Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ
7,002
520
102
70
thời còn đo được hệ số dư lượng không khí .
Hình 3-8. Mô hình tủ CEB–II
1. Máy tính; 2. Khối SCU; 2a. Khối làm nóng; 2b. Khối làm lạnh; 2c. Khối điều
khiển SCU; 2d. Vùng dành cho EGR; 3. Vùng đặt các bộ phân tích; 4. Bảng đồng
hồ khí; 5. Công tắc hệ thống; 6. Khối chẩn đoán.
* Nguyên lý làm việc của bộ phân tích CO
CO hấp thụ tia hồng ngoại ở bước sóng khoảng 4,7µm. Như thể hiện ở hình
3.9, khi cần đo lượng CO có trong khí mẫu, khí mẫu được đưa vào buồng (4). Tia
hồng ngoại tạo ra bởi đèn (1) đi qua buồng (4) và buồng (8). Do buồng (4) có CO
nên một phần tia hồng ngoại bị hấp thụ, còn buồng (8) chỉ có chứa N
2
vì vậy tia
hồng ngoại đi qua hoàn toàn. Để lượng hồng ngoại đi qua hai buồng là như nhau
đĩa
(3) được điều khiển quay, trên đĩa (3) có xẻ các rãnh sao cho thời gian cho tia
hồng
ngoại qua rãnh trong và rãnh ngoài là bằng nhau. Sau khi đi qua hai buồng (4) và
(8), tia hồng ngoại tới buồng (5) và buồng (7). Trong hai buồng này có chứa CO
tia
hồng ngoại sẽ bị hấp thụ hoàn toàn bởi khí này và làm tăng nhiệt độ của khối khí
trong buồng (5) và buồng (7), tương ứng với sự tăng nhiệt độ là sự tăng áp suất.
Hai
buồng (5) và (7) được ngăn cách với nhau bằng một màng cao su.
71
Hình 3-9. Sơ đồ cấu tạo của bộ phận phân tích khí CO
1.Buồng phát tia hồng ngoại; 2.Màn chắn; 3.Đĩa khoét các rãnh; 4.Buồng chứa khí
mẫu; 5.Buồng chứa khí CO được ngăn bằng một màng chắn cao su; 6.Thiết bị đo
độ võng của màng; 7.Buồng chứa khí CO được ngăn bằng một tấm màng cao su;
8.Buồng chứa khí mẫu
Trong hai chùm tia hồng ngoại thì chùm tia hồng ngoại đi qua buồng (4) đã
bị hấp thụ một phần tại đó vì vậy sự hấp thụ tia hồng ngoại tại buồng (5) ít hơn
buồng (7) do đó có sự chênh lệch áp suất giữa hai buồng. Sự chênh lệch áp suất
này
làm cho màng cao su bị cong, tiến hành đo độ cong có thể tính được độ chênh lệch
áp suất. Qua tính toán chênh áp suất sẽ biết được lượng CO đã hấp thụ tia hồng
ngoại, chính là lượng CO có trong mẫu khí thải.
Khi đo CO trong khí thải bằng phương pháp hồng ngoại phải tính đến các
điều kiện gây sai số. Đặc biệt là sự hấp thụ của hơi nước. Vì vậy phải có biện
pháp
hiệu chỉnh giá trị đo. Thông thường hiệu chỉnh giá trị đo bằng cách lọc hết nước
hoặc quy định giá trị ảnh hưởng của nước trong các khoảng đo.
* Nguyên lý làm việc của bộ phân tích NO và NO
x
Thiết bị hoạt động dựa vào hiện tượng quang hóa để xác định hàm lượng NO
và NO
x
. Thực chất phương pháp này là đo cường độ ánh sáng do các phần tử NO
2
hoạt tính sinh ra. NO
2
hoạt tính được tạo ra trong buồng phản ứng qua phản ứng:
NO + O
3
= NO
2
* + O
2
Không khí được đưa vào một đường và được cho qua bộ tạo ôzôn, trong bộ
72
này O
2
trong không khí được tạo thành O
3
nhờ tia lửa điện và được đưa đến buồng
phản ứng.
Hình 3-10. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NO
x
1.Bộ phận tạo khí ôzôn;2.Bộ phận chuyển đổi NO
2
thành NO; 3.Buồng phản ứng đo
NO
x
có các đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu; 4.Buồng phản ứng đo NO có các
đường dẫn khí ôzôn và khí mẫu; 5.Bộ phận hủy ôzôn trước khi đưa ra ngoài môi
trường;6.Bộ phận đo cường độ sáng
Để đo lượng NO có trong khí thải, khí thải được đưa trực tiếp vào buồng
phản ứng. Trong buồng phản ứng có O
3
vì vậy một phần NO có trong khí thải mẫu
sẽ phản ứng với O
3
và tạo ra NO
2
hoạt tính (NO
2
*), NO
2
hoạt tính tồn tại không lâu
trong điều kiện bình thường vì vậy nó sẽ tự động chuyển về NO
2
không hoạt tính
bằng cách phóng đi một phần năng lượng dưới dạng tia sáng. Đo cường độ tia sáng
thu được và dựa vào đó để xác định lượng NO phản ứng. Từ lượng NO phản ứng có
thể tính ra lượng NO có trong khí thải mẫu.
Để đo lượng NO
x
có trong mẫu khí thải, mẫu này được đi qua một bộ chuyển
đổi từ NO
2
thành NO. Quá trình đo được thực hiện như đối với thành phần NO, kết
quả thu được là lượng NO
x
có trong khí thải.
* Nguyên lý làm việc của hệ thống đo HC
Khí mẫu cần đo được đưa vào hệ thống có áp suất 580 mbar và lưu lượng
1500 l/h. Khí mẫu và khí cháy (hỗn hợp H
2
/He
2
có áp suất 1050 mbar và lưu lượng
30 l/h) được hòa trộn với nhau và đưa vào buồng cháy với áp suất là 680 mbar.
73
Trong buồng phản ứng, hỗn hợp khí (20% O
2
, 80% N
2
) được bơm vào làm môi
trường cháy.
Hình 3-11. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo HC
Khi khí mẫu và khí cháy được đưa vào, bộ đánh lửa bật tia lửa đốt cháy.
Trong điều kiện như vậy khí HC không cháy mà bị bẻ gãy liên kết tạo thành các
ion. Các ion sinh ra trong môi trường có từ trường của cặp điện cực, sẽ bị hút
về hai
bản cực và tạo thành dòng điện trong mạch. Dòng điện được khuếch đại khi đi qua
bộ khuếch đại và được đưa tới bộ đo điện áp.
Khí cháy được hút ra nhờ độ chân không ở đầu ra. Độ chân không này được
sinh ra do luồng khí nén thổi qua tại miệng hút. Dựa vào cường độ dòng điện sinh
ra có thể đánh giá được lượng HC có trong khí mẫu.
* Thiết bị đo phát thải hạt
Sơ đồ hệ thống thiết bị đo phát thải hạt PM bằng thiết bị Smart Sampler thể
hiện trên hình 3.12. Thiết bị này do hãng AVL nghiên cứu và phát triển dựa trên
nguyên lý lấy mẫu một phần lưu lượng (Partial Flow). Thiết bị này dùng để đo chỉ
số PM trong khí thải động cơ diesel lắp trên xe tải theo tiêu chuẩn Euro 2 (chu
trình
thử ECE R49).
74
Hình 3-12. Cấu hình thiết bị SPC 472
Hệ thống Smart Sampler SPC 472 mô phỏng tương đối đầy đủ và chính xác
điều kiện hình thành chất thải dạng hạt PM trong tự nhiên. Thiết bị SPC 472 gồm
2
khối chính: Main Control Cabinet (khối điều khiển chính) chứa đựng hầu như toàn
bộ các thiết bị quan trọng của SPC 472 như hệ thống phân tích khí, các bơm hút,
các cảm biến quan trọng đo áp suất, nhiệt độ, lưu lượng khối lượng, toàn bộ hệ
thống điện,.... Tunnel and Filter rack (ống làm loãng và bộ lọc) là nơi hoà trộn
làm
loãng khí thải để đưa vào lọc phân tích. Filter rack là giá mang bộ lọc có thể
di
chuyển gần ống thải với khoảng cách không quá 1m.
