáng, diễn biến sự thay đổi của M e và ge khi sử dụng B0, B10, B20 là giống nhau. Khi sử dụng B10, B20 sẽ làm giảm Me của động cơ (tại n=1200 vg/ph, mức giảm Me cao nhất khi sử dụng B10 là 3,3 % và khi dùng B20
16 là 8,7%) so với B0. Việc sử dụng B10 làm tăng ge không nhiều (mức tăng cao nhất là 2,5% tại n=1200 vg/ph) so với B0. Khi sử dụng B20, mức tăng ge so với B0 là đáng kể (mức tăng cao nhất là 10,8 % tại n =1200 vg/ph). Ngoài ra, mức độ ảnh hưởng của B10, B20 đến Me, ge không tỷ lệ tuyến tính với tỷ lệ pha trộn. 3.3.4.5. Tính toán mức phát thải NOx và độ khói k Kết quả tính toán ảnh hưởng của B10, B20 đến diễn biến và mức phát thải NOx, độ khói k của động cơ B2 được trình bày trên Hình 3.33, 3.3.34, 3.35, 3.36. Ta thấy, sau ĐCT khoảng 20 độ GQTK, hàm lượng NOx đạt cực trị và giữ nguyên giá trị này cho đến cuối quá trình cháy. NOx [ppm] NOx [ppm] 1000 1200 NOx - B0 NOx - B10 NOx - B20 1000 800 800 600 600 400 400 200 200 NOx - B0 NOx - B10 NOx - B20 0 0 340 350 360 370 380 390 400 410 1200 1400 1600 1800 2000 GQTK [độ] n [vg/ph] Hình 3.33. Diễn biến NOx tại n=2000 vg/ph Hình 3.34. Ảnh hưởng đến phát thải NOx d k/d  [1/m] 4,5 5,0 k [1/m] dk/d  - B0 k - B0 k - B10 k - B20 3,5 dk/d  - B10 4,0 2,5 dk/d  - B20 3,0 1,5 2,0 0,5 1,0 -0,5 0,0 325 335 345 355 365 375 385 395 405 1200 1400 1600 1800 2000 GQTK [độ] n [vg/ph] Hình 3.35. Ảnh hưởng của B10, B20 đến tốc Hình 3.36. Ảnh hưởng của B10, B20 đến độ hình thành độ khói (k) độ khói (k) của động cơ B2 Hàm lượng NOx và độ khói k đều đạt giá trị nhỏ nhất tại n=2000 vg/ph, cao nhất tại n =1200 vg/ph. Mức phát thải NOx tăng (khi sử dụng B10, mức tăng NOx cao nhất là 32,5% tại n=1800 vg/ph; với B20 là 71,7% tại n=1800 vg/ph) so với khi sử dụng B0. Khi sử dụng B10, B20 sẽ giúp đáng kể giảm độ khói (đối với B10, mức giảm độ khói cao nhất là 11,8 % tại n=1200 vg/ph; đối với B20 là 28,7 % tại n=1300 vg/ph) so với khi sử dụng B0. Khi tăng tỷ lệ pha trộn, mức độ cải thiện về độ khói tốt hơn (khi dùng B20, tại n=1800 vg/ph, mức độ khói giảm cao nhất là 23,9 % so với B10). 3.4. Kết luận Chƣơng 3 - Đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công MHMP tính QLCCNL của động cơ B2 khi sử dụng B0, B10, B20 trong Inject32. Khi sử dụng B10 và B20 sẽ làm gia tăng nhẹ về gct và đường kính trung bình của hạt nhiên liệu (d32); góc phun sớm và thời gian phun không bị ảnh hưởng. Kết quả tính toán QLCCNL được sẽ dùng làm thông số đầu vào để tính toán CTCT và các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ B2.
17 - Đã xây dựng và hiệu chỉnh thành công MHMP tính CTCT và các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ B2 trong Diesel-RK. Kết quả tính toán cho thấy: + Khi dùng B10, B20 sẽ làm giảm Me (mức giảm Me cao nhất khi dùng B10 là 3,3% và khi dùng B20 là 8,7%) so với khi dùng B0; Làm tăng ge (mức tăng ge cao nhất khi dùng B10 là 2,5% và khi dùng B20 là 10,8%) so với khi dùng B0. + Mức phát thải NOx tăng khá mạnh (khi sử dụng B10 hàm lượng NOx tăng cao nhất là 32,5%; khi dùng B20 là 71,7%) so với khi dùng B0. + Có sự cải thiện tốt về độ khói khí thải k (k giảm nhiều nhất khi dùng B10 là 11,8%; khi dùng B20 là 28,7%) so với khi sử dụng B0. - Inject32 đã cho phép đánh giá chi tiết ảnh hưởng của B10, B20 đến QLCCNL của động cơ B2; Diesel-RK cho phép tính toán chi tiết các thông số nhiệt động trong xi lanh và các chỉ tiêu KT, NL, MT của động cơ có xét đến tối đa các yếu tố ảnh hưởng (QLCCNL, kết cấu buồng cháy và bố trí vòi phun, thuộc tính của nhiên liệu sử dụng, chế độ vận hành...). Do vậy, sẽ cho phép nghiên cứu sâu, chi tiết hơn về ảnh hưởng của B10, B20 diễn biến các quá trình nhiệt động trong xy lanh, đây là những quá trình rất phức tạp và khó tổ chức nghiên cứu bằng thực nghiệm. CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục đích, chế độ, điều kiện và đối tƣợng thực nghiệm 4.1.1. Mục đích -Xác định các thuộc tính của B0, B10, B20; so sánh với các tiêu chuẩn hiện hành để đánh giá mức độ phù hợp của B10, B20 khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel. Một số thuộc tính được sử dụng làm thông số đầu vào cho các MHMP. - Xác định gct; Me; ge khi sử dụng nhiên liệu B0 để làm thông số hiệu chỉnh MHPM. - Đánh giá lượng hóa ảnh hưởng của B10, B20 đến các chỉ tiêu KT, NL, MTcủa động cơ B2. 4.1.2. Chế độ thực nghiệm 4.1.2.1. Xác định các thuộc tính của nhiên liệu Thuộc tính của B0, B10, B20 được xác định bằng các trang thiết bị chuyên dùng, trong phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn (TCVN, ASTM) hiện hành (Bảng 4.19) 4.1.2.2. Xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình Được xác định trên bệ thử động cơ hạng nặng AVL-ETC, khi động cơ B2 đang vận hành theo đặc tính ngoài, khi sử dụng nhiên liệu B0, B10, B20 4.1.2.3. Xác định các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường Các chỉ tiêu ge, Me và NOx, độ khói k của động cơ B2 được xác định theo đặc tính ngoài, khi sử dụng 3 loại nhiên liệu B0, B10 và B20. 4.1.3. Điều kiện thực nghiệm Nhiệt độ môi trường t0=24 0C, áp suất p0=1,0 bar, độ ẩm tương đối là 75%. 4.1.4. Đối tượng thực nghiệm - Nhiên liệu thử nghiệm: B0, B10, B20. - Động cơ thử nghiệm: 01 động cơ diesel B2 sau sửa chữa lớn. 4.2. Trang thiết bị thực nghiệm