Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp dieselethanol

TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ BIODIESEL

Khái quát chung về nhiên liệu sinh học

NLSH, hay nhiên liệu sinh học, được hình thành từ các hợp chất nguồn gốc động vật và thực vật như mỡ động vật, dầu dừa, ngũ cốc, và chất thải nông nghiệp Việc sử dụng NLSH mang lại nhiều lợi ích như quy trình sản xuất đơn giản, khả năng tái tạo, và tăng cường hiệu quả kinh tế cho nông nghiệp, đồng thời có thể áp dụng trên động cơ thông thường mà không cần thay đổi cấu trúc nhiều NLSH chủ yếu bao gồm hai dạng: nhiên liệu dạng khí, như biogas, chứa methane và CO, và nhiên liệu dạng lỏng, bao gồm xăng sinh học và diesel sinh học Trong đó, ethanol là loại xăng sinh học phổ biến nhất, được sản xuất từ nguyên liệu như ngũ cốc và mía, trong khi diesel sinh học được chiết xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật thông qua phản ứng chuyển hóa este, có tính chất tương đương với diesel truyền thống.

Nhiên liệu ethanol và biodiesel

Ethanol (C2H5OH) là một hợp chất hữu cơ thuộc dãy đồng đẳng của ancol methylic, có màu trong suốt, mùi thơm dễ chịu và vị cay Là một dung môi linh hoạt, ethanol hòa tan trong nước và có khả năng hút ẩm, hấp thụ hơi nước trong không khí nhờ các liên kết hydro Với cấu trúc không phân cực, ethanol có khả năng hòa tan các chất không phân cực, bao gồm tinh dầu, hương liệu, màu sắc và các thành phần dược phẩm So với xăng, ethanol có những đặc điểm tính chất riêng biệt.

Trị số octan cao của ethanol giúp hạn chế hiện tượng kích nổ khi pha trộn với xăng thông dụng Xăng pha ethanol có trị số octan cao hơn xăng gốc, nhưng nhiệt lượng của ethanol chỉ bằng khoảng 0,6 lần so với xăng, do đó cần lượng ethanol gấp 1,67 lần để đạt được nhiệt năng tương đương Khi chuyển sang sử dụng ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu có hàm lượng ethanol cao, cần có biện pháp tăng lượng nhiên liệu cung cấp để duy trì công suất động cơ Áp suất bay hơi của ethanol cao hơn xăng, gây khó khăn cho việc khởi động động cơ ở nhiệt độ thấp và trong việc hòa trộn nhiên liệu với không khí Hơn nữa, khả năng bay hơi kém của ethanol có thể dẫn đến việc hình thành lớp mảng mỏng trên đường ống nạp, gây phân bổ nhiên liệu không đồng đều giữa các xy lanh trong động cơ nhiều xy lanh.

TT Đặc tính Đơn vị Giá trị

1 Nhiệt trị thể tích MJ/lít 21,1 ÷ 21,7

3 Chỉ số Octan nghiên cứu RON 106 ÷ 130

14 Mật độ giới hạn nổ % 3,5 ÷ 15

Bảng 1 1.Tính chất vật lý của ethanol [1]

Trong phân tử C2H5OH có nhóm chức hydroxyl (OH) hình thành tính chất hóa học đặc trưng của ethanol ;

- Phản ứng với kim loại kiềm : ethanol tác dụng với Na và NaNH2

- Phản ứng với axit halogen

- Phản ứng tách nước (dehydrat hóa) tạo ankan và ete

- Phản ứng dehydro hóa (tách hydro)

- Phản ứng với oxi hóa, ethanol dễ cháy, khi chảy không có khỏi và ngọn lửa có màu xanh da trời, tỏa nhiều nhiệt

- Phản ứng thế -01 bởi halogen trong photpho clorua PCI, PCI, và tionin clorua SOCI, khi có pyridine CIIN

1.2.1.3 Công nghệ sản xuất ethanol

Ethanol được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, dẫn đến việc áp dụng các phương pháp và quy trình sản xuất đa dạng Hiện nay, hai phương pháp chính được sử dụng phổ biến để sản xuất ethanol là phương pháp hydrat hóa ethylen.

Ethanol dùng trong công nghiệp thường được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ thông qua phương pháp hydrat hóa ethylen với xúc tác axit

- Với xúc tác là axit photphoric : Cho ethylen hợp nước ở 300°C áp suất

70 = 80 atm thì phản ứng hóa học như sau

CH2 = CH2 + H2O → CH3 – CH2-OH

Phản ứng hóa học với xúc tác axit sunfuric diễn ra qua hai giai đoạn: đầu tiên, etyl sunfat được hình thành, sau đó chất này phân hủy để tạo ra ethanol và tái sinh axit sunfuric.

CH3 - C H2-OSO3H + H₂O → CH3 - CH2 - OH + H2SO4

Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại như : methanol, denatonium (CH29N2O,

C7H5O2) là một chất có vị đắng, gây tê b) Phương pháp lên men

Nguyên liệu sản xuất ethanol chủ yếu từ cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột Quá trình lên men tạo ra ethanol hòa tan trong nước, do đó cần chưng cất để thu được ethanol nguyên chất, có thể đạt mức ethanol tuyệt đối.

Sắn, một nguyên liệu thế hệ thứ nhất chứa tinh bột và đường, có tỷ suất thu hồi ethanol cao nhất, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ethanol cả trong nước và xuất khẩu Quá trình sản xuất ethanol từ sắn diễn ra qua nhiều giai đoạn khác nhau.

- Giai đoạn xử lý nguyên liệu sắn đem thái lát, phơi khô và nghiền

- Giai đoạn hồ hóa - đường hóa ;

Hiện nay, trong ngành sản xuất ethanol, có hai công nghệ chính là hồ hóa - đường hóa bằng axit và bằng chế phẩm enzyme amylaza Tuy nhiên, phần lớn các nhà cung cấp công nghệ đều ưu tiên sử dụng công nghệ hồ hóa - đường hóa bằng enzyme amylaza do những lợi ích vượt trội mà nó mang lại.

Tinh bột có một lớp màng tế bào bảo vệ, khiến enzyme amylaza không thể tác động trực tiếp Khi nguyên liệu được nghiền, chỉ một lượng nhỏ tế bào tinh bột bị phá vỡ Ngoài ra, ở nhiệt độ môi trường, tinh bột không hòa tan trong nước và quá trình đường hóa diễn ra chậm do tác động của enzyme amylaza.

Quá trình hồ hóa giúp phá vỡ tế bào tinh bột, chuyển đổi tinh bột từ trạng thái không hòa tan trong nước sang trạng thái hòa tan, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đường hóa.

Quá trình đường hóa tinh bột thành đường có thể lên men được diễn ra nhờ enzyme amylaza Công nghệ enzyme này đang được phát triển mạnh mẽ bởi các nhà sản xuất hàng đầu thế giới như NOVO ENZYME (Đan Mạch) và GENENCOR (Mỹ).

- Chưng cất để tạo ethanol nguyên chất

- Tách nước để tạo ethanol khan với nồng độ trên 99,5%

Hình 1 1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn

Nguyên liệu thế hệ thứ hai cho sản xuất cồn nhiên liệu chủ yếu bao gồm phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ cà phê và thân ngô, cùng với chất thải rừng chứa gỗ như vỏ cây và thân cây Theo Viện Nghiên cứu chiến lược, chính sách Công nghiệp - Bộ Công Thương, Việt Nam có tiềm năng lớn với trữ lượng cồn nhiên liệu từ nguyên liệu này ước tính khoảng 10,9 tỷ lít, trong đó phụ phẩm nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn nhất Tuy nhiên, chi phí công nghệ chế biến cao và quy trình xử lý nguyên liệu ban đầu phức tạp, cùng với việc thu gom và phân loại nguyên liệu quy mô lớn, đang là những thách thức lớn trong việc sản xuất cồn tại Việt Nam hiện nay.

