NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNGETHANOL - BUTANOL

Kinh Tế - Quản Lý - Kỹ thuật - Kỹ thuật ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN TRÀNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNGETHANOL - BUTANOL Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60520116 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 Công trình đƣợc hoàn thành tại TRỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGỜI HỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS TRẦN VĂN NAM Phản biện 1: TS. Lê Minh Tiến Phản biện 2: TS. Hồ Sĩ Xuân Diệu Luận văn sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Họp tại Trƣờng Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 10 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trƣờng Đại học Bách khoa  Thƣ viện Khoa cơ khí giao thông, Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. Song song với sự phát triển kinh tế - xã hội, thì năng lƣợng và môi trƣờng cũng là một vấn đề đang đƣợc quan tâm. Chính sách năng lƣợng và môi trƣờng luôn đƣợc đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến lƣợc phát triển đất nƣớc. Việt Nam đang nằm trong bối cảnh chung của thế giới, đó là sự cạn kiệt dần về năng lƣợng (xăng, dầu, khí đốt.vv...) và sự ô nhiễm môi trƣờng. Trong tƣơng lai những nguồn nhiên liệu hoá thạch (xăng, dầu, khí đốt vv...) sẽ dần dần bị cạn kiệt và đây đang là một trong những vấn đề nóng bỏng của cả thế giới. Với mức độ tiêu thụ hiện tại, khối lƣợng này sẽ chỉ đủ dùng trong khoảng 40 đến 50 năm nữa. Bảng 1: Dự đoán lượng tiêu thụ năng lượng dến năm 2030 20 Dạng năng lƣợng Thực tế Dự tính Tỷ lệ tăng 1971 2000 2010 2030 Dầu mỏ 2.450 3.604 4.272 5.769 1,6 49,0 39,3 38,4 37,8 Than đá 1.149 2.355 2.702 3.606 1,4 29,0 25,7 24,3 23,6 Khí thiên nhiên 895 2.085 2.797 4.203 2,4 17,9 22,7 25,1 27,5 Nguyên tử 29 674 753 703 0,1 0,6 7,3 6,8 4,6 Sức nƣớc 104 228 274 366 1,6 2,0 2,5 2,5 2,4 Năng lƣợng khác 73 233 336 618 3,3 1,5 2,5 3,0 4,0 Tổng 4.999 9.179 11.132 15.267 1,7 2 Hình 1: Biểu đồ lượng tiêu thụ và dự đoán theo nguồn năng lượng thế giới. Theo công bố của Cục đăng kiểm Việt Nam kết quả về khảo sát và nghiên cứu về môi trƣờng đô thị thì hầu hết các loại khí độc hại nhƣ HC, CO, CO2, SO2, NOx trong môi trƣờng không khí tại các đô thị Việt Nam đều vƣợt tiêu chuẩn cho phép. Ở những nơi mật độ giao thông cao, những điểm thƣờng có tình trạng ùn tắc giao thông thƣờng xuyên thì mức độ ô nhiễm và các chất độc hại trên tăng gấp hơn hai lần so với tiêu chuẩn cho phép. Một trong những tác nhân gây ra ô nhiễm không khí chính là khí xả của động cơ bao gồm: khí thải do đốt cháy nhiên liệu, bụi và tiếng ồn. Trong đó, khí thải do đốt nhiên liệu có mức độ gây ô nhiễm môi trƣờng lớn nhất. .. Hình 2: Thực trạng ô nhiễm môỉ trường hiện nay 37 3 Môi trƣờng không khí bị ô nhiễm đã và đang gây hại đến sức khỏe con ngƣời đồng thời gây thiệt hại cho nền kinh tế. Trƣớc thực trạng lƣợng xe cơ giới ngày một tăng, trong một vài năm tới Việt Nam muốn giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng không khí thì cách tốt nhất là phải kiểm soát đƣợc việc phát thải của các phƣơng tiện cơ giới tham gia giao thông mà trong đó việc thử nghiệm sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học cũng là một vấn đề góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng. Lộ trình và đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ.. Ngày 22 tháng 11 năm 2012, Thủ tƣớng Chính phủ đã có quyết định Số: 532012QĐ- TTg “Về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống”. Theo đó từ ngày 01 tháng 12 năm 2015 xăng đƣợc sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E5 và từ ngày 01 tháng 12 năm 2017 là xăng E10. Trƣớc đó theo “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” thì đến năm 2025 sản lƣợng nhiên liệu sinh học (ethanol và biodiesel) đạt khoảng 5 nhu cầu xăng dầu của cả nƣớc, nghĩa là cần phải sử dụng “xăng E30” làm nhiên liệu cho các phƣơng tiện cơ giới. Lộ trình sử dụng xăng sinh học E5 và E10 là cơ sở thực tế để tiến tới nâng cao tỷ lệ phối trộn ethanol trong xăng sinh