Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học butanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức tt

-1- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH TẤN TIẾN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BUTANOL TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MÃ SỐ: 62.52.01.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG – 2019 -2Cơng trình hồn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Trần Văn Nam PGS.TS Dương Việt Dũng Phản biện: ………………………………………………… Phản biện: ………………………………………………… Phản biện: ………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Đại học Đà Nẵng Vào hồi : …………………………………………………… Có thể tìm luận án : - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin – Học liệu Truyền thông, Đại học Đà Nẵng -1MỞ ĐẦU Năng lượng môi trường đã, vấn đề quan tâm hàng đầu nhiều quốc gia giới Cùng với tốc độ phát triển kinh tế, gia tăng nhanh dân số, giao lưu văn hóa, xã hội quốc gia giới làm cho nhu cầu lại vận chuyển hàng hóa ngày tăng cao Áp lực ô nhiễm môi trường ngày nghiêm trọng, gần nhà sản xuất ô tô phải giảm mức độ phát thải, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu cho phép sử dụng nhiên liệu phát triển từ nguồn lượng tái tạo để đạt mục tiêu giảm lượng khí thải CO2 xe Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu nhiên liệu sinh học, Butanol hướng cần thiết, Butanol gây hấp dẫn lĩnh vực nhiên liệu sinh học trộn với xăng theo tỷ lệ lớn, dùng chung hệ thống phân phối nạp liệu xăng chạy động chạy xăng hành Hiện nay, Butanol sinh học sử dụng làm nhiên liệu thay phần xăng sản xuất từ dầu mỏ [6] Tuy nhiên tính chất lý hóa Butanol xăng khác nên trình hình thành hỗn hợp cháy nhiên liệu phối trộn xăng - Butanol diễn khác Nhằm góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu dùng cho động đốt trong, góp phần nâng cao hiệu động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng – Butanol, cần thiết phải có nghiên cứu chuyên sâu trình hình thành hỗn hợp cháy hỗn hợp Những năm gần đây, dựa vào thành tựu công nghệ tin học điện tử, việc nghiên cứu trình hỗn hợp cháy thực phương pháp mơ hình hóa Cùng đồng nghiệp quốc gia phát triển, nhà khoa học Việt Nam bắt kịp tiến khoa học hòa nhập vào trào lưu chung giới hướng nghiên cứu Tuy nhiên, nước ta chưa thấy cơng trình cơng bố liên quan đến nghiên cứu mơ hình hóa q trình hình thành hỗn hợp cháy động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng - butanol Vì “Nghiên cứu -2sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol động đánh lửa cưỡng bức” có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng thể luận án đưa định hướng mặt kỹ thuật nhằm đảm bảo tính tương thích động xăng truyền thống sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol theo thể tích 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) 50% (Bu50) Cụ thể, luận án đánh giá tính chất xăng sinh học có tỷ lệ pha butanol, đánh giá ảnh hưởng xăng sinh học đến tính phát thải động xăng truyền thống đưa khuyến cáo cần thiết sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) 50% (Bu50) cho động xăng truyền thống Đối tượng phạm vi nghiên cứu Sử dụng hỗn hợp Butanol-xăng với tỷ lệ 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) 50% (Bu50) thể tích động đốt cháy cưỡng Thực nghiệm tiến hành động A16DMS hãng DAEWOO sản xuất Luận án nghiên cứu lý thuyết liên quan đến đặc tính q trình phun sử dụng nhiên liệu xăng sinh học thực mô phần mềm ANSYS-FLUENT Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp phương pháp mô hình hóa phương pháp thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết phần mềm mô đại thử nghiệm đối chứng hệ thống băng thử động nhằm đánh giá tác động xăng sinh học đến đặc tính phun, bay hơi, hòa trộn hỗn hợp, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải động Ý nghĩa khoa học thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: -3Luận án góp phần đánh giá trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học động đốt thông qua mơ hình mơ xây dựng phần mềm ANSYS-FLUENT Từ mơ hình mơ này, ảnh hưởng nhiên liệu xăng sinh học tỷ lệ Butanol khác đến q trình bay hòa trộn, thông số kinh tế kỹ thuật phát thải động khảo sát đánh giá để làm sở cho việc đánh giá kết thực nghiệm động thực kiến nghị điều chỉnh thông số vận hành động cách phù hợp chuyển sang sử dụng xăng sinh học * Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đánh giá tương thích vật liệu hệ thống cung cấp nhiên liệu động xe ô tô với loại xăng sinh học Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 Bu50, chi tiết tới tượng ăn mòn, rỉ sét vật liệu kim loại, trương nở vật liệu phi kim Luận án đánh giá ảnh hưởng xăng sinh học Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 Bu50 tới tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động Từ đó, đưa nhận định giải pháp kỹ thuật, điều kiện vận hành động nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol lên đến 50% động Điểm luận án - Khẳng định sử dụng xăng-butanol với tỷ lệ đến Bu30 mức tải tốc độ mà động thường xuyên làm việc 30-70% độ mở bướm ga 1250-4250 v/ph không làm ảnh hưởng đến tính kinh tế động so với sử dụng xăng (Bu0) - Từ kết mẫu nhiên liệu hỗn hợp xăng-butanol kết hợp với kết mô phương án phun hỗn hợp xăng-butanol khẳng định phun hỗn hợp xăng-butanol cải thiện khả bay cho butanol so với phun riêng rẽ xăng/butanol, nhiên phun hỗn hợp -4có thể làm cho việc bay xăng khơng hồn tồn Phun riêng rẽ xăng/butanol làm tăng khả bay hoàn toàn xăng, nhiên dẫn đến butanol khó bay hồn tồn, trường hợp nên phun sớm butanol so với xăng Phun phía hỗn hợp làm tăng đồng cho hòa khí, phun hai phía riêng rẽ xăng/butanol phân tầng hòa khí buồng cháy, phía nửa trái xilanh có tỷ lệ Bu cao so với phía nửa phải xilanh Phun phía hỗn hợp đường nạp tạo điều kiện hình thành hòa khí có nồng độ nhiên liệu hệ số tương đương cao tập trung buồng cháy cách xa cửa xả, điều giúp giảm thời gian cháy trễ giảm nguy cháy kích nổ cho động Tốc độ bay nhiên liệu phun PI nhanh đáng kể so với phun DI tốc độ bay xăng nhanh so với butanol điều kiện hoạt động, tốc độ bốc BuDI-GPI cao nhất, sau đến GDIBuPI thấp DI hỗn hợp Hòa khí DI hỗn hợp đồng so với BuDI-GPI GDI-BuPI Nội dung luận án: (1) Lý thuyết mơ tia phun nhiên liệu trình tạo hỗn hợp; (2) Đánh giá ảnh hưởng phương án phun nhiên liệu xăng/butanol đến trình cháy mức độ phát thải ô nhiễm động cơ; (3) Nghiên cứu thực nghiệm tính kỹ thuật mức độ phát thải ô nhiễm động chạy xăng/butanol; (4) Kiểm chứng kết dự báo mô Ngoài phần mở đầu kết luận; luận án cấu tạo thành chương Chương1: Nghiên cứu tổng quan; Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết; Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm; Chương 4: Kết bàn luận Chương NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Khái quát 1.1.1 Phương tiện giao thông ô nhiễm môi trường -5Thủ tướng phủ Việt Nam vừa ký định số 985a việc ban hành Kế hoạch hành động quốc gia quản lý chất lượng khơng khí mục tiêu đến năm 2020 tầm nhìn đến năm 2030 Theo định khuyến khích chủ nhân phương tiện giao thông xe máy, ô tô đổ xăng sinh học 1.1.2 Nhiên liệu thay sử dụng phương tiện giao thơng Cồn (butanol propanol) có nguồn gốc từ thực vật sử dụng nhiên liệu thay nhiên liệu hóa thạch Trong thực tế, tính chất Butanol tương tự xăng MButanol Butanol có tỷ lệ octane cao Butanol xem nhiên liệu thay sản xuất từ lên men đường sản xuất rộng rãi khắp giới 1.1.3 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học Hiện nay, có khoảng 50 nước giới khai thác sử dụng nhiên liệu sinh học mức độ khác Nhiên liệu sinh học dùng làm nhiên liệu bao gồm: dầu thực vật sạch, butanol, diezel sinh học, dimetyl ether, ethy tertiary butyl ether sản phẩm từ chúng 1.1.4 Sử dụng nhiên liệu butanol sinh học động đốt Việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho động đốt nhiều trung tâm, viện nghiên cứu nhà khoa học giới đặc biệt quan tâm Việt Nam có số nghiên cứu việc sử dụng butanol sinh học làm nhiên liệu cho động đốt đưa khẳng định butanol sinh học hồn tồn sử dụng làm nhiên liệu thay tiềm năng, có nhiệt trị cao etanol lại ổn định ngậm nước 1.2 Sự cần thiết cải tiến hệ thống nhiên liệu động đánh lửa cưỡng 1.2.1 Lịch sử phát triển hệ thống cung cấp nhiên liệu động đánh lửa cưỡng -61.2.2 Cải tiến hệ thống phun nhiên liệu động đánh lửa cưỡng nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu ô nhiễm môi trường Động GDI khắc phục hạn chế động PFI, đặc biệt liên quan đến việc làm ướt thành cửa nạp Việc phun xăng trực tiếp vào xi lanh động đánh lửa cưỡng bốn kỳ giúp loại bỏ màng nhiên liệu tích hợp thành cửa nạp Phun trực tiếp xăng với khơng làm giàu hòa khí khởi động lạnh bắt đầu khởi động vào chu trình thứ hai giảm đáng kể HC trình thay đổi tải 1.3 Đặc điểm trình động đốt cháy cưỡng sử dụng nhiên liệu sinh học butanol 1.3.1 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học đến tính kinh tế kỹ thuật động đốt 1.3.2 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học động đốt đến trình lan tràn màng lửa Chương NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 Tính chất nhiên liệu động đánh lửa cưỡng 2.1.1 Giới thiệu Butanol sinh học 2.1.2 Một số tính chất lý hóa Butanol 2.1.3 Đánh giá số tiêu xăng butanol 2.2 Lý thuyết phun nhiên liệu động đánh lửa cưỡng 2.2.1 Hệ thống phun xăng đường nạp 2.2.2 Hệ thống phun xăng trực tiếp 2.3 Lý thuyết mơ q trình phun nhiên liệu động đánh lửa cưỡng 2.3.1 Hệ phương trình đối lưu-khuếch tán 1) Tính liên tục khối lượng -7   dV = −  S  udS t V (2.2) Bảo toàn động lượng   udV = − S (u.dS )u − S pdS + V Fbody dV + Fsurf t V (2.4) 3) Bảo toàn lượng  Dh Dp = +   (kT ) +  Dt Dt (2.6) 2.3.2 Hệ phương trình mơ tả dòng chảy rối   + (  ui ) = t xi (2.9)   p    u u u   (  ui ) + (  uiu j ) = − +    i + j −  ij l   t x j xi x j   x j xi xl    + −  uiuj x j (2.10) ( ) Phương trình gọi hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) 2.2.3 Phương trình mơ tả tia phun (( ))  ( )   +  U −U  = k bk t x x k k     kk   + S   x   k  (2.11) Sự trao đổi nhiệt chất trình bay hạt mơ hình hóa mơ hình Dukowicz: md c pd • dTd dm = L d +Q dt dt (2.20) 2.3.4 Lý thuyết bay giọt nhiên liệu a) Trao đổi chất mơ hình kiểm sốt khuếch tán Khối lượng giọt giảm theo thời gian: mp (t + t ) = mp (t ) − Ni Ap M w,i t (2.36) Trong ANSYS-FLUENT, biểu thức sau áp dụng theo đề xuất Miller Sazhin: -8dm p dt = kc Ap  ln(1 + Bm ) (2.37) b) Xác định áp suất bão hòa hệ số khuếch tán Hệ số khuếch tán số hàm nhiệt độ pha liên tục Tf = Tp (T − Tp ) (2.39) c) Xác định điểm sơi nhiệt ẩn hóa Điểm sơi Tbp nhiệt ẩn hóa hfg định nghĩa đầu vào thuộc tính khơng đổi cho Tbp vật liệu hạt nhỏ giọt: h fg = −  c p , g dT + h fg ,bp (2.41) Tp d) Trao đổi nhiệt không khí giọt nhiên liệu Nhiệt độ giọt cập nhật theo cân nhiệt có liên quan đến thay đổi nhiệt hợp lý giọt nhỏ truyền nhiệt đối lưu nhiệt ẩn hóa giọt pha liên tục: mp c p dTp dt = hAp (T − Tp ) − dm p dt h fg + Ap p ( R − Tp ) (2.42) 2.4 Ứng dụng ansys-fluent mô q trình phun Các dòng xi-lanh mơ hình hóa mơ hình RANS Các tia phun mơ mơ hình giọt phân rã (DPM) dựa phương pháp Eulerian – Lagrangian Mơ hình đối lưu/khuếch tán kiểm sốt áp dụng để mơ hình hóa q trình bay butanol xăng, cung cấp mơ hình đốt với lượng nhiên liệu cho nhiên liệu 2.4.1 Xác lập trình phun nhiên liệu Ngồi việc giải phương trình vận chuyển cho pha liên tục, ANSYS Fluent cho phép mô pha thứ hai rời rạc khung tham chiếu Lagrange Pha thứ hai bao gồm hạt hình -11Trang thiết bị, dụng cụ đo, động thí nghiệm… bố trí băng thử hình 3.1 Hình 3.1: Bố trí hệ thống trang thiết bị thí nghiệm 1: Máy tính điều khiển trung tâm; 2: Tủ điện điều khiển chính; 3: Thiết bị điều khiển tay ga (% độ mở bướm ga); 4: Thiết bị đo lượng khơng khí nạp; 5: Thiết bị đo độ lọt khí cacte; 6: Thiết bị cấp đo tiêu hao nhiên liệu 733-753AVL; 7: Bộ đọc tín hiệu từ loại cảm biến nhiệt độ áp suất; 8: Các loại cảm biến lắp động thử nghiệm; 9: Thiết bị điều hòa nhiệt độ nước làm mát 553AVL; 10: thiết bị cấp điều hòa nhiệt độ dầu bôi trơn 554AVL; 11: Băng thử động lực học APA204/08; 12: Động thử nghiệm Daewoo Nubira 1.6; 13: Bệ thử; 14: Giảm chấn khí nén; 15: Thiết bị đo khí thải động xăng KEG-500 3.3 Quy trình thực nghiệm 3.3.1 Trình tự thực nghiệm 3.3.2 Bảo dưỡng hệ thống 3.3.3 Chế độ thực nghiệm Chế độ thực nghiệm lựa chọn phạm vi tải tốc độ động ô tô thường xuyên hoạt động để tiến hành đo thông số áp suất buồng cháy, mô men có ích, tiêu thụ nhiên liệu, lưu lượng khí nạp thông số khác nhằm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ pha butanol - Phạm vi tải thay độ mở bướm ga: 10, 30, 50, 70%BG; -12- Phạm vi tốc độ: 1250, 1750, 2250, 2750, 3250, 3750, 4250 v/p 3.4 Kết thực nghiệm 3.4.1 Kết phân tích tính chất nhiên liệu 3.4.2 Kết thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu 3.4.3 Kết thực nghiệm băng thử động Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Kết thực nghiệm động Daewoo A16DMS 4.1.1 Tính kỹ thuật động sử dụng xăng-butanol Kết cho thấy, có tụt giảm mơ men công suất động sử dụng nhiên liệu xăng-butanol so với xăng RON92 - Ở 10%BG với tốc độ động từ 1250-2500v/p, mơ men có ích giảm trung bình khoảng 3,5%, 6,6%, 10,7%, 13,9%, 20,8% so sánh Bu10, Bu20, Bu30, Bu40, Bu50 so với Bu0 - Ở 30%BG với tốc độ động từ 1250-3500v/p, mơ men có ích động sử dụng Bu10 Bu20 gần tương đương so với Bu0 Trong đó, tốc độ 2000 v/ph, động sử dụng Bu10 cho mơ men có ích lớn Bu0 chút Bu20 lại thấp Bu0 chút Còn Bu30, Bu40 Bu50 nhỏ trung bình khoảng 2%, 5% 7% so với Bu0 - Ở 50%BG với tốc độ động từ 1250-4250v/ph, mơ men có ích giảm trung bình khoảng 1%; 3%; 5%; 6,4% 7,9% so sánh Bu10, Bu20, Bu30, Bu40, Bu50 so với Bu0 Trong mức giảm mơ men có ích chủ yếu tốc độ 3000 v/ph, từ 3000 v/ph trở lên sử dụng Bu10 mơ men có ích động lớn so với Bu0 - Ở 70%BG với tốc độ động từ 1250-4250v/ph, mơ men có ích giảm trung bình khoảng 1,3%; 3,1%; 5,5%; 8,8% 13,2% so sánh Bu10, Bu20, Bu30, Bu40, Bu50 so với Bu0 Trong mức tải này, sử -13dụng Bu10 tốc độ 3000 v/ph mơ men có ích động tương đương Bu0 70 Me (Nm) 60 50 40 30 1250 1500 1750 Bu0 Bu10 Bu20 2000 2250 2500 n (v/ph) Bu30 Bu40 Bu50 Hình 4.1: Mơ men có ích (Me) 10%BG Me (Nm) 90 80 70 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 n (v/ph) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Hình 4.2: Mơ men có ích (Me) 30%BG Bu40 Bu50 -14120 Me (Nm) 110 100 90 80 70 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/ph) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 Hình 4.3: Mơ men có ích (Me) 50%BG 130 Me (Nm) 120 110 100 90 80 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/ph) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 Hình 4.4: Mơ men có ích (Me) 70%BG 4.1.2 Tính kinh tế động sử dụng xăng-butanol Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) có xu hướng tăng suất tiêu hao lượng có ích (qe) có xu hướng giảm tăng tỷ lệ butanol nhiên liệu xăng-butanol Tùy theo mức tải tốc độ động mà suất tiêu hao nhiên liệu có ích có diễn biến cụ thể sau: - Ở mức tải ứng với 10%BG, suất tiêu hao nhiên liệu có ích phạm vị tốc độ từ 1250-2500 v/ph tăng trung bình xấp xỉ -2, 7, 10, 19 22% so sánh Bu10, B20, B30, Bu40 Bu50 so với Bu0 -15- Ở mức tải ứng với 30%BG, suất tiêu hao nhiên liệu có ích phạm vị tốc độ từ 1250-3500 v/ph tăng trung bình xấp xỉ -1, 2, 4, 7% so sánh Bu10, B20, B30, Bu40 Bu50 so với Bu0 a) 10%BG 450 400 ge (g/kWh) ge (g/kWh) 400 350 300 375 350 325 300 250 1250 1500 1750 2000 2250 2500 n (v/ph) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 275 1250 1750 2250 2750 n (v/ph) Bu0 Bu30 Bu50 c) 50%BG 425 Bu10 Bu40 3250 Bu20 Bu50 d) 70%BG 425 400 400 ge (g/kWh) ge (g/kWh) b) 30%BG 425 375 350 325 375 350 325 300 275 1250 Bu0 Bu30 2250 3250 n (v/ph) Bu10 Bu40 4250 Bu20 Bu50 300 1250 Bu0 Bu30 2250 3250 n (v/ph) Bu10 Bu40 4250 Bu20 Bu50 Hình 4.10: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) động - Ở mức tải ứng với 50%BG, suất tiêu hao nhiên liệu có ích phạm vị tốc độ từ 1250-4250 v/ph tăng trung bình xấp xỉ 0, 2, 3, 9% so sánh Bu10, B20, B30, Bu40 Bu50 so với Bu0 - Ở mức tải ứng với 70%BG, suất tiêu hao nhiên liệu có ích phạm vị tốc độ từ 1250-4250 v/ph tăng trung bình xấp xỉ 1, 1, 3, 7% so sánh Bu10, B20, B30, Bu40 Bu50 so với Bu0 Do butanol có nhiệt trị thấp xăng khoảng 1,3 lần nên suất tiêu hao lượng có ích giảm -16khoảng 13% pha 10% butanol vào xăng điều kiện Kết trừ trường hợp 10%BG, vị trí bướm ga lại suất tiêu hao lượng động sử dụng Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 Bu50 thấp so với Bu0 4.1.3 Phát thải ô nhiễm động sử dụng xăng-butanol Phát thải CO HC giảm theo tỷ lệ butanol xăng nhờ q trình cháy có hòa khí nghèo so với sử dụng xăng Diễn biến nồng độ (%) CO tốc độ cho thấy tăng tỷ lệ pha butanol vào xăng nồng độ CO giảm Ở tốc độ 3250 v/ph CO giảm khoảng 10-15% pha thêm 10% butanol Ở tốc độ 2250 4250 v/ph tốc độ giảm CO thấp khoảng 4- CO (%) HC (ppm) 6%, đặc biệt tốc độ 1250 v/ph tốc độ giảm khoảng 2-3% 200 100 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 1250 Butanol (%) 2250 3250 4250 1250 Butanol (%) 2250 3250 4250 Hình 4.18: Phát thải CO HC Khác với phát thải CO, nồng độ HC giảm tỷ lệ Bu10 đến Bu30, sau tăng trở lại Khi động chạy tốc độ 3250 4250 v/ph, động sử dụng Bu10 đến Bu30 có mức phát thải HC giảm mạnh khoảng 30% pha thêm 10% butanol vào xăng, tỷ lệ pha lên đến Bu40 Bu50 phát thải HC có xu hướng tăng trở lại Ở tốc độ 2250 v/ph phát thải HC giảm khoảng 10% tốc độ 1250 v/ph phát thải HC giảm không đáng kể khoảng 5% CO2 có xu hướng tăng chút tỷ lệ Bu10, sau giảm tăng tỷ lệ butanol xăng mức giảm khoảng 2,5% pha thêm 10% butanol Khi tăng tỷ lệ pha butanol làm giảm hàm lượng cacbon nhiên liệu, -17đây lý khiến Bu20 Bu30 cháy giảm phát thải CO2 so với Bu0 Bu10; Bu40 Bu50 chịu ảnh hưởng q trình cháy khơng hồn thiện trường hợp CO HC 15 CO2 (%) NOx (ppm) 2500 14 13 2000 1500 1000 500 0 10 20 30 40 50 1250 Butanol (%) 2250 3250 4250 1250 10 20 30 40 50 Butanol (%) 2250 a) 3250 4250 b) Hình 4.19: Phát thải CO2 NOx Phát thải NOx động sử dụng xăng-butanol tăng đáng kể, tốc độ cao 4250 v/ph ứng với tỷ lệ Bu10, Bu20 Bu30 với mức tăng gần đến 42% Ở tốc độ thấp 3250 v/ph, mức tăng ứng với tỷ lệ Bu10, Bu20 Bu30 khoảng 8% Ở tốc độ thấp 2250 v/ph, mức tăng ứng với tỷ lệ Bu10, Bu20 Bu30 khoảng 5% Ở tốc độ thấp 1250 v/ph, NOx tăng chút tỷ lệ Bu10 sau từ Bu20 giảm với mức giảm khoảng 5% pha thêm 10% butanol vào xăng 4.2 Kết mô q trình phun nhiên liệu xăng-butanol Chế độ mơ lựa chọn ứng với bướm ga mở hoàn toàn, phạm vi tốc độ từ 2000 đến 4500 v/ph, ứng với khối lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct=0,08g/ct Nhiên liệu sử dụng mơ kết hợp từ 02 nhiên liệu đơn chất xăng (C8H18) butanol (C4H10O) Khi phun hỗn hợp, butanol xăng pha trộn trước với nhau, đặc tính động lực học hỗn hợp xác định các biểu thức tính hỗn hợp dựa tính chất nhiên liệu thành phần Khi phun riêng rẽ xăng tỷ lệ butanol xác lập khơng ngược lại -184.2.1 Đánh giá tính bay butanol so với xăng Khác với xăng, butanol chưa bay sau phun mà diễn tia phun xâm nhập vào xilanh khu vực có áp suất thấp Việc bay butanol chủ yếu xảy trình nạp, phần vào đầu q trình nén khơng bay vào cuối trình nén Điểm khác biệt áp suất bay bão hòa butanol thấp khoảng lần nhiệt ẩn hóa cao gấp khoảng lần so với xăng Chính mà nồng độ butanol thu vào cuối trình nén nhỏ so với xăng, giọt butanol chưa bay lớn đáng ý hòa khí đồng so với trường hợp phun xăng 4.2.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp lên q trình bay butanol so với trường hợp xăng Cuối trình nén Butanol khơng tiếp tục bay hơi, nồng độ butanol tăng lên khoảng 2,5-11% nhiệt độ khí nạp tăng từ 300K lên 315-345K Mật độ giọt butanol nồng độ butanol khác biệt tăng nhiệt độ khí nạp từ 300 lên 315K Hình 4.20: So sánh tỷ lệ bốc hơi, nồng độ áp suất, nhiệt độ môi chất ứng với phun butanol xăng tinh khiết n=2000 v/ph, Tkn=315K -194.2.1.2 Ảnh hưởng tốc độ động Đối với trường hợp phun riêng butanol (Bu100), ảnh hưởng việc tăng tốc độ động đến bay giọt butanol yếu so với trường hợp phun riêng xăng Khác chút trường hợp phun riêng xăng, tốc độ bay phun riêng butanol diễn muộn kết thúc sớm hơn, chủ yếu diễn cuối trình nạp đầu trình nén Đối với trường hợp phun hỗn hợp Bu50, tốc độ bay cuối trình nén cải thiện đáng kể so với trường hợp phun riêng butanol, đặc biệt tốc độ cao 4000-4500 v/ph Như pha trộn butanol vào xăng với khả hòa tan tốt butanol làm tăng áp suất bảo hòa, tăng khả bay giọt nhiên liệu vào cuối trình nén Điều dẫn đến nồng độ butanol cao xăng chút (hòa khí có tỷ lệ Bu≥50) vào cuối trình nén tăng tốc độ động 4.2.2 Đánh giá ảnh hưởng cấu hình phun đến q trình bay hình thành hòa khí 4.2.2.1 So sánh phun hỗn hợp với phun riêng rẽ Ưu điểm phun hỗn hợp giúp cải thiện hiệu bay cho butanol, tăng tỷ lệ Bu hòa khí hòa trộn đồng xăng+butanol với khơng khí Còn ưu điểm phun riêng rẽ cho phép nhiên liệu bay hoàn toàn vào cuối trình nén 4.2.2.2 So sánh phun đường nạp phía phía Khi phun phía, truyền nhiệt từ khơng khí sang hạt xảy phía xi lanh, làm giảm nhiệt độ cục bộ, làm chậm tốc độ bay Trong trường hợp phun phía, nhiên liệu phun riêng biệt thơng qua hai vòi phun nằm hai nhánh nạp đối xứng Các hạt nhiên liệu khuếch tán không gian rộng giúp cải thiện truyền nhiệt khơng khí hạt nhiên liệu Khi kết thúc trình nén, nồng độ nhiên liệu đạt tới giá trị phun hỗn hợp từ phía phun hỗn hợp từ phía Tuy nhiên -20nồng độ nhiên liệu phun riêng rẽ thấp 5% so với phun nhiên liệu hỗn hợp trường hợp, điều butanol khơng bay hồn tồn phun riêng rẽ Phương án phun phía hỗn hợp động sử dụng nhánh nạp đối xứng tạo nồng độ nhiên liệu hệ số tương đương theo phương ngang có giá trị lớn tâm buồng cháy vùng xa cửa thải Đây sở để lựa chọn vị trí đặt bugi thích hợp nhằm giảm thời gian cháy trễ tránh kích nổ cho động 4.2.2.3 Ảnh hưởng thời điểm phun Hình 4.22: Ảnh hưởng tốc độ động lên trình bay phun riêng xăng Các kết cho thấy phun 10oCA, trình bay diễn lúc vận tốc piston chưa lớn, động rối dòng khí nạp thấp dẫn đến nồng độ cuối trình nén thấp thời điểm phun 30oCA Khi phun muộn -21hơn 30oCA, q trình bốc khơng hồn tất kết thúc trình nén, đặc biệt trường hợp phun hỗn hợp Nồng độ nhiên liệu vào cuối trình nén ứng với thời điểm phun 60oCA thấp khoảng 10% so với thời điểm phun 30oCA, gần với thời điểm phun 10oCA 4.2.3 Đánh giá ảnh hưởng phun trực riếp buồng cháy (DI) phun đường nạp (PI) Hình 4.29: Tốc độ bốc nồng độ ứng với trường hợp DI nhiên liệu hỗn hợp (Blend) nhiên liệu riêng rẽ (Dual) vị trí vòi phun Xj = 0mm Vòi phun trực tiếp (DI) đặt nằm đầu xi-lanh, vòi phun gián tiếp (PI) đặt trước xupap nạp Kết cho thấy thời gian phun, tốc độ bốc BuDI-GPI cao nhất, sau đến GDI-BuPI thấp DI hỗn hợp Cụ thể, cuối trình nén, nồng độ nhiên liệu ứng với DI hỗn hợp nhỏ 10% so với GDI-BuPI BuDI-GPI Tuy nhiên, Hòa khí DI hỗn hợp đồng so với BuDI-GPI Các vùng có nồng độ nhiên liệu cao tìm thấy gần với thành xilanh KẾT LUẬN Luận án tiến hành thực nghiệm động Daewoo A16DMS phạm vi tải ứng với 10-70% độ mở bướm ga tốc độ khoảng 1250-4250 v/ph Kết cho thấy, động sử dụng nhiên liệu xăngbutanol với tỷ lệ butanol từ 10 – 50% có tính kinh tế, kỹ thuật gần -22tương đồng phát thải ô nhiễm cải thiện so với sử dụng nhiên liệu xăng Cụ thể sau: - Mô men cơng suất động có xu hướng giảm tăng tỷ lệ butanol nhiên liệu xăng-butanol với mức giảm mơ men cơng suất có ích khơng q 21% Khi động sử dụng nhiên liệu Bu10-Bu30 mức tải ứng với 30-70%, mơ men có ích cơng suất động gần tương đương so với Bu0, với mức tăng giảm 5% Khi động sử dụng nhiên liệu Bu40-Bu50 có nhiều bất lợi tính kỹ thuật, điều thể rõ mức tải cao (70%BG) mức tải thấp (10%BG) với mơ men có ích động giảm trung bình 15% - Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) có xu hướng tăng suất tiêu hao lượng có ích (qe) có xu hướng giảm tăng tỷ lệ butanol nhiên liệu xăng-butanol với mức tăng suất tiêu hao nhiên liệu không 22% Ở mức tải ứng với 30-70%BG, động sử dụng nhiên liệu Bu10-Bu30 không làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu có ích động q 5%, chí Bu10 Bu20 có suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm chút so với Bu0 Ở mức tải ứng với 10%BG, có nhiên liệu Bu10 có lợi suất tiêu hao nhiên liệu, nhiên liệu Bu20-Bu50 làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu có ích động 7% so với Bu0 - Tăng tỷ lệ butanol nhiên liệu xăng-butanol làm giảm phát thải CO, HC làm tăng phát thải NOx khí thải động Mức giảm phát thải CO lên đến 15% HC lên đến 30% pha vào xăng 10% butanol, mức phát thải NOx tăng đáng kể lên tới 42% pha vào xăng 10% butanol Tuy nhiên, tỷ lệ pha butanol vào xăng lớn (Bu40-Bu50), phát thải HC có xu hướng tăng phát thải NOx có xu hướng giảm trở lại - Khi động làm việc mức tải thấp cao kết hợp với tốc độ thấp làm giảm tính kinh tế, kỹ thuật ô nhiễm động cơ, mức độ ảnh hưởng lớn động sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ butanol 30% -232 Trên cở sở mơ hình phun hỗn hợp xăng/butanol đường nạp phía động Daewoo A16DMS, luận án phát triển kết cấu động thành cấu hình phun từ phía riêng rẽ xăng/butanol kết hợp phun đường nạp với phun trực tiếp - Trong điều kiện hoạt động, butanol có tốc độ bay thấp so với xăng Xăng gần bốc trình phun butanol bốc chủ yếu từ trình nạp đến trình nén Nhiệt độ mơi chất q trình nạp nén phun butanol thấp chút so với phun xăng - Hòa khí cuối q trình nén có hệ số tương đương cao tăng nhiệt độ khí nạp tăng tốc độ động Ảnh hưởng việc tăng nhiệt độ khí nạp tăng tốc độ động tới trình bay butanol yếu so với xăng Khi nhiệt độ khí nạp tăng từ mức 300K lên mức 315345K, nồng độ nhiên liệu tăng khoảng 2,5-11%, 6-16% ứng với phun riêng butanol phun riêng xăng Khi tăng tốc độ động từ mức 2000v/ph lên khoảng 3000-4500 v/ph, hệ số tương đương hòa khí butanol-khơng khí tăng từ mức 0,94 lên 1,01-1,37, hệ số tương đương hòa khí xăng-khơng khí tăng từ mức 1,25 lên 1,37-1,95 - Phun hỗn hợp xăng-butanol cải thiện khả bay cho butanol so với phun riêng rẽ xăng/butanol, nhiên phun hỗn hợp làm cho việc bay xăng khơng hồn tồn Phun riêng rẽ xăng/butanol làm tăng khả bay hoàn toàn xăng, nhiên dẫn đến butanol khó bay hồn toàn, trường hợp nên phun sớm butanol so với xăng - Phun phía hỗn hợp làm tăng đồng cho hòa khí, phun hai phía riêng rẽ xăng/butanol phân tầng hòa khí buồng cháy, phía nửa trái xilanh có tỷ lệ Bu cao so với phía nửa phải xilanh - Phun phía hỗn hợp đường nạp tạo điều kiện hình thành hòa khí có nồng độ nhiên liệu hệ số tương đương cao tập trung buồng -24cháy cách xa cửa xả, điều giúp giảm thời gian cháy trễ giảm nguy cháy kích nổ cho động - Tốc độ bay nhiên liệu phun PI nhanh đáng kể so với phun DI tốc độ bay xăng nhanh so với butanol điều kiện hoạt động, tốc độ bốc BuDI-GPI cao nhất, sau đến GDI-BuPI thấp DI hỗn hợp Hòa khí DI hỗn hợp đồng so với BuDIGPI GDI-BuPI KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nghiên cứu cung cấp hiểu biết quan trọng tính đốt cháy phát thải hỗn hợp butanol-xăng