Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel tới tính năng kinh tế,kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel, làm cơ sở tăng lượng tiêu thụ ethanol; lựa chọn được tỷ lệ hợp lý để tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel.
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài cấp cơ sở “Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel”, mã số T2018-PC-041 do PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài. Tôi đã đƣợc chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài cấp cơ sở vào việc viết luận án.
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa
từng đƣợc ai công bố trong các công trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
GS.TS Phạm Minh Tuấn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến
Nguyễn Văn Nhỉnh
Tập thể giáo viên hƣớng dẫn Nghiên cứu sinh
i
Tôi xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Phạm Hữu Tuyến đã chu đáo, tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài cấp cơ sở mã số T2018-PC-041 đã đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài vào việc viết luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Hƣng Yên, Khoa Cơ khí Động lực cùng các thầy cô trong khoa đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sƣ, Phó Giáo sƣ, Tiến sĩ và các nhà khoa
học đã dành thời gian quý báu để đọc và góp ý giúp tôi hoàn thiện luận án.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã luôn động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Văn Nhỉnh
ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... xi MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 i. Sự cần thiết của đề tài ............................................................................................ 1 ii. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 2 iii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2 iv. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2 v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................ 3 vi. Tính mới của đề tài ................................................................................................. 3 vii. Bố cục của luận án ............................................................................................. 3 1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học ............................................................. 4 1.2. Nhiên liệu ethanol và biodiesel .......................................................................... 4 1.2.1. Nhiên liệu ethanol ............................................................................................ 4 1.2.2. Nhiên liệu biodiesel .......................................................................................... 8 1.3. Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel ............................................................ 12 1.3.1. Trên thế giới ................................................................................................... 12 1.3.2. Tại Việt Nam .................................................................................................. 13 1.4. Các kết quả nghiên cứu sử dụng ethanol và biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel .................................................................................................................... 15 1.4.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc .................................................................................. 15 1.4.2. Nghiên cứu trong nƣớc ................................................................................... 24 1.5. Hƣớng tiếp cận của luận án ............................................................................... 27 1.6. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................. 27 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL- ETHANOL-BIODIESEL ......................................................................................... 29 2.1. Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel...................................... 29 2.1.1. Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol .................................................................. 29 2.1.2. Tính chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel ........................... 32 2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel .................................................................................................................... 34 2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng diesel khoáng .................... 34 2.2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol ..... 36
iii
2.2.3. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel .................................................................................................................... 38 2.3. Nghiên cứu cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp ........................ 39 2.3.1. Cấu trúc của tia phun trong động cơ .............................................................. 39 2.3.2. Cấu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu ....................................................... 43 2.4. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL Boost ..................................... 44 2.4.1. Phƣơng trình nhiệt động học .......................................................................... 44 2.4.2. Lý thuyết tính toán quá trình cháy .................................................................. 46 2.4.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt ..................................................................... 50 2.4.4. Lý thuyết tính toán lƣợng phát thải trong động cơ diesel .............................. 51 2.4.5. Mô hình nhiên liệu .......................................................................................... 53 2.5. Cơ sở phƣơng pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động cơ ....................... 53 2.5.1. Thành phần và phân bố hạt theo kích thƣớc ................................................... 54 2.5.2. Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lƣợng hạt ...................................... 55 2.6. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................. 56 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL- ETHANOL-BIODIESEL ......................................................................................... 58 3.1. Xây dựng mô hình động cơ diesel và đánh giá độ tin cậy của mô hình. ........... 58 3.1.1. Mục đích và đối tƣợng mô phỏng .................................................................. 58 3.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ ........................................................... 60 3.1.3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng. .................................................. 64 3.2. Tính toán mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel................................. 67 3.2.1. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol .............................. 67 3.2.2. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel .............. 73 3.3. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................. 83 CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...................................................... 85 4.1. Mục đích thử nghiệm ....................................................................................... 85 4.2. Phƣơng pháp, đối tƣợng và chế độ thử nghiệm ............................................... 85 4.2.1. Phƣơng pháp thử nghiệm ............................................................................... 85 4.2.2. Đối tƣợng thử nghiệm .................................................................................... 85 4.2.3. Chế độ thử nghiệm ......................................................................................... 86 4.3. Trang thiết bị thử nghiệm ................................................................................ 86 4.3.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm ................................................................................. 86 4.3.2. Các thiết bị thử nghiệm chính ........................................................................ 87
iv
4.4. Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 .................................................................................................. 91 4.4.1. Các thiết bị sử dụng nghiên cứu ..................................................................... 91 4.4.2. So sánh cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 .................................................................................................................... 92 4.5. Kết quả thử nghiệm động cơ trên băng thử ....................................................... 94 4.5.1. Tính năng kỹ thuật của động cơ và diễn biến áp suất trong xylanh ............... 94 4.5.2. Ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu tới phát thải động cơ .............................. 98 4.6. So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với nhiên liệu DE10B5 ....... 109 4.7. Tính toán sơ bộ lƣợng ethanol thay thế diesel ................................................. 111 4.8. Kết luận chƣơng 4 ........................................................................................... 112 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 114 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................. 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 121 MỤC LỤC PHỤ LỤC ............................................................................................ 122
v
Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3] ............................................................... 7 Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza [5] ..................................................... 8 Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất biodiesel ........................................................................... 12 Hình 1.4. Biểu đồ sản lƣợng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015[12]. ....... 13 Hình 1.5. Phát thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21] ...................................................................................................... 16 Hình 1.6. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21] .................................................................................... 16 Hình 1.7. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]17 Hình 1.8. Phát thải NOx, smoke khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24] .. 17 Hình 1.9. So sánh tính năng động cơ của diesel, B5, B20, B70 và B100 [26] ........ 18 Hình 1.10. Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, B70 và B100 [26] .................. 19 Hình 1.11. Đặc tính cháy của nhiên liệu thử nghiệm [35] ....................................... 20 Hình 1.12. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của nhiên liệu thử nghiệm [36]............................................................................................................... 21 Hình 1.13. So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel, DB10, DE10B10, DE20B10[38]............................................................................................................ 22 Hình 1.14. Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, DE3B12 và DE4B16 tại 100% tải [39] ....................................................................................................................... 23 Hình 1.15. Phát thải của nhiên liệu diesel, DE15, DE10B10 và DE15B20 [40] ..... 24 Hình 1.16. Thay đổi Ne và ge theo tỷ lệ diesel.......................................................... 25 Hình 1.17. Quan hệ giữa CO, HC, NOx, độ khói và tỷ lệ pha trộn diesel sinh học [43] ............................................................................................................................ 25 Hình 1.18. Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48] ................................................................................................................. 26 Hình 1.19. Phát thải CO, HC, NOx khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48] 27 Hình 2.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng ethanol đến độ nhớt nhiên liệu [49,50,51].30 Hình 2.2. Trị số xêtan của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] ................................... 30 Hình 2.3. Nhiệt trị của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] ......................................... 31 Hình 2.4. Hàm lƣợng ô xy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] ............................... 31 Hình 2.5. Nhiệt độ tự cháy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] .............................. 32 Hình 2.6. Nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] .............. 32 Hình 2.7. Đồ thị khai triển quá trình cháy ở động cơ diesel [56,57,58]. .................. 35 Hình 2.8. So sánh áp suất trong xylanh khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59] .. 36 Hình 2.9. So sánh tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59] ......... 37
vi
Hình 2.10. Tốc độ cháy của nhiên liệu diesel-ethanol [59] ...................................... 37 Hình 2.11. Diễn biến áp suất trong xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt (pinj = 1200 MPa, n = 1200 v/ph) [37]. ........................................................................................................ 39 Hình 2.12. Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón [60]. ................................. 40 Hình 2.13. So sánh các tia phun với các tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên liệu khác nhau [62] .......................................................................................................... 43 Hình 2.14. Ảnh hƣởng của tỷ lệ pha trộn diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tính phun [62] ............................................................................................................................ 44 Hình 2.15. Cân bằng năng lƣợng trong xylanh động cơ .......................................... 45 Hình 2.16. Thành phần phát thải hạt đƣợc tạo ra trong quá trình cháy .................... 54 Hình 2.17. Phân bố số lƣợng, khối lƣợng, diện tích bề mặt theo đƣờng kính hạt .... 55 Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lấy mẫu xác định số lƣợng hạt trong khí thải 56 Hình 3.1. Động cơ diesel Hyundai D4BB ………………………………………..58 Hình 3.2. Đƣờng đặc tính ngoài động cơ thực ......................................................... 59 Hình 3.3. Mô hình động cơ D4BB ........................................................................... 61 Hình 3.4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ........................................................... 65 Hình 3.5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải CO ..................................... 66 Hình 3.6. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx ................................... 66 Hình 3.7. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx ................................... 67 Hình 3.8. Mômen (a) và suất tiêu hao nhiên liệu (b) theo đặc tính ngoài ................ 68 Hình 3.9. Suất tiêu hao nhiên liệu, sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải ............ 69 Hình 3.10. Hàm lƣợng CO theo đặc tính ngoài ........................................................ 70 Hình 3.11. Hàm lƣợng CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph ....................................... 71 Hình 3.12. Hàm lƣợng NOx theo đƣờng đặc tính ngoài ........................................... 71 Hình 3.13. Hàm lƣợng NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph ...................................... 72 Hình 3.14. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đƣờng đặc tính ngoài .................................................................................................................. 73 Hình 3.15. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đặc tính tải tại 2000v/ph ......................................................................................................... 73 Hình 3.16. Mô men và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài .......................... 75 Hình 3.17. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài . 76 Hình 3.18. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình tại 2000 v/ph ........... 77 Hình 3.19. Hàm lƣợng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài ............... 78 Hình 3.20. Hàm lƣợng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph .................................................................................................................................. 79 Hình 3.21. Hàm lƣợng NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài .. 80 Hình 3.22. Hàm lƣợng NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph .................................................................................................................. 81
vii
Hình 3.23. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài .. 82 Hình 3.24. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ........................................................................................................................... 83 Hình 4.1. Khuấy hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu……………………………………86 Hình 4.2. Sơ đồ thử nghiệm động cơ D4BB ............................................................ 86 Hình 4.3. Băng thử động lực cao động cơ ................................................................ 87 Hình 4.4. Phanh điện APA 100 ................................................................................ 87 Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của cảm biến tốc độ động cơ ......... 88 Hình 4.6. Thiết bị đo độ đen Smoke Meter AVL 415 .............................................. 89 Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S ......... 89 Hình 4.8. Sơ đồ của hệ thống phân tích khí xả AVL CEBII .................................... 90 Hình 4.9. Sơ đồ khối hệ thống lấy mẫu xác định số hạt trong khí thải .................... 91 Hình 4.10. Thiết bị cân chỉnh vòi phun .................................................................... 92 Hình 4.11. Máy quay Photron Fastcam SA3 tốc độ 3000 FPS ................................ 92 Hình 4.12. Quá trình chụp tia nhiên liệu .................................................................. 92 Hình 4.13. Cấu trúc tia phun nhiên liệu diesel, DE5, ED10, DE5B5 và DE10B5 ... 93 Hình 4.14. Mômen và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài ................ 95 Hình 4.15. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài ......................................................................................................................... 96 Hình 4.16. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ............................................................................................................. 97 Hình 4. 17. Diễn biến áp suất trong xylanh theo đƣờng đặc tính ngoài ................... 98 Hình 4.18. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài ....... 99 Hình 4.19. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................................................................................................................... 100 Hình 4. 20. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài .... 101 Hình 4.21. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................................................................................................................... 102 Hình 4.22. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài .... 103 Hình 4.23. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................................................................................................................ 104 Hình 4.24. Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài ............. 105 Hình 4.25. Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................................................................................................................ 106 Hình 4.26. Giá trị Lambda theo đƣờng đặc tính ngoài ........................................... 107 Hình 4.27. Giá trị Lambda theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................... 108 Hình 4.28. Số hạt và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài ................ 109 Hình 4.29. Số hạt trung bình trong khí thải theo đƣờng đặc tính ngoài ................. 109
viii
ix
Bảng 3.25. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính ngoài............................................... 79 Bảng 3.26. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ............................. 80 Bảng 3.27. Phát thải soot theo đƣờng đặc tính ngoài ............................................... 81 Bảng 3.28. Phát thải soot theo đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................................... 82 Bảng 4.1. Chiều dài và góc của tia phun…………………………………………93 Bảng 4.2. Mô men của động cơ với các mẫu nhiên liệu theo đƣờng đặc tính ngoài 95 Bảng 4.3. Suất tiêu hao nhiên liệu với các mẫu nhiên liệu theo đƣờng đặc tính ngoài .................................................................................................................................. 96 Bảng 4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu với các nhiên liệu thử nghiệm theo đặc tính tải tại 2000v/ph ................................................................................................................... 96 Bảng 4.5. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính ngoài .................................................. 99 Bảng 4.6. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................. 99 Bảng 4.7. Phát thải HC theo đƣờng đặc tính ngoài ................................................ 100 Bảng 4. 8. Phát thải theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph .................................... 101 Bảng 4.9. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính ngoài............................................... 102 Bảng 4.10. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ........................... 103 Bảng 4.11. Smoke theo đƣờng đặc tính ngoài ........................................................ 104 Bảng 4.12. Smoke khi theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................ 105 Bảng 4.13. Giá trị lambda theo đƣờng đặc tính ngoài ........................................... 106 Bảng 4.14. Giá trị Lambda theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................... 107 Bảng 4.15. Số hạt theo đƣờng đặc tính ngoài ......................................................... 108 Bảng 4. 16. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) mô men, suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng DE10B5 ................................................................ 109 Bảng 4. 17. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát thải CO khi sử dụng DE10B5 ................................................................................. 110 Bảng 4. 18. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát thải NOx khi sử dụng DE10B5 ............................................................................... 110 Bảng 4. 19. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát thải soot khi sử dụng DE10B5 ............................................................................... 111
x
Tiếng Anh/tiếng Việt Diễn giải
Ký hiệu/viết tắt
AVL Boost - Phần mềm mô phỏng của hãng AVL
bmep Áp suất có ích trung bình
Brake Mean Effective Pressure
HFRR Khả năng bôi trơn
High-Frequency Receiprocating Rig
B50 - Nhiên liệu 50%diesel và 50%biodiesel
B70 - Nhiên liệu 30%diesel và 70%biodiesel
B100 - Biodiesel 100%
E5 - Nhiên liệu 95% xăng và 5% ethanol
E10 - Nhiên liệu 90% xăng và 10% ethanol
E85 - Nhiên liệu 15% xăng và 85% ethanol
DB5 - Nhiên liệu 95% diesel và 5% biodiesel
DE5 Nhiên liệu 95% diesel và 5% ethanol
DE10 - Nhiên liệu 90% diesel và 10% ethanol
DE15 - Nhiên liệu 85% diesel và 15% ethanol
DE20 - Nhiên liệu 80% diesel và 20% ethanol
DE30 - Nhiên liệu 70% diesel và 30% ethanol
DE5B5 -
Nhiên liệu 90% diesel và 5% ethanol và 5%biodiesel
DE10B5 -
Nhiên liệu 85% diesel và 10% ethanol và 5%biodiesel
DE15B5 -
Nhiên liệu 80% diesel và 15% ethanol và 5%biodiesel
DE20B5 -
Nhiên liệu 75% diesel và 20% ethanol và 5%biodiesel
DE30B5 -
Nhiên liệu 65% diesel và 30% ethanol và 5%biodiesel
CME Dầu hạt bông
Cottonseed Methyl Ester
SME Soybean Methyl Ester Dầu đậu nành
xi
RME Rapeseed Methyl Ester Dầu hạt cải
PME Palm Oil Methyl Ester Dầu cọ
WME Dầu ăn phế thải
Waste Cooking Oil Methyl Ester
NLSH Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu từ nguồn sinh học
TCVN -
Hệ thống tiêu chuẩn đo lƣờng Việt Nam
MHMP - Mô hình mô phỏng
FPS Frame Per Second Tốc độ khung hình
xii
Hiện nay năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lƣợng năng lƣợng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó nguồn năng lƣợng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Theo nhƣ dự báo của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lƣợng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa. Mặt khác, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trƣờng bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm nhƣ COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trƣờng, hệ sinh thái và ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng cuộc sống.
Vì vậy việc tìm ra các nguồn năng lƣợng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trƣờng là điều rất quan trọng và cần thiết. Năng lƣợng tái tạo nói chung và nhiên liệu sinh học cho phƣơng tiện giao thông nói riêng đã và đang đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng mạnh mẽ. Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng. Mặt khác, nhiên liệu sinh học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho ngƣời dân ở vùng sâu, vùng xa. Một khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trƣờng có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lƣợng xanh, năng lƣợng phát thải cácbon thấp luôn nhận đƣợc sự ƣu tiên hàng đầu.
Nhiên liệu sinh học sử dụng cho động cơ đốt trong phổ biến nhất hiện nay là ethanol và diesel sinh học. Việt Nam là nƣớc nông nghiệp nên có nhiều tiềm năng về sản xuất nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu khoáng. Nhận biết đƣợc lợi ích của việc sử dụng nhiên liệu sinh học cũng nhƣ lợi thế to lớn, từ năm 2007 Chính phủ đã ban hành quyết định số 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu là phát triển nhiên liệu sinh học, tái tạo đƣợc để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng [16]. Đề án này cũng đƣa ra mục tiêu cụ thể là đến năm 2015, nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% và đến năm 2025 đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nƣớc. Nhằm thực hiện các mục tiêu này, năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số 53/2012/QĐ-TTg về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17]. Theo quyết định này, xăng E5 và E10 đƣợc sử dụng tại 7 thành phố lớn vào cuối 2014 và 2016, tiếp theo sẽ sử dụng rộng rãi trên toàn quốc vào cuối 2015 và 2017, trong khi đó diesel sinh học B5 và B10 đƣợc khuyến khích sản xuất, phối chế và sử dụng. Đối với ethanol sinh học, nƣớc ta có khá nhiều nguồn nguyên liệu để chế biến nhƣ sắn, rơm rạ, trấu, vỏ cà phê, bã mía... Đến nay cả nƣớc đã có bảy nhà máy sản
1
xuất ethanol đi vào hoạt động với công suất thiết kế đạt khoảng 600.000 m3/năm. Lƣợng ethanol để pha xăng E5 bán trên thị trƣờng cho ô tô, xe máy chạy xăng khoảng 177.900 m3/năm chỉ chiếm 44% sản lƣợng. Do đó lƣợng ethanol thừa còn rất nhiều trong khi rất khó xuất khẩu do hạn chế về công nghệ và qui mô sản xuất nên giá thành cao. Nhằm duy trì và phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học còn non trẻ, góp phần phát triển kinh tế- xã hội và bảo vệ môi trƣờng cần phải tìm giải pháp tăng lƣợng tiêu thụ ethanol trong nƣớc. Một hƣớng khả thi nhất là nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ diesel (là động cơ phổ biến trên xe tải, xe bus từ cỡ nhỏ đến cỡ lớn) bằng cách pha ethanol vào diesel. Tuy nhiên, do ethanol có những tính chất vật lý khác xa so với của diesel nhƣ trị số xetan thấp và độ nhớt thấp… nên ảnh hƣởng xấu đến tính năng của động cơ. Để khắc phục một phần ảnh hƣởng này có thể pha thêm một lƣợng biodiesel nhƣ là chất phụ gia. Do đó việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel cho động cơ diesel và ảnh hƣởng đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ là cần thiết.
- Đánh giá ảnh hƣởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel, làm cơ sở tăng lƣợng tiêu thụ ethanol.
- Lựa chọn đƣợc tỷ lệ hợp lý để tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel dùng làm
nhiên liệu cho động cơ diesel.
- Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là động cơ D4BB, 4 xylanh thẳng hàng, hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu cơ khí, đƣợc sử dụng trên xe tải Hyundai 1,25 tấn đang lƣu hành tại Việt Nam. Nhiên liệu nghiên cứu trong mô phỏng là diesel thông thƣờng và hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel trong đó biodiesel có tỷ lệ 5%, tỷ lệ ethanol thay đổi từ 5% đến 30%, còn lại là diesel thông thƣờng. Nhiên liệu nghiên cứu trong thử nghiệm gồm diesel thông thƣờng, hỗn hợp nhiên DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 (hỗn hợp đƣợc pha trộn theo phần trăm về thể tích). Nhiên liệu diesel có sẵn trên thị trƣờng Việt Nam theo TCVN 5689-2018.
- Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ làm việc
ổn định theo đƣờng đặc tính ngoài, đƣờng đặc tính tải.
Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là phƣơng pháp tổng hợp và
phân tích, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm cụ thể nhƣ sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ D4BB sử dụng nhiên liệu diesel thông thƣờng và hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel theo tỷ lệ về thể tích nhằm thực hiện nhiệm vụ:
2
+ Đánh giá diễn biến các quá trình làm việc của động cơ diesel D4BB khi sử
dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel.
+ Đƣa ra kết quả tính toán lý thuyết tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Qua đó lựa chọn tỷ lệ phối trộn để thực hiện thử nghiệm.
- Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện trong phòng thí nghiệm đánh giá định lƣợng và phân tích đƣợc ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tới các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ diesel thông thƣờng.
- Luận án đã đƣa ra giải pháp khoa học phù hợp nhằm lựa chọn đƣợc tỷ lệ phối trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel (DE10B5) hợp lý, đảm bảo tính năng kỹ thuật và giảm phát thải cho động cơ diesel đang lƣu hành.
- Kết quả của luận án là cơ sở cho việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ diesel, giúp nâng cao tiêu thụ nhiên liệu ethanol, góp phần hoàn thành mục tiêu của của đề án phát triển NLSH của Chính phủ.
Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel- ethanol-biodiesel trên động cơ diesel. Trong đó động cơ nghiên cứu là loại đƣợc sử dụng phổ biến ở Việt Nam, nhiên liệu ethanol và biodiesel đƣợc sản xuất từ nguồn nguyên liệu sắn và dầu cọ ở Việt Nam.
Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau:
Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về nhiên liệu ethanol và biodiesel. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết tính toán tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải
động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel.
Chƣơng 3: Nghiên cứu mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ
diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel.
Chƣơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Kết luận chung và hƣớng phát triển của đề tài.
3
Trƣớc thực trạng ô nhiễm môi trƣờng từ khí thải động cơ đốt trong, sự suy giảm nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự thiếu hụt về nguồn năng lƣợng nên việc tìm ra nguồn năng lƣợng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trƣờng là điều quan trọng và cần thiết. Các nguồn năng lƣợng tái tạo có thể kể đến nhƣ thủy điện, năng lƣợng nguyên tử, năng lƣợng mặt trời, gió, thủy triều, năng lƣợng sinh học… trong đó sử dụng năng lƣợng có nguồn gốc sinh học đang là xu hƣớng chung của nhiều nƣớc trên thế giới. Năng lƣợng sinh học nói chung và nhiên liệu sinh học cho phƣơng tiện giao thông nói riêng đã và đang đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng. NLSH đƣợc định nghĩa là nhiên liệu đƣợc hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động vật, thực vật [1]. Ví dụ nhƣ nhiên liệu chế suất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tƣơng...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cƣa, sản phẩm gỗ thải...). Sử dụng (NLSH) có nhiều ƣu điểm nhƣ: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, có khả năng tái tạo, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, có thể sử dụng trên động cơ thông thƣờng mà ít phải thay đổi kết cấu. NLSH dùng cho động cơ đốt trong gồm hai dạng chủ yếu là nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng. Nhiên liệu dạng khí gồm biogas hay khí sinh học là hỗn hợp của khí methane CH4 (50÷60%) và CO2 (>30%) và một số khí khác nhƣ hơi nƣớc, N2, O2, H2S, CO...sinh ra từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trƣờng yếm khí, xúc tác ở nhiệt độ từ 200C÷400C. Nhiên liệu dạng lỏng gồm xăng sinh học và diesel sinh học. Hiện nay trên thế giới xăng sinh học thông dụng nhất là ethanol. Do ethanol có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa tinh bột nhƣ ngũ cốc, ngô, khoai, sắn...và nguyên liệu chứa đƣờng nhƣ mía, củ cải đƣờng. Diesel sinh học đƣợc sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este, và có tính chất tƣơng đƣơng với nhiên liệu dầu diesel.
1.2.1. Nhiên liệu ethanol
1.2.1.1. Tính chất lý
Ethanol (công thức phân tử C2H5OH hay CH3CH2OH) là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của ancol methylic, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, dễ cháy. Ethanol là một dung môi linh hoạt, có thể hòa tan trong nƣớc. Các liên kết hydro làm cho ethanol tinh khiết có tính hút ẩm, hút hơi nƣớc trong không khí. Vì các phân tử ethanol có cấu trúc không phân cực nên sẽ hòa tan các chất không phân cực, bao gồm các loại tinh dầu, nhiều hƣơng liệu, màu sắc và thành phần trong dƣợc. Đặc điểm tính chất của ethanol so với xăng đƣợc thể hiện nhƣ sau:
4
Trị số octan của ethanol cao. Vì vậy, việc pha ethanol vào xăng thông dụng cũng sẽ có tác dụng nhất định trong việc hạn chế hiện tƣợng kích nổ. Thực tế cho thấy, xăng pha ethanol có trị số ốc tan cao hơn so với xăng gốc ban đầu. Nhiệt lƣợng của ethanol chỉ bằng khoảng 0,6 lần so với nhiệt lƣợng của xăng thông dụng nên về nguyên tắc, để có thể sản sinh ra một lƣợng nhiệt năng nhƣ nhau thì phải cần một lƣợng ethanol gấp khoảng 1,67 lần so với xăng. Vì vậy, để duy trì công suất cho động cơ khi chuyển từ xăng sang ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao thì cần phải có các biện pháp để tăng lƣợng nhiên liệu cung cấp tƣơng ứng với hàm lƣợng ethanol có trong đó. Áp suất bay hơi của ethanol cao hơn nhiều so với xăng. Tính chất này sẽ gây ra khó khăn cho động cơ sử dụng ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao trong việc khởi động xe ở nhiệt độ thấp và trong việc hòa trộn giữa nhiên liệu với không khí. Cũng do khả năng bay hơi kém nên ở loại động cơ nhiều xy lanh sử dụng chế hòa khí hoặc phun nhiên liệu tập trung, một lƣợng lớn ethanol dạng lỏng đã tạo thành lớp màng mỏng bám trên đƣờng ống nạp và dẫn tới sự phân bổ nhiên liệu không đồng đều giữa các xy lanh [1]. Một số tính chất lý hóa của ethanol đƣợc thể hiện trên Bảng 1.1. Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol [2]
Đơn vị Giá trị Đặc tính
TT 1 Nhiệt trị thể tích 2 Nhiệt độ sôi 3 Chỉ số Octan nghiên cứu 4 Tỷ trọng ở 200C 5 Hàm lƣợng Ôxy 6 Độ tan trong nƣớc ở 250C 7 Nhiệt độ tự cháy 8 Độ nhớt ở 200C Phân tử gam 9 10 Nhiệt độ tan 11 Điểm tới hạn ở p=63bar 12 pH 13 Cp 14 Mật độ giới hạn nổ MJ/lít 0C RON - % % 0C cP g/mol K K - J/mol.K % 21,1 ÷ 21,7 78 106 ÷130 0,789 34,7 100 392 1,2 46,07 158,8 514 7,0 65,21 3,5 ÷15
1.2.1.2. Tính chất hóa học
Trong phân tử C2H5OH có nhóm chức hydroxyl (OH) hình thành tính chất hóa học đặc trƣng của ethanol:
- Phản ứng với kim loại kiềm: ethanol tác dụng với Na và NaNH2. - Phản ứng với axit halogen. - Phản ứng tách nƣớc (dehyđrat hóa) tạo ankan và ete. - Phản ứng dehydro hóa (tách hydro).
5
- Phản ứng với oxi hóa: ethanol dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa
có màu xanh da trời, tỏa nhiều nhiệt.
- Phản ứng este hóa. - Phản ứng thế -OH bởi halogen trong photpho clorua PCl3, PCl5 và tionin
clorua SOCl2 khi có pyridine C5H5N.
1.2.1.3. Công nghệ sản xuất ethanol
Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà ethanol đƣợc sản xuất theo các phƣơng pháp và quy trình khác nhau. Hiện nay có hai phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến để sản xuất ethanol nhƣ sau:
a) Phương pháp hydrat hóa ethylen
Ethanol dùng trong công nghiệp thƣờng đƣợc sản xuất từ các nguyên liệu dầu
mỏ thông qua phƣơng pháp hydrat hóa ethylen với xúc tác axit.
- Với xúc tác là axit photphoric: Cho ethylen hợp nƣớc ở 3000C áp suất 70 ÷
80 atm thì phản ứng hóa học nhƣ sau.
CH2 = CH2 + H2O → CH3 - CH2-OH - Với xúc tác là axit sunfuric. Phản ứng xảy 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 – CH2-OSO3H CH3 – CH2-OSO3H + 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 nhƣ: methanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất có vị đắng, gây tê.
b) Phương pháp lên men
Nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol bằng công nghệ lên men chủ yếu sử dụng các loại cây trồng chứa đƣờng đơn giản (xenlulozo) hoặc ngũ cốc chứa tinh bột. Ethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nƣớc nên sau đó phải tiến hành chƣng cất và tinh cất để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanol khan).
Trong số các nguyên liệu thế hệ thứ nhất chứa tinh bột và đƣờng, sắn là sản phẩm có tỷ suất thu hồi ethanol cao nhất. Vì vậy, sắn đƣợc sử dụng để sản xuất ethanol trong nƣớc và xuất khẩu. Quá trình sản xuất ethanol từ sắn qua các giai đoạn sau (Hình 1.1) [3]:
- Giai đoạn xử lý nguyên liệu sắn đem thái lát, phơi khô và nghiền. - Giai đoạn hồ hóa-đƣờng hóa: + Mặc dù tồn tại song song 02 công nghệ hồ hóa - đƣờng hóa bằng axít và bằng chế phẩm enzyme amylaza. Tuy nhiên, hầu hết các nhà cung cấp công nghệ sản xuất ethanol hiện nay đều lựa chọn công nghệ hồ hóa - đƣờng hóa bằng chế phẩm enzyme amylaza.
6
+ Tinh bột có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylaza không thể tác động trực tiếp đƣợc. Khi nghiền nguyên liệu, chỉ một phần rất ít tế bào tinh bột bị phá vỡ. Mặt khác ở nhiệt độ môi trƣờng tinh bột không hòa tan trong nƣớc, khi đƣờng hóa, enzyme amylaza tác dụng rất chậm.
+ Quá trình hồ hóa tiếp tục phá vỡ tế bào tinh bột, biến tinh bột ở trạng thái không hòa tan trong nƣớc thành trạng thái hoà tan, giúp cho quá trình đƣờng hóa thuận lợi hơn.
+ Quá trình đƣờng hóa sử dụng enzyme amylaza chuyển hóa tinh bột hòa tan thành đƣờng có thể lên men đƣợc. Trên cơ sở phát triển của công nghệ enzyme chủ yếu do các nhà sản xuất enzyme hàng đầu thế giới nhƣ NOVO ENZYME (Đan Mạch), GENENCOR (Mỹ)…
- Lên men. - Chƣng cất để tạo ethanol nguyên chất. - Tách nƣớc để tạo ethanol khan với nồng độ trên 99,5%
Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3]
Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai bao gồm phụ phẩm nông nghiệp nhƣ rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ cà phê, thân ngô…chất thải rừng gồm những nguyên liệu chứa gỗ nhƣ vỏ cây, thân cây...Theo khảo sát và đánh giá của Viện Nghiên cứu chiến lƣợc, chính sách Công nghiệp - Bộ Công Thƣơng cho thấy, trữ lƣợng cồn nhiên liệu tiềm năng đi từ nguyên liệu thế hệ thứ hai của Việt Nam rất lớn, ƣớc tính khoảng 10,9 tỷ lít. Trong đó chiếm tỷ trọng lớn nhất là nguyên liệu từ phụ phế phẩm
7
nông nghiệp. Tuy nhiên, do chi phí công nghệ chế biến còn cao, đặc biệt là khâu xử lý nguyên liệu ban đầu khá phức tạp, nguyên liệu khó thu gom, phân loại ở quy mô lớn nên khó ứng dụng để sản xuất cồn trong điều kiện hiện nay của Việt Nam [4].
Quá trình sản xuất ethanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đƣờng 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 đƣờng liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40÷60% xenluloza và 20÷40% hemixenluloza, 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 xeluloza khó hòa tan trong nƣớc. Phức polyme thơm có trong gỗ lignin (10÷25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhƣng có thể tận dụng vào việc khác [5]. Để sản xuất ethanol từ xenluloza cần qua 6 giai đoạn Hình 1.2:
- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza nhƣ gỗ hoặc rơm rạ
để thủy phân.
- Thủy phân xenluloza (cellulolysis) để bẻ gãy các phân tử để tạo đƣờng. - Tách đƣờng từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (chất polyme
thơm).
- Lên men. - Chƣng cất để tạo ra ethanol nguyên chất. - Khử nƣớc để tạo ra ethanol khan với nồng độ lên đến 99,7%.
Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza [5]
1.2.2. Nhiên liệu biodiesel
Diesel sinh học (Biodiesel) là loại nhiên liệu có những tính chất tƣơng đƣơng với diesel khoáng nhƣng đƣợc sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Về phƣơng diện hoá học, biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ khi đƣợc ester hoá bởi các methanol hoặc ethanol [6].
1.2.2.1. Tính chất vật lý
8
Nhiệt độ đông đặc: do thành phần hóa học của các dầu khác nhau nên nhiệt độ đông đặc khác nhau. Các giá trị này không ổn định và thƣờng trong một khoảng nào đó.
Hàm lượng este: Là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lƣợng của nhiên liệu diesel sinh học gốc B100. Hàm lƣợng este cao thể hiện sự chuyển hóa của phản ứng este hóa chéo tốt, đảm bảo chất lƣợng của biodiesel.
Trị số xetan: Dùng để đo khả năng tự cháy của nhiên liệu thu đƣợc bằng cách so sánh nó với nhiên liệu chuẩn trong thử nghiệm trên động cơ đã đƣợc tiêu chuẩn hóa.
Độ nhớt động học: Là tỷ số giữa độ nhớt động lực và khối lƣợng riêng của nhiên liệu. Độ nhớt động học là một thông số quan trọng của nhiên liệu đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ diesel
Khối lượng riêng: Khối lƣợng riêng của biodiesel thƣờng nhỏ hơn của nƣớc, ở điều kiện thƣờng (200C), ρ = 0,907÷0,971 (g/cm3). Biodiesel có càng nhiều thành phần hydrocacbon no thì tỷ trọng càng cao.
Đặc điểm tính chất của biodiesel so với nhiên liệu diesel đƣợc thể hiện nhƣ
sau:
Trị số xetan cao: Biodiesel có các alkyl este mạch thẳng do vậy nhiên liệu này có trị số xetan cao hơn diesel khoáng. Với trị số xetan cao nhƣ vậy, biodiesel hoàn toàn có thể đáp ứng dễ dàng yêu cầu của những động cơ đòi hỏi nhiên liệu chất lƣợng cao với khả năng tự bắt cháy cao mà không cần phụ gia tăng trị số xetan. Hàm lượng lưu huỳnh thấp: Trong biodiesel hàm lƣợng lƣu huỳnh rất thấp, khoảng 0,001%. Ðặc tính này của biodiesel rất tốt cho quá trình sử dụng làm nhiên liệu, vì nó làm giảm đáng kể khí thải SO gây ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trƣờng.
Quá trình cháy sạch: Do nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy nên quá trình cháy nhiên liệu xảy ra triệt để. Vì vậy, với những động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel thì sự tạo muội, đóng cặn trong động cơ giảm đáng kể.
Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn: Biodiesel có khả năng bôi trơn rất tốt, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, biodiesel có khả năng bôi trơn tốt hơn diesel khoáng. Khả năng bôi trơn của nhiên liệu đƣợc đặc trƣng bởi giá trị HFRR (highfrequency receiprocating rig), nói chung giá trị HFRR đạt 500 khi không có phụ gia, nhƣng giới hạn đặc trƣng của diesel là 450. Vì vậy diesel khoáng yêu cầu phải có phụ gia để tăng cƣờng khả năng bôi trơn. Do HFRR cao nên biodiesel còn đƣợc coi nhƣ là một phụ gia tốt đối với nhiên liệu diesel thông thƣờng. Khi thêm vào một tỷ lệ thích hợp biodiesel, sự mài mòn của động cơ đƣợc giảm mạnh. Thực nghiệm đã chứng minh sau khoảng 15000 giờ làm việc vẫn không nhận thấy mài mòn [7].
Tính ổn dịnh của biodiesel: biodiesel có khả năng phân huỷ rất nhanh (phân huỷ đến 98% trong 21 ngày) đây chính là ƣu điểm lớn về mặt môi trƣờng. Do biodiesel kém ổn định nên cần có sự chú ý đặc biệt về quá trình bảo quản [8].
9
Giảm lượng khí thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư: Theo các nghiên cứu của Bộ năng lƣợng Mỹ đã hoàn thành ở một trƣờng đại học ở California, sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho diesel khoáng có thể giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thƣ từ khí thải của động cơ. Lý do là biodiesel chứa ít các hợp chất thơm, chứa rất ít lƣu huỳnh, quá trình cháy triệt để hơn nên giảm đƣợc nhiều thành phần hydrocacbon trong khí thải [7,9].
An toàn về cháy nổ tốt hơn: Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao, trên 1100C, cao hơn nhiều so với diesel khoáng (khoảng 600C), vì vậy tính chất nguy hiểm của nó thấp hơn, an toàn hơn trong tồn chứa và vận chuyển
Nguồn nhiên liệu cho tổng hợp hoá học: Ngoài việc đƣợc sử dụng làm nhiên liệu, các ankyl este axit béo còn là nguồn nguyên liệu quan trọng cho ngành công nghệ hoá học, sản xuất các rƣợu béo, ứng dụng trong dƣợc phẩm và mỹ phẩm, các ankanolamin, isopropylic este, các polyeste đƣợc ứng dụng nhƣ chất nhựa, chất hoạt động bề mặt...
Có khả năng nuôi trồng được: Tạo nguồn năng lƣợng độc lập với dầu mỏ, không làm suy yếu các nguồn năng lƣợng tự nhiên, không gây ảnh hƣởng tới sức khoẻ con ngƣời và môi trƣờng. Một số tính chất lý hóa của nhiên liệu biodiesel đƣợc thể hiện trên Bảng 1.2 [6].
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của nhiên liệu biodiesel [6]
STT Đặc tính Đơn vị Biodiesel
1 869,3
Tỷ trọng ở 150C Độ nhớt động học ở 400C 2 - mm2/s 4,1
Nhiệt trị 3 MJ/kg 40,125
Hàm lƣợng oxy 4 % 10
5 - 51,3
Trị số Xêtan Sức căng bề mặt ở 200C 6 N/m 0,028
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F) 7 - 14,58
8 Nhiệt ẩn hóa hơi 332
9 Điểm sôi kJ/kg 0C 60
1.2.2.2. Tính chất hóa học
Biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ khi đƣợc ester hoá bởi các ancol methanol hoặc ethanol. Do vậy, tính chất của biodiesel thể hiện qua các phản ứng giống nhƣ một este nhƣ sau:
Phản ứng xà phòng hóa: với các điều kiện nhƣ nhiệt độ, áp suất, xúc tác
thích hợp dầu có thể bị thủy phân:
C3H5(OCOR)3 + 3H2O → 3RCOOH + C3H5(OH)3
10
Phản ứng qua các giai đoạn trung gian tạo thành các diglyxerin và monoglyxerin. Trong quá trình thủy phân, axit béo sẽ phản ứng với kiềm tạo thành xà phòng:
RCOOH + NaOH → RCOONa + C3H5(OH)
Ðây là phản ứng cơ bản trong quá trình sản xuất xà phòng và glyxerin từ dầu
thực vật.
Phản ứng cộng hợp: Trong điều kiện thích hợp, các axit béo không no sẽ
cộng hợp với các chất khác.
Phản ứng hidro hóa: Là phản ứng đƣợc tiến hành ở điều kiện nhiệt độ, áp
suất thấp và sự có mặt của xúc tác Ni.
Phản ứng este hóa: Các glyxerin trong điều kiện có mặt của xúc tác vô cơ (H2SO4, HCl hoặc NaOH, KOH) có thể tiến hành este hóa trao đổi với các rƣợu bậc một (nhƣ metylic, etylic)... thành các alkyl este của axit và glyxerin:
C3H5(OCOR)3 + 3CH3OH → 3RCOOCH3 + C3H5(OH)3
Phản ứng này có ý nghĩa thực tế rất quan trọng vì ngƣời ta có thể sử dụng các alkyl este béo làm nhiên liệu do giảm một cách đáng kể lƣợng khí thải độc hại ra môi truờng. Ðồng thời, cũng thu đƣợc một lƣợng glyxerin sử dụng trong các ngành công nghiệp mỹ phẩm, hàng tiêu dùng, sản xuất nitro glyxerin làm thuốc nổ.
Phản ứng oxy hóa: Tùy thuộc vào bản chất của chất oxy hóa và điều kiện phản ứng mà tạo ra các chất oxy hóa không hoàn toàn nhƣ peroxyt, xetoaxit... hoặc các sản phẩm đứt mạch có phân tử lƣợng bé.
Phản ứng trùng hợp: Các axit không no dễ xảy ra phản ứng trùng hợp tạo ra
các hợp chất cao phân tử.
1.2.2.3. Nguyên liệu và quy trình sản xuất biodiesel
Nguyên liệu sản xuất biodiesel bao gồm: Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ nhất là dầu thực vật ăn đƣợc (dầu hƣớng dƣơng, dầu lạc, dầu dừa, dầu thầu dầu, dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hạt bông…) và mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, mỡ lợn…). Tuy nhiên, các nguyên liệu này ảnh hƣởng tới an ninh lƣơng thực nên việc sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu trên bị Tổ chức Nông Lƣơng thế giới phản đối. Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai là các dạng phế thải nhƣ mỡ động vật và axit béo phế thải. Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ ba bao gồm các loại tảo và dầu jatropha. Các nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai và ba là các nguồn nguyên liệu không cạnh tranh với các nguồn lƣơng thực của con ngƣời nên đang đƣợc quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất biodiesel [8].
Quy trình sản xuất biodiesel đƣợc mô tả trên Hình 1.3:
11
Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất biodiesel
1.3.1. Trên thế giới
Mỹ là nƣớc sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới. Sản lƣợng sản xuất ra chiếm khoảng 43% trên toàn thế giới. Tại Mỹ, ethanol sản xuất chủ yếu từ ngô. Năm 2008 đạt đến 32 tỉ lít và chỉ tiêu đề ra cho năm 2022 là 137 tỉ lít [10]. Ngoài ra, sản lƣợng diesel sinh học cũng tăng mạnh trong những năm gần đây. Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Mỹ là dầu đậu nành tinh khiết, dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ động vật. Lƣợng diesel sinh học bán ra có thể đạt gần 2 tỷ gallon mỗi năm. Tổng lƣợng diesel sinh học tiêu thụ ở Mỹ năm 2016 là gần 2060 triệu gallon [11].
Brazil sản xuất ethanol (từ mía đƣờng) với sản lƣợng gần 25 tỉ lít năm, từ năm 2005 đến năm 2012 đã có hơn 116 nhà máy sản xuất ethanol mới đƣợc đầu tƣ xây dựng tại Brazil. ngành sản xuất diesel sinh học chỉ mới có một số dây chuyền sản xuất thử nghiệm công suất từ 40 ÷130 (m3/ngày) đƣợc vận hành. Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Brazil là dầu đậu nành, dầu hƣớng đƣơng, dầu thầu dầu và dầu thực vật đã qua sử dụng.
Sản lƣợng ethanol của Mỹ và Brazil chiếm khoảng 86,25% ethanol sản xuất toàn cầu. Theo số liệu năm 2015, Mỹ sản xuất đƣợc 14.806 triệu gallons; Brazil 7.093 triệu gallons. Sau Mỹ và Brazil là Trung Quốc có sản lƣợng ethanol là 813 triệu gallons. Tổng sản lƣợng ethanol của toàn thế giới trong năm 2015 ƣớc tính khoảng 25.682 triệu gallons [12]. Thống kê sản lƣợng ethanol và biểu đồ sản lƣợng ethanol trên thế giới từ 2007 đến năm 2015 đƣợc thể hiện trên Hình 1.4.
12
Hình 1.4. Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015[12].
Khối EU sản xuất ethanol chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đƣờng. Tiêu thụ NLSH cũng tăng nhanh khoảng 23% mỗi năm, do ngoài việc áp dụng E5, E10 và B7 lên các động cơ truyền thống thì loại động cơ cải tiến dùng E85 đang đƣợc áp dụng ngày càng rộng rãi. Ngoài ra, do sự thay đổi về chính sách đối với NLSH nên lƣợng tiêu thụ biodiesel tại khu vực này đang tăng dần (năm 2018 ƣớc tính tăng lên 12.650 triệu lít), [13].
Thái Lan phát triển năng lƣợng tái tạo trong 10 năm (2012 - 2021) nhằm tăng lƣợng sử dụng NLSH trên toàn quốc từ 1,1 triệu lít ngày lên 9 triệu lít ngày vào năm 2021. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng Thái Lan (tháng 6/2017), tổng lƣợng tiêu thụ biodiesel trong năm 2014, 2015 và 2017 lần lƣợt là 1,18, 1,23 và 1,3 tỷ lít, ƣớc tính trong năm 2017 và 2018 lƣợng tiêu thụ biodiesel sẽ đạt khoảng 1,42 và 1,48 tỷ lít. Nhu cầu sử dụng diesel sinh học đƣợc dự báo sẽ duy trì tăng trƣởng hàng năm từ 2,5 ÷ 2,7% từ năm 2018 ÷ 2022, và sau đó dự báo sẽ giảm xuống còn 1,5 ÷ 2,0% sau năm 2022, [14].
Indonesia, theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng Indonesia (2017), lƣợng tiêu thụ biodiesel của nƣớc này đã tăng từ 860 triệu lít (năm 2015) lên 3.008 tỷ lít (năm 2016) và dự kiến giảm nhẹ vào năm 2017 còn 2,8 tỷ lít. Ngoài ra, mức pha trộn cũng đã tăng từ 10% lên 20% vào tháng 6 năm 2017, [15].
1.3.2. Tại Việt Nam
Từ năm 2007 Chính phủ đã ký quyết định số 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu là phát triển NLSH, tái tạo đƣợc để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng [16]. Đề án này cũng đƣa ra mục tiêu cụ thể là đến năm 2015, nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% và đến năm 2025 đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nƣớc. Nhằm thực hiện các mục tiêu này, năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số
13
53/2012/QĐ-TTg về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17]. Theo quyết định này, xăng E5 và E10 đƣợc sử dụng tại 7 thành phố lớn vào cuối 2014 và 2016, tiếp theo sẽ sử dụng rộng rãi trên toàn quốc vào cuối 2015 và 2017, trong khi đó diesel sinh học B5 và B10 đƣợc khuyến khích sản xuất, phối chế và sử dụng. Thực tế lộ trình trên bị chậm hơn dự kiến, đầu năm 2018 việc sử dụng xăng sinh học E5 trên toàn quốc mới đƣợc thực hiện. Đến nay, cả nƣớc có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tƣ trên 500 triệu USD, tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm [18], tập trung chủ yếu tại Miền Trung-Tây Nguyên và Miền Nam. Thiết bị của các nhà máy này đều đƣợc xây dựng sau năm 2007 và đƣợc đầu tƣ thiết bị mới 100%, xuất xứ Châu Á và G7, trình độ tự động hóa đạt trên 85%. Cuối năm 2017, nhà máy ethanol Bình Phƣớc và Dung Quất đã đƣợc khởi động trở lại. Năng lực sản xuất ethanol của các nhà máy tại Việt Nam đã lên tới 400.000 m3/năm (gồm: 200.000 m3 từ hai nhà máy của Công ty TNHH Tùng Lâm; 100.000 m3 của nhà máy ethanol Bình Phƣớc; 100.000 m3 của nhà máy ethanol Dung Quất). Trong khi đó, cả nƣớc tiêu thụ 593.000 m3 xăng E5 RON 92 trong hai tháng đầu năm 2018. Lƣợng E100 cần thiết để pha chế số xăng này là khoảng 29.650 m3. Nếu việc tiêu thụ xăng E5 RON 92 trong cả năm 2018 tiếp tục diễn biến nhƣ hai tháng đầu năm, lƣợng xăng E5 RON 92 bán ra sẽ đạt mức 3.558.000 m3. Lƣợng E100 để pha chế là khoảng 177.900 m3 chỉ bằng 44% mức công suất tối đa mà 4 nhà máy có thể cung cấp (400.000 m3/năm) [18].
Ngoài ra, hiện còn có một số dự án đầu tƣ xây dựng nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu đang trong giai đoạn hoàn tất chuẩn bị đƣa vào vận hành nhƣ Nhà máy sản xuất ethanol sinh học Phú Thọ, Nhà máy cồn sinh học Việt-Nhật... cùng với một số dự án khác đang triển khai. Nhƣ vậy, nguồn ethanol nhiên liệu rất lớn, hoàn toàn có thể đáp ứng nhu cầu thể hiện trong Đề án của Chính phủ và xuất khẩu.
Trong khi đó, nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động cơ diesel gặp phải nhiều khó khăn do chƣa có nguồn nguyên liệu đủ lớn cho sản xuất quy mô công nghiệp. Điều này dẫn tới khó đạt đƣợc mục tiêu thay thế diesel khoáng bằng diesel sinh học.
Tính đến năm 2010, nƣớc ta đã làm chủ công nghệ sản xuất diesel sinh học từ
một số nguồn nguyên liệu sẵn có trong nƣớc và bƣớc đầu tiến hành pha trộn B5.
Các nghiên cứu và sản xuất dầu diesel sinh học của Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã có nhiều thành công, hiện đã và đang chuyển giao công nghệ sản xuất cho nhiều doanh nghiệp [19].
Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã chuyển giao công nghệ sản xuất biodiesel từ dầu thực vật (chiết xuất biodiesel từ hơn mƣời loại dầu thực vật nhƣ dầu cọ, dầu cao su, dầu lai, dầu gòn...) quy mô pilot có công suất 100 kg/ngày cho tập đoàn Trƣờng Thịnh, một đơn vị chuyên sản xuất biodiesel và trồng cây Jatropha tại tỉnh Bình Phƣớc với tổng giá trị 300 triệu đồng đến thời điểm ngày 07/4/2009. Ngoài ra, năm 2010 Viện cũng ký ghi nhớ với hai tỉnh là Ðà Nẵng và Bình Dƣơng dự án sản xuất biodiesel có công suất 1 tấn/ngày với tổng trị giá 4 tỷ đồng [19].
14
Theo đề án Phát triển NLSH của Bộ Công nghiệp đến năm 2015, tầm nhìn 2020. Theo đó đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lƣợng đạt khoảng 500 triệu lít dầu diesel sinh học B10/năm [20]. Thực tế nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động cơ diesel còn thiếu do chƣa có nguồn nguyên liệu đủ lớn cho sản xuất quy mô công nghiệp. Trong khi sản lƣợng ethanol lại nhiều cho nên cần nghiên cứu sử dụng bổ sung ethanol thay thế cho diesel nhiên liệu cho động cơ diesel.
1.4.1. Nghiên cứu ngoài nước
1.4.1.1. Nhiên liệu diesel- ethanol
Mặc dầu tính chất của ethanol và diesel khá khác nhau nhƣng để tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học đã có nhiều nghiên cứu về sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol nhằm đánh giá ảnh hƣởng cũng nhƣ tìm giới hạn sử dụng… Dƣới đây trình bày một số nghiên cứu theo hƣớng này.
D.C. Rakopoulos, C.D. Rakopoulos, E.C. Kakaras, E.G. Giakoumis [21] nghiên cứu với hỗn hợp DE5, DE10 trên động cơ tăng áp 6 xylanh, phun trực tiếp ở các chế độ tốc độ và tải khác nhau. Kết quả cho thấy độ khói giảm đáng kể, tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu càng tăng thì mức độ giảm càng lớn. Thành phần phát thải NOx hầu nhƣ không thay đổi, trong khi CO giảm, HC tăng và suất tiêu hao tăng nhẹ khi sử dụng diesel-ethanol. Các kết quả này cũng chỉ ra hỗn hợp DE5, DE10 có thể sử dụng an toàn trên động cơ diesel và cải thiện đƣợc một số tính năng động cơ.
15
Hình 1.5. Phát thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21]
Hình 1.6. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21]
E.A. Ajav [22] nghiên cứu với hỗn hợp DE5, DE10, DE15, DE20 tại tốc độ động cơ 1475 v/ph, sử dụng động cơ TV 110, một xy lanh, làm mát bằng dung dịch. Kết quả cho thấy công suất của động cơ giảm không đáng kể cụ thể tƣơng ứng là 0,46%, 0,74%, 1,86%, 2,98% .
G. Venkata Subbaiah [23] nghiên cứu so sánh khi sử dụng diesel, biodiesel B20, B100 và hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol DE10 và DE20 và DE30. Kết quả
16
cho thấy, khi sử dụng DE10 và DE20 và DE30, phát thải HC giảm so với diesel thông thƣờng lần lƣợt là 35,35%, 29.29% , 24,24%, phát thải NOx tăng lần lƣợt là 30,22%, 35,82%, 48,88%; phát thải CO2 tăng lần lƣợt là 3,75%, 5,56%, 6,76%, muội than tăng lần lƣợt là 10,23%, 11,72% và 14,5%.
Bang-Quan He [24] nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 10% và 30% ethanol, thử nghiệm trên động cơ diesel hai xylanh, phun trực tiếp. Kết quả cho thấy công suất động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng dần theo tỷ lệ ethanol thay thế (Hình 1.7), phát thải NOx tăng, hàm lƣợng soot giảm (Hình 1.8).
Hình 1.7. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]
Hình 1.8. Phát thải NOx, smoke khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]
17
1.4.1.2. Nhiên liệu diesel-biodiesel
Biodiesel đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi cho động cơ diesel nhằm tăng tỷ lệ nhiên liệu sinh học, dƣới dạng hỗn hợp phối trộn với diesel khoáng theo tỷ lệ nhất định (B5, B10…). Nhiên liệu với tỷ lệ phối trộn biodiesel thấp dƣới 5%, có thể sử dụng trên động cơ diesel thông thƣờng mà không phải thay đổi kết cấu và thông số điều chỉnh của động cơ [25]. Với tỷ lệ phối trộn cao hơn, động cơ có thể phải điều chỉnh để đảm bảo tính năng kỹ thuật và độ bền của động cơ.
Ekrem Buyukkaya [26] tiến hành thử nghiệm trên động cơ diesel tăng áp, 6 xylanh (công suất lớn nhất động cơ 164 kW tại 2100 v/ph) cho nhiên liệu diesel thông thƣờng và nhiên liệu diesel sinh học làm từ hạt cải với các tỷ lệ pha trộn 5%, 20%, 70% và 100%. Chế độ thử nghiệm tại 100% tải với dải tốc độ từ 1000 v/ph đến 2100 v/ph. Kết quả cho thấy, công suất và mômen của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và B5 không có sự sai khác (Hình 1.9). Tuy nhiên, khi sử dụng B20, B70 và B100, công suất giảm tƣơng ứng 6kW, 8kW và 10kW, mômen giảm 2,2%, 4% và 5% tƣơng ứng. Trong khi đó, khi sử dụng nhiên liệu B5, B20, B70 và B100 thì suất tiêu hao nhiên liệu ge tăng lần lƣợt là 2,5%, 3%, 5,5% và 7,5%. Kết quả về các phát thải độc hại cho thấy CO, HC và độ khói giảm xuống trong khi NOx lại tăng lên (Hình 1.10). Độ khói giảm 45% đối với B70 và giảm tới 60% đối với B100, NOx tăng 12% đối với B100 và tăng từ 6% đến 9% trong trƣờng hợp đối với B5 đến B70. Phát thải CO của B5, B20, B70 và B100 lần lƣợt giảm 12%, 25%, 31% và 35% so với nhiên liệu diesel. Rõ ràng phát thải của động cơ cũng phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ pha trộn diesel sinh học. Khi tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên thì phát thải NOx tăng, trong khi phát thải CO, HC và độ khói giảm.
Hình 1.9. So sánh tính năng động cơ của diesel, B5, B20, B70 và B100 [26]
18
Hình 1.10. Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, B70 và B100 [26]
Thử nghiệm của B.Tesfa [27] trên động cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh trong dải tốc độ từ 800 ÷ 1600 v/ph khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thƣờng, B50 và B100 cho thấy suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng B50 và B100 cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thƣờng khoảng từ 10% đến 15%.
Kết quả nghiên cứu của Hansen et al [28] với diesel sinh học B100 trên động cơ diesel tăng áp, 4 kỳ, 4 xylanh cho thấy mômen xoắn giảm 9,1% so với nhiên liệu chạy diesel thông thƣờng tại tốc độ 1900 v/ph. Nguyên nhân đƣợc giải thích là do nhiệt trị của B100 giảm 13,3%, ngoài ra còn do khối lƣợng riêng và độ nhớt tăng.
Wu F, Chen W [29] tiến hành thí nghiệm trên động cơ diesel tăng áp Cummin ISBe6 cho 5 loại nhiên liệu diesel sinh học làm từ năm nguồn nguyên liệu khác nhau là dầu bông (CME), dầu đậu nành (SME), dầu hạt cải (RME), dầu cọ (PME) và dầu rán phế thải (WME). Thử nghiệm tại tốc độ 1500 vòng/phút và năm chế độ tải khác nhau tƣơng ứng với các giá trị áp suất trung bình 0,256 MPa, 0,512 MPa, 0,768 MPa, 1,024 MPa và 1,280 MPa. Kết quả cho thấy phát thải PM, CO, HC giảm trong khi NOx tăng. Tuy nhiên, sự tăng giảm về phát thải của động cơ khác nhau khi sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc khác nhau. Kết quả cụ thể, PM giảm trung bình từ 53% đến 69%, CO giảm trung bình từ 4% đến 16%, HC giảm trung bình từ 45% đến 67%, trong khi đó NOx tăng trung bình từ 10% đến 23%.
Trong một nghiên cứu khác của Sahoo PK [30] khi so sánh tỷ lệ pha trộn diesel sinh học 20%, 50% và 100% cho nhiên liệu diesel sinh học làm từ ba nguồn khác nhau là Jatropha (JB20, TB50, JB100), Karanja (KB20, KB50, KB100) và Polanga (PB20, PB50, PB100). Thử nghiệm đƣợc thực hiện trên động cơ 3 xylanh đã cho kết quả về phát thải PM của Jatropha so với diesel thông thƣờng tại ba giá trị
19
20%, 50% và 100% lần lƣợt giảm 28,57%, 40,9% và 64,28%, của Karanja là 28,96%, 44,15% và 68,83% và của Polanga là 29,22%, 44,15% và 69,48%. Trong khi đó phát thải NOx hầu hết tăng. Phát thải HC giảm tƣơng ứng 20,7%, 20,6% và 6,7% cho mỗi loại so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thƣờng, còn phát thải CO tăng ở một số trƣờng hợp.
Ngoài ra, còn một số các nghiên cứu khác về phát thải độc hại của động cơ. Krahl J [31] tiến hành đo lƣợng phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học làm từ hạt dầu cải và kết quả là đã giảm đƣợc khoảng 50% so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thƣờng. Sự giảm phát thải CO đƣợc nhìn nhận thấy ở nghiên cứu của Raheman và Phadatare [32] tƣơng đối lớn. Trong nghiên cứu này sử dụng nhiên liệu diesel sinh học pha trộn từ Karanja với các tỷ lệ 20%, 40%, 60%, 80% và 100% thì phát thải CO giảm trong khoảng từ 75% đến 94% so với nhiên liệu diesel.
Lin B-F và Huang J-H [33] khảo sát đối với nhiên liệu diesel sinh học cho thấy phát thải HC giảm trung bình trong khoảng từ 22,5% đến 33,1%. Trong khi đó, phát thải NOx gia tăng, từ 5,58% đến 25,97% so với khi sử dụng nhiên liệu diesel. Các thông số của đặc tính cháy của động cơ nhƣ thời gian cháy trễ, nhiệt độ và áp suất buồng cháy, tốc độ tỏa nhiệt cũng đã đƣợc nghiên cứu trên nhiều loại nhiên liệu khác nhau.
Zhang và Van Gerpen [34] nghiên cứu so sánh khi sử dụng diesel sinh học và
diesel tăng áp, 4 xylanh. Họ nhận thấy, khi sử dụng diesel sinh học và hỗn hợp nhiên liệu pha nói trên làm cho quá trình cháy trễ rút ngắn lại trong khi các đặc tính cháy khác gần tƣơng tự nhƣ khi sử dụng nhiên liệu diesel.
S.Sinha and A.K.Agarwal [35] nghiên cứu đặc tính cháy của động cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh, không tăng áp cho nhiên liệu diesel (B0) và nhiên liệu diesel sinh học nguồn gốc từ cám gạo với các tỷ lệ 10%, 20% và 100%. Thực nghiệm đƣợc tiến hành ở chế độ 50% tải tại 1400 v/ph (Hình 1.11).
Hình 1.11. Đặc tính cháy của nhiên liệu thử nghiệm [35]
Kết quả cho thấy áp suất đỉnh và tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất của nhiên liệu diesel cao nhất, sau đó thấp dần khi tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên. Trong khi đó, thời điểm bắt dầu cháy của nhiên liệu diesel muộn nhất và sớm nhất là nhiên liệu B100. Hầu hết các nhà nghiên cứu trên thế giới về diesel sinh học đều có kết luận chung là tính chất và nguồn gốc của nhiên liệu có ảnh huởng quyết định đến đặc
20
tính cũng nhƣ phát thải của động cơ. Lý do là các tính chất nhiên liệu khác nhau có ảnh hƣởng khác nhau đến quá trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel.
1.4.1.3. Nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel
Hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu về tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel cũng nhƣ khả năng sử dụng hỗn hợp này trên động cơ diesel. M. Al-Hassan thực hiện nghiên cứu về tính hòa tan của hỗn hợp diesel- ethanol-biodiesel và tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ diesel với hỗn hợp này [36]. Nhiên liệu diesel-ethanol DE5, DE10, DE15, DE20 không bền và phân tách pha sau 80, 24, 5 và 2 giờ. Tuy nhiên khi trộn thêm 10% biodiesel, hỗn hợp DE10B10, DE15B10, DE20B10 có thời gian tách pha tăng lên đáng kể, tới 9, 3 và 1 ngày tƣơng ứng với hỗn hợp DE10, DE15, DE20. Đối với hỗn hợp DE5B10 thì hầu nhƣ không có sự phân tách pha. Thử nghiệm các hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel trên động cơ diesel 1 xylanh có dung tích xylanh 1,433 lít, công suất 8 mã lực. Kết quả cho thấy về công suất động cơ không thay đổi khi sử dụng DE5B10, và công suất giảm khi sử dụng DE10B10, DE15B10, DE20B10. Suất tiêu hao nhiên liệu có xu hƣớng tăng khi tăng tỷ lệ ethanol và hiệu suất nhiệt tăng với DE5B10, DE10B10 và giảm với DE15B10, DE20B10 (Hình 1.12). Kết quả cho thấy hỗn hợp DE5B10, DE10B10 phù hợp để làm nhiên liệu cho động cơ diesel.
Hình 1.12. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của nhiên liệu thử nghiệm [36]
Su Han Park [37] nghiên cứu thử nghiệm với các loại nhiên liệu diesel, DE10B5, DE20B5, DE30B5 trong đó biodiesel có nguồn gốc từ dầu cọ, thử nghiệm
21
trên động cơ diesel 1 xylanh, phun trực tiếp, sử dụng hệ thống luân hồi khí xả (EGR). Kết quả cho thấy khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5, DE20B5, DE30B5 quá trình cháy tƣơng tự so với sử dụng nhiên liệu diesel, hàm lƣợng muội than, CO và NOx đều giảm.
Qiang Fang [38] nghiên cứu so sánh khi sử dụng diesel, diesel-biodiesel DB10, hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel DE10B10 và DE20B10 với biodiesel có nguồn gốc từ dầu ăn phế thải trên động cơ diesel 4 xylanh, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu kiểu common rail (Hình 1.13). Có thể thấy rằng áp suất phun của các hỗn hợp nhiên liệu có hình dạng tƣơng tự nhau, áp suất đỉnh của DE10B10 và DE20B10 thấp hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống và DB10 có áp suất đỉnh cao hơn một chút. Tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất tăng cùng với sự tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu hỗn hợp và xuất hiện xa ĐCT hơn, thời điểm bắt đầu cháy của diesel và DB10 là sớm hơn DE10B10 và DE20B10. Do sự gia tăng về hàm lƣợng ô xy trong nhiên liệu, sự gia tăng về trị số xê tan nên quá trình cháy trễ dài hơn, dẫn đến tốc độ giải phóng nhiệt tối đa cao hơn.
Hình 1.13. So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel, DB10, DE10B10, DE20B10[38]
X. Shi [39] thử nghiệm với các loại nhiên liệu gồm B20, DE3B12, DE4B16, trong đó biodiesel có gốc từ dầu đậu nành, trên động cơ diesel 4 xylanh, phun trực tiếp, Euro II. Các kết quả cụ thể đã đƣợc thể hiện trên Hình 1.14. Sự có mặt của ô xy trong các nhiên liệu hỗn hợp đã cải thiện đáng kể chất lƣợng khí thải đặc biệt là phát thải PM, có thể giảm tới 48% với nhiên liệu DE4B16. NOx có xu hƣớng tăng với mức tăng lớn nhất lên đến 32%. Thành phần CO giảm và HC tăng khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học, đƣợc cho là do ảnh hƣởng của ethanol trong hỗn hợp. Dù vậy, sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel là giải pháp đáng quan tâm để giảm PM và có thể nghiên cứu các giải pháp khác để khắc phục các nhƣợc điểm còn tồn tại, nhƣ xử lý khí thải để giảm NOx và HC.
22
Hình 1.14. Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, DE3B12 và DE4B16 tại 100% tải [39]
T. Krishnaswamy [40] nghiên cứu hỗn hợp DE15, DE10B10 và DE15B20 trong đó biodiesel có nguồn gốc từ Jatropha, thấy rằng các hỗn hợp này có độ nhớt tƣơng tự nhƣ diesel và có độ bền tách pha tốt hơn hỗn hợp diesel-ethanol. Thử nghiệm trên động cơ diesel 4 xylanh có sử dụng bộ xử lý xúc tác ôxy hóa cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu tăng nhẹ (do nhiệt trị hỗn hợp giảm) và hiệu suất nhiệt tăng lên, phát thải độ khói và NOx đều giảm, trong khi HC và CO tăng nhẹ ở các chế độ tải nhẹ (Hình 1.15).
23
Hình 1.15. Phát thải của nhiên liệu diesel, DE15, DE10B10 và DE15B20 [40]
Czerwinski [41] nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30% ethanol và 15% biodiesel từ dầu hạt cải, thử nghiệm trên động cơ diesel bốn xy lanh phun trực tiếp. Kết quả cho thấy khi thêm ethanol sẽ làm cho nhiệt độ cháy giảm, phát thải NOx, HC, CO, PM giảm ở toàn tải, tuy nhiên lƣợng CO và HC tăng tại tải nhỏ và tốc độ thấp.