Quá trình sản xuất ethanol từ xenlulozo khác với lên men tinh bột ở việc xử lý nguyên liệu thành đường đơn cho quá trình lên men Thủy phân xenlulozo phức tạp hơn so với tinh bột do xenlulozo là tập hợp các phân tử đường liên kết thành mạch dài, với khoảng 40-60% xenlulozo và 20-40% polyme như xylo, mano, galaeto hoặc arabino Hỗn hợp xenlulozo khó hòa tan trong nước, trong khi lignin trong gỗ (chiếm 10-25%) không thể lên men do khó phân hủy sinh học, nhưng có thể được tận dụng cho các mục đích khác Để sản xuất ethanol từ xenlulozo, cần thực hiện qua 6 giai đoạn.

- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenlulozo như gỗ hoặc rơm rạ để thủy phân

- Thủy phân xenlulozo (cellulolysis) để bẻ gãy các phân tử để tạo đường

- Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (chất polyme thơm)

- Chưng cất để tạo ra ethanol nguyên chất - Khử nước để tạo ra ethanol khan với nồng độ lên đến 99,7%

Hình 1 2 Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenlulozo [2]

Diesel sinh học (Biodiesel) là nhiên liệu có tính chất tương đương với diesel khoáng, được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Về mặt hóa học, biodiesel là methyl este hoặc ethyl ester của các axit béo có trong dầu hoặc mỡ, được tạo ra thông qua quá trình ester hóa với methanol hoặc ethanol.

Nhiệt độ đông đặc của dầu thay đổi tùy thuộc vào thành phần hóa học của từng loại dầu Các giá trị này không cố định và thường nằm trong một khoảng nhất định.

Hàm lượng este là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng của nhiên liệu diesel sinh học B100 Hàm lượng este cao cho thấy quá trình este hóa chéo diễn ra hiệu quả, từ đó đảm bảo chất lượng của biodiesel.

Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel

Mỹ là quốc gia dẫn đầu thế giới về sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học, chiếm khoảng 43% tổng sản lượng toàn cầu Ethanol chủ yếu được sản xuất từ ngô, với sản lượng đạt 32 tỷ lít vào năm 2008 và mục tiêu cho năm 2022 là 137 tỷ lít Đồng thời, sản lượng diesel sinh học cũng tăng mạnh, chủ yếu từ dầu đậu nành tinh khiết, dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ động vật, với lượng tiêu thụ gần 2 tỷ gallon mỗi năm Năm 2016, tổng lượng diesel sinh học tiêu thụ tại Mỹ đạt gần 2060 triệu gallon.

Brazil sản xuất gần 25 tỉ lít ethanol từ mía đường mỗi năm Từ năm 2005 đến 2012, hơn 116 nhà máy sản xuất ethanol mới đã được đầu tư xây dựng Ngành sản xuất diesel sinh học tại Brazil vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm với một số dây chuyền có công suất từ 40-130 m³/ngày Nguyên liệu chính để sản xuất diesel sinh học bao gồm dầu đậu nành, dầu hướng dương, dầu thầu dầu và dầu thực vật đã qua sử dụng.

Sản lượng ethanol toàn cầu chủ yếu đến từ Mỹ và Brazil, chiếm khoảng 86,25% tổng sản lượng Năm 2015, Mỹ sản xuất 14.806 triệu gallons ethanol, trong khi Brazil đạt 7.093 triệu gallons Trung Quốc đứng thứ ba với sản lượng 813 triệu gallons Tổng sản lượng ethanol toàn cầu trong năm 2015 ước tính đạt khoảng 25.682 triệu gallons Thống kê và biểu đồ sản lượng ethanol toàn cầu từ 2007 đến 2015 được thể hiện trong Hình 1.4.

Hình 1 4 Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015

Khu vực EU chủ yếu sản xuất ethanol từ ngũ cốc và củ cải đường Tiêu thụ nhiên liệu sinh học (NLSH) đang tăng nhanh, với mức tăng khoảng 23% mỗi năm, nhờ vào việc áp dụng các loại nhiên liệu E5, E10 và B7 cho động cơ truyền thống, cùng với sự phổ biến ngày càng cao của động cơ cải tiến sử dụng E85 Bên cạnh đó, sự thay đổi trong chính sách về NLSH cũng góp phần làm tăng lượng tiêu thụ biodiesel, dự kiến đạt 12.650 triệu lít vào năm 2018.

Trong giai đoạn 2012 - 2021, Thái Lan đã đẩy mạnh phát triển năng lượng tái tạo nhằm tăng cường sử dụng nhiên liệu sinh học (NLSH) từ 1,1 triệu lít/ngày lên 9 triệu lít/ngày Dự báo nhu cầu sử dụng diesel sinh học sẽ tiếp tục tăng trưởng hàng năm từ 2,5% đến 2,7% trong khoảng thời gian 2018 - 2022, sau đó có khả năng giảm xuống còn 1,5% đến 2,0% sau năm 2022.

Indonesia, theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường Indonesia

(2017), lượng tiêu thụ biodiesel của nước này đã tăng từ 860 triệu lít (năm

2015) lên 3.008 tỷ lít (năm 2016) và dự kiến giảm nhẹ vào năm 2017 còn 2,8 tỷ lít [15]

Từ năm 2007, Chính phủ Việt Nam đã phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học (NLSH) với mục tiêu thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Cụ thể, đến năm 2015, NLSH sẽ đáp ứng 1% và đến năm 2025 sẽ đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu toàn quốc Để thực hiện các mục tiêu này, vào năm 2012, Chính phủ đã ban hành quyết định về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu truyền thống, trong đó xăng E5 và E10 sẽ được sử dụng tại 7 thành phố lớn vào cuối năm 2014 và 2016, sau đó sẽ được mở rộng ra toàn quốc.

Từ năm 2015 đến 2017, diesel sinh học B5 và B10 đã được khuyến khích sản xuất và sử dụng Tuy nhiên, tiến độ thực hiện lộ trình này chậm hơn dự kiến; đến đầu năm 2018, xăng sinh học E5 mới được áp dụng trên toàn quốc Hiện tại, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư đáng kể.

Tổng công suất thiết kế của các nhà máy ethanol tại Việt Nam đạt 600.000 m³/năm, với tổng đầu tư 500 triệu USD, chủ yếu tập trung ở Miền Trung - Tây Nguyên và Miền Nam Tất cả thiết bị của các nhà máy này đều được xây dựng sau năm 2007, với 100% thiết bị mới từ Châu Á và G7, và trình độ tự động hóa đạt trên 85% Đến cuối năm 2017, nhà máy ethanol Bình Phước và Dung Quất đã hoạt động trở lại, nâng tổng năng lực sản xuất ethanol lên 400.000 m³/năm, bao gồm 200.000 m³ từ hai nhà máy của Công ty TNHH Tùng Lâm, 100.000 m³ từ nhà máy Bình Phước và 100.000 m³ từ nhà máy Dung Quất Trong hai tháng đầu năm 2018, cả nước tiêu thụ 593.000 m³ xăng E5 RON 92, cần khoảng 29.650 m³ E100 để pha chế Nếu xu hướng tiêu thụ này tiếp tục, lượng xăng E5 RON 92 trong năm 2018 sẽ tăng đáng kể.

92 bán ra sẽ đạt mức 3.558.000 m Lượng E100 để pha chế là khoảng 177.900 m ’ chỉ bằng 44% mức công suất tối đa mà 4 nhà máy có thể cung cấp (400.000 m3/năm) [22].

Hướng tiếp cận của đồ án

Nhằm thực hiện mục tiêu tăng lượng tiêu thụ ethanol nêu ra ở phần

Luận án bắt đầu bằng việc pha ethanol với diesel như một phụ gia nhằm cải thiện tính chất nhiên liệu NCS đã chọn động cơ mô phỏng AVL5402 làm đối tượng nghiên cứu Dựa trên các công trình đã công bố, NCS lựa chọn một số mẫu với tỷ lệ pha diesel khác nhau Sau đó, nghiên cứu mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm AVL - Boost để xác định các thông số hiệu suất và phát thải của động cơ, từ đó tìm ra tỷ lệ pha diesel - ethanol hợp lý Cuối cùng, NCS tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel.

- ethanol 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.

Kết luận chương 1

Việc phối trộn ethanol vào diesel truyền thống tạo ra hỗn hợp nhiên liệu diesel - ethanol, giúp cung cấp nguồn năng lượng cho động cơ diesel một cách hiệu quả.

Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn trong sản xuất ethanol, với việc phối trộn ethanol vào xăng để tạo ra xăng E5 sử dụng rộng rãi trên toàn quốc Tuy nhiên, lượng ethanol sản xuất trong nước hiện vẫn còn dư thừa Do đó, bên cạnh việc thúc đẩy phát triển xăng sinh học, cần chú trọng vào việc đảm bảo an ninh năng lượng và đạt được mục tiêu của đề án phát triển nhiên liệu sinh học mà Chính phủ đã đề ra.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL- ETHANOL-BIODIESEL

Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel

Ethanol và biodiesel khi được pha trộn vào diesel khoáng sẽ làm thay đổi tính chất của nhiên liệu này Đặc biệt, ethanol có những đặc điểm khác biệt rõ rệt so với diesel Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của ethanol và biodiesel trong hỗn hợp, nghiên cứu này sẽ phân tích sự biến đổi của nhiên liệu diesel khi được pha trộn với ethanol, sau đó sẽ xem xét tác động của biodiesel khi được thêm vào tạo thành hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel.

2.1.1 Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol

Ethanol có sự khác biệt rõ rệt so với nhiên liệu diesel khoáng về các chỉ số như độ nhớt, nhiệt trị, trị số xêtan và tính bay hơi Tùy thuộc vào tỷ lệ phối trộn ethanol, các thông số của hỗn hợp diesel-ethanol sẽ thay đổi so với diesel nguyên chất Các tính chất của diesel, ethanol và các hỗn hợp DE5, DE10, DE15, DE20 được thể hiện chi tiết trong Bảng 2.1 Ở nhiệt độ môi trường, ethanol có khả năng pha trộn dễ dàng với nhiên liệu diesel.

Khi nhiệt độ xuống dưới 10°C, hai loại nhiên liệu không thể hòa tan Để khắc phục vấn đề này, có thể thêm một lượng dung môi phù hợp như tetrahydrofuran, được chiết xuất từ các vật liệu phế thải công nghiệp, hoặc ethyl acetate, được điều chế từ ethanol Tùy thuộc vào tỷ lệ ethanol pha vào diesel, tính chất của nhiên liệu diesel-ethanol sẽ thay đổi.

Bảng 2.1 Một số tính chất nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol [16]

Bảng 2.1 cho thấy độ nhớt của ethanol (1,2 cP ở 20°C) thấp hơn nhiều so với diesel (2,95 cP ở 20°C) Khi tỷ lệ ethanol tăng, độ nhớt của hỗn hợp giảm dần, với DE25 có độ nhớt giảm khoảng 28,5% so với diesel Sự giảm độ nhớt này có thể ảnh hưởng đến chất lượng tia phun và tăng khả năng rò rỉ nhiên liệu qua cặp piston-xylanh bơm cao áp.

Hình 2 1 Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến độ nhớt nhiên liệu [10]

Trị số xêtan của hỗn hợp diesel-ethanol thấp hơn so với diesel nguyên chất, với ethanol chỉ đạt trị số xêtan 8, trong khi diesel có trị số xêtan là 51,5 Sự giảm sút này diễn ra gần như theo tỷ lệ tuyến tính với mức độ ethanol trong hỗn hợp.

Thông số Diesel Ethanol DE5 DE10 DE15 DE20

Nhiệt ẩn hóa hơi (KJ/kg)

Hàm lượng oxy(% Khối lượng)

Mỗi khi thêm 5% ethanol vào hỗn hợp, trị số xêtan của hỗn hợp giảm từ 4 đến 6 đơn vị, dẫn đến việc giảm tính tự cháy và ảnh hưởng xấu đến quá trình cháy của nhiên liệu trong xylanh động cơ.

Hình 2 2 Trị số xêtan của nhiên liệu diesel-ethanol [10]

Nhiệt trị của nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ, với ethanol có nhiệt trị thấp hơn diesel khoảng 35% Khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp diesel-ethanol, nhiệt trị của hỗn hợp sẽ giảm dần; cụ thể, mỗi 5% ethanol làm giảm nhiệt trị khoảng 2% Theo bảng 2.1, với tỷ lệ DE20, nhiệt trị giảm khoảng 7,5% so với diesel Do đó, để giữ nhiệt trị không giảm quá nhiều, không nên pha ethanol với tỷ lệ cao.

Hình 2 3 Nhiệt trị của nhiên liệu diesel-ethanol.[17]

Ethanol có hàm lượng oxy cao 34,73%, vượt trội so với diesel, do đó, khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp, hàm lượng oxy cũng tăng theo Sự gia tăng này giúp cải thiện khả năng cháy hết của nhiên liệu và giảm lượng khí thải phát sinh.

Hình 2 4 Hàm lượng ô xy của hỗn hợp diesel-ethanol [16]

Do nhiệt độ chớp cháy của ethanol thấp hơn diesel, nhiệt độ chớp cháy của hỗn hợp diesel-ethanol sẽ tương đương với nhiệt độ chớp cháy của ethanol Mặc dù nhiệt độ chớp cháy không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất kỹ thuật và phát thải của động cơ, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn trong quá trình lưu trữ, bảo quản và vận chuyển nhiên liệu.

Hình 2 5 Hàm lượng ô xy của hỗn hợp diesel-ethanol [16]

Hỗn hợp diesel-ethanol có nhiệt ẩn hóa hơi cao hơn so với diesel thuần, với giá trị nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol đạt 854 kJ/kg, trong khi của diesel chỉ là 301 kJ/kg Khi tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp tăng lên, nhiệt ẩn hóa hơi cũng tăng theo, đặc biệt với DE20, nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp diesel-ethanol tăng 35% so với diesel Sự gia tăng nhiệt ẩn hóa hơi dẫn đến việc giảm nhiệt độ môi chất khi nhiên liệu bay hơi trong xylanh.

Hình 2 6 Nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol [16] 2.1.1.7 Sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc điểm phun và sự phân tán của các giọt nhiên liệu, từ đó ảnh hưởng lớn đến hiệu suất quá trình cháy Để đo sức căng bề mặt, người ta sử dụng phương pháp thực nghiệm với chất ổn định Đặc biệt, độ nhớt của ethanol thấp hơn diesel, dẫn đến sức căng bề mặt của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol thấp hơn nhiều so với nhiên liệu diesel nguyên chất.

2.1.2 Tính chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel Để cải thiện tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol, giảm sự khác biệt so với diesel, có thể phối trộn thêm biodiesel tạo hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel Tính chất của diesel, ethanol, biodiesel và một vài hỗn hợp diesel- ethanol-biodiesel được thể hiện trong Bảng 2.2

Có thể thấy hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel có tính chất gần giống diesel khoáng

Bảng 2 2 Một số tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel [19] 2.1.2.1 Trị số xêtan

Ethanol làm giảm trị số xê tan của hỗn hợp nhiên liệu, trong khi biodiesel lại có xu hướng tăng trị số xê tan nhờ vào giá trị cao của nó Nghiên cứu cho thấy rằng khi phối trộn ethanol và biodiesel với tỷ lệ tương đương, trị số xê tan của hỗn hợp sẽ đạt mức tương đương với diesel gốc Mối quan hệ này có thể được diễn đạt qua công thức cụ thể.

- 𝐶𝑁 𝑒𝑏𝑑𝑔 : là trị số xê tan của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol- biodiesel

- 𝐶𝑁 𝑑 : là trị số xê tan của nhiên liệu diesel khoáng

- 𝑛 𝑒 : là tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp theo thể tích (v/v%)

- 𝜂 𝑏𝑑 là tỷ lệ biodiesel trong hỗn hợp theo thể tích (v/v%)

Theo Bảng 2.2, trị số xê tan của DESB5 và DE15B5 giảm lần lượt 0,89% và 12,43% so với diesel Trị số xê tan của biodiesel thường phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu chế biến; biodiesel chứa nhiều axit béo mạch dài và no sẽ có trị số xê tan cao hơn.

Ethanol có khả năng giảm độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu, trong khi biodiesel lại làm tăng độ nhớt do tính chất của nó Nghiên cứu cho thấy rằng khi phối trộn ethanol và biodiesel với tỷ lệ tương đương, độ nhớt của hỗn hợp sẽ đạt mức tương đương với diesel gốc Độ nhớt động học của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel ở nhiệt độ 30°-60° có thể được tính toán theo một công thức cụ thể.

Thông số Diesel Ethanol Biodiesel DE5B5 DE10B5

- 𝜂 𝑘𝑒𝑣 : là độ nhớt động học của hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel (mm/s)

- 𝑛 𝑖 là tỷ lệ trong hỗn hợp nhiên liệu (e-ethanol, bd-biodiesel, g- diescl)

- 𝜂 𝑖 là độ nhớt của từng nhiên liệu (e-ethanol, bd-biodiesel, g- diesel)

2.1.2.3 Hàm lượng ôxy trong nhiên liệu

Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel

Để hiểu rõ ảnh hưởng của ethanol và biodiesel đến quá trình cháy của động cơ diesel, luận án đã tiến hành phân tích lần lượt quá trình cháy khi sử dụng diesel, hỗn hợp diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel.

2.2.1 Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng diesel khoáng

Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel diễn ra bên trong xylanh, nơi nhiên liệu được phun vào cuối hành trình nén với tốc độ và áp suất cao Nhiên liệu được phun qua các lỗ nhỏ trên vòi phun, tạo thành một hoặc nhiều tia phun Nhờ lực cản của khí nén trong buồng cháy, nhiên liệu bị phân tán thành những hạt nhỏ có kích thước khác nhau, phân bố không đồng đều trong xylanh động cơ.

Khi nhiệt độ và áp suất của hỗn hợp nhiên liệu vượt quá điểm tự cháy, quá trình cháy sẽ xảy ra sau một khoảng thời gian trễ tương đương với vài độ góc quay của trục khuỷu.

Quá trình cháy trong động cơ diesel tạo ra áp suất cao trong xylanh, dẫn đến việc nén mạnh phần hỗn hợp chưa cháy và rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy Điều này giúp cho phần hỗn hợp này cháy nhanh chóng, đồng thời làm giảm thời gian bay hơi của nhiên liệu lỏng còn lại Quá trình phun nhiên liệu tiếp tục cho đến khi cung cấp đủ lượng nhiên liệu cần thiết vào xylanh Tất cả nhiên liệu phun vào trải qua các giai đoạn xé tơi, bay hơi, hòa trộn với không khí và bốc cháy Trong suốt quá trình cháy và giãn nở, không khí còn lại trong xylanh liên tục hòa trộn với hỗn hợp đang cháy và đã cháy Quá trình cháy có thể chia thành 4 giai đoạn, dựa trên quy luật phun và các đại lượng liên quan như tỷ lệ phần trăm và tốc độ tỏa nhiệt.

Hình 2 7 Đồ thị khai triển quá trình cháy ở động cơ diesel [7,8]

Giai đoạn I của quá trình cháy được gọi là cháy trễ, bắt đầu từ khi vòi phun phun nhiên liệu tại điểm 1 cho đến khi đường cháy tách khỏi đường nén 2 Trong giai đoạn này, các quá trình như xé nhỏ nhiên liệu, bay hơi, hòa trộn nhiên liệu và phản ứng sơ bộ diễn ra, dẫn đến việc hình thành những trung tâm tự cháy đầu tiên Thời gian cháy trễ (ti) và góc cháy trễ (qi) là những thông số đặc trưng của giai đoạn này, phụ thuộc vào thành phần và tính chất của nhiên liệu như số xêtan và độ nhớt Ngoài ra, các yếu tố như nhiệt độ, áp suất trong xy lanh tại thời điểm phun, độ phun tơi và mức độ chuyển động rối của môi chất cũng ảnh hưởng đến thời gian cháy trễ.

Trong giai đoạn II của quá trình cháy, gọi là cháy nhanh (điểm 2 đến 3), nhiên liệu đã được hòa trộn với không khí từ giai đoạn cháy trễ, dẫn đến một quá trình cháy diễn ra rất nhanh chỉ trong vài độ góc quay trục khuỷu Tốc độ tăng áp suất Ap/Ao trong giai đoạn này rất lớn, và nếu giá trị này vượt quá mức cho phép, sẽ tạo ra các xung áp suất va đập vào bề mặt chi tiết, gây tiếng gõ và giảm tuổi thọ động cơ Quá trình cháy phụ thuộc vào lượng nhiên liệu cung cấp cũng như sự chuẩn bị vật lý và hóa học của hỗn hợp trong giai đoạn cháy trễ Nếu giai đoạn cháy trễ kéo dài và lượng nhiên liệu phun vào đủ lớn, lửa sẽ lan nhanh trong buồng cháy, làm tăng tốc độ cháy và áp suất một cách đáng kể.

Giai đoạn III của quá trình cháy diễn ra từ điểm 3 đến điểm 4, trong đó hỗn hợp nhiên liệu và không khí vừa được chuẩn bị vừa cháy, dẫn đến tốc độ cháy giảm dần và quá trình cháy diễn ra êm dịu hơn Giai đoạn này có thể so sánh với quá trình cấp nhiệt đẳng áp, trong khi toàn bộ quá trình cháy trong động cơ diesel tương tự như chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Tốc độ cháy phụ thuộc vào mức độ hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí, cũng như tốc độ chuẩn bị hỗn hợp, trong khi nồng độ oxy giảm dần cũng góp phần làm giảm tốc độ cháy.

Giai đoạn IV của quá trình cháy rớt tương tự như ở động cơ xăng, trong đó sẽ tiếp tục đốt cháy những phần hỗn hợp còn sót lại, bao gồm lớp sát vách và các khe kẽ trong buồng cháy.

Hiệu quả sinh công thấp, nhiệt sinh ra chủ yếu làm nóng các chi tiết

2.2.2 Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel- ethanol

Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol có sự tương đồng với khi dùng diesel thông thường, nhưng diễn biến chi tiết khác nhau, đặc biệt ở giai đoạn cháy trễ Hỗn hợp diesel-ethanol có trị số xê tan nhỏ hơn và nhiệt ẩn lớn hơn, dẫn đến thời gian cháy trễ kéo dài hơn so với diesel, đặc biệt ở chế độ tải nhỏ với nhiên liệu DE10 và DE30 Do thời gian cháy trễ dài hơn, áp suất trong xylanh giảm Tuy nhiên, ở chế độ tải lớn, mặc dù giai đoạn cháy trễ vẫn dài hơn, giai đoạn cháy nhanh lại diễn ra nhanh hơn do có sẵn ô xy trong nhiên liệu, dẫn đến áp suất cực đại trong xylanh cao hơn Tốc độ tỏa nhiệt cho thấy thời gian toàn bộ quá trình cháy của hỗn hợp diesel-ethanol ngắn hơn so với diesel, cải thiện hiệu suất cháy và giải thích sự gia tăng hàm lượng NOx thường thấy trong các nghiên cứu sử dụng diesel-ethanol.

Hình 2 8 So sánh áp suất trong xylanh khi sử dụng diesel và diesel- ethanol

Nghiên cứu về quá trình cháy của nhiên liệu diesel-ethanol cho thấy rằng khi so sánh với diesel, nhiên liệu diesel-ethanol (DE10 và DE30) có diện tích ngọn lửa nhỏ hơn, cho thấy sự hòa trộn kém hơn với không khí trong xylanh Cường độ sáng của ngọn lửa với diesel cao hơn, dẫn đến sự hình thành nhiều muội than hơn, trong khi ethanol giúp giảm muội than ở các vùng giàu nhiên liệu và nhiệt độ cao Thời gian cháy của diesel, DE10 và DE30 lần lượt là 69,6°, 54° và 45,6° góc quay trục khuỷu, cho thấy thời gian cháy giảm khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol.

Hình 2 10 Tốc độ cháy của nhiên liệu diese-thanol

2.2.3 Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel- ethanol-biodiesel

Quá trình cháy trong động cơ diesel sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel có các giai đoạn tương tự như khi sử dụng diesel hoặc diesel-ethanol Việc thêm biodiesel vào hỗn hợp đã cải thiện tính chất của nhiên liệu, làm cho nó gần giống với diesel hơn so với diesel-ethanol Tuy nhiên, quá trình cháy của hỗn hợp này còn phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp.

Hình 2.11 minh họa sự biến đổi áp suất trong xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp DE10B5, DE20B5, DE30B5 với hai góc phun sớm 35° và 15° Khi cùng góc phun và lượng nhiên liệu, thời gian cháy trễ với hỗn hợp ethanol cao lớn hơn so với hỗn hợp ethanol thấp do hàm lượng ethanol cao làm giảm trị số xêtan và nhiệt độ trong xy lanh Sự khác biệt về thời gian cháy trễ giữa diesel khoáng và hỗn hợp nhiên liệu trở nên rõ rệt hơn khi tăng góc phun sớm Đặc biệt, với góc phun sớm 15°, áp suất xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt tăng nhanh hơn so với góc phun sớm 35° khi sử dụng các hỗn hợp DE10B5, DE20B5.

Việc giảm góc phun sớm và hướng phun của tia nhiên liệu giúp cải thiện sự hòa trộn với không khí trong buồng cháy, dẫn đến quá trình cháy nhanh hơn nhờ áp suất và nhiệt độ cao hơn Khi giảm lượng nhiên liệu từ 8mg xuống 4mg, áp suất trong xylanh và tốc độ tỏa nhiệt giảm rõ rệt khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel so với diesel khoáng Với lượng nhiên liệu nhỏ, quá trình cháy trở nên khó khăn hơn, và nhiệt ẩn lớn của ethanol làm giảm nhiệt độ hỗn hợp khi bay hơi, ảnh hưởng đến khả năng cháy Trong số các nhiên liệu hỗn hợp nghiên cứu, DE10B5 cho thấy sự thay đổi áp suất và tốc độ tỏa nhiệt nhỏ nhất, gần giống với diesel thông thường.

2.2.3 Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel- ethanol-biodiesel

Nghiên cứu cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp

Luận án này nghiên cứu cấu trúc tia phun nhằm làm rõ ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp đến quá trình cháy trong động cơ diesel, bên cạnh các tính chất lý hóa đã được đề cập.

2.3.1 Cầu trúc của tia phun trong động cơ

Tia phun nhiên liệu trong động cơ diesel được đặc trưng bởi các thông số hình học sau:

+ Chiều dài phân rã Lạ: Chiều dài tia nhiên liệu tinh từ lỗ phun đến khi nhiên liệu lỏng phân rã thành hạt

Chiều dài chùm tia S được xác định từ thời điểm hạt nhiên liệu rời khỏi miệng vòi phun, trải qua quá trình bị xé nhỏ cho đến khi chuyển hóa thành dạng hơi.

Góc nón chùm tia 0 là góc được xác định bởi hai đường thẳng, với điểm đầu tại giao điểm của chúng ở tâm miệng lỗ Góc này có phương tiếp tuyến với biên dạng bên ngoài của tia phun.

Hình 2.12 minh họa tia phun nhiên liệu trong động cơ diesel với áp suất phun đạt 200MPA và vận tốc nhiên liệu lên tới 500m/s Khi tia phun rời khỏi lỗ phun, nó bắt đầu tách ra thành hình nón, đánh dấu sự phá vỡ đầu tiên của chất lỏng, gọi là phân rã sơ cấp Kết quả là các giọt lớn được phân bố dày đặc gần các lỗ phun.

Hình 2 12 Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón

Tóm lại, diễn biến đặc trưng của tia phun hinh nón trong động cơ diesel được chia thành ba giai đoạn:

Giai đoạn đầu tiên bắt đầu khi kim phun mở, tại đây, mặt tựa và côn kim phun có tiết diện ngang nhỏ, làm giảm lưu lượng phun và tạo ra dòng chảy rối do bọt xâm thực Vận tốc dọc trục thấp, trong khi vận tốc hướng tâm tăng mạnh, khiến góc nón phun lớn Khi vận tốc dọc trục tăng lên, góc nón phun sẽ giảm, phụ thuộc vào tốc độ mở kim Giai đoạn hai diễn ra khi kim phun mở hoàn toàn, lúc này diện tích mặt cắt ngang dòng chảy lớn hơn tổng diện tích lỗ vòi phun, và mức độ xâm thực phụ thuộc vào hình dạng lỗ, với xâm thực mạnh tạo góc nón lớn và chiều dài tia phun nhỏ Sự xâm nhập của tia phun gia tăng theo thời gian do giọt mới với động năng cao thay thế giọt bay chậm Giai đoạn ba là khi kim phun đóng dần, vận tốc phun giảm về không, dẫn đến nhiễu loạn tia phun theo chiều dọc trục.

Do tốc độ phun giảm, lực liên kết làm tăng kich thước giọt chất lòng và sự tạo sương không xảy ra

2.3.2 Cầu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu

Tinh chất hỗn hợp nhiên liệu DE10B5, DE20BS, DE30BS ảnh hưởng tới chất lượng phun được thể hiện trên Hình 2.13

Hình 2 13 So sảnh các tia phun với các tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên liệu khác nhau

Hình ảnh tia phun theo tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên liệu cho thấy hình dạng chùm tia phun nhiên liệu diesel và các hỗn hợp nhiên liệu tương tự nhau Khi xem xét chi tiết quá trình phát triển của tia phun ở áp suất 60MPA và 120MPA, có thể nhận thấy rằng trong giai đoạn đầu sau khi phun, chiều dài chùm tia diesel lớn hơn so với nhiên liệu hỗn hợp do khối lượng riêng của diesel lớn hơn, dẫn đến mô men động lượng cao hơn.

Sự khác biệt về chiều dài tia phun giữa nhiên liệu diesel và hỗn hợp nhiên liệu không đáng kể, vì chiều dài tia phun phụ thuộc vào mật độ nhiên liệu trước khi phân rã và mật độ không khí trong xylanh sau khi phân rã Đặc biệt, tia phun diesel có góc nón lớn hơn ngay khi phun, nhưng sự chênh lệch này giảm dần, cho thấy hỗn hợp nhiên liệu không ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc chùm tia phun.

Hình 2 14 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tỉnh phun

Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL Boost

Luận án này áp dụng phần mềm AVL Boost để mô phỏng và tính toán động cơ diesel sử dụng nhiên liệu hỗn hợp AVL Boost là công cụ chuyên dụng cho việc phân tích các quá trình nhiệt động và sự hình thành phát thải trong động cơ đốt trong Dưới đây là các cơ sở lý thuyết liên quan đến tính toán trong phần mềm AVL Boost.

2.4.1 Phương trình nhiệt động học

Trạng thái nhiệt động học của môi chất công tác trong xylanh động cơ được xác định trên cơ sở cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ (Hinh 2.19)

Hình 2 15 Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ

2.4.2 Lý thuyết tính toán quá trình cháy Để mô tả quá trình cháy trong động cơ diesel có nhiều mô hình khác nhau Hãng AVL đã phát triển mô hình cháy AVL MCC tính toán quy luật cháy trên cơ sở kết hợp mô hình cháy Vibe và mô hình cháy xét đến năng lượng động học rối của tia nhiên liệu Quá trình cháy trong động cơ diesel gồm 4 giai đoạn: cháy trễ, cháy nhanh, chảy chính và cháy rớt (Hình 2.7) Tuy nhiên nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tỏa ra yếu ở giai đoạn cháy nhanh và cháy chính, còn giai đoạn cháy rớt hầu như không có sự tỏa nhiệt và giai đoạn cháy rớt tốc tỏa nhiệt rất thấp, nhiệt này không sinh công mà chỉ làm nóng các chi tiết Do vậy quá trình cháy có thể được mô tả như sau:

Trong quá trình cháy trong xylanh, biến thiên nhiệt lượng tổng được biểu thị bằng dQota da, trong đó dQPMc/da là biến thiên nhiệt lượng trong giai đoạn cháy nhanh, và dQMcc/da là biến thiên nhiệt lượng trong giai đoạn cháy chính Giai đoạn cháy nhanh xảy ra ngay sau giai đoạn cháy trễ, khi phần hòa khí được chuẩn bị trước đó bốc cháy rất nhanh, dẫn đến áp suất và nhiệt độ trong xylanh tăng mạnh Tốc độ tỏa nhiệt trong giai đoạn này rất lớn, trong khi thể tích xylanh thay đổi không đáng kể, do đó giai đoạn cháy nhanh gần như diễn ra ở cấp nhiệt đẳng tích Tốc độ tỏa nhiệt trong giai đoạn này được tính toán theo công thức Vibe.

𝑄 𝑃𝑀𝐶 : tổng lượng nhiệt trong giai đoạn cháy nhanh : 𝑄 𝑃𝑀𝐶 𝑚 𝑓𝑢𝑒𝑙,𝑖𝑑 𝐶 𝑃𝑀𝐶

𝑚 𝑓𝑢𝑒𝑙,𝑖𝑑 : lượng nhiên liệu phun vào trong giai đoạn cháy trễ;

∆𝛼 𝑐 : tổng thời gian cháy nhanh; m : thông số hình dạng (m=2); a : thông số Vibe (a-6,9)

Giai đoạn này diễn ra sau giai đoạn cháy nhanh, với quá trình cháy diễn ra từ từ theo dạng khuếch tán do hòa khí vừa chuẩn bị vừa cháy Tốc độ chảy phụ thuộc vào tốc độ hòa trộn nhiên liệu và không khí, dẫn đến quá trình cháy êm dịu hơn Giai đoạn này tương tự như cấp nhiệt đẳng áp, với tốc độ cháy giảm dần do nồng độ oxy giảm Mặc dù quá trình diễn ra êm, hiệu quả biến đổi nhiệt thành công không cao, dẫn đến tỉnh kinh tế giảm, và thực tế cho thấy khoảng 50-60% lượng nhiên liệu trong chu trình cháy xảy ra ở giai đoạn này.

Tốc độ tỏa nhiệt trong giai đoạn này được tính toán theo (2.15):

𝑄 𝑀𝐶𝐶 : lượng nhiệt tích lũy trong giai đoạn MCC (kJ);

𝐶 𝑐𝑜𝑚𝑏 : hằng số cháy (kJ/kg/độ);

𝐶 𝑟𝑎𝑡𝑒 : hằng số tốc độ hỏa trộn (s), k: mật độ năng lượng động học rối (m³/s³);

𝑀 𝐹 : khối lượng nhiên liệu phun (kg);

LVC: nhiệt trị thấp (kJ/kg):

V: thể tích xylanh tức thời (m);

𝛼 ∶ góc quay trục khuỷu (độ);

𝑊𝑜𝑥𝑦𝑔𝑒𝑛,𝑎𝑣𝑎𝑖𝑙𝑎𝑏𝑙𝑒∶ : khối lượng oxy có sẵn tại thời điểm bắt đầu phun (- );

𝐶 𝐸𝐺𝑅 : hệ số luân hồi khí thải (-) EGR

Hàm số fi phụ thuộc vào lượng nhiên liệu phun vào và lượng nhiên liệu đã cháy, trong khi hàm số f đánh giá sự hòa trộn không khí - nhiên liệu, chịu ảnh hưởng lớn từ năng lượng động học Năng lượng động học này được sinh ra chủ yếu từ xoáy, lốc và tia phun, trong đó tia phun đóng vai trò quan trọng Năng lượng động học của tia phun bao gồm năng lượng rối động học và năng lượng tiêu hao; năng lượng rối động học là phần có ích cho sự hòa trộn không khí - nhiên liệu, trong khi năng lượng tiêu hao là phần mất đi do sự trao đổi năng lượng giữa bề mặt hạt nhiên liệu và không khí xung quanh.

Tổng năng lượng động học sinh ra bởi tia phun được tinh toán theo:

𝐸 𝑢 : Năng lượng động học rối sinh ra bởi tia phun tại một thời điểm góc quay trục khuỷu

𝐸 𝑑𝑖𝑠𝑠 : năng lượng động học tiêu hao;

𝐸 𝑖 : Năng lượng động học tổng

𝑑𝛼 : năng lượng động học của tia nhiên liệu khi phun vào xylanh (J/độ);

𝐶 𝑡𝑢𝑟𝑏 : hằng số đặc trưng cho năng lượng rối động học của tia phun; n: tốc độ động cơ;

𝜌 𝑓 : khối lượng riêng của nhiên liệu;

𝐴 𝑛 : diện tích tiết diện lỗ phun;

𝑑𝛼 : Lượng nhiên liệu phun vào xylanh theo góc quay trục khuỷu

Năng lượng động học tiêu hao:

6𝑛 𝐸 𝑢 (2.1) với: 𝐶 𝑑𝑖𝑠𝑠 là hằng số tổn thất, 𝐶 𝑑𝑖𝑠𝑠 =0.01𝑠 −1 Mật độ năng lượng động học rối k tính bằng:

𝐴𝐹𝑅 𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐ℎ ∶ tỉ số nhiên liệu/không khí theo lý thuyết của động cơ diesel;

𝜆 𝐷𝑖𝑓𝑓 ∶ hệ số lamda cháy khuếch tán = 1,4;

𝑀 𝐹 : lượng nhiên liệu phun vào

-Mô hình giai đoạn cháy trễ

Thời gian cháy trễ được tính toán dựa trên phương trình sau

𝐼 𝑖𝑑 : tổng tích phân thời gian cháy trễ;

𝑇 𝑟𝑒𝑓 : nhiệt độ tham chiếu, T= 505 K; ref ref

𝑇 𝑈𝐵 : nhiệt độ vùng chưa cháy (K);

𝑄 𝑟𝑒𝑓 : năng lượng hoạt động tham chiếu (J);

𝛼 𝑠𝑜𝑖 : thời điểm bắt đầu phun (độ) soi

Khi tổng tích phân 𝐼 𝑖𝑑 = 1, điều này cho thấy năng lượng hoạt động của môi chất trong xilanh tương đương với năng lượng cần thiết để hỗn hợp tự cháy Từ đó, góc a được xác định và thời gian cháy trễ được tính theo công thức.

Giai đoạn cháy trễ được đặc trưng bởi thời gian cháy trễ (s) và góc cháy trễ (độ), phụ thuộc vào thành phần và tính chất của nhiên liệu như trị số Xetan và độ nhớt Thời gian cháy trễ còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất trong xylanh tại thời điểm phun, độ phun tơi và mức độ chuyển động rối của môi chất Việc khảo sát cháy trễ gặp khó khăn do tính phức tạp của các hệ số và phương trình liên quan trong mô phỏng Đối với các nhiên liệu khác nhau, có thể điều chỉnh hệ số hiệu chỉnh thời gian cháy trễ, tham số cháy và hệ số cháy nhanh, nhưng cần kết hợp với kết quả thực nghiệm để lựa chọn hợp lý Tóm lại, các hệ số trong các mô hình cần được hiệu chỉnh dựa trên kết quả thực nghiệm.

2.4.3 Lý thuyết tính toán truyền nhiệt

Quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành xylanh, piston, nắp máy ra ngoài được tính toán dựa vào phương trình truyền nhiệt sau

- 𝑄 𝑊𝑖 nhiệt lượng truyền cho thành xylanh, piston, nắp máy

- 𝐴 𝑖 : diện tích truyền nhiệt (thành xylanh, piston, nắp máy)

- 𝛼 𝑊 : hệ số trao đổi nhiệt

- 𝑇 𝑐 : nhiệt độ môi chất trong xylanh

- 𝑇 𝑊𝑖 : nhiệt độ thành xylanh, piston, nắp máy

Mô hình tính toán xác định hệ số truyền nhiệt trong bài toán mô phỏng chu trinh công tác của động cơ được sử dụng là mô hình Woschni

1978 Do mô hình Woschni 1978 sử dụng cho động cơ diesel cỡ nhỏ, phun trực tiếp, buồng cháy thống nhất Hệ số truyền nhiệt của mô hình Woschni

1978 tính cho quá trình nén và cháy giãn nở theo phương trình sau:

- 𝐶 2 = 0.00324 đối với động cơ phun trực tiếp (-)

- 𝐶 3 = 0.00622 đối với động cơ phun gián tiếp (-)

- D : đường kính xylanh (m); cm: tốc độ trung bình của piston (m/s)

- 𝐶 𝑢 : tốc độ tiếp tuyến; (𝐶 𝑢 =𝜋 𝐷 𝑛 𝑑 /60, với 𝑛 𝑑 - tốc độ xoáy của môi chất,

- 𝑉 𝐷 : thể tích công tác của 1 xylanh (m³);

- 𝑝 𝑐 : áp suất môi chất trong xylanh (bar)

- 𝑝 𝑐,𝑣 : áp suất xylanh ở chế độ động cơ bị kéo (bar)

- 𝑇 𝑐,1 : nhiệt độ môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupáp nạp (K)

- 𝑃 𝑐,1 : áp suất môi chất trong xylanh tại thời điểm đóng xupáp nạp (K)

Truyền nhiệt tại cửa nạp, thải пар,

Trong quá trình trao đổi khí, sự truyền nhiệt tại các cửa nạp thái diễn ra mạnh mẽ do hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ trong vùng giữa xupáp và để xupáp cao Mô hình mô tả quá trình truyền nhiệt này rất quan trọng để hiểu rõ hơn về hiệu suất hoạt động của động cơ.

2.4.4 Lý thuyết tính toán lượng phát thải trong động cơ diesel

2.4.4.1 Mô hình tinh toán hàm lượng phát thải CO

Mô hình tính toản hàm lượng phát thải CO dựa trên hai phản ứng sau:

Nồng độ CO được tính toán theo công thức:

Trong đó (CO), là hàm lượng cân bằng của CO và các giá trị tốc độ

2.4.4.2 Mô hình tính toán hàm lượng phát thải NO x

Quá trình hình thành của chúng được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich được trình bày trong Bảng 2.3

Bảng 2 3 Chuỗi phản ứng hình thành NO x

Hệ số tốc độ của mô hình:

Sự hình thành khí NO được tính toán dựa trên các thông số đầu vào như tốc độ động cơ, loại nhiên liệu, áp suất và nhiệt độ Ngoài ra, hệ số dư lượng không thể tính toán được cũng bắt đầu từ thời điểm cháy khởi phát Nồng độ NO và O được xác định theo công thức cụ thể.

𝑅𝑇 ] (2.30) Tốc độ hình thành NOx được tính như sau:

𝑅𝑇 (2.31) Tốc độ phân huỷ NO [mol/cm') được tính toán như sau:

2.4.4.3 Mô hình tính toán hàm lượng Soot

- 𝐴 𝑓𝑜𝑟𝑚 : hệ số hình thành soot (-)

- 𝜏 𝑐ℎ𝑎𝑟 : đặc tính thời gian (độ)

- 𝑚 𝑓𝑢𝑒𝑙 : lượng nhiên liệu đốt cháy (kg)

- 𝑇 𝑎−𝑓𝑜𝑟𝑚 : nhiệt độ kích hoạt – hình thành soot (K)

- 𝑇 𝑎−𝑜𝑥 : nhiệt độ kích hoạt – oxi hóa soot (K)

- 𝑇 𝑎𝑣𝑒 : nhiệt độ trung bình trong xilanh (K)

- 𝑝 𝑐𝑦𝑙 /𝑝 𝑟𝑒𝑓 : áp suất tiêu chuẩn trong xilanh (-)

- 𝑝 𝑂2 /𝑝 𝑂2𝑟𝑒𝑓 : áp suất oxi tiêu chuẩn (-)

Trong quá trình tính toán, việc định nghĩa đầy đủ các tính chất lý, hóa và nhiệt của nhiên liệu là rất quan trọng Điều này bao gồm các thông tin như công thức hóa học và tỷ lệ khối lượng của các thành phần.

C, O, H, nhiệt trị của nhiên liệu Đồng thời, các thông số nhiệt động của phản ứmg cháy nhiên liệu với không khí được xác định theo các phương trình sau đây :

4 𝑇 4 + 𝑎 7 (2.38)Trong đó, 𝐶 𝑝 , là nhiệt dung riêng đẳng áp: 𝐻 0 và S° lần lượt là entanpy và entropy; 𝑎 1 , đến 𝑎 7 , là các hệ số được xác định riêng cho mỗi loại nhiên liệu.

Cơ sở phương pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động cơ

Các động cơ hiện đại được thiết kế tối ưu với các thông số kết cấu và điều chỉnh, đồng thời trang bị hệ thống xử lý khí thải để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt Đối với động cơ diesel, tiêu chuẩn khí thải Euro 5a, áp dụng tại Châu Âu từ năm 2009, quy định giới hạn cho các thành phần HC, CO, NOx, khối lượng chất thải hạt PM và độ khói cho động cơ diesel hạng nặng Tiêu chuẩn Euro 5b, áp dụng từ năm 2011 cho động cơ diesel xe hạng nhẹ, tiếp tục thắt chặt các yêu cầu này.

Vào năm 2013, tiêu chuẩn khí thải cho động cơ diesel xe hạng nặng tại Châu Âu không chỉ giới hạn khối lượng hạt PM mà còn bổ sung giới hạn về số lượng hạt, nhằm cải thiện độ chính xác đo lường Đặc biệt, các động cơ từ Euro 5 thải ra khối lượng hạt PM rất nhỏ, dẫn đến khó khăn trong việc đo khối lượng Tuy nhiên, thành phần và kích thước của các hạt thải có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo Do đó, phương pháp lấy mẫu và đếm số lượng hạt được quy định thống nhất trong tiêu chuẩn Trong khuôn khổ nghiên cứu, động cơ diesel đang lưu hành với tiêu chuẩn khí thải thấp đã được thử nghiệm, và hệ thống lấy mẫu cùng với phép đo số lượng hạt đã được phát triển tại Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải Kết quả đo khói và số lượng hạt trong khí thải giúp đánh giá định lượng ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel đến phát thải hạt của động cơ diesel.

2.5.1 Thành phần và phân bố hạt theo kích thước

Phát thải dạng hạt P-M là những thực thể không phải nước, được tạo ra khi khí thải hòa trộn với không khí ở nhiệt độ dưới 51,7°C và được tách ra bằng bộ lọc quy định Trong khí thải động cơ diesel, phát thải dạng hạt có thành phần phức tạp, bao gồm các hạt rắn và hợp chất hữu cơ từ nhiên liệu và dầu bôi trơn, cùng với các hạt sunphat Các hạt rắn chủ yếu là cacbon tự do, tro (bồ hóng), chất phụ gia dầu bôi trơn, và các hạt mài mòn Hình 2.16 minh họa sự kết hợp giữa các hạt rắn (cacbon) và các hợp chất hữu cơ, dầu bôi trơn, cùng với hạt sunphat trong quá trình cháy.

Hình 2 16 Thành phần phát thải hạt được tạo ra trong quá trình cháy

Dựa trên kích thước đường kính khí động học, phát thái dạng thường được phân loại thành bốn loại chính Các loại này được biểu diễn trên đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa số lượng, diện tích bề mặt và khối lượng hạt tương ứng với đường kính hạt.

- Hạt nano (Nanoparticles): gồm các hạt có đường kính nhỏ hơn 50nm

- Hạt siêu mịn (Ultrafine particles): gồm các hạt có đường kính nhỏ hơn 100nm

- Hạt mịn (Fine particles), còn gọi là PM2,5: gồm các hạt có đường kinh nhỏ hơn 2,5àm

- Hạt PM10: gồm các hạt có đường kinh nhỏ hơn 10um

Khí thải từ động cơ khi ra ngoài sẽ được pha loãng và hòa trộn với không khí xung quanh Dựa vào điều kiện nhiệt độ và độ ẩm, các thành phần hữu cơ trong khí thải có thể ngưng tụ và bám dính vào bề mặt các hạt rắn Những hạt rắn này cũng có khả năng kết tụ lại với nhau, tạo thành các khối tích tụ Theo đường kính khí động, phát thải dạng hạt được phân chia thành ba vùng khác nhau.

Vùng hạt lõi/hạt nhân (Nucleation) có kích thước dưới 30 nm, với số lượng hạt tập trung chủ yếu trong khoảng 10-20 nm Các hạt nhân chủ yếu là hợp chất hữu cơ ngưng tụ và một số ít hạt rắn carbon Tùy thuộc vào công nghệ động cơ và phương pháp lấy mẫu, số lượng hạt trong vùng này có thể chiếm hơn 90% tổng số lượng hạt, nhưng khối lượng chỉ chiếm từ 0,1 đến 10% tổng khối lượng hạt Diện tích bề mặt của hạt này cũng chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng diện tích bề mặt hạt trong khí thải.

Vùng hạt tích tụ có kích thước từ 30 đến 500 nm, tập trung chủ yếu ở khoảng 100-200 nm với các hạt mịn, siêu mịn và một phần hạt nano Thành phần chính của vùng này là các hạt carbon, kèm theo một lượng nhỏ tro kim loại và các hợp chất như sunphat hấp thụ trên bề mặt hạt Mặc dù số lượng hạt nhỏ trong vùng tích tụ ít, nhưng chúng chiếm tỷ lệ lớn về khối lượng và diện tích bề mặt Ngược lại, vùng hạt thô có kích thước trên 500 nm, với số lượng hạt không đáng kể, chiếm khoảng 5-30% tổng khối lượng hạt Vùng này chủ yếu bao gồm các hạt mài và hạt bong tróc từ thành vách xy lanh, đường thải và đường lấy mẫu, không phải là các hạt hình thành từ quá trình cháy trong động cơ.

Hình 2 17 Phản bố số tượng, khối lượng, diện tich bề mặt theo đường kinh hạt 2.5.2 Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lượng hạt

Số lượng hạt hình thành từ ngưng tụ các hợp chất hữu cơ nhạy cảm với nhiệt độ và độ ẩm không khí, ảnh hưởng đến độ chính xác đo lường Do đó, trong quá trình lấy mẫu, cần loại bỏ các hợp chất hữu cơ và chỉ thực hiện đếm số lượng hạt rắn trong khí thải Hệ thống lấy mẫu bao gồm ba bộ phận chính: bộ pha loãng thứ nhất, ống bay hơi và bộ pha loãng thứ hai.

Hình 2 18 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lấy mẫu xác định số hượng hạt trong khi thải

Khí thải từ động cơ được dẫn vào bộ pha loãng thứ nhất, nơi thực hiện việc pha loãng với không khí sạch và sấy khí thải ở nhiệt độ từ 150 - 400°C nhằm giảm tỷ lệ và làm bay hơi các hợp chất hữu cơ Sau đó, khí mẫu tiếp tục được chuyển đến ống bay hơi, nơi nhiệt độ được nâng lên 300-400°C để hoàn toàn bay hơi các hợp chất hữu cơ Cuối cùng, bộ pha loãng thứ hai tiếp tục pha loãng mẫu với không khí sạch, giảm tỷ lệ hợp chất hữu cơ và ngăn ngừa hiện tượng ngưng tụ, đồng thời hạ nhiệt độ mẫu trước khi vào thiết bị đếm hạt.

Kết luận chương 2

Ethanol có tính chất khác biệt so với diesel khoáng như độ nhót thấp, nhiệt trị thấp, trị số xêtan thấp và tính bay hơi cao, dẫn đến sự thay đổi trong tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol so với diesel gốc Sự phối trộn này ảnh hưởng đến quá trình cháy động cơ, làm tăng thời gian cháy trễ và thay đổi cấu trúc chùm tia phun Nghiên cứu cho thấy quá trình cháy trong động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol tương tự như khi sử dụng diesel khoáng, nhưng do tính chất nhiên liệu khác nhau, thời gian chảy trễ và diễn biến áp suất trong xylanh có sự khác biệt Luận án đã chọn phần mềm AVL Boost để mô phỏng động cơ diesel với nhiên liệu hỗn hợp, đây là phần mềm hiện đại chuyên dụng cho tính toán các quá trình nhiệt động và hình thành phát thải trong động cơ đốt trong Luận án cũng trình bày cơ sở lý thuyết về một số mô hình chính trong phần mềm, bao gồm mô hình cháy AVL MCC, mô hình truyền nhiệt, mô hình nhiên liệu và mô hình tính toán hàm lượng phát thải.

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG KĨ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-