Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tương thích vật liệu động cơ diesel

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:152

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài là nghiên cứu đề xuất tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới phù hợp với nhiên liệu diesel đang lưu hành và nghiên cứu bước đầu với nhiên liệu biodiesel B5; đánh giá khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel với nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới; nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động cơ diesel đang lưu hành.... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tương thích vật liệu động cơ diesel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hữu Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM TỚI TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT, PHÁT THẢI VÀ TƯƠNG THÍCH VẬT LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hữu Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM TỚI TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT, PHÁT THẢI VÀ TƯƠNG THÍCH VẬT LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM HỮU TUYẾN Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài độc lập cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng cho động cơ diesel“, mã số ĐTĐLCN.03/16, do GS.TS Vũ Thị Thu Hà là chủ nhiệm đề tài, Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ lọc hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam chủ trì, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội phối hợp thực hiện. Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài độc lập cấp Nhà nước vào việc viết luận án. Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2020 Giảng viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Phạm Hữu Tuyến Nguyễn Hữu Tuấn i
GIẤY XÁC NHẬN CỦA CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ii
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo - Bộ phận đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong, Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như luôn hỗ trợ, giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài ĐTĐLCN.03/16, Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ lọc hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam đã luôn giúp đỡ và đồng ý cho tôi sử dụng một số kết quả nghiên cứu của đề tài để thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy Lợi, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí, Bộ môn Kỹ thuật hệ thống công nghiệp và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Tuấn iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i GIẤY XÁC NHẬN CỦA CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ................................................. ii LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... iii MỤC LỤC ............................................................................................................. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................. xiii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 i. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 1 ii. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2 iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 2 iv. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 3 v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ........................................................... 3 vi. Tính mới của đề tài ....................................................................................... 3 vii. Các nội dung chính luận án .......................................................................... 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU DIESEL ........... 5 1.1 Đặc điểm tính chất nhiên liệu diesel ............................................................ 5 1.1.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 5 1.1.2 Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel .............................................. 6 1.1.3 Ảnh hưởng của một số thông số chính của nhiên liệu diesel tới chất lượng hoạt động của động cơ ............................................................................. 7 1.2 Nhiên liệu diesel sinh học ............................................................................ 8 1.2.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học ......................................... 8 1.2.2 Chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu diesel sinh học ...................................... 9 1.3 Phụ gia cho nhiên liệu diesel ...................................................................... 11 1.3.1 Giới thiệu chung .................................................................................. 11 1.3.2 Phụ gia vi nhũ nước trong dầu cho nhiên liệu diesel .......................... 13 1.3.3 Phụ gia nano oxit kim loại/ kim loại cho nhiên liệu diesel ................. 15 1.3.4 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới ................................................................... 16 1.4 Các công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia vi nhũ .. 18 1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới ............................................................... 18 1.4.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam .............................................................. 24 1.5 Kết luận chương 1 ...................................................................................... 27 iv
