ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
PHẠM HUY THUYẾT
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ
LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 80520116
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TRƯỞNG KHOA
TS. Nguyễn Trung Kiên
PHÒNG ĐÀO TẠO
Thái Nguyên - 2018
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép
tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô
và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và làm
luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi hết
sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn
thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác
đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong
hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi
có thể hoàn chỉnh luận văn 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 học tập.
Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản
thân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự
góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn.
Học viên
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................... vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ....................................................................... 4
* Ý nghĩa khoa học: ....................................................................................... 4
* Ý nghĩa thực tiễn: ........................................................................................ 4
4. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 4
5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 4
6. Các nội dung chính trong đề tài .................................................................... 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 6
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường ................................ 6
1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học .............................................................. 7
1.3. Nhiên liệu ethanol .................................................................................... 10
1.3.1. Tính chất vật lý của ethanol ............................................................... 10
1.3.2. Công nghệ sản xuất ethanol ............................................................... 11
1.3.3. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam ....................... 14
1.3.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel ............................. 18
1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................... 24
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ... 25
SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU ................................................................ 25
2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ................... 25
2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong ........................... 25
2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại ............................................... 28
iii
2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong ................... 30
2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol .................................. 34
2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng .......................................... 35
2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ .................................. 36
Lựa chọn mô hình cháy: ....................................................................... 36
Lựa chọn mô hình truyền nhiệt: ........................................................... 40
2.4.2. Mô hình đường ống thải ..................................................................... 42
2.4.3. Mô hình đường ống nạp ..................................................................... 43
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng phần mềm GT-Power ............................... 43
2.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power ........................................ 43
2.5.2. Các phần tử chính của mô hình động cơ khảo sát............................. 45
2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................... 51
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU ................... 52
DIESEL - ALCOHOL ..................................................................................... 52
3.1. Đặt vấn đề................................................................................................. 52
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng................................................................... 52
3.3. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 62
3.3.1. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến áp suất môi chất 62
3.3.2. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến nhiệt độ môi chất
...................................................................................................................... 64
3.3.3. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến tốc độ tỏa nhiệt . 66
3.3.4. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải CO2 ... 67
3.3.5. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải NOx.... 69
3.3.6. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải HC ..... 71
3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................... 71
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 75
iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Diễn giải
LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng
CNG Khí nén thiên nhiên
LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng
HVO Dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa
BTL Sinh khối hóa lỏng
Thống số đặc trưng cháy m
Quy luật cháy x
Tốc độ cháy dx/d
Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, [kg/ct] mnl
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu QH
v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol ............................................................ 10
Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel, methanol và ethanol . 52
Bảng 3.2. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình .......... 53
Bảng 3.3. Các phần tử chính của mô hình động cơ V12 ............................... 55
Bảng 3.4. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 .............. 57
Bảng 3.5. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất ............. 58
theo đặc tính ngoài động cơ V12 .................................................................... 58
Bảng 3.6. Lượng phun diesel, methanol và ethanol ........................................ 61
theo với các mức năng lượng chia sẻ với diesel khoáng ................................ 61
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ lúa mì và xi-rô đường ............................ 12
Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza ............................................... 13
Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế ....................................................... 30
Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol, [1] ........................ 35
Hình 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán ................ 42
theo phương trình của Woschni và Hohenberg ............................................... 42
Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh ........................ 45
Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu ......................................................... 46
cho phần tử cơ cấu phân phối khí ................................................................... 46
Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun ...................... 47
Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ .. 48
Hình 2.8. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống .................. 49
Hình 2.9. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia ........... 50
Hình 3.1. Mô hình động cơ V12 ..................................................................... 55
Hình 3.2. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu ............................. 59
của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài của động cơ V12 .................................. 59
Hình 3.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun alcohol ......... 60
vào đường nạp của động cơ ............................................................................ 60
Hình 3.4. Mô hình cụm đường ống nạp động cơ V12 khi thiếp lập mô hình chạy lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol ............................................................ 60
Hình 3.5. Lượng phun methanol, ethanol vào đường nạp .............................. 61
Hình 3.6. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – methanol ............................................................................ 62
Hình 3.7. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol ............................................................................... 63
Hình 3.8. Áp suất cực đại (a) và tốc độ tăng áp suất trung bình ..................... 63
của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol ................................................ 63
Hình 3.9. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ .......... 64
lưỡng nhiên liệu diesel – methanol ................................................................. 64
vii
Hình 3.10. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........ 65
lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol .................................................................... 65
Hình 3.11. Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........... 65
lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol .................................................................... 65
Hình 3.12. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ ......................................... 66
lưỡng nhiên liệu diesel – methanol ................................................................. 66
Hình 3.13. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ ......................................... 67
lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol .................................................................... 67
Hình 3.14. Đặc tính phát thải CO2 động cơ .................................................... 68
lưỡng nhiên liệu diesel – methanol ................................................................. 68
Hình 3.15. Đặc tính phát thải CO2 động cơ .................................................... 68
lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol .................................................................... 68
Hình 3.16. Đặc tính phát thải CO2 động cơ .................................................... 69
lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol .................................................................... 69
Hình 3.17. Đặc tính phát thải NOx động cơ .................................................... 70
lưỡng nhiên liệu diesel - methanol .................................................................. 70
Hình 3.18. Đặc tính phát thải NOx động cơ .................................................... 70
lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol .................................................................... 70
Hình 3.19. Đặc tính phát thải HC động cơ ...................................................... 71
lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol .................................................................... 71
viii
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Mặc dù hiện nay có rất nhiều loại động cơ được sử dụng để làm nguồn
động lực như động cơ tua-bin khí, động cơ tua-bin hơi, động cơ phản lực, động
cơ điện nhưng động cơ đốt trong kiểu pít tông vẫn được sử dụng rộng rãi nhất
với số lượng lớn nhất trong mọi lĩnh vực: giao thông vận tải (đường sắt, đường
bộ, đường thủy), nông nghiệp, lâm nghiệp, công nghiệp... Tổng công suất của
động cơ đốt trong tạo ra chiếm khoảng 90% công suất của toàn bộ thiết bị động
lực (nhiệt năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời).
Trong số các chất gây ô nhiễm không khí nói chung, khí thải từ các
phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB) chiếm một tỷ trọng đáng kể. Ngoài
những ưu điểm không thể phủ nhận, trong quá trình hoạt động động cơ đốt
trong (ĐCĐT) cũng gây ra những tác động xấu đến sức khỏe con người và môi
trường sinh thái. Con người đã nhận thức rõ và ngày càng có những biện pháp
cương quyết hơn nhằm hạn chế tác động tiêu cực của ĐCĐT. Thời gian gần
đây, chính phủ các nước đã đưa ra những chính sách khác nhau nhằm kiểm soát
ô nhiễm của các PTCGĐB. Chính những tiêu chuẩn về môi trường sẽ là một
trong những yếu tố mạnh nhất tác động đến sự phát triển của ĐCĐT trong tương
lai. Điều này cũng đặt ra yêu cầu cấp thiết đối với các nhà chuyên môn là phải
nghiên cứu tìm ra những giải pháp phù hợp nhằm hạn chế tác động tiêu cực của
ĐCĐT trong khi vẫn duy trì được những ưu điểm của chúng. Một trong những
giải pháp phù hợp hiện nay là sử dụng các nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu
truyền thống xăng hoặc diesel.
Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang
là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc
vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động
tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy do nén
1
(động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao
thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy nhiên
trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con người và môi
trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chấy ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate
Matter). Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) trong động
cơ diesel là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm phát sinh các thành phần độc
hại trong khí xả. Một trong số đó, nhiên liệu cồn (alcohol) là một trong những
nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm phát thải và sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa
thạch. Alcohol là loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, do
bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao. Trong các loại nhiên
liệu alcohol, các nhiện liệu alcohol chứa hàm lượng các bon thấp (chứa 3 hoặc
ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như Methanol và Ethanol hiện được coi là những
nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel nhận được nhiều sự quan tâm do ưu
điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng ô xi cao, do đó cải thiện đáng kể
đặc tính cháy và đặc tính phát thải. Tuy nhiên, do số Cetane thấp và nhiệt ẩn
bay hơi cao cũng như vấn đề hòa trộn làm cản trở việc sử dụng các alcohol có
hàm lượng các bon thấp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel. Nhiên liệu
alcohol có hàm lượng các bon cao (chứa từ 4 nguyên tố các bon trở lên) có
nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so với nhiên liệu alcohol hàm
lượng các bon thấp do chúng có số Cetane và nhiệt trị cao hơn cũng như khả
năng hòa trộn tốt hơn.
Nhiên liệu alcohol có thể được sử dụng với nhiên liệu diesel bằng nhiều
cách khác nhau, trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn
cồn - diesel được sử dụng phổ biến hơn cả. Trong phương pháp pha trộn cồn -
diesel, nhiên liệu alcohol được pha trộn trước với nhiên liệu diesel với tỷ lệ
nhất định trước khi phun vào trong xi lanh động cơ. Để nâng cao tính ổn định
của hỗn hợp cồn - diesel cần thiết phải sử dụng thêm chất phụ gia, chính điều
2
này làm giới hạn lượng alcohol pha trộn với nhiên liệu diesel. Phương pháp
phun hơn cồn vào đường nạp có nhiều ưu điểm hơn tuy nhiên cần có một số
điều chỉnh nhỏ từ động cơ cơ sở như bố trí thêm một vòi phun nhiên liệu thấp
áp, thùng nhiên liệu alcohol, đường ống và bộ điều khiển vòi phun nhiên liệu
alcohol. Tuy nhiên phương pháp này đạt được nhiều kết quả mong muốn hơn,
như hiệu suất của động cơ tốt hơn, hàm lượng nhiên liệu alcohol có thể sử dụng
cao hơn, giảm đáng kể các chất ô nhiễm đặc biệt là oxit ni tơ (NOx) và chất ô
nhiễm dạng hạt PM.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ cồn đến hiệu
suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ diesel, tuy nhiên các công
trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu trong khi các thuật toán cùng mô
phỏng số không được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy, nghiên cứu đặc tính cháy
và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết nhằm từng
bước làm chủ công nghệ. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel” làm đề
tài luận văn cao học của mình.
2. Mục đích của đề tài
- Xây dựng được mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo
phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp (alcohol fumigation) bằng phần mềm
mô phỏng động cơ chuyên dụng 1D GT-Power.
- Xác định được lượng phun tối ưu alcohol (methanol và ethanol) ứng
với chế độ tính toán.
- Đánh giá được ảnh hưởng của lượng phun methanol và ethanol vào
đường nạp của động cơ đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và phát thải.
- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị.
3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Luận văn đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và
cháy của loại động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel trong động cơ cháy do nén
thông qua mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power. Từ
mô hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của lượng phun alcohol khác nhau vào
đường nạp đến đặc tính cháy, tính kinh tế nhiên liệu và phát thải của động cơ
được khảo sát. Đây là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với thực nghiệm để từ
đó có thể đề xuất kiến nghị sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel cho
động cơ cháy do nén (CI - Compression Ignition), do đó có thể giải quyết được
vấn đề nguồn nhiên liệu mới và thân thiện với môi trường cho động cơ đốt
trong.
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Các mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình
đào tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu cồn -
diesel cho động cơ cháy do nén; đặc biệt là phương pháp phun hơi cồn vào
đường nạp động cơ (Alcohol Fumigation).
- Mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu đã xây dựng được có thể sử dụng
làm cơ sở cho các mục đích tương tự.
- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả
thực nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu cồn – diesel (loại phun
hơi cồn vào đường nạp).
4. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ diesel
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: sử dụng phần mềm GT-Power để mô phỏng và
phân tích kết quả.
4
6. Các nội dung chính trong đề tài
Thuyết minh của luận văn 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
- Chương 3. Mô phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol
- Kết luận và kiến nghị
5
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 ô tô 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 ô tô 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.
Bên cạnh đó động cơ ô tô 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.
6
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 ô tô, 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. Tổng quan về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành
từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ
chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô,
đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm
trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [4]. NLSH dùng cho giao
thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Methanol, Ethanol, Butanol), các loại
diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật).
Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh
đó cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu điểm chính của NLSH so với
các loại nhiên liệu truyền thống như sau:
* Ưu điểm:
+ Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu
ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại
nhiên liệu truyền thống.
+ Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động
sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn
nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…).
* Nhược điểm:
- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác
lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do
7
đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe
dọa tới an ninh lương thực.
- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó
khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều
kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được.
- Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo
nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose - có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao.
- NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ
bị biến tính phân hủy theo thời gian).
Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các
loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên
liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ [4]:
- NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu
có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường,
mỡ động vật, dầu thực vật,…
- NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH
thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên,
kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa
lignocellulose. Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều
có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa.
- NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng
thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5 ÷ 300 lần để sản xuất
biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 ÷ 2 lần
trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 ÷ 10 ngày tùy
thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất
đáng kể. Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó
8
đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan
tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch.
Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể tên
như sau:
- Bioethanol;
- Biodiesel;
- Methane (biogas);
- Biohydrogen;
- Dimethyl ether (DME).
Trong đó bio-ethanol (gọi tắt là ethanol) được sản xuất và sử dụng rộng
rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc.
Ethanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ
đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiên
trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề
xuất việc sử dụng ethanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các
sản phẩm nông nghiệp. Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất
nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên
toàn thế giới.
Ethanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp
như ngô, khoai tây, củ cải đường… Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp
như pho mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn
nguyên liệu để chế tạo ra cồn ethanol. Ở Brazil thì ethanol được sản xuất từ bã
mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì ethanol
được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất
rượu vang bị suy giảm. Ngoài ra ethanol còn có thể được sản xuất từ gỗ.
Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanol
được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
9
1.3. Nhiên liệu ethanol
1.3.1. Tính chất vật lý của ethanol
Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước
(khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39oC, hóa rắn ở - 114,15oC,
tan vô hạn trong nước. Sở dĩ ethanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao
hơn nhiều so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết
hydro giữa các phân tử với nhau và với nước.
