Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm Nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao nhằm xác định những dữ liệu để nâng cao độ chính xác độ và tin cậy của việc tính toán mô phỏng chu trình công tác (CTCT) của động cơ diesel cũng như tổ chức tốt hơn cho quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel.

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, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NCS DƯƠNG QUANG MINH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-BIODIESEL CÓ TỶ LỆ PHA TRỘN CAO TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9.52.01.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 05/2019
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ/ BỘ QUỐC PHÒNG 1. Dương Quang Minh, Lương Đình Thi, Nguyễn Hoàng Vũ, ''Xác định vận tốc cháy tầng của hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel sản xuất ở Việt Nam'', Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật (ISSN:1859-0209), Học viện KTQS, số 166, tháng 2/2015, tr.126-133. Người hướng dẫn khoa học: 2. Dương Quang Minh, Nguyễn Gia Nghĩa, Nguyễn Hoàng Vũ "Xây 1. PGS. TS Nguyễn Hoàng Vũ dựng công thức xác định chỉ số xê tan của hỗn hợp nhiên liệu 2. TS Nguyễn Năng Thắng diesel/biodiesel thông qua một số thuộc tính lý-hóa", Tạp chí Giao thông Vận tải (ISSN:2354-0818), tháng 5/2015, tr.35-37. 3. Dương Quang Minh, Nguyễn Năng Thắng, Nguyễn Hoàng Vũ Phản biện 1: GS.TS Phạm Minh Tuấn ''Xác định trị số xê tan, thời gian cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel sản xuất ở Việt Nam bằng động cơ CFR-5'', Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật (ISSN:1859-0209), Học viện KTQS, số 169, Phản biện 2: GS.TS Đào Trọng Thắng tháng 7/2015, tr.104-111. 4. Dương Quang Minh, Lương Đình Thi, Nguyễn Hoàng Vũ, '' Phản biện 3: PGS.TS Đặng Tiến Hòa Nghiên cứu xây dựng công thức tính thời gian cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel'', Kỷ yếu Hội nghị KH&CN Toàn quốc về Cơ khí lần thứ IV (ISBN: 978-604-73-3690-6), Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2015, tr.245-253. 5. Dương Quang Minh, Lương Đình Thi, Nguyễn Hoàng Vũ ''Nghiên cứu xác định nhiệt trị thấp của hỗn hợp diesel/biodiesel sản xuất tại Việt Nam từ kết quả phân tích tỷ lệ C/H/O'', Tạp chí Cơ khí Việt Nam (ISSN: 0866-7056), tháng 9/2016, tr. 21-26. 6. Dương Quang Minh, Nguyễn Hoàng Vũ '' Nghiên cứu sự phù hợp của một số công thức dự báo thời gian cháy trễ dựa theo dữ liệu thực nghiệm trên động cơ diesel CFR-F5 khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo diesel/biodiesel'', Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật (ISSN:1859-0209), Quyết định số 1355/QĐ-HV, ngày tháng năm 2019 của Giám đốc Học Học viện KTQS, số 185, tháng 8/2017, tr.59-69. viện Kỹ thuật quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật quân sự vào hồi giờ 7. Dương Quang Minh, Nguyễn Hoàng Vũ '' Khảo sát đặc tính cháy ngày tháng năm 2019 của hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel bằng thực nghiệm trên động cơ Có thể tìm hiểu luận án tại: diesel CFR-F5 '', Kỷ yếu Hội nghị KH&CN Toàn quốc về Cơ khí - - Thư viện Học viện Kỹ thuật quân sự Động lực (ISBN 978-604-73-5603-4), ĐH Bách khoa, ĐH quốc gia. - Thư viện Quốc gia TP. HCM, tháng 10/2017, tr.244-252.
MỞ ĐẦU Để giảm thiểu mức ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt trong (ĐCĐT) gây ra và sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, các quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đã và đang nghiên cứu sản xuất, sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) cho ĐCĐT, [16, 51]. Trong nhiều công trình đã công bố với tỷ lệ pha trộn nhỏ (dưới 10%) thì hầu như không làm thay đổi nhiều các tính năng kinh tế-kỹ thuật của động cơ, [3, 5, 20]. Tuy nhiên, nếu sử dụng tỷ lệ pha trộn cao hơn, do thành phần và tính chất nhiên liệu thay đổi nên sẽ làm thay đổi rõ rệt đặc tính cháy và cuối cùng là tính năng kinh tế-kỹ thuật của động cơ. Đối với các hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn lớn (trên 20%), sự thay đổi các thuộc tính liên quan quá trình cháy (trị số xê tan, tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp...) là đáng kể sẽ làm ảnh hưởng đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh: thời gian cháy trễ (TGCT) ; diễn biến tốc độ cháy và tỏa nhiệt; diễn biến áp suất trong xi lanh; các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy như CA5, CA10, CA50, CA90... Do vậy, việc “Nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel- biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong động cơ diesel” là rất cần thiết, nhằm có được những dữ liệu để nâng cao độ chính xác của việc tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel; tổ chức tốt hơn quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel. Luận án tiến sĩ của NCS là một sản phẩm khoa học công nghệ của đề tài NCKH&PTCN cấp Quốc gia, “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau” (thuộc Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020) do PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ là Chủ nghiệm đề tài, đã bảo vệ tháng 12/2017, [17]. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao nhằm xác định những dữ liệu để nâng cao độ chính xác độ và tin cậy của việc tính toán mô phỏng chu trình công tác (CTCT) của động cơ diesel cũng như tổ chức tốt hơn cho quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm với các trang thiết bị và quy trình thử tiêu chuẩn nhằm xác định các thuộc tính hóa-lý, các thuộc tính liên quan đến quá trình cháy của các loại hỗn hợp diesel-biodiesel. Nghiên cứu lý thuyết tập trung vào việc xây dựng, đánh giá sự phù hợp của công thức dự báo TGCT của hỗn hợp diesel-biodiesel; ứng dụng công thức dự báo TGCT đã xây dựng để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5 thông qua việc mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5 Đối tượng nghiên cứu Các loại hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn từ 20 đến 100%. Trong đó, B0 là sản phẩm diesel thương mại trên thị trường (0,05% S). Diesel sinh học gốc (B100) được sản xuất từ phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil) thành dầu ăn (Cooking Oil), là sản phẩm của đề tài mã số: ĐT.06.12/NLSH, [16]. 1
Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm: - Xác định các thuộc tính liên quan đến quá trình cháy (tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, tỷ lệ A/F lý thuyết, trị số xê tan, nhiệt độ giới hạn tự bốc cháy) và đặc tính cháy (tốc độ cháy tầng, TGCT) của biodiesel: sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống trang thiết bị chuyên dụng, theo quy trình thử tiêu chuẩn. Kết quả thực nghiệm được đánh giá độ tin cậy và sử dụng một số phương pháp tính toán phù hợp để xác định quy luật thay đổi đặc tính cháy theo tỷ lệ pha trộn của biodiesel và điều kiện vận hành. - Xây dựng công thức dự báo TGCT: sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, dùng ống xung kích (Shock Tube) và động cơ diesel nghiên cứu 1 xi lanh CFR-F5 để xác định các dữ liệu thực nghiệm cần thiết. Sử dụng công cụ tính toán phù hợp để xây dựng công thức thực nghiệm dự báo TGCT của hỗn hợp biodiesel có xét đến thuộc tính của nhiên liệu, tỷ lệ pha trộn, điều kiện vận hành. - Đánh giá độ chính xác của công thức dự báo TGCT: sử dụng dữ liệu thực nghiệm trên động cơ diesel nghiên cứu 1 xi lanh CFR-F5 để khảo sát đánh giá một số công thức dự báo TGCT thông dụng và công thức thực nghiệm do NCS xây dựng. - Khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh của động cơ CFR-F5, thông qua việc tính toán mô phỏng CTCT của động cơ CFR-F5 trong phần mềm Matlab...(sử dụng công thức dự báo TGCT do NCS xây dựng; có xét đến các thông số kết cấu và vận hành của động cơ, thuộc tính của nhiên liệu sử dụng). Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Luận án đã xác định được chi tiết một số thuộc tính liên quan đến quá trình cháy (tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, tỷ lệ A/F lý thuyết, trị số xê tan, nhiệt độ giới hạn tự bốc cháy) và đặc tính cháy (tốc độ cháy tầng, TGCT) của biodiesel, với B100 có nguồn gốc từ dầu Cọ. - Luận án đã xây dựng được công thức dự báo TGCT ứng với điều kiện nhiệt động trong ống xung kích và điều kiện nhiệt động trong động cơ diesel, có đủ độ tin cậy và có xét đến tỷ lệ pha trộn của hỗn hợp, thuộc tính của nhiên liệu. - Luận án đã đánh giá được độ chính xác của công thức dự báo TGCT đã xây dựng; Đánh giá chi tiết ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh cơ CFR-F5; Đánh giá mức độ ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của diesel-biodiesel trong xi lanh cơ CFR-F5. Ý nghĩa thực tiễn: - Các kết quả nghiên cứu của luận án là dữ liệu đầu vào, dữ liệu tham khảo tốt cho các công việc sau: nghiên cứu chuyên sâu về quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel; góp phần nâng cao độ chính xác của việc tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel; phân tích, đánh giá các kết quả thử nghiệm động cơ thu được khi sử dụng biodiesel; tổ chức tốt hơn quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel. - Luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho quá trình đào tạo đại học, sau đại học ngành Cơ khí động lực (KT Động cơ nhiệt). 2
- Kết quả nghiên cứu của Luận án góp phần trực tiếp cho việc thực hiện đề tài NCKH&PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH [17], nhằm sử dụng có hiệu quả nhiên liệu diesel sinh học theo chủ trương chung của Chính phủ, [1, 2]. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu biodiesel Biodiesel là nguồn năng lượng có thể tái tạo, không độc và dễ phân hủy. Việc sản xuất và tiêu thụ biodiesel đang phát triển mạnh trên phạm vi toàn cầu, [20], trong đó có Việt Nam. 1.2. Đặc tính cháy của nhiên liệu diesel Khi nghiên cứu về đặc tính cháy của nhiên liệu diesel, các nhà khoa học và các nhà nghiên cứu, thường quan tâm đến các thông số: TGCT, diễn biến áp suất trong xi lanh, tốc độ gia tăng áp suất, tốc độ tỏa nhiệt, các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy CA5, CA10, CA50, CA90...([38], [54], [83], [96]). 1.3. Sự thay đổi các thuộc tính/đặc tính của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn Khi thay đổi tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính (độ nhớt, tỷ trọng...) và đặc tính (tỷ lệ C:H:O, TGCT, nhiệt trị thấp, trị số xê tan...) của biodiesel cũng thay đổi theo nhưng với chiều hướng rất khác nhau. Khi tỷ lệ pha trộn >20%, do có sự thay đổi đáng kể về thuộc tính của nhiên liệu sẽ dẫn đến sự thay đổi các đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel. 1.4. Ảnh hưởng thuộc tính nhiên liệu đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh Thuộc tính hóa lý cơ bản (tỷ trọng, độ nhớt...), thuộc tính liên quan đến quá trình cháy (tỷ lệ C:H:O, tỷ lệ A/F lý thuyết, nhiệt trị thấp và trị số xê tan...) có ảnh hưởng đan xen, phức tạp đến đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu trong xi lanh. Thuộc tính của biodiesel phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu sản xuất nó, [52]. Trong nhiều công bố gần đây cho thấy, thuộc tính của nhiên liệu có ảnh hưởng với xu hướng rất khác nhau đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh. Một số loại biodiesel cho kết quả áp suất trong xi lanh giảm, tốc độ tỏa nhiệt giảm [26], [36], [50]... Tuy nhiên, một số công trình lại cho thấy: áp suất trong xi lanh tăng, tốc độ tỏa nhiệt giảm [71], [77], [82]... Nghiên cứu khác lại cho thấy, áp suất trong xi lanh tăng, tốc độ tỏa nhiệt tăng, [45]... Điều này minh chứng cho tác động đa chiều đan xen và phức tạp của các thuộc tính của nhiên liệu đến đặc tính cháy của chúng trong xi lanh. 1.5. Tình hình nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel Qua nghiên cứu, phân tích một số công trình nghiên cứu đã công bố liên quan đến đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel, NCS nhận thấy: - Một số công trình tập trung vào việc sản xuất biodiesel B100 từ các loại nguyên liệu đầu vào khác nhau chứ chưa tập trung nghiên cứu sử dụng hiệu quả biodiesel trong động cơ ([5], [13], [15]). - Một số công trình tập trung nghiên cứu, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ khi sử dụng dầu thực vật thô (chưa chuyển thành biodiesel), ([7], [10], [46]). - Một số công trình tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết hoặc nghiên cứu thực nghiệm về quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ khi sử dụng biodiesel, ([3], [6], [11], [20]) nhưng chưa đề cập hoặc chưa đánh giá chi tiết các đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ 3
pha trộn cao và không đề cập đến việc xây dựng, đánh giá công thức xác định TGCT của hỗn hợp diesel-biodiesel. - Một số công trình ([38], [39], [54], [62], [83]) đã tiến hành thực nghiệm xác định đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel trong xi lanh khi thay đổi tải, tốc độ động cơ và tỷ lệ pha trộn … nhưng chưa đề cập chi tiết đến việc xác định xây dựng công thức dự báo TGCT ở hai phương diện “vật lý” và “hóa học”. Ta thấy, mặc dù các nghiên cứu đã công bố liên quan đến đặc tính cháy của nhiên liệu diesel và biodiesel là khá nhiều, nhưng các dữ liệu thu được chưa đủ để đánh giá toàn diện các đặc tính cháy của chúng do sự đa dạng của diesel sinh học (nguồn gốc của B100) và sự phức tạp của cơ chế động học quá trình cháy. Mặc dù có nhiều thông số đánh giá đặc tính cháy nhưng NCS chỉ tập trung vào TGCT do đây là đặc tính quan trọng nhất có tác động mạnh đến các thông số nhiệt động của CTCT. 1.6. Kết luận chương 1 - Đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu có thể đánh giá qua các thông số như: TGCT, quy luật cháy, tốc độ cháy, quy luật tỏa nhiệt, tốc độ tỏa nhiệt, các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy (CA5, CA10, CA50, CA90), diễn biến áp suất trong xi lanh, tốc độ gia tăng áp suất. - Khi thay đổi tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính liên quan đến quá trình cháy như tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, trị số xê tan của hỗn hợp biodiesel sẽ thay đổi đáng kể theo nhưng với chiều hướng rất khác nhau. - Nội dung của luận án tập trung nghiên cứu về TGCT của nhiên liệu diesel – biodiesel do đây là đặc tính quan trọng nhất có tác động mạnh đến các thông số nhiệt động của CTCT. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.1. Các vấn đề chung Trong chương này NCS trình bày mục đích, chế độ, đối tượng nghiên cứu và kết quả thực nghiệm khi xác định một số thuộc tính (các thuộc tính hóa-lý cơ bản, nhiệt độ tự bốc cháy, tỷ lệ C:H:O, tỷ lệ A/F lý thuyết, nhiệt trị thấp, trị số xê tan) và một số đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel (tốc độ cháy tầng, TGCT trong Shock Tube; TGCT và diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5). Việc xác định TGCT trong Shock Tube (trong điều kiện áp suất thấp, nhiệt độ cao) nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến TGCT “hóa học”. Việc xác định TGCT trong xi lanh nhằm nghiên cứu TGCT trong điều kiện nhiệt động xi lanh động cơ diesel, xét đến cả cả yếu tố “vật lý” (ảnh hưởng quá trình phun, tạo hỗn hợp …) và “hóa học”. 2.2. Nguồn gốc và phương pháp pha chế hỗn hợp diesel-biodiesel 2.3. Xác định một số thuộc tính của hỗn hợp diesel-biodiesel 2.3.1. Xác định một số thuộc tính hóa-lý cơ bản 2.3.2. Xác định nhiệt độ tự bốc cháy Nhiệt độ tự bốc cháy là nhiệt độ thấp nhất để hỗn hợp (dạng hơi) của nhiên liệu và không khí tự bốc cháy mà không cần có sự tiếp xúc của nguồn nhiệt bên ngoài. Bảng 2.1. Nhiệt độ tự bốc cháy của B0 và B100. Loại nhiên liệu Nhiệt độ tự bốc cháy, [K] Thay đổi, [%] B0 494 - B100 481 -2,6% 4
Kết quả thực nghiệm xác định nhiệt độ tự bốc cháy của B0, B100 được trình bày trong Bảng 2.2. Ta thấy, B100 có nhiệt độ tự bốc cháy thấp hơn (-2,6%) so với B0. 2.3.3. Xác định tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, tỷ lệ A/F Tỷ lệ các thành phần nguyên tố có trong nhiên liệu (C:H:O) là những thông số đầu vào quan trọng để mô phỏng, tính toán CTCT của động cơ diesel. Khi các tỷ lệ pha trộn thay đổi, lượng Oxy cần thiết để đốt cháy một đơn vị nhiên liệu cũng thay đổi theo. Tỷ lệ C:H:O được xác định bằng thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC - High Performance Liquid Chromatography) tại PTN Hóa phân tích thuộc Đại học Dầu khí Tây An–Trung Quốc, với sơ đồ được thể hiện trên Hình 2.3. 1- Bình chứa dung môi; 2-Bộ phận khử khí; 3-Bơm cao áp; 4-Bộ phận tiêm mẫu; 5-Cột sắc ký (pha tĩnh); 6- Thiết bị dò; 7- Hệ thống máy tính có phần mềm ghi nhận tín hiệu, xử lý dữ liệu và điều khiển hệ thống; 8- In dữ liệu. Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị HPLC, [63]. Kết quả thử nghiệm xác định tỷ lệ C:H:O bằng HPLC của B0 và B100 được thể hiện trong Bảng 2.5. Các tỷ lệ C:H:O ở các tỷ lệ pha trộn khác được tính toán dựa trên tính chất bảo toàn khối lượng theo công thức (2.1). X .m  X B 0 .mB 0 Kết quả tính toán tỷ lệ C:H:O được thể X  B100 B100 hiện trong Bảng 2.5 cho thấy, khi tỷ lệ mB100  mB 0 (2.1) biodiesel tăng lên thì tỷ lệ của Hydro gần như không đổi, tỷ lệ của Carbon giảm xuống và của Oxy tăng lên. Nhiệt trị thấp có thể tính toán thông qua tỷ lệ C:H:O theo công thức kinh nghiệm của Shailesh và cộng sự, [58] : QH  0, 022  0,3394 * C  0,122 * O  1, 033* H (2.2) Bảng 2.5. Tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp và tỷ lệ A/F của các hỗn hợp biodiesel Nhiên liệu C,[%] H, [%] O , [%] Nhiệttrịthấp ,MJ.kg-1 A/F B0 86,93 12,96 0,07 42,91 14,58 B20 84,87 12,80 2,29 41,77 14,19 B40 82,85 12,64 4,47 40,65 13,81 B60 80,86 12,48 6,62 39,55 13,43 B80 78,89 12,32 8,74 38,46 13,05 B100 76,96 12,17 10,83 37,39 12,69 Tỷ lệ A/F lý thuyết của hỗn hợp nhiên liệu được xác định bằng công thức (2.3), [9]: 1 8  kgkk A/ F   C   8  H   O   ,( ) 0, 23  3  kgnl (2.3) Các kết quả tính toán nhiệt trị thấp và tỷ lệ A/F lý thuyết (Bảng 2.5) cho thấy, khi tỷ lệ biodiesel trong hỗn hợp tăng lên thì nhiệt trị thấp của hỗn hợp giảm xuống; hàm lượng biodiesel trong hỗn hợp nhiên liệu càng cao thì lượng không khí cần thiết để đốt cháy hết một đơn vị nhiên liệu càng giảm. 5
2.3.4. Xác định trị số xê tan Trị số xê tan (Cetane Number -CN) là đặc tính cháy quan trọng, là dữ liệu đầu vào quan trọng trong việc tính toán CTCT và điều khiển HTPNL điện tử trên động cơ diesel. Trị số xê tan của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel được xác định bằng động cơ diesel nghiên cứu 1 xi lanh CFR- F5 (hãng Dresser-Whaukesha, Mỹ), theo TCVN 7630:2013 (ASTM D613),[32] với các hỗn hợp B0, B10, B20, B40, B60, B80, B100 tại Phòng thử nghiệm Xăng-Dầu-Khí của Quatest 1. 1- Bánh khóa; 2- Bánh điều chỉnh tỉ số nén;3- Trắc vi kế (Micrometer); 4- Thiết bị điện tử đo TGCT (Delay meter); 5- Pít tông; 6- Buồng cháy trước; 7- Cảm biến đo áp suất cháy; 8-Vòi phun; 9-Cảm biến đo thời điểm bắt đầu phun; 10- Cảm biến xác định vị trí ĐCT theo GQTK.; 11-Cảm biến xác định vị trí trước ĐCT 130 GQTK; 12- Bánh đà Hình 2.4. Kết cấu buồng cháy và bố trí thiết bị đo của động cơ CFR-F5 Kết quả ở bảng 2.9 cho thấy trị số xê tan của hỗn hợp diesel-biodiesel cao hơn so với diesel do trong thành phần hóa học có chứa nhiều Oxy hơn. Đây là một ưu điểm của biodiesel khi xét về góc độ tạo hỗn hợp và cháy. Kết quả phân tích thuộc tính của của các mẫu B0, B10, B20, B40, B60, B80, B100 dùng trong luận án được tổng hợp trong Bảng 2.9. Bảng 2.9. Kết quả phân tích thuộc tính hóa-lý của hỗn hợp diesel- biodiesel TT Tên chỉ tiêu Phương pháp Đơn vị Kết quả đo Mẫu B0 Mẫu B20 Mẫu B40 Mẫu B60 Mẫu B80MẫuB100 1 Thành C % 86,93 84,87 82,85 80,86 78,89 76,96 phần hóa H % 12,96 12,80 12,64 12,48 12,32 12,17 học O % 0,07 2,29 4,47 6,62 8,74 10,83 2 Khối lượng phân tử g/mol 191,8 206,74 223,91 243,86 267,32 295,31 3 Khối lượng riêng TCVN 6594:2000 kg/m3 835,6 842,1 849,1 856,6 864,1 871,1 ở 20oC (ASTM D 1298) 4 TCVN 2698:2002 Nhiệt trị cao MJ/kg 46,18 44,62 42,01 41,53 39,78 38,10 (ASTM D445) 5 Độ nhớt động học TCVN 3171:2003 mm2/s 4,66 5,00 5,45 5,81 6,45 7,08 ở 20oC (ASTM D 445) 6 Điểm chớp cháy TCVN 6608:2000 °C 68,50 87,80 110,5 130,3 155,8 183,5 cốc kín (ASTM D 93) 7 Nhiệt độ giới hạn ASTM E659-78 K 494 - - - - 481 tự bốc cháy 8 TCVN 7630 Trị số xê tan 52,4 54,4 57,4 62,4 63,9 66,9 (ASTM D 613) 6
2.4. Xác định một số đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel 2.4.1. Xác định tốc độ cháy tầng của nhiên liệu Tốc độ cháy tầng là thông số phản ánh đặc tính của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cháy, cũng như mức độ tỏa nhiệt và mức độ khuyếch tán của hỗn hợp cháy. Tốc độ cháy tầng được sử dụng làm tham số trong một số mô hình cháy (mô hình cháy 2 Vibe vùng (Two zone)...), [24]. Tốc độ cháy tầng của hỗn hợp diesel-biodiesel được đo tại PTN Nghiên cứu Quá trình cháy và Phun nhiên liệu (Combustion and Spray Laboratory) của Viện Năng lượng và Động lực/ĐH Giao thông Tây An-Trung Quốc, [105]. Sơ đồ bố trí chung hệ thống thiết bị đo tốc độ cháy tầng được trình bày trên Hình 2.7, kết quả đo trên Hình 2.8. 1-Bình Oxy; 2-Bình Ni tơ; 3-Bơm chân không; 4-Áp kế thủy ngân; 5- Đèn Xe non; 6-Hệ thống gia nhiệt; 7-Gương cầu; 8-Cảm biến áp suất; 9- Cảm biến nhiệt độ; 10- Hệ thống đánh lửa; 11- Đồng hồ nhiệt độ; 12- Đồng hồ áp suất;13- Máy tính; 14-Camera; 15-Hệ thống thu thập dữ liệu; 16- Bộ khuyếch đại; 17- Cảm biến áp suất quá trình cháy; 18- buồng cháy đẳng tích;19-Van nhiên liệu. Hình 2.7. Sơ đồ bố trí trang thiết bị đo tốc độ cháy tầng, [9] Hình 2.8 cho thấy: tốc độ cháy tầng lớn nhất của các hỗn hợp B10, B20, B50, B75, B100 (ký hiệu SL Bxx) đều xuất hiện ở hỗn hợp trung hòa (ϕ = 1) và lớn hơn B0. Tỷ lệ pha trộn của biodiesel có ảnh hưởng đến tốc độ cháy tầng, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng là không lớn. Tỷ lệ pha trộn càng lớn thì tốc độ Hình 2.8. Ảnh hưởng của tỉ lệ pha trộn đến tốc độ cháy tầng càng cao, sự ảnh cháy tầng của hỗn hợp diesel-biodiesel hưởng này thể hiện rõ nhất với hỗn hợp trung hòa (ϕ = 1). 2.4.2. Xác định TGCT của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel bằng Shock Tube Xác định TGCT hóa học của các hỗn hợp biodiesel bằng ống xung kích (Shock Tube) tại PTN Nghiên cứu Quá trình cháy và Phun nhiên liệu (Combustion and Spray Laboratory) của Viện Năng lượng và Động lực/ĐH Giao thông Tây An, Trung Quốc. Sơ đồ bố trí trang thiết bị xác định TGCT được thể hiện trên Hình 2.10, kết quả đo trên Hình 2.11. 7
Hình 2.10. Bố trí trang thiết bị đo TGCT bằng ống xung kích. 1-Phần cao áp; 2-Đồng hồ báo áp suất; 3-Màng ngăn; 4- Đồng hồ báo độ chân không; 5- Phần thấp áp; 6- Phần lắp thiết bị thực nghiệm; 7- Cảm biến thời điểm cháy; 8- Nguồn cao áp; 9- Hệ thống thu thập dữ liệu; 10-Bộ đếm thời gian; 11- Bơm chân không số 1; 12- Cảm biến áp suất;13- Bình hòa trộn; 14- Đồng hồ áp suất của bình hòa trộn; 15-Bơm chân không số 2; 16- Bình khí He li; 17- Bình khí Ni tơ. a) b) c) c) e) f) Hình 2.11. Kết quả xác định TGCT của B0, B20 , B40 , B60, B80, B100 Hình 2.11 cho thấy, với tất cả các hỗn hợp diesel-biodiesel, TGCT tăng cùng với sự gia tăng của tỷ lệ tương đương, (tuy nhiên, ảnh hưởng của tỷ lệ tương đương với TGCT là khá nhỏ) và TGCT giảm khi nhiệt độ tăng. 2.4.3. Xác định TGCT của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel trong xi lanh động cơ Do việc định TGCT bằng ống xung kích mới chỉ xét đến yếu tố “hóa học” (quá trình cháy của hỗn hợp đồng nhất) mà chưa xét đến yếu tố “vật lý” (ảnh hưởng quá 8
trình phun, tạo hỗn hợp đến TGCT) nên khi áp dụng công thức trên vào tính toán cho động cơ diesel sẽ có sự chênh lệch khá lớn. Để xây dựng được công thức thực nghiệm xác định TGCT (xét đến cả yếu tố “vật lý’’ và “hóa học”) có thể áp dụng cho động cơ diesel cần phải xây dựng được một bộ dữ liệu thực nghiệm (, T, p, ), ( trong đó:- thời thời gian cháy trễ [độ GQTK] ,T-nhiệt độ trong xi lanh tại thời điểm phun [K], p- áp suất trong xi lanh tại thời điểm phun [bar], - tỷ lệ tương đương). Việc xác định TGCT của hỗn hợp diesel-biodiesel bằng động cơ diesel 1 xi lanh CFR-F5 được thực hiện tại Quatest 1, với sơ đồ bố trí trang thiết bị thử nghiệm được thể hiện trên Hình 2.13). 1-Động cơ điện; 2-Cảm biến xác định vị trí ĐCT; 3-Cảm biến xác định vị trí trước ĐCT 130 theo GQTK; 4- Encoder (E50S8-3600-3-T- 24); 5- Cảm biến lưu lượng khí nạp; 6-Cảm biến áp suất (AVL QC33C); 7-Cảm biến áp suất cháy trên động cơ CFR -F5; 8- Cảm biến lam đa. Hình 2.13. Sơ đồ bố trí trang thiết bị thử nghiệm Quá trình thử nghiệm với các loại hỗn hợp(B0, B20, B40, B60, B100) được thực hiện tại 2 tỷ số nén (TSN) là 15 và 17, ứng với sự thay đổi 7 giá trị góc phun sớm (GPS) tương ứng là: 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 độ GQTK) và sự thay đổi của 4 giá trị lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình (gct) tương ứng là 0,0288; 0,0242; 0,0209; 0,0186 g/ct). - Diễn biến áp suất trong xi lanh (pxl) và sự thay đổi áp suất lớn nhất trong xi lanh pxl max của hỗn hợp diesel-biodiesel ở TSN=17, GPS=18 với gct=0,0242 [g/ct]) được thể hiện trên Hình 2.14. Ta thấy: Áp suất trong xi lanh (pxl) khi sử dụng B20, B40, B60, B100 bắt đầu phát triển và đạt cực trị sớm hơn so với B0. Khi tăng tỷ lệ pha trộn thì giá trị pxl max giảm. Ở cuối quá trình cháy giãn nở, đường pxl khi sử dụng B0 là cao hơn B10, B20, B40, B60, B100. Hình 2.14. Diễn biến pxl tại TSN=17, GPS=18 và gct=0,0242[g/ct] của Bxx Sự thay đổi áp suất lớn nhất pxl max của B60 với ϕ=0,56; 0,63; 0,72; 0,86 ở TSN=17, GPS=18 được thể hiện trên Bảng 2.15. 9
Bảng 2.15. Sự thay đổi pxl max theo ϕ ở Bảng 2.15 cho thấy mức độ đậm TSN=17 và GPS=18 khi sử dụng B60 nhạt của hỗn hợp có ảnh hưởng không ϕ pxl max Thay đổi so Thời điểm đạt nhiều tới giá trị pxl max (với thay đổi lớn [bar] với ϕ=0,86, max so với nhất là -10,68%) của nhiên liệu B60. [%] ĐCT (Độ Khi sử dụng hỗn hợp đậm (ϕ=0,86) làm GQTK) cho áp suất trong xi lanh bắt đầu phát 0,86 51,66 - 2,5 triển và đạt cực trị sớm hơn so với các 0,72 49,55 -4,28 3,0 giá trị ϕ còn lại, hỗn hợp càng đậm thì 0,63 47,698 -7,67 4,5 pxl max càng lớn. 0,56 46,14 -10,68 6,0 Sự thay đổi pxl max của B60 ở các GPS và TSN ở ϕ =0,72 được thể hiện trên Bảng 2.16. Ta thấy TSN có ảnh hưởng không nhiều tới giá trị pxl max với thay đổi lớn nhất là 8,99 % ở GPS=8 khi sử dụng nhiên liệu B60. GPS có ảnh hưởng lớn tới giá trị pxl max với thay đổi lớn nhất là 23,97%. Bảng 2.2. Sự thay đổi pxl max theo TSN, GPS ở ϕ =0,72 khi sử dụng B60 Giá trị pxl max, [bar] Thay đổi so Thay đổi so với Thời điểm đạt max TT GPS với TSN 15, GPS=8, [%] ở TSN=17 so với TSN= 15 TSN= 17 [%] (TSN=17) ĐCT (Độ GQTK) 1 8 37,73 41,12 8,98 10,5 2 10 40,48 43,09 6,46 4,79 9,5 3 12 41,98 45,18 7,60 9,85 8,0 4 14 43,25 46,94 8,51 14,13 7,0 5 16 46,01 47,88 4,04 16,41 6,0 6 18 48,33 49,44 2,29 20,23 3,0 7 20 49,81 50,99 2,36 23,97 2,5 Bảng 2.17 cho thấy TGCT của biodiesel là ngắn hơn so với B0 và TGCT giảm dần khi tăng tỷ lệ pha trộn của biodiesel. Tỷ lệ pha trộn có ảnh hưởng đáng kể đến TGCT với mức thay đổi lớn nhất là -12,96%. Bảng 2.17 . Sự thay đổi của TGCT theo tỷ lệ pha trộn ở TSN=17, GPS=18 và gct=0,0242 [g/ct] TGCT TT Hỗn hợp Theo GQTK[độ] Theo thời gian thực, [s] Thay đổi so với B0,[%] 1 B0 10,8 2000,00 0 2 B20 10,7 1981,48 -0,92 3 B40 9,8 1814,81 -9,25 4 B60 9,5 1759,25 -12,03 5 B100 9,4 1740,74 -12,96 Bảng 2.18. Sự thay đổi của TGCT theo ϕ ở TSN=17 và GPS=18 khi sử dụng B60 TGCT TT ϕ Theo GQTK[độ] Theo thời gian thực, [s] Thay đổi so với ϕ=0,86, [%] 1 0,86 9,3 1722,22 2 0,72 9,5 1759,25 2,15 3 0,63 10,1 1870,37 8,60 4 0,56 10,2 1888,88 9,67 10
Kết quả ở Bảng 2.18 cho thấy, mức độ đậm nhạt hỗn hợp có ảnh hưởng không nhiều tới TGCT, mức thay đổi lớn nhất là 9,67% với nhiên liệu B60, khi sử dụng hỗn hợp đậm (ϕ=0,86) thì TGCT ngắn hơn so với hỗn hợp nhạt. Bảng 2.19. Sự thay đổi của TGCT theo TSN, GPS ở ϕ=0,72 khi sử dụng B60 TGCT Thay đổi so với TSN Thay đổi so với GPS=8 ở TT GPS TSN= 15 TSN= 17 15, [%] TSN=17, [%] 1 8 9,9 8,3 -16,17 2 10 9,9 8,3 -16,17 0 3 12 10,1 8,3 -17,82 0 4 14 10,2 8,4 -17,64 1,20 5 16 10,9 8,6 -21,10 3,61 6 18 11,9 9,5 -20,16 14,45 7 20 12,5 10,6 -15,20 27,71 Kết quả ở Bảng 2.19 cho thấy, TSN có ảnh hưởng lớn tới giá trị TGCT, mức thay đổi lớn nhất là -21,10 % ở GPS=16 khi dùng nhiên liệu B60. GPS có ảnh hưởng lớn tới giá trị TGCT, với mức thay đổi lớn nhất 27,71% ở GPS=20. Kết quả thực nghiệm xác định các đặc tính cháy của hỗn hợp B0, B20, B40, B100 cũng có xu hướng, qui luật tương tự (được trình bày trong Phụ lục 2.2 của Luận án). Kết quả thực nghiệm của Chương 2 sẽ được sử dụng cho Chương 3 và Chương 4. 