Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học trong hỗn hợp dieselethanol-biodiesel tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học trong hỗn hợp dieselethanol-biodiesel tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ..

1. MỞ ĐẦU i. Sự cần thiết của đề tài Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Mặt khác, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng. Vì vậy việc tìm ra các nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết. Nhiên liệu sinh học sử dụng cho động cơ đốt trong phổ biến nhất hiện nay là ethanol và diesel sinh học. Việt Nam là nước nông nghiệp nên có nhiều tiềm năng về sản xuất nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu khoáng. Nhận biết được lợi ích của việc sử dụng nhiên liệu sinh học cũng như lợi thế to lớn, từ năm 2007 Chính phủ đã ban hành quyết định số 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu là phát triển nhiên liệu sinh học, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường [16]. Đề án này cũng đưa ra mục tiêu cụ thể là đến năm 2015, nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% và đến năm 2025 đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước. Nhằm thực hiện các mục tiêu này, năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số 53/2012/QĐ-TTg về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17]. Theo quyết định này, xăng E5 và E10 được sử dụng tại 7 thành phố lớn vào cuối 2014 và 2016, tiếp theo sẽ sử dụng rộng rãi trên toàn quốc vào cuối 2015 và 2017, trong khi đó diesel sinh học B5 và B10 được khuyến khích sản xuất, phối chế và sử dụng. Đối với ethanol sinh học, nước ta có khá nhiều nguồn nguyên liệu để chế biến như sắn, rơm rạ, trấu, vỏ cà phê, bã mía Đến nay cả nước đã có bảy nhà máy sản xuất ethanol đi vào hoạt động với công suất thiết kế đạt khoảng 600.000 m3/năm. Lượng ethanol để pha xăng E5 bán trên thị trường cho ô tô, xe máy chạy xăng khoảng 177.900 m3/năm chỉ chiếm 44% sản lượng. Do đó lượng ethanol thừa còn rất nhiều trong khi rất khó xuất khẩu do hạn chế về công nghệ và qui mô sản xuất nên giá thành cao. Nhằm duy trì và phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học còn non trẻ, góp 1
2. phần phát triển kinh tế- xã hội và bảo vệ môi trường cần phải tìm giải pháp tăng lượng tiêu thụ ethanol trong nước. Một hướng khả thi nhất là nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ diesel (là động cơ phổ biến trên xe tải, xe bus từ cỡ nhỏ đến cỡ lớn) bằng cách pha ethanol vào diesel. Tuy nhiên, do ethanol có những tính chất vật lý khác xa so với của diesel như trị số xetan thấp và độ nhớt thấp nên ảnh hưởng xấu đến tính năng của động cơ. Để khắc phục một phần ảnh hưởng này có thể pha thêm một lượng biodiesel như là chất phụ gia. Do đó việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel cho động cơ diesel và ảnh hưởng đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ là cần thiết. ii. Mục đích nghiên cứu - Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel, làm cơ sở tăng lượng tiêu thụ ethanol. - Lựa chọn được tỷ lệ hợp lý để tạo hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ D4BB, 4 xylanh thẳng hàng, hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu cơ khí, được sử dụng trên xe tải Hyundai 1,25 tấn đang lưu hành tại Việt Nam. Nhiên liệu nghiên cứu trong mô phỏng là diesel thông thường và hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel trong đó biodiesel có tỷ lệ 5%, tỷ lệ ethanol thay đổi từ 5% đến 30%, còn lại là diesel thông thường. Nhiên liệu nghiên cứu trong thử nghiệm gồm diesel thông thường, hỗn hợp nhiên DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 (hỗn hợp được pha trộn theo phần trăm về thể tích). Nhiên liệu diesel có sẵn trên thị trường Việt Nam theo TCVN 5689-2018. - Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ làm việc ổn định theo đường đặc tính ngoài, đường đặc tính tải. iv. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là phương pháp tổng hợp và phân tích, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm cụ thể như sau: - Nghiên cứu lý thuyết: Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ D4BB sử dụng nhiên liệu diesel thông 2
3. thường và hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel theo tỷ lệ về thể tích nhằm thực hiện nhiệm vụ: + Đánh giá diễn biến các quá trình làm việc của động cơ diesel D4BB khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. + Đưa ra kết quả tính toán lý thuyết tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol- biodiesel. Qua đó lựa chọn tỷ lệ phối trộn để thực hiện thử nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện trong phòng thí nghiệm đánh giá định lượng và phân tích được ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tới các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ diesel thông thường. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Luận án đã đưa ra giải pháp khoa học phù hợp nhằm lựa chọn được tỷ lệ phối trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel (DE10B5) hợp lý, đảm bảo tính năng kỹ thuật và giảm phát thải cho động cơ diesel đang lưu hành. - Kết quả của luận án là cơ sở cho việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ diesel, giúp nâng cao tiêu thụ nhiên liệu ethanol, góp phần hoàn thành mục tiêu của của đề án phát triển NLSH của Chính phủ. vi. Tính mới của đề tài Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel trên động cơ diesel. Trong đó động cơ nghiên cứu là loại được sử dụng phổ biến ở Việt Nam, nhiên liệu ethanol và biodiesel được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sắn và dầu cọ ở Việt Nam. vii. Bố cục của luận án Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về nhiên liệu ethanol và biodiesel. Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol- biodiesel. Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol- biodiesel. 3
4. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ BIODIESEL 1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học 1.2. Nhiên liệu ethanol và biodiesel 1.2.1. Nhiên liệu ethanol 1.2.1.1. Tính chất vật lý 1.2.1.3. Công nghệ sản xuất ethanol 1.2.2. Nhiên liệu biodiesel 1.2.2.1. Tính chất vật lý 1.2.2.2. Tính chất hóa học 1.2.2.3. Nguyên liệu và quy trình sản xuất biodiesel 1.3. Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel 1.3.1. Trên thế giới Mỹ là nước sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới. Sau đó đến Brazil Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Brazil là dầu đậu nành, dầu hướng đương, dầu thầu dầu và dầu thực vật đã qua sử dụng. Sau Mỹ và Brazil là Trung Quốc. Khu vực Châu Á có sản lượng sản xuất và tiêu thụ ít hơn. 1.3.2. Tại Việt Nam Năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số 53/2012/QĐ- TTg về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17]. Theo đề án Phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn 2020, đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 500 triệu lít dầu diesel sinh học B10/năm [20]. Thực tế nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động cơ diesel còn thiếu do chưa có nguồn nguyên liệu đủ lớn cho sản xuất quy mô công nghiệp. Trong khi sản lượng ethanol lại nhiều cho nên cần nghiên cứu sử dụng bổ sung ethanol thay thế cho diesel nhiên liệu cho động cơ diesel. 1.4. Các kết quả nghiên cứu sử dụng ethanol và biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel 1.4.1. Nghiên cứu ngoài nước 1.4.1.1. Nhiên liệu diesel- ethanol 4
5. Các nghiên cứu [21], [22], [23], [24] cho thấy khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol công suất động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng dần theo tỷ lệ ethanol thay thế, Độ khói và CO giảm, NOx, HC tăng. 1.4.1.2. Nhiên liệu biodiesel Các nghiên cứu [25], [26], [27], [28], [29], [30] cho thấy khi sử dụng hỗn hợp diesel-biodiesel kết quả cho thấy khi mô men động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng theo tỷ lệ diesel sinh học thay thế. Phát thải CO, HC và độ khói giảm, NOx tăng 1.4.1.3. Nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel Các nghiên cứu [25], [26], [27], [28], [29], [30] cho thấy khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel với tỷ lệ phối trộn biodiesel và ethanol nhỏ ít ảnh hưởng tới tính năng kỹ thuật động cơ. Khi tăng tỷ lệ ethanol, ge tăng, HC và CO tăng, NOx giảm. 1.4.2. Nghiên cứu trong nước Các nghiên cứu trong nước được thực hiện hầu hết đối với xăng sinh học và diesel sinh học, còn ít các nghiên cứu phối trộn ethanol với diesel và chưa có nghiên cứu nào thực hiện phối trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel cũng như đánh giá tính năng kỹ thuật