Một số tính chất vật lý thể hiện trong bảng 1.1 [4].
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol
TT Tính chất Giá trị
1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O
2 Phân tử gam 46,07 g/mol
3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt dễ cháy
4 Tỷ trọng 0,789
5 Độ nhớt 1,2 cP ở 20oC
6 Độ tan trong nước Tan hoàn toàn
7 Nhiệt độ sôi 78,4oC (351,6 K)
8 Nhiệt độ tan 158,8 K (-114,3 oC)
9 Điểm tới hạn 514 K
10 pH 7,0 (trung tính)
65,21 J/mol.K 11 Cp
Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, 12 Tác động cấp tính ngừng thở trong trường hợp nặng
13 Tác động kinh niên Nghiện, xơ gan
14 Nhiệt độ tự cháy 425 oC
15 Mật độ giới hạn nổ 3,5 ÷ 15%
10
1.3.2. Công nghệ sản xuất ethanol
Phương pháp hydrat hóa etylen
Cho etylen hợp nước ở 300 0C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit:
CH2 = CH2 + H2O CH3-CH2-OH
Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất
có độ xốp cao như diatomit hay than củi. Chất xúc tác này được công ty Shell
sử dụng để sản xuất ethanol ở mức độ công nghiệp năm 1947.
Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản ứng
xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo
thành ethanol và tái tạo lại axit:
CH2 = CH2 + H2SO4 CH3-CH2OSO3H
CH3-CH2OSO3H + H2O CH3-CH2-OH + H2SO4
Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có
chứa một số thành phần độc hại như: methanol, denatonium (C21H29N2O,
C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê. Ethanol điều chế theo phương pháp công
nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 ÷ 1987 [4].
Công nghệ lên men sản xuất ethanol
Ethanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có
thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình
1.1). Tinh bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân
hủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men. Hạt ngũ
cốc được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân
để tạo đường. Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào
khối bột nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có
mặt một số chủng men ancol. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung
dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 ÷ 5,0. Ethanol sinh ra trong quá trình
11
lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất
để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanol khan).
Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ lúa mì và xi-rô đường
Công nghệ sinh học sản xuất ethanol từ nguyên liệu xenluloza
Công nghệ sinh học sản xuất ethanol từ xenluloza thể hiện qua quy trình
xử lý thủy phân xenluloza trong đó bao gồm thủy phân nguyên liệu
licnoxenluloza tiền xử lý, sử dụng các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp để
tạo thành đường đơn giản và tiếp theo là quá trình lên men và chưng cất.
Có 6 giai đoạn để sản xuất ethanol từ xenluloza như giới thiệu trên hình
1.2.
- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc
rơm rạ để thủy phân.
- Thủy phân xenluloza (cellulolysis), để bẻ gãy các phân tử để tạo đường.
- Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (phức
polyme thơm).
- Lên men đường.
- Chưng cất để tạo ra ethanol nguyên chất.
- Khử nước để tạo ra ethanol khan với nồng độ lên đến 99,7%.
12
Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza
Quá trình sản xuất ethanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men
tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên
men. Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp
xenluloza là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài
(polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40 ÷ 60% xenluloza và 20 ÷ 40%
hemixenluloza, có cấu trúc tinh thể bền. Hemixenluloza chứa hỗn hợp các
polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo.
Nói chung hỗn hợp xenluloza khó hòa tan trong nước. Phức polyme thơm có
trong gỗ là lignin (10 ÷ 25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học,
nhưng có thể tận dụng vào việc khác [4].
Các phương pháp làm khan ethanol
Thông thường ethanol sản xuất theo các phương pháp nêu trên thường
có nồng độ ≤ 96% vì vậy để tạo ra ethanol có nồng độ lớn hơn 99% thì chúng
ta phải sử dụng các biện pháp loại nước, hay còn gọi là làm khan. Các phương
pháp làm khan:
13
- Làm khan bằng các chất hút nước: Có thể dùng các chất hút nước như:
Clorua canxi khan, vôi … Tuy nhiên biện pháp này ít hiệu quả.
- Chưng cất phân đoạn: Đó là phương pháp cho thêm một cấu tử vào hỗn
hợp để phá vỡ điểm sôi. Cấu tử thêm là benzen và hỗn hợp lại được chưng cất
phân đoạn lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và ethanol
nhằm loại bỏ ethanol ra khỏi nước và điểm sôi hỗn hợp cấp 2 với ethanol để
loại bỏ phần lớn benzen. Phương pháp này có thể tạo ra ethanol có độ khan rất
cao tuy nhiên vẫn còn một lượng nhỏ benzen còn lại trong ethanol gây độc hại.
Do vậy phương này chỉ ứng dụng để tạo ethanol làm nhiên liệu (ví dụ như pha
vào xăng) mà không được sử dụng cho thực phẩm.
- Sử dụng rây phân tử: Rây phân tử là vật liệu xốp, sử dụng để hấp thụ
chọn lọc nước từ dung dịch 96% ethanol. Có thể sử dụng zeolit dạng viên hoặc
bột yến mạch tuy nhiên zeolit có giá trị hơn do khả năng hấp phụ chọn lọc cao,
lại tái sinh được. Số lần sử dụng zeolit không hạn chế do có thể tái tạo bằng
cách làm khô với luồng khí CO2 nóng. Ethanol tinh khiết sản xuất theo phương
pháp này sẽ không chứa benzen do vậy ethanol tinh khiết loại này có thể sử
dụng trong thực phẩm, y học và mỹ phẩm.
- Sử dụng chất phụ gia: Hiện nay có một xu hướng sử dụng ethanol nồng
độ thấp 92% làm nhiên liệu. Đối với ethanol dạng này yêu cầu phải có phụ
gia có vai trò xúc tiến quá trình hòa trộn giữa xăng và ethanol đồng thời nó
ngăn ngừa sự tách pha của nước trong hỗn hợp cũng như ngăn cản quá trình
hấp thụ hơi nước từ khí quyển trong quá trình bảo quản sử dụng. Phụ gia thường
dùng là các loại ancol có phân tử lớn như ancol isopropylic, isobutyric.
1.3.3. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam
Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới
Dùng ethanol thay dầu diesel sẽ góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường
từ khí thải động cơ diesel: các chỉ số HC, CO, độ khói đen đều thấp hơn so với
14
khi dùng dầu diesel. Sở dĩ như vậy là do trong phần tử ethanol có thành phần
cácbon ít hơn với dầu diesel và có sẵn oxy nên dễ đốt cháy cácbon hơn. Tuy
nhiên, do tính chất của ethanol khác với tính chất của nhiên liệu dùng cho động
cơ diesel như: trị số xêtan và độ nhớt thấp, không thể đốt cháy ethanol bằng
phương pháp tự bốc cháy trong động cơ diesel. Vì vậy sử dụng ethanol trên
động cơ diesel gặp nhiều khó khăn hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng bức [4].
Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn nhất thế giới, chiếm
khoảng 86,25% toàn bộ lượng ethanol sản xuất toàn cầu [1, 4]. Nguyên liệu
chính để sản xuất ethanol tại Mỹ là ngô, trong khi tại Brazil thì mía là nguồn
cung cấp chính.
Brazil là nước đi đầu với chương trình quốc gia ủng hộ cồn từ năm 1975,
sử dụng cồn sản xuất từ bã mía để pha vào xăng với tỷ lệ đến 20%, dùng trong
ngành vận tải. Hiện nay 9 công ty sản xuất xe hơi ở Brazil, trong đó có General
Motor và Ford cung cấp cho thị trường loại xe sử dụng nhiên liệu lưỡng tính
(xe FFV - Flexible Fuel Vehicle) tức là chạy bằng xăng thông thường hoặc
bằng cồn hoặc bằng hỗn hợp xăng cồn đều được. Trong số xe bán ra trong tháng
4/2005, loại xe này chiếm tới 50%.
Trong thực tế, Brazil là một trong các quốc gia sản xuất và xuất khẩu
đường lớn nhất thế giới, đồng thời cũng là nước sản xuất, tiêu thụ và xuất khẩu
cồn đứng thứ hai thế giới sau Mỹ. Cả nước có khoảng 600000 đồn điền trồng
mía, hơn 300 nhà máy sản xuất cồn [4].
EU chiếm vị trí thứ ba thế giới về sản lượng etanol. Sản xuất etanol tại
EU chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đường. Chương trình năng lượng tái tạo
(RFD) của EU quy định đến năm 2020, toàn bộ xăng dầu dùng cho giao thông
vận tải phải được pha 10% nhiên liệu tái tạo.
Philippines là quốc gia tiên phong ở Châu Á trong việc thực hiện chương
trình NLSH bằng việc sử dụng NLSH tái tạo vào năm 2006. Theo đó, toàn bộ
15
các sản phẩm nhiên liệu tiêu thụ nội địa phải pha trộn NLSH 2% Bio-diesel và
10% Bio-etanol vào tháng 2/2012 .
Thái lan đã bắt đầu cung cấp xăng pha cồn cho các phương tiện vận tải
vào năm 2005. Người tiêu dùng có thể chọn mua E10 với giá giảm đáng kể so
với xăng thông thường. Tại thời điểm đó, hầu hết các phương tiện vận tải đường
bộ ở Thái lan có thể sử dụng xăng pha cồn E10 mà không ảnh hưởng gì. Chính
phủ đã công bố một danh sách của tất cả các xe có thể sử dụng xăng E10 và
phát hành rộng rãi tại tất cả các trạm xăng dầu trên cả nước. Hầu hết ô tô sản
xuất sau năm 1983 đều có thể sử dụng E10.
Hiện tại hầu hết các trạm xăng tại Thái Lan đều bán xăng E20 và đây là
loại xăng thông dụng nhất tại Thái Lan vì tất cả các loại ô tô đời mới đều có thể
sử dụng loại xăng này, giá cả thấp hơn 5 Baht/lít so với xăng E10. Đối với E85,
hiện Thái Lan có khoảng 150 điểm bán, chủ yếu tại Bangkok và đang sử dụng
ngày một nhiều hơn. Loại xăng này chỉ có thể sử dụng cho các loại phương tiện
sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV). Loại phương tiện này có một hệ thống nhiên
liệu điện tử đặc biệt cho phép vận hành trên bất cứ loại xăng pha etanol nào với
tỷ lệ etanol từ 0% ÷ 80%.
Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam
Hiện nay tại Việt Nam, nhiên liệu xăng và diesel vẫn là hai loại nhiên
liệu chính của ngành giao thông vận tải (GTVT). Việc sản xuất và sử dụng
nhiên liệu thay thế là chưa nhiều, hầu hết ở quy mô nhỏ lẻ. Năm 2007, thủ
tướng chính phủ ra quyết định số 177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát triển nhiên
liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”. Mục tiêu đến năm 2015, sản xuất
được 250 nghìn tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng 1% nhu cầu nhiên liệu; và
tầm nhìn 2025 là 1,8 triệu tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng được 5% nhu cầu
nhiên liệu. Cùng với đó là những khuyến khích về tài chính như trợ giá, miễn
thuế… cho các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnh vực năng
16
lượng tái tạo. Tuy nhiên, tình hình sản xuất etanol tại Việt Nam còn có những
thuận lợi và khó khăn như sau:
* Thuận lợi:
+ Việt Nam tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối đáng kể là những sản
phẩm thừa trong quá trình chế biến nông lâm sản như rơm rạ, trấu, cỏ, lá, mùn
cưa, bã mía và một số chất thải nông nghiệp khác. So với nguồn nhiên liệu sinh
khối từ gỗ khoảng 75 ÷ 80 triệu tấn năm, tương đương 26 ÷ 28 triệu tấn
dầu/năm. Năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp chiếm khoảng 30
triệu tấn/năm tương đương với 10 triệu tấn dầu/năm trong đó đáng kể là các
nguyên liệu trấu, rơm rạ, bã mía, mùn cưa. Nguồn nhiên liệu sinh khối từ vỏ
trấu là đáng kể nhất ở Việt Nam khoảng 5 ÷ 7 triệu tấn/năm trong đồng bằng
sông Cửu Long có khoảng 4,5 ÷ 5 triệu tấn/năm. Phụ phẩm thứ 2 có thể kể đến
là vỏ cà phê, vỏ cà phê hoàn toàn có thể dùng để sản xuất etanol.
+ Việt Nam còn có vùng nguyên liệu sắn rộng lớn. Cây sắn đã chuyển
đổi vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp với tốc độ cao, năng suất
và sản lượng sắn đã tăng nhanh ở thập kỷ đầu của thế kỷ XXI.
* Khó khăn:
- Mặc dù nhà nước đã có đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm
2015, tầm nhìn đến năm 2025” được ký duyệt vào cuối năm 2007 nhưng vẫn
chưa có những chính sách cụ thể để khuyến khích cũng như hỗ trợ các nhà khoa
học, doanh nghiệp và người dân cùng thực hiện. Các công trình nghiên cứu về
nhiên liệu sinh học được công bố còn ít, các công trình đã công bố thì lại gặp
khó khăn trong việc triển khai sản xuất và ứng dụng. Các doanh nghiệp không
mặn mà với việc sản xuất nhiên liệu sinh học.
- Hiện nay, nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch để chạy động cơ do một
số doanh nghiệp nắm giữ và mang tính độc quyền, để thuyết phục họ chuyển
dần sang kinh doanh nhiên liệu sinh học là rất khó. Các doanh nghiệp khác thì
17
chưa đủ tiềm lực để có thể áp dụng và kinh doanh nhiên liệu sinh học. Mặt khác
để đầu tư cho dây chuyền sản xuất nhiên liệu sinh học theo quy mô công nghiệp
thì yêu cầu nguồn vốn lớn, điều này không phải doanh nghiệp nào ở Việt Nam
cũng có thể đáp ứng được.