học. Tuy nhiên ethanol với tính chất có nhiệt ẩn hóa hơi lớn và có nhiệt trị thấp hơn xăng nên khi tăng cao (trên 15) tỷ lệ phối trộn của ethanol trong xăng sinh học cần giải quyết một số vấn đề nhƣ tăng lƣợng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo công suất động cơ, giảm nguy cơ ngƣng tụ của ethanol trên đƣờng nạp và cải thiện khả năng bay hơi của ethanol để đảm bảo tính khởi động lạnh và tăng tốc của động cơ. Những thay đổi trên làm cho nhiên liệu không còn phù hợp với động cơ, nên cần có một số thay đổi về kết cấu động cơ nhƣ thay đổi góc đánh lửa, góc phun nhiên liệu v.v.... Hoặc cần phải có một dung môi để cải thiện những nhƣợc điểm trên của nhiên mà không cần thay đổi kết cấu của động cơ, và dung môi đó chính là Butanol. Một 4 trong những dung môi phù hợp nhất vì các ƣu điểm của nó khắc phục đƣợc nhƣợc điểm trên làm cho tỷ lệ phối trộn cồn trong xăng đƣợc nâng cao góp phần bảo đảm an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng. Đó chính là lí do tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần khí thải của động cơ sử dụng xăng ethanol –butanol”. Đây là vấn đề cần thiết phải nghiên cứu thực nghiệm nhằm chứng minh đƣợc những cơ sở lý thuyết của việc ứng dụng ethanol, butanol cho động cơ xăng, góp phần nâng cao tỷ lệ phối trộn cồn trên 15 đảm bảo an ninh năng lƣợng, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng cho động cơ sử dụng xăng sinh học. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. Xác định độ phát thải của động cơ đánh lửa cƣỡng bức sử dụng nhiên liệu Xăng Ethanol - Butanol so với xăng E5. 3. ĐỔI TỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu. Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là động cơ thực nghiệm Daewoo A16- DMS sử dụng nhiên liệu XăngEthanol –Butanol và xăng E5 chạy trên băng thử APA204E tại phòng thí nghiệm động cơ của khoa cơ khí giao thông thuộc trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng. 3.2. Phạm vi nghiên cứu: Chỉ tập trung nghiên cứu thực nghiệm tính khả dụng nhiên liệu Xăng Ethanol –Butanol qua các tỷ lệ (E10 + 5B; E15 + 5B; E20 + 5B) trên động cơ DAEWOO A16-DMS nhằm phân tích đánh giá so sánh mức độ phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu trên so với nhiên liệu E5 từ đó đƣa ra tỷ lệ tối ƣu nhất. 4. PHƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: Nghiên cứu lỷ thuyết: Về cơ chế hình thành của các chất phát thải ô nhiễm trong động cơ xăng đánh lửa cƣỡng bức. 5 Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm đo đạc về các chỉ số ô nhiễm khí xả của động cơ DAEWOO A16-DMS sử dụng nhiên liệu sinh học (E10 + 5B; E15 + 5B; E20 + 5B) và (E5; E15; E20; E25). Trên băng thử công suất APA 2048, máy phân tích khí xả KEG-500. Phân tích, so sánh đánh giá kết quả thực nghiệm. 5. CƠ SỞ VẬT CHẤT PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU. Đề tài đƣợc thực nghiệm với các trang thiết bị hiện đại và có tính đồng bộ cao, bằng việc sử dụng hệ thống băng thử công suất APA 204E0943 tại phòng thí nghiệm động cơ của khoa cơ khí giao thông trƣờng Đại học bách khoa Đà Nẵng, đây là điều kiện tốt nhất để có thể đánh giá một cách khoa học về những tác động ảnh hƣởng của nhiên liệu sinh học Xăng Ethanol –Butanol đến mức độ phát thải của động cơ. Còn phân tích thành phần các tính chất lý hóa của nhiên liệu xăng sinh học đƣợc thực nghiệm tại phòng thử nghiệm xăng dầu thuộc Công ty xăng dầu khu vực V. 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN . Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đƣợc trình bày trong 4 chƣơng với cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1. TỔNG QUAN. Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. Chƣơng 4. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM . KẾT LUẬN VÀ HỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI. 6 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 VIỄN CẢNH VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH 1.1.1. Vấn đề môi trường và biến đổi khí hậu hiện nay. a. Sự nóng lên của khí hậu toàn cầu hiện nay. b. Vấn đề ô nhiễm môi trường từ nguồn năng lượng hóa thạch. 