CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM
4.4. Các kết quả thực nghiệm
4.4.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá sự hoạt động của động cơ 6LU32 sử dụng nhiên liệu hỗn hợp do thiết bị hòa trộn liên tục tạo ra
Toàn bộ quá trình thử nghiệm thực tế với động cơ 6LU32 được thực hiện ở 2 chế độ tải 50% và 75% với các loại nhiên liệu khác nhau: DO, hỗn hợp dầu cọ - dầu DO hòa trộn liên tục với tỷ lệ tương ứng là 10% và 20% (PO10 và PO20). Các thông số đo và phân tích bao gồm: áp suất cháy trong xi lanh, lượng nhiệt tỏa ra, nhiệt độ cháy và nồng độ các thành phần trong khí xả. Trong quá trình thử nghiệm, quá trình phun nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ cũng được ghi lại qua thiết bị camera chuyên dụng VisioScope.
4.4.2.1. Áp suất cháy trong xi lanh động cơ
Thay đổi áp suất cháy trong xi lanh của động cơ 6LU32 và áp suất cháy cực đại ở hai chế độ tải 50% và 75% được đo lại và thể hiện trên đồ thị hình 4.3 và bảng 4.6.
Hình 4.3. Đồ thị áp suất cháy đo thực tế của động cơ 6LU32
Bảng 4.6. Giá trị áp suất cháy cực đại đối với các loại nhiên liệu khác nhau Chế độ tải
của động cơ
Áp suất cháy cực đại [bar] Sự chênh lệch lớn nhất [%]
DO PO10 PO20
50% 65,808 64,352 64,106 2,59
75% 76,321 73,555 72,068 5,58
Trên cơ sở các số liệu về áp suất cháy lớn nhất trong xi lanh động cơ đo đạc thực tế trên các động cơ và số liệu lấy được từ mô phỏng quá trình cháy, lập bảng so sánh như trên Bảng 4.7.
Bảng 4.7. So sánh giá trị áp suất cháy cực đại giữa số liệu đo đạc thực tế và số liệu theo mô phỏng
STT CẤP NHIÊN LIỆU ÁP SUẤT CHÁY CỰC ĐẠI, [105 Pa]
Đo MP Sai số, [%]
Nhiên liệu DO
1 75% 76,321 77,2 -1,14
2 50% 65,808 67,1 -1,93
Nhiên liệu PO10
1 75% 73,555 75 -1,93
2 50% 64,352 65,8 -2,20
Nhiên liệu PO20
1 75% 72,068 74,8 -3,65
2 50% 64,106 65,7 -2,43
Kết quả cho thấy:
- Diễn biến thay đổi áp suất trong xi lanh của động cơ khi làm việc với các loại nhiên liệu khác nhau là tương đồng, sai khác lớn nhất về áp suất cháy cực đại so với dầu diesel đối với nhiên liệu PO20 là 5,58%;
- Sự sai khác lớn nhất về áp suất cháy cực đại giữa mô phỏng với áp suất cháy đo được thực tế đối với các loại nhiên liệu khác nhau được ghi nhận ở chế độ tải 75% là - 3,65%;
4.4.2.2. Sự cháy trễ của các loại nhiên liệu
Để đánh giá sự cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau theo lý thuyết để làm cơ sở khẳng định khả năng sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel cho động cơ diesel thủy, áp dụng công thức (2.61) cho kết quả như trên bảng 4.8.
Bảng 4.8. Thời gian cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau Mức độ
cháy trễ [oGQTK]
Loại nhiên liệu
DO PO5 PO10 PO15 PO20 PO25 PO30 PO100 2,1978 2,2049 2,2127 2,2158 2,2181 2,2231 2,2279 2,3003 Tăng
[oGQTK]
và [%] so với DO
- -
0,007 0,30
0,0140
0,60
0,018 0,80
0,020 0,910
0,025 1,1
0,030 1,365
0,101 4,595 Như vậy, trong cùng một điều kiện về kĩ thuật của động cơ diesel về chế độ làm việc (vòng quay, công suất), tình trạng kĩ thuật (tỷ số nén) như nhau, thì sự cháy trễ của các loại nhiên liệu so với dầu diesel có thể được đánh giá như sau:
- Dầu cọ nguyên chất có độ cháy trễ lớn hơn so với dầu diesel là 0,101 độ góc quay trục khuỷu và tăng là 4,595%;
- Nhiên liệu hỗn hợp từ PO5 đến PO15 có sự cháy trễ không khác biệt nhiều so với dầu diesel. Nhiên liệu PO5 cháy muộn hơn so với dầu diesel là 0,3%, còn nhiên liệu PO15 có sự khác biệt là 0,8%;
Trong quá trình thử nghiệm trên động cơ 6LU32 đối với dầu diesel (DO), PO10 và PO20, tách phần thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu so với điểm chết trên ở hai chế độ tải 50% và 75% và dựng đồ thị như trên hình 4.4 và 4.5.
) TDC 10 , (DOPO
d
) 20
d(PO
Hình 4.4. Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải
Trên cơ sở kết quả sự khác nhau về thời điểm bắt đầu cháy theo đồ thị hình 4.6, tiến hành chuyển đổi từ độ góc quay trục khuỷu sang đơn vị thời gian phục vụ đánh giá sự cháy trễ của các loại nhiên liệu hỗn hợp khác nhau so với dầu diesel truyền thống. Tổng hợp sự khác biệt về thời điểm bắt đầu cháy của các loại nhiên liệu tính theo thời gian được thể hiện như trên bảng 4.9.
Bảng 4.9. Thời điểm bắt đầu cháy sớm của nhiên liệu so với ĐCT STT CHẾ ĐỘ TẢI
[kW]
Thời điểm bắt đầu cháy sớm so với ĐCT [s]
DO PO10 PO20
1 485 0,0017 0,0017 0,0008
2 730 0,0021 0,0016 0,0012
Như vậy, nếu lấy điểm bắt đầu cháy của dầu diesel làm tiêu chuẩn để đánh giá thời điểm bắt đầu cháy của các nhiên liệu hỗn hợp khác sẽ cho thấy:
- Ở chế độ 50% tải (485kW), thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp PO10 khá trùng với thời điểm bắt đầu cháy của dầu diesel; Nhiên liệu PO20 có thời điểm bắt đầu cháy chậm hơn so với dầu diesel hơn 2 lần (0,0008s);
- Ở chế độ tải 75% (730kW), thời điểm bắt đầu cháy của các loại nhiên liệu hỗn hợp không giống như trường hợp tải nhỏ, mà bắt đầu có sự phân hóa cao hơn.
Cụ thể, thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp PO10 không trùng với dầu diesel nữa, mà chậm hơn khoảng 1,31 lần, còn PO20 chậm hơn so với dầu diesel là 1,75 lần.
Sự cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau là hoàn toàn phù hợp với cơ chế làm việc của động cơ diesel với dầu diesel và nhiên liệu hỗn hợp được thử nghiệm.
Tuy có sự khác biệt về sự cháy trễ giữa các loại nhiên liệu với nhau khi so sánh với
)
d(DO
) 10
d(PO
) 20 (PO
d
TDC
Hình 4.5. Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải
dầu diesel, nhưng về giá trị tuyệt đối (được tính bằng phần nghìn của giây) thì rất nhỏ, không gây ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ diesel thủy.
Bên cạnh đó, sự khác biệt về thời điểm bắt đầu cháy ở chế độ tải cao so với chế độ tải thấp hơn là hoàn toán đúng qui luật, bởi ở chế độ tải cao sự chuẩn bị nhiên liệu cho quá trình cháy hoàn thiện hơn, nhiên liệu bắt đầu cháy sớm hơn và sự khác biệt giữa thời điểm bắt đầu cháy của các nhiên liệu hỗn hợp so với dầu diesel càng rõ nét hơn.
Để thấy được sự khác nhau về thời điểm bắt đầu cháy cũng như diễn biến quá trình cháy thực tế xảy ra trong xi lanh, có thể nghiên cứu thông qua các hình ảnh ghi lại bằng hệ thống thiết bị quan sát VisioScope như trên hình 4.6 và 4.7.