CHƯƠNG 2 PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU PHA PHỤ GIA TỚI MỘT SỐ CHI TIẾT CỦA ĐỘNG CƠ ................................................................................................................ 28 2.1 Giới thiệu chung ......................................................................................... 28 2.2 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam ........................................ 29 2.2.1 Chất hoạt động bề mặt ........................................................................ 29 2.2.2 Phụ gia vi nhũ nước trong dầu ............................................................ 29 2.2.3 Phụ gia nano oxit kim loại .................................................................. 31 2.3 Đánh giá khả năng phù hợp khi kết hợp tạo phụ gia vi nhũ thế hệ mới .... 32 2.4 Lựa chọn tỷ lệ các thành phần trong phụ gia vi nhũ thế hệ mới ................ 34 2.4.1 Chọn dầu diesel ................................................................................... 34 2.4.2 Lựa chọn tỷ lệ các thành phần ............................................................ 34 2.4.3 Phương pháp và quy trình phối trộn ................................................... 38 2.5 Đánh giá chất lượng phụ gia pha vào nhiên liệu diesel ............................. 39 2.5.1 Đánh giá chất lượng từng phụ gia ....................................................... 39 2.5.2 Đánh giá chất lượng diesel pha phụ gia .............................................. 40 2.6 Đánh giá tương thích vật liệu ..................................................................... 42 2.6.1 Phương pháp đánh giá ......................................................................... 42 2.6.1.1 Các tiêu chuẩn đánh giá tương thích vật liệu ............................... 42 2.6.1.2 Xây dựng quy trình thử nghiệm tương thích vật liệu ................... 43 2.6.2 Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm .............................................. 44 2.6.2.1 Thiết bị phục vụ trong đánh giá ................................................... 44 2.6.2.2 Các chi tiết sử dụng trong đánh giá .............................................. 44 2.6.3 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới các chi tiết .......................................................................................................................... 46 2.6.3.1 Đánh giá ngoại quan và cấu trúc tế vi .......................................... 46 2.6.3.2 Đánh giá sự thay đổi khối lượng .................................................. 47 2.7 Kết luận chương 2 ...................................................................................... 49 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU PHA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI ........................................................ 50 3.1 Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost .......................... 50 3.1.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất ................................................. 50 3.1.2 Mô hình cháy ...................................................................................... 51 3.1.3 Mô hình truyền nhiệt ........................................................................... 55 3.1.3.1 Truyền nhiệt trong xy lanh ........................................................... 55 3.1.3.2 Trao đổi nhiệt trên thành xy lanh ................................................. 56 3.1.3.3 Trao đổi nhiệt tại cửa nạp và cửa thải .......................................... 56 3.1.4 Mô hình tính chuyển vị piston ............................................................ 57 3.1.5 Mô hình nạp thải ................................................................................. 58 3.1.6 Mô hình lọt khí .................................................................................... 58 v
3.1.7 Mô hình tính toán hàm lượng các thành phần phát thải ...................... 58 3.1.7.1 Mô hình tính lượng phát thải NOx ............................................... 59 3.1.7.2 Mô hình tính lượng phát thải bồ hóng (soot) ............................... 59 3.1.7.3 Phát thải CO ................................................................................. 60 3.1.8 Mô hình nhiên liệu .............................................................................. 60 3.2 Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu diesel pha phụ gia .................................................................................................................. 61 3.2.1 Đối tượng mô phỏng ........................................................................... 61 3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng ............................................................. 62 3.3 Kết quả tính toán mô phỏng ....................................................................... 64 3.3.1 Đánh giá độ chính xác mô hình .......................................................... 65 3.3.1.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ............................. 65 3.3.1.2 Áp suất xy lanh............................................................................. 67 3.3.1.3 Phát thải ........................................................................................ 68 3.3.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia ............................................... 69 3.3.2.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ........................................... 70 3.3.2.2 Phát thải động cơ .......................................................................... 71 3.3.2.3 Đặc tính của quá trình cháy.......................................................... 75 3.3.2.4 Tốc độ hình thành phát thải động cơ ............................................ 79 3.4 Kết luận chương 3 ...................................................................................... 80 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................. 82 4.1 Thử nghiệm động cơ trong PTN ................................................................ 82 4.1.1 Mục đích thử nghiệm .......................................................................... 82 4.1.2 Trang thiết bị thử nghiệm.................................................................... 82 4.1.3 Đối tượng và quy trình thử nghiệm động cơ trong PTN ..................... 84 4.1.3.1 Động cơ và nhiên liệu thử nghiệm ............................................... 84 4.1.3.2 Quy trình thử nghiệm ................................................................... 85 4.1.4 Kết quả thử nghiệm ............................................................................. 85 4.1.4.1 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia với nhiên liệu DO .. 85 4.1.4.2 Kết quả diễn biến áp suất trong xy lanh và số hạt PM trong khí thải với nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 ................................................. 92 4.1.4.3 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 theo đặc tính tải ........................................................................................................... 94 4.1.4.4 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia với nhiên liệu B5 ... 96 4.1.4.5 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B5, B5-phụ gia 1/8000 theo đặc tính tải ......................................................................................................... 100 4.2 Thử nghiệm hiện trường .......................................................................... 102 4.2.1 Quy trình và trang thiết bị thử nghiệm .............................................. 102 4.2.1.1 Quy trình thử nghiệm ................................................................. 102 4.2.1.2 Đối tượng thử nghiệm ................................................................ 104 4.2.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm ........................................................... 105 4.2.2 Kết quả thử nghiệm ........................................................................... 105 vi
4.2.2.1 Kết quả thử nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu hao ...................... 105 4.2.2.2 Kết quả thử nghiệm đo phát thải ................................................ 106 4.3 Kết luận chương 4 .................................................................................... 108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................ 110 Kết luận .......................................................................................................... 110 Hướng nghiên cứu tiếp theo ........................................................................... 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 113 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 1 Phụ lục 1 Các trang thiết bị thử nghiệm ............................................................. 1 Phụ lục 2 Kết quả mô phỏng động cơ .............................................................. 13 Phụ lục 3 Kết quả thử nghiệm động cơ ............................................................ 14 Phụ lục 4 Một số hình ảnh thử nghiệm ............................................................ 18 vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Ký hiệu bằng chữ cái La tinh Ký hiệu Giải thích Đơn vị p Áp suất xy lanh bar Ne Công suất kW Me Mômen N.m n Tốc độ động cơ Vòng/phút ge Suất tiêu hao nhiên liệu g/kWh T-Exh Nhiệt độ khí xả 0 C CO Mônôxit cácbon ppm HC Hydrocacbon ppm NOx Ôxit nitơ ppm CO2 Cácbonníc ppm PM Chất thải dạng hạt – Particulate Matter ppm Soot Phát thải bồ hóng mg/m3 2. Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp Ký hiệu Giải thích Đơn vị  Góc quay trục khuỷu độ  Hệ số dư lượng không khí -  Khối lượng riêng kg/m3  Tỷ số nén - 3. Các chữ viết tắt Ký hiệu Giải thích Tiếng Anh DO Nhiên liệu diesel khoáng TN Thực nghiệm MP Mô phỏng ĐCT Điểm chết trên ĐCD Điểm chết dưới PTN Phòng thí nghiệm HĐBM Hoạt động bề mặt HCCI Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất Homogeneous Charge Compression Ignition EGR Luân hồi khí xả Exhaust Gas Recirculation CRT Bẫy hạt tái sinh liên tục Continously Regenerating Trap CR Hệ thống phun nhiên liệu tích áp Common Rail SCR Thiết bị khử chọn lọc bằng xúc tác Selective Catalytic Reduction DOC Xử lý oxy hóa Diesel Oxidation Catalyst viii
DPF Lọc muội than Diesel Particulate Filter B Nhiên liệu diesel sinh học Biodiesel B5 Nhiên liệu 95% dầu diesel + 5% biodiesel BMEP Áp suất có ích trung bình Brake Mean Effective Pressure BSEC Suất tiêu hao năng lượng Brake Specific Eenergy Consumption BSFC Suất tiêu hao nhiên liệu Brake Specific Fuel Consumption LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng Liquefied Petroleum Gas BKHCN Bộ Khoa học công nghệ BTNMT Bộ Tài nguyên môi trường TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN Quy chuẩn Việt Nam ASTM Hiệp hội tiêu chuẩn về thử nghiệm American Society for Testing và vật liệu Hoa Kỳ and Materials EN Tiêu chuẩn Châu Âu European Standard EPA Cơ quan bảo vệ môi trường (Hoa Environmental Protection Kỳ) Agency TUV Cơ quan kiểm định kỹ thuật (Đức) Technischer Überwachungsverein mCERTs Cơ quan Chứng nhận Giám sát Môi Monitoring Certification trường (Anh) Scheme W/O Nước trong Dầu Water/Oil O/W Dầu trong Nước Oil/Water ppm Phần triệu Part per million A/F Tỷ lệ không khí/nhiên liệu Air/Fuel ETB Băng thử động lực học động cơ High Dynamic Engine Testbed CEBII Tủ phân tích khí thải Combustion Emission Bench IDI Buồng cháy ngăn cách Indirect Injection ECU Bộ điều khiển điện tử Electronic Control Unit HEUI Vòi phun điều khiển thủy lực điện Hydraulic Electronic Unit từ. Injector TEM Kính hiển vi điện tử Transmission Electron Microscopy DLS Phương pháp tán xạ động Dynamic Light Scattering LSU Cảm biến Lambda Lambda Sensor Unit MCC Mô hình cháy có điều khiển hỗn hợp Mixing Controlled Combustion DiSCmini Bộ đếm hạt Diffusion Size Classifier Miniature ix
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của nhiên liệu diesel theo QCVN 01:2015/BKHCN [8] .................................................................................................. 6 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn diesel sinh học Châu Âu và Mỹ ........................................... 9 Bảng 1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản cho nhiên liệu diesel B5 [8] .................... 10 Bảng 1.4 So sánh nhiên liệu nhũ tương và phụ gia vi nhũ nước trong dầu ......... 15 Bảng 2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng nước trong phụ gia với chất HĐBM lựa chọn .................................................................................................................................. 30 Bảng 2.2 Độ bền và kích thước phụ gia nano oxit sắt ......................................... 31 Bảng 2.3 Các tính chất của phụ gia chứa nano oxit sắt ....................................... 32 Bảng 2.4 Kết quả thử nghiệm độ bền nhiên liệu diesel khi phối trộn phụ gia nano oxit sắt vào dầu DO .................................................................................................. 32 Bảng 2.5 Đánh giá ngoại quan và kích thước hạt nhũ với các tỷ lệ khác nhau của các phụ gia trong phụ gia vi nhũ thế hệ mới ............................................................ 33 Bảng 2.6 Ngoại quan và kích thước hạt nhũ nhiên liệu pha phụ gia nano oxit sắt với các tỷ lệ phối trộn khác nhau .............................................................................. 34 Bảng 2.7 Ngoại quan và kích thước hạt nhũ nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ nước trong dầu với các tỷ lệ phối trộn khác nhau ............................................................. 35 Bảng 2.8 Ngoại quan và kích thước hạt nhũ nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới với các tỷ lệ phối trộn khác nhau ...................................................................... 36 Bảng 2.9 Yêu cầu về nguyên liệu phối trộn ......................................................... 38 Bảng 2.10 Tính chất mẫu phụ gia vi nhũ nước trong dầu .................................... 39 Bảng 2.11 Tính chất mẫu phụ gia vi nhũ thế hệ mới ........................................... 39 Bảng 2.12 Chỉ tiêu chất lượng, tính chất nhiên liệu diesel và diesel pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới .......................................................................................................... 40 Bảng 2.13 Hàm lượng Fe-Mn và hàm lượng nhựa thực tế của mẫu dầu DO có phụ gia và dầu DO ........................................................................................................... 41 Bảng 2.14 Bảng tiến trình đo thử nghiệm ............................................................ 44 Bảng 2.15 Sự thay đổi khối lượng của các mẫu chi tiết thử nghiệm ................... 48 Bảng 3.1 Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải [46] ...... 57 Bảng 3.2 Phản ứng hình thành phát thải NOx [46] .............................................. 59 Bảng 3.3 Thông số cơ bản của động cơ D4BB theo catalog [51] ........................ 61 Bảng 3.4 Các phần tử xây dựng mô hình động cơ D4BB .................................... 63 Bảng 3.5 Một số thông số định nghĩa nhiên liệu diesel [46] ............................... 63 Bảng 3.6 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình xác định từ thực nghiệm với nhiên liệu DO............................................................................................................ 65 Bảng 3.7 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình xác định từ thực nghiệm với nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 .................................................................................. 65 Bảng 3.8 Giá trị và sai lệch công suất của nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 .. 66 Bảng 3.9 Giá trị và sai lệch suất tiêu hao nhiên liệu của nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 ................................................................................................................. 67 Bảng 3.10 Giá trị và sai lệch các phát thải của nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 .................................................................................................................................. 68 Bảng 3.11 Thông số điều chỉnh khi mô phỏng đối với từng tỷ lệ pha phụ gia .... 69 x
Bảng 3.12 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình trong tính toán đánh giá đối chứng ........................................................................................................................ 70 Bảng 3.13 Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia ... 70 Bảng 3.14 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO- phụ gia ...................................................................................................................... 70 Bảng 3.15 Phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia .................................................................................................................................. 71 Bảng 3.16 Phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia .................................................................................................................................. 72 Bảng 3.17 Phát thải độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia ............................................................................................................................. 73 Bảng 4.1 Một số tính chất chính của diesel khoáng và diesel sinh học sử dụng trong nghiên cứu ................................................................................................................ 84 Bảng 4.2 Sự thay đổi giá trị công suất (Ne) của động cơ khi sử dụng nhiên liệu với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ........................................................ 86 Bảng 4.3 Sự thay đổi giá trị suất tiêu hao nhiên liệu (ge) của động cơ khi sử dụng nhiên liệu với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ................................. 86 Bảng 4.4 Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải .................................................. 89 Bảng 4.5 Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ khi sử dụng nhiên liệu với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải .................................................. 90 Bảng 4.6 Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải .................................................. 90 Bảng 4.7 Sự thay đổi độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải .............................................................................. 90 Bảng 4.8 Kết quả cải thiện số hạt của DO và DO-phụ gia tỷ lệ 1/8000 theo đường đặc tính ngoài............................................................................................................ 93 Bảng 4.9 Suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải của các nhiên liệu thử nghiệm theo chế độ tải ........................................................................................................... 94 Bảng 4.10 Sự thay đổi giá trị công suất (Ne) của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ............................................. 97 Bảng 4.11 Sự thay đổi giá trị suất tiêu hao nhiên liệu (ge) của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ............................ 97 Bảng 4.12 Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ............................................. 99 Bảng 4.13 Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ............................................. 99 Bảng 4.14 Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải...................................... 99 Bảng 4.15 Sự thay đổi hàm lượng độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ................................................ 100 Bảng 4.16 Suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải của các nhiên liệu thử nghiệm theo chế độ tải ......................................................................................................... 101 Bảng 4.17 Thông số cơ bản động cơ CAT 3408E [59]...................................... 104 Bảng 4.18 Sự thay đổi lượng nhiên liệu tiêu hao khi sử dụng nhiên liệu DO và DO- phụ gia 1/8000 ở chế độ tĩnh .................................................................................. 106 xi
Bảng 4.19 Sự thay đổi trung bình lượng nhiên liệu tiêu hao ở xe số 1 với nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 ở chế độ động .............................................................. 106 Bảng 4.20 Sự thay đổi trung bình lượng nhiên liệu tiêu hao ở xe số 2 với nhiên liệu DO và DO-Phụ gia 1/8000 ở chế độ động ............................................................. 106 Bảng 4.21 Sự thay đổi trung bình lượng phát thải xe số 1 với nhiên liệu DO và DO-Phụ gia 1/8000 ................................................................................................. 107 Bảng 4.22 Sự thay đổi trung bình lượng phát thải xe số 2 với nhiên liệu DO và DO-Phụ gia 1/8000 ................................................................................................. 108 xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nhu cầu, dự báo sản phẩm dầu khu vực châu Á – Thái Bình Dương và Việt Nam giai đoạn 2000  2035 [4, 5] ...................................................................... 5 Hình 1.2 Quá trình phun nhiên liệu và cấu tạo phụ gia nước trong dầu (W/O) [13, 14] ............................................................................................................................. 13 Hình 1.3 Cơ chế vi nổ của nhiên liệu diesel pha phụ gia nước trong dầu W/O [14] .................................................................................................................................. 