Nadir Yilmaz [42] thử nghiệm với tỷ lệ phối trộn cao hơn, DE10B45 và DE20B40 với biodiesel có nguồn gốc từ dầu đậu nành trên động cơ diesel 2 xylanh, phun trực tiếp tại cùng chế độ tải cho thấy với hỗn hợp nhiên liệu suất tiêu hao nhiên liệu tăng, phát thải HC và CO tăng trong khi NOx giảm khi tăng nồng độ ethanol. Nhƣ vậy hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel có thể là giải pháp tốt để giảm NOx, tuy nhiên chất lƣợng khí thải nói chung phụ thuộc nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và tỷ lệ trộn ethanol.
Nhƣ vậy, các công trình nghiên cứu ở nƣớc ngoài đã phần nào cho thấy khả năng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Nhìn chung hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel có độ nhớt tƣơng tự nhƣ diesel và có độ bền tách pha tốt hơn hỗn hợp diesel-ethanol. Động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu này với tỷ lệ phối trộn biodiesel và ethanol nhỏ ít ảnh hƣởng tới tính năng kỹ thuật động cơ. Tuy nhiên, các nghiên cứu khác nhau đƣa ra xu hƣớng và mức độ ảnh hƣởng tới chất lƣợng khí thải khác nhau, đặc biệt là muội than và PM. Điều này cho thấy ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu tới chất lƣợng khí thải phụ thuộc vào nguồn gốc nhiên liệu sinh học, tỷ lệ phối trộn các nhiên liệu thành phần, kết cấu, chất lƣợng và điều kiện làm việc cụ thể của động cơ. Ngoài ra, những công trình nói trên chƣa đƣa ra đƣợc phƣơng pháp nhằm xác định tỷ lệ pha hợp lý ba thành phần trong nhiên liệu.
1.4.2. Nghiên cứu trong nước
Một số công trình nghiên cứu trong nƣớc đã đƣợc thực hiện nhằm ứng dụng
NLSH thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống.
Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Tuấn Nghĩa [43] đánh giá ảnh hƣởng của biodiessel sản xuất tại Việt Nam đến tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel common rail, cho thấy công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu
24
B10, B20 và B30 giảm so với diesel lần lƣợt 1,08%, 2,16% và 3,00%, trong khi đó suất tiêu hao nhiên liệu tăng lần lƣợt 1,21%, 2,45% và 3,40% (Hình 1.16). Sự suy giảm công suất là do nhiệt trị của biodiesel thấp hơn, mặt khác do quá trình cháy trễ giảm nên xảy ra quá trình vừa cháy vừa nén. Khi sử dụng nhiên liệu B10, B20 và B30 phát thải NOx tăng 2,0%, 3,7% và 5,1%, độ khói giảm 5,6%, 11,4%, 17,5% và CO giảm 4,2%, 8,3% và 14,3% so với sử dụng nhiên liệu diesel (Hình 1.17). Nghiên cứu này chƣa đề cập đến vấn đề phối trộn thêm ethanol vào hỗn hợp biodiesel.
Hình 1.16. Thay đổi Ne và ge theo tỷ lệ diesel
Hình 1.17. Quan hệ giữa CO, HC, NOx, độ khói và tỷ lệ pha trộn diesel sinh học [43]
Nguyễn Hoàng Vũ và cộng sự [44] đã nghiên cứu về khả năng sử dụng biodiesel B10, B20 cho phƣơng tiện cơ giới quân sự. Kết quả đã đánh giá ảnh hƣởng của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, mức độ tƣơng thích vật liệu của B10 và B20; mức độ ổn định của B10, B20 khi lƣu trữ dài hạn trên phƣơng tiện; tác động của B10, B20 đến đặc tính của dầu bôi trơn động cơ; tác động của B10, B20 đến mức độ mài mòn các chi tiết chính của hệ thống phun nhiên liệu và động cơ diesel.
Nghiên cứu của tác giả Phạm Hữu Truyền [45] nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-ethanol sử dụng trên động cơ xăng tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng của xăng E10 đối với phƣơng tiện ô tô con đang lƣu hành bao gồm xe dùng chế hòa khí và phun xăng điện tử với các thông số tính năng kỹ thuật, phát thải và độ bền. Với các tỷ lệ cồn ethanol lớn hơn từ 10% tới 85%, nghiên cứu này chủ yếu thực hiện mô
25
phỏng mà chƣa tiến hành thực nghiệm, đồng thời cũng chƣa đề cập đến vấn đề sử dụng cồn ethanol cho động cơ diesel.
Công trình nghiên cứu của tác giả Lê Danh Quang [46] nghiên cứu ảnh hƣởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D B5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ, cũng đã thực hiện thử nghiệm nhiên liệu DE5 trên động cơ diesel. Tuy nhiên đề tài này tập trung nghiên cứu hệ phụ gia cho nhiên liệu mà không đi sâu nghiên cứu về tỷ lệ phối trộn ethanol trong nhiên liệu cũng nhƣ hỗn hợp diesel- ethanol-biodiesel.
Công trình nghiên cứu của Nguyễn Thành Bắc [47] về nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lƣỡng nhiên liệu diesel-ethanol, đã xây dựng mô hình điều khiển có xét đến ảnh hƣởng của bộ điều tốc trên MHMP động cơ. Tuy nhiên, chƣơng trình điều khiển này chỉ tính toán lƣợng phun của diesel và ethanol trên đƣờng nạp theo từng chế độ tải và tốc độ, chƣa xét nghiên cứu về tỷ lệ phối trộn ethanol trong nhiên liệu.
Nguyễn Thế Lƣơng [48] nghiên cứu thử nghiệm phối trộn ethanol vào diesel với tỷ lệ 5% và 10% và đánh giá ảnh hƣởng của nhiên liệu tới tính năng động cơ diesel 1 xylanh common rail. Kết quả cho thấy hỗn hợp DE5,DE10 hầu nhƣ không ảnh hƣởng tới công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ, tuy nhiên giúp giảm đáng kể phát thải HC và CO trong khi NOx tăng nhẹ so với khi sử dụng diesel khoáng (Hình 1.18, Hình 1.19).
Hình 1.18. Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48]
26
Hình 1.19. Phát thải CO, HC, NOx khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48] Có thể thấy các nghiên cứu trong nƣớc đƣợc thực hiện hầu hết đối với xăng sinh học và diesel sinh học, còn ít các nghiên cứu phối trộn ethanol với diesel và chƣa có nghiên cứu nào thực hiện phối trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel cũng nhƣ đánh giá tính năng kỹ thuật động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp này.
Nhằm thực hiện mục tiêu tăng lƣợng tiêu thụ ethanol nêu ra ở phần Mở đầu của luận án bằng cách pha ethanol với diesel khoáng và bổ sung biodiesel nhƣ một phụ gia cải thiện tính chất nhiên liệu và trên cơ sở nghiên cứu tổng quan NCS đƣa ra phƣơng pháp tiếp cận nhƣ sau. Đầu tiên NCS chọn động cơ nghiên cứu là động cơ diesel D4BB lắp trên xe tải nhẹ Hyundai 1,25 sử dụng nhiều ở Việt Nam đại diện cho các loại động cơ diesel đang lƣu hành. Tiếp theo, căn cứ vào những công trình đã công bố, NCS chọn một số mẫu có tỷ lệ pha diesel-ethanol-bioethanol khác nhau, sau đó tiến hành nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm AVL-Boost để xác định các thông số tính năng và phát thải của động cơ làm cơ sở để xác định tỷ lệ pha diesel-ethanol-bioethanol hợp lý. Cuối cùng, NCS tiến hành nghiên cứu thực nghiệm có đối chiếu với kết quả mô phỏng nhằm đánh giá ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel đang lƣu hành và rút ra những kết luận cần thiết.
- Phối trộn ethanol vào diesel thông thƣờng cùng với sự có mặt của biodiesel tạo hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel có khả năng làm nhiên liệu cho động cơ diesel.
- Hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel có độ nhớt tƣơng tự nhƣ diesel và có độ bền tách pha tốt hơn hỗn hợp diesel-ethanol. Sử dụng hỗn hợp này trên động cơ diesel giúp cải thiện đƣợc tính năng kỹ thuật và một số thành phần phát thải của động cơ. Tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của nhiên liệu hỗn hợp tới động cơ phụ thuộc vào tỷ lệ các thành phần trong hỗn hợp, nguồn gốc của nhiên liệu sinh học, kết cấu và điều kiện hoạt động cụ thể của động cơ.
- Việt Nam có thế mạnh về sản xuất ethanol, trong khi sản xuất biodiesel gặp khó khăn do thiếu nguyên liệu. Ethanol đã đƣợc phối trộn với xăng khoáng tạo
27
thành xăng E5 sử dụng trên cả nƣớc. Tuy nhiên lƣợng ethanol sản xuất trong nƣớc còn dƣ thừa nhiều. Do vậy, bên cạnh việc thúc đẩy phát triển xăng sinh học, cần nghiên cứu sử dụng ethanol với một lƣợng nhỏ biodiesel trên động cơ diesel nhằm cải thiện chất lƣợng môi trƣờng, góp phần đảm bảo an ninh năng lƣợng và hƣớng tới hoàn thành mục tiêu của đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ.
28
Chƣơng 1 đã cho thấy khả năng sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel trên động cơ diesel, mức độ cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, kết cấu và điều kiện hoạt động cụ thể của động cơ. Để làm rõ hơn các vấn đề trên, chƣơng này của luận án trình bày về sự thay đổi tính chất của nhiên liệu hỗn hợp khi phối trộn theo các tỷ lệ khác nhau, cơ sở lý thuyết khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp trên động cơ diesel. Bên cạnh đó, luận án cũng giới thiệu về phƣơng pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động cơ diesel mà NCS sử dụng trong thử nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu.
Ethanol và biodiesel khi phối trộn vào diesel khoáng sẽ làm thay đổi tính chất của diesel gốc, trong đó ethanol có tính chất khác biệt nhiều so với diesel. Nhằm thấy rõ ảnh hƣởng của ethanol và biodiesel trong hỗn hợp, trƣớc tiên luận án thực hiện phân tích sự thay đổi của nhiên liệu diesel khi pha trộn ethanol, sau đó biodiesel đƣợc pha trộn thêm tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel.
2.1.1. Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol
Ethanol khác biệt nhiều so với nhiên liệu diesel khoáng về độ nhớt, nhiệt trị, trị số xêtan, tính bay hơi … Tùy thuộc vào tỷ lệ ethanol phối trộn, các thông số trên của hỗn hợp diesel-ethanol có sự thay đổi khác nhau so với diesel. Tính chất của diesel, ethanol, DE5, DE10, DE15, DE20 đƣợc thể hiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Một số tính chất nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol [49,50]
Ethanol DE5 DE10 DE15 DE20
0,7893 0,8349 0,8324 0,8301 0,8279
Thông số Diesel Tỷ trọng ở 200C 0,8379 Trị số xêtan 48 8 47,2 46,7 44,4 43,9
trị thấp 42,95 26,778 42,15 41,35 40,52 39,628
301 854 319 350 379 407
0,021 34,73 1,751 3,483 5,218 6,958 Nhiệt (MJ/kg) Nhiệt ẩn hóa hơi (kJ/kg) Hàm lƣợng oxy (% khối lƣợng)
2,95 1,2 1,907 1,840 1,802 - Độ nhớt (cP ở 200C)
29
Ở nhiệt độ môi trƣờng, ethanol pha trộn dễ dàng với nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, khi nhiệt độ dƣới 100C hai loại nhiên liệu lại không thể hòa tan. Để khắc phục hiện tƣợng này, có thể thêm một lƣợng dung môi phù hợp ví dụ nhƣ tetrahydrofuran (đƣợc điều chế từ các vật liệu phế thải công nghiệp) hoặc ethyl axetate (điều chế từ ethanol). Tùy theo lƣợng ethanol pha vào diesel, tính chất của nhiên liệu diesel-ethanol thay đổi nhƣ sau:
2.1.1.1. Độ nhớt
Bảng 2.1 cho thấy độ nhớt của ethanol (1,2cP ở 200C) thấp hơn nhiều so với diesel (2,95 cP ở 200C). Khi tăng tỷ lệ ethanol độ nhớt của hỗn hợp giảm dần (Hình 2.1), với DE25 độ nhớt hỗn hợp giảm đáng kể khoảng 28,5% so với diesel [51]. Độ nhớt giảm có thể ảnh hƣởng tới chất lƣợng tia phun và tăng khả năng rò rỉ nhiên liệu qua cặp đôi piston-xylanh bơm cao áp.
Hình 2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến độ nhớt nhiên liệu [49,50,51]
2.1.1.2. Trị số xêtan
Trị số xêtan của hỗn hợp diesel-ethanol thấp hơn so với diesel do ethanol có trị số xêtan bằng 8 trong khi diesel có trị số xêtan bằng 51,5 [49,50]. Trị số xêtan của diesel-ethanol giảm gần nhƣ tuyến tính theo tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp. Mỗi 5% ethanol thêm vào, trị số xêtan của hỗn hợp giảm từ 4÷6 đơn vị (Hình 2.2) [51]. Trị số xêtan giảm làm giảm tính tự cháy và ảnh hƣởng đến quá trình cháy của nhiên liệu trong xylanh động cơ.
Hình 2.2. Trị số xêtan của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50]
30
2.1.1.3. Nhiệt trị
Nhiệt trị của nhiên liệu liên quan trực tiếp đến công suất động cơ. Ethanol có nhiệt trị thấp hơn nhiều so với diesel, khoảng 35% nên hỗn hợp diesel-ethanol có nhiệt trị giảm dần khi tăng tỷ lệ ethanol (Hình 2.3). Trung bình cứ mỗi 5% ethanol trong hỗn hợp thì nhiệt trị hỗn hợp giảm 2% [52]. Bảng 2.1 cho thấy với DE20 nhiệt trị giảm khoảng 7,5% so với diesel. Để nhiệt trị không giảm quá nhiều thì không nên pha ethanol tỷ lệ cao.
Hình 2.3. Nhiệt trị của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50]
2.1.1.4. Hàm lượng ô xy
Do ethanol có hàm lƣợng ô xy 34,73 cao hơn nhiều so với diesel nên khi tăng tỷ lệ ethanol thì hàm lƣợng ô xy trong hỗn hợp tăng lên (Hình 2.4), làm tăng khả năng cháy hết của nhiên liệu và làm giảm hàm lƣợng khí thải CO.
Hình 2.4. Hàm lượng ô xy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50]
2.1.1.5. Nhiệt độ chớp cháy
Do nhiệt độ chớp cháy của ethanol thấp hơn diesel nên nhiệt độ chớp cháy của hỗn hợp diesel-ethanol là nhiệt độ chớp cháy của ethanol (Hình 2.5). Nhiệt độ chớp cháy hầu nhƣ không ảnh hƣởng tới động cơ khi đánh giá góc độ tính năng kỹ thuật và phát thải mà chủ yếu liên quan đến an toàn trong quá trình tồn chứa bảo quản và vận chuyển.
31
Hình 2.5. Nhiệt độ tự cháy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50]
2.1.1.6. Nhiệt ẩn hóa hơi
Nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp diesel-ethanol cao hơn so với diesel do ethanol có nhiệt ẩn hóa hơi 854 kJ/kg trong khi của diesel là 301 kJ/kg. Khi tăng tỷ lệ ethanol nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp tăng dần, với DE20 nhiệt ẩn hóa hơi của diesel-ethanol tăng 35% so với diesel [49,50]. Nhiệt ẩn hóa hơi tăng nên nhiệt độ môi chất giảm khi nhiên liệu bay hơi trong xylanh.
Hình 2.6. Nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol [49,50]
2.1.1.7. Sức căng bề mặt
Sức căng bề mặt ảnh hƣởng đến các đặc điểm phun và xé tơi các giọt nhiên liệu, ảnh hƣởng đáng kể đến hiệu suất quá trình cháy. Sức căng bề mặt đo đƣợc bằng phƣơng pháp thực nghiệm cùng chất ổn định. Độ nhớt của ethanol thấp hơn của diesel nên sức căng bề mặt của các mẫu nhiên liệu diesel-ethanol thấp hơn so với nhiên liệu diesel khá nhiều.
2.1.2. Tính chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel
Để cải thiện tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol, giảm sự khác biệt so với diesel, có thể phối trộn thêm biodiesel tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel. Tính chất của diesel, ethanol, biodiesel và một vài hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel đƣợc thể hiện trong Bảng 2.2.
32
Bảng 2.2.Một số tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel [49,50,53,54]
Thông số Diesel Ethanol Biodiesel DE5B5 DE10B5
Tỷ trọng ở 200C 0,8379 0,790 0,855 0,8437 0,8336
Trị số xêtan 51,5 6 51,04 48,06 62
Nhiệt trị (MJ/kg) 42,95 28,6 41,70 40,1 40,5
0,021 34,8 2,76 3,36 10,9 Hàm lƣợng oxy (% khối lƣợng)
2,95 1,1 4,57 2,435 2,283 Độ nhớt ở 200C (mm2/s)
Có thể thấy hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel có tính chất gần giống diesel
khoáng.
2.1.2.1. Trị số xêtan
Trong khi ethanol làm giảm trị số xê tan hỗn hợp nhiên liệu thì biodiesel lại có xu hƣớng giúp tăng trị số xê tan do biodiesel có trị số xê tan cao. Các nghiên cứu cho thấy nếu phối trộn cùng một tỷ lệ ethanol và biodiesel thì trị số xê tan của hỗn hợp tƣơng đƣơng với diesel gốc. Quan hệ này đƣợc thể hiện theo công thức dƣới đây [55]:
CNebdg = CNd - 0,59ne + 0,55nbd
Trong đó: - CNebdg là trị số xê tan của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel - CNd là trị số xê tan của nhiên liệu diesel khoáng - ne là tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp theo thể tích (v/v %) - nbd là tỷ lệ biodiesel trong hỗn hợp theo thể tích (v/v %)
Từ Bảng 2.2, trị số xê tan của DE5B5 và DE15B5 giảm tƣơng ứng 0,89% và 12,43% so với diesel. Thông thƣờng, trị số xê tan của biodiesel phụ thuộc nhiều vào nguồn nguyên liệu chế biến, nếu biodiesel có chứa nhiều a xít béo mạch dài và no thì có trị số xê tan cao.
2.1.2.2. Độ nhớt
Ethanol làm giảm độ nhớt hỗn hợp nhiên liệu thì biodiesel lại có xu hƣớng giúp tăng độ nhớt do biodiesel có độ nhớt cao. Các nghiên cứu cho thấy nếu phối trộn cùng một tỷ lệ ethanol và biodiesel thì độ nhớt của hỗn hợp tƣơng đƣơng với diesel gốc. Độ nhớt động học ở 300÷600 của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol- biodiesel đƣợc tính theo công thức sau [55]:
ƞkev = (2ne. ƞe + 3nbd.ƞbd + ng. ƞg + 0,71).0,91
Trong đó:
33
- ƞkev là độ nhớt động học của hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel (mm2/s) - ni là tỷ lệ trong hỗn hợp nhiên liệu (e-ethanol, bd-biodiesel, g- diesel) - ƞi là độ nhớt của từng nhiên liệu (e-ethanol, bd-biodiesel, g- diesel)
2.1.2.3. Hàm lượng ôxy trong nhiên liệu
Ethanol làm tăng hàm lƣợng ô xy hỗn hợp nhiên liệu, biodiesel có hàm lƣợng ô xy cao hơn so với diesel. Các nghiên cứu cho thấy nếu phối trộn cùng một tỷ lệ ethanol và biodiesel thì hàm lƣợng ô xy của hỗn hợp tăng hơn với diesel gốc.
Hàm lƣợng ôxy trong nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel đƣợc tính theo công
thức sau [55]: Mo = 0,34ρeVe + 11ρbVb
Trong đó:
- Mo là hàm lƣợng ôxy trong hỗn hợp nhiên liệu (g). - ρe là khối lƣợng riêng của nhiên liệu ethanol (g/cm3). - Ve là thể tích của nhiên liệu ethanol trong hỗn hợp (cc). - ρb là là khối lƣợng riêng của nhiên liệu biodiesel (g/cm3). - Vb là thể tích của nhiên liệu biodiesel trong hỗn hợp (cc).
Tƣơng tự nhƣ đối với phần phân tích tính chất nhiên liệu ở trên, để thấy rõ ảnh hƣởng của ethanol và biodiesel tới quá trình cháy của động cơ diesel luận án thực hiện tìm hiểu lần lƣợt về quá trình cháy của động cơ diesel khi sử dụng diesel, hỗn hợp diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel.
2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng diesel khoáng
Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy đối với động cơ diesel đƣợc thực hiện bên trong xylanh. Cuối hành trình nén nhiên liệu đƣợc phun với tốc độ và áp suất cao thành một hoặc nhiều tia phun qua các lỗ phun nhỏ trên vòi phun vào xylanh động cơ. Do lực cản của khí nén trong buồng cháy, nhiên liệu bị xé tơi thành những hạt nhỏ. Các hạt nhiên liệu này có kích thƣớc khác nhau và phân bố không đều trong xylanh động cơ.
Khi nhiệt độ và áp suất của lớp hỗn hợp cao hơn điểm tự cháy của nhiên liệu,
quá trình cháy xuất hiện sau thời gian trễ khoảng vài độ góc quay trục khuỷu.
Quá trình cháy của thành phần hỗn hợp này làm áp suất trong xylanh tăng hơn trƣớc do đó phần hỗn hợp chƣa cháy bị nén mạnh, thời gian chuẩn bị cháy đƣợc rút ngắn và phần này đƣợc cháy rất nhanh, đồng thời thời gian bay hơi của nhiên liệu lỏng còn lại cũng giảm. Quá trình phun nhiên liệu tiếp tục cho đến khi toàn bộ lƣợng nhiên liệu cần thiết đƣợc cung cấp hết vào trong xylanh động cơ. Toàn bộ nhiên liệu phun vào đều lần lƣợt trải qua các quá trình xé tơi, bay hơi, hòa trộn nhiên liệu với không khí và bốc cháy. Trong suốt quá trình cháy và giãn nở, liên tục diễn ra sự hòa trộn của không khí còn lại trong xylanh với hỗn hợp đang cháy và đã
34
cháy. Có thể chia quá trình cháy trong động cơ diesel thành 4 giai đoạn với qui luật phun thông qua đại lƣợng là tỷ lệ (%), tỷ lệ phần nhiên liệu đã phun x, tốc độ tỏa nhiệt dx/d (Hình 2.7) [56,57,58]:
Hình 2.7. Đồ thị khai triển quá trình cháy ở động cơ diesel [56,57,58].
- Giai đoạn I: cháy trễ, tính từ khi vòi phun phun nhiên liệu tại điểm 1 đến khi đƣờng cháy tách khỏi đƣờng nén 2. Trong giai đoạn này xảy ra các quá trình tạo thành hỗn hợp và chuẩn bị cháy nhƣ xé nhỏ nhiên liệu, bay hơi và hoà trộn nhiên liệu, phản ứng sơ bộ hình thành những trung tâm tự cháy đầu tiên và bƣớc đầu phát triển những trung tâm này. Các thông số đặc trƣng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ i (s) hay góc cháy trễ i (oTK), phụ thuộc trƣớc hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu nhƣ số xêtan, độ nhớt… Ngoài ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hƣởng của các yếu tố khác nhƣ nhiệt độ và áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun, độ phun tơi, mức độ chuyển động rối của môi chất…
- Giai đoạn II: cháy nhanh (điểm 2 đến 3), trong giai đoạn này xảy ra quá trình cháy của nhiên liệu đã đƣợc hòa trộn với không khí trong giai đoạn cháy trễ, quá trình cháy diễn ra rất nhanh chỉ trong vài độ góc quay trục khuỷu. Trong giai đoạn cháy nhanh tốc độ tăng áp suất ∆p/∆φ rất lớn, nếu giá trị này quá lớn sẽ tạo ra các xung áp suất va đập vào bề mặt các chi tiết tạo thành buồng cháy gây tiếng gõ, giảm tuổi thọ động cơ. Quá trình cháy trong giai đoạn này phụ thuộc chính vào lƣợng nhiên liệu cung cấp và sự chuẩn bị về vật lý và hóa học của hỗn hợp trong giai đoạn cháy trễ. Nếu giai đoạn cháy trễ kéo dài, lƣợng nhiên liệu phun vào nhiều và đƣợc chuẩn bị đầy đủ để cháy thì sau khi có một điểm bắt đầu cháy ngọn lửa sẽ lan nhanh đến mọi nơi trong buồng cháy và làm tốc độ cháy và tốc độ tăng áp suất rất lớn.
- Giai đoạn III: cháy chính, diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4. Hỗn hợp vừa chuẩn bị vừa cháy nên quá trình cháy diễn ra từ từ với tốc độ cháy giảm dần. Vì vậy quá trình cháy diễn ra êm dịu hơn. Có thể coi giai đoạn cháy chính gần với quá trình cấp nhiệt đẳng áp và toàn bộ quá trình cháy trong động cơ diesel gần với chu trình cấp
35
nhiệt hỗn hợp. Tốc độ cháy đƣợc quyết định bởi tốc độ hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí hay tốc độ chuẩn bị hỗn hợp. Mặt khác, tốc độ cháy giảm còn do nồng độ ô xy giảm dần.
- Giai đoạn IV: cháy rớt, cũng nhƣ ở động cơ xăng trong giai đoạn cháy rớt sẽ cháy nốt những phần hỗn hợp còn lại (lớp sát vách hay ở khe kẽ của buồng cháy…). Hiệu quả sinh công thấp, nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết.
2.2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel- ethanol
Về cơ bản, quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel- ethanol cũng gồm các giai đoạn tƣơng tự nhƣ đối với khi sử dụng diesel thông thƣờng. Tuy nhiên vì tính chất hỗn hợp diesel-ethanol khác với diesel nên diễn biến chi tiết của quá trình cháy có sự khác nhau, đặc biệt là ở giai đoạn cháy trễ. So với diesel, hỗn hợp diesel-ethanol có trị số xê tan nhỏ hơn, nhiệt ẩn lớn hơn làm cho thời gian cháy trễ kéo dài. Với nhiên liệu DE10, DE30 ở chế độ tải nhỏ thời gian cháy trễ tăng so với diesel (Hình 2.8a) [59]. Do thời gian cháy trễ dài hơn nên đỉnh áp suất trong xylanh giảm. Ở chế độ tải lớn, lƣợng nhiên liệu phun vào nhiều, với hỗn hợp diesel-ethanol mặc dù giai đoạn cháy trễ vẫn dài hơn tuy nhiên sau đó giai đoạn cháy nhanh lại nhanh hơn so với diesel do trong nhiên liệu có sẵn ô xy dẫn tới áp suất cực đại trong xy lanh cao hơn (Hình 2.8b). Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt (Hình 2.9) cho thấy điểm kết thúc quá trình cháy đối với các loại nhiên liệu là tƣơng tự nhau, nhƣ vậy thời gian toàn bộ quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel- ethanol ngắn hơn so với diesel và hiệu suất cháy đƣợc cải thiện. Điều này cũng lý giải về sự tăng hàm lƣợng NOx thƣờng thu đƣợc trong các nghiên cứu sử dụng diesel-ethanol.
a) b)
Hình 2.8. So sánh áp suất trong xylanh khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59]
36
a) b)
Hình 2.9. So sánh tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59]
Đặc điểm quá trình cháy của nhiên liệu diesel-ethanol đƣợc nghiên cứu bằng cách chụp ảnh quá trình này trong động cơ với lƣợng nhiên liệu phun là 8,8 ml trong 200 chu trình ở tốc độ 1000 v/ph với gốc 0º đƣợc chọn khi bắt đầu xuất hiện cháy (Hình 2.10). Diện tích ngọn lửa với diesel là lớn nhất, sau đó đến DE30 và DE10. Điều này cho thấy, nhiên liệu diesel đƣợc phun tơi hơn, hòa trộn tốt và nhanh hơn với không khí trong xylanh dẫn tới diện tích cháy lớn hơn so với DE10 và DE30. Bên cạnh đó, cƣờng độ sáng của ngọn lửa với nhiên liệu diesel lớn hơn so với nhiên liệu DE10 và DE30 đồng nghĩa với việc nhiều muội than hình thành trong ngọn lửa với nhiên liệu diesel (độ sáng cao là do các hạt cácbon bị đốt nóng). Nhƣ vậy, ethanol giúp giảm sự hình thành muội than ở những vùng giàu nhiên liệu và nhiệt độ cao. Hình ảnh chụp toàn bộ quá trình cháy cũng cho thấy thời gian cháy của diesel, DE10 và DE30 lần lƣợt là 69,60, 540, 45,60 góc quay trục khuỷu phù hợp với nhận định về thời gian quá trình cháy giảm với diesel-ethanol ở trên.
Hình 2.10. Tốc độ cháy của nhiên liệu diesel-ethanol [59]
37
2.2.3. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel- ethanol-biodiesel
Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel cũng gồm các giai đoạn tƣơng tự nhƣ đối với khi sử dụng diesel hay diesel-ethanol. Đối với hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel, phần biodiesel đƣợc thêm vào đã cải thiện đƣợc tính chất hỗn hợp giống với nhiên liệu diesel hơn so với diesel-ethanol nhƣ đã trình bày ở mục 2.1.2. Tuy nhiên, quá trình cháy của hỗn hợp cũng phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ của ethanol trong hỗn hợp.
Hình 2.11 cho thấy sự thay đổi của áp suất trong xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp DE10B5, DE20B5, DE30B5 với hai giá trị góc phun sớm là 350 và 150 trƣớc điểm chết trên, áp suất phun pinj=120MPa và tốc độ n=1200 v/ph (Hình 2.11a và Hình 2.11c). Cùng góc phun sớm và cùng lƣợng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct, thời gian cháy trễ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu có tỷ lệ ethanol cao lớn hơn so với hỗn hợp có tỷ lệ ethanol thấp. Hàm lƣợng ethanol lớn làm giảm trị số xê tan của hỗn hợp và giảm nhiệt độ của môi chất trong xylanh do ethanol có nhiệt ẩn lớn nên thu nhiều nhiệt khi bay hơi. Sự chênh lệch về thời gian cháy trễ khi sử dụng diesel khoáng so với hỗn hợp nhiên liệu rõ rệt hơn khi tăng góc phun sớm. Khi sử dụng nhiên liệu diesel khoáng, với góc phun sớm 150, áp suất xylanh và tốc độ tỏa nhiệt tăng rất nhanh, nhanh hơn so với trƣờng hợp góc phun sớm 350 khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5, DE20B5, DE30B5. Khi giảm góc phun sớm hƣớng phun của tia nhiên liệu kết hợp tốt hơn với dạng buồng cháy trên đỉnh piston, giúp hòa trộn nhanh với không khí, đồng thời không khí bị nén có áp suất và nhiệt độ cao hơn trƣờng hợp nên quá trình cháy nhanh hơn. Khi giảm lƣợng nhiên liệu cung cấp gct từ 8mg xuống 4mg, áp suất trong xylanh và tốc độ tỏa nhiệt giảm đáng kể khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel so với khi sử dụng diesel khoáng. Với gct nhỏ, quá trình cháy khó diễn ra hơn, đồng thời nhiệt ẩn lớn của ethanol làm giảm nhiệt độ của nhiên liệu hỗn hợp khi bay hơi và làm giảm khả năng cháy của hỗn hợp môi chất. Trong các nhiên liệu hỗn hợp đƣợc nghiên cứu, DE10B5 có sự thay đổi về áp suất trong xlanh và tốc độ tỏa nhiệt là nhỏ nhất, diễn biến của các thông số này gần tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp sử dụng diesel thông thƣờng.
a) b) 38
c) d)
Hình 2.11. Diễn biến áp suất trong xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt (pinj = 1200 MPa, n = 1200 v/ph) [37].
Bên cạnh các tính chất lý hóa đã đề cập ở trên, luận án thực hiện nghiên cứu cấu trúc tia phun nhằm góp phần làm rõ ảnh hƣởng của nhiên liệu hỗn hợp tới quá trình cháy trong động cơ diesel.
2.3.1. Cấu trúc của tia phun trong động cơ
Tia phun nhiên liệu trong động cơ diesel đƣợc đặc trƣng bởi các thông số hình
học sau [60]:
+ Chiều dài phân rã Lb: Chiều dài tia nhiên liệu tính từ lỗ phun đến khi nhiên liệu lỏng phân rã thành hạt.
+ Chiều dài chùm tia S: Chiều dài chùm tia đƣợc xác định từ khi hạt nhiên liệu
ra khỏi miệng vòi phun, bị xé nhỏ và cho đến khi bị hóa sƣơng.
+ Góc nón chùm tia Φ: là góc đƣợc xác định bởi góc của 2 đƣờng thẳng có điểm đầu là giao điểm của 2 đƣờng thẳng tại tâm miệng lỗ và có phƣơng tiếp tuyến với biên dạng bên ngoài của tia phun.
Hình 2.12 mô tả tia phun nhiên liệu trong động cơ diesel với áp suất phun lên đến 200MPa, vận tốc nhiên liệu tại lỗ phun tới 500m/s. Khi đó, tia phun bị phá vỡ theo cơ chế tán xạ hạt. Ngay sau khi rời khỏi lỗ phun, tia phun bắt đầu tách ra thành hình nón phun. Đây là sự phá vỡ đầu tiên của chất lỏng đƣợc gọi là phân rã sơ cấp và kết quả là các giọt lớn phân bố dày đặc gần các lỗ phun.
39
Hình 2.12. Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón [60].
Thời gian phát triển chiều dài S của tia phun có thể đƣợc chia thành hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên bắt đầu tại đầu của lỗ phun (t = 0, kim bắt đầu mở) và kết thúc tại thời điểm chất lỏng từ các lỗ vòi phun bắt đầu phân rã (t = tbreak). Do hành trình nâng kim nhỏ và lƣu lƣợng dòng chảy thấp khi bắt đầu phun nên vận tốc phun nhỏ và sự phân rã đầu tiên của tia phun không phải luôn luôn xảy ra ngay sau khi chất lỏng ra khỏi lỗ phun. Trong thời gian này, sự tăng trƣởng của S tuyến tính theo t (Công thức 2.1a). Chiều dài tia càng lớn, năng lƣợng và vận tốc các hạt vùng biên càng nhỏ. Nhìn chung, các tác giả [61] đƣa ra cung cấp cho các quan hệ sau đây:
. t (2.1a)
(2.1c)
. (D.t)0,5 (2.1b) t > tbreak: S = 2,95.
tbreak =
Trong công thức 2.1, p [Pa] là sự chênh lệch của áp lực phun và áp suất buồng cháy, ρl và ρg là khối lƣợng riêng các chất lỏng và khí [kg/m3], t là thời gian [s], và D là đƣờng kính lỗ phun [m]. Kết quả là: nâng áp suất phun thì chiều dài tia tăng lên, trong khi tăng mật độ khí thì chiều dài tia giảm [m]. Tăng đƣờng kính lỗ phun làm tăng quán tính tia phun và chiều dài tia tăng lên. Hơn nữa, phƣơng trình thực nghiệm cũng kể đến tác động của nhiệt độ khí Tg, cụ thể: tia phun ngắn nếu buồng đốt nóng (đơn vị SI):
40
S = .( )0,25 . (t.D)0,5.( )0,25 (2.2)
Góc nón là thông số đặc trƣng của tia phun hình nón. Khi phun ổn định (kim
phun nâng hết) có mối quan hệ sau [58]
Φ = 83,5.( )-0,22 . ( )0,15.( )0,26 (2.3)
Trong công thức 2.3, là góc nón phun [độ], Ds là đƣờng kính khoang phun [m], và L là chiều dài của lỗ phun [m]. Trong trƣờng hợp tỷ lệ L/D nhỏ cấu trúc bọt xâm thực không vỡ bên trong các lỗ mà vỡ bên ngoài vòi phun và tăng góc nón phun. Với D/Ds lớn làm giảm diện tích mặt cắt ngang tại lối vào của lỗ phun, làm giảm áp lực tĩnh và tạo điều kiện xuất hiện xâm thực. Thông số ảnh hƣởng quan trọng nhất là tỷ số khối lƣợng riêng. Khối lƣợng riêng của khí càng cao thì góc nón càng lớn [60].
0,5.f(γ) (2.4)
tan ( ) =
với A là một hằng số tùy thuộc vào kết cấu vòi phun và có thể đƣợc rút ra từ thực nghiệm hoặc công thức gần đúng A = 3,0 + 0,28 (L/D). Đại lƣợng cuối cùng ở vế phải của công thức 2.4 là một hàm số của các tính chất vật lý của chất lỏng và vận tốc phun [60]:
f(γ) = .(1-exp(1-10γ)), γ = ( ).
bằng Đối với các tia phun áp lực cao và do đó làm tăng giá trị của γ, f(γ) tiệm cận /6 . Tuy nhiên, trong trƣờng hợp phun áp lực cao các dự đoán góc nón phun
nằm dƣới so với kết quả thử nghiệm [60]. Một đại lƣợng đặc trƣng cho kích thƣớc giọt phun, và do đó quyết định sự phân rã tia phun, là đƣờng kính Sauter (SMD). SMD là đƣờng kính của một giọt mô hình (đơn vị: m) có tỷ lệ khối lƣợng trên diện tích bề mặt bằng với tỷ lệ của tổng của tất cả các khối lƣợng giọt (V) trong tia phun trên tổng của tất cả các diện tích bề mặt giọt (A):
= (2.5a) ( )l =
)/(6 ) (2.5b) ( )spray =
Từ 2.5a và 2.5b ta có:
SMD = (2.6)
41
-0,32(
Với các SMD nhỏ, sự hình thành hỗn hợp và bay hơi hiệu quả hơn. Mặc dù SMD là một đại lƣợng đặc trƣng cho quá trình phun, nhƣng lƣu ý là nó không cung cấp thông tin về phân bố kích thƣớc giọt của các tia phun. Nói cách khác, hai loại tia phun với SMD nhƣ nhau có thể có phân bố kích thƣớc giọt khác nhau đáng kể. Ngoài ra, còn mối quan hệ khác của SMD [60]:
0,25Wel
)0,37( )-0,47 (2.7) = 0,38.Re
Trong công thức (2.7), SMD [m], và µ là độ nhớt động [N.s/m2]. Các đơn vị của đại lƣợng khác đã đƣợc đƣa ra trong các phƣơng trình trên. Khi tăng áp lực phun sự tán nhỏ hạt đƣợc cải thiện và nhƣ vậy, SMD giảm.
Tuy nhiên, việc đo kích thƣớc giọt chỉ có thể thực hiện trong khu vực loãng ở biên của tia phun hoặc tại vị trí xa miệng các lỗ phun. SMD chỉ nên sử dụng để ƣớc lƣợng chất lƣợng phun.
Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc bên trong của tia phun cao áp hình nón động cơ diesel là rất khó cho dù lõi tia phun tại miệng lỗ phun đƣợc coi là một lõi lỏng còn nguyên vẹn.
Một số nghiên cứu đã đo điện trở giữa các miệng lỗ phun và dây dẫn của một máy dò tinh nằm trong tia phun. Tuy nhiên, thực tế cho thấy kỹ thuật đo lƣờng là không thích hợp để chứng minh thực trạng của một lõi lỏng nguyên vẹn. Chiều dài lõi [60]:
(2.8) Lc = C.D
Phƣơng trình trên thể hiện một thực tế là chiều dài lõi phụ thuộc vào tỷ lệ của khối lƣợng riêng của chất lỏng/khí và tỷ lệ thuận với đƣờng kính lỗ phun D. Hằng số thực nghiệm C.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lõi không thể là chất lỏng thuần nhất, khu vực
này bao gồm một vùng rất dày đặc của các liên kết và các giọt gọi là miền phân rã.
Nghiên cứu của cấu trúc bên trong của tia phun áp lực cao bằng laser quang học kết hợp với phun trong ống nghiệm chứng minh một thực tế là có sự nhiễu loạn và xâm thực bên trong các lỗ vòi phun. Chiều dài miền phân rã [60]:
)0,05.( )0,13.( )0,5 (2.9) Lb = 7.D. (1+0,4. ).(
Tóm lại, diễn biến đặc trƣng của tia phun hình nón trong động cơ diesel đƣợc
chia thành ba giai đoạn:
42
Giai đoạn đầu tiên tính từ khi kim phun bắt đầu mở. Trong giai đoạn này, tại mặt tựa và côn kim phun tiết diện ngang dòng chảy nhỏ làm giảm lƣu lƣợng phun, đồng thời do tiết lƣu, bọt xâm thực xuất hiện tạo ra dòng chảy rối ở lỗ phun. Vì vận tốc dọc trục thấp, vận tốc rối hƣớng tâm gia tăng mạnh nên góc nón phun ban đầu gần miệng phun thƣờng lớn (Hình 2.9). Ngay sau khi tăng vận tốc dọc trục, góc nón phun sẽ nhỏ đi. Do đó, cấu trúc tia phun ban đầu phụ thuộc vào tốc độ nâng kim: nếu mở chậm thì góc nón lớn và ngƣợc lại.
Giai đoạn hai diễn ra khi kim phun mở hoàn toàn. Lúc này diện tích mặt cắt ngang dòng chảy tại mặt tựa và côn kim phun lớn hơn tổng diện tích lỗ vòi phun. Mức độ xâm thực bây giờ phụ thuộc vào hình dạng lỗ. Nếu xâm thực mạnh thì góc nón phun lớn, chiều dài tia phun nhỏ và ngƣợc lại. Sự xâm nhập của tia phun tăng theo thời gian do hiệu ứng của những giọt mới với động năng cao liên tục thay thế những giọt bay chậm ở đầu tia phun.
Giai đoạn ba: cuối quá trình phun, kim phun đóng dần và vận tốc phun giảm về không, dẫn đến nhiễu loạn tia phun theo chiều dọc trục. Do tốc độ phun giảm, lực liên kết làm tăng kích thƣớc giọt chất lỏng và sự tạo sƣơng không xảy ra.
2.3.2. Cấu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu
Tính chất hỗn hợp nhiên liệu DE10B5, DE20B5, DE30B5 ảnh hƣởng tới chất
lƣợng phun đƣợc thể hiện trên Hình 2.13.
Hình 2.13. So sánh các tia phun với các tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên liệu khác nhau [62]
Hình ảnh tia phun theo tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên liệu thể hiện trên Hình 2.13. Có thể thấy nhìn chung hình dạng chùm tia phun nhiên liệu diesel và các hỗn hợp nhiên liệu là tƣơng tự nhau. Xem xét chi tiết hơn quá trình phát triển của tia phun ở áp suất phun 60MPa và 120MPa (Hình 2.14) cho thấy giai đoạn đầu sau khi phun chiều dài chùm tia diesel lớn hơn nhiên liệu hỗn hợp do khối lƣợng
43
riêng lớn dẫn tới mô men động lƣợng của diesel lớn hơn. Tuy nhiên, sự khác nhau này sau đó là không đáng kể vì chiều dài tia phun chỉ phụ thuộc vào mật độ nhiên liệu trƣớc khi tia nhiên liệu bị phân rã, còn sau khi tia nhiên liệu phân rã chiều dài tia phun phụ thuộc chủ yếu vào mật độ không khí trong xylanh và độ chênh áp suất của tia phun và không khí nén. Động thời, tia phun diesel có góc nón lớn hơn hỗn hợp nhiên liệu ngay khi phun nhƣng sau đó cũng không chênh lệch nhiều so với nhiên liệu hỗn hợp. Do vậy có thể thấy, hỗn hợp nhiên liệu không ảnh hƣởng nhiều tới cấu trúc chùm tia phun.
a) Chiều dài tia phun b) Góc nón tia phun Hình 2.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tính phun [62]
Luận án sử dụng phần mềm AVL Boost trong tính toán mô phỏng động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp. AVL Boost là phần mềm chuyên dụng tính toán các quá trình nhiệt động và hình thành phát thải trong động cơ đốt trong. Dƣới đây là cơ sở lý thuyết tính toán trong phần mềm AVL Boost.
2.4.1. Phương trình nhiệt động học
Trạng thái nhiệt động học của môi chất công tác trong xylanh động cơ đƣợc
xác định trên cơ sở cân bằng năng lƣợng trong xylanh động cơ (Hình 2.19) [63].
44
Hình 2.15. Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ
Áp dụng phƣơng trình nhiệt động học thứ nhất, ta có:
(2.10)
Biến thiên về khối lƣợng môi chất trong xylanh đƣợc tính bằng tổng khối lƣợng môi chất đi vào trừ khối lƣợng đi ra khỏi xylanh
(2.11)
Trong các công thức trên:
biến đổi nội năng trong xylanh (J/độ)
: công sinh ra trên đỉnh piston (J/độ)
: nhiệt lƣợng cấp vào xylanh (J/độ)
tổn thất nhiệt qua thành vách (J/độ)
tổn thất enthalpy do quá trình lọt khí (J/độ)
: khối lƣợng môi chất bên trong xylanh (kg)
u: nội năng riêng (J/kg)
: áp suất bên trong xylanh (bar)
V: thể tích xylanh (m3)
: nhiệt lƣợng của nhiên liệu cung cấp (J)
45
f : phần nhiệt hóa hơi của môi chất trong xylanh (J)
: tổn thất nhiệt qua vách (J) góc quay trục khuỷu (độ)
lƣợng khí đi vào xylanh (kg) lƣợng khí đi ra khỏi xylanh (kg)
entanpy của môi chất khí đi vào xylanh (J/kg) entanpy của môi chất khí đi ra khỏi xylanh (J/kg) trị số enthalpy khí lọt (J/kg) nhiệt hóa hơi của nhiên liệu (J) dmev: lƣợng nhiên liệu bay hơi (kg)
: biến thiên khối lƣợng dòng chảy khí lọt (kg/độ).
Phƣơng trình 2.10 đƣợc áp dụng cho cả động cơ hình thành hỗn hợp bên trong và hỗn hợp bên ngoài. Tuy nhiên sự thay đổi thành phần hỗn hợp của hai trƣờng hợp trên là khác nhau. Đối với trƣờng hợp quá trình hình thành hỗn hợp bên trong xylanh thì có giả thiết:
- Nhiên liệu cấp vào trong xylanh đƣợc đốt cháy tức thì; - Hỗn hợp cháy đƣợc hoà trộn tức thì với lƣợng khí sót trong xylanh; - Tỷ lệ A/F giảm liên tục từ giá trị cao ở điểm bắt đầu tới giá trị thấp ở điểm kết thúc quá trình cháy.
Cùng với phƣơng trình trạng thái thiết lập quan hệ giữa áp suất, nhiệt độ và tỷ
trọng:
(2.12)
Giải phƣơng trình 2.13 xác định đƣợc áp suất thông qua phƣơng trình trạng
thái.
2.4.2. Lý thuyết tính toán quá trình cháy
Để mô tả quá trình cháy trong động cơ diesel có nhiều mô hình khác nhau. Hãng AVL đã phát triển mô hình cháy AVL MCC tính toán quy luật cháy trên cơ sở kết hợp mô hình cháy Vibe và mô hình cháy xét đến năng lƣợng động học rối của tia nhiên liệu.
Quá trình cháy trong động cơ diesel gồm 4 giai đoạn: cháy trễ, cháy nhanh, cháy chính và cháy rớt (Hình 2.7). Tuy nhiên nhiệt lƣợng do nhiên liệu cháy tỏa ra chủ yếu ở giai đoạn cháy nhanh và cháy chính, còn giai đoạn cháy rớt hầu nhƣ không có sự tỏa nhiệt và giai đoạn cháy rớt tốc tỏa nhiệt rất thấp, nhiệt này không sinh công mà chỉ làm nóng các chi tiết. Do vậy quá trình cháy có thể đƣợc mô tả nhƣ sau:
46
(2.13) trong đó: dQtotal/d: biến thiên nhiệt lƣợng tổng trong xylanh, dQPMC/d: biến thiên nhiệt lƣợng trong giai đoạn cháy nhanh, dQMCC/d: biến thiên nhiệt lƣợng trong giai đoạn cháy chính.
Giai đoạn này diễn ra ngay sau cháy trễ, phần hòa khí đƣợc chuẩn bị trong giai đoạn trƣớc bốc cháy rất nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng vọt. Tốc độ tỏa nhiệt rất lớn trong khi thể tích xylanh thay đổi ít nên giai đoạn cháy nhanh gần với cấp nhiệt đẳng tích. Tốc độ tỏa nhiệt của giai đoạn này đƣợc tính toán theo công thức Vibe:
với (2.14)
trong đó:
: tổng lƣợng nhiệt trong giai đoạn cháy nhanh: ;
: lƣợng nhiên liệu phun vào trong giai đoạn cháy trễ;
: hệ số cháy (-);
: tổng thời gian cháy nhanh;
m : thông số hình dạng (m=2); a: thông số Vibe (a=6,9). - Giai đoạn cháy chính
Giai đoạn này diễn ra tiếp sau giai đoạn cháy nhanh, hòa khí vừa chuẩn bị vừa cháy nên quá trình cháy diễn ra từ từ theo dạng khuếch tán. Tốc độ cháy đƣợc quyết định bởi tốc độ hòa trộn nhiên liệu và không khí hay tốc độ chuẩn bị hòa khí, vì vậy quá trình cháy diễn ra êm dịu hơn. Giai đoạn này gần giống với quá trình cấp nhiệt đẳng áp, tốc độ cháy giảm do nồng độ oxy giảm dần. Nhƣ vậy, tuy quá trình này diễn ra êm nhƣng hiệu quả biến đổi nhiệt thành công không cao (tính kinh tế giảm). Trong thực tế, khoảng 50÷60% lƣợng nhiên liệu của chu trình cháy trong giai đoạn này
Tốc độ tỏa nhiệt trong giai đoạn này đƣợc tính toán theo (2.15):
và với:
trong đó:
: lƣợng nhiệt tích lũy trong giai đoạn MCC (kJ);
Ccomb : hằng số cháy (kJ/kg/độ ); Crate : hằng số tốc độ hòa trộn (s);
47
k: mật độ năng lƣợng động học rối (m2/s2); MF : khối lƣợng nhiên liệu phun (kg); LVC: nhiệt trị thấp (kJ/kg); V: thể tích xylanh tức thời (m3); α: góc quay trục khuỷu ( độ);
: khối lƣợng oxy có sẵn tại thời điểm bắt đầu phun (-);
: hệ số luân hồi khí thải (-).
Hàm số f1 phụ thuộc vào lƣợng nhiên liệu phun vào và lƣợng nhiên liệu đã cháy, hàm số f2 đánh giá sự hòa trộn của không khí - nhiên liệu trong giai đoạn này nên chịu ảnh hƣởng lớn bởi năng lƣợng động học.
Năng lƣợng động học sinh ra bởi: xoáy, lốc và tia phun mà phần lớn sinh ra bởi tia phun. Năng lƣợng động học của tia phun gồm: năng lƣợng rối động học và năng lƣợng tiêu hao. Năng lƣợng rối động học là phần năng lƣợng có ích giúp cho sự hòa trộn không khí – nhiên liệu tốt hơn. Năng lƣợng tiêu hao là phần bị mất đi do có sự trao đổi năng lƣợng của bề mặt hạt nhiên liệu với không khí bao phủ quanh nó.
Tổng năng lƣợng động học sinh ra bởi tia phun đƣợc tính toán theo:
(2.16)
trong đó:
: Năng lƣợng động học rối sinh ra bởi tia phun tại một thời điểm góc quay
trục khuỷu α;
Ediss: năng lƣợng động học tiêu hao;
: Năng lƣợng động học tổng.
(2.17)
hay
(2.18)
trong đó:
: năng lƣợng động học của tia nhiên liệu khi phun vào xylanh (J/độ);
: hằng số đặc trƣng cho năng lƣợng rối động học của tia phun;
: tốc độ động cơ;
: khối lƣợng riêng của nhiên liệu;
48
: hệ số dòng chảy;
: diện tích tiết diện lỗ phun;
: Lƣợng nhiên liệu phun vào xylanh theo góc quay trục khuỷu.
Năng lƣợng động học tiêu hao:
(2.19)
với: là hằng số tổn thất, Cdiss=0.01s-1
Mật độ năng lƣợng động học rối k tính bằng:
(2.20)
trong đó:
: tỉ số nhiên liệu/ không khí theo lý thuyết của động cơ diesel;
: hệ số lamda cháy khuếch tán = 1,4;
: lƣợng nhiên liệu phun vào.
- Mô hình giai đoạn cháy trễ Thời gian cháy trễ đƣợc tính toán dựa trên phƣơng trình sau
(2.21)
trong đó:
: tổng tích phân thời gian cháy trễ;
: nhiệt độ tham chiếu, = 505 K;
: nhiệt độ vùng chƣa cháy (K);
: năng lƣợng hoạt động tham chiếu (J);
: thời gian cháy trễ (s);
: góc cháy trễ (độ);
: thời điểm bắt đầu phun (độ).
Khi tổng tích phân
= 1, nghĩa là khi năng lƣợng hoạt động của môi chất đƣợc xác
trong xylanh bằng với năng lƣợng cần thiết để hỗn hợp tự cháy, thì góc định và thời gian cháy trễ đƣợc tính theo công thức:
= - (2.22)
Các thông số đặc trƣng của giai đoạn cháy trễ là thời gian cháy trễ (s) hay góc cháy trễ (độ), phụ thuộc trƣớc hết vào thành phần và tính chất của nhiên liệu nhƣ trị số Xetan, độ nhớt… Ngoài ra, thời gian cháy trễ còn chịu ảnh hƣởng của các yếu tố
49
khác nhƣ nhiệt độ và áp suất trong xylanh tại thời điểm phun, độ phun tơi, mức độ chuyển động rối của môi chất…Do vậy thực tế khó khảo sát cháy trễ bằng tất cả các hệ số, các phƣơng trình liên quan trong quá trình tính toán mô phỏng vì quá phức tạp. Đơn giản hơn với các nhiên liệu khác nhau có thể thay đổi hệ số hiệu chỉnh thời gian cháy trễ, tham số cháy và hệ số cháy nhanh, tuy nhiên cần kết hợp với kết quả thực nghiệm để lựa chọn các hệ số này một cách hợp lý. Nói chung, các hệ số của các mô hình kể trên đều cần đƣợc hiệu chỉnh trên cơ sở các kết quả thực nghiệm.
2.4.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt
Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành xylanh, piston, nắp máy
ra ngoài đƣợc tính toán dựa vào phƣơng trình truyền nhiệt sau.
(2.23)
Trong đó:
- Qwi: nhiệt lƣợng truyền cho thành xylanh, piston, nắp máy - Ai: diện tích truyền nhiệt (thành xylanh, piston, nắp máy) - w: hệ số trao đổi nhiệt
- Tc: nhiệt độ môi chất trong xylanh
- Twi: nhiệt độ thành xylanh, piston, nắp máy.
Mô hình tính toán xác định hệ số truyền nhiệt trong bài toán mô phỏng chu trình công tác của động cơ đƣợc sử dụng là mô hình Woschni 1978. Do mô hình Woschni 1978 sử dụng cho động cơ diesel cỡ nhỏ, phun trực tiếp, buồng cháy thống nhất. Hệ số truyền nhiệt của mô hình Woschni 1978 tính cho quá trình nén và cháy giãn nở theo phƣơng trình sau:
(2.24) (W/m2.K)
trong đó: - C1 = 2.28 + 0.308 .cu/cm (-) - C2 = 0.00324 đối với động cơ phun trực tiếp (-) - C2 = 0.00622 đối với động cơ phun gián tiếp (-) - D: đƣờng kính xylanh (m); cm: tốc độ trung bình của piston (m/s) - cu: tốc độ tiếp tuyến; (cu = .D.nd/60, với nd - tốc độ xoáy của môi chất, nd = 8,5n) (m/s)
- VD: thể tích công tác của 1 xylanh (m3); - pc: áp suất môi chất trong xylanh (bar) - pc,o: áp suất xylanh ở chế độ động cơ bị kéo (bar) - Tc,1: nhiệt độ môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupáp nạp (K) - pc,1: áp suất môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupáp nạp (K). Truyền nhiệt tại cửa nạp, thải
50
Sự truyền nhiệt tại các cửa nạp thải trong quá trình trao đổi khí là khá lớn do hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ trong vùng giữa xupáp và đế xupáp cao. Mô hình cho quá trình truyền nhiệt này nhƣ sau [64].
(2.25)
2.4.4. Lý thuyết tính toán lượng phát thải trong động cơ diesel
2.4.4.1. Mô hình tính toán hàm lượng phát thải CO
Mô hình tính toán hàm lƣợng phát thải CO dựa trên hai phản ứng sau:
CO + OH = CO2 + H CO2 + O = CO + O2
Tốc độ phản ứng:
Nồng độ CO đƣợc tính toán theo công thức:
(2.26)
Trong đó [CO]e là hàm lƣợng cân bằng của CO và các giá trị tốc độ R1, R2 cho bởi công thức:
(2.27)
(2.28)
2.4.4.2. Mô hình tính toán hàm lượng phát thải NOx
Quá trình hình thành của chúng đƣợc thể hiện qua sáu phƣơng trình phản ứng
theo cơ chế Zeldovich đƣợc trình bày trong Bảng 2.3 Bảng 2.3. Chuỗi phản ứng hình thành NOx
Phản ứng Tỉ lệ
R1 N2+O= NO+N r1=k1.CN2.CO
R2 O2+N= NO+O r2=k2.CO2.CN
N+OH= NO+H R3 r3=k3.COH.CN
R4 N2O+O=NO+NO r4=k4.CN2O.CO
R5 O2+N2=N2O+O r5=k5.CO2.CN2
51
R6 OH+N2= N2O+H r6=k6.COH.CN2
Hệ số tốc độ của mô hình:
(2.29)
Sự hình thành NOx đƣợc tính toán theo thông số nhập đầu vào nhƣ tốc độ động cơ, nhiên liệu cũng nhƣ áp suất, nhiệt độ, hệ số dƣ lƣợng không khí λ, thể tích và khối lƣợng, thời gian cũng nhƣ số vùng cháy. Quá trình tính toán đƣợc bắt đầu lúc thời điểm cháy bắt đầu. Nồng độ N2O đƣợc tính theo công thức
(2.30)
Tốc độ hình thành NOx đƣợc tính nhƣ sau:
(2.31)
Tốc độ phân huỷ NO [mol/cm3] đƣợc tính toán nhƣ sau:
(2.32)
Với ; ;
2.4.4.3. Mô hình tính toán hàm lượng Soot
Cơ chế hình thành Soot đƣợc mô tả bởi hai bƣớc:
(2.33)
trong đó
(2.34)
(2.35)
- Aform: hệ số hình thành soot (-) - Aox : hệ số oxi hóa (-) - τchar : đặc tính thời gian (độ) - mfuel: lƣợng nhiên liệu đốt cháy (kg) - Ta-form: nhiệt độ kích hoạt – hình thành soot (K) - Ta-ox : nhiệt độ kích hoạt – oxi hóa soot (K)
52
- Tave: nhiệt độ trung bình trong xilanh (K) - pcyl/pref : áp suất tiêu chuẩn trong xilanh (-) - pO2/pO2ref : áp suất oxi tiêu chuẩn (-)
2.4.5. Mô hình nhiên liệu
Nhiên liệu sử dụng trong tính toán cần đƣợc định nghĩa đầy đủ các tính chất lý, hóa, nhiệt nhƣ: công thức hóa học, tỷ lệ khối lƣợng thành phần C, O, H, nhiệt trị của nhiên liệu... Đồng thời, các thông số nhiệt động của phản ứng cháy nhiên liệu với không khí đƣợc xác định theo các phƣơng trình sau đây [65]:
(2.36)
(2.37)
(2.38)
Trong đó, cp là nhiệt dung riêng đẳng áp; H0 và S0 lần lƣợt là entanpy và entropy; a1
đến a7 là các hệ số đƣợc xác định riêng cho mỗi loại nhiên liệu [66].
Các động cơ hiện đại đƣợc tối ƣu thông số kết cấu, thông số điều chỉnh và đƣợc trang bị hệ thống xử lý khí thải nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo. Đối với động cơ diesel, tiêu chuẩn khí thải Euro 5a (áp dụng ở Châu Âu năm 2009) trở về trƣớc quy định về giới hạn các thành phần HC, CO, NOx, khối lƣợng chất thải hạt PM và độ khói (đối với động cơ diesel hạng nặng). Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn từ Euro 5b đối với động cơ diesel xe hạng nhẹ (áp dụng ở Châu Âu năm 2011) và từ Euro 6 đối với động cơ diesel xe hạng nặng (áp dụng ở Châu Âu năm 2013), bên cạnh giới hạn về khối lƣợng hạt PM còn bổ sung thêm giới hạn về số lƣợng hạt [67]. Khối lƣợng hạt PM ở các động cơ từ Euro 5 rất nhỏ, làm giảm độ chính xác của phƣơng pháp đo khối lƣợng, do đó thông số về số lƣợng hạt đƣợc bổ sung vào tiêu chuẩn nhằm khắc phục vấn đề này. Tuy nhiên các hạt trong khí thải có thành phần, kích thƣớc khác nhau và thay đổi tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ. Điều này có thể ảnh hƣởng đến độ chính xác của kết quả đo. Vì vậy phƣơng pháp lấy mẫu và đếm số lƣợng hạt đƣợc quy định thống nhất trong tiêu chuẩn và đƣợc trình bày tóm tắt dƣới đây. Trong khuôn khổ của luận án, đối tƣợng thử nghiệm là động cơ diesel đang lƣu hành với mức tiêu chuẩn khí thải thấp, tuy nhiên với hệ thống lấy mẫu và đếm hạt sẵn có đƣợc phát triển tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải, NCS cũng thực hiện phép đo này. Cùng với kết quả đo độ khói, kết quả đo số lƣợng hạt trong khí thải cho phép đánh giá định lƣợng hơn ảnh hƣởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel tới phát thải dạng hạt của động cơ diesel đang lƣu hành.
53
2.5.1. Thành phần và phân bố hạt theo kích thước
Các hợp chất hữu cơ
Nhân các bon
Các hạt sunphat
Phát thải dạng hạt P-M đƣợc định nghĩa là những thực thể (trừ nƣớc) của khí thải sau khi đƣợc hoà trộn với không khí (làm loãng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,70C và đƣợc tách ra bằng một bộ lọc qui định [68]. Theo đó, phát thải dạng hạt trong khí thải động cơ diesel có thành phần khá phức tạp với các hạt rắn và các hợp chất hữu cơ từ nhiên liệu và dầu bôi trơn, các hạt sunphat bám trên đó. Các hạt rắn gồm: cacbon tự do và tro còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mòn... Hình 2.20 mô tả thành phần phát thải dạng hạt tạo ra trong quá trình cháy với nhân cácbon (hạt rắn) bao quanh bởi các hợp chất hữu cơ, các hạt nhiên liệu, dầu bôi trơn và hạt sunphat [69].
Hình 2.16. Thành phần phát thải hạt được tạo ra trong quá trình cháy
Dựa trên kích thƣớc đƣờng kính khí động học, phát thải dạng thƣờng đƣợc chia thành 4 loại trên đồ thị biểu diễn quan hệ về số lƣợng, diện tích bề mặt và khối lƣợng hạt theo đƣờng kính hạt (Hình 2.21) [70] nhƣ sau:
- Hạt nano (Nanoparticles): gồm các hạt có đƣờng kính nhỏ hơn 50nm - Hạt siêu mịn (Ultrafine particles): gồm các hạt có đƣờng kính nhỏ hơn
100nm
- Hạt mịn (Fine particles), còn gọi là PM2,5: gồm các hạt có đƣờng kính nhỏ
hơn 2,5m
- Hạt PM10: gồm các hạt có đƣờng kính nhỏ hơn 10m Khí thải từ động cơ ra ngoài đƣợc pha loãng và hòa trộn với không khí ngoài môi trƣờng. Tùy theo điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cụ thể, các thành phần hữu cơ trong khí thải có thể ngƣng tụ, bám dính lại với nhau cũng nhƣ hấp thụ trên bề mặt các hạt rắn. Các hạt rắn cũng có thể kết tụ lại với nhau tạo thành các khối tích tụ. Cũng dựa trên đƣờng kính khí động, phát thải dạng hạt đƣợc chia thành 3 vùng (Hình 2.21) [71]:
- Vùng hạt lõi/hạt nhân (Nucleation): có kích thƣớc dƣới 30 nm, số lƣợng hạt tập trung nhiều ở vùng kích thƣớc 10-20nm. Các hạt nhân chủ yếu là hợp chất hữu cơ ngƣng tụ và một ít các hạt rắn các bon. Tùy thuộc vào công nghệ động cơ cũng nhƣ phƣơng pháp lấy mẫu hạt, số lƣợng hạt ở vùng này có thể chiếm tới trên 90% tổng số lƣợng hạt nhƣng khối lƣợng chỉ chiếm từ 0,1 đến 10% khối lƣợng hạt và diện tích bề mặt hạt tỷ lệ chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng diện tích bề mặt hạt trong khí thải
54
- Vùng hạt tích tụ (Accumulation): kích thƣớc hạt từ 30 đến 500 nm, tập trung nhiều ở vùng kích thƣớc 100-200nm gồm các hạt mịn, siêu mịn và một phần hạt nano. Thành phần hạt trong vùng này chủ yếu là các hạt các bon, một phần nhỏ tro kim loại dính kết với nhau và các hơi nhiên liệu hơi nhiên liệu, sunphat hấp thụ trên bề mặt hạt. Vùng này có số lƣợng hạt nhỏ nhƣng chiếm tỷ lệ về khối lƣợng và diện tích bề mặt hạt lớn nhất.
- Vùng hạt thô (Coarse): kích thƣớc hạt trên 500 nm, có số lƣợng hạt không đáng kể nhƣng chiếm khoảng từ 5 đến 30% tổng khối lƣợng hạt. Vùng này gồm chủ yếu các hạt mài, hạt bong tróc từ các thành vách xylanh, đƣờng thải, đƣờng lấy mẫu… hầu nhƣ không phải các hạt hình thành từ quá trình cháy trong xylanh động cơ.
Hình 2.17. Phân bố số lượng, khối lượng, diện tích bề mặt theo đường kính hạt
2.5.2. Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lượng hạt
Số lƣợng các hạt hình thành do ngƣng tụ các hợp chất hữu cơ (từ nhiên liệu, dầu bôi trơn) rất nhạy với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của không khí môi trƣờng hay của không khí pha loãng trong quá trình lấy mẫu, gây ảnh hƣởng đến độ chính xác của phép đo. Vì vậy, yêu cầu trong quá trình lấy mẫu phải loại bỏ các hợp chất hữu cơ này và phép đo chỉ thực hiện đếm số lƣợng các hạt rắn trong khí thải với số lƣợng hạt phù hợp với dải đo của thiết bị đếm hạt [72]. Để đáp ứng yêu cầu này hệ thống lấy mẫu đƣợc quy định gồm 3 bộ phận chính: bộ pha loãng thứ nhất, ống bay hơi và bộ pha loãng thứ hai (Hình 2.22).
55
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lấy mẫu xác định số lượng hạt trong khí thải Khí thải từ động cơ (hoặc từ hệ thống pha loãng CVS) đƣợc đi vào bộ pha loãng thứ nhất. Bộ pha loãng thứ nhất có nhiệm vụ pha loãng khí thải với không khí sạch và sấy khí thải tới nhiệt độ trong khoảng 150 - 4000C (nhƣng không cao hơn nhiệt độ sấy ở ống bay hơi) để giảm tỷ lệ và làm bay hơi các hợp chất hữu cơ. Sau đó, khí mẫu tiếp tục tới ống bay hơi, tại đây khí thải tiếp tục đƣợc sấy tới nhiệt độ 300-4000C để làm bay hơi hoàn toàn các hợp chất hữu cơ. Bộ pha loãng thứ hai có nhiệm vụ tiếp tục pha loãng khí mẫu với không khí sạch để làm giảm tỷ lệ hợp chất hữu cơ, tránh hiện tƣợng ngƣng tụ, đồng thời làm giảm nhiệt độ khí mẫu trƣớc khi vào thiết bị đếm hạt.
Do tính chất của ethanol khác với diesel khoáng nhƣ độ nhớt thấp, nhiệt trị thấp, trị số xêtan thấp, tính bay hơi cao... nên khi phối trộn, tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol sẽ thay đổi so với diesel gốc và ảnh hƣởng tới quá trình cháy động cơ làm tăng thời gian cháy trễ, đồng thời ảnh hƣởng tới cấu trúc chùm tia phun. Nhằm khắc phục một phần sự thay đổi trên và mở rộng khả năng sử dụng nhiên liệu sinh học, có thể bổ sung thêm một lƣợng nhỏ biodiesel vào hỗn hợp diesel-ethanol do biodiesel có độ nhớt cao và trị số xêtan cao.
Các nghiên cứu cho thấy các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel giống nhƣ khi sử dụng diesel khoáng, tuy nhiên do tính chất nhiên liệu khác nhau nên thời gian cháy trễ và chi tiết về diễn biến áp suất trong xylanh có sự khác nhau.
Luận án lựa chọn phần mềm AVL Boost để thực hiện tính toán mô phỏng động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp làm cơ sở cho thực nghiệm. Đây là phần mềm hiện đại, chuyên dụng tính toán các quá trình nhiệt động và hình thành phát thải trong động cơ đốt trong. Luận án đã trình bày cơ sở lý thuyết một số mô hình chính trong phần mềm gồm mô hình cháy AVL MCC, mô hình truyền nhiệt, mô hình nhiên liệu, mô hình tính toán hàm lƣợng phát thải.
56
Đối với phát thải từ động cơ, bên cạnh các giới hạn HC, CO, NOx và khối lƣợng phát thải dạng hạt, từ tiêu chuẩn Euro 6 còn giới hạn về số hạt. Để đảm bảo độ chính xác của kết quả đếm số hạt, quá trình lấy mẫu cần qua các bƣớc pha loãng thứ nhất, sấy nóng làm bay hơi các hợp chất hữu cơ và pha loãng lần thứ hai để giảm nhiệt độ khí mẫu và giảm nồng độ hạt phù hợp với dải đo của thiết bị. Phần mềm AVL Boost chƣa có mô hình để tính toán số hạt, tuy nhiên trong nội dung thử nghiệm luận án sử dụng hệ thống lấy mẫu và đếm số hạt đƣợc phát triển tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải để so sánh đánh giá số hạt trong khí thải động cơ khi sử dụng các nhiên liệu hỗn hợp.
57
Dựa trên cơ sở lý thuyết đƣợc trình bày trong chƣơng 2, chƣơng này của luận án sử dụng phần mềm AVL Boost thực hiện nghiên cứu mô phỏng đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thƣờng, hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol, diesel-ethanol-biodiesel với các tỷ lệ phối trộn khác nhau.
3.1.1. Mục đích và đối tượng mô phỏng
3.1.1.1. Mục đích mô phỏng
Đánh giá ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tính cháy, hình thành phát thải độc hại cũng nhƣ các thông số tính năng của động cơ thông qua các mô hình mô phỏng đƣợc xây dựng trên phần mềm AVL Boost.
Lựa chọn tỷ lệ ethanol, biodiesel phối trộn với diesel phù hợp phục vụ thử
nghiệm, giúp rút ngắn thời gian và giảm chi phí thực nghiệm.
3.1.1.2. Đối tượng mô phỏng
Đối tƣợng nghiên cứu mô phỏng là động cơ D4BB, 4 xylanh thẳng hàng, trang
bị trên xe tải Hyundai 1,25 tấn đƣợc sử dụng nhiều ở Việt Nam (Hình 3.1).
Hình 3.1. Động cơ diesel Hyundai D4BB
58
Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ D4BB đƣợc trình bày trên Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của động cơ D4BB theo catalog [73]
STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Kiểu động cơ D4BB Thẳng hàng
Số kỳ 2 4 kỳ
Số xy lanh 3 I 4 _
Thứ tự nổ 4 - 1-3-4-2 _
5 Thể tích công tác 2,607 lít Vh
6 Hành trình piston S 100 mm
7 Đƣờng kính xy lanh D 91,1 mm
8 Góc phun sớm 20 độ φs
9 Chiều dài thanh truyền 158 mm Ltt
59/4000 kW/(v/ph) 10 Công suất định mức/tốc độ động cơ Neđm/nđc
11 Mômen lớn nhất/tốc độ động cơ MeMax/ nđc 165/2200 Nm/(v/ph)
12 Tỷ số nén 22 _
n (v/ph) Ne (kW) Me (Nm)
1000
13,40
128
1500
22,29
142
2000
30,56
146
2500
37,16
142
3000
42,39
135
3500
47,62
130
Thông số kỹ thuật tại Bảng 3.1 là đối với động cơ mới, tuy nhiên nghiên cứu mô phỏng thực hiện đối với động cơ đã qua sử dụng. Qua thực nghiệm trình bày trong Chƣơng 4, thông số đặc tính ngoài của động cơ nghiên cứu đƣợc trình bày tại Bảng 3.2 và Hình 3.2. Bảng 3.2. Thông số đặc tính ngoài động cơ nghiên cứu
Hình 3.2. Đường đặc tính ngoài động cơ thực
59
Nhiên liệu sử dụng trong mô phỏng gồm diesel, hỗn hợp diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel với các tỷ lệ khác nhau. Mặc dù ở phần Mở đầu đã xác định nghiên cứu hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel nhƣng mới dựa trên suy luận định tính. Vì vậy ở phần Mô phỏng tại đây cũng nhƣ Thực nghiệm ở Chƣơng 4, NCS vẫn tiến hành nghiên cứu hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol để có kết quả định lƣợng và qua đó có cơ sở vững chắc tiến hành nghiên cứu hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel với biodiesel nhƣ là một phụ gia cải thiện tính năng. Một số tính chất của nhiên liệu diesel,ethanol, biodiesel đƣợc thể hiện trên Bảng 3.3. Nhƣ trình bày ở Chƣơng 2, tính chất của diesel khi phối trộn ethanol sẽ thay đổi, tăng tỷ lệ ethanol thì các tính chất chính của nhiên liệu nhƣ độ nhớt, nhiệt trị, trị số xêtan đều giảm. Với tỷ lệ 10% và 15% ethanol, độ nhớt giảm tƣơng ứng 37,63% và 38,92%, nhiệt trị giảm tƣơng ứng 3,73% và 5,66%, trị số xêtan giảm tƣơng ứng 9,32% và 13,79%. Do vậy, trong nghiên cứu hỗn hợp diesel-ethanol luận án chỉ chọn tỷ lệ ethanol tối đa là 10% gồm DE5 và DE10 để tính chất nhiên liệu không thay đổi quá nhiều. Trong nghiên cứu đối với hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel, biodiesel đã cải thiện đƣợc một phần tính chất của nhiên liệu, một số nghiên cứu cho thấy tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp có thể lên tới 30% [34,35]. Trên cơ sở đó và trong điều kiện biodiesel ở Việt Nam chƣa có sẵn, luận án chọn tỷ lệ biodiesel 5% và tỷ lệ ethanol tới 30% gồm các hỗn hợp DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5.
Bảng 3.3. Tính chất của nhiên liệu mô phỏng [2,6]
Tính chất nhiên liệu Diesel Ethanol Biodiesel từ
dầu cọ
Tỷ trọng ở 150C 8379 789 869,3
Độ nhớt động học ở 400C (mm2/s) 2,5 1,2 4,1
Nhiệt trị (MJ/kg) 42,83 27,75 40,125
Hàm lƣợng oxy (% khối lƣợng) 0 34,8 10
Trị số Xêtan 51,3 5-8 62
0,028 Sức căng bề mặt ở 200C, (N/m) 0,023 0,015
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F) 15,0 9,0 14,58
Nhiệt ẩn hóa hơi, (kJ/kg) 250 840 332
Điểm sôi (0C) 60 180÷360 78
3.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ
3.1.2.1. Xây dựng mô hình
60
Dựa trên kết cấu thực tế của động cơ, mô hình động cơ D4BB đƣợc xây dựng trong phần mềm AVL Boost bằng cách lựa chọn các phần tử đƣợc định nghĩa sẵn tƣơng ứng với các chi tiết thực tế của động cơ, sau đó liên kết các phần tử đó bằng các phần tử ống và khai báo các thông số kỹ thuật cho các phần tử, đặt điều kiện biên cho các phần tử. Các phần tử tƣơng ứng đƣợc lựa chọn nhƣ trong Bảng 3.4. và mô hình động cơ đƣợc xây dựng nhƣ Hình 3.3.
Bảng 3.4. Các phần tử để xây dựng mô hình động cơ D4BB
STT Tên phần tử STT Tên phần tử Số lượng Số lượng
Phần tử biên 4 2 1 5 Xylanh
Lọc khí Bình ổn áp PL 2 1 2 6
8 9 3 Cản dòng 7 Điểm đo
23 4 4 Vòi phun (phun trực tiếp) 8 Đƣờng ống
Hình 3.3. Mô hình động cơ D4BB
3.1.2.2. Các thông số nhập cho mô hình
Các số liệu nhập cho mô hình bao gồm: Thông số kết cấu (hình dạng kích thƣớc của động cơ), thông số làm việc (lƣợng nhiên liệu cung cấp, tốc độ động cơ, góc phun sớm, áp suất phun...) và các mô hình tính toán (mô hình nhiên liệu, mô hình cháy, mô hình truyền nhiệt, mô hình phát thải). Mô hình cháy AVL MCC và mô hình truyền nhiệt Woschni 1978 đƣợc lựa chọn trong tính toán mô phỏng do các mô hình này phù hợp với động cơ D4BB là động cơ diesel buồng cháy thống nhất, phun trực tiếp và chế độ mô phỏng là ở toàn tải. Nhập số liệu cho các phần tử:
61
- Phần tử xy lanh: Các thông số cơ bản đƣợc nhập căn cứ theo thông số kỹ
thuật của động cơ D4BB đƣợc thể hiện trong Phụ lục 1.1.
- Điều kiện biên và các thông số nhập cho mô hình đƣợc xác định căn cứ theo đều kiện môi trƣờng thí nghiệm thực tế của động cơ trên băng thử (Chƣơng 4) đƣợc thể hiện trong Phụ lục 1.2.
- Mô hình cháy: Các thông số của mô hình cháy AVL MCC đƣợc thể hiện
trong Phụ lục 1.3 và Phụ lục 1.4.
- Mô hình truyền nhiệt (Heat Transfer): Các thông số của mô hình truyền nhiệt
Woschini 1978 đƣợc thể hiện trong Phụ lục 1.5.
- Các thông số của các mô hình khác đƣợc lấy căn cứ trên cơ sở các tài liệu tham khảo và số liệu đo đạc thực tế, cụ thể là: Mô hình phát thải thể hiện ở Phụ lục 1.6.
- Các phần tử khác trong động cơ: đƣợc xây dựng căn cứ trên thông số kỹ thuật của động cơ đã cho, bao gồm: Phần tử vòi phun; Phần tử lọc khí; Phần tử ổn áp; Phần tử đƣờng ống; Phần tử cản dòng; Phần tử điểm đo; Phần tử môi trƣờng và phần tử động cơ
- Mô hình nhiên liệu: Nhiên liệu trong mô phỏng gồm diesel, DE5, DE10, DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5. Các hỗn hợp nhiên liệu này đƣợc phối trộn từ nhiên liệu gốc là diesel, ethanol và biodiesel với các tỷ lệ khác nhau. Do đó các nhiên liệu gốc cần đƣợc định nghĩa trƣớc, sau đó hỗn hợp nhiên liệu đƣợc mô tả theo tỷ lệ phối trộn của các nhiên liệu gốc. Diesel và ethanol có thành phần nhiên liệu tƣơng đối ổn định nên phần mềm AVL Boost đã định nghĩa sẵn, tuy nhiên thành phần hydrocacbon trong biodiesel thay đổi khá nhiều tùy vào nguồn gốc chế biến, do vậy biodiesel đƣợc định nghĩa từ các thành phần hydrocacbon tạo nên. Các bƣớc định nghĩa nhiên liệu biodiesel, DE5B5, DE10B5 đƣợc trình bày trong Phụ lục 2.1, 2.2, 2.3. Xác định các hệ số a1 đến a7 đƣợc trình bày trong Phụ lục 2.4. Đối với biodiesel chế biến từ dầu cọ các thành phần hydrocacbon chủ yếu đƣợc thể hiện trong Bảng 3.5.
Bảng 3.5. Thành phần hóa học của nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu cọ [63]
Thành phần hydrocacbon Công thức phân tử Tỷ lệ (% thể tích)
Axít Palmitic 40 C16H32O2
Axít Oleic 46 C18H34O2
Axít Linoleic 7 C18H32O2
Axít Stearic 4 C18H36O2
Axít Myristic 2,5 C14H28O2
Axít Lauric 0,5 C12H24O2
Nhiên liệu gốc đƣợc định nghĩa qua các thông số thể hiện ở Bảng 3.6.
62
Bảng 3.6. Thông số của mô hình nhiên liệu gốc [63]
Axít
Axít
Axít
Axít
Axít
Axít
Palmitic
Oleic
Linoleic
Stearic
Myristic
Lauric
Phân tử
lƣợng
0,1002
0,0461
0,2564
0,2825
0,2804
0,2845
0,2283
0,2003
(kg/mol)
Nhiệt trị
thấp
42,83
27,75
36,89
37,445
37,31
37,58
36,03
34,92
(MJ/kg)
Tỷ số A/F lý
15,169
8,9986
12,3943
12,4747
12,3182
12,629
12,102
11,726
tƣởng
Tỷ lệ C (%
0,839
0,5214
0,7494
0,7654
0,7708
0,7599
0,7363
0,719
khối lƣợng)
Tỷ lệ O (%
0
0,347
0,125
0,1133
0,114
0,1125
0,1401
0,159
khối lƣợng)
Tỷ lệ H (%
0,161
0,1316
0,1256
0,1213
0,1152
0,1276
0,1236
0,122
khối lƣợng)
Tỷ lệ N (%
0
0
0
0
0
0
0
0
khối lƣợng)
6,5624/
36,309/
40,550/
40,051/
40,967/
32,655/
28,483/
18,930/
Hệ số a1 (nhiệt độ
-2,766
4,8587
18,670
20,430
17,096
20,686
16,051
14,395
cao/thấp)
0,048/
0,0152/
0,0985/
0,104/
0,0990/
0,1094/
0,0847/
0,0723/
Hệ số a2 (nhiệt độ
0,098
-0,0037
-0,0029
-0,001
0,0213
-0,0031
0,0027
0,0015
cao/thấp)
-1,682/
-5,389/
-3,556/
-3,740/
-3,5648/
-3,945/
-3,057/
-2,6127/
Hệ số a3 (nhiệt độ
-3,4953
6,9555
0,0004
0,0004
0,0003
0,0004
0,0003
0,00029
cao/thấp)
2,6960/
8,6225/
5,7569/
6,0448/
5,7614/
6,3822/
4,9465/
4,2293/
Hệ số a4 (nhiệt độ
-2,2993
-8,8655
-5,2473
-5,6862
-4,9420
-5,9585
-4,5043
-3,8657
cao/thấp)
-1,658/
-5,128/
-3,452/
-3,621/
-3,4514/
-3,825/
-2,965/
-2,5358/
Hệ số a5 (nhiệt độ
1,5849
3,5169
2,0622
2,2501
1,9752
2,3529
1,7832
1,528
cao/thấp)
63
-9409/
-3267/
-20105
-21959
-21381
-22543,
-17742
-15343
Hệ số a6 (nhiệt độ
-3196,5
-1738,3
/-8094
/-8888
/-8405
/-9025
/-7149
/-6286
cao/thấp)
-78,81/
-9,473/
-161,8/
-180,88
-178,65
-185,2/
-142,26
-120,59/
Hệ số a7 (nhiệt độ
35,19
4,8018
-34,809
/-38,91
/-26,55
-40,492
/-26,14
-21,736
cao/thấp)
3.1.2.4. Chế độ mô phỏng
Động cơ đƣợc mô phỏng ở các chế độ làm việc nhƣ sau:
- Theo đƣờng đặc tính ngoài: chế độ tải 100%, tốc độ từ 1000 v/ph đến 3500
v/ph.
- Theo đƣờng đặc tính tải: chế độ tƣơng ứng với 25%, 50%, 75% tải (mômen)
khi sử dụng diesel và 100% ga tại tốc độ 2000 v/ph.
3.1.3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng.
Để đảm bảo độ tin cậy của mô hình, động cơ diesel D4BB khi sử dụng diesel đƣợc thử nghiệm trên băng thử với các trang thiết bị chuyên dụng gồm phanh điện APA 100, các thiết bị đo áp suất xylanh, tốc độ động cơ... Kết quả thử nghiệm đƣợc sử dụng để hiệu chuẩn mô hình động cơ. Sau khi mô hình động cơ đƣợc hiệu chuẩn, kết quả mô phỏng và thực nghiệm theo đƣờng đặc tính ngoài động cơ đƣợc so sánh (Bảng 3.7). Sai lệch trung bình về công suất là 3,41%, suất tiêu hao nhiên liệu là 3,50% (Hình 3.4a), ở chế độ toàn tải, tốc độ 2000v/ph diễn biến áp suất trong xylanh theo góc quay trục khuỷu phù hợp với nhau (Hình 3.4b) áp suất trong xy lanh lớn nhất pzmax : mô phỏng là 72,69 bar và thực nghiệm là 72,73 bar tại 371 độ góc quay trục khuỷu và sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm là 0,05%. Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm về phát thải CO, NOx, soot trung bình là 0,82%, 2,68%, 4,72% theo đƣờng đặc tính ngoài (Hình 3.5, 3.6, 3.7), (Bảng 3.8, 3.9, 3.10). Kết quả này cho thấy sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm <5%, mô hình
đảm bảo độ tin cậy đáp ứng yêu cầu cho các nghiên cứu mô phỏng tiếp theo. Bảng 3.7. So sánh kết quả thực nghiệm TN và mô phỏng (MP) công suất, suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng diesel
Ne (kW) ge (g/kW.h)
Sai lệch (%) Sai lệch (%) Tốc độ n (v/ph) TN MP TN MP
1000 13,40 12,89 244,15 252,81 3,55
1500 22,29 21,30 242,76 254,07 4,66 -3,81 -4,44
2000 30,56 29,27 234,63 245,00 4,42 -4,22
64
2500 37,16 36,85 -0,83 248,72 0,84
3000 42,39 41,68 -1,67 246,64 268,20 272,78 1,71
3500 47,62 45,00 -5,50 294,03 311,21 5,84
-3,41 3,50 Trung bình
a) b) Hình 3.4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
a) Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu; b) Áp suất trong xylanh tại 2000 v/ph
Bảng 3.8. So sánh kết quả thực nghiệm TN và mô phỏng (MP) thành phần phát thải CO
CO (ppm) Sai lệch (%) Tốc độ n (v/ph) TN MP
1000 485,63 475,74 -2,04
1500 791,63 788,24 -0,43
2000 790,46 778,58 -1,50
2500 991,88 989,24 -0,27
3000 984,75 979,86 -0,50
3500 1570,00 1567,2 -0,18
Trung bình -0,82
65
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải CO
Bảng 3.9. So sánh kết quả thực nghiệm TN và mô phỏng (MP) thành phần phát thải NOx
NOx (ppm) Sai lệch (%) Tốc độ n (v/ph) TN MP
1000 267,80 257,87 -3,71
1500 354,70 348,13 -1,85
2000 329,80 318,55 -3,41
2500 292,10 287,18 -1,68
3000 277,00 268,51 -3,06
3500 283,60 -2,37
276,89 Trung bình -2,68
Hình 3.6. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx
66
Bảng 3.10. So sánh kết quả thực nghiệm TN và mô phỏng (MP) thành phần phát thải soot khi sử dụng diesel
Soot (mg/kWh) Sai lệch (%) Tốc độ n (v/ph) TN MP
1000 3,89 3,64 -6,50
1500 3,98 3,95 -0,65
2000 3,30 3,06 -7,27
2500 3,78 3,73 -1,40
3000 3,33 3,23 -3,02
3500 3,58 3,24 -9,50
Trung bình -4,72
Hình 3.7. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx
3.2.1. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol
3.2.1.1. Tính toán tính năng kỹ thuật động cơ
Mômen và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ở chế độ 100% tải với các hỗn hợp nhiên liệu đƣợc tính toán tại các tốc độ khác nhau theo đƣờng đặc tính ngoài thể hiện ở Bảng 3.11 và Bảng 3.12. Tỷ lệ ethanol càng tăng thì mômen động cơ giảm tƣơng ứng là 2,24%, 6,32% với DE5, DE10 (Hình 3.8a). Suất tiêu hao nhiên liệu tăng trung bình lần lƣợt là: 1,14%, 4,66% (Hình 3.8b), theo đƣờng đặc tính tải tại 2000v/ph Bảng 3.13, suất tiêu hao nhiên liệu tăng lần lƣợt 2,93%, 6,85% (Hình 3.9).
67
Bảng 3.11. So sánh mômen của động cơ khi sử dụng diesel, DE5, DE10
Mômen (Nm) Tốc độ n (v/ph) DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%) Diesel DE5 DE10
123,10 117,08 109,44 1000 -4,89 -11,09
135,61 134,08 129,88 1500 -1,13 -4,23
139,76 138,09 133,13 2000 -1,20 -4,75
140,77 136,99 133,59 -2,69 -5,10
132,68 131,60 124,91 2500 3000 -0,82 -5,85
122,79 119,40 114,33 3500 -2,76 -6,89
132,45 129,54 124,21 -2,24 -6,32 Trung bình
Bảng 3.12. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5, DE10
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%) Tốc độ n (v/ph) Diesel DE5 DE10
1000 252,81 253,62 258,12 0,32 2,10
1500 254,07 255,75 264,00 0,66 3,91
2000 245,00 247,62 255,99 1,07 4,49
248,72 251,98 260,83 1,31 4,87
2500 3000 272,78 277,14 288,35 1,60 5,71
3500 311,21 317,04 332,57 1,87 6,86
Trung bình 264,10 267,19 276,64 1,14 4,66
a) b)
Hình 3.8. Mômen (a) và suất tiêu hao nhiên liệu (b) theo đặc tính ngoài
68
Bảng 3.13. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải tại 2000v/ph
bmep (MPa) Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh)
% tải Diesel DE5 DE10 DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%)
25 0,17 302,25 315,55 324,83 4,40 7,44
50 0,34 249,86 258,76 262,41 3,56 5,02
75 0,51 242,16 248,65 257,26 2,68 6,24
Diesel 0,67
245,00 247,62 255,99 1,07 6,42 DE5 0,67 100 DE10 0,64
Trung bình 2,93 6,29
Hình 3.9. Suất tiêu hao nhiên liệu, sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000v/ph và sự thay đổi trung bình mô men, suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải.
3.2.1.2. Kết quả tính toán phát thải
Kết quả tính toán phát thải CO theo đặc tính ngoài Bảng 3.14, theo đƣờng đặc tính tải tại 2000v/ph Bảng 3.15. Khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol, thành phần CO trong khí thải có xu hƣớng giảm. Tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp, mức giảm CO càng lớn. So với diesel, hỗn hợp DE5, DE10, giảm CO trung bình tƣơng ứng 16,06%, 24,96% (Hình 3.10) Theo đƣờng đặc tính tải tại 2000v/ph hàm lƣợng CO lần lƣợt giảm trung bình 14,6%, 21,9%. (Hình 3.11).
69
Hình 3.10. Hàm lượng CO theo đặc tính ngoài
Bảng 3.14. Phát thải CO theo đường đặc tính ngoài
Phát thải CO (ppm)
DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%) Tốc độ n (v/ph) Diesel DE5
DE10 379,56 427,56 -10,13 -20,22
1000 1500 722,61 632,14 -8,33 -19,80
2000 475,74 788,24 778,58 729,14 639,86 -6,35 -17,82
989,24 758,47 674,88 -23,33 -31,78
2500 3000 979,86 758,73 -15,78 -22,57
3500 1567,2 825,2 1 1058,86 978,24 -32,44 -37,58
Trung bình 929,81 753,64 677,24 -24,96
-16,06 Bảng 3.15. Phát thải CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph
bmep (MPa) CO (ppm)
% tải Diesel DE5 DE10
0,17 25 321,00 301,18 278,50 DE5 so với diesel (%) -6,17 DE10 so với diesel (%) -13,24
50 0,34 220,32 185,09 192,08 -15,99 -12,82
75 388,95 272,71 280,76 -29,89 -27,82
778,58 729,14 638,86 -6,35 -33,72 100 0,51 Diesel 0,67 0,67 DE5 DE10 0,64
Trung bình -14,60 -21,90
70
Hình 3.11. Hàm lượng CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph
Kết quả tính toán phát thải NOx theo đặc tính ngoài và theo đƣờng đặc tính tải tại 2000v/ph, Bảng 3.16 và Bảng 3.17. Hàm lƣợng NOx khi sử dụng DE5 tăng hầu nhƣ không đáng kể, nhƣng tăng nhiều khi sử dụng DE10, so với nhiên liệu diesel khoáng. Cụ thể theo đƣờng đặc tính ngoài hàm lƣợng NOx lần lƣợt tăng trung bình 1,04%, 8,14% (Hình 3.12). Theo đƣờng đặc tính tải tại 2000v/ph hàm lƣợng NOx lần lƣợt tăng trung bình 2,54%, 9,41% (Hình 3.13).
Bảng 3.16. Phát thải NOx theo đường đặc tính ngoài
Phát thải NOx (ppm) DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%) Tốc độ n (v/ph) Diesel DE5 DE10
1000 257,87 258,67 285,54 10,73
1500 348,13 352,26 352,58 0,31 1,19 1,28
2000 318,55 324,68 355,41 1,92 11,57
287,18 289,28 298,65 0,73 3,99
2500 3000 268,51 272,98 294,58 9,71
3500 276,89 278,12 308,89 11,56
296,00 315,94 1,66 0,44 1,04 8,14 Trung bình 292,86
Hình 3.12. Hàm lượng NOx theo đường đặc tính ngoài
71
Bảng 3.17. Phát thải NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph
bmep (MPa) NOx (ppm) % tải Diesel DE5 DE10
0,17 25 171,09 177,37 186,30 DE5 so với diesel (%) 3,67 DE10 so với diesel (%) 8,89
2,81 8,18 50 0,34 304,54 313,10 329,46
1,76 8,99 75 345,12 351,18 376,14
318,55 324,68 355,41 1,92 11,57 100 0,51 Diesel 0,67 0,67 DE5 DE10 0,64
Trung bình 2,54
9,41
Hình 3.13. Hàm lượng NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph
Kết quả tính toán phát thải muội than (soot) theo đặc tính ngoài và theo đƣờng đặc tính tải tại 2000v/ph thể hiện ở Bảng 3.18 và Bảng 3.19. Hàm lƣợng soot giảm đáng kể khi sử dụng DE5, DE10 trung bình trên toàn dải tốc độ theo đƣờng đặc tính ngoài mức giảm tƣơng ứng là 26,09%, 34,56% (Hình 3.14), theo đƣờng đặc tính tải tại 2000v/ph hàm lƣợng soot giảm trung bình lần lƣợt 6,53%, 3,94%. (Hình 3.15) Bảng 3.18. Phát thải soot theo đường đặc tính ngoài
Soot (mg/kWh)
DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%) Tốc độ n (v/ph) DE10 Diesel DE5
1000 3,64 2,64 -27,47
1500 3,95 3,09 3,32 3,02 -15,11 -15,95 -23,54
2000 3,06 2,62 2,49 -14,38 -18,63
3,73 2,25 2,03 -39,68 -45,58
2500 3000 3,23 2,09 1,71 -35,29 -47,06
3500 3,24 2,07 1,78 -45,06
Trung bình 3,48 2,57 2,28 -36,11 -26,09 -34,56
72
Hình 3.14. Hàm lượng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đường đặc tính ngoài
Bảng 3.19. Hàm lượng soot theo đặc tính tải tại 2000v/ph
bmep (MPa) Soot (mg/kWh)
% tải Diesel DE5 DE10 DE5 so với diesel (%) DE10 so với diesel (%)
0,17 25 1,05 0,99 0,95 -5,72 -9,52
50 0,34 1,32 1,36 1,35 3,23 2,13
75 2,16 1,96 2,15 -9,24 -0,38
3,06 2,62 2,49 -14,38 -7,97 100 0,51 Diesel 0,67 DE5 0,67 DE10 0,64
Trung bình -6,53 -3,94
Hình 3.15. Hàm lượng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đặc tính tải tại 2000v/ph
3.2.2. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol- biodiesel
73
3.2.2.1. Kết quả tính toán tính năng kỹ thuật động cơ
Mômen và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ở chế độ 100% tải với các hỗn hợp nhiên liệu đƣợc tính toán tại các tốc độ khác nhau theo đƣờng đặc tính ngoài thể hiện ở Bảng 3.20 và Bảng 3.21. Mômen động cơ giảm khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp so với diesel (Hình 3.16). Tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tăng lên có xu hƣớng làm giảm mômen động cơ. Trung bình trên toàn dải tốc độ, khi sử dụng DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 mômen động cơ giảm tƣơng ứng 1,48%, 4,37%, 7,67%, 9,64%, 13,40% so với khi sử dụng diesel. Sự giảm mômen này gây ra bởi ethanol có nhiệt trị nhỏ hơn đáng kể so với diesel (27 MJ/kg so với 45,8 MJ/kg) nên khi tăng tỷ lệ ethanol thì nhiệt trị của hỗn hợp giảm xuống dẫn tới giảm mômen. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu tăng lên (Hình 3.17) phù hợp với sự giảm mômen động cơ. Với hỗn hợp DE5B5, DE10B5, DE15B5,DE20B5, DE30B5, trung bình suất tiêu hao nhiên liệu tăng tƣơng ứng 1,48%, 4,37%, 7,76%, 9,57%, 12,37%. Tuy nhiên có thể thấy với 5% biodiesel bổ sung thì mômen và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng DE5B5 và DE10B5 đƣợc cải thiện hơn so với khi sử dụng DE5 và DE10.
Bảng 3.20. Mômen của động cơ khi sử dụng diesel, DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 tại đặc tính ngoài.
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 123,10 135,61 139,76 140,77 132,68 122,79 132,45
DE5B5 121,57 134,40 137,95 138,59 130,26 120,22 130,50
DE10B5 119,76 131,15 134,37 134,20 126,14 114,65 126,69
Mômen (Nm) DE15B5 112,31 128,03 132,03 130,34 122,05 109,63 122,40
DE20B5 108,30 126,38 128,69 128,39 120,01 107,18 119,82
DE30B5 104,00 121,09 123,48 123,62 114,19 102,65 114,84
so với -1,24 -0,89 -1,30 -1,55 -1,82 -2,09 -1,48 DE5B5 diesel (%)
so với -2,72 -3,29 -3,86 -4,67 -5,04 -6,62 -4,37 DE10B5 diesel (%)
so với -8,77 -5,59 -5,53 -7,41 -8,01 -10,71 -7,67 DE15B5 diesel (%)
so với -12,02 -6,81 -7,93 -8,79 -9,55 -12,71 -9,64 DE20B5 diesel (%)
74
so với -15,52 -10,70 -11,65 -12,18 -13,94 -16,40 -13,40 DE30B5 diesel (%)
Bảng 3.21. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 theo đặc tính ngoài.
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 252,81 254,07 245,00 248,72 272,78 311,21 264,10
DE5B5 254,14 255,03 250,72 257,36 276,58 313,68 267,92
DE10B5 258,65 265,85 258,72 262,85 281,68 325,89 275,61
DE15B5 261,28 271,90 262,90 264,85 299,38 348,86 284,86
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) DE20B5 264,51 274,88 267,53 269,33 305,45 358,37 290,01
DE30B5 268,84 281,07 273,93 279,76 313,12 367,74 297,41
so với 0,53 0,38 2,33 3,47 1,39 0,79 1,48
so với 2,31 4,64 5,60 5,68 3,26 4,72 4,37
so với 3,35 7,02 7,31 6,49 9,75 12,10 7,76
so với 4,63 8,19 9,19 8,28 11,98 15,15 9,57
so với 6,34 10,63 11,81 12,48 14,79 18,17 12,37 DE5B5 diesel (%) DE10B5 diesel (%) DE15B5 diesel (%) DE20B5 diesel (%) DE30B5 diesel (%)
Hình 3.16. Mô men và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài
75
Hình 3.17. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài
Tƣơng tự, theo đặc tính tải tại 2000 v/ph, suất tiêu hao nhiên liệu tăng trung bình là 3,24%, 6,85%, 8,20%, 9,77%, 12,33% với DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 nhƣ Bảng 3.22 và Hình 3.18.
Bảng 3.22. Suất tiêu hao nhiên liệu tại 2000 v/ph theo đặc tính tải
% tải 100 25 50 75 Trung bình bmep (MPa) 0,17 0,34 0,51
Diesel 0,67 302,25 249,86 242,16 245 259,82
DE5B5 0,67 315,55 258,76 248,65 250,72 268,42
0,63 324,83 268,07 257,26 258,72 277,72
0,64 329,45 272,21 260,42 262,90 281,24
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) 0,62 333,70 276,32 263,68 267,53 285,31
0,60 342,62 282,59 268,94 273,93 292,02
DE10B 5 DE15B 5 DE20B 5 DE30B 5 DE5B5 so với diesel (%) 4,40 3,56 2,68 2,33 3,24
DE10B5 so với diesel (%) 7,47 7,28 6,24 6,42 6,85
DE15B5 so với diesel (%) 9,00 8,94 7,54 7,31 8,20
DE20B5 so với diesel (%) 10,41 10,59 8,89 9,19 9,77
DE30B5 so với diesel (%) 13,36 13,10 11,06 11,81 12,33
76
Hình 3.18. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình tại 2000 v/ph
3.2.2.2. Kết quả tính toán phát thải
Kết quả tính toán phát thải CO theo đặc tính ngoài và đặc tính tải tại 2000 v/ph thể hiện ở Bảng 3.23 và Bảng 3.24. Khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel, thành phần CO trong khí thải có xu hƣớng giảm. Tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp, mức giảm CO càng lớn. So với diesel, hỗn hợp DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 giảm CO trung bình tƣơng ứng 29,35%, 37,04%, 42,48%, 47,33%, 53,29% theo đƣờng đặc tính ngoài (Hình 3.19) và 22,74%, 21,93%, 25,47%, 28,72%, 31,19% trung bình theo đƣờng đặc tính tải (Hình 3.20). Hàm lƣợng ôxy có trong ethanol và biodiesel lần lƣợt khoảng 34,7% and 8,4%. Khi diesel phối trộn ethanol và biodiesel đƣợc bổ sung thêm ôxy làm giảm các vùng thiếu ôxy trong buồng cháy, thúc đẩy quá trình hoàn toàn hơn dẫn tới lƣợng CO trong khí thải giảm. Bên cạnh đó, hàm lƣợng thành phần C trong nhiên liệu hỗn hợp cũng thấp hơn so với diesel cũng góp phần giảm sự hình thành CO trong khí thải. Bảng 3.23. Phát thải CO theo đường đặc tính ngoài
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 788,24 778,58 989,24 979,86 1567,2 929,81
DE5B5 475,74 363,00 444,91 475,67 558,57 878,28 1315,57 672,67
DE10B5 296,71 493,62 516,08 635,70 572,52 1000,22 585,81
DE15B5 295,64 448,11 477,89 587,16 533,38 917,62 537,30 Phát thải CO (ppm) DE20B5 222,24 412,50 442,67 542,08 497,72 854,11 495,22
DE30B5 209,20 349,03 381,31 465,22 486,00 727,22 436,33
-23,70 -43,56 -38,91 -43,54 -10,37 -16,06 -29,35 DE5B5 so với diesel (%)
-37,63 -37,38 -33,72 -35,74 -41,57 -36,18 -37,04 DE10B5 so với diesel (%)
77
-45,42 -43,15 -38,62 -40,65 -45,57 -41,45 -42,48 DE15B5 so với diesel (%)
-53,29 -47,67 -43,14 -45,20 -49,21 -45,50 -47,33 DE20B5 so với diesel (%)
-56,03 -55,72 -51,02 -52,97 -50,40 53,60 -53,29 DE30B5 so với diesel (%)
Bảng 3.24. Phát thải CO khi sử dụng diesel, DE5B5,DE10B5, DE15B5, DE20B5 DE30B5, DE50B5 theo đặc tính tải tại 2000 v/ph
% tải 100 25 50 75 Trung bình bmep (MPa) 0,17 0,34 0,51
Diesel 321,00 220,32 388,95 778,58 427,21 0,67
DE5B5 301,18 185,09 272,71 475,67 308,66 0,67
DE10B5 278,50 192,08 280,76 516,08 316,85 0,63
DE15B5 262,81 186,39 273,34 477,89 300,11 0,64 Phát thải CO (ppm) DE20B5 245,70 183,25 266,66 442,67 284,57 0,62
DE30B5 275,35 381,31 267,91 0,60
229,83 185,15 -15,99 -6,17 DE5B5 so với diesel (%) -29,89 -38,91 -22,74
DE10B5 so với diesel (%) -13,24 -12,82 -27,82 -33,72 -21,93
DE15B5 so với diesel (%) -18,13 -15,40 -29,72 -38,62 -25,47
DE20B5 so với diesel (%) -23,46 -16,83 -31,44 -43,14 -28,72
DE30B5 so với diesel (%) -28,40 -15,96 -29,21 -51,03 -31,19
Hình 3.19. Hàm lượng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài
78
Hình 3.20. Hàm lượng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph
Kết quả tính toán phát thải NOx theo đặc tính ngoài và đặc tính tải tại 2000v/ph thể hiện Bảng 3.25 và Bảng 3.26. Hàm lƣợng NOx khi sử dụng DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 đều giảm so với nhiên liệu diesel khoáng. Cụ thể theo đƣờng đặc tính ngoài hàm lƣợng NOx lần lƣợt giảm trung bình 4,07%, 14,63%, 16,87%, 18,90%, 21,21% (Hình 3.21). Tƣơng tự theo đặc tính tải tại 2000 v/ph, hàm lƣợng NOx giảm trung bình 10,24%, 13,75%, 14,33%, 15,73%, 18,42% (Hình 3.22). Sự hình thành NOx phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và lƣợng ôxy sẵn có trong môi chất cháy. Mặc dù hàm lƣợng ôxy cao hơn, tuy nhiên hỗn hợp DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 có trị số xêtan thấp hơn diesel nên thời gian cháy trễ kéo dài, cùng với nhiệt trị thấp hơn làm giảm nhiệt độ cực đại trong chu trình tới lƣợng NOx giảm. Kết quả này cho thấy hiệu quả giảm NOx khi bổ sung 5% biodiesel vào hỗn hợp diesel-ethanol, trong khi với DE5 và DE10 thì NOx tăng 1,04%, 8,14% theo đặc tính ngoài và tăng 2,54% và 9,41% theo đặc tính tải tại 2000v/ph nhƣ Bảng 3.16 và Bảng 3.17.
Bảng 3.25. Phát thải NOx theo đường đặc tính ngoài
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 257,87 348,13 318,55 287,18 268,51 276,89 292,86
DE5B5 245,16 342,45 297,54 281,12 263,85 256,37 281,08
DE10B5 239,16 320,97 282,60 277,60 261,49 259,48 273,55
DE15B5 226,50 312,38 286,69 261,58 236,08 234,00 259,54 Phát thải NOx (ppm) DE20B5 213,80 289,55 269,75 256,04 221,44 226,86 246,24
DE30B5 205,54 278,65 247,81 224,00 213,28 215,35 230,77
-4,93 -1,63 -6,60 -2,11 -1,74 -7,41 -4,07 DE5B5 so với diesel (%)
79
-7,26 -7,80 -11,29 -3,34 -2,61 -6,29 -6,43 DE10B5 so với diesel (%)
-12,17 -10,27 -10,00 -8,91 -12,08 -15,49 -11,49 DE15B5 so với diesel (%)
-17,09 -16,83 -15,32 -10,84 -17,53 -18,07 -15,95 DE20B5 so với diesel (%)
-20,29 -19,96 -22,21 -22,00 -20,57 -22,23 -21,21 DE30B5 so với diesel (%)
Bảng 3.26. Phát thải NOx theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
% tải 100 25 50 75
Trung bình bmep (MPa) 0,17 0,34 0,51
Diesel 171,09 304,54 345,12 318,55 284,825 0,67
DE5B5 157,37 263,10 301,18 297,54 254,80 0,67
DE10B5 151,30 259,46 296,14 282,60 244,87 0,63
DE15B5 149,67 250,71 286,09 286,69 243,29 0,64 Phát thải NOx (ppm) DE20B5 149,31 251,34 285,04 269,75 238,86 0,62
DE30B5 150,55 245,53 275,81 247,81 229,92 0,60
DE5B5 so với diesel (%) -8,02 -13,61 -12,73 -6,60 -10,24
DE10B5 so với diesel (%) -11,57 -14,80 -14,19 -14,43 -13,75
DE15B5 so với diesel (%) -12,52 -17,68 -17,10 -10,00 -14,33
DE20B5 so với diesel (%) -12,73 -17,47 -17,41 -15,32 -15,73
DE30B5 so với diesel (%) -12,00 -19,38 -20,08 -22,21 -18,42
Hình 3.21. Hàm lượng NOx và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài
80
Hình 3.22. Hàm lượng NOx và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
Kết quả tính toán phát thải muội than (soot) theo đặc tính ngoài và đặc tính tải tại 2000 v/ph thể hiện ở Bảng 3.27 và Bảng 3.28. Hàm lƣợng soot giảm đáng kể khi sử dụng DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 trung bình trên toàn dải tốc độ theo đƣờng đặc tính ngoài mức giảm tƣơng ứng là 13,09%, 17,88%, 18,96%, 19,98%, 22,73% (Hình 3.23). Tƣơng tự theo đặc tính tải tại 2000 v/ph hàm lƣợng soot giảm lần lƣợt 6,36%, 3,89%, 6,61%, 11,71%, 15,80% (Hình 3.24). Điều này đƣợc giải thích bởi lƣợng ôxy sẵn có trong nhiên liệu đã làm giảm những vùng hỗn hợp giàu, thiếu ôxy, đồng thời nhiên liệu DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 có tỷ lệ C/H nhỏ hơn so với diesel thông thƣờng dẫn tới giảm sự hình thành muội than.
Bảng 3.27. Phát thải soot theo đường đặc tính ngoài
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 3,64 3,95 3,06 3,73 3,23 3,24 3,48
DE5B5 2,86 3,34 2,64 2,45 2,15 2,08 2,59
thải DE10B5 2,72 3,32 2,82 2,36 2,05 1,90 2,51
DE15B5 2,68 3,30 2,79 2,32 2,01 1,88 2,50 Phát soot (mg/kWh)
DE20B5 2,61 3,25 2,76 2,18 1,99 1,85 2,44
DE30B5 2,52 3,22 2,62 2,09 1,95 1,81 2,37
-21,43 -15,44 -13,73 -34,32 -33,44 -35,80 -25,69
-25,27 -18,48 -7,84 -36,73 -36,53 -41,36 -27,70
-26,44 -16,43 -8,92 -37,80 -37,65 -41,98 -28,20 DE5B5 so với diesel (%) DE10B5 so với diesel (%) DE15B5 so với diesel (%)
81
-28,22 -17,61 -9,65 -41,55 -38,39 -42,90 -29,72
-30,77 -18,48 -14,38 -43,97 -39,63 -44,14 -31,89 DE20B5 so với diesel (%) DE30B5 so với diesel (%)
Hình 3.23. Hàm lượng soot và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài
Bảng 3.28. Phát thải soot theo đặc tính tải tại 2000 v/ph
25 % tải 100 50 75
Trung bình 0,17 bmep (MPa) 0,34 0,51
1,05 Diesel 1,32 2,16 3,06 1,90 0,67
0,99 DE5B5 1,36 1,96 2,64 1,74 0,67
0,95 thải DE10B5 1,35 2,15 2,82 1,82 0,63
0,95 DE15B5 1,33 1,97 2,79 1,76 0,64 Phát soot (mg/kWh)
0,95 DE20B5 1,28 1,63 2,76 1,66 0,62
0,95 DE30B5 1,18 1,54 2,62 1,57 0,60
DE5B5 so với diesel (%) -5,72 3,23 -9,24 -13,73 -6,36
DE10B5 so với diesel (%) -9,52 2,13 -0,38 -7,97 -3,89
DE15B5 so với diesel (%) -9,16 0,66 -9,02 -8,92 -6,61
DE20B5 so với diesel (%) -9,18 -3,26 -24,75 -9,65 -11,71
DE30B5 so với diesel (%) -9,13 -10,45 -28,50 -14,51 -15,80
82
Hình 3.24. Hàm lượng soot và sự thay đổi trung bình đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
Chƣơng 3 của luận án đã xây dựng đƣợc mô hình mô phỏng động cơ D4BB bằng phần mềm AVL Boost và thực hiện tính toán lý thuyết tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol và hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel. Các kết quả thu đƣợc theo đặc tính ngoài so với diesel nhƣ sau:
- Khi sử dụng DE5 và DE10, trung bình mô men động cơ giảm 2,24% và 6,32%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 1,14% và 4,66%, CO giảm 16,06% và 24,69%, muội than giảm 26,09% và 34,56%, trong khi NOx tăng 1,04% và 8,1%
- Khi sử dụng DE5B5 và DE10B5, trung bình mô men động cơ giảm lần lƣợt 1,48%, 4,37%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 1,48%, 4,37%, NOx giảm 4,07%, 6,43%, CO giảm 29,35%, 37,04% và muội than giảm 25,69%, 27,70%
- Tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp, với DE15B5, DE20B5, DE30B5 trung bình mô men động cơ giảm lần lƣợt 7,67%, 9,64%, 13,40%, suất tiêu hao nhiên tăng 7,76%, 9,57%, 12,37%, NOx giảm 11,49%, 15,95%, 21,21%, CO giảm 42,48%, 47,33%, 53,29% và muội than giảm 28,20%, 29,72%, 31,89% so với diesel Kết quả tính toán theo đặc tính tải tại 2000v/ph so với diesel:
- Khi sử dụng DE5 và DE10, trung bình suất tiêu hao nhiên liệu tăng 2,95% và 6,29%, CO giảm 14,6% và 21,9%, muội than giảm 6,53% và 3,94%, NOx tăng 2,54% và 9,41%
- Khi sử dụng DE5B5 và DE10B5, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 3,24%, 6,85%, NOx giảm 10,24%, 13,75%, CO giảm 22,74%, 21,93% và muội than giảm 6,36% và 3,89%
- Tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp, với DE15B5, DE20B5, DE30B5 suất tiêu hao nhiên tăng 8,20%, 9,77%, 12,33%, NOx giảm 14,33%,15,73%,18,42%, CO giảm 25,47%, 28,72%, 31,19% và muội than giảm 6,61%, 11,71%, 15,8%
Nhƣ vậy khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu thì mômen động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, các thành phần phát thải đều giảm, trừ NOx tăng với diesel- ethanol so với khi sử dụng diesel. Càng tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp thì các
83
thành phần phát thải càng giảm, tuy nhiên mômen động cơ cũng càng giảm. Để đạt mục tiêu giảm phát thải nhƣng mô men không giảm hơn 5%, từ kết quả mô phỏng có thể thấy hỗn hợp nhiên liệu với tỷ lệ ethanol dƣới 10% là hợp lý. Trên cơ sở đó luận án lựa chọn hỗn hợp nhiên liệu DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 để thực hiện thử nghiệm trên động cơ.
84
Thử nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel thông thƣờng, biodiesel và ethanol với các tỷ lệ khác nhau đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ. Các kết quả này đồng thời cũng đƣợc sử dụng để hiệu chỉnh và đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ đã đƣợc xây dựng ở chƣơng 3.
4.2.1. Phương pháp thử nghiệm
Thử nghiệm thực hiện theo phƣơng pháp đối chứng các thông số tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ethanol-biodiesel- diesel với các tỷ lệ khác nhau.
4.2.2. Đối tượng thử nghiệm
Đối tƣợng thử nghiệm đƣợc thực hiện trên động cơ diesel D4BB đã qua sử dụng. Đây là động cơ 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, không tăng áp đƣợc lắp trên xe Hyundai 1,25 tấn. Thông số của động cơ diesel D4BB đƣợc trình bày trong Bảng 3.1, 3.2.
Về nhiên liệu thử nghiệm, nhƣ đã nêu ở 3.1.3.2 và theo kết quả tính toán mô phỏng ở Chƣơng 3, để đảm bảo mô men động cơ không giảm quá 5% thì tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu không nên quá 10%. Do vậy, thử nghiệm đƣợc thực hiện với nhiên liệu diesel thông thƣờng, hỗn hợp nhiên liệu DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5. Nhiên liệu diesel có sẵn trên thị trƣờng Việt Nam theo TCVN 5689-2018. Biodiesel có nguồn gốc từ dầu cọ và các tính chất lý hóa của nhiên liệu diesel, ethanol và biodiesel đƣợc trình bày trong Bảng 3.3. Các hỗn hợp nhiên liệu trên đƣợc hòa trộn theo tỷ lệ phần trăm về thể tích của từng nhiên liệu. Do tính chất của các nhiên liệu khác biệt nhau, nên NCS sử dụng máy khuấy khí nén (thông số kỹ thuật của máy khuấy đƣợc thể hiện trong Phụ lục 3.1) để khuấy trộn hỗn hợp nhiên liệu (Hình 4.1), thời gian khuấy 20 phút, sau khi khuấy nhiên liệu đƣợc đƣa vào thử nghiệm.
85
Hình 4.1. Khuấy hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu
4.2.3. Chế độ thử nghiệm
- Thử nghiệm đối chứng tính năng kỹ thuật của động cơ với các loại nhiên
liệu:
+ Theo đƣờng đặc tính ngoài, tốc độ thay đổi từ 1000÷ 3500v/ph bƣớc 500v/ph, đo các giá trị công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu, lƣu lƣợng không khí nạp, áp suất xylanh, lambda, các thành phần phát thải: HC, CO, NOx, CO2, độ khói.
+ Theo đặc tính tải tại giá trị tốc độ 2000 v/ph, chế độ tải 25%, 50%, 75% giá trị mômen của động cơ với nhiên liệu diesel đo các giá trị công suất, mô men và suất tiêu hao nhiên liệu, lƣu lƣợng không khí nạp, áp suất xylanh, lambda, các thành phần phát thải: HC, CO, NOx, CO2, độ khói.
4.3.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm
Động cơ đƣợc đặt trên băng thử động lực học cao APA100 và trang bị các
thiết bị nhƣ sơ đồ thí nghiệm, Hình 4.2
Hình 4.2. Sơ đồ thử nghiệm động cơ D4BB
86
4.3.2. Các thiết bị thử nghiệm chính
4.3.2.1. Băng thử động lực học APA100
Băng thử hoạt động đƣợc ở hai chế độ động cơ điện và phanh điện (Hình 4.3). Tác dụng tƣơng hỗ giữa lực từ của stato và rô to sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc kéo cho động cơ đốt trong quay.
Hình 4.3. Băng thử động lực cao động cơ
4.3.2.2. Phanh điện APA 100
Hình 4.4. Phanh điện APA 100
Phanh điện APA 100 (Hình 4.4) hoạt động đƣợc ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Tác dụng tƣơng hỗ giữa lực từ của stato và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc kéo động cơ đốt trong quay.
87
Cụm phanh có chức năng làm việc ở chế độ máy phát (phanh đối với động cơ) và chế độ động cơ (kéo động cơ quay) nên có thể dùng để chạy rà nguội và thí nghiệm động cơ trên cùng một băng thử.
Ngoài ra công suất động cơ đƣợc hấp thụ và biến đổi thành năng lƣợng điện
trong thiết bị (phanh). Dòng điện này qua bộ biến tần và đƣợc đƣa ra ngoài.
Phanh APA 100 còn có chức năng mô tả các sức cản lên động cơ nhƣ động cơ
đang lắp trên ôtô chạy trên đƣờng bằng phần mềm ISAC.
4.3.2.3. Cảm biến tốc độ động cơ
Tín hiệu vòng quay cho bộ điều khiển nhận biết tốc độ động cơ. Trên trục quay của trục cam có gắn 1 vấu sắt, còn cảm biến là một cuộn dây quấn trên một lõi nam châm. Khi trục quay làm các vấu cam quét qua cảm biến từ trở mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động có tần số thay đổi tỷ lệ với tốc độ quay (Hình 4.5).
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của cảm biến tốc độ động cơ
4.3.2.4. Thiết bị đo độ đen của khí thải Smoke Meter AVL 415
Khi cho một lƣợng khí thải nhất định đi qua màng giấy lọc chuẩn, P-M sẽ bị giữ lại làm giấy lọc bị đen đi. Độ đen của giấy lọc xác định đƣợc sẽ phản ánh độ đen của khí thải. Thiết bị Smoke Meter AVL 415 (Hình 4.6) có dải đo từ 0 đến 9,99 FSN (Filter Smoke Number) hoặc từ 0 đến 3,199 mg/m3 với độ chính xác 0,1%.
88
Hình 4.6. Thiết bị đo độ đen Smoke Meter AVL 415
4.3.2.5. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVLFuel Balance 733S
Hệ thống AVL Fuel Balance 733S (Hình 4.7) đo lƣợng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ bằng cách cân lƣợng nhiên liệu trong bình chứa. AVL Fuel Balance 733S có thể đo liên tục lƣợng nhiên liệu trong một khoảng thời gian từ khi đầy bình đến khi nhiêu liệu trong bình giảm tới mức 0. Sai số của thiết bị là 0,1%. Giải đo từ 0 đến 150kg/h, cho phép tới 400kg/h.
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S
7. Thanh cân. 8. Lò xo lá.
1. Nhiên liệu cấp vào thùng đo 2. Nhiên liệu tới động cơ. 3. Nhiên liệu hồi từ động cơ. 4. Ống thông hơi. 5. Các ống nối mềm. 6. Thùng đo 9. Cân bì. 10. Cảm biến lƣu lƣợng. 11. Thiết bị giảm chấn. 12. Van điện từ đƣờng nạp.
4.3.2.6. Hệ thống phân tích khí thải CEBII
89
Hệ thống phân tích khí thải CEBII (Hình 4.8) là hệ thống bao gồm toàn bộ các môđun thực hiện quá trình phân tích các thành phần các chất CO, CO2, NO, NOx, HC có trong khí thải động cơ và các thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc đúng của hệ thống nhƣ: khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đoán, khối điều khiển.... Bộ phân tích CO và CO2 hoạt động theo nguyên lý hấp thụ tia hồng ngoại không khuếch tán, bộ phân tích HC hoạt động theo nguyên lý ion hóa ngọn lửa, bộ phân tích NOx hoạt động theo nguyên lý quang hóa. Mỗi bộ phân tích đƣợc chia thành 4 dải đo, tuỳ thuộc vào hàm lƣợng thực tế các chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự lựa chọn dải đo phù hợp. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích đƣợc hiệu chuẩn trƣớc khi đo bởi khí hiệu chuẩn ứng với từng dải đo.
1. Máy tính tích hợp trong tủ
2. Khối SCU
3. Các bộ phân tích
4. Bảng đồng hồ khí
5. Công tắc hệ thống
6. Khối chuẩn đoán
7. Các đƣờng khí và nguồn điện.
Hình 4.8. Sơ đồ của hệ thống phân tích khí xả AVL CEBII
Hệ thống phân tích khí thải CEBII bên cạnh việc đo lƣờng đƣợc các thành phần: monoxit cacbon (CO), cacbon dioxide (CO2), oxygen (O2), oxit nitơ (NOx), hyđrocacbon (HC), đồng thời còn đo đƣợc hệ số dƣ lƣợng không khí có trong khí xả.
4.3.2.7. Cảm biến lambda
Trong thử nghiệm sử dụng cảm biến lambda LSU 4.9 của hãng Bosch để đo giá trị lambda, thông số cơ bản của cảm biến đƣợc thể hiện trong Phụ lục 3.2. Cảm biến này đƣợc sử dụng để đo thông số hệ số dƣ lƣợng không khí λ trong khí xả và đƣợc bố trí lắp đặt tại đầu ra của cụm đƣờng ống thải động cơ. Để đo lambda khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel NCS kết nối cảm biến lambda với máy tính sử dụng phần mềm Logworks3. Trên phần mềm Logworks3 thực hiện cài đặt tỷ lệ nhiên liệu diesel, ethanol, biodiesel trong hỗn hợp để đọc đƣợc giá trị A/F trong khí thải.
4.3.2.8. Thiết bị lấy mẫu và đếm số hạt
Để đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn khí thải ngặt nghèo thì chất lƣợng khí thải, bên cạnh việc xác định khối lƣợng PM, các tiêu chuẩn khí thải mới còn yêu cầu xác định số hạt PM trong khí thải động cơ. Dựa trên các yêu cầu cơ bản trên cơ sở lý
90
thuyết đếm số hạt chƣơng 2, Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải- Viện Cơ khí động lực đã phát triển hệ thống lấy mẫu đếm số hạt. NCS đã sử dụng hệ thống này để đo số hạt trong khí thải động cơ diesel khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel và so sánh với trƣờng hợp sử dụng diesel. Qua đó có thêm thông số đánh giá chất lƣợng phát thải của động cơ
Sơ đồ hệ thống lấy mẫu và đếm hạt tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải (Hình 4.9). Hệ thống gồm 3 bộ phận chính: Ống pha loãng thứ nhất (PND1), ống sấy, ống pha loãng thứ hai (PND2). Dựa trên yêu cầu về phƣơng pháp lấy mẫu và đếm số lƣợng hạt, hệ thống lấy mẫu đếm hạt đƣợc trình bày trong Phụ lục 4.1 gồm bộ pha loãng thứ nhất đƣợc sấy nóng đến 1500C, ống bay hơi nhiên liệu đƣợc sấy tới 300÷4000C, và bộ pha loãng thứ hai làm mát khí mẫu xuống dƣới 300C. Thiết bị đếm hạt DiSC mini đƣợc sử dụng trong thực nghiệm, tính năng và thông số kỹ thuật của thiết bị đƣợc trình bày trong Phụ lục 4.2.
Hình 4.9. Sơ đồ khối hệ thống lấy mẫu xác định số hạt trong khí thải
Nghiên cứu về tia phun trong buồng cháy động cơ là một trong những nghiên cứu cơ bản phục vụ cho nghiên cứu hình thành hòa khí và cháy trong động cơ đốt trong, đòi hỏi những trang thiết bị tinh xảo, đắt tiền. Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận án, NCS có điều kiện sử dụng những trang thiết bị đơn giản với mục đích bƣớc đầu làm quen với nghiên cứu cơ bản này. Cụ thể, NCS thực hiện chụp ảnh tia phun với nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 để thu đƣợc những thông tin sơ bộ về sự phát triển của tia phun với nhiên liệu khác nhau.
4.4.1. Các thiết bị sử dụng nghiên cứu
Tia phun đƣợc tạo ra bởi vòi phun của động cơ D4BB trên thiết bị cân chỉnh vòi phun với áp suất phun 220 bar (Hình 4.10). Tia nhiên liệu phun ra môi trƣờng có áp suất 1 bar và nhiệt độ 298 K. Hình ảnh các tia phun đƣợc thu lại bởi máy quay Photron Fastcam SA3 với tốc độ 3000 FPS (Hình 4.11, 4.12).
91
Hình 4.10. Thiết bị cân chỉnh vòi phun
Hình 4.11. Máy quay Photron Fastcam SA3 tốc độ 3000 FPS
Hình 4.12. Quá trình chụp tia nhiên liệu
4.4.2. So sánh cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5
Cấu trúc tia phun của các nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5, DE10B5 đƣợc thể hiện trên Hình 4.13. Thông qua hình dạng tia phun đo đƣợc chiều dài tia phun và góc nón tia phun thể hiện trên Bảng 4.1. Từ hình ảnh cho thấy chiều dài tia phun của nhiên liệu diesel lớn hơn so với nhiên liệu DE5, DE10, DE5B5, DE10B5.
92
Hình 4.13. Cấu trúc tia phun nhiên liệu diesel, DE5, ED10, DE5B5 và DE10B5
Bảng 4.1. Chiều dài và góc của tia phun
1,3 1,6 1,9 2,2 2,5 Thời điểm từ lúc bắt đầu phun (ms)
Diesel 15 17 20 10 12
DE5 18 20 23 13 15
DE10 19 21 24 14 16
DE5B5 16 18 21 11 13 Góc nón tia phun (độ) DE10B5 17 19 22 12 14
Diesel 83 86 95 66 77
Chiều dài tia DE5 69 73 80 51 63
93
DE10 48 60 66 71 76
DE5B5 59 71 76 80 88 phun (mm) DE10B5 55 67 73 77 84
Chiều dài chùm tia nhiên liệu chủ yếu phụ thuộc vào thời gian phun, áp suất phun và độ nhớt của nhiên liệu. Trong trƣờng hợp thời gian và áp suất phun không đổi thì độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hƣởng lớn đến chiều dài chùm tia. Do độ nhớt của DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 thấp nên chiều dài tia phun DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 giảm, góc nón của chùm tia tăng theo áp suất phun. Tuy nhiên, ở các điều kiện tƣơng tự nhau, chiều dài tia phun của DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 ngắn hơn và góc của chùm tia rộng hơn của diesel. Hơn nữa, sự khác biệt này có xu hƣớng tăng lên khi áp suất phun tăng.
Xét sự phát triển của chùm tia DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5, thể tích tại vùng phía trƣớc của chùm tia phun tăng mạnh. Trong khi đó góc của chùm tia phía đuôi gần nhƣ không đổi. Hình dáng của chùm tia diesel mỏng và dài hơn chùm tia DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5. Do nhiệt độ sôi và độ nhớt của DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 thấp, chùm tia DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 có thời gian phá vỡ ngắn hơn (khoảng 0,3 ms đến 0,5 ms) so với chùm tia diesel (khoảng 0,5 ms đến 0,7 ms). Khả năng bay hơi của DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 nhanh hơn diesel.
Nghiên cứu quan sát tia phun DE5, DE10, DE5B5, DE10B5 và diesel cho thấy ở các điều kiện tƣơng tự nhau, độ xâm nhập đầu tia phun của DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 ngắn hơn và góc của chùm tia rộng hơn so với nhiên liệu diesel. Hình dáng của chùm tia diesel mỏng và dài hơn chùm tia DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5. Kết quả này tƣơng đồng với lý thuyết và các nghiên cứu về cấu trúc tia phun nhiên liệu hỗn hợp [62].
4.5.1. Tính năng kỹ thuật của động cơ và diễn biến áp suất trong xylanh
4.5.1.1. Tính năng kỹ thuật của động cơ
Mômen và suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ ở chế độ toàn tải với các nhiên liệu thử nghiệm tại các tốc độ khác nhau theo đƣờng đặc tính ngoài thể hiện trên Hình 4.14, 4.15. Mômen lớn nhất khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 tƣơng ứng là 142Nm, 135Nm, 145Nm và 145Nm thấp hơn với diesel 146Nm. Kết quả cho thấy khi càng tăng tỷ lệ ethanol thì mômen càng giảm. Do nhiệt trị của ethanol là 27 MJ/kg thấp hơn so với nhiệt trị của dầu diesel là 45,8 MJ/kg. Tuy nhiên, khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì mômen giảm không đáng kể, do sự cải thiện trị số xêtan và độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu. Mức giảm mômen trung bình khi sử dụng nhiên liệu DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 lần lƣợt là: 4,3%, 6,9%, 0,6% và 1,1% và suất tiêu hao nhiên liệu tăng lần lƣợt là: 4,31%, 6,9%,
94
0,62%, 1,1% so với nhiên liệu diesel. Tại tốc độ 2000 v/ph với 25%, 50%, 75% tải với tất cả các nhiên liệu thử nghiệm này cũng đƣợc so sánh (Hình 4.16). Mặc dù nhiệt trị của hỗn hợp nhiên liệu thấp hơn nhƣng suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu hầu nhƣ không thay đổi so với nhiên liệu diesel. Tại 2000 v/ph, suất tiêu hao nhiên liệu tăng trung bình là 2,1%, 3,5%, 1,13%, 1,67% với DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5. Kết quả cho thấy ethanol và diesel sinh học trong hỗn hợp giúp cải thiện quá trình cháy. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của M. Al-Hassan [36], Su Han Park [37], Qiang Fang [38], X.Shi [39]. Các nghiên cứu này cho thấy khi tăng tỷ lệ ethanol thì mô men có xu hƣớng giảm, suất tiêu hao nhiên liệu có xu hƣớng tăng, tuy nhiên khi bổ sung thêm biodiesel thì các thông số này đƣợc cải thiện một phần. Bảng 4.2. Mô men của động cơ với các mẫu nhiên liệu theo đường đặc tính ngoài
n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 128 142 146 142 135 130 137,2
DE5 121 135 142 134 129 127 131,2
DE10 122 133 135 129 123 124 127,7
Mô men (Nm) DE5B5 127 141 145 141 134 130 136,3
DE10B5 126 140 145 140 134 129 135,7
với -5,5 -4,9 -2,7 -5,6 -4,4 -2,3 -4,3 so DE5 diesel (%)
so với -4,7 -6,3 -7,5 -9,2 -8,9 -4,6 -6,9 DE10 diesel (%)
-0,8 -0,7 -0,7 -0,7 -0,7 0 -0,6 DE5B5 so với diesel (%)
-1,6 -1,4 -0,7 -1,4 -0,7 -0,8 -1,1 DE10B5 so với diesel (%)
Hình 4.14. Mômen và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài
95
Bảng 4.3. Suất tiêu hao nhiên liệu với các mẫu nhiên liệu theo đường đặc tính ngoài
n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 244,15 242,76 234,63 246,64 268,20 294,03 255,07
DE5 255,91 252,70 239,53 263,42 274,54 310,75 266,14
DE10 260,55 253,08 247,24 271,53 290,81 313,34 272,67
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kW.h) DE5B5 244,27 244,27 238,57 248,10 269,62 294,83 256,61
DE10B5 248,81 245,52 236,24 250,26 270,36 295,86 257,84
DE5 so với diesel (%) 4,81 4,10 2,09 6,80 2,36 5,69 4,31
6,71 4,25 5,37 10,09 8,43 6,57 6,90 DE10 so với diesel (%)
0,05 0,63 1,68 0,59 0,53 0,27 0,62 DE5B5 so với diesel (%)
1,91 1,14 0,69 1,47 0,81 0,62 1,10 DE10B5 so với diesel (%)
Hình 4.15. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài
Bảng 4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu với các nhiên liệu thử nghiệm theo đặc tính tải tại 2000v/ph
% tải 25 50 75 100 Trung bình
Diesel 270,5 223,0 224,0 234,6 238,03
DE5 280,0 227,2 226,4 239,5 243,3
DE10 280,2 225,5 232,6 247,2 246,4
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) DE5B5 272,0 225,3 226,8 238,57 240,7
96
DE10B5 275,2 228,7 227,8 236,2 241,97
DE5 so với diesel (%) 3,5 1,9 1,0 2,1 2,1
DE10 so với diesel (%) 3,6 1,1 3,8 5,4 3,5
DE5B5 so với diesel (%) 0,55 1,03 1,25 1,69 1,13
DE10B5 so với diesel (%) 1,74 2,56 1,7 0,68 1,67
Hình 4.16. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
4.5.1.2. Diễn biến áp suất trong xylanh theo đường đặc tính ngoài
97
Hình 4. 17. Diễn biến áp suất trong xylanh theo đường đặc tính ngoài
Diễn biến áp suất trong xylanh khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5, DE10B5 theo đƣờng đặc tính ngoài có cùng xu hƣớng, áp suất cực đỉnh có xu hƣớng dịch chuyển về phía điểm chết trên. Nhìn chung, quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel cũng gồm các giai đoạn tƣơng tự nhƣ đối với khi sử dụng diesel thông thƣờng. Tuy nhiên vì tính chất các nhiên liệu hỗn hợp khác với diesel nên diễn biến chi tiết của quá trình cháy có sự khác nhau, đặc biệt là ở giai đoạn cháy trễ. So với diesel, hỗn hợp diesel-ethanol có trị số xê tan nhỏ hơn, nhiệt ẩn lớn hơn làm cho thời gian cháy trễ kéo dài. Với nhiên liệu DE5B5, DE10B5 ở chế độ tải nhỏ thời gian cháy trễ tăng so với diesel. Do thời gian cháy trễ dài hơn nên đỉnh áp suất trong xylanh giảm. Ở chế độ tải lớn, lƣợng nhiên liệu phun vào nhiều, với hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel mặc dù giai đoạn cháy trễ vẫn dài hơn tuy nhiên sau đó giai đoạn cháy nhanh lại ngắn hơn so với diesel do trong nhiên liệu ethanol, biodiesel có sẵn ô xy dẫn tới áp suất cực đại trong xy lanh cao hơn (Hình 4.17). 4.5.2. Ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu tới phát thải động cơ
Phát thải động cơ bao gồm CO, HC, NOx và độ khói đƣợc đo ở mỗi chế độ thử nghiệm. Hàm lƣợng phát thải đƣợc so sánh giữa các nhiên liệu thử nghiệm theo đƣờng đặc tính ngoài với tốc độ thay đổi từ 1000 v/ph đến 3500 v/ph và ở chế độ tải tại tốc độ 2000 v/ph.
Khi sử dụng DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 hàm lƣợng phát thải CO giảm khi sử dụng nhiên liệu diesel (Hình 4.18, Hình 4.19). Hàm lƣợng oxy có trong ethanol và biodiesel lần lƣợt khoảng 34,7% và 8,4%, do đó nhiên liệu diesel pha trộn ethanol và biodiesel đƣợc bổ sung lƣợng oxy làm giảm các vùng thiếu oxy trong buồng cháy và thúc đẩy quá trình cháy hoàn toàn, dẫn đến lƣơng CO trong khí thải giảm. Bên cạnh đó, hàm lƣợng C thấp hơn trong các hỗn hợp làm giảm sự hình thành CO trong khí thải. Mức giảm phát thải CO cực đại ở 100% tải và tốc độ 3500 v/ph là từ 32% với DE5 đến 54% với DE10B5, và theo chế độ tải tại tốc độ 2000 v/ph lên đến 32% với tất cả các hỗn hợp. Tính trung bình, lƣợng phát thải CO giảm 30,1%, 36,6%, 22,4%, 34,4% theo đƣờng đặc tính ngoài và lƣợng phát thải CO giảm 16,9%, 9,7%, 12,8%, 14,7% theo đƣờng đặc tính tải ở 2000 v/ph, tƣơng ứng với DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 so với diesel.
98
Bảng 4.5. Phát thải CO theo đường đặc tính ngoài
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 485,63 791,63 790,46 991,88 984,75 1570,00 935,73
DE5 370,30 578,20 534,60 680,59 648,10 1067,40 646,53
DE10 340,01 558,13 537,15 586,99 556,95 880,94 576,70
Phát thải CO (ppm) DE5B5 500,60 646,80 601,50 895,05 625,10 804,10 678,86
DE10B5 326,75 522,30 551,60 648,77 593,30 1016,00 609,79
với -23,7 -27,0 -32,4 -31,4 -34,2 -32,0 -30,1 so DE5 diesel (%)
so với -30,0 -29,5 -32,0 -40,8 -43,4 -43,9 -36,6 DE10 diesel (%)
3,1 -18,3 -23,9 -9,8 -36,5 -48,8 -22,4 DE5B5 so với diesel (%)
-32,7 -34,0 -30,2 -34,6 -39,8 -35,3 -34,4 DE10B5 so với diesel (%)
Hình 4.18. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài
Bảng 4.6. Phát thải CO theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
% tải 25 50 75 100 Trung bình
Diesel 333,0 230,66 403,70 790,46 439,5
DE5 220,29 335,00 534,60 344,3 Phát thải CO (ppm) DE10 231,75 365,10 537,15 368,6
287,3 0 340,5 0
99
DE5B5 228,47 364,30 601,50 368,0
DE10B5 221,96 363,04 551,60 355,2
277,7 0 284,3 0 -13,7 DE5 so với diesel (%) -4,5 -17,0 -32,4 -16,9
DE10 so với diesel (%) 2,3 0,5 -32,0 -9,7 -9,6
DE5B5 so với diesel (%) -16,6 -0,9 -23,9 -12,8 -9,8
DE10B5 so với diesel (%) -14,6 -3,8 -10,1 -30,2 -14,7
Hình 4.19. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
Hàm lƣợng phát thải HC giảm đáng kể khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu so với nhiên liệu diesel (Hình 4.20, Hình 4.21). Kết quả này phù hợp với việc giảm lƣợng khí thải CO nhƣ trên, do quá trình cháy với các hỗn hợp đƣợc cải thiện đáng kể. Phát thải HC giảm cực đại tại 100% tải và tốc độ trung bình từ 2000 v/ph đến 2500 v/ph, tức là khoảng 60% cho các hỗn hợp DE10 và DE10B5. Trung bình lƣợng phát thải HC khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 giảm 37,2%, 46,3%, 33,5%, 43,3% theo đƣờng đặc tính ngoài và 25%, 20%, 43%, 35,8% theo đƣờng đặc tính tải ở 2000 vòng/phút, so với nhiên liệu diesel. Bảng 4.7. Phát thải HC theo đường đặc tính ngoài
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 48,65 66,84 97,72 160,1 136,00 92,48 100,03
0 25,75 38,20 51,47 89,59 89,29 85,70 63,33 DE5
25,76 36,34 51,79 64,05 70,37 65,09 52,23 DE10 Phát thải HC (ppm)
DE5B5 22,90 36,80 53,10 110,3 102,04 91,40 69,43
4
100
DE10B5 24,31 39,36 56,29 67,97 74,96 70,26 55,53
DE5 so với diesel (%) -47,1 -42,8 -47,3 -44,0 -34,3 -7,3 -37,2
-47,1 -45,6 -47,0 -60,0 -48,3 -29,6 -46,3 DE10 so với diesel (%)
-52,9 -44,9 -45,7 -31,1 -25,0 -1,2 -33,5 DE5B5 so với diesel (%)
-50,0 -41,1 -42,4 -57,5 -44,9 -24,0 -43,3 DE10B5 so với diesel (%)
Hình 4. 20. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài
Bảng 4. 8. Phát thải theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
% tải 25 50 75 100 Trung bình
Diesel 47,17 37,20 57,10 97,72 59,80
DE5 36,70 32,20 47,43 51,47 41,95
DE10 39,10 35,70 50,30 51,79 44,22
DE5B5 25,24 21,78 35,16 53,10 33,82 Phát thải HC (ppm)
DE10B5 30,80 25,73 36,89 56,29 37,43
DE5 so với diesel (%) -22,2 -13,4 -16,9 -47,3 -25,0
DE10 so với diesel (%) -17,1 -4,0 -11,9 -47,0 -20,0
DE5B5 so với diesel (%) -46,5 -41,5 -38,4 -45,7 -43,0
DE10B5 so với diesel (%) -34,7 -30,8 -35,4 -42,4 -35,8
101
Hình 4.21. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
Hàm lƣợng phát thải NOx giảm nhẹ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu tại tất cả các chế độ thử nghiệm (Hình 4.22). Do sự hình thành khí thải NOx phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ cực đại của quá trình cháy và lƣợng oxy sẵn có trong môi chất cháy. Khi pha trộn một lƣợng nhỏ ethanol và diesel sinh học vào diesel một mặt bổ sung một lƣợng oxy nhỏ vào hỗn hợp nhiên liệu có thể dẫn đến tăng hàm lƣợng NOx. Tuy nhiên, ethanol có nhiệt hóa hơi cao hơn (840 kJ/kg) so với diesel (270 kJ/kg) có thể gây ra nhiệt độ đốt cháy thấp hơn trong xi lanh cho diesel pha trộn ethanol, và kết quả là ngăn chặn hình thành NOx. Bên cạnh đó, hỗn hợp nhiên liệu có nhiệt trị và trị số cetane thấp nên thời gian cháy trễ kéo dài, cùng với nhiệt trị thấp hơn làm giảm nhiệt độ cực đại trong chu trình dẫn tới lƣợng NOx giảm. Cụ thể theo đƣờng đặc tính ngoài hàm lƣợng NOx lần lƣợt tăng trung bình 0,83%, 7,39% với DE5, DE10 và giảm trung bình lần lƣợt 2,9% và 4,6% với DE5B5, DE10B5 và theo đặc tính tải ở 2000 v/ph hàm lƣợng NOx lần lƣợt tăng trung bình 1,98%, 8,59% với DE5, DE10 và giảm trung bình lần lƣợt 4,58% và 7,46% với DE5B5, DE10B5 so với nhiên liệu diesel (Hình 4.23).
Bảng 4.9. Phát thải NOx theo đường đặc tính ngoài
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 247,8 304,7 289,8 262,1 257,0 253,6 269,12
DE5 248,1 308,5 292,7 264,6 258,5 256,3 271,5
DE10 263,0 334,2 315,3 278,9 275,0 269,6 289,3
Phát thải NOx (ppm) DE5B5 242,1 397,2 279,5 254,3 250,5 245,1 261,45
DE10B5 236,7 291,2 272,5 250,8 246,8 242,2 256,70
0,12 1,25 1,00 0,95 0,58 1,06 0,83 DE5 so với diesel (%)
102
so với 6,13 9,68 8,80 6,41 7,00 6,31 7,39 DE10 diesel (%)
so với -2,30 -2,46 -3,55 -2,98 -2,53 -3,35 -2,9 DE5B5 diesel (%)
-4,48 -4,43 -5,97 -4,31 -3,97 -4,50 -4,6 DE10B5 so với diesel (%)
Hình 4.22. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài
Bảng 4.10. Phát thải NOx theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
% tải 25 50 75 100 Trung bình
Diesel 179,2 312,1 352,5 289,8 283,4
DE5 183,2 316,8 363,7 292,7 289,1
DE10 195,3 337,2 382,6 315,3 307,6
Phát thải NOx (ppm) DE5B5 168,8 297,6 337,3 279,5 270,8
DE10B5 163,5 288,3 326,1 272,5 262,6
DE5 so với diesel (%) 2,23 1,51 3,18 1,0 1,98
DE10 so với diesel (%) 8,98 8,04 8,54 8,8 8,59
DE5B5 so với diesel (%) -5,80 -4,65 -4,31 3,55 -4,58
-8,76 -7,63 -7,49 5,97 -7,46 DE10B5 so với diesel (%)
103
Hình 4.23. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph Độ khói của động cơ theo đƣờng đặc tính ngoài và đặc tính tải ở tốc độ 2000 v/ph đƣợc so sánh (Hình 4.24, Hình 4.25). Giá trị lambda theo đặc tính tải ở 2000 v/ph khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu thay đổi không đáng kể (Hình 4.27). Tuy nhiên ở chế độ toàn tải giá trị lambda của hỗn hợp nhiên liệu cao hơn khoảng 6% đến 10% so với diesel theo đƣờng đặc tính ngoài mức giảm trung bình tƣơng ứng là 25,5%, 34,1%, 24,1%, 29,5% (Hình 4.26). Tƣơng tự theo đặc tính tải tại 2000 v/ph độ khói giảm trung bình lần lƣợt 10,2%, 14,2%, 11,5%, 12% (Hình 4.25). Điều này đƣợc giải thích bởi lƣợng ôxy sẵn có trong nhiên liệu đã làm giảm những vùng hỗn hợp giàu oxy, có tỷ lệ C/H nhỏ hơn so với diesel thông thƣờng dẫn tới giảm sự hình thành muội than. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của G.Venkata Subbaiah [23], Bang-Quang He [24], Su Han Park [37], T.Krishnaswamy [40], Czerwinski [41], Nadir Yilmaz [42]. Các nghiên cứu này cho thấy khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol thì mô men có xu hƣớng giảm, suất tiêu hao nhiên liệu có xu hƣớng tăng, phát thải CO, HC và smoke giảm, phát thải NOx tăng, tuy nhiên khi bổ sung thêm biodiesel thì CO, HC và smoke giảm, phát thải NOx cải thiện một phần Bảng 4.11. Smoke theo đường đặc tính ngoài
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 3,89 3,98 3,30 3,09 2,83 3,58 3,45
DE5 3,09 3,32 2,62 2,25 2,09 2,07
DE10 2,64 3,02 2,49 2,03 1,71 1,78 2,57 2,28 Smoke (FSN)
DE5B5 2,76 3,32 2,63 2,40 2,09 2,01 2,54
DE10B5 2,66 3,15 2,66 2,27 1,95 1,89
-20,6 -16,6 -20,6 -27,2 -26,1 -42,2 2,43 -25,5 DE5 so với diesel (%)
so với -32,1 -24,1 -24,5 -34,3 -39,6 -50,3 -34,1 DE10 diesel (%)
104
so với -29,1 -16,6 -20,3 -22,3 -26,1 -43,9 -26,4 DE5B5 diesel (%)
-31,6 -20,9 -19,4 -26,5 -31,1 -47,2 -29,5 DE10B5 so với diesel (%)
Hình 4.24. Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài
Bảng 4.12. Smoke khi theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
% tải 25 50 75 100 Trung bình
Diesel 1,07 1,38 2,20 3,30 2,0
DE5 0,99 1,30 2,05 2,62 1,7
DE10 1,0 1,24 1,86 2,49 1,6 Somke (FSN)
DE5B5 0,97 1,20 2,13 2,63 1,7
DE10B5 0,91 1,24 2,12 2,66 1,7
DE5 so với diesel (%) -7,5 -5,8 -6,8 -20,6 -10,2
DE10 so với diesel (%) -6,5 -10,1 -15,5 -24,5 -14,2
DE5B5 so với diesel (%) -9,3 -13,0 -3,2 -20,3 -11,5
DE10B5 so với diesel (%) -15,0 -10,1 -3,6 -19,4 -12,0
105
Hình 4.25. Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph Bảng 4.13. Giá trị lambda theo đường đặc tính ngoài
Tốc độ n (v/ph) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Trung bình
Diesel 1,45 1,38 1,32 1,30 1,24 1,21 1,32
DE5 1,50 1,47 1,40 1,39 1,38 1,26 1,40
Lambda DE10 1,50 1,51 1,48 1,45 1,47 1,32 1,46
DE5B5 1,50 1,47 1,40 1,41 1,39 1,26 1,41
DE10B5 1,51 1,52 1,45 1,46 1,43 1,30 1,45
3,4 6,5 6,1 6,9 11,3 4,1 6,40 DE5 so với diesel (%)
3,4 9,4 12,1 11,5 18,5 9,1 10,67 DE10 so với diesel (%)
so với 3,4 6,5 6,1 8,5 12,1 4,1 6,78 DE5B5 diesel (%)
so với 4,1 10,1 9,8 12,3 15,3 7,4 9,8 DE10B5 diesel (%)
106
Hình 4.26. Giá trị Lambda theo đường đặc tính ngoài
Bảng 4.14. Giá trị Lambda theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
% tải 25 50 75 100 Trung bình
Diesel 4,90 2,73 1,88 1,32 2,7
DE5 5,00 2,87 1,97 1,40 2,8
Lambda DE10 5,50 3,02 2,04 1,48 3,0
DE5B5 5,03 2,87 1,97 1,40 2,8
DE10B5 5,12 2,92 1,95 1,45 2,9
DE5 so với diesel (%) 2,0 5,1 4,8 6,1 4,5
DE10 so với diesel (%) 12,0 10,1 8,1 11,4 10,4
DE5B5 so với diesel (%) 2,7 5,1 4,8 6,1 4,7
DE10B5 so với diesel (%) 4,5 7,0 3,7 9,8 6,3
107
Hình 4.27. Giá trị Lambda theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph
Số hạt trong khí thải khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel đƣợc đo ở mỗi chế độ từ 1000 v/ph đến 3500 v/ph với tất cả các nhiên liệu (Bảng 4.15). Kết quả cho thấy khi sử dụng DE5, DE10, DE5B5, DE10B5 tạo ra số hạt thấp hơn nhiên liệu diesel trong hầu hết các trƣờng hợp. Trung bình, số hạt giảm 13,12%, 28,70%, 9,34% và 19,26% với DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 so với nhiên liệu diesel (Hình 4.28, Hình 4.29). Kết quả này phù hợp với việc giảm độ khói đƣợc đề cập ở trên và một lần nữa cho thấy quá trình đốt cháy với DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 tốt hơn so với động cơ diesel thông thƣờng.
Tổng số hạt (số hạt/cm3)
DE5
DE10
DE5B5
DE10B5
Tốc
so với
so với
so với
so
với
độ n
diesel
diesel
diesel
diesel
Diesel
DE5
DE10
DE5B5
DE10B5
(v/ph)
(%)
(%)
(%)
(%)
1000
-13,10
-25,79
-8,70
-20,15
2,41.108
2,10.108
1,79.108
2,21. 108
1,93.108
1500
-13,26
-31,81
-11,07
-22,06
2,43.108
2,11.108
1,65.108
2,16. 108
1,89.108
2000
-11,17
-24,49
-8,23
-15,44
2,23.108
1,98.108
1,68108
2,05. 108
1,89.108
2500
-11,46
-30,34
-7,83
-17,05
2,68.108
2,37.108
1,8108
2,47. 108
2,23.108
3000
-15,58
-31,30
-10,69
-21,31
3,18.108
2,68.108
2,18.108
2,84. 108
2,51.108
3500
-14,15
-28,48
-9,52
-19,55
3,49.108
2,99.108
2,49.108
3,15. 108
2,81.108
Trung
2,74.108
2,38.108
1,95.108
2,48.108
2,09.108
-13,12
-28,70
-9,34
-19,26
bình
Bảng 4.15. Số hạt theo đường đặc tính ngoài
108
Hình 4.28. Số hạt và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài
Hình 4.29. Số hạt trung bình trong khí thải theo đường đặc tính ngoài
Các kết quả trên cho thấy trƣờng hợp sử dụng hỗn hợp DE10B5 mô men động cơ giảm 1,1% so với diesel trong khi các thành phần phát thải đƣợc cải thiện đáng kể, CO giảm 34,4%, HC giảm 43,3%, NOx giảm 4,6% và muội than giảm 29,5%. Nhƣ vậy hỗn hợp nhiên liệu với tỷ lệ phối trộn 10%ethanol, 5%biodiesel trong diesel là hợp lý nhất để thay thế cho diesel khoáng sử dụng trên động cơ diesel.
Từ kết quả thử nghiệm lựa chọn đƣợc hỗn hợp nhiên liệu DE10B5 hợp lý nhất, đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ đồng thời giảm đáng kể các thành phần độc hại trong khí thải cho động cơ diesel đang lƣu hành. Để kiểm tra lại độ tin cậy của mô hình mô phỏng với nhiên liệu DE10B5, NCS tiến hành so sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm.
Kết quả tính toán mô men, suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực
nghiệm khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5 trình bày ở Bảng 4.16
Bảng 4. 16. So sánh kết quả mô phỏng MP và thực nghiệm TN mô men, suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng DE10B5
109
Me (N.m) ge (g/kW.h) Sai lệch (%) Sai lệch (%)
Tốc độ n (v/ph) TN MP TN MP
1000 119,76 -4,95 248,81 258,65 3,96
8,28 1500 126 140 131,15 -6,32 245,52 265,85
9,52 2000 145 134,37 -7,33 236,24 258,72
5,03 2500 140 134,20 -4,15 250,26
4,19 3000 134 126,14 -5,97 270,36
10,15 3500 129 114,65 -11,12 295,86
262,85 281.68 281,68 325.89 325,89 275,61 6,85 135,7 126,69 -6,64 257,84 Trung bình
Kết quả tính toán các thành phần phát thải CO giữa mô phỏng và thực
nghiệm khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5 trình bày ở Bảng 4.17
Bảng 4. 17. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm TN) thành phần phát thải CO khi sử dụng DE10B5
Tốc độ n CO (ppm) Sai lệch (%) (v/ph) TN MP
326,75 296,71 -9,19 1000
493,62 -5,49 1500
516,08 -6,44 2000
522,30 551,60 648,77 635,70 -2,01 2500
593,30 572,52 -3,5 3000
1016,00 1000,22 -1,55 3500
Trung bình -4,70
Kết quả tính toán các thành phần phát thải NOx giữa mô phỏng và thực
nghiệm khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5 trình bày ở Bảng 4.18 Bảng 4. 18. So sánh kết quả mô phỏng MP và thực nghiệm TN thành phần phát thải NOx khi sử dụng DE10B5
NOx (ppm) Sai lệch (%) Tốc độ n (v/ph) TN MP
246,70 239,16 -3,06 1000
353,20 320,20 -9,13 1500
110
2000 315,50 282,60 -10,43
2500 280,80 277,60 -1,14
3000 264,80 261,49 -1,25
3500 264,20 259,48 -1,79
Trung bình -4,46
Kết quả tính toán các thành phần phát thải soot giữa mô phỏng và thực
nghiệm khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5 trình bày ở Bảng 4.19
Bảng 4. 19. So sánh kết quả mô phỏng MP và thực nghiệm TN thành phần phát thải soot khi sử dụng DE10B5
Soot (mg/kWh) Sai lệch (%) Tốc độ n (v/ph) TN MP
1000 2,66 2,72 2,26
1500 3,15 3,32 2,22
2000 2,66 2,82 6,02
2500 2,27 2,36 3,96
3000 1,95 2,05 5,13
3500 1,90
1,89 Trung bình 0,53 3,35
Kết quả sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy mô men động cơ có sai lệch 6,64% lớn hơn 5%, các thành phần phát thải CO, NOx, soot có sai lệch lần lƣợt 4,70%, 4,46%, 3,35% đều nhỏ hơn 5%. Các kết quả sai lệch về mô men không lớn nên mô hình mô phỏng với nhiên liệu DE10B5 có thể dùng để phục vụ các nghiên cứu tiếp theo. Tuy nhiên để đảm bảo độ tin cậy của mô hình, để phục vụ cho các nghiên cứu khác, trong hƣớng phát triển có thể tiến hành hiệu chỉnh mô hình mô phỏng cho chính nhiên liệu DE10B5 là kết quả nghiên cứu của luận án, thì mô hình cũng nhƣ kết quả mô phỏng sẽ sát thực hơn.
Năm 2018, lƣợng tiêu thụ xăng sinh học E5 cả nƣớc khoảng 3,1 triệu m3, [74], tƣơng đƣơng 2,32 triệu tấn. Nếu bỏ qua chênh lệch về khối lƣợng riêng thì lƣợng ethanol đã sử dụng để phối trộn xăng E5 là khoảng 177.900 m3. Trong khi đó công suất chế biến của các nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu ở Việt Nam là khoảng 400.000 m3/năm. Lƣợng ethanol dƣ thừa là khoảng gần 222.100 m3, điều này dẫn đến các nhà máy sản xuất ethanol phải giảm công suất và hoạt động cầm chừng. Nguyên liệu sắn cung cấp cho các nhà máy cũng trở nên dƣ thừa, giá giảm ảnh hƣởng đến kinh tế và đời sống của ngƣời trồng.
111
Theo số liệu thống kê và dự báo, trung bình nhu cầu tiêu thụ trong nƣớc từ năm 2018 đến năm 2022 khoảng 8,5 triệu tấn dầu diesel/năm [75]. Với giả thiết lƣợng nhiên liệu diesel này đƣợc dùng cho các loại động cơ diesel thì khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5, lƣợng ethanol cần thiết sử dụng để phối trộn là 850 nghìn tấn. Nhƣ vậy nếu sử dụng ethanol phối trộn với diesel sẽ tiêu thụ hết lƣợng ethanol do các nhà máy sản xuất, thậm chí nhu cầu về ethanol cao hơn công suất của các nhà máy. Điều này sẽ thúc đẩy việc đầu tƣ nâng công suất hoặc xây dựng nhà máy mới để sản xuất ethanol, thúc đẩy công tác quy hoạch mở rộng, nâng cao năng suất và sản lƣợng trồng cây nguyên liệu, giảm đáng kể phát thải độc hại và CO2 vào môi trƣờng. Qua đó, góp phần thực hiện mục tiêu Đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ [16].
- Về cấu trúc tia phun, nhiên liệu hỗn hợp DE5, DE10, DE5B5, DE10B5 có chiều dài tia phun ngắn hơn và góc tia phun rộng hơn so với diesel. Qua đó cho thấy khả năng bay hơi và hòa trộn với không khí của hỗn hợp nhiên liệu tốt hơn so với diesel.
- Kết quả thử nghiệm động cơ theo đặc tính ngoài đƣợc dùng hiệu chỉnh mô hình mô phỏng AVL Boost với sai lệch về lớn nhất về mômen, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần phát thải nhỏ hơn 5%.
- Thử nghiệm trên băng thử động cơ nhằm đánh giá ảnh hƣởng của các hỗn hợp bao gồm DE5, DE10, DE5B5, DE10B5 chọn từ kết quả mô phỏng tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel. Kết quả trên đặc tính ngoài so với diesel cho thấy:
+ Với DE5, DE10, mômen động cơ giảm trung bình từ 4,3% đến 6,9%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 4,31%, 6,9% nhƣng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có mô men chỉ giảm không đáng kể từ 0,6% đến 1,1%, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng ít 0,62%, 1,1%.
+ Với DE5, DE10, phát thải CO, HC và smoke giảm tƣơng ứng 30,1%, 36,6%, 37,2%, 46,3% và 25,5%, 34,1% nhƣng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có CO, HC và smoke giảm tƣơng ứng 22,4%, 34,4%, 33,5%, 43,3% và 24,1%, 29,5%. Tuy nhiên, phát thải NOx tăng khi sử dụng DE5, DE10 tƣơng ứng 0,83%, 7,39% nhƣng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có NOx giảm 2,9%, 4,6%.
+ Số hạt giảm 13,12%, 28,70%, 9,34% và 19,26% với DE5, DE10, DE5B5 và
DE10B5. Kết quả theo đặc tính tải tại 2000v/ph so với diesel:
+ Với DE5, DE10, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 2,1%, 3,5% nhƣng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 suất tiêu hao nhiên liệu tăng 1,13%, 1,67%.
112
+ Với DE5, DE10, phát thải CO, HC và smoke giảm tƣơng ứng 16,9%, 9,7%, 25%, 20% và 10,2% , 14,2% nhƣng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có CO, HC và smoke giảm tƣơng ứng 12,8%, 14,7%, 43%, 35,8% và 11,5%, 12%. Tuy nhiên, phát thải NOx tăng khi sử dụng DE5, DE10 tƣơng ứng 1,98%, 8,59% nhƣng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có NOx giảm 4,58%, 7,46%.
- Các kết quả trên cho thấy với DE10B5 mô men động cơ giảm ít, trong khi cải thiện đáng kể tất cả các thành phần khí thải so với diesel, do vậy đây là tỷ lệ phối trộn hợp lý nhất để thay thế cho diesel khoáng sử dụng trên động cơ diesel. Ƣớc tính sơ bộ khi sử dụng DE10B5 thay cho diesel khoáng, lƣợng ethanol tiêu thụ sẽ tăng thêm 850 nghìn tấn.
113
Nhiên liệu ethanol không chỉ đƣợc sử dụng để phối trộn với xăng làm nhiên liệu cho động cơ xăng mà còn có thể phối trộn với diesel cùng với sự có mặt của biodiesel nhƣ chất phụ gia, tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Luận án đã thực hiện nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel với tỷ lệ khác nhau tới tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel Hyundai D4BB.
Kết quả mô phỏng động cơ cho thấy với hỗn hợp diesel-ethanol DE5, DE10 mômen động cơ có xu hƣớng giảm trung bình là: 2,24%, 6,32% với DE5, DE10. Suất tiêu hao nhiên liệu tăng trung bình lần lƣợt là: 1,14%, 4,66%, phát thải CO giảm trung bình 16,06%, 24,96% và soot giảm trung bình 26,09%, 34,56%, tuy nhiên phát thải NOx tăng trung bình 1,04%, 8,14% với DE5, DE10. Với hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5, mômen động cơ có xu hƣớng giảm 1,48%, 4,37%, 7,67%, 9,64%, 13,40% và trung bình suất tiêu hao nhiên liệu tăng tƣơng ứng 1,48%, 4,37%, 7,76%, 9,57%, 12,37%, Mức độ thay đổi càng rõ rệt khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp. Chất lƣợng khí thải đƣợc cải thiện thể hiện qua kết quả giảm các thành phần CO, NOx và soot khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu so với diesel.
Nghiên cứu thực nghiệm động cơ D4BB trên băng thử cho thấy hỗn hợp diesel-ethanol làm giảm mômen động cơ trung bình từ 4,3% đến 6,9% tại 100% tải so với nhiên liệu diesel, nhƣng khi phối trộn 5% biodiesel vào hỗn hợp thì mô men giảm 0,6% đến 1,1%, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng ít 0,62%, 1,1%. Tuy nhiên hàm lƣợng phát thải CO, HC, NOx và khói động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5 giảm tƣơng ứng là 34,4%, 46,3%, 4,6% và 34,1% so với sử dụng diesel.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy với tỷ lệ phối trộn 10% ethanol, 5% biodiesel (DE10B5) tính năng kỹ thuật của động cơ giảm ít (nhỏ hơn 5%) trong khi chất lƣợng khí thải đƣợc cải thiện đáng kể, do vậy đây là tỷ lệ hợp lý để phối trộn hỗn hợp nhiên liệu thay thế cho diesel khoáng sử dụng trên động cơ diesel.
Luận án đã bƣớc đầu cho thấy có khả năng phối trộn ethanol và biodiesel với diesel để thay thế cho nhiên liệu diesel khoáng sử dụng trên các phƣơng tiện đang lƣu hành ở Việt Nam. Kết quả của luận án góp phần thúc đẩy sản xuất và sử dụng ethanol nói riêng, nhiên liệu sinh học nói chung, hƣớng tới hoàn thành các mục tiêu đặt ra trong Đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ.
114
Trong thời gian tới, đề tài cần đƣợc phát triển thêm một số vấn đề sau:
- Nghiên cứu chất lƣợng của hỗn hợp nhiên liệu trong quá trình vận chuyển,
tồn chứa và bảo quản và nghiên cứu lựa chọn phụ gia phù hợp;
- Nghiên cứu tuổi thọ của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel-
ethanol-biodiesel.
115
TÀI LIỆU THAM KHẢO
http://utt.edu.vn/khcb/nghien-cuu-khoa-hoc/mot-so-van-de-ve-viec-su-dung-
http://www.nguoivietdunghangviet.vn/bai-viet/bai-toan-nguyen-lieu-cho-san-
[1] ethanol-lam-nhien-lieu-cho-xe-co-gioi-o-viet-nam-a7202.html. [2] Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng (2008), Nhiên liệu sạch và các quá trình xử l trong hóa dầu. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [3] https://hoachatvancao.vn/quy-trinh-cong-nghe-san-xuat-con-ethanol/. [4] xuat-con-ethanol.493/. [5] Lê Anh Tuấn (2009), Thử nghiệm nhiên liệu gasohol E5 và E10 trên ôtô và xe máy, Báo cáo kết quả hợp đồng số: 05-7 HÐ ÐHBK-PTN ÐCÐT. [6] Khổng Văn Nguyên (2019), Nghiên cứu điều khiển hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu CommonRail (CR) khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel. Luận án TSKT, Đại học Bách khoa Hà Nội. [7] C.Kadas (1993), Dầu mỡ bôi trơn. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [8] Ðinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng (2008), Nhiên liệu sạch và các quá trình xử lý trong hoá dầu. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. [9] Lê Thị Thanh Hƣơng (2001). Nghiên cứu tổng hợp biodiesel bằng phản ứng ancol phân từ mỡ cá da trơn ở đồng bằng sông Cửu Long trên xúc tác axit và bazơ. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh. [10] Phạm Hữu Truyền (2014), Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio- etanol sử dụng trên động cơ xăng. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật cơ khí động lực Đại học Bách khoa Hà Nội. [11] https://www.afdc.energy.gov/data/10325 [12] World Fuel Ethanol Production Truy cập ngày 02-08-2016, tại trang web http://ethanolrfa.org/resources/industry/statistics/ #1454098996479-8715d404-e546. [13] USDA Foreign Agricultural Service (2017) EU Biofuels Annual 2017. EU-28 [14] USDA Foreign Agricultural Service (2017), Thailand Biodiesel Annual 2017. Thailand. [15] USDA Foreign Agricultural Service (2017), Indonesia Biofuels Annual Report 2017. Indonesia. [16] Quyết định số 177/2007/ QĐ-TTg của Thủ tƣớng Chính phủ về việc phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025. [17] Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg của Thủ tƣớng Chính phủ về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống. [18] https://cafef.vn/vi-sao-co-7-nha-may-san-xuat-nhung-chi-mot-cong-ty-quyet- dinh-so-luong-xang-e5-o-viet-nam-20180427100053261.chn. [19] http://www.congthuong.hochiminhcity.gov.vn (27/5/2009) Nhiên liệu sinh học ngành công nghệ tương lai, Ngọc Duy.
116
[20] http://snnptnt.kiengiang.gov.vn/tin-lam-nghiep/chitiet/1075/su-dung-cac-loai- cay-nong-lam-nghiep-san-xuat-nhien-lieu-sinh-hoc. [21] D.C. Rakopoulos, C.D. Rakopoulos, E.C. Kakaras, E.G. Giakoumis (2008) Effects of ethanol-diesel fuel blends on the performance and exhaust emissions of heavy duty DI diesel engine, Energy Conversion and Management, Vol. 49, 2008, 3155-3162. [22] 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. [23] G. Venkata Subbaiah, K. Raja Gopal and Syed Altaf Hussain (2010), The Effect of Biodiesel and Bioethanol Blended Diesel Fuel on the Performance and Emission Characteristics of a Direct Injection Diesel Engine, Iranica Journal of Energy & Environment 1, ISSN 2079-2115, Vol. 3, 211-221. [24] Bang-Quan He, Jian-Xin Wang, Xiao-Guang Yan, Xin Tian and Hu Chen (2003), Study on Combustion and Emission Characteristics of Diesel Engines Using Ethanol Blended Diesel Fuels. SAE International by National Taipei University of Technology, ISSN 0148-7191, 2003-01-0762. [25] M.A.Fazal, A.S.M.A.Haseeb, H.H.Masjuki (2011), Biodiesel feasibility study: An evaluation of material compatibility; performance, emission and engine durability, Contents lists available at ScienceDirect, Pages 1314-1324. [26] Ekrem Buyukkaya (2010), Effects of biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics, Contents lists available at ScienceDirect. [27] B. Tesfa. R. Mishra, F. Gu, A. D. Ball (2011), Combustion Characteristics of CI Engine Running with Biodiesel Blends, Las Palmas de Gran Canaria (Spain), 13th to 15th April. [28] Hansen AC, Gratton MR, Yuan W (2006). Diesel engine performance and NOx emissions from oxygenated biofuels and blends with diesel fuel, Trans ASABE 2006;49:589–95. [29] Wu F, Wang J, Chen W, Shuai S (2009), A study on emission performance of a diesel engine fueled with five typical methyl ester biodiesel, Atmos Environ; 43:1481-5. [30] Sahoo PK, Das LM, Babu MKG, Arora P, Singh VP, Kumar NR, et al (2009), Comparative evaluation of performance and emission characteristics of jatropha, karanja and polanga based biodiesel as fuel in a tractor engine, Fuel;88:1698-707. [31] Krahl J, Munack A, Schroder O, Stein H, Bunger J (2003), Influence of biodiesel and different designed diesel fuels on the exhaust gas emissions and health effects, SAE paper, 2003-01-3199. [32] Raheman H, Phadatare AG (2004, Diesel engine emissions and performance from blends of karanja methyl ester and diesel, Biomass Bioenergy; 27:393-7.
117
[33] Lin B-F, Huang J-H, Huang D-Y (2009), Experimental study of the effects of vegetable oil methyl ester on DI diesel engine performance characteristics and pollutant emissions, Fuel; 88:1779-85. [34] Yu Zhang, Jon H Van Gerpen (1996), Combustion Analysis of Esters of Soybean Oil in a Diesel Engine, SAE paper 960-765. [35] Sinha S, Agarwal AS (2005), Combustion Characteristics of Rice Bran Oil Derived Biodiesel in a Transportation Diesel Engine, SAE paper 26-354. [36] M. Al-Hassan, H. Mujafet, M.Al-Shannag (April 2012), An Experimental Study on the Solubility of a diesel-ethanol Blend and on the Performance of a diesel Engine Fueled with diesel-biodiesel-ethanol Blends, Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Volume 6, Number 2, ISSN 1995-6665. [37] Su Han Park, Junepyo Cha, and Chang Sik Lee* (2010), Effects of Bioethanol- Blended Diesel Fuel on Combustion and Emission Reduction Characteristics in a Direct-Injection Diesel Engine with Exhaust Gas Recirculation (EGR), Energy Fuels 2010, 24, 3872-3883. [38] Qiang Fang, Junhua Fang, Jian Zhuang, Zhen Huang (2013), Effects of ethanol-diesel-biodiesel blends on combustion and emissions in premixed low temperature combustion, Applied Thermal Engineering 54, 541-548. [39] X. Shi, Y. Yu, H. He, S. Shuab, J. Wang, R. Li (2005), Emission characteristics using methyl soyate-ethanol-diesel fuel blends on a diesel engine, Fuel, Vol. 84, 1543-1549. [40] T. Krishnaswamy, N. Shenbaga Vinayaga Moorthi (2012), Performance evaluation of diesel engine with oxygennated biofuel blends, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 7, No.1 ISSN 1819-6608. [41]. Czerwinski J, (1994), Performance of HD-DI-diesel engine with addition of ethanol and rapeseed oil, SAE Paper 940545. [42] Nadir Yilmaz (2012), Comparative analysis of biodiesel-ethanol-diesel and biodiesel-methanol-diesel blends in a diesel engine, Energy, Vol 40, 2012, 210-213. [43] Nguyễn Tuấn Nghĩa (2015), Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học sản xuất tại Việt Nam đến tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ, Luận án Tiến sĩ, 2015. [44] Nguyễn Hoàng Vũ and Báo cáo tổng kết đề tài NCKH và PTCN cấp Nhà nƣớc Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học B10 và B20 cho phương tiện cơ giới quân sự, Mã số ĐT.06.12/NLSH (thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025). [45] Phạm Hữu Truyền (2014), Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio- ethanol sử dụng trên động cơ xăng, Luận án Tiến sĩ, 2014. [46] Lê Danh Quang (2014), Nghiên cứu ảnh huởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ, Luận án Tiến sĩ, 2014. [47] Nguyễn Thành Bắc (2017), Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, Đại học Bách khoa Hà Nội, Luận án TSKT.
118
[50] Gvidonas Labeckas, Stasys Slavinskas, Marius Mazˇeika (2014), The effect of ethanol-diesel-biodiesel blends on combustion, performance and emissions of a direct injection diesel engine, Energy Conversion and Management 79 (2014) 698–720 [51] Lƣơng Đức Nghĩa (2013), Nghiên cứu đánh giá đặc tính kinh tế kỹ thuật của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu diesel pha cồn, Luận văn Thạc sĩ-Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. [52] Alan C. Hansen, Qin Zhang, Peter W.L. Lyne b (2005), Ethanol-diesel fuel blends -a review, Bioresourse Technology, Vol. 96, Elservier, (2005) 277-285. [53] Nadir Yilmaz, Francisco M. Vigil, A. Burl Donaldson, Tariq Darabseh (2013, Investigation of CI engine emissions in biodiesel–ethanol–diesel blends as a function of ethanol concentration, Fuel, Elservier,(2013) [54] M. Mofijur*, M.G. Rasul, J. Hyde (2015), Recent Developments on Internal Combustion Engine Performance and Emissions Fuelled With Biodiesel-Diesel- Ethanol Blends, ScienceDirect, Procedia Engineering 105 (2015) 658-664. [55] S.A. Shahir, H.H. Masjuki, M.A. Kalam, A. Imran, I.M. Rizwanul Fattah, A. Sanjid (2014), Feasibility of diesel–biodiesel–ethanol/bioethanol blend as existing CI engine fuel: An assessment of properties, material compatibility, safety and combustion, Renewable and Sustainable Energy Reviews 32 (2014) 379-395. [56] Nguyễn Tất Tiến (2003), Nguyên l động cơ đốt trong. Nhà xuất bản Giáo dục. [57] Phạm Minh Tuấn (2008), Lý thuyết động cơ đốt trong. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. [58] Lê Viết Lƣợng (2001), Lý thuyết động cơ Điezen. Nhà xuất bản giáo dục. [59] Bang-Quan He, Jian-Xin Wang, Xiao-Guang Yan, Xin Tian and Hu Chen (2003) Study on Combustion and Emission Characteristics of Diesel Engines Using Ethanol Blended Diesel Fuels, SAE International by National Taipei University of Technology, ISSN 0148-7191, 2003-01-0762. [60] Carten Baumgarten (2006). Mixture formation in internal cobustion engines, Germany. [61] Sinha S, Agarwal AS (2005), Combustion Characteristics of Rice Bran Oil Derived Biodiesel in a Transportation Diesel Engine. SAE paper 2005-26-354.
[48] Nguyen The Luong, Pham Huu Tuyen, Vu Khac Thien, Luong Duc Nghia (2013), An Experimental Study on the Performance and Emissions of Diesel Engine Fuelled by Ethanol-Diesel Blends, Proceedings of The 3rd International Conference on Sustainable Energy, ISBN: 978-604-73-1990-9. [49] Chong_Lin Song, Ying-Chao Zhou, Rui-Jing Huang, Yu-Qiu Wang, Qi-Fei Huang, Gang Lu, Ke-Ming Liu (2007), Influence of ethanol-diesel blended fuels on diesel exhaust emissions and mutagenic and genotoxic activites of particulate extracts, Journal of hazardous Materials 149 (2007) 355-363, Available online 8 April 2007.
119
[62] Su Han Park†, Se Hun Kim† and Chang Sik Lee*‡ (2009), Mixing Stability and Spray Behavior Characteristics of Diesel-Ethanol-Methyl Ester Blended Fuels in a Common-Rail Diesel Injection System, Energy Fuels 2009, 23, 5228-5235. [63] AVL Boost Theory, version 2011. [64] L. Savadkoohi, Research and assessment of applying Dimethyl Ether “DME” extracted from natural gas “NG”, on diesel engine as a clean fuel. Department of Mechanical Research, Iranian Research Organization for Science and Technology Institute of Advanced Technology, Tehran, Iran Savadkohi@irost.com, Dr savadkohi@yahoo.com. [65] Users guide- AVL Boost version 2011.1. [66] P.A. Lakshminarayanan, Yogesh V. Aghav (2010). Modelling Diesel Combustion. Springer [67] https://dieselnet.com/standards/eu/ld.php [68] Phạm Minh Tuấn (2013), Khí thải động cơ và ô nhiễm môi trường, NXB KHKT, 2013. [69] Monika Sharma, et al. (2013), Solvent extraction of aromatic components from petroleum derived fuels: a perspective review, RSC Advances, 2013, 3, 10103 [70] Kittelson D.B., Sampling and Dilution issues, ACES Workshop, Denver, 2003 [71] Kittelson D.B., Sampling and Dilution issues, ACES Workshop, Denver, 2003; http://www.dieselnet.com/tech/dpm_size.html; Samaras Z., et al., Characterisation of exhaust particulate emissions from road vehicles (PARTICULATES), Final Publishable Report by order of the European Commission-DG TrEn, Contract No 2000-RD.11091, 2005 [72] Andersson J., et al., Particle measurement programme (PMP) light duty inter- laboratory corelation exercise (ILCE_LD) final report, 2007; United Nation, Amendments to UNECE regulations No. 83, 2008. [73] Industrial Engine Development Team (2004), Model D4BB Shop Manual (for industrial use), Hyundai Motor Co., Inc. [74] https://vtc.vn/tieu-thu-xang-e5-giam-ar506753.html. [75] https://bsr.com.vn/vi/can-doi-cung-cau-xang-dau-thi-truong-viet-nam.htm.
120
1. Nguyễn Văn Nhỉnh, Phạm Minh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến (2017), Nghiên cứu mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel- ethanol-biodiesel, Tạp chí cơ khí Việt Nam (ISSN: 0866-7056), số đặc biệt tháng 3 năm 2017, Tr 260-266; 2. Nguyen Van Nhinh, Pham Minh Tuan, Pham Huu Tuyen (2018), Effect of Diesel-Ethanol Blends as Fuels on Performance and Emissions of a Diesel Truck Engine, Journal of Science and Technology (ISSN 2354-1083), 130 (2018) pp. 060-064; 3. Nguyễn Văn Nhỉnh, Phạm Minh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến (2018), Nghiên cứu đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel- ethanol-biodiesel, Tạp chí cơ khí Việt Nam (ISSN: 0866-7056), Tổng hội cơ khí Việt Nam; Số đặc biệt 10/2018; Tr 29-33; 4. Pham Huu Tuyen, Pham Minh Tuan, Nguyen Van Nhinh (2020) Experimental Study On Performance And Emissions Of A Diesel Engine Using Ethanol And Biodiesel Blended Diesel Fuels, Journal of Mechanical Engineering Research and Developments (ISSN: 1024-1752), Vol. 43, No. 1, pp. 180-189, Scopus. 5. Phạm Hữu Tuyến, Phạm Minh Tuấn, Nguyễn Văn Nhỉnh (2020), Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel với tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel, Tạp chí khoa học và công nghệ các Trƣờng Đại học kỹ thuật (ISSN 2354-1083), số 145, Tr 064-069. 6. Thành viên đề tài nghiên cứu cấp cơ sở (2018), Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel, chủ nhiệm đề tài PGS.TS Phạm hữu Tuyến, mã số đề tài T2018-PC-041, đề tài đƣợc nghiệm thu tháng 7/2020.
121
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 1-PL PHỤ LỤC 1. CÁC THÔNG SỐ TRONG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ D4BB .................................................................................................................... 1-PL Phụ lục 1.1. Nhập các thông số kết cấu cho phần tử xy lanh ............................... 1-PL Phụ lục 1.2. Điều kiện biên và các thông số nhập cho mô hình ........................... 1-PL Phụ lục 1.3. Nhập các thông số lựa chọn mô hình cháy ....................................... 1-PL Phụ lục 1.4. Nhập các thông số của mô hình cháy AVL MCC ............................ 2-PL Phụ lục 1.5: Các tham số mô hình truyền nhiệt Woschini 1978 của động cơ D4BB ............................................................................................................................. .2-PL Phụ lục 1.6. Các tham số của mô hình phát thải của động cơ D4BB ................... 3-PL PHỤ LỤC 2. CÁC BƢỚC ĐỊNH NGHĨA NHIÊN LIỆU MỚI TRONG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ......................................................................................................... 3-PL Phụ lục 2.1. Xây dựng mô hình nhiên liệu cho biodiesel ..................................... 3-PL Phụ lục 2.2. Xây dựng mô hình nhiên liệu cho DE5B5 ....................................... 7-PL Phụ lục 2.3. Xây dựng mô hình nhiên liệu cho DE10B5 ..................................... 9-PL Phụ lục 2.4. Xác định các hệ số a1 đến a7 cho nhiên liệu biodiesel .................... 13-PL PHỤ LỤC 3. MỘT SỐ TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM ............................ 13-PL Phụ lục 3.1. MÁY KHUẤY SỬ DỤNG BẰNG KHÍ NÉN............................... 13-PL Phụ lục 3.2. Cảm biến Lambda LSU 4.9 ............................................................ 14-PL PHỤ LỤC 4. CÁC TRANG THIẾT BỊ ĐẾM SỐ LƢỢNG HẠT TRONG KHÍ THẢI ................................................................................................................... 15-PL Phụ lục 4.1. Hệ thống lấy mẫu ........................................................................... 15-PL Phụ lục 4.2. Thiết bị đếm hạt DiSC mini ........................................................... 19-PL
122
TT Thông số Đơn vị Giá trị Ghi chú
1 Bore (đƣờng kính) mm 91,1
2 Stroke (hành trình) mm 100
3 Compression ratio (tỉ số nén) - 22
158 4 Con-rod Length (chiều dài thanh truyền) mm
5 mm 0 Piston pin offset (độ lệch của đƣờng tâm xylanh so với tâm trục khuỷu
6 Effective Blow by Gap (khe hở lọt khí) mm 0,015
TT Thông số Đơn vị Ghi chú Giá trị
1 Initial Condition at EO (điều kiện khởi đầu tại thời điểm xu páp xả mở)
2 Pressure (áp suất) 4
3 Temperature (nhiệt độ) 825 bar C
4 Initial Gas Composition (thành phần khí khởi đầu)
5 Ratio Type (loại tỷ lệ) Tỷ lệ A/F 20
6 Fuel Vapour (hơi nhiên liệu) 0 -
7 Combustion Products (sản phẩm cháy) 0,6 -
TT Thông số Giá trị Ghi chú Đơn vị
1-PL
1 Heat Release (tính hệ số truyền nhiệt) - AVL MCC Model
2 Mixture Preparation (chuẩn bị hỗn hợp) - Internal
3 Fuel Temperature (nhiệt độ nhiên liệu) C 25
TT Thông số Đơn vị Giá trị Ghi chú
1 Number of Injector Holes - 4
2 Hole Diameter mm 0,3
3 Discharge Coefficient - 0,5
4 Rail Pressure bar 220
5 Ignition Delay Calibration Factor - 1,31
6 Combustion Parameter - 0,5
7 Tubulence Parameter - 2,1
8 Dissipation Parameter - 0,5
9 EGR Influence Parameter 1
10 Premixed Combustion Parameter - 0,5
TT Tham số của mô hình truyền nhiệt Đơn vị Giá trị Ghi chú
1 Mô hình nạp thải (ports) Zaft
2 Piston (piston)
3 Diện tích bề mặt (surface Area) mm2 9498,5
4 Nhiệt đô vách (wall Temperature) °C 450
số hiệu chỉnh Piston (piston 5 - 1 Hệ Calibration Factor)
6 Nắp xy lanh (cylinder Head)
7 Diện tích bề mặt (surface Area) mm2 9490
8 Nhiệt đô vách (wall Temperature) °C 470
2-PL
số hiệu chỉnh piston (piston 9 - 1 Hệ Calibration Factor)
10 Đƣờng ống
tích bề mặt (piston tại ĐCT) 11 mm2 2785 Diện [Surface Area (piston at TDC)]
(piston tại ĐCT) 12 °C 400 Nhiệt đô vach [Wall Temperature (piston at TDC)]
(piston tại ĐCD) 13 °C 375 Nhiệt đô vach [Wall Temperature (piston at BDC)]
14 Hệ số hiệu chỉnh đƣờng ống - 1
15 Hệ thống cháy DI
TT Tham số của mô hình phát thải
1 NOx Production Model (mô hình phát thải NOx)
2 NOx Kinetic Multiplier (hệ số nhân động học NOx ) 20
3 NOx Postprocessing Multiplier (hệ số nhân sau xƣ lý NOx) 0,05
4 CO Production Model (mô hình phát thải CO)
5 CO Kinetic Multiplier (hệ số nhân động học CO) 0,2
6 Soot Production Model (mô hình phát thải Soot)
7 Soot Production Constant (lƣợng phát thải Soot ban đầu) 200
8 Soot Consumption Constant (lƣợng phát thải Soot liên tục) 100
Biodiesel là một nhiên liệu mới không đƣợc định nghĩa sẵn trong phần mềm vì vậy phải xây dựng mô hình nhiên liệu mới để có thể sử dụng. Nhiên liệu sử dụng trong phần mềm định dạng “.bpg”. Trình tự xây dựng mô hình nhiên liệu biodiesel bắt đầu từ dữ liệu THERM.dat, đây là cơ sở dữ liệu về nhiên liệu bao hàm các đặc
3-PL
tính của phần tử tạo nên nhiên liệu. Từ cơ sở này ngƣời dùng có thể tự tạo đƣợc nhiên liệu theo mục đích sử dụng. - Mở dữ liệu THERM.dat, có chứa rất nhiều loại thành phần hợp chất, tìm dữ liệu về nhiên liệu cần xây dựng sau đó sao chép 4 dòng dữ liệu của các thành phần hóa học nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu cọ nhƣ Hình 3.3. - Mở bst_therm.dat nằm trong thƣ mục:“C: \ ProgramFile\ AVL\ Boost\ File\ bst_therm.dat”, dán dữ liệu trên vào dòng cuối cùng của file này
Cơ sở dữ liệu của nhiên liệu
Sao chép dữ liệu tạo mô hình nhiên liệu
4-PL
Sao chép dữ liệu các thành phần hóa học tạo mô hình nhiên liệu
Sau đó chỉnh sửa dữ liệu trong bst_therm.dat: xóa các dấu “.” ở phần công thức, xóa giá trị “0” trƣớc kí tự G ,sắp xếp lại các chữ H, O, C, G thẳng hàng các chữ H, O, C, G ở bên trên
Lƣu dữ liệu này với 1 tên mới: nlm-therm.dat. Chạy phần mềm Boost, vào Boost Gas Properties Tool sau đó chọn “Fuel Components”, lấy dữ liệu: nlm-therm.dat ở trên sẽ hiện ra cửa sổ.
Trình tự xây dựng mô hình nhiên liệu
5-PL
Lưu dữ liệu nhiên liệu
Giao diện nhập mô hình nhiên liệu
Sau đó chọn “Fuel Label” lấy công thức hóa học của nhiên liệu biodiesel.
6-PL
Tiến hành nhập mô hình nhiên liệu DE5B5. Sử dụng các bƣớc nhƣ Phụ lục 2.1, tuy nhiên, khi chọn “Fuel Label” lấy công thức của nhiên liệu thì chọn thêm thành phần diesel và ethanol. Sau đó, sử dụng “Fraction Ratio” để pha trộn thành hỗn hợp nhiên liệu DE5B5, việc pha trộn dựa vào tỷ lệ thể tích thì chọn trong “Kind of fraction ratio”.
Sau khi chọn các thành phần và tỷ lệ thể tích nhiên liệu DE5B5, chọn “Fuel Components”, chọn nhiên liệu và “Load data from Themodynamic Data File” sẽ xuất hiện file nhiên liệu với đầy đủ các thông số
7-PL
“Save as” nhiên liệu này với tên DE5B5.bgp ta xây dựng xong 1 mô hình nhiên liệu mới.
Sau đó “upload” nhiên liệu DE5B5 vào “Boost gas properties Data file”
Nhiên liệu DE5B5 đã đƣợc định nghĩa trong mô hình mô phỏng
8-PL
Tiến hành nhập mô hình nhiên liệu DE10B5. Sử dụng các bƣớc nhƣ Phụ lục 2.1, tuy nhiên, khi chọn “Fuel Label” lấy công thức của nhiên liệu thì chọn thêm thành phần diesel và ethanol. Sau đó, sử dụng “Fraction Ratio” để pha trộn thành hỗn hợp nhiên liệu DE10B5, việc pha trộn dựa vào tỷ lệ thể tích thì chọn trong “Kind of fraction ratio”.
Sau khi chọn các thành phần và tỷ lệ thể tích nhiên liệu DE10B5, chọn “Fuel Components”, chọn nhiên liệu và “Load data from Themodynamic Data File” sẽ xuất hiện file nhiên liệu với đầy đủ các thông số
“Save as” nhiên liệu này với tên DE10B5.bgp ta xây dựng xong 1 mô hình nhiên liệu mới.
9-PL
Sau đó “upload” nhiên liệu DE10B5 vào “Boost gas properties Data file”
Nhiên liệu DE10B5 đã đƣợc định nghĩa trong mô hình mô phỏng
Xây dựng mô hình nhiên liệu cho các nhiên liệu DE5, DE10, DE15B5, DE20B5, DE30B5 các bƣớc cũng tƣơng tự, tuy nhiên cần thay đổi các tỷ lệ hỗn hợp của từng thành phần nhiên liệu và đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Tiến hành nhập mô hình nhiên liệu DE15B5. Sử dụng các bƣớc nhƣ Phụ lục 2.1, tuy nhiên, khi chọn “Fuel Label” lấy công thức của nhiên liệu thì chọn thêm thành phần diesel và ethanol. Sau đó, sử dụng “Fraction Ratio” để pha trộn thành hỗn hợp nhiên liệu DE15B5, việc pha trộn dựa vào tỷ lệ thể tích thì chọn trong “Kind of fraction ratio”.
10-PL
Tiến hành nhập mô hình nhiên liệu DE20B5. Sử dụng các bƣớc nhƣ Phụ lục 2.1, tuy nhiên, khi chọn “Fuel Label” lấy công thức của nhiên liệu thì chọn thêm thành phần diesel và ethanol. Sau đó, sử dụng “Fraction Ratio” để pha trộn thành hỗn hợp nhiên liệu DE20B5, việc pha trộn dựa vào tỷ lệ thể tích thì chọn trong “Kind of fraction ratio”.
Tiến hành nhập mô hình nhiên liệu DE30B5. Sử dụng các bƣớc nhƣ Phụ lục 2.1, tuy nhiên, khi chọn “Fuel Label” lấy công thức của nhiên liệu thì chọn thêm thành phần diesel và ethanol. Sau đó, sử dụng “Fraction Ratio” để pha trộn thành hỗn hợp nhiên liệu DE30B5, việc pha trộn dựa vào tỷ lệ thể tích thì chọn trong “Kind of fraction ratio”.
11-PL
Tiến hành nhập mô hình nhiên liệu DE5. khi chọn “Fuel Label” lấy công thức của nhiên liệu thì chọn thành phần diesel và ethanol. Sau đó, sử dụng “Fraction Ratio” để pha trộn thành hỗn hợp nhiên liệu DE5, việc pha trộn dựa vào tỷ lệ thể tích thì chọn trong “Kind of fraction ratio”.
Tiến hành nhập mô hình nhiên liệu DE10. khi chọn “Fuel Label” lấy công thức của nhiên liệu thì chọn thành phần diesel và ethanol. Sau đó, sử dụng “Fraction Ratio” để pha trộn thành hỗn hợp nhiên liệu DE10, việc pha trộn dựa vào tỷ lệ thể tích thì chọn trong “Kind of fraction ratio”.
12-PL
Xác định lần lƣợt các hệ số a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7 trong phần mềm AVL Boost theo từng thành phần hóa học trong nhiên liệu biodiesel: chọn từng thành phần hóa học “C16H32O2”, và “Load data from Themodynamic Data File” sẽ xuất hiện file nhiên liệu với đầy đủ các thông số a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7 , với các thành phần hóa học khác cũng thực hiện tƣơng tự
13-PL
Hình PL3.1. Máy khuấy hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu
Thông số kỹ thuật của máy khuấy khí nén
STT Tên thông số Giá trị
Motor khí nén Pnona - 1
Công suất 1,8HP 2
Kích thƣớc trục 15x800mm 3
Trọng lƣợng 4,3kg 4
Cảm biến đƣợc thiết kế để đo hệ số dƣ lƣợng không khí λ trong khí xả của động cơ đốt trong (động cơ xăng hoặc động cơ diesel). Đây là loại cảm biến dải rộng có dải đo λ từ 0,65÷10,1. Thông số cơ bản của cảm biến đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Thông số cơ bản của cảm biến lambda LSU 4.9 [76]
Thông số Dải đo Nhiên liệu tƣơng thích Áp suất khí xả (bar) Nhiệt độ khí xả (0C) Điện áp nguồn cấp (V) Giá trị 0,65÷10,1 Xăng/diesel ≤ 2,5 < 930 10,8÷16,5
14-PL
Hình PL3.2. Cảm biến lambda LSU 4.9
Sơ đồ hệ thống lấy mẫu và đếm hạt tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải (Hình PL4.1, PL4.2). Hệ thống gồm 3 bộ phận chính: Ống pha loãng thứ nhất (PND1), ống sấy, ống pha loãng thứ hai (PND2). Dựa trên yêu cầu về phƣơng pháp lấy mẫu và đếm số lƣợng hạt, hệ thống lấy mẫu đếm gồm bộ pha loãng thứ nhất đƣợc sấy nóng đến 1500C, ống bay hơi nhiên liệu đƣợc sấy tới 300÷4000C, và bộ pha loãng thứ hai làm mát khí mẫu xuống dƣới 300C. Thiết bị đếm hạt DiSC mini đƣợc sử dụng trong thực nghiệm, tính năng và thông số kỹ thuật của thiết bị
Hình PL4.1. Hệ thống lấy mẫu được thiết kế để thực nghiệm
15-PL
Hình PL4.2. Sơ đồ khối hệ thống lấy mẫu xác định số lượng hạt trong khí thải
a) Ống pha loãng thứ nhất
Nhiệm vụ: Ống pha loãng thứ nhất có nhiệm vụ pha loãng khí mẫu để giảm nồng độ số hạt sao cho phù hợp với dải đo của thiết bị đếm. Ngoài ra hệ thống pha loãng thứ nhất còn có nhiệm vụ là loại bỏ những hạt dễ bay hơi.
Cấu tạo: Để giảm đƣợc nồng độ hạt có trong khí mẫu thì hệ thống pha loãng thứ nhất cần một nguồn cung cấp khí nén sạch để pha loãng. Tỉ lệ pha loãng nằm trong khoảng 10-200 lần. Nhiệt độ của khí mẫu phải nằm trong khoảng 1500C – 4000C để làm bay hơi những hạt dễ bay hơi. Cấu tạo của hệ thống pha loãng thứ nhất.
Hình PL4.3. Mặt cắt hình chiếu đứng hệ thống pha loãng thứ nhất
1. Mặt bích rời 140; 2. Bu lông 8; 3. Lớp cách nhiệt; 4. Gioăng cao su; 5. Dây nhiệt điện trở; 6. Ống pha loãng; 7. Mặt bích liền 140.
Nguyên lý làm việc: Khí nén cùng khí mẫu đi vào hệ thống pha loãng thứ nhất. Tại đây khí mẫu đƣợc pha loãng để giảm nồng độ số hạt. Hệ thống pha
16-PL
loãng thứ nhất đƣợc sấy nóng bằng dây nhiệt điện trở (5), duy trì nhiệt độ sấy giữ ổn định ở 1500C trong suốt quá trình lấy mẫu. Lớp cách nhiệt (3) làm bằng bông thủy tinh để giữ nhiệt độ trong lòng ống sấy luôn ổn định tránh cho nhiệt độ bên trong lòng ống sấy trao đổi nhiệt với không khí bên ngoài. Các mặt bích (1) và (7) cùng với gioăng cao su (4) bao kín ống pha loãng (6) để cho các hạt trong khí mẫu không bị tổn thất ra ngoài.
Hình PL4.4. Nguyên lý làm việc hệ thống pha loãng thứ nhất
b, Ống sấy
Nhiệm vụ: Ống sấy duy trì nhiệt độ sấy nằm trong khoảng từ 300°C - 400°C
để tiếp tục làm bay hơi những hạt nhiên liệu lỏng
Cấu tạo: Cũng giống nhƣ hệ thống pha loãng thứ nhất, ống sấy đƣợc sấy nóng bằng dây nhiệt điện trở để duy trì nhiệt độ sấy ổn định ở 3000C. Chiều dài của ống sấy dài hơn so với ống pha loãng 1 vì đây là thời điểm chính để các hạt nhiên liệu lỏng bay hơi.
Hình PL4. 5. Mặt cắt hình chiếu đứng ống sấy
1. Gioăng cao su; 2. Bu lông 8; 3. Lớp cách nhiệt; 4. Dây nhiệt điên trở; 5. Mặt
bích 140.
Nguyên lý làm việc: Khí mẫu đƣợc pha loãng ở hệ thống pha loãng thứ nhất tiếp tục đi vào ống sấy. Trong lòng ống sấy nhiệt độ khí mẫu đƣợc duy trì ở 3000C để làm bay hơi những hạt dễ bay hơi. Hình mô tả nguyên lý làm việc của ống sấy.
17-PL
Hình PL4.6. Nguyên lý làm việc của ống sấy
c) Ống pha loãng thứ hai
Nhiệm vụ: Bộ pha loãng thứ hai có nhiệm vụ tiếp tục pha loãng khí mẫu để giảm nồng độ hạt có trong khí mẫu. Ngoài ra hệ thống pha loãng thứ hai còn có nhiệm vụ là tránh sự ngƣng tụ của các hạt và đảm bảo nhiệt độ đầu ra của khí mẫu nhỏ hơn 350C trƣớc khi đi vào thiết bị đếm.
Cấu tạo: Hệ thống pha loãng thứ hai cũng có kích thƣớc giống nhƣ hệ thống pha loãng thứ nhất. Tuy nhiên do cần đảm bảo nhiệt độ đầu ra nhỏ hơn 350C nên không cần dây sấy nữa. Đầu ra của hệ thống pha loãng thứ hai đƣợc kết nối với một bơm hút và thiết bị đếm hạt.
Nguyên lý làm việc: Khí mẫu từ ống sấy sẽ đi vào hệ thống pha loãng thứ hai nhờ một bơm hút. Tại đây hệ thống pha loãng hai đƣợc cung cấp thêm khí nén để tiếp tục pha loãng khí mẫu. Tỉ lệ pha loãng nằm trong khoảng 10-30. Sau đó số hạt trong khí mẫu sẽ đƣợc đếm nhờ bộ đếm
.
Hình PL4. 7. Mặt cắt đứng hệ thống pha loãng thứ hai
1. Mặt bích liền 140; 2. Ống pha loãng; 3. Mặt bích liền 140; 4. Gioăng cao
su; 5. Bu lông 8
18-PL
Hình PL4.8. Nguyên lý làm việc của hệ thống pha loãng thứ hai
Hình PL4.9. Thiết bị đếm hạt kết nối với thiết bị lấy mẫu trong thực nghiệm
Thiết bị đếm hạt DiSC mini là một máy phân tích hạt nano di động nhằm đếm số lƣợng hạt, và đo kích thƣớc hạt trung bình. Tính năng của thiết bị đếm hạt DiSC mini:
- Đo số lƣợng và đƣờng kính trung bình của hạt nano - Ghi đồng thời nồng độ hạt và kích thƣớc hạt, cho phép xác định các thông số
đặc trƣng khác (chẳng hạn nhƣ diện tích bề mặt hạt)
- Lƣu dữ liệu trên thẻ nhớ và truyền dữ liệu sang máy tính bên ngoài qua USB - DiSC mini testo có thể hoạt động trong thời gian dài ở bất kỳ vị trí nào và
không cần phải bổ sung chất lỏng làm việc.
- Khả năng chống rung và có thể hoạt động ở bất kỳ vị trí nào - Hoạt động của pin trong 8 giờ hoặc nguồn điện AC cho các phép đo dài hạn
19-PL
Hình PL4. 10. Giao diện của thiết bị đếm hạt DiSC mini
Thông số kĩ thuật của thiết bị đếm hạt DiSC mini
Kích thƣớc hạt đo đƣợc Từ 10nm tới 700nm
Nồng độ hạt
- Nồng độ hạt đo đƣợc phụ thuộc vào kích thƣớc hạt và thời gian. - Các giá trị điển hình đƣợc đƣa ra dƣới đây: + Hạt 20nm: 2E3 tới 1E6 hạt/cm3; + Hạt 100nm: 5E2 tới 5E5 hạt/cm3.
Sai số của phép đo
- ± 30% về kích thƣớc hạt. - ± 5E2 hạt/cm3 đối với phép đo nồng độ hạt.
Tốc độ dòng chảy 1,0 lít/phút ±0,1 lít/phút.
Áp suất
Nhiệt độ hoạt động - 800 tới 1000 mbar; - Δp tối đa ở đầu vào: ± 20 mbar +100C tới +300C
Kích thƣớc 120x80x40 mm
Khối lƣợng 700 gam
20-PL