- Muốn phát triển nhiên liệu sinh học thì phải có nguồn nguyên liệu cung
cấp để sản xuất. Tuy nhiên, hiện nay có một số vùng trồng nguyên liệu nhưng
mang tính chất manh mún, nhỏ lẻ gây khó khăn cho việc sản xuất theo quy mô
công nghiệp.
- Một yếu tố quan trọng nữa là người tiêu dùng ở nước ta từ trước đến
nay vẫn quen dùng nhiên liệu truyền thống, chưa có những chiến dịch tuyên
truyền người dân sử dụng nhiên liệu sinh học. Mặt khác, giá thành của xăng
sinh học còn cao, chưa khuyến khích được người tiêu dùng sử dụng.
1.3.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel
Tình hình nghiên cứu trong nước
Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế tiềm năng cho cả động cơ xăng và
động cơ diesel, đồng thời có khả năng cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và
phát thải của động cơ. Điển hình gồm các nghiên cứu sau:
Nghiên cứu đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel
khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần
lượt là 5% và 10% [32]. Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên
liệu thay đổi không đáng kể, phát thải HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx
tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc.
Đối với sử dụng ethanol cho động cơ diesel bằng phương pháp phun
ethanol vào xupáp nạp và điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ có thể kể đến công
trình [1]. 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, có thể áp dụng
18
linh hoạt cho các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên
liệu sinh học. Cụ thể, đã chuyển đổi thành công một động cơ diesel D4BB sang
chạy 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.
Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các
chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ được tác giả Lê Danh Quang thực hiện
trong luận án tiến sĩ (2014) "Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh
học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ" cho thấy: Khi thử
nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-D đến tính năng kinh tế,
kỹ thuật của động cơ diesel D243, kết quả là ở thời điểm 0 giờ mô men động
cơ tăng trung bình 5,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 2,5%, các thành
phần phát thải đều giảm, cụ thể: CO: 3,5%; HC: 6,6%; NOx: 5,5%; CO2: 0,86%
và PM: 3,3% khi so sánh với trường hợp không sử dụng phụ gia. Kết quả thử
nghiệm mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả của động
cơ tại các thời điểm 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định không thay đổi nhiều so
với thời điểm 0 giờ. Sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với nhiên liệu D5 có
phụ gia VPI-D, lượng phát thải được cải thiện. Cụ thể, sau 50 giờ chạy ổn định
phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt
là 3,9%, 14,7%, 3,6%, 1,2% và 4,3; sau 100 giờ chạy ổn định phát thải HC,
NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 5%, 16,3%,
8,4%, 2,2% và 6%.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Qua các kết quả chỉ ra trong các công trình từ [11] ÷ [42], nhận thấy có
một vài công nghệ có thể ứng dụng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu
ethanol sau:
19
+ Sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn;
+ Ethanol phun trực tiếp;
+ Ethanol phun trên đường ống nạp.
Sau đây sẽ giới thiệu các kết quả của một vài công trình điển hình về sử dụng
ethanol theo các phương thức như trên.
* Sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn
E.A. Ajav và các cộng sự [33] đã nghiên cứu thực nghiệm một số thông
số hiệu suất của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn
tại tốc độ động cơ không đổi. Trong nghiên cứu sử dụng động cơ TV110, một
xy lanh, làm mát bằng dung dịch. Kết quả cho thấy công suất lớn nhất của động
cơ diesel nguyên bản đạt 10,71 [ml] tại tốc độ 1475 [vg/ph], công suất lớn nhất
đạt lần lượt là 10,66; 10,63; 10,51; 10,39 [ml] tương ứng với các tỷ lệ ethanol
thay thế lần lượt là 5%; 10%; 15% và 20%. Như vậy, có thể coi công suất động
cơ giảm không đáng kể khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với
tỷ lệ thay thế có thể đạt đến 20% so với động cơ diesel nguyên bản.
Theo nghiên cứu của Eugene EE và các cộng sự [34] thì động cơ cần một
số điều chỉnh nhỏ như thay đổi thời điểm phun và lượng phun để động cơ giữ
được công suất cực đại, mức độ điều chỉnh nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ
ethanol trong nhiên liệu và phụ thuộc vào ảnh hưởng của ethanol đến quá trình
cháy.
Theo nghiên cứu của Alan C. Hansen và các cộng sự [35] thì ethanol
khan có thể hòa trộn với nhiên liệu diesel, tuy nhiên do ethanol có tính hút nước
mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân
tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ. Theo
nghiên cứu của Murayama T và các cộng sự [36] cho biết, khả năng hòa tan
của hỗn hợp diesel - ethanol phụ thuộc vào tỷ lệ hòa trộn, nhiệt độ, hàm lượng
nước, nồng độ chất phụ gia và trọng lượng riêng của nhiên liệu diesel. So với
20
các loại nhiên liệu diesel thông thường, các loại nhiên liệu pha trộn cho hiệu
suất nhiệt tốt hơn, độ khói giảm, và phát thải HC, NOx, CO giảm.
Do ethanol có tính chất cơ lý khác với nhiên liệu diesel nên khi thêm
ethanol vào diesel sẽ làm thay đổi tính chất cơ lý của nhiên liệu gốc như làm
giảm mạnh trị số cetan cũng như độ nhớt và nhiệt trị của hỗn hợp. Với lý do
này động cơ sẽ khó khởi động lạnh, hiện tượng rò rỉ nhiên liệu tăng lên đồng
thời chiều dày màng dập lửa tăng do nhiệt hóa hơi của ethanol cao.
Weidmann và các cộng sự [37] đã tiến hành đo đặc tính của động cơ
diesel bốn xy lanh Volkswagen sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha ethanol,
kết quả cho thấy HC, CO và andehit trong khí thải tăng lên, tuy nhiên NOx và
độ khói giảm so với chạy nhiên liệu diesel.
Czerwinski và các cộng sự [38] đã xây dựng đặc tính của động cơ diesel
bốn xy lanh phun trực tiếp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30% thể tích
ethanol và 15% thể tích dầu hạt cải. Kết quả cho thấy khi thêm ethanol sẽ làm
cho nhiệt độ cháy giảm, tất cả chất độc hại trong khí thải giảm ở toàn tải, tuy
nhiên lượng CO và HC tăng tại tải nhỏ và tốc độ thấp.
Qua việc phân tích các công trình đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel-
ethanol hòa trộn sẵn cho thấy ưu điểm của phương pháp này là không phải thay
đổi kết cấu động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho
phù hợp với tỷ lệ ethanol thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất
động cơ. Tuy nhiên phương pháp này không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế
theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol có tính hút nước mạnh nên
lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng
nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn trong
quá trình sử dụng.
21
* Ethanol phun trực tiếp
Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng một
động cơ, trong đó ethanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy bằng
nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun của
ethanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất. Theo
nghiên cứu của Savage LD [39], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên
tới 90% trong điều kiện lý tưởng. Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm
dịu, độ mờ khói và khí thải rất thấp. Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực
tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol
cao áp.
* Ethanol phun trên đường ống nạp
Phương pháp thứ ba là ethanol hòa trộn với không khí nạp trước khi đi
vào xy lanh động cơ. Theo phương pháp này M.Abu-Qudais và các cộng sự
[40] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai trường hợp phun ethanol trên đường ống
nạp và diesel - ethanol hòa trộn sẵn đến đặc tính và phát thải của động cơ diesel
một xy lanh, bốn kỳ, làm mát bằng dung dịch.
Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% và 5,4%
trên toàn dải tốc độ lần lượt trong hai trường hợp: phun ethanol trên đường ống
nạp và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn. Về phát thải cho thấy CO, HC đều
tăng trong khi độ khói và soot giảm so với khi sử dụng nhiên liệu diesel nguyên
bản. Tỷ lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20% và 15% trong lần lượt
hai trường hợp phun ethanol và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn.
Từ các kết quả trên, cho thấy khi sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế
với tỷ lệ thay thế 20% trong các trường hợp thì phát thải CO, HC tăng và phát
thải độ khói và soot đều giảm. Phát thải CO và HC tăng dẫn đến tỷ lệ ethanol
có thể sử dụng bị giới hạn. Ngoài ra, sử dụng phương pháp phun ethanol gián
tiếp trên đường ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên
22
phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp
nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó.
Ogawa H và cộng sự [41] đã tiến hành thiết lập đặc tính của động cơ diesel một xy lanh 0,83 dm3 phun trực tiếp sử dụng hai hệ thống nhiên liệu, bao
gồm hệ thống phun diesel Common - Rail (CR) và hệ thống phun ethanol trên
đường ống nạp, đồng thời sử dụng phương pháp luân hồi khí thải EGR. Kết quả
cho thấy với 20% ethanol và lượng oxy trong khí nạp giảm 15%, độ khói và
NOx đều giảm trên toàn bộ dải làm việc của động cơ. Nếu kết hợp tốt giữa việc
phối trộn ethanol và EGR thì có thể cho phép độ khói bằng không đồng thời
hàm lượng NOx giảm mạnh. Kết quả còn cho thấy cần phải giảm tỷ số nén
nhằm đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol đồng thời loại bỏ hiện
tượng mất lửa và gõ trong xy lanh.
Ngoài ra có thể kể đến Volpato và cộng sự [42] đã nghiên cứu điều khiển
động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ nông
nghiệp MWM MS-4001P sử dụng bơm phân phối piston hướng kính, ethanol
được phun vào đường ống nạp, trong đó nhiên liệu diesel được phun vào buồng
cháy của động cơ ở dạng phun mồi nhằm kích hoạt nhiên liệu ethanol cháy
chính. Kết quả cho thấy công suất và mô men động cơ vẫn đảm bảo mặc dù tỷ
lệ ethanol thay thế từ 60 ÷ 85% tại chế độ tải 100%.
Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun
ethanol trên đường ống nạp có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hòa khí
hoặc sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp phun trước xupáp nạp. Mặc dù
phương pháp này phải cần hai hệ thống nhiên liệu và điều khiển độc lập, làm
tăng mức độ phức tạp trong quá trình điều khiển, tuy nhiên phương pháp này
giải quyết được các nhược điểm của hai phương pháp trên, và có các ưu điểm
như sau:
23
- Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được
đặt ở trên đường ống nạp.
- Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp;
- Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ
dàng;
- Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp
giúp tăng mật độ không khí nạp nạp vào động cơ;
- Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc
của động cơ.
1.4. Kết luận chương 1
- Từ các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy phương án sử
dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ diesel bằng hai hệ thống
phun riêng biệt thích hợp hơn cả khi nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang
chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol.
- Từ phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp cung cấp ethanol
như đã phân tích ở trên cho thấy phương pháp được lựa chọn là phun ethanol
vào xupáp nạp là hoàn toàn khả thi. Đây là một phương pháp đơn giản và dễ áp
dụng, tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt
của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó.
- Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun
ethanol vào xupáp bằng cách sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp. Phương
pháp này có một vài ưu điểm nổi bật như: Không phải thay đổi lớn kết cấu của
động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên đường ống nạp; việc ngắt phun
ethanol dễ dàng; dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm
việc của động cơ. Chính vì vậy, luận văn sẽ sử dụng phương pháp này để thiết
lập mô hình mô phỏng xác định đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng
nhiên liệu cồn - diesel.
24
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ
SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU
2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong
2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong là nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường. Các thành
phần độc hại chính phát thải từ động cơ gồm ô xít các bon (CO), hydrocacbon
(HC), ô xít ni tơ (NOx), ô xít lưu huỳnh (SO2), khói đen và các chất thải dạng
hạt khác. Các thành phần chất thải này không những gây tác hại trực tiếp cho
sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi
sống con người. Theo số liệu thống kê ở Mỹ năm 1997, các chất ô nhiễm phát
thải từ các phương tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu
hóa thạch chiếm 40 ÷ 50% tổng hàm lượng HC trong không khí, 50% tổng hàm
lượng NOx và 80 ÷ 90% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố. Ở các nước
phát triển khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự. Trong
những năm gần đây, số lượng phương tiện vận tải ngày càng tăng cao, trung
bình hàng năm thế giới sản xuất và đưa vào sửa dụng thêm trên 40 triệu chiếc
động cơ, nên càng làm vấn đề ô nhiễm môi trường thêm trầm trọng.
Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn. Thứ nhất
là khí thải trên đường ống xả. Đó là những khí độc hại phát sinh trong quá trình
cháy nhiên liệu trong động cơ và thải ra ngoài thông qua đường ống xả. Khí
thải bao gồm những thành phần chính là Ni tơ (N2) và hơi nước chiếm khoảng
83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), carbuahydro (HC),
và các loại ô xít ni tơ (NOx). Thứ hai là các khí rò lọt bao gồm những khí rò lọt
qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2 chiếm tới 90% phần
còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng nhỏ CO và NOx. Thứ ba là các
khí bay hơi gồm chủ yếu là hơi xăng (HC) bay hơi từ các thiết bị nhiên liệu.
Trong ba nguồn này thì khí thải từ đường ống thải là nguồn gây ô nhiễm chính
25
của động cơ với các thành phần độc hại là CO, HC, NOx, khói và chất thải rắn.
Với động cơ xăng, các thành phần phát thải độc hại chủ yếu gồm CO, HC, NOx.
Đối với nguồn khí rò lọt và khí bay hơi, thành phần độc hại chủ yếu là HC
chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng phát thải HC của động cơ nên thường không được
quan tâm nhiều.
Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ liên quan đến quá
trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong động
cơ đốt trong là quá trình ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và quá trình
này diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và
chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành phần giữa không khí và nhiên
liệu, điều kiện cháy… Ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên
liệu Hydrocacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh ra sản phẩm cháy không độc
hại như là CO2, H2O. Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý
tưởng đối với sự cháy hoàn toàn có thể nói là không bao giờ xảy ra, bởi vì thời
gian cho quá trình ôxy hoá bị giới hạn và sự thiếu đồng nhất ở trạng thái hơi
của nhiên liệu trong không khí. Kết quả là trong sản vật cháy, ngoài các sản
phẩm cháy hoàn toàn còn có các thành phần độc hại CO và HC. Thêm nữa, quá
trình cháy diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi trường có ô xy và ni tơ nên sẽ sinh
ra chất độc hại NOx trong khí thải.
Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại
động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ. Hàm lượng
CO tăng khi hệ số dư lượng không khí giảm. Nồng độ CO cao hơn với hỗn
hợp giàu nhiên liệu hơn. Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa
nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi. Do
vậy, mặc dù chung có thể > 1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi
lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO.
26
Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn
toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra. Nguồn chính của khí thải HC
là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình
chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào
các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự
giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở
khi áp suất giảm.
Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng
dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá
trình giãn nở. Một phần Hydrocacbon này được ôxy hoá khi được trộn với khí
đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài cùng
với khí thải nên gây ra sự phát thải HC. Mức độ ôxy hóa HC phụ thuộc vào các
điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không
khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa… Sự đánh lửa muộn hơn thích hợp để
ôxy hoá HC sau quá trình cháy. Nguồn phát sinh khác của HC là sự cháy không
hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là đốt cháy
từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy
kém. Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ
không khí và nhiên liệu. Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp đậm hơn, đặc
biệt là với < 1. Đối với hỗn hợp quá nghèo thành phần khí xả HC cũng tăng
do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong một phần của các
chu kỳ vận hành động cơ.
Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi
chung dưới cái tên NOx trong đó NO chiếm đa phần trên 80%. Khí thải NOx
được hình thành ở nhiệt độ cháy cao. Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất
cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại
bộ phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy.
27
Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt độ, ôxy và thời
gian. Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx sẽ cao, tức là khi động
cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp và = 1,05 ÷ 1,1 thì NOx lớn.
2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại
Việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp hữu hiệu để giảm phát thải cho
động cơ đã được quan tâm từ lâu. Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải độc
hại cho động cơ xăng hiện nay có thể được chia thành ba nhóm.
Nhóm thứ nhất: giảm phát thải tại nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm
các biện pháp giảm nồng độ độc hại khí thải từ xi lanh bằng cách tối ưu hoá
chất lượng tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ưu hoá kết cấu
động cơ. Các biện pháp công nghệ của nhóm này bao gồm cải tiến hệ thống
phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp, áp dụng hệ thống điều khiển điện tử trên động
cơ, điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí - nhiên liệu và thiết kế hệ thống đánh
lửa thích hợp trong động cơ xăng, tối ưu kết cấu buồng cháy, luân hồi khí thải,
và một số công nghệ khác. Nhìn chung các động cơ hiện đại đều đã được tối
ưu hóa kết cấu với việc sử dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến cho
phép giảm tối thiểu thành phần phát thải độc hại khí thải thoát ra khỏi xi lanh
động cơ. Tuy nhiên, hàm lượng phát thải độc hại của động cơ vẫn chưa thể đáp
ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo trong khi khó có thể giảm
thêm được bằng cách áp dụng các biện pháp cải tiến kết cấu động cơ.
Nhóm thứ hai: Xử lý khí thải sau nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm
các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi các thành phần độc hại của khí thải
thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương
pháp xử lý xúc tác trung hòa khí thải. Ở phương pháp này, các thành phần độc
hại CO, HC được ô xi hóa tiếp trong các bộ xử lý xúc tác ô xi hóa; còn NOx
được chuyển thành N2 trong bộ xủa lý xúc tác giảm NOx hoặc việc ô xi hóa CO,
HC, và giảm NOx được thực hiện đồng thời trong cùng một bộ xử lý xúc tác 3
28
chức năng trên động cơ xăng; khói bụi thì được xử lý trong các bộ xử lý xúc
tác đặc biệt. Việc xử lý xúc tác khí thải cho phép giảm đến trên 95% hàm lượng
các thành phần độc hại. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý xúc tác này chỉ đạt được ở
chế độ làm việc ổn định của động cơ khi bộ xử lý xúc tác đã nóng hoàn toàn.
Ở chế độ khởi động lạnh, chạy ấm máy, chạy không tải và chế độ chuyển tiếp,
hiệu quả của bộ xủa lý xúc tác rất thấp làm tăng lượng phát thải độc hại vào
môi trường.
Nhóm thứ ba: Liên quan đến sử dụng nhiên liệu sạch, bao gồm các biện
pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu (pha phụ gia cải thiện nhiên
liệu) và sử dụng nhiên liệu thay thế. Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng nhiên
liệu thay thế trên các động cơ hiện hành ngày càng được quan tâm nhằm mục
đích vừa để bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt do nguồn nhiên liệu hóa thạch
ngày càng cạn kiệt và vừa để giảm phát thải cho động cơ. Do đó, yêu cầu đối
với nhiên liệu thay thế là phải có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có
khả năng cháy tốt, cháy kiệt và có nồng độ phát thải độc trong khí thải thấp.
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành hai nhóm, nhóm nhiên liệu
có nguồn gốc hóa thạch và nhóm có nguồn gốc tái tạo. Nhóm nhiên liệu thay
thế có nguồn gốc hóa thạch có thể gồm khí thiên nhiên (khí thiên nhiên nén
CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), dimethyl
ether (DME) và một số khí khác. Các loại khí này có tỷ lệ các bon (C/H) nhỏ
nên sản vật cháy chứa ít thành phần độc hại CO, HC và CO2 hơn so với khí thải
của xăng và diesel [6, 11]. Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo có thể gồm
khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-
methanol), hydro, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay
FAME - Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa (HVO
- Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hóa lỏng (BTL - Bio-mass To
Liquid). Các nhiên liệu tái tạo có ưu điểm nổi bật là có thể nuôi trồng chế biến
29
được nên không bao giờ cạn, mặt khác các nhiên liệu này cũng có hàm lượng
C nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng và diesel và đặc biệt là khí hydro không chứa
C nên phát thải độc hại thấp hơn.
Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hydro (H2) là loại khí có nhiệt trị
khối lượng cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và
CO như các loại nhiên liệu gốc hóa thạch, mặt khác, hydro có trữ lượng gần
như vô tận trong thiên nhiên nên hiện nay được coi là nhiên liệu của tương lai
và là nhiên liệu thay thế rất tiềm năng cho động cơ đốt trong [4]. Viễn cảnh lựa
chọn nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được giới thiệu trên hình 2.1.
Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế
2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong
Chu trình công tác của động cơ được đặc trưng bằng các thông số mà khi
tính toán cũng như khi phân tích cần phải xét đến như áp suất chỉ thị trung bình,
hiệu suất chỉ thị, áp suất cực đại và tốc độ tăng áp suất trong quá trình cháy,
nhiệt độ cực đại trong quá trình cháy và các thông số trạng thái của môi chất
công tác. Toàn bộ các thông số đặc trưng đó được phản ánh tổng quát thông
qua quy luật phát triển của áp suất và nhiệt độ trong quá trình cháy có xét đến
30
quy luật cháy của nhiên liệu và quy luật trao đổi nhiệt giữa khí cháy và thành
vách [2], [3].
Phương pháp tính toán lý thuyết gần đúng đầu tiên được sử dụng cho
việc tính toán chu trình công tác dựa trên cơ sở của chu trình lý tưởng, trong đó
quá trình cháy được thay bằng các quá trình cấp nhiệt tương đương đẳng tích,
đẳng áp và hỗn hợp đã được trình bày trong các giáo trình nhiệt động kỹ thuật.
Nhược điểm của phương pháp này là khi tính không xét đến sự thay đổi môi
chất công tác về mặt hóa học trong quá trình cháy, những tổn thất khí động
trong quá trình nạp, sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng của môi chất công tác
vào nhiệt độ cũng như những tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn và do
truyền nhiệt. Do đó, kết quả tính toán chỉ mang tính chất định tính.
Để nâng cao kết quả tính toán lý thuyết sát với kết quả của chu trình thực,
sau này người ta đã áp dụng phương pháp của giáo sư Grinheveski (1906 -
1907) và được các nhà khoa học Liên Xô như viện sĩ Briling, Streekin, giáo sư
Mading phát triển. Việc tính nhiệt của chu trình công tác theo phương pháp
Grinheveski - Mading có xét đến sự thay đổi trạng thái môi chất công tác về
mặt hóa học trong quá trình cháy, những tổn thất khí động trong quá trình nạp
- thải, sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ và tổng lượng nhiệt tổn thất do
cháy không hoàn toàn và do truyền nhiệt thông qua các hệ số. Phương pháp này
chủ yếu dựa trên việc tính toán nhiệt động các quá trình đã được đơn giản hóa
khá nhiều (ví dụ: chọn áp suất của các quá trình nạp, thải pa, pr bằng hằng số
theo kinh nghiệm mà không tính quá trình trao đổi khí; hay chọn hệ số lợi dụng
nhiệt tại điểm z(z) và tại điểm b (b) chứ không tính toán diễn biến quá trình
tỏa nhiệt khi cháy… nên kết quả tính toán có độ chính xác không cao. Mặc dù
vậy, phương pháp Grinheveski-Mading vẫn phản ánh được bản chất của các
quá trình cũng như toàn bộ chu trình công tác của động cơ [3].
31
Đối với động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả, các quá trình công tác trong
xi lanh động cơ và trong bộ tua bin - máy nén có mối liên hệ và phụ thuộc lẫn
nhau, điều đó không được đề cập đến trong phương pháp của Grinheveski và
Mading [4]. Phương pháp này cũng không thể xác định được đặc tính thay đổi
các thông số chủ yếu của các quá trình công tác của động cơ theo động lực học
tỏa nhiệt, trao đổi nhiệt với thành xi lanh và các thông số điều chỉnh. Vì vậy
cần phải có mô hình toán học cho phép tính đến các yếu tố này trong các quá
trình công tác và cho phép đánh giá ảnh hưởng của chúng đến đặc tính diễn
biến quá trình công tác, tính kinh tế nhiên liệu và độ tin cậy làm việc của động
cơ. Mô hình toán học các quá trình công tác của động cơ là hệ các phương trình
vi phân khép kín. Với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên đã cho, mỗi hệ
phương trình này mô tả đầy đủ mối quan hệ của các thông số quá trình công tác
với sự thay đổi năng lượng, khối lượng và các thông số kết cấu của động cơ
[3].
Hiện nay có hai phương pháp tính toán chu trình công tác động cơ đốt
trong được sử dụng rộng rãi đó là phương pháp cân bằng năng lượng và phương
pháp CFD (Computational Fluid Dynamics).
Phương pháp cân bằng năng lượng là phương pháp mô phỏng chu trình
làm việc của động cơ trên cơ sở xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá
trình trao đổi nhiệt và trao đổi khí trong động cơ; hệ phương trình bao gồm các
phương trình cân bằng năng lượng, phương trình cân bằng khối lượng và
phương trình trạng thái. Phương pháp này do GS Vô-lô-đin (Liên Xô cũ) đề
xuất những năm 80 của thế kỷ 20 và được GS Woschni (CHLB Đức) tiếp tục
phát triển, được dùng khá phổ biến để tính toán nhiệt độ và áp suất trong xi lanh
theo góc quay trục khuỷu và qua đó xây dựng được đồ thị công của chu trình.
Hệ phương trình vi phân cùng các điều kiện biên kèm theo chỉ có thể giải gần
đúng bằng phương pháp số, ví dụ phương pháp Runge - Kutta. Đầu tiên người
32
ta chọn thông số của môi chất tại một điểm nào đó của chu trình, thông thường
chọn tại điểm đóng xu páp nạp, làm điều kiện đầu. Điểm chọn được gọi là điểm
đầu của chu trình. Sau đó tiến hành tính toán theo bước cho đến khi kết thúc
chu trình tức là quay lại điểm đầu. So sánh kết quả nhận được với giá trị chọn
ban đầu nói chung có sự sai lệch. Căn cứ vào độ lệch sẽ chọn lại những thông
số tại điểm đầu rồi tiến hành tính lần 2, lần 3… cho đến khi kết quả tính trùng
với kết quả chọn thì dừng lại. Kết quả của lần tính cuối cùng chính là nghiệm
của hệ phương trình vi phân, đó là khối lượng m, áp suất p và nhiệt độ T của
môi chất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu. Quá trình giải đòi hỏi một
khối lượng tính toán rất lớn nên thường phải lập trình giải trên máy tính. So với
phương pháp tính toán nhiệt động của Grinheveski - Mading thì mô hình mô tả
các quá trình thành phần sát thực hơn nên kết quả chính xác hơn. Hiện nay,
nhiều phần mềm mô phỏng xây dựng trên cơ sở phương pháp cân bằng năng
lượng được phát triển và áp dụng khá phổ biến trong nghiên cứu - phát triển
động cơ như AVL Boost (Áo), GT-Power (Mỹ)…
Phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp
mô phỏng hiện đại cho đối tượng là dòng lưu chất trong không gian 3 chiều.
