Thông tin tài liệu
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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2019 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã sớ: 62.52.01.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: GS.TS TRẦN VĂN NAM 2: PGS.TS DƯƠNG VIỆT DŨNG Đà Nẵng – 2019 -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Đà Nẵng, ngày tháng 10 năm 2019 Tác giả luận án -ii- MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU Chương NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Khái quát 1.1.1 Phương tiện giao thông ô nhiễm môi trường .7 1.1.2 Nhiên liệu thay sử dụng phương tiện giao thông .10 1.1.3 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học giới Việt Nam .12 1.1.4 Sử dụng nhiên liệu Butanol sinh học động đốt 15 1.2 Sự cần thiết cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu động đánh lửa cưỡng .18 1.2.1 Lịch sử phát triển hệ thống nhiên liệu động đánh lửa cưỡng .18 1.2.2 Cải tiến hệ thống phun nhiên liệu động đánh lửa cưỡng nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu ô nhiễm môi trường 19 1.3 Đặc điểm trình động đốt cháy cưỡng sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol 23 1.3.1 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học đến tính kinh tế kỹ thuật động đốt .23 1.3.2 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học động đốt đến trình lan tràn màng lửa .25 Chương NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 28 2.1 Tính chất nhiên liệu Butanol sinh học sử dụng động đánh lửa cưỡng .28 2.1.1 Giới thiệu Butanol sinh học 28 2.1.2 Một số tính chất lý hóa Butanol .28 2.1.3 Đánh giá số tiêu xăng Butanol [4, 36] 30 2.2 Lý thuyết phun nhiên liệu động đánh lửa cưỡng 33 2.2.1 Hệ thống phun xăng đường nạp .33 2.2.2 Hệ thống phun xăng trực tiếp 34 2.3 Lý thuyết mô trình phun nhiên liệu động đánh lửa cưỡng 37 2.3.1 Hệ phương trình đối lưu-khuếch tán .37 2.3.2 Hệ phương trình mơ tả dòng chảy rối .39 2.3.3 Phương trình mơ tả tia phun 41 -iii- 2.3.4 Lý thuyết bay giọt nhiên liệu 45 2.4 Ứng dụng ansys-fluent mơ q trình phun 50 2.4.1 Xác lập trình phun nhiên liệu 50 2.4.2 Mơ hình hình học 54 2.4.3 Điều kiện ban đầu điều kiện biên .56 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 60 3.1 Mục tiêu đối tượng thực nghiệm 60 3.1.1 Mục tiêu thực nghiệm .60 3.1.2 Đối tượng thực nghiệm 61 3.2 Lắp đặt động lên cụm băng thử APA204/08 62 3.3 Quy trình thực nghiệm .64 3.3.1 Trình tự thực nghiệm .64 3.3.2 Bảo dưỡng hệ thống 64 3.3.3 Chế độ thực nghiệm 65 3.4 Kết thực nghiệm 67 3.4.1 Kết phân tích tính chất nhiên liệu 67 3.4.2 Kết thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu 67 3.4.3 Kết thực nghiệm băng thử động 73 Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 74 4.1 Kết thực nghiệm động Daewoo A16DMS 74 4.1.1 Tính kỹ thuật động sử dụng xăng-Butanol 74 4.1.2 Tính kinh tế động sử dụng xăng-Butanol 81 4.2 Kết mô trình phun nhiên liệu bay hình thành hòa khí động Daewoo A16DMS sử dụng xăng-Butanol 92 4.2.1 Đánh giá tính bay Butanol so với xăng 93 4.2.2 Đánh giá ảnh hưởng cấu hình phun đến q trình bay hình thành hòa khí 100 4.2.3 Đánh giá ảnh hưởng phun trực riếp buồng cháy (DI) phun đường nạp (PI) .105 KẾT LUẬN 109 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 111 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 -iv- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Thực trạng giao thơng thành phố Hồ Chí Minh Hà Nội Hình 1.2: Diễn biến nồng độ TSP trung bình năm gần tuyến đường giao thơng thành phố lớn (Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2016) Hình 1.3: Khí thải ô tô gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường khơng khí 10 Hình 1.4: Sản lượng Biodiesel số nước giới năm 2016 12 Hình 1.5: Sản lượng nhiên liệu sinh học số khu vực giới 13 Hình 1.6: Các hệ thống phun nhiên liệu [37] 18 Hình 1.7: Vị trí kim phun hệ thống cung cấp nhiên liệu kết hợp trực tiếp gián tiếp [37] 19 Hình 1.8: So sánh hệ thống chuẩn bị hỗn hợp PFI [40] GDI [60] 22 Hình 1.9: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết để khởi động lạnh động GDI PFI nhiệt độ môi trường khác [38] 23 Hình 1.10: Sơ đồ bố trí động thí nghiệm [48] 24 Hình 1.11: Mối quan hệ áp suất xylanh góc quay trục khuỷu thời điểm đánh lửa khác n-Butanol tỷ số nén 10 [48] 25 Hình 1.12: Mối quan hệ lượng phun góc quay trục khuỷu [48] 25 Hình 1.13: a) Tỷ lệ hòa khí cháy 10-90% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol xăng PON 87 b) Tỷ lệ hòa khí cháy 0-10% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol xăng PON 87 [48] 25 Hình 1.14: Áp suất xylanh tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu [52] 26 Hình 1.15: Hình ảnh lửa xăng Bu40 [52] 26 Hình 2.1: Cấu trúc không gian Butanol 28 Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn phân tích pha với nước theo % thể tích Butanol Ethanol 31 Hình 2.3: Hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5] 34 Hình 2.4: Sơ đồ điều kiển hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5] 35 Hình 2.5: Bố trí hệ thống động GDI điển hình [43] 36 Hình 2.6: So sánh đặc tính phun kim phun cao áp kiểu lỗ xoáy cho áp suất phun 20 MPa [51] 36 Hình 2.7: Thiết kế điển hình vòi phun xốy 37 Hình 2.8: Trình tự tính tốn ANSYS-FLUENT [63] 50 Hình 2.9: Xác lập lựa chọn mơ hình Discrete phase 51 Hình 2.10: Xác lập mơ hình phân rã tia phun 52 Hình 2.11: Xác lập thơng số động học vòi phun 53 Hình 2.12: Xác lập thành phần nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn 53 Hình 2.13: Mơ hình phun xăng-Butanol đường nạp 55 -v- Hình 2.14: Xác lập áp suất khí nạp cửa nạp 57 Hình 2.15: Xác lập nhiệt độ khí nạp cửa nạp 57 Hình 2.16: Xác lập thành phần khí nạp cửa nạp 57 Hình 2.17: Xác lập áp suất khí sót xilanh đầu q trình nạp 58 Hình 2.18: Xác lập nhiệt độ khí sót xilanh đầu q trình nạp 58 Hình 2.19: Xác lập thành phần khí sót xilanh đầu trình nạp 58 Hình 3.1: Bố trí hệ thống trang thiết bị thí nghiệm 62 Hình 3.2: Thiết bị sấy giữ nhiệt Memmert 63 Hình 3.3: Cân điện tử Mettler Toledo 64 Hình 3.4: Đặc tính tốc độ động xăng [5] 66 Hình 3.5: Phạm vi làm việc thực tế động phun xăng điện tử sử dụng ô tô [62] 66 Hình 4.1: Mơ men có ích (Me) 10%BG 77 Hình 4.2: Mơ men có ích (Me) 30%BG 77 Hình 4.3: Mơ men có ích (Me) 50%BG 78 Hình 4.4: Mơ men có ích (Me) 70%BG 78 Hình 4.5: Cơng suất có ích (Ne) 10%BG 79 Hình 4.6: Cơng suất có ích (Ne) 30%BG 79 Hình 4.7: Cơng suất có ích (Ne) 50%BG 80 Hình 4.8: Cơng suất có ích (Ne) 70%BG 80 Hình 4.9: Mức độ tăng giảm mô men công suất có ích theo tỷ lệ Butanol 81 Hình 4.10: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) động 83 Hình 4.11: Suất tiêu hao lượng có ích (qe) động 84 Hình 4.12: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) suất tiêu hao lượng có ích (qe) 85 Hình 4.13: Hệ số dư lượng khơng khí () theo tốc độ động 86 Hình 4.14: Phát thải CO động 87 Hình 4.15: Phát thải HC động 88 Hình 4.16: Phát thải CO2 động 89 Hình 4.17: Phát thải NOx động 90 Hình 4.18: Phát thải CO HC 91 Hình 4.19: Phát thải CO2 NOx 92 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 94 Hình 4.21: Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp lên q trình bay xăng (a) Butanol (b) tốc độ động 2000 v/ph 95 Hình 4.22: Ảnh hưởng tốc độ động lên trình bay phun riêng xăng 97 -vi- Hình 4.23: Ảnh hưởng tốc độ động đến trình bay phun riêng Butanol (Bu100) 98 Hình 4.24: Ảnh hưởng tốc độ động lên trình bay phun riêng Butanol 99 Hình 4.25: Ảnh hưởng phun hỗn hợp phun riêng rẽ xăng/Butanol đến bay nhiên liệu Bu50 101 Hình 4.26: Diễn biến bay phun nhiên liệu Bu50 từ phía từ phía 102 Hình 4.27: Phân bố nồng độ nhiên liệu hệ số tương đương theo phương ngang (x) phun phía phun phía 103 Hình 4.28: Ảnh hưởng thời điểm phun đến bay phun riêng rẽ (a) phun hỗn hợp (b); đường màu đồng mức phân bố nồng độ nhiên liệu mặt cắt y=0 330 oCA(c) (n=3000 v/ph, Bu50) 104 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 105 Hình 4.30: So sánh trình bay tạo hỗn hợp trường hợp BUDI-GPI, GDIBUPI vị trí vòi phun pha trộn DI Xj = (n = 3000 v/ph, Bu50, Tkn = 315K): phân bố hạt (a), tốc độ bay nồng độ (b) đường đồng mức nồng độ mặt cắt y = 330oCA (c) 107 -vii- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Đặc tính lý hóa Butanol [48] 29 Bảng 2-2: So sánh tính chất hóa học vật lý Butanol xăng [20, 24, 58] 29 Bảng 2-3: Độ nhớt động học số loại nhiên liệu [23] 33 Bảng 2-4: Các hệ số khuếch tán thuật ngữ nguồn cho phương trình vô hướng khác 42 Bảng 2-5: Động Daewoo A16DMS 55 Bảng 2-6: Thông số vật lý hạt nhiên liệu 56 Bảng 2-7: Điều kiện khí nạp khí sót 56 Bảng 2-8: Thành phần mơi chất xăng/Butanol-khơng khí 58 Bảng 3-1: Tiến trình đo lưu trữ liệu đo 66 Bảng 3-2: Một số chi tiết thuộc hệ thống nhiên liệu tơ xe gắn máy dùng để thực nghiệm 68 Bảng 3-3: Bảng tiến trình thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu 69 Bảng 3-4: Hình ảnh chụp chi tiết sau thử nghiệm 69 Bảng 3-5: Trọng lượng chi tiết sau ngâm 71 Bảng 3-6: Mức độ tương đương ảnh hưởng nhiên liệu phối trộn Xăng-Butanol lên chi tiết động 72 Bảng 4-1: So sánh mức thay đổi mơ men có ích 10%BG 75 Bảng 4-2: So sánh mức thay đổi mơ men có ích 30%BG 75 Bảng 4-3: So sánh mức thay đổi mơ men có ích 50%BG 76 Bảng 4-4: So sánh mức thay đổi mơ men có ích 70%BG 76 Bảng 4-5: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích 10%BG 81 Bảng 4-6: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích 30%BG 81 Bảng 4-7: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích 50%BG 82 Bảng 4-8 So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích 70%BG 82 Bảng 4-9: Mật độ giọt nhiên liệu nồng độ nhiên liệu cuối trình nén (330 oCA) phun riêng xăng Butanol theo nhiệt độ khí nạp 95 Bảng 4-10: Mật độ giọt nhiên liệu nồng độ nhiên liệu cuối trình nén (330 oCA) phun riêng xăng Butanol theo tốc độ động 97 Bảng 4-11: Mật độ giọt nhiên liệu nồng độ nhiên liệu cuối trình nén (330 oCA) phun hỗn hợp Bu50 theo tốc độ động 100 Bảng 4-12: Mật độ giọt nhiên liệu nồng độ nhiên liệu cuối trình nén (330 oCA) phun hỗn hợp phun riêng rẽ nhiên liệu Bu50 101 -viii- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa P Áp suất CO2 Carbon dioxide CO Carbon monoxide Ne Công suất có ích s Góc đánh lửa sớm Góc quay trục khuỷu Hệ số dư lượng khơng khí Hệ số tương đương HC Hydrocacbon chưa cháy Khối lượng riêng BH Lượng tiêu hao nhiên liệu Me Mơ men có ích T Nhiệt độ NOx Nitrogen oxides qe Suất tiêu hao lượng có ích ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích Vc Thể tích buồng cháy Vh Thể tích cơng tác xilanh Va Thể tích toàn xilanh SOC Thời điểm bắt đầu cháy (Start Of Combustion) EOC Thời điểm két thúc cháy (End Of Combustion) MFB10% Thời điểm tỷ lệ hòa khí cháy 10% MFB90% Thời điểm tỷ lệ hòa khí cháy 90% n Tốc độ động TSOT Trị số octane MFB Tỷ lệ cháy hòa khí (Mass Fraction Burn) Bu Tỷ lệ Butanol nhiên liệu A/F Tỷ lệ không khí/nhiên liệu Tỷ số nén v/ph Vòng/phút Bu10 Xăng pha 10% thể tích Butanol Ghi -ix- Bu15 Xăng pha 15% thể tích Butanol Bu20 Xăng pha 20% thể tích Butanol Bu25 Xăng pha 25% thể tích Butanol Bu30 Xăng pha 30% thể tích Butanol Bu40 Xăng pha 40% thể tích Butanol Bu50 Xăng pha 50% thể tích Butanol Bu0 Xăng RON92 Bu100 Butanol tinh khiết ONKK Ô nhiễm khơng khí NLSH Nhiên liệu sinh học VOC Hợp chất hữu dễ bay TSP Hạt bụi lơ lửng TDC Điểm chết BDC Điểm chết ATDC Sau điểm chết BTDC Trước điểm chết SMD Sauter mean diameter – Kích thước trung bình hạt CFD Computational Fluid Dynamics – Tính tốn động lực học chất lỏng phương pháp số TAB Taylor Analogy Breakup – Mơ hình phân rã tia phun DPM Đường kính giọt ICE Động đốt CAD Độ theo góc quay trục khuỷu SI Động đốt cháy cưỡng PFI Phun đường nạp GPI Phun xăng đường nạp BuDI Phun trực tiếp Butanol buồng cháy BG Bướm ga -1- MỞ 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 Việt Nam nước nông nghiệp, nơi có tiềm lớn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, có chủ trương đắn thể qua Đề án Phát triển sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn đến năm 2025 Sử dụng nhiên liệu sinh học xu phát triển tất yếu giới, nước nông nghiệp phải nhập nhiên liệu, lợi ích nhiên liệu sinh học đem lại như: giảm thiểu khí gây hiệu ứng nhà kính, giảm nhập nhiên liệu, tận dụng nguyên liệu thực vật chỗ, công nghệ sản xuất không phức tạp, tạo việc làm tăng thu nhập cho người lao động, tăng hiệu kinh tế nông nghiệp Ở Việt Nam, xăng sinh học E5 xuất thức sử dụng rộng rãi từ 01/12/2014 thành phố lớn Hà Nội, Đà Nẵng, Cần Thơ Trên giới, Ethanol sinh học ra, Butanol sinh học ý sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt thời gian gần Xét khả dùng làm nhiên liệu, Butanol có số ưu điểm so với loại nhiên liệu cồn khác methanol ethanol [11, 33], Butanol sinh học nhà khoa học tập trung nghiên cứu [22, 24] Có số cơng bố thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline n-Butanolvề tính động cơ, q trình cháy phát thải động [24, 41] Các công bố cho thấy kết khả quan việc sử dụng gasoline-Butanol cho động đốt Trong bối cảnh 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, sử dụng động chạy xăng hành -2Hiện nay, Butanol sinh học sử dụng làm nhiên liệu thay phần xăng sản xuất từ dầu mỏ [3] 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 sựu 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, chưa thấy cơng trình cơng bố liên quan đến nghiên cứu mơ hình hóa q trình hình thành hỗn hợp cháy cách chuyên sâu động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Vì “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol động đánh lửa cưỡng bức” có ý nghĩa khoa học thiết thực 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 -3Thực nghiệm tiến hành động A16DMS hãng DAEWOO sản xuất, động kiểu Dual Overhead Cam L - 1.6L DOHC phun xăng điện tử đường nạp, tỷ số nén 9,5; đường kính xy lanh 79; hành trình piston 81,5 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 mô ANSYS-FLUENT Các nghiên cứu thực nghiệm thực với loại nhiên liệu Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 Bu50 Các nội dung nghiên cứu luận án thực Phòng thí nghiệm Động đốt trong, Khoa Cơ khí Giao thơng, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án gồm phương pháp mơ hình hóa, phương pháp thực nghiệm, phương pháp phân tích, phương pháp nghiên cứu tài liệu, phương pháp hội đồng (brainstorming) phương pháp đánh giá Luận án sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết tổng hợp nghiên cứu sử dụng xăng sinh học giới tập hợp, kế thừa kết trước đề tài liên quan tính tốn lý thuyết phần mềm mô đại động đốt với thực nghiệm kiểm chứng đánh giá Trao đổi tiếp thu ý kiến chuyên gia có kinh nghiệm lĩnh vực nghiên cứu để hồn thiện phương pháp nghiên cứu Tính tương thích sử dụng xăng sinh học cho động xăng truyền thống thể thông qua nghiên cứu đánh giá tác động tính chất xăng sinh học đến tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, chất lượng trình cháy động Đánh giá tính chất xăng sinh học tỷ lệ khác theo tiêu chuẩn quy định hành đưa nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng xăng sinh học Việt Nam Luận án sử dụng phương pháp kỹ thuật sau đây: Đánh giá tiêu so sánh bao gồm: ngoại quan, kích thước, trọng lượng, chụp ảnh bề mặt, phân tích nhiên liệu trước sau ngâm Kết nghiên cứu tương -4thích vật liệu có ý nghĩa việc khuyến cáo điều chỉnh vật liệu (nếu cần) số chi tiết động sử dụng xăng sinh học Nghiên cứu lý thuyết phần mềm mô đại thử nghiệm đối chứng băng thử động nhằm đánh giá tác động xăng sinh học đến đặc tính phun, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải động Ý nghĩa khoa học thực tiễn Hiệu kinh tế xã hội: Nghiên cứu loại nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm, giảm thiểu nhiễm mơi trường, pha trộn với xăng theo tỷ lệ lớn giảm chi phí nhiên liệu xăng giảm áp lực lên nguồn nhiên liệu hóa thạch đảm bảo an ninh lượng quốc gia Hiệu khoa học: Đề xuất sử dụng Butanol sinh học phù hợp với động chạy xăng thông thường * Ý nghĩa khoa học: Luận án góp phần đánh giá q trình hình thành hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học động đốt thơng 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 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 Luận án đánh giá q trình hòa trộn nhiên liệu xăng sinh học tỷ lệ Butanol 0%, 50% 100%, so sánh với tỷ lệ pha xăng với Butanol Các quy trình xây dựng dựa sở tiêu chuẩn đánh giá hành hệ thống thiết bị đánh giá đại có Việt Nam * 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, -5các 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 Đóng góp luận án - Kết thực nghiệm luận án khẳng định sử dụng xăng-Butanol với tỷ lệ đến Bu30 mức tải tốc độ mà động thường xuyên làm việc 3070% 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 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 GDI-BuPI thấp DI hỗn hợp Hòa khí DI hỗn hợp đồng so với BuDI-GPI GDI-BuPI Nội dung luận án tóm lược sau: (1) Lý thuyết mô tia phun nhiên liệu trình tạo hỗn hợp; -6(2) Đánh giá ảnh hưởng phương án phun nhiên liệu xăng/Butanol đến trình cháy mức độ phát thải 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 mơ Ngồi 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 -7- Chương NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Trong chương trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu lĩnh vực liên quan đề tài, tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học Việt Nam giới Trong đặc biệt ý đến khả sản xuất Butanol sinh học nghiên cứu để ứng dụng làm nhiên liệu sinh học Chương nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu đặc điểm trình sử dụng nhiên liệu sinh học pha Butanol Từ đề xuất cải tiến đường nạp để cait thiện tính động giảm thiểu ô nhiễm môi trường 1.1 Khái quát 1.1.1 Phương tiện giao thông ô nhiễm môi trường Phát triển giao thông vận tải yêu cầu quan trọng trình phát triển kinh tế xã hội quốc gia Theo dự báo, số lượng ô tô Châu Á - Thái Bình Dương tăng 93% (từ năm 1985 đến 2020) tiếp tục tăng 50% (từ năm 2020 đến 2060) Mức độ gia tăng số lượng ô tô phụ thuộc vào thu nhập bình quân đầu người quốc gia Theo Tổng cục thống kê, lượng ô tô nhập thị trường Việt Nam năm qua tăng mạnh Nếu năm 2013, Việt Nam nhập 34 nghìn tơ, năm 2014 lượng tơ nhập 72 nghìn chiếc, tăng gấp đơi so năm trước năm 2015 125 nghìn chiếc, tăng 74% so năm 2014 Năm 2016, lượng ô tô nhập giảm nhẹ, đạt 115 nghìn chiếc, giảm 8% so năm 2015, song tháng đầu năm 2017 tình hình nhập tơ tăng mạnh trở lại, với 28 nghìn chiếc, tăng 43,4% so kỳ năm trước Ơ nhiễm khơng khí (ONKK) khơng vấn đề nóng tập trung thị phát triển, khu, cụm công nghiệp… mà trở thành mối quan tâm toàn xã hội ONKK xem tác nhân hàng đầu có nguy tác động nghiêm trọng sức khỏe cộng đồng Giao thông với xu hướng số lượng phương tiện giao thông gia tăng mạnh mẽ qua năm đánh giá nguồn đóng góp đáng kể gây suy giảm chất lượng mơi trường khơng khí (như Hình 1.1) Trong đó, khí CO, VOC, TSP chủ yếu loại xe máy phát thải tơ nguồn nhiễm gồm khí SO2 NO2 [1, 65] -8- Hình 1.1: Thực trạng giao thơng thành phố Hồ Chí Minh Hà Nội Hình 1.2: Diễn biến nồng độ TSP trung bình năm gần tuyến đường giao thông thành phố lớn (Nguồn: Tổng cục Mơi trường, 2016) Bầu khơng khí thủ đô Hà Nội bị cho ô nhiễm Thành phố Hồ Chí Minh (như Hình 1.2) Điểm đáng ý dù dân số phương tiện giao thơng Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh, mức độ nhiễm khơng khí lại tệ Cụ thể theo báo cáo Bộ Tài ngun Mơi trường số ngày năm ghi nhận chất lượng khơng khí Hà Nội 237 ngày, số ngày chất lượng khơng khí xấu 21 ngày ô nhiễm mức nguy hại Xe máy chiếm đến 95% phương tiện giao thông Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh, tiêu thụ 56% xăng thải 94% hydro cacbon (HC), 87% cacbon oxit (CO), 57% oxit nitro (NOx)… tổng lượng phát thải loại xe giới Nhiều xe sử dụng không bảo đảm tiêu chuẩn phát thải cũ kỹ [65] -9Thủ tướng phủ Việt Nam vừa ký Quyết 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 thơng xe máy, ô tô sử dụng xăng sinh học Từ năm 2007, Chính phủ có đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025; nhiên đến số điểm bán xăng sinh học hạn chế Theo thống kê mơi trường, ước tính khoảng 40% NOx, 60% HC, 80% CO nhiều dạng hạt rắn PM (kích thước nhỏ) bầu khí khí thải ô tô gây [7, 8] Vì vậy, từ năm 50 kỷ trước, quốc gia công nghiệp phát triển quan tâm vấn đề Nhiều luật bảo vệ môi trường ban hành với mức độ nghiêm ngặt yêu cầu nhà chế tạo ô tô phải nghiên cứu cải tiến sản phẩm tốt nhằm hạn chế nồng độ chất ô nhiễm khí thải Các giá trị giới hạn nồng độ chất nhiễm khí thải tô theo Tiêu chuẩn Euro bắt đầu áp dụng cộng đồng Châu Âu từ năm 1995: Euro I (1995), Euro II (1997), Euro III (2001), Euro IV (2006) Ở Việt Nam, tiêu chuẩn khí thải áp dụng từ năm 2006 [64] mức (Euro II) vào ngày 01/7/2006, mức (Euro III) vào năm 2008, mức (Euro IV) vào năm 2017 mức (Euro V) thực năm 2022 Xu hướng phát triển phương tiện giao thơng giới tóm tắt sau: Động làm nguồn động lực cho tơ chia thành nhóm: động xăng, động diesel truyền thống, động điện động sử dụng nhiên liệu thay Hai loại động xăng diesel truyền thống có ưu điểm việc cung cấp nhiên liệu đơn giản nhanh chóng; nhiên, hiệu suất hạn chế mức độ phát thải ô nhiễm cao Nhờ kỹ thuật xử lý đường thải: lọc hạt PM, sử dụng xúc tác ba chức giải pháp hữu hiệu nhằm tiếp tục khử đến mức thấp chất độc hại lại khí thải động Các hệ thống áp dụng tiến khoa học kỹ thuật lĩnh vực điện tử công nghệ thông tin điều khiển trình làm việc động đốt ngày đại kỹ thuật tổ chức trình cháy phân lớp, thời điểm đóng mở cấu phân phối khí thay đổi, hệ thống tự động hồi lưu khí thải, hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử cho phép tối ưu hóa -10q trình cơng tác động góp phần giảm thiểu nhiễm môi trường Một xu hướng khác nghiên cứu sử dụng lượng điện động ô tô giảm thiểu đáng kể lượng khí thải nhiễm mơi trường; nhiên, giải pháp phụ thuộc vào nguồn lượng sử dụng để sản xuất điện nạp vào ac-quy cung cấp động lực cho ô tô Hơn nữa, khả tích trữ điện ac-quy có giới hạn, nên hạn chế quãng đường hoạt động độc lập phương tiện giao thông sử dụng lượng Hình 1.3: Khí thải tơ gây nhiễm nghiêm trọng mơi trường khơng khí Trước ưu điểm hạn chế phương tiện giao thông, nhà khoa học hãng chế tạo tơ có xu hướng: Nâng cao hiệu suất giảm thiểu khí thải gây nhiễm mơi trường; Tối ưu hóa hệ thống điều khiển tự động nâng cao tiện ích tơ; Tiếp tục nghiên cứu sử dụng có hiệu nhiên liệu thay nhiên liệu truyền thống ngày cạn kiệt Động sử dụng nhiên liệu thay nhà khoa học quan tâm ô tô sinh thái mục tiêu hướng tới nhà khoa học hãng chế tạo ô tô ngày 1.1.2 Nhiên liệu thay sử dụng phương tiện giao thông Những năm gần đây, nhu cầu lượng giới tăng, nguồn nhiên liệu hóa thạch nhanh chóng cạn kiệt tiêu chuẩn khí thải phương tiện giao thơng ngày nghiêm ngặt Khủng hoảng lượng toàn cầu nguồn cung cấp hạn chế nhiên liệu lỏng từ dầu nhóm lên cách mạng phát triển công nghệ bền vững sản xuất nhiên liệu thay có nguồn gốc phi hóa thạch Chính vậy, có nhiều nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay nhiên liệu truyền thống -11động đốt khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), nhiên liệu cồn, dầu thực vật, lượng điện, nhiên liệu hydrogen Khi sử dụng làm nhiên liệu thay cho động đốt trong, loại nhiên liệu có ưu nhược điểm Khí dầu hóa lỏng (LPG) sản phẩm trình tinh chế dầu tìm thấy mỏ khí tự nhiên Sản phẩm góp phần cải thiện mơi trường, giải phóng hạt bụi lơ lửng không thải lưu huỳnh Tuy nhiên, LPG lại khơng mạng lại lợi ích đáng kể thay đổi khí hậu Khí thiên nhiên nén (CNG) khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG): Các phương tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên mang lại lợi ích thiết thực cho thay đổi khí hậu chất lượng khơng khí Những phương tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên thải CO2 NOx so với phương tiện vận tải sử dụng xăng không thải hạt bụi lơ lửng Các phương tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên tạo tiếng ồn Dầu diesel sinh học sản xuất từ loại dầu thực vật sử dụng dầu hướng dương, dầu đậu nành Muốn sử dụng biodiesel nhiên liệu cho động diesel chúng thường pha trộn với diesel thông thường cần thêm chất phụ gia Khi sử dụng dầu diesel sinh học giảm việc phát xạ khí nhà kính so với nhiên liệu truyền thống việc thải NOx làm cho dầu diesel sinh học phù hợp vùng thị Cồn (Ethanol, Butanol Propanol) có nguồn gốc từ thực vật sử dụng nhiên liệu thay nhiên liệu hóa thạch Trong thực tế, tính chất cồn tương tự xăng xem nhiên liệu thay sản xuất từ lên men đường sản xuất rộng rãi khắp giới Điện: phương tiện vận tải điện không gây ô nhiễm khói bụi phát xạ khí nhà kính phụ thuộc vào phương pháp sử dụng để phát điện Bộ nguồn nạp điện xe dừng lại xuống dốc sau sử dụng nguồn phụ tăng tốc Tesla hãng chun sản xuất tơ điện, theo dự đốn chuyên gia, sớm vượt lên dẫn đầu ngành công nghiệp xe hơi, trở thành hãng xe giá trị nhất, tương tự điều mà Apple làm ngành điện thoại di động -12Pin nhiên liệu Hydrogen: Công nghiệp ô tô hướng tới tương lai sử dụng pin nhiên liệu Tất nhà sản xuất có chương trình phát triển pin nhiên liệu Nếu bắt nguồn từ khí thiên nhiên, hạn chế đến 60% khả giải phóng CO Hãng ô tô BMW phát triển việc sử dụng nhiên liệu hydrogen thay cho động đốt truyền thống 1.1.3 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học giới Việt Nam 1.1.3.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học giới Hiện có khoảng 50 nước giới khai thác sử dụng nhiên liệu sinh học mức độ khác Nhiên liệu sinh học dùng bao gồm: dầu thực vật sạch, Butanol, diesel sinh học, dimetyl ether, ethy tertiary butyl ether sản phẩm từ chúng Năm 2006, toàn giới sản xuất khoảng 50 tỷ lít Ethanol (75% dùng làm nhiên liệu) so với năm 2003 38 tỷ lít, dự kiến năm 2012 80 tỷ lít; năm 2005 sản xuất triệu diesel sinh học, năm 2010 tăng lên khoảng 20 triệu Hình 1.4: Sản lượng Biodiesel số nước giới năm 2016 Hình 1.4 biểu diễn sản lượng biodiesel số quốc gia giới năm 2016 Đứng đầu sản lượng biodiesel giới Mỹ với 5,5 triệu lít, tiếp sau Brazil với 3,8 triệu lít Đứng thứ quốc gia Đức, Indonesia, -13Agentina với triệu lít năm 2016 Các quốc gia lại Pháp, Thái Lan, Tây Ban Nha, Bỉ, Colombia, Canada, Trung Quốc chia vị trí lại đóng góp vào tổng sản lượng biodiesel tồn giới Hình 1.5: Sản lượng nhiên liệu sinh học số khu vực giới Hình 1.5 biểu diễn sản lượng nhiên liệu sinh học bao gồm Ethanol biodiesel Châu Âu, Châu Á, Nam Trung Mỹ, Bắc Mỹ, khu vực khác giới năm 2006 năm 2016 Sản lượng tất khu vực năm 2016 lớn nhiều so với năm 2006 Khu vực Bắc Mỹ có sản lượng lớn giới với khoảng 33 tỷ năm 2016 Các nước thuộc khu vực Châu Á Châu Âu có sản lượng biodiesel lớn với khoảng 10 tỷ năm 2016 Mỹ có tăng trưởng lớn nhất, 1930 vài nghìn tấ) Sản lượng biodiesel tăng 6,5%, Indonesia cung cấp tới 50% tăng trưởng Mỹ quốc gia có sản lượng nhiên liệu sinh học lớn, trình sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương, thân cao lương củ cải đường Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm Hoa Kỳ dùng để sản xuất Ethanol Mỹ đặt tiêu sản xuất xăng sinh học để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe năm 2010, 100% vào năm 2012 Đức nước tiêu thụ nhiều xăng sinh học cộng đồng EU, có khoảng 0,48 triệu Butanol Nguyên liệu sản xuất Butanol củ cải đường Pháp nước thứ hai tiêu thụ nhiều nhiên liệu sinh học cộng đồng Châu Âu với mức khoảng 1,07 triệu Butanol diesel -14sinh học năm 2006 Thụy Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập xăng cho xe vào năm 2020, thay vào tự túc xăng sinh học Hiện nay, 20% xe Thụy Điển chạy xăng sinh học, xăng Ethanol Để khuyến khích sử dụng xăng sinh học, phủ Thụy Điển khơng đánh thuế xăng sinh học trợ cấp xăng sinh học rẻ 20% so với xăng thông thường Ở Ấn Độ, Chính phủ có sách sử dụng xăng sinh học năm tới Ấn Độ gia tăng diện tích trồng dầu lai để sản xuất diesel sinh học Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985 Năm 2011 Thái Lan thành lập Ủy Ban nhiên liệu sinh học để điều hành phát triển nghiên cứu, xăng sinh học bắt đầu bán trạm xăng từ 2003 1.1.3.