NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ các CHỈ TIÊU KINH tế, kỹ THUẬT và PHÁT THẢI của ĐỘNG cơ DIESEL sử DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL ETHANOL

NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ các CHỈ TIÊU KINH tế, kỹ THUẬT và PHÁT THẢI của ĐỘNG cơ DIESEL sử DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL ETHANOL NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ các CHỈ TIÊU KINH tế, kỹ THUẬT và PHÁT THẢI của ĐỘNG cơ DIESEL sử DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL ETHANOL NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ các CHỈ TIÊU KINH tế, kỹ THUẬT và PHÁT THẢI của ĐỘNG cơ DIESEL sử DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL ETHANOL NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ các CHỈ TIÊU KINH tế, kỹ THUẬT và PHÁT THẢI của ĐỘNG cơ DIESEL sử DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL ETHANOL NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ các CHỈ TIÊU KINH tế, kỹ THUẬT và PHÁT THẢI của ĐỘNG cơ DIESEL sử DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL ETHANOL

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL EXPERIMENTAL RESEARCH ON PERFORMANCE OF DIESEL ENGINE USING DUAL FUEL DIESEL-ETHANOL ThS Nguyễn Thành Bắc1a, GS.TS Phạm Minh Tuấn2b, TS Trần Anh Trung2c Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội a b ntbac.haui.hust@gmail.com; tuan.phamminh@hust.edu.vn; ctrung.trananh@hust.edu.vn TÓM TẮT Việc nghiên cứu phát triển ứng dụng loại nhiên liệu thay xu hướng chung nhiều nước giới nhằm đảm bảo an ninh lượng giảm ô nhiễm môi trường Trong đó, ethanol xem nhiên liệu tiềm sử dụng cho động diesel Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel D4BB lắp xe HYUNDAI 1,25 sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol 100% tải với tỷ lệ ethanol thay lựa chọn gần giới hạn kích nổ Kết nghiên cứu cho thấy tỷ lệ ethanol thay giảm tăng tốc độ động cơ; suất tiêu hao lượng, phát thải CO smoke nhỏ hơn; phát thải CO2, HC NOx lớn so với trường hợp chạy diesel gốc toàn dải tốc độ Từ khóa:lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol;tỷ lệ ethanol thay thế; suất tiêu hao lượng; phát thải CO, CO2, HC, NOx smoke; động diesel-ethanol ABSTRACT Research, development and application of alternative fuels are tendency of many countries to ensure energy security and reduce environmental pollution In particular, ethanol is considered as one of the potential fuel used for diesel engines This paper presents an experimental research on emissions, economic and technical performance of diesel engine D4BB installed on 1.25 ton HYUNDAI truck using dual fuel diesel-ethanol with different ratio of ethanol near combustion threshold at 100% load The results showed, that the ethanol ratio decreases during increasing engine speed; brake thermal efficiency, CO and smoke are smaller; CO2, HC and NOx are larger throughout the engine speed range when compared to the case running only with diesel Keywords:dual fuel diesel-ethanol; ethanol substitutions ratio; energyconsumption; emissions CO, CO2, HC, NOx and smoke; diesel-ethanol engine GIỚI THIỆU CHUNG Cồn êtylíc thường gọi ethanol nhiên liệu sinh học sử dụng thay cho nhiên liệu diesel động diesel [5] Ethanol sản xuất từ có chứa tinh bột mía, ngô, lúa gạo, sắn, khoai điều giúp cho giảm chu kỳ tái sinh CO2, hướng mà nước phát triển quan tâm Bên cạnh đó, ethanol có ưu điểm cháy có trị số ốc tan cao việc ứng dụng ethanol trở thành nhiên liệu thay làm giảm ô nhiễm khí thải, tăng cường kinh tế nông nghiệp, tạo nhiều hội việc làm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch [3] Do năm gần có nhiều nghiên cứu sử dụng ethanol với tỷ lệ khác công nghệ khác cho động diesel 372 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Các nghiên cứu giới cho thấy có ba loại công nghệ ứng dụng cho động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol như: Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn; Phun ethanol trực tiếp vào xy lanh; Phun ethanol đường ống nạp Trong sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn cho thấy tỷ lệ hòa trộn không cao độ nhớt nhiên liệu giảm, trị số cetane giảm khả tối ưu tỷ lệ ethanol thay theo chế độ làm việc động cơ, đồng thời Ethanol có tính hút nước mạnh nên lượng nước hỗn hợp tăng lên làm hỗn hợp bị phân tách Phát thải HC, CO andehit khí thải tăng lên, nhiên NOx độ mờ khói giảm so sánh với nhiên liệu diesel gốc [1-4, 9, 13, 14] Biện pháp phun ethanol trực tiếp vào xy lanh cách sử dụng hai hệ thống nhiên liệu động cơ, ethanol phun trực tiếp vào buồng cháy đốt cháy nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun ethanol phải đảm bảo độ êm dịu đạt hiệu suất cháy cao Phương pháp cho phép tỷ lệ ethanol lên tới 90% điều kiện lý tưởng [6] Công nghệ tạo trình cháy êm dịu, độ mờ khói khí thải thấp Tuy nhiên áp dụng công nghệ vào thực tế gặp nhiều khó khăn tính phức tạp thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp Biện pháp phun ethanol đường ống nạp cho thấy thay đổi tỷ lệ thay ethanol theo chế độ làm việc động cơ, cho phép tối ưu lượng ethanol theo tiêu chí khác khí thải, tỷ lệ thay đạt tỷ lệ thay cao biện pháp hòa trộn trước [7, 10, 11] Các kết nghiên cứu cho thấy tăng tỷ lệ thay góc cháy trễ tốc độ tăng áp suất tăng, độ khói giảm mạnh NOx, HC CO thay đổi Từ ba biện pháp cho thấy biện pháp phun ethanol đường ống nạp đạt ưu điểm như: Không phải thay đổi lớn kết cấu động cơ, vòi phun đặt đường ống nạp Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp Hơn nữa, dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun điều khiển phun ethanol dễ dàng Ethanol bay đường ống nạp làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp cho tăng mật độ khí nạp vào động cơ, dễ dàng tối ưu tỷ lệ ethanol diesel theo chế độ làm việc động Bài viết thực nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel buồng cháy ngăn cách (IDI engine - indirect diesel injection engine) sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol với tỷ lệ ethanol thay khác 100% tải TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU, ĐỐI TƯỢNG, TRANG THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ ĐỘ THỬ NGHIỆM Nghiên cứu sử dụng hai loại nhiên liệu diesel ethanol với số tính chất trình bày bảng Bảng Các thông số kỹ thuật nhiên liệu diesel ethanol [8, 15] Thông số Diesel Ethanol Khối lượng riêng 20oC (kg/m3) 856 785 Hệ số không khí lý thuyết (kgkk/kgnl) 14,7 8,96 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 41,66 26,8 Nhiệt hóa (kJ/kg) 270 840 Nhiệt độ tự cháy (K) 500 665 45 ÷ 50 5÷8 Hàm lượng bon (% khối lượng) 87 52,2 Hàm lượng hydro (% khối lượng) 13 13 Hàm lượng ô xy (% khối lượng) 34,8 Trị số cetan 373 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Động thử nghiệm lựa chọn loại động diesel D4BB lắp xe tải HYUNDAI 1,25 tấn, xy lanh, kỳ, buồng cháy ngăn cách, sử dụng bơm phân phối, thông số động trình bày bảng Động đặt băng thử động lực học cao APA 100 Phanh điện APA 100 hoạt động chế độ phanh điện động điện Đi kèm thiết bị đo kiểm bao gồm: thiết bị đo tiêu hao điều chỉnh nhiệt độ nhiên liệu kiểu khối lượng AVL 733S 735S; thiết bị phân tích khí xả AVL CEBII; cảm biến áp suất xy lanh QC33C với giải đo từ ÷ 230 (bar) lấy mẫu độ góc quay trục khuỷu thiết bị thu nhận liệu Indicating với phần mềm Indiwin có chức đo diễn biến áp suất xylanh theo góc quay trục khuỷu; thiết bị cung cấp điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát AVL 553; vòi phun xăng sử dụng để phun ethanol đường ống nạp với áp suất phun 2,5 bar điều khiển ECU MotoHawk ECM‐0565‐128 [16] hãng Woodward, tín hiệu đưa ECU bao gồm vị trí trục khuỷu, trục cam, vị trí tay ga bơm cao áp tín hiệu lambda đo từ cảm biến lambda dải rộng LSU 4.9 Lượng ethanol phun xác định từ đặc tính quan hệ thời gian phun lượng phun vòi phun Các thông số đầu vào ECU, hệ thống cung cấp vị trí lắp vòi phun ethanol giới thiệu hình Bảng Những thông số động D4BB Thông số Giá trị Diesel kỳ, xy lanh thẳng hàng, xu páp, buồng cháy Kiểu động ngăn cách Đường kính/hành trình D/S (mm) 91.1/100 Dung tích xy lanh (cm3) 2607 Công suất lớn (kW – vg/ph) 59 – 4000 Mô men lớn (N.m – vg/ph) 165 – 2200 Tỷ số nén ε 22 AVL CEB-II AVL 735S AVL 733S INDICATING AVL PUMA COMPUTER 16 15 14 13 12 11 AVL 553 10 Tín hiệu vào Tín hi?u vào E C U Tín hiệu Tín hi?u Hình Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm AVL 733 735- Thiết bị đo tiêu hao điều chỉnh nhiệt độnhiên liệu; Indicating- Thiết bị đo áp suất; AVL PUMA- Thiết bị xử lý trung tâm; Computer- Máy tính; AVL 553- Thiết bị cung cấp điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát; ECU- Bộ điều khiển vòi phun ethanol; AVL CEBII- Thiết bị phân tích khí xả; 1- Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu diesel; 2- Bơm cao áp; 3- Cảm biến vị trí răng; 4- Lọc không khí; 5- Bơm ethanol; 6- Thùng chứa ethanol; 7- Lọc ethanol; 8- Cảm biến lưu lượng không khí; 9- Cảm biến vị trí piston; 10- Cảm biến tốc độ động cơ; 11- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ra; 12- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát vào; 13- Cảm biến Lambda; 14- Cảm biến áp suất; 15- Vòi phun diesel; 16- Vòi phun ethanol 374 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Chế độ thử nghiệm lựa chọn 100% tải với tốc độ động thay đổi từ 1000 đến 3500 v/ph với bước nhảy 500 Thời điểm bắt đầu phun ethanol, vòi phun điều khiển độc lập vị trí cuối nén đầu cháy xylanh phun lên xu páp nạp nhằm tận dụng nhiệt xu páp giúp ethanol bay tốt Tại tốc độ, lượng ethanol thay xác định cách tăng lượng phun ethanol giảm lượng diesel cho giữ cố định mô men chế độ 100% tải, lượng ethanol tăng động đạt gần giới hạn kích nổ thông qua cảm biến kích nổ gắn thân tiến hành lấy số liệu KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mối quan hệ tỷ lệ ethanol thay tốc độ động thể hình 2, kết cho thấy tỷ lệ ethanol thay giảm dần tăng tốc độ động Biến thiên lambda hai trường hợp có phun không phun ethanol thể hình 3, kết cho thấy lambda động nguyên xấp xỉ 1,1 thay đổi tăng tốc độ động Trong trường hợp có phun ethanol, lambda giảm từ 1,45 tốc độ 1000 vg/ph xuống 1,25 3500 vg/ph Biến thiên lambda trường hợp có phun ethanol đồng dạng với tỷ lệ thay thế, đồng thời lambda trường hợp cao động nguyên ethanol có chứa oxy Hình Mối quan hệ tỷ lệ ethanol thay tốc độ động Biến thiên suất tiêu hao lượng theo tốc độ động hai trường hợp phun không phun ethanol thể hình Kết cho thấy suất tiêu hao lượng trường hợp có phun ethanol tốc độ động 2000 (vg/ph) 9,61 (MJ/kW.h), 3000 10.89 (MJ/kW.h), thấp trường hợp chạy diesel gốc 16,8% 7,82% Như vậy, có ethanol thay thế, suất tiêu hao lượng nhỏ so sánh trường hợp chạy diesel gốc toàn dải tốc độ động Điều giải thích ethanol có 34,8% khối lượng oxy làm cho trình cháy hoàn thiện hơn, dẫn đến suất tiêu hao lượng nhỏ Kết nghiên cứu M Abu-Qudais cộng [7] cho thấy kết tương tự Hình Biến thiên lambda tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc Hình Biến thiên suất tiêu hao lượng theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc 375 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Biến thiên phát thải CO theo tốc độ động thể hình 5, cho thấy: Trường hợp có ethanol thay phát thải CO nhỏ so sánh với trường hợp chạy diesel gốc toàn dải tốc độ động Điều giải thích ethanol có cacbon nhiều oxy diesel làm cho trình cháy hoàn thiện hơn, làm cho phát thải CO nhỏ Nghiên cứu Czerwinski J [2] có nhận định Biến thiên phát thải HC theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ 100% mô men thể hình Qua cho thấy, trường hợp có ethanol thay phát thải HC lớn khi so với trường hợp chạy diesel gốc Nguyên nhân làm tăng phát thải HC chiều dầy màng dập lửa tăng lên trường hợp có ethanol thay thế, trường hợp chạy diesel gốc không xuất màng dập lửa Các nghiên cứu [2, 7] cho thấy kết tương tự Hình Biến thiên phát thải CO theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc Hình Biến thiên phát thải HC theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc Biến thiên phát thải CO2và smoke theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc chế độ 100% mô men thể hình hình Từ hình cho thấy phát thải CO2 tăng tăng tốc độ động Hình cho thấy, trường hợp có ethanol thay phát thải smoke nhỏ nhiều so sánh với trường hợp chạy diesel gốc Nghiên cứu M Abu-Qudais cộng [7] có kết tương đồng Cụ thể, có ethanol thay tốc độ 1000 (vg/ph) phát thải smoke giảm nhiều đạt 64.92%, tốc độ 3000 (vg/ph) phát thải smoke giảm đạt 12,92% Phát thải CO2 tăng smoke giảm ethanol có 34,8% khối lượng oxy làm cho trình cháy hoàn thiện giúp diesel cháy kiệt Hình Biến thiên phát thải CO2 theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc Hình Biến thiên phát thải smoke theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc Biến thiên phát thải NOx thể hình Kết cho thấy trường hợp có ethanol thay phát thải NOx cao nhiều so với trường hợp chạy diesel gốc Nguyên 376 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV nhân trị số cetane ethanol thấp nhiều so với diesel (theo nghiên cứu [8] trị số cetane ethanol ÷ 8, trị số cetane diesel 45 ÷ 50) Trị số cetane thấp làm cho thời gian cháy trễ tăng tốc độ tăng áp suất xi lanh tăng, kết làm cho áp suất xi lanh cao nhiệt độ trình cháy lớn Hơn lambda cao dư thừa oxy nên làm tăng phát thải NOx Các kết nghiên cứu [4, 12] cho kết tượng tự Hình Biến thiên phát thải NOx theo tốc độ động với tỷ lệ ethanol thay thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc KẾT LUẬN Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành động diesel IDI sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol nhiên liệu diesel gốc Từ đánh giá tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải động dùng lưỡng nhiên liệu so với dùng túy diesel, cụ thể sau:  Suất tiêu hao lượng nhỏ toàn dải tốc độ động ethanol có tới 34,8% khối lượng oxy làm cho trình cháy hoàn thiện  Phát thải CO nhỏ phát thải CO2 lớn toàn dải tốc độ động ethanol có cacbon nhiều oxy diesel làm cho trình cháy hoàn thiện  Phát thải HC lớn chiều dầy màng dập lửa tăng lên  Phát thải smoke nhỏ nhiều thời gian cháy trễ tăng làm cho chất lượng hòa trộn diesel với hỗn hợp ethanol-không khí tốt  Nhiệt độ cháy cao đồng thời ethanol có chứa oxy nên phát thải NOx cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alan C Hansen, Qin Zhang Peter W.L Lyne, "Ethanol–diesel fuel blends - a review"(Bioresource Technology 96 (2005) 277–285) [2] Czerwinski J (1994), "Performance of HD-DI-diesel engine with addition of ethanol and rapeseed oil", SAE Paper 940545 [3] E.A Ajav, Bachchan Singh T.K Bhattacharya (1999), "Experimental study of some performance parameters of a constant speed stationary diesel engine using ethanol-diesel blends as fuel", Biomass and Bioenergy (17(4): 357-365) [4] Eugene EE cộng (1984), "State-of-the-art report on the use of alcohols in diesel engines", SAE Paper 840118 [5] F G Kremer and A Fachetti (2000), "Alcohol as automotive Fuel – Brazilian Experience", Presented at CEC/SAE Spring Fuels & Lubricants Meeting & Exposition, France(2000-01-1965) 377 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [6] Hayes TK cộng (1988), "The effect of fumigation of different ethanol proofs on a turbo-charged diesel engine", SAE Paper 880497 [7] M Abu-Qudais, O Haddad M Qudaisat (2000), "The effect of alcohol fumigation on diesel engine performance and emissions"(Energy Conversion & Management 41 (2000) 389-399) [8] Mohamed H Morsy (2015), "Assessment of a direct injection diesel engine fumigated with ethanol/water mixtures"(Energy Conversion and Management 94 (2015) 406–414) [9] Murayama T cộng (1982), "A method to improve the solubility and combustion characteristics of alcohol diesel fuel blends.", SAE Paper 821113 [10] Ogawa H, Setiapraja H Nakamura T (2010), "Improvements to Premixed Diesel Combustion with Ignition Inhibitor Effects of Premixed Ethanol by Intake Port Injection", SAE Technical Paper 2010-01-0866 [11] Orlando Volpato cộng (2010), "Control System for Diesel-Ethanol Engines"(XIX Congresso e Exposição Internacionais de Tecnologia da Mobilidade São Paulo, Brasil 05 a 07 de Outubro de 2010 ) [12] Ozer Cana, Ismet Celikten Nazım Usta (2004), "Effects of ethanol addition on performance and emissions of a turbocharged indirect injection Diesel engine running at different injection pressures"(Energy Conversion and Management 45 (2004) 2429–2440) [13] P Satge´ de Caro cộng (2001), "Interest of combining an additive with diesel– ethanol blends for use in diesel engines"(Fuel, Vol 80, 565-574) [14] Weidmann K, Menard H Fleet test (1984), "Performance and emissions of diesel engine using different alcohol fuel blends", SAE Paper 841331 [15] Andrzej Kowalewicz Zbigniew Pajączek (2003), "Dual fuel engine fuelled with ethanol and diesel fuel"(Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol.10, No1-2 ) [16] MotoHawk ECM-0565-128-0704 (2015), Chief Editor, Woodward THÔNG TIN TÁC GIẢ ThS Nguyễn Thành Bắc Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam Email: ntbac.haui.hust@gmail.com Số điện thoại: 090 221 9922 GS.TS Phạm Minh Tuấn Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam Email: tuan.phamminh@hust.edu.vn Số điện thoại: 091 209 4727 TS Trần Anh Trung Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam Email: trung.trananh@hust.edu.vn Số điện thoại: 096 976 7381 378 ... cứu thực nghiệm tiến hành động diesel IDI sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol nhiên liệu diesel gốc Từ đánh giá tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải động dùng lưỡng nhiên liệu so với dùng túy diesel, ... động Bài viết thực nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tiêu kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel buồng cháy ngăn cách (IDI engine - indirect diesel injection engine) sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol. .. IV Các nghiên cứu giới cho thấy có ba loại công nghệ ứng dụng cho động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- ethanol như: Sử dụng hỗn hợp diesel- ethanol hòa trộn sẵn; Phun ethanol trực tiếp vào