3.1.3. Đối tượng thử nghiệm
Động cơ diesel D243 không thay đổi kết cấu và thông số nguyên bản của
động cơ (bảng 3.1)
Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của động cơ diesel D243
STT
Thông số
Kí hiệu
Giá trị
Đơn vị
1
Công suất định mức
N
e
80
Mã lực
2
Số xi lanh
i
4
3
Thứ tự nổ
1-3-4-2
4
Số vòng quay định mức
n
e
2000
Vòng/phút
5
Số vòng quay cực đại
n
max
2200
Vòng/phút
75
STT
Thông số
Kí hiệu
Giá trị
Đơn vị
6
Hành trình piston
S
125
mm
7
Đường kính xylanh
D
110
mm
8
Tỷ số nén
16.5
9
Suất tiêu hao nhiên liệu DO
g
240
g/kw.h
10
Góc phun sớm
24
Độ TK
11
Góc mở sớm của xupáp nạp
1
10
Độ TK
12
Góc đóng muộn của xupáp nạp
2
46
Độ TK
13
Góc mở sớm của xupáp thải
1
46
Độ TK
14
Góc đóng muộn của xupáp thải
2
10
Độ TK
Hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel được hâm nóng đến nhiệt độ 80
o
C và
nhiên liệu diesel truyền thống.
3.1.4. Điều kiện và quy trình thử nghiệm
3.1.4.1. Điều kiện thử nghiệm
Trước khi tiến hành thử nghiệm, động cơ, hệ thống hâm nóng nhiên liệu kiểu
tích hợp điện - khí xả và các thiết bị đo được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo độ
chính xác và vận hành tốt của các thiết bị và hệ thống. Động cơ được hoạt động
trong điều kiện tự nhiên với nhiệt độ khoảng 30
0
C.
Nhiên liệu dùng cho động cơ kể cả khi khởi động lạnh là hỗn hợp nhiên liệu,
sử dụng trực tiếp trên động cơ D243, các thông kết cấu của động cơ và hệ thống
phục vụ được giữ nguyên bản.
3.1.4.2. Quy trình thử nghiệm
Ngắt hệ thống dầu DO cung cấp cho động cơ sau khi đã thử nghiệm và đo
các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật và phát thải. Nối đường cấp hỗn hợp nhiên liệu
bio-
oils/biodiesel vào trước bơm cao áp của động cơ D243.
Hâm nóng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel bằng năng lượng điện đến
nhiệt độ 80
0
C nhằm phục vụ cho quá trình khởi động lạnh của động cơ.
76
Sau khi hâm nóng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel, bật bơm tuần hoàn
để hỗn hợp nhiên liệu tuần hoàn vào thiết bị tận dụng nhiệt khí xả với mục đích
giảm ứng suất nhiệt của thiết bị.
Đo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ D243 với hỗn hợp
nhiên liệu bio-oils/biodiesel ở nhiệt độ 80
0
C ở các chế độ đặc tính tải và đặc tính
ngoài của động cơ, so sánh đối chứng với nhiên liệu DO. Mỗi điểm đo thực hiện 03
lần và lấy kết quả trung bình.
3.2. Phân tích đánh giá kết quả thử nghiệm
3.2.1. Công suất của động cơ, Ne (kW)
Bảng 3.2. Giá trị công suất của động cơ
Vòng quay
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Ne_DO
27.42
34.17
42.72
49.24
54.27
56.15
56.08
Ne_B40V60
24.93
30.58
37.37
43.48
47.68
50.24
49.87
Hình 3-13. Đồ thị công suất – vòng quay Ne = f (n)
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Công suất (kW)
Vòng quay (v/p)
Đồ thị công suất-vòng quay Ne=f(n)
Ne_DO Ne_B40V60
77
Từ kết quả thực nghiệm bảng 3.2 và hình 3.13 cho thấy công suất của động
cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu
bio-oils/biodiesel
có sự thay đổi cùng quy luật. Khi vòng quay của động cơ tăng thì công suất của
động cơ cũng tăng và đạt công suất lớn nhất ở vòng quay 2000 v/p, ở tại vòng
quay
này thì công suất của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu nhỏ hơn công suất
của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO khoảng 10,52%, một phần là do nhiệt trị
của
hỗn hợp nhiên liệu thấp hơn nhiệt trị của nhiên liệu DO. Vậy từ kết quả thử
nghiệm
trên cho thấy công suất của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bio-
oils/biodiesel được hâm đến 80
0
C nhỏ hơn công suất của động cơ khi sử dụng nhiên
liệu (DO) trong khoảng (9,08 - 12,52)%, tính trên toàn dải tốc độ là 11,08%.
3.2.2. Mômen của động cơ, Me (N.m)
Bảng 3.3. Giá trị mô men của động cơ
Vòng quay
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Me_DO
261.87
271.87
291.37
293.87
287.93
268.07
244.37
Me_B40V60
239.46
246.15
256.78
266.83
261.67
239.86
221.92
Hình 3-14. Đồ thị mô men – vòng quay M = f (n)
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Mô men (N.m)
Vòng quay (v/p)
Đồ thị mô men-vòng quay, M=f(n)
Me_DO Me_B40V60
78
Từ kết quả thực nghiệm bảng 3.3 hình 3.14 cho thấy, giá trị mômen của động
cơ không thay đổi nhiều khi thay đổi vòng quay, tuy nhiên mômen đạt giá trị cực
đại cả khi động cơ sử dụng nhiên liệu DO và hỗn hợp nhiên liệu ở vòng quay
n=1600 v/p và ở tại vòng quay này thì giá trị mô men của động cơ khi sử dụng hỗn
hợp nhiên liệu nhỏ hơn giá trị mô men của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO
khoảng 9,2%. Vậy đặc tính thay đổi mômen của động cơ khi sử dụng hỗn hợp
nhiên liệu nhỏ hơn đặc tính thay đổi mômen của động cơ sử dụng nhiên liệu dầu
(DO) trong khoảng (8,56 – 11,87)%, tính trên toàn dải tốc độ là 9,70%.
3.2.3. Suất tiêu hao nhiên liệu, ge (g/kW.h)
Bảng 3.4. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngoài
Vòng quay
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
ge_DO
287.28
276.54
265.89
258.76
254.95
272.43
296.28
ge_B40V60
323.78
314.12
305.07
292.89
285.96
313.08
335.15
Hình 3-15. Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngoài
Trên bảng 3.4 và hình 3.15 thể hiện suất tiêu hao của hỗn hợp nhiên liệu và
suất tiêu hao nhiên liệu DO. Từ bảng suất tiêu hao nhiên liệu cho thấy suất tiêu
hao
nhiên liệu của cả hai loại nhiên liệu đạt giá trị nhỏ nhất tại vòng quay n =
1800 v/p,
200,00
220,00
240,00
260,00
280,00
300,00
320,00
340,00
360,00
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
ge (g/kW.h
)
Vòng quay (v/p)
Suất tiêu hao nhiên liệu ge
ge_DO ge_B40V60
79
tại vòng quay này thì suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu
cao
hơn suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng nhiên liệu DO khoảng 12,16%. Lý do làm cho
suất tiêu hao nhiên liệu của hỗn hợp nhiên liệu cao hơn là do khi tốc độ vòng
quay
cao thì lượng tiêu thụ hỗn hợp nhiên liệu tăng (Gnl), công suất sinh ra nhỏ dẫn
đến
quá trình cháy xảy ra không hoàn hảo. Bên cạnh đó khi động cơ chạy ở vòng quay
lớn nhất n = 2200 v/p, thì suất tiêu hao nhiên liệu của cả hai loại nhiên liệu
dùng
cho động cơ đều tăng cao. Với lý do là tại vòng quay đó thì công suất của động
cơ
(Ne) không tăng lên nhiều nhưng lượng nhiên liệu phun vào trong một chu trình
công tác của động cơ tăng cao và ở quá trình cháy, sinh công sẽ có một lượng
nhiên
liệu cháy không hết và cháy kéo dài trên đường giãn nở, ngoài ra còn làm cho
nhiệt
độ khí xả tăng. Vậy khi so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của hỗn hợp cao hơn
suất
tiêu hao nhiên liệu DO trong khoảng (12,16-14,92)%, tính trên toàn dải tốc độ là
13,49%.
3.2.4. Hàm lượng phát thải
3.2.4.1. Phát thải COx
Mônôxit cácbon (CO) có mặt trong khí xả do động cơ hoạt động với hỗn hợp
đậm mà không có đủ ôxi để chuyển đổi hoàn toàn cácbon trong nhiên liệu thành khí
cacboníc. Thông số quan trọng nhất của động cơ ảnh hưởng đến phát thải CO là tỷ
lệ tương đương giữa nhiên liệu – không khí, những thông số khác chỉ là những yếu
tố ảnh hưởng thứ yếu. Bởi vậy, khi thay đổi tỷ lệ nhiên liệu – không khí đều có
ảnh
hưởng đến hàm lượng phát thải CO.
Bảng 3.5. Hàm lượng phát thải CO, ppm
Vòng quay
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
CO_DO
1,825
2,198
2,187
1,881
1,564
1,268
1,199
CO_B40V60
2,156
2,598
2,477
2,238
1,986
1,522
1,389