Hình 4.6. Thời điểm bắt đầu quá trình cháy nhiên liệu trong xi lanh
Hình 4.7. Thời điểm cháy lớn nhất trong xi lanh
Có thế thấy rằng, thời điểm cháy muộn dần xảy ra khi tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp tăng lên. Trên hình 4.18, cũng cho thấy, tại các thời điểm cháy lớn nhất trong xi lanh, PO20 vẫn không cháy hoàn toàn và sinh ra nhiều khói do thành phần mỡ trong dầu cọ cháy không hết. Điều này sẽ dẫn đến tạo muội, gây tắc vòi phun và các sự cố kỹ thuật khác.
4.4.2.3. Áp suất phun nhiên liệu vào động cơ
Việc đo quá trình thay đổi áp suất phun nhiên liệu vào động cơ sẽ giúp đánh giá được sự ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp (trong đó có thành phần dầu cọ) đến quá trình thay đổi áp suất phun nhiên liệu, đến thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun và lưu lượng phun nhiên liệu vào động cơ. Trên hình 4.8 biểu thị áp suất phun nhiên liệu vào trong xi lanh của động cơ.
Hình 4.8. Áp suất phun nhiên liệu
Trên cơ sở các thông số đo đạc được, tách các thông số đặc trưng như: thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu, thời điểm kết thúc phun nhiên liệu, thời lượng phun nhiên liệu và áp suất phun nhiên liệu như được thể hiện trên bảng 4.10 và bảng 4.11.
Bảng 4.10. Thời điểm và áp suất phun nhiên liệu vào động cơ CHẾ
ĐỘ TẢI [kW]
Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu
[oGQTK]
Thời điểm kết thúc phun nhiên liệu
[oGQTK]
Tổng thời gian phun [oGQTK]
DO PO10, PO20 DO PO10, PO20 DO PO10, PO20
485 -12,2 -10,2 0,5 2,8 12,7 13,0
730 -11,2 -9,2 4,2 6,6 15,4 15,8
Bảng 4.11. Thời điểm và giá trị cực đại của áp suất phun nhiên liệu ÁP SUẤT PHUN NHIÊN LIỆU [bar]
CHẾ ĐỘ TẢI
[kW]
LOẠI NHIÊN LIỆU & THỜI ĐIỂM ĐẠT ÁP SUẤT CAO NHẤT
DO PO10 PO20
Áp suất Thời điểm Áp suất Thời điểm Áp suất Thời điểm
485 314 -7,2 305 -6,2 300 -6,2
730 495 -1,2 486 -0,2 472 -0,2
Từ các số liệu của bảng 4.10 và 4.11 cho thấy:
- Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu đối với dầu diesel (DO) sớm hơn 2 [oGQTK]
so với các hỗn hợp nhiên liệu PO10 và PO20;
- Áp suất phun nhiên liệu lớn nhất đối với các loại nhiên liệu là khác nhau và thời điểm đạt giá trị áp suất phun lớn nhất cũng khác nhau (Bảng 4.11). Áp suất phun lớn nhất đối với dầu diesel ở chế độ 50% tải là 314 bar, trong khi đối với PO20 chỉ là 300 bar.
4.4.2.4. Đánh giá sự thay đổi của lưu lượng phun nhiên liệu
Áp dụng công thức (2.63) tính toán lượng nhiên liệu cấp vào động cơ khác nhau đối với các loại nhiên liệu khác nhau ở cùng chế độ vòng quay định mức của động cơ cho kết quả trên bảng 4.12.
Bảng 4.12. Lượng cấp nhiên liệu theo lý thuyết đối với mỗi loại nhiên liệu TỐC ĐỘ
[v/ph]
LƯỢNG NHIÊN LIỆU CẤP VÀO ĐỘNG CƠ
GHI CHÚ
DO PO10 PO20
340 53,88 54,25 54,68 g/s
340 3,1 3,12 3,15 g/chu trình
Sự khác nhau so
với DO (%) - 0,68 1,50
Bảng 4.13 cho thấy các số liệu đo đạc lượng phun nhiên liệu của vòi phun từ thiết bị cân bơm cao áp tại phòng thí nghiệm của Khoa Máy, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
Bảng 4.13. Lượng cấp nhiên liệu theo đo đạc đối với mỗi loại nhiên liệu Lượng nhiên liệu
phun/lần (chu trình), [g]
Loại nhiên liệu
DO PO10 PO20
Q [g] 3,14 3,15 3,17
Sự khác nhau so với nhiên
liệu DO [%] 0 0,38 0,82
Từ kết quả này có thể thấy được xu hướng biến thiên lưu lượng phun của các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu diesel, với tỷ lệ dầu cọ càng cao trong hỗn hợp thì lưu lượng phun càng lớn.
Hình 4.9. Sự sai khác lưu lượng phun so với nhiên liệu DO
4.4.2.5. Đặc tính tỏa nhiệt của động cơ
Trên hình 4.10 ghi lại lượng nhiệt tỏa ra khi nhiên liệu bị đốt cháy trong động cơ diesel 6UL32 ở các chế độ tải thử nghiệm (50% và 75% tải).
Từ kết quả này, cho thấy:
- Ở cả hai chế độ 50% và 75% tải, lượng nhiệt tỏa ra của dầu diesel trong xi lanh của động cơ là cao nhất và giảm dần theo tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu pha trộn. Sự khác biệt này hoàn toàn phù hợp với diễn biến khi nghiên cứu lý thuyết.
- Ở chế độ tải càng lớn, sự thay đổi lượng nhiệt tỏa ra đối với các loại hỗn hợp nhiên liệu có tỷ lệ dầu cọ dưới 10% là không nhiều và tương đương nhau.
Hình 4.10. Nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu
4.4.2.6. Hàm lượng chất độc hại trong khí thải động cơ diesel
Để đánh giá những ảnh hưởng tới môi trường khi sử dụng nhiên liệu thay thế, cần xem xét kết quả đo đạc và phân tích thành phần các chất độc hại như: NOx, CO, CO2, HC, trong đó đặc biệt lưu ý đến thành phần NOx, vì đây là thành phần gây ảnh hưởng rất lớn đến môi trường. Về vấn đề này, Công ước MARPOL 73/78 của Tổ chức Hàng hải Quốc tế đã đưa thành Phụ lục VI và yêu cầu các nước thành viên từng bước phải tuân thủ. Phụ lục VI đã qui định mức giới hạn phát thải cho phép lớn nhất đối với động cơ diesel thủy như trên bảng 4.14.
Bảng 4.14. Tiêu chuẩn về NOx trong khí thải động cơ diesel thủy [3]
LOẠI ĐỘNG CƠ TIÊU CHUẨN QUI ĐỊNH VỀ NOx [g/kW.h]
THEO IMO ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ 6UL32
n<130v/p 17,0 Động cơ 6LU32 với vòng quay định mức là 320v/p; tiêu chuẩn về NOx
là:14,19 [g/kW.h]
130<n<2000 v/p 45.n-2 n>=2000 v/p 9,8
Quá trình đo đạc hàm lượng các chất khí độc hại có trong khí thải khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau được thực hiện khi cho động cơ hoạt động ở chế độ 50%
tải thu được số liệu như trên bảng 4.15 và hình 4.11.
Bảng 4.15. Hàm lượng chất NOx trong khí thải động cơ diesel 6LU32 HÀM LƯỢNG NOx TRONG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ
DO PO10 PO20
ppm g/kWh ppm g/kWh Ppm g/kWh
940,45 19,4 894,06 18,6 576,62 13,6
Qua phân tích các thông số này, có thể rút ra kết luận:
- Hàm lượng chất NOx trong khí thải khi sử dụng dầu diesel cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp (đạt 19,4 g/kW.h). Khi sử dụng PO20, nồng độ NOx đạt tiêu chuẩn của IMO (13,6 g/kW.h so với tiêu chuẩn là 14,19 g/kW.h);
- Hàm lượng các chất CO2, CO và HC cũng đạt giá trị thấp khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp PO20, còn các loại hỗn hợp nhiên liệu khác tương đương với trường hợp của dầu diesel. Mức phát thải các thành phần này giảm do hỗn hợp nhiên liệu có chứa sẵn lượng nguyên tử ô xy trong phân tử dầu cọ nên nhiên liệu cháy kiệt hơn.
Tóm lại, nếu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp với thành phần nhiên liệu sinh học cao sẽ cải thiện được chất lượng khí xả thải ra môi trường với nồng độ NOx thấp hơn nhiều so với khi sử dụng dầu diesel. Đây chính là một trong những giải pháp để xử lý các động cơ diesel thủy đang được lắp đặt và sử dụng trên nhiều con tàu đạt được chất lượng khí thải theo tiêu chuẩn của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO).