Tài liệu nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel cao tốc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ______________________________________ MAI ĐỨC NGHĨA NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DIESEL - DẦU DỪA ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CAO TỐC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÁNH HÒA – 2017 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ______________________________________ MAI ĐỨC NGHĨA NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DIESEL - DẦU DỪA ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL CAO TỐC Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM HÙNG THẮNG KHÁNH HÒA – 2017 ii Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Hùng Thắng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Lê Duy Khải Phản biện 2: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng Phản biện 3: PGS.TS Phan Văn Quân iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel cao tốc” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này. Khành Hòa, ngày tháng 6 năm 2017 Tác giả luận án Mai Đức Nghĩa iv LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực hiện luận án, tôi luôn nhận được sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, quý Phòng, Khoa của Trường Đại học Nha Trang. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của PGS. TS Phạm Hùng Thắng, đã truyền thụ kiến thức và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Khoa kỹ thuật giao thông Trường Đại học Nha Trang và Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, đã cung cấp thông tin, tài liệu và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận án. Xin chân thành cảm ơn cán bộ và nhân viên Trung tâm thí nghiệm thực hành Trường Đại học Nha Trang, các đồng nghiệp công tác tại Trung tâm đăng kiểm xe cơ giới tỉnh Khánh Hòa, đã hỗ trợ về nhân lực và trang thiết bị để quá trình thực nghiệm được hoàn thành. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đơn vị và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn! Khánh Hòa, ngày tháng 6 năm 2017 Tác giả luận án Mai Đức Nghĩa v MỤC LỤC Trang DANH MỤC KÝ HIỆU……………………………………………………………………....x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................................................xiii DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... xiv DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... xvi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............................................................................... 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .................................................................................. 3 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................... 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................... 3 3.2. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................. 4 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................. 4 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................... 4 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN....... 4 6.1. Ý nghĩa khoa học .................................................................................................. 4 6.2. Tính thực tiễn của đề tài ........................................................................................ 5 7. KẾT CẤU LUẬN ÁN ............................................................................................ 5 8. HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN................................................................................... 5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ........................................... 6 1.1. Xu hướng phát triển và giải pháp nâng cao chỉ tiêu kinh tế, môi trường của động cơ diesel ...................................................................................................................... 6 1.2. Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ diesel....................................................... 11 1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về sử dụng hỗn hợp dầu diesel dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ diesel .......................................................... 12 1.3.1. Trên Thế giới ................................................................................................... 12 1.3.2. Tại Việt Nam ................................................................................................... 15 1.4. Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình tạo hỗn hợp cháy và cháy nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa trong động cơ diesel .................................................................. 17 1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................................... 18 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ PHUN HỖN HỢP DẦU DIESEL - DẦU DỪA ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL ..................................................................... 19 vi 2.1. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến chỉ tiêu kinh tế của động cơ diesel ................................................................................... 19 2.1.1. Quá trình phun và sự hình thành tia phun nhiên liệu ......................................... 19 2.1.2. Cấu trúc tia phun nhiên liệu ............................................................................. 22 2.1.2.1. Chiều dài phân rã tia phun lb ......................................................................... 22 2.1.2.2. Độ xuyên sâu tia phun S ................................................................................ 23 2.1.2.3. Góc nón tia phun θs ....................................................................................... 25 2.1.2.4. Đường kính trung bình của hạt nhiên liệu trong tia phun ............................... 28 2.1.3. Quá trình phân rã tia phun hình thành hỗn hợp cháy......................................... 29 2.1.3.1. Phân rã sơ cấp ............................................................................................... 29 2.1.3.2. Quá trình phân rã thứ cấp và phân rã khí động hạt nhiên liệu ........................ 32 2.1.4. Quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ diesel ................................... 36 2.1.4.1. Cơ sở quá trình bắt lửa .................................................................................. 36 2.1.4.2. Quá trình cháy............................................................................................... 41 2.2. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến chỉ tiêu môi trường của động cơ diesel ............................................................................ 45 2.2.1. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu đến phát thải bồ hóng ......... 46 2.2.2. Ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu đến phát thải NOx ............... 49 2.3. Phương pháp xác định thông số phun hỗn hợp nhiên liệu theo chỉ tiêu kinh tế và môi trường ................................................................................................................. 51 2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 54 Chương 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT PHUN VÀ GÓC PHUN SỚM HỖN HỢP DẦU DIESEL - DẦU DỪA ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL BẰNG LÝ THUYẾT CFD... 55 3.1. Lý thuyết CFD trong mô phỏng quá trình cháy ................................................... 56 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng về động cơ phun nhiên liệu trực tiếp kiểu cơ khí 4CHE Yanmar ........................................................................................................... 57 3.2.1. Xây dựng mô hình hình học buồng cháy và rời rạc hóa mô hình hình học ........ 57 3.2.2. Phân tích và xác định các phương trình vi phân chủ đạo .................................. 58 3.2.3. Xác định các điều kiện để hiệu chỉnh mô hình.................................................. 62 3.2.4. Phân tích chọn các mô hình toán trong mô phỏng ............................................ 66 3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng về động cơ phun nhiên liệu điện tử AVL - 5402 ........ 67 3.4. Kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng CFD............................................................ 67 vii 3.4.1. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến cấu trúc tia phun hỗn hợp nhiên liệu B15 trong buồng cháy động cơ diesel ........................................................ 67 3.4.2. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm hỗn hợp nhiên liệu B15 đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel phun nhiên liệu điện tử AVL .............. 70 3.4.2.1. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm hỗn hợp nhiên liệu B15 đến chỉ tiêu kinh tế của động cơ diesel AVL - 5402 ............................................................... 