14 Hình 1.4 Chuỗi phân tử nano CeO2 [18] .............................................................. 16 Hình 1.5 Cơ chế vi nổ của nhiên liệu vi nhũ nước trong dầu, chứa nano oxit kim loại [21]..................................................................................................................... 17 Hình 1.6 Sơ đồ khối pha trộn nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới ................................. 18 Hình 1.7 Suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải NOx với các nhiên liệu thử nghiệm [24]............................................................................................................................ 19 Hình 1.8 Kết quả phát thải đối với các nhiên liệu có hàm lượng nước khác nhau [22]............................................................................................................................ 19 Hình 1.9 Suất tiêu hao năng lượng và áp suất trong xy lanh nhiên liệu thử nghiệm [25]............................................................................................................................ 20 Hình 1.10 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo đường đặc tính ngoài [26] 21 Hình 1.11 Kết quả thử nghiệm ảnh hưởng của phụ gia trên cơ sở kim loại [27] 22 Hình 1.12 Suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx, CO tại tốc độ 2000 vòng/phút [28]............................................................................................................................ 22 Hình 1.13 Ảnh hưởng của nồng độ phụ gia nano oxit sắt tới suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải động cơ ở tải trọng khác nhau [29]......................................... 23 Hình 1.14 Kết quả thử nghiệm ảnh hưởng của phụ gia CeO2 tới nhiên liệu W/O [21]............................................................................................................................ 24 Hình 1.15 Mức độ cải thiện các thông số khảo sát với phụ gia CeO2 [35] .......... 25 Hình 1.16 Mức độ cải thiện hiệu quả khi thử nghiệm [38] .................................. 26 Hình 2.1 Quy trình chế tạo, lựa chọn tỷ lệ các phụ gia thành phần và đánh giá chất lượng phụ gia vi nhũ thế hệ mới ............................................................................... 28 Hình 2.2 Mô tả cấu tạo chất HĐBM và minh họa xu hướng tạo đám (mixen) trong phụ gia vi nhũ nước trong dầu .................................................................................. 29 Hình 2.3 Ảnh TEM của mẫu phụ gia chứa oxit sắt và chai mẫu chứa phụ gia nano oxit sắt....................................................................................................................... 31 Hình 2.4 Hàm lượng nước trong các mẫu nhiên liệu ........................................... 36 Hình 2.5 Hàm lượng Fe-Mn trong các mẫu nhiên liệu pha phụ gia .................... 37 Hình 2.6 Hàm lượng nhựa thực tế trong các mẫu nhiên liệu pha phụ gia ........... 37 Hình 2.7 Hình ảnh các mẫu DO pha phụ gia ....................................................... 38 Hình 2.8 Dải phân bố kích thước hạt nhũ nước của mẫu nhiên liệu pha phụ gia 41 Hình 2.9 Các chi tiết thử nghiệm ......................................................................... 45 Hình 2.10 Lọ đựng mẫu gioăng khi bắt đầu thử nghiệm và sau khi thử nghiệm. 45 Hình 2.11 Lọ đựng piston bơm cao áp khi bắt đầu thử nghiệm và sau khi thử nghiệm ...................................................................................................................... 46 Hình 2.12 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử piston bơm cao áp ................................................................................................................ 46 xiii
Hình 2.13 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử gioăng làm kín ...................................................................................................................... 47 Hình 2.14 Đồ thị tăng khối lượng chi tiết so với 0h ............................................ 49 Hình 3.1 Cân bằng năng lượng trong xy lanh ...................................................... 50 Hình 3.2 Các giai đoạn quá trình cháy [47] ......................................................... 52 Hình 3.3 Sơ đồ tính chuyển vị piston ................................................................... 57 Hình 3.4 Kết quả thử nghiệm Ne, Me theo đường đặc tính ngoài động cơ D4BB 62 Hình 3.5 Mô hình động cơ D4BB ........................................................................ 62 Hình 3.6 Sơ đồ khối tính toán mô phỏng ............................................................. 64 Hình 3.7 So sánh kết quả công suất của mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 .............................................................................................. 66 Hình 3.8 So sánh kết quả suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000....................................................................... 67 Hình 3.9 So sánh kết quả áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 tại tốc độ 2000 vòng/phút ............................................. 68 Hình 3.10 So sánh kết quả các phát thải của mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 tại tốc độ 2000 vòng/phút ............................................. 68 Hình 3.11 Các thông số điều chỉnh khi mô phỏng với các tỷ lệ khác nhau. ........ 69 Hình 3.12 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu DO và DO-phụ gia theo đường đặc tính ngoài............................................................................................................ 