2.5. Kết luận chương 2 - Đã xác định được chi tiết các thuộc tính hóa-lý cơ bản; tỷ lệ C:H:O và tỷ lệ A/F lý thuyết; nhiệt trị thấp; trị số xê tan; tốc độ cháy tầng; nhiệt độ tự bốc cháy; TGCT trong Shock Tube của các loại hỗn hợp diesel-biodiesel dùng cho nghiên cứu của luận án. - Đã xác định được chi tiết các đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5. Bộ dữ liệu thực nghiệm thu được (, T, p, ) sẽ được dùng để xây dựng công thức thực nghiệm dự báo TGCT, xét đến cả yếu tố “vật lý’’ và “hóa học’’ (được trình bày chi tiết trong Chương 3). - Đã khảo sát, đánh giá chi tiết ảnh hưởng của các thông số: TSN, GPS, ϕ, tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel trong xi lanh động cơ CFR-F5 bằng thực nghiệm. Kết quả khảo sát cho thấy: + Khi sử dụng hỗn hợp diesel-biodiesel, áp suất trong xi lanh bắt đầu phát triển và đạt cực trị sớm hơn so với khi sử dụng B0; tỷ lệ pha trộn ảnh hưởng không nhiều đến pxl max (mức thay đổi lớn nhất là giảm 9,44% khi dùng B100 so với B0). Áp suất trong xi lanh bắt đầu phát triển và đạt cực trị sớm khi sử dụng hỗn hợp đậm hơn. Mức độ đậm nhạt của hỗn hợp ảnh hưởng không nhiều đến pxl max (mức thay đổi về pxl max là tăng 10,68% khi ϕ tăng từ 0,56 đến 0,86). Áp suất trong xi lanh bắt đầu phát triển và đạt cực trị sớm hơn khi tăng TSN; TSN có ảnh hưởng không nhiều đến pxl max (mức thay đổi về pxl max là tăng 9,0% khi TSN tăng từ 15 đến 17). Áp suất trong xi lanh bắt đầu phát triển và đạt cực trị sớm khi tăng GPS; GPS có ảnh hưởng đáng kể đến pxl max (mức thay đổi về pxl max là tăng 23,97% khi GPS thay đổi từ 8 đến 20 độ GQTK). + TGCT của biodiesel là ngắn hơn so với diesel truyền thống và TGCT giảm dần khi tăng tỷ lệ pha trộn của biodiesel, tỷ lệ pha trộn ảnh hưởng không nhiều đến TGCT (trong cùng điều kiện khảo sát, thời gian cháy trễ của B100 giảm 12,96 % khi so sánh với B0). TGCT của nhiên liệu sẽ ngắn hơn khi sử dụng hỗn hợp đậm 11
hơn; Mức độ đậm nhạt của hỗn hợp ảnh hưởng không nhiều đến TGCT (mức thay đổi về TGCT tăng 9,67 % khi ϕ giảm từ 0,86 đến 0,56). TGCT của nhiên liệu sẽ ngắn hơn khi tăng TSN; TSN có ảnh hưởng đáng kể đến TGCT (mức thay đổi về TGCT giảm 21,10 % khi TSN tăng từ 15 đến 17). TGCT của nhiên liệu sẽ tăng khi tăng GPS; GPS có ảnh hưởng đáng kể đến TGCT (mức thay đổi về TGCT tăng 27,71 % khi GPS tăng từ 8 đến 20 độ GQTK). CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CÔNG THỨC DỰ BÁO THỜI GIAN CHÁY TRỄ CỦA HỖN HỢP DIESEL-BIODIESEL 3.1. Các vấn đề chung Dựa trên bộ dữ liệu thực nghiệm của Chương 2 (xác định TGCT trong ống xung kích (Shock Tube) và TGCT trong động cơ diesel CFR-F5) NCS sẽ tiến hành xây dựng công thức thực nghiệm xác định TGCT. Việc xây dựng công thức dự báo TGCT trong ống xung kích nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn của hỗn hợp diesel-biodiesel đến thời gian cháy trễ “hóa học’’. Việc xây dựng công thức dự báo TGCT trong điều kiện nhiệt động trong động cơ diesel nhằm xét đến đồng thời ảnh hưởng của các yếu tố “vật lý’’ (Quá trình phun, vận động rối...) và yếu tố “hóa học’’. Ngoài ra, bộ dữ liệu thực nghiệm xác định trêHFn động cơ diesel CFR-F5 sẽ được NCS sử dụng để đánh mức độ chính xác của một số công thức dự báo TGCT thông dụng (Mục 3.2) khi áp dụng cho hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel có nguồn gốc dầu Cọ. 3.2. Tổng quan về các công thức dự báo thời gian cháy trễ Việc xây dựng công thức xác định TGCT trong động cơ diesel là công việc phức tạp và luôn nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới. Tác giả Sitkei, [103] đã đưa ra công thức thực nghiệm dự báo TGCT có dạng:  7800   7800   i  0,5  0,135 p 0,7 exp  1,8   4,8 p exp   (3.1)  RT   RT  Công thức (3.1) đã được tác giả Hesse phát triển, [102], có dạng:  52620  526.CN   i  0,5  exp    0,07 p  2,5 p 1,8  0,07 (3.2)  RT  Tác giả Tolstov, [97] đã đưa ra công thức thực nghiệm (3.3) có dạng:  Ea 70   i  3,8.106 1  1,6.104 n  exp  T (3.3) .  p  8,312.T CN  25  Trong các công trình nghiên cứu về TGCT phải kể đến công thức của Simenov, [98]: EC 0,34 B  2.102. 1  1, 6.104 n  ; 2 T τi  B.10 C k .e RTk (3.4) Pk 1       C  . 1  0,5. . h .   1 ;    1     cos   cos 2   ; V   Vh1    4   4   Công thức xác định TGCT của Hardenberg và Hase, [47]: (3,8  0,22.S p )   1 1   21,2   0,63 (3.5) i  exp  Ea      0,006.n   RT 17190   p  12,4   trong đó: R=8,314 [kJ/mol.K] là hằng số phổ biến khí lý tưởng; E a là năng lượng kích hoạt Ea=23000÷28000 [kJ/kmol]; T và p tương ứng là nhiệt độ, [K] và 12
áp suất, [MPa] ở thời điểm phun nhiên liệu; i là thời gian cháy trễ, [ms]; CN là trị số xê tan; n là tốc độ của động cơ, [vg/ph]; Vh là thể tích công tác của xi lanh, [m3]; Vh1 là thể tích của xi lanh khi xu páp nạp đã đóng, [m3];  là tỷ số nén của động cơ;  là hệ số kết cấu;  là GPS nhiên liệu, [độ GQTK]. Qua phân tích các công thức xác định TGCT nêu trên NCS nhận thấy: - Các công thức phổ biến để xác định TGCT nhìn chung có dạng thức giống nhau, xét đến một số tham số như: năng lượng kích hoạt (Ea), trị số xê tan (CN), nhiệt độ (T) và áp suất môi chất (p) tại thời điểm nhiên liệu được phun vào xi lanh, một số thông số kết cấu-vận hành cơ bản của động cơ. - Các công thức thực nghiệm xác định TGCT được các tác giả nghiên cứu trong những điều kiện khảo sát cụ thể, loại động cơ và nhiên liệu cụ thể ... kết hợp với sự phức tạp của hiện tượng cháy trễ trong động cơ diesel nên việc có một công thức đúng với mọi trường hợp tính toán, mọi loại nhiên liệu sử dụng là không thể. 3.3. Xây dựng công thức dự báo TGCT ứng với điều kiện nhiệt động trong ống xung kích (Shock Tube) Trong các nghiên cứu về TGCT đã công bố, TGCT thường được xây dựng trên biểu thức của Arrhenius theo nhiệt độ, áp suất và tỷ lệ tương đương, [67, 74]: E    Ap   exp  a  (3.6)  RT  Trên cơ sở bộ dữ liệu thực nghiệm về (, T, p, ) thu được trên ống xung kích, sử dụng phương pháp hồi qui đa biến, NCS đã xây dựng được công thức thực nghiệm xác định TGCT ("hóa học") của hỗn hợp diesel-biodiesel có dạng như sau:  161937,5  (3.12)   3.47  104   0.73  exp    RT  Trong công thức (3.12) số mũ của tỷ lệ tương đương là dương chứng tỏ rằng ϕ tỷ lệ thuận với TGCT, hỗn hợp đậm sẽ TGCT ngắn hơn và điều này hoàn phù hợp với kết quả thực nghiệm trong khoảng ϕ=0,5; 1,0; 1,5. Khi xét thêm ảnh hưởng của hàm lượng biodiesel thì công thức TGCT của hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodisel với tỷ lệ pha trộn bất kỳ có dạng như sau:  161937,5    (3.15) 0.73   3.47  104  1  1.725  103  x Bx B0   0.73  exp    RT  Công thức xác định TGCT (3.12) và (3.15) mới chỉ xét đến yếu tố “hóa học” mà chưa xét đến yếu tố “vật lý” nên khi áp dụng công thức với điều kiện nhiệt động trong xi lanh động cơ diesel sẽ có sự chênh lệch lớn. 3.4. Xây dựng công thức dự báo TGCT với điều kiện nhiệt động trong động cơ diesel 3.4.1. Đánh giá một số công thức xác định TGCT ứng với bộ dữ liệu thực nghiệm thu được trên động cơ diesel CFR-F5 Trên cơ sở kết quả thực nghiệm trong Chương 2 (bộ dữ liệu thực nghiệm xác định TGCT trên động cơ diesel CFR-F5, ký hiệu là _TN), NCS đánh giá độ tin cậy, độ chính xác của các công thức thông dụng xác định TGCT trong Mục 3.2 của luận án ) 3.4.1.1. Với nhiên liệu diesel dầu mỏ(B0) Hình 3.1 cho thấy, khi sử dụng B0 với cùng điều kiện nhiệt động trong xi lanh các công thức dự báoTGCT cho các kết quả τi_TT rất khác nhau. Điều này sẽ làm ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel . 13
12 τi_TN τi_Tolstov (Ea=23000) 10 τi_Tolstov (Ea=28000) τi_Simenov (Ea=23000) Thời gian cháy trễ(ms) τi_Simenov (Ea=28000) 8 τi_Hardenberg τi_Hesse 6 τi_Sitkei 4 2 0 14 16 18 20 22 24 Áp suất xi lanh tại thời điểm phun [bar] Hình 3.1. So sánh i_TT với i_TN khi sử dụng nhiên liệu B0 3.4.1.2. Với hỗn hợp diesel-biodiesel 11 τi_TN 10 τi_Tolstov (Ea=23000) τi_Tolstov (Ea=28000) 9 τi_Simenov (Ea=23000) 8 τi_Simenov (Ea=28000) Thời gian cháy trễ(ms) τi_Hardenberg 7 τi_Hesse 6 τi_Sitkei 5 4 3 2 1 0 14 16 18 20 22 24 Áp suất xi lanh tại thời điểm phun [bar] Hình 3.2. So sánh τi_TT với τi_TN khi sử dụng B20, B40, B60, B100. Hình 3.2 cho thấy: Khi tăng tỷ lệ pha trộn của hỗn hợp diesel-biodiesel, mức độ chính xác của việc dự báo τi_TT sẽ giảm (∆τi có xu hướng tăng). Cụ thể, với công thức của Hesse (là công thức có mức sai số nhỏ nhất khi áp dụng cho B0), ∆τi min lần lượt là 4,05; 4,67; 18,41; 28,67 % và ∆τi max lần lượt là 17,71; 27,83; 40,64; 53,37 % tương ứng với các hỗn hợp là B20, B40, B60, B100. Như vậy khi áp dụng các công thức dự báo TGCT (vốn đã được xây dựng cho nhiên liệu diesel dầu mỏ, B0) cho hỗn hợp diesel-biodiesel thì mức sai số ∆τi đều có xu hướng tăng khi tăng tỷ lệ pha trộn. Do đó, cần thiết phải xây dựng công thức thực nghiệm dự báo TGCT cho hỗn hợp diesel-biodiesel. 3.4.2. Xây dựng công thức dự báo TGCT với điều kiện nhiệt động trong động cơ diesel Để xây dựng được công thức thực nghiệm xác định TGCT, ngoài các dữ liệu 14
thực nghiệm về (, T, p, ) cần phải xác định năng lượng kích hoạt Ea. Đây là thông số rất khó xác định bằng thực lý thuyết hay thực nghiệm (do không thể giữ cố định áp suất (p) trong trong xi lanh động cơ). Trên thế giới, người ta thường xác định E a thông qua trị số xê tan (CN) qua công thức của Hardenberg và Hase: 681840 E  (3.22) CN  25 a Trên cơ sở bộ dữ liệu thực nghiệm về (, T, p, ) và Ea, sử dụng phương pháp hồi qui đa biến, NCS đã xây dựng công thức thực nghiệm dự báo TGCT (ký hiệu là τ M-VBxx) có dạng như sau: B0:   7995,349  M _ V B 0  0, 0055 p  -0,701 -0,104 exp   (3.25)  RT  B20:  M _ V B 20  0,00535p -0,689 -0,113 exp  7793,955  (3.26)    RT  B40:  M _ V B 40  0,00577p -0,724 -0,171 exp  7510,194  (3.27)    RT  B60:  B60  0,00609p -0,727 -0,164 exp  7080,549  (3.28) M _V    RT  B100:  B100  0,00497p -0,664 -0,194 exp  6733,841  (3.29) M _V    RT  Trong các công thức trên ký hiệu τ là TGCT dự báo, chỉ số M-V là chữ viết tắt của nhóm tác giả xây dựng công thức, Bxx là ký hiệu hỗn hợp diesel sinh học. 3.4.3. Đánh giá công thức xác định TGCT do NCS xây dựng ứng với bộ dữ liệu thực nghiệm thu được trên động cơ diesel CFR-F5 Bảng 3.6 cho thấy: Công thức xác định TGCT do NCS xây dựng có ∆τi min lần lượt là 0,42; 0,07; 0,1; 0,03; 0,61 % và có ∆τi max lần lượt là 12,12; 11,82; 12,39; 13,42; 12,48 % tương ứng với các tỷ lệ pha trộn là B0, B20, B40, B60, B100. Như vậy, công thức M_VBxx do NCS xây dựng có đủ độ tin cậy để sử dụng cho các mục đích nghiên cứu tiếp theo. Bảng 3.6. Tổng hợp sai số tương đối về TGCT (∆τi) theo công thức M_VBxx khi sử dụng nhiên liệu B0, B20, B40, B60, B100 Nhiên liệu B0 B20 B40 B60 B100 ∆τimin [%] 0,42 0,07 0,1 0,03 0,61 ∆τimax [%] 12,12 11,82 12,39 13,42 12,48 3.5. Kết luận chương 3 - Đã xây dựng được dựng công thức dự báo TGCT của các hỗn hợp nhiên liệu diesel- biodiesel trong ống xung kích (Shock Tube) ở điều kiện áp suất 0,12 MPa và nhiệt độ trong khoảng từ 1174K đến 1685 K; với  = 0,5, 1,0 và 1,5. - Đã xây dựng được công thức dự báo TGCT của NCS (ký hiệu chung là M_VBxx) cho các hỗn hợp B0, B20, B40, B60, B100, với điều kiện nhiệt động trong động cơ diesel. - Trên cơ sở bộ dữ liệu thực nghiệm (, T, p, ) thu được trên động cơ diesel CFR-F5 đã tiến hành đánh giá mức độ chính xác của công thức do NCS xây dựng (M_VBxx). Kết quả đánh giá cho thấy công thức dự báo TGCT do NCS xây dựng có độ chính xác khá tốt 15
(với ∆τi max lần lượt là 12,12; 11,82; 12,39; 13,42; 12,48 % tương ứng với các hỗn hợp B0, B20, B40, B60, B100 khi so sánh với TGCT đo thực nghiệm). CHƯƠNG 4. ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHA TRỘN ĐẾN ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU TRONG XI LANH ĐỘNG CƠ DIESEL CFR-F5 4.1. Vấn đề chung Trong chương 3 mới chỉ dừng lại ở việc sử dụng bộ dữ liệu thực nghiệm để xây dựng công thức dự báo TGCT mà chưa đánh giá chi tiết ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ. Trong chương 4, NCS tiến hành mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5 có đưa vào các công thức thực nghiệm xác định TGCT của NCS nhằm khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu. 4.2. Xây dựng mô hình mô phỏng CTCT của động cơ CFR-F5 bằng phương pháp cân bằng năng lượng Việc xây mô hình mô phỏng CTCT được sử dụng lý thuyết chung từ các tài liệu tham khảo chuyên ngành, ([8], [9], [24], [73], [99])... 4.2.1. Mô hình hóa các quá trình công tác của động cơ 4.2.2. Xác định TGCT, mô hình cháy 4.2.2.1. Xác định TGCT của nhiên liệu Các công thức thực nghiệm xác định TGCT (M_VBxx) (3.25), (3.26), (3.27), (3.28) và (3.29) và công thức của các tác giả khác ((3.1), (3.2), (3.3), (3.5) sẽ được đưa vào mô hình mô phỏng CTCT. 4.2.2.2. Xác định mô hình cháy 4.2.3. Xác định hệ số trao đổi nhiệt và tốc độ trao đổi nhiệt đối lưu giữa môi chất công tác với các bề mặt trao đổi nhiệt 4.2.4. Xác định lượng khí vào/ra qua họng xu páp nạp/thải trong quá trình trao đổi khí 4.2.5. Xác định khối lượng không khí và sản vật cháy trong xi lanh 4.2.6. Hệ phương trình vi phân các quá trình công tác của động cơ 4.2.7. Lựa chọn phần mềm mô phỏng NCS sử dụng phần mềm nền là Matlab để tiến hành mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao cũng như đánh giá ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5. 4.2.8. Xác định các thông số tại thời điểm bắt đầu mô phỏng 4.2.9. Chế độ, trình tự tính toán mô phỏng - Chế độ tính toán, mô phỏng khảo sát: + Để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến các đặc tính cháy, chỉ tập trung khảo sát với các nhiên liệu: B20, B40, B60, B100 ở chế độ: TSN=17; GPS=18; gct=0,0242 g/ct (với ϕ=0,77 với B0; ϕ=0,756 với B20; ϕ=0,742 với B40; ϕ=0,727 với B60; ϕ=0,699 với B100). + Để đánh giá ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5, NCS mô phỏng ở chế độ: TSN=17; GPS =18 và gct=0,0242 g/ct, tương ứng với ϕ= 0,727 khi sử dụng B60. - Trình tự tính toán: Việc mô phỏng CTCT để đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy được thực hiện theo các bước sau: 16
+ Bước 1: Xây dựng mô hình mô phỏng sơ bộ (có đưa các thuộc tính của nhiên liệu và công thức cháy trễ của NCS và các tác giả) khi sử dụng nhiên liệu B0, theo điều kiện các chế độ khảo sát đã nêu ở trên. + Bước 2: Sử dụng giá trị diễn biến áp suất xi lanh pxl đo thực nghiệm trên động cơ diesel CFR-F5 khi cháy và khi nén thuần túy tại cùng chế độ khảo sát để hiệu chỉnh mô hình đã xây dựng. + Bước 3: Sử dụng mô hình đã hiệu chỉnh để mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5 khi sử dụng B20, B40, B60, B100. + Bước 4: Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ khi sử dụng B20, B40, B60, B100. 4.2.10. Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình mô phỏng CTCT a) Khi nén thuần túy b) Khi nén có cháy Hình 4.1. So sánh kết quả diễn biến áp suất trong xi lanh giữa tính toán và thực nghiệm của B0 ở TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct) a) Khi nén thuần túy b) Khi nén có cháy Hình 4.2. So sánh áp suất trong xi lanh giữa tính toán và thực nghiệm của B60 ở TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct) Hình 4.1 và 4.2 cho thấy, diễn biến áp suất trong xi lanh giữa thực nghiệm và tính toán khi nén thuần túy và khi có quá trình cháy là bám sát nhau và có chênh lệch với nhau không đáng kể (< 8%). Với các hỗn hợp diesel-biodiesel, các gct, các GPS khác cho các kết quả tương tự. Điều này cho thấy các công thức dự báo TGCT do NCS xây dựng là phù hợp và các mô hình tính toán xây dựng được là đảm bảo độ chính xác và có thể áp dụng để đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh đối với các hỗn hợp diesel-biodiesel. 17
4.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5 4.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến TGCT Hình 4.5 cho thấy, khi tăng tỷ lệ pha trộn thì TGCT của hỗn hợp diesel-biodiesel có xu hướng giảm dần.Tỷ lệ pha trộn có ảnh hưởng đáng kể đến i với với mức thay đổi lớn nhất là -9,13% khi so sánh B100 với B0. Hình 4.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến TGCT của hỗn hợp diesel-biodiesel 4.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật cháy, tốc độ cháy Hình 4.6 và 4.7 cho thấy, khi thay đổi tỷ lệ pha trộn làm thay đổi quy luật cháy (x) và tốc độ cháy (dx/dφ). Với các hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao có qui luật cháy (x) và tốc độ cháy (dx/dφ) bắt đầu sớm hơn. Ở giai đoạn gần kết thúc (khoảng 30 độ GQTK) giá trị tốc độ cháy ở các tỷ lệ pha trộn chênh lệch có sự không đáng kể. Với các hỗn hợp có tỷ lệ pha trộn cao, quá trình cháy diễn ra sớm hơn thì cũng kết thúc sớm hơn do tổng năng lượng cung cấp cho 1 CTCT là không đổi. Tỷ lệ pha trộn có ảnh hưởng nhỏ đến giá trị tốc độ cháy lớn nhất (dx/dφ max) với mức thay đổi lớn nhất là -7,53 % khi so sánh giữa B100 và B0. Hình 4.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ Hình 4.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật cháy (x) pha trộn tốc độ cháy (dx/dφ) ) 4.3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật tỏa nhiệt và tốc độ tỏa nhiệt Hình 4.8, 4.9, cho thấy: Khi thay đổi tỷ lệ pha trộn thì quy luật tỏa nhiệt (Q) và tốc độ tỏa nhiệt (dQ/dφ) cũng có sự thay đổi, với các hỗn hợp có tỷ lệ pha trộn cao có quy luật tỏa nhiệt (Q) và tốc độ tỏa nhiệt (dQ/dφ)bắt đầu phát triển sớm sớm hơn và đạt cực trị sớm hơn tuy nhiên giá trị lượng nhiệt tỏa ra lớn nhất (Qmax) và tốc độ 18