động đánh lửa Việc thêm butanol vào xăng khơng làm thay đổi đáng kể tính kỹ thuật động cơ, đồng thời giảm đáng kể phát thải nhiễm Do khả khó bay butanol điều kiện nhiệt độ thấp độ mở bướm ga lớn cần có biện pháp kỹ thuật nhằm phun riêng rẽ butanol vào buồng cháy đầu trình nạp trước phun xăng để tận dụng áp suất thấp cải thiện khả bay butanol Nghiên cứu thử nghiệm hỗn hợp butanol-xăng loại động khác thử nghiệm thực tế q trình vận hành tơ để có thêm nhiều kết luận xác việc sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng– butanol động đốt cháy cưỡng Nghiên cứu tiêu kinh tế kỹ thuật, phát thải chất ô nhiễm với nhiên liệu phối trộn xăng–butanol có tỷ lệ % thể tích butanol cao tiến tới thử nghiệm thực tế với loại nhiên liệu -1DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Huỳnh Tấn Tiến, Trần Văn Nam, Nguyễn Đình Lâm “Các tiến việc sản xuất sử dụng Butanol làm nhiên liệu thay thế” Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN 1859-1531, Số 3(76), Tr 57-60, 2014 Huỳnh Tấn Tiến, Phan Minh Đức, Trần Văn Nam, Đặng Thế Anh, “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng góc đánh lửa đến tính động đánh lửa cưỡng sử dụng nhiên liệu xăng pha 30% Butanol” Hội nghị Cơ khí Tồn quốc năm 2015, ISBN: 978 – 604 – 73 – 3690 – 6, Tr 443-453, 2015 Huỳnh Tấn Tiến, Nguyễn Quang Trung, “Mơ hình nhiệt động tính nhiệt độ môi chất công tác động đánh lửa cưỡng từ liệu áp suất” Tạp chí KHCN ĐH Đà Nẵng, ISSN 1859-1531, Số 5[90], Tr 93-97, 2015 Huỳnh Tấn Tiến, Phan Minh Đức, Trần Văn Nam, “Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol pha vào xăng đến tính động đánh lửa cưỡng bức” Kỷ yếu Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2015, ISSN1859-4182, Tr 715-723, 2016 Huynh Tan Tien, Nguyen Quoc Huy, Phan Minh Duc, Tran Van Nam, Nguyen Quang Trung, Duong Viet Dung, “Assessment the Effects of Butanol-Gasoline Blends on Spark-Ignition Engine’s Emission” ICT-Bio 2016, 2016 Nguyen Quang Trung, Huynh Tan Tien, Phan Minh Duc, "The effect of ethanol, butanol addition on the equivalence air-fuel ratio, engine performance and pollutant emission of an SI engine using gasohol fuels," System Science and Engineering (ICSSE), 2017 International Conference on, ISSN 2325-0925, pp 579-583, 2017 Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Van Dong, Nguyen Quang Trung, Huynh Tan Tien, "Octane number stratified mixture preparation by gasoline–ethanol dual injection in SI engines" International Journal of Environmental Science and Technology, ISSN 1735-1472, pp 1-14, 2018 Huỳnh Tấn Tiến, Trần Văn Nam, Phan Minh Đức, Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng, “Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol hỗn hợp nhiên liệu xăng-Butanol đến thời gian cháy trễ động DAEWOO A16DMS” Kỷ yếu Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2017, ISSN 1859-4182, Tr 824-831, 2018 Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Quang Trung, Huynh Tan Tien, "Evaporation and mixture formation of gasoline–ethanol sprays in spark ignition engines with pre-blended injection and dual injection: a comparative study" IET Renewable Power Generation, ISSN 1752-1416, Volume 13, Issue 4, p 539 – 548, 2019 ... cưỡng sử dụng nhiên liệu sinh học butanol 1.3.1 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học đến tính kinh tế kỹ thuật động đốt 1.3.2 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học động đốt đến... hóa cho mẫu nhiên liệu Bu0 (xăng RON92), Bu5 (5% Butanol) , Bu10 (10% Butanol) , Bu15 (15% Butanol) , Bu20 (20% Butanol) , Bu25 (25% Butanol) Bu30 (30% Butanol) Các mẫu nhiên Bu0, Bu5, Bu10, Bu15, Bu20,... liệu hỗn hợp xăng -butanol kết hợp với kết mô phương án phun hỗn hợp xăng -butanol khẳng định phun hỗn hợp xăng -butanol cải thiện khả bay cho butanol so với phun riêng rẽ xăng /butanol, nhiên phun