70 3.4.2.2. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm hỗn hợp nhiên liệu B15 đến chỉ tiêu môi trường của động cơ diesel AVL - 5402 ........................................................ 73 3.4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm hỗn hợp nhiên liệu B15 đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel phun nhiên liệu cơ khí 4CHE .............. 80 3.4.3.1. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm hỗn hợp nhiên liệu B15 đến chỉ tiêu kinh tế của động cơ diesel 4CHE Yanmar ........................................................... 80 3.4.3.2. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm hỗn hợp nhiên liệu B15 đến chỉ tiêu môi trường của động cơ diesel 4CHE Yanmar .................................................... 85 3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................................... 92 Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................................................ 93 4.1. Bố trí thực nghiệm .............................................................................................. 93 4.1.1. Bố trí thiết bị thực nghiệm ............................................................................... 93 4.1.2. Thông số kỹ thuật động cơ và các thiết bị thực nghiệm .................................... 94 4.2. Quy hoạch thực nghiệm ...................................................................................... 95 4.2.1. Nhiên liệu thực nghiệm .................................................................................... 95 4.2.2. Quy trình thực nghiệm ..................................................................................... 95 4.2.2.1. Điều kiện và môi trường thực nghiệm ........................................................... 95 4.2.2.2. Quy trình đo và xử lý số liệu thực nghiệm ..................................................... 96 4.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ......................................................................... 99 4.3.1. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến chỉ tiêu kinh tế ge .............. 99 4.3.2. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến chỉ tiêu môi trường ......... 103 4.3.2.1. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến phát thải bồ hóng ......... 103 4.3.2.2. Ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm đến phát thải NOx ............... 106 4.4. Đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm .............................................. 111 4.5. Kết luận chương 4 ............................................................................................. 114 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ........................................................................ 115 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 115 viii KHUYẾN NGHỊ .................................................................................................... 116 DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ ........................... 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 118 PHỤ LỤC ix DANH MỤC KÝ HIỆU CHỮ LA TINH Ah : Diện tích mặt cắt lỗ phun, mm 2 au : Hệ số của dòng xoáy trong tia phun, - b : Khoảng cách giữa các hạt trong mô hình của williams, - Cd : Hệ số giãn dòng của vòi phun, - cm : Vận tốc trung bình của piston, m/s cm2 : Hệ số hiệu chỉnh thời gian chảy rối, - cp : Nhiệt dung riêng đẳng áp, kJ/kg K cv : Nhiệt dung riêng đẳng tích, kJ/kg K D : Đường kính hạt nhiên liệu, mm Dc : Đường kính xy lanh, mm Dh : Đường kính khoang phun, mm D0 : Đường kính ban đầu của hạt nhiên liệu, mm den : Hệ số hiệu chỉnh thời gian chảy tầng, - dh : Đường kính lỗ phun, mm dp : Đường kính hạt bồ hóng, mm : Gia tốc, m/s2 Fh,j : Thông lượng khuếch tán theo phương j, W/m2 f : Số hạt khả dĩ trong một đơn vị thể tích tia phun, - g : Gia tốc trọng trường, m/s2 h : Enthalpy, kJ/kg K : Hệ số xâm thực lỗ phun, - k : Động năng rối, kJ/kg kA : Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, g/cm2s Pa kB : Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, g/cm2s Pa ki : Hằng số tốc độ phản ứng i của mô hình hình thành NOx, kg/m3s kT : Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, g/cm2s kZ : Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, 1/Pa lb : Chiều dài phân rã tia phun, m lh : Chiều dài lỗ phun, mm md : Khối lượng hạt nhiên liệu, g  F x mf : Lượng nhiên liệu cấp chu trình, g/ct  minj : Tốc độ phun lưu lượng nhiên liệu, g/h NA : Số Avogadro, mol-1 NP : Số hạt rắn, 1/cm3 n : Tốc độ động cơ, vòng/phút Oh : Số Ohnesorge, - pc : Áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun nhiên liệu, bar pg : Áp suất của chất khí, bar pinj : Áp suất phun nhiên liệu, bar pv : Áp suất hóa hơi trong lỗ phun, bar QH : Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/kgnl R : Hằng số khí lý tưởng, Jmol−1K−1 Reg : Số Reynolds pha khí, - Rel : Số Reynolds pha lỏng, - r : Bán kính hạt nhiên liệu, mm r : Tham số phương trình cháy, - rc : Bán kính tới hạn hạt nhiên liệu, mm rh : Bán kính cong đầu vào lỗ phun, mm ri : Tốc độ phản ứng hình thành và ô xy hóa bồ hóng thứ i, - rsc : Hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy khuếch tán, -  : Hệ số khuếch tán khối lượng, - S : Độ xuyên sâu tia phun, m Ss : Hành trình piston, mm s : Chỉ số thể hiện hàm nguồn, - sh : Nguồn năng lượng, J sij : Tenxơ tốc độ biến dạng, 1/s sm : Nguồn khối lượng, kg T : Nhiệt độ, K Ta : Số Taylor, - Tcyl : Nhiệt độ khối khí trong xy lanh, K Td : Nhiệt độ hạt nhiên liệu, K TKH : Thời gian phân rã hạt nhiên liệu, s xi Tw : Nhiệt độ vách xy lanh, K t : Thời gian s tb : Thời gian phân rã tia phun, s tdur : Thời gian cháy, s u : Vận tốc hạt nhiên liệu theo các phương, m/s u’ : Các thành phần vận tốc mạch động, m/s Vt : Thể tích tia phun, cm 3 vg : Vận tốc của dòng khí, m/s vl : Vận tốc ban đầu của tia phun nhiên liệu, m/s vrel : Vận tốc tương đối của hạt nhiên liệu và khí bao quanh, m/s Weg : Số weber pha khí, - Wel : Số weber pha lỏng, - xi : Các tọa độ, m CHỮ HY LẠP Δp : Độ chênh áp (pinj – pc), bar Δθ : Thời gian phun nhiên liệu, độ ε : Động năng tiêu tán rối, kJ/kg s θ : Vùng không gian chiếm chỗ của các hạt nhiên liệu, - θs : Góc nón tia phun, độ λ : Tỷ lệ không khí/nhiên liệu, - µg : Độ nhớt động học chất khí, mm 2/s µl : Độ nhớt động học chất lỏng, mm 2/s d : Khối lượng riêng của hạt nhiên liệu, g/cm3 ρg : Khối lượng riêng chất khí, g/cm3 ρl : Khối lượng riêng chất lỏng, g/cm3 σl : Sức căng mặt ngoài chất lỏng, N/m τij : Các thành phần ứng suất, N/m2 φ : Góc quay trục khuỷu, độ φCD : Góc cháy trễ, độ φinj : Góc phun sớm, độ φSOC : Góc bắt đầu cháy, độ φSOI : Góc bắt đầu phun, độ xii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT APCC : Asian Pacific Coconut Community (Hiệp hội dừa Châu Á Thái Bình Dương) B15 : Hỗn hợp nhiên liệu gồm 15% dầu dừa và 85% dầu diesel bu : Breakup (Phân rã) CD : Combustion Delay (Cháy trễ) CFD : Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực học lưu chất) CI : Compression Ignition (Tự cháy) CN : Cetan Number (Số xêtan) CV : Control Volume (Thể tích kiểm soát) coll : Collision (Va chạm) ĐCT : Điểm chết trên DI : Direct Injection (Phun trực tiếp) DO : Diesel Oil (Dầu diesel) EGR : Exhaust Gas Recirculation (Hồi lưu khí thải) FDM : Finite Difference Method (Phương pháp sai phân hữu hạn) FEM : Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu hạn) FVM : Finite Volume Method (Phương pháp thể tích hữu hạn) gqtk : Góc quay trục khuỷu HSU : Hartridge Smoke Units (Đơn vị độ mờ khói) IEA : International Energy Agency (Cơ quan năng lượng quốc tế) inj : Injection (Phun nhiên liệu) NL : Nhiên liệu NLSH : Nhiên liệu sinh học PM : Particulate Matter (Phát thải dạng hạt) ppm : Parts Per Million (Phần triệu khối lượng) SĐCT : Sau điểm chết trên SMD : Sauter Mean Diameter (Đường kính trung bình hạt nhiên liệu) SOC : Start Oil Combustion (Bắt đầu cháy) SOI : Start Oil Injection (Bắt đầu phun) SVO : Straight Vegetable Oil (Dầu thực vật nguyên gốc) TĐCT : Trước điểm chết trên v/ph : Vòng /phút xiii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của một số động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp ........ 7 Bảng 1.2. Giải pháp giảm ô nhiễm và nâng cao hiệu suất động cơ diesel ................... 10 Bảng 1.3. Các biện pháp tối ưu hóa quá trình cháy động cơ diesel ............................. 10 Bảng 1.4. Thành phần hóa học và các chỉ tiêu nhiên liệu dầu dừa, dầu diesel............. 11 Bảng 1.5. Chỉ tiêu nhiên liệu cơ bản của hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa ...................... 12 Bảng 1.6. Nội dung nghiên cứu và mục tiêu cần đạt được .......................................... 18 Bảng 2.1. Các hệ số mô hình Shell............................................................................. 