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học Việt Nam Để đảm bảo an ninh lượng, bảo vệ môi trường thúc đẩy phát triển kinh tế nông thôn vùng sâu, vùng xa, ngày 20-11-2007, Thủ tướng Chính phủ phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” Theo Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22 tháng 11 năm 2012 việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống từ ngày 1/12/2014 xăng E5 sản xuất, sử dụng số thành phố sử dụng toàn quốc kể từ 1/12/2015 Để thực lộ trình trên, địa phương tích cực triển khai, đưa xăng E5 vào lưu thông, thay xăng RON92 Một số địa phương định triển khai sớm so với lộ trình, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi Bà Rịa – Vũng Tàu Nhằm đảm bảo nguồn cung Ethanol cho thị trường, Tập đồn Dầu khí quốc gia Việt Nam có Nhà máy NLSH: Nhà máy NLSH Miền Trung Nhà máy NLSH Bình Phước hồn thành vào hoạt động thương mại, với công suất thiết kế 200.000 m3/năm Theo Bộ Cơng Thương tính đến cuối năm 2013 có 03 nhà máy tỉnh Quảng Ngãi, Bình Phước, Đồng Nai sản xuất Ethanol đạt tiêu chuẩn đảm bảo cho việc phối trộn sinh học, với công suất thiết kế 210.000 tấn/năm; 01 nhà máy Quảng Nam ngừng sản xuất để tái cấu lại; 02 nhà máy Đắk Nông Kon Tum chưa sản xuất Ethanol đạt tiêu chuẩn cho phép Tổng công -15suất thiết kế sản xuất nhà máy đạt 415.000 tấn/năm (100% công suất thiết kế) đủ đảm bảo phối trộn cho 8,3 triệu xăng E5 4,15 triệu xăng E10 1.1.4 Sử dụng nhiên liệu Butanol sinh học động đốt Butanol làm nhiên liệu phương tiện giao thông vận tải xác định thay xăng đầy triển vọng Butanol có số ưu điểm so với loại nhiên liệu cồn phổ biến khác propanol, ethanol [3, 12, 17, 19, 47, 57] Nhiệt trị Butanol khoảng 83% so với xăng [3] Butanol hút ẩm so với propanol ethanol, nhiên liệu ngậm nước [6] Butanol ăn mòn vận chuyển đường ống có an tồn nhiều có điểm sơi tương đối cao [9] Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho động đốt nhiều trung tâm, viện nghiên cứu nhà khoa học đặc biệt quan tâm Sau hàng loạt thực nghiệm nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học động cơng bố nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động công bố rộng rãi tạp chí khoa học 1.1.4.1 Các nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động đốt giới Nhóm tác giả V Hưnig, M Kotek and J Mařík Trường Đại học CULSCzech University of Life Sciences Prague, Kamycka 129, 16521, Prague 6, Czech Republic [24, 25, 30] thực nghiên cứu việc sử dụng nhiên liệu Butanol cho động đốt Nghiên cứu đánh giá tính chất nhiên liệu Butanol đồng thời so sánh với tính chất xăng BioButanol Nó rõ ưu điểm nhược điểm việc sử dụng hỗn hợp dạng tinh khiết Các hỗn hợp Butanol - xăng 5%, 30%, 50%, 85% 100% chọn làm nhiên liệu mà khơng có khác biệt lớn so với xăng ô tô truyền thống Nghiên cứu phát triển nguồn lượng tái tạo Butanol từ loại trồng nơng nghiệp giúp giảm nhập nhiên liệu dầu mỏ, hỗ trợ phát triển nông nghiệp tạo nhiều việc làm cho nông dân -16Nhóm tác giả Jing Yang, Yong Wang and Renhua Feng [56] Đại học Human nghiên cứu đánh gia tính kỹ thuật động đốt sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng – Butanol Trọng tâm nghiên cứu so sánh vận hành động sử dụng xăng với động sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng-Butanol tỉ lệ hòa trộn khác Nghiên cứu Butanol loại nhiên liệu thay giảm 14% tổng tiêu thụ lượng có ích giảm chất gây ô nhiễm môi trường Động sử dụng nhiên liệu xăng – Butanol có tốc độ cháy nhanh hơn, đặc biệt giai đoạn cuối trình cháy sử dụng hỗn hợp xăng – 35% Butanol (Bu35) khơng cần thay đổi kết cấu động mà trì mơ men xoắn khơng đổi, suất tiêu hao nhiên liệu mức phát thải CO, HC giảm đáng kể Tác giả S Szwaja Đại học Kỹ thuật Michigan, Mỹ tác giả J.D Naber Đại học Kỹ thuật Czestochowa, Ba Lan [48, 53] với nghiên cứu tập trung ứng dụng n-Butanol phụ gia pha trộn vào xăng để giảm lượng nhiên liệu hóa thạch Dựa sở kết thực nghiệm, đặc tính q trình cháy loại nhiên liệu với tỉ lệ khác ra: Khối lượng đốt cháy, tỉ lệ khối lượng đốt cháy, thời gian cháy vị trí 50% khối lượng đốt cháy tối ưu thời điểm đánh lửa để đạt tối đa mơ men xoắn tỉ lệ giải phóng nhiệt lượng Nhóm tác giả Cinzia Tornatore cộng Istituto Motori - CNR, Napoli, Italy [52] nghiên cứu ảnh hưởng việc pha trộn Butanol với xăng có tỷ lệ 40% n-Butanol pha trộn với 60% xăng nguyên chất (Bu40) thực động đốt cháy cưỡng xylanh sử dụng hệ thống phun nhiên với thiết bị tăng áp từ bên Bu40 cho mức hiệu suất tương tự xăng phun thời gian van nạp mở cho phép để giảm thiểu tác động bất thường trình cháy đốt bao gồm phát xạ hạt cacbon siêu mịn, NOx HC Tác giả Benjamin R Wigg Đại học Illinois [54] nghiên cứu mức phát thải ô nhiễm động đốt cháy cưỡng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng – Butanol với tỷ lệ phối trộn khác nhằm đánh giá so sánh mức phát thải CO, HC, NOx tỷ lệ phối trộn khác Kết cho thấy mức phát thải CO, HC, Nox tương đương với sử dụng nhiên liệu truyền thống -17Tác giả F.N Alasfour [10, 11] Đại học Đại học Kuwait với nghiên cứu ảnh hưởng góc đánh lửa đến mức độ phát thải HC NOx sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng – 30% Butanol (Bu30) động đốt cháy cưỡng đưa kết luận việc thay đổi mức độ phát thải HC, NOx góc đánh lửa khác 1.1.4.2 Các nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động đốt Việt Nam Ở Việt Nam, xăng E5 đưa vào sử dụng thị trường Việc nghiên cứu, tìm thêm loại nhiên liệu sinh học khác có Butanol sinh học để đưa vào sử dụng thị trường nhà khoa học quan tâm Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ cộng Viện Dầu khí Viêt Nam [2] khẳng định xăng pha 10,5% n-Butanol có quy cách phẩm chất, thơng số vận hành tính làm việc nhiên liệu xe ô tô tương đương so với xăng thông dụng A95, đồng thời sử dụng xăng pha n-Butanol góp phần làm giảm thiểu khí độc hại phát thải môi trường Các cộng Đại học Đà Nẵng [3] với đề tài đánh giá khả sử dụng Butanol phối trộn vào xăng nhiên liệu khẳng định pha 10% thể tích Butanol vào xăng A92 động hoạt động ổn định phát thải CO, HC có giảm so với động sử dụng xăng A92 Nhóm tác giả Lê Văn Tụy Bùi Ngọc Hân Đại học Đà Nẵng [6] với đề tài nghiên cứu góc đánh lửa tối ưu cho động sử dụng nhiên liệu xăng pha Butanol kết luận cách điều chỉnh góc đánh lửa hợp lý, động sử dụng nhiên liệu sinh học xăng pha Butanol cho phát công suất cao giảm phái thải ô nhiễm so với xăng thị trường RON95 Một vài nghiên cứu khác tác giả Phạm Thanh Việt, Phạm Văn Phê [6, 7] nghiên cứu khả ứng dụng Butanol thay xăng xăng truyền thống đến tính kinh tế kỹ thuật động ơtơ có thêm nhiều kết luận quan trọng cho việc sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động đốt Tóm lại, Việt Nam có số nghiên cứu việc sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động đốt đưa khẳng định Butanol sinh -18học hồn tồn sử dụng làm nhiên liệu thay tiềm Tuy nhiên, đến đề tài dừng lại tỷ lệ Butanol pha trộn vào xăng mức 20% thể tích trở xuống chưa có đề tài nghiên cứu việc ảnh hưởng tỷ lệ đến tiêu kinh tế kỹ thuật, phát thải ô nhiễm pha Butanol vào xăng RON92 Vì vậy, việc nghiên cứu pha Butanol với xăng RON92 động đánh lửa cưỡng với tỷ lệ Butanol cao hẳn cơng trình cơng bố nhằm đánh giá tính kỹ thuật, phát thải ô nhiễm, ảnh hưởng chế độ vận hành đến tiêu kinh tế kỹ thuật, phát thải nhiễm; qua nâng cao tỷ lệ pha trộn Butanol vào xăng làm nhiên liệu sử dụng cho động đốt có ý nghĩa khoa học thực tiễn 1.2 Sự cần thiết cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu động đánh lửa cưỡng 1.2.1 Lịch sử phát triển hệ thống nhiên liệu động đánh lửa cưỡng Lịch sử ứng dụng phun nhiên liệu cho động đánh lửa cưỡng thay cho chế hòa khí đầu kỷ 19 20 Việc áp dụng hệ thống phun nhiên liệu cho động đánh lửa diễn vào năm 1898, công ty Deutz sử dụng bơm phun kiểu trượt vào động tĩnh sử dụng dầu hỏa Hình 1.6: Các hệ thống phun nhiên liệu [37] a) Phun điểm, b) Phun đa điểm, c) Phun trực tiếp; 1- Cung cấp nhiên liệu, - Bơm khí, - Bướm ga, - Ống nạp, - Kim phun nhiên liệu (hoặc kim phun), – Động Ngoài ra, anh em nhà Wright nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu động máy bay từ năm 1903 tảng đời hệ thống phun xăng [28] Tuy nhiên, việc chế tạo vòi phun Venturi vào chế hòa khí -19năm gặp phải khó khăn cơng nghệ vật liệu làm giảm phát triển hệ thống phun nhiên liệu động đánh lửa hai thập kỷ Hình 1.7: Vị trí kim phun hệ thống cung cấp nhiên liệu kết hợp trực tiếp gián tiếp [37] - Pít-tơng, - Cổng xả khí, - Bugi, - Van xả, - Van nạp, - Kim phun gián tiếp, - Kênh lấy nước, - Kim phun trực tiếp Động phun trực tiếp (SI) giới, Junkers Jumo 210G, phát triển vào năm 30 kỷ trước sử dụng vào năm 1937 trong phiên phát triển máy bay chiến đấu Messerschmitt Bf-109 [31] Trong tiến trình phát triển, hệ thống phun xăng cải tiến từ hệ thống phun xăng đơn điểm đường nạp (Hình 1.6a), phun đa điểm đường nạp (Hình 1.6b), đến phun trực tiếp buồng cháy (Hình 1.6c) tiếp cận đến hệ thống phun kép kết hợp phun đường nạp phun trực tiếp (Hình 1.7) 1.2.2 Cải tiến hệ thống phun nhiên liệu động đánh lửa cưỡng nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu ô nhiễm môi trường Hướng tới giải giảm tiêu thụ nhiên liệu phát thải ô nhiễm phương tiện giao thông, kỹ sư ô tô nỗ lực phát triển động có suất tiêu hao nhiên liệu có ích thấp đồng thời đáp ứng yêu cầu phát thải nghiêm ngặt Động diesel có nhiều ưu điểm so với động đánh lửa cưỡng phun nhiên liệu đường nạp tiêu hao nhiên liệu nhờ có tỷ số nén cao q trình cháy có hòa khí nghèo đáng kể Tuy nhiên, động diesel nói chung có mức độ tiếng -20ồn cao hơn, phạm vi tốc độ hạn chế hơn, khởi động khó hơn, đồng thời phát thải hạt NOx cao so với động đánh lửa cưỡng Trong hai thập kỷ qua, nỗ lực thực để phát triển động đốt sử dụng ô tơ cách kết hợp tính tốt động đánh lửa cưỡng động diesel Mục tiêu kết hợp ưu điểm tiện nghi động xăng với hiệu suất có ích cao động diesel chế độ tải cục Động đánh lửa cưỡng có suất tiêu hao nhiên liệu có ích tiếp cận với động diesel, trì đặc tính vận hành Các nghiên cứu để đạt mục tiêu động đánh lửa cưỡng bốn kỳ phun trực tiếp, không tiết lưu điều chỉnh hỗn hợp đầu vào để kiểm soát tải Trong động này, chùm tia phun nhiên liệu phun trực tiếp vào xi lanh, tạo hỗn hợp khơng khí nhiên liệu với thành phần dễ cháy khe hở tia lửa thời điểm đánh lửa Loại động gọi động phun nhiên liệu trực tiếp có hòa khí phân lớp, có khả chống kích nổ nhiên liệu có số octan thấp sử dụng đa nhiên liệu [27, 29, 34] Theo cách tương tự động diesel, cơng suất có ích động kiểm soát cách thay đổi lượng nhiên liệu phun vào xilanh Khơng khí nạp khơng điều tiết bướm ga giảm thiểu trợ lực đường nạp Bằng cách sử dụng bugi để đốt cháy hòa khí đánh lửa trực tiếp giảm thiểu ảnh hưởng tính tự cháy nhiên liệu Hơn nữa, cách bố trí hợp lý vị trí vòi phun so với bugi hòa khí nhạt đáng kể [14, 18, 21, 26, 55] Sự khác biệt động phun đa điểm đường nạp (PFI) động phun trực tiếp (GDI) phương thức chuẩn bị hỗn hợp, minh họa dạng sơ đồ Hình 1.8 Trong động PFI, nhiên liệu phun vào cổng nạp xi lanh có độ trễ thời gian liên quan hoạt động phun hòa trộn nhiên liệu khơng khí vào xilanh Phần lớn động PFI ô tô sử dụng phun nhiên liệu theo thời gian vào mặt sau van nạp Trong trình khởi động khởi động lạnh, có hình thành dịch chuyển màng nhiên liệu lỏng khu vực van nạp cửa nạp Điều gây chậm trễ việc cung cấp nhiên liệu, khiến cho lượng nhiên liệu cần lớn yêu cầu để đạt tỷ lệ hòa khí lý -21thuyết xilanh, làm gia tăng đáng kể phát thải HC Ngược lại, phun nhiên liệu trực tiếp vào xilanh động hoàn toàn tránh vấn đề liên quan đến việc hình thành lớp nhiên liệu lỏng thành cửa nạp, đồng thời tăng cường kiểm soát nhiên liệu cung cấp, giảm thời gian vận chuyển nhiên liệu Do đó, khối lượng nhiên liệu thực tế vào xilanh theo chu kỳ định kiểm sốt xác cách GDI so với PFI Động GDI có khả đốt cháy với hòa khí nghèo hơn, hòa khí đồng xilanh suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn, lượng khí thải HC q trình khởi động lạnh có khả thấp trường hợp GDI Do áp suất nhiên liệu hệ thống GDI cao nên nhiên liệu vào xilanh xé tơi tốt nhiều so với hệ thống PFI, đặc biệt điều kiện vận hành lạnh, tốc độ hóa nhiên liệu cao nhiều Tuy nhiên, việc phun nhiên liệu trực tiếp vào xi lanh hình thành màng nhiên liệu nhiên liệu bám đỉnh piston bề mặt buồng đốt khác Động GDI khắc phục hạn chế động PFI, đặc biệt liên quan đến việc làm ướt thành cửa nạp Màng nhiên liệu thành cửa nạp động PFI hoạt động tụ điện tích hợp lượng nhiên liệu đo khơng xác có lượng nhiên liệu lỏng bên màng, từ nhiên liệu đo xác kim phun [59] Trong q trình khởi động lạnh động PFI không cháy không khởi động vài chu kỳ đầu tiên, nhiên liệu phun thêm vào màng lỏng Các thuật toán điều khiển phải sử dụng để cung cấp nhiên liệu lớn đạt thời gian bắt đầu PFI hoạt động ổn định, lúc nhiệt độ khởi động thấp khiến lượng phát thải HC tăng lên Do đó, hệ thống PFI tạo 90% tổng lượng phát thải HC thử nghiệm phát thải FTP Hoa Kỳ vòng 90 giây [16] 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 [13] giảm đáng kể HC trình thay đổi tải So sánh lượng nhiên liệu cần thiết để khởi động động GDI PFI cung cấp -22Hình 1.9 [38] Động GDI cần nhiên liệu để khởi động động cần nhiều nhiệt độ môi trường giảm Hình 1.8: So sánh hệ thống chuẩn bị hỗn hợp PFI [40] GDI [60] Một hạn chế động PFI yêu cầu tiết lưu đường nạp để kiểm soát tải động Mặc dù tiết lưu đường nạp chế kiểm soát tải thiết lập động PFI tổn thất nhiệt động lực học đáng kể Bất kỳ hệ thống sử dụng tiết lưu đường nạp để điều chỉnh mức tải gây tổn thất nhiệt động làm suy giảm hiệu suất có ích mức tải thấp Các động PFI tiên tiến sử dụng tiết lưu đường nạp để kiểm soát tải động Động PFI sử dụng tiết lưu đường nạp giảm đáng kể tiêu hao nhiên liệu phát thải Hiện nay, cải tiến liên tục công nghệ PFI nhằm đạt mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu phát thải Về mặt lý thuyết, động GDI khơng có hai hạn chế đáng kể tính có liên quan đến chúng Những lợi mặt lý thuyết động GDI so với động PFI đại tóm tắt sau: - Cải thiện tính kinh tế nhiên liệu (lên đến 25% tùy thuộc vào chu kỳ thử nghiệm) nhờ: tổn thất công bơm hơn, tổn thất nhiệt hơn, tỷ số nén cao hơn, yêu cầu trị số octan thấp hơn, tăng hiệu suất nạp, cắt nhiên liệu trình giảm tốc - Cải thiện khả đáp ứng nhờ: giảm mức độ làm đậm tăng tốc - Kiểm soát tỷ lệ nhiên liệu-khơng khí xác nhờ: khởi động lạnh nhanh hơn, giảm tiêu hao khởi động lạnh - Mở rộng phạm vi tỷ lệ khí thải hồi lưu để giảm thiểu việc sử dụng tiết lưu -23- Lợi lựa chọn phát thải nhờ: giảm phát thải HC khởi động lạnh, giảm lượng khí thải CO2 Áp suất phun cao đáng kể sử dụng hệ thống phun Common-Rail GDI so với hệ thống nhiên liệu PFI làm tăng mức độ xé tơi nhiên liệu, tốc độ hóa nhiên liệu đốt cháy ổn định từ chu kỳ phun lần lần thứ hai mà không cung cấp thêm nhiên liệu Do đó, động GDI có lượng phát thải HC khởi động lạnh thấp Takagi [49] có báo cáo lượng khí thải HC khởi động Hình 1.9: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết để khởi động lạnh động GDI PFI nhiệt độ môi trường khác [38] lạnh đo từ động GDI nguyên mẫu Nissan thấp khoảng 30% so với động PFI điều kiện tương đương Một lợi khác động GDI điều chỉnh mức độ cắt giảm nhiên liệu giảm tốc tiết kiệm nhiên liệu giảm mức phát thải HC Đối với động PFI, hoạt động màng nhiên liệu thiết lập cửa nạp nên việc cắt nhiên liệu trình giảm tốc ảnh hưởng đến q trình hòa trộn làm giảm loại bỏ màng nhiên liệu lỏng cửa nạp Điều tạo hòa khí nghèo buồng đốt vài chu kỳ sau phục hồi tải dẫn đến tình trạng khơng ổn định động 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 S Szwaja [48] ứng dụng n-Butanol thành phần hòa trộn thêm vào xăng để giảm thành phần nhiên liệu hóa thạch hỗn hợp nhiên liệu giải pháp giảm lượng khí thải CO2 Sự tác động tới trình cháy động -24đánh lửa cưỡng nghiên cứu chi tiết Phối trộn n-Butanol xăng với tỷ lệ 0%, 20% 60% để gần với đặc tính nhiên liệu n-Butanol nghiên cứu động xylanh thay đổi tỷ số nén Sơ đồ bố trí động thí nghiệm Hình 1.10 Hình 1.11 ảnh hưởng thời điểm đánh lửa tới áp xuất cháy xylanh động thí nghiệm cho 100% n- Butanol, tỉ số nén động 10 Áp suất cực đại gia tăng thời điểm đánh lửa tăng từ độ tới 18 độ trước điểm chết [48] Tại góc đánh lửa độ trước điểm chết trên, hỗn hợp nhiên liệu xăng-Butanol với tỷ lệ phối trộn 20%, 60% 100% Hình 1.10: Sơ đồ bố trí động thí nghiệm [48] tượng động không nổ Thời điểm đánh lửa tối ưu bị giới hạn tượng cháy kích nổ góc đánh lửa lớn 14 độ trước điểm chết Hình 1.12 Thực nghiệm thực chế độ tải cục động Hình 1.13a mơ tả thời gian cháy hỗn hợp nhiên liệu 10-90% Butanol, xác định theo tỷ lệ hòa khí cháy vị trí có tỷ lệ 0,1 0,9 ứng với vị trí trục khuỷu vị trí điểm chết Hình 1.13b mơ tả giai đoạn trình cháy với tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu 0-10% Butanol có thời điểm đánh lửa thay đổi cho n-Butanol xăng Quá trình cháy n-Butanol nguyên chất ngắn so với xăng nguyên chất, dẫn đến nhiệt độ trình cháy cao thời điểm đánh lửa bugi -25- Hình 1.11: Mối quan hệ áp suất xylanh góc quay trục khuỷu thời điểm đánh lửa khác n-Butanol tỷ số nén 10 [48] Hình 1.12: Mối quan hệ lượng phun góc quay trục khuỷu [48] Hình 1.13: a) Tỷ lệ hòa khí cháy 10-90% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol xăng PON 87 b) Tỷ lệ hòa khí cháy 0-10% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol xăng PON 87 [48] 1.3.2 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học động đốt đến trình lan tràn màng lửa Cinzia [52] nghiên cứu ảnh hưởng Butanol phối trộn với nhiên liệu xăng làm nhiên liệu cho động đốt Thực nghiệm sử dụng động đánh lửa cưỡng xylanh, phun nhiên liệu, tăng áp, điều chỉnh thay đổi tỷ số nén Hình 1.14 Hình 1.15 mơ tả q trình cháy từ bugi đánh lửa tới màng lửa chạm vào thành xylanh động Sau thời điểm này, hình dạng màng lửa đối diện khơng đối xứng, phát triển chạm thành xylanh khu vực xupap xả, màng nhiên liệu đọng lại lớp xupap nạp bề mặt buồng cháy chu kỳ trước Khi màng lửa lan tràn tới khu vực đối diện, phần khu vực phát triển đối diện nơi có tập trung nhiều nhiên liệu, dao động tốc độ lan tràn màng lửa dọc theo màng lửa đối diện gia tăng vòng lửa Tính khơng đối xứng màng lửa bất lợi -26của nhiên liệu B40, màng lửa phát triển đặn Với Bu40 đóm sáng rõ so với nhiên liệu xăng, phần tử khó bay bắt đầu bay nhiệt độ tăng lên tiếp nhiên liệu đốt cháy Hình 1.14: Áp suất xylanh tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu [52] Hình 1.15: Hình ảnh lửa xăng Bu40 [52] -27Kết luận chương 1: Đứng trước viễn cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch, trữ lượng nhiên liệu ngày cạn kiệt, tình hình bất ổn trị nước xuất dầu mỏ, nhu cầu sử dụng nhiên liệu giới ngày cao, nhà khoa học giới tích cực nghiên cứu tìm giải pháp để thay phần nguồn nhiên liệu hóa thạch Trong thời gian qua, giới Việt Nam triển khai nhiều kết nghiên cứu lĩnh vực nhiên liệu sinh học Ở Việt Nam, Chính phủ phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học với mục tiêu đảm bảo an ninh lượng, bảo vệ môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp, tạo việc làm cho người dân vốn mạnh Việt Nam, xu hướng phù hợp với tình hình chung giới Nhằm đa dạng nguồn nhiên liệu sinh học, việc nghiên cứu ứng dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu mang lại số kết ban đầu, lĩnh vực chế biến, sản xuất Butanol sinh học làm nhiên liệu Kết nghiên cứu cần đánh giá cách tồn diện hình thành hỗn hợp cháy, ảnh hưởng xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol từ 10% đến 50% tới phương tiện lưu hành điều kiện Việt Nam Qua giúp cho nhà nghiên cứu Việt Nam có định hướng nhiên liệu sinh học pha Butanol sử dụng động đốt -28- Chương NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT Trong chương trình bày số sở lý thuyết phục vụ việc nghiên cứu đề tài Lý thuyết mô phun nhiên liệu mơ hình hóa động đánh lửa cưỡng trình bày số nét Tính chất nhiên liệu dùng động đốt cháy cưỡng bức, mà cụ thể đề tài xăng, tác giả phân tích thành phần hóa học tiêu đánh giá Trong chương tác giả thiết lập mơ hình mô động Daewoo A16DMS phần mềm ANSYS-FLUENT 2.1 Tính chất nhiên liệu Butanol sinh học sử dụng động đánh lửa cưỡng 2.1.1 Giới thiệu Butanol sinh học Butanol (danh pháp IUPAC, 1Butanol) gọi rượu butylic, nButanol methylolpropane hóa chất gồm cacbon có cơng thức phân tử C4H9OH khối lượng phân tử 74,12 g.mol Butanol chất lỏng không màu, dễ cháy, kỵ lỏng, có mùi thơm chuối hương có mùi cồn mạnh Butanol hòa tan hồn tồn với dung mơi hữu phổ biến, lại hòa tan nước [48] Hình 2.1: Cấu trúc khơng gian Butanol 2.1.2 Một số tính chất lý hóa Butanol Butanol sản xuất từ nguồn nhiên liệu tái tạo phù hợp sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt cháy cưỡng bức, tính chất nhiên liệu cho phép hòa trộn với nhiên liệu xăng tạo hỗn hợp nhiên liệu sử dụng cho động đốt Điều bổ sung thêm vào nguồn nhiên liệu truyền thống sử dụng giao thông vận tải nhằm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch sử dụng cho phương tiện giao thông -29Bảng 2-1: Đặc tính lý hóa Butanol [48] Chất lỏng không màu Ngoại quan Khối lượng phân tử 74,12 g.mol-1 Khối lượng riêng 0,81 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy -90°C Nhiệt độ sôi 117,7°C Độ tan nước 7,7g/100ml 20°C Nhiệt độ tự bốc cháy 345oC Điểm chớp cháy 37°C Nhiệt hóa 43,8 kJ mol-1 Nhiệt đốt cháy 198,2 kJ mol-1 Độ nhớt 2,544 cP Áp suất 0.56 kPa 20oC Hàm lượng ôxy 21,6% Ngưỡng mùi 15 ppm Bảng 2-2: So sánh tính chất hóa học vật lý Butanol xăng [20, 24, 58] Tính chất nhiên liệu Butanol Xăng C4H10O C4 -C12 Khối lượng mol [g/mol] 74 105 H/C 2,5 1,85 Oxy [%kl] 21,6 2,7 - 35 Khối lượng riêng 15C [kg/m ] 810 751 Điểm bay [C] 78 27-225 2,3 48-103 Nhiệt dung riêng [kJ kg K ] 2,2 Độ nhớt 20C [mPa.s] 1,19 0,4 Nhiệt ẩn bay [kJ/kg] 474 364 Nhiệt trị thấp [MJ/kg] 33,3 43,5 Nhiệt độ tự cháy [C] 423 257 Trị số octane RON/MON 90/80 92/81 Tỷ lệ khơng khí/ nhiên liệu A/F 11,2 14,7 36 33 Cơng thức hóa học Hàm lượng Hydrocacbon thơm [%thể tích] Áp suất bay at 38C [kPa] -1 -1 Tốc độ lửa tầng 100 kPa, 325 K (cm/s) -30- 2.1.3 Đánh giá số tiêu xăng Butanol [4, 36] 2.1.3.1 Về số Octane Chỉ số octane n-Butanol tương tự xăng thấp Ethanol Butanol sử dụng phụ gia xăng, có hiệu làm tăng RON cho xăng, xăng gốc có RON thấp hiệu tăng RON cao Nhiên liệu có số octan cao bị kích nổ đặc biệt trình cháy diễn nhanh tự diễn biến kỳ nén, tăng số nén động cơ, nhờ tăng đáng kể hiệu suất nhiệt động Điều dẫn tới cải thiện công suất động cơ, dẫn đến tiết kiệm nhiên liệu tốt so với việc sử dụng nhiên liệu khác điều kiện 2.1.3.2 Về hàm lượng oxi Do có 21,6% oxy phân tử Butanol so với 35,1% oxy Ethanol nên nhiệt trị khối lượng Butanol (36MJ/kg) lớn Ethanol (26,8MJ/kg) nhỏ xăng (43,9MJ/kg), khối lượng riêng Butanol lớn xăng nên khác nhiệt trị thể tích Mặt khác, có mặt oxy phân tử Butanol Ethanol làm giảm phát thải khí độc hại từ ống thải động trình cháy triệt để động dùng loại nhiên liệu Nhờ lượng thải khí CO giảm đáng kể Ngồi với % oxy phân tử Butanol thấp so với Ethanol cho phép pha Butanol với xăng tỷ lệ cao so với pha với Ethanol mà khơng cần thiết phải thay đổi tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu động Nếu Ethanol sử dụng với tỷ lệ – 10% mà không thay đổi động suy Butanol sử dụng từ 8-32% 2.1.3.3 Độ bay nhiệt hóa Một tính chất Butanol áp suất bão hòa thấp (0,33 psi), so với Ethanol psi xăng 4,5 psi, điều có nghĩa Butanol có tốc độ bay thấp Điểm đồng sôi hai cấu tử thấp điểm bắt đầu sôi cấu tử Do pha cồn vào xăng có nhiều thành phần nhẹ hao hụt bay tăng Hiện tượng đẳng phí dẫn đến làm tăng áp suất bão hòa Vì so với Ethanol, Butanol khơng tạo nên hỗn hợp đẳng phí với cấu tử -31xăng Khi pha Butanol vào xăng làm áp suất Reid giảm nên pha Butanol vào xăng có nhiều thành phần nhẹ, xăng pha Butanol có độ bay nhỏ hạn chế hao hụt bay Tuy nhiên áp suất xăng nhỏ ảnh hưởng đến khả khởi động lạnh động Đối với Butanol nhiệt hóa Butanol (0,43 MJ/kg) thấp nửa so với Ethanol (0,92 MJ/kg) nên động sử dụng Butanol khởi động tốt vào mùa lạnh so với Ethanol Methanol 2.1.3.4 Thành phần nước Butanol không tan nước vô hạn Ethanol, độ tan Butanol đo 20oC 7,7 g/100 ml Mạch cacbon Butanol dài Ethanol nên rõ ràng làm tăng tính kị nước gần với hydrocacbon Do việc phân tầng Butanol xăng Ethanol Tính kị nước Butanol cao Ethanol nên vấn đề tồn trữ xăng pha Butanol không phức tạp Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn phân tích pha với nước theo % thể tích Butanol Ethanol Ethanol Để theo dõi khả tương tác với nước xăng pha Butanol Ethanol, tham khảo đồ thị Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn phân tích pha với nước theo % thể tích Butanol Ethanol Đồ thị tham khảo website công ty BP [6] Dựa vào đồ thị, thấy háo nước xăng pha Ethanol cao hẳn so với xăng pha Butanol Hàm lượng nước xăng cao, việc gây phân tầng làm cho hiệu hòa tan phụ gia vào xăng giảm có tác hại khác 2.1.3.5 Nhiệt trị lượng riêng Nhiệt trị thể tích Butanol 29,2 MJ/L cao hẳn so với Ethanol 19,6 MJ/L, xăng 32 MJ/L Tuy nhiên nhiệt trị thể tích Butanol thấp so với xăng Khi so sánh chi phí nhiên liệu nên so sánh giá tính đơn -32vị lượng nhiên liệu Nếu Butanol sản xuất quy mơ cơng nghiệp giá thấp theo BP DuPont giá cạnh tranh thấp Ethanol phí đơn vị lượng Butanol chắn rẻ Nhiên liệu Butanol hay Ethanol có lượng tính theo đơn vị khối lượng hay đơn vị thể tích thấp so với xăng Để dễ so sánh lượng tinh chu trình hoạt động động người ta dùng đại lượng gọi lượng riêng (Specific energy) nhiên liệu Nó định nghĩa lượng tính tỷ lệ khơng khí nhiên liệu Sự có mặt oxy phân tử Butanol dẫn đến giảm lượng không khí lý thuyết cần thiết để cung cấp cho đơn vị nhiên liệu Lượng khơng khí lý thuyết cấn thiết để cung cấp cho kg Ethanol Butanol 11,1, xăng 14,6 Điều dẫn đến nhiệt trị Butanol, Ethanol nhỏ xăng lượng riêng tính kg khơng khí Butanol (3,2 MJ/kg air) lớn hẳn so với xăng (3,0 MJ/kg air) Ethanol (2,9 MJ/kg air) Do giả định thơng số vận hành khơng đổi chuyển động từ dùng xăng sang dùng Ethanol cơng suất động giảm 5% Tương tự Butanol lượng riêng Butanol