động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp này. 1.5. Hướng tiếp cận của luận án Nhằm thực hiện mục tiêu tăng lượng tiêu thụ ethanol nêu ra ở phần Mở đầu của luận án bằng cách pha ethanol với diesel khoáng và bổ sung biodiesel như một phụ gia cải thiện tính chất nhiên liệu và trên cơ sở nghiên cứu tổng quan NCS đưa ra phương pháp tiếp cận như sau. Đầu tiên NCS chọn động cơ nghiên cứu là động cơ diesel D4BB lắp trên xe tải nhẹ Hyundai 1,25 sử dụng nhiều ở Việt Nam đại diện cho các loại động cơ diesel đang lưu hành. Tiếp theo, căn cứ vào những công trình đã công bố, NCS chọn một số mẫu có tỷ lệ pha diesel-ethanol-bioethanol khác nhau, sau đó tiến hành nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm AVL-Boost để xác định các thông số tính năng và phát thải của động cơ làm cơ sở để xác định tỷ lệ pha diesel- ethanol-bioethanol hợp lý. Cuối cùng, NCS tiến hành nghiên cứu thực nghiệm có đối chiếu với kết quả mô phỏng nhằm đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel đang lưu hành và rút ra những kết luận cần thiết. 5
6. 1.6. Kết luận chương 1 - Phối trộn ethanol vào diesel thông thường cùng với sự có mặt của biodiesel tạo hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel có khả năng làm nhiên liệu cho động cơ diesel. - Hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel có độ nhớt tương tự như diesel và có độ bền tách pha tốt hơn hỗn hợp diesel-ethanol. Sử dụng hỗn hợp này trên động cơ diesel giúp cải thiện được tính năng kỹ thuật và một số thành phần phát thải của động cơ. Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp tới động cơ phụ thuộc vào tỷ lệ các thành phần trong hỗn hợp, nguồn gốc của nhiên liệu sinh học, kết cấu và điều kiện hoạt động cụ thể của động cơ. - Việt Nam có thế mạnh về sản xuất ethanol, trong khi sản xuất biodiesel gặp khó khăn do thiếu nguyên liệu. Ethanol đã được phối trộn với xăng khoáng tạo thành xăng E5 sử dụng trên cả nước. Tuy nhiên lượng ethanol sản xuất trong nước còn dư thừa nhiều. Do vậy, bên cạnh việc thúc đẩy phát triển xăng sinh học, cần nghiên cứu sử dụng ethanol với một lượng nhỏ biodiesel trên động cơ diesel nhằm cải thiện chất lượng môi trường, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và hướng tới hoàn thành mục tiêu của đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL-BIODIESEL 2.1. Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel 2.1.1. Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol 2.1.1.1. Độ nhớt 2.1.1.2. Trị số xêtan 2.1.1.3. Nhiệt trị 2.1.1.4. Hàm lượng ô xy 2.1.1.5. Nhiệt độ chớp cháy 2.1.1.6. Nhiệt ẩn hóa hơi 2.1.1.7. Sức căng bề mặt biodiesel tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel. 2.1.2.1. Trị số xêtan 6
7. Các nghiên cứu cho thấy nếu phối trộn cùng một tỷ lệ ethanol và biodiesel thì trị số xê tan của hỗn hợp tương đương với diesel gốc. Quan hệ này được thể hiện theo công thức dưới đây [55]: CNebdg = CNd - 0,59ne + 0,55nbd 2.1.2.2. Độ nhớt Độ nhớt trong nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel được tính theo công thức sau [55]: ƞkev = (2ne. ƞe + 3nbd.ƞbd + ng. ƞg + 0,71).0,91 2.1.2.3. Hàm lượng ôxy trong nhiên liệu Hàm lượng ôxy trong nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel được tính theo công thức sau [55]: Mo = 0,34peVe + 11pbVb 2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel 2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng diesel khoáng 2.2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol 2.2.3. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel 2.3. Nghiên cứu cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp 2.3.1. Cấu trúc của tia phun trong động cơ 2.3.2. Cấu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu 2.4. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL Boost 2.4.1. Phương trình nhiệt động học Phương trình nhiệt động học thứ nhất d(m c .u) dV dQ F dQ w dm BB dm i dm e dm ev (2.10) -pc . - ∑ - h BB. ∑ .hi ∑ .he - qev .f. dα dα dα dα dα dα dα dt Phương trình bảo toàn khối lượng dm dm dm dm dm c i e BB ev (2.11) dα  d  d d dt phương trình trạng thái 1 p .m .R .T c V c c c (2.12) Giải phương trình 2.13 xác định được áp suất thông qua phương trình trạng thái. 7