Cơ sở lý thuyết của phương pháp CFD là hệ phương trình Navier - Strockes mô
tả trao đổi năng lượng, động lượng và trao đổi chất của dòng môi chất là chất
lỏng nhớt trong không gian 3 chiều. Đối với dòng lưu động là chất khí cần phải
bổ sung thêm phương trình trạng thái. Ngoài ra, còn có các điều kiện biên để
xác định các thông số trong các phương trình nói trên. Tất cả tạo thành hệ
phương trình mô phỏng dòng khí thực. Giải hệ phương trình mô phỏng thường
dùng phương pháp thể tích hữu hạn (tương tự như phương pháp phần tử hữu
hạn FEM - Finite Element Method). Kết quả tính toán ở mỗi thời điểm, tại mỗi
thể tích khảo sát thông thường gồm 6 giá trị là vx, vy, vz (xác định véc tơ vận tốc
v), nhiệt độ T, áp suất p và mật độ . Nếu như thêm vào hệ phương trình mô
33
phỏng các phương trình tính toán động học phản ứng trong quá trình cháy thì
còn nhận được nồng độ các chất độc hại như CO, NOx, PM… Do số thể tích
khảo sát thường rất lớn và bước thời gian tính toán thường rất nhỏ nên để bảo
đảm độ chính xác, khối lượng tính toán sẽ rất lớn cần phải sử dụng máy tính
lớn có tốc độ tính toán rất cao. Mặc dù vậy, thời gian tính toán một chu trình
công tác của động cơ vẫn rất lâu, có thể đến nhiều ngày tùy theo bài toán và
cấu hình của máy tính. Ngoài ra, việc chuẩn bị những số liệu, những thông số
cần thiết để đưa vào mô hình mô phỏng cũng mất rất nhiều thời gian và công
sức. Vì vậy, phương pháp CFD chỉ được sử dụng ở các phòng thiết kế và các
trường đại học lớn. Đây là phương pháp mô phỏng hiện đại và có tiềm năng
phát triển. Hiện nay có nhiều phần mềm CFD trên thị trường như Fluent và
Kiva (Mỹ), AVL-Fire (Áo), Star-CD (Anh), Promo (Đức)… Những phần mềm
này đã được áp dụng tính toán các quá trình bên trong động cơ tạo nên chu trình
làm việc bao gồm cả hình thành các chất độc hại cho kết quả rất phù hợp với
số liệu đo bằng thực nghiệm.
2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol
Hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol bao gồm hai hệ thống
làm việc độc lập: hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel và hệ thống phun ethanol
như được giới thiệu chi tiết trên hình 2.2 [1].
34
1- Đường ống cấp nhiên liệu diesel đến bơm cao áp; 2- Bơm cao áp; 3- Lọc không
khí; 4- Lọc nhiên liệu alcohol; 5- Bơm nhiên liệu alcohol; 6- Thùng chứa nhiên liệu
alcohol; 7- Vòi phun alcohol; 8- Đường ống thải; 9- Buồng cháy; 10- Xupáp thải;
11- Vòi phun diesel; 12- Xupáp nạp; 13- Đường hồi nhiên liệu diesel từ vòi phun
nhiên liệu diesel về bơm cao áp; 14- Đường cấp nhiên liệu diesel đến vòi phun
nhiên liệu diesel; 15- Đường hồi nhiên liệu diesel về thùng chứa nhiên liệu diesel;
minj_eth- Lượng nhiên liệu alcohol phun ra; mair- Lượng không khí; minj_die- Lượng
nhiên liệu diesel phun ra; mexh- Lượng khí thải; Qhr- Nhiệt tỏa ra;
Qht- Nhiệt truyền qua vách xy lanh; p- Áp suất xy lanh; T- Nhiệt độ buồng cháy.
Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol, [1]
2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng
Để mô phỏng chu trình công tác của động cơ cần thiết phải xây dựng mô
hình từng bộ phận của động cơ bao gồm:
- Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ;
- Mô hình hệ thống phun nhiên liệu: 1 vòi phun nhiên liệu alcohol vào
đường nạp và một vòi phun diesel trực tiếp vào xi lanh động cơ;
- Mô hình đường ống thải;
- Mô hình đường ống nạp.
35
2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ
Chu trình nhiệt động bên trong xi lanh của động cơ sẽ được tính toán bằng
phần mềm GT-Power, cơ sở lý thuyết của phần mềm này được trình bày cụ thể
như trong các tài liệu tham khảo [30], [31]. Để mô hình nhiệt động bên trong
xi lanh động cơ cần lựa chọn mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt.
Lựa chọn mô hình cháy:
Quá trình cháy của động cơ diesel thường được chia thành hai giai đoạn
cơ bản là cháy nhanh và cháy chính hay cháy khuếch tán (ngoài ra còn có giai
đoạn cháy trễ được đánh giá bằng tham số thời gian cháy trễ và giai đoạn cháy
rớt).
Động cơ diesel khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-
alcohol theo phương pháp phun alcohol trên đường ống nạp (diesel được phun
mồi và alcohol được phun chính) thì sẽ xuất hiện thêm một giai đoạn cháy song
song với hai giai đoạn trên được gọi là giai đoạn cháy lan tràn giống như động
cơ xăng.
Các mô hình cháy trong buồng cháy của động cơ có rất nhiều và rất đa
dạng. Có mô hình tính độc lập quy luật cháy, tốc độ cháy; có mô hình phải tính
trong quan hệ mật thiết với sự thay đổi áp suất, nhiệt độ và sự trao đổi nhiệt
giữa các vùng với nhau; có mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết động lực học chất
lưu (CFD - Computational Fluid Dynamic).
Theo chiều không gian tính toán có thể phân theo 3 loại mô hình:
Mô hình không chiều (Zero-dimensional models).
Mô hình một chiều (Quasi-dimensional models).
Mô hình đa chiều (Multi-dimensional models).
Theo vùng cháy hỗn hợp có thể phân loại theo 3 loại mô hình:
Mô hình cháy đơn vùng (Single zone).
Mô hình cháy 2 vùng (Two zone).
36
Mô hình cháy đa vùng (Multi zone).
Trong các mô hình được phân theo chiều không gian lại được kết hợp
giữa chiều và vùng. Thí dụ trong mô hình cháy 1 chiều lại có thể là 2 vùng hoặc
đa vùng tùy theo mục đích nghiên cứu của các tác giả.
Nhìn chung trong mô phỏng, tính toán chu trình công tác của động cơ
với mục đích xác định các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của chu trình người ta
thường sử dụng các mô hình không chiều hoặc một chiều với đơn vùng, 2 vùng
hoặc đa vùng. Tuy nhiên ngày nay, trong thế giới ngày càng cạnh tranh, cải
thiện hiệu suất của động cơ hiện trở thành một vấn đề quan trọng đối với nhà
sản xuất độngcơ. Để nâng cao hiệu suất của động cơ, những nghiên cứu chi
tiết về quá trình cháy và sự hình thành chất ô nhiễm là cần thiết.
Trong mô hình không chiều đơn vùng coi hỗn hợp cháy trong buồng cháy
của động cơ là đồng nhất. Quy luật cháy và tốc độ cháy của nhiên liệu thực hiện
theo đặc tính của tốc độ phản ứng hóa học giữa nhiên liệu với oxy của không
khí.
Mô hình đơn vùng thường được sử dụng để mô phỏng, tính toán nhanh các
chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của chu trình, không đòi hỏi thời gian tính của máy
tính.
Theo mô hình này, quy luật cháy x, tốc độ cháy dx/dφ của nhiên liệu trong
buồng cháy được xác định theo các công thức (quy luật) của Vibe [2], [3]:
(2.1)
Quy luật tỏa nhiệt Qc và tốc độ tỏa nhiệt dQc/dφ khi đốt cháy nhiên liệu
được xác định như sau:
37
(2.2)
trong đó:
φ - thời điểm cháy tức thời tính theo vị trí góc quay của trục khuỷu;
φc - thời điểm bắt đầu cháy tính theo vị trí góc quay của trục khuỷu;
φz - thời điểm kết thúc cháy tính theo vị trí góc quay của trục khuỷu;
m - thông số đặc trưng cháy;
mnl - lượng nhiên liệu cấp cho chu trình, [kg/ct];
QH - nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu, [kJ/kg].
Khi sử dụng các công thức của Vibe phải chọn 2 thông số là m và thời
gian cháy (φz - φc). Thông số đặc trưng cháy m đánh giá về chất quá trình cháy,
còn thông số thời gian cháy (φz - φc) đánh giá về lượng quá trình cháy.
Vì hỗn hợp cháy được coi là đồng nhất nên các công thức của Vibe được áp
dụng để tính quy luật cháy x và tốc độ cháy dx/dφ cho cả quá trình cháy của
động cơ xăng và động cơ diesel với giả thiết hỗn hợp của chúng cũng đồng
nhất.
Thông số đặc trưng cháy m có thể chọn theo khuyến cáo của Vibe, hoặc theo
phần mềm …
Theo khuyến cáo của Vibe:
Dạng buồng cháy và phương pháp tạo hỗn hợp Giá trị m (Động cơ diesel)
Buồng cháy thống nhất, phun trực tiếp:
- Có mức độ xoáy lốc yếu 0….0,15
- Có tổ chức xoáy lốc trong quá trình nạp 0,3….0,5
- Có tổ chức xoáy lốc trong quá trình nén 0,8….1,2
Buồng cháy phân chia, phun gián tiếp:
38
- Buồng cháy xoáy lốc 0,4….0,6
- Buồng cháy trước 0,4….0,6
3….4 Động cơ xăng
Trong tính toán mô phỏng chu trình công tác của động cơ diesel người
ta có thể dùng hàm Vibe đơn hoặc hàm Vibe kép để mô tả quy luật và tốc độ
tỏa nhiệt khi cháy nhiên liệu. Nếu sử dụng hàm Vibe kép thì đã coi quá trình
cháy trong động cơ diesel gồm 2 giai đoạn: giai đoạn 1 là cháy phần hỗn hợp
đã được chuẩn bị trước (premixed combustion); giai đoạn 2 là cháy khuyếch
tán (diffusion combustion) phần hỗn hợp còn lại. Các công thức cụ thể khi sử
dụng hàm Vibe kép được biểu diễn như sau:
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
Trong phần mềm GT - Power [30], [31] khi mô phỏng tốc độ tỏa nhiệt khi
cháy bằng hàm Vibe người ta còn phân làm 3 giai đoạn: cháy phần hỗn hợp được
chuẩn bị trước (pre-mixed combustion), phần cháy khuyếch tán (diffusion
combustion), và cháy phần còn lại (tail combustion) với việc lựa chọn các thông
số đặc trưng cháy m và các thời gian cháy tương ứng khác nhau.
39
Nhìn chung mô hình cháy không chiều bằng hàm Vibe được sử dụng rất phổ
biến để mô phỏng, tính toán chu trình công tác của động cơ và được sử dụng
nhiều trong các nghiên cứu và trong nhiều phần mềm như Boost, GT-Power…
Lựa chọn mô hình truyền nhiệt:
Chúng ta biết rằng, truyền nhiệt giữa khí và thành vách xi lanh có ảnh
hưởng quan trọng tới sự phát thải của động cơ, chẳng hạn như thành phần khí
xả HC chưa cháy. Hơn nữa, trao đổi nhiệt cũng có ảnh hưởng tới hiệu suất động
cơ. Trong đa số trường hợp, trao đổi nhiệt đối lưu từ khí cháy là sự đóng góp
chính tới dòng nhiệt từ khí tới thành xi lanh. Chính vì vậy, trao đổi nhiệt đối
lưu hiện là sự quan tâm chính trong những mô hình truyền nhiệt động cơ. Tuy
nhiên trong môi trường nhiệt độ cao, đặc biệt khi lượng bồ hóng lớn được hình
thành trong xi lanh, dòng nhiệt do bức xạ trở nên quan trọng. Hơn nữa, nếu sự
va đập của tia phun trở nên mạnh mẽ, truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt thông qua
màng nhiên liệu không thể được bỏ qua. Hiện nay có các mô hình truyền nhiệt
được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng CFD đa chiều và các mô hình kinh
nghiệm để xác định tốc độ tỏa nhiệt đối lưu giữa khí (môi chất công tác) và
thành vách buồng cháy, những mô hình này có thể được phân loại dựa vào dòng
nhiệt dự định tính toán và mục đích tính toán cụ thể. Theo đó, có mô hình tính
toán dòng nhiệt trung bình thời gian, có mô hình tính toán dòng nhiệt trung bình
không gian tức thời và mô hình tính toán dòng nhiệt cục bộ tức thời.
Các mô hình truyền nhiệt được sử dụng để tính toán dòng nhiệt tức thời
được trình bày cụ thể trong [3]; trong các mô hình này, phương trình truyền
nhiệt của Woschni cho kết quả tính toán dòng nhiệt cao hơn trong suốt quá trình
cháy và thấp hơn trong suốt quá trình nén. Mô hình của Annand và Hohenberg
cho các giá trị sát với giá trị đo được trong suốt quá trình nén và quá trình cháy.
Mô hình đề xuất bởi Hohenberg dựa trên số liệu quan sát thực nghiệm,
thu được sau khi kiểm tra tỉ mỉ công thức nguyên thủy của Woschni. Trong mô
40
hình này, tác giả đã thấy rằng sẽ thích hợp hơn khi sử dụng chiều dài đặc trưng
là đường kính của một khối cấu, toàn bộ thể tích của nó tương ứng với thể tích
xi lanh tức thời V.
Mô hình truyền nhiệt của Hohenberg như sau:
-0.4(Cm + C2)0.8
(2.7) = C1V-0.06p0.8Tg
trong đó: p - là áp suất trong xi lanh, [bar];
- hệ số trao đổi nhiệt, [W/m2.K];
Tg - nhiệt độ trong xi lanh, [K];
V = - Thể tích xi lanh tức thời, [m3];
Cm - vận tốc trung bình pít tông, [m/s];
C1, C2 - hằng số, giá trị trung bình của các hằng số này lần lượt là
130 và 1.4.
Trong mô hình Hohenberg (công thức 2.7), các số mũ hiệu chỉnh và các
hằng số là kết quả thực nghiệm trên 4 động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp
khác nhau. Kết quả chỉ ra sự phù hợp giữa giá trị dòng nhiệt tính toán và dòng
nhiệt đo ở các tốc độ và điều kiện tải khác nhau. Theo Hohenberg khẳng định
rằng, trong trường hợp động cơ diesel tốc độ cao, mô hình của Woschni dự
đoán thấp dòng nhiệt trong suốt quá trình nén và quá trình thải, nhưng dự đoán
cao giá trị cực đại của dòng nhiệt gây ra bởi quá trình cháy. Kết quả trình bày
bởi Hohenberg thể hiện sự cải tiến trong những hạn chế của mô hình Woschni
như trình bày trên hình 2.3.
41
[W/m2.K]
Mô hình Woschni
Mô hình Hohenberg
[độ GQTK]
Hình 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán
theo phương trình của Woschni và Hohenberg
Trong mô hình đề xuất bởi Hohenberg cho phép dự đoán giá trị hệ số
trao đổi nhiệt tốt hơn trong suốt kỳ thải và tránh được dự đoán quá cao dòng
nhiệt cực đại trong suốt quá trình cháy ở động cơ diesel phun trực tiếp. Điều
này có được thông qua các số liệu thực nghiệm thu được khi tiến hành nghiên
cứu về các loại động cơ nói trên.
Vì vậy, trong nội dung nghiên cứu của đề tài, tác giả sử dụng mô hình
truyền nhiệt của Hohenberg để mô phỏng quá trình truyền nhiệt từ khí cháy tới
thành vách buồng cháy.
2.4.2. Mô hình đường ống thải
Quá trình khí động trong động cơ nói chung và trong đường ống thải của
động cơ là quá trình rất phức tạp, dòng khí có tính chất rối mãnh liệt, có lực ma
sát giữa dòng khí và thành ống và là dòng chảy nhớt có truyền nhiệt [30], [31].
Việc nghiên cứu dòng khí được phát triển từ mức độ đơn giản đến phức
tạp. Trong luận văn tác giả ứng dụng kỹ thuật dòng 1 chiều để giải cho dòng
khí xả. Toàn bộ chiều dài đường ống được chia thành các đoạn rời rạc với giả
thiết rằng các thông số khí trên cùng một mặt cắt là như nhau. Đối với đường
ống thải, chiều dài của các đoạn rời rạc được chọn bằng 55% đường kính xi
lanh [30], [31].
42
2.4.3. Mô hình đường ống nạp
Mô hình dòng khí nạp cũng được mô tả bằng các phương trình: bảo toàn
khối lượng, năng lượng và động lượng kết hợp với phương trình trạng thái và
được giả thiết là dòng một pha (chỉ bao gồm pha khí). Các phương trình này
được giải tức thời đối với dòng khối lượng, mật độ và nội năng, qua đó xác
định các tham số khác của dòng khí.
Trong luận văn ứng dụng kỹ thuật dòng 1 chiều để giải cho dòng khí nạp.
Toàn bộ chiều dài đường ống được chia thành các đoạn rời rạc với giả thiết
rằng các thông số khí trên cùng một mặt cắt là như nhau. Đối với đường ống
nạp, chiều dài của các đoạn rời rạc được chọn bằng 40% đường kính xi lanh
[30], [31]. Tổn thất áp suất trong đường ống nạp được mô hình hoá thông qua
mô hình ma sát thành ống và phụ thuộc vào độ nhám thành ống. Trao đổi nhiệt
giữa thành ống nạp và môi trường là rất nhỏ và có thể bỏ qua. Trao đổi nhiệt
giữa đường ống nạp với nắp máy được mô hình hoá thông qua một phần tử tiếp
xúc và năng lượng nhiệt trao đổi được chọn là một hằng số trong suốt quá trình
tính toán.
Như vậy, kết hợp các mô hình xây dựng từ mục 2.4.1 đến 2.4.3 sẽ thu được một
mô hình hoàn chỉnh mô phỏng động cơ khảo sát.
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng phần mềm GT-Power
2.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power
Phần mềm GT-Power nằm trong bộ phần mềm GT-Suite do hãng Gama
Technologies của Mỹ xây dựng và phát triển. Hiện nay phần mềm GT-Power
đã được thương mại hóa trên toàn cầu. Phần mềm này đang được các công ty
lớn trên thế giới trong lĩnh vực sản xuất động cơ, xe đua công thức 1, tàu thủy
và các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học sử dụng. GT-Power là công cụ
mô phỏng động cơ chuyên nghiệp, áp dụng cho các loại động cơ đốt trong 2 kỳ
hoặc 4 kỳ, sử dụng cho phương tiện vận tải đường bộ, tàu thuyền, trạm phát
43
điện, xe thể thao… GT-Power cung cấp cho người sử dụng nhiều phần tử để
mô hình hóa bất kỳ bộ phận nào của động cơ. Nó có khả năng liên kết (link)
với các phần mềm khác để mô phỏng hiệu quả và chính xác hơn như phần mềm
CFD Star-CD, Fulent, Simulink, … Nó được tích hợp các công cụ mạnh phục
vụ thiết kế như DOE/optimization (thiết kế theo thực nghiệm/tối ưu hóa), mô
hình sơ đồ mạng nơ rôn và điều khiển… GT-Power được xây dựng cho việc
tính toán trạng thái ổn định và trạng thái chuyển tiếp. GT-Power có thể sử dụng
như một công cụ riêng, cũng có thể được liên kết với bộ GT khác có trong phần
mềm GT-Suite
Phần mềm GT-Power có cửa sổ giao diện dùng để xây dựng mô hình và
tính toán như cửa sổ giao diện của các phần mềm hiện đại khác như: SolidWork,
Inventor, AVL-BOOTS,… Các thanh công cụ File, Edit, View, Run, DOE,
Assembly, Tools, Window và Help. Công dụng của các thanh công cụ được
diễn giải cụ thể trong phần Help. Các biểu tượng chức năng được sắp xếp bên
dưới của các thanh công cụ. Các phần tử có sẵn của chương trình được sắp xếp
bên trái màn hình. Quá trình xây dựng mô hình được thực hiện bên phải màn
hình. Các phần tử tham gia quá trình xây dựng mô hình được đưa từ bên trái
mành hình (danh mục các phần tử) sang bên phải màn hình (trong vùng xây
dựng mô hình) bằng lệnh coppy. Việc thay đổi kích thước, khoảng cách và
hướng của các phần tử được thực hiện bởi các phím và biểu tượng chức năng
khác nhau.
Sau khi thực hiện xong việc lựa chọn và định vị các phần tử trên vùng
xây dựng mô hình, tiếp tục việc nối các phần tử với nhau thông qua các phần
tử liên kết. Số lượng các phần tử được lựa chọn phù hợp với từng loại động cơ.
Các phần tử được nhập dữ liệu ngay trên giao diện cửa sổ phụ. Định
nghĩa các thuộc tính của các phần tử có trong thư viện GT-Suite.
44
2.5.2. Các phần tử chính của mô hình động cơ khảo sát
Thư viện các phần tử dòng chảy (flow) bao gồm các phần tử bộ phận
(component), các phần tử liên kết (connection), các phần tử tra cứu (reference).
Các phần tử bộ phận gồm: phần tử xy lanh, trục khuỷu, hộp trục khuỷu,
đường ống, rẽ nhánh, tuabin, máy nén, điều kiện môi trường, tiết lưu,…
Các phần tử liên kết gồm: phần tử vòi phun, bơm cao áp, xu páp,…
Các phần tử của mô hình động cơ khảo sát bao gồm:
Phần tử xy lanh (EngCylinder)
Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh
Phần tử này dùng định nghĩa các đặc trưng của xy lanh động cơ. Dữ liệu
cần nhập vào cho phần tử này bao gồm:
- Start of Cycle (CA at IVC): Góc quay trục khuỷu tại điểm bắt đầu chu
trình tính. Giá trị này không ảnh hưởng đến tính toán mô phỏng, thường được
chọn ngầm định “def’’.
- Cylinder Geometry Object: Định nghĩa các thông số hình học của xy
lanh và pít tông.
45
- Initial State Name: Phần tử tra cứu diễn tả các giá trị điều kiện đầu bên
trong xy lanh.
- Reference State for Volumetric Efficiency: Điều kiện chuẩn để xác định
hệ số nạp. Điều kiện này thường tuân theo các điều kiện biên môi trường.
- Cylinder Combustion Mode: Lựa chọn mô hình cháy, có nhiều mô hình
cháy được sử dụng như mô hình Wibe, Woschni,…
- Independent: Trong mô hình này tốc độ cháy trong mỗi xy lanh được
tính độc lập. Chức năng này được chọn cho tất cả chế độ cháy ngoại trừ động
cơ có buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc.
- Master, Slave: Lựa chọn này áp dụng để tính toán cho các loại động cơ
có buồng cháy trước và buồng cháy xoáy lốc.
. Phần tử cơ cấu phân phối khí (ValveCamconn)
Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu
cho phần tử cơ cấu phân phối khí
46
Phần tử này định nghĩa các thông số của cam đóng mở xu páp nạp và xu
páp thải, bao gồm các thông số hình học, biên dạng cam và đặc tính dòng chảy
qua xu páp.
- Valve reference diameter: Đường kính nấm xu páp;
- Valve Lash: Khe hở nhiệt của đuôi xu páp;
- Cam Timing Angle: Góc làm việc của cam;
Ngoài ra, các tham số cần được đưa vào là độ nâng xu páp theo góc quay
trục khuỷu, các giá trị về hệ số dòng chảy theo độ nâng xu páp được biểu diễn
dưới dạng bảng trong menu Lift Array, Flow Array,…
. Phần tử vòi phun (InjProfileConn)
Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun
Phần tử này được dùng để mô tả vòi phun nhiên liệu. Chức năng chính
của vòi phun là phun nhiên liệu với áp suất cao vào buồng cháy động cơ.
Một số kiểu vòi phun được mô tả sẵn là: vòi phun kiểu chốt, kiểu kim
phun, đơn cấp, đa cấp. Các thông số cần nhập vào mô hình gồm:
- Inject Mass: lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình;
47
- Start of Injection: Góc phun sớm nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu;
- Nozzle Type Injection: Kiểu lỗ phun;
. Phần tử các thông số chung của động cơ (Engine CrankTrain)
Phần tử này xác định các thuộc tính chung của động cơ. Các mô hình của
cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền, biến áp suất cháy trong xy lanh thành mô
men có ích trên trục khuỷu.
Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ
Các thông số cần nhập vào phần tử bao gồm:
- Engine Type: Loại động cơ 2 kỳ hay 4 kỳ;
- Number of cylinder: Số xy lanh động cơ;
- Configuration of cylinder: Bố trí xi lanh 1 hàng hay chữ V;
- Speed or load specification: Xác định chế độ tính toán theo tốc độ vòng
quay (speed) hay phụ tải (Load).
- Engine speed: Số vòng quay động cơ ở chế độ khảo sát;
- Engine Friction Object: Tổn hao do mát sát.
- Start of Cycle (CA at IVC): Góc quay trục khuỷu tại điểm bắt đầu chu
trình tính, trước điểm chết trên.
48
- Firing order: Thứ tự công tác của động cơ;
- Cylinder Geometry: Các thông số hình học của xy lanh như đường kính
xy lanh, hành trình pít tông, chiều dài thanh truyền, tỷ số nén, …
. Phần tử EndEnvironment (các biến môi trường)
Phần tử này mô tả các điều kiện biên môi trường đầu vào và đầu ra của
mô hình.
. Phần tử đường ống (Pipe)
Hình 2.8. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống
Phần tử này được sử dụng để xác định các thuộc tính về hình dáng hình
học của đường ống. Phần mềm sẽ tự động tính toán tổn thất áp suất tại các chỗ
cong, tiết diện co thắt.
Các thông số đầu vào của mô hình bao gồm:
- Diameter at Inlet End: Đường kính đầu vào của ống;
- Diameter at Outlet End: Đường kính đầu ra của ống;
- Length: Chiều dài ống.
- Discretization Length: Chiều dài rời rạc đường ống, thông số này cho
phép chia đường ống thành các đoạn nhỏ để tính toán.
49
- Surface Roughness: Độ nhám thành ống. Thông số này được sử dụng
để xác định tổn thất dòng, đối với các loại vật liệu và phương pháp gia công
khác nhau sẽ có giá trị khác nhau và được lựa chọn theo các khuyến cáo trong
phần trợ giúp của phần mềm.
- Wall Temperature: Nhiệt độ thành ống, được chọn là hằng số hay hàm
theo thời gian, được sử dụng để tính toán trao đổi nhiệt của thành ống với môi
chất công tác và môi trường.
Ngoài ra, các thông số về nhiệt độ ban đầu, hệ số lưu lượng của dòng tới,
dòng phản hồi, các mô hình truyền nhiệt khác cũng được lựa chọn đối với các
bài toán khác nhau.
. Phần tử liên kết dòng (OrificeConn Connection)
Phần tử này mô tả vị trí giao tiếp giữa hai thành phần dòng chảy. Các
thông số cần định nghĩa cho phần tử này là: đường kính phần tử, hệ số lưu
lượng dòng tới và dòng phản hồi. Phần tử này đóng vai trò như một van tiết lưu
hoặc như một nhân tố cản dòng.
. Phần tử dòng phân chia (Fsplit)
Hình 2.9. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia
50
Phần tử này được sử dụng để mô tả các dòng rẽ nhánh, nó được dung để
mô tả dòng rẽ nhánh bất kỳ.
. Phần tử chặn dòng (EndFlowCap)
Phần tử này được sử dụng để chặn dòng tại các vị trí cuối của đường ống
hay dòng phân nhánh. Không có dữ liệu được nhập cho phần tử này.
Trên đây là một số phần tử cơ bản của phần mềm GT-Power được sử
dụng trong quá trình thiết lập mô hình động cơ khảo sát. Từ những đối tượng
trên, sau khi điền đầy đủ những thuộc tính chúng sẽ thành những bộ phận. Kết
nối những bộ phận đó lại ta được một hệ thống mô tả một phần của động cơ.
Kết nối các phần của động cơ lại ta sẽ được mô hình hoàn chỉnh của động cơ
cần khảo sát.
2.6. Kết luận chương 2
Trên cơ sở nội dung đã trình bày ở trên, có thể rút ra một số kết luận
chính của chương như sau:
- Xây dựng được các mô hình thành phần của động cơ diesel sử dụng
lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol bao gồm: mô hình trao đổi khí (nạp - thải); mô
hình hệ thống cung cấp nhiên liệu; mô hình động lực học; mô hình ma sát; mô
hình truyền nhiệt; mô hình cháy.
- Thông qua mô hình có thể giúp phân tích và hiểu rõ sự phức tạp ảnh
hưởng của nhiều thông số khác nhau đến đặc tính, hiệu suất và phát thải của
động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol.
- Có thể sử dụng mô hình động cơ này trong việc phân tích và thiết kế hệ
thống điều khiển; xây dựng bản đồ phun alcohol và bản đồ phun diesel trên
toàn vùng làm việc của động cơ.
- Xây dựng được mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol theo
phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp nhờ phần mềm GT-Power.
51
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU
DIESEL - ALCOHOL
3.1. Đặt vấn đề
Như đã trình bày trong phần mở đầu và chương 2 của luận văn, mục đích
của đề tài là xây dựng mô hình mô phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel -
alcohol bằng phần mềm GT-Power. Trên cơ sở mô hình, sẽ tiến hành thiết kế
chạy tối ưu (Run - Optimizer) để xác định lượng phun alcohol (cụ thể trong
luận văn là phun methanol và ethanol) ứng với chế độ khảo sát. Sau khi có
lượng phun methanol và ethanol, tiến hành khảo sát ảnh hưởng tới đặc tính
cháy và phát thải của động cơ khảo sát.
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng
Đề tài sử dụng hai loại alcohol là methanol và ethanol phun vào đường
nạp để hình thành nên chế độ vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel -
alcohol. Một số tính chất cơ bản của diesel khoáng, 2 loại nhiên liệu sinh học
methanol và ethanol được trình bày trong bảng 3.1 [4], [25], [27]. Các thuộc
tính của 3 loại nhiên liệu này được nhập vào phần tử vòi phun tương ứng có
trong thư viện của GT-Power.
Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel, methanol và ethanol
TT Thông số Diesel Methanol Ethanol
1 Công thức hóa học C14H30 CH3OH C2H5OH
2 Khối lượng phân tử, [g/mol] 198,4 32,04 46,07
3 Khối lượng riêng ở 20oC, [g/cm3] 0,856 0,792 0,785
4 Nhiệt trị thấp, [MJ/kg] 41,66 19,99 26,87
5 Số xê tan 51 3,8 8
6 Hàm lượng cácbon [% khối lượng] 87 37,5 52,2
7 Hàm lượng hydro [% khối lượng] 13 12,5 13
8 Hàm lượng ô xy [% khối lượng] 0 50 34,8
52
Động cơ tiến hành mô phỏng là động cơ V12, diesel cao tốc 4 kỳ, 12 xi
lanh bố trí chữ V, phun nhiên liệu diesel trực tiếp, không tăng áp và buồng cháy
thống nhất. Các thông số đầu vào động cơ V12 để thiết lập mô hình mô phỏng
bằng phần mềm GT-Power được giới thiệu trong bảng 3.2 [43].
Bảng 3.2. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình
TT Thông số Ký Giá trị Đơn vị hiệu
1 Số xi lanh 12 - i
Diesel cao tốc 4 kì, phun nhiên liệu
2 Kiểu động cơ V12 trực tiếp không tăng áp, buồng
cháy thống nhất.
Thứ tự làm việc của các xi 1T-6P-5T-2P-3T-4P-6T-1P-2T-5P-4T-3P 3 lanh
4 Đường kính xi lanh mm 150 D
Hành trình pít tông S
5 - Dãy chính (dãy bên trái) mm 180
- Dãy phụ (dãy bên phải) 186,7
6 Chiều dài thanh truyền L mm 320
7 Độ lệch chốt pít tông mm 0
8 Kiểu bố trí xi lanh Kiểu chữ V -
9 Tỷ số nén 150,5
Góc đóng mở Xu páp
- Xu páp nạp Độ + Mở trước ĐCT 20 3 1 10 (GQTK) + Đóng sau ĐCD 48 3 2
- Xu páp thải
53
48 3 + Mở trước ĐCD 4
20 3 + Đóng sau ĐCT 5
4 Số xu páp cho một xi lanh -
2 11 - Xu páp nạp Cái
2 - Xu páp thải
Đường kính tán xu páp
54 12 - Xu páp nạp mm
50 - Xu páp thải
7 13 Số lỗ phun của vòi phun - ivp
14 Đường kính lỗ phun 0,25 d mm
Lượng nhiên liệu cung cấp
15 cho một chu trình ứng với 138,90 mg/ct gct
chế độ định mức.
320 16 Nhiệt độ nhiên liệu K Tnl
Độ 17 Góc phun sớm nhiên liệu 30 33 (GQTK)
0,98 18 Áp suất môi trường bar p0
298 19 Nhiệt độ môi trường K T0
Vibe 20 Mô hình cháy - -
- 21 Mô hình truyền nhiệt Hohenberg -
Hành trình nâng xu páp
22 nạp theo góc quay trục
khuỷu
54
Trên cơ sở định nghĩa và lựa chọn các phần tử tương ứng, mô hình động
cơ V12 được trình bày trên hình 3.1 bao gồm các phần tử đã được giới thiệu ở
chương 2 của luận văn.
Hình 3.1. Mô hình động cơ V12
Các thành phần trong mô hình được giới thiệu trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Các phần tử chính của mô hình động cơ V12
TT Phần tử S.lg Mô tả Các thông số đầu vào
Điều kiện biên Áp suất, nhiệt độ môi trường 1 Inlet-Env 02 môi trường, dòng vào.... vào
Điều kiện biên Exhaust- Áp suất, nhiệt độ môi trường 2 24 môi trường, dòng Env ra.... ra
55
Thể tích, độ nhám bề mặt, nhiệt
Mô tả chỗ dòng độ thành, trạng thái dòng, góc 3 FS_Intake 12 rẽ nhánh giữa các nhánh trên hệ toạ độ
xyz.
Mô tả đoạn ống Chiều cao, chiều rộng, độ nhám
có mặt cách bề mặt, nhiệt độ thành, trạng thái 4 PR_In 10 ngang hình dạng dòng.
hình chữ nhật
Phần tử mô tả Thể tích, hệ số lưu lượng vào, ra.
5 OC_In 12 điều kiện dòng
thay đổi
Đường kính vào, ra, chiều dài
Mô tả các đoạn ống, chiều dài rời rạc hóa (để 6 intport 24 ống nạp tính toán), nhám bề mặt, nhiệt độ
thành, các yếu tố truyền nhiệt.
Mô tả các đoạn Như trên 7 exhport 24 ống xả
Đường kính tán nấm Xu páp, Mô tả xu páp 8 intvalve 24 khe hở nhiệt, biên dạng cam, hệ nạp số lưu lượng....
Mô tả Xu páp Như trên 9 exhvalve 24 thải
Lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu
trình, góc phun sớm nhiên liệu, 10 Inject 12 Mô tả vòi phun quy luật phun, áp suất phun,
nhiệt độ nhiên liệu, đường kính
56
lỗ phun, số lỗ phun, hệ số lưu
lượng qua lỗ phun....
Các thông số kích thức hình học, Mô tả phần tử xi 11 Cyl 12 mô hình cháy, mô hình truyền lanh nhiệt....
Số xi lanh, bố trí, chế độ tính
toán động cơ, tổn hao cơ giới, Mô tả phần còn 12 B2 01 mô men quán tính của trục lại của động cơ khuỷu, chu kỳ tính, thứ tự làm
việc của các xi lanh...
Để làm cơ sở đánh giá động cơ V12 đồng thời hiệu chỉnh mô hình động
cơ V12 theo các số liệu đã chọn cho độ chính xác. Kết quả tính toán các thông
số nhiệt động động cơ V12 cụ thể như sau:
- Kết quả tính các chỉ tiêu công tác và chu trình công tác của động cơ V12
tại chế độ công suất định mức được trình bày trên các bảng 3.4.
Bảng 3.4. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12
STT Thông số Giá trị
1 Brake Power [kW] Công suất có ích 388
2 Brake Power [HP] Công suất có ích 521
3 Brake Torque [N.m] Mô men xoắn có ích 1850
4 IMEP [bar] Áp suất chỉ thị trung bình 8,39
5 Air Flow Rate [kg/hr] Lưu lượng khí nạp 2430
6 BSAC [g/kW.h] Suất tiêu hao không khí có ích 6260
7 Fuel Flow Rate [kg/hr] Lưu lượng nhiên liệu 100
8 BSFC [g/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích 258
9 A/F Ratio Tỉ lệ không khí/nhiên liệu 24,3
57
1,69 10 Hệ số dư lượng không khí
11 Brake Efficiency [%] Hiệu suất có ích 32,5
Để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng ta sử dụng đặc tính ngoài của nhà sản
xuất để hiệu chỉnh.
- Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất theo đặc tính
ngoài động cơ V12 trong vùng làm việc (n = 1200 2000 [v/ph]) được trình
bày trên bảng 3.5 và trên hình 3.2.
Bảng 3.5. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất
theo đặc tính ngoài động cơ V12
Tốc độ Sai số tương Sai số tương quay trục Me-NSX Me-TT Gnl-NSX Gnl-TT đối Gnl đối Me khuỷu - n [N.m] [N.m] [kg/h] [kg/h] [%] [%] [v/ph]
2158,20 2310 67,20 67,80 0,89 7,03 1200
2118,96 2260 75,00 78,10 4,13 6,66 1400
2060,10 2160 82,00 87,10 6,22 4,85 1600
1962,00 2040 88,50 95,00 3,98 1800 7,34
1814,85 1850 96,00 100,00 4,17 1,94 2000
58
Hình 3.2. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu
của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài của động cơ V12
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng động cơ V12 trên bảng 3.5 và trên hình 3.2 có
thể thấy rằng: kết quả mô phỏng chu trình công tác động cơ V12 là khá phù
hợp với tài liệu giới thiệu động cơ V12 [43]. Việc xây dựng mô hình mô phỏng
động cơ V12 bằng phần mềm GT-Power cho độ chính xác và tin cậy cao. Vì
vậy có thể sử dụng mô hình này để tiến hành tính toán các thông số nhiệt động
của động cơ cũng như thiết lập mô hình động cơ chạy lưỡng nhiên liệu diesel -
alcohol. Để thiết lập được mô hình này, cần xây dựng phần tử vòi phun alcohol
vào đường nạp và thiết lập các thuộc tính của nhiên liệu được phun. Phần tử
vòi phun alcohol vào đường nạp, mô hình đường ống nạp sau khi bố trí thêm
vòi phun alcohol lần lượt được giới thiệu trên hình 3.3. và hình 3.4.
59
Hình 3.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun alcohol
vào đường nạp của động cơ
Hình 3.4. Mô hình cụm đường ống nạp động cơ V12 khi thiếp lập mô
hình chạy lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol
Với mục đích giữ nguyên công suất có ích ở chế độ khảo sát, tiến hành
điều chỉnh lượng phun alcohol vào đường nạp ứng với các tỷ lệ phần trăm về
năng lượng chia sẻ với diesel khoáng lần lượt là: 0%, 20%, 50%, 70% và 90%
ta thiết lập được chế độ chạy tối ưu “Run - Optimizer” trên mô hình động cơ
lưỡng nhiên liệu để xác định được lượng phun alcohol cần thiết. Chạy mô
phỏng tối ưu, ta thu được lượng phun methanol và ethanol vào đường nạp như
giới thiệu trong bảng 3.6 và trên hình 3.5.
60
Bảng 3.6. Lượng phun diesel, methanol và ethanol
theo với các mức năng lượng chia sẻ với diesel khoáng
Diesel Methanol Ethanol [%] [mg/ct] [mg/ct] [mg/ct]
0% 138,9 0 0
20% 111,12 55,799 42,3109
50% 69,45 140,421 106,492
70% 41,67 198,111 149,346
90% 13,89 258,82 201,392
Hình 3.5. Lượng phun methanol, ethanol vào đường nạp
61
3.3. Kết quả mô phỏng
3.3.1. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến áp suất môi chất
Khi tiến hành phun methanol và ethanol vào đường nạp của động cơ để
tạo nên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu diesel - methanol hay diesel - ethanol
đều có chung ảnh hưởng đến diễn biến áp suất môi chất công tác như thể hiện
trên hình 3.6 và hình 3.7. Trong đó, khi tăng lượng phun methanol hoặc ethanol
đều dẫn tới áp suất môi chất có xu hướng giảm so với khi động cơ dùng diesel
khoáng, sự sụt giảm áp suất nhiều nhất diễn ra lân cận điểm áp suất đạt giá trị
cực đại, tại các giai đoạn khác của chu trình công tác sự giảm này là tương đối
nhỏ.
Hình 3.6. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - methanol
Trên hình 3.8 (a) là kết quả thể hiện áp suất cực đại của động cơ lưỡng
nhiên liệu diesel - alcohol, khi càng tăng lượng phun methanol thì áp suất cực
đại trong xi lanh càng giảm mạnh so với cùng lượng ethanol được dùng.
62
Bên cạnh đó, khi tăng lượng phun methanol hoặc ethanol thì tốc độ tăng
áp suất trung bình đều có xu hướng giảm và thấp hơn so với khi động cơ sử
dụng diesel như thể hiện trên hình 3.8. Điều này cho phép động cơ vận hành
êm hơn; tuy nhiên, khi so sánh cùng lượng giữa methanol và ethanol thì tốc độ
tăng áp suất trung bình của động cơ sử dụng methanol - diesel càng thấp khi
tăng lượng phun vào đường nạp.
Hình 3.7. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
a
Hình 3.8. Áp suất cực đại (a) và tốc độ tăng áp suất trung bình
của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol
63
3.3.2. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến nhiệt độ môi chất
Ảnh hưởng của lượng phun methanol và ethanol đến nhiệt độ môi chất
công tác được thể hiện trên các hình từ hình 3.9 đến hình 3.11. Thông qua các
kết quả thể hiện trên đó, nhận thấy rằng nhiệt độ môi chất của động cơ lưỡng
nhiên liệu có xu hướng giảm so với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel khoáng
và sự sụt giảm nhiệt độ môi chất càng rõ rệt khi tăng lượng phun methanol hoặc
ethanol.
Khi so sánh ảnh hưởng của methanol và ethanol đến nhiệt độ cực đại của
môi chất trong xi lanh (hình 3.11) nhận thấy rằng, khi lượng phun methanol
càng lớn thì nhiệt độ của môi chất trong xilanh động cơ diesel - methanol thấp
hơn so với khi sử dụng ethanol.
