Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tương..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tương..

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hữu Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM TỚI TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT, PHÁT THẢI VÀ TƯƠNG THÍCH VẬT LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2020
2. Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Hữu Tuyến Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Nguyễn Hữu Tuấn, Phạm Hữu Tuyến (2016); Nghiên cứu tổng quan về phụ gia nhiên liệu cho động cơ đốt trong nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm phát thải; Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên 2016 (ISBN:978-604- 82-1980-2); Trường Đại học Thủy lợi; 11/2016; Tr214-216. 2. Nguyễn Hữu Tuấn, Phạm Hữu Tuyến (2016); Xu hướng sử dụng phụ gia nhiên liệu cho động cơ diesel; Tạp chí giao thông vận tải (ISSN: 2354-0818); Bộ giao thông vận tải; 12/2016; Tr115-119. 3. Bùi Duy Hùng, Vũ Thị Thu Hà, Nguyễn Hữu Tuấn, Phạm Hữu Tuyến (2018); “Nghiên cứu đánh giá đặc tính và hiệu qủa của nhiên liệu diesel pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới; Phần 1: Đặc tính của nhiên liệu diesel pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới“; Tạp chí Hóa học và ứng dụng (ISSN: 1859-4069); Tạp chí của hội Hóa học Việt Nam; Số chuyên đề kết quả NCKH; Số 4(44)/2018; Tr27-30. 4. Nguyễn Hữu Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Bùi Duy Hùng, Vũ Thị Thu Hà (2018); Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ đảo tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel; Tạp chí cơ khí Việt Nam (ISSN: 0866-7056); Tổng hội cơ khí Việt Nam; Số đặc biệt 10/2018; Tr40-44. 5. Nguyễn Hữu Tuấn, Phạm Hữu Tuyến (2019); Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ pha phụ gia vi nhũ đảo tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel sinh học; Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường (ISSN: 1859-3941); Trường Đại học Thủy lợi; 09/2019; Tr131-136. 6. Nguyễn Hữu Tuấn, Phạm Hữu Tuyến (2019); Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ đảo tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel và diesel sinh học; Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường (ISSN: 1859- 3941); Trường Đại học Thủy lợi; Số đặc biệt 10/2019; Tr46-51.
4. MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Động cơ diesel là nguồn động lực có hiệu suất cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế như giao thông, xây dựng, công nghiệp, nông nghiệp Tuy nhiên, nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng lớn dẫn tới khả năng thiếu hụt nguồn năng lượng hóa thạch. Bên cạnh đó, khí thải từ động cơ diesel có chứa nhiều chất độc hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Hiện nay có ba hướng nghiên cứu để giải quyết vấn đề này gồm hướng liên quan đến kết cấu động cơ, xử lý khí thải và nhiên liệu. Hai hướng đầu đi kèm với giá thành cao và thường phù hợp trên động cơ mới. Hướng nghiên cứu nhiên liệu gồm sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như cồn ethanol, biodiesel hoặc sử dụng phụ gia để cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu truyền thống. Ưu điểm của phụ gia nhiên liệu là được phối trộn với tỷ lệ nhỏ, quy mô sản xuất không cần lớn và không phải thay đổi kết cấu hoặc điều chỉnh thông số làm việc của động cơ. Do vậy, nghiên cứu phát triển phụ gia nhiên liệu có hiệu quả, kinh tế cao và sản xuất trong điều kiện Việt Nam là cần thiết. Trên cơ sở đó, NCS chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tương thích vật liệu động cơ diesel” nhằm nghiên cứu đề xuất tỷ lệ phối trộn và đánh giá hiệu quả của phụ gia nhiên liệu được chế tạo tại Việt Nam đối với động cơ diesel đang lưu hành. ii. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu đề xuất tỷ lệ phối trộn phụ gia phù hợp với nhiên liệu diesel đang lưu hành và nghiên cứu bước đầu với biodiesel B5. - Đánh giá khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel với nhiên liệu pha phụ gia. - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động cơ diesel đang lưu hành. Qua đó đánh giá hiệu quả và khả năng sử dụng tại Việt Nam. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới do Viện Hóa học công nghiệp Việt Nam chế tạo. Nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm diesel thông thường và nhiên liệu B5 (hỗn hợp 5% biodiesel và 95% diesel). Động cơ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (PTN) là động cơ diesel D4BB của hãng Hyundai. 1
5. Thử nghiệm hiện trường trên xe ô tô 769D của hãng Caterpillar. - Phạm vi nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải trong PTN ở các chế độ ổn định. Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới tới vật liệu một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel. Nghiên cứu trên hiện trường ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu tới tiêu hao nhiên liệu ở các chế độ tĩnh và động, tới phát thải ở chế độ tĩnh. iv. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết: ứng dụng phần mềm AVL – Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel D4BB sử dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu DO pha phụ gia. Nghiên cứu thực nghiệm: đánh giá khả năng tương thích vật liệu tiếp xúc, đánh giá đối chứng ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải động cơ trong PTN và hiện trường. v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn - Đề xuất được tỷ lệ phối trộn phụ gia hợp lý cho nhiên liệu diesel và B5 sử dụng cho động cơ diesel, đảm bảo chất lượng nhiên liệu. - Đánh giá hiệu quả của phụ gia vi nhũ thế hệ mới sản xuất tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel. - Kết quả của luận án là cơ sở để ứng dụng phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên các phương tiện vận tải đang lưu hành tại Việt Nam. vi. Tính mới của đề tài Luận án đã đánh giá tương đối toàn diện ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới được nghiên cứu phát triển ở Việt Nam tới động cơ diesel đang lưu hành, bao gồm đầy đủ các bước nghiên cứu mô phỏng, nghiên cứu trong PTN và nghiên cứu ngoài hiện trường. vii. Các nội dung chính luận án Thuyết minh của luận án gồm các phần chính sau: Mở đầu. Chương 1 Tổng quan về phụ gia cho nhiên liệu diesel. Chương 2 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam và ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới một số chi tiết của động cơ. Chương 3 Nghiên cứu mô phỏng động cơ khi sử dụng nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới. Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm. Kết luận chung và hướng phát triển. 2
6. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU DIESEL 1.1 Đặc điểm tính chất nhiên liệu diesel 1.1.1 Giới thiệu chung Hiện nay dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới. Theo khảo sát, nhiên liệu hóa thạch chiếm tới 80% năng lượng tiêu thụ chính trên thế giới, trong đó 58  66% được tiêu thụ bởi các phương tiện vận tải [2, 3]. 1.1.2 Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel Nhiên liệu diesel và B5 có tính chất, chỉ tiêu chất lượng cơ bản tương tự nhau được quy định trong QCVN 01:2015/BKHCN. 1.1.3 Ảnh hưởng của một số thông số chính của nhiên liệu diesel tới chất lượng hoạt động của động cơ Trị số cetan; hàm lượng lưu huỳnh; thành phần oxy; khả năng bôi trơn; tính ổn định; nhiệt độ chớp cháy. 1.2 Nhiên liệu diesel sinh học 1.2.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học 1.2.2 Chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu diesel sinh học 1.3 Phụ gia cho nhiên liệu diesel 1.3.1 Giới thiệu chung Nghiên cứu phụ gia phù hợp để thúc đẩy quá trình cháy tốt hơn, hoàn toàn hơn, cải thiện công suất, tiết kiệm nhiên liệu, an toàn cho người, cho môi trường và bảo vệ động cơ là hướng được quan tâm. 1.3.2 Phụ gia vi nhũ nước trong dầu cho nhiên liệu diesel Có cấu tạo bởi 1 pha liên tục (pha dầu) và 1 pha phân tán (pha nước). Để tạo phụ gia vi nhũ dùng các chất hoạt động bề mặt (HĐBM). Phụ gia vi nhũ có thể là vi nhũ thuận dầu trong nước (Oil/Water – O/W) hoặc vi nhũ đảo nước trong dầu (W/O). Quá trình phun và cấu tạo phụ gia W/O thể hiện trên Hình 1.2 [13, 14]. Quá trình phun nhiên liệu W/O Cấu tạo W/O- vi nhũ đảo W/ O Pha phân tán (W) Pha liên tục (O) Hình 1.2 Quá trình phun nhiên liệu và cấu tạo phụ gia nước trong dầu (W/O) [13, 14] 3
7. Cơ chế vi nổ W/O: Do có điểm sôi thấp hơn diesel, những giọt nước tồn tại ở dạng nhũ tương nhỏ bọc trong nhiên liệu diesel sẽ hóa hơi dưới điều kiện quá nhiệt trong động cơ, tạo ra sự nổ của các giọt diesel và cải thiện quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu, tốc độ bay hơi và cuối cùng là nâng cao quá trình hòa trộn không khí - nhiên liệu. 1.3.3 Phụ gia nano oxit kim loại/ kim loại cho nhiên liệu diesel Cơ chế hoạt động: các phân tử của hệ phụ gia có khả năng xúc tác cho quá trình oxy hóa các hydrocarbon có mặt trong nhiên liệu giúp giảm suất tiêu thụ nhiên liệu. Mặt khác, hạt nano trong nhiên liệu làm tăng diện tích bề mặt phản ứng, cung cấp thêm oxy cho quá trình cháy [16, 17]. Để tiện trong trình bày, luận án phân loại phụ gia vi nhũ thành: - Phụ gia vi nhũ thế hệ cũ: là phụ gia chỉ gồm vi nhũ nước trong dầu (đã trình bày ở mục 1.3.2) - Phụ gia vi nhũ thế hệ mới: là loại phụ gia kết hợp phụ gia vi nhũ nước trong dầu (đã trình bày ở mục 1.3.2) và phụ gia nano oxit kim loại (đã trình bày ở mục 1.3.3). 1.3.4 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới Các nghiên cứu phụ gia vi nhũ thế hệ mới kết hợp phụ gia vi nhũ nước trong dầu và phụ gia nano oxit kim loại/kim loại nhằm đồng thời phát huy ưu điểm của hai loại trên đã được quan tâm. Cơ chế hoạt động được mô tả trong Hình 1.5 [21]. Nổ bung Cháy nước Nước Dầu Nổ sơ cấp Nổ thứ cấp Chất HĐBM Hình 1.5 Cơ chế viNano nổ oxitcủa kim nhiên loại liệu vi nhũ nước trong dầu, chứa nano oxit kim loại [21] 1.4 Các công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia vi nhũ 1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới Al-Sabagh [22], Abu-Zaid [23], Kannan [24], nghiên cứu ảnh hưởng nhiên liệu diesel pha nước với hàm lượng từ 0  20%, kết quả cho thấy nhiên liệu diesel pha nước hiệu quả hơn không pha, Ne, ge cải thiện theo tỷ lệ thuận hàm lượng nước, các phát thải giảm. Tuy nhiên hàm lượng nước cao, cần sử dụng năng lượng để tạo loại phụ gia này và thiết bị phức tạp, hạt nhũ kích thước lớn, tăng theo thời gian dẫn đến kém bền. 4
8. Ali Keskin [26, 27], Shafii [28] nghiên cứu ảnh hưởng của diesel pha nano oxit kim loại/kim loại trên cơ sở Ni, Pa, Mn, Fe3O4, kết quả chỉ ra ge, hiệu suất cải thiện, các phát thải giảm, cải thiện tính chất nhiên liệu: trị số cetan, độ nhớt Tuy nhiên, tỷ lệ pha trộn vẫn cao và phát thải NOx tăng trong một số nghiên cứu. Bidita [21], Abdulali Farzad [29] thử nghiệm nhiên liệu W/O và CeO2, nano oxit sắt, kết quả tính năng kỹ thuật và phát thải giảm. 1.4.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam Phạm Minh Tân [33] nghiên cứu về nhiên liệu diesel pha nước hàm lượng 15%, 20%, kết quả tiêu hao nhiên liệu và phát thải giảm. Cù Huy Thành [35], Trần Thị Như Mai [36], Vũ Thị Thu Hà [37] nghiên cứu phụ gia oxit kim loại CeO2, Fe3O4, kết quả tính năng kỹ thuật và phát thải giảm, riêng trong báo cáo [36] thì NOx tăng. Tổng cty xi măng, Bộ công thương [38] nghiên cứu với phụ gia nano nhập khẩu (vi nhũ thế hệ mới), kết quả Ne tăng, ge và các phát thải giảm. 1.5 Kết luận chương 1 Hướng nghiên cứu sử dụng phụ gia cho nhiên liệu nói chung, nhiên liệu diesel nói riêng nhằm cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải cho động cơ đốt trong không yêu cầu phải thay đổi kết cấu động cơ, phù hợp với động cơ đang lưu hành. Trong các loại phụ gia nhiên liệu, phụ gia vi nhũ nước trong dầu và phụ gia nano oxit kim loại khi sử dụng riêng rẽ cho nhiên liệu động cơ diesel đã cho thấy những ưu điểm như tính năng kỹ thuật được cải thiện, giảm phát thải. Tuy nhiên kích thước hạt nhũ còn lớn, tỷ lệ phối trộn cao dẫn tới năng lượng và thiết bị sử dụng để chế tạo phụ gia lớn và phức tạp ảnh hưởng tới chất lượng bảo quản nhiên liệu cũng như chất lượng các chi tiết tiếp xúc, một số trường hợp phát thải NOx trong khí thải tăng khi sử dụng phụ gia. Thêm vào đó, các phụ gia này hiện nay chủ yếu được nhập khẩu, chưa sản xuất trong nước Vì vậy, việc kết hợp hai loại phụ gia này, gọi là phụ gia vi nhũ thế hệ mới, có thể sẽ tổng hợp được các ưu điểm của hai loại và nâng cao hơn nữa hiệu quả của phụ gia khi sử dụng trên động cơ. Do vậy, luận án thực hiện nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối hợp hợp lý đảm bảo tính chất của nhiên liệu trong quá trình tồn chứa cũng như đánh giá ảnh hưởng của phụ gia tới động cơ diesel. Phụ gia vi nhũ thế hệ mới trong luận án được nghiên cứu phát triển trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng cho động cơ diesel“ do Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam và Viện Cơ khí Động lực phối hợp nghiên cứu. 5
9. CHƯƠNG 2 PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU PHA PHỤ GIA TỚI MỘT SỐ CHI TIẾT CỦA ĐỘNG CƠ 2.1 Giới thiệu chung Như đã đề cập ở chương 1, phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới cho nhiên liệu diesel được kết hợp từ hai loại phụ gia vi nhũ thế hệ cũ và phụ gia nano oxit kim loại. Hai phụ gia được chế tạo riêng biệt và có cấu tạo hoàn toàn khác nhau với sự có mặt của chất HĐBM. 2.2 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam 2.2.1 Chất hoạt động bề mặt Chất HĐBM là các hợp chất làm giảm sức căng bề mặt giữa hai chất lỏng, giữa chất khí và chất lỏng, hoặc giữa chất lỏng và chất rắn. 2.2.2 Phụ gia vi nhũ nước trong dầu Phụ gia vi nhũ nước trong dầu thành phần gồm dầu diesel, nước ở dạng các hạt nano và chất HĐBM. Đây là các hệ không cân bằng, năng lượng cung cấp từ bên ngoài là cần thiết để tạo phụ gia. 2.2.3 Phụ gia nano oxit kim loại Các phụ gia nhiên liệu trên cơ sở nano oxit kim loại/kim loại có thể được đưa trực tiếp vào trong nhiên liệu bằng cách phân tán các nano oxit kim loại/kim loại trong sự có mặt của chất HĐBM và sự hỗ trợ của khuấy từ, khuấy siêu âm, hoặc nghiền bi. Các nano oxit kim loại/kim loại có thể được tổng hợp bằng các phương pháp hóa học. 2.3 Đánh giá khả năng phù hợp khi kết hợp tạo phụ gia vi nhũ thế hệ mới Phụ gia chứa nano oxit sắt được khảo sát phối trộn với phụ gia vi nhũ nước trong dầu theo các tỷ lệ khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng của việc phối trộn đối với ngoại quan của hỗn hợp cả hai phụ gia trên. Để phối trộn hai phụ gia, sử dụng máy khuấy. 2.4 Lựa chọn tỷ lệ các thành phần trong phụ gia vi nhũ thế hệ mới 2.4.1 Chọn dầu diesel Nghiên cứu được thực hiện với 17 mẫu nhiên liệu diesel khảo sát, kết quả lựa chọn dầu diesel của Petrolimex. 2.4.2 Lựa chọn tỷ lệ các thành phần Kết quả lựa chọn tỷ lệ phụ gia vi nhũ nước trong dầu/phụ gia nano oxit kim loại là 4/1, tỷ lệ này đảm bảo chất lượng trong tồn chứa, bảo quản. Hàm lượng nước, Fe-Mn, nhựa thấp hơn TCVN cho phép. 6
10. 2.4.3 Phương pháp và quy trình phối trộn Pha trực tiếp phụ gia vào nhiên liệu với tỷ lệ 1/8000 về thể tích. 2.5 Đánh giá chất lượng phụ gia pha vào nhiên liệu diesel 2.5.1 Đánh giá chất lượng từng phụ gia Các chỉ tiêu điểm chớp cháy cốc kín, khối lượng riêng, ăn mòn tấm đồng, độ nhớt, ngoại quan đảm bảo TCVN. 2.5.2 Đánh giá chất lượng diesel pha phụ gia Chất lượng của nhiên liệu diesel và nhiên liệu diesel pha phụ gia được đánh giá đảm bảo theo tiêu chuẩn TCVN 5689:2018. 2.6 Đánh giá tương thích vật liệu 2.6.1 Phương pháp đánh giá 2.6.1.1 Các tiêu chuẩn đánh giá tương thích vật liệu Tham khảo các tiêu chuẩn thế giới và TCVN để xây dựng quy trình. 2.6.1.2 Xây dựng quy trình thử nghiệm tương thích vật liệu Đề xuất quy trình phù hợp trong nghiên cứu 2.6.2 Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm 2.6.2.1 Thiết bị phục vụ trong đánh giá Tủ sấy, chai ngâm mẫu thử nghiệm, máy đo vi điện tử, cân, 2.6.2.2 Các chi tiết sử dụng trong đánh giá Chi tiết đại diện sử dụng là piston và gioăng làm kín của bơm cao áp trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel. 2.6.3 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới các chi tiết 2.6.3.1 Đánh giá ngoại quan và cấu trúc tế vi Hình ảnh Hình ảnh Hình ảnh Hình ảnh chụp trước chụp sau chụp trước chụp sau khi ngâm 2000h ngâm khi ngâm 2000h ngâm DO DO DO-Phụ gia DO-Phụ gia Hình 2.12 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử piston bơm cao áp 7
11. Hình ảnh Hình ảnh Hình ảnh Hình ảnh chụp trước chụp sau chụp trước chụp sau khi ngâm 2000h ngâm khi ngâm 2000h ngâm DO DO DO-Phụ gia DO-Phụ gia Hình 2.13 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử gioăng làm kín Không thấy sự thay đổi về mầu sắc và hình thái bề mặt. 2.6.3.2 Đánh giá sự thay đổi khối lượng Không có biến đổi đáng kể nào về mặt khối lượng các chi tiết. 2.7 Kết luận chương 2 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới cho nhiên liệu diesel, được kết hợp từ phụ gia vi nhũ thế hệ cũ, chất HĐBM và phụ gia nano oxit kim loại đã được chế tạo có tính chất và đặc điểm phụ gia như sau: (1) Chất HĐBM: Hỗn hợp ethoxylated từ dầu dừa/Hydroxyethyl imidazoline/ polyethylen glycol este của axit béo theo tỷ lệ 3/2/1; (2) Tỷ lệ chất HĐBM: 10,3 %; (3) Hàm lượng nước: 20% và phụ gia nano oxit sắt 220ppm. Kết quả khảo sát và đánh giá tác động của việc pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới ở tỷ lệ thể tích 1/8000 cho thấy các chỉ tiêu hàm lượng nhựa thực tế, hàm lượng Fe - Mn sai khác không đáng kể so với nhiên liệu không pha phụ gia. Nhiên liệu sau khi pha phụ gia hoàn toàn đáp ứng các TCVN 5689:2018 về nhiên liệu diesel. Luận án đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel. Kết quả cho thấy tác động của nhiên liệu pha và không pha phụ gia tới các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với nhiên liệu là tương đương. Như vậy tỷ lệ pha phụ 1/8000 bước đầu cho thấy phù hợp về các tiêu chí đối với nhiên liệu. Trên cơ sở các kết quả nhận được, luận án tiếp tục thực hiện nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới khi sử dụng trên động cơ diesel ở các chương tiếp theo. 8
12. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU PHA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI Để nghiên cứu sơ bộ ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới được giới thiệu ở chương 2 tới các thông số của quá trình cháy cũng như tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel. Luận án thực hiện tính toán mô phỏng bằng phần mềm AVL - Boost. Trong nghiên cứu mô phỏng, tỷ lệ pha phụ gia nhiên liệu là 1/8000, đây là tỷ lệ đảm bảo chất lượng nhiên liệu trong quá trình bảo quản được trình bày ở chương 2 và các tỷ lệ lân cận. 3.1 Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost 3.1.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất 3.1.2 Mô hình cháy Luận án sử dụng mô hình cháy AVL MCC để thực hiện nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình của động cơ diesel.Tốc độ tỏa nhiệt trong quá trình cháy được mô tả như sau: 푄 푄 푄 푡표푡 푙 = + 푃 (3.4) 훼 훼 훼 3.1.3 Mô hình truyền nhiệt 3.1.3.1 Truyền nhiệt trong xy lanh Mô hình truyền nhiệt được lựa chọn sử dụng là mô hình Woschni 1978 với hệ số truyển nhiệt được tính theo phương trình sau: 0,8 0,2 0,8 0,53 VD .Tc,1 W 130.D .pc .Tc . C1.cm C2 . . pc pc,0 p .V c,1 c,1 (3.16) 3.1.3.2 Trao đổi nhiệt trên thành xy lanh 3.1.3.3 Trao đổi nhiệt tại cửa nạp và cửa thải 3.1.4 Mô hình tính chuyển vị piston 3.1.5 Mô hình nạp thải 3.1.6 Mô hình lọt khí 3.1.7 Mô hình tính toán hàm lượng các thành phần phát thải 3.1.7.1 Mô hình tính lượng phát thải NOx Cơ chế hình thành phát thải NOx dựa trên mô hình động lực học phản ứng cơ sở Pattas và Hafner [46]. Quá trình hình thành NOx được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich. 3.1.7.2 Mô hình tính lượng phát thải bồ hóng (soot) Theo cơ chế được đề xuất bởi Hiroyasu và cộng sự [49, 50]. 9
13. 3.1.7.3 Phát thải CO 3.1.8 Mô hình nhiên liệu 3.2 Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu diesel pha phụ gia 3.2.1 Đối tượng mô phỏng Động cơ mô phỏng là động cơ Hyundai D4BB 50 150 40 140 30 130 20 120 10 Ne Me 110 Mômen Mômen (Nm) 0 100 Cong suat (kW) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 3.4 Kết quả thử nghiệm Ne, Me theo đường đặc tính ngoài động cơ D4BB 3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 3.3 Kết quả tính toán mô phỏng Động cơ D4BB được mô phỏng trong trường hợp: gct nhiên liệu diesel pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới bằng với diesel ở vị trí 100% tải (gct-DO-PG = gct-DO), lượng nhiên liệu này đo đạc từ thực nghiệm. 3.3.1 Đánh giá độ chính xác mô hình 3.3.1.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Để đảm bảo độ tin cậy của mô hình mô phỏng, mô hình được hiệu chỉnh và so sánh với số liệu thử nghiệm theo đường đặc tính ngoài. 60 DO 60 DO - Phụ gia 1/8000 50 50 TN MP TN MP 40 40 30 30 20 20 10 10 Công suất Công (kW) suất (kW) suất Công 0 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 3.7 So sánh kết quả công suất của mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 10
14. 3.3.1.2 Áp suất xy lanh 80 DO-phụ gia 80 DO TN 1/8000 TN 60 MP 60 MP 40 40 lanh p (bar) 20 20 lanh p (bar) Áp suất trong xy 0 Áp suất trong xy 0 -180 Góc-90 quay trục0 khuỷu (độ)90 180 -180 Góc-90 quay trục0 khuỷu90 (độ) 180 Hình 3.9 So sánh kết quả áp suất xy lanh của mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 tại tốc độ 2000 v/ph 3.3.1.3 Phát thải Hình 3.10 So sánh kết quả các phát thải của mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 tại tốc độ 2000 v/ph Qua các kết quả nghiên cứu nhận thấy, việc tính toán bằng mô hình mô phỏng đối với các nhiên liệu đảm bảo độ tin cậy với sai số công suất, áp suất xy lanh dưới 2,0%, sai số các phát thải dưới 5,0%. Với các tỷ lệ pha phụ gia lân cận 1/8000, thông số cháy, các hệ số phát thải được điều chỉnh tương tự. Mối quan hệ giữa các thông số điều chỉnh và các hệ số phát thải được thể hệ trong Hình 3.11. 1.0 0.9 0.8 Thông số cháy Các hệ số 0.7 Hệ số phát thải NOx Hệ số phát thải Soot 0.6 DO DO-PG DO-PG DO-PG DO-PG DO-PG 1/6000 1/7000 1/8000 1/9000 1/10000 Loại nhiên liệu Hình 3.11 Các thông số điều chỉnh khi mô phỏng với các tỷ lệ khác nhau 11
15. 3.3.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia 3.3.2.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu 50 ge DO 300 ge DO-Phụ gia 1/6000 ge DO-Phụ gia 1/7000 40 280 Ne DO ge DO-Phụ gia 1/8000 260 ge DO-Phụ gia 1/9000 30 Ne DO-Phụ gia 1/6000 ge DO-Phụ gia 1/10000 Ne DO-Phụ gia 1/7000 240 Ne DO-Phụ gia 1/8000 20 Ne DO-Phụ gia 1/9000 (g/kWh) 220 Công suất (kW) 10 Ne DO-Phụ gia 1/10000 200 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Suất tiêu hao hao Suất nhiên liệu tiêu Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 3.12 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu DO và DO-phụ gia theo đường đặc tính ngoài. Công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu DO-phụ gia lớn hơn động cơ sử dụng nhiên liệu DO. Trong đó động cơ sử dụng nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 có mức cải thiện lớn nhất. Tính trung bình trên toàn dải tốc độ, công suất tăng 2,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,6%. Với lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình là như nhau đối với các nhiên liệu thì kết quả này là do sự điều chỉnh trên mô hình DO-phụ gia 1/8000 có hệ số cháy hiệu quả hơn trên mô hình DO. Điều này cũng phù hợp với cơ chế vi nổ của nhiên liệu chứa phụ gia vi nhũ thế hệ mới giúp cháy khuếch tán, lan tỏa trong không gian rộng làm quá trình cháy triệt để, hiệu quả sinh nhiệt cao. 3.3.2.2 Phát thải động cơ - Phát thải CO: - Phát thải NOx DO 1000 450 DO DO-Phụ gia 1/6000 DO-Phụ gia 1/6000 DO-Phụ gia 1/7000 DO-Phụ gia 1/7000 DO-Phụ gia 1/8000 DO-Phụ gia 1/8000 800 DO-Phụ gia 1/9000 DO-Phụ gia 1/9000 DO-Phụ gia 1/10000 DO-Phụ gia 1/10000 350 600 Phát thảiPhát CO (ppm) thảiPhát NOx (ppm) 400 250 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 3.13 Phát thải CO của động Hình 3.14 Phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiện liệu DO và cơ khi sử dụng nhiên liệu DO DO-phụ gia 12
16. 4 - Độ khói: 3 DO 2 DO-Phụ gia 1/6000 DO-Phụ gia 1/7000 DO-Phụ gia 1/8000 1 DO-Phụ gia 1/9000 Độ khói Độ khói (FSN) DO-Phụ gia 1/10000 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 3.15 Phát thải độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia 3.3.2.3 Đặc tính của quá trình80 cháy DO, 2000v/ph DO-Phụ gia 1/8000, 2000 v/ph 60 DO, 3500v/ph DO-Phụ gia 1/8000, 3500 v/ph 40 p (bar) 20 0 suất trongÁp lanh xy -180 -90 Góc quay trục0 khuỷu (độ)90 180 Hình 3.17 Diễn biến áp suất xy lanh của nhiên liệu DO và DO- phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 v/ph và 3500 v/ph Kết quả nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 có áp suất lớn nhất cao hơn DO là 1,2% và 0,9% ở tốc độ 2000 v/ph và 3500 v/ph. Sự tăng này phù hợp với cơ chế vi nổ của phụ gia vi nhũ thế hệ mới giúp nhiên liệu cháy triệt để hơn làm áp suất tăng. - Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh tại tốc độ 2000 v/ph và 3500 v/ph: Theo Hình 3.19 tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh khi dùng DO-phụ gia 1/8000 lớn hơn tốc độ tỏa nhiệt khi dùng DO do quá trình cháy lan tỏa của nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 tốt hơn nhiên liệu DO. DO, 2000v/ph 50 DO-Phụ gia 1/8000, 2000 v/ph 40 DO, 3500v/ph DO-Phụ gia 1/8000, 350030 v/ph (J/độ) 20 Tốc độ tỏanhiệt 10 0 -90 -45 Góc quay0 trục khuỷu 45(độ) 90 Hình 3.19 Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 v/ph và 3500 v/ph 13
17. 3.4 Kết luận chương 3 Luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng của động cơ D4BB trên phần mềm AVL-Boost khi sử dụng các loại nhiên liệu DO, DO-phụ gia vi nhũ thế hệ mới tỷ lệ 1/8000 và các tỷ lệ lân cận. Kết quả tính toán của mô hình và thực nghiệm có sự thay đổi trung bình nhỏ hơn 2,0%, do đó mô hình mô phỏng hoàn toàn đảm bảo đánh giá định hướng kết quả nghiên cứu. Khi mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu pha phụ gia, thông số của mô hình cháy cần được hiệu chỉnh là tham số cháy, các hệ số phát thải NOx, Soot. Kết quả cho thấy động cơ sử dụng nhiên liệu pha phụ gia với tỷ lệ 1/8000 có mức độ cải thiện cao hơn so với các tỷ lệ mô phỏng khác. Cụ thể với nhiên liệu diesel giá trị tham số cháy là 0,95, với nhiên liệu diesel pha phụ gia 1/8000 giá trị tham số cháy là 0,98. Điều này cho thấy nhiên liệu diesel pha phụ gia tác động tới quá trình cháy hiệu quả của nhiên liệu. Kết quả mô phỏng đã thể hiện diễn biến quá trình cháy thông qua diễn biến áp suất trong xy lanh, ở tốc độ 2000 vòng/phút có mômen lớn nhất là 147,1Nm, và ở tốc độ thử nghiệm đạt công suất lớn nhất 3500 vòng/phút, áp suất, tốc độ tỏa nhiệt, thể tích cháy trong xy lanh của nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 cải thiện hơn nhiên liệu với kết quả thay đổi <4,0%. Vì vậy động cơ sử dụng nhiên liệu pha phụ gia không gây ảnh hưởng tới vật liệu, kết cấu động cơ. Theo kết quả mô phỏng cũng cho thấy, công suất động cơ có xu hướng tăng trong khi suất tiêu hao nhiên liệu lại giảm khi sử dụng diesel pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới tỷ lệ 1/8000. Theo đó, tính trung bình trên toàn dải tốc độ, công suất tăng tăng trung bình 2,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,6%. Các phát thải CO, NOx và độ khói đều giảm khi sử dụng nhiên liệu diesel pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới tỷ lệ 1/8000. Tính trung bình trên toàn dải tốc độ, độ giảm lần lượt là 10,8%, 12,1% và 5,5%. Kết quả mô phỏng cho thấy nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới được chế tạo tại Việt Nam, với tỷ lệ 1/8000 có hiệu quả cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel. Đây là cơ sở để luận án tiếp tục thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm ở chương 4 để lựa chọn tỷ lệ phối trộn phù hợp cũng như khẳng định hiệu quả của nhiên liệu pha phụ gia này. 14
18. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Kết quả nghiên cứu mô phỏng ở chương 3 cho thấy sơ bộ hiệu quả tích cực của phụ gia vi nhũ thế hệ mới. Chương này luận án tiến hành thử nghiệm nhiên liệu pha phụ gia để lựa chọn tỷ lệ phối trộn hợp lý và đánh giá trên động cơ diesel thực trong PTN cũng như trên hiện trường. Việc nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ hợp lý được thực hiện bằng thực nghiệm vì nghiên cứu mô phỏng không định nghĩa được nhiên liệu với các tỷ lệ phối trộn phụ gia khác nhau. Bên cạnh đó, mặc dù hiện tại Việt Nam chưa áp dụng B5, tuy nhiên đã có khuyến khích áp dụng nên luận án cũng đánh giá bước đầu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới đối với B5 trong PTN. 4.1 Thử nghiệm động cơ trong PTN 4.1.1 Mục đích thử nghiệm - Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ thử nghiệm. - Hiệu chuẩn và kiểm tra độ tin cậy của mô hình nghiên cứu chương 3. - Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. 4.1.2 Trang thiết bị thử nghiệm Trang thiết bị tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội. Bao gồm: - Hệ thống băng thử động cơ tính năng động lực học cao. - Thiết bị phân tích khí xả AVL CEB – II và thiết bị đo độ khói. - Hệ thống đếm hạt. 4.1.3 Đối tượng và quy trình thử nghiệm động cơ trong PTN 4.1.3.1 Động cơ và nhiên liệu thử nghiệm - Động cơ thử nghiệm: Động cơ Hyundai D4BB - Nhiên liệu thử nghiệm: Nhiên liệu DO, B5 không pha phụ gia và pha phụ gia với các tỷ lệ 1/6000, 1/7000, 1/8000, 1/9000, 1/10000 4.1.3.2 Quy trình thử nghiệm 4.1.4 Kết quả thử nghiệm 50 4.1.4.1 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối300 trộn phụ gia với nhiên liệu DO ge DO 45 ge DO-Phụ gia 1/6000 40 280 ge DO-Phụ gia 1/7000 ge DO-Phụ gia 1/8000 35 260 ge DO-Phụ gia 1/9000 30 Ne DO ge DO-Phụ gia 1/10000 Ne DO-PG 1/6000 240 25 (g/kWh) Ne DO-Phụ gia 1/7000 20 Công suất (kW) suất Công Ne DO-Phụ gia 1/8000 220 Ne DO-Phụ gia 1/9000 15 Ne DO-Phụ gia 1/10000 liệu nhiênhao tiêu Suất 10 200 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 4.2 Diễn biến Ne và ge của động cơ theo đường đặc tính ngoài 15
19. 900 120 110 100 90 600 DO 80 DO DO-Phụ gia 1/6000 70 DO-Phụ gia 1/6000 DO-Phụ gia 1/7000 DO-Phụ gia 1/7000 Phát thải CO (ppm) CO thảiPhát 60 DO-Phụ gia 1/8000 DO-Phụ gia 1/8000 (ppm) HC thảiPhát DO-Phụ gia 1/9000 DO-Phụ gia 1/9000 50 300 DO-Phụ gia 1/10000 DO-Phụ gia 1/10000 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) 450 4 400 350 3 DO DO-Phụ gia 1/6000 DO DO-Phụ gia 1/7000 300 DO-Phụ gia 1/6000 (FSN) khói Độ DO-Phụ gia 1/7000 DO-Phụ gia 1/8000 Phát thải NOx (ppm) NOx thảiPhát DO-Phụ gia 1/8000 DO-Phụ gia 1/9000 2 DO-Phụ gia 1/10000 250 DO-Phụ gia 1/9000 DO-Phụ gia 1/10000 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 4.4 Diễn biến phát thải CO, HC, NOx, độ khói của động cơ trên đường đặc tính ngoài Từ Hình 4.2, tính trung bình trên toàn dải tốc độ, công suất động cơ tăng lần lượt 1,6%, 2,1%, 2,9%, 3,1% và 2,4% tương ứng với các tỷ lệ phụ gia 1/6000 đến 1/10000 so với trường hợp không dùng phụ gia, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ giảm lần lượt 2,9%, 4,1%, 5,5%, 5,8% và 4,7% tương ứng với các tỷ lệ phụ gia 1/6000 đến 1/10000 so với trường hợp không dùng phụ gia. Từ Hình 4.4, với động cơ DO-phụ gia, các thành phần khí phát thải CO, HC, NOx và độ khói giảm so với nhiên liệu diesel không phụ gia. Theo tỷ lệ phụ gia giảm dần, tính trung bình trên toàn dải tốc độ CO giảm lần lượt 6,2%, 7,6%, 9,3%, 8,4%, 6,4%; HC giảm lần lượt 7,2%, 8,5%, 10,2%, 9,1%, 7,3%; NOx giảm lần lượt 7,1%, 9,6%, 11,5%, 6,8%, 0,9% và độ khói giảm lần lượt 2,6%, 4,4%, 5,6%, 5,0%, 3,6%; Sự tăng công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải có thể giải thích là do sự vi nổ của phụ gia vi nhũ nước trong dầu làm nhiên liệu hòa trộn và khuếch tán trong phạm vi rộng, phụ gia nano oxit sắt có tác dụng làm tăng diện tích bề mặt phản ứng, cung cấp thêm oxy làm quá trình cháy trong động cơ được cải thiện. Như vậy, với tỷ lệ 1/8000 có mức cải thiện tốt nhất trong các tỷ lệ. 16
20. 4.1.4.2 Kết quả diễn biến áp suất trong xy lanh và số hạt PM với nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 - Diễn biến áp suất trong xy lanh: 80 DO DO 70 1000 v/ph DO-Phụ gia 1/8000 1500 v/ph DO-Phụ gia 1/8000 60 50 50 40 (bar) 30 (bar) 20 10 Áp suất trong Áp trong suất xy lanh p 0 trong Áp suất xy lanh p 0 -180 -90 0 90 180 -180 -90 0 90 180 Góc quay trục khuỷu (độ) Góc quay trục khuỷu (độ) DO DO DO-Phụ gia 1/8000 DO-Phụ gia 1/8000 2000 v/ph 2500 v/ph 50 50 p (bar) p (bar) Áp suất trong Áp trong suất xy lanh 0 Áp trong suất xy lanh 0 -180 -90 0 90 180 -180 -90 0 90 180 Góc quay trục khuỷu (độ) Góc quay trục khuỷu (độ) DO DO 3000 v/ph 3500 v/ph DO-Phụ gia 1/8000 DO-Phụ gia 1/8000 50 50 p (bar) p (bar) Áp suất trong Áp trong suất xy lanh 0 Áp suất trong Áp trong suất xy lanh 0 -180 -90 0 90 180 -180 -90 Góc quay0 trục khuỷu90 (độ) 180 Góc quay trục khuỷu (độ) Hình 4.9 Diễn biến áp suất xy lanh đối với các nhiên liệu thử nghiệm theo đường đặc tính ngoài Áp suất đỉnh lớn nhất nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 lớn hơn so với nhiên liệu DO là 2,8% ở tốc độ 2000 vòng/phút. - Số hạt PMDO trong khí thải: Tốc độ động cơ (vòng/phút) DO-Phụ gia 1/8000 4.E+084.108 ) 3 3.E+083.108 2.E+082.108 0 1.E+081.108 -20 0.E+000 hạt (%) -40 Mức độ cải thiện thiện cải Mứcđộ hiệu quả lượngquả hiệu số Số hạt hạt (hạt/cm Số -60 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 4.10 Kết quả số hạt và mức độ cải thiện của nhiên liệu DO-phụ gia so với DO theo đường đặc tính ngoài 17
21. Kết quả chỉ ra số hạt trong khí thải động cơ nhiên liệu DO-phụ gia tỷ lệ 1/8000 hầu hết nhỏ hơn động cơ nhiên liệu DO. Theo đường đặc tính ngoài trên toàn dải tốc độ, số hạt giảm trung bình 24,4%. Đặc biệt tại tốc độ 1500 v/ph, số hạt giảm tới 50,7%. 4.1.4.3 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 theo đặc tính tải Độ Độ ge CO HC NOx khói Số hạt ge CO HC NOx khói Số hạt 0 0 -10 -4.1 -4.2 -2.9 -10 -3.0 -8.0 -5.8 -5.1 -7.1 -20 -20 -10.7 -12.1 -18.5 bình bình (%) bình bình (%) -30 -30 Mức cải thiện trung thiện Mứccải -40 Mức cải thiện trung thiện Mứccải -40 Số vòng quay 2000 vòng/phút Số vòng quay 3500 vòng/phút -50 -48.6 -50 Hình 4.11 Sự cải thiện hiệu quả ge, các phát thải CO, HC, NOx, độ khói, số hạt theo đặc tính tải. 4.1.4.4 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia với nhiên liệu B5 50 ge B5 280 ge B5-Phụ gia 1/6000 270 40 ge B5-Phụ gia 1/7000 260 ge B5-Phụ gia 1/8000 Ne B5 30 250 ge B5-Phụ gia 1/9000 Ne B5-Phụ gia 1/6000 ge B5-Phụ gia 1/10000 Ne B5-Phụ gia 1/7000 240 20 Ne B5-Phụ gia 1/8000 (g/kWh) 230 Công suất (kW) suấtCông Ne B5-Phụ gia 1/9000 220 10 Ne B5-Phụ gia 1/10000 Suất tiêu hao nhiên liệu liệu nhiênhao tiêu Suất 210 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 4.12 Diễn biến Ne, ge của động cơ nhiên liệu B5 và B5-phụ gia với các tỷ lệ trên đường đặc tính ngoài Tính trung bình trên toàn dải tốc độ theo tỷ lệ phụ gia giảm dần, công suất động cơ dùng B5-phụ gia tăng hơn so với động cơ dùng nhiên liệu không phụ gia lần lượt 0,35%, 0,32%, 0,28%, 0,34% và 0,4%, suất tiêu hao nhiên liệu khi dùng B5- phụ gia giảm so với khi dùng nhiên liệu không phụ gia lần lượt 1,8%, 1,7%, 1,6%, 1,8% và 2,1%, phát thải CO giảm lần lượt 3,0%, 4,7%, 5,8%, 4,9% và 3,3%; phát thải HC giảm lần lượt 4,2%, 5,7%, 6,8%, 6,1% và 6,0%; độ khói giảm lần lượt 0,8%, 1,9%, 3,6%, 4,0% và 5,0%; phát thải NOx tăng lần lượt 2,1%, 2,3%, 2,8%, 3,0% và 4,1%; 18
22. 900 B5 B5 110 B5-Phụ gia 1/6000 B5-Phụ gia 1/6000 800 100 B5-Phụ gia 1/7000 B5-Phụ gia 1/7000 B5-Phụ gia 1/8000 700 B5-Phụ gia 1/8000 90 B5-Phụ gia 1/9000 B5-Phụ gia 1/9000 B5-Phụ gia 1/10000 600 B5-Phụ gia 1/10000 80 500 70 Phát thải HC (ppm) HC thảiPhát Phát thải CO (ppm) CO thảiPhát 400 60 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) 500 B5 4 B5-Phụ gia 1/6000 B5-Phụ gia 1/7000 B5-Phụ gia 1/8000 B5 B5-Phụ gia 1/9000 3 400 B5-Phụ gia 1/10000 B5-Phụ gia 1/6000 B5-Phụ gia 1/7000 B5-Phụ gia 1/8000 B5-Phụ gia 1/9000 Phát thải NOx (ppm)NOx thảiPhát B5-Phụ gia 1/10000 Hàm lượng muội (FSN) muội lượng Hàm 2 300 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 4.13 Diễn biến phát thải CO, HC, NOx, độ khói của động cơ nhiên liệu B5 trên đường đặc tính ngoài Từ kết quả trên nhận thấy, các tính năng kỹ thuật, và hầu hết phát thải đã được cải thiện mặc dù là nhỏ, điều này là do phụ gia vi thế hệ mới thêm vào đã cải thiện chất lượng quá trình cháy và 5% biodiesel đã bổ sung thêm lượng nhỏ oxy, nâng cao trị số cetan giúp cải thiện quá trình cháy. Tuy nhiên, 5% biodiesel này lại làm tăng NOx . 4.1.4.5 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B5, B5-phụ gia 1/8000 theo đặc tính tải Độ Độ ge CO HC NOx khói ge CO HC NOx khói 2 1.5 0 1 -1 0 -0.8 (%) -2 -1 bình (%) -2.0 -2 -3 -3 -2.3 đổi trung Mứcthay -4 -3.4 Mức thay đổi trung bình đổi trung bình Mứcthay -2.9 -3.6 -4 -3.2 -5 Tốc độ 3500 vòng/phút -4.8 -5 Tốc độ 2000-4.4 vòng/phút Hình 4.15 Sự thay đổi trung bình ge, các phát thải CO, HC, NOx và độ khói theo đặc tính tải 19
23. 4.2 Thử nghiệm hiện trường Thử nghiệm hiện trường được thực hiện tại Xưởng khai thác đá vôi Tràng Kênh – Công ty xi măng Vicem Hải Phòng theo phương pháp đối chứng trên xe tải ở các chế độ tĩnh và động. 4.2.1 Quy trình và trang thiết bị thử nghiệm 4.2.1.1 Quy trình thử nghiệm Thử nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu hao và đo phát thải 4.2.1.2 Đối tượng thử nghiệm - Xe thử nghiệm: Xe CAT 769D sử dụng động cơ CAT 3408E. - Nhiên liệu thử nghiệm: Nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 4.2.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm Trang thiết bị được sử dụng gồm: Cân nhiên liệu, máy đo khí thải Testo 350, máy đo độ khói AVL CDS 450. 4.2.2 Kết quả thử nghiệm 4.2.2.1 Kết quả thử nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu hao Kết quả đo lượng nhiên liệu tiêu hao khi sử dụng nhiên liệu không phụ gia và có phụ gia trong 4 giờ ở chế độ tĩnh và kết quả đo lượng nhiên liệu tiêu hao của 2 xe tải CAT 769D ở chế độ động khi sử dụng nhiên liệu DO và DO pha phụ gia 1/8000. 12 DO DO-phụ gia 1/8000 25 10 20 8 15 6 (kg/h) 10 4 (lít/h) 2 5 Nhiên liệu tiêu haotiêu liệu Nhiên 0 0 DO DO-phụ gia hao tiêu liệu nhiên Lượng Xe số 1 Xe số 2 Hình 4.20 Kết quả thử nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu hao 4.2.2.2 Kết quả thử nghiệm đo phát thải Kết quả đo các phát thải CO, NOx, độ khói của 2 xe tải CAT 769D sau mỗi chuyến vận chuyển với các tốc độ khác nhau khi sử dụng nhiên liệu DO và DO pha phụ gia 1/8000. 20
24. 500 400 DO: Xe số 1 DO: Xe số 2 400 DO-Phụ gia: Xe số 1 300 300 DO-Phụ gia: Xe số 2 200 DO: Xe số 1 200 DO: Xe số 2 100 DO-Phụ gia: Xe số 1 Phát thải NOx (ppm) NOx thảiPhát Phát thải CO (ppm) CO thảiPhát 0 DO-Phụ gia: Xe số 2 100 500 1000 1500 2000 2500 500 1000 1500 2000 2500 Tốc độ động cơ (vòng/phút) Tốc độ động cơ (vòng/phút) DO DO-phụ gia 1/8000 35 30 25 20 15 (HSU%) 10 muội lượng Hàm 5 0 Xe số 1 Xe số 2 Hình 4.21 Kết quả thử nghiệm đo phát thải trên ôtô tải CAT 769D Với các kết quả ở trên nhận thấy, với tỷ lệ phụ gia 1/8000 lượng nhiên liệu tiêu hao và hầu hết các phát thải thấp hơn so với ô tô khi không sử dụng phụ gia. Với lượng nhiên liệu tiêu hao, ở chế độ tĩnh giảm 8,2%, với thử nghiệm động, tính trung bình cả 2 ô tô, lượng nhiên liệu tiêu hao giảm 5,0%. Với phát thải CO, NOx và độ khói giảm lần lượt 1,1%, 25,3 và 5,0%. 4.3 Kết luận chương 4 Kết quả thử nghiệm trên động cơ D4BB để đề xuất tỷ lệ phối trộn phụ gia đã cho thấy tỷ lệ hợp lý là 1/8000 với cả nhiên liệu diesel và B5. Với tỷ lệ này hầu hết các phát thải nhỏ hơn so với tỷ lệ còn lại trong khi công suất và suất tiêu hao nhiên liệu có mức cải thiện trung bình trong các tỷ lệ phụ gia. Thử nghiệm đối chứng với diesel không pha phụ gia, khi sử dụng diesel pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 theo đường đặc tính ngoài, tính trung bình trên toàn dải tốc độ công suất động cơ tăng 2,9%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 5,5%; các phát thải CO, HC, NOx và độ khói giảm lần lượt 9,3%, 10,2%, 11,5 và 5,6%. Theo đường đặc tính tải tại tốc độ mômen lớn nhất 2000 vòng/phút, tính trung bình trên toàn chế độ tải suất tiêu hao nhiên liệu giảm 4,1%, phát thải CO, HC, NOx và độ khói 21
25. giảm lần lượt 8,0%, 18,5%, 4,2% và 2,9%. Kết quả đo số hạt trong khí thải động cơ dùng nhiên liệu DO-phụ gia thấp hơn trong động cơ dùng nhiên liệu DO. Theo đường đặc tính ngoài trên toàn dải tốc độ, số hạt giảm trung bình 24,4%. Đặc biệt ở tốc độ mômen lớn nhất 2000 vòng/phút, phát thải hạt cải thiện tới 48,6%. Thử nghiệm đối chứng với nhiên liệu B5 không pha phụ gia, khi sử dụng B5 pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 theo đường đặc tính ngoài, tính trung bình trên toàn dải tốc độ công suất tăng 0,28%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 1,6%; các phát thải CO, HC và độ khói giảm lần lượt 5,8%, 6,8% và 3,6%, riêng NOx tăng 2,8%. Theo đường đặc tính tải tại tốc độ mômen lớn nhất 2000 vòng/phút, tính trung bình trên toàn chế độ tải suất tiêu hao nhiên liệu giảm 3,2%, phát thải CO, HC và độ khói giảm lần lượt 2,9%, 4,4%, 2,3%, NOx tăng 1,5%. Đây là kết quả nghiên cứu bước đầu đối với nhiên liệu B5, tuy nhiên hiệu quả chưa thực sự rõ nét. Đề xuất cần nghiên cứu thêm từ thành phần phụ gia, chất HĐBM, tỷ lệ phối trộn đối với nhiên liệu này. Thử nghiệm hiện trường với xe tải trên mỏ khai thác cho thấy hầu hết các thông số lượng tiêu hao nhiên liệu và phát thải đều được cải thiện khi sử dụng DO-phụ gia với tỷ lệ 1/8000. Cụ thể, với lượng tiêu hao nhiên liệu, ở chế độ tĩnh giảm 8,2%, ở chế độ động giảm 5,0%; với các phát thải CO, độ khói giảm lần lượt 1,1%, 5,0%, đặc biệt phát thải NOx giảm tới 25,3%. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đề xuất tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới hợp lý với nhiên liệu diesel và nhiên liệu biodiesel B5, đánh giá khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel với nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới và nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động cơ diesel đang lưu hành. Luận án đã đạt được các kết quả cụ thể như sau: 1. Luận án đã lựa chọn tỷ lệ thành phần phụ gia vi nhũ thế hệ mới và tỷ lệ pha phụ gia với nhiên liệu diesel hợp lý, đồng thời thực hiện đánh giá khả năng tương thích vật liệu với một số chi tiết trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel. Trên cơ sở phụ gia vi nhũ thế hệ mới do Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam nghiên cứu chế tạo, luận án thực hiện lựa chọn tỷ lệ thành 22
26. phần phụ gia hợp lý giữa phụ gia vi nhũ nước trong dầu và phụ gia nano oxit sắt là 4/1, tỷ lệ hợp lý giữa phụ gia vi nhũ thế hệ mới và nhiên liệu diesel là 1/8000 theo thể tích đảm bảo tính chất của nhiên liệu trong quá trình bảo quản. Luận án đã đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới với tỷ lệ trên đến chất lượng của các chi tiết trong động cơ diesel tiếp xúc với nhiên liệu và sự có mặt của phụ gia trong nhiên liệu đảm bảo QCVN 01:2015-BKHCN về nhiên liệu diesel và không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến các chi tiết tiếp xúc với nhiên liệu pha phụ gia làm bằng vật liệu kim loại và phi kim. 2. Luận án đã xây dựng được mô hình và thực hiện tính toán mô phỏng động cơ diesel D4BB sử dụng nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới với các tỷ lệ khác nhau bằng phần mềm AVL – Boost. Mô hình được hiệu chỉnh bằng thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu Kết quả mô phỏng cho thấy trường hợp cùng lượng nhiên liệu cung cấp, tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi dùng nhiên liệu DO-phụ gia lớn hơn so với khi dùng DO. Nhiên liệu DO-phụ gia tỷ lệ 1/8000 có hiệu quả cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải hợp lý hơn các tỷ lệ pha trộn khác. Trung bình trên toàn dải tốc độ theo đường đặc tính ngoài, mức độ cải thiện công suất là 2,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,6%, phát thải NOx, CO, độ khói giảm lần lượt là 10,8%, 12,1%, 5,5% so với khi dùng nhiên liệu DO. Đồng thời, ở tốc độ 2000 vòng/phút có mômen lớn nhất 147,1Nm và ở tốc độ đạt công suất lớn nhất 3500 vòng/phút, áp suất, tốc độ tỏa nhiệt, nhiệt độ lớn nhất và thể tích cháy trong xy lanh của nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 cải thiện hơn nhiên liệu DO với mức thay đổi <4,0%, sự thay đổi này không gây ảnh hưởng tới vật liệu, kết cấu động cơ. 3. Luận án đã đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu DO và B5 pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên động cơ diesel. Kết quả thử nghiệm trên động cơ D4BB để lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia đã cho thấy tỷ lệ 1/8000 có hiệu quả hơn so với các tỷ lệ thử nghiệm khác với cả nhiên liệu diesel và B5. Thử nghiệm đối chứng với diesel không pha phụ gia, khi sử dụng diesel pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 theo đường đặc tính ngoài, tính trung bình trên toàn dải tốc độ công suất động cơ tăng 2,9%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 5,5%; các phát thải CO, HC, NOx và độ khói giảm lần lượt 9,3%, 10,2%, 11,5 và 5,6%. Theo đường đặc tính tải tại tốc độ 23
27. mômen lớn nhất 2000 vòng/phút, tính trung bình trên toàn chế độ tải suất tiêu hao nhiên liệu giảm 4,1%, phát thải CO, HC, NOx và độ khói giảm lần lượt 8,0%, 18,5%, 4,2% và 2,9%. Kết quả đo số hạt trong khí thải động cơ dùng nhiên liệu DO-phụ gia thấp hơn trong động cơ dùng nhiên liệu DO. Theo đường đặc tính ngoài trên toàn dải tốc độ, số hạt giảm trung bình 24,4%. Đặc biệt ở tốc độ mômen lớn nhất 2000 vòng/phút, phát thải hạt cải thiện tới 48,6%. Thử nghiệm đối chứng với nhiên liệu B5 không phụ gia, khi sử dụng B5 pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 theo đường đặc tính ngoài, tính trung bình trên toàn dải tốc độ công suất tăng 0,28%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 1,6%; các phát thải CO, HC và độ khói giảm lần lượt 5,8%, 6,8% và 3,6%, riêng NOx tăng 2,8%. Theo đường đặc tính tải tại tốc độ mômen lớn nhất 2000 vòng/phút, tính trung bình trên toàn chế độ tải suất tiêu hao nhiên liệu giảm 3,2%, phát thải CO, HC và độ khói giảm lần lượt 2,9%, 4,4%, 2,3%, NOx tăng 1,5%. Đây là kết quả nghiên cứu bước đầu đối với nhiên liệu B5, tuy nhiên hiệu quả chưa thực sự rõ nét. Đề xuất cần nghiên cứu thêm từ thành phần phụ gia, chất HĐBM, tỷ lệ phối trộn đối với nhiên liệu này. Thử nghiệm hiện trường với xe tải trên mỏ khai thác cho thấy hầu hết các thông số lượng tiêu hao nhiên liệu và phát thải đều được cải thiện khi sử dụng DO-phụ gia với tỷ lệ 1/8000. Cụ thể, với lượng tiêu hao nhiên liệu, ở chế độ tĩnh giảm 8,2%, ở chế độ động giảm 5,0%; với các phát thải CO, độ khói giảm lần lượt 1,1%, 5,0%, đặc biệt phát thải NOx giảm tới 25,3%. 4. Kết quả của luận án là cơ sở tham khảo cho các nghiên cứu và ứng dụng phụ gia công nghệ nano nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm phát thải trên các động cơ đang lưu hành. Ngoài ra, luận án cũng đóng góp thêm vào các kết quả nghiên cứu và sử dụng biodiesel B5 ở Việt Nam. Hướng nghiên cứu tiếp theo Nghiên cứu sâu hơn cơ chế quá trình cháy của nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới trong động cơ diesel. Đánh giá độ bền của động cơ diesel đang lưu hành khi sử dụng nhiên liệu diesel pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam. 24