8. 2.4.2. Lý thuyết tính toán quá trình cháy Mô hình cháy AVL MCC dQ dQ dQ total MCC PMC d d d (2.13) Tốc độ tỏa nhiệt của giai đoạn này được tính toán theo công thức Vibe: dQPMC QPMC a m a. y(m 1) .(m 1). y . e (2.14) d c 2.4.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt Mô hình Woschni 1978 Q A . . T T (2.23) wi i w c wi Hệ số truyền nhiệt của mô hình Woschni 1978 tính cho quá trình nén và cháy giãn nở theo phương trình sau: 0,8 V .T 0,2 0,8 0,53 D c,1 W 130.D .pc .Tc . C1.cm C2 . . pc pc,0 p .V (2.24) c,1 c,1 (W/m2.K) 2.4.4. Lý thuyết tính toán lượng phát thải trong động cơ diesel 2.4.4.1. Mô hình tính toán hàm lượng phát thải CO 2.4.4.2. Mô hình tính toán hàm lượng phát thải NOx Quá trình hình thành NOx theo cơ chế Zeldovich 2.4.4.3. Mô hình tính toán hàm lượng Soot Cơ chế hình thành Soot dm dmsoot. form dm soot soot.ox (2.33) d d d 2.4.5. Mô hình nhiên liệu c P a a T a T2 a T 3 a T 4 (2.36) R 1 2 3 4 5 8
9. H0 a a a a a a 2 T 3 T2 4 T 3 5 T 4 6 (2.37) RT1 2 3 4 5 T S0 a a a aln T a T 3 T2 4 T 3 5 T 4 a (2.38) RT 1 22 3 4 7 0 0 Trong đó, cp là nhiệt dung riêng đẳng áp H và S lần lượt là entanpy và entropy a1 đến a7 là các hệ số được xác định riêng cho mỗi loại nhiên liệu [66]. 2.5. Cơ sở phương pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động cơ 2.5.1. Thành phần và phân bố hạt theo kích thước 2.5.2. Hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lượng hạt 2.6. Kết luận chương 2 Do tính chất của ethanol khác với diesel khoáng như độ nhớt thấp, nhiệt trị thấp, trị số xêtan thấp, tính bay hơi cao nên khi phối trộn, tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol sẽ thay đổi so với diesel gốc và ảnh hưởng tới quá trình cháy động cơ làm tăng thời gian cháy trễ, đồng thời ảnh hưởng tới cấu trúc chùm tia phun. Nhằm khắc phục một phần sự thay đổi trên và mở rộng khả năng sử dụng nhiên liệu sinh học, có thể bổ sung thêm một lượng nhỏ biodiesel vào hỗn hợp diesel-ethanol do biodiesel có độ nhớt cao và trị số xêtan cao. Các nghiên cứu cho thấy các giai đoạn của quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol- biodiesel giống như khi sử dụng diesel khoáng, tuy nhiên do tính chất nhiên liệu khác nhau nên thời gian cháy trễ và chi tiết về diễn biến áp suất trong xylanh có sự khác nhau. Luận án lựa chọn phần mềm AVL Boost để thực hiện tính toán mô phỏng động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp làm cơ sở cho thực nghiệm. Đây là phần mềm hiện đại, chuyên dụng tính toán các quá trình nhiệt động và hình thành phát thải trong động cơ đốt trong. Luận án đã trình bày cơ sở lý thuyết một số mô hình chính trong phần mềm gồm mô hình cháy AVL MCC, mô hình truyền nhiệt, mô hình nhiên liệu, mô hình tính toán hàm lượng phát thải. Đối với phát thải từ động cơ, bên cạnh các giới hạn HC, CO, NOx và khối lượng phát thải dạng hạt, từ tiêu chuẩn Euro 6 còn giới hạn về số hạt. Để đảm bảo độ chính xác của kết quả đếm số hạt, quá trình lấy mẫu cần qua các bước pha loãng thứ nhất, sấy nóng làm bay 9
10. hơi các hợp chất hữu cơ và pha loãng lần thứ hai để giảm nhiệt độ khí mẫu và giảm nồng độ hạt phù hợp với dải đo của thiết bị. Phần mềm AVL Boost chưa có mô hình để tính toán số hạt, tuy nhiên trong nội dung thử nghiệm luận án sử dụng hệ thống lấy mẫu và đếm số hạt được phát triển tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải để so sánh đánh giá số hạt trong khí thải động cơ khi sử dụng các nhiên liệu hỗn hợp. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL- BIODIESEL 3.1. Xây dựng mô hình động cơ diesel và đánh giá độ tin cậy của mô hình. 3.1.1. Mục đích và đối tượng mô phỏng 3.1.1.1. Mục đích mô phỏng Đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol- biodiesel đến đặc tính cháy, hình thành phát thải độc hại cũng như các thông số tính năng của động cơ thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm AVL Boost. Lựa chọn tỷ lệ ethanol, biodiesel phối trộn với diesel phù hợp phục vụ thử nghiệm, giúp rút ngắn thời gian và giảm chi phí thực nghiệm. 3.1.1.2. Đối tượng mô phỏng Động cơ nghiên cứu mô phỏng thực hiện đối với động cơ đã qua sử dụng. Qua thực nghiệm trình bày trong Chương 4, thông số đặc tính ngoài của động cơ nghiên cứu được trình bày tại Bảng 3.1 và Hình 3.2. Bảng 3.1. Thông số đặc tính ngoài động cơ nghiên cứu n Ne (v/ph) (kW) Me (Nm) 1000 13,40 128 1500 22,29 142 2000 30,56 146 2500 37,16 142 3000 42,39 135 3500 47,62 130 Hình 3.1. Đường đặc tính ngoài động cơ thực 10
11. 3.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 3.1.2.1. Xây dựng mô hình Hình 3. 3. Mô hình động cơ D4BB 3.1.2.2. Các thông số nhập cho mô hình 3.1.2.4. Chế độ mô phỏng 3.1.3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng Kết quả này cho thấy sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm <5%, mô hình đảm bảo độ tin cậy đáp ứng yêu cầu cho các nghiên cứu mô phỏng tiếp theo. a) b) Hình 3. 4. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm a) Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu; b) Áp suất trong xylanh tại 2000 v/ph Hình 3.5. Kết quả mô phỏng và Hình 3.6. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải CO và thực nghiệm phát thải NOx 11
12. Hình 3.7. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải soot 3.2. Tính toán mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel- ethanol và diesel-ethanol-biodiesel 3.2.1. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel- ethanol 3.2.1.1. Tính toán tính năng kỹ thuật động cơ a) b) Hình 3.8. Mômen (a) và suất tiêu hao nhiên liệu (b) theo đặc tính ngoài Hình 3.2. Suất tiêu hao nhiên liệu, sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000v/ph và sự thay đổi trung bình mô men, suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngoài 3.2.1.2. Kết quả tính toán phát thải 12
13. Hình 3.3. Hàm lượng CO theo Hình 3.4. Hàm lượng CO theo đặc tính ngoài đặc tính tải tại 2000v/ph Hình 3.5. Hàm lượng NOx theo Hình 3.6. Hàm lượng NOx theo đường đặc tính ngoài đặc tính tải tại 2000v/ph Hình 3.7. Hàm lượng soot theo Hình 3.8. Hàm lượng soot theo đường đặc tính ngoài đặc tính tải tại 2000v/ph 3.2.2. Kết quả mô phỏng Khi sử dụng nhiên liệu diesel- ethanol-biodiesel 3.2.2.1. Tính toán tính năng kỹ thuật động cơ 13
14. Hình 3.9. Mô men theo đặc tính ngoài Hình 3.10. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngoài Tương tự, theo đặc tính tải tại 2000 v/ph, suất tiêu hao nhiên liệu Hình 3.11. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình tại 2000 v/ph 3.2.2.2. Kết quả tính toán phát thải Hình 3.12. Hàm lượng CO theo Hình 3.13. Hàm lượng CO theo đặc tính ngoài đặc tính tải tại 2000 v/ph Hình 3.14. Hàm lượng NOx theo Hình 3.15. Hàm lượng NOx theo đường đặc tính ngoài đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 14
15. Hình 3.16. Hàm lượng soot theo Hình 3.17. Hàm lượng soot theo đường đặc tính ngoài đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 3.3. Kết luận chương 3 Chương 3 của luận án đã xây dựng được mô hình mô phỏng động cơ D4BB bằng phần mềm AVL Boost và thực hiện tính toán lý thuyết tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol và hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel. Các kết quả thu được theo đặc tính ngoài so với diesel như sau: - Khi sử dụng DE5 và DE10, trung bình mô men động cơ giảm 2,24% và 6,32%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 1,14% và 4,66%, CO giảm 16,06% và 24,69%, muội than giảm 26,09% và 34,56%, trong khi NOx tăng 1,04% và 8,1% - Khi sử dụng DE5B5 và DE10B5, trung bình mô men động cơ giảm lần lượt 1,48%, 4,37%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 1,48%, 4,37%, NOx giảm 4,07%, 6,43%, CO giảm 29,35%, 37,04% và muội than giảm 25,69%, 27,70% - Tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp, với DE15B5, DE20B5, DE30B5 trung bình mô men động cơ giảm lần lượt 7,67%, 9,64%, 13,40%, suất tiêu hao nhiên tăng 7,76%, 9,57%, 12,37%, NOx giảm 11,49%, 15,95%, 21,21%, CO giảm 42,48%, 47,33%, 53,29% và muội than giảm 28,20%, 29,72%, 31,89% so với diesel Kết quả tính toán theo đặc tính tải tại 2000v/ph so với diesel: - Khi sử dụng DE5 và DE10, trung bình suất tiêu hao nhiên liệu tăng 2,95% và 6,29%, CO giảm 14,6% và 21,9%, muội than giảm 6,53% và 3,94%, NOx tăng 2,54% và 9,41% - Khi sử dụng DE5B5 và DE10B5, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 3,24%, 6,85%, NOx giảm 10,24%, 13,75%, CO giảm 22,74%, 21,93% và muội than giảm 6,36% và 3,89% - Tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp, với DE15B5, DE20B5, DE30B5 suất tiêu hao nhiên tăng 8,20%, 9,77%, 12,33%, NOx giảm 15
16. 14,33%,15,73%,18,42%, CO giảm 25,47%, 28,72%, 31,19% và muội than giảm 6,61%, 11,71%, 15,8% Như vậy khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu thì mômen động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, các thành phần phát thải đều giảm, trừ NOx tăng với diesel-ethanol so với khi sử dụng diesel. Càng tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp thì các thành phần phát thải càng giảm, tuy nhiên mômen động cơ cũng càng giảm. Để đạt mục tiêu giảm phát thải nhưng mô men không giảm hơn 5%, từ kết quả mô phỏng có thể thấy hỗn hợp nhiên liệu với tỷ lệ ethanol dưới 10% là hợp lý. Trên cơ sở đó luận án lựa chọn hỗn hợp nhiên liệu DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 để thực hiện thử nghiệm trên động cơ. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục đích thử nghiệm Thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel thông thường, biodiesel và ethanol với các tỷ lệ khác nhau đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ. Các kết quả này đồng thời cũng được sử dụng để hiệu chỉnh và đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ đã được xây dựng ở chương 3. 4.2. Nhiên liệu thử nghiệm Thử nghiệm với nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5, DE10B5. Nhiên liệu diesel có sẵn trên thị trường Việt Nam theo TCVN 5689-2018. Biodiesel có nguồn gốc từ dầu cọ 4.3. Phương pháp, đối tượng và chế độ thử nghiệm 4.3.1. Phương pháp thử nghiệm Thử nghiệm thực hiện theo phương pháp đối chứng các thông số tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ethanol-biodiesel-diesel với các tỷ lệ khác nhau. 4.3.2. Đối tượng thử nghiệm Đối tượng thử nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel D4BB đã qua sử dụng. Đây là động cơ 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, không tăng áp được lắp trên xe Hyundai 1,25 tấn. 4.3.3. Chế độ thử nghiệm 4.4. Trang thiết bị thử nghiệm 4.4.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm Sơ đồ thí nghiệm động cơ D4BB trên băng thử, Hình 4.1 16
17. Hình 4.1. Sơ đồ thử nghiệm động cơ D4BB 4.3.2. Các thiết bị thử nghiệm chính 4.3.2.1. Băng thử động lực học APA100 4.3.2.2. Phanh điện APA 100 4.3.2.3. Cảm biến tốc độ động cơ 4.3.2.4. Thiết bị đo độ đen của khí thải Smoke Meter AVL 415 4.3.2.5. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVLFuel Balance 733S 4.3.2.6. Hệ thống phân tích khí thải CEBII 4.3.2.7. Cảm biến lambda 4.3.2.8. Thiết bị lấy mẫu và đếm số hạt 4.5. Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 4.5.1. Các thiết bị sử dụng nghiên cứu 4.5.2. So sánh cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 Do độ nhớt của DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 thấp nên chiều dài tia phun DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 giảm, góc nón của chùm tia tăng theo áp suất phun, xu hướng này thay đổi tương tự khi dùng nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, ở các điều kiện tương tự nhau, chiều dài tia phun của DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 ngắn hơn và góc của chùm tia rộng hơn của diesel. Hình dáng của chùm tia diesel mỏng và dài hơn chùm tia DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5. Do nhiệt độ sôi và độ nhớt của DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 thấp, chùm tia DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 có thời gian phá vỡ ngắn hơn (khoảng 0,3 ms đến 0,5 ms) so với chùm tia diesel (khoảng 0,5 ms đến 0,7 ms). Khả năng bay hơi của DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 nhanh hơn diesel rất nhiều. 4.5. Kết quả thử nghiệm động cơ trên băng thử 17
18. 4.5.1. Tính năng kỹ thuật của động cơ và diễn biến áp suất trong xylanh 4.5.1.1. Tính năng kỹ thuật của động cơ Hình 4.2. Mômen và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài Hình 4.3. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài Hình 4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 4.5.1.2. Diễn biến áp suất trong xylanh theo đường đặc tính ngoài Diễn biến áp suất trong xylanh khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5, DE10B5 theo đường đặc tính ngoài có cùng xu hướng, áp suất cực đỉnh có xu hướng dịch chuyển về phía điểm chết trên. Nhìn chung, quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng 18
