Luận văn thạc sĩ cơ khí động lực: Nghiên cứu lựa chọn thành phần phụ gia nhiên liệu trên cơ sở hạt nanô xêri đi ôxít nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại của động cơ diesel

MỤC LỤCMỞ ĐẦU1CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA DÙNG31.1.VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA ĐỐI VỚI NHIÊN LIỆU DIESEL31.1.1.Các loại phụ gia cho nhiên liệu diesel31.1.2. Các loại phụ gia tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường41.2. PHỤ GIA NHIÊN LIỆU TRÊN CƠ SỞ HẠT NANÔ XÊRI ÔXÍT61.2.1. Tinh thể nanô xêri ôxít61.2.2. Hạt nanô xêri ôxít là chất xúc tác có lợi cho buồng cháy của động cơ đốt trong81.3. Các tính chất của nhiên liệu diesel khi pha phụ gia nanô xêri đi ôxít91.3.1. Các tính chất của nhiên liệu diesel truyền thống91.3.2. Kết quả khảo sát các tính chất của nhiên liệu diesel khi pha phụ gia nanô xêri ôxít131.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu211.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 122CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ LUẬN KHẢO SÁT CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL232.1. CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ232.1.1 Áp suất chỉ thị trung bình232.1.2 Công suất chỉ thị của động cơ232.1.3. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị242.1.4. Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác252.1.5. Quan hệ giữa các thông số chỉ thị của chu trình công tác252.1.6. Sự ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy đến các thông số chỉ thị của động cơ.272.1.7. Các thông số có ích312.2. PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG342.2.1. Sản phẩm cháy và các thành phần độc hại chính của động cơ diesel342.2.2. Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải của động cơ diessel372.3. PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC VÀ PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ402.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 242CHƯƠNG 3 TỐI ƯU THÀNH PHẦN PHỤ GIA TRÊN CƠ SỞ NANÔ XÊRI ĐI Ô XÍT ĐỂ GIẢM TIÊU HAO433.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM TRONG TỐI ƯU THÀNH PHẦN PHỤ GIA433.1.1. Cơ sở tối ưu hóa433.1.2. Một số khái niệm cơ bản về quy hoạch thực nghiệm483.1.3. Các bước cơ bản của phương pháp quy hoạch thực nghiệm503.1.4. Các mô hình hồi quy sử dụng trong quy hoạch thực nghiệm563.1.5. Thuật toán xác định phương trình hồi quy573.2. Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm lựa chọn tối ưu thành phần phụ gia cho nhiên liệu diesel593.2.1. Chọn các thông số nghiên cứu603.2.2. Xây dựng các phương trình hồi quy613.2.3. Bàn luận kết qủa quy hoạch thực nghiệm773.2.4.Tối ưu hóa các thông số kinh tế năng lượng và phát thải độc hại793.3. NHẬN XÉT VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ TỐI ƯU853.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 385KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ861. Kết luận862. Kiến nghị87

1 MỞ ĐẦU Phương tiện giao thông vận tải góp phần quan trọng vào q trình cơng nghiệp hóa - đại hóa đất nước mặt trái gây tác động xấu đến môi trường, gây nguy hại cho sức khỏe người làm suy giảm chất lượng sống sống đô thị lớn Phát thải ô nhiễm từ phương tiện tham gia giao thông tác nhân lớn có ảnh hưởng đến q trình biến đổi khí hậu Trong năm qua với phát triển kinh tế đất nước nhu cầu lại, vận chuyển hàng hóa người dân tăng nhanh dẫn tới số lượng phương tiện giao thông đặc biệt phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel tăng lên nhanh xe buýt, xe khách, xe tải Hàm lượng nhiều chất độc hại khơng khí từ khí thải loại phương tiện vượt tiêu chuẩn cho Những chất ô nhiễm ảnh hưởng tai hại cho sức khỏe người môi trường Nghiên cứu tiết kiệm lượng giảm thiểu thành phần khí thải độc hại động đốt phương tiện giới cần thiết nằm xu chung Việt Nam giới Có nhiều giải pháp nghiên cứu, hoàn thiện kết cấu động cơ, nâng cao chất lượng nhiên liệu Một hướng có nhiều tiềm sử