Hình 3.9. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - methanol
64
Hình 3.10. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
Hình 3.11. Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol
65
3.3.3. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến tốc độ tỏa nhiệt
Qua các hình 3.12 và 3.13 cho thấy tốc độ tỏa nhiệt của động cơ lưỡng
nhiên liệu thấp hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản, đặc
biệt là khi sử dụng methanol. Điều này là do cả hai nhiên liệu methanol và
ethanol có nhiệt trị thấp hơn nhiều so với nhiên liệu diesel, trong đó do
methanol có nhiệt trị thấp hơn ethanol nên khi dùng cùng lượng phun vào
đường nạp thì sự sụt giảm tốc độ tỏa nhiệt so với động cơ sử dụng diesel khoáng
là lớn hơn.
Hình 3.12. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - methanol
66
Hình 3.13. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
3.3.4. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải CO2
Biến thiên phát thải CO2 ứng với các tỷ lệ methanol và ethanol thay thế
thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc tại cùng chế độ được thể hiện lần
lượt trên các hình 3.14 và hình 3.15. Thông qua đó, nhận thấy rằng khi tỷ lệ
methanol và ethanol thay thế càng lớn thì lượng phát thải CO2 càng giảm mạnh
điều này do số lượng nguyên tử các bon trong methanol và ethanol đều thấp
hơn rất nhiều so với diesel khoáng.
Đặc biệt khi càng tăng lượng thay thế, đặc tính phát thải CO2 của động
cơ lưỡng nhiên liệu diesel - methanol càng thấp so với khi dùng ethanol như
thể hiện trên hình 3.16.
67
Hình 3.14. Đặc tính phát thải CO2 động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - methanol
Hình 3.15. Đặc tính phát thải CO2 động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
68
Hình 3.16. Đặc tính phát thải CO2 động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol
3.3.5. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải NOx
Biến thiên hàm lượng phát thải NOx theo tỷ lệ methanol và ethanol thay
thế so với diesel khoáng được thể hiện lần lượt trên hình 3.17 và hình 3.18. Kết
quả cho thấy, ở lân cận điểm chết trên ứng với hành trình cháy giãn nở thì sự
phát thải NOx giảm mạnh so với diesel khoáng, đặc biệt là khi dùng methanol.
Điều này là do nhiệt độ môi chất của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - methanol
thấp hơn so với khi sử dụng ethanol.
69
Hình 3.17. Đặc tính phát thải NOx động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - methanol
Hình 3.18. Đặc tính phát thải NOx động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
70
3.3.6. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải HC
Hình 3.19. Đặc tính phát thải HC động cơ
lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol
Trên hình 3.19 thể hiện biến thiên hàm lượng HC theo tỷ lệ methanol và
ethanol thay thế. Kết quả cho thấy khi tỷ lệ thay thế tăng thì phát thải HC cũng
tăng theo, trong đó mức phát thải HC khi dùng methanol sẽ lớn hơn so với khi
dùng ethanol. Điều này có thể giải thích như sau: Như chúng ta đã biết phát thải
HC là do có một phần nhiên liệu không cháy, vì vậy khi tăng tỷ lệ methanol và
ethanol thay thế thì phát thải HC tăng có thể do sự hình thành các vùng dập lửa
nên màng lửa không lan đến được hay khi màng lửa lan đến được thì nhiệt độ
giảm (do alcohol nói chung có đặc điểm bay hơi thu nhiệt độ) không đốt cháy
được môi chất công tác tại vùng đó.
3.4. Kết luận chương 3
- Trên cơ sở bộ số liệu của động cơ V12 đã xây dựng được mô hình mô
phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol.
- Với mục đích giữ nguyên công suất có ích ở chế độ khảo sát, tiến hành
điều chỉnh lượng phun alcohol vào đường nạp ứng với các tỷ lệ phần trăm về
71
năng lượng chia sẻ với diesel khoáng lần lượt là: 0%, 20%, 50%, 70% và 90%
đã xác định được lượng phung methanol, ethanol vào đường nạp.
- Khi thay thế ethanol và methanol, nhận thấy tốc độ tăng áp suất trung
bình, tốc độ tỏa nhiệt, áp suất và nhiệt độ môi chất có xu hướng giảm so với
diesel khoáng.
- Khi tỷ lệ methanol và ethanol thay thế càng lớn thì lượng phát thải CO2
càng giảm mạnh.
- Khi tỷ lệ methanol và ethanol thay thế càng lớn thì lượng phát thải HC
càng lớn, đặc biệt là khi sử dụng methanol.
72
KẾT LUẬN CHUNG
Qua một thời gian nghiên cứu, luận văn đã thực hiện xong nội dung đề
tài “Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn
- diesel”, thông qua quá trình tính toán mô phỏng và khảo sát đưa ra một số kết
luận sau:
1. Với mục đích giữ nguyên công suất có ích ở chế độ khảo sát và không
cần thay đổi lại các thông số khác của động cơ, đã xác định được lượng phun
methanol, ethanol vào đường nạp ứng với các tỷ lệ phần trăm về năng lượng
chia sẻ với diesel khoáng lần lượt là: 0%, 20%, 50%, 70% và 90%.
2. Khi tăng lượng methanol, ethanol tốc độ tăng áp suất trung bình của
động cơ có xu hướng giảm dần so với khi động cơ chỉ dùng diesel khoáng, điều
này giúp cho động cơ vận hành êm hơn.
3. Khi thay thế ethanol và methanol, nhận thấy tốc độ tăng áp suất trung
bình, tốc độ tỏa nhiệt, áp suất và nhiệt độ môi chất có xu hướng giảm so với
diesel khoáng.
4. Khi tỷ lệ methanol và ethanol thay thế càng lớn thì lượng phát thải
CO2 càng giảm mạnh.
5. Khi tỷ lệ methanol và ethanol thay thế càng lớn thì lượng phát thải HC
càng lớn, đặc biệt là khi sử dụng methanol.
6. Khi tỷ lệ methanol và ethanol thay thế càng lớn thì lượng phát thải
NOx giảm so với khi sử dụng diesel gốc, trong đó lượng phát thải NOx sẽ giảm
hơn nữa khi sử dụng methanol so với ethanol.
Hướng nghiên phát triển tiếp theo của đề tài:
1. Khảo sát đầy đủ và tỉ mỉ hơn nữa ảnh hưởng của các yếu tố vòi phun
alcohol (tốc độ phun nhiên liệu, vị trí vòi phun trên đường nạp, thời điểm phun
alcohol vào đường nạp… ) đến các chỉ tiêu công tác và phát thải của động cơ.
73
2. Xây dựng được bản đồ phun alcohol vào đường nạp ứng với toàn vùng
làm của động cơ.
Do khả năng và điều kiện kinh phí có hạn, trang thiết bị thực nghiệm
không đảm bảo nên kết quả luận văn còn có những sai sót, hạn chế nhất định,
rất mong sự giúp đỡ đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
74
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Nguyễn Thành Bắc (2017), "Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành
động cơ lưỡng nhiên liệu", LATS Kỹ thuật Cơ khí động lực.
[2]. Hà Quang Minh (2002), "Lý thuyết động cơ đốt trong", NXB Quân đội
nhân dân, Hà Nội.
[3]. Hà Quang Minh (2001), "Phương pháp tính toán chu trình công tác của
động cơ", giáo trình Cao học, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội.
[4]. Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Văn Đình Sơn Thọ (2017), “Nhiên liệu
thay thế dùng cho động cơ đốt trong”, NXB ĐHBK Hà Nội
Tiếng Anh
[5]. Ghazi A.Karim (2015), "Dual-Fuel diesel engines", CRC Press, Taylor &
Francis Group.
[11]. Nadir Yilmaz, Alpaslan Atmanli (2017), "Experimental evaluation of a
diesel engine running on the blends of diesel and pentanol as a next generation
higher alcohol", Elsevier.
[12]. T. Balamurugan, R. Nalini (2014), "Experimental investigation on
performance, combustion and emission characteristics of four stroke diesel
engine using diesel blended with alcohol as fuel", Elsevier.
[13]. H.K. Imdadul, H.H. Masjuki, etc (2015), "Higher alcohol–biodiesel–
diesel blends: An approach for improving the performance, emission, and
combustion of a light-duty diesel engine", Elsevier.
[14]. M.S.M. Zaharin, N.R. Abdullah, etc (2017), "Effects of physicochemical
properties of biodiesel fuel blends with alcohol on diesel engine performance
and exhaust emissions: A review", Elsevier.
75
[15]. B. Rajesh Kumar, S. Saravanan, D. Rana, A. Nagendran (2016), "A
comparative analysis on combustion and emissions of some next generation
higher-alcohol: diesel blends in a direct-injection diesel engine", Elsevier.
[16]. Arkadiusz Jamrozik (2017), "The effect of the alcohol content in the fuel
mixture on the performance and emissions of a direct injection diesel engine
fueled with diesel-methanol and diesel-ethanol blends", Elsevier.
[17]. Ambarish Datta, Bijan Kumar Mandal (2015), "Impact of alcohol addition
to diesel on the performance combustion and emissions of a compression
ignition engine", Elsevier.
[18]. M. Abu-Qudais, O. Haddad, M. Qudaisat (1999), "The effect of alcohol
fumigation on diesel engine performance and emissions", Energy Conversion
& Management 41.
[19]. Satish Kumar, Jae Hyun Cho, Jaedeuk Park, Il Moon (2013), "Advances
in diesel–alcohol blends and their effects on the performance and emissions of
diesel engines", Elsevier.
[20]. B. Rajesh Kumar, S. Saravanan (2016), "Use of higher alcohol biofuels
in diesel engines: A review", Elsevier.
[21]. A. Imran, M. Varman, H.H. Masjuki, M.A. Kalam (2013), "Review on
alcohol fumigation on diesel engine: A viable alternative dual fuel technology
for satisfactory engine performance and reduction of environment concerning
emission", Elsevier.
[22]. Wojciech Tutak, etc (2015), "Alcohol–diesel fuel combustion in the
compression ignition engine", Fuel, Elsevier.
[23]. M. Abu-Qudais, O. Haddad, M. Qudaisat (1999), "Effect of alcohol
fumigation on diesel engine performance", Energy Conversion & Management
41.
76
[24]. Chunde Yao, Wang Pan, AnrenYao (2017), "Methanol fumigation in
compression-ignition engines: "A critical review of recent academic and
technological developments", Fuel, Elsevier.
[25]. Arkadiusz Jamrozik (2017), "The effect of the alcohol content in the fuel
mixture on the performance and emissions of a direct injection diesel engine
fueled with diesel-methanol and diesel-ethanol blends", Energy Conversion &
Management, Elsevier.
[26]. Z.H. Zhang, C.S. Cheung, T.L. Chan, C.D. Yao (2009), "Experimental
investigation of regulated and unregulated emissions from a diesel engine
fueled with Euro V diesel fuel and fumigation methanol", Atmospheric
Environment, Elsevier.
[27]. Xinlei Liu, etc (2016), "Development of a combined reduced primary
reference fuel-alcohol (methanol-ethanol-propanols-butanols-n-pentanol)
mechanism for engine applications", Energy, Elsevier.
[28]. Z.H. Zhang, C.S. Cheung, T.L. Chan, C.D. Yao (2013), "Influence of
fumigation methanol on the combustion and particulate emissions of a diesel
engine", Fuel, Elsevier.
[29]. A. Osman Emiroglu, Mehmet, Sen (2017), “Combustion, performance
and emission characteristics of various alcohol blends in a single cylinder
diesel engine”, Fuel, Elsevier.
[30]. Gamma Technologies (2016), GT-SUITE Tutorial Ver 7.3
[31]. www.gtisoft.com
[32]. Pham Huu Tuyen Nguyen The Luong, Vu Khac Thien, Luong Duc Nghia,
(2013) "An Experimental Study on the Performance and Emissions of Diesel
Engine Fuelled by Ethanol-Diesel Blends" (The 3rd International Conference
on Sustainable Energy).
77
[33]. E.A. Ajav, Bachchan Singh và T.K. Bhattacharya, (1999) "Experimental
study of some performance parameters of a constant speed stationary diesel
engine using ethanol-diesel blends as fuel", Biomass and Bioenergy(17(4):
357-365).
[34]. Eugene EE và các cộng sự., (1984) "State-of-the-art report on the use of
alcohols in diesel engines", SAE Paper 840118.
[35]. Alan C. Hansen, Qin Zhang và Peter W.L. Lyne, (2005) "Ethanol–diesel
fuel blends - a review" (Bioresource Technology 96 277 - 285).
[36]. Murayama T và các cộng sự., (1982), "A method to improve the solubility
and combustion characteristics of alcohol diesel fuel blends", SAE Paper
821113.
[37]. Weidmann K, Menard H và Fleet test, (1984) "Performance and
emissions of diesel engine using different alcohol fuel blends", SAE Paper
841331.
[38]. Czerwinski J, (1994), "Performance of HD-DI-diesel engine with addition
of ethanol and rapeseed oil", SAE Paper 940545.
[39]. Savage LD Hayes TK, White RA, Sorenson SC, (1988) "The effect of
fumigation of different ethanol proofs on a turbo-charged diesel engine", SAE
Paper 880497.
[40]. M. Abu-Qudais, O. Haddad và M. Qudaisat, (2000) "The effect of alcohol
fumigation on diesel engine performance and emissions"(Elsevier Science
Ltd).
[41]. Ogawa H, Setiapraja H và Nakamura T, (2010) "Improvements to
Premixed Diesel Combustion with Ignition Inhibitor Effects of Premixed
Ethanol by Intake Port Injection", SAE Technical Paper 01-0866.
[42]. Orlando Volpato và các cộng sự., (2010) "Control System for Diesel-
Ethanol Engines".
78
Tiếng Nga
[43]. Двигатели В-2 и В-6. Техническое описание. М.: Военное
издательство, 1975.