19. hỗn hợp diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel cũng gồm các giai đoạn tương tự như đối với khi sử dụng diesel thông thường. Tuy nhiên vì tính chất các nhiên liệu hỗn hợp khác với diesel nên diễn biến chi tiết của quá trình cháy có sự khác nhau, đặc biệt là ở giai đoạn cháy trễ. So với diesel, hỗn hợp diesel-ethanol có trị số xê tan nhỏ hơn, nhiệt ẩn lớn hơn làm cho thời gian cháy trễ kéo dài. Với nhiên liệu DE5B5, DE10B5 ở chế độ tải nhỏ thời gian cháy trễ tăng so với diesel. Do thời gian cháy trễ dài hơn nên đỉnh áp suất trong xylanh giảm. Ở chế độ tải lớn, lượng nhiên liệu phun vào nhiều, với hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel mặc dù giai đoạn cháy trễ vẫn dài hơn tuy nhiên sau đó giai đoạn cháy nhanh lại ngắn hơn so với diesel do trong nhiên liệu ethanol, biodiesel có sẵn ô xy dẫn tới áp suất cực đại trong xy lanh cao hơn 4.5.2. Ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu tới phát thải động cơ Hình 4.5. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài Hình 4.6. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph . 19
20. Hình 4. 7. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài Hình 4.8. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph Hình 4.9. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài Hình 4.10. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph 20
21. Hình 4.11. Độ khói theo đường đặc tính ngoài Hình 4.12. Độ khói theo đặc tính tải tại 2000 v/ph Hình 4.13. Giá trị Lambda theo Hình 4.14. Giá trị Lambda theođường đặc tính ngoài đường đặc tính tải tại 2000 v/ph Các kết quả trên cho thấy trường hợp sử dụng hỗn hợp DE10B5 mô men động cơ giảm 1,1% so với diesel trong khi các thành phần phát thải được cải thiện đáng kể, CO giảm 34,4%, HC giảm 43,3%, NOx giảm 4,6% và muội than giảm 29,5%. Như vậy hỗn hợp nhiên liệu với tỷ lệ phối trộn 10%ethanol, 5%biodiesel trong diesel là hợp lý nhất để thay thế cho diesel khoáng sử dụng trên động cơ diesel. 4.6. So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với nhiên liệu DE10B5 Kết quả sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy mô men động cơ có sai lệch 6,64% lớn hơn 5%, các thành phần phát thải CO, NOx, soot có sai lệch lần lượt 4,70%, 4,46%, 3,35% đều nhỏ hơn 5%. Các kết quả sai lệch về mô men không lớn nên mô hình mô phỏng với nhiên liệu DE10B5 có thể dùng để phục vụ các nghiên cứu tiếp theo. Tuy nhiên để đảm bảo độ tin cậy của mô hình, để phục vụ cho các nghiên cứu khác, trong hướng phát triển có thể tiến hành hiệu chỉnh mô hình mô phỏng cho chính nhiên liệu 21
22. DE10B5 là kết quả nghiên cứu của luận án, thì mô hình cũng như kết quả mô phỏng sẽ sát thực hơn. 4.7. Tính toán sơ bộ lượng ethanol thay thế diesel Theo số liệu thống kê và dự báo, trung bình nhu cầu tiêu thụ trong nước từ năm 2018 đến năm 2022 khoảng 8,5 triệu tấn dầu diesel/năm [75]. Với giả thiết lượng nhiên liệu diesel này được dùng cho các loại động cơ diesel thì khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5, lượng ethanol cần thiết sử dụng để phối trộn là 850 nghìn tấn. Như vậy nếu sử dụng ethanol phối trộn với diesel sẽ tiêu thụ hết lượng ethanol do các nhà máy sản xuất, thậm chí nhu cầu về ethanol cao hơn công suất của các nhà máy. Điều này sẽ thúc đẩy việc đầu tư nâng công suất hoặc xây dựng nhà máy mới để sản xuất ethanol, thúc đẩy công tác quy hoạch mở rộng, nâng cao năng suất và sản lượng trồng cây nguyên liệu, giảm đáng kể phát thải độc hại và CO2 vào môi trường. Qua đó, góp phần thực hiện mục tiêu Đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ [16]. 4.8. Kết luận chương 4 - Về cấu trúc tia phun, nhiên liệu hỗn hợp DE5, DE10, DE5B5, DE10B5 có chiều dài tia phun ngắn hơn và góc tia phun rộng hơn so với diesel. Qua đó cho thấy khả năng bay hơi và hòa trộn với không khí của hỗn hợp nhiên liệu tốt hơn so với diesel. - Kết quả thử nghiệm động cơ theo đặc tính ngoài được dùng hiệu chỉnh mô hình mô phỏng AVL Boost với sai lệch về lớn nhất về mômen, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần phát thải nhỏ hơn 5%. - Thử nghiệm trên băng thử động cơ nhằm đánh giá ảnh hưởng của các hỗn hợp bao gồm DE5, DE10, DE5B5, DE10B5 chọn từ kết quả mô phỏng tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel. Kết quả trên đặc tính ngoài so với diesel cho thấy: + Với DE5, DE10, mômen động cơ giảm trung bình từ 4,3% đến 6,9%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 4,31%, 6,9% nhưng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có mô men chỉ giảm không đáng kể từ 0,6% đến 1,1%, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng ít 0,62%, 1,1%. + Với DE5, DE10, phát thải CO, HC và smoke giảm tương ứng 30,1%, 36,6%, 37,2%, 46,3% và 25,5%, 34,1% nhưng khi phối 22
23. trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có CO, HC và smoke giảm tương ứng 22,4%, 34,4%, 33,5%, 43,3% và 24,1%, 29,5%. Tuy nhiên, phát thải NOx tăng khi sử dụng DE5, DE10 tương ứng 0,83%, 7,39% nhưng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có NOx giảm 2,9%, 4,6%. + Số hạt giảm 13,12%, 28,70%, 9,34% và 19,26% với DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5. Kết quả theo đặc tính tải tại 2000v/ph so với diesel: + Với DE5, DE10, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 2,1%, 3,5% nhưng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 suất tiêu hao nhiên liệu tăng 1,13%, 1,67%. + Với DE5, DE10, phát thải CO, HC và smoke giảm tương ứng 16,9%, 9,7%, 25%, 20% và 10,2% , 14,2% nhưng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có CO, HC và smoke giảm tương ứng 12,8%, 14,7%, 43%, 35,8% và 11,5%, 12%. Tuy nhiên, phát thải NOx tăng khi sử dụng DE5, DE10 tương ứng 1,98%, 8,59% nhưng khi phối trộn thêm 5% biodiesel thì DE5B5, DE10B5 có NOx giảm 4,58%, 7,46%. - Các kết quả trên cho thấy với DE10B5 mô men động cơ giảm ít, trong khi cải thiện đáng kể tất cả các thành phần khí thải so với diesel, do vậy đây là tỷ lệ phối trộn hợp lý nhất để thay thế cho diesel khoáng sử dụng trên động cơ diesel. Ước tính sơ bộ khi sử dụng DE10B5 thay cho diesel khoáng, lượng ethanol tiêu thụ sẽ tăng thêm 850 nghìn tấn. KẾT LUẬN CHUNG Nhiên liệu ethanol không chỉ được sử dụng để phối trộn với xăng làm nhiên liệu cho động cơ xăng mà còn có thể phối trộn với diesel cùng với sự có mặt của biodiesel như chất phụ gia, tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Luận án đã thực hiện nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel với tỷ lệ khác nhau tới tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel Hyundai D4BB. Kết quả mô phỏng động cơ cho thấy với hỗn hợp diesel- ethanol DE5, DE10 mômen động cơ có xu hướng giảm trung bình là: 2,24%, 6,32% với DE5, DE10. Suất tiêu hao nhiên liệu tăng trung bình lần lượt là: 1,14%, 4,66%, phát thải CO giảm trung bình 16,06%, 24,96% và soot giảm trung bình 26,09%, 34,56%, tuy nhiên 23
24. phát thải NOx tăng trung bình 1,04%, 8,14% với DE5, DE10. Với hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5, mômen động cơ có xu hướng giảm 1,48%, 4,37%, 7,67%, 9,64%, 13,40% và trung bình suất tiêu hao nhiên liệu tăng tương ứng 1,48%, 4,37%, 7,76%, 9,57%, 12,37%, Mức độ thay đổi càng rõ rệt khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp. Chất lượng khí thải được cải thiện thể hiện qua kết quả giảm các thành phần CO, NOx và soot khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu so với diesel. Nghiên cứu thực nghiệm động cơ D4BB trên băng thử cho thấy hỗn hợp diesel-ethanol làm giảm mômen động cơ trung bình từ 4,3% đến 6,9% tại 100% tải so với nhiên liệu diesel, nhưng khi phối trộn 5% biodiesel vào hỗn hợp thì mô men giảm 0,6% đến 1,1%, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng ít 0,62%, 1,1%. Tuy nhiên hàm lượng phát thải CO, HC, NOx và khói động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5 giảm tương ứng là 34,4%, 46,3%, 4,6% và 34,1% so với sử dụng diesel. Các kết quả nghiên cứu cho thấy với tỷ lệ phối trộn 10% ethanol, 5% biodiesel (DE10B5) tính năng kỹ thuật của động cơ giảm ít (nhỏ hơn 5%) trong khi chất lượng khí thải được cải thiện đáng kể, do vậy đây là tỷ lệ hợp lý để phối trộn hỗn hợp nhiên liệu thay thế cho diesel khoáng sử dụng trên động cơ diesel. Luận án đã bước đầu cho thấy có khả năng phối trộn ethanol và biodiesel với diesel để thay thế cho nhiên liệu diesel khoáng sử dụng trên các phương tiện đang lưu hành ở Việt Nam. Kết quả của luận án góp phần thúc đẩy sản xuất và sử dụng ethanol nói riêng, nhiên liệu sinh học nói chung, hướng tới hoàn thành các mục tiêu đặt ra trong Đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trong thời gian tới, đề tài cần được phát triển thêm một số vấn đề sau: - Nghiên cứu chất lượng của hỗn hợp nhiên liệu trong quá trình vận chuyển, tồn chứa và bảo quản và nghiên cứu lựa chọn phụ gia phù hợp - Nghiên cứu tuổi thọ của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel. 24