dụng loại phụ gia, số phụ gia sở nanơ xêri ơxít làm chất phụ gia pha với nhiên liệu Diesel Vì vậy, học viên chọn đề tài “Nghiên cứu lựa chọn thành phần phụ gia nhiên liệu sở hạt nanơ xêri ơxít nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại động diesel” cho luận văn tốt nghiệp Luận văn giải số nội dung sau: Chương Tổng quan phụ gia dùng cho nhiên liệu diesel Chương Những tính chất có lợi phụ gia nanơ xêri ơxít động đốt Chương Cơ sở lý luận khảo sát tiêu công tác động diesel Chương Tối ưu thành phần phụ gia sở nanơ xêri ơxít để giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải độc hại động Với thời gian thực ngắn, điều kiện hạn chế thiết bị kiểm chứng kinh phí, luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, xin tiếp thu ý kiến đóng góp để luận văn hồn thiện Tác giả xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo: PGS.TS Cù Huy Thành Trân trọng cảm ơn cấp lãnh đạo, thầy đồng nghiệp trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, đặc biệt Khoa Cơng Nghệ Ơ Tơ tạo điều kiện giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA DÙNG CHO NHIÊN LIỆU DIESEL 1.1 VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA ĐỐI VỚI NHIÊN LIỆU DIESEL 1.1.1 Các loại phụ gia cho nhiên liệu diesel Nhiên liệu Diesel (DO – Diesel Oil) loại nhiên liệu lỏng, nặng dầu lửa xăng, sử dụng chủ yếu cho động Diesel (đường bộ, đường sắt, đường thủy) phần sử dụng cho tuabin khí (trong công nghiệp phát điện, xây dựng…) Nhiên liệu Diesel sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gazoil sản phẩm trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có đầy đủ tính chất lý hóa phù hợp cho động Diesel mà không cần phải áp dụng q trình biến đổi hóa học phức tạp Để nâng cao tính sử dụng bảo quản nhiên liệu, người ta bổ sung nhiều loại phụ gia cho nhiên liệu diesel như: - Phụ gia tăng điểm bắt lửa nhiên liệu; - Phụ gia chống oxy hóa tăng độ ổn định bảo quản; - Phụ gia chống ăn mòn để bảo vệ bể chứa, ống dẫn; - Phụ gia chống đông đặc; - Phụ gia chống tĩnh điện, giảm nguy hiểm cháy nổ gây điện tĩnh điện; - Phụ gia ngăn chặn phát triển vi sinh; - Phụ gia chống tạo khói; phụ gia khống chế kích nổ; … Ngồi ra, để tiết kiệm nhiên liệu bảo vệ mơi trường người ta cịn sử dụng thêm loại phụ gia như: - Phụ gia tiết kiệm nhiên liệu; - Phụ gia giảm thành phần phát thải độc hại động cơ; - Phụ gia sinh học, 1.1.2 Các loại phụ gia tiết kiệm nhiên liệu bảo vệ môi trường Sử dụng lượng tiết kiệm, hiệu giảm thiểu ô nhiễm môi trường nội dung quan trọng chiến lược phát triển lượng bền vững nước ta, gắn liền với việc đảm bảo phát triển kinh tế, đảm bảo an ninh lượng bảo vệ mơi trường Có nhiều giải pháp nghiên cứu, hoàn thiện cấu trúc động cơ, nâng cao chất lượng nhiên liệu Để nâng cao chất lượng nhiên liệu giới có nhiều hướng tiếp cận khác nhau, có hướng sử dụng nhiên liệu sinh học Theo hướng nhiên liệu biodiesel bắt đầu sử dụng cho động diesel đạt kết định, nhiên lại gặp phải rào cản ảnh hưởng đến an ninh lương thực nhiều bất cập sử dụng Một hướng tập trung nghiên cứu sử dụng phụ gia sở hạt nanơ xêri ơxít (CeO2) cho nhiên liệu (Oxonica Anh, NanoScience Innovation Xanhgapo, ) Việt Nam kiểm tra, đánh giá tính ưu việt Maz, phụ gia xem giúp tiết kiệm hàng nghìn tỷ đồng năm sử dụng với nhiên liệu truyền thống, để đưa vào sử dụng rộng rãi Áp dụng công nghệ pha chế Maz xem ưu hàng trăm chất phụ gia có tiết kiệm cho người Việt 25.000 tỷ đồng/năm Một lít Maz giá khoảng 25 USD pha với 1.000 lít xăng dầu Thử nghiệm nhóm chun gia Đại học Bách khoa Hà Nội số nước phụ gia Maz động xăng (Maz 100) cho thấy nhiên liệu tiết kiệm 5-20% (từ trước đến nay, áp dụng chất phụ gia tiết kiệm lớn 2%), khí thải độc hại CO giảm 5-11%, HC giảm 13-25%; động diesel (Maz 200) tiết kiệm 24 % nhiên liệu; động dầu diesel sinh học tiết kiệm tới 25% nhiên liệu,… Một hướng có nhiều tiềm sử dụng vật liệu nanơ sở hạt nanơ xêri ơxít với kim loại chuyển tiếp nhóm d, tạo hệ xúc tác q trình xử lý khí thải động đốt Hệ xúc tác tương đối hiệu động xăng động diesel cịn nhiều hạn chế Những tính chất đặc biệt hạt nanơ xêri ơxít (CeO2) chất xúc tác có lợi buồng đốt động đốt trong: Nó ơxi hóa muội than hydrocacbon có khí thải động vùng nhiệt độ thấp Khi sử dụng làm phụ gia nhiên liệu, làm muội than thành buồng đốt động cơ, tạo điều kiện cho động hoạt động hiệu Khi động làm việc điều kiện nhiên liệu dư ôxi, Ce2O3 thu hồi lượng ôxi thừa khí thải khí NO x tác dụng xúc tác có thành phần hỗn hợp nhiên liệu, biến NOx thành N2 không gây độc hại Trong điều kiện dư nhiên liệu ơxi, CeO2 nhả ơxi để đốt cháy nhiên liệu làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn, tạo thành sản phẩm phụ COX CHx dư, làm tăng hiệu suất động Oxonica thử nghiệm thành công phụ gia dựa sở nanô xêri ôxít (CeO2) đặt tên (Envirox) xe buýt Hongkong với tổng quãng đường dài 12 triệu km Hiện Công ty khai thác xe buýt Stagecoach Anh thử nghiệm phụ gia 1.000 xe chạy diesel Theo hướng nghiên cứu hỗ trợ Chương trình mục tiêu quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả, nhóm nghiên cứu Học viện Kỹ thuật Quân bước đầu lựa chọn chế tạo phụ gia nanơ sở xêri ơxít (CeO2) [3] Kết thử nghiệm cho thấy sử dụng phụ gia nanơ xêri ơxít (CeO2) cho phép suất tiêu hao nhiên liệu giảm tới 10% (trong chi phí cho phụ gia nhỏ 1%), NO x giảm tới 22,26%, HC giảm tới 34,61%, CO giảm tới 28%, CO giảm tới 5,5%, độ khói giảm tới 25% Qua kết nghiên cứu thấy rằng, cần phải cân đối phù hợp tiêu chí lượng tiêu chí thành phần khí thải để lựa chọn thành phần phụ gia phù hợp Khi sử dụng phụ gia với tỷ lệ xêri ơxít (CeO2) 4-6ppm có kết tương đối tốt, đồng về tiêu lượng khí thải Tuy nhiên, để có sản phẩm có tính hiệu cao hơn, thân thiện với mơi trường cần phải hồn chỉnh qui trình điều chế hạt nanơ, sử dụng chất hoạt động bề mặt phù hợp, kết hợp hỗn hợp hạt nanô khác Đồng thời để làm chủ công nghệ tổng hợp, làm chủ chất lượng sản phẩm, giá thành hợp lý, công nghệ phù hợp sở nguyên vật liệu sẵn có Vì vậy, cần phải có nghiên cứu thêm lý thuyết thực nghiệm Phụ gia tổng hợp phải thử nghiệm kiểm chứng đánh giá phịng thí nghiệm phương tiện giới điều kiện khai thác sử dụng Việt Nam Trên sở kết đạt nhóm nghiên cứu Học viện kỹ thuật Quân Chương trình mục tiêu Quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả, Bộ Quốc phòng tiếp tục hỗ trợ nghiên cứu phát triển áp dụng thử Bộ tư lệnh Tăng Thiết giáp 1.2 PHỤ GIA NHIÊN LIỆU TRÊN CƠ SỞ HẠT NANÔ XÊRI ƠXÍT 1.2.1 Tinh thể nanơ xêri ơxít Tinh thể nanơ xêri ơxít vật liệu ơxít tiềm năng, ứng dụng rộng rãi lĩnh vực công nghiệp khác nhau, có tính chất hóa lý riêng đặc biệt độ cứng học, độ trơ hóa học, bền cháy khả dẫn ơxi cao,… Những tính chất độ dẫn điện khuyếch tán ơxi xác định có mặt mật độ độ ổn định khuyết mạng tinh thể Xêri ơxít chất dẫn hỗn hợp, tức chất dẫn điện tử, ion Sự ảnh hưởng yếu tố đến độ dẫn điện chung phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, áp suất bên ngồi ơxi có mặt dopant Trong ơxi hóa khả xêri ơxít nhận ơxi nhường khử đảm bảo hoạt tính xúc tác nó; chất xúc tác mạnh sở đồng, kim loại q ơxít đất [3] Cơng thức cấu tạo CeO2: O=Ce=O; Cấu trúc mạng lưới tinh thể hạt CeO2 hình 1.1 Hình 1.1 Mạng lưới tinh thể CeO2 CeO2 có cấu trúc giống với cấu trúc canxiflorit (CaF 2) nguyên tử kim loại tạo thành mạng lập phương tâm mặt, xung quanh nguyên tử ôxi tạo thành tứ diện Khi bị khử khơng khí nhiệt độ cao, CeO2 tạo thành ơxít thiếu ôxi dạng CeO2-x (với < x < 0,5), đặc biệt thiếu lượng lớn nguyên tử ôxi mạng lưới tinh thể tạo nên lượng lớn lỗ trống vị trí ngun tử ơxi mất, CeO có cấu trúc caxiflorit ơxít xêri thiếu ơxi dễ dàng bị ôxi hóa thành CeO2 nhờ tác dụng môi trường ơxi hóa Q trình ơxi hóa – khử biểu diễn phương trình phản ứng sau [3]: Ce+3 – 1e = Ce+4 (quá trình oxi hóa) Ce+4 + 1e = Ce+3 (q trình khử) Thế ôxi hóa - khử phản ứng là: Ce+3 = Ce+4 +1e +1,61V Một số tính chất xúc tác CeO2 sau: Xúc tác chuyển hóa NOx thành N2 O2 hệ CeO2(85%)/La2O3(15%); chuyển hóa CO thành CO hệ La2O3 419°C, có mặt CeO2 giảm nhiệt độ xuống 206°C Phản ứng để hyđrô hóa mêtan dẫn xuất dãy ankan thành hydrocacbon khơng no hệ CeO2/Al2O3 Phản ứng ơxi hóa mêtan thành CO2 nước hệ bụi CeO2 giảm nhiệt độ cháy từ 650°C xuống 450°C áp suất cao bar, nhiệt độ 525°C chuyển hóa hết 99,8%,… Giống vật liệu nanơ khác, CeO2 kích thước nanơ có kích thước hạt bé, lớn kích thước nguyên tử 1-2 bậc Hầu hết nguyên tử bị lộ bề mặt che chắn không đáng kể, nguyên tử tự thể tồn tính chất tương tác với mơi trường xung quanh, vật liệu thơng thường số nguyên tử nằm bề mặt thể tính chất cịn phần lớn ngun tử cịn lại nằm sâu thể tích vật bị nguyên tử lớp ngồi che chắn Do CeO kích thước nanơ thể số tính chất khác thường tính chất quang, điện, từ,… tính chất lý- hóa khác nhiều so với CeO2 thơng thường [3] 1.2.2 Hạt nanơ xêri ơxít chất xúc tác có lợi cho buồng cháy động đốt Trong vài năm gần đây, CeO2 vật liệu có chứa CeO2 coi chất xúc tác chất xúc tiến mặt điện tử cấu trúc phản ứng xúc tác dị thể CeO2 đóng vai trò chất tăng cường để cải thiện hoạt tính độ chọn lọc xúc tác để tăng cường tính ổn định xúc tác Việc ứng dụng CeO2 làm tác nhân xúc tác ba hướng (Three Way Catalyst – TWC) vấn đề xử lý khí thải từ động ô tô cho thấy triển vọng tốt mặt công nghệ mặt kinh tế Theo nghiên cứu gần khơng có xêri ơxít, ơxít kim loại nhóm Platin ứng dụng rộng rãi nước phát triển Do tính dễ lưu trữ tính dễ dàng nhả ơxi, xêri ơxít điều tiết áp suất riêng phần ôxi, tạo siêu bão hịa ơxi vùng lân cận nguyên tố hoạt tính xúc tác Pt, Pd,… sử dụng ơxi để ơxi hóa cấu tử có khí thải • Hạt nanơ xêri ơxít (CeO2) chất xúc tác có lợi buồng cháy động đốt trong: - Có thể ơxi hóa muội than hydrocacbon có khí thải động vùng nhiệt độ thấp - Khi sử dụng làm phụ gia nhiên liệu, làm muội than thành buồng đốt động cơ, tạo điều kiện cho động hoạt động hiệu - Khi động làm việc điều kiện nhiên liệu dư ơxi, Ce2O3 thu hồi lượng ơxi thừa khí thải khí NO x tác dụng xúc tác có thành phần hỗn hợp nhiên liệu, biến NOx thành N2 không gây độc hại - Trong điều kiện dư nhiên liệu ôxi, CeO2 nhả ôxi để đốt cháy nhiên liệu làm cho nhiên liệu cháy hồn tồn hơn, tạo thành sản phẩm phụ CO X CHx dư, làm tăng hiệu suất động 1.3 Các tính chất nhiên liệu diesel pha phụ gia nanô xêri ôxít 1.3.1 Các tính chất nhiên liệu diesel truyền thống * Tỷ trọng Tỷ trọng (Density) nhiên liệu diesel thuộc tính quan trọng, hệ thống phun nhiên liệu thiết kế để cung cấp thể tích nhiên liệu xác 10 định vào buồng cháy Tỷ trọng loại nhiên liệu diesel khu vực khác giới nằm khoảng từ 0,811 ÷ 0,857 kg/dm3 Nhiên liệu diesel Châu Âu dùng cho giao thơng đường phải có tỷ trọng nằm khoảng 0,820 ÷ 0,860 kg/dm3 (tiêu chuẩn EN 590) Tại Mỹ (hiện khơng có tiêu chuẩn thức đặc tính tỷ trọng nhiên liệu diesel), tỷ trọng trung bình vào khoảng 0,835 kg/dm (gần tương tự với tỷ trọng trung bình nhiên liệu diesel Châu Âu Nhật Bản) Nhiên liệu diesel bán nước Bắc Âu (điều kiện khí hậu lạnh vào mùa đơng), có thuộc tính gần với dầu lửa (Koresene), có tỷ trọng thấp so với nhiên liệu bán nước khác, tỷ trọng trung bình 0,823 kg/dm3 Việc thiết lập giá trị thấp tỷ trọng yêu cầu hợp lý nhằm đảm bảo thu công suất đủ lớn với động diesel sử dụng bơm cao áp định lượng lượng nhiên liệu phun kiểu thể tích Việc xác định giá trị lớn tỷ trọng nhằm mục đích tránh tạo khói đen chế độ tồn tải động Các thơng số tác động đến tỷ trọng nhiên liệu diesel là: thuộc tính dầu thơ gốc, mức độ thơ phần lựa chọn cho nhiên liệu diesel (trong trình tinh lọc) hàm lượng hợp chất thu từ trình cracking xúc tác Sự thay đổi tỷ trọng nhiên liệu diesel có tác động rõ ràng đến trình cháy (do thay đổi nhiệt trị tỷ số tương đương đề cập) Tuy nhiên, ảnh hưởng tỷ trọng đến đặc tính nhiễm động diesel khó xác định Tác động đến nhiệt trị tỷ số tương đương loại nhiên liệu diesel có tỷ trọng khác (tương ứng 0,814 0,873 kg/dm3; sai khác 7,25 %) trình bày bảng 2.1 Sự gia tăng tỷ trọng dẫn đến suy giảm NHVm (-3,6%) gia tăng NHVv (+ 3,4%) Tại chế độ tồn tải, 76 Tới đây, chỉnh lý lại phương trình (3.30) chứa đựng số hạng bậc 1, bậc hỗn hợp: y4 = -2,1 – 2,17x1 + 8,52x2 + 0,43x1x2 – 1,9x22 (3.30’) * Kiểm tra sự tương thích hàm hồi quy thành phần khí thải NOx Phương sai dư hàm có giá trị: Sres32 = ∑(Y3 – y3)2 / (N - g - 1) = 304,26/5 = 60,85 Giá trị F tính theo cơng thức: F3 = Sres32 / Sy32 = 60,85/ 0,7 = 86,93 Xác định chuẩn số Fischer Fα (f1, f2) từ bảng thống kê toán học với điều kiện (mức ý nghĩa α = 0,01): Số mức độ tự phân tán lớn (trong tính toán phương sai dư): f1 = N – g – = Số mức độ tự phân tán hẹp (trong tính tốn phương sai tái sinh): f2 = n0 – = Như vậy: f0,01 (5; 2) = 99,3 Vì F3 < f0,01 (5; 2) – Như khẳng định phương trình (3.31) tương thích, chứng tỏ hồi quy viết dạng phương trình (3.31) đủ độ tin cậy cần thiết Tới đây, chỉnh lý lại phương trình (3.31) chứa đựng số hạng bậc 1, bậc hỗn hợp: y5 = 10,53 – x1 + 12,82x2 – 8,6x22 * Kiểm tra sự tương thích hàm hồi quy thành phần độ khói Phương sai dư hàm có giá trị: Sres32 = ∑(Y3 – y3)2 / (N - g - 1) = 227,6/5 = 45,52 Giá trị F tính theo cơng thức: F3 = Sres32 / Sy32 = 45,52/ 0,5 = 91,94 (3.31’) 77 Xác định chuẩn số Fischer Fα (f1, f2) từ bảng thống kê toán học với điều kiện (mức ý nghĩa α = 0,01): Số mức độ tự phân tán lớn (trong tính tốn phương sai dư): f1 = N – g – = Số mức độ tự phân tán hẹp (trong tính tốn phương sai tái sinh): f2 = n0 – = Như vậy: f0,01 (5; 2) = 99,3 Vì F3 < f0,01 (5; 2) – Như khẳng định phương trình (3.32) tương thích, chứng tỏ hồi quy viết dạng phương trình (3.32) đủ độ tin cậy cần thiết Tới đây, chỉnh lý lại phương trình (3.32) chứa đựng số hạng bậc 1, bậc hỗn hợp: y6 = 21,8 – x1 + 3,3x2 – 1,9x22 (3.32’) 3.2.3 Bàn luận kết qủa quy hoạch thực nghiệm Từ kết cho thấy ảnh hưởng kích thước hạt nano phần trăm phụ gia nhiên liệu tới thành phần khí thải thể rõ mức độ cải thiện khí thải Sự cải thiện thể rõ kích thước hạt nano a Ảnh hưởng thông số kích thước hạt nano, phần trăm phụ gia nhiên liệu tới suất tiêu hao nhiên liệu Từ phương trình (3.27’) ta xem xét ảnh hưởng thông số tới suất tiêu hao nhiên liệu: Ta có: y1(x1, 1) = 9,57 + 2,3x1 y1(1, x2) = 12,33 – 2,27x2 + 1,74x22 (3.27a’) (3.27b’) 78 Từ phương trình (3.27a’), (3.27b’) cho thấy yếu tố ảnh hưởng lớn đến suất tiêu hao nhiên liệu phần trăm phụ gia nhiên liệu tiếp kích thước hạt nano b Ảnh hưởng thơng số kích thước hạt nano, phần trăm phụ gia nhiên liệu tới thành phần khí thải HC Từ phương trình (3.28’) ta xem xét ảnh hưởng thông số tới thành phần khí thải HC: Ta có: y2(x1, 1) = 26,59 – 1,94x1 y2(1, x2) = 21,68 + 4,04x2 – 1,07x22 (3.28a’) (3.28b’) Từ phương trình (3.28a’), (3.28b’) cho thấy yếu tố ảnh hưởng lớn đến thành phần khí thải HC kích thước hạt nano tiếp phần trăm phụ gia nhiên liệu c Ảnh hưởng thông số kích thước hạt nano, phần trăm phụ gia nhiên liệu tới thành phần khí thải CO Từ phương trình (3.29’) ta xem xét ảnh hưởng thơng số tới thành phần khí thải CO: Ta có: y3(x1, 1) = 35,43 – 2,51x1 y3(1, x2) = 21,32 + 14,22x2 – 2,62x22 (3.29a’) (3.29b’) Từ phương trình (3.29a’), (3.29b’) cho thấy yếu tố ảnh hưởng lớn đến thành phần khí thải CO kích thước hạt nano tiếp phần trăm phụ gia nhiên liệu d Ảnh hưởng thơng số kích thước hạt nano, phần trăm phụ gia nhiên liệu tới thành phần khí thải CO2 Từ phương trình (3.30’) ta xem xét ảnh hưởng thông số tới thành phần khí thải HC: Ta có: y4(x1, 1) = 4.52 – 1,74x1 (3.30a’) 79 y4(1, x2) = -4,27 + 8,95x2 – 1,9x22 (3.30b’) Từ phương trình (3.30a’), (3.30b’) cho thấy yếu tố ảnh hưởng lớn đến thành phần khí thải CO2 kích thước hạt nano tiếp phần trăm phụ gia nhiên liệu e Ảnh hưởng thơng số kích thước hạt nano, phần trăm phụ gia nhiên liệu tới thành phần khí thải NOx Từ phương trình (3.31’) ta xem xét ảnh hưởng thơng số tới thành phần khí thải NOx: Ta có: y5(x1, 1) = 14,75 – x1 y5(1, x2) = 9,53 + 12,82x2 – 8,6x22 (3.31a’) (3.31b’) Từ phương trình (3.31a’), (3.31b’) cho thấy yếu tố ảnh hưởng lớn đến thành phần khí thải NOx kích thước hạt nano tiếp phần trăm phụ gia nhiên liệu f Ảnh hưởng thơng số kích thước hạt nano, phần trăm phụ gia nhiên liệu tới độ khói Từ phương trình (3.32’) ta xem xét ảnh hưởng thơng số tới thành phần độ khói: Ta có: y6(x1, 1) = 23,2 – x1 y6(1, x2) = 20,8 + 3,3x2 – 1,99x22 (3.32a’) (3.32b’) Từ phương trình (3.32a’), (3.32b’) cho thấy yếu tố ảnh hưởng lớn đến thành phần độ khói kích thước hạt nano tiếp phần trăm phụ gia nhiên liệu 3.2.4.Tối ưu hóa thơng số kinh tế lượng phát thải độc hại Chọn suất tiêu hao nhiên liệu ge, thành phần khí thải CO, HC, CO 2, NOx, thành phần độ khói làm hàm mục tiêu Sử dụng phần mềm Mathcad để xác 80 định mức độ giảm lớn thơng qua xác định thơng số cơng nghệ (% phụ gia, kích thước hạt) để đáp ứng mục tiêu Tối ưu hóa theo hàm suất tiêu hao nhiên liệu ge a Hàm mục tiêu có dạng : y1(x1, x2) = 10,1+ 2,23x1 – 2,27x2 + 1,74x2 x1= 1,x2= -1 với điều kiện - ≤ x1 ≤ 1; -1≤ x2 ≤ Bằng phần mềm Mathcad xác định : Ymax1 = 16,34 % (x1, x2) = (1,-1) Xác định thông số tối ưu cần thiết theo công thức (3.25) dựa vào thông số chọn (3.2.1) x1 (Z = ) − Z 10 ; Trongđó: X 1max + X 1min 15 + Z1 = = = 10 ∆Z 2 X 1max − X 1min 15 − ∆Z = = =5 2 x1 = x2 = ( Z1 − 10) (Z = ⇒ Z = 15 [ppm] ) − Z 20 ; Trongđó: X 2max + X 2min 55 + Z2 = = = 30 ∆Z 2 2 ∆Z = x2 = b ( Z − 30) 25 X 2max − X 2min 55 − = = 25 2 = −1 ⇒ Z = [ppm] Tối ưu hóa theo hàm thành phần khí thải CO Hàm mục tiêu có dạng : 81 y2(x1, x2) = 21,35 + 0,33x1 + 6,31x2 – 2,27x1x2 – 1,07x22 x1 = 1, x2 = -1 với điều kiện - ≤ x1 ≤ 1; -1≤ x2 ≤ Bằng phần mềm Mathcad xác định : Ymax2 = 16,44 % (x1, x2) = (1,-1) Xác định thông số tối ưu cần thiết theo công thức (3.25) dựa vào thông số chọn (3.2.1) x1 (Z = ) − Z 10 ; Trongđó: X 1max + X 1min 15 + Z1 = = = 10 ∆Z 2 X 1max − X 1min 15 − ∆Z = = =5 2 x1 = x2 = ( Z1 − 10) = ⇒ Z (Z = 15 [ppm] ) − Z 20 ; Trongđó: X 2max + X 2min 55 + Z2 = = = 30 ∆Z 2 2 ∆Z = x2 = c ( Z − 30) 25 X 2max − X 2min 55 − = = 25 2 = −1 ⇒ Z = [ppm] Tối ưu hóa theo hàm thành phần khí thải HC Hàm mục tiêu có dạng : y3(x1, x2) = 23,83 – 2,51x1 + 14,22x2 – 2,62x22 x1 = 1, x2 = -1 với điều kiện - ≤ x1 ≤ 1; -1≤ x2 ≤ Bằng phần mềm Mathcad xác định : Ymax3 = 4.48 % (x1, x2) = (1,-1) 82 Xác định thông số tối ưu cần thiết theo công thức (3.25) dựa vào thông số chọn (3.2.1) x1 (Z = ) − Z 10 X max + X 1min 15 + = = 10 ; Trongđó: Z 10 = ∆Z 2 X 1max − X 1min 15 − ∆Z = = =5 2 x1 = x2 = ( Z1 − 10) = ⇒ Z (Z = 15 [ppm] ) − Z 20 ; Trongđó: X 2max + X 2min 55 + Z2 = = = 30 ∆Z 2 2 ∆Z = x2 = d ( Z − 30) 25 X 2max − X 2min 55 − = = 25 2 = −1 ⇒ Z = [ppm] Tối ưu hóa theo hàm thành phần khí thải CO2 Hàm mục tiêu có dạng : y4(x1, x2) = -2,1 – 2,17x1 + 8,52x2 + 0,43x1x2 – 1,9x22 x1 = 1, x2 = -1 với điều kiện - ≤ x1 ≤ 1; -1≤ x2 ≤ Xác định thông số tối ưu cần thiết theo công thức (3.25) dựa vào thông số chọn (3.2.1) x1 = (Z ) − Z 10 X 1max + X 1min 15 + = = 10 ; Trongđó: Z = ∆Z 2 ∆Z = x1 = ( Z1 − 10) = ⇒ Z X 1max − X 1min 15 − = =5 2 = 15 [ppm] 83 x2 (Z = ) − Z 20 ; Trongđó: X 2max + X 2min 55 + Z2 = = = 30 ∆Z 2 2 X 2max − X 2min 55 − ∆Z = = = 25 2 x2 = e ( Z − 30) 25 = −1 ⇒ Z = [ppm] Tối ưu hóa theo hàm thành phần khí thải NOx Hàm mục tiêu có dạng : y5(x1, x2) = 10,53 – x1 + 12,82x2 – 8,6x22 x1 = 1, x2 = -1 với điều kiện - ≤ x1 ≤ 1; -1≤ x2 ≤ Bằng phần mềm Mathcad xác định : Ymax5 = -11,89 % (x1, x2) = (1,-1) Xác định thông số tối ưu cần thiết theo công thức (3.25) dựa vào thông số chọn (3.2.1) x1 = (Z ) − Z 10 X max + X 1min 15 + = = 10 ; Trongđó: Z 10 = ∆Z 2 ∆Z = x1 = x2 = ( Z1 − 10) = ⇒ Z (Z = 15 [ppm] ) − Z 20 ; Trongđó: X 2max + X 2min 55 + Z2 = = = 30 ∆Z 2 2 ∆Z = x2 = f X 1max − X 1min 15 − = =5 2 ( Z − 30) 25 X 2max − X 2min 55 − = = 25 2 = −1 ⇒ Z = [ppm] Tối ưu hóa theo hàm độ khói 84 Hàm mục tiêu có dạng : y6(x1, x2) = 21,8 – x1 + 3,3x2 – 1,99x22 x1 = 1, x2 = -1 với điều kiện - ≤ x1 ≤ 1; -1≤ x2 ≤ Bằng phần mềm Mathcad xác định : Ymax6 = 15,51 % (x1, x2) = (1,-1) Xác định thông số tối ưu cần thiết theo công thức (3.25) dựa vào thông số chọn (3.2.1) x1 = (Z ) − Z 10 X max + X 1min 15 + = = 10 ; Trongđó: Z 10 = ∆Z 2 ∆Z = x1 = x2 = ( Z1 − 10) = ⇒ Z (Z X 1max − X 1min 15 − = =5 2 = 15 [ppm] ) − Z 20 ; Trongđó: X 2max + X 2min 55 + Z2 = = = 30 ∆Z 2 2 ∆Z = x2 = ( Z − 30) 25 X 2max − X 2min 55 − = = 25 2 = −1 ⇒ Z = [ppm] Tương tự kết tối ưu suất tiêu hao nhiên liệu thành phần khí thải trình bày bảng 3.7 Bảng 3.7 Kết tối ưu suất tiêu hao nhiên liệu thành phần khí thải Z1 Z2 15 55 55 15 5 10 30 15 30 30 Ymax1 11,8 Ymax2 24,65 Ymax3 32,92 Ymax4 2,78 Ymax5 13,75 Ymax6 22,11 7,34 16,34 11,88 28,53 16,44 11,37 37,94 4,48 9,5 6,26 -15,12 -9,92 15,75 -11,89 -9,89 24,11 15,51 17,51 10,1 12,33 7,87 21,35 21,68 21,05 21,83 21,32 26,34 -2,1 -4,27 0,07 10,53 9,53 11,53 21,8 20,8 22,8 85 10 10 55 7,83 27,66 38,05 6,42 23,35 24,58 12,37 15,04 9,61 -10,62 -2,29 18,5 Trong đó: Ymax1: Suất tiêu hao nhiên liệu ge [%] Ymax1: Thành phần khí thải CO [%] Ymax1: Thành phần khí thải HC [%] Ymax1: Thành phần khí thải CO2 [%] Ymax1: Thành phần khí thải NOx [%] Ymax1: Độ khói [%] Z1 : % phụ gia [ppm] Z2 : Kích thước hạt nanô [nm] 3.3 NHẬN XÉT VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ TỐI ƯU Trên sở kết (bảng 3.7) thấy rằng: - Kích thước hạt giảm mức độ cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu phát thải tốt - Theo công cụ chế tạo [3] phụ gia nanơ có kích thước hạt 5nm phần trăm phụ gia 15ppm cho phép suất tiêu hao nhiên liệu ge giảm 16,34%, CO giảm 16,44%, HC giảm 4,48%, CO2 tăng 15,12%, NOx tăng 11,89%, độ khói giảm 15,51% 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Đã ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để lựa chọn thành - phần phụ gia kích thước hạt nanơ CeO2 phù hợp Nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải độc hại - Kết giải toán quy hoạch thực nghiệm cho thấy: suất tiêu hao nhiên liệu ge giảm 16,34%, CO giảm 16,44%, HC giảm 4,48%, CO tăng 15,12%, NOx tăng 11,89%, độ khói giảm 15,51% 86 - Phương pháp nghiên cứu xây dựng cho kết tính tốn phù hợp Có thể áp dụng để nghiên cứu lựa chọn gói phụ gia tiết kiệm nhiên liệu bảo vệ môi trường tối ưu KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ Kết luận Nghiên cứu phát triển nhiên liệu chứa hỗn hợp phụ gia nanô xêri ơxít để giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải độc hại động diesel giải pháp khả thi Để có gói phụ gia vừa giảm tiêu hao nhiên liệu vừa giảm phát thải độc hại cần phải có nghiên cứu kỹ lưỡng lý thuyết thực nghiệm Trên sở tham gia nghiên cứu dự án: “Phát triển nhiên liệu chứa hỗn hợp phụ gia nanô để giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải độc hại động diesel” thuộc Chương trình mục tiêu Quốc gia sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả, luận văn giải nội dung sau: • Nghiên cứu lựa chọn thành phần phụ gia phù hợp để hồn thiện gói phụ gia sở hạt nanơ CeO2 giải pháp khả thi Để thực điều cần có nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, giả toán quy hoạch thực nghiệm để lựa chọn thành phần phụ gia tối ưu • Trên sở tìm hiểu phương pháp khảo sát, đánh giá thử nghiệm động cơ; với mục đích nghiên cứu phát triển phụ gia cho nhiên liệu diesel nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải độc hại động Đã lựa chọn giải pháp khảo sát tiêu công tác động thực nghiệm, Để đánh giá hiệu kinh tế lượng khả giảm thành phần phát thải độc hại động sử dụng nhiên liệu diesel pha phụ gia nano xêri ơxít 87 • Đã ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để lựa chọn thành phần phụ gia kích thước hạt nanơ CeO2 phù hợp Nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải độc hại • Phương pháp nghiên cứu xây dựng cho kết tính tốn phù hợp Có thể áp dụng để nghiên cứu lựa chọn gói phụ gia tiết kiệm nhiên liệu bảo vệ môi trường tối ưu Kiến nghị • Thực với nhiều mẫu thử tăng số lần thử mẫu phụ gia để nhận kết luận xác • Tiến hành thử nghiệm với nhiều loại động khác nhau, để có đánh giá tổng quát tiết kiệm lượng giảm thành phần phát thải loại động • Thử bền động cơ, với mục đích vừa kiểm tra độ bền đơi xylanh pít tơng đồng thời kiểm tra suất tiêu hao nhiên liệu thành phần phát thải độc hại động • Thử nghiệm vận hành phương tiện giới đường bộ, để khẳng định ứng dụng sản phẩm phụ gia thực tế hay khơng • Kiểm tra tính bảo quản, tính bền phụ gia nhiên liệu để có khuyến nghị cho người khai thác vận hành phương tiện 88 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA DÙNG 1.1.VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA ĐỐI VỚI NHIÊN LIỆU DIESEL 1.1.1.Các loại phụ gia cho nhiên liệu diesel 1.1.2 Các loại phụ gia tiết kiệm nhiên liệu bảo vệ môi trường 1.2 PHỤ GIA NHIÊN LIỆU TRÊN CƠ SỞ HẠT NANƠ XÊRI ƠXÍT 1.2.1 Tinh thể nanơ xêri ơxít .6 Hình 1.1 Mạng lưới tinh thể CeO2 .7 1.2.2 Hạt nanơ xêri ơxít chất xúc tác có lợi cho buồng cháy động đốt 1.3 Các tính chất nhiên liệu diesel pha phụ gia nanơ xêri ơxít 1.3.1 Các tính chất nhiên liệu diesel truyền thống .9 1.3.2 Kết khảo sát tính chất nhiên liệu diesel pha phụ gia nanơ xêri ơxít13 Bảng 1.3 Kết phân tích I 18 Bảng 1.4 Kết phân tích II 19 1.4 Nội dung phương pháp nghiên cứu 20 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 89 CHƯƠNG – CƠ SỞ LÝ LUẬN KHẢO SÁT CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL .22 2.1 CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ 22 2.1.1 Áp suất thị trung bình 22 2.1.2 Công suất thị động 22 2.1.3 Suất tiêu hao nhiên liệu thị .23 2.1.4 Hiệu suất thị chu trình cơng tác 24 2.1.5 Quan hệ thơng số thị chu trình cơng tác 24 2.1.6 Sự ảnh hưởng thành phần hỗn hợp cháy đến thông số thị động cơ.26 Hình 2.1 Đường đặc tính phụ tải .27 Hình 2.2 Đường đặc tính khơng tải 28 Hình 2.3 Đường đặc tính kinh tế động Diesel .30 2.1.7 Các thơng số có ích 30 Bảng 2.1 Xác định hàng số A, B 31 2.2 PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .34 2.2.1 Sản phẩm cháy thành phần độc hại động diesel 34 2.2.2 Tỷ lệ chất độc hại khí thải động diessel 36 2.3 PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC VÀ PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ 40 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 42 CHƯƠNG - TỐI ƯU THÀNH PHẦN PHỤ GIA TRÊN CƠ SỞ NANÔ XÊRI ĐI Ô XÍT ĐỂ GIẢM TIÊU HAO .43 3.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM TRONG TỐI ƯU THÀNH PHẦN PHỤ GIA 43 3.1.1 Cơ sở tối ưu hóa .43 Hình 3.1 Phương pháp chuyển động đến tối ưu (PP Gause-Daiden) .46 90 Hình 3.2 Phương pháp chuyển động đến tối ưu (Phương pháp theo bước gradien) .47 3.1.2 Một số khái niệm quy hoạch thực nghiệm 48 Hình 3.3 Sơ đồ đối tượng nghiên cứu .48 3.1.3 Các bước phương pháp quy hoạch thực nghiệm 50 Bảng 3.1 Các tham số quy hoạch trực cấp 53 3.1.4 Các mơ hình hồi quy sử dụng quy hoạch thực nghiệm 56 3.1.5 Thuật tốn xác định phương trình hồi quy .57 3.2 Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm lựa chọn tối ưu thành phần phụ gia cho nhiên liệu diesel 59 3.2.1 Chọn thông số nghiên cứu .60 Bảng 3.2 Điều kiện thí nghiệm chọn .61 3.2.2 Xây dựng phương trình hồi quy 61 Hình 3.4 Ảnh SEM mẫu nano CeO2 có kích thước khoảng 5nm 61 Bảng 3.3 Kết thử nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu thành phần phát thải độc hại động AVL 5402 kích thước hạt nano 5nm 62 Bảng 3.4 Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm nhiên liệu pha phụ gia nano 62 Bảng 3.5 Các hệ số phương trình hồi quy .65 Bảng 3.6 giá trị thành phần khí thải CO, HC,CO2, NOx, thành phần độ khói kết thực nghiệm (Y1,Y2, Y3, Y4, Y5, Y6 ), theo kết tính tốn (y1,y2, 72 3.2.3 Bàn luận kết qủa quy hoạch thực nghiệm 77 3.2.4.Tối ưu hóa thơng số kinh tế lượng phát thải độc hại 79 Bảng 3.7 Kết tối ưu suất tiêu hao nhiên liệu thành phần khí thải 84 3.3 NHẬN XÉT VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ TỐI ƯU 85 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 85 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 86