71 Hình 3.13 Phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia 72 Hình 3.14 Phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia .................................................................................................................................. 73 Hình 3.15 Phát thải độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia ............................................................................................................................. 74 Hình 3.16 Mức độ cải thiện hiệu quả khi tính toán mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu diesel pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 ................................................................ 74 Hình 3.17 Diễn biến áp suất xy lanh của nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/ phút và 3500 vòng/phút .............................................................. 75 Hình 3.18 Diễn biến phần nhiên liệu đã cháy của DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút ..................................................................... 75 Hình 3.19 Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút ............................................................... 76 Hình 3.20 Nhiệt độ cháy trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút ..................................................................... 76 Hình 3.21 Tốc độ thay đổi nhiệt độ trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút. ............................................... 77 Hình 3.22 Diễn biến hệ số truyền nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút ................................................ 77 Hình 3.23 Tốc độ truyền nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút ............................................................ 78 Hình 3.24 Tốc độ hình thành phát thải CO trong xy lanh .................................... 79 Hình 3.25 Tốc độ hình thành phát thải NOx trong xy lanh .................................. 79 Hình 3.26 Tốc độ hình thành phát thải Soot trong xy lanh .................................. 80 Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm ............................................................ 83 Hình 4.2 Diễn biến Ne và ge của động cơ theo đường đặc tính ngoài .................. 85 xiv
Hình 4.3 Sự thay đổi trung bình công suất và suất tiêu hao nhiên liệu với các tỷ lệ khác nhau ở chế độ 100% tải .................................................................................... 86 Hình 4.4 Diễn biến phát thải CO, HC, NOx, độ khói của động cơ trên đường đặc tính ngoài .................................................................................................................. 87 Hình 4.5 Vùng hình thành phát thải [54] ............................................................. 88 Hình 4.6 Sơ đồ vi nổ của nhiên liệu diesel và diesel pha phụ gia vi nhũ nước trong dầu [57] ..................................................................................................................... 89 Hình 4.7 Sự thay đổi trung bình các phát thải CO, HC, NOx và độ khói với các tỷ lệ khác nhau ở chế độ 100% tải ................................................................................ 91 Hình 4.8 Mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 91 Hình 4.9 Diễn biến áp suất xy lanh đối với các nhiên liệu thử nghiệm theo đường đặc tính ngoài............................................................................................................ 92 Hình 4.10 Kết quả số hạt và mức độ cải thiện của nhiên liệu DO-phụ gia so với DO theo đường đặc tính ngoài ................................................................................. 93 Hình 4.11 Sự cải thiện hiệu quả ge, các phát thải CO, HC, NOx, độ khói, số hạt theo đặc tính tải......................................................................................................... 95 Hình 4.12 Diễn biến Ne, ge của động cơ nhiên liệu B5 và B5-phụ gia với các tỷ lệ trên đường đặc tính ngoài ......................................................................................... 96 Hình 4.13 Diễn biến phát thải CO, HC, NOx, độ khói của động cơ nhiên liệu B5 trên đường đặc tính ngoài ......................................................................................... 98 Hình 4.14 Mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm nhiên liệu B5-phụ gia 1/8000 ................................................................................................................................ 100 Hình 4.15 Sự thay đổi trung bình ge, các phát thải CO, HC, NOx và độ khói theo đặc tính tải .............................................................................................................. 101 Hình 4.16 Quy trình thử nghiệm đo tiêu hao nhiên liệu .................................... 102 Hình 4.17 Tuyến đường thực hiện thử nghiệm ở chế độ động .......................... 103 Hình 4.18 Quy trình thử nghiệm đo phát thải .................................................... 104 Hình 4.19 Ô tô tải CAT 769D tại hiện trường thử nghiệm. ............................... 104 Hình 4.20 Kết quả thử nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu hao ............................. 105 Hình 4.21 Kết quả thử nghiệm đo phát thải trên ô tô tải CAT 769D ................. 107 Hình 4.22 Mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm tại hiện trường của nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 ................................................................................................. 108 xv
MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Động cơ diesel là nguồn động lực có hiệu suất cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế như xây dựng, công nghiệp, nông nghiệp... và đặc biệt là giao thông vận tải. Đến nay hầu hết các động cơ diesel vẫn đang sử dụng nhiên liệu diesel (dầu DO) có nguồn gốc hóa thạch. Với mức độ phát triển nhanh chóng của các ngành kinh tế ở hầu hết các châu lục trên thế giới, nhu cầu tiêu thụ năng lượng nói chung, nhiên liệu diesel nói riêng ngày càng lớn dẫn tới khả năng thiếu hụt nguồn năng lượng hóa thạch. Bên cạnh đó, khí thải từ động cơ diesel có chứa nhiều chất độc hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Vì vậy, tìm kiếm giải pháp để sử dụng nhiên liệu một cách hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ động cơ diesel là vấn đề đã và đang được quan tâm nghiên cứu. Hiện nay có ba hướng nghiên cứu để giải quyết vấn đề này gồm hướng liên quan đến kết cấu động cơ, xử lý khí thải và nhiên liệu. Hướng liên quan đến kết cấu động cơ gồm công nghệ luân hồi khí xả (Exhaust Gas Recirculation - EGR), công nghệ tăng áp động cơ, hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail (CR), công nghệ điều khiển điện tử, công nghệ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous Charge Compression Ignition - HCCI)... Hướng liên quan đến xử lý khí thải là sử dụng các bộ xúc tác để xử lý các phát thải CO, HC, NOx, muội như các bộ xử lý oxy hóa (Diesel Oxidation Catalyst - DOC), lọc muội than (Diesel Particulate Filter - DPF), khử NOx có chọn lọc (Selective Catalytic Reduction – SCR)... Hai hướng trên đi kèm với giá thành cao và thường phù hợp với các thiết kế động cơ mới, khó can thiệp vào các động cơ có thiết kế cũ, đang vận hành. Hướng nghiên cứu liên quan đến nhiên liệu gồm sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như cồn ethanol, biodiesel, khí sinh học, CNG, DME... hoặc sử dụng phụ gia để cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu truyền thống. Việc sản xuất các loại nhiên liệu thay thế thường yêu cầu công nghệ cao, quy mô lớn để đáp ứng nhu cầu sử dụng dẫn tới chi phí đầu tư và giá thành nhiên liệu cao. Đồng thời, động cơ đốt trong truyền thống khi sử dụng các loại nhiên liệu thay thế nói chung cũng cần có những thay đổi nhất định. Trong khi đó, phụ gia nhiên liệu được phối trộn với tỷ lệ nhỏ trong nhiên liệu, quy mô sản xuất không cần lớn. Bên cạnh đó, nhiên liệu pha phụ gia có thể sử dụng trên động cơ truyền thống mà không cần phải thay đổi kết cấu hoặc điều chỉnh thông số làm việc của động cơ. Cho đến nay, đã có một số loại phụ gia nhiên liệu được ứng dụng trong thực tế nhưng hầu hết được sản xuất ở nước ngoài. Do vậy, nghiên cứu phát triển loại phụ gia nhiên liệu có tính hiệu quả và tính kinh tế cao, có thể sản xuất trong điều kiện Việt Nam là cần thiết. Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là đơn vị phối thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng cho động cơ diesel“, mã số ĐTĐLCN.03/16 do GS.TS Vũ Thị Thu Hà chủ nhiệm, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam chủ trì. Mục tiêu của đề tài (1) nghiên cứu phát triển phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên cơ sở nước, chất hoạt động bề mặt (HĐBM) nguồn gốc tự nhiên và nano oxit kim loại dùng trên động cơ diesel nhằm giảm tiêu 1
thụ nhiên liệu và phát thải độc hại; (2) Xây dựng và làm chủ công nghệ chế tạo phụ gia; (3) Thử nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng sử dụng của phụ gia. Trên cơ sở đó, NCS lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tương thích vật liệu động cơ diesel” nhằm nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn và đánh giá hiệu quả của phụ gia nhiên liệu được chế tạo trong đề tài nghiên cứu nêu trên đối với động cơ diesel đang lưu hành ở Việt Nam. ii. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu đề xuất tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới phù hợp với nhiên liệu diesel đang lưu hành và nghiên cứu bước đầu với nhiên liệu biodiesel B5. - Đánh giá khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel với nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động cơ diesel đang lưu hành. Qua đó đánh giá hiệu quả và khả năng sử dụng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới do Viện Hóa học công nghiệp Việt Nam chế tạo, đây là loại phụ gia vi nhũ nước trong dầu (W/O), thành phần gồm chất HĐBM 10,3%, nước 20% và nano oxit sắt 220ppm. Nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm diesel thông thường và nhiên liệu B5 (hỗn hợp 5% biodiesel và 95% diesel). Động cơ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (PTN) là động cơ diesel D4BB của hãng Hyundai. Thử nghiệm hiện trường thực hiện trên xe ô tô CAT 769D của hãng Caterpillar (Mỹ), sử dụng động cơ CAT 3408E, 4 kỳ, 8 xy lanh, công suất 386kW. - Phạm vi nghiên cứu của luận án: + Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải được thực hiện trong phòng thí nghiệm (mô phỏng và thực nghiệm) ở các chế độ ổn định. + Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới tới vật liệu của một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel. + Nghiên cứu trên hiện trường ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu tới lượng tiêu hao nhiên liệu ở các chế độ tĩnh và động, tới các phát thải động cơ ở chế độ tĩnh. 2