(LUẬN án TIẾN sĩ) nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong động cơ diesel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ DƯƠNG QUANG MINH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-BIODIESEL CĨ TỶ LỆ PHA TRỘN CAO TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ DƯƠNG QUANG MINH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-BIODIESEL CÓ TỶ LỆ PHA TRỘN CAO TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS Nguyễn Hoàng Vũ TS Nguyễn Năng Thắng HÀ NỘI – NĂM 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan Luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Luận án có sử dụng phần kết tơi nhóm nghiên cứu thực đề tài NCKH &PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với mức pha trộn khác nhau”, mã số: ĐT.08.14/NLSH, Chủ nhiệm đề tài PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ, tổ chức chủ trì Học viện Kỹ thuật Quân sự, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, Bộ Cơng thương quản lý Tôi Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng phần kết đề tài vào việc viết luận án Tôi xin cam đoan số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu trích dẫn ghi quy định Tác giả luận án Dương Quang Minh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Phòng sau Đại học, Khoa Động lực/Học viện Kỹ thuật Quân tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ suốt trình làm luận án Tơi xin chân thành biết ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình làm luận án Tơi xin cảm ơn tập thể cán hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn Hoàng Vũ, TS Nguyễn Năng Thắng tận tình hướng dẫn khoa học tạo điều kiện thuận lợi để NCS hồn thành luận án Đặc biệt, tơi xin chân thành cảm ơn PGS-TS Nguyễn Hoàng Vũ, Chủ nhiệm Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH (thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025) tạo điều kiện để NCS tham gia số nội dung nghiên cứu đề tài nhằm thu thập liệu để hoàn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Phịng thí nghiệm Nghiên cứu Quá trình cháy Phun nhiên liệu (Combustion and Spray Laboratory) Viện Năng lượng Động lực/ĐH Giao thơng Tây An - Trung Quốc, Phịng thí nghiệm Động đốt thuộc Viện Cơ khí Động lực - ĐH Bách khoa Hà nội, Phịng thử nghiệm Xăng-Dầu-Khí Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng (Quatest 1) tạo điều kiện thuận lợi để NCS hoàn thành nội dung nghiên cứu thực nghiệm luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy thuộc Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực/Học viện KTQS chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí - Động lực ngồi Học viện đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho NCS q trình thực hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến tất bạn bè, đồng nghiệp người thân gia đình động viên giúp đỡ tơi nhiều trình thực luận án Nghiên cứu sinh Dương Quang Minh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang i ii iii vii x xii MỞ ĐẦU Mục đích phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Loại nhiên liệu sử dụng Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục luận án 2 2 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu biodiesel 1.2 Đặc tính cháy nhiên liệu diesel 6 1.3 Sự thay đổi thuộc tính/đặc tính biodiesel theo tỷ lệ pha trộn 1.4 Ảnh hưởng thuộc tính nhiên liệu đến đặc tính cháy nhiên liệu xi lanh 1.5 Tình hình nghiên cứu đặc tính cháy hỗn hợp diesel-biodiesel 1.5.1 Trên giới 1.5.2 Tại Việt Nam 1.6 Kết luận Chương 14 17 17 20 24 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 26 2.1 Các vấn đề chung 2.2 Nguồn gốc phương pháp pha chế hỗn hợp diesel-biodiesel 2.3 Xác định số thuộc tính hỗn hợp diesel-biodiesel 2.3.1 Xác định số thuộc tính hóa-lý 2.3.1.1 Mục đích 2.3.1.2 Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 26 26 26 26 26 27 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iv 2.3.1.3 Quy trình thực nghiệm 2.3.1.4 Kết nhận xét 2.3.2 Xác định nhiệt độ tự bốc cháy 2.3.2.1 Mục đích 2.3.2.2 Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 2.3.2.3 Quy trình thực nghiệm 2.3.2.4 Kết nhận xét 2.3.3 Xác định tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, tỷ lệ A/F 2.3.3.1 Mục đích 2.3.3.2 Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 2.3.3.3 Quy trình thực nghiệm 2.3.3.4 Kết nhận xét 2.3.4 Xác định trị số xê tan 2.3.4.1 Mục đích 2.3.4.2 Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 2.3.4.3 Quy trình, chế độ thực nghiệm đo trị số xê tan theo TCVN 7630:2013 (ASTM D613) 2.3.4.4 Kết nhận xét 2.4 Xác định số đặc tính cháy hỗn hợp diesel-biodiesel 2.4.1 Xác định tốc độ cháy tầng nhiên liệu 2.4.1.1.Mục đích 2.4.1.2 Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 2.4.1.3 Chế độ thực nghiệm 2.4.1.4 Kết nhận xét 2.4.2 Xác định thời gian cháy trễ hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel Shock Tube 2.4.2.1 Mục đích 2.4.2.2 Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 2.4.2.3 Chế độ thực nghiệm 2.4.2.4 Kết nhận xét 2.4.3 Xác định thời gian cháy trễ hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel xi lanh động 2.4.3.1 Mục đích 2.4.3.2 Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 2.4.3.3 Chế độ thực nghiệm xác định đặc tính cháy nhiên liệu xi lanh 2.4.3.4 Kết nhận xét 27 27 29 29 29 30 30 31 31 31 33 33 34 34 35 37 38 40 40 40 40 42 43 44 44 45 47 47 49 49 50 51 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com v 2.5 Kết luận Chương 56 CHƯƠNG XÂY DỰNG CÔNG THỨC DỰ BÁO THỜI GIAN CHÁY TRỄ CỦA HỖN HỢP DIESEL-BIODIESEL 58 3.1 Các vấn đề chung 3.2 Tổng quan công thức dự báo thời gian cháy trễ 3.3 Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ ứng với điều kiện nhiệt động ống xung kích (Shock Tube) 3.4 Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ với điều kiện nhiệt động động diesel 3.4.1 Đánh giá số công thức xác định thời gian cháy trễ ứng với liệu thực nghiệm thu động diesel CFR-F5 3.4.1.1 Với diesel dầu mỏ (B0) 3.4.1.2 Với hỗn hợp diesel-biodiesel 3.4.2 Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ với điều kiện nhiệt động động diesel 3.4.3 Đánh giá công thức xác định thời gian cháy trễ NCS xây dựng ứng với liệu thực nghiệm thu động diesel CFR-F5 58 58 60 3.5 Kết luận Chương 76 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHA TRỘN ĐẾN ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU TRONG XI LANH ĐỘNG CƠ DIESEL CFR-F5 77 4.1 Vấn đề chung 4.2 Xây dựng mô hình mơ chu trình cơng tác động CFR-F5 phương pháp cân lượng 4.2.1 Mô hình hóa q trình cơng tác động 4.2.2 Xác định thời gian cháy trễ, mơ hình cháy 4.2.2.1 Xác định thời gian cháy trễ nhiên liệu 4.2.2.2 Xác định mơ hình cháy 4.2.3 Xác định hệ số tỏa nhiệt tốc độ trao đổi nhiệt đối lưu môi chất công 77 77 tác với bề mặt trao đổi nhiệt 4.2.3.1 Xác định nhiệt lượng trao đổi môi chất công tác với bề mặt trao đổi nhiệt 4.2.3.2 Xác định hệ số trao đổi nhiệt 4.2.4 Xác định lượng khí vào/ra qua họng xu páp nạp/thải q trình trao đổi khí 4.2.5 Xác định khối lượng khơng khí sản vật cháy xi lanh 64 64 64 67 70 75 77 80 80 80 82 82 84 84 86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vi 4.2.6 Hệ phương trình vi phân mơ q trình cơng tác động 4.2.7 Lựa chọn phần mềm mô 4.2.8 Các thông số thời điểm bắt đầu mơ 4.2.9 Chế độ, trình tự tính tốn mơ 4.2.10 Đánh giá, hiệu chỉnh mơ hình mơ chu trình cơng tác 4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy nhiên liệu xi lanh động diesel CFR-F5 4.3.1 Ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn đến thời gian cháy trễ 4.3.2 Ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn đến quy luật cháy, tốc độ cháy 4.3.3 Ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn đến quy luật tỏa nhiệt tốc độ tỏa nhiệt 87 87 88 89 92 95 95 96 99 4.3.4 Ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn đến thời điểm đặc biệt trình cháy 4.3.5 Ảnh hưởng tỷ lệ pha trộn đến diễn biến tốc độ gia tăng áp suất xi lanh 101 103 4.4 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy nhiên liệu xi lanh động diesel CFR-F5 4.4.1 Thời gian cháy trễ 4.4.2 Ảnh hưởng việc dự báo thời gian cháy trễ đến quy luật cháy, tốc độ cháy 4.4.3 Ảnh hưởng việc dự báo thời gian cháy trễ đến quy luật tỏa nhiệt, tốc độ tỏa nhiệt 4.4.4 Ảnh hưởng việc dự báo thời gian cháy trễ đến thời điểm đặc biệt 106 trình cháy 4.4.5 Ảnh hưởng việc dự báo thời gian cháy trễ đến diễn biến tốc độ gia tăng áp suất xi lanh 106 107 109 111 113 4.5 Kết luận Chương 116 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO CÁC PHỤ LỤC 118 120 121 128 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu ASTM B0 (DO) Diễn giải Hiệp hội Vật liệu Thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials) Nhiên liệu diesel dầu mỏ Biodiesel Nhiên liệu diesel sinh học Bxx CTCT Nhiên liệu diesel nguồn gốc hóa thạch hịa trộn với nhiên liệu diesel sinh học, đó, B thể hỗn hợp diesel-biodiesel, x thể tỷ lệ % theo thể tích diesel sinh học hỗn hợp Động diesel thử nghiệm trị số xê tan (Cooperative Fuel Research) Chu trình cơng tác TGCT Thời gian cháy trễ CFR Đơn vị Độ GQTK, ms, s CA5, CA10, Giá trị GQTK tương ứng với 5, 10, 50, 90% tổng lượng CA50,CA90 nhiệt cung cấp cho chu trình giải phóng CN Trị số xê tan đo thực nghiệm (Cetane Number) CI Chỉ số xê tan tính tốn lý thuyết (Cetane Index) ĐCĐT Động đốt ĐCD Điểm chết ĐCT Điểm chết EU Liên minh Châu Âu (European Union) FAME Este metyl a xít béo (Fatty acid methyl esters) gct Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình gi Suất tiêu hao nhiên liệu thị ηi Hiệu suất thị pi Áp suất thị trung bình pi bar Ni Cơng suất thị kW GPS Góc phun sớm độ GQTK Góc quay trục khuỷu độ GQTC Góc quay trục cam độ HC Hydrocacbon HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu ISO KH&CN Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Organization for Standardization) Khoa học cơng nghệ LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas) g/ct g/kW.h LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com viii Me Mô men xoắn có ích N.m n Tốc độ vịng quay trục khuỷu vg/ph nc Tốc độ vòng quay trục cam bơm cao áp vg/ph NCKH Nghiên cứu khoa học NCS Nghiên cứu sinh Ne Cơng suất có ích NLSH Nhiên liệu sinh học NOx Các xít ni tơ MLR Phương pháp hồi qui đa biến (Multiple linear regression) PTCGĐB Phương tiện giới đường PTCGQS Phương tiện giới qn PTN Phịng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu QTCN Quy trình cơng nghệ Quatest Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng TSN Tỷ số nén TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TSKT Tiến sĩ kỹ thuật 𝜙 Tỷ lệ tương đương  Hệ số tỏa nhiệt i Thời gian cháy trễ ∆τimin Sai số tương đối nhỏ thời gian cháy trễ ∆τimax Sai số tương đối lớn thời gian cháy trễ Rμ Hằng số phổ biến khí lý tưởng, để tránh làm phức tạp cơng thức LATS Rμ ký hiệu R, R = 8,314 Khoảng thời gian cháy z pxl kW W/m2 K Độ GQTK, ms, s [kJ/mol.K] Độ GQTK Áp suất xi lanh bar pxl max Giá trị áp suất lớn xi lanh bar dp/d dp/dφ max Tốc độ tăng áp suất xi lanh bar/độ GQTK Giá trị tốc độ tăng áp suất lớn xi lanh bar/độ GQTK Q Quy luật tỏa nhiệt xi lanh kJ Q max Lượng nhiệt tỏa lớn xi lanh kJ dQ/dφ Tốc độ tỏa nhiệt xi lanh kJ/độ GQTK dQ/dφ max Tốc độ tỏa nhiệt lớn xi lanh kJ/độ GQTK LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com UAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com UAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... đặc tính liên quan đến q trình cháy nhiên liệu diesel; Tỷ lệ pha trộn thay đổi thuộc tính, đặc tính hỗn hợp dieselbiodiesel theo tỷ lệ pha trộn; Ảnh hưởng thuộc tính nhiên liệu đến đặc tính cháy. .. Việc ? ?Nghiên cứu đặc tính cháy hỗn hợp nhiên liệu diesel- biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao động diesel? ?? có ý nghĩa khoa học thực tiễn nhằm phục vụ cho nghiên cứu chuyên sâu trình cháy hỗn hợp biodiesel; ... QUANG MINH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL- BIODIESEL CĨ TỶ LỆ PHA TRỘN CAO TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT