Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học butanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HUỲNH TẤN TIẾN

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BUTANOL TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HUỲNH TẤN TIẾN

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

SINH HỌC BUTANOL TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62.52.01.16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1: GS.TS. TRẦN VĂN NAM

2: PGS.TS. DƯƠNG VIỆT DŨNG

Đà Nẵng – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số

liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Đà Nẵng, ngày tháng 10 năm 2019

Tác giả luận án

-i-

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................... vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................ viii MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ............................. 7 Chương 1. 1.1. Khái quát .............................................................................................................. 7 1.1.1. Phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường ............................................... 7 1.1.2. Nhiên liệu thay thế sử dụng trên phương tiện giao thông ............................... 10 1.1.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam ............... 12 1.1.4. Sử dụng nhiên liệu Butanol sinh học trên động cơ đốt trong ......................... 15 1.2. Sự cần thiết cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ đánh lửa cưỡng

-ii-

bức ............................................................................................................................. 18 1.2.1. Lịch sử phát triển của hệ thống nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức ....... 18 1.2.2. Cải tiến hệ thống phun nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức nhằm giảm tiêu

hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường ...................................................................... 19 1.3. Đặc điểm các quá trình trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol ........................................................................................................ 23 1.3.1. Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học đến tính năng kinh tế kỹ thuật

trên động cơ đốt trong ............................................................................................... 23 1.3.2. Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học trên động cơ đốt trong đến quá trình lan tràn màng lửa ....................................................................................... 25 Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ............................ 28 2.1. Tính chất nhiên liệu Butanol sinh học sử dụng trong động cơ đánh lửa cưỡng

bức ............................................................................................................................. 28 2.1.1. Giới thiệu về Butanol sinh học ........................................................................ 28 2.1.2. Một số tính chất lý hóa của Butanol ............................................................... 28 2.1.3. Đánh giá một số chỉ tiêu của xăng và Butanol [4, 36] .................................. 30 2.2. Lý thuyết phun nhiên liệu trên động cơ đánh lửa cưỡng bức ............................ 33 2.2.1. Hệ thống phun xăng trên đường nạp ............................................................... 33 2.2.2. Hệ thống phun xăng trực tiếp .......................................................................... 34 2.3. Lý thuyết mô phỏng quá trình phun nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức ... 37 2.3.1. Hệ phương trình đối lưu-khuếch tán ............................................................... 37 2.3.2. Hệ phương trình mô tả dòng chảy rối ............................................................. 39 2.3.3. Phương trình mô tả tia phun ............................................................................ 41

-iii-

2.3.4. Lý thuyết bay hơi của giọt nhiên liệu .............................................................. 45 2.4. Ứng dụng ansys-fluent mô phỏng quá trình phun.............................................. 50 2.4.1. Xác lập quá trình phun nhiên liệu ................................................................... 50 2.4.2. Mô hình hình học ............................................................................................ 54 2.4.3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên ............................................................... 56 Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................... 60 3.1. Mục tiêu và đối tượng thực nghiệm ................................................................... 60 3.1.1. Mục tiêu thực nghiệm ..................................................................................... 60 3.1.2. Đối tượng thực nghiệm ................................................................................... 61 3.2. Lắp đặt động cơ lên cụm băng thử APA204/08 ................................................. 62 3.3. Quy trình thực nghiệm ....................................................................................... 64 3.3.1. Trình tự thực nghiệm....................................................................................... 64 3.3.2. Bảo dưỡng hệ thống ........................................................................................ 64 3.3.3. Chế độ thực nghiệm ........................................................................................ 65 3.4. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 67 3.4.1. Kết quả phân tích tính chất nhiên liệu ............................................................. 67 3.4.2. Kết quả thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu ................................. 67 3.4.3. Kết quả thực nghiệm trên băng thử động cơ ................................................... 73 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................ 74 Chương 4. 4.1. Kết quả thực nghiệm trên động cơ Daewoo A16DMS ...................................... 74 4.1.1. Tính kỹ thuật của động cơ khi sử dụng xăng-Butanol .................................... 74 4.1.2. Tính kinh tế của động cơ khi sử dụng xăng-Butanol ...................................... 81 4.2. Kết quả mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và bay hơi hình thành hòa khí động cơ Daewoo A16DMS sử dụng xăng-Butanol .................................................. 92 4.2.1. Đánh giá tính bay hơi của Butanol so với xăng .............................................. 93 4.2.2. Đánh giá ảnh hưởng cấu hình phun đến quá trình bay hơi và hình thành hòa khí

................................................................................................................................. 100 4.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của phun trực riếp trong buồng cháy (DI) và phun trên đường nạp (PI)......................................................................................................... 105 KẾT LUẬN .................................................................................. 109 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................ 111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC .............................. 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 113

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Thực trạng giao thông ở thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội ................................ 8

Hình 1.2: Diễn biến nồng độ TSP trung bình năm gần các tuyến đường giao thông tại các thành phố lớn (Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2016) ............................................................ 8 Hình 1.3: Khí thải ô tô đã gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường không khí ..................... 10 Hình 1.4: Sản lượng Biodiesel ở một số nước trên thế giới năm 2016................................ 12 Hình 1.5: Sản lượng nhiên liệu sinh học ở một số khu vực trên thế giới ............................ 13 Hình 1.6: Các hệ thống phun nhiên liệu [37] ....................................................................... 18 Hình 1.7: Vị trí của kim phun của hệ thống cung cấp nhiên liệu kết hợp trực tiếp và gián tiếp [37] ....................................................................................................................................... 19 Hình 1.8: So sánh hệ thống chuẩn bị hỗn hợp PFI [40] và GDI [60] .................................. 22 Hình 1.9: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết để khởi động lạnh động cơ GDI và PFI ở các nhiệt độ môi trường khác nhau [38] .................................................................................... 23 Hình 1.10: Sơ đồ bố trí động cơ thí nghiệm [48]. ................................................................ 24 Hình 1.11: Mối quan hệ áp suất trong xylanh và góc quay trục khuỷu tại các thời điểm đánh lửa khác nhau của n-Butanol và tỷ số nén bằng 10 [48]. ..................................................... 25 Hình 1.12: Mối quan hệ lượng phun và góc quay trục khuỷu [48]...................................... 25 Hình 1.13: a) Tỷ lệ hòa khí cháy 10-90% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol và xăng PON 87. b) Tỷ lệ hòa khí cháy 0-10% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol và xăng PON 87 [48] ......................................................................................................................... 25 Hình 1.14: Áp suất trong xylanh và tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu [52] .......... 26 Hình 1.15: Hình ảnh ngọn lửa của xăng và Bu40 [52] ........................................................ 26 Hình 2.1: Cấu trúc không gian của Butanol ......................................................................... 28 Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn sự phân tích pha với nước theo % thể tích Butanol và Ethanol ............................................................................................................................................. 31 Hình 2.3: Hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5]................. 34 Hình 2.4: Sơ đồ điều kiển hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5] ......................................................................................................................................... 35 Hình 2.5: Bố trí hệ thống động cơ GDI điển hình [43]....................................................... 36 Hình 2.6: So sánh các đặc tính phun của kim phun cao áp kiểu lỗ và xoáy cho áp suất phun 20 MPa [51] ......................................................................................................................... 36 Hình 2.7: Thiết kế điển hình của vòi phun xoáy .................................................................. 37 Hình 2.8: Trình tự tính toán bằng ANSYS-FLUENT [63] .................................................. 50 Hình 2.9: Xác lập các lựa chọn mô hình Discrete phase ..................................................... 51 Hình 2.10: Xác lập mô hình phân rã tia phun ...................................................................... 52 Hình 2.11: Xác lập thông số động học vòi phun ................................................................. 53 Hình 2.12: Xác lập thành phần nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn ............................................. 53 Hình 2.13: Mô hình phun xăng-Butanol trên đường nạp ..................................................... 55

-iv-

Hình 2.14: Xác lập áp suất khí nạp tại cửa nạp ................................................................... 57 Hình 2.15: Xác lập nhiệt độ khí nạp tại cửa nạp .................................................................. 57 Hình 2.16: Xác lập thành phần khí nạp tại cửa nạp ............................................................. 57 Hình 2.17: Xác lập áp suất khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp ...................................... 58 Hình 2.18: Xác lập nhiệt độ khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp .................................... 58 Hình 2.19: Xác lập thành phần khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp ............................... 58 Hình 3.1: Bố trí hệ thống các trang thiết bị thí nghiệm ....................................................... 62 Hình 3.2: Thiết bị sấy và giữ nhiệt Memmert ...................................................................... 63 Hình 3.3: Cân điện tử Mettler Toledo .................................................................................. 64 Hình 3.4: Đặc tính tốc độ động cơ xăng [5] ........................................................................ 66 Hình 3.5: Phạm vi làm việc trong thực tế của động cơ phun xăng điện tử sử dụng trên ô tô [62] ....................................................................................................................................... 66 Hình 4.1: Mô men có ích (Me) ở 10%BG ............................................................................ 77 Hình 4.2: Mô men có ích (Me) ở 30%BG ............................................................................ 77 Hình 4.3: Mô men có ích (Me) ở 50%BG ............................................................................ 78 Hình 4.4: Mô men có ích (Me) ở 70%BG ............................................................................ 78 Hình 4.5: Công suất có ích (Ne) ở 10%BG .......................................................................... 79 Hình 4.6: Công suất có ích (Ne) ở 30%BG .......................................................................... 79 Hình 4.7: Công suất có ích (Ne) ở 50%BG .......................................................................... 80 Hình 4.8: Công suất có ích (Ne) ở 70%BG .......................................................................... 80 Hình 4.9: Mức độ tăng giảm mô men và công suất có ích theo tỷ lệ Butanol ..................... 81 Hình 4.10: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) của động cơ ................................................ 83 Hình 4.11: Suất tiêu hao năng lượng có ích (qe) của động cơ ............................................. 84 Hình 4.12: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) và suất tiêu hao năng lượng có ích (qe) ..... 85 Hình 4.13: Hệ số dư lượng không khí () theo tốc độ động cơ ........................................... 86 Hình 4.14: Phát thải CO của động cơ .................................................................................. 87 Hình 4.15: Phát thải HC của động cơ .................................................................................. 88 Hình 4.16: Phát thải CO2 của động cơ ................................................................................. 89 Hình 4.17: Phát thải NOx của động cơ ................................................................................. 90 Hình 4.18: Phát thải CO và HC ........................................................................................... 91 Hình 4.19: Phát thải CO2 và NOx ........................................................................................ 92 Hình 4.20: So sánh tỷ lệ bốc hơi, nồng độ hơi và áp suất, nhiệt độ môi chất ứng với phun Butanol và xăng tinh khiết ở n=2000 v/ph, Tkn=315K ........................................................ 94 Hình 4.21: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lên quá trình bay hơi xăng (a) và Butanol (b) ở tốc độ động cơ 2000 v/ph ..................................................................................................... 95 Hình 4.22: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ lên quá trình bay hơi khi phun riêng xăng ...... 97

-v-

Hình 4.23: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến quá trình bay hơi khi phun riêng Butanol (Bu100) ................................................................................................................................ 98 Hình 4.24: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ lên quá trình bay hơi khi phun riêng Butanol .. 99 Hình 4.25: Ảnh hưởng của phun hỗn hợp và phun riêng rẽ xăng/Butanol đến bay hơi của nhiên liệu Bu50 .................................................................................................................. 101 Hình 4.26: Diễn biến bay hơi phun nhiên liệu Bu50 từ 1 phía và từ 2 phía ...................... 102 Hình 4.27: Phân bố nồng độ hơi nhiên liệu và hệ số tương đương theo phương ngang (x) khi phun 1 phía và phun 2 phía ................................................................................................ 103 Hình 4.28: Ảnh hưởng của thời điểm phun đến bay hơi khi phun riêng rẽ (a) và khi phun hỗn hợp (b); đường màu đồng mức phân bố nồng độ hơi nhiên liệu tại mặt cắt y=0 ở 330oCA(c) (n=3000 v/ph, Bu50) .......................................................................................................... 104 Hình 4.29: Tốc độ bốc hơi và nồng độ hơi ứng với trường hợp DI nhiên liệu hỗn hợp (Blend) và nhiên liệu riêng rẽ (Dual) ở vị trí vòi phun Xj = 0mm .................................................. 105 Hình 4.30: So sánh quá trình bay hơi và tạo hỗn hợp trong các trường hợp BUDI-GPI, GDI- BUPI và vị trí vòi phun pha trộn DI tại Xj = 0 (n = 3000 v/ph, Bu50, Tkn = 315K): phân bố hạt (a), tốc độ bay hơi và nồng độ hơi (b) và đường đồng mức nồng độ hơi trên mặt cắt y = 0 tại 330oCA (c) ................................................................................................................. 107

-vi-

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Đặc tính lý hóa của Butanol [48] ........................................................................ 29 Bảng 2-2: So sánh tính chất hóa học và vật lý của Butanol và xăng [20, 24, 58] ............... 29 Bảng 2-3: Độ nhớt động học của một số loại nhiên liệu [23] .............................................. 33 Bảng 2-4: Các hệ số khuếch tán và các thuật ngữ nguồn cho các phương trình vô hướng khác nhau ...................................................................................................................................... 42 Bảng 2-5: Động cơ Daewoo A16DMS ................................................................................ 55 Bảng 2-6: Thông số vật lý các hạt nhiên liệu ...................................................................... 56 Bảng 2-7: Điều kiện khí nạp và khí sót ............................................................................... 56 Bảng 2-8: Thành phần môi chất xăng/Butanol-không khí ................................................... 58 Bảng 3-1: Tiến trình đo và lưu trữ dữ liệu đo ...................................................................... 66 Bảng 3-2: Một số chi tiết chính thuộc hệ thống nhiên liệu ô tô và xe gắn máy dùng để thực nghiệm ................................................................................................................................. 68 Bảng 3-3: Bảng tiến trình thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu ......................... 69 Bảng 3-4: Hình ảnh chụp các chi tiết sau khi thử nghiệm ................................................... 69 Bảng 3-5: Trọng lượng các chi tiết sau khi ngâm ................................................................ 71 Bảng 3-6: Mức độ tương đương và ảnh hưởng của nhiên liệu phối trộn Xăng-Butanol lên các chi tiết động cơ .............................................................................................................. 72 Bảng 4-1: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 10%BG ................................................ 75 Bảng 4-2: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 30%BG ................................................ 75 Bảng 4-3: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 50%BG ................................................ 76 Bảng 4-4: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 70%BG ................................................ 76 Bảng 4-5: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 10%BG ........................ 81 Bảng 4-6: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 30%BG ........................ 81 Bảng 4-7: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 50%BG ........................ 82 Bảng 4-8 So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 70%BG ......................... 82 Bảng 4-9: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330oCA) khi phun riêng xăng và Butanol theo nhiệt độ khí nạp .............................................................. 95 Bảng 4-10: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330oCA) khi phun riêng xăng và Butanol theo tốc độ động cơ .......................................................... 97 Bảng 4-11: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330oCA) khi phun hỗn hợp Bu50 theo tốc độ động cơ ..................................................................... 100 Bảng 4-12: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330oCA) khi phun hỗn hợp và phun riêng rẽ nhiên liệu Bu50 .......................................................... 101

-vii-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ý nghĩa

Ghi chú

Ký hiệu

Áp suất

Carbon dioxide

CO2

Carbon monoxide

Công suất có ích

Góc đánh lửa sớm

s

Góc quay trục khuỷu



Hệ số dư lượng không khí



Hệ số tương đương



Hydrocacbon chưa cháy

Khối lượng riêng



Lượng tiêu hao nhiên liệu

Mô men có ích

Nhiệt độ

NOx

Nitrogen oxides

Suất tiêu hao năng lượng có ích

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

Thể tích buồng cháy

Thể tích công tác xilanh

Thể tích toàn bộ của xilanh

SOC

Thời điểm bắt đầu cháy (Start Of Combustion)

EOC

Thời điểm két thúc cháy (End Of Combustion)

MFB10%

Thời điểm tỷ lệ hòa khí cháy 10%

MFB90%

Thời điểm tỷ lệ hòa khí cháy 90%

Tốc độ động cơ

TSOT

Trị số octane

MFB

Tỷ lệ cháy của hòa khí (Mass Fraction Burn)

Tỷ lệ Butanol trong nhiên liệu

A/F

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu

Tỷ số nén



v/ph

Vòng/phút

Bu10

Xăng pha 10% thể tích Butanol

-viii-

Bu15

Xăng pha 15% thể tích Butanol

Bu20

Xăng pha 20% thể tích Butanol

Bu25

Xăng pha 25% thể tích Butanol

Bu30

Xăng pha 30% thể tích Butanol

Bu40

Xăng pha 40% thể tích Butanol

Bu50

Xăng pha 50% thể tích Butanol

Bu0

Xăng RON92

Bu100

Butanol tinh khiết

Ô nhiễm không khí

-ix-

Nhiên liệu sinh học

ONKK

NLSH

VOC Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

TSP Hạt bụi lơ lửng

TDC Điểm chết trên

BDC Điểm chết dưới

ATDC Sau điểm chết trên

BTDC Trước điểm chết trên

SMD Sauter mean diameter – Kích thước trung bình của hạt

Computational Fluid Dynamics – Tính toán động lực CFD học chất lỏng bằng phương pháp số

TAB Taylor Analogy Breakup – Mô hình phân rã tia phun

DPM Đường kính giọt

ICE Động cơ đốt trong

CAD Độ theo góc quay trục khuỷu

SI Động cơ đốt cháy cưỡng bức

PFI Phun trên đường nạp

GPI Phun xăng trên đường nạp

BuDI Phun trực tiếp Butanol trong buồng cháy

BG Bướm ga

MỞ ĐẦU

-1-

Năng lượng và môi trường đã, đang và sẽ là vấn đề quan tâm hàng đầu của nhiều

quốc gia trên thế giới. Cùng với tốc độ phát triển kinh tế, sự gia tăng nhanh dân số,

giao lưu văn hóa, xã hội giữa các quốc gia trên thế giới làm cho nhu cầu đi lại và vận

chuyển hàng hóa ngày càng tăng cao. Áp lực về ô nhiễm môi trường ngày càng

nghiêm trọng, gần đây các nhà sản xuất ô tô phải giảm mức độ phát thải, cải thiện

tính kinh tế nhiên liệu và cho phép sử dụng nhiên liệu phát triển từ các nguồn năng

lượng tái tạo để có thể đạt mục tiêu giảm lượng khí thải CO2 của mỗi chiếc xe.

Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu để sản

xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương đúng đắn thể hiện

qua Đề án Phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến

năm 2025. Sử dụng nhiên liệu sinh học là xu thế phát triển tất yếu trên thế giới, nhất

là ở các nước nông nghiệp và phải nhập nhiên liệu, do các lợi ích của nhiên liệu sinh

học đem lại như: giảm thiểu khí gây hiệu ứng nhà kính, giảm nhập khẩu nhiên liệu,

tận dụng nguyên liệu thực vật tại chỗ, công nghệ sản xuất không phức tạp, tạo việc

làm và tăng thu nhập cho người lao động, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp.

Ở Việt Nam, xăng sinh học E5 đã xuất hiện và chính thức sử dụng rộng rãi từ

01/12/2014 tại các thành phố lớn như Hà Nội, Đà Nẵng, Cần Thơ... Trên thế giới,

ngoài Ethanol sinh học ra, Butanol sinh học cũng được chú ý sử dụng làm nhiên liệu

cho động cơ đốt trong thời gian gần đây. Xét về khả năng dùng làm nhiên liệu,

Butanol có một số ưu điểm so với các loại nhiên liệu cồn khác như methanol và

ethanol [11, 33], Butanol sinh học cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung

nghiên cứu [22, 24]. Có một số công bố thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử

dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline và n-Butanolvề tính năng động cơ, quá trình cháy

và phát thải của động cơ [24, 41]. Các công bố này cho thấy kết quả khả quan của

việc sử dụng gasoline-Butanol cho động cơ đốt trong.

Trong bối cảnh đó việc nghiên cứu nhiên liệu sinh học, Butanol là một hướng

đi mới rất cần thiết, Butanol gây hấp dẫn trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học vì nó có

thể trộn với xăng theo tỷ lệ lớn, dùng chung hệ thống phân phối và nạp liệu xăng, và

sử dụng trên các động cơ chạy xăng hiện hành được.

-2-

Hiện nay, Butanol sinh học có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế một phần

xăng sản xuất từ dầu mỏ [3]. Tuy nhiên các tính chất lý hóa của Butanol và xăng khác

nhau nên quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu phối trộn xăng - Butanol

diễn ra cũng khác nhau. Nhằm góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch dùng

cho động cơ đốt trong, góp phần nâng cao hiệu quả của động cơ sử dụng hỗn hợp

nhiên liệu xăng – Butanol, cần thiết phải có những nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu

về sựu hình thành hỗn hợp và cháy của hỗn hợp này. Những năm gần đây, dựa vào

những thành tựu của công nghệ tin học và cơ điện tử, việc nghiên cứu quá trình hỗn

hợp và cháy được thực hiện bằng phương pháp mô hình hóa. Cùng đồng nghiệp ở các

quốc gia phát triển, các nhà khoa học Việt Nam bắt kịp những tiến bộ khoa học và đã

hòa nhập vào trào lưu chung của thế giới trong hướng nghiên cứu này. Tuy nhiên,

hiện nay vẫn chưa thấy công trình nào công bố liên quan đến nghiên cứu mô hình hóa

các quá trình hình thành hỗn hợp và cháy một cách chuyên sâu của động cơ sử dụng

hỗn hợp nhiên liệu này. Vì vậy “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol

trên động cơ đánh lửa cưỡng bức” có ý nghĩa khoa học và thiết thực.

1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng thể của luận án là đưa ra được các định hướng về mặt kỹ thuật

nhằm đảm bảo tính tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh

học có tỷ lệ pha Butanol theo thể tích lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30%

(Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50).

Cụ thể, luận án đánh giá tính chất của xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol, đánh

giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ xăng truyền

thống và đưa ra khuyến cáo cần thiết khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ lần lượt là

10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50) cho động cơ

xăng truyền thống.

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Sử dụng hỗn hợp Butanol-xăng với các tỷ lệ lần lượt là 10% (Bu10), 20%

(Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50) về thể tích trên động cơ đốt cháy

cưỡng bức.

-3-

Thực nghiệm được tiến hành trên động cơ A16DMS do hãng DAEWOO sản

xuất, đây là động cơ kiểu Dual Overhead Cam L - 4 1.6L DOHC phun xăng điện tử

trên đường nạp, tỷ số nén 9,5; đường kính xy lanh 79; hành trình piston 81,5.

Luận án nghiên cứu về lý thuyết liên quan đến đặc tính quá trình phun khi sử

dụng nhiên liệu xăng sinh học và thực hiện mô phỏng trên phần mềm mô phỏng

ANSYS-FLUENT.

Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các loại nhiên liệu Bu0, Bu10,

Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50.

Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động

cơ đốt trong, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.

3. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu trong luận án gồm phương pháp mô hình hóa, phương

pháp thực nghiệm, phương pháp phân tích, phương pháp nghiên cứu tài liệu, phương

pháp hội đồng (brainstorming) và phương pháp đánh giá.

Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết tổng hợp các nghiên cứu

về sử dụng xăng sinh học trên thế giới và tập hợp, kế thừa các kết quả trước đây của

các đề tài liên quan và tính toán lý thuyết trên các phần mềm mô phỏng hiện đại về

động cơ đốt trong với thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá. Trao đổi và tiếp thu ý

kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện

phương pháp nghiên cứu.

Tính tương thích trong sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng truyền thống

được thể hiện thông qua những nghiên cứu đánh giá tác động của tính chất xăng sinh

học đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, cũng như chất lượng quá trình cháy

của động cơ. Đánh giá tính chất của xăng sinh học ở các tỷ lệ khác nhau theo các tiêu

chuẩn quy định hiện hành cũng được đưa ra nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng xăng sinh

học ở Việt Nam.

Luận án sử dụng các phương pháp và kỹ thuật sau đây:

Đánh giá các chỉ tiêu so sánh bao gồm: ngoại quan, kích thước, trọng lượng,

chụp ảnh bề mặt, phân tích nhiên liệu trước và sau ngâm. Kết quả nghiên cứu tương

-4-

thích vật liệu có ý nghĩa trong việc khuyến cáo điều chỉnh vật liệu (nếu cần) của một

số chi tiết khi động cơ sử dụng xăng sinh học.

Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng hiện đại và thử nghiệm đối

chứng trên băng thử động cơ nhằm đánh giá tác động của xăng sinh học đến đặc tính

phun, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động cơ.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hiệu quả kinh tế xã hội: Nghiên cứu một loại nhiên liệu sinh học mới có nhiều

ưu điểm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, có thể pha trộn với xăng theo tỷ lệ lớn giảm

chi phí nhiên liệu xăng và giảm áp lực lên nguồn nhiên liệu hóa thạch đảm bảo an

ninh năng lượng quốc gia.

Hiệu quả khoa học: Đề xuất sử dụng Butanol sinh học phù hợp với động cơ chạy

xăng thông thường.

* Ý nghĩa khoa học:

Luận án đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp của nhiên liệu

xăng sinh học trong động cơ đốt trong thông qua các mô hình mô phỏng được xây

dựng trên phần mềm ANSYS-FLUENT. Từ các mô hình mô phỏng này, ảnh hưởng

của nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ Butanol khác nhau đến đến quá trình bay hơi

và hòa trộn, các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ được khảo sát và

đánh giá để làm cơ sở cho việc đánh giá các kết quả thực nghiệm trên động cơ thực

và kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành của động cơ một cách phù hợp khi

chuyển sang sử dụng xăng sinh học.

Luận án cũng đã đánh giá quá trình hòa trộn đối với nhiên liệu xăng sinh học ở

các tỷ lệ Butanol 0%, 50% và 100%, so sánh với cùng các tỷ lệ trên khi pha xăng với

Butanol.

Các quy trình này được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá hiện

hành cũng như hệ thống thiết bị đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam.

* Ý nghĩa thực tiễn:

Luận án đã đánh giá được tương thích vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu

động cơ xe ô tô với các loại xăng sinh học Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50, của

-5-

các chi tiết tới hiện tượng ăn mòn, rỉ sét ở vật liệu kim loại, trương nở ở vật liệu phi

kim.

Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học Bu10, Bu20, Bu30,

Bu40 và Bu50 tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Từ đó, đưa ra

các nhận định cũng như giải pháp kỹ thuật, điều kiện vận hành đối với động cơ nhằm

đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol lên đến 50% trên động cơ.

5. Đóng góp mới của luận án

- Kết quả thực nghiệm của luận án khẳng định có thể sử dụng xăng-Butanol với

tỷ lệ đến Bu30 ở mức tải và tốc độ mà động cơ thường xuyên làm việc lần lượt 30-

70% độ mở bướm ga và 1250-4250 v/ph sẽ không làm ảnh hưởng đến tính năng kinh

tế của động cơ so với khi sử dụng xăng (Bu0).

- Từ những kết quả về các mẫu nhiên liệu của hỗn hợp xăng-Butanol kết hợp

với kết quả mô phỏng các phương án phun hỗn hợp xăng-Butanol khẳng định rằng

phun hỗn hợp xăng-Butanol sẽ cải thiện khả năng bay hơi cho Butanol so với khi

phun riêng rẽ xăng/Butanol, tuy nhiên phun hỗn hợp có thể làm cho việc bay hơi của

xăng không hoàn toàn. Phun riêng rẽ xăng/Butanol làm tăng khả năng bay hơi hoàn

toàn của xăng, tuy nhiên dẫn đến Butanol khó bay hơi hoàn toàn, trong trường hợp

này nên phun sớm Butanol so với xăng. Phun 2 phía hỗn hợp làm tăng sự đồng nhất

cho hòa khí, phun hai phía riêng rẽ xăng/Butanol sẽ phân tầng hòa khí trong buồng

cháy, phía nửa trái xilanh có tỷ lệ Bu cao hơn so với phía nửa phải xilanh. Phun 1

phía hỗn hợp trên đường nạp sẽ tạo điều kiện hình thành hòa khí có nồng độ hơi nhiên

liệu và hệ số tương đương cao tập trung ở giữa buồng cháy và cách xa cửa xả, điều

này giúp giảm thời gian cháy trễ và giảm nguy cơ cháy kích nổ cho động cơ. Tốc độ

bay hơi của nhiên liệu khi phun PI nhanh hơn đáng kể so với phun DI và tốc độ bay

hơi xăng nhanh hơn so với Butanol ở cùng điều kiện hoạt động, tốc độ bốc hơi của

BuDI-GPI là cao nhất, sau đến GDI-BuPI và thấp nhất là DI hỗn hợp. Hòa khí của

DI hỗn hợp đồng nhất hơn so với BuDI-GPI và GDI-BuPI.

6. Nội dung chính của luận án có thể tóm lược như sau:

(1). Lý thuyết mô phỏng tia phun nhiên liệu và quá trình tạo hỗn hợp;

-6-

(2). Đánh giá ảnh hưởng của các phương án phun nhiên liệu xăng/Butanol đến

quá trình cháy và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ;

(3). Nghiên cứu thực nghiệm tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm

của động cơ chạy bằng xăng/Butanol;

(4). Kiểm chứng kết quả dự báo bởi mô phỏng.

Ngoài phần mở đầu và kết luận; luận án được cấu tạo thành 4 chương. Chương1:

Nghiên cứu tổng quan; Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết; Chương 3: Nghiên cứu thực

nghiệm; Chương 4: Kết quả và bàn luận.

Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

-7-

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực

liên quan của đề tài, tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

và trên thế giới. Trong đó đặc biệt chú ý đến khả năng sản xuất Butanol sinh học và

các nghiên cứu để ứng dụng làm nhiên liệu sinh học. Chương này cũng nghiên cứu

các hệ thống cung cấp nhiên liệu cũng như đặc điểm các quá trình khi sử dụng nhiên

liệu sinh học pha Butanol. Từ đó có thể đề xuất cải tiến đường nạp để cait thiện tính

1.1. Khái quát

1.1.1. Phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường

năng động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Phát triển giao thông vận tải là một yêu cầu quan trọng trong quá trình phát triển

kinh tế xã hội của mỗi quốc gia. Theo dự báo, số lượng ô tô ở Châu Á - Thái Bình

Dương sẽ tăng 93% (từ năm 1985 đến 2020) và tiếp tục tăng 50% (từ năm 2020 đến

2060). Mức độ gia tăng số lượng ô tô phụ thuộc vào thu nhập bình quân đầu người

của mỗi quốc gia. Theo Tổng cục thống kê, lượng ô tô nhập khẩu về thị trường Việt

Nam trong những năm qua tăng mạnh. Nếu như năm 2013, Việt Nam chỉ nhập khẩu

34 nghìn chiếc ô tô, thì trong năm 2014 lượng ô tô nhập là 72 nghìn chiếc, tăng gấp

đôi so năm trước đó và năm 2015 là 125 nghìn chiếc, tăng 74% so năm 2014. Năm

2016, lượng ô tô nhập khẩu giảm nhẹ, chỉ đạt 115 nghìn chiếc, giảm 8% so năm 2015,

song trong 3 tháng đầu năm 2017 tình hình nhập khẩu ô tô tăng mạnh trở lại, với 28

nghìn chiếc, tăng 43,4% so cùng kỳ năm trước.

Ô nhiễm không khí (ONKK) không chỉ là vấn đề nóng tập trung ở các đô thị

phát triển, các khu, cụm công nghiệp… mà đã trở thành mối quan tâm của toàn xã

hội. ONKK được xem là một trong những tác nhân hàng đầu có nguy cơ tác động

nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng. Giao thông với xu hướng số lượng phương

tiện giao thông gia tăng mạnh mẽ qua các năm được đánh giá là nguồn đóng góp đáng

kể gây suy giảm chất lượng môi trường không khí (như Hình 1.1). Trong đó, các khí

CO, VOC, TSP chủ yếu do các loại xe máy phát thải còn đối với ô tô thì nguồn ô

nhiễm chính gồm các khí SO2 và NO2 [1, 65].

