Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến các chỉ tiêu kinh tế

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:183

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án xây dựng được mô hình mô phỏng đủ độ tin cậy, cho phép đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến QLCCNL, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác, mức phát thải NOx, độ khói của động cơ trên cơ sở ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng (Inject32 và Diesel-RK).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến các chỉ tiêu kinh tế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHAN ĐẮC YẾN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHAN ĐẮC YẾN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS, TS Nguyễn Hoàng Vũ 2. TS Nguyễn Trung Kiên HÀ NỘI – NĂM 2015
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi đúng quy định. Tác giả luận án Phan Đắc Yến
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Phòng sau Đại học, Khoa Động lực, Bộ môn Động cơ - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi trong quá trình làm luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn Hoàng Vũ, TS Nguyễn Trung Kiên – Bộ môn Động cơ – Học viện KTQS về những hướng dẫn khoa học và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Nhà máy Z153/Tổng cục Kỹ thuật, Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc-hóa dầu/Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng 1 (Quatest 1), Trung tâm Quốc gia thử nghiệm khí thải Phương tiện cơ giới đường bộ (NETC)/Cục Đăng kiểm Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và hoàn thành phần thực nghiệm của luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc Bộ môn Động cơ- Khoa Động lực- Học viện KTQS và các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động lực trong và ngoài Học viện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho NCS trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Phan Đắc Yến
iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU 1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu 2 Đối tƣợng nghiên cứu 2 Loại nhiên liệu sử dụng 2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3 Bố cục của luận án 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 6 1.1. Biodiesel là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel dầu mỏ 6 1.2. Sự thay đổi thuộc tính của biodiesel so với nhiên liệu diesel dầu mỏ 11 1.3. Ảnh hƣởng của thuộc tính nhiên liệu đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy của động cơ diesel 14 1.3.1. Các nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong 14 động cơ diesel 1.3.2. Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến QLCCNL, quá trình tạo hỗn hợp 15 1.3.3. Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến quá trình cháy và hình thành các 17 chất ô nhiễm 1.4. Các vấn đề cần quan tâm khi sử dụng biodiesel cho động cơ 19 1.4.1. Mức pha trộn và kinh nghiệm sử dụng thực tế 19 1.4.1.1. Với mức pha trộn nhỏ (≤ 5%) 19 1.4.1.2. Với mức pha trộn trung bình (từ 6 đến 20%) 19 1.4.1.3. Với mức pha trộn lớn (trên 20%) 20 1.4.2. Các vấn đề cần quan tâm khi sử dụng biodiesel với mức pha trộn trung bình 20 1.5. Tình hình nghiên cứu ảnh hƣởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lƣợng, môi trƣờng của động cơ diesel 21 1.5.1. Trên thế giới 21
iv 1.5.2. Tại Việt Nam 24 1.6. Kết luận chƣơng 1 29 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƢỢNG, MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 30 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ diesel 30 2.1.1. Mô hình hệ thống phun nhiên liệu dùng BCA kiểu cơ khí truyền thống 30 2.1.2. Tính toán quá trình truyền sóng áp suất trên đường ống cao áp 31 2.1.3. Các phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp và vòi phun 32 2.1.3.1. Phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp 32 2.1.3.2. Phương trình điều kiện biên tại vòi phun 34 2.1.3.3. Hệ phương trình vi phân điều kiện biên 35 2.1.4. Xác định quy luật cung cấp nhiên liệu 36 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác các chỉ tiêu kinh tế, năng lƣợng, của động cơ 37 2.2.1. Mô hình vật lý dùng để tính toán chu trình công tác của động cơ 37 2.2.2. Các phương trình cơ bản tính diễn biến áp suất, nhiệt độ trong xi lanh động cơ diesel 37 2.2.3. Mô hình tính toán quá trình cháy 39 2.2.3.1. Khái quát chung 39 2.2.3.2. Mô hình cháy đa vùng Razleitsev - Kuleshov 40 2.2.4. Mô hình tính trao đổi nhiệt của môi chất với thành vách 47 2.2.5. Tính toán các thông số đánh giá chu trình và chỉ tiêu kinh tế, năng lượng 48 2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán NOx và độ khói k của động cơ 49 2.3.1. Xác định thành phần NOx trong khí thải động cơ 49 2.3.2. Tính toán độ khói khí thải k 51 2.4. Lựa chọn phần mềm tính toán 53 2.4.1. Lựa chọn phần mềm tính toán QLCCNL 53 2.4.2. Lựa chọn phần mềm tính toán chu trình công tác và các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ 55 2.5. Kết luận chƣơng 2 56 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA BIODIESEL B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƢỢNG, MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ B2 57 3.1. Lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu 57
v 3.2. Tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ B2 bằng phần mềm mô phỏng Inject32 58 3.2.1. Hệ thống phun nhiên liệu của động cơ B2 58 3.2.2. Xây dựng mô hình và xác định các thông số đầu vào 59 3.2.3. Thuộc tính của nhiên liệu dùng cho phần mềm Inject32 60 3.2.4. Chế độ, trình tự tính toán và phương pháp đánh giá tác động của B10, B20 đến quy luật cung cấp nhiên liệu 61 3.2.5. Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình tính quy luật cung cấp nhiên liệu 61 3.2.6. Kết quả tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu 63 3.3. Tính toán các quá trình nhiệt động, các chỉ tiêu kinh tế, năng lƣợng, môi trƣờng của động cơ B2 bằng phần mềm mô phỏng Diesel-RK 70 3.3.1. Xây dựng mô hình tính và xác định các thông số đầu vào 70 3.3.2. Chế độ, trình tự tính toán và phương pháp đánh giá tác động của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ B2 72 3.3.3. Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình tính chu trình công tác 73 3.3.4. Kết quả tính toán và nhận xét 75 3.3.4.1. Quá trình hình thành và phát triển tia phun 75 3.3.4.2. Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp và cháy 76 3.3.4.3. Kết quả tính toán các thông số nhiệt động trong xi lanh 82 3.3.4.4. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng 86 3.3.4.5. Tính toán mức phát thải NOx và độ khói k 91 3.4. Kết luận Chƣơng 3 95 CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 96 4.1. Mục đích, chế độ, điều kiện và đối tƣợng thử nghiệm 96 4.1.1. Mục đích 96 4.1.2. Chế độ thực nghiệm 96 4.1.2.1. Xác định các thuộc tính của nhiên liệu 96 4.1.2.2. Xác định lượng nhiên liệu cấp cho chu trình 96 4.1.2.3. Xác định các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường 96 4.1.3. Điều kiện thực nghiệm 96 4.1.4. Đối tượng thực nghiệm 97 4.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 97 4.2.1. Trang thiết bị xác định các thuộc tính của nhiên liệu 97 4.2.2. Trang thiết bị xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình 101
vi 4.2.3. Trang thiết bị xác định ảnh hưởng của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ B2 102 4.2.3.1. Bệ thử động cơ AVL-ETC 102 4.2.3.2. Các hệ thống chính của bệ thử 103 4.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét 110 4.3.1. Xác định các thuộc tính của nhiên liệu 110 4.3.2. Xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình 114 4.3.3. Xác định các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ 116 4.3.4. Xác định mức phát thải NOx và độ khói k của động cơ 117 4.3.5. Nhận xét chung 119 4.4. Đánh giá độ chính xác, tin cậy của các mô hình đã xây dựng 119 4.4.1. Mô hình tính quy luật cung cấp nhiên liệu 119 4.4.2. Mô hình tính các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng 121 4.4.3. Mô hình tính NOx; độ khói k 123 4.5. Kết luận Chƣơng 4 126 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 PHỤ LỤC 139
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị AEA Tổ chức dầu khí ASTM Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials) AVL- Phòng thử nghiệm động cơ hạng nặng (Heavy Duty Engine ETC Test Cell) B0 (DO) Nhiên liệu diesel dầu mỏ Biodiesel Nhiên liệu diesel sinh học Biofuel Nhiên liệu sinh học Bx Nhiên liệu diesel nguồn gốc hóa thạch được hòa trộn với nhiên liệu diesel sinh học, trong đó, B thể hiện là hỗn hợp diesel/biodiesel, x thể hiện tỷ lệ % theo thể tích của diesel sinh học trong hỗn hợp. BCA Bơm cao áp CCKTTT Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền CFR Động cơ diesel thử nghiệm trị số xê tan CNG Khí thiên nhiên CO Ô xít các bon CTCT Chu trình công tác cn Vận tốc pít tông BCA m/s d32 Đường kính trung bình (Sauter) của hạt nhiên liệu ĐCD Điểm chết dưới ĐCĐT Động cơ đốt trong ĐCT Điểm chết trên DME Dimetyl Ete EGR Tuần hoàn khí thải EU Liên minh Châu Âu (European Union) FAME Este metyl a xít béo (Fatty acid methyl esters) gct Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình mg/ct ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g/kW.h GPS Góc phun sớm độ GQTK Góc quay trục khuỷu độ GQTC Góc quay trục cam độ HC Hydrocacbon
viii HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Organization for Standardization) k Độ khói khí thải 1/m KH&CN Khoa học và công nghệ LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng Me Mô men xoắn có ích N.m n Tốc độ vòng quay của trục khuỷu vg/ph nc Tốc độ vòng quay của trục cam bơm cao áp vg/ph NCKH Nghiên cứu khoa học NCS Nghiên cứu sinh Ne Công suất có ích kW NETC Trung tâm quốc gia thử nghiệm khí thải phương tiện cơ giới đường bộ (National Emission Testing Center for Vehicle) NLSH Nhiên liệu sinh học NOx Các Ô xít Ni tơ PM Chất thải dạng hạt (Particulates Matter) PTCGĐB Phương tiện cơ giới đường bộ PTCGQS Phương tiện cơ giới quân sự PTCN Phát triển công nghệ PTN Phòng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu QTCN Quy trình công nghệ Quatest 1 Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1 TCCS Tiêu chuẩn cơ sở TCKT Tổng cục kỹ thuật TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TSKT Tiến sĩ kỹ thuật VP Vòi phun hp Độ nâng pít tông BCA mm hk Độ nâng van cao áp mm y Độ nâng kim phun mm p’ Áp suất phun nhiên liệu (áp suất khoang miệng vòi phun) MPa
ix q Tốc độ phun nhiên liệu ml/s Vinj Vận tốc nhiên liệu ở đầu ra lỗ phun của vòi phun m/s pinj Áp suất nhiên liệu trước lỗ phun bar SDllute Phần nhiên liệu trong vùng loãng ngoài vỏ tia phun và % mass trong vùng loãng bên ngoài dòng sát vách buồng cháy SSprCore Phần nhiên liệu trong lõi tia phun % mass SFront Phần nhiên liệu phía trước lõi tia phun % mass SCoreNWF Phần nhiên liệu trong lõi tia phun sát thành buồng cháy % mass SCrosNWF Phần nhiên liệu vùng ngoài lõi của tia phun sát thành % mass buồng cháy SHead Phần nhiên liệu của tia phun bắn lên nắp xi lanh % mass SLiner Phần nhiên liệu của tia phun trên thành xi lanh % mass  Hệ số dư lượng không khí id Thời gian cháy trễ Độ GQTK z Khoảng thời gian cháy Độ GQTK dx/d Tốc độ cháy 1/độ GQTK xb Quy luật cháy Tburn Nhiệt độ vùng cháy K dQc/d Tốc độ tỏa nhiệt J/độ GQTK pxl Áp suất trong xi lanh bar pxl max Áp suất lớn nhất trong xi lanh bar Txl Nhiệt độ trong xi lanh K Txl max Nhiệt độ lớn nhất trong xi lanh K dp/d Tốc độ tăng áp suất trong xi lanh Bar/độ GQTK pi Áp suất chỉ thị trung bình bar pe Áp suất có ích trung bình bar m Hiệu suất cơ khí của động cơ % i Hiệu suất chỉ thị của động cơ e Hiệu suất có ích của động cơ % dk/d Tốc độ hình thành độ khói 1/độ GQTK Ngoài ra, còn một số từ viết tắt và ký hiệu được sử dụng và diễn giải trong các Chương tương ứng của luận án và phần Phụ lục
x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Ký hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Lượng tiêu thụ biodiesel trên toàn cầu (năm 2009) 8 Bảng 1.2 Kết quả phân tích các thuộc tính của mẫu biodiesel gốc B100 10 Bảng 1.3 Sự thay đổi thuộc tính hóa-lý, đặc tính cháy của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn (với B100 có cùng nguồn gốc) 12 Bảng 1.4 Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp B10, B20 theo nguồn gốc của B100 13 Bảng 3.1 Các thông số về nhiên liệu cần cho Inject32 60 Bảng 3.2 So sánh lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình ở chế độ 100% tải giữa tính toán và thực nghiệm 62 Bảng 3.3 Kết quả tính toán áp suất lớn nhất trong khoang xi lanh BCA pH max; khoang đầu nối p’H max; khoang vòi phun p max tại n = 2000 vg/ph, khi sử dụng B0, B10 và B20 65 Bảng 3.4 Tổng hợp kết quả tính toán các thông số chính của QLCCNL khi sử 68 dụng B0, B10 và B20 tại n= 2000 vg/ph Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả tính toán ảnh hưởng của B10, B20 đến gct trên toàn 68 dải tốc độ vận hành Bảng 3.6 Các thông số về nhiên liệu cần nhập vào phần mềm Diesel-RK 71 Bảng 3.7 So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm về Me; ge ở chế độ 100% 74 tải, khi sử dụng B0 Bảng 3.8 Ảnh hưởng của B10, B20 đến hệ số dư lượng không khí  76 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của B10, B20 đến thời gian cháy trễ id 77 Bảng 3.10 Ảnh hưởng của B10, B20 đến tốc độ chát lớn nhất dx/d tại n= 2000 vg/ph 79 Bảng 3.11 Ảnh hưởng của B10, B20 đến khoảng thời gian cháy z 79 Bảng 3.12 Ảnh hưởng của B10, B20 đến nhiệt độ vùng cháy Tburn max và tốc độ tỏa nhiệt dQc/d max ở n=2000 vg/ph 81 Bảng 3.13 Sự thay đổi áp suất lớn nhất trong xi lanh pxl max khi dùng B0, B10, B20 83 Bảng 3.14 Sự thay đổi nhiệt độ xi lanh lớn nhất Txl max khi sử dụng B0, B10, B20 85 Bảng 3.15 Sự thay đổi áp suất chỉ thị trung bình pi khi sử dụng B0, B10, B20 86 Bảng 3.16 Sự thay đổi hiệu suất chỉ thị i khi sử dụng B0, B10, B20 87 Bảng 3.17 Sự thay đổi áp suất có ích trung bình pe khi sử dụng B0, B10, B20 88 Bảng 3.18 Tổng hợp ảnh hưởng của B10, B20 đến Me; ge của động cơ B2 89 Bảng 3.19 Tổng hợp ảnh hưởng của B10, B20 đến mức phát thải NOx 91
xi Bảng 3.20 Tổng hợp ảnh hưởng của B10, B20 đến độ khói k của động cơ B2 94 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định tỷ trọng 97 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định đường cong chưng cất 98 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định độ nhớt 98 Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định điểm chớp cháy cốc kín 98 Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định hàm lượng lưu huỳnh 99 Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định độ ổn định ô xy hóa 99 Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định hàm lượng nước 99 Bảng 4.8 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định ăn mòn tấm đồng 100 Bảng 4.9 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định nhiệt trị 100 Bảng 4.10 Thông số vận hành của động cơ CFR F-5 100 Bảng 4.11 Các thông số kỹ thuật cơ bản của phanh điện APA 404/6PA 103 Bảng 4.12 Các thông số kỹ thuật cơ bản của THA100 104 Bảng 4.13 Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-753C 105 Bảng 4.14 Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-735S 106 Bảng 4.15 Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-553 107 Bảng 4.16 Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-554 108 Bảng 4.17 Các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống điều hòa không khí 108 Bảng 4.18 Các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị AVL439 110 Bảng 4.19 Kết quả phân tích các tính chất của mẫu B0, B10, B20 111 0 0 Bảng 4.20 Kết quả xác định tỷ trọng, độ nhớt của B0, B10, B20 tại 20 C và 50 C 113 Bảng 4.21 Hàm lượng C/H/O, khối lượng phân tử trung bình, khối lượng riêng của mẫu B0 và B100 113 Bảng 4.22 Hàm lượng C/H/O, khối lượng phân tử trung bình, khối lượng riêng của các hỗn hợp B10, B20 114 Bảng 4.23 Kết quả tính nhiệt trị thấp của các mẫu B0, B10, B20 114 Bảng 4.24 Kết quả thực nghiệm xác định gct của BCA HK10 115 Bảng 4.25 Ảnh hưởng của B10, B20 đến Me, và ge của động cơ B2 116 Bảng 4.26 Ảnh hưởng B10, B20 đến hàm lượng NOx, độ khói k 117 Bảng 4.27 Sai số gct tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 120 Bảng 4.28 Sai số giữa Me tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 121 Bảng 4.29 Sai số giữa ge tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 122 Bảng 4.30 Sai số giữa NOx tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 124 Bảng 4.31 Sai số giữa độ khói tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 125
xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Ký hiệu Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1 Những tương tác chủ yếu giữa các thông số khác nhau trong quá trình cháy của động cơ diesel 15 Hình 2.1 Mô hình hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu cơ khí truyền thống 30 Hình 2.2 Mô hình vật lý và các dòng năng lượng, khối lượng ứng với một CTCT của động cơ diesel 38 Hình 2.3 Mô hình tia phun và hình vẽ tia phun va đập với thành buồng cháy 41 Hình 2.4 Tương tác giữa chùm tia phun với thành vách 41 Hình 2.5 Sơ đồ phân bố các vùng của chùm tia phun diesel 42 Hình 2.6 Giao diện lựa chọn kiểu HTPNL trong phần mềm Inject32 53 Hình 2.7 Một số giao diện của phần mềm Diesel-RK 55 Hình 3.1 Mặt cắt ngang của động cơ B2 57 Hình 3.2 Kết cấu HTPNL của động cơ B2 59 Hình 3.3 Mô hình tính QLCCNL của động cơ diesel B2 trong Inject32 59 Hình 3.4 Kết quả tính toán và thực nghiệm xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình của phân bơm cao áp, ở chế độ 100% tải 62 Hình 3.5 Diễn biến áp suât khoang xi lanh BCA pH tại n = 2000 vg/ph 63 Hình 3.6 Diễn biến áp suất khoang đầu nối p’H tại n=2000 vg/ph 64 Hình 3.7 Diễn biến áp suất khoang vòi phun p tại n = 2000 vg/ph 64 Hình 3.8 Diễn biến áp suất phun (p‘ ) khi sử dụng B0, B10, B20 tại n = 2000 vg/ph 66 Hình 3.9 Diễn biến tốc độ phun q tại n = 2000 vg/ph 66 Hình 3.10 Diễn biến lượng nhiên liệu phun theo góc quay trục cam khi sử dụng B0, B10, B20 tại n=2000 vg/ph 67 Hình 3.11 Sự thay đổi d32 khi sử dụng B0, B10, B20 tại n = 2000 vg/ph 67 Hình 3.12 Sự thay đổi gct khi sử dụng B0, B10, B20 69 Hình 3.13 Sơ đồ khối mô hình mô phỏng CTCT của động cơ diesel trong Diesel-RK 70 Hình 3.14 So sánh Me tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0 ở 100% tải 75 Hình 3.15 So sánh Me tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0 ở 100% tải 75 Hình 3.16 Sự thay đổi hệ số dư lượng không khí  khi sử dụng B10, B20 76 Hình 3.17 Sự thay đổi thời gian cháy trễ id khi sử dụng B10, B20 77 Hình 3.18 Diễn biến tốc độ cháy dx/d khi sử dụng B0, B10, B20 tại n=2000 vg/ph 78 Hình 3.19 Diễn biến quy luật cháy xb tại n=2000 vg/ph 80
xiii Hình 3.20 Sự thay đổi khoảng thời gian cháy z khi sử dụng B0, B10, B20 80 Hình 3.21 Sự thay đổi nhiệt độ vùng cháy Tburn tại n= 2000 vg/ph 81 Hình 3.22 Sự thay đổi tốc độ tỏa nhiệt dQc/d khi sử dụng B0, B10, B20 tại n = 2000 vg/ph 82 Hình 3.23 Diễn biến áp suất trong xi lanh pxl tại n=2000 vg/ph khi sử dụng B0, B10, B20 82 Hình 3.24 Sự thay đổi áp suất lớn nhất pxl max khi dùng B0, B10, B20 83 Hình 3.25 Sự thay đổi về tốc độ tăng áp suất trong xi lanh dp/d max khi sử dụng B0, B10, B20 tại n=2000 vg/ph 84 Hình 3.26 Diễn biến nhiệt độ trong xi lanh Txl tại n=2000 vg/ph khi sử dụng B0, B10, B20 85 Hình 3.27 Sự thay đổi nhiệt độ Txl max khi sử dụng B0, B10, B20 85 Hình 3.28 Ảnh hưởng của B10, B20 đến áp suất chỉ thị trung bình pi 87 Hình 3.29 Ảnh hưởng của B10, B20 đến hiệu suất chỉ thị i động cơ B2 87 Hình 3.30 Ảnh hưởng của B10, B20 đến áp suất có ích pe của động cơ B2 88 Hình 3.31 Ảnh hưởng của B10, B20 đến mô men Me của động cơ B2 90 Hình 3.32 Ảnh hưởng của B10, B20 đến ge của động cơ B2 90 Hình 3.33 Diễn biến hàm lượng NOx tại n=2000 vg/ph 91 Hình 3.34 Ảnh hưởng của B10, B20 đến mức phát thải NOx của động cơ B2 92 Hình 3.35 Ảnh hưởng của B10, B20 đến tốc độ hình thành độ khói k 93 Hình 3.36 Ảnh hưởng của B10, B20 đến độ khói k động cơ B2 93 Hình 4.1 Động cơ diesel CFR 101 Hình 4.2 Sơ đồ kết nối các trang thiết bị của phòng thử AVL – ETC 102 Hình 4.3 Đặc tính của APA-404/6PA ở chế độ phanh (a) và chế độ động cơ (b) 103 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống THA100 104 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý và bố trí chung của AVL-753C và AVL-735S 105 Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống AVL-735S 106 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống AVL-553 107 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống AVL-554 108 Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống AVL 439 109 Hình 4.10 Kết quả thực nghiệm xác định gct của BCA HK 10 115 Hình 4.11 Ảnh hưởng của B10, B20 đến Me của động cơ B2 116 Hình 4.12 Ảnh hưởng của B10, B20 đến ge của động cơ B2 117 Hình 4.13 Ảnh hưởng của B10, B20 đến hàm lượng NOx 118
xiv Hình 4.14 Ảnh hưởng của B10, B20 đến độ khói k 118 Hình 4.15 So sánh gct tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 120 Hình 4.16 So sánh Me tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 121 Hình 4.17 So sánh ge tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 122 Hình 4.18 So sánh NOx tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 123 Hình 4.19 So sánh độ khói tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 124
1 MỞ ĐẦU Trong những năm qua, tại Việt Nam nói riêng và tại các quốc gia trên thế giới nói chung có sự gia tăng nhanh về số lượng động cơ đốt trong (ĐCĐT) sử dụng làm nguồn động lực trong các lĩnh vực: nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải và nhiều ngành kinh tế khác… Sự gia tăng nhanh cả về số lượng và công suất của ĐCĐT đã khiến cho nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và môi trường ngày càng bị ô nhiễm do khí thải độc hại. Để chủ động nguồn năng lượng trong tương lai và để đảm bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia, việc nghiên cứu sử dụng các loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu khoáng truyền thống đã trở nên cấp bách và hết sức cần thiết. Đối với các động cơ xăng, nguồn nhiên liệu thay thế chủ yếu là các loại cồn công nghiệp biến tính (Ethanol và Methanol) được pha trộn với tỷ lệ khác nhau hoặc các loại nhiên liệu khí (bao gồm khí thiên nhiên CNG, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và biogas). Đối với động cơ diesel, nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến hiện nay là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) và nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel). Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật. Đây là loại nhiên liệu có thể thay thế cho diesel khoáng và có thể pha chế với với diesel khoáng theo tỷ lệ bất kỳ. Hiện nay, tỷ lệ pha trộn thường dùng từ 6 đến 20%, [64]. Biodiesel sản xuất từ dầu thực vật đã được sử dụng cho các động cơ diesel xe tải, xe buýt và các động cơ tĩnh tại ở Pháp và Bỉ từ năm 1920, mặc dù đã gặp phải một số hạn chế nhất định. Từ năm 1950, do sự phát triển của công nghiệp dầu mỏ nên những nghiên cứu về biodiesel gần như dừng chân tại chỗ. Tuy nhiên, sau những năm 1980 việc nghiên cứu, sử dụng biodiesel (thu được dầu thực vật, mỡ động vật) đã được tái khởi động và phát triển mạnh tại Châu Âu, Mỹ và một số nước Châu Á, [14]. Do biodiesel có sự khác biệt về tính chất hóa-lý (thành phần hóa học, tỷ trọng, độ nhớt động học...) và đặc tính cháy (nhiệt trị, trị số xê tan...) so với nhiên liệu diesel truyền thống nên sẽ tác động đến các thông số đặc trưng của quy luật cung cấp nhiên liệu (góc phun sớm thực tế, sự phát triển tia phun, mức độ phun tơi...). Trong khi đó, quy luật cung cấp nhiên liệu (QLCCNL) lại là thông số đầu vào quan trọng phục vụ việc tính toán quá trình tạo hỗn hợp, diễn biến quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel. Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, việc thực hiện đề tài luận án TSKT “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến các chỉ tiêu kinh tế,
2 năng lượng, môi trường của động cơ diesel“ nhằm xây dựng mô hình tính cho phép đánh giá tác động của nhiên liệu diesel sinh học đến QLCCNL, đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel (đang sử dụng nhiên liệu diesel dầu mỏ) mang tính cấp thiết và thời sự. Mục đích và phạm vi nghiên cứu Xây dựng được mô hình mô phỏng đủ độ tin cậy, cho phép đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến QLCCNL, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác, mức phát thải NOx, độ khói k của động cơ trên cơ sở ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng (Inject32 và Diesel-RK). Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha trộn 10% và 20% đến các chỉ tiêu kinh tế (suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge); năng lượng (mô men xoắn có ích Me) và môi trường (mức phát thải NOx; độ khói khí thải k) của động cơ diesel B2. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ diesel B2 (công suất định mức là Ne đm=382 kW tại n=2000 vg/ph) do Liên xô sản xuất. Tại Việt Nam, động cơ B2 được sử dụng trên các phương tiện vận tải tại các mỏ khai thác khoáng sản, phương tiện vận tải đường thủy, trên dàn khoan dầu khí và trên một số loại phương tiện cơ giới quân sự (PTCGQS)... Đây là loại động cơ diesel có công suất lớn, độ bền cao nhưng có suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ khói cao. Loại nhiên liệu sử dụng Luận án sử dụng 3 loại nhiên liệu: nhiên liệu diesel dầu mỏ truyền thống (B0), hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha trộn 10% (B10), hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha trộn 20% (B20). Trong đó nguồn diesel sinh học gốc (B100) sử dụng để pha trộn tạo B10, B20 được sản xuất từ phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil) thành dầu ăn (Cooking Oil), [23]. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, nhằm thiết lập được mô hình mô phỏng đủ độ tin cậy cho phép đánh giá ảnh hưởng của biodiesel B10, B20 đến QLCCNL, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác và mức phát thải NOx, độ khói của động cơ. Việc nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định một số thông số đầu vào phục vụ quá trình tính toán; đánh giá mức độ phù hợp của B10, B20 với các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành (TCVN và QCVN), đánh giá độ tin
3 cậy và hiệu chỉnh các mô hình mô phỏng đã xây dựng; lượng hóa tác động của biodiesel (B10 và B20) đến các thông số công tác, mức phát thải của đối tượng nghiên cứu là động cơ B2. Ảnh hưởng của biodiesel B10 và B20 sẽ được đánh giá trên cơ sở so sánh đối chứng với các thông số công tác của đối tượng nghiên cứu, ở cùng chế độ vận hành khi sử dụng nhiên liệu diesel dầu mỏ B0. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học - Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường thông qua việc xây dựng, kết nối 2 mô hình mô phỏng HTPNL và mô hình mô phỏng CTCT của động cơ có xét đến các thuộc tính của biodiesel với các tỷ lệ pha trộn khác nhau (B10 và B20). Đây là cơ sở khoa học để đánh giá, lựa chọn loại nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) và tỷ lệ pha trộn hợp lý nhằm đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường trong khai thác, sử dụng động cơ diesel. - Mô hình đã xây dựng cho phép xác định các chỉ tiêu công tác, mức phát thải của động cơ diesel B2 khi sử dụng biodiesel có nguồn gốc và mức pha trộn khác nhau. Ngoài ra mô hình cũng cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào khác (thông số kết cấu, vận hành, điều chỉnh của HTPNL; các thông số kết cấu, điều chỉnh, vận hành của động cơ) đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ B2. * Ý nghĩa thực tiễn - Các kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học góp phần xây dựng các tiêu chuẩn về nhiên liệu diesel sinh học B10, B20, dùng cho việc hoạch định chính sách sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên các phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB) nói chung, PTCGQS nói riêng. - Kết quả nghiên cứu của luận án cũng cung cấp các dữ liệu cụ thể để xem xét việc sử dụng hỗn hợp biodiesel B10, B20 làm nhiên liệu thay thế các động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam. - Mô hình mô phỏng đã xây dựng, hiệu chuẩn có thể sử dụng làm tư liệu tham khảo phục vụ cho quá trình đào tạo sau đại học ngành Cơ khí động lực, Động cơ nhiệt. Ngoài ra, mô hình mô phỏng đã xây dựng của luận án đã đóng góp trực tiếp cho việc thực hiện Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự”, mã số
4 ĐT.06.12/NLSH (Thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 của Chính phủ) (luận án của NCS là một sản phẩm đào tạo Sau đại học của đề tài mã số ĐT.06.12/NLSH), [23]. Bố cục của luận án Luận án được thực hiện với 129 trang thuyết minh và 6 Phụ lục (trình bày trong 28 trang), bao gồm những nội dung chính sau: Chương 1 tập trung phân tích, đánh giá nhu cầu sử dụng nhiên liệu thay thế nói chung và biodiesel nói riêng cho động cơ diesel; sự thay đổi các thuộc tính của biodiesel so với nhiên liệu diesel truyền thống; sự ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến quá trình phun, tạo hỗn hợp và cháy của động cơ diesel; các vấn đề chính cần quan tâm khi sử dụng biodiesel cho động cơ diesel đang lưu hành; tình hình nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel bằng lý thuyết và thực nghiệm ở trong nước và trên thế giới. Đây là nội dung rất cần thiết nhằm xác định rõ mục đích, phương pháp, phạm vi nghiên cứu, loại nhiên liệu sẽ sử dụng, nội dung và đối tượng nghiên cứu của luận án. Chương 2 của luận án tập trung vào việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán QLCCNL; cơ sở lý thuyết tính toán CTCT, cơ sở lý thuyết tính toán hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải của động cơ diesel có xét đến thuộc tính của nhiên liệu. Nghiên cứu và lựa chọn phần mềm tính toán QLCCNL; lựa chọn phần mềm tính toán CTCT và các chỉ tiêu công tác của động cơ. Nội dung Chương 2 là cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình mô phỏng cho phép đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến QLCCNL, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác của động cơ. Chương 3 trình bày việc xây dựng các mô hình mô phỏng và kết quả tính toán, đánh giá ảnh hưởng của B10, B20 đến QLCCNL; đến diễn biến các quy luật nhiệt động trong xi lanh; đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ B2 theo đặc tính ngoài. Chương 4 trình bày các nội dung liên quan đến nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các thông số đầu vào; xác định thuộc tính của các loại nhiên liệu cần cho quá trình tính toán, mô phỏng; đánh giá độ tin cậy và hiệu chuẩn các mô hình mô phỏng đã được trình bày trong Chương 3. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Chương 4 cũng nhằm lượng hóa tác động của B10 và B20 đến các thông số công tác của đối tượng nghiên cứu là động cơ B2. Với sự trợ giúp của các