1.1.2. Tính cấp thiết của việc tìm nguồn năng lượng sạch. Vấn đề an ninh năng lượng của thế giới. Vấn đề an ninh năng lượng của thế giới. 1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.2.1. Sử dụng nhiên liệu sinh học của một số quốc gia trên thế giới. 1.2.2. Tình hình sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam. 1.3. KẾT LUẬN CHƠNG. Trƣớc tình hình nguồn nhiên liệu hóa ngày càng cạn kiệt giá xăng dầu tăng, ô nhiễm môi trƣờng do khí thải ô tô và nhiệt độ trái đất ngày càng tăng, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang tìm các giải pháp để cứu vãn tình hình trên. Một trong những giải pháp đó, là tìm kiếm nguồn nhiên liệu tái tạo đƣợc để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch. Trong thời gian qua trên thế giới cũng nhƣ Việt Nam đã nghiên và đƣa ethanol, butanol pha vào xăng để dùng làm nhiên liệu. Nhƣng việc pha chỉ đơn thuần giữa (ethanol với xăng hoặc butanol với xăng). Nhằm đa dạng hơn nguồn nhiên liệu sinh học, việc nghiên cứu xăng Ethanol- Butanol làm nhiên liệu mang lại một số kết quả ban đầu, nhất là trong lĩnh vực giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng do sự phát thải của động cơ đánh lửa cƣởng bức gây ra. 7 Chƣơng 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 2.1. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CỠNG BỨC. 2.1.1. Cơ chế hình thành CO. a. Sự hình thành CO. b. Các yếu tố ảnh hưửng đến sự hình thành CO. Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm: Ảnh hưởng của hệ số khí sót: 2.1.2. Sự hình thành hydrocarbure (HC). a. Cơ chế hình thành HC. b. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC. Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn: Chất lượng quá trình cháy: Sự ồ xy hóa HC trong kỳ giãn nở và thải 2.1.3. Sự hình-thành NOx. a. Cơ chế hình thành Nox Cơ chế hình thành monoxyde nito (NO): Sự hình thành protoxyde nitơ b. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxyde nitơ Ảnh hưởng của hệ so dư lượng không khí: Ảnh hưởng của hệ số khí sót: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm 2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ XẢ. 2.2.1. Ảnh hưởng của đặc điểm kết cấu động cơ. a. Đặc điểm cấu tạo động cơ: b. Kết cấu buồng đốt. c. Ảnh hưởng của tham số kết cấu: d. Ảnh hưởng của cơ cấu phân phối khí: 2.2.2. Ảnh hưởng của hệ thống điều khiến động cơ. a. Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu. b. Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển đánh lửa 2.2.3. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu xăng. 8 a. Ảnh hưỏng của khối lượng riêng b. Ảnh hưởng của tỉ lệ hydrocacbon thơm. c. Ảnh hưỏng của tính bay hơi: d. Ảnh hưởng của chỉ số octane. e. Ảnh hưởng của các chất phụ gia: 2.2.4. Các yếu tố ảnh hưửng khác. a. Ảnh hưởng từ trạng thái vận hành động cơ. b. Ảnh hưởng của việc sử dụng nhầm nhiên liệu. 2.3 CÁC TIÊU CHUẨN VỀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.3.1. Tiêu chuẩn khí thải là gì? 2.3.2 Tiêu chuẩn khí thải châu Âu. 2.3.3 Tiêu chuẩn khí thải của một số nước khác. a. Tiêu chuẩn khí thải của Mỹ b. Tiêu chuẩn của Nhật bản c. Các nước khác. 2.3.4 Tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam. a. TCVN 5123-90: b. Tiêu chuẩn TCVN 5418-91: c. Tiêu chuẩn TCVN 6438-98. d. Tiêu chuẩn ban hành năm 2005: e. Tiêu chuẩn ban hành năm 2011. 2.3.5. Lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải của Việt Nam. 2.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CHỈ TIÊU HOÁ LÝ CÁC MẪU XĂNG. 2.5. KẾT LUẬN CHƠNG. Bản chất hình thành các thành phần phát thải ô nhiễm môi trƣờng của khí xả động cơ đốt cháy cƣỡng bức là cơ sở khoa học để tiến hành các nội dung thực nghiệm trên động cơ khi sử dụng nhiên liệu sinh học Xăng Ethanol - Butanol. Việc đánh giá các tiêu chí về phát thải ô nhiễm môi trƣờng của khí xả động cơ phải dựa trên kết quả thực nghiệm. Các tiêu chuẩn về khí thải cũng là một căn cứ để đƣa ra đánh giá khả năng sử dụng của nhiên liệu, vì vậy chƣơng 2 là cơ sở khoa học cho việc thực hiện thí nghiệm ở chƣơng 3, đồng thời cũng là cơ sở để phân tích đánh giá các kết quả thí nghiệm một cách khoa học. 9 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. 3.1. MÔ TẢ THIẾT BỊ. 3.1.1. Hệ thống phòng thử nghiệm động cơ và thiết bị hỗ trợ 3.1.2. Băng thử công suất APA 20408. 3.1.3. Thiết bị đo và phân tích thành phần khí thải KEG-500 động cơ xăng. 3.1.4. Thiết bị đo cấp và đo tiêu hao nhiên liệu 733-753AVL. 3.1.5. Đối tượng thử nghiệm Động cơ A16 DMN: 3.2. PHƠNG PHÁP PHỐI TRỘN NHIÊN LIỆU. 3.3. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM. a. Quy trình thực nghiệm b. Điều kiện thực nghiệm. c. Vận hành thực nghiệm với 07 mẫu nhiên liệu E5; E15; E20; E25; E10+Bu5; E15+Bu5 và E20+Bu5 d. Sau khi vận hành thực nghiệm với 03 lượt chạy lập lại trạng thái như trên cho .mẫu nhiên liệu E5. (gồm 03 bộ dữ liệu được tính trung bình nhằm giảm thiểu sai số). 3.4. KẾT QUẢ SO SÁNH THỰC NGHIỆM ĐO THÀNH PHÀN KHÍ THẢI. 3.4.1. Diễn biến phát thải của động cơ DAEWOO A16-DMS khi sử dụng liệu E5, (E10+Bu5) và E15. 3.4.1.1 Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ không tải (tốc độ động cơ: 1250 vp). 3.4.1.2. Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ tải không đổi (ct = costan) thay đổi tốc độ động cơ(n ). a. Ở chế độ 30 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. b. Ở chế độ 50 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. c. Ở chế độ 70 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. 10 d. Ở chế độ 90 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. 3.4.2. Diễn biến phát thải của động cơ DAEWOO A16-DMS khi sử dụng nhiên liệu E5, (E15+Bu5) và E20. 3.4.2.1 Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ không tải (tốc độ động cơ: 1250 vp). 3.4.2.2. Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ tải không đổi (ct = costan) thay đổi tốc độ động cơ(n ). a. Ở chế độ 30 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. b. Ở chế độ 50 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. c. Ở chế độ 70 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. d. Ở chế độ 90 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. 3.4.3. Diễn biến phát thải của động cơ DAEWOO A16-DMS khi sử dụng nhiên liệu E5, (E20+Bu5) và E25. 3.4.3.1. Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ không tải (tốc độ động cơ: 1250 vp). 3.4.3.2. Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ tải không đổi (ct = costan) thay đổi tốc độ động cơ(n ). a. Ở chế độ 30 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. b. Ở chế độ 50 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. c. Ở chế độ 70 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. d. Ở chế độ 90 tải, tốc độ từ l250vp đến 4000vp. 3.5. KẾT LUẬN CHƠNG. Với hệ thống các trang thiết bị hiện đại của phòng thí nghiệm động cơ cùng với máy đo ô nhiễm độc lập là điều kiện tốt nhất để thực nghiệm đo đạc các thông số về thành phần các chất ô nhiễm trong khí thải của động cơ Daewoo A16DMS một cách hiệu quả, đạt đƣợc các yêu cầu kỹ thuật trong luận văn đã đặt ra. Đây là những luận chứng khoa học quan trọng trong việc phân 11 tích đánh giá kết quả thực nghiệm ở chƣơng 04. Trong quá trình, thực nghiệm, các thông số đo đạc hoàn toàn phù hợp với các chế độ vận hành, động cơ. Tuy nhiên để đảm bảo tuổi thọ của động cơ theo yêu cầu của chuyên viên phòng thí nghiệm (khi sử dụng nhiên liệu sinh học sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt xi lanh mà luận văn hoàn toàn không thể đánh giá vấn đề này) nên trong phần thực nghiệm bị giới hạn bởi tốc độ động cơ không đạt đƣợc ngƣỡng lớn nhất là 5800 rpm theo thông số kỹ thuật của động cơ Daewoo A16DMS mà chỉ đạt tốc độ 4000 rpm. Trong thực nghiệm đề tài đã có đƣợc các số liệu cụ thể từ đó xác định đƣợc quy luật hình thành các thành phần khí thải đồng thời so sánh, đƣợc mức độ ô nhiễm giữa bảy loại nhiên liệu là xăng sinh học (E5, E15, E20, E25 ,E10+B5, E15+B5 và E20+B5). Đối với hỗn hợp E10+B5, E15+B5 và E20+B5 nhằm mục đích xác định mức độ phát thải của ba tỷ lệ của hỗn hợp nhiên liệu này so với xăng E5 và đƣa ra những kết luận khả năng sử dụng nhiên liệu Xăng Ethanol-Butanol trê...

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN TRÀNH

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN

KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG/ETHANOL - BUTANOL

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 60520116

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS TRẦN VĂN NAM

Phản biện 1: TS Lê Minh Tiến

Phản biện 2: TS Hồ Sĩ Xuân Diệu

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

kỹ thuật

Họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 10 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Song song với sự phát triển kinh tế - xã hội, thì năng lượng và môi trường cũng là một vấn đề đang được quan tâm Chính sách năng lượng và môi trường luôn được đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến lược phát triển đất nước Việt Nam đang nằm trong bối cảnh chung của thế giới, đó là sự cạn kiệt dần về năng lượng (xăng, dầu, khí đốt.vv ) và sự ô nhiễm môi trường

Trong tương lai những nguồn nhiên liệu hoá thạch (xăng, dầu, khí đốt vv ) sẽ dần dần bị cạn kiệt và đây đang là một trong những vấn đề nóng bỏng của cả thế giới Với mức độ tiêu thụ hiện tại, khối lượng này sẽ chỉ đủ dùng trong khoảng 40 đến 50 năm nữa

Bảng 1: Dự đoán lượng tiêu thụ năng lượng dến năm 2030 [20]

Hình 1: Biểu đồ lượng tiêu thụ và dự đoán theo nguồn năng lượng thế

Một trong những tác nhân gây ra ô nhiễm không khí chính là khí xả của động cơ bao gồm: khí thải do đốt cháy nhiên liệu, bụi và tiếng ồn Trong đó, khí thải do đốt nhiên liệu có mức độ gây ô nhiễm môi trường lớn nhất

Hình 2: Thực trạng ô nhiễm môỉ trường hiện nay [37]

Môi trường không khí bị ô nhiễm đã và đang gây hại đến sức khỏe con người đồng thời gây thiệt hại cho nền kinh tế Trước thực trạng lượng xe cơ giới ngày một tăng, trong một vài năm tới Việt Nam muốn giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí thì cách tốt nhất là phải kiểm soát được việc phát thải của các phương tiện cơ giới tham gia giao thông mà trong đó việc thử nghiệm sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học cũng là một vấn đề góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Lộ trình và đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ Ngày 22 tháng 11 năm 2012, Thủ tướng Chính phủ đã có quyết định Số: 53/2012/QĐ-TTg “Về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống” Theo đó từ ngày 01 tháng 12 năm 2015 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E5 và từ ngày 01 tháng 12 năm 2017 là xăng E10

Trước đó theo “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm

nhìn đến năm 2025” thì đến năm 2025 sản lượng nhiên liệu sinh học (ethanol

và biodiesel) đạt khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước, nghĩa là cần phải

sử dụng “xăng E30” làm nhiên liệu cho các phương tiện cơ giới

Lộ trình sử dụng xăng sinh học E5 và E10 là cơ sở thực tế để tiến tới nâng cao tỷ lệ phối trộn ethanol trong xăng sinh học Tuy nhiên ethanol với tính chất

có nhiệt ẩn hóa hơi lớn và có nhiệt trị thấp hơn xăng nên khi tăng cao (trên 15%)

tỷ lệ phối trộn của ethanol trong xăng sinh học cần giải quyết một số vấn đề như tăng lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo công suất động cơ, giảm nguy cơ ngưng tụ của ethanol trên đường nạp và cải thiện khả năng bay hơi của ethanol

để đảm bảo tính khởi động lạnh và tăng tốc của động cơ Những thay đổi trên làm cho nhiên liệu không còn phù hợp với động cơ, nên cần có một số thay đổi

về kết cấu động cơ như thay đổi góc đánh lửa, góc phun nhiên liệu v.v Hoặc cần phải có một dung môi để cải thiện những nhược điểm trên của nhiên mà không cần thay đổi kết cấu của động cơ, và dung môi đó chính là Butanol Một

trong những dung môi phù hợp nhất vì các ưu điểm của nó khắc phục được nhược điểm trên làm cho tỷ lệ % phối trộn cồn trong xăng được nâng cao góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Đó chính là lí do tôi

chọn đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần khí thải của

động cơ sử dụng xăng / ethanol –butanol” Đây là vấn đề cần thiết phải

nghiên cứu thực nghiệm nhằm chứng minh được những cơ sở lý thuyết của việc ứng dụng ethanol, butanol cho động cơ xăng, góp phần nâng cao tỷ lệ phối trộn cồn trên 15 % đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho động cơ sử dụng xăng sinh học

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Xác định độ phát thải của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu Xăng / Ethanol - Butanol so với xăng E5

3 ĐỔI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ thực nghiệm Daewoo DMS sử dụng nhiên liệu Xăng/Ethanol –Butanol và xăng E5 chạy trên băng thử APA204/E tại phòng thí nghiệm động cơ của khoa cơ khí giao thông thuộc trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

A16-3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Chỉ tập trung nghiên cứu thực nghiệm tính khả dụng nhiên liệu Xăng /

Ethanol –Butanol qua các tỷ lệ (E10 + 5%B; E15 + 5%B; E20 + 5%B) trên

động cơ DAEWOO A16-DMS nhằm phân tích đánh giá so sánh mức độ phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu trên so với nhiên liệu E5 từ đó đưa ra tỷ

lệ tối ưu nhất

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: Nghiên cứu lỷ thuyết: Về cơ chế hình thành của các chất phát thải ô nhiễm trong động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức

Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm đo đạc về các chỉ số ô nhiễm khí

xả của động cơ DAEWOO A16-DMS sử dụng nhiên liệu sinh học (E10 + 5%B; E15 + 5%B; E20 + 5%B) và (E5; E15; E20; E25) Trên băng thử công suất APA 204/8, máy phân tích khí xả KEG-500 Phân tích, so sánh đánh giá kết quả thực nghiệm

5 CƠ SỞ VẬT CHẤT PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực nghiệm với các trang thiết bị hiện đại và có tính đồng bộ cao, bằng việc sử dụng hệ thống băng thử công suất APA 204/E/0943 tại phòng thí nghiệm động cơ của khoa cơ khí giao thông trường Đại học bách khoa Đà Nẵng, đây là điều kiện tốt nhất để có thể đánh giá một cách khoa học về những tác động ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học Xăng / Ethanol –Butanol đến mức

độ phát thải của động cơ Còn phân tích thành phần các tính chất lý hóa của nhiên liệu xăng sinh học được thực nghiệm tại phòng thử nghiệm xăng dầu thuộc Công ty xăng dầu khu vực V

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 4 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1.1 Vấn đề môi trường và biến đổi khí hậu hiện nay

a Sự nóng lên của khí hậu toàn cầu hiện nay

b Vấn đề ô nhiễm môi trường từ nguồn năng lượng hóa thạch

1.1.2 Tính cấp thiết của việc tìm nguồn năng lượng sạch

* Vấn đề an ninh năng lượng của thế giới

* Vấn đề an ninh năng lượng của thế giới

GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.2.1 Sử dụng nhiên liệu sinh học của một số quốc gia trên thế giới

1.2.2 Tình hình sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam

Trước tình hình nguồn nhiên liệu hóa ngày càng cạn kiệt giá xăng dầu tăng, ô nhiễm môi trường do khí thải ô tô và nhiệt độ trái đất ngày càng tăng, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang tìm các giải pháp để cứu vãn tình hình trên Một trong những giải pháp đó, là tìm kiếm nguồn nhiên liệu tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch Trong thời gian qua trên thế giới cũng như Việt Nam đã nghiên và đưa ethanol, butanol pha vào xăng để dùng làm nhiên liệu Nhưng việc pha chỉ đơn thuần giữa (ethanol với xăng hoặc butanol với xăng) Nhằm đa dạng hơn nguồn nhiên liệu sinh học, việc nghiên cứu xăng/ Ethanol-Butanol làm nhiên liệu mang lại một số kết quả ban đầu, nhất là trong lĩnh vực giảm thiểu ô nhiễm môi trường do sự phát thải của động

cơ đánh lửa cưởng bức gây ra

Chương 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA

* Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn:

* Chất lượng quá trình cháy:

* Sự ồ xy hóa HC trong kỳ giãn nở và thải

2.1.3 Sự hình-thành NOx

a Cơ chế hình thành Nox

* Cơ chế hình thành monoxyde nito (NO):

* Sự hình thành protoxyde nitơ

b Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxyde nitơ

* Ảnh hưởng của hệ so dư lượng không khí:

* Ảnh hưởng của hệ số khí sót:

* Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ XẢ

2.2.1 Ảnh hưởng của đặc điểm kết cấu động cơ

a Đặc điểm cấu tạo động cơ:

b Kết cấu buồng đốt

c Ảnh hưởng của tham số kết cấu:

d Ảnh hưởng của cơ cấu phân phối khí:

2.2.2 Ảnh hưởng của hệ thống điều khiến động cơ

a Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu

b Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển đánh lửa

2.2.3 Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu xăng

a Ảnh hưỏng của khối lượng riêng

b Ảnh hưởng của tỉ lệ hydrocacbon thơm

c Ảnh hưỏng của tính bay hơi:

d Ảnh hưởng của chỉ số octane

e Ảnh hưởng của các chất phụ gia:

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưửng khác

a Ảnh hưởng từ trạng thái vận hành động cơ

b Ảnh hưởng của việc sử dụng nhầm nhiên liệu

2.3 CÁC TIÊU CHUẨN VỀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.3.1 Tiêu chuẩn khí thải là gì?

2.3.2 Tiêu chuẩn khí thải châu Âu

2.3.3 Tiêu chuẩn khí thải của một số nước khác

a Tiêu chuẩn khí thải của Mỹ

b Tiêu chuẩn của Nhật bản

d Tiêu chuẩn ban hành năm 2005:

e Tiêu chuẩn ban hành năm 2011

2.3.5 Lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải của Việt Nam

2.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CHỈ TIÊU HOÁ LÝ CÁC MẪU XĂNG

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Bản chất hình thành các thành phần phát thải ô nhiễm môi trường của khí

xả động cơ đốt cháy cưỡng bức là cơ sở khoa học để tiến hành các nội dung thực nghiệm trên động cơ khi sử dụng nhiên liệu sinh học Xăng / Ethanol - Butanol Việc đánh giá các tiêu chí về phát thải ô nhiễm môi trường của khí xả động cơ phải dựa trên kết quả thực nghiệm Các tiêu chuẩn về khí thải cũng là một căn cứ để đưa ra đánh giá khả năng sử dụng của nhiên liệu, vì vậy chương

2 là cơ sở khoa học cho việc thực hiện thí nghiệm ở chương 3, đồng thời cũng

là cơ sở để phân tích đánh giá các kết quả thí nghiệm một cách khoa học

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1 MÔ TẢ THIẾT BỊ.

3.1.1 Hệ thống phòng thử nghiệm động cơ và thiết bị hỗ trợ

3.1.2 Băng thử công suất APA 204/08

3.1.3 Thiết bị đo và phân tích thành phần khí thải KEG-500 động cơ xăng 3.1.4 Thiết bị đo cấp và đo tiêu hao nhiên liệu 733-753AVL

3.1.5 Đối tượng thử nghiệm Động cơ A16 DMN:

3.2 PHƯƠNG PHÁP PHỐI TRỘN NHIÊN LIỆU

3.3 QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM

a Quy trình thực nghiệm

b Điều kiện thực nghiệm

c Vận hành thực nghiệm với 07 mẫu nhiên liệu E5; E15; E20; E25; E10+Bu5; E15+Bu5 và E20+Bu5

d Sau khi vận hành thực nghiệm với 03 lượt chạy lập lại trạng thái như trên cho mẫu nhiên liệu E5 (gồm 03 bộ dữ liệu được tính trung bình nhằm giảm thiểu sai số)

3.4 KẾT QUẢ SO SÁNH THỰC NGHIỆM ĐO THÀNH PHÀN KHÍ

3.4.1.2 Diễn biến thành phần phát thải CO, CO 2, HC ở chế độ tải không đổi

(ct = costan) thay đổi tốc độ động cơ(n )

a Ở chế độ 30% tải, tốc độ từ l250v/p đến 4000v/p

b Ở chế độ 50% tải, tốc độ từ l250v/p đến 4000v/p

c Ở chế độ 70% tải, tốc độ từ l250v/p đến 4000v/p

3.4.2.2 Diễn biến thành phần phát thải CO, CO 2, HC ở chế độ tải không đổi

(ct = costan) thay đổi tốc độ động cơ(n )

3.4.3.2 Diễn biến thành phần phát thải CO, CO 2, HC ở chế độ tải không đổi

(ct = costan) thay đổi tốc độ động cơ(n )

Với hệ thống các trang thiết bị hiện đại của phòng thí nghiệm động

cơ cùng với máy đo ô nhiễm độc lập là điều kiện tốt nhất để thực nghiệm đo đạc các thông số về thành phần các chất ô nhiễm trong khí thải của động cơ Daewoo A16DMS một cách hiệu quả, đạt đƣợc các yêu cầu kỹ thuật trong luận văn đã đặt ra Đây là những luận chứng khoa học quan trọng trong việc phân

tích đánh giá kết quả thực nghiệm ở chương 04

Trong quá trình, thực nghiệm, các thông số đo đạc hoàn toàn phù hợp với các chế độ vận hành, động cơ Tuy nhiên để đảm bảo tuổi thọ của động

cơ theo yêu cầu của chuyên viên phòng thí nghiệm (khi sử dụng nhiên liệu sinh học sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt xi lanh mà luận văn hoàn toàn không thể đánh giá vấn đề này) nên trong phần thực nghiệm bị giới hạn bởi tốc độ động cơ không đạt được ngưỡng lớn nhất là 5800 [rpm] theo thông số kỹ thuật của động cơ Daewoo A16DMS mà chỉ đạt tốc độ 4000 [rpm] Trong thực nghiệm đề tài đã có được các số liệu cụ thể từ đó xác định được quy luật hình thành các thành phần khí thải đồng thời so sánh, được mức độ ô nhiễm giữa bảy loại nhiên liệu là xăng sinh học (E5, E15, E20, E25 ,E10+B5, E15+B5 và E20+B5) Đối với hỗn hợp E10+B5, E15+B5 và E20+B5 nhằm mục đích xác định mức độ phát thải của ba tỷ lệ của hỗn hợp nhiên liệu này so với xăng E5 và đưa ra những kết luận khả năng sử dụng nhiên liệu Xăng / Ethanol-Butanol trên động cơ Daewoo A16DMS đảm bảo tiêu chí giảm thiểu ô nhiễm môi trường, và chọn ra tỷ lệ tốt nhất có mức độ phát thải thấp nhất với các chế độ tải và tốc độ động cơ

DIỄN BIẾN PHÁT THẢI CO; CO2 VÀ HC Ở CHẾ ĐỘ KHÔNG TẢI CỦA NHIÊN LIỆU E10+B5, E15+B5, E20+B5, VÀ E5

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

4.1 PHÂN TÍCH SO SÁNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI CỦA BA HỖN HỢP E10+B5, E15+B5 VÀ E20+B5 SO VỚI XĂNG HIỆN HÀNH E5

Với kết quả thực nghiệm đạt được ở chương 3, cho ta xác định đánh giá phân tích so sánh mức độ phát thải các chất ô nhiễm của xăng E10+B5, E15+B5 và E20+B5 so với xăng hiện hành E5

4.1.1 Trường hợp động cơ chạy không tải

Nồng độ các chất phát thải CO, CO2 và HC của các loại nhiên liệu E10+B5, E15+B5, E20+B5 và E5 ở chế độ không tải (vị trí bướm ga ở giới hạn nhỏ nhất và số vòng quay không tải 1250/ph) được xác định tổng hợp so sánh trên bảng 4.1 và được thể hiện trên hình 4.1

Bảng 4.1: Diễn biến phát thải của các hỗn hợp nhiên liệu E10+ B5,

E15+B5, E20+B5 và E5 ở chế độ không tải

NHIÊN LIỆU CO% CO2% HC %

E5 1.61 12.3 233.43 E10+B5 1.38 12.13 225.38 E15+B5 0.05 11.18 214.111 E20+B5 0.07 11.23 225.25

Hình 4.1: Diễn biến phát thải của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5;

E20+B5 và E5 ở chế độ không tải

12.6 12.9 11.7 11.4 13.2 12.8 13.1 12.8 11.7 12.4 12 12.2 12.6 12.9 13.1 11.7 13.2 12.8 13 12.7 12.3 12.9 12.3 12.3

0 5 10 15 20

Nhiên liệu E10+BU5, E15+B5, E20+BU5 VÀ E5

* Nhận xét ở chế độ không tải:

Kết quả trên cho thấy ở chế độ không tải các thành phần CO, CO2 và HC của nhiên liệu xăng/ethanol –butanol giảm so với xăng E5, nhƣng đối với hỗn hợp có tỹ lệ E15+B5 các chất phát thải thấp nhất cụ thể CO giảm 96 %, CO2

giảm 9,1 % và HC giảm 8,2 % so với nhiên liệu E5

4.1.2 Trường hợp động cơ chạy ở chế độ tải 30% vị trí bướm ga

Hình 4.2 Diễn biến phát thải CO của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5;

E20+B5 và E5 ở chế độ 30 % vị trí bướm ga

Hình 4.3 Diễn biến phát thải CO 2 của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5;

E20+B5 và E5 ở chế độ 30 % vị trí bướm ga

0.15 0.16 0.35

2.51

1.49 0.74

1.55 1.43 0.2 0.38

0.59

3.46

1.01

1.78 1.53 2.27 2.72 1.77 2.92 3.11

SO SÁNH THÀNH PHẦN CO ĐỘNG CƠ DAEWOO

NUBIRA-30% ALPHA: Nhiên liệu E10+BU5 E25+BU5