-8-

Hình 1.1: Thực trạng giao thông ở thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội

Hình 1.2: Diễn biến nồng độ TSP trung bình năm gần các tuyến đường giao thông tại các thành phố lớn (Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2016)

Bầu không khí tại thủ đô Hà Nội bị cho là ô nhiễm hơn Thành phố Hồ Chí Minh

(như Hình 1.2). Điểm đáng chú ý là dù dân số và phương tiện giao thông tại Hà Nội

ít hơn Thành phố Hồ Chí Minh, thế nhưng mức độ ô nhiễm không khí lại tệ hơn. Cụ

thể theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường thì số ngày trong một năm ghi

nhận chất lượng không khí tại Hà Nội kém là 237 ngày, số ngày chất lượng không

khí xấu là 21 và 1 ngày ô nhiễm ở mức nguy hại. Xe máy chiếm đến 95% phương

tiện giao thông tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, chỉ tiêu thụ 56% xăng nhưng

thải ra 94% hydro cacbon (HC), 87% cacbon oxit (CO), 57% oxit nitro (NOx)… trong

tổng lượng phát thải của các loại xe cơ giới. Nhiều xe sử dụng không bảo đảm tiêu

chuẩn phát thải vì cũ kỹ [65].

-9-

Thủ tướng chính phủ Việt Nam vừa ký Quyết định số 985a về việc ban hành Kế

hoạch hành động quốc gia về quản lý chất lượng không khí mục tiêu đến năm 2020

và tầm nhìn đến năm 2030. Theo quyết định này thì khuyến khích chủ nhân các

phương tiện giao thông như xe máy, ô tô sử dụng xăng sinh học. Từ năm 2007, Chính

phủ đã có đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025;

tuy nhiên đến nay số điểm bán xăng sinh học vẫn còn hạn chế.

Theo thống kê về môi trường, ước tính khoảng 40% NOx, 60% HC, 80% CO

và nhiều dạng hạt rắn PM (kích thước rất nhỏ) trong bầu khí quyển là do khí thải của

ô tô gây ra [7, 8]. Vì vậy, từ những năm 50 của thế kỷ trước, các quốc gia công nghiệp

phát triển đã quan tâm vấn đề này. Nhiều luật bảo vệ môi trường đã ban hành với mức

độ càng nghiêm ngặt hơn yêu cầu các nhà chế tạo ô tô phải nghiên cứu cải tiến sản

phẩm của mình tốt hơn nhằm hạn chế nồng độ chất ô nhiễm khí thải. Các giá trị giới

hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải của ô tô theo Tiêu chuẩn Euro và bắt đầu

áp dụng ở cộng đồng Châu Âu từ năm 1995: Euro I (1995), Euro II (1997), Euro III

(2001), Euro IV (2006).

Ở Việt Nam, tiêu chuẩn khí thải mới áp dụng từ năm 2006 [64] như mức 2

(Euro II) vào ngày 01/7/2006, mức 3 (Euro III) vào năm 2008, mức 4 (Euro IV) vào

năm 2017 và mức 5 (Euro V) sẽ thực hiện năm 2022.

Xu hướng phát triển của phương tiện giao thông trên thế giới được tóm tắt như

sau: Động cơ chính làm nguồn động lực cho ô tô có thể chia thành 4 nhóm: động cơ

xăng, động cơ diesel truyền thống, động cơ điện và động cơ sử dụng nhiên liệu thay

thế. Hai loại động cơ xăng và diesel truyền thống có ưu điểm là việc cung cấp nhiên

liệu đơn giản và nhanh chóng; tuy nhiên, hiệu suất của nó hạn chế và mức độ phát

thải ô nhiễm cao. Nhờ kỹ thuật xử lý trên đường thải: lọc hạt PM, sử dụng bộ xúc tác

ba chức năng là các giải pháp hữu hiệu nhằm tiếp tục khử đến mức thấp nhất các chất

độc hại còn lại trong khí thải động cơ. Các hệ thống mới áp dụng tiến bộ khoa học và

kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử và công nghệ thông tin đã điều khiển các quá trình

làm việc của động cơ đốt trong ngày càng hiện đại hơn như kỹ thuật tổ chức quá trình

cháy phân lớp, thời điểm đóng mở cơ cấu phân phối khí thay đổi, hệ thống tự động

hồi lưu khí thải, hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử đã cho phép tối ưu hóa

-10-

quá trình công tác của động cơ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Một xu

hướng khác được nghiên cứu là sử dụng năng lượng điện trên động cơ ô tô giảm thiểu

đáng kể lượng khí thải ô nhiễm môi trường; tuy nhiên, giải pháp này phụ thuộc vào

nguồn năng lượng sử dụng để sản xuất điện năng nạp vào ac-quy cung cấp động lực

cho ô tô. Hơn nữa, khả năng tích trữ điện năng của ac-quy có giới hạn, nên hạn chế

Hình 1.3: Khí thải ô tô đã gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường không khí

quãng đường hoạt động độc lập của phương tiện giao thông sử dụng năng lượng này.

Trước những ưu điểm và hạn chế của phương tiện giao thông, các nhà khoa học

và hãng chế tạo ô tô có xu hướng: Nâng cao hiệu suất và giảm thiểu khí thải gây ô

nhiễm môi trường; Tối ưu hóa hệ thống điều khiển tự động và nâng cao tiện ích trên

ô tô; Tiếp tục nghiên cứu sử dụng có hiệu quả nhiên liệu sạch thay thế nhiên liệu

truyền thống đang ngày càng cạn kiệt. Động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế cũng đang

được các nhà khoa học quan tâm và ô tô sinh thái là mục tiêu hướng tới của các nhà

1.1.2. Nhiên liệu thay thế sử dụng trên phương tiện giao thông

khoa học và hãng chế tạo ô tô ngày nay.

Những năm gần đây, khi nhu cầu năng lượng thế giới tăng, nguồn nhiên liệu

hóa thạch đang nhanh chóng cạn kiệt và tiêu chuẩn khí thải phương tiện giao thông

ngày càng nghiêm ngặt hơn. Khủng hoảng năng lượng toàn cầu và nguồn cung cấp

hạn chế nhiên liệu lỏng từ dầu đã nhóm lên một cuộc cách mạng về sự phát triển công

nghệ bền vững sản xuất nhiên liệu thay thế có nguồn gốc phi hóa thạch. Chính vì vậy,

đã có nhiều nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sạch thay thế nhiên liệu truyền thống trên

-11-

động cơ đốt trong như khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), nhiên liệu

cồn, dầu thực vật, năng lượng điện, nhiên liệu hydrogen. Khi được sử dụng làm nhiên

liệu thay thế cho động cơ đốt trong, mỗi loại nhiên liệu sạch đều có ưu và nhược

điểm.

Khí dầu hóa lỏng (LPG) là một sản phẩm trong quá trình tinh chế dầu và cũng

được tìm thấy trong các mỏ khí tự nhiên. Sản phẩm này góp phần cải thiện môi

trường, giải phóng rất ít hạt bụi lơ lửng và không thải ra lưu huỳnh. Tuy nhiên, LPG

lại không mạng lại những lợi ích đáng kể đối với sự thay đổi khí hậu.

Khí thiên nhiên nén (CNG) và khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG): Các phương

tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên có thể mang lại những lợi ích thiết thực cho cả sự

thay đổi khí hậu và chất lượng không khí. Những phương tiện vận tải sử dụng khí

thiên nhiên sẽ thải ra ít hơn CO2 và NOx so với các phương tiện vận tải sử dụng xăng

và không thải ra những hạt bụi lơ lửng. Các phương tiện vận tải sử dụng khí thiên

nhiên cũng tạo ra ít tiếng ồn hơn.

Dầu diesel sinh học có thể được sản xuất từ những loại dầu thực vật mới hoặc

đã được sử dụng như dầu hướng dương, dầu đậu nành... Muốn sử dụng biodiesel như

nhiên liệu cho động cơ diesel thì chúng thường được pha trộn với diesel thông thường

và cần thêm chất phụ gia. Khi sử dụng dầu diesel sinh học có thể giảm việc phát xạ

khí nhà kính so với nhiên liệu truyền thống nhưng việc thải ra NOx làm cho dầu diesel

sinh học ít phù hợp đối với những vùng đô thị.

Cồn (Ethanol, Butanol và Propanol) có nguồn gốc từ thực vật có thể sử dụng

như là một nhiên liệu thay thế nhiên liệu hóa thạch. Trong thực tế, tính chất của cồn

tương tự như xăng và được xem là một nhiên liệu thay thế có thể được sản xuất từ sự

lên men đường và đang được sản xuất rộng rãi trên khắp thế giới.

Điện: những phương tiện vận tải điện không gây ô nhiễm khói bụi và sự phát

xạ khí nhà kính phụ thuộc vào phương pháp sử dụng để phát ra điện năng. Bộ nguồn

được nạp điện khi xe hơi dừng lại hoặc xuống dốc và sau đó được sử dụng như một

nguồn phụ khi tăng tốc. Tesla là hãng chuyên sản xuất ô tô điện, theo dự đoán của các

chuyên gia, sẽ sớm vượt lên dẫn đầu ngành công nghiệp xe hơi, trở thành hãng xe giá

trị nhất, tương tự điều mà Apple đã làm được đối với ngành điện thoại di động.

-12-

Pin nhiên liệu Hydrogen: Công nghiệp ô tô đang hướng tới tương lai sử dụng

pin nhiên liệu. Tất cả nhà sản xuất đều có một chương trình phát triển pin nhiên liệu.

Nếu bắt nguồn từ khí thiên nhiên, có thể hạn chế đến 60% khả năng giải phóng CO2.

Hãng ô tô BMW đang phát triển việc sử dụng nhiên liệu hydrogen thay cho những

1.1.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.3.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới

động cơ đốt trong truyền thống.

Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng nhiên liệu sinh

học ở các mức độ khác nhau. Nhiên liệu sinh học được dùng bao gồm: dầu thực vật

sạch, Butanol, diesel sinh học, dimetyl ether, ethy tertiary butyl ether và các sản phẩm

từ chúng. Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít Ethanol (75% dùng

làm nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, dự kiến năm 2012 là 80 tỷ lít; năm 2005

Hình 1.4: Sản lượng Biodiesel ở một số nước trên thế giới năm 2016

sản xuất 4 triệu tấn diesel sinh học, năm 2010 tăng lên khoảng trên 20 triệu tấn.

Hình 1.4 biểu diễn sản lượng biodiesel tại một số quốc gia trên thế giới năm

2016. Đứng đầu về sản lượng biodiesel trên thế giới là Mỹ với 5,5 triệu lít, tiếp sau

đó là Brazil với 3,8 triệu lít. Đứng thứ 3 lần lượt là các quốc gia Đức, Indonesia,

-13-

Agentina với 3 triệu lít năm 2016. Các quốc gia còn lại như Pháp, Thái Lan, Tây Ban

Nha, Bỉ, Colombia, Canada, Trung Quốc lần lượt chia nhau ở các vị trí còn lại và

Hình 1.5: Sản lượng nhiên liệu sinh học ở một số khu vực trên thế giới

đóng góp vào tổng sản lượng biodiesel trên toàn thế giới.

Hình 1.5 biểu diễn sản lượng nhiên liệu sinh học bao gồm Ethanol và biodiesel

ở Châu Âu, Châu Á, Nam và Trung Mỹ, Bắc Mỹ, và các khu vực khác trên thế giới

năm 2006 và năm 2016. Sản lượng ở tất cả các khu vực năm 2016 đều lớn hơn rất

nhiều so với năm 2006. Khu vực Bắc Mỹ có sản lượng lớn nhất thế giới với khoảng

33 tỷ tấn năm 2016. Các nước thuộc khu vực Châu Á và Châu Âu có sản lượng

biodiesel lớn nhất với khoảng hơn 10 tỷ tấn năm 2016. Mỹ có sự tăng trưởng lớn

nhất, 1930 chỉ vài nghìn tấ). Sản lượng biodiesel tăng 6,5%, trong đó Indonesia cung

cấp tới hơn 50% của sự tăng trưởng này.

Mỹ là quốc gia có sản lượng nhiên liệu sinh học lớn, quá trình sản xuất nhiên

liệu sinh học chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương, thân cây cao lương ngọt và củ cải

đường. Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất

Ethanol. Mỹ đặt chỉ tiêu sản xuất xăng sinh học để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe

hơi năm 2010, 100% vào năm 2012. Đức là một nước tiêu thụ nhiều nhất xăng sinh

học trong cộng đồng EU, trong đó có khoảng 0,48 triệu tấn Butanol. Nguyên liệu

chính sản xuất Butanol là củ cải đường. Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều nhiên liệu

sinh học trong cộng đồng Châu Âu với mức khoảng 1,07 triệu tấn Butanol và diesel

-14-

sinh học năm 2006. Thụy Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng

cho xe hơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học. Hiện nay, 20%

xe ở Thụy Điển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng Ethanol.

Để khuyến khích sử dụng xăng sinh học, chính phủ Thụy Điển không đánh thuế

xăng sinh học và trợ cấp xăng sinh học rẻ hơn 20% so với xăng thông thường. Ở Ấn

Độ, Chính phủ đã có chính sách sử dụng xăng sinh học trong những năm tới. Ấn Độ

gia tăng diện tích trồng cây dầu lai để sản xuất diesel sinh học. Thái Lan bắt đầu

nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985. Năm 2011 Thái Lan thành lập Ủy

Ban nhiên liệu sinh học để điều hành và phát triển nghiên cứu, xăng sinh học đã bắt

1.1.3.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

đầu bán ở các trạm xăng từ 2003.

Để đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh

tế nông thôn tại các vùng sâu, vùng xa, ngày 20-11-2007, Thủ tướng Chính phủ đã

phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”. Theo

Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22 tháng 11 năm 2012 về việc ban hành lộ trình

áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống thì từ ngày

1/12/2014 xăng E5 được sản xuất, sử dụng ở một số thành phố và được sử dụng trên

toàn quốc kể từ 1/12/2015. Để thực hiện lộ trình trên, các địa phương đã tích cực triển

khai, đưa xăng E5 vào lưu thông, thay thế xăng RON92. Một số địa phương đã quyết

định triển khai sớm hơn so với lộ trình, như Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi và

Bà Rịa – Vũng Tàu.

Nhằm đảm bảo nguồn cung Ethanol cho thị trường, hiện Tập đoàn Dầu khí quốc

gia Việt Nam có 2 Nhà máy NLSH: Nhà máy NLSH Miền Trung và Nhà máy NLSH

Bình Phước đã hoàn thành và đi vào hoạt động thương mại, với công suất thiết kế

200.000 m3/năm. Theo Bộ Công Thương thì tính đến cuối năm 2013 đã có 03 nhà

máy ở các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Phước, Đồng Nai sản xuất Ethanol đạt tiêu chuẩn

đảm bảo cho việc phối trộn sinh học, với công suất thiết kế là 210.000 tấn/năm; 01

nhà máy ở Quảng Nam đang ngừng sản xuất để tái cơ cấu lại; 02 nhà máy ở Đắk

Nông và Kon Tum chưa sản xuất được Ethanol đạt tiêu chuẩn cho phép. Tổng công

-15-

suất thiết kế sản xuất của 6 nhà máy nếu đạt 415.000 tấn/năm (100% công suất thiết

1.1.4. Sử dụng nhiên liệu Butanol sinh học trên động cơ đốt trong

kế) sẽ đủ đảm bảo phối trộn cho 8,3 triệu tấn xăng E5 và 4,15 triệu tấn xăng E10.

Butanol làm nhiên liệu trên các phương tiện giao thông vận tải được xác định

như là một sự thay thế xăng đầy triển vọng vì Butanol có một số ưu điểm so với các

loại nhiên liệu cồn phổ biến khác như propanol, ethanol [3, 12, 17, 19, 47, 57]. Nhiệt

trị của Butanol là khoảng 83% so với xăng [3]. Butanol ít hút ẩm hơn so với propanol

và ethanol, do đó nhiên liệu này ít ngậm nước [6]. Butanol ít ăn mòn hơn và có thể

được vận chuyển bằng đường ống hiện có an toàn hơn nhiều vì có điểm sôi tương đối

cao [9].

Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho động

cơ đốt trong được nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các nhà khoa học đặc

biệt quan tâm. Sau hàng loạt các thực nghiệm nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học

trên động cơ thì các công bố nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho

1.1.4.1. Các nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ

đốt trong trên thế giới

động cơ đã được công bố rộng rãi trên các tạp chí khoa học.

Nhóm tác giả V. Hönig, M. Kotek and J. Mařík tại Trường Đại học CULS-

Czech University of Life Sciences Prague, Kamycka 129, 16521, Prague 6, Czech

Republic [24, 25, 30] đã thực hiện nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu Butanol cho

động cơ đốt trong. Nghiên cứu đã đánh giá tính chất nhiên liệu của Butanol và đồng

thời so sánh với các tính chất của xăng và BioButanol. Nó cũng chỉ rõ những ưu điểm

và nhược điểm của việc sử dụng nó cả trong hỗn hợp và ở dạng tinh khiết. Các hỗn

hợp của Butanol - xăng 5%, 30%, 50%, 85% và 100% được chọn làm nhiên liệu mà

không có sự khác biệt lớn so với xăng ô tô truyền thống. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng

sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như Butanol từ các loại cây trồng nông

nghiệp cũng có thể giúp giảm nhập khẩu nhiên liệu dầu mỏ, hỗ trợ phát triển nông

nghiệp và tạo ra nhiều việc làm cho nông dân.

-16-

Nhóm tác giả Jing Yang, Yong Wang and Renhua Feng [56] của Đại học Human

đã nghiên cứu đánh gia tính năng kỹ thuật của động cơ đốt khi sử dụng nhiên liệu

phối trộn xăng – Butanol. Trọng tâm của nghiên cứu này là so sánh vận hành của

động cơ sử dụng xăng với động cơ sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng-Butanol ở các

tỉ lệ hòa trộn khác nhau. Nghiên cứu chỉ ra rằng Butanol là một loại nhiên liệu thay

thế giảm 14% tổng tiêu thụ năng lượng có ích và giảm các chất gây ô nhiễm môi

trường. Động cơ sử dụng nhiên liệu xăng – Butanol có tốc độ cháy nhanh hơn, đặc

biệt ở giai đoạn cuối của quá trình cháy và khi sử dụng hỗn hợp xăng – 35% Butanol

(Bu35) thì không cần thay đổi kết cấu của động cơ mà vẫn duy trì mô men xoắn không

đổi, trong khi đó suất tiêu hao nhiên liệu và mức phát thải CO, HC thì giảm đáng kể.

Tác giả S. Szwaja của Đại học Kỹ thuật Michigan, Mỹ và tác giả J.D. Naber của

Đại học Kỹ thuật Czestochowa, Ba Lan [48, 53] với nghiên cứu tập trung ứng dụng

n-Butanol như là một phụ gia pha trộn vào xăng để giảm lượng nhiên liệu hóa thạch.

Dựa trên cơ sở kết quả thực nghiệm, đặc tính quá trình cháy ở các loại nhiên liệu với

tỉ lệ khác nhau đã được chỉ ra: Khối lượng được đốt cháy, tỉ lệ khối lượng được đốt

cháy, thời gian cháy tại vị trí 50% khối lượng được đốt cháy là tối ưu nhất về thời

điểm đánh lửa để đạt tối đa mô men xoắn và tỉ lệ giải phóng nhiệt lượng.

Nhóm tác giả Cinzia Tornatore và các cộng sự tại Istituto Motori - CNR, Napoli,

Italy [52] đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc pha trộn Butanol với xăng có tỷ lệ 40%

n-Butanol pha trộn với 60% xăng nguyên chất (Bu40) được thực hiện trên động cơ

đốt cháy cưỡng bức 1 xylanh sử dụng hệ thống phun nhiên với một thiết bị tăng áp từ

bên ngoài. Bu40 cho mức hiệu suất tương tự như xăng và phun trong thời gian van

nạp mở cho phép để giảm thiểu những tác động bất thường trong quá trình cháy đốt

bao gồm các phát xạ của các hạt cacbon siêu mịn, NOx và HC.

Tác giả Benjamin R. Wigg của Đại học Illinois [54] nghiên cứu mức phát thải

ô nhiễm của động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng – Butanol

với các tỷ lệ phối trộn khác nhau nhằm đánh giá so sánh mức phát thải của CO, HC,

NOx ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau. Kết quả cho thấy mức phát thải của CO, HC,

Nox là tương đương với khi sử dụng nhiên liệu truyền thống.

-17-

Tác giả F.N. Alasfour [10, 11] của Đại học Đại học Kuwait với nghiên cứu ảnh

hưởng của góc đánh lửa đến mức độ phát thải HC và NOx khi sử dụng nhiên liệu

phối trộn xăng – 30% Butanol (Bu30) trên động cơ đốt cháy cưỡng bức đã đưa ra kết

1.1.4.2. Các nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ

đốt trong ở Việt Nam

luận về việc thay đổi mức độ phát thải HC, NOx ở các góc đánh lửa khác nhau.

Ở Việt Nam, hiện tại xăng E5 đã được đưa vào sử dụng trên thị trường. Việc

nghiên cứu, tìm ra thêm các loại nhiên liệu sinh học khác trong đó có Butanol sinh

học để đưa vào sử dụng trên thị trường cũng rất được các nhà khoa học quan tâm.

Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ và các cộng sự của Viện Dầu khí Viêt Nam [2] đã

khẳng định xăng pha 10,5% n-Butanol có quy cách phẩm chất, thông số vận hành và

tính năng làm việc của nhiên liệu trên xe ô tô là tương đương so với xăng thông dụng

A95, đồng thời sử dụng xăng pha n-Butanol góp phần làm giảm thiểu khí độc hại phát

thải ra môi trường.

Các cộng sự của Đại học Đà Nẵng [3] với đề tài đánh giá khả năng sử dụng

Butanol phối trộn vào xăng nhiên liệu đã khẳng định khi pha 10% thể tích Butanol

vào xăng A92 động cơ vẫn hoạt động ổn định và phát thải CO, HC có giảm so với

động cơ sử dụng xăng A92.

Nhóm tác giả Lê Văn Tụy và Bùi Ngọc Hân của Đại học Đà Nẵng [6] với đề tài

nghiên cứu góc đánh lửa tối ưu cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha Butanol đã

kết luận bằng cách điều chỉnh góc đánh lửa hợp lý, động cơ sử dụng nhiên liệu sinh

học xăng pha Butanol sẽ cho phát ra công suất cao hơn và giảm phái thải ô nhiễm

hơn so với xăng thị trường RON95.

Một vài nghiên cứu khác của các tác giả Phạm Thanh Việt, Phạm Văn Phê [6,

7] nghiên cứu khả năng ứng dụng Butanol thay thế xăng trong xăng truyền thống đến

tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ôtô đã có thêm nhiều kết luận quan trọng cho

việc sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.

Tóm lại, ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu về việc sử dụng Butanol sinh học

làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong và cũng đưa ra được khẳng định Butanol sinh

-18-

học hoàn toàn có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế tiềm năng. Tuy nhiên, đến nay

các đề tài vẫn chỉ dừng lại ở tỷ lệ Butanol pha trộn vào xăng ở mức 20% thể tích trở

xuống và chưa có đề tài nào nghiên cứu về việc ảnh hưởng của các tỷ lệ đến các chỉ

tiêu kinh tế kỹ thuật, phát thải ô nhiễm khi pha Butanol vào xăng RON92. Vì vậy,

việc nghiên cứu pha Butanol với xăng RON92 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức với

tỷ lệ Butanol cao hơn hẳn các công trình đã công bố nhằm đánh giá tính năng kỹ

thuật, phát thải ô nhiễm, ảnh hưởng của các chế độ vận hành đến các chỉ tiêu kinh tế

kỹ thuật, phát thải ô nhiễm; qua đó có thể nâng cao tỷ lệ pha trộn Butanol vào xăng

1.2. Sự cần thiết cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ đánh

lửa cưỡng bức

1.2.1. Lịch sử phát triển của hệ thống nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng

bức

làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Lịch sử ứng dụng phun nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức thay thế cho

bộ chế hòa khí bắt đầu từ đầu thế kỷ 19 và 20. Việc áp dụng hệ thống phun nhiên liệu

cho động cơ đánh lửa đã diễn ra vào năm 1898, khi công ty Deutz sử dụng bơm phun

Hình 1.6: Các hệ thống phun nhiên liệu [37] a) Phun một điểm, b) Phun đa điểm, c) Phun trực tiếp; 1- Cung cấp nhiên liệu, 2 - Bơm khí, 3 - Bướm ga, 4 - Ống nạp, 5 - Kim phun nhiên liệu (hoặc kim phun), 6 – Động cơ

kiểu trượt vào động cơ tĩnh tại sử dụng dầu hỏa.

Ngoài ra, anh em nhà Wright đã nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu của

động cơ máy bay đầu tiên từ năm 1903 là nền tảng ra đời của hệ thống phun xăng

[28]. Tuy nhiên, việc chế tạo một vòi phun Venturi vào bộ chế hòa khí trong những

-19-

năm tiếp theo gặp phải các khó khăn về công nghệ và vật liệu đã làm giảm sự phát

Hình 1.7: Vị trí của kim phun của hệ thống cung cấp nhiên liệu kết hợp trực tiếp và gián tiếp [37]

1 - Pít-tông, 2 - Cổng xả khí, 3 - Bugi, 4 - Van xả, 5 - Van nạp, 6 - Kim phun gián tiếp, 7 - Kênh lấy nước, 8 - Kim phun trực tiếp

triển của hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ đánh lửa trong hai thập kỷ tiếp theo.

Động cơ phun trực tiếp (SI) đầu tiên trên thế giới, Junkers Jumo 210G, được

phát triển vào giữa năm 30 của thế kỷ trước và được sử dụng vào năm 1937 trong

một trong những phiên bản phát triển của máy bay chiến đấu Messerschmitt Bf-109

[31]. Trong tiến trình phát triển, hệ thống phun xăng được cải tiến từ hệ thống phun

xăng đơn điểm trên đường nạp (Hình 1.6a), phun đa điểm trên đường nạp (Hình 1.6b),

đến phun trực tiếp trong buồng cháy (Hình 1.6c) và hiện nay đang tiếp cận đến hệ

1.2.2. Cải tiến hệ thống phun nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức nhằm

giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường

thống phun kép kết hợp phun trên đường nạp và phun trực tiếp (Hình 1.7).

Hướng tới giải quyết giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải ô nhiễm trên phương

tiện giao thông, các kỹ sư ô tô đang nỗ lực phát triển các động cơ có suất tiêu hao

nhiên liệu có ích thấp hơn và đồng thời đáp ứng các yêu cầu phát thải nghiêm ngặt.

Động cơ diesel có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng bức phun nhiên

liệu trên đường nạp về tiêu hao nhiên liệu là nhờ có tỷ số nén cao và quá trình cháy

có hòa khí nghèo hơn đáng kể. Tuy nhiên, động cơ diesel nói chung có mức độ tiếng

-20-

ồn cao hơn, phạm vi tốc độ hạn chế hơn, khởi động khó hơn, đồng thời phát thải hạt

và NOx cao hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng bức. Trong hai thập kỷ qua, những

nỗ lực đã được thực hiện để phát triển động cơ đốt trong sử dụng trên ô tô bằng cách

kết hợp các tính năng tốt nhất của động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ diesel.

Mục tiêu là kết hợp ưu điểm về sự tiện nghi của động cơ xăng với hiệu suất có ích

cao của động cơ diesel ở chế độ tải cục bộ. Động cơ đánh lửa cưỡng bức như vậy sẽ

có suất tiêu hao nhiên liệu có ích tiếp cận với động cơ diesel, trong khi vẫn duy trì

các đặc tính vận hành.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng để đạt được mục tiêu này là động cơ đánh lửa

cưỡng bức bốn kỳ phun trực tiếp, không tiết lưu điều chỉnh hỗn hợp đầu vào để kiểm

soát tải. Trong động cơ này, chùm tia phun nhiên liệu được phun trực tiếp vào xi lanh,

tạo ra hỗn hợp không khí nhiên liệu với thành phần dễ cháy ở khe hở tia lửa tại thời

điểm đánh lửa. Loại động cơ này gọi là động cơ phun nhiên liệu trực tiếp có hòa khí

phân lớp, có khả năng chống kích nổ đối với nhiên liệu có chỉ số octan thấp hơn và

có thể sử dụng đa nhiên liệu [27, 29, 34]. Theo cách tương tự như động cơ diesel,

công suất có ích của động cơ này được kiểm soát bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu

phun vào xilanh. Không khí nạp không được điều tiết bởi bướm ga do đó giảm thiểu

trợ lực trên đường nạp. Bằng cách sử dụng bugi để đốt cháy hòa khí bằng đánh lửa

trực tiếp do đó giảm thiểu ảnh hưởng bởi tính tự cháy của nhiên liệu. Hơn nữa, bằng

cách bố trí hợp lý vị trí của vòi phun so với bugi hòa khí sẽ nhạt đi đáng kể [14, 18,

21, 26, 55].

Sự khác biệt chính giữa động cơ phun đa điểm trên đường nạp (PFI) và động cơ

phun trực tiếp (GDI) là trong các phương thức chuẩn bị hỗn hợp, được minh họa dưới

dạng sơ đồ trên Hình 1.8. Trong động cơ PFI, nhiên liệu được phun vào cổng nạp của

mỗi xi lanh và có độ trễ thời gian liên quan giữa hoạt động phun và hòa trộn giữa

nhiên liệu và không khí vào xilanh. Phần lớn các động cơ PFI trên ô tô hiện tại sử

dụng phun nhiên liệu theo thời gian vào mặt sau của van nạp. Trong quá trình khởi

động và khởi động lạnh, có sự hình thành và dịch chuyển của màng nhiên liệu lỏng

trong khu vực van nạp của cửa nạp. Điều này gây ra sự chậm trễ trong việc cung cấp

nhiên liệu, khiến cho lượng nhiên liệu cần lớn hơn yêu cầu để đạt tỷ lệ hòa khí lý

-21-

thuyết trong xilanh, làm gia tăng đáng kể phát thải HC. Ngược lại, phun nhiên liệu

trực tiếp vào xilanh động cơ hoàn toàn tránh được các vấn đề liên quan đến việc hình

thành lớp nhiên liệu lỏng trên thành cửa nạp, đồng thời tăng cường kiểm soát nhiên

liệu cung cấp, cũng như giảm thời gian vận chuyển nhiên liệu. Do đó, khối lượng

nhiên liệu thực tế đi vào xilanh theo một chu kỳ nhất định có thể được kiểm soát

chính xác hơn bằng cách GDI so với PFI. Động cơ GDI có khả năng đốt cháy với hòa

khí nghèo hơn, hòa khí đồng nhất hơn giữa các xilanh và suất tiêu hao nhiên liệu thấp

hơn, lượng khí thải HC trong quá trình khởi động lạnh cũng có khả năng thấp hơn

trong trường hợp GDI. Do áp suất nhiên liệu của hệ thống GDI cao hơn nên nhiên

liệu đi vào xilanh được xé tơi tốt hơn nhiều so với hệ thống PFI, đặc biệt là trong điều

kiện vận hành lạnh, do đó tốc độ hóa hơi nhiên liệu cao hơn nhiều. Tuy nhiên, việc

phun nhiên liệu trực tiếp vào xi lanh cũng có thể hình thành màng nhiên liệu do nhiên

liệu có thể bám trên đỉnh piston hoặc các bề mặt buồng đốt khác.

Động cơ GDI khắc phục những hạn chế cơ bản của động cơ PFI, đặc biệt là liên

quan đến việc làm ướt thành cửa nạp. Màng nhiên liệu trên thành cửa nạp của động

cơ PFI hoạt động như một tụ điện tích hợp và lượng nhiên liệu được đo không chính

xác do có lượng nhiên liệu lỏng bên trong màng, chứ không phải từ nhiên liệu hiện

tại được đo chính xác bởi kim phun [59]. Trong quá trình khởi động lạnh của động

cơ PFI sẽ không cháy hoặc không khởi động trong một vài chu kỳ đầu tiên, mặc dù

nhiên liệu đang được phun thêm vào màng lỏng. Các thuật toán điều khiển phải được

sử dụng để cung cấp nhiên liệu lớn hơn nếu đạt được thời gian bắt đầu PFI hoạt động

ổn định, lúc nhiệt độ khởi động thấp sẽ khiến lượng phát thải HC sẽ tăng lên. Do đó,

hệ thống PFI tạo ra 90% tổng lượng phát thải HC trong thử nghiệm phát thải FTP của

Hoa Kỳ trong vòng 90 giây đầu tiên [16].

Việc phun xăng trực tiếp vào xi lanh của động cơ đánh lửa cưỡng bức bốn kỳ

giúp loại bỏ màng nhiên liệu tích hợp trên thành cửa nạp. Phun trực tiếp xăng với ít

hoặc không làm giàu hòa khí khi khởi động lạnh có thể bắt đầu khởi động vào chu

trình thứ hai [13] và có thể giảm đáng kể HC trong quá trình thay đổi tải. So sánh

lượng nhiên liệu cần thiết để khởi động động cơ GDI và PFI được cung cấp trong như

-22-

Hình 1.9 [38]. Động cơ GDI cần ít nhiên liệu hơn để khởi động động cơ và cần nhiều

Hình 1.8: So sánh hệ thống chuẩn bị hỗn hợp PFI [40] và GDI [60]

hơn khi nhiệt độ môi trường giảm.

Một hạn chế của động cơ PFI là yêu cầu tiết lưu trên đường nạp để kiểm soát

tải động cơ. Mặc dù tiết lưu trên đường nạp là một cơ chế kiểm soát tải được thiết lập

trong động cơ PFI nhưng tổn thất nhiệt động lực học rất đáng kể. Bất kỳ hệ thống nào

sử dụng tiết lưu trên đường nạp để điều chỉnh mức tải sẽ gây ra tổn thất nhiệt động

và sẽ làm suy giảm hiệu suất có ích ở mức tải thấp. Các động cơ PFI tiên tiến hiện tại

vẫn sử dụng tiết lưu trên đường nạp để kiểm soát tải động cơ. Động cơ PFI sử dụng

tiết lưu trên đường nạp sẽ giảm đáng kể tiêu hao nhiên liệu và phát thải. Hiện nay,

những cải tiến liên tục trong công nghệ PFI nhằm đạt mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu

và phát thải. Về mặt lý thuyết, động cơ GDI không có hai hạn chế đáng kể này cũng

như các tính năng có liên quan đến chúng. Những lợi thế về mặt lý thuyết của động

cơ GDI so với động cơ PFI hiện đại được tóm tắt như sau:

- Cải thiện tính kinh tế nhiên liệu (lên đến 25% tùy thuộc vào chu kỳ thử nghiệm)

nhờ: tổn thất công bơm ít hơn, tổn thất nhiệt ít hơn, tỷ số nén cao hơn, yêu cầu

trị số octan thấp hơn, tăng hiệu suất nạp, cắt nhiên liệu trong quá trình giảm

tốc.

- Cải thiện khả năng đáp ứng nhờ: giảm mức độ làm đậm khi tăng tốc.

- Kiểm soát tỷ lệ nhiên liệu-không khí chính xác hơn nhờ: khởi động lạnh nhanh

hơn, giảm tiêu hao khi khởi động lạnh.

- Mở rộng phạm vi tỷ lệ khí thải hồi lưu để giảm thiểu việc sử dụng tiết lưu.

-23-

- Lợi thế lựa chọn phát thải nhờ: giảm phát thải HC khi khởi động lạnh, giảm

lượng khí thải CO2.

Áp suất phun cao hơn đáng kể

được sử dụng trong các hệ thống

phun Common-Rail GDI so với hệ

thống nhiên liệu PFI làm tăng cả mức

độ xé tơi nhiên liệu, tốc độ hóa hơi

nhiên liệu và có thể đốt cháy ổn định

từ chu kỳ phun lần đầu tiên hoặc lần

thứ hai mà không cung cấp thêm

nhiên liệu. Do đó, các động cơ GDI

có lượng phát thải HC khởi động lạnh

Hình 1.9: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết để khởi động lạnh động cơ GDI và PFI ở các nhiệt độ môi trường khác nhau [38]

thấp hơn. Takagi [49] đã có báo cáo

rằng lượng khí thải HC khởi động

lạnh đo được từ động cơ GDI nguyên mẫu của Nissan thấp hơn khoảng 30% so với

động cơ PFI trong điều kiện tương đương. Một lợi thế khác của động cơ GDI là có

thể điều chỉnh mức độ cắt giảm nhiên liệu khi giảm tốc sẽ tiết kiệm nhiên liệu và

giảm mức phát thải HC. Đối với động cơ PFI, hoạt động của màng nhiên liệu đã được

thiết lập ở cửa nạp nên việc cắt nhiên liệu trong quá trình giảm tốc sẽ ảnh hưởng đến

quá trình hòa trộn vì nó làm giảm hoặc loại bỏ màng nhiên liệu lỏng tại cửa nạp. Điều

này tạo ra hòa khí rất nghèo trong buồng đốt trong một vài chu kỳ sau khi phục hồi

1.3. Đặc điểm các quá trình trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng

nhiên liệu sinh học Butanol

1.3.1. Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học đến tính năng kinh

tế kỹ thuật trên động cơ đốt trong

tải dẫn đến tình trạng không ổn định động cơ.

S. Szwaja [48] đã ứng dụng n-Butanol như một thành phần hòa trộn thêm vào

xăng để giảm thành phần nhiên liệu hóa thạch trong hỗn hợp nhiên liệu và đây cũng

là giải pháp giảm lượng khí thải CO2. Sự tác động tới quá trình cháy trên động cơ

-24-

đánh lửa cưỡng bức được nghiên cứu chi tiết. Phối trộn n-Butanol và xăng với tỷ lệ

0%, 20% và 60% để gần với đặc tính nhiên liệu n-Butanol được nghiên cứu trên động

cơ 1 xylanh có thể thay đổi được tỷ số nén. Sơ đồ bố trí động cơ thí nghiệm như Hình

1.10.

Hình 1.11 chỉ ra sự

ảnh hưởng của thời điểm

đánh lửa tới áp xuất cháy

trong xylanh động cơ thí

nghiệm cho 100% n-

Butanol, tỉ số nén động cơ

là 10. Áp suất cực đại gia

tăng khi thời điểm đánh lửa

tăng từ 4 độ tới 18 độ trước

điểm chết trên [48]. Tại góc

đánh lửa 4 độ trước điểm

chết trên, các hỗn hợp

nhiên liệu xăng-Butanol

Hình 1.10: Sơ đồ bố trí động cơ thí nghiệm [48].

với tỷ lệ phối trộn 20%,

60% và 100% đều không có

hiện tượng động cơ không nổ. Thời điểm đánh lửa tối ưu bị giới hạn bởi hiện tượng

cháy kích nổ tại góc đánh lửa lớn hơn 14 độ trước điểm chết trên như Hình 1.12. Thực

nghiệm được thực hiện tại các chế độ tải cục bộ của động cơ.

Hình 1.13a mô tả thời gian cháy của hỗn hợp nhiên liệu 10-90% Butanol, được

xác định theo tỷ lệ hòa khí cháy tại vị trí có tỷ lệ 0,1 và 0,9 ứng với vị trí trục khuỷu

ở vị trí điểm chết trên. Hình 1.13b mô tả giai đoạn đầu tiên của quá trình cháy với tỷ

lệ hỗn hợp nhiên liệu 0-10% Butanol có thời điểm đánh lửa thay đổi cho cả n-Butanol

và xăng. Quá trình cháy của n-Butanol nguyên chất ngắn hơn so với xăng nguyên

chất, dẫn đến nhiệt độ quá trình cháy cao hơn tại thời điểm đánh lửa của bugi.

Hình 1.12: Mối quan hệ lượng phun và góc quay trục khuỷu [48].

Hình 1.11: Mối quan hệ áp suất trong xylanh và góc quay trục khuỷu tại các thời điểm đánh lửa khác nhau của n-Butanol và tỷ số nén bằng 10 [48].

Hình 1.13: a) Tỷ lệ hòa khí cháy 10-90% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol và xăng PON 87. b) Tỷ lệ hòa khí cháy 0-10% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol và xăng PON 87 [48] 1.3.2. Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học trên động cơ đốt

trong đến quá trình lan tràn màng lửa

-25-

Cinzia [52] nghiên cứu ảnh hưởng của Butanol khi phối trộn với nhiên liệu xăng

làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Thực nghiệm sử dụng động cơ đánh lửa cưỡng

bức 1 xylanh, phun nhiên liệu, tăng áp, có thể điều chỉnh thay đổi được tỷ số nén.

Hình 1.14 và Hình 1.15 mô tả quá trình cháy từ bugi đánh lửa tới khi màng lửa chạm

vào thành xylanh động cơ. Sau thời điểm này, hình dạng màng lửa đối diện không

còn đối xứng, nó phát triển chạm thành xylanh tại khu vực của xupap xả, màng nhiên

liệu đọng lại một lớp trên xupap nạp và bề mặt buồng cháy ở chu kỳ trước. Khi màng

lửa lan tràn tới khu vực đối diện, mỗi phần của khu vực phát triển đối diện nơi có tập

trung nhiều nhiên liệu, sự dao động của tốc độ lan tràn màng lửa dọc theo màng lửa

đối diện và sự gia tăng của vòng lửa. Tính không đối xứng của màng lửa là bất lợi

-26-

của nhiên liệu B40, nhưng màng lửa thì phát triển đều đặn hơn. Với Bu40 các đóm

sáng thì ít rõ hơn so với nhiên liệu xăng, các phần tử khó bay hơi bắt đầu bay hơi khi

Hình 1.14: Áp suất trong xylanh và tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu [52]

Hình 1.15: Hình ảnh ngọn lửa của xăng và Bu40 [52]

nhiệt độ tăng lên và tiếp đó nhiên liệu được đốt cháy.

-27-

Kết luận chương 1:

Đứng trước viễn cảnh về nguồn nhiên liệu hóa thạch, trữ lượng nhiên liệu ngày

càng cạn kiệt, tình hình bất ổn chính trị tại các nước xuất khẩu dầu mỏ, nhu cầu sử

dụng nhiên liệu trên thế giới ngày càng cao, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang

tích cực nghiên cứu tìm ra các giải pháp để thay thế một phần nguồn nhiên liệu hóa

thạch. Trong thời gian qua, trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã triển khai nhiều kết

quả nghiên cứu trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học. Ở Việt Nam, Chính phủ đã phê

duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học với mục tiêu đảm bảo an ninh năng lượng,

bảo vệ môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp, tạo việc làm cho người

dân vốn là thế mạnh của Việt Nam, đây cũng là xu hướng phù hợp với tình hình chung

của thế giới. Nhằm đa dạng hơn nữa nguồn nhiên liệu sinh học, việc nghiên cứu ứng

dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu mang lại một số kết quả ban đầu, nhất là trong

lĩnh vực chế biến, sản xuất Butanol sinh học làm nhiên liệu.

Kết quả nghiên cứu cần đánh giá được một cách toàn diện sự hình thành hỗn

hợp và cháy, ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol từ 10% đến 50% tới

phương tiện đang lưu hành trong điều kiện Việt Nam. Qua đó giúp cho các nhà nghiên

cứu ở Việt Nam có những định hướng về nhiên liệu sinh học pha Butanol sử dụng

trên động cơ đốt trong.

Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

-28-

Trong chương này sẽ trình bày một số cơ sở lý thuyết phục vụ việc nghiên cứu

đề tài. Lý thuyết mô phỏng phun nhiên liệu và mô hình hóa trong động cơ đánh lửa

cưỡng bức được trình bày một số nét cơ bản. Tính chất của nhiên liệu dùng trong

động cơ đốt cháy cưỡng bức, mà cụ thể trong đề tài này là xăng, được tác giả phân

tích thành phần hóa học cơ bản và các chỉ tiêu đánh giá. Trong chương này tác giả

cũng thiết lập mô hình mô phỏng của động cơ Daewoo A16DMS trên phần mềm

2.1. Tính chất nhiên liệu Butanol sinh học sử dụng trong động cơ đánh lửa

cưỡng bức

2.1.1. Giới thiệu về Butanol sinh học

ANSYS-FLUENT.

Butanol (danh pháp IUPAC, 1-

Butanol) còn được gọi là rượu butylic, n-

Butanol hoặc methylolpropane là 1 hóa

chất gồm 4 cacbon có công thức phân tử

C4H9OH và khối lượng phân tử là 74,12

g.mol. Butanol là một chất lỏng không

màu, dễ cháy, kỵ lỏng, có mùi thơm như

chuối hương và có mùi cồn mạnh. Butanol

hầu như hòa tan hoàn toàn với các dung

môi hữu cơ phổ biến, nhưng lại ít hòa tan

Hình 2.1: Cấu trúc không gian của Butanol

2.1.2. Một số tính chất lý hóa của Butanol

trong nước [48].

Butanol được sản xuất từ nguồn nhiên liệu tái tạo phù hợp sử dụng làm nhiên

liệu cho động cơ đốt cháy cưỡng bức, tính chất nhiên liệu cho phép hòa trộn với nhiên

liệu xăng tạo ra hỗn hợp nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong. Điều đó có thể bổ

sung thêm vào nguồn nhiên liệu truyền thống sử dụng trong giao thông vận tải nhằm

giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch sử dụng cho các phương tiện giao thông.

Bảng 2-1: Đặc tính lý hóa của Butanol [48]

Chất lỏng không màu

Ngoại quan

Khối lượng phân tử

Khối lượng riêng

Nhiệt độ nóng chảy

74,12 g.mol-1 0,81 g/cm3 -90°C

Nhiệt độ sôi

117,7°C

Độ tan trong nước

Nhiệt độ tự bốc cháy

Điểm chớp cháy

Nhiệt hóa hơi

Nhiệt đốt cháy

Độ nhớt

Áp suất hơi

Hàm lượng ôxy

7,7g/100ml ở 20°C 345oC 37°C 43,8 kJ mol-1 198,2 kJ mol-1 2,544 cP 0.56 kPa ở 20oC 21,6%

Ngưỡng mùi

15 ppm

Bảng 2-2: So sánh tính chất hóa học và vật lý của Butanol và xăng [20, 24, 58]

Tính chất của nhiên liệu

Butanol

Xăng

Công thức hóa học

C4H10O

C4 -C12

Khối lượng mol [g/mol]

105

H/C

2,5

1,85

Oxy [%kl]

21,6

2,7

810

751

Hàm lượng Hydrocacbon thơm [%thể tích] Khối lượng riêng ở 15C [kg/m3]

27-225

Điểm bay hơi [C]

2,3

48-103

Áp suất bay hơi ở at 38C [kPa] Nhiệt dung riêng [kJ kg-1 K-1]

2,2

1,19

0,4

Độ nhớt ở 20C [mPa.s]

Nhiệt ẩn bay hơi [kJ/kg]

474

364

Nhiệt trị thấp [MJ/kg]

33,3

43,5

423

257

Nhiệt độ tự cháy [C]

Trị số octane RON/MON

90/80

92/81

Tỷ lệ không khí/ nhiên liệu A/F

11,2

14,7

Tốc độ ngọn lửa tầng tại 100 kPa, 325 K (cm/s)

-29-

2.1.3. Đánh giá một số chỉ tiêu của xăng và Butanol [4, 36]

2.1.3.1. Về chỉ số Octane

-30-

Chỉ số octane của n-Butanol tương tự như của xăng nhưng thấp hơn Ethanol.

Butanol được sử dụng như là một phụ gia trong xăng, nó cũng có hiệu quả làm tăng

RON cho xăng, xăng gốc có RON càng thấp thì hiệu quả tăng RON càng cao. Nhiên

liệu có chỉ số octan cao sẽ ít bị kích nổ đặc biệt là khi quá trình cháy diễn ra nhanh

và tự diễn biến bởi kỳ nén, có thể tăng chỉ số nén của động cơ, nhờ vậy tăng đáng kể

hiệu suất nhiệt của động cơ. Điều này sẽ dẫn tới cải thiện công suất động cơ, dẫn đến

2.1.3.2. Về hàm lượng oxi

tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn so với việc sử dụng các nhiên liệu khác cùng điều kiện.

Do chỉ có 21,6% oxy trong phân tử Butanol so với 35,1% oxy trong Ethanol

nên nhiệt trị khối lượng của Butanol (36MJ/kg) lớn hơn Ethanol (26,8MJ/kg) và nhỏ

hơn xăng (43,9MJ/kg), nhưng do khối lượng riêng của Butanol lớn hơn xăng nên sự

khác nhau về nhiệt trị thể tích ít hơn.

Mặt khác, sự có mặt oxy trong phân tử Butanol cũng như Ethanol làm giảm sự

phát thải những khí độc hại từ ống thải của động cơ do quá trình cháy được triệt để

hơn ở động cơ dùng 2 loại nhiên liệu trên. Nhờ vậy lượng thải khí CO giảm đáng kể.

Ngoài ra với % oxy trong phân tử của Butanol thấp hơn so với Ethanol sẽ cho phép

pha Butanol với xăng ở tỷ lệ cao hơn so với khi pha với Ethanol mà không cần thiết

phải thay đổi tỷ lệ không khí/nhiên liệu trong động cơ. Nếu Ethanol có thế sử dụng

với tỷ lệ 5 – 10% mà không thay đổi động cơ thì có thể suy ra Butanol có thể sử dụng

2.1.3.3. Độ bay hơi và nhiệt hóa hơi

từ 8-32%.

Một trong những tính chất của Butanol là áp suất hơi bão hòa thấp (0,33 psi),

so với Ethanol là 2 psi và xăng là 4,5 psi, điều đó có nghĩa là Butanol có tốc độ bay

hơi thấp hơn. Điểm đồng sôi của hai cấu tử bao giờ cũng thấp hơn điểm bắt đầu sôi

của từng cấu tử. Do vậy nếu pha cồn vào xăng có nhiều thành phần nhẹ thì hao hụt

do bay hơi tăng. Hiện tượng đẳng phí cũng dẫn đến làm tăng áp suất hơi bão hòa. Vì

vậy so với Ethanol, Butanol không tạo nên hỗn hợp đẳng phí với các cấu tử trong

-31-

xăng. Khi pha Butanol vào xăng sẽ làm áp suất Reid giảm nên có thể pha Butanol vào

xăng có nhiều thành phần nhẹ, xăng pha Butanol sẽ có độ bay hơi nhỏ hơn vì vậy hạn

chế được hao hụt do bay hơi. Tuy nhiên nếu áp suất của xăng quá nhỏ cũng sẽ ảnh

hưởng đến khả năng khởi động lạnh của động cơ.

Đối với Butanol vì nhiệt hóa hơi của Butanol (0,43 MJ/kg) thấp hơn một nửa so

với Ethanol (0,92 MJ/kg) nên động cơ sử dụng Butanol sẽ khởi động tốt hơn vào mùa

2.1.3.4. Thành phần nước

lạnh so với Ethanol hoặc Methanol.

Butanol không tan trong nước vô hạn như Ethanol, độ tan của Butanol đo được

ở 20oC là 7,7 g/100 ml. Mạch cacbon

của Butanol dài hơn Ethanol nên rõ

ràng sẽ làm tăng tính kị nước và gần

với các hydrocacbon hơn. Do vậy

việc phân tầng của Butanol trong

xăng sẽ kém hơn Ethanol. Tính kị

nước của Butanol cao hơn Ethanol

nên vấn đề tồn trữ của xăng pha

Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn sự phân tích pha với nước theo % thể tích Butanol và Ethanol

Butanol cũng không phức tạp như

Ethanol.

Để theo dõi được khả năng tương tác với nước của xăng pha Butanol và Ethanol,

có thể tham khảo đồ thị ở Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn sự phân tích pha với nước theo

% thể tích Butanol và Ethanol. Đồ thị được tham khảo trên website của công ty BP

[6]. Dựa vào đồ thị, sẽ thấy rằng sự háo nước của xăng pha Ethanol là cao hơn hẳn

so với xăng pha Butanol. Hàm lượng nước trong xăng cao, ngoài việc gây ra sự phân

2.1.3.5. Nhiệt trị và năng lượng riêng

tầng làm cho hiệu quả hòa tan của phụ gia vào xăng giảm còn có những tác hại khác.

Nhiệt trị thể tích của Butanol là 29,2 MJ/L cao hơn hẳn so với Ethanol là 19,6

MJ/L, còn đối với xăng là 32 MJ/L. Tuy nhiên nhiệt trị thể tích của Butanol vẫn thấp

hơn so với xăng. Khi so sánh về chi phí nhiên liệu nên so sánh giá tính trên một đơn

-32-

vị năng lượng của nhiên liệu. Nếu Butanol được sản xuất trên quy mô công nghiệp

thì giá sẽ thấp và theo BP và DuPont thì giá có thể cạnh tranh hoặc thấp hơn Ethanol

nên chi phí trên một đơn vị năng lượng của Butanol chắc chắn sẽ rẻ hơn.

Nhiên liệu Butanol hay Ethanol có năng lượng tính theo một đơn vị khối lượng

hay một đơn vị thể tích thấp hơn so với xăng. Để dễ so sánh năng lượng tinh thoát ra

trên một chu trình hoạt động của động cơ người ta dùng một đại lượng gọi là năng

lượng riêng (Specific energy) của nhiên liệu. Nó được định nghĩa là năng lượng tính

trên một tỷ lệ không khí nhiên liệu.

Sự có mặt oxy trong phân tử Butanol dẫn đến giảm lượng không khí lý thuyết

cần thiết để cung cấp cho một đơn vị nhiên liệu. Lượng không khí lý thuyết cấn thiết

để cung cấp cho 1 kg Ethanol là bằng 9 đối với Butanol là 11,1, còn đối với xăng là

bằng 14,6. Điều này dẫn đến là tuy nhiệt trị của Butanol, Ethanol nhỏ hơn xăng nhưng

năng lượng riêng tính trên 1 kg không khí của Butanol (3,2 MJ/kg air) lớn hơn hẳn

so với xăng (3,0 MJ/kg air) và Ethanol (2,9 MJ/kg air). Do vậy nếu giả định các thông

số vận hành là không đổi thì khi chuyển động cơ từ dùng xăng sang dùng Ethanol thì

công suất động cơ chỉ giảm dưới 5%. Tương tự đối với Butanol thì năng lượng riêng

của Butanol cao hơn Ethanol và cao hơn 10% so với xăng nên công suất của động cơ

2.1.3.5. Các vấn đề khác

dùng nhiên liệu Butanol sẽ cao hơn cũng khoảng 10% so với dùng xăng.

Bảng 2-3 biểu diễn độ nhớt động học của một số loại nhiên liệu. Qua đó cho

thấy độ nhớt của Butanol cao hơn hẳn Ethanol và xăng nên sẽ ảnh hưởng đến hệ thống

bơm và vận chuyển. Nếu Butanol được đưa vào sản xuất bằng phương pháp lên men

từ các sản phẩm nông nghiệp thì cũng sẽ góp phần làm giảm khí nhà kính.

Về giá Butanol có thể cạnh tranh được với Ethanol: Theo BP và DuPont khi đưa

vào sản xuất trên quy mô công nghiệp, giá của Butanol hoàn toàn có thể cạnh tranh

được với Ethanol.

Theo báo cáo của BP và Dupont, Butanol có thể phối trộn ở nồng độ cao với

xăng hơn hẳn những nhiên liệu khác. Butanol được xem là cấu tử gần với xăng nhất

trong mục đích phối trộn và nó đã được kiểm chứng tại Viện Bảo vệ môi trường của

-33-

Hoa Kỳ. Từ tất cả ưu điểm vượt trội nói trên có thể tiến hành nghiên cứu pha Butanol

vào trong xăng, xem lượng Butanol có thể pha lớn nhất vào trong xăng được bao

Bảng 2-3: Độ nhớt động học của một số loại nhiên liệu [23]

nhiêu mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu không bị ảnh hưởng nhiều đến tính năng động cơ.

Độ nhớt động học (200C) STT Chất

2.2. Lý thuyết phun nhiên liệu trên động cơ đánh lửa cưỡng bức

2.2.1. Hệ thống phun xăng trên đường nạp

Butanol 3,64 cSt 1. 1,52cSt Ethanol 2. 0,64 cSt Methanol 3. Gasoline 0,4–0,8 cSt 4. Diesel >3 cSt 5. 1,0 cSt Water 6.

Phun nhiên liệu đa điểm (MPI), còn được gọi là phun nhiên liệu cửa nạp (PFI),

nhiên liệu được phun vào các cửa nạp ngay phía mặt sau của mỗi van nạp. Các hệ

thống MPI có thể phun độc lập, trong đó thời điểm phun thường trùng với hành trình

nạp của mỗi xilanh; khi phun theo nhóm, trong đó nhiên liệu được phun vào các

xilanh theo nhóm mà không đồng bộ hóa chính xác với bất kỳ hành trình nạp nào của

xilanh cụ thể; hoặc đồng thời, trong đó nhiên liệu được phun cùng lúc với tất cả các

xilanh.

Áp suất nhiên liệu điển hình dao động trong khoảng 40-60 psi. Hệ thống phun

xăng đa điểm trên cửa nạp được sử dụng phổ biến hiện nay cho phép động cơ hoạt

động tối ưu theo chế độ vận hành góp phần tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi

trường so với động cơ phun xăng đơn điểm và động cơ sử dụng bộ chế hòa khí.

Hình 2.3 trình bày nguyên lý của hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện

tử Bosch Motronic [5]. Trong hệ thống MPI, tín hiệu tốc độ động cơ, lưu lượng khí

nạp dung để xác định thời gian phun cơ bản (tp), thời gian phun cơ bản được hiệu

chỉnh trên cơ sở tín hiệu tải động cơ cùng nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp và điện

áp acquy để xác định chính xác thời gian phun (ti) (Hình 2.4).

Hình 2.3: Hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5] 1. Thùng nhiên liệu; 2. Bơm nhiên liệu; 3. Bộ lọc nhiên liệu; 4. Bộ điều chỉnh áp suất; 9. Bộ giảm áp; 8. Bộ điều khiển; 7. Bộ chia điện; 8. Vòi phun; 9. Van khởi động lạnh; 10. Bướm ga; 11. Công tắc van tiết lưu; 12. Lưu lượng kế; 13. Cảm biến oxy; 14. Công tắc nhiệt; 15. Cảm biến nhiệt độ; 18. Van khí phụ; 17. Cảm biến vị trí trục khuỷu; 18. Rơle chính; 19. Rơle bơm

2.2.2. Hệ thống phun xăng trực tiếp

-34-

Trong các động cơ đốt trong, động cơ phun xăng trực tiếp (GDI), còn được gọi

là động cơ đánh lửa phun xăng trực tiếp (SIDI) hoặc phun nhiên liệu phân lớp (FSI),

là một biến thể của phun nhiên liệu được sử dụng trong động cơ xăng bốn kỳ. Xăng

được bơm lên đến áp suất cao rồi nén vào một ống chung và được các vòi phun phun

trực tiếp vào buồng đốt của mỗi xi lanh, trái ngược với phun nhiên liệu đa điểm thông

thường xảy ra trong đường nạp hoặc cửa nạp xi lanh.

Tải động cơ và tốc độ động cơ được điều khiển bởi bộ điều khiển động cơ (ECU)

nhờ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa thay vì phải tiết lưu hạn

chế việc cung cấp không khí nạp vào. Việc thêm chức năng này vào ECU đòi hỏi phải

tăng cường đáng kể quá trình xử lý và bộ nhớ của nó vì phun trực tiếp cộng với quản

-35-

lý tốc độ động cơ phải có thuật toán rất chính xác để có hiệu suất tốt và khả năng vận

hành của xe.

Hình 2.4: Sơ đồ điều kiển hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5]

Áp suất phun nhiên liệu là yếu tố then chốt để có được cả quá trình phun tạo

nguyên tử hiệu quả và mức độ thâm nhập tia phun cần thiết. Áp suất phun nhiên liệu

cao hơn làm giảm đường kính trung bình của lổ phun xấp xỉ căn bậc hai nghịch đảo

của chênh lệch áp suất (pinj-pcyl). Việc sử dụng áp suất phun nhiên liệu rất cao, chẳng

hạn như 20 MPa, sẽ tăng cường quá trình nguyên tử hóa nhưng rất có thể sẽ tạo ra

một tia phun có mức độ thâm nhập quá mức dẫn đến làm ướt thành buồng cháy. Áp

suất nhiên liệu đã được chọn cho hầu hết các động cơ GDI dao động từ 4 đến 13 MPa,

khá thấp khi so sánh với áp suất hệ thống phun diesel 50-160 MPa, nhưng tương đối

cao so với hệ thống PFI với áp suất phun 0,25-0,45 MPa. Dựa trên đánh giá tài liệu

[61], các điểm chính của thông tin liên quan đến hệ thống nhiên liệu GDI là:

- Áp suất tích trữ trong ống phân phối (common rail) trong khoảng 4 - 13MPa;

- Áp suất tích trữ trong ống phân phối từ 5.0 - 7.5 MPa là phổ biến nhất trong

các hệ thống GDI hiện hành; 7.0 - 10.0 MPa là dải áp suất tích trữ trong ống phân

phối có khả năng nhất cho các hệ thống trong tương lai;

- Tuổi thọ bơm, tiếng ồn và tốc độ mồi của hệ thống là những mối quan tâm

quan trọng, đặc biệt là ở áp suất trên 8,5 MPa;

- Áp suất phun thay đổi là một giải pháp khả thi.

Hình 2.5: Bố trí hệ thống động cơ GDI điển hình [43]

Hình 2.6: So sánh các đặc tính phun của kim phun cao áp kiểu lỗ và xoáy cho áp suất phun 20 MPa [51]

-36-

Hình 2.6 so sánh các đặc tính phun của vòi phun kiểu lỗ và xoáy. Các đặc tính

tia phun bao gồm độ xuyên thâu tia phun phun (penetration) và thể tích tia phun (spray

volume) thể hiện kết quả tính toán từ các phương trình thực nghiệm. Vòi phun xoáy

-37-

thường tạo ra tia phun có phân bố kích thước giọt (DV90, DV10) hẹp hơn so với vòi

phun loại lỗ tiêu chuẩn, với sự phun ra tốt nhất xảy ra ở áp suất phân phối cao và góc

phun rộng. Một lợi thế nữa là vòi phun xoáy được thiết kế có thể tùy chỉnh đường

cong thâm nhập phun bằng cách thay đổi tỷ lệ xoáy chỉ với những thay đổi nhỏ trong

mức độ nguyên tử hóa, do đó cung cấp sự thay đổi cần thiết của cấu hình phun để đáp

ứng các yêu cầu phân lớp khác nhau.

Cơ chế hình thành phun của kim phun kiểu xoáy và ba thiết kế điển hình của

vòi phun xoáy được minh họa trong Hình 2.7 [61]. Hình 2.7b tạo ra các đặc điểm

phun tương tự khi số xoáy Reynold được duy trì. Vòng xoáy kiểu tiếp tuyến được

Hình 2.7: Thiết kế điển hình của vòi phun xoáy 2.3. Lý thuyết mô phỏng quá trình phun nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng

bức

2.3.1. Hệ phương trình đối lưu-khuếch tán

chọn cho động cơ GDI của Mitsubishi.

Hệ phương trình lưu chất (đối lưu – khuếch tán) được hình thành từ sự kết hợp

các định luật bảo toàn khối lượng, động lực, và năng lượng, cần thiết phải có một

-38-

phương trình trạng thái nhiệt động lực trong đó áp suất là một hàm của các biến nhiệt

động lực khác của chất lưu để có thể giải được bài toán. Phương trình trạng thái của



khí khí lý tưởng:



R T u M

( 2.1)

Trong đó: p là áp suất (bar), ρ là khối lượng riêng kg/m3), Ru hằng số khí lý

tưởng, M là phân tử khối và T là nhiệt độ (K).

Ba định luật bảo toàn được sử dụng để giải các bài toán động lực học chất lưu,

và chúng có thể được viết dưới dạng tích phân hoặc vi phân. Các công thức toán học

của các định luật bảo toàn này có thể được giải thích bằng cách xem xét khái niệm về

khối thể tích kiểm tra. Một khối thể tích kiểm tra là một thể tích cụ thể nào đó trong

không gian mà thông qua nó chất lỏng có thể lưu thông vào hay ra. Công thức tích

phân của các định luật bảo toàn xem xét sự thay đổi khối lượng, động lực, hoặc năng

lượng trong khối thể tích kiểm tra. Các công thức vi phân của các định luật bảo toàn

áp dụng định lý Stokes để tìm ra một biểu thức, biểu thức đó có thể được hiểu như là

dạng vi phân của định luật áp dụng cho một thể tích vô cùng nhỏ tại một điểm trong

2.3.1.1. Tính liên tục của khối lượng (bảo toàn khối lượng)

dòng chảy.

Tốc độ thay đổi của khối lượng chất lưu bên trong một thể tích kiểm tra phải

bằng với tổng lượng thay đổi của dòng chất lưu chảy vào bên trong khối thể tích kiểm

tra. Về mặt vật chất, điều này có nghĩa là khối lượng không được tạo ra và cũng không

mất đi bên trong khối thể tích kiểm tra và có thể được thể hiện dưới dạng tích phân

udS



 



của phương trình liên tục (continuity equation):



 V

 t 

(2.2)

Với ρ là khối lượng riêng của chất lưu, u là vector vận tốc dòng chảy và t là thời

gian. Phía trái của biểu thức trên có chứa tích phân ba lớp trên khối thể tích kiểm

tra, trong khi đó phía phải chứa tích phân mặt trên bề mặt khối thể tích kiểm tra. Dạng

  





vi phân của phương trình liên tục là:



u

p  t 

2.3.1.2. Bảo toàn động lượng

(2.3)

-39-

Phương trình này áp dụng định luật thứ hai của Newton về chuyển động cho

khối thể tích kiểm tra: bất kỳ sự thay đổi động lượng nào của chất lỏng bên trong một

khối thể tích kiểm tra là do dòng chảy của chất lỏng đi vào khối thể tích kiểm tra và

tác động của các lực bên ngoài vào bên trong khối. Trong công thức tích phân của

phương trình này, các lực khối ở đây được đại diện bởi fbody, lực khối trên mỗi đơn vị

khối lượng. Các lực mặt chẳng hạn như lực nhớt, được đại diện bởi Fsurf, lực ròng (net

. dSu







F 



 

 u

force) do các ứng suất trên bề mặt khối thể tích kiểm tra.





V udV 

S pdS

 V

body

surf

 t 

(2.4)

Dạng vi phân của phương trình bảo toàn động lượng được trình bày dưới đây.





Ở đây, cả lực khối và lực mặt được tính vào tổng lực, F.

Du Dt

p  

(2.5)

Trong khí động học, không khí được giả định là một chất lỏng Newton, tức là

thừa nhận một mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất cắt (do các lực ma sát trong) và

tốc độ biến dạng của chất lưu. Phương trình trên là phương trình vector: trong một

dòng chảy ba chiều, nó có thể được thể hiện bằng ba phương trình vô hướng. Các

phương trình bảo toàn động lượng cho trường hợp dòng chảy nhớt nén được gọi là

2.3.1.3. Bảo toàn năng lượng

các phương trình Navier - Stokes.

Năng lượng có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác, tổng năng lượng

k T     









trong một hệ khép kín không thay đổi, được diễn tả ở phương trình sau:

Dh Dp  Dt Dt

(2.6)

Trong công thức trên, h là enthalpy, k là độ dẫn nhiệt của chất lưu, T là nhiệt độ

và  hàm tiêu nhớt. Hàm tiêu nhớt chi phối tốc độ năng lượng cơ học của dòng chảy

chuyển thành nhiệt. Định luật thứ hai của nhiệt động lực yêu cầu  phải luôn luôn

dương, tức là độ nhớt không thể tạo ra năng lượng bên trong khối thể tích kiểm tra.

2.3.2. Hệ phương trình mô tả dòng chảy rối

Biểu thức phía bên trái là một đạo hàm hữu hình (Material derivative).

-40-

Dòng chảy rối có thể được mô tả thông qua việc sử dụng các phương trình

Navier - Stokes. Mô phỏng số trực tiếp (DNS) dựa trên các phương trình Navier –

Stokes có thể mô phỏng dòng chảy rối với số Reynolds vừa phải. Sự hạn chế phụ

thuộc vào tốc độ của máy tính được sử dụng và của thuật toán giải pháp. Kết quả

DNS đã được chứng minh trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm cho một số dòng chảy.

Phương trình Navier-Stokes, được đặt tên theo Claude-Louis Navier và George

Gabriel Stokes, miêu tả dòng chảy của các chất lỏng và khí (gọi chung là chất lưu) và

được xây dựng từ định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng. Những

phương trình này thiết lập trên cơ sở biến thiên động lượng trong những thể tích vô

cùng nhỏ của chất lưu đơn thuần chỉ là tổng của các lực nhớt tiêu tán, biến đổi áp

suất, trọng lực và các lực khác tác động lên chất lưu - một ứng dụng của định luật 2

của Newton.

Phương pháp trung bình Reynodls cho phương trình Navier-Stockes (RANS) là

phương pháp mô hình hóa rối thông dụng nhất. Khi thực hiện việc trung bình hóa

này, hệ phương trình biểu diễn chuyển động của chất lỏng được giải quyết, đồng thời

làm xuất hiện một ten-xơ mới gọi là ten-xơ Reynolds. Đây là ten-xơ ẩn bậc 2, có thể

được tính toán bằng nhiều phương pháp ở các mức độ khác nhau.

Trong trung bình Reynolds, các biến giải pháp trong các phương trình Navier-

Stokes tức thời (chính xác) được phân tách thành các thành phần trung bình (tổng hợp





trung bình hoặc thời gian trung bình) và dao động. Đối với các thành phần vận tốc:

u i

(2.7)

iu và

iu là các thành phần vận tốc trung bình và dao động (i=1,2,3).

Ở đây

  





Tương tự, đối với áp suất và các đại lượng vô hướng khác:

(2.8)

Với  biểu thị một vô hướng như áp suất, năng lượng, hoặc nồng độ chất.

Thay thế các biểu thức của biểu mẫu này cho các biến dòng chảy vào các phương

trình liên tục và động lượng tức thời trong 1 khoảng thời gian tạo ra các phương trình

động lượng trung bình. Chúng có thể được viết dưới dạng hệ tọa độ Descartes:



u 







-41-

  t 

 x 

u 





 









u  i

u u i

 ij





2 3

 t 

 x 

u  x 

p  x  i

x  i

u  x  l

   

        

   

(2.9)







  u u i j

. (2.10)





 x 

Phương trình (2.9) và (2.10) được gọi là hệ phương trình Navier-Stokes trung

bình Reynolds (RANS). RANS có cùng dạng chung như các phương trình Navier-

Stokes tức thời, với vận tốc và các biến khác giờ đây đại diện cho các giá trị trung

bình (hoặc thời gian trung bình). Các đại lượng bổ sung này xuất hiện đại diện cho

  , phải được lập mô hình

iuu 

các hiệu ứng của rối. Những Reynolds nhấn mạnh,

2.3.3. Phương trình mô tả tia phun

để đóng kín phương trình.















Phương trình mô tả quá trình phát triển và phân rã của tia phun có dạng:





kk  

S 

 x

   t 



  x 

   

   

Trong đó, ρ là mật độ của chất lỏng,  là biến chung và  là độ khuếch tán tương ứng, S đại diện cho thuật ngữ nguồn, Uk (k = 1, 2, 3) đại diện cho các thành phần vận tốc và Ubk là các thành phần của vận tốc của ranh giới chuyển động của khối điều khiển. Các giá trị của các thuật ngữ này ứng với phương trình tính liên tục, động lượng, động năng rối, phương trình bảo tồn chất và enthaply được liệt kê trong

(2.11)

Bảng 2-4. Một mô hình rối số cao tiêu chuẩn của Reynold được sử dụng để tính

toán năng lượng rối, với các chức năng thành tiêu chuẩn ở các khu vực thành.

Dòng hai pha được mô hình hóa theo phương pháp LagrangianEulerian, với pha

khí được mô hình hóa theo cách Euler, và pha lỏng là pha rời rạc, được xử lý theo

cách Lagrange. Kết hợp hai chiều của các thuật ngữ nguồn được sử dụng với pha

Eulerian ảnh hưởng đến các giọt và ngược lại.





Phương trình động lượng cho pha lỏng được cho bởi:

m d

idr

F ig

F ip

F ib

du id dt

(2.12)

Trong đó, md là khối lượng giọt, và uid là vector vận tốc của nó, Fidr là lực kéo

(chỉ số 'i' biểu thị đại lượng vectơ), Fig là trọng lực và lực nổi, Fip là lực áp suất, và Fib

-42-

tính đến bất kỳ ảnh hưởng của các lực khác (bằng không trong các phép tính hiện tại).





Các biểu thức cho các lực này được đưa ra dưới đây.

m d

idr

F ig

F ip

F ib

du id dt

(2.13)

trong đó uirel là vận tốc tương đối với độ lớn | urel |, và Dp đại diện cho lực kéo được



cho bởi:

 g

uCA D

rel

1 2

(2.14)

Ở đây, CD là hệ số kéo và Ad là vùng dự kiến của giọt. ρ đại diện cho mật độ,





0.687 d

 1 0.15 Re



24 Re

với chỉ số g đề cập đến pha khí. Hệ số kéo CD thay đổi theo số giọt của Reynold như:

d 0.44



     

(2.15)

 g

trong đó, số Reynold được định nghĩa là:

Re d

Du rel d  g



   g

V d

igr

(2.16)



F ip

V p   d

Ở đây, µ là độ nhớt và Dd là đường kính hạt. Lực hấp dẫn và áp suất được cho bởi:  (2.17)

(2.18)

trong đó Vd đại diện cho thể tích của hạt.

Do đó, thay thế các giá trị của các lực khác nhau trong phương trình (2.13),









 u



phương trình cuối cùng cho gia tốc hạt được cho là:

du id dt

3 4

 g  d

  

  

Bảng 2-4: Các hệ số khuếch tán và các thuật ngữ nguồn cho các phương trình vô hướng khác nhau

Hệ số

khuếch tán

Công thức

Thuật ngữ nguồn Sφ

kk 0

Liên tục 1





 U 

k 

g 

 3/2

 eff

  t

 eff

 ik

 eff

Động lượng Ui

 x 

U  x 

  

   

  

  

(2.19)

;

GP 



; 











 Sk



2  t

SS ij

  t



t 

2 3

 t 

Động năng rối

-43-





/t 

kCGCPC 3 4  

1 



 k

U  x  k

  

  C  2 

Sự phân tán

của TKE







 t

 H

Năng lượng

p  t 

 x  k

U  x  k

 2   ik 3 

  

  U  

   

(tổng H





/  Yi t

enthalpy)

1, 44;

1, 92;

0,8;

0, 33;

0, 009;

;



;1k

C 

C 

Chất R Yi

Ct 

 

k 

Hằng số giá

1, 3;

0, 9

 

 

trị

Sự trao đổi nhiệt và chất trong quá trình bay hơi của hạt được mô hình hóa bởi

mô hình Dukowicz (1979), giả thiết hạt có hình cầu đối xứng, sự hiện diện của một

màng khí bán ổn định xung quanh hạt, nhiệt độ phân bố đều trong hạt và nhiệt hơi

lỏng cân bằng trên bề mặt hạt. Trong các điều kiện này, tốc độ thay đổi nhiệt độ được

xác định bằng cân bằng năng lượng. Năng lượng được truyền vào một hạt hoặc dẫn

 Q





đến sự gia tăng nhiệt độ của nó hoặc cung cấp nhiệt ẩn bay hơi cho hạt:

cm d

dT d dt

dm dt md là khối lượng của hạt, Td là nhiệt độ của nó, cpd là nhiệt dung riêng, và L là

(2.20)

nhiệt ẩn. Q' là dòng nhiệt đối lưu từ khí ở nhiệt độ T tới bề mặt hạt, được cho bởi:

 Q







 TNu

d



(2.21)

1/3

2 0,6 Re Pr

Nu  

Nu là số Nusselt được lấy từ sự tương quan của Ranz và Marshal như sau:

1/2 d

(2.22)

Với Pr là số Prandtl.

sq và dòng khối hơi là vsf , với giả định về tính đồng nhất của các điều kiện bề mặt hạt, phương trình năng

Nếu thông lượng nhiệt bề mặt cục bộ được biểu diễn bởi

 Q





m c d

lượng hạt giảm xuống:

dT d dt

   

   

 f vs  q Trong khi quá trình phân rã sơ cấp không được mô hình hóa, mô hình TAB do

( 2.23)

O’Rourke và Amsden [39] đề xuất đã được sử dụng để mô hình quá trình phân rã thứ

-44-

cấp của các hạt. Trong mô hình TAB, hạt được giả định là tương tự với hệ thống đàn

hồi: lực khí động học trên hạt là lực bên ngoài, sức căng bề mặt được biểu diễn bằng

lực đàn hồi và độ nhớt có thể được mô hình hóa bởi lực giảm chấn. Các hạt được giả

 y

 y





định dao động dưới tác dụng của các lực này, với gia tốc của nó được cho bởi:

C  k 3 r  1

uC  gF 2 rC  1 b

C  d 1 2 r  1 Trong đó: y là khoảng dịch chuyển không giới hạn của đường xích đạo của hạt

(2.24)

từ vị trí cân bằng của nó, và u là vận tốc tương đối giữa khí và hạt. µ là sức căng bề

mặt, và ρ là mật độ, các chỉ số l và g đại diện cho pha lỏng và khí, tương ứng. CF, Ck,

Cd và Cb là các hằng số mô hình. Ban đầu các tia phun phát triển bình thường, khi y>

1 các hạt vỡ thành những hạt nhỏ hơn có vận tốc bình thường giống như vận tốc của

 y

1 



hạt ban đầu. SMD của các hạt mới được xác định từ năng lượng bảo tồn, như sau:

K .8 20

K  120

r  1 

  

  

r r 32

(2.25)

Trong đó r là bán kính của hạt, r32 là bán kính trung bình Sauter, σ là độ căng

bề mặt, và K là hằng số.

Sự tương tác của tia phun thành được phát triển Weber [35], và một khối lượng

mô hình hai chiều hữu hạn Film-Wall với các mối quan hệ bán thực nghiệm áp dụng

cho màng mỏng (<500 µm). Sự tương tác giữa tia phun và thành được xác định bởi







số Reynold và Ohnesorge, được đưa ra bởi các biểu thức:



ud 0  

(2.26)

Ở đây, chỉ số 0 đề cập đến các điều kiện trước tác động, d là đường kính hạt và

u là vận tốc bình thường. Giá trị K được định nghĩa, là dạng sửa đổi của số Weber và

1,25

K Oh 

được biểu thị bằng biểu thức:

. R e D

(2.27)

Giá trị K này xác định chế độ va chạm. Đối với K nhỏ hơn 57,7, các hạt được

lắng hoàn toàn tại thành mà không bị vỡ hoặc phân rã. Trong chế độ phân rã (K>

-45-

57,7), các giọt nhỏ bị phân tán một phần để tạo ra sự phân bố kích thước hạt cho các

9,2133

3, 9869.10

21 K



hạt phản xạ. Tỷ lệ phản xạ với khối lượng va đập được cho bởi:

m m / 1 0

(2.28)

Và sự khác biệt m0 - m1 được thêm vào thành. Các kích thước hạt phản xạ cũng

0,8



0,88 0,013 

thu được từ các mối tương quan thực nghiệm như:

d d / 1

(2.29)

Trong mô hình màng thành, các pha khí và chất lỏng được xử lý như các pha

riêng biệt với một lớp nối giữa hai pha. Giả thiết rằng độ dày màng nhỏ so với đường

kính lưu lượng khí và màng song song với thành. Hơn nữa, các hiệu ứng quán tính

được giả định là nhỏ so với ma sát thành và ứng suất cắt. Mô hình bao gồm tác dụng

của lực cắt, trọng lực, gradient áp suất, bay hơi, truyền nhiệt, tương tác với các tia

phun và sự cuốn màng vào luồng chính do lực cắt cao.

Trong khi mô hình dòng chảy một pha trong CFD là ở trạng thái sau cho dòng

chảy hiện tại và kết quả của CFD là hợp lý thì cũng không thể nói về mô hình dòng

chảy hai pha. Sự phân rã của các tia áp suất thấp chưa xác định được và không có mô

hình nào hiện tại được áp dụng trực tiếp cho các dòng tia áp suất thấp [42]. Do đó,

trước khi sử dụng mô hình CFD để mô phỏng phun trong hình học động cơ, tia phun

được mô phỏng trong một buồng kín để phù hợp với điều kiện thử nghiệm và được

chấp nhận. Cách tiếp cận này là hợp lý vì tia phun cơ bản được phun vào một vùng

2.3.4. Lý thuyết bay hơi của giọt nhiên liệu

kín phía trên đường nạp sau đó nó đi vào trong trường dòng chảy rối của đường nạp.

Định luật nhiệt động 2 được áp dụng để dự đoán sự bốc hơi từ một giọt pha rời

rạc. Định luật 2 được bắt đầu khi nhiệt độ của giọt đạt đến nhiệt độ bốc hơi Tvap và

tiếp tục cho đến khi giọt đạt đến điểm sôi Tbp, hoặc cho đến khi phần dễ bay hơi của

T vap

giọt được tiêu thụ hoàn toàn :

(2.30)

m p

  1  

T  bp ,0 f m ,0 p v Sự khởi đầu của luật bay hơi được xác định bởi thiết lập của Tvap, một tham số

(2.31)

mô hình hóa không có ý nghĩa vật lý. Khi sự bốc hơi được bắt đầu (bởi giọt nhỏ đạt

tới ngưỡng nhiệt độ ngưỡng này) nó sẽ tiếp tục bốc hơi ngay cả khi nhiệt độ giọt rơi

-46-

xuống dưới Tvap. Quá trình bay hơi sẽ bị dừng lại chỉ khi nhiệt độ giọt rơi xuống

dưới điểm sương. Trong trường hợp như vậy, các giọt sẽ vẫn còn trong Luật 2 nhưng

không có sự bốc hơi sẽ được dự đoán. Khi đạt đến điểm sôi, sự bay hơi giọt được dự

đoán bởi tốc độ sôi, Luật 3, như được mô tả trong phần sau.

2.3.4.1. Trao đổi chất bằng mô hình kiểm soát khuếch tán

Khi tốc độ bốc hơi chậm có thể giả định được điều chỉnh bởi khuếch tán

gradient, với dòng hơi nhiên liệu khuếch tán vào pha khí liên quan đến sự chênh lệch

(

)

N k C 



i s ,

C 

nồng độ hơi tại bề mặt giọt và khối khí tập trung quanh hạt:

(2.32)

Ni - thông lượng hơi (kmol/m3-s);

,i sC - nồng độ hơi tại bề mặt giọt nhiên liệu (kmol/m3);

,iC  - nồng độ hơi trong khối khí tập trung quanh hạt (kmol/m3).

kc- hệ số trao đổi chất (m/s);

Nồng độ hơi tại bề mặt giọt được đánh giá bằng cách giả thiết rằng áp suất cục

T (

)



i s ,

bộ của hơi tại giao diện bằng áp suất hơi bão hòa Psat, ở nhiệt độ giọt, Tp:

sat RT

(2.33)

trong đó R là hằng số khí.

Nồng độ hơi trong khối khí bao quanh hạt được biết đến từ phương trình vận



C ,i



chuyển cho các chất i như:

p RT 

(2.34)

Trong đó: Xi là thành phần mol cục bộ của chất i, p là áp suất tuyệt đối cục bộ,

và T∞ là nhiệt độ cục bộ của khối không khí bao quanh hạt.

Hệ số trao đổi chất trong phương trình (2.32) được tính từ tương quan số

1/3

2, 0 0, 6 Re





1/2 d

Sherwood [44]:

k d c D

i m ,

2( / )m s

,i mD - hệ số khuếch tán hơi trong khối



Sc - hằng số Schmidt



,i mD

(2.35)

pd - đường kính giọt (m)

-47-

Lưu lượng hơi được xác định bởi phương trình (2.32) trở thành một nguồn của

các chất i trong phương trình vận chuyển các pha khí hoặc trong phương trình phân

số hỗn hợp cho các phép tính cháy không hòa trộn trước. Khối lượng của giọt được

( )

t m t N A M t )    



m t ( p

w i ,

giảm theo.

(2.36)

pm - khối lượng giọt nhiên liệu (kg) pA -diện tích xung quanh giọt nhiên liệu (m2)

Trong đó: ,w iM - khối lượng mol chất i (kg/kmol)

Đối với tốc độ bay hơi cao, hiệu ứng của dòng chảy đối lưu của vật liệu bay hơi

từ bề mặt giọt đến pha khí bao quanh (Dòng chảy Stefan) trở nên quan trọng. Trong

ANSYS-FLUENT, biểu thức sau đã được áp dụng theo đề xuất của Miller [32] and

ln(1

)





Sazhin [45]:

k A c



(2.37)

pm - khối lượng hạt (kg)

kc - hệ số trao đổi chất (m/s) được xác định từ (2.35) pA - diện tích bề mặt giọt nhiên liệu (m2)

 - khối lượng riêng pha khí bao quanh giọt nhiên liệu (kg/m3)

mB - số khối Spalding được đưa ra bởi:



B m

Trong đó:

Y Y  i i s , Y 1  i s ,

,i sY - nồng độ hơi trên bề mặt

,iY  - nồng độ hơi trong khối không khí bao quanh

2.3.4.2. Xác định áp suất hơi bão hòa và hệ số khuếch tán

(2.38)

Áp suất hơi bão hòa là một hàm tuyến tính đa thức của nhiệt độ psat(T). Áp suất

hơi bão hòa là rất quan trọng vì psat được sử dụng để thu được động lực cho quá trình

bay hơi ((2.32), (2.33)). Dữ liệu áp suất hơi bão hòa có thể thu được từ sổ tay vật lý

hoặc kỹ thuật [50].

-48-

Hệ số khuếch tán Di,m được thiết lập phụ thuộc tính vật liệu pha rời rạc. Đầu vào

hệ số khuếch tán được xác lập cho pha liên tục không được sử dụng trong mô hình

pha rời rạc.

Hệ số khuếch tán là hằng số hoặc hàm của nhiệt độ pha liên tục. Ngoài ra, có

thể xác định hệ số khuếch tán làm hàm của nhiệt độ trung bình màng Tf, được tính

)





T (   p

bằng:

(2.39)

Tp - nhiệt độ hạt nhiên liệu (K) T - nhiệt độ pha khí (K)  - Hệ số trung bình

Trong đó:



 1

Le i

Fluent tính toán hệ số khuếch tán dựa trên giả định về số thống nhất Lewis:

k c D p

i m ,

(2.40)

,i mD - sự khuếch tán khối lượng của các chất i là hỗn hợp pha khí

Trong đó:

k- Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp

2.3.4.3. Xác định điểm sôi và nhiệt ẩn hóa hơi

 - khối lượng riêng của hỗn hợp cp - nhiệt dung riêng của hỗn hợp

Điểm sôi Tbp và nhiệt ẩn hóa hơi hfg được định nghĩa là đầu vào thuộc tính không

đổi cho các vật liệu hạt nhỏ giọt. Dữ liệu điểm sôi mặc định trong cơ sở dữ liệu có

trong ANSYS-FLUENT tương ứng với áp suất 1 atm (điểm sôi bình thường) và dữ

liệu nhiệt ẩn hóa hơi tương ứng với điểm sôi bình thường của các giọt. Trong quá



T bp  

c dT h p g ,

fg bp ,

trình bay hơi, khi hạt thay đổi nhiệt độ, nhiệt ẩn hóa hơi sẽ thay đổi theo phương trình:



T p

(2.41)

Trong đó: hfg - Nhiệt ẩn hóa hơiđiểm sôi (K) hfg,bp - nhiệt ẩn hóa hơi ở điểm sôi (J/kg)

cp,g lần lượt là nhiệt dung riêng của pha khí (J/kg/K)

-49-

Đối với các mô phỏng ở hoặc gần áp suất khí quyển, biến đổi nhiệt ẩn hóa hơi

với nhiệt độ giọt thường nhỏ và có thể bỏ qua, vì vậy hfg= hfg,bp. Nếu áp suất trong mô

phỏng khác với áp suất khí quyển cần điều chỉnh điểm sôi để phù hợp với áp suất

2.3.4.4. Trao đổi nhiệt giữa không khí và giọt nhiên liệu

trung bình trong khu vực nơi các giọt bay hơi.

Cuối cùng, nhiệt độ giọt được cập nhật theo cân bằng nhiệt có liên quan đến sự

thay đổi nhiệt hợp lý trong giọt nhỏ đối với sự truyền nhiệt đối lưu và nhiệt ẩn hóa

(

)

(

)









hơi giữa giọt và pha liên tục:

m c p

   p R

hA T p 

p dt

Trong đó:

( 2.42)

dt - tỷ lệ bốc hơi (kg/s) fgh - nhiệt ẩn hóa hơi (J/kg)

p - phát xạ hạt

8 





5,67 10 

cp= nhiệt dung riêng của giọt (J/kg-K) Tp= Nhiệt độ giọt nhiên liệu (K) h= hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/m2-K) T= nhiệt độ pha liên tục (K) pdm

W 2 m K

 R

hằng số Stefan-Boltzmann

G 4 

   

1/ 4   

nhiệt độ bức xạ với G là bức xạ tới

Khi tốc độ bay hơi được tính toán bằng mô hình đối lưu/khuếch tán được kiểm

soát, hệ số truyền nhiệt đối lưu h được tính toán với một số Nu được sửa đổi như sau

)

1/3

B T

(2 0, 6 Re Pr

)





[46]:

1/2 d

ln(1  B T



pd - đường kính giọt (m)

k - hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục (W/m-K)

Red - số Reynolds

(2.43)



-50-

P r



 k p



TB là số truyền nhiệt Spalding và trong quá trình thực hiện được giả định bằng

- số Prandtl của pha liên tục

2.4. Ứng dụng ansys-fluent mô phỏng quá trình phun

số Bm chuyển khối Spalding tính từ phương trình (2.37).

ANSYS-FLUENT là công cụ CFD giải quyết tốt quá trình mô phỏng theo sơ đồ

cho ở Hình 2.8. Miền tính toán được mô hình hóa và chia lưới bằng cách sử dụng các

công cụ thiết kế và chia lưới của ANSYS. Các dòng trong xilanh được mô hình hóa

bằng mô hình RANS. Các tia phun được mô phỏng bằng mô hình giọt phân rã (DPM)

dựa trên phương pháp Eulerian – Lagrangian. Mô hình đối lưu/khuếch tán được kiểm

soát đã được áp dụng để mô hình hóa quá trình bay hơi của Butanol và xăng, và cung

Hình 2.8: Trình tự tính toán bằng ANSYS-FLUENT [63]

2.4.1. Xác lập quá trình phun nhiên liệu

Ngoài việc giải phương trình vận chuyển cho pha liên tục, ANSYS-FLUENT

cho phép mô phỏng một pha thứ hai rời rạc trong một khung tham chiếu Lagrange.

Pha thứ hai này bao gồm các hạt hình cầu phân tán trong pha liên tục. ANSYS-

FLUENT tính toán các quỹ đạo của các thực thể pha rời rạc này, cũng như nhiệt

và chuyển khối lượng tới/từ chúng. Sự liên kết giữa các pha và tác động của nó

cấp mô hình đốt với lượng nhiên liệu hơi cho mỗi nhiên liệu.

lên cả hai quỹ đạo pha rời rạc và dòng pha liên tục là bản chất của quá trình phun

nhiên liệu có trong mô hình Discrete phase.

2.4.1.1. Chọn các điều kiện Discrete phase

ANSYS-FLUENT cung cấp các tùy chọn mô hình pha rời rạc sau đây: Tính

toán quỹ đạo pha rời rạc bằng cách sử dụng công thức Lagrange bao gồm quán

tính pha rời rạc, lực kéo thủy lực và lực hấp dẫn cho cả dòng chảy ổn định và

không ổn định; Dự đoán ảnh hưởng của nhiễu loạn lên sự phân tán của các hạt do

các xoáy hỗn loạn có mặt trong pha liên tục; Gia nhiệt/làm mát của giai đoạn rời

rạc; Bốc hơi và sôi các giọt chất lỏng.

Các khả năng mô hình hóa này cho phép ANSYS-FLUENT mô phỏng một

loạt các vấn đề pha rời rạc bao gồm phân tích và phân loại hạt, sấy phun, phân tán

khí, khuấy bong bóng chất lỏng, đốt nhiên liệu lỏng và đốt than.

Hình 2.9: Xác lập các lựa chọn mô hình Discrete phase

Pha rời rạc trong mô hình ANSYS-FLUENT cho phép xác định vị trí ban

đầu, vận tốc, kích thước và nhiệt độ của các hạt riêng lẻ. Các điều kiện ban đầu

này, cùng với các yếu tố đầu vào của vòi phun giúp xác định các đặc tính vật lý

của pha rời rạc được sử dụng để bắt đầu các phép tính quỹ đạo và nhiệt/khối

lượng. Các tính toán quỹ đạo và nhiệt/khối lượng được dựa trên sự cân bằng lực

-51-

trên hạt và nhiệt đối lưu/bức xạ và sự truyền khối lượng từ hạt, sử dụng các điều

kiện pha liên tục cục bộ khi hạt di chuyển qua dòng chảy.

-52-

Các lựa chọn từ mô hình pha rời rạc (Discrete phase):

- Tương tác với pha liên tục (Interaction with the Continuous Phase)

- Các hạt không ổn định (Unsteady Particle Tracking)

- Thông số hạt: số lượng hạt tối đa mỗi bước 500, tỷ lệ chiều dài mỗi bước 0,5

- Mô hình con vật lý cần thiết cho mô hình pha rời rạc: Breakup

- Số lượng pha liên tục tương tác với hạt: 2

- Mô hình phun: Vòi phun nhóm (Group)

Xác định các điều kiện ban đầu: Sử dụng phương pháp phân phối đường kính

Hình 2.10: Xác lập mô hình phân rã tia phun

2.4.1.2. Phương pháp phân phối đường kính Rosin-Rammler

Các điều kiện ban đầu cung cấp các giá trị bắt đầu cho tất cả các biến pha

phụ thuộc rời rạc mô tả các điều kiện tức thời của một hạt riêng lẻ và bao gồm

những điều sau đây:

Rosin-Rammler.

- Tọa độ (x, y, z) của hạt

-53-

- Vận tốc (u, v, w) của hạt

- Đường kính của hạt, dp=0,001-0,01mm

- Nhiệt độ của hạt, tp =310K

pm

Hình 2.11: Xác lập thông số động học vòi phun

Hình 2.12: Xác lập thành phần nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn

2.4.1.3. Mô hình phân rã tia phun

- Lưu lượng dòng chảy khối lượng sẽ đi theo quỹ đạo của giọt riêng lẻ

Fluent cung cấp hai mô hình phân rã của tia phun: mô hình TAB và mô hình

“wave”. Mô hình TAB dựa trên sự tương tự giữa một giọt dao động và biến dạng và

một hệ thống khối lượng đàn hồi. Mô hình "wave" xem xét sự phân rã của tia phun

lỏng được gây ra do tác dụng của vận tốc tương đối giữa các pha lỏng và khí (ANSYS

-54-

2013). Khi tia phun lỏng đã chia thành các giọt, sự xâm nhập của tia phun phụ thuộc

chủ yếu vào động năng của các giọt. Trong động cơ, mô hình phân chia TAB đưa ra

dự đoán tốt về quỹ đạo giọt và dự đoán kích thước giọt vỡ (Basha và Gopal 2009)

[15] so với mô hình “wave”. Trong trường hợp động cơ đánh lửa, các ảnh hưởng của

dòng khí nạp trong quá trình nạp vào hình dạng tia phun là quan trọng hơn tốc độ

tương đối giữa pha lỏng và khí. Vì vậy, mô hình TAB đã được chọn để mô hình phân

2.5.1.4. Cài đặt thời điểm phun

rã các hạt của tia phun.



Trong FLUENT 15.0 thời gian phun được xác lập thông qua góc bắt đầu phun

bd : góc bắt đầu phun (CAD);

  bd 6 n

kt : góc kết thúc phun (CAD); n: tốc độ quay trục khuỷu.

2.4.2. Mô hình hình học

và góc kết thúc phun theo quan hệ: , với:

Mô hình được xây dựng với sự hỗ trợ của công cụ Catia và Ansys-Fluent theo

trình tự được thể hiện trên Hình 2.8: Trình tự tính toán bằng ANSYS-FLUENT [63].

Mô hình hình học được thiết lập bởi Catia và trình ứng dụng DesigModeler của Ansys

bao gồm buồng cháy, đường nạp và đường thải có lắp xupap nạp và xupap thải với

các thông số hình học đúng với kết cấu thực tế của động cơ (Hình 2.12a, b). Quá trình

chia lưới sử dụng công cụ ICE Mesh với phần tử lưới và kích thước phần tử chuyên

biệt cho động cơ đốt trong.

Trên cơ sở thông số kết cấu của động cơ bao gồm chiều dài thanh truyền, hành

trình piston, pha phân phối khí, tốc độ động cơ hệ thống ICE sẽ tự động thiết lập:

- Quy luật động học của xupap và piston;

- Tạo các vùng lưới động phù hợp với kết cấu động cơ đốt trong;

- Tạo các giao diện cần thiết cho thiết lập lưới động;

- Thiết lập các tham số lưới động;

- Tạo tất cả các sự kiện yêu cầu để mô hình mở và đóng của xupap, các sửa đổi

tương ứng trong các thiết lập người dùng;

- Thiết lập các mô hình yêu cầu;

-55-

- Thiết lập các điều kiện biên mặc định và vật liệu;

- Truy xuất giá trị tính toán;

Bảng 2-5: Động cơ Daewoo A16DMS

Nhiên liệu sử dụng

Xăng

Mômen cực đại

145Nm/3800 v/ph

Kiểu động cơ

E-TECII

Công suất cực đại

77kW/ 5800 v/ph

Số xilanh

Tỉ số nén

9,5 :1

Dung tích

1598cm3

Đường kính xilanh

79mm

Hệ thống phân phối khí

16valve, DOHC Hành trình piston

81,5 mm

- Khởi tạo điều kiện ban đầu và và tính toán.

Việc phun riêng rẽ Butanol và xăng được sử dụng để tạo ra các hòa khí (Butanol,

xăng, không khí) có tỷ lệ phân lớp Butanol khác nhau trong xi lanh động cơ. Hình

2.13 mô tả sơ đồ buồng cháy với các ống dẫn nạp vào bổ sung và chia lưới không

gian tính toán. Trong trường hợp phun riêng rẽ Butanol/xăng có hai nhánh nạp đối

xứng. Trong trường hợp của GPI và BuDI, nhánh nạp phun Butanol chỉ nạp không

khí. Hai vòi phun có sáu lỗ riêng biệt phun độc lập xăng và Butanol về lưu lượng

phun và thời điểm phun để tạo ra các tỷ lệ Butanol khác nhau.

Hình 2.13: Mô hình phun xăng-Butanol trên đường nạp Mô hình hình học (a); Mô hình ICE (b); Mô hình lưới (c)

2.4.3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên

-56-

Tính chất cơ bản của xăng và Butanol được thể hiện ở Error! Not a valid

bookmark self-reference. được nhập vào Fluent và xác lập điều kiện phun như trên

Hình 2.10 đến Hình 2.12. Đồng thời thông số vật lý của khí nạp và khí sót được nhập

vào Fluent như Error! Not a valid bookmark self-reference., Bảng 2-8, Hình 2.14

Bảng 2-6: Thông số vật lý các hạt nhiên liệu

Ký hiệu

Butanol

Tính chất

xăng

đến Hình 2.19.

Tỉ trọng 751 810

0,4

1,19

Nhiệt dung riêng (j/kg-K) 2.000 2.200

Độ nhớt ([mPa.s])

Nhiệt ẩn (j/kg) 474.000 305.000

Nhiệt độ bay hơi (K) 292 271

Điểm sôi (K) 399 351

Phần tử thành phần dễ bay hơi 100 100

Sự khuếch tán thứ cấp (m2/s) 1,37e-05 5,05e-06

Áp suất hơi bão hòa 7.378 40.890

Nhiệt của nhiệt phân (j/kg) 0 0

Bảng 2-7: Điều kiện khí nạp và khí sót

Sức căng bề mặt của giọt (N/m) 0,0212127 0,0212127

O2 N2 CO2 H2O C2H5OH C8H18 Nhiệt độ (K) Áp suất (Pa)

Khí nạp 0,23 0,77 0 0 0 300-375 0 -20.0000

Khí sót 0 0,77 0,14 0,09 0 550-700 110.000 0

Hình 2.14: Xác lập áp suất khí nạp tại cửa nạp

Hình 2.15: Xác lập nhiệt độ khí nạp tại cửa nạp

Hình 2.16: Xác lập thành phần khí nạp tại cửa nạp

-57-

Hình 2.17: Xác lập áp suất khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp

Hình 2.18: Xác lập nhiệt độ khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp

Hình 2.19: Xác lập thành phần khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp Bảng 2-8: Thành phần môi chất xăng/Butanol-không khí

-58-

Chất (khí)

Nhiệt dung riêng

Khối lượng mol (kg/kmol)

Entanpy tiêu chuẩn

Entropy tiêu chuẩn



31,9988

205026,9

  Ta i

p R c



28,01055

-1,105396e+08

197531.6

-59-

p R c



44,00995

-3,935324e+08

213720,2

CO2

1   Ta i

p R c



18,01534

-2,418379e+08

188696,4

H2O

1   Ta i

p R c



74,07

-2,19e+08

C4H9OH

1   Ta i

p R c



114,2309

-2,240054e+08

423081,8

C8H18

1   Ta i

p R c



28,0134

191494,8

1   Ta i

p R

1   Ta i

Kết luận chương 2:

Trên cơ sở lý thuyết về tính chất cũng như các chỉ tiêu đánh giá nhiên liệu xăng,

so sánh một số chỉ tiêu của nhiên liệu xăng pha Butanol, có thể thấy Butanol có thể

được sử dụng để làm nhiên liệu khi pha trộn với xăng chạy trên động cơ. Trên cơ sở

lý thuyết về quá trình phun, đặc tính phun nhiên liệu, sử dụng phần mềm ANSYS-

FLUENT mô phỏng các thông số đánh giả quá trình phun, thực nghiệm đánh giá các

chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật để xây dựng đường đặc tính của động cơ, có thể xây dựng

đặc tính của động cơ thực nghiệm dựa trên các số liệu thực nghiệm ở chương 3.

Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

-60-

Trong chương này trình bày phần nghiên cứu thực nghiệm của luận án. Thực

nghiệm về phối trộn hỗn hợp nhiên liệu xăng RON92 và Butanol về thể tích, sau đó

phân tích các chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu và so sánh với các chỉ tiêu của nhiên liệu

đối chứng là xăng RON92. Thực nghiệm trên băng thử động cơ được thực hiện tại

Phòng Thí nghiệm AVL, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa –

ĐHĐN, đo đạc các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và ô nhiễm khi sử dụng các loại nhiên

3.1. Mục tiêu và đối tượng thực nghiệm

3.1.1. Mục tiêu thực nghiệm

liệu.

Đánh giá tính chất của xăng sinh học pha Butanol, đánh giá được một số tính

chất của xăng sinh học có tỷ lệ lần lượt là 5% (Bu5), 10% (Bu10), 15% (Bu15), 20%

(Bu20), 25% (Bu25) và 30% (Bu30) sử dụng cho động cơ xăng.

Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học pha Butanol có tỷ lệ lần lượt là 10%

(Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50) đến một số chi tiết

chi tiết trong hệ thống nhiên liệu sử dụng cho động cơ so với xăng truyền thống.

Thiết lập hệ thống thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ Butanol lần

lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50) trong

xăng truyền thống (Bu0) đến tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức theo điều kiện

vận hành trong thực tế của động cơ, đưa ra định hướng về mặt kỹ thuật, đề xuất giải

pháp cải tiến và điều chỉnh động cơ. Mục tiêu cụ thể đó là:

- Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ Butanol đến đặc điểm hòa khí;

- Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ Butanol đến tính kỹ thuật của động cơ;

- Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ Butanol đến phát thải ô nhiễm;

- Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ Butanol đến suất tiêu hao nhiên liệu có ích;

Mục tiêu cuối cùng của luận án là trên cơ sở các qui luật thu được từ kết quả mô

phỏng, mô hình phun đồng thời từ một nhánh nạp của động cơ DAEWOO A16DMS,

luận án đã phát triển kết cấu động cơ thành cấu hình phun từ 2 phía trên hai nhánh

nạp xăng, Butanol độc lập và phun hoán đổi GPI, BuDI để đánh giá hòa khí.

3.1.2. Đối tượng thực nghiệm

3.1.2.1. Động cơ thực nghiệm

-61-

Động cơ Daewoo A16-DMS được trang bị trên ô tô du lịch Daewoo Nubira 1.6

(2001) là loại động cơ cháy cưỡng bức bằng hệ thống đánh lửa và phun xăng điện tử,

phù hợp với các chủng loại ô tô đang lưu thông hiện nay được chọn để thử nghiệm.

Động cơ được lắp đặt lên băng thử APA 204/08 không trang bị bộ xử lý khí thải (Bộ

Catalytic converter) nhằm đánh giá chuẩn xác hơn về mức phát thải ô nhiễm.

Các thông số kỹ thuật chung:

- Nhiên liệu sử dụng: Xăng

- Kiểu động cơ: A16 DMS

- Số xi-lanh: 4 (bố trí thẳng hàng).

- Dung tích: 1.598 (cm3).

- Mômen cực đại/vòng phút: 145 (Nm)/3.800(v/ph)

- Công suất cực đại/vòng phút: 77,8 (Kw)/ 5.800(v/ph)

- Tỉ số nén: 9,5  0,2:1

- Đường kính piston: 79 (mm).

3.1.2.2. Nhiên liệu thực nghiệm

- Hành trình piston: 81,5 (mm).

Luận án tiến hành thử nghiệm đánh giá một số tính chất lý hóa cho các mẫu

nhiên liệu Bu0 (xăng RON92), Bu5 (5% Butanol), Bu10 (10% Butanol), Bu15 (15%

Butanol), Bu20 (20% Butanol), Bu25 (25% Butanol) và Bu30 (30% Butanol). Các

mẫu nhiên Bu0, Bu5, Bu10, Bu15, Bu20, Bu25 và Bu30 đã được thử nghiệm theo

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về xăng, nhiên liệu điêzen và nhiên liệu sinh học số

22/2015-TT/BKHCN.

Luận án tiến hành thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng đến một số chi tiết trong hệ

thống nhiên liệu theo điều kiện vận hành trong thực tế của động cơ có tỷ lệ Butanol

trong xăng sinh học có tỷ lệ lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40%

(Bu40) và 50% (Bu50) so với xăng truyền thống (Bu0).

-62-

Luận án tiến hành thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ Butanol trong xăng

sinh học có tỷ lệ lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và

50% (Bu50) so với xăng truyền thống (Bu0) đến các tính năng kinh tế kỹ thuật của

3.2. Lắp đặt động cơ lên cụm băng thử APA204/08

Hình 3.1: Bố trí hệ thống các trang thiết bị thí nghiệm

động cơ.

1: Máy tính điều khiển trung tâm; 2: Tủ điện điều khiển chính; 3: Thiết bị điều

khiển tay ga (% độ mở của bướm ga); 4: Thiết bị đo lượng không khí nạp; 5: Thiết

bị đo độ lọt khí cacte; 6: Thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu 733-753AVL; 7: Bộ

đọc tín hiệu từ các loại cảm biến nhiệt độ và áp suất; 8: Các loại cảm biến lắp trên

động cơ thử nghiệm; 9: Thiết bị điều hòa nhiệt độ nước làm mát 553AVL; 10: thiết

bị cấp và điều hòa nhiệt độ dầu bôi trơn 554AVL; 11: Băng thử động lực học

APA204/08; 12: Động cơ thử nghiệm Daewoo Nubira 1.6; 13: Bệ thử; 14: Giảm chấn

khí nén; 15: Thiết bị đo khí thải động cơ xăng KEG-500

Tiến hành thí nghiệm cần lắp đặt động cơ thí nghiệm Động cơ Daewoo A16-

DMS lên cụm băng thử APA 204 với độ sai lệch của tâm trục khuỷu động cơ và tâm

mặt bích lắp ghép của APA là 1mm. Trong quá trình lắp động cơ lên băng thử cần

tiến hành sử dụng các loại đồng hồ so, thiết bị kiểm tra góc nghiêng mặt phẳng để

kiểm tra và hiệu chỉnh sai lệch. Qua đó, tăng tính ổn định của động cơ trong quá trình

-63-

vận hành thí nghiệm và đồng thời hạn chế bớt sai số trong kết quả thực nghiệm sau

này.

Phòng thí nghiệm động cơ trang bị với các thiết bị thử nghiệm động cơ hiện đại

và có tính đồng bộ cao, hệ thống bao gồm 01 băng thử điện chính APA204/08 và các

trang thiết bị kèm theo như ở Hình 3.1. Hệ thống được calip hằng năm nên đảm bảo

độ tin cậy và hoạt động tốt, chương trình vận hành thực nghiệm được lập trình trên

máy tính nên điều kiện hoạt động của động cơ được tuân thủ rất nghiêm ngặt theo

Hình 3.2: Thiết bị sấy và giữ nhiệt Memmert

tiêu chuẩn của Châu Âu và đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

Thiết bị sấy và giữ nhiệt Memmert sử dụng đầu dò nhiệt độ Pt100 DIN Class

A, đối lưu không khí tự nhiên, có bộ điều khiển bằng vi xử lý PID đa chức năng

với màn hình hiển thị màu bằng cảm ứng điện dung (TFT). Bảng điều khiển nhiệt

độ ControlCOCKPIT có thể điều khiển các thông số: nhiệt độ (oC hoặc oF), vị trí

cửa đối lưu khí, chương trình nhiệt độ theo thời gian. Thiết bị sấy và giữ nhiệt đạt

100% độ an toàn trong môi trường không khí (100% AtmoSAFE) và điều chỉnh

hỗn hợp không khí trước khi gia nhiệt bằng cách điều khiển nắp lấy khí 10%,

khoảng nhiệt độ hoạt động: +5oC trên nhiệt độ môi trường đến 300oC, độ phân

giải giá trị cài đặt: 0.1oC lên đến 99.9oC; 0.5oC từ 100oC và cho giá trị hoạt động

0.1°C (LED), nguồn điện 230V ± 10%, 50/60Hz, 2800W.

-64-

Cân điện tử Mettler Toledo/ Model ML204/01 của Hãng Mettler Toledo, Thụy

Sỹ, kích thước đĩa cân ∅ 90mm, kích thước bên ngoài: 290x193x331(mm). Cân đáp

ứng tiêu chuẩn đo lường OIML, có thể tự động hiệu chuẩn với quả cân chuẩn bên

trong, có chức năng chống Overloard, cân vẫn bền vững khi đặt vật nặng vượt qua

khối lượng cho phép tối đa của cân là 220g, độ đọc và độ lặp lại của cân là 0,1mg, độ

tuyến tính 0,2 mg. Cân cũng có thể hiển thị nhiều đơn vị khác nhau: g, mg, ib, oz,

ozt, GN, dwt, mo, m, tl và có cổng kết nối RS-232.

3.3. Quy trình thực nghiệm

3.3.1. Trình tự thực nghiệm

Hình 3.3: Cân điện tử Mettler Toledo

Quy trình thực nghiệm dựa trên nội dung, mục tiêu và yêu cầu của luận án. Luận

án tiến hành thực nghiệm đo đạc các chỉ tiêu đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật của

động cơ và nồng độ phát thải ô nhiễm khi sử dụng mỗi nhiên liệu theo đặc tính tốc

3.3.2. Bảo dưỡng hệ thống

độ. Trình tự các bước thí nghiệm được trình bày ở Phụ lục 1.

+ Dầu bôi trơn được thay thế và súc rửa toàn bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu

và vòi phun xăng sau mỗi lần thực nghiệm 01 mẫu nhiên liệu.

+ Thay lọc và làm sạch hệ thống đường ống của thiết bị đo ô nhiễm khí thải

KEG-500 sau mỗi lần thực nghiệm 01 mẫu nhiên liệu.

+ Vệ sinh bugi đánh lửa sau khi thực nghiệm 01 mẫu nhiên liệu.

3.3.3. Chế độ thực nghiệm

3.3.3.1. Thực nghiệm phối trộn nhiên liệu và đánh giá tính tương thích của hỗn

hợp với một số chi tiết

-65-

Thực nghiệm tiến hành phối trộn các mẫu nhiên liệu theo phương pháp khuấy

Bu0, Bu5, Bu10, Bu15, Bu20, Bu25 và Bu30 để cho hỗn hợp ổn định trong thời gian

02 ngày, sau đó đưa đi phân tích tại phòng Thí nghiệm của Công ty Xăng dầu khu

vực 5 thuộc Tập đoàn xăng dầu Việt Nam.

Quá trình phối trộn nhiên liệu như sau: Sử dụng cốc thủy tinh 1 lít và 0,5 lít có

thang đo tối thiểu 0,01 lít, thùng nhựa 20 lít để tiến hành phối trộn và các can nhựa

20 lít để chứa hỗn hợp cần phối trộn. Đầu tiên dùng các cốc thủy tinh để xác định

lượng xăng RON92 cần pha theo phần trăm thể tích rồi đổ vào trong thùng nhựa 20

lít và bằng cách tương tự ta xác đinh lượng Butanol cần phối trộn đổ thùng nhựa 20

lít đã có sẵn xăng RON92 cần phối trộn rồi dùng máy đánh trứng để khuấy đều 2 lần,

mỗi lần khoảng từ 5 phút, nghỉ giữa 2 lần khuấy 5 phút. Sau khi khuấy xong, ta đổ

các hỗn hợp đã phối trộn vào trong các can nhựa 20 lít và ghi chú bên ngoài tránh

nhầm lẫn. Tiến hành súc rửa cốc thủy tinh, thùng nhựa và thực hiện phối trộn các tỷ

lệ tiếp theo tương tự như trên.

Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các mẫu nhiên liệu gồm Bu0, Bu10, Bu20,

Bu30, Bu40 và Bu50 được thực hiện tại phòng thí nghiệm được tiến hành thông qua

việc ngâm các chi tiết thuộc hệ thống nhiên liệu của ô tô và xe gắn máy với thời gian

700 giờ với nhiệt độ ổn định 450C, sau đó đánh giá bằng quan sát hình ảnh thông qua

máy đo chuyên dụng, đánh giá chỉ tiêu độ cứng của các chi tiết cao su, không đánh

giá được sự thay đổi cấu trúc hay ảnh hưởng đến tính chất lý hóa của chi tiết thực

3.3.3.2. Thực nghiệm đo đạc các thông số động cơ trên băng thử

nghiệm.

Động cơ lắp trên thiết bị vận tải đường bộ phải thường xuyên làm việc trong

điều kiện thay đổi lớn cả về tốc độ lẫn mức cản của xe. Thông thường giữa số vòng

quay và công suất của động cơ không có mối quan hệ đơn trị; với một vòng quay bất

kỳ công suất động cơ đều có thể thay đổi từ không đến công suất cực đại. Vì vậy các

-66-

chế độ làm việc của động cơ trên đồ thị Me= f(n) như Hình 3.4 được thể hiện bằng

toàn bộ diện tích giới hạn bởi: trục hoành, hai đường thẳng song song với trục tung

đi qua nmin và nmax và đường Ne, nối những điểm có công suất cực đại tương ứng của

mỗi số vòng quay n. Trong điều kiện sử dụng thực tế phần lớn thời gian, động cơ ô

tô đều hoạt động ở các chế độ không tải, tải nhỏ và tải trung bình [5]. Ở chế độ hoạt

động thực tế, tốc độ động cơ thay đổi trong khoảng 1000 đến 4250 v/ph như thể hiện

ở các khu vực I,II và III trên Hình 3.5, ít khi động cơ hoạt động ở chế độ tải lớn và

đặc biệt là chế độ tải lớn tốc độ cao như thể hiện ở khu vực IV và V. Chế độ hoạt

động thường xuyên của động cơ cần đảm bảo ít tiêu hao nhiên liệu và phát thải ô

nhiễm thấp, vì vậy ở chế độ tải nhỏ ít khi động cơ làm việc ở tốc độ dưới 1250 v/ph.

Hình 3.4: Đặc tính tốc độ động cơ xăng [5]

Hình 3.5: Phạm vi làm việc trong thực tế của động cơ phun xăng điện tử sử dụng trên ô tô [62]

1: Đặc tính ngoài; 2÷4: Các đặc tính bộ phận; I: Không tải; II: Tải nhỏ, tốc độ thấp; II: Tải trung bình, tốc độ thấp; IV: Tải lớn; V: Tải lớn, tốc độ cao Bảng 3-1: Tiến trình đo và lưu trữ dữ liệu đo

Lần đo

Điểm đo

Thành phần khí thải

Tốc độ (v/ph)

Thông số kinh tế, kỹ thuật

01 02 ..... 07 01 02 ... 07 01

1250 1750 ... 4250 1250 1750 ... 4250 1250

x x x x x x x x x

02 ... 07

1750 ... 4250

x x x

-67-

Từ cơ sở lý thuyết và thực tiễn trình bày ở trên, chế độ thực nghiệm lựa chọn

phạm vi tải và tốc độ của động cơ ô tô thường xuyên hoạt động để tiến hành đo các

thông số áp suất buồng cháy, mô men có ích, tiêu thụ nhiên liệu, lưu lượng khí nạp

và các thông số khác nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha Butanol trong xăng đến

tính năng kinh tế, kỹ thuật và ô nhiễm của động cơ. Cụ thể:

- Phạm vi tải được thay thế bằng độ mở bướm ga: 10, 30, 50, 70%;

- Phạm vi tốc độ: 1250, 1500, 1750, 2250, 2500, 2750, 3250, 3500, 3750, 4250

v/ph.

Phạm vi tải và tốc độ nói trên phản ánh toàn bộ khu vực hoạt động tải nhỏ đến

tải trung bình (II và III) và phần nào tiếp cận mức tải cao (IV). Trong trường hợp tải

3.4. Kết quả thực nghiệm

3.4.1. Kết quả phân tích tính chất nhiên liệu

ứng với 10%BG, phạm vi tốc độ thực nghiệm chỉ từ 1250 đến 2500 v/ph.

Những nội dung đã trình bày ở phần nghiên cứu thực nghiệm nhiên liệuvà số

liệu được trình bày ở phần phụ lục. Hiện nay ở nước ta, chưa có bộ chỉ tiêu dành riêng

cho nhiên liệu pha Butanol sinh học nên trong phạm vi luận án này, chúng tôi tiến

hành pha trộn nhiên liệu, phân tích các chỉ tiêu cơ bản và so sánh với tiêu chuẩn của

nhiên liệu sinh học đã ban hành kèm theo Quy chuẩn QCVN 1:2009/BKHCN của Bộ

Khoa học Công nghệ. Như vậy có thể khẳng định rằng xăng RON92 pha Butanol có

thể sử dụng trên động cơ đốt trong và Butanol được xem như là phụ gia pha vào xăng.

3.4.2. Kết quả thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu

Kết quả phân tích cụ thể được trình bày trong phần Phụ lục 2.

Đánh giá bằng hình ảnh và mức độ ảnh hưởng của các chi tiết trong hệ thống

nhiên liệu trang bị trên ô tô xe máy hiện nay khi tiến hành ngâm trong nhiên liệu với

thời gian 700 (giờ) trong tủ sấy và giữ nhiệt ở 450C.

Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các mẫu nhiên liệu gồm Bu0, Bu10, Bu20,

Bu30, Bu40 và Bu50 được thực hiện thông qua việc ngâm các chi tiết thuộc hệ thống

-68-

nhiên liệu của ô tô và xe gắn máy với thời gian 700 (giờ) với nhiệt độ ổn định 450C,

sau đó đánh giá bằng quan sát hình ảnh thông qua máy đo chuyên dụng, đánh giá chỉ

tiêu độ cứng của các chi tiết cao su.

Việc nghiên cứu hệ thống nhiên liệu sử dụng trên các loại ô tô và xe gắn máy

hiện nay cho phép liệt kê các chi tiết dễ hư hỏng nhất để tiến hành nghiên cứu thực

nghiệm. Phần lớn các chi tiết được chọn trong quá trình làm việc luôn tiếp xúc với

nhiên liệu trong quá trình hoạt động của xe. Qua quá trình tìm hiểu thực tế, một số

chi tiết chính thuộc hệ thống nhiên liệu ô tô và xe gắn máy được dùng để thực nghiệm

Bảng 3-2: Một số chi tiết chính thuộc hệ thống nhiên liệu ô tô và xe gắn máy dùng để thực nghiệm

như sau:

Nước sản xuẩt

Tên chi tiết Trung TT Nhật Thái Việt

Quốc Bản Lan Nam

Pontu xe gắn máy (van đóng nhiên liệu x x 1 tại buồng xăng con-loại carburator)

x x

2 Ống xăng xe gắn máy 3 Phao xăng trên xe máy 4 Phao xăng trong buồng xăng con 5 Ống xăng Ô tô 6 Phốt su bét phun trang bị trên Ô tô Các loại siêu su trên dàn ống phun x x 7

x nhiên liệu trang bị cho Ô tô 8 Lọc xăng lỏi giấy (lọc tinh) 9 Lưới lọc thô của bơm xăng (lưới nhựa) 10 Các loại gic-lơ của bộ chế hòa khí

- Quy trình thử nghiệm:

Dựa vào quy trình SAE J1747, quy trình SAE J1748 và các nghiên cứu trong

nước đã tiến hành đối với các loại nhiên liệu sinh học, chúng tôi đưa ra phương pháp

thực nghiệm phù hợp với điều kiện thực tiễn như sau:

-69-

+ Tiến hành ngâm mỗi chi tiết với từng mẫu nhiên liệu thực nghiệm lần lượt

Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50 trong 700 (giờ), nhiệt độ ngâm giữ ổn định

mức 450C.

+ Các cốc ngâm thủy tinh được sử dụng được trang bị mới và có nắp kín không

làm bay hơi xăng, chịu được nhiệt độ và chứa nhiên liệu thực nghiệm không quá 80%

thể tích.

+ Sau khi ngâm sẽ đánh giá tác động của các mẫu nhiên liệu đến các chi tiết

thực nghiệm theo phương pháp đối chứng dựa trên sự thay đổi như:

(1) Ngoại quan: đánh giá sự thay đổi màu sắc, chất lượng bề mặt...của các chi

tiết trước và sau khi ngâm.

(2) Khối lượng: đánh giá về sự thay đổi % tăng hoặc % giảm khối lượng bằng

cách cân các chi tiết trước và sau khi ngâm.

(3) Kích thước: đánh giá sự thay đổi kích thước bằng phương pháp đo đường

kính, chiều dài...

Bảng 3-3: Bảng tiến trình thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu

(4) Độ cứng: đánh giá độ cứng của chi tiết cao su và nhựa bằng cảm quan.

Phương pháp đo Thời điểm đo - 22/08/2017 Lần đo

Phương pháp (1), (2), (3), (4) 0(giờ) (trước khi ngâm) Lần 01

Phương pháp (1), (2), (3), (4) 700(giờ) (01 tháng) Lần 02

Bảng 3-4: Hình ảnh chụp các chi tiết sau khi thử nghiệm

- Tiến hành thử nghiệm và lấy mẫu thử

Hình ảnh chụp các chi tiết bằng cao su sau khi thử nghiệm TT Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50

Pontu xe máy của Trung Quốc

Pontu xe máy của Việt Nam

-70-

Ống xăng xe gắn máy của Thái Lan

Ống xăng xe gắn máy của Việt Nam

Phốt đầu và đuôi vòi phun xăng trên ô tô xuất xứ Nhật Bản

Phốt đầu và đuôi vòi phun xuất xứ Trung Quốc

Ống xăng sử dụng trên ô tô xuất xứ Nhật Bản

Lỏi giấy lọc xăng của xe máy và ô tô

Lưới lọc xăng tại bộ chế hòa khí của ô tô

Màng bơm xăng của ô tô

Lưới lọc xăng tại bơm xăng của ô tô và xe gắn máy (lưới nhựa lọc thô)

-71-

Gic-lơ số 02

Gic-lơ số 01

Gic-lơ số 03

Gic-lơ số 04

Gic-lơ số 05 Gic-lơ số 06

Bảng 3-5: Trọng lượng các chi tiết sau khi ngâm

Trọng lượng (gam) các chi tiết trước và sau khi thử nghiệm 700 (giờ) - Ở nhiệt độ là 450C

Trước TN

Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

0,2401

0,2399

0,0500%

0,2399

0,2398

0,0542%

0,2398

0,0333%

0,2400

0,2399

0,0333%

0,2399

0,2397

0,0500%

0,2397

0,0459%

0,2396

Pontu xuất xứ Trung Quốc

0,1904

0,1903

0,037%

0,1898

0,042%

0,1906

0,1905

0,042%

0,1901

0,037%

0,1897

0,037%

0,1902

0,037%

Pontu xuất xứ Việt Nam

0,006%

3,3502

3,3500

Gic-lơ số 01

0,006%

1,7000

1,6999

Gic-lơ số 02

4,4820

0,011%

4,4815

Gic-lơ số 03

2,0155

0,015%

2,0152

Gic-lơ số 04

4,3587

4,3582

0,011%

Gic-lơ số 05

1,9928

1,9927

0,005%

Gic-lơ số 06

Các loại gic-lơ trang bị trên carburator đối với xe máy và ô tô đời cũ

-72-

Ngoại quan: màu sắc không thay đổi và không có mảng bám lên chi tiết và đặc

biệt là biên dạng không bị biến đổi đối với các chi tiết bằng cao su.

Kích thước: Không thay đổi

Độ cứng: Không thay đổi, đặc biệt các chi tiết bằng cao su và nhựa thì vẫn có

độ đàn hồi tốt như trước khi thử nghiệm, không xuất hiện dấu hiệu rạn nứt và biến

chất bề mặt bên ngoài.

Khối lượng: Sau khi cân lại các chi tiết thử nghiệm thì kết quả cũng không thay

đổi nhiều (chỉ 0,055% ÷ 0,033% mức chênh lệch tăng và giảm) chứng tỏ hiện tượng

Bảng 3-6: Mức độ tương đương và ảnh hưởng của nhiên liệu phối trộn Xăng-Butanol lên các chi tiết động cơ

ăn mòn kim loại ít có khả năng xảy ra.….

Đánh giá tình trạng sau 700 [giờ] thử nghiệm

% chênh TT Tên chi tiết thử nghiệm Ngoại lệch khối Kích thước Độ cứng quan lượng

Pontu xe máy (Trung ≈ (0,03- 1 Tốt Không đổi - Quốc) 0,05) %

≈ (0,037- 2 Pontu xe máy (Việt nam) Tốt Không đổi - 0,042) %

3 Ống xăng xe máy Tốt - Không đổi Không đổi

4 Phao xăng xe máy Tốt - Không đổi Không đổi

5 Ống xăng ô tô Tốt - Không đổi Không đổi

6 Siêu su vòi phun xăng ô tô Tốt - Không đổi Không đổi

7 Lỏi giấy của lọc xăng Tốt - - -

Lưới lọc xăng (lọc thô-Ô 8 Tốt - - - tô)

Màng su bơm xăng và bộ

- - 9 ổn áp trên giàn phun xăng Tốt Không đổi

ô tô

Các loại gic-lơ chất liệu ≈ (0,005- 10 đồng sử dụng trên ô tô và Tốt Không đổi - 0,015) % xe máy đời cũ

3.4.3. Kết quả thực nghiệm trên băng thử động cơ

-73-

Ở mỗi mức độ tải ứng với nhiên liệu xác định, thực nghiệm được tiến hành đo

trình tự theo tốc độ tăng dần, không dừng động cơ và lặp lại 03 lần như thể hiện ở

Bảng 3-1; các thông số được tiến hành đo đồng thời theo hiệu lệnh từ người điều

khiển PUMA. Số liệu thực nghiệm được trình bày trong phần Phụ lục 3 ở Bảng PL-

1 đến Bảng PL-32. Phần đánh giá kết quả thực nghiệm này sẽ được trình bày chi tiết

ở chương 4.

Kết luận chương 3:

Sau khi nghiên cứu thực nghiệm, tính chất của hỗn hợp nhiên liệu Butanol và

xăng RON92 phù hợp với các tiêu chuẩn quy định hiện hành về nhiên liệu sử dụng

trên động cơ. Thực nghiệm đánh giá mức độ tương thích vật liệu cho thấy xăng pha

Butanol theo các tỷ lệ thực nghiệm không có sự thay đổi về hình dạng và kích thước

chi tiết đáng kể. Về phần thực nghiệm trên băng thử đã thể hiện đầy đủ các thông số

cần đánh giá, kết quả thực nghiệm được trình bày ở phần phụ lục và phần đánh giá

và bàn luận chi tiết sẽ được trình bày ở chương 4.

Chương 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

-74-

Trong chương này, trình bày phần đánh giá kết quả thực nghiệm về các chỉ tiêu

kinh tế, kỹ thuật và ô nhiễm khi sử dụng các loại nhiên liệu trên động cơ DAEWOO

A16 DMS được đo trên băng thử APA 204/8 và kết quả mô phỏng quá trình phun

nhiên liệu và hình thành hòa khí bằng phần mềm ANSYS - FLUENT.

Những nội dung đã trình bày ở phần nghiên cứu thực nghiệm nhiên liệu cho

thấy các chỉ tiêu cơ bản đều đạt theo chỉ tiêu của TCVN 6776:2005. Hiện nay ở nước

ta, chưa có bộ chỉ tiêu dành riêng cho nhiên liệu pha Butanol sinh học nên luận án đã

tiến hành pha trộn nhiên liệu, phân tích các chỉ tiêu cơ bản và so sánh với tiêu chuẩn

của nhiên liệu sinh học đã ban hành kèm theo Quy chuẩn QCVN 1:2009/BKHCN

của Bộ Khoa học Công nghệ về quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về xăng, nhiên liệu

điêzen và nhiên liệu sinh học. Có thể khẳng định rằng xăng RON92 pha Butanol có

4.1. Kết quả thực nghiệm trên động cơ Daewoo A16DMS

4.1.1. Tính kỹ thuật của động cơ khi sử dụng xăng-Butanol

thể sử dụng trên động cơ đốt trong và Butanol được xem như là phụ gia pha vào xăng.

Mô men có ích (Me) và công suất có ích (Ne) của động cơ Daewoo A16DMS ở

các mức tải ứng với 10, 30, 50 và 70%BG được thể hiện từ Bảng 4-1 đến Bảng 4-4.

Trong đó các đường cong xấp xỉ trên Hình 4.1 đến Hình 4.4 sử dụng đa thức bậc 3 từ

các điểm thực nghiệm đo được trên băng thử. Kết quả cho thấy, có sự tụt giảm về mô

men và công suất của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu xăng-Butanol so với xăng

RON92.

- Ở 10%BG với tốc độ động cơ từ 1250-2500v/ph, mô men có ích giảm trung

bình khoảng 3,5%, 6,6%, 10,7%, 13,9%, 20,8% lần lượt khi so sánh Bu10, Bu20,

Bu30, Bu40, Bu50 so với Bu0 (Bảng 4-1 và Hình 4.1).

- Ở 30%BG với tốc độ động cơ từ 1250-3500v/ph, mô men có ích của động cơ

khi sử dụng Bu10 và Bu20 gần như tương đương so với Bu0. Trong đó, ở tốc độ trên

2000 v/ph, động cơ sử dụng Bu10 cho mô men có ích lớn hơn Bu0 chút ít trong khi

Bu20 lại thấp hơn Bu0 chút ít. Còn Bu30, Bu40 và Bu50 lần lượt nhỏ hơn trung bình

khoảng 2%, 5% và 7% so với Bu0 (Bảng 4-2 và Hình 4.2).

-75-

- Ở 50%BG với tốc độ động cơ từ 1250-4250v/ph, mô men có ích giảm trung

bình khoảng 1%; 3%; 5%; 6,4% và 7,9% lần lượt khi so sánh Bu10, Bu20, Bu30,

Bu40, Bu50 so với Bu0. Trong đó mức giảm mô men có ích chủ yếu ở tốc độ dưới

3000 v/ph, còn từ 3000 v/ph trở lên chỉ khi sử dụng Bu10 thì mô men có ích của động

Bảng 4-1: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 10%BG

10%BG Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Me Me

1250 1500 1750 2000 2250 2500

66.0 65.3 60.0 54.7 48.2 42.9

62.8 62.7 60.1 53.4 45.7 40.9

Me (%) -4.9 -3.9 0.2 -2.3 -5.2 -4.7

64.0 62.0 56.2 50.3 43.9 39.3

Me (%) -5.2 -4.7 -9.3 -13.2 -14.4 -17.4

61.9 59.6 53.2 44.0 40.8 33.4

Me (%) 59.4 -6.3 -8.8 54.4 -11.3 49.8 -19.5 41.8 -15.4 34.6 -22.2 30.4

Me (%) -10.0 -16.7 -17.0 -23.6 -28.1 -29.1

62.6 62.3 54.4 47.5 41.3 35.4

Me (%) -3.2 -5.0 -6.3 -8.0 -9.0 -8.4

-3.5

-6.6

-10.7

-13.9

-20.8

Me (%)

Bảng 4-2: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 30%BG

30%BG Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Me Me

1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500

76.4 78.0 82.9 84.6 87.0 86.9 85.1 83.9 82.1 78.3

77.2 79.8 81.2 85.4 89.2 87.6 85.8 85.1 83.6 81.0

Me (%) 1.0 2.3 -2.0 0.9 2.6 0.7 0.8 1.5 1.8 3.5

75.8 79.3 80.9 85.4 86.9 85.4 83.7 82.1 80.3 77.1

Me (%) -2.1 1.4 -3.4 -2.2 -3.3 -3.3 -1.0 -2.2 -2.8 -1.9

74.7 76.1 77.5 79.1 81.8 82.2 81.4 79.7 77.5 75.4

Me (%) -2.2 -2.4 -6.5 -6.5 -5.9 -5.4 -4.4 -5.0 -5.6 -3.7

73.3 76.1 76.5 77.4 78.6 81.8 81.0 78.0 74.7 70.7

Me (%) -4.1 -2.4 -7.7 -8.5 -9.6 -5.8 -4.9 -7.0 -9.0 -9.7

74.8 79.1 80.1 82.7 84.1 84.1 84.3 82.1 79.9 76.8

Me (%) -0.8 1.7 -2.4 0.9 -0.1 -1.7 -1.7 -2.2 -2.3 -1.5

1.3

-1.0

-2.1

-4.8

-6.9

Me (%)

cơ mới lớn hơn so với Bu0 (Bảng 4-3 và Hình 4.3).

- Ở 70%BG với tốc độ động cơ từ 1250-4250v/ph, mô men có ích giảm trung

bình khoảng 1,3%; 3,1%; 5,5%; 8,8% và 13,2% lần lượt khi so sánh Bu10, Bu20,

Bu30, Bu40, Bu50 so với Bu0. Trong mức tải này, chỉ khi sử dụng Bu10 và ở tốc độ

trên 3000 v/ph thì mô men có ích của động cơ mới tương đương Bu0 (Bảng 4-4 và

Hình 4.4).

Bảng 4-3: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 50%BG

50%BG Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Me (%)

1250

89.7

87.0

-3.0

82.5

-8.0

80.5

-10.2

77.9

74.6

-16.9

- 13.2

1500

92.9

89.2

-4.0

86.6

-6.8

83.4

-10.2

79.9

79.2

-14.7

- 14.0

1750

95.4

91.1

-4.5

88.0

-7.8

86.4

-9.4

84.3

83.5

-12.5

- 11.7

-7.8

2000

95.9

94.0

-1.9

90.3

-5.8

89.2

-7.0

88.4

86.0

-10.4

-7.4

2250

98.6

97.5

-1.1

94.7

-4.0

91.8

-6.9

91.3

90.9

-7.7

-7.1

2500

100.9 101.5

0.6

97.4

-3.5

95.9

-5.0

93.8

92.6

-8.2

-5.1

2750

104.9 106.0

1.0

104.4

-0.5

100.2

-4.5

99.6

98.3

-6.2

3000

110.5 110.0

-0.5

108.9

-1.5

107.8

-2.5

107.1

-3.1 103.7

-6.2

3250

110.0 111.8

1.6

109.8

-0.1

108.6

-1.3

-4.3

108.3

-1.6 105.3

3500

108.6 110.9

2.1

-0.6

-3.4

108.5

0.0

107.9

107.0

-1.4 104.9

3750

108.8 109.5

0.6

107.8

-0.9

106.1

-2.5

-4.6

105.4

-3.1 103.7

4000

105.7 106.7

1.0

104.8

-0.9

103.6

-2.0

-4.1

103.2

-2.3 101.4

4250

104.7 105.5

0.7

100.7

-3.8

102.3

-2.3

99.1

-5.4 100.8

-3.7

-0.6

-3.4

-5.0

-6.4

-7.9

Me (%)

Bảng 4-4: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 70%BG

70%BG Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250

93.2 94.1 98.0 95.6 101.9 100.1 107.0 104.2 111.2 107.4 113.0 112.0 117.9 114.5 121.6 119.2 123.8 121.0 120.9 125.1 118.6 120.9 117.6 117.6 116.9 113.5

Me (%) -1.0 -2.4 -1.7 -2.6 -3.5 -0.9 -2.9 -2.0 -2.3 3.5 1.9 0.0 -3.0

93.5 94.9 98.0 101.4 104.2 107.2 112.3 120.5 122.5 121.2 117.5 113.7 110.9

Me (%) 90.7 -0.6 92.2 -3.1 94.6 -3.8 94.3 -5.2 -6.4 103.3 -5.1 104.4 -4.7 109.1 -0.9 115.9 -1.0 121.0 0.2 116.8 -1.0 116.9 -3.3 113.6 -5.2 110.9

Me (%) -3.6 -5.9 -7.1 -11.9 -7.1 -7.6 -7.5 -4.7 -2.3 -3.4 -1.5 -3.4 -5.1

87.0 88.5 92.3 93.2 97.3 99.5 103.7 112.1 116.7 114.8 112.8 111.8 105.2

Me (%) 84.0 -7.5 85.7 -9.7 88.0 -9.5 88.5 -12.9 91.7 -12.5 -11.9 95.0 -12.0 100.1 102.4 -7.8 110.2 -5.7 112.2 -5.1 108.1 -4.9 -4.9 104.2 -10.0 100.2

Me (%) -10.7 -12.6 -13.6 -17.3 -17.6 -15.9 -15.1 -15.8 -11.0 -7.2 -8.9 -11.4 -14.3

-1.3

-3.1

-5.5

-8.8

-13.2

Me (%)

-76-

Mô men có ích ở 10%BG

)

m N

( e M

1250

1500

1750

2000

2250

2500

n (v/p)

Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Hình 4.1: Mô men có ích (Me) ở 10%BG

Mô men có ích ở 30%BG

)

m N

( e M

1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 n (v/p)

Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Hình 4.2: Mô men có ích (Me) ở 30%BG

-77-

Mô men có ích ở 50%BG

120

110

)

100

m N

( e M

1250

1750

2250

3250

3750

4250

2750

n (v/p)

Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Hình 4.3: Mô men có ích (Me) ở 50%BG

Mô men có ích ở 70%BG

130

120

)

110

m N

( e M

100

1250

1750

2250

3250

3750

4250

2750 n (v/ph)

Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Hình 4.4: Mô men có ích (Me) ở 70%BG

-78-

Công suất có ích ở 10%BG

)

W k ( e N

7 1250

1500

1750

2000

2250

2500

n (v/ph)

Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Hình 4.5: Công suất có ích (Ne) ở 10%BG

Công suất có ích ở 30%BG

)

W k ( e N

1250

1500

1750

2000

2250

2500

2750

3000

3250

3500

n (v/p)

Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Hình 4.6: Công suất có ích (Ne) ở 30%BG

-79-

Công suất có ích ở 50%BG

)

W k ( e N

1250

1750

2250

3250

3750

4250

2750 n (v/p)

Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Hình 4.7: Công suất có ích (Ne) ở 50%BG

Công suất có ích ở 70%BG

)

W k ( e N

5 1250

1750

2250

3250

3750

4250

2750 n (v/p)

Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

Hình 4.8: Công suất có ích (Ne) ở 70%BG

Dễ nhận thấy rằng, khi động cơ hoạt động ở mức tải nhỏ (10%BG) hoặc lớn

-80-

(70%BG) kết hợp với tốc độ thấp (< 2500 v/ph), nếu sử dụng nhiên liệu xăng-Butanol

(Bu10-B50) mô men có ích (Me) và công suất có ích (Ne) sẽ giảm so với xăng (Bu0).

-81-

Trên hình Hình 4.9 thể hiện diễn biến mô men và công suất có ích của động cơ

ở các mức tải ứng với 10, 30, 50 và 70%BG lần lượt ở các tốc độ 1250, 2250, 3250

và 4250 v/ph. Kết quả cho thấy, ở mức tải ứng với 10, 30 và 50%BG và tốc độ động

cơ lần lượt 1250, 2250 và 3250 v/ph, khi sử dụng nhiên liệu Bu10, Bu20 và Bu30 thì

mô men và công suất động cơ ít thay đổi so với Bu0, nghĩa là tính kỹ thuật động cơ

được đảm bảo; ở mức tải ứng với 70%BG và tốc độ 4250 v/ph, mô men và công suất

130

)

110

)

m N

W k ( e N

( e M

60 50 40 30 20 10 0

Butanol (%)

1250

2250

3250

4250

1250

2250

3250

4250

Hình 4.9: Mức độ tăng giảm mô men và công suất có ích theo tỷ lệ Butanol

4.1.2. Tính kinh tế của động cơ khi sử dụng xăng-Butanol

Bảng 4-5: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 10%BG

10%BG Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

340.7 318.5

ge (%) 5.1 3.5

ge (%) 7.1 9.3

9.6

1250 1500 1750 2000 2250 2500

318.1 329.7 291.4 283.1 283.8 271.3 288.9 278.8 305.5 308.3 328.4 319.5

ge (%) 3.7 -2.9 -4.4 -3.5 0.9 -2.7

333.3 308.8 302.7 314.0 333.8 344.2

ge (%) 4.8 6.0 6.7 8.7 9.3 4.8

ge (%) 7.5 341.9 334.3 301.6 326.4 12.0 312.7 10.2 337.4 18.9 338.5 19.3 366.6 26.9 370.4 28.2 316.6 348.6 14.1 371.7 21.7 415.3 35.9 382.7 16.5 419.0 27.6 429.6 30.8 18.6

22.3

9.8

-1.5

6.7

ge (%)

Bảng 4-6: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 30%BG

30%BG Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

1250 1500 1750 2000 2250

374.0 375.1 352.9 363.0 347.2 346.0 333.7 328.4 322.6 315.4

ge (%) 0.3 2.9 -0.3 -1.6 -2.2

387.9 356.3 357.4 327.2 320.3

ge (%) 3.7 1.0 2.9 -1.9 -0.7

380.1 371.0 350.2 343.6 337.4

ge (%) 1.6 5.1 0.9 3.0 4.6

387.6 376.3 359.8 343.6 331.5

ge (%) 3.6 6.6 3.6 3.0 2.7

394.1 357.1 358.7 345.0 342.8

ge (%) 5.4 1.2 3.3 3.4 6.3

có ích sẽ giảm nhanh khi sử dụng nhiên liệu Bu40 và Bu50.

2500 2750 3000 3250 3500

313.1 308.0 315.7 307.0 325.8 314.9 326.7 323.1 336.1 338.7

-1.6 -2.8 -3.4 -1.1 0.8

314.3 323.3 331.3 336.4 348.1

0.4 2.4 1.7 3.0 3.5

329.8 318.8 341.0 344.0 362.2

5.3 1.0 4.6 5.3 7.7

332.6 332.9 350.0 357.0 365.1

6.2 5.4 7.4 9.3 8.6

-0.9

1.6

3.9

5.7

7.0 335.1 6.4 335.9 342.7 5.2 373.5 14.3 389.6 15.9 6.8

ge (%)

Bảng 4-7: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 50%BG

50%BG Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

ge (%)

1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250

351.6 359.1 344.9 351.0 325.7 331.1 322.3 323.5 315.1 317.5 306.7 301.5 306.5 296.2 296.7 299.8 299.0 299.9 304.1 302.2 309.3 304.8 315.4 312.5 320.4 316.5

ge (%) 2.1 1.8 1.6 0.4 0.8 -1.7 -3.3 1.0 0.3 -0.6 -1.5 -0.9 -1.2

353.8 353.6 347.3 339.9 315.2 311.8 298.4 301.1 308.9 312.0 311.0 313.5 324.7

ge (%) 0.6 2.5 6.6 5.5 0.0 1.6 -2.7 1.5 3.3 2.6 0.5 -0.6 1.3

380.5 353.4 346.7 339.3 326.6 313.2 308.1 299.7 321.2 315.9 310.9 313.3 319.6

ge (%) 8.2 2.5 6.4 5.3 3.6 2.1 0.5 1.0 7.4 3.9 0.5 -0.7 -0.3

ge (%) 387.4 10.2 406.7 15.7 380.2 10.2 387.4 12.3 362.7 11.3 371.8 14.1 362.1 12.4 347.8 7.8 339.7 335.2 8.6 333.3 327.8 5.7 323.8 323.6 8.1 320.9 310.1 7.7 322.0 312.4 6.2 322.9 317.2 4.8 324.1 320.0 4.7 330.1 322.4 5.8 339.1 329.3

7.9 6.4 6.9 5.6 4.5 4.5 4.3 3.4 2.2 2.8

-0.1

1.8

3.1

6.2

8.8

ge (%)

Bảng 4-8 So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 70%BG

70%BG Bu0

Bu10

Bu20

Bu30

Bu40

Bu50

1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250

383.4 390.4 365.4 368.3 353.9 355.8 344.6 343.7 332.1 337.3 337.5 329.9 333.5 331.6 334.5 329.1 332.6 335.9 334.6 338.1 339.5 343.0 338.3 343.4 337.6 355.5

ge (%) 1.8 0.8 0.5 -0.2 1.6 -2.2 -0.6 -1.6 1.0 1.0 1.0 1.5 5.3

391.4 372.8 354.5 348.7 344.7 337.0 336.7 335.6 329.7 330.9 339.6 346.0 341.3

ge (%) 398.2 2.1 377.3 2.0 362.1 0.2 354.2 1.2 3.8 346.8 -0.1 341.6 342.0 1.0 0.3 335.9 -0.9 332.9 -1.1 336.9 341.3 0.0 357.9 2.3 362.5 1.1

ge (%) 3.9 3.2 2.3 2.8 4.4 1.2 2.6 0.4 0.1 0.7 0.5 5.8 7.4

405.8 382.8 377.8 363.8 351.4 347.6 349.2 335.9 343.1 344.1 353.7 359.3 362.8

ge (%) 5.9 4.8 6.8 5.6 5.8 3.0 4.7 0.4 3.2 2.8 4.2 6.2 7.5

ge (%)

ge (%) 3.9 398.2 7.6 393.2 8.5 384.0 379.1 10.0 374.1 12.6 6.8 360.3 6.6 355.6 4.2 348.5 3.4 343.8 3.9 347.8 3.3 350.6 365.8 8.1 374.9 11.1 6.9

0.8

0.9

2.7

4.7

-82-

-83-

Hình 4.10 và Hình 4.11 thể hiện diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) và

suất tiêu hao năng lượng có ích (qe) của động cơ Daewoo A16DMS ở các mức tải ứng

với 10, 30, 50 và 70%BG. Trong đó các đường cong xấp xỉ sử dụng đa thức bậc 2 từ

các điểm thực nghiệm. Kết quả cho thấy, suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) có xu

hướng tăng và suất tiêu hao năng lượng có ích (qe) có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ

Butanol trong nhiên liệu xăng-Butanol. Tùy theo mức tải và tốc độ động cơ mà suất

b) 30%BG

a) 10%BG

450

425

430

400

410

390

375

370

350

330

) h W k / g ( e g

325

310

290

300

270

275

250

1250

1500

1750

2000

2250

2500

1250

1750

2750

3250

Bu0 Bu30

Bu20 Bu50

2250 n (v/p) Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

Bu0 Bu30

n (v/p) Bu10 Bu40

d) 70%BG

425

c) 50%BG

425

400

375

350

) h W k / g ( e g

325

300

275

1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p)

Bu0 Bu30

Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu10 Bu40

Bu0 Bu30

Bu20 Bu50

Hình 4.10: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) của động cơ

tiêu hao nhiên liệu có ích có những diễn biến cụ thể như sau:

b) 30%BG

a)10%BG

) h W k / J

( e q

1250

1750

2250

2750

3250

1250

1500

1750

2000

2250

2500

Bu0 Bu30

n (v/p) Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

Bu0 Bu30

n (v/p) Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

d) 70%BG

c) 50%BG

) h W k / J

( e q

1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p)

1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

Bu0 Bu30

Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

Hình 4.11: Suất tiêu hao năng lượng có ích (qe) của động cơ

-84-

- Ở mức tải ứng với 10%BG, suất tiêu hao nhiên liệu có ích trong phạm vị tốc

độ từ 1250-2500 v/ph tăng trung bình xấp xỉ -2, 7, 10, 19 và 22% lần lượt khi so sánh

Bu10, B20, B30, Bu40 và Bu50 so với Bu0 (Bảng 4-5).

- Ở mức tải ứng với 30%BG, suất tiêu hao nhiên liệu có ích trong phạm vị tốc

độ từ 1250-3500 v/ph tăng trung bình xấp xỉ -1, 2, 4, 6 và 7% lần lượt khi so sánh

Bu10, B20, B30, Bu40 và Bu50 so với Bu0 (Bảng 4-6).

- Ở mức tải ứng với 50%BG, suất tiêu hao nhiên liệu có ích trong phạm vị tốc

độ từ 1250-4250 v/ph tăng trung bình xấp xỉ 0, 2, 3, 7 và 9% lần lượt khi so sánh

Bu10, B20, B30, Bu40 và Bu50 so với Bu0 (Bảng 4-7).

-85-

- Ở mức tải ứng với 70%BG, suất tiêu hao nhiên liệu có ích trong phạm vị tốc

độ từ 1250-4250 v/ph tăng trung bình xấp xỉ 1, 1, 3, 5 và 7% lần lượt khi so sánh

Bu10, B20, B30, Bu40 và Bu50 so với Bu0 (Bảng 4-8).

Do Butanol có nhiệt trị thấp hơn xăng khoảng 1,3 lần nên suất tiêu hao năng

lượng có ích sẽ giảm khoảng 13% khi pha 10% Butanol vào trong xăng trong cùng

điều kiện. Kết quả là trừ trường hợp 10%BG, các vị trí bướm ga còn lại suất tiêu hao

năng lượng của động cơ khi sử dụng Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50 đều thấp hơn

so với xăng Bu0.

Butanol có khối lượng riêng lớn hơn xăng chút ít nên trong cùng vị trí bướm ga

và tốc độ động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ tăng nhẹ khi sử dụng nhiên

liệu xăng-Butanol. Chính vì vậy, ở tốc độ 1250, 2250, 3250 và 4250 v/ph, suất tiêu

hao nhiên liệu có ích khi sử dụng Bu30, Bu40 và Bu50 lớn hơn Bu0 lần lượt khoảng

5%, 10%, 15%; riêng Bu10 và Bu20 thì tương đương so với Bu0 (Hình 4.12a). Xét

về suất tiêu hao năng lượng, thì chỉ ở tốc độ 1250 v/ph và chỉ riêng Bu50 mới có suất

tiêu hao năng lượng cao hơn 2,5% so với Bu0; riêng ở tốc độ 3250 v/ph Bu50 có suất

380

360

340

) h W k / J

320

) h W k / g ( e g

( e q

300

280

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Butanol (%)

1250

2250

3250

4250

1250

2250

3250

4250

tiêu hao năng lượng có ích giảm đến 14% so với Bu0 (Hình 4.12b).

4.1.3. Phát thải ô nhiễm của động cơ khi sử dụng xăng-Butanol

Hình 4.12: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) và suất tiêu hao năng lượng có ích (qe)

Hình 4.13 thể hiện diễn biến hệ số dư lượng không khí (). Hòa khí có hệ số 

ban đầu tăng theo tốc độ và sau đó giảm dần ở tốc độ trên 2000 v/ph.

a) 10%BG

b) 30%BG

1.5

1.3

 g n ợ ư

1.1

ư d ố s ệ H

0.9

n (v/p)

0.7

1500

1750

2000

2250

2500

1250

1750

2250

2750

3250

1250 Bu0 Bu30

Bu20 Bu50

Bu10 Bu40

Bu0 Bu30

Bu20 Bu50

Bu10 Bu40

c) 50%BG

d) 70%BG

1.5

1.3

 g n ợ ư

1.1

0.9

ư d ố s ệ H

0.7

1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

Bu0 Bu30

1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

Bu0 Bu30

Hình 4.13: Hệ số dư lượng không khí () theo tốc độ động cơ

-86-

Điểm đáng chú ý là hệ số dư lượng  gần như không thay đổi trong phạm vi

Bu0, Bu10 và Bu20. Ở Bu30, Bu40 và Bu50 hệ số dư lượng không khí tăng lên chút

ít.

Hình 4.14 đến Hình 4.17 thể hiện diễn biến nồng độ phát thải CO, HC, CO2 và

NOx của động cơ Daewoo A16DMS theo tốc độ ở các mức tải ứng với 10, 30, 50 và

70%BG. Trong đó, các đường cong xấp xỉ sử dụng đa thức bậc 3 từ các điểm thực

nghiệm. Kết quả cho thấy, ứng với mỗi mức tải, ở tốc độ trong khoảng 1250 - 2000

v/ph, phát thải CO và HC của động cơ giảm, còn CO2 và NOx tăng lên, ở tốc độ trong

khoảng 2250 -3500 v/ph thì ngược lại.

- Nồng độ khí CO còn phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu (cacbon trong nhiên

liệu). Nồng độ CO tăng khi thành phần cacbon tăng. Trường hợp động cơ đánh lửa

trễ, quá trình cháy kéo dài trên đường thải, điều kiện cháy xấu đi, tăng khả năng cháy

không hoàn toàn làm tăng nồng độ CO. Động cơ phát thải CO cao nhất khi sử dụng

-87-

nhiên liệu Bu0, tăng hàm lượng Butanol trong nhiên liệu phát thải CO sẽ giảm theo.

Mức giảm phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu từ Bu10-Bu50 khoảng

10-15%, 30-60%, 40-65% và 35-65% lần lượt ứng với vị trí bướm ga 10, 30, 50 và

b) 30%BG

a) 10%BG

2.5

)

1.5

(

O C

0.5

1750

2750

3250

0 1250

1500

1750

2000

2250

2500

n (v/p)

Bu0 Bu30

Bu20 Bu50

2250 n (v/p) Bu10 Bu40

Bu0 Bu30

Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

d) 70%BG

c) 50%BG

)

4 %

(

O C

O 3 C

0 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p)

Bu0 Bu30

Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

0 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu10 Bu40

Bu0 Bu30

Bu20 Bu50

Hình 4.14: Phát thải CO của động cơ

70%.

- Phát thải HC do cháy không hoàn toàn, một phần bộ phận hỗn hợp nằm ngoài

khu vực lan tràn màng lửa hay do sự không đồng nhất hỗn hợp hoặc sự dập tắt màng

lửa ở khu vực gần thành xilanh đều làm phát sinh nồng độ HC. Nồng độ HC tăng

nhanh theo độ đậm đặc của nhiên liệu-không khí. Phát thải HC giảm dần khi tăng

-88-

hàm lượng Butanol trong nhiên liệu từ Bu0 đến Bu20 nhưng sau đó lại tăng trở lại từ

Bu30 đến Bu50. Riêng ở 70%BG, phát thải HC giảm dần từ Bu0 đến Bu50. Đặc biệt

b) 30%BG

a) 10%BG

230

210

190

)

170

150

130

m p p ( C H

130

110

1250

1500

1750

2000

2250

2500

1250

1750

2750

3250

2250 n (v/p)

n (v/p)

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

c) 50%BG

d) 70%BG

350

300

250

)

200

150

m p p ( C H

100

0 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p)

1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p)

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

Hình 4.15: Phát thải HC của động cơ

ở 10%BG phát thải HC lại tăng đột biến khi sử dụng Bu30, Bu40 và Bu50.

- Phát thải CO2 của động cơ khi sử dụng Bu10, Bu20 gần như tương đương so

với Bu0. Còn Bu30, Bu40 và Bu50 CO2 giảm đáng kể so với Bu0. Khi số vòng quay

càng tăng hỗn hợp giàu dần dẫn đến hệ số dư lượng không khí càng giảm khi đó xăng

hỗn hợp cháy tốt hơn nên hàm lượng CO2 sẽ cao hơn, ngoài ra xăng RON92 cháy

không hết ở nhiệt độ cao xảy ra phản ứng C+CO2=>CO nên hàm lượng CO2 giảm.

b) 30%BG

a) 10%BG

13.5

)

(

12.5

2 O C

11.5

1250

1750

2750

3250

1250

1500

1750

2000

2250

2500

n (v/p)

2250 n (v/p)

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

c) 50%BG

d) 70%BG

15.8

15.5

15.6

15.4

)

14.5

15.2

(

2 O C

14.8

13.5

14.6

14.4

12.5

14.2

1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p)

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

Hình 4.16: Phát thải CO2 của động cơ

-89-

- Khí NOx hình thành do sự kết hợp giữa O2 và N2 ở nhiệt độ cao. Nồng độ NOx

phát thải tăng khi nhiệt độ cháy tăng và nồng độ Oxygen tăng. Khí NOx chủ yếu sinh

ra do quá trình cháy không hoàn toàn. Phát thải NOx ở 10%BG của động cơ khi sử

dụng nhiên liệu pha Butanol giảm so với xăng, nhưng ở các vị trí bướm ga còn lại thì

tăng đáng kể với mức tăng của Bu10 so với xăng trung bình khoảng 100% ở 70%BG.

Hình 4.18 thể hiện nồng độ CO và HC trong khí thải ở 4 tốc độ 1250, 2250,

3250 và 4250 v/ph lần lượt ứng với 4 vị trí bướm ga 10%, 30%, 50% và 70%. Theo

diễn biến hệ số dư lượng không khí  trình bày trên Hình 4.13 thì phát thải CO và

HC sẽ giảm theo tỷ lệ Butanol trong xăng nhờ quá trình cháy có hòa khí nghèo hơn

-90-

so với khi sử dụng xăng. Diễn biến nồng độ (%) của CO ở 4 tốc độ đều cho thấy khi

tăng tỷ lệ pha Butanol vào xăng nồng độ CO giảm. Ở tốc độ 3250 v/ph CO giảm

khoảng 10-15% khi pha thêm 10% Butanol. Ở tốc độ 2250 và 4250 v/ph tốc độ giảm

CO thấp hơn còn khoảng 4-6%, đặc biệt ở tốc độ 1250 v/ph tốc độ giảm chỉ khoảng

30%BG

10%BG

1500

2000

1800

1250

1600

)

1000

1400

750

1200

1000

m p p ( x O N

500

800

250

600

400

1250

1750

2750

3250

0 1250 1500 1750 2000 2250 2500 n (v/p)

2250 n (v/p)

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

Bu0 Bu40 Bu20

Bu10 Bu50 Bu30

Bu20 Bu0 Bu40

Bu30 Bu10 Bu50

70%BG

50%BG

3000

2500

2000

)

2000

1500

1000

m p p ( x O N

1000

500

0 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu10 Bu40

Bu0 Bu30

Bu20 Bu50

1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu10 Bu40

Bu20 Bu50

Bu0 Bu30

Hình 4.17: Phát thải NOx của động cơ

2-3%.

Khác với phát thải CO, nồng độ HC chỉ giảm ở các tỷ lệ Bu10 đến Bu30, sau

đó tăng trở lại. Khi động cơ chạy ở tốc độ 3250 và 4250 v/ph, động cơ sử dụng Bu10

-91-

đến Bu30 có mức phát thải HC giảm mạnh khoảng 30% khi pha thêm 10% Butanol

vào xăng, khi tỷ lệ pha lên đến Bu40 và Bu50 phát thải HC có xu hướng tăng trở lại.

Ở tốc độ 2250 v/ph phát thải HC chỉ giảm khoảng 10% và ở tốc độ 1250 v/ph phát

thải HC giảm không đáng kể khoảng 5%.

Như vậy, khi tỷ lệ pha Butanol vào xăng lớn (Bu40, Bu50), phát thải CO và HC

có xu hướng tăng trở lại. Điều này là do lượng Butanol cung cấp lớn khiến một phần

nhiên liệu bay hơi muộn sẽ không có cơ hội cháy hoàn toàn nên hình thành CO và

HC nhiều hơn. Đồng thời ở tốc độ thấp, vận tốc dòng khí nạp thấp khiến hòa khí

)

(

O C

m p p ( C H

160 140 120 100 80 60 40 20 0

20 30 Butanol (%) 2250

1250

3250

4250

1250

20 Butanol (%) 2250

3250

4250

Hình 4.18: Phát thải CO và HC

không đồng nhất dẫn đến phát thải HC và CO cao.

Hình 4.19 thể hiện nồng độ CO2 và NOx trong khí thải ở 4 tốc độ 1250, 2250,

3250 và 4250 v/ph lần lượt ứng với 4 vị trí bướm ga 10%, 30%, 50% và 70%. CO2

có xu hướng tăng chút ít ở tỷ lệ Bu10, nhưng sau đó giảm khi tăng tỷ lệ Butanol trong

xăng mức giảm khoảng 2,5% khi pha thêm 10% Butanol. Khi tăng tỷ lệ pha Butanol

sẽ làm giảm hàm lượng cacbon trong nhiên liệu, đây là lý do chính khiến Bu20 và

Bu30 khi cháy giảm phát thải CO2 so với Bu0 và Bu10; ngoài ra Bu40 và Bu50 còn

chịu ảnh hưởng do quá trình cháy không hoàn thiện như trường hợp CO và HC.

Phát thải NOx là điều đáng quan tâm khi sử dụng xăng pha cồn nói chung và

xăng pha Butanol nói riêng. Hình 4.19b cho thấy động cơ phát thải NOx tăng đáng

kể, ở tốc độ cao 4250 v/ph ứng với các tỷ lệ Bu10, Bu20 và Bu30 với mức tăng gần

đến 42%. Ở tốc độ thấp hơn 3250 v/ph, mức tăng ứng với các tỷ lệ Bu10, Bu20 và

Bu30 còn khoảng 8%. Ở tốc độ thấp hơn 2250 v/ph, mức tăng ứng với các tỷ lệ Bu10,

-92-

Bu20 và Bu30 còn khoảng 5%. Ở tốc độ thấp nhất 1250 v/ph, NOx chỉ tăng chút ít ở

tỷ lệ Bu10 và sau đó từ Bu20 giảm với mức giảm khoảng 5% khi pha thêm 10%

Butanol vào xăng. Như vậy, phát thải NOx thấp chính là ưu điểm của nhiên liệu có tỷ

2500

)

(

2000

)

2 O C

1500

m p p (

1000

x O N

500

20 30 Butanol (%)

1250

2250

3250

4250

1250

4250

Butanol (%) 3250

2250

lệ pha Butanol cao (Bu40 và Bu50).

Hình 4.19: Phát thải CO2 và NOx

b) a)

Trong phạm vi tải động cơ ứng với 10-70% độ mở bướm ga và trong khoảng

tốc độ 1250-4250 v/ph, động cơ Daewoo A16DMS khi sử dụng nhiên liệu xăng-

Butanol với tỷ lệ Butanol từ 10 – 50% có tính năng kinh tế, kỹ thuật gần như tương

đồng so với khi sử dụng nhiên liệu xăng, với mức giảm mô men và công suất có ích

không quá 21%; mức tiêu hao nhiên liệu tăng không quá 22%; đồng thời giảm phát

thải CO lên đến 15% và HC lên đến 30% khi pha vào xăng 10% Butanol, nhưng làm

phát thải NOx tăng đáng kể lên tới 42% khi pha vào xăng 10% Butanol. Trong đó

mức tải thấp hoặc quá cao kết hợp với tốc độ thấp sẽ làm giảm tính năng kinh tế, kỹ

thuật và ô nhiễm của động cơ, đặc biệt là khi động cơ sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ

4.2. Kết quả mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và bay hơi hình thành

hòa khí động cơ Daewoo A16DMS sử dụng xăng-Butanol

Butanol trên 30%.

Chế độ mô phỏng được lựa chọn ứng với bướm ga mở hoàn toàn, trong phạm

vi tốc độ từ 2000 đến 4500 v/ph, ứng với khối lượng nhiên liệu cung cấp cho chu

trình gct=0,08g/ct.

-93-

Nhiên liệu sử dụng trong mô phỏng được kết hợp từ 02 nhiên liệu đơn chất là

xăng (C8H18) và Butanol (C4H10O). Khi phun hỗn hợp, Butanol và xăng được pha

trộn trước với nhau, các đặc tính động lực học của hỗn hợp được xác định bằng các

các biểu thức tính hỗn hợp dựa trên các tính chất của nhiên liệu thành phần. Khi phun

4.2.1. Đánh giá tính bay hơi của Butanol so với xăng

riêng rẽ xăng thì tỷ lệ Butanol được xác lập bằng không và ngược lại.

Quá trình bay hơi và hình thành hòa khí phụ thuộc vào các tính chất nhiệt động

học của nhiên liệu, cấu trúc phun và tốc độ truyền nhiệt giữa không khí xung quanh

và các giọt nhiên liệu. Có thể thấy trên Bảng 2-2 sự khác biệt quan trọng về nhiệt ẩn

bay hơi và áp suất hơi bão hòa giữa Butanol và xăng.

Hình 4.20 minh hoạ tốc độ bay hơi khi phun riêng Butanol (Bu100) và xăng

(Bu0) trong cùng điều kiện hoạt động (Tkn = 315K, n = 2000v/ph, PI 1 phía). Xăng

có nhiệt ẩn bay hơi thấp và áp suất hơi bão hòa cao hơn so với Butanol do đó nó bay

hơi ngay sau khi phun với tốc độ bay hơi nhanh gấp khoảng 1,5 lần so với Butanol.

Xăng chủ yếu bay hơi trong thời gian phun và đạt đến giá trị ổn định của nồng độ ở

góc quay khoảng 210-240oCA, một lượng rất nhỏ còn lại sẽ được bay hơi vào cuối

quá trình nén (Hình 4.20a) và điều này làm cho hòa khí tương đối đồng nhất trước

khi đánh lửa (Hình 4.20c).

Khác với xăng, Butanol chưa bay hơi ngay sau khi phun mà chỉ diễn ra khi tia

phun xâm nhập vào trong xilanh khu vực có áp suất thấp. Việc bay hơi của Butanol

chủ yếu xảy ra trong quá trình nạp, một phần vào đầu quá trình nén và hầu như không

bay hơi vào cuối quá trình nén. Điểm khác biệt ở trên có thể là do áp suất bay hơi bão

hòa của Butanol thấp hơn khoảng 5 lần và nhiệt ẩn hóa hơi cao gấp khoảng 2 lần so

với xăng. Chính vì vậy mà nồng độ hơi Butanol thu được vào cuối quá trình nén nhỏ

hơn so với hơi xăng, các giọt Butanol chưa bay hơi còn khá lớn (Hình 4.20b) và đáng

chú ý là hòa khí ít đồng nhất hơn so với trường hợp phun xăng (Hình 4.20d).

4.2.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp

Tốc độ bay hơi của nhiên liệu tăng khi tăng nhiệt độ khí nạp, tuy nhiên khi nhiệt

độ khí nạp cao cũng ảnh hưởng bất lợi tới hiệu quả nạp và làm tăng nhiệt độ hòa khí

cuối quá trình nén.

So sánh bay hơi khi phun xăng (Bu0) và butanol (Bu100)

0.1

0.5

Er (Bu0) Fv (Bu0)

Er (Bu100) Fv (Bu100)

0.08

0.4

) s / g m

0.06

0.3

) g k / g k ( v F u ệ

( r E i

i l

0.04

0.2

0.02

0.1

ơ h y a b ộ đ c ố T

n ê h n ộ đ g n ồ N

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

 (độ)

Hình 4.20: So sánh tỷ lệ bốc hơi, nồng độ hơi và áp suất, nhiệt độ môi chất ứng với phun Butanol và xăng tinh khiết ở n=2000 v/ph, Tkn=315K

Hình 4.21 cho thấy khi nhiệt độ khí nạp Tkn= 300K trong trường hợp phun riêng

-94-

xăng, có một lượng nhỏ xăng bay hơi trong quá trình nén nhưng khi nhiệt độ khí nạp

Tkn= 315-345K xăng đã bay hơi hoàn toàn trong quá trình nạp (Hình 4.21a) và nồng

độ hơi xăng tăng khoảng 6-16% khi tăng nhiệt độ khí nạp từ 300K lên 315-345K. Khi

kết thúc quá trình nén, rất ít hạt nhiên liệu được tìm thấy trong buồng cháy khi nhiệt

độ khí nạp Tkn= 315 (Bảng 4-9).

Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lên quá trình bay hơi của Butanol ít hơn so với

trường hợp xăng. Trên Hình 4.21b, có thể thấy rằng cuối quá trình nén Butanol không

tiếp tục bay hơi, nồng độ Butanol chỉ tăng lên khoảng 2,5-11% khi nhiệt độ khí nạp

tăng từ 300K lên 315-345K. Mật độ giọt Butanol và nồng độ hơi Butanol ít khác biệt

khi tăng nhiệt độ khí nạp từ 300 lên 315K (Bảng 4-9).

a) Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến bay hơi của xăng (Bu0)

b) Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến bay hơi của butanol (Bu100)

0.1

0.25

0.1

0.25

0.08

0.2

0.08

) s / g m

) g k / g k ( v F l

( r E i

0.06

0.15

0.06

( r E i

) g k / g k ( v F g n ă x i

o n a t u b

0.04

0.1

0.04

0.02

0.05

0.02

ơ h y a b ộ đ c ố T

ơ h ộ đ g n ồ N

120 180 240 300

60 120 180 240 300 360

 (độ)

Er (300K) Er (330K) Fv (300K) Fv (330K)

Er (315K) Er (345K) Fv (315K) Fv (345K)

Er (300K) Er (330K) Fv (300K) Fv (330K)

Er (315K) Er (345K) Fv (315K) Fv (345K)

Hình 4.21: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lên quá trình bay hơi xăng (a) và Butanol (b) ở tốc độ động cơ 2000 v/ph Bảng 4-9: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330oCA) khi phun riêng xăng và Butanol theo nhiệt độ khí nạp

Tkn=300K

Tkn=315K

Mật độ giọt xăng

Nồng độ hơi xăng

Mật độ giọt Butanol

Nồng độ hơi Butanol

-95-

4.2.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ

Thời gian phun kéo dài nên thời gian cho bay hơi giảm đi khi tốc độ động cơ

tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng tốc độ động cơ chuyển động rối của không khí trong

-96-

buồng cháy tăng làm tăng truyền nhiệt đối lưu giữa không khí với các giọt nhiên liệu,

kết quả làm tăng tốc độ bay hơi. Hình 4.22 đến Hình 4.24 biểu diễn sự thay đổi tốc

độ bay hơi và nồng độ hơi ở tốc độ 2000, 3000, 4000 và 4500 v/ph khi PI nhiên liệu

Bu0, Bu100 và Bu50 từ 1 phía.

Trong giai đoạn phun, tốc độ bay hơi ở 2000 v/ph cao hơn so với 4000 v/ph.

Cuối giai đoạn phun và sau khi kết thúc phun tốc độ bay hơi trong trường hợp 4000

v/ph là cao hơn so với trường hợp 2000 v/ph nhờ chuyển động rối tăng lên ở tốc độ

cao. Kết quả nồng độ hơi cuối quá trình nén trong trường hợp 4000 v/ph là cao hơn

so với 2000 v/ph. Hòa khí trong trường hợp 4000 v/ph đồng nhất hơn so với trường

hợp 2000 v/ph như thể hiện bằng biểu đồ đường đồng mức trong Bảng 4-10 và Bảng

4-11. Thời điểm kết thúc phun tối ưu để hầu hết nhiên liệu được bay hơi là trước khi

đóng xupap nạp. Vì vậy, khi tốc độ động cơ tăng lên, thời điểm phun phải sớm hơn.

Đối với trường hợp phun riêng xăng (Bu0), ảnh hưởng của việc tăng tốc độ động

cơ đến bay hơi của các giọt xăng là rất rõ ràng. Tốc độ bay hơi cuối quá trình nạp và

đầu quá trình nén tăng lên khi tăng tốc độ động cơ, dẫn đến xăng gần như bay hơi

hoàn toàn khi tăng tốc độ động cơ. Điều này kết hợp với lượng không khí nạp vào

giảm khi tăng tốc độ động cơ, dẫn đến làm tăng đáng kể hệ số tương đương  (Hình

4.22).

Đối với trường hợp phun riêng Butanol (Bu100), ảnh hưởng của việc tăng tốc

độ động cơ đến bay hơi của các giọt Butanol là yếu hơn so với trường hợp phun riêng

xăng. Khác chút ít trường hợp phun riêng xăng, tốc độ bay hơi khi phun riêng Butanol

diễn ra muộn hơn và kết thúc sớm hơn, chủ yếu diễn ra cuối quá trình nạp và đầu quá

trình nén. Nhìn chung khi tăng tốc độ động cơ sẽ làm giảm khả năng bay hơi hoàn

toàn của Butanol vì Butanol không bay hơi vào cuối quá trình nén do có áp suất bão

hòa thấp. Điều này dẫn đến tốc độ tăng khiến hệ số tương đương  thấp hơn so với

trường hợp phun xăng khi tăng tốc độ động cơ (Hình 4.23).

Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến bay hơi khi phun xăng (Bu0)

0.2

Er (2000)

Er (3000)

0.15

Er (4000)

) s / g m

Er (4500)

( r E

0.1

 2000

 3000

0.05

 4000

 4500

 g n ơ ư đ g n ơ ư t ố s ệ H

2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1

i ơ h y a b ộ đ c ố T

120

240

300

360

180  (độ)

Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến bay hơi khi phun xăng (Bu0)

0.1

0.2

O2 (2000)

) g k

O2 (3000)

0.09

) g k

0.175

O2 (4000)

0.08

/ g k (

0.15

O2 (4500)

0.07

/ g k ( v F u ệ i l

Fv (2000)

0.06

0.125

Fv (3000)

0.05

0.1

Fv (4000)

0.04

y x o ộ đ g n ồ N

Fv (4500)

0.075

0.03

n ê i h n ộ đ g n ồ N

0.02

0.05

90 120 150 180 210 240 270 300 330

 (độ)

Hình 4.22: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ lên quá trình bay hơi khi phun riêng xăng Bảng 4-10: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330oCA) khi phun riêng xăng và Butanol theo tốc độ động cơ

-97-

Nồng độ xăng ở 2000v/ph Mật độ giọt xăng ở 2000v/ph Nồng độ xăng ở 4000v/ph Mật độ giọt xăng ở 4000v/ph

Mật độ giọt Butanol ở 2000v/ph Mật độ giọt Butanol ở 4000v/ph Nồng độ Butanol ở 2000v/ph Nồng độ Butanol ở 4000v/ph

Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến bay hơi khi phun riêng (Bu100)

0.2

0.15

) s / g m

( r E i

0.1

Er (2000) Er (3000) Er (4000) Er (4500)  2000  3000  4000  4500

 g n ơ ư đ g n ơ ư t ố s ệ H

0.05

ơ h y a b ộ đ c ố T

1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5

120

240

300

360

180  (độ)

Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến bay hơi khi riêng phun (Bu100)

O2 (2000)

0.2

0.1

) g k

O2 (3000)

) g k

0.09

/ g k (

0.175

O2 (4000)

0.08

O2 (4500)

0.15

0.07

Fv (2000)

/ g k ( v F u ệ i l

0.125

0.06

Fv (3000)

0.05

0.1

Fv (4000)

y x o ộ đ g n ồ N

0.04

Fv (4500)

0.075

0.03

n ê i h n ộ đ g n ồ N

0.05

0.02

90 120 150 180 210 240 270 300 330

 (độ)

Hình 4.23: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến quá trình bay hơi khi phun riêng Butanol (Bu100)

-98-

Đối với trường hợp phun hỗn hợp Bu50, tốc độ bay hơi cuối quá trình nén được

cải thiện đáng kể so với trường hợp phun riêng Butanol, đặc biệt là ở tốc độ cao 4000-

4500 v/ph. Như vậy khi pha trộn Butanol vào xăng với khả năng hòa tan tốt của

Butanol sẽ làm tăng áp suất hơi bão hòa, tăng khả năng bay hơi của giọt nhiên liệu

-99-

vào cuối quá trình nén. Điều này dẫn đến nồng độ hơi Butanol cao hơn xăng chút ít

Ảnh hưởng của tốc độ đến bay hơi khi phun hỗn hợp Bu50

0.2

Er (2000)

Er (3000)

)

) s / g m

Er (4000)

0.15

( r E

Er (4500)

( u B ệ l

Bu (2000)

ỷ T

Bu (3000)

0.1

Bu (4000)

i ơ h y a b ộ đ c ố T

Bu (4500)

0.05

120

240

300

360

180  (độ)

Ảnh hưởng của tốc độ đến bay hơi khi phun hỗn hợp Bu50

0.1

0.2

O2 (2000)

0.09

O2 (3000)

0.175

) g k

O2 (4000)

0.08

O2 (4500)

) g k

0.15

0.07

Fv (2000)

/ g k (

/ g k ( v F u ệ i l

Fv (3000)

0.06

0.125

n ê i

Fv (4000)

0.05

Fv (4500)

0.1

y x o ộ đ g n ồ N

0.04

h n ộ đ g n ồ N

0.075

0.03

0.02

0.05

90 120 150 180 210 240 270 300 330

 (độ)

Hình 4.24: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ lên quá trình bay hơi khi phun riêng Butanol

(hòa khí có tỷ lệ Bu≥50) vào cuối quá trình nén khi tăng tốc độ động cơ (Hình 4.24).

Bảng 4-11: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330oCA) khi phun hỗn hợp Bu50 theo tốc độ động cơ

Nồng độ hơi Butanol ở 2000v/ph

Nồng độ hơi xăng ở 2000v/ph

Nồng độ hơi Butanol ở 4000v/ph

Nồng độ hơi xăng ở 4000v/ph

-100-

4.2.2. Đánh giá ảnh hưởng cấu hình phun đến quá trình bay hơi và hình

thành hòa khí

Mật độ giọt ở 2000v/ph Mật độ giọt ở 4000v/ph

Sự phân bố hơi nhiên liệu trong buồng cháy vào thời điểm đánh lửa có ảnh

hưởng quan trọng đến chất lượng quá trình cháy sau đó, ảnh hưởng đến hiệu suất

động cơ và mức phát thải. Hòa khí không đồng nhất dẫn đến sự đốt cháy không hoàn

toàn, làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ và làm tăng phát thải CO, HC và bồ hóng.

Ảnh hưởng của các thông số khác nhau về độ đồng nhất của hòa khí như phun hỗn

4.2.2.1. So sánh phun hỗn hợp với phun riêng rẽ

hợp, phun riêng rẽ xăng và Butanol sẽ được thảo luận cụ thể ở phần sau đây.

Hình 4.25 thể hiện diễn biến tốc độ bay hơi và tỷ lệ Bu (nồng độ hơi

Butanol/nồng độ hơi nhiên liệu) trong quá trình nạp và quá trình nén. Kết quả cho

thấy khi phun riêng rẽ (GPI30+BuPI62), nhiên liệu bắt đầu bay hơi diễn ra sớm nhất,

tiếp đến là phun hỗn hợp (GBuPI30) và cuối cùng là phun riêng rẽ (GPI62+BuPI30).

Nguyên nhân ở đây là Butanol khó bay hơi ở giai đoạn đầu quá trình nạp do áp suất

chân không trong xilanh và tốc độ dòng khí nạp thấp. Diễn biến tỷ lệ Bu cho thấy,

khi phun hỗn hợp hòa khí có tỷ lệ Bu lớn nhất (50%), tiếp đến là GPI62+BuPI30 và

cuối cùng là GPI30+BuPI62.

Ảnh hưởng của phun hỗn hợp và phun riêng rẽ xăng/butanol đến bay hơi của nhiên liệu Bu50

Er (GPI30+BuPI62)

0.25

Er (GPI62+BuPI30)

0.2

)

) s / g m

Er (Hỗn hợp)

0.15

( r E i

Bu (GPI30+BuPI62)

( u B ệ

0.1

Bu (GPI62+BuPI30)

ỷ T

0.05

Bu (Hỗn hợp)

ơ h y a b ộ đ c ố T

120

240

300

360

180  (độ)

Hình 4.25: Ảnh hưởng của phun hỗn hợp và phun riêng rẽ xăng/Butanol đến bay hơi của nhiên liệu Bu50

-101-

Như vậy ưu điểm của phun hỗn hợp giúp cải thiện hiệu quả bay hơi cho Butanol,

tăng tỷ lệ Bu của hòa khí và hòa trộn đồng đều xăng+Butanol với không khí. Còn ưu

điểm của phun riêng rẽ là cho phép nhiên liệu bay hơi hoàn toàn vào cuối quá trình

Bảng 4-12: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330oCA) khi phun hỗn hợp và phun riêng rẽ nhiên liệu Bu50

Phương án phun Mật độ giọt nhiên liệu (330oCA)

Nồng độ hơi xăng (330oCA)

Nồng độ hơi Butanol (330oCA)

Hỗn hợp (GBuPI)

Riêng rẽ (GPI30+BuPI62)

Riêng rẽ (GPI62+BuPI30)

4.2.2.2. So sánh phun trên đường nạp 1 phía và 2 phía

nén (Bảng 4-12).

Hình 4.26 cho thấy các ảnh hưởng của phun hỗn hợp và phun riêng rẽ cùng

thành phần nhiên liệu Bu50 từ 2 phía và từ 1 phía ở tốc độ động cơ 2000 v/ph. Có thể

-102-

quan sát thấy, trường hợp phun 2 phía có tốc độ bay hơi cao hơn trường hợp phun 1

phía và phun 2 phía hỗn hợp có tốc độ bay hơi cao hơn so với phun 2 phía riêng rẽ.

Tuy nhiên nồng độ hơi nhiên liệu thu được vào cuối quá trình nén là tương đương

Diễn biến bay hơi khi phun Bu50 từ 1 phía và 2 phía 0.4

0.1

Er (1 phía hỗn hợp)

r E i

0.08

Er (2 phía riêng rẽ)

0.3

0.06

Er (2 phía hỗn hợp)

) g k / g k ( v F u ệ

) s / 0.2 g m

0.04

(

i l

Fv (1 phía hỗn hợp)

n ê h n ộ đ g n ồ N

0.1

0.02

Fv (2 phía riêng rẽ)

ơ h y a b ộ đ c ố T

Fv (2 phía hỗn hợp)

120

240

300

360

180  (độ)

d) Phun 1 phía hỗn hợp

e) Phun 2 phía riêng rẽ

Mật độ hạt

T (K)

Mật độ hạt

T (K)

Hình 4.26: Diễn biến bay hơi phun nhiên liệu Bu50 từ 1 phía và từ 2 phía

nhau, chỉ riêng trường hợp phun 2 phía riêng rẽ có nồng độ hơi thấp hơn chút ít.

Sự khác biệt về tốc độ bay hơi khi phun 1 phía và phun 2 phía có lẽ là do cơ chế

truyền nhiệt. Khi phun 1 phía, sự truyền nhiệt từ không khí sang các hạt chỉ xảy ra ở

một phía của xi lanh, làm giảm nhiệt độ cục bộ (xem trường nhiệt độ T trên Hình

4.26d), làm chậm tốc độ bay hơi. Trong trường hợp phun 2 phía, nhiên liệu được phun

riêng biệt thông qua hai vòi phun nằm trong hai nhánh nạp đối xứng. Các hạt nhiên

liệu được khuếch tán trong không gian rộng hơn giúp cải thiện truyền nhiệt giữa

không khí và hạt nhiên liệu. Khi kết thúc quá trình nén, nồng độ hơi nhiên liệu đạt tới

cùng một giá trị khi phun hỗn hợp từ 1 phía và phun hỗn hợp từ 2 phía. Tuy nhiên

-103-

nồng độ nhiên liệu của phun riêng rẽ thấp hơn 5% so với phun nhiên liệu hỗn hợp

trong trường hợp, điều này là do Butanol không bay hơi hoàn toàn khi phun riêng rẽ.

Hình 4.27 thể hiện phân bố nồng độ hơi nhiên liệu, hệ số tương đương và tỷ lệ

Bu của hòa khí theo phương ngang (x) tại mặt cắt ngang ĐCT cuối quá trình nén. Kết

quả cho thấy diễn biến nồng độ hơi xăng và Butanol có sự thay đổi khi phun hỗn hợp

c) Phun 2 phía riêng rẽ

a) Phun 1 phía hỗn hợp

b) Phun 2 phía hỗn hợp 1.7

0.06

1.7

0.06

1.7

0.06

1.5

v G

1.3

1.1

, v U B 0.04

0.9

) g k / g k ( u B



0.7



0.7

0.5

0.3

0.02

0.3

0.02

0.3

0.02

-0.04-0.02 0 0.02 0.04 x (m)

BUv

Nồng độ xăng Nồng độ Butanol

Hình 4.27: Phân bố nồng độ hơi nhiên liệu và hệ số tương đương theo phương ngang (x) khi phun 1 phía và phun 2 phía

từ 1 phía, phun hỗn hợp từ 2 phía và phun riêng rẽ từ 2 phía.

Theo diễn biến của hệ số tương đương  và phân bố nồng độ hơi nhiên liệu, hỗn

hợp sẽ đồng nhất hơn khi phun 2 phía, trong đó phun 2 phía hỗn hợp sẽ cho hòa khí

đồng nhất hơn. Khi phun 2 phía riêng rẽ (Hình 4.27c), buồng cháy sẽ phân thành vùng

có tỷ lệ Bu cao (phía trái) và vùng có tỷ lệ Bu thấp (phía phải). Khi phun 2 phía hỗn

hợp (Hình 4.27b), vùng hòa khí có tỷ lệ Bu cao nằm chính giữa (x=-0,02÷0,02), còn

trường hợp phun 1 phía hỗn hợp (Hình 4.27a) tỷ lệ Bu phân bố đồng đều từ trái sang

phải.

Phương án phun 1 phía hỗn hợp khi động cơ sử dụng 2 nhánh nạp đối xứng tạo

ra nồng độ hơi nhiên liệu và hệ số tương đương theo phương ngang có giá trị lớn tại

tâm buồng cháy và vùng xa cửa thải. Đây là cơ sở để lựa chọn vị trí đặt bugi thích

hợp nhằm giảm thời gian cháy trễ và tránh kích nổ cho động cơ.

-104-

4.2.2.3. Ảnh hưởng của thời điểm phun

Quá trình hình thành hòa khí không chỉ phụ thuộc vào tốc độ truyền nhiệt giữa

không khí xung quanh tới hạt nhiên liệu mà còn phụ thuộc vào thời gian hòa trộn.

Khi phun muộn, thời gian để bay hơi giảm nên tại thời điểm đánh lửa sự bay hơi

không hoàn tất và hơi nhiên liệu không có đủ thời gian trộn với không khí để tạo

a) 2 phía- hỗn hợp

0.1

0.5

0.0875

0.075

0.375

0.0625

) g k / g k ( v F

0.05

0.25

) s / g m

Er (10CA)

Er (30CA)

0.0375

( r E

Er (60CA)

Fv (10CA)

0.025

0.125

Fv (30CA)

Fv (60CA)

0.0125

120

210

240

270

300

330

150

180

(độ)

b) Phun 2 phía- riêng rẽ

0.15

0.125

0.1

Er (10CA) Er (30CA) Er (60CA) Fv (10CA)

) g k / g k ( v F

0.075

) s / g m

0.05

( r E

0.025

2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0

120

150

180

210

240

270

300

330

 (độ) 30oCA

thành một hỗn hợp đồng nhất.

Phun hỗn hợp (blend)

Hình 4.28: Ảnh hưởng của thời điểm phun đến bay hơi khi phun riêng rẽ (a) và khi phun hỗn hợp (b); đường màu đồng mức phân bố nồng độ hơi nhiên liệu tại mặt cắt y=0 ở 330oCA(c) (n=3000 v/ph, Bu50)

60oCA 10oCA c)Thời điểm phun Phun riêng rẽ (dual)

-105-

Hình 4.28 trình bày ảnh hưởng của thời điểm phun đến tốc độ bay hơi và nồng

độ hơi trong trường hợp phun hỗn hợp và phun riêng rẽ. Các kết quả cho thấy khi

phun 10oCA, quá trình bay hơi diễn ra lúc vận tốc piston chưa lớn, động năng rối

dòng khí nạp còn thấp dẫn đến nồng độ hơi cuối quá trình nén thấp hơn khi thời điểm

phun 30oCA. Khi phun muộn hơn 30oCA, quá trình bốc hơi không hoàn tất khi kết

thúc quá trình nén, đặc biệt trong trường hợp phun hỗn hợp. Nồng độ hơi của nhiên

liệu vào cuối của quá trình nén ứng với thời điểm phun 60oCA thấp hơn khoảng 10%

so với thời điểm phun 30oCA, gần bằng với thời điểm phun 10oCA (Hình 4.28a và

Hình 4.28b).

Đường đồng mức trên Hình 4.28c thể hiện phân bố nồng độ hơi nhiên liệu tại

mặt cắt y = 0 ở góc quay 330oCA ứng với các thời điểm phun 10oCA, 30oCA và

60oCA. Có thể thấy rằng ở thời điểm phun 10oCA và 30oCA, không có sự khác biệt

đáng kể về phân bố hơi nhiên liệu trên mặt cắt ngang. Nhưng với thời điểm phun

4.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của phun trực riếp trong buồng cháy (DI) và

phun trên đường nạp (PI)

So sánh bay hơi DI blend và DI duaI

0.15

1.75

Er (DI,Blend)

Er (DI, Dual)

0.125

) g k / g k (

1.5

v F

Fv (DI,Blend)

Fv (DI, Dual)

0.1

1.25

) s / g m

0.075

( r E

0.75

0.05

0.5

0.025

0.25

120

210

240

270

300

330

150

180

 (độ)

Hình 4.29: Tốc độ bốc hơi và nồng độ hơi ứng với trường hợp DI nhiên liệu hỗn hợp (Blend) và nhiên liệu riêng rẽ (Dual) ở vị trí vòi phun Xj = 0mm

60oCA, sự khác biệt trong việc phân bố nhiên liệu trở nên đáng chú kể.

Hình 4.29 giới thiệu ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến tốc độ bốc hơi và sự hình

thành hỗn hợp cho trường hợp phun DI hỗn hợp (Blend)và phun DI riêng rẽ (Dual)

nhiên liệu Bu50 ở tốc độ động cơ 3000 v/ph, nhiệt độ không khí nạp là 315K, thời

-106-

điểm phun ở 30oCA. Có thể thấy rằng sự bay hơi của phun hỗn hợp kém hơn đáng kể

so với phun riêng rẽ ở vị trí xj = 0.

GDI_BuPI a) Mật độ hạt (DPM) DI hỗn hợp GPI_BuDI

180

b) So sánh bay hơi GDI_BuPI, DI blend và GPI_BuDI

1.75

0.125

Er (DI,Blend)

1.5

0.1

Er (GDI_BuPI)

1.25

Er (GPI_BuDI)

0.075

) s / g m

Fv (DI,Blend)

0.75

0.05

( r E

Fv (GPI_BuDI)

) g k / g k ( v F

0.5

0.025

Fv (GDI_BuPI)

0.25

90 120 150 180 210 240 270 300 330

 (độ)

GDI_BuPI

DI hỗn hợp

GPI_BuDI

322

Hình 4.30: So sánh quá trình bay hơi và tạo hỗn hợp trong các trường hợp BUDI-GPI, GDI-BUPI và vị trí vòi phun pha trộn DI tại Xj = 0 (n = 3000 v/ph, Bu50, Tkn = 315K): phân bố hạt (a), tốc độ bay hơi và nồng độ hơi (b) và đường đồng mức nồng độ hơi trên mặt cắt y = 0 tại 330oCA (c)

-107-

Hình 4.30a thể hiện sự phân bố các hạt nhiên liệu khi phun xăng và Butanol kép

kết hợp và hoán đổi giữa PI và DI ứng với nhiên liệu Bu50, thời gian phun 60CA ở

tốc độ động cơ 3000 v/ph (BuDI-GDI, GDI-BuDI và DI hỗn hợp).

Vòi phun trực tiếp (DI) được đặt nằm ở giữa đầu xi-lanh, vòi phun gián tiếp (PI)

đặt trước xupap nạp. Kết quả cho thấy trong thời gian phun, tốc độ bốc hơi của BuDI-

GPI là cao nhất, sau đến GDI-BuPI và thấp nhất là DI hỗn hợp. Như đã đề cập, tốc

độ bay hơi của nhiên liệu khi phun PI nhanh hơn đáng kể so với phun DI và tốc độ

bay hơi xăng nhanh hơn so với Butanol ở cùng điều kiện hoạt động. Do vậy, nồng độ

hơi nhiên liệu trong trường hợp GPI-BuDI cao hơn so với trường hợp BuPI-GDI.

Cuối quá trình nén, nồng độ hơi nhiên liệu của hai trường hợp gần như giống nhau.

Phun trực tiếp hỗn hợp có tốc độ bay hơi thấp và nồng độ hơi thấp hơn vào cuối nén

so với phun riêng rẽ (Hình 4.30b). Cụ thể, cuối quá trình nén, nồng độ hơi nhiên liệu

ứng với DI hỗn hợp nhỏ hơn 10% so với GDI-BuPI và BuDI-GPI. Tuy nhiên, Hình

4.30c có thể quan sát thấy hòa khí của DI hỗn hợp đồng nhất hơn so với BuDI-GPI.

Các vùng có nồng độ hơi nhiên liệu cao được tìm thấy gần với thành xilanh.

Kết luận về kết quả mô phỏng:

Tại cùng một điều kiện hoạt động, Butanol có tốc độ bay hơi thấp hơn so với

xăng, xăng hầu như bốc hơi trong quá trình phun nhưng Butanol bốc hơi chủ yếu từ

giữa quá trình nạp đến giữa quá trình nén. Không có sự khác biệt về áp suất trong

xilanh khi phun riêng Butanol và phun riêng xăng trong quá trình nạp và nén. Nhiệt

độ môi chất trong quá trình nạp và nén khi phun Butanol chỉ thấp hơn chút ít so với

khi phun xăng.

-108-

Hòa khí ở cuối quá trình nén sẽ có hệ số tương đương cao hơn khi tăng nhiệt độ

khí nạp trong phạm vi từ 300-345K hoặc tăng tốc độ động cơ trong phạm vi từ 2000-

4500 v/ph. Ảnh hưởng của việc tăng nhiệt độ khí nạp và tăng tốc độ động cơ tới quá

trình bay hơi của Butanol là yếu hơn so với xăng.

+ Trong điều kiện bướm ga mở 100%, lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình

gct=0,08g/ct, tốc độ động cơ 2000v/ph, khi nhiệt độ khí nạp tăng từ mức 300K lên

trong khoảng 315-345K, nồng độ hơi tăng trong khoảng 2,5-11%, 6-16% lần lượt ứng

với phun riêng Butanol và phun riêng xăng.

+ Trong điều kiện bướm ga mở 100%, lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình

gct=0,08g/ct, khi tăng tốc độ động cơ từ mức 2000v/ph lên trong khoảng 3000-4500

v/ph, hệ số tương đương của hòa khí Butanol/không khí tăng từ mức 0,94 lên 1,01-

1,37; trong khi hệ số tương đương của hòa khí xăng/không khí tăng từ mức 1,25 lên

1,37-1,95.

Phun hỗn hợp nhiên liệu pha trước (Butanol+xăng) sẽ cải thiện khả năng bay

hơi cho Butanol so với khi phun riêng rẽ Butanol/xăng, dẫn đến làm tăng tỷ lệ Bu

trong hòa khí, tuy nhiên phun hỗn hợp có thể làm cho việc bay hơi của xăng không

hoàn toàn. Phun riêng rẽ xăng/Butanol làm tăng khả năng bay hơi hoàn toàn của xăng,

tuy nhiên dẫn đến Butanol khó bay hơi hoàn toàn, trong trường hợp này nên phun

sớm Butanol so với xăng.

Phun hai phía trên 2 nhánh nạp đối xứng làm tăng sự đồng nhất cho hòa khí,

phun hai phía riêng rẽ xăng/Butanol sẽ tạo điều kiện phân không gian buồng cháy

thành nửa trái xilanh có tỷ lệ Bu cao hơn so với nửa phải xilanh.

Phun 1 phía hỗn hợp trên đường nạp sẽ tạo điều kiện hình thành hòa khí có nồng

độ hơi nhiên liệu và hệ số tương đương cao tập trung ở giữa buồng cháy và cách xa

cửa xả, điều này giúp giảm thời gian cháy trễ và giảm nguy cơ cháy kích nổ cho động

cơ.

Tốc độ bay hơi của nhiên liệu khi phun PI nhanh hơn đáng kể so với phun DI

và tốc độ bay hơi xăng nhanh hơn so với Butanol ở cùng điều kiện hoạt động, tốc độ

bốc hơi của BuDI-GPI là cao nhất, sau đến GDI-BuPI và thấp nhất là DI hỗn hợp.

Hòa khí của DI hỗn hợp đồng nhất hơn so với BuDI-GPI và GDI-BuPI.

KẾT LUẬN

-109-

1. Luận án đã tiến hành thực nghiệm trên động cơ Daewoo A16DMS trong

phạm vi tải ứng với 10-70% độ mở bướm ga và ở tốc độ trong khoảng 1250-4250

v/ph. Kết quả cho thấy, động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng-Butanol với tỷ lệ Butanol

từ 10 – 50% có tính năng kinh tế, kỹ thuật gần như tương đồng và phát thải ô nhiễm

được cải thiện so với khi sử dụng nhiên liệu xăng.

- Mô men và công suất động cơ có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ Butanol trong

nhiên liệu xăng-Butanol với mức giảm mô men và công suất có ích không quá 21%.

Khi động cơ sử dụng nhiên liệu Bu10-Bu30 ở mức tải ứng với 30-70%, mô men có

ích và công suất động cơ sẽ gần như tương đương so với Bu0, với mức tăng giảm

dưới 5%. Khi động cơ sử dụng nhiên liệu Bu40-Bu50 có nhiều bất lợi về tính kỹ

thuật, điều này càng thể hiện rõ ở mức tải cao (70%BG) và mức tải thấp (10%BG)

với mô men có ích của động cơ giảm trung bình trên 15%.

- Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) có xu hướng tăng và suất tiêu hao năng

lượng có ích (qe) có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ Butanol trong nhiên liệu xăng-

Butanol với mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu không quá 22%. Ở mức tải ứng với

30-70%BG, khi động cơ sử dụng nhiên liệu Bu10-Bu30 sẽ không làm tăng suất tiêu

hao nhiên liệu có ích của động cơ quá 5%, thậm chí Bu10 và Bu20 có suất tiêu hao

nhiên liệu có ích giảm chút ít so với Bu0. Ở mức tải ứng với 10%BG, chỉ có nhiên

liệu Bu10 mới có lợi thế về suất tiêu hao nhiên liệu, trong khi các nhiên liệu Bu20-

Bu50 sẽ làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ trên 7% so với Bu0.

- Tăng tỷ lệ Butanol trong nhiên liệu xăng-Butanol sẽ làm giảm phát thải CO,

HC nhưng sẽ làm tăng phát thải NOx trong khí thải động cơ. Mức giảm phát thải CO

lên đến 15% và HC lên đến 30% khi pha vào xăng 10% Butanol, nhưng mức phát

thải NOx tăng đáng kể lên tới 42% khi pha vào xăng 10% Butanol. Tuy nhiên, khi tỷ

lệ pha Butanol vào xăng lớn (Bu40-Bu50), phát thải HC có xu hướng tăng và phát

thải NOx có xu hướng giảm trở lại.

- Khi động cơ làm việc ở mức tải thấp hoặc quá cao kết hợp với tốc độ thấp sẽ

làm giảm tính năng kinh tế, kỹ thuật và ô nhiễm của động cơ, mức độ ảnh hưởng càng

lớn khi động cơ sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ Butanol trên 30%.

2. Trên cở sở mô hình phun hỗn hợp xăng/Butanol trên đường nạp 1 phía của

động cơ Daewoo A16DMS, luận án đã phát triển kết cấu động cơ thành cấu hình phun

-110-

từ 2 phía riêng rẽ xăng/Butanol và kết hợp giữa phun trên đường nạp với phun trực

tiếp.

- Trong cùng điều kiện hoạt động, Butanol có tốc độ bay hơi thấp hơn so với

xăng. Xăng gần như bốc hơi trong quá trình phun nhưng Butanol bốc hơi chủ yếu từ

giữa quá trình nạp đến giữa quá trình nén. Nhiệt độ môi chất trong quá trình nạp và

nén khi phun Butanol chỉ thấp hơn chút ít so với khi phun xăng.

- Hòa khí ở cuối quá trình nén sẽ có hệ số tương đương cao hơn khi tăng nhiệt

độ khí nạp hoặc tăng tốc độ động cơ. Ảnh hưởng của việc tăng nhiệt độ khí nạp và

tăng tốc độ động cơ tới quá trình bay hơi của Butanol là yếu hơn so với xăng. Khi

nhiệt độ khí nạp tăng từ mức 300K lên mức 315-345K, nồng độ hơi nhiên liệu tăng

khoảng 2,5-11%, 6-16% lần lượt ứng với phun riêng Butanol và phun riêng xăng. Khi

tăng tốc độ động cơ từ mức 2000v/ph lên trong khoảng 3000-4500 v/ph, hệ số tương

đương của hòa khí Butanol-không khí tăng từ mức 0,94 lên 1,01-1,37, trong khi hệ

số tương đương của hòa khí xăng-không khí tăng từ mức 1,25 lên 1,37-1,95.

- Phun hỗn hợp xăng-Butanol sẽ cải thiện khả năng bay hơi cho Butanol so với

khi phun riêng rẽ xăng/Butanol, tuy nhiên phun hỗn hợp có thể làm cho việc bay hơi

của xăng không hoàn toàn. Phun riêng rẽ xăng/Butanol làm tăng khả năng bay hơi

hoàn toàn của xăng, tuy nhiên dẫn đến Butanol khó bay hơi hoàn toàn, trong trường

hợp này nên phun sớm Butanol so với xăng.

- Phun 2 phía hỗn hợp làm tăng sự đồng nhất cho hòa khí, phun hai phía riêng

rẽ xăng/Butanol sẽ phân tầng hòa khí trong buồng cháy, phía nửa trái xilanh có tỷ lệ

Bu cao hơn so với phía nửa phải xilanh.

- Phun 1 phía hỗn hợp trên đường nạp sẽ tạo điều kiện hình thành hòa khí có

nồng độ hơi nhiên liệu và hệ số tương đương cao tập trung ở giữa buồng cháy và cách

xa cửa xả, điều giúp giảm thời gian cháy trễ và giảm nguy cơ cháy kích nổ cho động

cơ.

- Tốc độ bay hơi của nhiên liệu khi phun PI nhanh hơn đáng kể so với phun DI

và tốc độ bay hơi xăng nhanh hơn so với Butanol ở cùng điều kiện hoạt động, tốc độ

bốc hơi của BuDI-GPI là cao nhất, sau đến GDI-BuPI và thấp nhất là DI hỗn hợp.

Hòa khí của DI hỗn hợp đồng nhất hơn so với BuDI-GPI và GDI-BuPI.

KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

-111-

Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết quan trọng về tính năng đốt cháy và

phát thải của hỗn hợp Butanol-xăng trong động cơ đánh lửa. Việc thêm Butanol vào

xăng không làm thay đổi đáng kể tính năng kỹ thuật của động cơ, nhưng đồng thời

giảm đáng kể phát thải ô nhiễm.

Do khả năng khó bay hơi của Butanol trong điều kiện nhiệt độ thấp và độ mở

bướm ga lớn cần có biện pháp kỹ thuật nhằm phun riêng rẽ Butanol vào trong buồng

cháy đầu quá trình nạp trước khi phun xăng để tận dụng áp suất thấp cải thiện khả

năng bay hơi của Butanol.

Nghiên cứu thử nghiệm hỗn hợp Butanol-xăng trên các loại động cơ khác nhau

cũng như thử nghiệm thực tế trong quá trình vận hành ô tô để có thêm nhiều kết luận

chính xác hơn về việc sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng–Butanol trên động cơ đốt

cháy cưỡng bức.

Nghiên cứu các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, phát thải chất ô nhiễm với nhiên liệu

phối trộn xăng–Butanol có tỷ lệ % thể tích Butanol cao hơn tiến tới thử nghiệm thực

tế với loại nhiên liệu này.

Cần đánh giá ảnh hưởng của Butanol đến ăn mòn động cơ và tuổi thọ của các

chi tiết trong động cơ.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

-112-

1. Huỳnh Tấn Tiến, Trần Văn Nam, Trần Đinh Lâm “Các tiến bộ trong việc sản xuất và sử dụng Butanol làm nhiên liệu thay thế”. Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN 1859-1531, Số 3(76), Tr. 57-60, 2014. Huỳnh Tấn Tiến, Phan Minh Đức, Trần Văn Nam, Đặng Thế Anh, “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc đánh lửa đến tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức khi sử dụng nhiên liệu xăng pha 30% Butanol”. Hội nghị Cơ khí Toàn quốc năm 2015, ISBN: 978 – 604 – 73 – 3690 – 6, Tr. 443-453, 2015. Huỳnh Tấn Tiến, Nguyễn Quang Trung, “Mô hình nhiệt động tính nhiệt độ môi chất công tác động cơ đánh lửa cưỡng bức từ dữ liệu áp suất”. Tạp chí KHCN ĐH Đà Nẵng, ISSN 1859-1531, Số 5[90], Tr. 93-97, 2015. Huỳnh Tấn Tiến, Phan Minh Đức, Trần Văn Nam “Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol pha vào xăng đến tính năng động cơ đánh lửa cưỡng bức”. Kỷ yếu Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm 2015, ISSN1859-4182, Tr. 715-723, 2016. Huynh Tan Tien, Nguyen Quoc Huy, Phan Minh Duc, Tran Van Nam, Nguyen Quang Trung, Duong Viet Dung, “Assessment the Effects of Butanol-Gasoline Blends on Spark-Ignition Engine’s Emission”. ICT-Bio 2016, ISBN 978-1-5386- 3421-9, 2016. Nguyen Quang Trung, Huynh Tan Tien, Phan Minh Duc, "The effect of ethanol, butanol addition on the equivalence air-fuel ratio, engine performance and pollutant emission of an SI engine using gasohol fuels,". System Science and Engineering (ICSSE), 2017 International Conference on, ISSN 2325-0925, pp. 579-583, 2017.

7. Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Van Dong, Nguyen Quang Trung, Huynh Tan Tien, "Octane number stratified mixture preparation by gasoline–ethanol dual injection in SI engines". International Journal of Environmental Science and Technology, ISSN 1735-1472, pp. 1-14, 2018. Huỳnh Tấn Tiến, Trần Văn Nam, Phan Minh Đức, Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng, “Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ Butanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng-Butanol đến thời gian cháy trễ của động cơ DAEWOO A16DMS”. Kỷ yếu Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm 2017, ISSN 1859-4182, Tr. 824-831, 2018. Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Quang Trung, Huynh Tan Tien "Evaporation and mixture formation of gasoline–ethanol sprays in spark ignition engines with pre-blended injection and dual injection: a comparative study". IET Renewable Power Generation, ISSN 1752-1416, Volume 13, Issue 4, p. 539 – 548, 2019.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

-113-

A. Tiếng Việt:

[1]

Phạm Ngọc Đăng, "Các thách thức về ô nhiễm môi trường không khí ở nước ta". Tạp chí Bảo vệ môi trường, 8, Tr. 45-49, 2007.

[2] Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ, Nguyễn Hữu Lương, Nguyễn Đình Việt, Cấn Đình Hùng, "Đánh giá khả năng ứng dụng butanol trong động cơ xăng để thay thế một phần nhiên liệu truyền thống tại Việt Nam". Tạp chí Dầu khí, 08, Tr. 36- 45, 2012.

[3] Huỳnh Tấn Tiến, Nguyễn Đình Lâm, Trần Văn Nam, "Đánh giá khả năng sử dụng butanol phối trộn vào xăng nhiên liệu". Tạp chí Khoa học và công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 1(50, Tr. 57-64, 2012.

[4] Huỳnh Tấn Tiến, Trần Văn Nam, Nguyễn Đình Lâm, "Các tiến bộ trong việc sản xuất và sử dụng butanol làm nhiên liệu thay thế". Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐHĐN, 3(76), Tr. 64-69, 2014.

[7]

[8]

[5] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động cơ đốt trong. NXB Giáo dục, Hà nội, 2000. Lê Văn Tụy, Bùi Ngọc Hân, "Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng góc đánh [6] lửa sớm đến động cơ ôtô sử dụng nhiên liệu xăng pha Butanol". Tạp chí khoa học và công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 10[71], Tr. 56-61, 2013. Phạm Thanh Việt, "Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn tối ưu nhiên liệu sinh học Butanol với xăng RON95 sử dụng cho động cơ ô tô " Luận văn Thạc sĩ, Đại học Đà Nẵng, 2013. Bộ Khoa học và Công nghệ, "Thông tư hướng dẫn trình tự, thủ tục đăng ký việc sử dụng phụ gia không thông dụng để sản xuất, chế biến, pha chế xăng và nhiên liệu điezen," Cổng thông tin Chính phủ, 2009.

B. Tiếng Anh:

[9] Avinash Kumar Agarwal, "Biofuels (alcohols and biodiesel) applications as fuels for internal combustion engines". Progress in energy and combustion science, 33, pp. 233-271, 2007.

[10] FN Alasfour, "NOx emission from a spark ignition engine using 30% iso- butanol–gasoline blend: part 1—preheating inlet air". Applied Thermal Engineering, 18, pp. 245-256, 1998.

[11] FN Alasfour, "The effect of using 30% iso-butanol-gasoline blend on hydrocarbon emissions from a spark-ignition engine". Energy Sources, 21, pp. 379-394, 1999.

-114-

[12] Şehmus ALTUN, Cengiz ÖNER, Müjdat FIRAT, "Exhaust emissions from a spark-ignition engine operating on iso-propanol and unleaded gasoline blends". Technology, 13, pp. 183-188, 2010.

[13] RW Anderson, DD Brehob, J Yang, JK Vallance, RM Whiteaker, "A new direct injection spark ignition (DISI) combustion system for low emissions". FISITA-96,1996.

[14] George S Baranescu, "Some characteristics of spark assisted direct injection

engine," SAE Technical Paper 0148-7191, 1983.

[15] Syed Ameer Basha, K Raja Gopal, "In-cylinder fluid flow, turbulence and spray models—a review". Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, pp. 1620-1627, 2009.

[16] Wai K Cheng, Douglas Hamrin, John B Heywood, Simone Hochgreb, Kyoungdoug Min, Michael Norris, "An overview of hydrocarbon emissions mechanisms in spark-ignition engines," SAE Technical Paper 0148-7191, 1993.

[17] Oğuzhan Doğan, "The influence of n-butanol/diesel fuel blends utilization on a small diesel engine performance and emissions". Fuel, 90, pp. 2467-2472, 2011.

[18] VK Duggal, T-W Kuo, FB Lux, "Review of multi-fuel engine concepts and numerical modeling of in-cylinder flow processes in direct injection engines," SAE Technical Paper 0148-7191, 1984.

[19] Ashraf Elfasakhany, Abdel-Fattah Mahrous, "Performance and emissions assessment of n-butanol–methanol–gasoline blends as a fuel in spark-ignition engines". Alexandria Engineering Journal, 55, pp. 3015-3024, 2016. [20] Ashraf Elfasakhany, "Performance and emissions of spark-ignition engine using ethanol–methanol–gasoline, n-butanol–iso-butanol–gasoline and iso- butanol–ethanol–gasoline blends: A comparative study". Engineering science and technology, an international journal, 19, pp. 2053-2059, 2016.

[21] Bernhard Enright, Gary L Borman, Phillip S Myers, "A critical review of spark ignited diesel combustion". SAE Transactions, pp. 1645-1662, 1988. [22] Thaddeus Ezeji, Nasib Qureshi, Hans P Blaschek, "Production of acetone– butanol–ethanol (ABE) in a continuous flow bioreactor using degermed corn and Clostridium beijerinckii". Process Biochemistry, 42, pp. 34-39, 2007.

[23] Mridul Gautam, Daniel W Martin, "Combustion characteristics of higher- alcohol/gasoline blends". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 214, pp. 497-511, 2000.

-115-

[24] V Hönig, M Kotek, J Mařík, "Use of butanol as a fuel for internal combustion

engines". Agronomy Research, 12, pp. 333-340, 2014.

[25] V Hönig, M Orsák, M Pexa, Z Linhart, "The distillation characteristics of automotive gasoline containing biobutanol, bioethanol and the influence of the oxygenates". Agronomy Research, 13, pp. 558-567, 2015.

[26] Y Iida, "The current status and future trend of DISC engines," Preprint of

JSME Seminar (in Japanese), 1992, pp. 72-6.

[27] Changho Kim, David E Foster, "Aldehyde and unburned fuel emission measurements from a methanol-fueled Texaco stratified charge engine," SAE Technical Paper 0148-7191, 1985.

[29]

[30]

[28] Kevin Kochersberger, Robert Emens, Ken Hyde, Raymond Parker, "An evaluation of the 1910 Wright Vertical Four aircraft engine," 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2001, p. 3387. JM Lewis, "UPS multifuel stratified charge engine development program-field test," SAE Technical Paper 0148-7191, 1986. J Mařík, M Pexa, M Kotek, V Hönig, "Comparison of the effect of gasoline- ethanol E85-butanol on the performance and emission characteristics of the engine Saab 9-5 2.3 l turbo". Agronomy Research, 12, pp. 359-366, 2014.

[31] Francis K Mason, Messerschmitt Bf 109: F-G in Luftwaffe and Foreign

Services/Text by Francis K. Mason, 1973.

for many-droplet gas-liquid

[32] RS Miller, K Harstad, J Bellan, "Evaluation of equilibrium and non- equilibrium evaporation models flow simulations". International Journal of Multiphase Flow, 24, pp. 1025-1055, 1998.

[33] Shelley Minteer, Alcoholic fuels. CRC Press, 2016. [34] E Mitchell, Martin Alperstein, JM Cobb, CH Faist, "A stratified charge multifuel military engine-a progress report," SAE Technical Paper 0148-7191, 1972.

[35] CHR Mundo, M Sommerfeld, C Tropea, "Droplet-wall collisions: experimental studies of the deformation and breakup process". International journal of multiphase flow, 21, pp. 151-173, 1995.

[36] Tran Van Nam, Huynh Tan Tien, Nguyen Dinh Lam, "Experimental Research on Fuel Contained Gasoline A92 and 10% Butanol for Automobile Engines". Journal of Science and Technology, The University of Danang, 3, pp. 184-189, 2012.

-116-

[37] Marcin Noga, Bronisław Sendyka, "Combustion process in the spark-ignition

engine with dual-injection system". 2013.

[38] H Nohira, S Ito, "Development of Toyota’s direct injection gasoline engine,"

[41]

Proceedings of AVL Engine and Environment Conference, 1997, pp. 239-49. [39] Peter J O'Rourke, Anthony A Amsden, "The TAB method for numerical calculation of spray droplet breakup," SAE Technical Paper 0148-7191, 1987. [40] Y Ohyama, T Nogi, M Ohsuga, "Effects of fuel/air mixture preparation on fuel consumption and exhaust emission in a spark ignition engine," XXIV FISITA congress London. The vehicle and the environment, 1992. IJ Park, YH Yoo, JG Kim, DH Kwak, WS Ji, "Corrosion characteristics of aluminum alloy in bio-ethanol blended gasoline fuel: Part 2. The effects of dissolved oxygen in the fuel". Fuel, 90, pp. 633-639, 2011.

[42] SR Pierson, S Richardson, PA Rubini, MC Jermy, DA Greenhalgh, "Laser characterization of a port fuel injector to provide boundary data for computational fluid dynamics," IMechE Conference Transactions, 2000, pp. 167-178.

[43] C Preussner, C Döring, S Fehler, S Kampmann, "GDI: Interaction between mixture preparation, combustion system and injector performance," SAE Technical Paper 0148-7191, 1998.

[44] WE Ranz, W R_ Marshall, "Evaporation from drops". Chem. Eng. Prog, 48,

pp. 141-146, 1952.

[45] Sergei S Sazhin, "Advanced models of fuel droplet heating and evaporation".

Progress in energy and combustion science, 32, pp. 162-214, 2006.

[46] SS Sazhin, T Kristyadi, WA Abdelghaffar, MR Heikal, "Models for fuel droplet heating and evaporation: comparative analysis". Fuel, 85, pp. 1613- 1630, 2006.

[47] Harish Sivasubramanian, Yashwanth Kutti Pochareddy, Gopinath Dhamodaran, Ganapathy Sundaram Esakkimuthu, "Performance, emission and combustion characteristics of a branched higher mass, C3 alcohol (isopropanol) blends fuelled medium duty MPFI SI engine". Engineering Science and Technology, an International Journal, 20, pp. 528-535, 2017.

[48] S Szwaja, JD Naber, "Combustion of n-butanol in a spark-ignition IC engine".

Fuel, 89, pp. 1573-1582, 2010.

[49] Y Takagi, "The role of mixture formation in improving fuel economy and reducing emissions of automotive SI engines". FISITA Technical Paper,1996.

-117-

[50] LRKRWDR Talbot, RK Cheng, RW Schefer, DR Willis, "Thermophoresis of particles in a heated boundary layer". Journal of fluid mechanics, 101, pp. 737- 758, 1980.

[51] Terutoshi Tomoda, Shizuo Sasaki, Daisaku Sawada, Akinori Saito, Hiroshi Sami, "Development of direct injection gasoline engine-study of stratified mixture formation". SAE transactions, pp. 759-766, 1997.

[52] Cinzia Tornatore, Luca Marchitto, Gerardo Valentino, Felice Esposito Corcione, Simona Silvia Merola, "Optical diagnostics of the combustion process in a PFI SI boosted engine fueled with butanol–gasoline blend". Energy, 45, pp. 277-287, 2012.

[53] Wojciech Tutak, Kristof Lukacs, Stanisław Szwaja, Akos Bereczky, "Alcohol–diesel fuel combustion in the compression ignition engine". Fuel, 154, pp. 196-206, 2015.

[54] Benjamin R Wigg, "A study on the emissions of butanol using a spark ignition

engine and their reduction using electrostatically assisted injection". 2011.

[55] Charles D Wood, "Unthrottled open-chamber stratified charge engines," SAE

[56]

[57]

Technical Paper 0148-7191, 1978. Jing Yang, Yong Wang, Renhua Feng, "The performance analysis of an engine fueled with butanol-gasoline blend," presented at the SAE 2011 World Congress & Exhibition Hunan University, 2011. IM Yusri, Rizalman Mamat, AF Yusop, WH Azmi, Omar Awad, Hafizil Mat Yasin, "Investigation of influences of secondary butyl-alcohol blends on performance and cycle-to-cycle variations in a spark ignition engines". Energy Procedia, 110, pp. 310-315, 2017.

[58] Zhijin Zhang, Tianyou Wang, Ming Jia, Qun Wei, Xiangzan Meng, Gequn Shu, "Combustion and particle number emissions of a direct injection spark ignition engine operating on ethanol/gasoline and n-butanol/gasoline blends with exhaust gas recirculation". Fuel, 130, pp. 177-188, 2014.

[59] Fu-Quan Zhao, Ming-Chia Lai, David L Harrington, "The spray characteristics of automotive port fuel injection—a critical review". SAE transactions, pp. 399-432, 1995.

[60] Fu-Quan Zhao, Ming-Chia Lai, David L Harrington, "A review of mixture preparation and combustion control strategies for spark-ignited direct- injection gasoline engines". SAE transactions, pp. 861-904, 1997.

[61] Fuquan Zhao, M-C Lai, David L Harrington, "Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines". Progress in energy and combustion science, 25, pp. 437-562, 1999.

-118-

C. Website:

[62] [63]

http://www.lexusv8engines.co.za/1uz-fe-vvt-i-4l-v8/. https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/17.0/en- us/help/wb_icom/wb_icom.html. http://vbpl.vn/bogiaothong/Pages/vbpq-toanvan.aspx?ItemID=26788. http://vea.gov.vn/vn/tintuc/tintuchangngay/Pages.

[64] [65]

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học butanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HUỲNH TẤN TIẾN

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BUTANOL TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HUỲNH TẤN TIẾN

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU

SINH HỌC BUTANOL TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62.52.01.16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1: GS.TS. TRẦN VĂN NAM

2: PGS.TS. DƯƠNG VIỆT DŨNG

Đà Nẵng – 2019













Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok