Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong (Luận án tiến sĩ)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác!

Đà Nẵng, tháng 4 năm 2018

Tác giả luận án

Nguyễn Mạnh Cường

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ IX DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU XII MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 7

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel 7

1.1.1 Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học 7

1.1.2 Giới thiệu chung về biodiesel 8

1.2 Tổng quan về biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su 10

1.2.1 Đặc điểm chung của cây cao su và dầu hạt cao su 10

1.2.2 Đặc điểm về tính chất hóa học của dầu hạt cao su 13

1.2.3 Đặc điểm về tính chất vật lý của dầu hạt cao su 14

1.3 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel 15

1.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới 15

1.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel tại Việt Nam 17

1.4 Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy 18

1.4.1 Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ diesel 18

1.4.2 Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy 20

1.4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn biodiesel 25

1.5 Tình hình nghiên cứu quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel 26

1.5.1 Trên thế giới 26

1.5.2 Tại Việt Nam 30

1.6 Kết luận chương 1 35

2.1 Mô hình cháy hỗn hợp khuếch tán không hòa trộn trước 36

2.1.1 Mô hình rối 36

2.1.2 Hệ phương trình tổng quát biểu diễn tia phun rối 37

2.1.3 Mô hình cháy chính của J Abraham 38

2.1.4 Mô hình cháy trễ của Kong và Reitz 41

2.1.5 Đại lượng bảo toàn 43

2.1.6 Tốc độ màng lửa rối 44

2.1.7 Tính toán nhiệt độ 45

2.1.8 Tính toán các đại lượng trung bình 47

2.1.9 Mô hình hình thành bồ hóng 48

2.1.10 Mô hình hình thành NOx 51

2.1.11 Mô hình phát thải HC 52

2.1.12 Mô hình phát thải CO 53

2.2 Tính toán mô phỏng quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel 53

2.2.1 Các phần mềm dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ 53

2.2.2 Giới thiệu về mô phỏng CFD và phần mềm ANSYS FLUENT 54

2.2.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi mô phỏng 55

2.2.4 Xây dựng mô hình hình học buồng cháy và rời rạc hóa mô hình 56

2.2.5 Cài đặt các thông số mô hình 59

2.2.6 Chế độ mô phỏng và thiết lập mô hình mô phỏng 60

2.2.7 Khởi động tính toán và xử lý kết quả 61

2.2.8 Thiết lập điều kiện biên và xác định hệ số hiệu chỉnh mô hình 61

2.2.9 Đánh giá độ chính xác của mô hình 64

2.3 Kết luận chương 2 66

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 67

3.1 Mục tiêu và đối tượng thực nghiệm 67

3.1.1 Mục tiêu thực nghiệm 67

3.1.2 Đối tượng thực nghiệm 67

3.2 Bố trí và lắp đặt thực nghiệm 68

3.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 68

3.2.2 Lắp đặt động cơ thực nghiệm 69

3.2.3 Bố trí và lắp đặt thực nghiệm nội soi buồng cháy 71

3.2.4 Giới thiệu các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 73

3.3 Phương pháp thực nghiệm 75

3.3.1 Điều kiện thực nghiệm 75

3.3.2 Nội dung các chế độ thực nghiệm 75

3.3.3 Quy trình thực nghiệm 77

3.3.4 Điều kiện giới hạn của thực nghiệm 78

3.4 Phân tích đánh giá các yếu tố tác động đến kết quả thực nghiệm 79

3.4.1 Ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu 79

3.4.2 Ảnh hưởng của thiết bị thí nghiệm 79

3.4.3 Ảnh hưởng sai số khi phân tích dữ liệu thực nghiệm 80

3.5 Xử lý kết quả thực nghiệm 81

3.5.1 Phương pháp toán học trong xử lý kết quả thực nghiệm 81

3.5.2 Giới thiệu về phần mềm Matlab/Simulink 82

3.5.3 Mã code chương trình tính toán trong phần mềm Matlab/Simulink 83

3.6 Kết luận chương 3 83

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 84

4.1 Đặc trưng quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel Mazda WL 84

4.1.1 Sự ổn định của quá trình cháy trong động cơ 85

4.1.2 Biến thiên áp suất cháy trong xylanh động cơ 86

4.1.3 Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh động cơ 90

4.1.4 Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh động cơ 95

4.1.5 Tỷ lệ lượng nhiên liệu cháy MFBR và khoảng thời gian cháy 98

4.1.6 Hiệu suất cháy 102

4.1.7 Hiệu suất nhiệt 103

4.1.8 Nhiệt độ khí thải 104

4.2 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel 105

4.2.1 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ 105

4.2.2 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu kinh tế của động cơ 1094.2.3 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu phát thải của động cơ 1134.3 Trực quan hóa đặc trưng quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel Mazda WL 1264.3.1 Kết quả mô phỏng diễn biến quá trình cháy trong động cơ Mazda WL 1264.3.2 Trực quan hóa quá trình cháy của biodiesel trong động cơ Mazda WL bằng phương pháp nội soi buồng cháy 1314.4 Kết luận chương 4 136KẾT LUẬN 140DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN - 1 -TÀI LIỆU THAM KHẢO - 3 -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Các ký hiệu mẫu tự La Tinh :

Gnl [kg/h] Lượng tiêu hao nhiên liệu giờ

gi [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

ge [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

Memax [N/m] Mô men cực đại

M0 [Kmol/kg] Lượng không khí lý thuyết

Ne [kW] Công suất có ích động cơ

Nedm [kW] Công suất định mức

Nemax [kW] Công suất có ích cực đại

ndm [v/ph] Số vòng quay định mức

ngemin [v/ph] Số vòng quay ứng với ge nhỏ nhất

nmax [v/ph] Số vòng quay cực đại

nM [v/ph] Số vòng quay ứng với Me cực đại

pe [N/m2] Áp suất có ích trung bình

pi [N/m2] Áp suất chỉ thị trung bình

pk [N/m2] Áp suất trước xú-páp nạp

pa [N/m2] Áp suất cuối quá trình nạp

QH [J/kg] Nhiệt trị thấp của một kg nhiên liệu

wphun [m/s] Vận tốc phun

p’ [kG/cm2] Áp suất phun trung bình

p'k [kG/cm2] Áp suất không khí nén trong xylanh

v [dm3/ct] Thể tích nhiên liệu cấp cho 1 xylanh

g [kg/ct] Lượng nhiên liệu cấp cho 1 xylanh

M1 [kg/s] Lưu lượng nhiên liệu ban đầu khi ra khỏi vòi phun

M [kg/s] Lưu lượng tổng cộng của hỗn hợp khí

Tox [oC] Nhiệt độ nguồn oxy

Tf [oC] Nhiệt độ nguồn nhiên liệu

Tad [oC] Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt của nhiên liệu trong oxy

3 Các chữ viết tắt :

ASTM American Society for Testing and Materials (Hiệp hội vật liệu

và thử nghiệm Hoa Kỳ)

EN Europe standard (Tiêu chuẩn Châu Âu)

RBDF Rubber Biodiesel Fuel (Nhiên liệu sinh học từ dầu hạt cao su)

FFA Free Fatty Acid (Axit béo tự do)

RSO Rubber Seed Oil (Dầu hạt cao su)

BMEP Brake Mean Effective Pressure (Áp suất có ích trung bình)

IMEP Indicate Mean Effective Pressure (Áp suất chỉ thị trung bình)

MFBR Mass Fraction Burn Rate (Tỷ lệ khối lượng cháy)

BTE Brake Thermal Efficiency (Hiệu suất nhiệt)

HRR Heat Release Rate (Tốc độ tỏa nhiệt)

Ce Combustion efficiency (Hiệu suất cháy)

Cd Combustion duration (Khoảng thời gian cháy)

COV Coefficient of Variation (Hệ số biến thiên)

COV of IMEP Hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình

SOC Start of Combustion (Thời điểm bắt đầu cháy)

EOC End of Combustion (Thời điểm kết thúc cháy)

SOI Start of Injection (Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu)

ID Ignition Delay (Thời gian cháy trễ)

BSFC Brake Specific Fuel Consumption (Suất tiêu hao nhiên liệu)

AVL Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List (Tên công ty)

APA Asynchron Pendelmaschinen Anlage (Băng thử công suất)

DO Diesel Oil (Nhiên liệu Diesel)

B15 Biodiesel 15% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 15%)

B20 Biodiesel 20% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 20%)

B25 Biodiesel 25% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 25%)

B30 Biodiesel 30% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 30%)

ppm parts per million (Một phần triệu)

rpm revolutions per minute (Tốc độ vòng trên phút)

PM Particulate Metter (Bồ hóng hoặc vật chất hạt rắn)

CFD Computational Fuild Dynamics (Động lực học chất lỏng)

FDM Finite Difference Methods (Phương pháp sai phân hữu hạn)

FEM Finite Element Methods (Phương pháp phần tử hữu hạn)

FVM Finite Volume Methods (phương pháp thể tích hữu hạn)

DI Direct Injection (Phun trực tiếp)

IDI Indirect Injection (Phun gián tiếp)

NOx Nitrogen oxides

Opac Opacity (Độ mờ khói)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Hình ảnh cây, quả và dầu hạt cao su 11

Hình 1.2: Thống kê diện tích và sản lượng cao su tại Việt Nam [113] 11

Hình 1.3: Các khả năng chế biến từ hạt cao su 12

Hình 1.4: Sản lượng diesel sinh học ở châu Âu từ năm 1998 đến 2013 [112] 16

Hình 1.5: Sự phát triển ngọn lửa trong quá trình cháy của B0 và B100 [28] 24

Hình 2.1: Biến thiên áp suất cháy, tốc độ phun nhiên liệu, tốc độ tỏa nhiệt[61] 40

Hình 2.2: Tốc độ cháy và tỷ lệ nhiên liệu cháy theo góc quay trục khuỷu [61] 41

Hình 2.3: Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” [69] 50

Hình 2.4: Buồng cháy ngăn cách của động cơ Mazda WL- Turbo 57

Hình 2.5: Chia lưới buồng cháy ngăn cách của động cơ Mazda WL- Turbo 57

Hình 2.6: Lưu đồ thuật toán mô hình cháy trong mô phỏng Ansys [27] 58

Hình 2.7: So sánh đường cong áp suất nén giữa mô phỏng và thực nghiệm 63

Hình 2.8: So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa MP và TN 65

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm động cơ Mazda WL-Turbo 69

Hình 3.2: Lắp đặt động cơ thực nghiệm 71

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nội soi buồng cháy 72

Hình 3.4: Lắp đặt động cơ thực nghiệm nội soi buồng cháy trên băng thử AVL 73

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của thiết bị AVL733S 74

Hình 3.6: Biểu đồ chu trình thử ECE R49 [49] 76

Hình 4.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ nhiên liệu biodiesel đến COV of IMEP 86

Hình 4.2: Biến thiên áp suất trong xylanh theo mô phỏng 86

Hình 4.3: Biến thiên áp suất trong xylanh theo thực nghiệm 86

Hình 4.4: Xu hướng thay đổi pzmax giữa DO và biodiesel theo mô phỏng 88

Hình 4.5: Xu hướng thay đổi pzmax giữa DO và biodiesel theo thực nghiệm 88

Hình 4.6: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của áp suất cháy cực đại khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 89

Hình 4.7: Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo mô phỏng 90

Hình 4.8: Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo thực nghiệm 90

Hình 4.9: Xu hướng thay đổi HRRmax giữa DO và biodiesel theo mô phỏng 92

Hình 4.10: Xu hướng thay đổi HRRmax giữa DO và biodiesel theo thực nghiệm 92

Hình 4.11: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của tốc độ tỏa nhiệt cực đại khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 93

Hình 4.12: Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh theo mô phỏng 95

Hình 4.13: Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh theo thực nghiệm 95

Hình 4.14: Xu hướng thay đổi Tmax giữa DO và biodiesel theo mô phỏng 96

Hình 4.15: Xu hướng thay đổi Tmax giữa DO và biodiesel theo thực nghiệm 96

Hình 4.16: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của nhiệt độ cháy cực đại khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 98

Hình 4.17: Biến thiên tỷ lệ lượng nhiên liệu cháy giữa DO và biodiesel 99

Hình 4.18: Đồ thị so sánh thời gian cháy của nhiên liệu DO và biodiesel 100

Hình 4.19: Đồ thị so sánh hiệu suất cháy của DO và biodiesel theo thực nghiệm 102 Hình 4.20: Đồ thị so sánh hiệu suất nhiệt của DO và biodiesel theo thực nghiệm 103 Hình 4.21: Ảnh hưởng của biodiesel đến nhiệt độ khí xả động cơ theo TN 104

Hình 4.22: Xu hướng thay đổi công suất động cơ theo mô phỏng 107

Hình 4.23: Xu hướng thay đổi công suất động cơ theo thực nghiệm 107

Hình 4.24: Đặc tính tốc độ của công suất động cơ theo thực nghiệm 107

Hình 4.25: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 109

Hình 4.26: Xu hướng thay đổi suất tiêu hao năng lượng động cơ theo MP 110

Hình 4.27: Xu hướng thay đổi suất tiêu hao năng lượng động cơ theo TN 110

Hình 4.28: Đặc tính suất tiêu hao năng lượng động cơ theo thực nghiệm 111

Hình 4.29: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của suất tiêu hao năng lượng động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 112

Hình 4.30: Xu hướng thay đổi phát thải NOx của động cơ theo mô phỏng 115

Hình 4.31: Xu hướng thay đổi phát thải NOx của động cơ theo thực nghiệm 115

Hình 4.32: Đặc tính thành phần phát thải NOx của động cơ theo thực nghiệm 115

Hình 4.33: Xu hướng thay đổi độ mờ khói %Opac của động cơ theo mô phỏng 118

Hình 4.34: Xu hướng thay đổi độ mờ khói %Opac của động cơ theo TN 118

Hình 4.35: Đặc tính thành phần phát thải %Opac của động cơ theo thực nghiệm 118 Hình 4.36: Xu hướng thay đổi phát thải CO của động cơ theo mô phỏng 120

Hình 4.37: Xu hướng thay đổi phát thải CO của động cơ theo thực nghiệm 120

Hình 4.38: Đặc tính thành phần phát thải CO của động cơ theo thực nghiệm 121

Hình 4.39: Xu hướng thay đổi phát thải HC của động cơ theo mô phỏng 123

Hình 4.40: Xu hướng thay đổi phát thải HC của động cơ theo thực nghiệm 123

Hình 4.41: Đặc tính thành phần phát thải HC của động cơ theo thực nghiệm 123

Hình 4.42: Xu hướng thay đổi các kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm 126

Hình 4.43: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ DO 127

Hình 4.44: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B15 128

Hình 4.45: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B20 128

Hình 4.46: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B25 129

Hình 4.47: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B30 130

Hình 4.48: Hình ảnh quá trình cháy tại n=2500 v/ph, 75% tải 132

Hình 4.49: Hình ảnh trường nhiệt độ tại n=2500 v/ph, 75% tải 133

Hình 4.50: Hình ảnh phân tán bồ hóng tại n=2500 v/ph, 75% tải 135

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh các chỉ tiêu của Biodiesel và Diesel khoáng [11] 9

Bảng 1.2: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717-07 cho diesel sinh học gốc (B100) [14] 10

Bảng 1.3: Thành phần phần trăm hoá học của nhân hạt cao su [3] 13

Bảng 1.4: Một số tính chất hoá lý của dầu hạt cao su [7], [15] 15

Bảng 1.5: So sánh dầu hạt cao su và các loại dầu khác [7], [15] 15

Bảng 1.6: Tính chất vật lý và hóa học của diesel và diesel sinh học [28] 23

Bảng 1.7: Thống kê kết quả các công trình nghiên cứu điển hình liên quan đến quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel 29

Bảng 1.8: Thống kê sự ảnh hưởng của biodiesel đến tính năng và phát thải [65] 30

Bảng 2.1: Các hệ số thời gian cháy trễ [61] 41

Bảng 2.2: Các bước hình thành bồ hóng và tốc độ phản ứng [54] 50

Bảng 2.3: Chuỗi phản ứng hình thành NOx 52

Bảng 2.4: Các thông số cơ bản của động cơ Mazda WL-Turbo 56

Bảng 2.5: So sánh một số tính chất của B15, B20, B25 và B30 với diesel 59

Bảng 2.6: Các hệ số mô hình Shell [69] 63

Bảng 2.7: Bảng tổng hợp các thông số điều kiện biên cho mô hình 64

Bảng 2.8: So sánh sai lệch kết quả Ne, ge giữa mô phỏng và thực nghiệm 65

Bảng 3.1: Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 76

Bảng 3.2: nội dung các chế độ thực nghiệm 77

Bảng 4.1: So sánh giá trị áp suất cháy cực đại theo mô phỏng 88

Bảng 4.2: So sánh giá trị áp suất cháy cực đại theo thực nghiệm 88

Bảng 4.3: So sánh kết quả áp suất cháy cực đại giữa mô phỏng và thực nghiệm 89

Bảng 4.4: So sánh giá trị tốc độ tỏa nhiệt cựa đại theo mô phỏng 91

Bảng 4.5: So sánh giá trị tốc độ tỏa nhiệt cực đại theo thực nghiệm 92

Bảng 4.6: So sánh kết quả tốc độ tỏa nhiệt cực đại giữa MP và TN 93

Bảng 4.7: So sánh giá trị nhiệt độ cháy cực đại theo mô phỏng 96

Bảng 4.8: So sánh giá trị nhiệt độ cháy cực đại theo thực nghiệm 97

Bảng 4.9: So sánh kết quả nhiệt độ cháy cực đại giữa MP và TN 97

Bảng 4.10: So sánh giá trị thời gian quá trình cháy theo thực nghiệm 101

Bảng 4.11: Giá trị công suất khi sử dụng DO và biodiesel theo mô phỏng 106

Bảng 4.12: Giá trị công suất khi sử dụng DO và biodiesel theo thực nghiệm 106

Bảng 4.13: So sánh kết quả công suất động cơ giữa mô phỏng và thực nghiệm 108

Bảng 4.14: So sánh giá trị suất tiêu hao năng lượng động cơ theo mô phỏng 109

Bảng 4.15: So sánh giá trị suất tiêu hao năng lượng động cơ theo thực nghiệm 110

Bảng 4.16: So sánh kết quả suất tiêu hao năng lượng giữa MP và TN 112

Bảng 4.17: So sánh giá trị phát thải NOx của các nhiên liệu theo mô phỏng 114

Bảng 4.18: So sánh giá trị phát thải NOx của các nhiên liệu theo thực nghiệm 114

Bảng 4.19: So sánh giá trị phát thải Opac của các nhiên liệu theo mô phỏng 116

Bảng 4.20: So sánh giá trị bồ hóng %Opac của các nhiên liệu theo thực nghiệm 116 Bảng 4.21: So sánh giá trị phát thải CO của các nhiên liệu theo mô phỏng 119

Bảng 4.22: So sánh giá trị phát thải CO của các nhiên liệu theo thực nghiệm 119

Bảng 4.23: So sánh giá trị phát thải HC của các nhiên liệu theo mô phỏng 122

Bảng 4.24: So sánh giá trị phát thải HC của các nhiên liệu theo thực nghiệm 122

Bảng 4.25: So sánh kết quả phát thải NOx, Opac giữa MP và TN 124

Bảng 4.26: So sánh kết quả phát thải CO, HC giữa mô phỏng và thực nghiệm 125

Bảng 4.27: Kết quả mô phỏng diễn biến quá trình cháy trong động cơ 130

đề xuất, triển khai ứng dụng trên toàn thế giới nhằm mục tiêu giải quyết bài toán về

an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường

Có thể nói rằng việc tìm kiếm, nghiên cứu sử dụng các dạng nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang cạn kiệt dần để đảm bảo tăng trưởng kinh tế và bảo vệ môi trường đã trở nên bức thiết hơn bao giờ hết, đã và đang trở thành chính sách hàng đầu trong chiến lược phát triển kinh tế của mọi quốc gia Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều v.v Năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm

Nhằm góp phần bảo đảm mục tiêu an ninh năng lượng, giảm dần sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch truyền thống, cải thiện môi trường, đồng thời thực hiện tốt các cam kết của Chính phủ Việt Nam với quốc tế về giảm khí thải nhà kính, góp phần tạo thu nhập bền vững cho khu vực nông nghiệp và thúc đẩy tái cơ cấu ngành nông nghiệp Năm 2007, Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết định 177/2007/QĐ-TTg Đồng thời, ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống Quyết định này có hiệu lực thi hành kể từ ngày 15 tháng 01 năm 2013

và có lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn cụ thể tuy vẫn ở tỷ lệ thấp Điều này thể hiện tham vọng của Chính phủ và cũng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học

Trong số các nhiên liệu sinh học, thì diesel sinh học (biodiesel) được quan tâm hơn cả, do xu hướng diesel hóa động cơ và giá diesel khoáng ngày càng tăng cao Hơn nữa, biodiesel được xem là loại phụ gia rất tốt cho nhiên liệu diesel khoáng, làm giảm đáng kể lượng khí thải độc hại và nó là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo được Việt Nam là đất nước nông nghiệp, vì vậy các loại nhiên liệu biodiesel được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên liệu có mức phát thải độc hại thấp, trữ lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên các động cơ hiện hành mà không cần phải thay đổi nhiều về kết cấu Điều này đặc biệt có ý nghĩa thực tiễn cao khi tận dụng một số lượng lớn động cơ diesel đang vận hành tại Việt Nam chuyển sang

sử dụng nhiên liệu biodiesel

Biodiesel có nguồn gốc từ mỡ động vật dễ bị nhiễm khuẩn làm giảm sút chất lượng trong bảo quản, thời gian bảo quản được khuyến cáo là dưới 1 năm với chế

độ nghiêm ngặt điều này chưa phù hợp với trình độ kỹ thuật của nước ta Trong khi

đó biodiesel từ dầu thực vật được bảo quản trong điều kiện thông thường Ngoài ra, nếu sản xuất biodiesel từ dầu ăn tinh chế (hay là dầu ăn được như dầu đậu nành, dầu lạc, dầu đậu tương, dầu vừng, dầu dừa v.v.) thì giá thành khá cao và còn ảnh hưởng đến an ninh lương thực Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa,

có tiềm năng lớn trong việc phát triển nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học, đặc biệt là các nguồn nguyên liệu như dầu cọ, dầu hạt bông, dầu từ cây Jatropha (cây cọc rào), dầu từ hạt cao su v.v Bên cạnh đó, cây cao su cho giá trị kinh tế chính là mủ cao su, việc tận dụng thu hồi hạt cao su để sản xuất nhiên liệu biodiesel làm tăng giá trị kinh tế cho cây cao su Theo thống kê Hiệp hội Cao su Việt Nam, năm 2015 diện tích vườn cao su ở Việt Nam là 910.500 ha Vậy hằng năm chúng ta thu khoảng 910.050 tấn hạt (tính cho 1tấn hạt/1ha/1năm) tương đương lượng dầu thu được khoảng 91.050 tấn dầu hạt cao su, đây là một con số đáng chú ý Do đó việc nghiên cứu và tổng hợp nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao

Chính vì vậy, trong giới hạn nghiên cứu ở Việt Nam, thấy rằng việc “Nghiên cứu

quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong” mang tính cấp

thiết trong bối cảnh hiện nay đồng thời có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận án có mục tiêu tổng thể là nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel truyền thống từ đó định hướng về mặt khoa học khi

sử dụng nhiên liệu biodiesel với các tỷ lệ lớn hơn 10% (B10) Đồng thời đẩy mạnh việc nghiên cứu nâng cao tỷ lệ phối trộn biodiesel

Mục tiêu cụ thể của luận án bao gồm:

- Đánh giá được các đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel

- Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ biodiesel thay thế đến các chỉ tiêu kinh

tế, kỹ thuật, phát thải cũng như thông số vận hành của động cơ diesel

- Đưa ra khuyến cáo sử dụng biodiesel cho động cơ diesel hoạt động đạt hiệu

quả nhất và nâng cao công năng sử dụng

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tƣợng nghiên cứu:

- Động cơ diesel Mazda WL-Turbo 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, buồng cháy phụ (hình trụ nối chỏm cầu) được lắp trên ô tô Mazda 2500 và Ford Ranger, được

sử dụng tương đối phổ biến trong giao thông đường bộ tại Việt Nam

- Hỗn hợp nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu hạt cao su có tỷ lệ pha trộn 15%, 20%, 25%, 30% (B15, B20, B25, B30) và DO (diesel truyền thống)

 Phạm vi nghiên cứu:

Về lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về quá trình cháy và phân tích các mô

hình toán để ứng dụng trong mô phỏng khi sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT Trong mô phỏng, chỉ mô phỏng ở một số chế độ tải và số vòng quay động cơ diesel thường sử dụng cụ thể là: Chế độ tải 25%, 50%, 75% tương ứng với mức tải nhỏ, tải trung bình, tải lớn tại số vòng quay 1500 v/ph và 2250 v/ph

Về thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel Mazda WL ở

chế độ tải 25%, 50%, 75%, tương ứng với số vòng quay từ 1000 v/ph đến 3000 v/ph Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ Mazda WL với các loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) và biodiesel ở chế độ 75% tải và số vòng quay 2250 v/ph

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại: Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính chất và đặc điểm quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel

- Nghiên cứu lựa chọn các mô hình toán trong phần mềm mô phỏng

- Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel sử dụng biodiesel

có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trên phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT

- Thực nghiệm trên băng thử công suất động cơ, đo diễn biến áp suất trong buồng cháy động cơ từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến đặc tính cháy của động cơ diesel

- Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ Mazda WL với các loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) và biodiesel nhằm quan sát đánh giá đặc tính cháy

- Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến đặc tính kinh

tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel từ đó khuyến cáo các phương án cần thiết khi sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel đạt hiệu quả nhất

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng với nghiên cứu thực nghiệm

6 Tên đề tài

“Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong”

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

trình cháy từ dữ liệu diễn biến áp suất buồng cháy như: Sự ổn định của quá trình cháy thông qua hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình (COV of IMEP); Tỷ lệ nhả nhiệt HRR (Heat Release Rate); Tỷ lệ khối lượng cháy MFB (Mass Fraction Burn); Hiệu suất cháy (Combustion efficiency); Khoảng thời gian cháy (Combustion duration) và Hiệu suất nhiệt (Brake thermal efficiency) Bên cạnh đó, luận án cũng đã thiết lập được việc quan sát hỗn hợp cháy trong buồng cháy động

cơ bằng phương pháp nội soi kết hợp xử lý hình ảnh diễn biến quá trình cháy thông qua phần mềm VisioScope Những kết quả này là minh chứng khoa học trong việc nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel

Luận án đã xây dựng được các mối quan hệ giữa các thông số vận hành như: công suất, suất tiêu hao nhiên liệu của hỗn hợp nhiên liệu biodiesel và các thành phần phát thải độc hại với các loại nhiên liệu Đây là các đường đặc tính cơ sở nhằm

hỗ trợ cho việc nâng cao tỷ lệ diesel sinh học trên thực tế

Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã cung cấp các dữ liệu cụ thể từ kết quả nghiên

cứu để đưa ra những định hướng khoa học khi sử dụng nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su làm nhiên liệu thay thế các động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam

Các kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học góp phần xây dựng các tiêu chuẩn về nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su dùng cho việc hoạch định chính sách sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực trang bị động cơ diesel theo hướng tăng tỷ lệ diesel sinh học trong hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel Qua đó góp phần sớm đưa Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống vào hiện thực

8 Bố cục của luận án

Luận án được kết cấu gồm các nội dung chính như sau: Mở đầu; Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Cơ sở lý thuyết; Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm; Chương 4: Kết quả và thảo luận; Kết luận và hướng phát triển

9 Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án

1- Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ diesel Mazda WL trên phần mềm ANSYS FLUENT Thông qua mô hình đã xây dựng có thể phân tích, đánh giá được đặc trưng quá trình cháy nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong, đồng thời cũng là cơ sở để giải thích, định hướng và đánh giá kết quả thực nghiệm

2 Bằng mô phỏng luận án đã dự báo được sự thay đổi các thông số đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel về mặt qui luật Đồng thời, cũng đã chỉ ra hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy khi mô phỏng trong ANSYS FLUENT đối với nhiên liệu biodiesel có tỷ lệ từ B15 đến B30 cụ thể như sau:

 Áp dụng mô hình cháy chính của J Abraham cần hiệu chỉnh các thông số đối với tốc độ tỏa nhiệt: hệ số giãn dòng C’d=1,38Cd; hệ số số mũ đặc trưng cho tốc độ cháy a’=0,86a; thông số dạng cháy m’= 1,14m đối với biodiesel từ dầu hạt cao su

 Áp dụng mô hình Shell để tính toán thời gian cháy trễ được đề xuất bởi Kong

và Reitz, thay đổi thời gian cháy trễ Af4 từ mô hình cháy trễ quan hệ theo phương

10 Hạn chế của luận án

Luận án chưa nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến tính năng động cơ diesel khi sử dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su

Luận án đủ ở file: Luận án full