40 Bảng 2.2. Các bước hình thành bồ hóng và tốc độ phản ứng ...................................... 48 Bảng 2.3. Quy hoạch các điểm khảo sát chung .......................................................... 52 Bảng 2.4. Quy hoạch các điểm khảo sát động cơ AVL - 5402.................................... 53 Bảng 2.5. Quy hoạch các điểm khảo sát động cơ 4CHE Yanmar ............................... 54 Bảng 3.1. Nội dung các pha tính toán......................................................................... 56 Bảng 3.2. Các thông số thay đổi chính cho nhiên liệu DO và nhiên liệu B15 ............. 63 Bảng 3.3. Công suất mô phỏng từ mô hình ứng với các hệ số hiệu chỉnh khác nhau .. 64 Bảng 3.4. Hiệu chỉnh các hệ số rsc, cm2, d en ................................................................. 64 Bảng 3.5. Điều kiện về thời gian phun của động cơ khi mô phỏng ............................. 65 Bảng 3.6. Điều kiện về áp suất nén của động cơ khi mô phỏng .................................. 66 Bảng 3.7. Tổng hợp các mô hình toán chính sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng ..... 66 Bảng 3.8. So sánh độ xuyên sâu tia phun S của nhiên liệu DO và nhiên liệu B15....... 68 Bảng 3.9. So sánh góc nón tia phun của nhiên liệu DO và nhiên liệu B15 .................. 69 Bảng 3.10. Kết quả mô phỏng động cơ diesel AVL - 5402 ........................................ 72 Bảng 3.11. Phát thải bồ hóng với các thông số phun khác nhau ................................. 76 Bảng 3.12. Phát thải NOx với các thông số phun khác nhau ....................................... 77 Bảng 3.13. Kết quả mô phỏng động cơ 4CHE về công suất của nhiên liệu B15 ......... 84 Bảng 3.14. Kết quả mô phỏng động cơ 4CHE về suất tiêu hao nhiên liệu .................. 84 Bảng 3.15. Kết quả mô phỏng động cơ 4CHE về phát thải bồ hóng ........................... 89 Bảng 3.16. Kết quả mô phỏng động cơ 4CHE về phát thải NOx ................................. 90 Bảng 4.1. Thông số cơ bản động cơ diesel 4CHE Yanmar ......................................... 94 Bảng 4.2. Chế độ thực nghiệm ................................................................................... 95 Bảng 4.3. Số điểm khảo sát thực nghiệm thay đổi thông số phun nhiên liệu B15 ....... 96 Bảng 4.4. Tương quan giữa x và y trong hàm hồi quy thực nghiệm ........................... 97 xiv Bảng 4.5. Phương pháp tính tổng của x và y trong hàm hồi quy thực nghiệm ............ 97 Bảng 4.6. Giá trị x và y của hàm hồi quy trong trường hợp áp suất phun 205 bar ....... 99 Bảng 4.7. Các hàm hồi quy thực nghiệm phản ánh suất tiêu hao nhiên liệu .............. 100 Bảng 4.8. Kết quả thực nghiệm động cơ 4CHE về suất tiêu hao nhiên liệu.................. 102 Bảng 4.9. Kết quả thực nghiệm động cơ 4CHE về công suất của nhiên liệu B15 ......... 103 Bảng 4.10. Các hàm hồi quy thực nghiệm phản ánh phát thải bồ hóng ..................... 104 Bảng 4.11. Kết quả thực nghiệm động cơ 4CHE về phát thải bồ hóng ..................... 106 Bảng 4.12. Các hàm hồi quy thực nghiệm phản ánh phát thải NOx .......................... 107 Bảng 4.13. Kết quả thực nghiệm động cơ 4CHE về phát thải NOx .......................... 108 Bảng 4.14. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm ........................................... 112 xv DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Mô tả quy luật phun nhiên liệu kiểu cơ khí và phun điện tử.......................... 8 Hình 1.2. Sơ đồ mô tả hình thành hỗn hợp và cháy nhiên liệu động cơ diesel .............. 9 Hình 1.3. Quan hệ giữa các thông số nhiệt động của hỗn hợp nhiên liệu .................... 18 Hình 2.1. Các trạng thái hình thành tia phun nhiên liệu lỏng ...................................... 20 Hình 2.2. Sự phân bố hạt nhiên liệu trong tia phun..................................................... 21 Hình 2.3. Cấu trúc và sự phân rã tia phun nhiên liệu .................................................. 22 Hình 2.4. Cấu trúc tia phun không xâm thực và xâm thực trong lỗ phun .................... 23 Hình 2.5. Mô hình biến thiên tia nhiên liệu trong buồng cháy động cơ....................... 26 Hình 2.6. Sơ đồ Ohnesorge ........................................................................................ 30 Hình 2.7. Các giai đoạn phá vỡ bề mặt tia phun theo vận tốc phun............................. 31 Hình 2.8. Sơ đồ mô tả cơ chế phân rã tia phun ........................................................... 31 Hình 2.9. Hiện tượng chảy rối, xâm thực và xuất hiện lực cản khí động..................... 32 Hình 2.10. Cơ chế phá vỡ hạt theo Wierzba ............................................................... 33 Hình 2.11. Đồ thị đường cong nhiệt sinh ra và đường cong nhiệt mất mát ................. 37 Hình 2.12. Đồ thị cháy nhiên liệu .............................................................................. 38 Hình 2.13. Hiệu ứng nhiệt độ tiêu cực........................................................................ 39 Hình 2.14. Biến thiên áp suất cháy p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn.. 43 Hình 2.15. Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” ......................................................... 47 Hình 3.1. Sơ đồ khối mô phỏng xác định thông số phun nhiên liệu B15..................... 55 Hình 3.2. Lưu đồ tính toán các pha trong mô phỏng................................................... 55 Hình 3.3. Bản vẽ Piston động cơ 4CHE ..................................................................... 58 Hình 3.4. Lưới mô phỏng buồng cháy động cơ 4CHE................................................ 58 Hình 3.5. So sánh đường cong áp suất nén giữa mô phỏng và thực nghiệm................ 62 Hình 3.6. Đồ thị áp suất cháy với các hệ số hiệu chỉnh cho nhiên liệu B15 ................ 63 Hình 3.7. Áp suất cháy từ mô hình mô phỏng nhiên liệu DO và nhiên liệu B15 ......... 64 Hình 3.8. Ảnh hưởng của hệ số hiệu chỉnh rcs đến áp suất cháy.................................. 65 Hình 3.9. Ảnh hưởng của hệ số hiệu chỉnh cm2 đến áp suất cháy ................................ 65 Hình 3.10. Lưới 3D buồng cháy động cơ 4CHE Yanmar thể hiện tia phun ................ 67 Hình 3.11. Diễn biến áp suất và nhiệt độ trong xy lanh .............................................. 70 Hình 3.12. Diễn biến áp suất trong xy lanh khi thay đổi áp suất phun ........................ 71 Hình 3.13. Hình thành bồ hóng trong buồng cháy động cơ AVL - 5402 ..................... 73 xvi Hình 3.14. Biến thiên bồ hóng của nhiên liệu B15 khi thay đổi góc phun sớm ........... 74 Hình 3.15. Biến thiên nhiệt độ và quá trình ôxy hóa bồ hóng ..................................... 74 Hỉnh 3.16. Phát thải bồ hóng theo áp suất phun và góc phun sớm .............................. 75 Hình 3.17. Hình thành phát thải NOx trong buồng cháy động cơ AVL - 5402 ............ 76 Hình 3.18. Biến thiên nhiệt độ và NOx theo góc phun sớm ở áp suất phun 800 bar .... 76 Hình 3.19. Biến thiên NOx theo góc phun sớm và áp suất phun ................................ 77 Hình 3.20. Biến thiên nhiệt độ và NOx theo áp suất phun ........................................... 78 Hình 3.21. Áp suất và tốc độ tỏa nhiệt theo thông số phun của động cơ AVL - 5402 . 80 Hình 3.22. Nhiệt độ trong xy lanh theo các góc phun sớm khác nhau......................... 81 Hình 3.23. Diễn biến áp suất trong xy lanh ở các góc phun sớm khác nhau................ 82 Hình 3.24. Sự thay đổi công suất và suất tiêu hao liệu theo góc phun sớm ................. 83 Hình 3.25. Hình thành bồ hóng trong buồng cháy động cơ 4CHE .............................. 85 Hình 3.26. Phát thải bồ hóng theo góc phun sớm khác nhau ...................................... 86 Hình 3.27. Hình thành NOx trong buồng cháy động cơ 4CHE.................................... 87 Hình 3.28. Phát thải NOx theo góc phun sớm khác nhau ............................................ 88 Hình 3.29. Phát thải NOx và bồ hóng theo góc phun sớm ở 80% tải ........................... 89 Hình 3.30. Áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của động cơ 4CHE, n = 1800v/ph .......... 91 Hình 4.1. Sơ đồ bố trí chung các thiết bị trong phòng thử nghiệm .............................. 93 Hình 4.2. Động cơ và các thiết bị trong phòng thử nghiệm......................................... 94 Hình 4.3. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của nhiên liệu B15 theo thông số phun ..... 100 Hình 4.4. Đồ thị 3 chiều mô tả ảnh hưởng của φinj, pinj đến suất tiêu hao nhiên liệu . 101 Hình 4.5. Biến thiên bồ hóng (độ mờ khói xả N%) của nhiên liệu B15 .................... 104 Hình 4.6. Đồ thị 3 chiều mô tả ảnh hưởng của φinj, pinj đến phát thải bồ hóng .......... 105 Hình 4.7. Biến thiên NOx của nhiên liệu B15 theo thông số phun khác nhau ............ 107 Hình 4.8. Đồ thị 3 chiều mô tả ảnh hưởng của φinj, pinj đến phát thải NOx ................ 108 Hình 4.9. Đồ thị 3 chiều mô tả ảnh hưởng của áp suất phun và góc phun sớm nhiên liệu B15 đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel.......................... 110 xvii TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số phun hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa đến các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel cao tốc”. Ngành/Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62520116 Nghiên cứu sinh: Mai Đức Nghĩa Khóa: 2012 Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Hùng Thắng Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Nha Trang Nội dung: (1) Đã tổng hợp các cơ sở lý thuyết và tổ chức thực nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng của góc phun sớm và áp suất phun nhiên liệu tới các chỉ tiêu kinh tế, môi trường của động cơ diesel cao tốc; (2) Đã xây dựng được công thức điều chỉnh góc phun sớm tăng (0 ÷ 2)0 gqtk và áp suất phun nhiên liệu tăng (10 ÷ 15)% so với khi sử dụng nhiên liệu diesel (công thức 4.10), giúp nâng cao các chỉ tiêu kinh tế và môi trường cho động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa (B15). Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PGS.TS Phạm Hùng Thắng Mai Đức Nghĩa xviii Thesis title: “Research on effects of fuel injection parameters of diesel - coconut oil mixture on economical and environmental parameters of high speed diesel engine”. Mayor: Mechanical Dynamics Engineering Major code: 62520116 PhD Student: Mai Duc Nghia Supervisor: Prof. Pham Hung Thang Education Institution: Nha Trang University Key Findings: (1) Synthesized the theoretical foundations and held experiment to determines the effects of early fuel injection crank angle and injection pressure on economical, environmental parameters of high speed diesel engine; (2) Built a formula for early fuel injection crank angle adjustment increasing (0 ÷ 2) degrees of crank angle and increasing fuel injection pressure (10 ÷ 15)% compared with using diesel fuel (formula 4.10), improves the economical and environmental parameters for diesel engine using diesel - coconut oil mixture (B15). Phd Student Mai Duc Nghia xix MỞ ĐẦU 1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Hiện nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển rất mạnh cho động cơ đốt trong (ĐCĐT), dẫn đến phát sinh nhiều vấn đề cần được giải quyết như: Nhiên liệu ngày càng cạn kiệt; ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ ngày càng gia tăng, kéo theo nhiều hệ lụy xấu ảnh hưởng đến sức khỏe con người và phát triển xã hội. Để khắc phục những hạn chế này, đã có rất nhiều các biện pháp, giải pháp công nghệ được đề xuất, triển khai ứng dụng trên toàn thế giới nhằm mục tiêu giải quyết bài toán về an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường. Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay như năng lượng mặt trời, năng lượng gió,...thì nhiên liệu sinh học (NLSH) nghiên cứu sử dụng cho ĐCĐT đang được quan tâm hàng đầu do có những đặc trưng phù hợp và khả thi trong việc tìm kiếm nguồn nguyên liệu. Theo dự kiến của cơ quan năng lượng quốc tế IEA (International Energy Agency - IEA), xu hướng phát triển năng lượng trên thế giới đến năm 2050 sẽ sử dụng 23% lượng dầu diesel (DO), 27% lượng NLSH, còn lại là các loại nhiên liệu khác trong tổng lượng nhiên liệu cung cấp cho ĐCĐT [30], [35]. Nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ động vật, có tiềm năng rất lớn khi làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống. Ngoài chức năng như một phụ gia tăng cường ôxy cho quá trình cháy, NLSH còn là một nguồn nhiên liệu có thể tái sinh. Bên cạnh đó, một đặc tính thuận lợi của NLSH là dễ pha trộn với nhiên liệu truyền thống mà không cần đến các thiết bị phức tạp. Các nguồn nguyên liệu chính để sản xuất NLSH là dầu thực vật được tập trung chủ yếu vào những cây có hàm lượng dầu khá lớn như dầu đậu nành (Soybean Oil), dầu cải (Rapeseed Oil) ở Châu Âu; dầu hướng dương (Sunflower Oil) ở Mỹ; dầu dừa (Coconut Oil), dầu cọ (Palm Oil), dầu Jatropha ở Châu Á [4], [10]. Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc ứng dụng NLSH cho ĐCĐT như: Địa lý của từng quốc gia - khu vực; khí hậu; nguyên liệu phục vụ nhu cầu thực phẩm cho con người mà NLSH được phát triển với những nguyên liệu khác nhau. Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, có tiềm năng lớn trong việc phát triển nguồn nguyên liệu để sản xuất NLSH. Các nguồn nguyên liệu chủ yếu tại thời điểm này để sản xuất là mỡ cá ba sa, dầu Jatropha, dầu dừa [10]. 1