Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng

Chia sẻ: Minh Tú | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan quy trình sản xuất, tính chất lý hóa và khả năng ứng dụng của 2,5-dimethylfuran trên các loại động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ cháy cưỡng bức SI làm cơ sở để xác định khoảng trống và định hướng cho quá trình nghiên cứu; nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF – xăng RON95 trên động cơ xăng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN DANH CHẤN NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYLFURAN TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số ngành : 9520116 Người hướng dẫn khoa học : 1. PGS.TS. Hoàng Anh Tuấn 2. PGS.TS. Trần Quang Vinh TP. HỒ CHÍ MINH - 2021
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Giao thông Vận tải thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Hoàng Anh Tuấn 2. PGS.TS. Trần Quang Vinh Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá Luận án họp tại .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... Vào lúc giờ ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu Luận án tại Thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải thành phố Hồ Chí Minh
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Giao thông vận tải hiện đang phải đối mặt với hai thách thức lớn là sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch và vấn đề ô nhiễm môi trường. Nhiên liệu hóa thạch vẫn sẽ là nguồn năng lượng chính cho ngành giao thông trong nhiều thập kỷ tới, tuy nhiên xu hướng này không thể kéo dài mãi. Mặt khác, áp lực từ vấn đề ô nhiễm môi trường khiến các nhà chức trách trên khắp thế giới đưa ra các điều luật buộc ngành công nghiệp ô tô và hóa dầu phải phát triển các công nghệ mới nhằm giảm phát thải và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu. Nhằm đạt các mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 và 3 được xem như một ứng viên sáng giá cho việc thay thế một phần hoặc hoàn toàn các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Trong số những loại nhiên liệu được tìm kiếm và nghiên cứu thì 2,5- dimethylfuran (DMF) đang nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trên khắp thế giới. DMF có các tính chất tương đồng với xăng, đồng thời tốt hơn xăng ở một số đặc tính như chỉ số octan cao, bên cạnh đó DMF là loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 nên không ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam hiện nay, khi xăng pha cồn etanolđã bước đầu đưa vào sử dụng, tuy nhiên hiệu quả kinh tế xã hội còn chưa rõ rệt và tiến triển chậm thì việc nghiên cứu để tìm ra một loại nhiên liệu thay thế mới, có hiệu quả tốt hơn là điều hết sức cần thiết và cấp bách. Từ những luận cứ trên, có thể thấy rằng: “Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng” là một vấn đề rất cấp thiết trong bối cảnh hiện nay. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài a)Mục tiêu lý thuyết: - Nghiên cứu tổng quan quy trình sản xuất, tính chất lý hóa và khả năng ứng dụng của 2,5-dimethylfuran trên các loại động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ
cháy cưỡng bức SI làm cơ sở để xác định khoảng trống và định hướng cho quá trình nghiên cứu. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF – xăng RON95 trên động cơ xăng. b) Mục tiêu thực nghiệm: - Nghiên cứu tính toán mô phỏng với sự hỗ trợ của phần mềm AVL-Boost nhằm đánh giá các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ SI khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF. - Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng trên động cơ SI nhằm so sánh với kết quả mô phỏng cũng như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: - Về nhiên liệu: xăng thương phẩm RON95 và DMF. - Về động cơ: động cơ cháy cưỡng bức. b) Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thế hệ động cơ xăng điển hình được lắp đặt trên các xe ô tô con thông dụng với dải công suất từ 50 đến 100 kW. Các nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành với các nhiên liệu: xăng RON95 và hỗn hợp phối trộn như 10DMF, 20DMF và 30DMF (tương ứng với thành phần DMF trong hỗn hợp lần lượt là 10%, 20% và 30% theo thể tích với xăng thương phẩm RON95) nhằm đánh giá các đặc tính công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải (NOx, HC và CO) theo đặc tính tải và đặc tính ngoài của động cơ. Phương pháp nghiên cứu a) Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu tổng quan các nghiên cứu gần đây nhằm làm cơ sở cho việc đưa ra định hướng và nội dung chi tiết của nghiên cứu, - Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở chuyển đổi động cơ sử dụng xăng truyền thống sang sử dụng nhiên liệu DMF và thiết lập các chế độ vận hành cho động cơ. b) Nghiên cứu mô phỏng - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng và tính toán mô phỏng quá trình làm việc của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 bằng phần mềm AVL-Boost. c)Nghiên cứu thực nghiệm - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi sử dụng nhiên liệu DMF, qua đó xây dựng phương án tối ưu các thông số làm việc của động cơ khi chuyển sang dùng loại nhiên liệu mới này. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Về khoa học Luận án có ý nghĩa trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết và chuyển đổi động cơ xăng truyền thống sang sử dụng nhiên liệu DMF. Đây là cơ sở cho việc cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải cho động cơ xăng truyền thống khi sử dụng các nguồn nhiên liệu tái tạo có tiềm năng ở nước ta. Nghiên cứu sẽ góp phần đưa ra đánh giá về mặt kỹ thuật khi sử dụng DMF làm nhiên liệu thay thế cho xăng, một phương án hiện đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu và phát triển. b) Về thực tiễn Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ xăng. Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu xăng pha trộn với DMF theo một tỷ lệ phối trộn hợp lý.
Điểm mới của luận án - Nghiên cứu tổng quan một cách chi tiết về ứng dụng nhiên liệu DMF cho động cơ đốt trong nói chung và động cơ xăng nói riêng; Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp DMF-xăng RON95 theo các tỷ lệ hòa trộn khác nhau từ thấp đến cao (10%- 30%) nhằm đánh giá một cách đầy đủ và chi tiết nhất các đặc tính này của động cơ khi sử dụng DMF làm nhiên liệu. - Kết hợp nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm nhằm đối chứng các kết quả của hai phương pháp nghiên cứu này. Kết cấu của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung nghiên cứu, phần kết luận chung và hướng phát triển. Toàn bộ luận án được trình bày trong 120 trang, 21 bảng và 49 hình vẽ và đồ thị. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình sản xuất 2,5-dimethylfuran 1.1.1. Quy trình sản xuất 2,5-dimethylfuran từ sinh khối 1.1.2 Tiềm năng sản xuất DMF ở Việt Nam Việt Nam là nước xuất khẩu lúa gạo đứng thứ hai trên thế giới. Từ năm 2002 đến nay, trung bình nước ta sản xuất và xuất khẩu khoảng 34 triệu tấn thóc mỗi năm. Do đó, hàng năm nước ta sẽ thải ra khoảng 55 triệu tấn rơm rạ [19]. Ngoài rơm rạ, các loại phế phẩm, phụ phẩm nông nghiệp khác như tro, trấu, gỗ vụn, mùn cưa, xơ dừa…ở nước ta cũng vô cùng phong phú về chủng loại và có trữ lượng cực lớn. Và đây cũng chính là nguồn nguyên liệu dồi dào để có thể sản xuất ra nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai, loại nhiên liệu sinh học có thể tái tạo được và không ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Như vậy, có thể thấy tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học nói chung và 2,5-dimethylfuran nói riêng ở Việt Nam là vô cùng to lớn. 1.2. Tính chất lý hóa của dimethylfuran
Về tính chất lý hóa: 2,5-dimethylfuran (thường được gọi là DMF) là một chất lỏng trong suốt màu vàng và có tính nhớt như dầu, có mùi thơm. DMF rất dễ cháy, có thể nhạy cảm khi tiếp xúc với không khí (nhưng không mạnh), không tan trong nước. Về phản ứng: DMF có thể phản ứng rất mạnh với các chất oxy hóa, nhưng chúng hầu như không phản ứng với các axit và bazơ mạnh. Công thức hóa học của 2,5-dimethylfuran: C6H8O 1.3. Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đốt trong 1.3.1. Sử dụng DMF nguyên chất trong động cơ xăng Các công trình nghiên cứu trên đều cho thấy, khi sử dụng DMF nguyên chất (100%) để làm nhiên liệu cho động cơ thì đặc điểm quá trình cháy của nó và đặc tính làm việc của động cơ khi sử dụng loại nhiên liệu này khá tương đồng so với xăng, đồng thời đặc tính phát thải của DMF được cải thiện khá nhiều so với khi sử dụng xăng, đặc biệt là các phát thải độc hại. Hiện nay, tại Việt Nam, chưa có bất kỳ công trình nghiên cứu nào công bố về việc sử dụng DMF nguyên chất trên động cơ. Tuy nhiên, do DMF là một loại nhiên liệu mới nên quá trình sản xuất ra nó cũng đang được các nhà nghiên cứu trên Thế giới tập trung cải thiện, và Việt Nam vẫn chưa thể tự sản xuất ra loại nhiên liệu này, mặc dù Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn nguyên liệu để sản xuất ra DMF. Chính vì thế, hướng nghiên cứu sử dụng DMF nguyên chất sẽ không được tác giả lựa chọn. 1.3.2. Sử dụng hỗn hợp DMF-diesel trên động cơ diesel Các công trình nghiên cứu trên đều cho thấy, do DMF có chỉ số octan cao và nhiệt độ tự bốc cháy rất cao nên rất khó tự bốc cháy khi được phun vào buồng đốt của động cơ diesel. Chính vì thế, các công trình nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-diesel trên động cơ diesel nhằm cải thiện quá trình cháy của động cơ và giảm các phát thải độc hại. Tại Việt Nam, hiện nay cũng chưa có bất kỳ công trình nghiên cứu nào công bố về việc sử dụng DMF làm nhiên liệu trên động cơ diesel. Tuy nhiên, so với động cơ
diesel thì động cơ xăng phổ biến hơn rất nhiều về số lượng và chủng loại, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng DMF làm nhiên liệu trên động cơ diesel không có nhiều ý nghĩa về tính kinh tế và thực tiễn. Chính vì thế, hướng nghiên cứu này cũng không được tác giả lựa chọn và đề cập đến trong công trình này. 1.3.3. Sử dụng hỗn hợp DMF-xăng trong động cơ xăng Các công trình nghiên cứu trên về việc sử dụng hỗn hợp DMF/xăng trên động cơ xăng đều cho thấy khi sử dụng DMF pha trộn với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đều mang đến một số lợi ích nhất định: giúp cải thiện quá trình cháy và đặc điểm làm việc của động cơ, đồng thời góp phần giảm thiểu các phát thải độc hại ra môi trường bên ngoài. Tuy nhiên, các công trình trên chỉ tập trung nghiên cứu các hỗn hợp DMF/xăng với các tỷ lệ hòa trộn thấp (từ 5 đến 15%) hoặc chỉ tiến hành nghiên cứu ở 1 tỷ lệ hòa trộn nhất định (25% hoặc 30%). Tại Việt Nam, mặc dù Dự án môi trường do Trường Đại học GTVT Tp.HCM chủ trì đã bước đầu tiến hành nghiên cứu ứng dụng thí điểm DMF làm phụ gia cho động cơ xăng. Tuy nhiên, nghiên cứu này tiến hành với tỷ lệ hòa trộn DMF trong xăng là rất thấp (10%). Như vậy, có thể thấy là trên Thế giới và tại Việt Nam, chưa có một công trình nghiên cứu nào đánh giá một cách đầy đủ và chi tiết về việc sử dụng hỗn hợp DMF/xăng trên động cơ xăng với các tỷ lệ hòa trộn từ thấp đến cao. Chính vì thế, hướng nghiên cứu mà tác giả lựa chọn để trình bày trong Luận án này là “Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng” tương ứng với các tỷ lệ hòa trộn khác nhau từ thấp đến cao của DMF trong xăng thương phẩm RON95 nhằm đánh giá các đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng các hỗn hợp này trên động cơ xăng, nhằm làm cơ sở ban đầu cho việc ứng dụng loại nhiên liệu này trong tương lai tại Việt Nam. 1.4. Kết luận chương 1
Tóm lại, nghiên cứu tổng quan về các công trình có liên quan đã công bố gần đây thấy rằng DMF có tiềm năng trở thành một loại nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu truyền thống với rất nhiều ưu điểm như mật độ năng lượng cao, hàm lượng ôxy, chỉ số ốctan cao, điểm sôi thích hợp, tính không tan trong nước và khả năng hòa lẫn với xăng hoặc dầu điêzen ở bất kỳ tỷ lệ nào. Đặc biệt, phát thải của động cơ khi sử dụng DMF làm nhiên liệu có nhiều ưu điểm vượt trội hơn xăng ở một số khía cạnh như phát thải CO và HC giảm, còn phát thải NOx có tăng nhưng không đáng kể. Hơn nữa, DMF có lợi thế rất lớn là có thể mở rộng nguồn nguyên liệu trong quá trình sản xuất. Đặc biệt là tại Việt Nam, một quốc gia có nền nông nghiệp phát triển, thì nguồn nguyên liệu dùng cho việc sản xuất DMF là vô cùng đa dạng và phong phú. Tại Việt Nam, tính đến thời điểm hiện tại thì hầu như có rất ít các công trình nghiên cứu về việc sử dụng DMF làm nhiên liệu cho ĐCĐT. Chính vì thế, đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu việc sử dụng DMF làm nhiên liệu cho động cơ xăng tương ứng với các tỷ lệ hòa trộn khác nhau từ thấp đến cao của DMF trong xăng thương phẩm RON95 nhằm đánh giá các đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng các hỗn hợp này trên động cơ xăng, làm cơ sở ban đầu cho việc ứng dụng loại nhiên liệu này trong tương lai tại Việt Nam. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DMF 2.1. Lý thuyết về quá trình cháy của DMF trong động cơ đốt trong 2.1.1 Cơ chế phân hủy 2.1.2 Đặc tính đánh lửa 2.1.3 Cơ chế oxy hóa và nhiệt phân của DMF 2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình công tác của động cơ sử dụng xăng và DMF 2.2.1 Giới thiệu về phần mềm AVL Boost
2.2.2 Phương trình mô tả hệ nhiệt động 2.2.3 Điều kiện biên 2.2.3.1 Mô hình cháy 2.2.3.2 Mô hình truyền nhiệt 2.2.3.3 Mô hình hình thành phát thải 2.2.3.4 Mô hình nhiên liệu 2.6. Kết luận chương 2 Nội dung Chương 2 đã trình bày về cơ sở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ đốt trong khi sử dụng nhiên liệu là xăng và DMF, đồng thời cũng đề cập đến cơ sở lý thuyết về mô phỏng quá trình công tác của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu này. Về phần cơ ở lý thuyết quá trình cháy trong động cơ đốt trong khi sử dụng nhiên liệu DMF, nội dung Chương 2 đã trình bày các nghiên cứu về cơ chế phân hủy, đặc tính đánh lửa, cơ chế ôxy hóa và nhiệt phân của DMF khi được sử dụng làm nhiên liệu trên động cơ đốt trong. Kết quả nghiên cứu cho thấy đặc tính cháy của DMF hoàn toàn thích hợp cho việc sử dụng trên các loại động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, cơ chế phân rã của DMF trong quá trình cháy cho thấy nó có thể sản sinh ra một số chất ô nhiễm, độc hại và có thể trở thành rào cản cho việc ứng dụng DMF trong tương lai. Tuy nhiên, để có thể đánh giá được một cách chính xác nhất về thành phẩn, tỷ lệ sản sinh ra các chất gây ô nhiễm này và mức độ ảnh hưởng của chúng đối với môi trường và sức khỏe của con người thì cần phải có các nghiên cứu sâu hơn về mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng. Về phần cơ sở lý thuyết mô phỏng quá trình công tác của động cơ sử dụng xăng và DMF, kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình cháy trong động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-DMF có thể được mô phỏng bằng mô hình cháy Fractal. Mô hình này thường dùng cho các loại động cơ đánh lửa cưỡng bức, nó
có thể dự đoán được tốc độ giải phóng nhiệt trong động cơ đốt trong có khí nạp đồng nhất. Cùng với các mô hình khác như mô hình hỗn hợp nhiên liệu, mô hình truyền nhiệt (lựa chọn sử dụng mô hình Woschni), mô hình tính toán hàm lượng phát thải…việc lựa chọn mô hình cháy Fractal là hợp lý cho việc tiến hành mô phỏng động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-DMF bằng phần mềm AVL-Boost. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ XĂNG SỬ DỤNG CÁC HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DMF 3.1. Đặt vấn đề Để đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học DMF đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ, ta tiến hành tính toán mô phỏng động cơ 1 NZ-FE khi sử dụng hỗn hợp DMF-xăng RON95 với các tỉ lệ thay đổi từ 10- 50% về thể tích trong hỗn hợp với xăng ở 100% tải và 50% tải, tốc độ vòng quay từ 1000-5000 vg/ph. 3.2. Đối tượng nghiên cứu và nhiên liệu thử nghiệm 3.2.1. Động cơ nghiên cứu Động cơ được sử dụng để xây dựng mô hình nghiên cứu trong luận án này là động cơ 1NZ-FE, được sử dụng trên xe Toyota Vios là loại xe khá phổ biến hiện nay. Đây là loại động cơ cháy cưỡng bức, gồm 4 xi lanh thẳng hàng. 3.2.2. Nhiên liệu thử nghiệm Quá trình mô phỏng động cơ được thực hiện ở chế độ 100% tải và 50% tải, với số vòng quay từ 1000÷5000 vg/ph cho lần lượt các loại nhiên liệu là xăng RON95, 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF và 50DMF (tương ứng với các tỷ lệ hòa trộn từ 10%, 20%, 30%, 40%, 50% về thể tích của DMF trong các hỗn hợp với xăng RON95 thương phẩm). Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng RON95 đang được sử dụng rộng rãi trên thị trường và được cung cấp bởi Petrolimex, còn DMF được sản xuất và cung cấp bởi Wuhan Lullaby Pharmaceutical Chemical Co., Ltd.
3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng Mô hình mô phỏng của động cơ 1NZ-FE được xây dựng trên phần mềm AVL-Boost: Hình 3. 1 Mô hình mô phỏng động cơ 1NZ-FE trên AVL Boost 3.4. Kết quả và đánh giá 3.4.1. Kết quả tính toán mô phỏng ở chế độ 100% tải 3.4.1.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF Hình 3. 2 Đồ thị công suất của động Hình 3. 5 Đồ thị suất tiêu hao cơ ở chế độ 100% tải, λ=1 nhiên liệu của động cơ ở chế độ 100% tải, λ=1
Từ đồ thị Hình 3.2, ta thấy rằng công suất có ích trung bình của động cơ trên toàn dải tốc độ theo đường đặc tính ngoài có sự thay đổi không đáng kể, công suất khi sử dụng nhiên liệu thay thế 10DMF÷50DMF là gần như tương đương với khi sử dụng xăng RON95 thông thường. Do tỉ lệ A/F của nhiên liệu thay thế giảm dần khi tăng tỉ lệ thể tích DMF trong hỗn hợp với xăng RON95, lượng nhiên liệu mới cấp vào cho một chu trình tăng lên, công suất động cơ gần như tương đương với khi sử dụng RON95, nên suất tiêu hao nhiên liệu cũng tăng theo, điều này là hợp lý. 3.4.1.2 Phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF Hình 3. 6 Sự thay đổi của phát thải Hình 3. 7 Sự thay đổi của phát NOx ở chế độ 100% tải, λ=1 thải HC ở chế độ 100% tải, λ=1 Hình 3. 8 Sự thay đổi của phát thải CO ở chế độ 100% tải, λ=1 Đánh giá lượng thay đổi phát thải NOx ta thấy rằng: khi tăng tỉ lệ DMF trong hỗn hợp nhiên liệu thì nồng độ NOx cũng tăng theo, cụ thể NOx tăng tương ứng
là 4,78% , 8,20% , 13,07%, 20,96% và 27,89% với 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF và 50DMF trên toàn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph. Do hàm lượng ô xi có chứa trong nhiên liệu được cải thiện, quá trình cháy của động cơ được cải thiện, nên lượng khí thải NOx sinh ra trong quá trình cháy là lớn hơn so với RON95. Trong điều kiện hòa khí chuẩn, quá trình cháy của DMF tốt hơn so với xăng, hỗn hợp không khí-DMF cháy nhanh, áp suất và nhiệt độ trong xi lanh cao hơn so với xăng, nhiệt độ cao hơn dẫn đến lượng phát thải NOx cao hơn trong phát thải. Từ đồ thị Hình 3.7, đánh giá về sự thay đổi của phát thải HC, ta thấy rằng: Lượng phát thải HC giảm khi tăng tỉ lệ DMF trong hỗn hợp, cụ thể HC giảm lần lượt là 2,74% , 4,26%, 6,14%, 8,63%, 10,57% tương ứng với nhiên liệu 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF, 50DMF trung bình trên toản dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph. Lượng phát thải HC giảm được giải thích là do trong phân tử DMF có oxy, oxy này sẽ bổ sung thêm vào quá trình cháy cùng với lượng oxy có sẵn trong không khí nạp vào, điều này làm giảm hiện tượng cháy không hoàn toàn của nhiên liệu dẫn đến lượng phát thải HC giảm. Ở những nhiên liệu có tỉ lệ DMF cao như 40DMF, 50DMF sẽ có hàm lượng oxy lớn dẫn đến sự cháy được tốt hơn và nhiệt độ cháy của DMF cao hơn xăng nên càng nhiều DMF thì hỗn hợp cháy càng kiệt và lượng phát thải HC sẽ càng giảm mạnh. Đánh giá về lượng phát thải CO, trên đồ thị Hình 3.8, ta thấy rằng: Lượng phát thải CO giảm khi tăng tỉ lệ DMF trong hỗn hợp, cụ thể CO giảm lần lượt là 2,12%, 3,78%, 6,32%, 8,98%, 11,71% tương ứng với 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF, 50DMF trung bình trên toản dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph. 3.4.2 Kết quả tính toán ở 50% tải 3.4.2.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF
Hình 3. 9 Đồ thị công suất của động Hình 3. 12 Đồ thị suất tiêu hao cơ ở chế độ 50% tải, λ =1 nhiên liệu của động cơ ở chế độ 50% tải, λ =1 Từ đồ thị Hình 3.9, ta thấy rằng công suất có ích trung bình của động cơ trên toàn dải tốc độ theo đường đặc tính ngoài ở chế độ 50% tải, (tương ứng với chế độ tải trung bình của động cơ) cũng có sự thay đổi không đáng kể tương tự như với chế độ 100% tải, công suất khi sử dụng nhiên liệu thay thế DMF10÷DMF50 là gần như tương đương với khi sử dụng xăng RON95 thông thường, điều này là hợp lý vì khi ta tăng lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình khi sử dụng các nhiên liệu thay thế có nhiệt trị thấp nhỏ hơn nhiệt trị thấp của RON95 thì công suất động cơ không bị giảm do nhiệt trị thấp giảm nữa. Đánh giá về suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại 50% tải trên đồ thị Hình 3.12. Ta thấy rằng trung bình trên toàn dải tốc độ, so với RON95 suất tiêu hao nhiên liệu tăng 1,13%, 6,04%, 9,15%, 12,58%, 16,06% tương ứng khi sử dụng nhiên liệu 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF, 50DMF. 3.4.2.2 Phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF Đánh giá về phát thải NOx, HC, CO ở 50% tải ta thấy: - Ở 50% tải, khi tăng tỉ lệ DMF trong hỗn hợp nhiên liệu, NOx tăng tương ứng là 4,88% , 9,34% , 15,09%, 23,20% và 29,67% với 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF và 50DMF trên toàn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph.
- Ở 50% tải, khi tăng tỉ lệ DMF trong hỗn hợp nhiên liệu, HC giảm tương ứng là 2,67% , 3,99% , 6,06%, 8,33% và 10,78% với 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF và 50DMF trên toàn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph. - Ở 50% tải, khi tăng tỉ lệ DMF trong hỗn hợp nhiên liệu, CO giảm tương ứng là 2,05% , 3,48% , 5,64%, 8,21% và 11,22% với 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF và 50DMF trên toàn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph. Hình 3. 13 Đồ thị phát thải NOx của Hình 3. 14 Đồ thị phát thải HC của động cơ ở 50% tải, λ =1 động cơ ở 50% tải, λ =1 Hình 3. 15 Đồ thị phát thải CO của động cơ ở 50% tải, λ =1 3.5. Kết luận chương 3 Nội dung của Chương 3 đã trình bày về quá trình xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 1NZ-FE, thực hiện tính toán mô phỏng động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF và phần nào đã đánh giá được ảnh hưởng của xăng pha DMF (các các tỉ lệ DMF khác nhau từ 10%÷50% về thể tích trong hỗn hợp với xăng) tới tính năng kĩ thuật và một số thành phần phát thải cơ bản của động cơ như
NOx, HC, CO. Kết quả của quá trình nghiên cứu mô phỏng có thể được tóm tắt như sau: - Về đặc tính kỹ thuật của động cơ, do việc thực hiện điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình để đảm bảo giữ nguyên λ=1 nên khi ta thay đổi thành phần nhiên liệu DMF trong hỗn hợp với xăng cho kết quả công suất và mômen gần như tương đương với xăng (ở cả toàn tải và các chế độ tải bộ phận) mà không cần thay đổi các kết cấu khác và góc đánh lửa của động cơ cho ta thấy được việc có thể áp dụng DMF vào pha trộn với xăng để làm nhiên liệu là rất khả quan. Điều này cũng được đánh giá một phần thông qua các tính chất lý hóa của DMF có nhiều điểm tương đồng so với xăng RON95. - Về đặc tính kinh tế, kết quả mô phỏng cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tăng 1,64%, 5,45%, 8,45%, 11,84%, 14,82% ở chế độ 100% tải và tăng 1,13%, 6,04%, 9,15%, 12,58%, 16,06% ở chế độ 50% tải, tương ứng khi sử dụng nhiên liệu 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF, 50DMF so với khi sử dụng xăng RON95. Như vậy, để đảm bảo công suất và mômen cho động cơ khi sử dụng các nhiên liệu từ 10DMF÷50DMF, ta cần phải tăng thêm lượng nhiên liệu trung bình là 9,27% so với khi sử dụng RON95 trên toàn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph. - Về đặc tính phát thải, quá trình mô phỏng tiến hành nghiên cứu và đánh giá các phát thải chính của động cơ bao gồm HC, CO và NOx. Kết quả đánh giá phát thải cho thấy như sau: • Lượng phát thải HC giảm khi tăng tỉ lệ DMF trong hỗn hợp, cụ thể HC giảm lần lượt là 2,74% , 4,26%, 6,14%, 8,63%, 10,57% ở chế độ 100% tải và giảm 2,67%, 3,99% , 6,06%, 8,33%, 10,78% ở chế độ 50% tải, tương ứng với nhiên liệu 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF, 50DMF trung bình trên toản dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph. • Lượng phát thải CO giảm khi tăng tỉ lệ DMF trong hỗn hợp, cụ thể CO giảm lần lượt là 2,12% , 3,78%, 6,32%, 8,98%, 11,71% ở chế độ 100% tải và
giảm 2,05% , 3,48% , 5,64%, 8,21%, 11,22% ở chế độ 50% tải, tương ứng với 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF, 50DMF trung bình trên toản dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph. • Lượng phát thải NOx tăng khi tăng tỉ lệ DMF trong hỗn hợp, cụ thể NOx tăng là 4,78% , 8,20% , 13,07%, 20,96%, 27,89% ở chế độ 100% tải và tăng 4,88% , 9,34% , 15,09%, 23,20%, 29,67% ở chế độ 50% tải, tương ứng với 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF và 50DMF trên toàn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Đặt vấn đề và các mục tiêu thực nghiệm 4.1.1. Đặt vấn đề 4.1.2. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá các đặc tính kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 ở các tỉ lệ hòa trộn khác nhau. - Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost để từ đó khẳng định lại tính chính xác của mô hình mô phỏng. 4.2. Phạm vi và điều kiện thực nghiệm Thử nghiệm được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ hòa trộn DMF- xăng RON95 đến tính năng làm việc của động cơ ở các chế độ tải và tốc độ ổn định của động cơ 1NZ-FE ở quy mô phòng thử nghiệm trên băng thử động lực cao tại Phòng thí nghiệm Động cơ, Trung tâm Công nghệ cơ khí, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải. Thử nghiệm này chưa đề cập đến các chế độ khởi động và đánh giá độ bền và tuổi thọ của hệ thống cấp nhiên liệu và động cơ khi sử dụng DMF làm nhiên liệu. 4.3. Quy trình, chế độ và trang thiết bị thử nghiệm 4.3.1. Nhiên liệu thử nghiệm
4.3.2 Trang thiết bị thử nghiệm 4.3.2.1. Động cơ thử nghiệm Động cơ 1NZ-FE là động cơ xăng 4 xi lanh, sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng đa điểm. Đây là động cơ đã qua sử dụng và hiện đang được lắp trên xe ôtô Toyota Vios đang lưu hành. 4.3.2.2. Băng thử động lực học Băng thử động lực học cao tại Phòng thí nghiệm Động cơ, Trung tâm Công nghệ Cơ khí, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải là băng thử được cung cấp bởi hãng AVL của Áo. Sơ đồ băng thử được thể hiện trên Hình 4.3. Hình 4. 3 Sơ đồ bố trí băng thử động cơ 4.3.3. Quy trình thử nghiệm 4.3.4. Chế độ thử nghiệm 4.4. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
4.4.1. Kết quả thực nghiệm đánh giá công suất động cơ Hình 4. 6 Công suất động cơ theo đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF Kết quả thực nghiệm trên Hình 4.6 cho thấy rằng xu hướng chung là mức giảm công suất của động cơ trong giai đoạn từ 2600 vg/ph đến 3400 vg/ph thấp hơn so với tốc độ động cơ thấp và cao. Ở 40-50% vòng quay định mức, các chế độ nhiệt trong động cơ khá ổn định nên mức giảm công suất không mạnh như ở các tốc độ cao. Một nguyên nhân nữa là khi tăng tốc độ, mức nhiên liệu cấp vào lớn, thời gian cháy ngắn hơn do đó năng lượng sinh ra trong một đơn vị thời gian sẽ lớn hơn. 4.4.2. Kết quả thực nghiệm đánh giá tính kinh tế nhiên liệu Hình 4. 7 Suất tiêu hao nhiên liệu của Hình 4. 8 Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ theo đặc tính ngoài khi sử của động cơ theo đặc tính tải ở dụng xăng RON 95, 10DMF, 20DMF 3000v/ph khi sử dụng xăng RON 95, và 30DMF 10DMF, 20DMF và 30DMF