Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài: Chuyển đổi thành công một động cơ diesel ôtô sang chạy lưỡng nhiên liệu dieselethanol đảm bảo giữ nguyên mô men và công suất động cơ. Đồng thời đạt được tỷ lệ ethanol thay thế lớn nhất.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------ NGUYỄN THÀNH BẮC NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC HÀ NỘI - 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------ NGUYỄN THÀNH BẮC NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ DIESEL THÀNH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số: 62520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS PHẠM MINH TUẤN 2. TS TRẦN ANH TRUNG HÀ NỘI - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi, Nguyễn Thành Bắc, xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung. 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! TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng …. năm 2017 Nghiên cứu sinh Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 GS.TS Phạm Minh Tuấn TS Trần Anh Trung Nguyễn Thành Bắc i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và TS Trần Anh Trung đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn thầy, cô trong Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành biết ơn Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để thực hiện thực nghiệm trên băng thử động cơ. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Ôtô 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, cô phản biện, các thầy, cô trong hội đồng đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này. 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 tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện nghiên cứu này. Hà Nội, ngày ….. tháng …. năm 2017 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Bắc ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii MỤC LỤC ........................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................................................ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................... viii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 i. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài ............................................................ 2 ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................ 2 iii. Phương pháp nghiên cứu của đề tài ......................................................................... 2 iv. Ý nghĩa khoa học của đề tài ....................................................................................... 3 v. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................................................................ 3 vi. Điểm mới của luận án ................................................................................................. 3 vii. Bố cục chính của luận án ........................................................................................... 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................................. 5 1.1.Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường .............................................. 5 1.2.Nhiên liệu thay thế ...................................................................................................... 5 1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí ............................................................................................... 6 1.2.1.1. Khí thiên nhiên nén (CNG-Compressed Natural Gas) ............................................... 6 1.2.1.2. Hyđrô và khí giàu hyđrô.............................................................................................. 6 1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng ............................................................................................. 7 1.2.2.1. Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)............................................. 7 1.2.2.2. Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To Liquid) ............. 7 1.2.2.3. Dimethyl Ether (DME)................................................................................................. 7 1.2.2.4. Biodiesel ..................................................................................................................... 7 1.2.2.5. Ethanol ....................................................................................................................... 8 1.3.Đặc điểm nhiên liệu ethanol ....................................................................................... 8 1.3.1. Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol ...................................................................... 8 1.3.1.1. Tính chất vật lý của ethanol ....................................................................................... 8 1.3.1.2. Tính chất hóa học của ethanol ................................................................................... 9 1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam ........................................................ 9 1.3.2.1. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới ................................................. 9 1.3.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam ............................................... 10 1.4.Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong ...........................................11 1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng............................................................ 11 1.4.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................ 11 1.4.1.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài ........................................................................ 12 1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel .......................................................... 13 1.4.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................ 13 1.4.2.2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài ........................................................................ 14 a) Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn ....................................................................... 14 b) Ethanol phun trực tiếp ............................................................................................................ 15 c) Ethanol phun trên đường ống nạp .......................................................................................... 15 1.5.Phương pháp xây dựng mô hình động cơ ...............................................................17 iii
1.6.Phương pháp xây dựng mô hình bộ điều khiển ......................................................19 1.7.Nội dung nghiên cứu .................................................................................................22 1.8.Kết luận chương 1 .....................................................................................................23 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC ... 25 2.1.Đặt vấn đề ...................................................................................................................25 2.2.Mô hình trao đổi khí ...................................................................................................26 2.3.Mô hình hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol. ................................27 2.4.Mô hình động lực học ................................................................................................29 2.5.Mô hình ma sát ...........................................................................................................30 2.6.Mô hình truyền nhiệt ..................................................................................................33 2.7.Mô hình cháy ..............................................................................................................33 2.7.1. Cơ sở lựa chọn mô hình cháy .......................................................................................... 33 2.7.2. Mô hình cháy .................................................................................................................... 35 2.8.Tính toán áp suất xy lanh ..........................................................................................39 2.9.Tính toán mô men và công suất động cơ.................................................................40 2.10.Xác định hệ số dư lượng không khí và tỷ lệ ethanol thay thế ..............................41 2.11.Kết luận chương 2 ...................................................................................................42 CHƯƠNG 3 ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ....................................................................................................................... 43 3.1.Đặt vấn đề ...................................................................................................................43 3.2.Đối tượng nghiên cứu ...............................................................................................43 3.3.Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu .....................................................................44 3.4.Trang thiết bị nghiên cứu ..........................................................................................46 3.4.1. Băng thử tính năng động lực cao (AVL APA 100) ........................................................... 47 3.4.2. Thiết bị cung cấp, đo tiêu hao nhiên liệu diesel kiểu khối lượng AVL 733S và điều khiển nhiệt độ nhiên liệu diesel AVL 753 ........................................................................................... 47 3.4.3. Thiết bị cung cấp và điều khiển nhiệt độ dung dịch làm mát động cơ AVL 553 .............. 48 3.4.4. Thiết bị phân tích khí xả AVL CEB-II ................................................................................ 49 3.4.5. Bộ điều khiển vòi phun ethanol ........................................................................................ 49 3.4.6. Cảm biến áp suất xy lanh AVL QC33C ............................................................................ 51 3.4.7. Thiết bị đo áp suất xy lanh AVL 620 Indiset ..................................................................... 52 3.4.8. Cảm biến kích nổ.............................................................................................................. 52 3.4.9. Cảm biến lambda LSU 4.9 ............................................................................................... 53 3.5.Qui trình và chế độ thực nghiệm động cơ ...............................................................53 3.6.Xác định các thông số đầu vào cơ bản của mô hình động cơ ...............................56 3.6.1. Quy luật phối khí............................................................................................................... 56 3.6.2. Lưu lượng khí qua xupáp nạp và thải .............................................................................. 57 3.6.3. Áp suất xy lanh ................................................................................................................. 58 3.6.4. Đặc tính bơm cao áp và vòi phun ethanol........................................................................ 59 3.7.Phân tích số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình động cơ ...............................61 3.7.1. Xác định hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp ..................................................... 62 3.7.2. Xác định tốc độ tỏa nhiệt .................................................................................................. 62 3.7.3. Xác định thời điểm bắt đầu cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy .... 64 3.7.4. Mô hình hóa hệ thống nhiên liệu ...................................................................................... 68 3.7.5. Xây dựng mô hình động cơ .............................................................................................. 69 iv
3.8.Đánh giá độ tin cậy của mô hình ở chế độ ổn định .................................................70 3.8.1. Đánh giá lưu lượng không khí nạp................................................................................... 71 3.8.2. Đánh giá áp suất xy lanh .................................................................................................. 71 3.8.3. Đánh giá mô men và công suất động cơ ......................................................................... 75 3.8.4. Đánh giá tốc độ động cơ ở chế độ ổn định và chuyển tiếp.............................................. 78 3.9.Bộ điều khiển động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và mô hình mô phỏng ...81 3.9.1. Sơ đồ tổng quan bộ điều khiển ..........................................................................81 3.9.2. Thuật toán điều khiển .........................................................................................81 3.9.2.1. Mô men yêu cầu ........................................................................................................... 82 3.9.2.2. Lượng phun diesel và ethanol chế độ ổn định ............................................................. 83 3.9.2.3. Điều khiển giới hạn hệ số  chế độ chuyển tiếp .......................................................... 85 3.9.2.4. Xác định vị trí tay ga và thời gian phun ethanol ........................................................... 86 3.9.3. Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ ........................................86 3.9.3.1. Đánh giá mô hình điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ ổn định ................ 86 3.9.3.2. Đánh giá bộ điều khiển trên mô hình động cơ ở chế độ chuyển tiếp .................. 87 3.10.Kết luận chương 3 ...................................................................................................89 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................................. 90 4.1.Đặt vấn đề và mục tiêu thực nghiệm ........................................................................90 4.2.Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm.............................................................................90 4.3.Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm ..........................................................................90 4.4.Phương pháp thực nghiệm .......................................................................................90 4.5.Kết quả thực nghiệm ở chế độ ổn định ....................................................................91 4.5.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến nhiệt tỏa ra .................................................... 91 4.5.2. Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ ............................................. 92 4.5.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến suất tiêu hao năng lượng .............................. 92 4.5.4. Xác định tỷ lệ ethanol thay thế lớn nhất ........................................................................... 94 4.5.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến hệ số dư lượng không khí  ......................... 95 4.5.6. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến tiêu hao nhiên liệu ......................................... 97 4.5.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol thay thế đến phát thải của động cơ ................................. 100 4.5.7.1. Phát thải HC ........................................................................................................... 100 4.5.7.2. Phát thải CO ........................................................................................................... 101 4.5.7.3. Phát thải NOx .......................................................................................................... 103 4.5.7.4. Phát thải CO2 .......................................................................................................... 104 4.5.7.5. Phát thải smoke ...................................................................................................... 105 4.6.Kết quả thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp ...........................................................106 4.6.1. Tốc độ động cơ .............................................................................................................. 106 4.6.2. Mô men động cơ ............................................................................................................ 107 4.6.3. Công suất động cơ ......................................................................................................... 108 4.6.4. Suất tiêu hao năng lượng ............................................................................................... 108 4.6.5. Hệ số dư lượng không khí  .......................................................................................... 109 4.6.6. Phát thải động cơ ........................................................................................................... 110 4.6.6.1. Phát thải HC ........................................................................................................... 110 4.6.6.2. Phát thải CO ........................................................................................................... 110 4.6.6.3. Phát thải NOx .......................................................................................................... 111 4.6.6.4. Phát thải CO2 .......................................................................................................... 111 4.7.Kết luận chương 4 ...................................................................................................112 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 121 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị A/F Tỷ lệ không khí trên nhiên liệu A/Fdie Tỷ lệ không khí nhiên liệu diesel A/Feth Tỷ lệ không khí nhiên liệu ethanol Ahp Diện tích đỉnh piston m2 APP Độ mở bàn đạp chân ga (accelerator pedal position) % BMEP Áp suất có ích trung bình của động cơ N/m2 BSEC Suất tiêu hao năng lượng MJ/kW.h CLP Vị trí tay ga bơm cao áp (control lever position) % E100 Cồn 100% % ECU Bộ điều khiển điện tử (Electronic Control Unit) ED Tỷ lệ ethanol thay thế % Tổn thất áp suất trung bình do ma sát (Friction mean FMEP N.m effective pressure) IMEP Áp suất chỉ thị trung bình của động cơ J/m3 Phần mềm mô phỏng, tính toán và điều khiển đa ngành Matlab Simulink do hãng MathWorks của Mỹ sản xuất vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.Tính chất của ethanol [7, 59, 105] ......................................................................... 8 Bảng 2.1.Tham số mô hình mi ............................................................................................. 38 Bảng 3.1.Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel và ethanol [30, 73, 105] .................. 43 Bảng 3.2.Những thông số cơ bản của động cơ D4BB [52] ................................................. 43 Bảng 3.3.Thông số thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL733S và AVL 753 [108] ............... 48 Bảng 3.4.Thông số cơ bản của thiết bị AVL 553 ................................................................ 48 Bảng 3.5.Thông số cơ bản của cảm biến áp suất QC33C [106, 109] .................................. 51 Bảng 3.6.Bảng thông số cơ bản của thiết bị AVL 620 Indiset ............................................ 52 Bảng 3.7.Thông số cơ bản của cảm biến kích nổ ................................................................ 52 Bảng 3.8.Thông số cơ bản của cảm biến LSU 4.9 [31] ....................................................... 53 Bảng 3.9.Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 50% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ....................................................................... 67 Bảng 3.10.Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 75% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ....................................................................... 68 Bảng 3.11.Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 100% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ..................................................................... 68 Bảng 3.12.Phần nhiên liệu đã cháy cho từng giai đoạn cháy .............................................. 68 Bảng 3.13.Lượng phun diesel theo mô men yêu cầu và tốc độ động cơ ............................. 84 Bảng 3.14.Lượng phun ethanol theo mô men yêu cầu và tốc độ động cơ .......................... 84 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1.Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015 [96, 97] ..................... 10 Hình 1.2.Sơ đồ bố trí của hệ thống phun ethanol [61] ........................................................ 15 Hình 1.3.Mô hình làm việc theo thời gian thực ................................................................... 18 Hình 1.4.Sơ đồ tổng quan về thiết kế mô hình điều khiển dựa trên mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol ........................................................................................... 20 Hình 1.5.Bơm cao áp phân phối .......................................................................................... 21 Hình 1.6.Đặc tính của quả ga theo tốc độ động cơ và vị trí tay ga ...................................... 21 Hình 1.7.Sơ đồ nội dung nghiên cứu ................................................................................... 23 Hình 2.1.Sơ đồ động cơ diesel truyền thống kết hợp thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu ethanol ....................................................................................................................... 25 Hình 2.2.Đặc tính bơm cao áp của động cơ diesel [63] ...................................................... 28 Hình 2.3.Mô hình bơm cao áp [63] ..................................................................................... 28 Hình 2.4.Sơ đồ các loại mô hình cháy ................................................................................. 34 Hình 2.5.Sơ đồ các loại mô hình cháy không chiều ............................................................ 34 Hình 2.6.Hai hướng kết hợp áp dụng mô hình cháy không chiều một vùng ....................... 35 Hình 2.7.Tốc độ tỏa nhiệt thực nghiệm của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-syngas tại chế độ tải 40% với tỷ lệ syngas thay thế bằng 60,8% [34] ............................................. 36 Hình 2.8.Tốc độ tỏa nhiệt trên mô hình của lưỡng nhiên liệu diesel-syngas sử dụng ba hàm Wiebe [34] ....................................................................................................................... 36 Hình 2.9.Tốc độ tỏa nhiệt trong hai trường hợp lựa chọn tham số mô hình mi=1,4 và mi=0,65 [90] ....................................................................................................................... 38 Hình 2.10.Nhiệt tỏa ra trong hai trường hợp lựa chọn tham số mô hình mi=1,4 và mi=0,65 [90] ....................................................................................................................... 38 Hệ thống phun ethanol, hệ thống điều khiển phun và vị trí lắp vòi phun............. 44 Hình ảnh lắp đặt vòi phun ethanol trên đường ống nạp của động cơ ................... 45 Hình ảnh lắp đặt động cơ điều khiển ga và cảm biến vị trí tay ga........................ 45 Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm .......................................................................... 46 Động cơ diesel D4BB lắp trên băng thử dùng Phanh điện AVL APA 100.......... 47 Hệ thống làm mát nước AVL 553 ........................................................................ 49 Tủ AVL CEB-II .................................................................................................... 49 ECM MotoHawk ECM‐0565‐128‐0702‐C [110] ................................................. 50 Hình ảnh tổng quan kết nối bộ điều khiển MotoHawk với công cụ Mototune .... 51 Cảm biến QC33C ............................................................................................... 52 Thiết bị AVL 620 Indiset.................................................................................... 52 Hình ảnh bố trí lắp đặt cảm biến kích nổ trên động cơ D4BB ........................... 53 viii
Cảm biến LSU 4.9 .............................................................................................. 53 ..................................................................... 55 Quy luật thay đổi độ mở bàn đạp ga ................................................................... 56 Quy luật phối khí của xupáp nạp ........................................................................ 57 Quy luật phối khí của xupáp thải ........................................................................ 57 Sơ đồ thiết bị đo lưu lượng và tổn thất dòng khí ................................................ 58 Lưu lượng khí qua xupáp theo độ nâng xupáp ................................................... 58 Áp suất xy lanh tại các chế độ tải khác nhau với các tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau khi cố định tốc độ động cơ 2000 vg/ph ...................................................................... 59 Lượng phun nhiên liệu diesel tại các vị trí tay ga bơm theo tốc độ bơm ........... 60 Sơ đồ thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun ethanol ..................................... 61 Lượng phun ethanol theo thời gian phun............................................................ 61 Hệ số lưu lượng của dòng khí đi qua xupáp theo độ nâng xupáp....................... 62 Tốc độ tỏa nhiệt thực nghiệm tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi tăng dần tỷ lệ ethanol thay thế ............................................................... 64 Sơ đồ thuật toán tối ưu xác định các tham số SOCi , i và xfi .......................... 65 Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 50% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ....................................................................... 66 Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 75% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ....................................................................... 67 Mối quan hệ giữa các tham số mô hình cháy SOCi và i theo tỷ lệ ethanol thay thế tại 100% tải ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ..................................................................... 67 Sơ đồ tối ưu xác định các thông số a, b, c của hàm đáp ứng bậc hai trong mô hình bơm cao áp. ....................................................................................................................... 69 Mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol .............................................. 70 So sánh lưu lượng không khí nạp tại chế độ tải 100% với tốc độ động cơ thay đổi từ 1000  3500 vg/ph........................................................................................................... 71 Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản ......................................................................................................... 73 Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại chế độ tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) và 50% tải............................... 74 Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại chế độ tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) và 75% tải............................... 74 Diễn biến áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thực nghiệm động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại chế độ tốc độ động cơ 2000 (vg/ph) và 100% tải............................. 75 Đặc tính ngoài của động cơ giữa mô hình và thực nghiệm theo tốc độ động cơ 75 Mô men động cơ của mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 50%, 75% và 100% ....................................................................................................................... 76 ix
Công suất động cơ của mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 50%, 75% và 100% ....................................................................................................................... 76 Sai số đặc tính mô men, công suất động cơ sử dụng nhiên liệu diesel gốc giữa mô hình và thực nghiêm ............................................................................................................ 77 Sai số đặc tính mô men, công suất động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol giữa mô hình và thực nghiệm tại các chế độ tải 50 %, 75% và 100% ................................ 78 Biến thiên tốc độ và mô men động cơ theo góc quay trục khuỷu ...................... 79 Biến thiên tốc độ và mô men động cơ khi thay đổi độ mở ga. ........................... 80 Tốc độ động cơ giữa mô hình và thực nghiệm ở chế độ chuyển tiếp ................. 80 Sơ đồ tổng quan mô hình điều khiển .................................................................. 81 Sơ đồ thuật toán điều khiển ................................................................................ 82 Mô men yêu cầu ................................................................................................. 83 Lượng phun diesel yêu cầu theo mô men và tốc độ động cơ ............................. 84 Lượng phun ethanol yêu cầu theo mô men và tốc độ động cơ ........................... 84 Map ngược bơm cao áp ...................................................................................... 86 Mô men động cơ và hệ số  tại chế độ tải 100% với tốc độ động cơ thay đổi trong trường hợp có phun ethanol ................................................................................................. 87 Tốc độ động cơ, mô men động cơ, tiêu hao nhiên liệu và hệ số  ở chế độ chuyển tiếp ....................................................................................................................... 88 Hình 4.1.Nhiệt tỏa ra trong xy lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu tại 50% tải khi thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế...................................................................................................... 91 Hình 4.2.Nhiệt tỏa ra trong xy lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu tại 75% tải khi thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế...................................................................................................... 91 Hình 4.3.Nhiệt tỏa ra trong xy lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu tại 100% tải khi thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế...................................................................................................... 92 Hình 4.4.Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ tại các chế độ tải khác nhau ....................................................................................................................... 92 Hình 4.5.Suất tiêu hao năng lượng tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% khi thay đổi tốc độ động cơ trong hai trường hợp không phun và có phun ethnaol ........................................... 93 Hình 4.6.Suất tiêu hao năng lượng tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph ....................................................................................................................... 94 Hình 4.7.Diễn biến áp suất xy lanh ..................................................................................... 94 Hình 4.8.Tín hiệu dao động thân máy ................................................................................. 95 Hình 4.9.Phổ của tín hiệu dao động thân máy ..................................................................... 95 Hình 4.10.Hệ số dư lượng không khí  tại các tải 50%, 75%, 100%, tốc độ động cơ được giữ ổn định bằng 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế............................................... 96 Hình 4.11.Hệ số dư lượng không khí  theo tốc độ tại các chế độ tải khác nhau ............... 96 Hình 4.12.Lượng diesel tiêu thụ tương đương tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph theo tỷ lệ ethanol thay thế ................................................................... 98 x
Hình 4.13.Lượng diesel tiêu thụ tương đương theo tốc độ động cơ .................................... 98 Hình 4.14.Phát thải HC tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế ............................................................................................ 100 Hình 4.15.Phát thải HC tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ ........... 101 Hình 4.16.Phát thải CO tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế ............................................................................................ 102 Hình 4.17.Phát thải CO tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ ........... 102 Hình 4.18.Phát thải NOx tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế...................................................................................... 103 Hình 4.19.Phát thải NOx tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ .......... 104 Hình 4.20.Phát thải CO2 tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ .......... 104 Hình 4.21.Phát thải smoke tại các chế độ tải 50%, 75%, 100% ở tốc độ động cơ 2000 vg/ph khi thay đổi tỷ lệ ethnaol thay thế...................................................................................... 105 Hình 4.22.Phát thải smoke tại các chế độ tải khác nhau khi thay đổi tốc độ động cơ....... 105 Hình 4.23.Quy luật thay đổi độ mở chân ga yêu cầu theo thời gian ................................. 106 Hình 4.24.Tốc độ động cơ ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol ..................................................................................................................... 107 Hình 4.25.Mô men động cơ ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hơp có phun và không phun ethanol ..................................................................................................................... 107 Hình 4.26.Công suất động cơ ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol ..................................................................................................................... 108 Hình 4.27.Suất tiêu hao năng lượng ở chế độ chuyển trong hai trường hợp không phun và có phun ethanol ..................................................................................................................... 109 Hình 4.28.Hệ số dư lượng không khí  ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol ....................................................................................................... 109 Hình 4.29.Phát thải HC ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol ..................................................................................................................... 110 Hình 4.30.Phát thải CO ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol ..................................................................................................................... 110 Hình 4.31.Phát thải NOx ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol ..................................................................................................................... 111 Hình 4.32.Phát thải CO2 ở chế độ chuyển tiếp trong hai trường hợp có phun và không phun ethanol ..................................................................................................................... 111 xi
MỞ ĐẦU Với yêu cầu sạch hơn, rẻ hơn và thay thế được đã mở ra rất nhiều hướng nghiên cứu mới trong nhiên liệu ôtô nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch cũng như giảm tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Vấn đề này không chỉ các nhà khoa học mà các nhà sản xuất ôtô cũng rất quan tâm khi giá của nhiên liệu hóa thạch ngày càng tăng đồng thời tổng lượng nhiên liệu hóa thạch trên thế giới đang sụt giảm. Cho đến nay một số nhiên liệu tiềm năng và có khả năng thay thế nhiên liệu ôtô đã tìm ra như biogas, dầu thực vật, cồn, khí thiên nhiên nén CNG, khí hóa lỏng LPG và hyđrô. Cồn etylic thường được gọi ethanol là nhiên liệu sinh học có ưu điểm cháy sạch. Ethanol có thể được sản xuất từ vụn gỗ, rơm rạ, cây lương thực biến đổi gen... điều này giúp cho giảm chu kỳ tái sinh của CO2, là một hướng mà nhiều nước đang hết sức quan tâm. Do đó việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế sẽ làm giảm ô nhiễm khí thải, tăng cường kinh tế nông nghiệp, tạo nhiều cơ hội việc làm và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Vì vậy, trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sử dụng ethanol với tỷ lệ khác nhau và công nghệ khác nhau cho động cơ đốt trong, nhưng chủ yếu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, chưa quan tâm nhiều cho động cơ cháy do nén (động cơ diesel) vì ethanol có tính tự cháy kém. Để nâng cao tỷ lệ ethanol thay thế cho nhiên liệu hóa thạch cần tăng cường nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel là động cơ chiếm tới 50% tổng số động cơ đốt trong. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel, thường chia ra hai hướng ứng dụng là hòa trộn trước và lưỡng nhiên liệu. Biện pháp hòa trộn trước cho thấy tỷ lệ hòa trộn không cao do độ nhớt nhiên liệu giảm và trị số xêtan giảm, thời gian lưu trữ ngắn đồng thời không có khả năng tối ưu tỷ lệ ethanol/diesel theo các chế độ làm việc của động cơ. Biện pháp lưỡng nhiên liệu về nguyên tắc cho phép có thể thay đổi tỷ lệ ethanol thay thế theo từng chế độ làm việc của động cơ, cho phép tối ưu lượng ethanol theo các tiêu chí khác nhau như khí thải, công suất... và đạt tỷ lệ thay thế cao hơn biện pháp hòa trộn trước. Tuy nhiên các nghiên cứu về sử dụng lưỡng nhiên liệu mới chỉ dừng ở việc đánh giá tình trạng động cơ và chưa đưa ra một ứng dụng cụ thể. Đó là mới chỉ dừng ở mức độ đánh giá ảnh hưởng lên các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ mà chưa đưa ra quy luật điều khiển lượng cấp cũng như tỷ lệ thay thế cụ thể ở các chế độ làm việc khác nhau. Do vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol” Đề tài này tập trung nghiên cứu điều khiển và cung cấp ethanol cho động cơ diesel khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm xác định tỷ lệ thay thế ethanol lớn nhất và điều khiển phối hợp giữa lượng cấp ethanol và lượng cấp diesel phù hợp với các chế độ ổn định và chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ. 1
i. Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài Mục đích nghiên cứu của đề tài: Chuyển đổi thành công một động cơ diesel ôtô sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol đảm bảo giữ nguyên mô men và công suất động cơ. Đồng thời đạt được tỷ lệ ethanol thay thế lớn nhất. Nhằm mục đích trên tác giả thực hiện các nội dung theo mạch phát triển như sau: Thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu đảm bảo tỷ lệ thay thế ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ và thay đổi ít nhất về kết cấu động cơ. Xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol đảm bảo tin cậy. Thiết kế và chế tạo hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol. Thiết kế mô hình điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ để động cơ sau chuyển đổi đảm bảo giữ được mô men, công suất, giới hạn khói đen như động cơ nguyên bản, đồng thời không xảy ra kích nổ. Thực nghiệm trên băng thử động cơ nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ diesel-ethanol đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ. ii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Động cơ thực nghiệm được lựa chọn là loại động cơ diesel D4BB bốn xy lanh, bốn kỳ, sử dụng bơm phân phối lắp trên xe tải 1,25 tấn của hãng HYUNDAI. Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ ổn định cũng như chuyển tiếp trong toàn bộ vùng làm việc của động cơ. Chưa xét đến ảnh hưởng của góc phun sớm đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải nhằm mục đích thay đổi ít nhất về kết cấu động cơ khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol. Về trang thiết bị, luận án sử dụng các băng thử động cơ do hãng AVL Cộng hòa Áo sản xuất đặt tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Viện Cơ khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải. Ngoài ra trong quá trình nghiên cứu có sử dụng thiết bị cân bơm cao áp đặt tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. iii. Phương pháp nghiên cứu của đề tài Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Nghiên cứu tổng quan ứng dụng ethanol cho động cơ diesel trong và ngoài nước nhằm làm cơ sở cho việc đưa ra định hướng và nội dung chi tiết của nghiên cứu. Nghiên cứu lý thuyết xây dựng mô hình động cơ và làm cơ sở để thiết kế các hàm điều khiển cho động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu theo các chế độ làm việc của động cơ. Nghiên cứu mô phỏng làm cơ sở để thiết kế hệ thống chuyển đổi động cơ sử dụng đơn nhiên liệu sang sử dụng lưỡng nhiên liệu. Sử dụng phương pháp tối ưu để xác định các tham số của mô hình cháy và bộ điều tốc bơm cao áp. Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xây dựng thuật toán điều khiển phối hợp lượng ethanol và diesel cũng như xác định các thông số của quá trình cháy và làm việc của động cơ nhằm phục vụ việc xây dựng mô hình động cơ sau này. Ngoài ra, nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm chứng các hệ số điều khiển và đánh giá tính năng của động cơ sau chuyển đổi. 2
iv. Ý nghĩa khoa học của đề tài Kết quả của đề tài góp phần nâng cao năng lực làm chủ và phát triển các công nghệ chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu sạch. Luận án đã đưa ra phương pháp xây dựng mô hình cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu dựa trên số liệu thực nghiệm, làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về động cơ lưỡng nhiên liệu cũng như về điều khiển động cơ này. v. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ngoài một động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol chuyển đổi từ động cơ diesel sử dụng trên ôtô, sản phẩm của đề tài còn là phương pháp và quy trình công nghệ chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, có thể áp dụng linh hoạt cho các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học. Qua đó góp phần thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 đã được chính phủ phê duyệt, theo đó nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu cả nước vào năm 2015 và 5% vào năm 2025 [11]. vi. Điểm mới của luận án Đề tài đã đưa ra được phương pháp và cơ sở khoa học chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học ở Việt Nam: - Đã chuyển đổi thành công một động cơ diesel D4BB sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol thông qua thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu với điều kiện giữ nguyên mô men, tỷ lệ thay thế ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ. Động cơ làm việc bình thường ở mọi chế độ ổn định cũng như chuyển tiếp, giảm phát thải. - Trên cơ sở phương pháp mô phỏng trực tiếp trên đối tượng: + Xây dựng được mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, từ đó giúp cho việc chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và đạt các mục đích như đã nói ở trên. + Xây dựng được mô hình bộ điều khiển phối hợp lượng nhiên liệu diesel và ethanol, tiến hành chạy mô hình để tìm ra bộ dữ liệu phục vụ cho việc chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol. + Xây dựng được mô hình điều khiển động cơ có xét đến ảnh hưởng của bộ điều tốc cho động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol để từ đó nghiên cứu quá trình chuyển tiếp. vii. Bố cục chính của luận án Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau: - Mở đầu - Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol làm việc theo thời gian thực - Chương 3. Động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol và mô hình mô phỏng 3
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm - Kết luận chung và hướng phát triển 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ôtô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40  50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ôtô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên. Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam [3]. Bên cạnh đó động cơ ôtô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ôtô, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong. 1.2. Nhiên liệu thay thế Theo nguồn gốc nhiên liệu có thể chia thành hai nhóm là nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu có thể thay thế nhiên liệu truyền thống từ dầu mỏ như xăng và diesel gọi là nhiên liệu thay thế. Hiện nay dầu mỏ chiếm hơn 35% tổng mức tiêu thụ nhiên liệu thương mại chủ yếu của toàn thế giới. Xếp thứ hai là than đá (chiếm khoảng 23%) và khí thiên nhiên đứng thứ 3 (chiếm 21%). Những loại nhiên liệu hóa thạch này là nguồn phát thải khí nhà kính chủ yếu gây nóng lên toàn cầu và làm biến đổi khí hậu. Các loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học gọi là nhiên liệu sinh học (NLSH) là một dạng nhiên liệu thay thế, chiếm 10% tổng mức tiêu thụ năng lượng chủ yếu trên toàn cầu, NLSH gồm nhiên liệu rắn như gỗ, củi, khí sinh học, nhiên liệu lỏng như ethanol sinh học và các diesel sinh học chế biến từ các loại cây trồng như cây mía đường, các loại cỏ năng lượng hoặc từ gỗ nhiêu liệu, than củi, chất thải nông nghiệp và các sản phẩm phụ, những phế thải rừng, phân vật nuôi và các sản phẩm khác. NLSH có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu hóa thạch (dầu khí, than đá...): • Tính chất thân thiện với môi trường: sinh ra ít khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít khí gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. 5
• Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này chế biến từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống (than đá, dầu mỏ). NLSH đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do có các ưu điểm vượt trội khác: nguyên liệu để sản xuất NLSH rất phong phú, có khả năng sản xuất và cung cấp với số lượng lớn để thay thế khi giá xăng dầu khoáng ngày càng tăng. NLSH không chứa các chất gây độc hại như dầu mỏ, khả năng phân hủy sinh học cao. Sử dụng NLSH thuận tiện đơn giản bên cạnh các dạng nhiên liệu khác, ví dụ có thể sử dụng xăng pha ethanol, mà không cần thay đổi, hoán cải các động cơ và mạng lưới phân phối hiện có. Công nghệ sản xuất ethanol, dầu mỡ động thực vật và pha chế NLSH không phức tạp như công nghệ lọc hoá dầu với đầu tư thấp hơn nhiều, có thể sản xuất với các quy mô khác nhau. Chính vì vậy, hiện nay, NLSH đang được các quốc gia nói trên định hướng sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên hiện nay NLSH mới chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong cán cân năng lượng thế giới do giá thành cao và gây ra những nguy cơ đến vấn đề an ninh lương thực, nhất là đối với những nước đang phát triển. Chính vì thế, các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp khắc phục những hạn chế của NLSH. Như trên đã trình bày, NLSH là một dạng nhiên liệu thay thế bên cạnh các nhiên liệu thay thế khác. Theo trạng thái, nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong tồn tại ở hai dạng: - Nhiên liệu thay thế dạng khí; - Nhiên liệu thay thế dạng lỏng. 1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng khí tương đối phổ biến dùng cho động cơ đốt trong. 1.2.1.1. Khí thiên nhiên nén (CNG-Compressed Natural Gas) CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và nhẹ hơn không khí. Thành phần chủ yếu của CNG gồm các hydrocarbon, trong đó metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ propan, butan và các khí khác. Theo [111] “Đặc điểm cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG (Trong trường hợp sử dụng Acid béo methyl esters phun mồi)” cho thấy, khi tỷ lệ CNG thay thế tới 75% thì hiệu suất nhiệt là tương tự như động cơ sử dụng diesel gốc. Khi tỷ lệ CNG thay thế lớn hơn 75% thì hỗn hợp công tác khó cháy hơn và hiệu suất nhiệt giảm đáng kể, cũng như phát thải HC và NOx tăng lên nhiều. 1.2.1.2. Hyđrô và khí giàu hyđrô Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước và từ sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóa không hoàn toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình reforming và điện phân nước [1, 7]. Hyđrô có thể được sử dụng trực tiếp trên động cơ đốt trong ở dạng hyđrô lỏng (nhiệt độ hóa lỏng là -253oC ở điều kiện khí quyển) hoặc ở dạng nén (áp suất bình chứa lên tới 700 bar). Vấn đề tồn chứa hyđrô một cách hiệu quả, an toàn vẫn đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp. Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để sản sinh điện năng. Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ và giá thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu được xem như là vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là “nhiên liệu của tương lai” [1]. 6
Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như oxy (trong khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác. Khí giàu hyđrô thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu bằng cách bổ sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm phát thải ô nhiễm [33]. 1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng lỏng tương đối phổ biến dùng cho động cơ đốt trong. 1.2.2.1. Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas) LPG là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí đồng hành thu được trong quá trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C3H8 và butan, C4H10 [1, 29]. LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén như là một phụ gia nhiên liệu. Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp: khoảng 2,2 bar đối với C4H10 tại 20oC, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 55oC [1, 19]. Thông thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ propan/butan khoảng 60%/40%. Theo [84] cho thấy phát thải HC giảm hơn ba lần và phát thải NOx ít hơn khi phun trực tiếp vào buồng cháy. Theo [18] cho thấy tổng lượng tiêu hao nhiên liệu giảm khi tăng tỷ lệ LPG thay thế khi tốc độ động cơ lớn hơn 2000 vg/ph, khi tốc độ động cơ lớn hơn 2400 vg/ph suất tiêu hao năng lượng giảm rõ rệt, đồng thời phát thải HC và NOx tăng nhiều trong khí phát thải CO và soot giảm. Bên cạnh đó nghiên cứu này cũng cho thấy cần phải giảm góc phun sớm để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải. 1.2.2.2. Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To Liquid) Than sau quá trình khí hoá, tạo ra syngas và thực hiện quá trình Fischer-Tropsch (FT) để tạo thành FT diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế từ khí methane, CH4 (có thể từ nguồn gốc tái tạo như biogas hoặc từ nguồn gốc hoá thạch như khí thiên nhiên). Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ khí methane gồm methanol, DME hoặc FT diesel [1]. 1.2.2.3. Dimethyl Ether (DME) Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên liệu có thể làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ có trị số xêtan cao. DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như nhiên liệu gốc hoá thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối [1, 57]. 1.2.2.4. Biodiesel Trong những năm gần đây, việc quan tâm sử dụng biodiesel thay thế cho diesel khoáng ngày càng được quan tâm. Vấn đề ảnh hưởng của việc sử dụng trực tiếp biodiesel đến quá trình phun nhiên liệu, quá trình cháy, cũng như đặc tính động cơ, ô nhiễm môi trường và tính kinh tế nhiên liệu đang được các nhà khoa học quan tâm, và các kết quả đã chỉ ra rằng sự ảnh hưởng này phụ thuộc vào tính chất hóa học, tính chất vật lý của biodiesel và thông số động cơ, cũng như điều kiện làm việc của động cơ, … [32]. Theo hầu hết các nghiên cứu cho thấy công suất động cơ, mô men động cơ, phát thải dạng hạt PM, phát thải CO và phát thải HC chưa cháy nhìn chung đều giảm khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng. Tuy nhiên phát thải NOx lại tăng [32]. Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng. Do đó, nếu hiệu suất cháy như nhau thì tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng [32]. 7