cao Ethanol cao 10% so với xăng nên công suất động dùng nhiên liệu Butanol cao khoảng 10% so với dùng xăng 2.1.3.5 Các vấn đề khác Bảng 2-3 biểu diễn độ nhớt động học số loại nhiên liệu Qua cho thấy độ nhớt Butanol cao hẳn Ethanol xăng nên ảnh hưởng đến hệ thống bơm vận chuyển Nếu Butanol đưa vào sản xuất phương pháp lên men từ sản phẩm nơng nghiệp góp phần làm giảm khí nhà kính Về giá Butanol cạnh tranh với Ethanol: Theo BP DuPont đưa vào sản xuất quy mơ cơng nghiệp, giá Butanol hồn tồn cạnh tranh với Ethanol Theo báo cáo BP Dupont, Butanol phối trộn nồng độ cao với xăng hẳn nhiên liệu khác Butanol xem cấu tử gần với xăng mục đích phối trộn kiểm chứng Viện Bảo vệ môi trường -33Hoa Kỳ Từ tất ưu điểm vượt trội nói tiến hành nghiên cứu pha Butanol vào xăng, xem lượng Butanol pha lớn vào xăng mà đảm bảo tiêu khơng bị ảnh hưởng nhiều đến tính động Bảng 2-3: Độ nhớt động học số loại nhiên liệu [23] STT Chất Độ nhớt động học (200C) Butanol 3,64 cSt Ethanol 1,52cSt Methanol 0,64 cSt Gasoline 0,4–0,8 cSt Diesel >3 cSt Water 1,0 cSt 2.2 Lý thuyết phun nhiên liệu động đánh lửa cưỡng 2.2.1 Hệ thống phun xăng đường nạp Phun nhiên liệu đa điểm (MPI), gọi phun nhiên liệu cửa nạp (PFI), nhiên liệu phun vào cửa nạp phía mặt sau van nạp Các hệ thống MPI phun độc lập, thời điểm phun thường trùng với hành trình nạp xilanh; phun theo nhóm, nhiên liệu phun vào xilanh theo nhóm mà khơng đồng hóa xác với hành trình nạp xilanh cụ thể; đồng thời, nhiên liệu phun lúc với tất xilanh Áp suất nhiên liệu điển hình dao động khoảng 40-60 psi Hệ thống phun xăng đa điểm cửa nạp sử dụng phổ biến cho phép động hoạt động tối ưu theo chế độ vận hành góp phần tiết kiệm nhiên liệu giảm ô nhiễm môi trường so với động phun xăng đơn điểm động sử dụng chế hòa khí Hình 2.3 trình bày ngun lý hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5] Trong hệ thống MPI, tín hiệu tốc độ động cơ, lưu lượng khí nạp dung để xác định thời gian phun (tp), thời gian phun hiệu chỉnh sở tín hiệu tải động nhiệt độ động cơ, nhiệt độ khí nạp điện áp acquy để xác định xác thời gian phun (ti) (Hình 2.4) -34- Hình 2.3: Hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5] Thùng nhiên liệu; Bơm nhiên liệu; Bộ lọc nhiên liệu; Bộ điều chỉnh áp suất; Bộ giảm áp; Bộ điều khiển; Bộ chia điện; Vòi phun; Van khởi động lạnh; 10 Bướm ga; 11 Công tắc van tiết lưu; 12 Lưu lượng kế; 13 Cảm biến oxy; 14 Công tắc nhiệt; 15 Cảm biến nhiệt độ; 18 Van khí phụ; 17 Cảm biến vị trí trục khuỷu; 18 Rơle chính; 19 Rơle bơm 2.2.2 Hệ thống phun xăng trực tiếp Trong động đốt trong, động phun xăng trực tiếp (GDI), gọi động đánh lửa phun xăng trực tiếp (SIDI) phun nhiên liệu phân lớp (FSI), biến thể phun nhiên liệu sử dụng động xăng bốn kỳ Xăng bơm lên đến áp suất cao nén vào ống chung vòi phun phun trực tiếp vào buồng đốt xi lanh, trái ngược với phun nhiên liệu đa điểm thông thường xảy đường nạp cửa nạp xi lanh Tải động tốc độ động điều khiển điều khiển động (ECU) nhờ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu thời điểm đánh lửa thay phải tiết lưu hạn chế việc cung cấp khơng khí nạp vào Việc thêm chức vào ECU đòi hỏi phải tăng cường đáng kể q trình xử lý nhớ phun trực tiếp cộng với quản -35lý tốc độ động phải có thuật tốn xác để có hiệu suất tốt khả vận hành xe Hình 2.4: Sơ đồ điều kiển hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5] Áp suất phun nhiên liệu yếu tố then chốt để có trình phun tạo nguyên tử hiệu mức độ thâm nhập tia phun cần thiết Áp suất phun nhiên liệu cao làm giảm đường kính trung bình lổ phun xấp xỉ bậc hai nghịch đảo chênh lệch áp suất (pinj-pcyl) Việc sử dụng áp suất phun nhiên liệu cao, chẳng hạn 20 MPa, tăng cường q trình ngun tử hóa tạo tia phun có mức độ thâm nhập mức dẫn đến làm ướt thành buồng cháy Áp suất nhiên liệu chọn cho hầu hết động GDI dao động từ đến 13 MPa, thấp so sánh với áp suất hệ thống phun diesel 50-160 MPa, tương đối cao so với hệ thống PFI với áp suất phun 0,25-0,45 MPa Dựa đánh giá tài liệu [61], điểm thơng tin liên quan đến hệ thống nhiên liệu GDI là: - Áp suất tích trữ ống phân phối (common rail) khoảng - 13MPa; - Áp suất tích trữ ống phân phối từ 5.0 - 7.5 MPa phổ biến hệ thống GDI hành; 7.0 - 10.0 MPa dải áp suất tích trữ ống phân phối có khả cho hệ thống tương lai; - Tuổi thọ bơm, tiếng ồn tốc độ mồi hệ thống mối quan tâm quan trọng, đặc biệt áp suất 8,5 MPa; - Áp suất phun thay đổi giải pháp khả thi -36- Hình 2.5: Bố trí hệ thống động GDI điển hình [43] Hình 2.6: So sánh đặc tính phun kim phun cao áp kiểu lỗ xốy cho áp suất phun 20 MPa [51] Hình 2.6 so sánh đặc tính phun vòi phun kiểu lỗ xốy Các đặc tính tia phun bao gồm độ xuyên thâu tia phun phun (penetration) thể tích tia phun (spray volume) thể kết tính tốn từ phương trình thực nghiệm Vòi phun xốy -37thường tạo tia phun có phân bố kích thước giọt (DV90, DV10) hẹp so với vòi phun loại lỗ tiêu chuẩn, với phun tốt xảy áp suất phân phối cao góc phun rộng Một lợi vòi phun xốy thiết kế tùy chỉnh đường cong thâm nhập phun cách thay đổi tỷ lệ xoáy với thay đổi nhỏ mức độ nguyên tử hóa, cung cấp thay đổi cần thiết cấu hình phun để đáp ứng yêu cầu phân lớp khác Cơ chế hình thành phun kim phun kiểu xốy ba thiết kế điển hình vòi phun xốy minh họa Hình 2.7 [61] Hình 2.7b tạo đặc điểm phun tương tự số xốy Reynold trì Vòng xốy kiểu tiếp tuyến chọn cho động GDI Mitsubishi Hình 2.7: Thiết kế điển hình vòi phun xốy 2.3 Lý thuyết mơ q trình phun nhiên liệu động đánh lửa cưỡng 2.3.1 Hệ phương trình đối lưu-khuếch tán Hệ phương trình lưu chất (đối lưu – khuếch tán) hình thành từ kết hợp định luật bảo toàn khối lượng, động lực, lượng, cần thiết phải có -38phương trình trạng thái nhiệt động lực áp suất hàm biến nhiệt động lực khác chất lưu để giải tốn Phương trình trạng thái khí khí lý tưởng: p R T u M ( 2.1) Trong đó: p áp suất (bar), ρ khối lượng riêng kg/m3), Ru số khí lý tưởng, M phân tử khối T nhiệt độ (K) Ba định luật bảo toàn sử dụng để giải toán động lực học chất lưu, chúng viết dạng tích phân vi phân Các cơng thức tốn học định luật bảo tồn giải thích cách xem xét khái niệm khối thể tích kiểm tra Một khối thể tích kiểm tra thể tích cụ thể khơng gian mà thơng qua chất lỏng lưu thơng vào hay Cơng thức tích phân định luật bảo toàn xem xét thay đổi khối lượng, động lực, lượng khối thể tích kiểm tra Các công thức vi phân định luật bảo tồn áp dụng định lý Stokes để tìm biểu thức, biểu thức hiểu dạng vi phân định luật áp dụng cho thể tích vơ nhỏ điểm dòng chảy 2.3.1.1 Tính liên tục khối lượng (bảo toàn khối lượng) Tốc độ thay đổi khối lượng chất lưu bên thể tích kiểm tra phải với tổng lượng thay đổi dòng chất lưu chảy vào bên khối thể tích kiểm tra Về mặt vật chất, điều có nghĩa khối lượng không tạo không bên khối thể tích kiểm tra thể dạng tích phân phương trình liên tục (continuity equation): dV S udS t V (2.2) Với ρ khối lượng riêng chất lưu, u vector vận tốc dòng chảy t thời gian Phía trái biểu thức có chứa tích phân ba lớp khối thể tích kiểm tra, phía phải chứa tích phân mặt bề mặt khối thể tích kiểm tra Dạng vi phân phương trình liên tục là: 2.3.1.2 Bảo toàn động lượng p u t (2.3) -39Phương trình áp dụng định luật thứ hai Newton chuyển động cho khối thể tích kiểm tra: thay đổi động lượng chất lỏng bên khối thể tích kiểm tra dòng chảy chất lỏng vào khối thể tích kiểm tra tác động lực bên vào bên khối Trong cơng thức tích phân phương trình này, lực khối đại diện fbody, lực khối đơn vị khối lượng Các lực mặt chẳng hạn lực nhớt, đại diện Fsurf, lực ròng (net force) ứng suất bề mặt khối thể tích kiểm tra udV S u dS u S pdS V Fbody dV Fsurf t V (2.4) Dạng vi phân phương trình bảo tồn động lượng trình bày Ở đây, lực khối lực mặt tính vào tổng lực, F Du p F Dt (2.5) Trong khí động học, khơng khí giả định chất lỏng Newton, tức thừa nhận mối quan hệ tuyến tính ứng suất cắt (do lực ma sát trong) tốc độ biến dạng chất lưu Phương trình phương trình vector: dòng chảy ba chiều, thể ba phương trình vơ hướng Các phương trình bảo tồn động lượng cho trường hợp dòng chảy nhớt nén gọi phương trình Navier - Stokes 2.3.1.3 Bảo tồn lượng Năng lượng chuyển đổi từ dạng sang dạng khác, tổng lượng hệ khép kín khơng thay đổi, diễn tả phương trình sau: Dh Dp k T Dt Dt (2.6) Trong công thức trên, h enthalpy, k độ dẫn nhiệt chất lưu, T nhiệt độ hàm tiêu nhớt Hàm tiêu nhớt chi phối tốc độ lượng học dòng chảy chuyển thành nhiệt Định luật thứ hai nhiệt động lực yêu cầu phải luôn dương, tức độ nhớt tạo lượng bên khối thể tích kiểm tra Biểu thức phía bên trái đạo hàm hữu hình (Material derivative) 2.3.2 Hệ phương trình mơ tả dòng chảy rối -40Dòng chảy rối mơ tả thơng qua việc sử dụng phương trình Navier - Stokes Mô số trực tiếp (DNS) dựa phương trình Navier – Stokes mơ dòng chảy rối với số Reynolds vừa phải Sự hạn chế phụ thuộc vào tốc độ máy tính sử dụng thuật toán giải pháp Kết DNS chứng minh trùng khớp với liệu thực nghiệm cho số dòng chảy Phương trình Navier-Stokes, đặt tên theo Claude-Louis Navier George Gabriel Stokes, miêu tả dòng chảy chất lỏng khí (gọi chung chất lưu) xây dựng từ định luật bảo toàn khối lượng, động lượng lượng Những phương trình thiết lập sở biến thiên động lượng thể tích vơ nhỏ chất lưu đơn tổng lực nhớt tiêu tán, biến đổi áp suất, trọng lực lực khác tác động lên chất lưu - ứng dụng định luật Newton Phương pháp trung bình Reynodls cho phương trình Navier-Stockes (RANS) phương pháp mơ hình hóa rối thơng dụng Khi thực việc trung bình hóa này, hệ phương trình biểu diễn chuyển động chất lỏng giải quyết, đồng thời làm xuất ten-xơ gọi ten-xơ Reynolds Đây ten-xơ ẩn bậc 2, tính tốn nhiều phương pháp mức độ khác Trong trung bình Reynolds, biến giải pháp phương trình NavierStokes tức thời (chính xác) phân tách thành thành phần trung bình (tổng hợp trung bình thời gian trung bình) dao động Đối với thành phần vận tốc: ui ui ui (2.7) Ở u i ui thành phần vận tốc trung bình dao động (i=1,2,3) Tương tự, áp suất đại lượng vô hướng khác: (2.8) Với biểu thị vô hướng áp suất, lượng, nồng độ chất Thay biểu thức biểu mẫu cho biến dòng chảy vào phương trình liên tục động lượng tức thời khoảng thời gian tạo phương trình động lượng trung bình Chúng viết dạng hệ tọa độ Descartes: -41 ui t xi p ui ui u j t x j xi x j uiu j x j (2.9) u u j u ij l i xl x x j i (2.10) Phương trình (2.9) (2.10) gọi hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) RANS có dạng chung phương trình NavierStokes tức thời, với vận tốc biến khác đại diện cho giá trị trung bình (hoặc thời gian trung bình) Các đại lượng bổ sung xuất đại diện cho hiệu ứng rối Những Reynolds nhấn mạnh, uiu j , phải lập mơ hình để đóng kín phương trình 2.3.3 Phương trình mơ tả tia phun Phương trình mơ tả q trình phát triển phân rã tia phun có dạng: U U k bk t x x k k kk x k S (2.11) Trong đó, ρ mật độ chất lỏng, biến chung độ khuếch tán tương ứng, S đại diện cho thuật ngữ nguồn, Uk (k = 1, 2, 3) đại diện cho thành phần vận tốc U bk thành phần vận tốc ranh giới chuyển động khối điều khiển Các giá trị thuật ngữ ứng với phương trình tính liên tục, động lượng, động rối, phương trình bảo tồn chất enthaply liệt kê Bảng 2-4 Một mơ hình rối số cao tiêu chuẩn Reynold sử dụng để tính tốn lượng rối, với chức thành tiêu chuẩn khu vực thành Dòng hai pha mơ hình hóa theo phương pháp LagrangianEulerian, với pha khí mơ hình hóa theo cách Euler, pha lỏng pha rời rạc, xử lý theo cách Lagrange Kết hợp hai chiều thuật ngữ nguồn sử dụng với pha Eulerian ảnh hưởng đến giọt ngược lại Phương trình động lượng cho pha lỏng cho bởi: md duid Fidr Fig Fip Fib dt (2.12) Trong đó, md khối lượng giọt, uid vector vận tốc nó, Fidr lực kéo (chỉ số 'i' biểu thị đại lượng vectơ), Fig trọng lực lực nổi, Fip lực áp suất, Fib -42tính đến ảnh hưởng lực khác (bằng không phép tính tại) Các biểu thức cho lực đưa md duid Fidr Fig Fip Fib dt (2.13) uirel vận tốc tương độ lớn | urel |, Dp đại diện cho lực kéo cho bởi: Dp g Ad C D u rel (2.14) Ở đây, CD hệ số kéo Ad vùng dự kiến giọt ρ đại diện cho mật độ, với số g đề cập đến pha khí Hệ số kéo CD thay đổi theo số giọt Reynold như: 24 1 0.15 Re 0.687 Re d 10 d C D Re d 0.44 Re d 10 (2.15) đó, số Reynold định nghĩa là: Red g urel Dd g (2.16) Ở đây, µ độ nhớt Dd đường kính hạt Lực hấp dẫn áp suất cho bởi: Figr Vd d g gi (2.17) Fip Vd p (2.18) Vd đại diện cho thể tích hạt Do đó, thay giá trị lực khác phương trình (2.13), phương trình cuối cho gia tốc hạt cho là: du id C d g u ig u id u ig u id g g i d d dt (2.19) Bảng 2-4: Các hệ số khuếch tán thuật ngữ nguồn cho phương trình vô hướng khác Hệ số Công thức φ khuếch tán Thuật ngữ nguồn Sφ kk Liên tục Động lượng Ui eff t x k U k eff ik 2 / 3 eff U k g i x i -43Động rối Sự phân tán TKE P G ; P t S ij S ij t / k t / U k C 1P C 3G C k C 2 xk k H / C p t / Pr t p Ui Ui ij kik H t xk xk Yi D i t / Yi R Năng lượng (tổng enthalpy) Chất Hằng số giá t S kk k S kk ; G t k t C trị k2 ; C 0, 009; C 1, 44; C 1, 92; C 0, 8; C 0, 33; k 1; 1, 3; 0, Sự trao đổi nhiệt chất q trình bay hạt mơ hình hóa mơ hình Dukowicz (1979), giả thiết hạt có hình cầu đối xứng, diện màng khí bán ổn định xung quanh hạt, nhiệt độ phân bố hạt nhiệt lỏng cân bề mặt hạt Trong điều kiện này, tốc độ thay đổi nhiệt độ xác định cân lượng Năng lượng truyền vào hạt dẫn đến gia tăng nhiệt độ cung cấp nhiệt ẩn bay cho hạt: m d c pd dT d dm d L Q dt dt (2.20) md khối lượng hạt, Td nhiệt độ nó, cpd nhiệt dung riêng, L nhiệt ẩn Q' dòng nhiệt đối lưu từ khí nhiệt độ T tới bề mặt hạt, cho bởi: Q D d Nu T T d (2.21) Nu số Nusselt lấy từ tương quan Ranz Marshal sau: 1/3 Nu 0,6 Re1/2 d Pr (2.22) Với Pr số Prandtl Nếu thông lượng nhiệt bề mặt cục biểu diễn qs dòng khối fvs , với giả định tính đồng điều kiện bề mặt hạt, phương trình lượng hạt giảm xuống: md c pd dTd f Q L vs dt qs ( 2.23) Trong trình phân rã sơ cấp khơng mơ hình hóa, mơ hình TAB O’Rourke Amsden [39] đề xuất sử dụng để mơ hình q trình phân rã thứ -44cấp hạt Trong mơ hình TAB, hạt giả định tương tự với hệ thống đàn hồi: lực khí động học hạt lực bên ngoài, sức căng bề mặt biểu diễn lực đàn hồi độ nhớt mơ hình hóa lực giảm chấn Các hạt giả định dao động tác dụng lực này, với gia tốc cho bởi: y CF g u2 Cb 1r Ck Cd 1 y y 1r 1r (2.24) Trong đó: y khoảng dịch chuyển không giới hạn đường xích đạo hạt từ vị trí cân nó, u vận tốc tương đối khí hạt µ sức căng bề mặt, ρ mật độ, số l g đại diện cho pha lỏng khí, tương ứng CF, Ck, Cd Cb số mơ hình Ban đầu tia phun phát triển bình thường, y> hạt vỡ thành hạt nhỏ có vận tốc bình thường giống vận tốc hạt ban đầu SMD hạt xác định từ lượng bảo tồn, sau: r K K r 1 y2 20 r32 120 (2.25) Trong r bán kính hạt, r32 bán kính trung bình Sauter, σ độ căng bề mặt, K số Sự tương tác tia phun thành phát triển Weber [35], khối lượng mơ hình hai chiều hữu hạn Film-Wall với mối quan hệ bán thực nghiệm áp dụng cho màng mỏng ( -4557,7), giọt nhỏ bị phân tán phần để tạo phân bố kích thước hạt cho hạt phản xạ Tỷ lệ phản xạ với khối lượng va đập cho bởi: m1 / m0 3,9869.1021 K 9,2133 (2.28) Và khác biệt m0 - m1 thêm vào thành Các kích thước hạt phản xạ thu từ mối tương quan thực nghiệm như: d1 / d0 0,88 0,013K 0,8 (2.29) Trong mơ hình màng thành, pha khí chất lỏng xử lý pha riêng biệt với lớp nối hai pha Giả thiết độ dày màng nhỏ so với đường kính lưu lượng khí màng song song với thành Hơn nữa, hiệu ứng quán tính giả định nhỏ so với ma sát thành ứng suất cắt Mơ hình bao gồm tác dụng lực cắt, trọng lực, gradient áp suất, bay hơi, truyền nhiệt, tương tác với tia phun màng vào luồng lực cắt cao Trong mơ hình dòng chảy pha CFD trạng thái sau cho dòng chảy kết CFD hợp lý khơng thể nói mơ hình dòng chảy hai pha Sự phân rã tia áp suất thấp chưa xác định khơng có mơ hình áp dụng trực tiếp cho dòng tia áp suất thấp [42] Do đó, trước sử dụng mơ hình CFD để mơ phun hình học động cơ, tia phun mơ buồng kín để phù hợp với điều kiện thử nghiệm chấp nhận Cách tiếp cận hợp lý tia phun phun vào vùng kín phía đường nạp sau vào trường dòng chảy rối đường nạp 2.3.4 Lý thuyết bay giọt nhiên liệu Định luật nhiệt động áp dụng để dự đoán bốc từ giọt pha rời rạc Định luật bắt đầu nhiệt độ giọt đạt đến nhiệt độ bốc T vap tiếp tục giọt đạt đến điểm sôi Tbp, phần dễ bay giọt tiêu thụ hoàn toàn : Tvap Tp Tbp mp 1 fv,0 mp,0 (2.30) (2.31) Sự khởi đầu luật bay xác định thiết lập T vap, tham số mơ hình hóa khơng có ý nghĩa vật lý Khi bốc bắt đầu (bởi giọt nhỏ đạt tới ngưỡng nhiệt độ ngưỡng này) tiếp tục bốc nhiệt độ giọt rơi -46xuống Tvap Quá trình bay bị dừng lại nhiệt độ giọt rơi xuống điểm sương Trong trường hợp vậy, giọt Luật khơng có bốc dự đốn Khi đạt đến điểm sơi, bay giọt dự đoán tốc độ sôi, Luật 3, mô tả phần sau 2.3.4.1 Trao đổi chất mơ hình kiểm sốt khuếch tán Khi tốc độ bốc chậm giả định điều chỉnh khuếch tán gradient, với dòng nhiên liệu khuếch tán vào pha khí liên quan đến chênh lệch nồng độ bề mặt giọt khối khí tập trung quanh hạt: N i kc (Ci , s Ci , ) (2.32) Ni - thông lượng (kmol/m3-s); kc- hệ số trao đổi chất (m/s); Ci , s - nồng độ bề mặt giọt nhiên liệu (kmol/m3); C i , - nồng độ khối khí tập trung quanh hạt (kmol/m3) Nồng độ bề mặt giọt đánh giá cách giả thiết áp suất cục giao diện áp suất bão hòa Psat, nhiệt độ giọt, Tp: Ci ,s psat (Tp ) RTp (2.33) R số khí Nồng độ khối khí bao quanh hạt biết đến từ phương trình vận chuyển cho chất i như: Ci , X i p RT (2.34) Trong đó: Xi thành phần mol cục chất i, p áp suất tuyệt đối cục bộ, T∞ nhiệt độ cục khối khơng khí bao quanh hạt Hệ số trao đổi chất phương trình (2.32) tính từ tương quan số Sherwood [44]: ShAB kc d p Di ,m 1/3 2, 0, Re1/2 d Sc Di ,m - hệ số khuếch tán khối (m2 / s) Sc - số Schmidt Di ,m (2.35) -47- d p - đường kính giọt (m) Lưu lượng xác định phương trình (2.32) trở thành nguồn chất i phương trình vận chuyển pha khí phương trình phân số hỗn hợp cho phép tính cháy khơng hòa trộn trước Khối lượng giọt giảm theo m p (t t ) m p (t ) Ni Ap M w,i t Trong đó: M w , i - khối lượng mol chất i (kg/kmol) mp - (2.36) khối lượng giọt nhiên liệu (kg) A p -diện tích xung quanh giọt nhiên liệu (m2) Đối với tốc độ bay cao, hiệu ứng dòng chảy đối lưu vật liệu bay từ bề mặt giọt đến pha khí bao quanh (Dòng chảy Stefan) trở nên quan trọng Trong ANSYS-FLUENT, biểu thức sau áp dụng theo đề xuất Miller [32] and Sazhin [45]: dm p Trong đó: dt k c A p ln(1 B m ) (2.37) mp - khối lượng hạt (kg) kc - hệ số trao đổi chất (m/s) xác định từ (2.35) Ap - diện tích bề mặt giọt nhiên liệu (m2) - khối lượng riêng pha khí bao quanh giọt nhiên liệu (kg/m3) Bm - số khối Spalding đưa bởi: Bm Yi,s Yi, Yi,s (2.38) Yi ,s - nồng độ bề mặt Yi , - nồng độ khối khơng khí bao quanh 2.3.4.2 Xác định áp suất bão hòa hệ số khuếch tán Áp suất bão hòa hàm tuyến tính đa thức nhiệt độ psat(T) Áp suất bão hòa quan trọng psat sử dụng để thu động lực cho trình bay ((2.32), (2.33)) Dữ liệu áp suất bão hòa thu từ sổ tay vật lý kỹ thuật [50] -48Hệ số khuếch tán Di,m thiết lập phụ thuộc tính vật liệu pha rời rạc Đầu vào hệ số khuếch tán xác lập cho pha liên tục không sử dụng mơ hình pha rời rạc Hệ số khuếch tán số hàm nhiệt độ pha liên tục Ngồi ra, xác định hệ số khuếch tán làm hàm nhiệt độ trung bình màng Tf, tính bằng: T f Tp (T Tp ) Trong đó: (2.39) Tp - nhiệt độ hạt nhiên liệu (K) T - nhiệt độ pha khí (K) - Hệ số trung bình Fluent tính tốn hệ số khuếch tán dựa giả định số thống Lewis: Lei k c p Di ,m 1 (2.40) Trong đó: D i ,m - khuếch tán khối lượng chất i hỗn hợp pha khí k - Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp - khối lượng riêng hỗn hợp cp - nhiệt dung riêng hỗn hợp 2.3.4.3 Xác định điểm sơi nhiệt ẩn hóa Điểm sơi Tbp nhiệt ẩn hóa hfg định nghĩa đầu vào thuộc tính khơng đổi cho vật liệu hạt nhỏ giọt Dữ liệu điểm sôi mặc định sở liệu có ANSYS-FLUENT tương ứng với áp suất atm (điểm sơi bình thường) liệu nhiệt ẩn hóa tương ứng với điểm sơi bình thường giọt Trong q trình bay hơi, hạt thay đổi nhiệt độ, nhiệt ẩn hóa thay đổi theo phương trình: Tbp hfg cp,g dT hfg ,bp Tp Trong đó: hfg - Nhiệt ẩn hóa hơiđiểm sơi (K) hfg,bp - nhiệt ẩn hóa điểm sơi (J/kg) cp,g nhiệt dung riêng pha khí (J/kg/K) (2.41) -49Đối với mô gần áp suất khí quyển, biến đổi nhiệt ẩn hóa với nhiệt độ giọt thường nhỏ bỏ qua, hfg= hfg,bp Nếu áp suất mô khác với áp suất khí cần điều chỉnh điểm sơi để phù hợp với áp suất trung bình khu vực nơi giọt bay 2.3.4.4 Trao đổi nhiệt khơng khí giọt nhiên liệu Cuối cùng, 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: m pcp dT p dt hA p (T T p ) dm p dt h fg A p p ( R T p ) ( 2.42) Trong đó: cp= nhiệt dung riêng giọt (J/kg-K) Tp= Nhiệt độ giọt nhiên liệu (K) h= hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/m2-K) T= nhiệt độ pha liên tục (K) dmp dt - tỷ lệ bốc (kg/s) h fg - nhiệt ẩn hóa (J/kg) p - phát xạ hạt 5,67 108 W m2 K số Stefan-Boltzmann 1/ G R 4 nhiệt độ xạ với G xạ tới Khi tốc độ bay tính tốn mơ hình đối lưu/khuếch tán kiểm sốt, hệ số truyền nhiệt đối lưu h tính tốn với số Nu sửa đổi sau [46]: Nu hd p k ln(1 BT ) 1/3 (2 0, Re1/2 d Pr ) BT d p - đường kính giọt (m) k - hệ số dẫn nhiệt pha liên tục (W/m-K) Red - số Reynolds (2.43) -50Pr k c p / k - số Prandtl pha liên tục BT số truyền nhiệt Spalding trình thực giả định số Bm chuyển khối Spalding tính từ phương trình (2.37) 2.4 Ứng dụng ansys-fluent mơ q trình phun ANSYS-FLUENT cơng cụ CFD giải tốt q trình mơ theo sơ đồ cho Hình 2.8 Miền tính tốn mơ hình hóa chia lưới cách sử dụng công cụ thiết kế chia lưới ANSYS Các dòng xilanh 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 soát áp dụng để mơ hình hóa q trình bay Butanol xăng, cung cấp mơ hình đốt với lượng nhiên liệu cho nhiên liệu Hình 2.8: Trình tự tính tốn ANSYS-FLUENT [63] 2.4.1 Xác lập q 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 cầu phân tán pha liên tục ANSYSFLUENT tính toán quỹ đạo thực thể pha rời rạc này, nhiệt chuyển khối lượng tới/từ chúng Sự liên kết pha tác động -51- lên hai quỹ đạo pha rời rạc dòng pha liên tục chất q trình phun nhiên liệu có mơ hình Discrete phase 2.4.1.1 Chọn điều kiện Discrete phase ANSYS-FLUENT cung cấp tùy chọn mơ hình pha rời rạc sau đây: Tính tốn quỹ đạo pha rời rạc cách sử dụng cơng thức Lagrange bao gồm qn tính pha rời rạc, lực kéo thủy lực lực hấp dẫn cho dòng chảy ổn định khơng ổn định; Dự đoán ảnh hưởng nhiễu loạn lên phân tán hạt xốy hỗn loạn có mặt pha liên tục; Gia nhiệt/làm mát giai đoạn rời rạc; Bốc sôi giọt chất lỏng Các khả mơ hình hóa cho phép ANSYS-FLUENT mô loạt vấn đề pha rời rạc bao gồm phân tích phân loại hạt, sấy phun, phân tán khí, khuấy bong bóng chất lỏng, đốt nhiên liệu lỏng đốt than Hình 2.9: Xác lập lựa chọn mơ hình Discrete phase Pha rời rạc mơ hình ANSYS-FLUENT cho phép xác định vị trí ban đầu, vận tốc, kích thước nhiệt độ hạt riêng lẻ Các điều kiện ban đầu này, với yếu tố đầu vào vòi phun giúp xác định đặc tính vật lý pha rời rạc sử dụng để bắt đầu phép tính quỹ đạo nhiệt/khối lượng Các tính tốn quỹ đạo nhiệt/khối lượng dựa cân lực -52- hạt nhiệt đối lưu/bức xạ truyền khối lượng từ hạt, sử dụng điều kiện pha liên tục cục hạt di chuyển qua dòng chảy Các lựa chọn từ mơ hình pha rời rạc (Discrete phase): - Tương tác với pha liên tục (Interaction with the Continuous Phase) - Các hạt không ổn định (Unsteady Particle Tracking) - Thông số hạt: số lượng hạt tối đa bước 500, tỷ lệ chiều dài bước 0,5 - Mơ hình vật lý cần thiết cho mơ hình pha rời rạc: Breakup - Số lượng pha liên tục tương tác với hạt: - Mơ hình phun: Vòi phun nhóm (Group) Xác định điều kiện ban đầu: Sử dụng phương pháp phân phối đường kính Rosin-Rammler Hình 2.10: Xác lập mơ hình phân rã tia phun 2.4.1.2 Phương pháp phân phối đường kính Rosin-Rammler Các điều kiện ban đầu cung cấp giá trị bắt đầu cho tất biến pha phụ thuộc rời rạc mô tả điều kiện tức thời hạt riêng lẻ bao gồm điều sau đây: - Tọa độ (x, y, z) hạt -53- Vận tốc (u, v, w) hạt - Đường kính hạt, dp=0,001-0,01mm - Nhiệt độ hạt, =310K - Lưu lượng dòng chảy khối lượng theo quỹ đạo giọt riêng lẻ m p Hình 2.11: Xác lập thơng số động học vòi phun Hình 2.12: Xác lập thành phần nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn 2.4.1.3 Mơ hình phân rã tia phun Fluent cung cấp hai mơ hình phân rã tia phun: mơ hình TAB mơ hình “wave” Mơ hình TAB dựa tương tự giọt dao động biến dạng hệ thống khối lượng đàn hồi Mơ hình "wave" xem xét phân rã tia phun lỏng gây tác dụng vận tốc tương đối pha lỏng khí (ANSYS -542013) Khi tia phun lỏng chia thành giọt, xâm nhập tia phun phụ thuộc chủ yếu vào động giọt Trong động cơ, mơ hình phân chia TAB đưa dự đốn tốt quỹ đạo giọt dự đốn kích thước giọt vỡ (Basha Gopal 2009) [15] so với mô hình “wave” Trong trường hợp động đánh lửa, ảnh hưởng dòng khí nạp q trình nạp vào hình dạng tia phun quan trọng tốc độ tương đối pha lỏng khí Vì vậy, mơ hình TAB chọn để mơ hình phân rã hạt tia phun 2.5.1.4 Cài đặt thời điểm phun Trong FLUENT 15.0 thời gian phun xác lập thơng qua góc bắt đầu phun góc kết thúc phun theo quan hệ: t p kt bd 6n , với: bd : góc bắt đầu phun (CAD); kt : góc kết thúc phun (CAD); n: tốc độ quay trục khuỷu 2.4.2 Mơ hình hình học Mơ hình xây dựng với hỗ trợ cơng cụ Catia Ansys-Fluent theo trình tự thể Hình 2.8: Trình tự tính tốn ANSYS-FLUENT [63] Mơ hình hình học thiết lập Catia trình ứng dụng DesigModeler Ansys bao gồm buồng cháy, đường nạp đường thải có lắp xupap nạp xupap thải với thơng số hình học với kết cấu thực tế động (Hình 2.12a, b) Q trình chia lưới sử dụng cơng cụ ICE Mesh với phần tử lưới kích thước phần tử chuyên biệt cho động đốt Trên sở thông số kết cấu động bao gồm chiều dài truyền, hành trình piston, pha phân phối khí, tốc độ động hệ thống ICE tự động thiết lập: - Quy luật động học xupap piston; - Tạo vùng lưới động phù hợp với kết cấu động đốt trong; - Tạo giao diện cần thiết cho thiết lập lưới động; - Thiết lập tham số lưới động; - Tạo tất kiện u cầu để mơ hình mở đóng xupap, sửa đổi tương ứng thiết lập người dùng; - Thiết lập mơ hình u cầu; -55- Thiết lập điều kiện biên mặc định vật liệu; - Truy xuất giá trị tính tốn; - Khởi tạo điều kiện ban đầu và tính toán Bảng 2-5: Động Daewoo A16DMS Nhiên liệu sử dụng Xăng Mômen cực đại 145Nm/3800 v/ph Kiểu động E-TECII Công suất cực đại 77kW/ 5800 v/ph Số xilanh Tỉ số nén 9,5 :1 Dung tích 1598cm3 Đường kính xilanh 79mm Hệ thống phân phối khí 16valve, DOHC Hành trình piston 81,5 mm Việc phun riêng rẽ Butanol xăng sử dụng để tạo hòa khí (Butanol, xăng, khơng khí) có tỷ lệ phân lớp Butanol khác xi lanh động Hình 2.13 mô tả sơ đồ buồng cháy với ống dẫn nạp vào bổ sung chia lưới khơng gian tính tốn Trong trường hợp phun riêng rẽ Butanol/xăng có hai nhánh nạp đối xứng Trong trường hợp GPI BuDI, nhánh nạp phun Butanol nạp khơng khí Hai vòi phun có sáu lỗ riêng biệt phun độc lập xăng Butanol lưu lượng phun thời điểm phun để tạo tỷ lệ Butanol khác b) c) a) Hình 2.13: Mơ hình phun xăng-Butanol đường nạp Mơ hình hình học (a); Mơ hình ICE (b); Mơ hình lưới (c) -56- 2.4.3 Điều kiện ban đầu điều kiện biên Tính chất xăng Butanol thể Error! Not a valid bookmark self-reference nhập vào Fluent xác lập điều kiện phun Hình 2.10 đến Hình 2.12 Đồng thời thơng số vật lý khí nạp khí sót nhập vào Fluent Error! Not a valid bookmark self-reference., Bảng 2-8, Hình 2.14 đến Hình 2.19 Bảng 2-6: Thông số vật lý hạt nhiên liệu Tính chất Ký hiệu Butanol xăng 810 751 2.200 2.000 1,19 0,4 474.000 305.000 Nhiệt độ bay (K) 271 292 Điểm sôi (K) 351 399 Phần tử thành phần dễ bay 100 100 Sự khuếch tán thứ cấp (m2/s) 1,37e-05 5,05e-06 7.378 40.890 0 0,0212127 0,0212127 Tỉ trọng Nhiệt dung riêng (j/kg-K) Độ nhớt ([mPa.s]) Nhiệt ẩn (j/kg) Áp suất bão hòa Nhiệt nhiệt phân (j/kg) Sức căng bề mặt giọt (N/m) Bảng 2-7: Điều kiện khí nạp khí sót O2 Khí nạp Khí sót N2 0,23 0,77 CO2 H2O C2H5OH C8H18 Nhiệt độ (K) Áp suất (Pa) 0 0 300-375 -20.0000 0,09 0 550-700 110.000 0,77 0,14 -57- Hình 2.14: Xác lập áp suất khí nạp cửa nạp Hình 2.15: Xác lập nhiệt độ khí nạp cửa nạp Hình 2.16: Xác lập thành phần khí nạp cửa nạp -58- Hình 2.17: Xác lập áp suất khí sót xilanh đầu q trình nạp Hình 2.18: Xác lập nhiệt độ khí sót xilanh đầu q trình nạp Hình 2.19: Xác lập thành phần khí sót xilanh đầu trình nạp Bảng 2-8: Thành phần mơi chất xăng/Butanol-khơng khí -59- Chất (khí) O2 CO CO2 H2 O C4H9OH C8H18 N2 Nhiệt dung riêng cp R cp R cp R cp R cp R cp R cp R N aiT i1 N aiT i1 N aiT i1 N aiT i1 N aiT i1 N aiT i1 N aiT i1 Khối lượng mol (kg/kmol) Entanpy tiêu chuẩn Entropy tiêu chuẩn 31,9988 205026,9 28,01055 -1,105396e+08 197531.6 44,00995 -3,935324e+08 213720,2 18,01534 -2,418379e+08 188696,4 74,07 -2,19e+08 114,2309 -2,240054e+08 423081,8 28,0134 191494,8 Kết luận chương 2: Trên sở lý thuyết tính chất tiêu đánh giá nhiên liệu xăng, so sánh số tiêu nhiên liệu xăng pha Butanol, thấy Butanol sử dụng để làm nhiên liệu pha trộn với xăng chạy động Trên sở lý thuyết q trình phun, đặc tính phun nhiên liệu, sử dụng phần mềm ANSYSFLUENT mô thông số đánh giả trình phun, thực nghiệm đánh giá tiêu kinh tế kỹ thuật để xây dựng đường đặc tính động cơ, xây dựng đặc tính động thực nghiệm dựa số liệu thực nghiệm chương -60- Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Trong chương trình bày phần nghiên cứu thực nghiệm luận án Thực nghiệm phối trộn hỗn hợp nhiên liệu xăng RON92 Butanol thể tích, sau phân tích tiêu lý hóa nhiên liệu so sánh với tiêu nhiên liệu đối chứng xăng RON92 Thực nghiệm băng thử động thực Phòng Thí nghiệm AVL, Khoa Cơ khí Giao thơng, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN, đo đạc tiêu kinh tế, kỹ thuật ô nhiễm sử dụng loại nhiên liệu 3.1 Mục tiêu đối tượng thực nghiệm 3.1.1 Mục tiêu thực nghiệm Đánh giá tính chất xăng sinh học pha Butanol, đánh giá số tính chất xăng sinh học có tỷ lệ 5% (Bu5), 10% (Bu10), 15% (Bu15), 20% (Bu20), 25% (Bu25) 30% (Bu30) sử dụng cho động xăng Đánh giá ảnh hưởng xăng sinh học pha Butanol có tỷ lệ 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) 50% (Bu50) đến số chi tiết chi tiết hệ thống nhiên liệu sử dụng cho động so với xăng truyền thống Thiết lập hệ thống thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) 50% (Bu50) xăng truyền thống (Bu0) đến tính động đánh lửa cưỡng theo điều kiện vận hành thực tế động cơ, đưa định hướng mặt kỹ thuật, đề xuất giải pháp cải tiến điều chỉnh động Mục tiêu cụ thể là: - Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol đến đặc điểm hòa khí; - Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol đến tính kỹ thuật động cơ; - Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol đến phát thải ô nhiễm; - Đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol đến suất tiêu hao nhiên liệu có ích; Mục tiêu cuối luận án sở qui luật thu từ kết mơ phỏng, mơ hình phun đồng thời từ nhánh nạp động DAEWOO A16DMS, luận án phát triển kết cấu động thành cấu hình phun từ phía hai nhánh nạp xăng, Butanol độc lập phun hốn đổi GPI, BuDI để đánh giá hòa khí -61- 3.1.2 Đối tượng thực nghiệm 3.1.2.1 Động thực nghiệm Động Daewoo A16-DMS trang bị ô tô du lịch Daewoo Nubira 1.6 (2001) loại động cháy cưỡng hệ thống đánh lửa phun xăng điện tử, phù hợp với chủng loại ô tô lưu thông chọn để thử nghiệm Động lắp đặt lên băng thử APA 204/08 khơng trang bị xử lý khí thải (Bộ Catalytic converter) nhằm đánh giá chuẩn xác mức phát thải ô nhiễm Các thông số kỹ thuật chung: - Nhiên liệu sử dụng: Xăng - Kiểu động cơ: A16 DMS - Số xi-lanh: (bố trí thẳng hàng) - Dung tích: 1.598 (cm3) - Mơmen cực đại/vòng phút: 145 (Nm)/3.800(v/ph) - Cơng suất cực đại/vòng phút: 77,8 (Kw)/ 5.800(v/ph) - Tỉ số nén: 9,5 0,2:1 - Đường kính piston: 79 (mm) - Hành trình piston: 81,5 (mm) 3.1.2.2 Nhiên liệu thực nghiệm Luận án tiến hành thử nghiệm đánh giá số tính chất lý 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, Bu25 Bu30 thử nghiệm theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia xăng, nhiên liệu điêzen nhiên liệu sinh học số 22/2015-TT/BKHCN Luận án tiến hành thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng đến số chi tiết hệ thống nhiên liệu theo điều kiện vận hành thực tế động có tỷ lệ Butanol xăng sinh học có tỷ lệ 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) 50% (Bu50) so với xăng truyền thống (Bu0) -62Luận án tiến hành thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ Butanol xăng sinh học có tỷ lệ 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) 50% (Bu50) so với xăng truyền thống (Bu0) đến tính kinh tế kỹ thuật động 3.2 Lắp đặt động lên cụm băng thử APA204/08 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 không 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 bơi 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 Tiến hành thí nghiệm cần lắp đặt động thí nghiệm Động Daewoo A16DMS lên cụm băng thử APA 204 với độ sai lệch tâm trục khuỷu động tâm mặt bích lắp ghép APA 1mm Trong trình lắp động lên băng thử cần tiến hành sử dụng loại đồng hồ so, thiết bị kiểm tra góc nghiêng mặt phẳng để kiểm tra hiệu chỉnh sai lệch Qua đó, tăng tính ổn định động q trình -63vận hành thí nghiệm đồng thời hạn chế bớt sai số kết thực nghiệm sau Phòng thí nghiệm động trang bị với thiết bị thử nghiệm động đại có tính đồng cao, hệ thống bao gồm 01 băng thử điện APA204/08 trang thiết bị kèm theo Hình 3.1 Hệ thống calip năm nên đảm bảo độ tin cậy hoạt động tốt, chương trình vận hành thực nghiệm lập trình máy tính nên điều kiện hoạt động động tuân thủ nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn Châu Âu đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Hình 3.2: Thiết bị sấy giữ nhiệt Memmert Thiết bị sấy giữ nhiệt Memmert sử dụng đầu dò nhiệt độ Pt100 DIN Class A, đối lưu khơng khí tự nhiên, có điều khiển vi xử lý PID đa chức với hình hiển thị màu cảm ứng điện dung (TFT) Bảng điều khiển nhiệt độ ControlCOCKPIT điều khiển thơng số: nhiệt độ (oC oF), vị trí cửa đối lưu khí, chương trình nhiệt độ theo thời gian Thiết bị sấy giữ nhiệt đạt 100% độ an tồn mơi trường khơng khí (100% AtmoSAFE) điều chỉnh hỗn hợp khơng khí trước gia nhiệt cách điều khiển nắp lấy khí 10%, khoảng nhiệt độ hoạt động: +5oC nhiệt độ môi trường đến 300oC, độ phân giải giá trị cài đặt: 0.1oC lên đến 99.9oC; 0.5oC từ 100oC cho giá trị hoạt động 0.1°C (LED), nguồn điện 230V ± 10%, 50/60Hz, 2800W -64Cân điện tử Mettler Toledo/ Model ML204/01 Hãng Mettler Toledo, Thụy Sỹ, kích thước đĩa cân ∅ 90mm, kích thước bên ngồi: 290x193x331(mm) Cân đáp ứng tiêu chuẩn đo lường OIML, tự động hiệu chuẩn với cân chuẩn bên trong, có chức chống Overloard, cân bền vững đặt vật nặng vượt qua khối lượng cho phép tối đa cân 220g, độ đọc độ lặp lại cân 0,1mg, độ tuyến tính 0,2 mg Cân hiển thị nhiều đơn vị khác nhau: g, mg, ib, oz, ozt, GN, dwt, mo, m, tl có cổng kết nối RS-232 Hình 3.3: Cân điện tử Mettler Toledo 3.3 Quy trình thực nghiệm 3.3.1 Trình tự thực nghiệm Quy trình thực nghiệm dựa nội dung, mục tiêu yêu cầu luận án Luận án tiến hành thực nghiệm đo đạc tiêu đánh giá tính kinh tế kỹ thuật động nồng độ phát thải ô nhiễm sử dụng nhiên liệu theo đặc tính tốc độ Trình tự bước thí nghiệm trình bày Phụ lục 3.3.2 Bảo dưỡng hệ thống + Dầu bơi trơn thay súc rửa tồn hệ thống cung cấp nhiên liệu vòi phun xăng sau lần thực nghiệm 01 mẫu nhiên liệu + Thay lọc làm hệ thống đường ống thiết bị đo nhiễm khí thải KEG-500 sau lần thực nghiệm 01 mẫu nhiên liệu + Vệ sinh bugi đánh lửa sau thực nghiệm 01 mẫu nhiên liệu -65- 3.3.3 Chế độ thực nghiệm 3.3.3.1 Thực nghiệm phối trộn nhiên liệu đánh giá tính tương thích hỗn hợp với số chi tiết Thực nghiệm tiến hành phối trộn mẫu nhiên liệu theo phương pháp khuấy Bu0, Bu5, Bu10, Bu15, Bu20, Bu25 Bu30 hỗn hợp ổn định thời gian 02 ngày, sau đưa phân tích phòng Thí nghiệm Công ty Xăng dầu khu vực thuộc Tập đồn xăng dầu Việt Nam Q trình phối trộn nhiên liệu sau: Sử dụng cốc thủy tinh lít 0,5 lít có thang đo tối thiểu 0,01 lít, thùng nhựa 20 lít để tiến hành phối trộn can nhựa 20 lít để chứa hỗn hợp cần phối trộn Đầu tiên dùng cốc thủy tinh để xác định lượng xăng RON92 cần pha theo phần trăm thể tích đổ vào thùng nhựa 20 lít cách tương tự ta xác đinh lượng Butanol cần phối trộn đổ thùng nhựa 20 lít có sẵn xăng RON92 cần phối trộn dùng máy đánh trứng để khuấy lần, lần khoảng từ phút, nghỉ lần khuấy phút Sau khuấy xong, ta đổ hỗn hợp phối trộn vào can nhựa 20 lít ghi bên tránh nhầm lẫn Tiến hành súc rửa cốc thủy tinh, thùng nhựa thực phối trộn tỷ lệ tương tự Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng mẫu nhiên liệu gồm Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 Bu50 thực phòng thí nghiệm tiến hành thơng qua việc ngâm chi tiết thuộc hệ thống nhiên liệu ô tô xe gắn máy với thời gian 700 với nhiệt độ ổn định 450C, sau đánh giá quan sát hình ảnh thơng qua máy đo chuyên dụng, đánh giá tiêu độ cứng chi tiết cao su, không đánh giá thay đổi cấu trúc hay ảnh hưởng đến tính chất lý hóa chi tiết thực nghiệm 3.3.3.2 Thực nghiệm đo đạc thông số động băng thử Động lắp thiết bị vận tải đường phải thường xuyên làm việc điều kiện thay đổi lớn tốc độ lẫn mức cản xe Thơng thường số vòng quay cơng suất động khơng có mối quan hệ đơn trị; với vòng quay cơng suất động thay đổi từ khơng đến cơng suất cực đại Vì -66chế độ làm việc động đồ thị Me= f(n) Hình 3.4 thể tồn diện tích giới hạn bởi: trục hoành, hai đường thẳng song song với trục tung qua nmin nmax đường Ne, nối điểm có cơng suất cực đại tương ứng số vòng quay n Trong điều kiện sử dụng thực tế phần lớn thời gian, động ô tô hoạt động chế độ không tải, tải nhỏ tải trung bình [5] Ở chế độ hoạt động thực tế, tốc độ động thay đổi khoảng 1000 đến 4250 v/ph thể khu vực I,II III Hình 3.5, động hoạt động chế độ tải lớn đặc biệt chế độ tải lớn tốc độ cao thể khu vực IV V Chế độ hoạt động thường xuyên động cần đảm bảo tiêu hao nhiên liệu phát thải nhiễm thấp, chế độ tải nhỏ động làm việc tốc độ 1250 v/ph Hình 3.5: Phạm vi làm việc thực tế động phun xăng điện tử sử dụng tơ [62] 1: Đặc tính ngồi; 2÷4: Các đặc tính phận; I: Khơng tải; II: Tải nhỏ, tốc độ thấp; II: Tải trung bình, tốc độ thấp; IV: Tải lớn; V: Tải lớn, tốc độ cao Bảng 3-1: Tiến trình đo lưu trữ liệu đo Hình 3.4: Đặc tính tốc độ động xăng [5] Lần đo 01 02 03 Điểm đo Tốc độ (v/ph) Thông số kinh tế, kỹ thuật Thành phần khí thải 01 02 07 01 02 07 01 1250 1750 4250 1250 1750 4250 1250 x x x x x x x x x x x x x x x x x x -6702 07 1750 4250 x x x x x x Từ sở lý thuyết thực tiễn trình bày trên, 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, mơ men có ích, tiêu thụ nhiên liệu, lưu lượng khí nạp thơng số khác nhằm đánh giá ảnh hưởng tỷ lệ pha Butanol xăng đến tính kinh tế, kỹ thuật nhiễm động Cụ thể: - Phạm vi tải thay độ mở bướm ga: 10, 30, 50, 70%; - Phạm vi tốc độ: 1250, 1500, 1750, 2250, 2500, 2750, 3250, 3500, 3750, 4250 v/ph Phạm vi tải tốc độ nói phản ánh tồn khu vực hoạt động tải nhỏ đến tải trung bình (II III) phần tiếp cận mức tải cao (IV) Trong trường hợp tải ứng với 10%BG, phạm vi tốc độ thực nghiệm từ 1250 đến 2500 v/ph 3.4 Kết thực nghiệm 3.4.1 Kết phân tích tính chất nhiên liệu Những nội dung trình bày phần nghiên cứu thực nghiệm nhiên liệuvà số liệu trình bày phần phụ lục Hiện nước ta, chưa có tiêu dành riêng cho nhiên liệu pha Butanol sinh học nên phạm vi luận án này, tiến hành pha trộn nhiên liệu, phân tích tiêu so sánh với tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học ban hành kèm theo Quy chuẩn QCVN 1:2009/BKHCN Bộ Khoa học Cơng nghệ Như khẳng định xăng RON92 pha Butanol sử dụng động đốt Butanol xem phụ gia pha vào xăng Kết phân tích cụ thể trình bày phần Phụ lục 3.4.2 Kết thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu Đánh giá hình ảnh mức độ ảnh hưởng chi tiết hệ thống nhiên liệu trang bị ô tô xe máy tiến hành ngâm nhiên liệu với thời gian 700 (giờ) tủ sấy giữ nhiệt 450C Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng mẫu nhiên liệu gồm Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 Bu50 thực thông qua việc ngâm chi tiết thuộc hệ thống -68nhiên liệu ô tô xe gắn máy với thời gian 700 (giờ) với nhiệt độ ổn định 450C, sau đánh giá quan sát hình ảnh thông qua máy đo chuyên dụng, đánh giá tiêu độ cứng chi tiết cao su Việc nghiên cứu hệ thống nhiên liệu sử dụng loại ô tô xe gắn máy cho phép liệt kê chi tiết dễ hư hỏng để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm Phần lớn chi tiết chọn q trình làm việc ln tiếp xúc với nhiên liệu trình hoạt động xe Qua trình tìm hiểu thực tế, số chi tiết thuộc hệ thống nhiên liệu tơ xe gắn máy dùng để thực nghiệm sau: Bảng 3-2: Một số chi tiết thuộc hệ thống nhiên liệu ô tô xe gắn máy dùng để thực nghiệm Nước sản xuẩt TT Tên chi tiết Nhật Thái Việt Trung Bản Lan Nam Quốc x x Pontu xe gắn máy (van đóng nhiên liệu buồng xăng con-loại carburator) Ống xăng xe gắn máy Phao xăng xe máy x Phao xăng buồng xăng x Ống xăng Ơ tơ x Phốt su bét phun trang bị Ô tô x x Các loại siêu su dàn ống phun nhiên liệu trang bị cho Ơ tơ x x Lọc xăng lỏi giấy (lọc tinh) x Lưới lọc thô bơm xăng (lưới nhựa) x 10 Các loại gic-lơ chế hòa khí x x x - Quy trình thử nghiệm: Dựa vào quy trình SAE J1747, quy trình SAE J1748 nghiên cứu nước tiến hành loại nhiên liệu sinh học, đưa phương pháp thực nghiệm phù hợp với điều kiện thực tiễn sau: -69+ Tiến hành ngâm chi tiết với mẫu nhiên liệu thực nghiệm Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 Bu50 700 (giờ), nhiệt độ ngâm giữ ổn định mức 450C + Các cốc ngâm thủy tinh sử dụng trang bị có nắp kín khơng làm bay xăng, chịu nhiệt độ chứa nhiên liệu thực nghiệm không 80% thể tích + Sau ngâm đánh giá tác động mẫu nhiên liệu đến chi tiết thực nghiệm theo phương pháp đối chứng dựa thay đổi như: (1) Ngoại quan: đánh giá thay đổi màu sắc, chất lượng bề mặt chi tiết trước sau ngâm (2) Khối lượng: đánh giá thay đổi % tăng % giảm khối lượng cách cân chi tiết trước sau ngâm (3) Kích thước: đánh giá thay đổi kích thước phương pháp đo đường kính, chiều dài (4) Độ cứng: đánh giá độ cứng chi tiết cao su nhựa cảm quan Bảng 3-3: Bảng tiến trình thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu Lần đo Thời điểm đo - 22/08/2017 Phương pháp đo Lần 01 0(giờ) (trước ngâm) Phương pháp (1), (2), (3), (4) Lần 02 700(giờ) (01 tháng) Phương pháp (1), (2), (3), (4) - Tiến hành thử nghiệm lấy mẫu thử Bảng 3-4: Hình ảnh chụp chi tiết sau thử nghiệm TT Bu0 Hình ảnh chụp chi tiết cao su sau thử nghiệm Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 Pontu xe máy Trung Quốc Pontu xe máy Việt Nam -70- Ống xăng xe gắn máy Thái Lan Ống xăng xe gắn máy Việt Nam Phốt đầu vòi phun xăng tơ xuất xứ Nhật Bản Phốt đầu vòi phun xuất xứ Trung Quốc Ống xăng sử dụng ô tô xuất xứ Nhật Bản Lỏi giấy lọc xăng xe máy ô tô Lưới lọc xăng chế hòa khí tơ 10 Màng bơm xăng ô tô 11 Lưới lọc xăng bơm xăng ô tô xe gắn máy (lưới nhựa lọc thô) -71- 12 Gic-lơ số 01 Gic-lơ số 02 Gic-lơ số 03 Gic-lơ số 04 Gic-lơ số 05 Gic-lơ số 06 Các loại gic-lơ trang bị carburator xe máy ô tô đời cũ Bảng 3-5: Trọng lượng chi tiết sau ngâm TT Trọng lượng (gam) chi tiết trước sau thử nghiệm 700 (giờ) - Ở nhiệt độ 450C Trước TN Bu0 0,2401 0,2399 0,2399 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 0,0500% 0,2398 0,2398 0,0542% 0,2398 0,2400 0,0333% 0,2399 0,2399 0,0333% 0,2397 0,2397 0,0500% 0,2396 0,0459% Pontu xuất xứ Trung Quốc 0,1904 0,1903 0,1898 0,037% 0,1898 0,1906 0,042% 0,1905 0,1901 0,042% 0,1901 0,1897 0,037% 0,1897 0,1902 0,037% 0,1902 0,037% Pontu xuất xứ Việt Nam 3,3502 3,3500 0,006% Gic-lơ số 01 1,7000 1,6999 0,006% Gic-lơ số 02 4,4820 4,4815 0,011% Gic-lơ số 03 2,0155 2,0152 0,015% Gic-lơ số 04 4,3587 4,3582 0,011% Gic-lơ số 05 1,9928 1,9927 Gic-lơ số 06 0,005% -72Ngoại quan: màu sắc không thay đổi mảng bám lên chi tiết đặc biệt biên dạng không bị biến đổi chi tiết cao su Kích thước: Khơng thay đổi Độ cứng: Không thay đổi, đặc biệt chi tiết cao su nhựa có độ đàn hồi tốt trước thử nghiệm, không xuất dấu hiệu rạn nứt biến chất bề mặt bên Khối lượng: Sau cân lại chi tiết thử nghiệm kết khơng thay đổi nhiều (chỉ 0,055% ÷ 0,033% mức chênh lệch tăng giảm) chứng tỏ tượng ăn mòn kim loại có khả xảy ra.… Bảng 3-6: Mức độ tương đương ảnh hưởng nhiên liệu phối trộn Xăng-Butanol lên chi tiết động Đánh giá tình trạng sau 700 [giờ] thử nghiệm TT Tên chi tiết thử nghiệm Ngoại quan Pontu xe máy (Trung Quốc) Tốt % chênh lệch khối Kích thước Độ cứng Khơng đổi - Khơng đổi - lượng ≈ (0,030,05) % ≈ (0,037- Pontu xe máy (Việt nam) Tốt Ống xăng xe máy Tốt - Không đổi Không đổi Phao xăng xe máy Tốt - Không đổi Không đổi Ống xăng ô tô Tốt - Không đổi Không đổi Siêu su vòi phun xăng tơ Tốt - Khơng đổi Không đổi Lỏi giấy lọc xăng Tốt - - - Tốt - - - Tốt - - Không đổi Khơng đổi - Lưới lọc xăng (lọc thơ-Ơ tô) 0,042) % Màng su bơm xăng ổn áp giàn phun xăng ô tô Các loại gic-lơ chất liệu 10 đồng sử dụng ô tô xe máy đời cũ Tốt ≈ (0,0050,015) % -73- 3.4.3 Kết thực nghiệm băng thử động Ở mức độ tải ứng với nhiên liệu xác định, thực nghiệm tiến hành đo trình tự theo tốc độ tăng dần, không dừng động lặp lại 03 lần thể Bảng 3-1; thông số tiến hành đo đồng thời theo hiệu lệnh từ người điều khiển PUMA Số liệu thực nghiệm trình bày phần Phụ lục Bảng PL1 đến Bảng PL-32 Phần đánh giá kết thực nghiệm trình bày chi tiết chương Kết luận chương 3: Sau nghiên cứu thực nghiệm, tính chất hỗn hợp nhiên liệu Butanol xăng RON92 phù hợp với tiêu chuẩn quy định hành nhiên liệu sử dụng động Thực nghiệm đánh giá mức độ tương thích vật liệu cho thấy xăng pha Butanol theo tỷ lệ thực nghiệm khơng có thay đổi hình dạng kích thước chi tiết đáng kể Về phần thực nghiệm băng thử thể đầy đủ thông số cần đánh giá, kết thực nghiệm trình bày phần phụ lục phần đánh giá bàn luận chi tiết trình bày chương -74- Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Trong chương này, trình bày phần đánh giá kết thực nghiệm tiêu kinh tế, kỹ thuật ô nhiễm sử dụng loại nhiên liệu động DAEWOO A16 DMS đo băng thử APA 204/8 kết mơ q trình phun nhiên liệu hình thành hòa khí phần mềm ANSYS - FLUENT Những nội dung trình bày phần nghiên cứu thực nghiệm nhiên liệu cho thấy tiêu đạt theo tiêu TCVN 6776:2005 Hiện nước ta, chưa có tiêu dành riêng cho nhiên liệu pha Butanol sinh học nên luận án tiến hành pha trộn nhiên liệu, phân tích tiêu so sánh với tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học ban hành kèm theo Quy chuẩn QCVN 1:2009/BKHCN Bộ Khoa học Công nghệ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia xăng, nhiên liệu điêzen nhiên liệu sinh học Có thể khẳng định xăng RON92 pha Butanol sử dụng động đốt Butanol xem phụ gia pha vào xăng 4.1 Kết thực nghiệm động Daewoo A16DMS 4.1.1 Tính kỹ thuật động sử dụng xăng-Butanol Mơ men có ích (Me) cơng suất có ích (Ne) động Daewoo A16DMS mức tải ứng với 10, 30, 50 70%BG thể từ Bảng 4-1 đến Bảng 4-4 Trong đường cong xấp xỉ Hình 4.1 đến Hình 4.4 sử dụng đa thức bậc từ điểm thực nghiệm đo băng thử Kết cho thấy, có tụt giảm mơ men cơng suất động sử dụng nhiên liệu xăng-Butanol so với xăng RON92 - Ở 10%BG với tốc độ động từ 1250-2500v/ph, 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 (Bảng 4-1 Hình 4.1) - Ở 30%BG với tốc độ động từ 1250-3500v/ph, 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 mô 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 (Bảng 4-2 Hình 4.2) -75- 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 (Bảng 4-3 Hình 4.3) Bảng 4-1: So sánh mức thay đổi mơ men có ích 10%BG 10%BG Bu0 n Me 1250 66.0 1500 65.3 1750 60.0 2000 54.7 2250 48.2 2500 42.9 Me (%) Bu10 Me Me (%) 62.8 -4.9 62.7 -3.9 60.1 0.2 53.4 -2.3 45.7 -5.2 40.9 -4.7 -3.5 Bu20 Me Me (%) 64.0 -3.2 62.0 -5.0 56.2 -6.3 50.3 -8.0 43.9 -9.0 39.3 -8.4 -6.6 Bu30 Me Me (%) 62.6 -5.2 62.3 -4.7 54.4 -9.3 47.5 -13.2 41.3 -14.4 35.4 -17.4 -10.7 Bu40 Me Me (%) 61.9 -6.3 59.6 -8.8 53.2 -11.3 44.0 -19.5 40.8 -15.4 33.4 -22.2 -13.9 Bu50 Me Me (%) 59.4 -10.0 54.4 -16.7 49.8 -17.0 41.8 -23.6 34.6 -28.1 30.4 -29.1 -20.8 Bảng 4-2: So sánh mức thay đổi mơ men có ích 30%BG 30%BG Bu0 n Me 1250 76.4 1500 78.0 1750 82.9 2000 84.6 2250 87.0 2500 86.9 2750 85.1 3000 83.9 3250 82.1 3500 78.3 Me (%) Bu10 Me Me (%) 77.2 1.0 79.8 2.3 81.2 -2.0 85.4 0.9 89.2 2.6 87.6 0.7 85.8 0.8 85.1 1.5 83.6 1.8 81.0 3.5 1.3 Bu20 Me Me (%) 75.8 -0.8 79.3 1.7 80.9 -2.4 85.4 0.9 86.9 -0.1 85.4 -1.7 83.7 -1.7 82.1 -2.2 80.3 -2.3 77.1 -1.5 -1.0 Bu30 Me Me (%) 74.8 -2.1 79.1 1.4 80.1 -3.4 82.7 -2.2 84.1 -3.3 84.1 -3.3 84.3 -1.0 82.1 -2.2 79.9 -2.8 76.8 -1.9 -2.1 Bu40 Me Me (%) 74.7 -2.2 76.1 -2.4 77.5 -6.5 79.1 -6.5 81.8 -5.9 82.2 -5.4 81.4 -4.4 79.7 -5.0 77.5 -5.6 75.4 -3.7 -4.8 Bu50 Me Me (%) 73.3 -4.1 76.1 -2.4 76.5 -7.7 77.4 -8.5 78.6 -9.6 81.8 -5.8 81.0 -4.9 78.0 -7.0 74.7 -9.0 70.7 -9.7 -6.9 - 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 dụng Bu10 tốc độ 3000 v/ph mơ men có ích động tương đương Bu0 (Bảng 4-4 Hình 4.4) -76Bảng 4-3: So sánh mức thay đổi mơ men có ích 50%BG 50%BG Bu0 n Me Me Me (%) Me Me (%) Me Me (%) Me Me (%) Me Me (%) 1250 89.7 87.0 -3.0 82.5 -8.0 80.5 -10.2 77.9 13.2 74.6 -16.9 1500 92.9 89.2 -4.0 86.6 -6.8 83.4 -10.2 79.9 14.0 79.2 -14.7 1750 95.4 91.1 -4.5 88.0 -7.8 86.4 -9.4 84.3 11.7 83.5 -12.5 2000 95.9 94.0 -1.9 90.3 -5.8 89.2 -7.0 88.4 -7.8 86.0 -10.4 2250 98.6 97.5 -1.1 94.7 -4.0 91.8 -6.9 91.3 -7.4 90.9 -7.7 2500 100.9 101.5 0.6 97.4 -3.5 95.9 -5.0 93.8 -7.1 92.6 -8.2 2750 104.9 106.0 1.0 104.4 -0.5 100.2 -4.5 99.6 -5.1 98.3 -6.2 3000 110.5 110.0 -0.5 108.9 -1.5 107.8 -2.5 107.1 -3.1 103.7 -6.2 3250 110.0 111.8 1.6 109.8 -0.1 108.6 -1.3 108.3 -1.6 105.3 -4.3 3500 108.6 110.9 2.1 108.5 0.0 107.9 -0.6 107.0 -1.4 104.9 -3.4 3750 108.8 109.5 0.6 107.8 -0.9 106.1 -2.5 105.4 -3.1 103.7 -4.6 4000 105.7 106.7 1.0 104.8 -0.9 103.6 -2.0 103.2 -2.3 101.4 -4.1 4250 104.7 105.5 0.7 100.7 -3.8 102.3 -2.3 99.1 -5.4 100.8 -3.7 Me (%) Bu10 -0.6 Bu20 -3.4 Bu30 -5.0 Bu40 -6.4 Bu50 -7.9 Bảng 4-4: So sánh mức thay đổi mơ men có ích 70%BG 70%BG Bu0 n Me 1250 94.1 1500 98.0 1750 101.9 2000 107.0 2250 111.2 2500 113.0 2750 117.9 3000 121.6 3250 123.8 3500 120.9 3750 118.6 4000 117.6 4250 116.9 Me (%) Bu10 Me Me (%) 93.2 -1.0 95.6 -2.4 100.1 -1.7 104.2 -2.6 107.4 -3.5 112.0 -0.9 114.5 -2.9 119.2 -2.0 121.0 -2.3 125.1 3.5 120.9 1.9 117.6 0.0 113.5 -3.0 -1.3 Bu20 Me Me (%) 93.5 -0.6 94.9 -3.1 98.0 -3.8 101.4 -5.2 104.2 -6.4 107.2 -5.1 112.3 -4.7 120.5 -0.9 122.5 -1.0 121.2 0.2 117.5 -1.0 113.7 -3.3 110.9 -5.2 -3.1 Bu30 Me Me (%) 90.7 -3.6 92.2 -5.9 94.6 -7.1 94.3 -11.9 103.3 -7.1 104.4 -7.6 109.1 -7.5 115.9 -4.7 121.0 -2.3 116.8 -3.4 116.9 -1.5 113.6 -3.4 110.9 -5.1 -5.5 Bu40 Me Me (%) 87.0 -7.5 88.5 -9.7 92.3 -9.5 93.2 -12.9 97.3 -12.5 99.5 -11.9 103.7 -12.0 112.1 -7.8 116.7 -5.7 114.8 -5.1 112.8 -4.9 111.8 -4.9 105.2 -10.0 -8.8 Bu50 Me Me (%) 84.0 -10.7 85.7 -12.6 88.0 -13.6 88.5 -17.3 91.7 -17.6 95.0 -15.9 100.1 -15.1 102.4 -15.8 110.2 -11.0 112.2 -7.2 108.1 -8.9 104.2 -11.4 100.2 -14.3 -13.2 -77- Mơ men có ích 10%BG 70 Me (Nm) 60 50 40 30 1250 1500 1750 2000 2250 2500 n (v/p) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 Hình 4.1: Mơ men có ích (Me) 10%BG Me (Nm) 90 Mơ men có ích 30%BG 80 70 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 n (v/p) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 Hình 4.2: Mơ men có ích (Me) 30%BG -78- Mơ men có ích 50%BG 120 Me (Nm) 110 100 90 80 70 1250 1750 2250 Bu0 Bu10 2750 n (v/p) Bu20 3250 Bu30 3750 Bu40 4250 Bu50 Hình 4.3: Mơ men có ích (Me) 50%BG Mơ men có ích 70%BG 130 Me (Nm) 120 110 100 90 80 1250 Bu0 1750 Bu10 2250 2750 n (v/ph) Bu20 3250 Bu30 Hình 4.4: Mơ men có ích (Me) 70%BG 3750 Bu40 4250 Bu50 -79- Cơng suất có ích 10%BG 12 Ne (kW) 11 10 1250 1500 Bu0 1750 2000 n (v/ph) Bu10 Bu20 2250 Bu30 2500 Bu40 Bu50 Hình 4.5: Cơng suất có ích (Ne) 10%BG Cơng suất có ích 30%BG 30 Ne (kW) 25 20 15 10 1250 1500 Bu0 1750 Bu10 2000 2250 2500 n (v/p) Bu20 Bu30 2750 3000 Bu40 Hình 4.6: Cơng suất có ích (Ne) 30%BG 3250 3500 Bu50 -80- Cơng suất có ích 50%BG 50 Ne (kW) 40 30 20 10 1250 Bu0 1750 2250 Bu10 2750 n (v/p) Bu20 3250 Bu30 3750 Bu40 4250 Bu50 Hình 4.7: Cơng suất có ích (Ne) 50%BG Cơng suất có ích 70%BG 55 Ne (kW) 45 35 25 15 1250 Bu0 1750 Bu10 2250 2750 3250 3750 n (v/p) Bu20 Bu30 Bu40 4250 Bu50 Hình 4.8: Cơng suất có ích (Ne) 70%BG Dễ nhận thấy rằng, động hoạt động mức tải nhỏ (10%BG) lớn (70%BG) kết hợp với tốc độ thấp (< 2500 v/ph), sử dụng nhiên liệu xăng-Butanol (Bu10-B50) mơ men có ích (Me) cơng suất có ích (Ne) giảm so với xăng (Bu0) -81Trên hình Hình 4.9 thể diễn biến mơ men cơng suất có ích động mức tải ứng với 10, 30, 50 70%BG tốc độ 1250, 2250, 3250 4250 v/ph Kết cho thấy, mức tải ứng với 10, 30 50%BG tốc độ động 1250, 2250 3250 v/ph, sử dụng nhiên liệu Bu10, Bu20 Bu30 mơ men cơng suất động thay đổi so với Bu0, nghĩa tính kỹ thuật động đảm bảo; mức tải ứng với 70%BG tốc độ 4250 v/ph, mơ men cơng suất có ích giảm nhanh sử dụng nhiên liệu Bu40 Bu50 110 Ne (kW) Me (Nm) 130 90 70 50 10 20 30 40 50 60 50 40 30 20 10 0 10 20 2250 3250 40 50 Butanol (%) Butanol (%) 1250 30 4250 1250 2250 3250 4250 Hình 4.9: Mức độ tăng giảm mơ men cơng suất có ích theo tỷ lệ Butanol 4.1.2 Tính kinh tế động sử dụng xăng-Butanol Bảng 4-5: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích 10%BG 10%BG Bu0 n ge 1250 318.1 1500 291.4 1750 283.8 2000 288.9 2250 305.5 2500 328.4 ge (%) Bu10 ge ge (%) 329.7 3.7 283.1 -2.9 271.3 -4.4 278.8 -3.5 308.3 0.9 319.5 -2.7 -1.5 Bu20 ge ge (%) 333.3 4.8 308.8 6.0 302.7 6.7 314.0 8.7 333.8 9.3 344.2 4.8 6.7 Bu30 ge ge (%) 334.3 5.1 301.6 3.5 312.7 10.2 316.6 9.6 348.6 14.1 382.7 16.5 9.8 Bu40 ge ge (%) 340.7 7.1 318.5 9.3 337.4 18.9 366.6 26.9 371.7 21.7 419.0 27.6 18.6 Bu50 ge ge (%) 341.9 7.5 326.4 12.0 338.5 19.3 370.4 28.2 415.3 35.9 429.6 30.8 22.3 Bảng 4-6: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích 30%BG 30%BG Bu0 n ge 1250 1500 1750 2000 2250 374.0 352.9 347.2 333.7 322.6 Bu10 ge ge (%) 375.1 0.3 363.0 2.9 346.0 -0.3 328.4 -1.6 315.4 -2.2 Bu20 ge ge (%) 387.9 3.7 356.3 1.0 357.4 2.9 327.2 -1.9 320.3 -0.7 Bu30 ge ge (%) 380.1 1.6 371.0 5.1 350.2 0.9 343.6 3.0 337.4 4.6 Bu40 ge ge (%) 387.6 3.6 376.3 6.6 359.8 3.6 343.6 3.0 331.5 2.7 Bu50 ge ge (%) 394.1 5.4 357.1 1.2 358.7 3.3 345.0 3.4 342.8 6.3 -82- 2500 313.1 2750 315.7 3000 325.8 3250 326.7 3500 336.1 ge (%) 308.0 -1.6 307.0 -2.8 314.9 -3.4 323.1 -1.1 338.7 0.8 -0.9 314.3 323.3 331.3 336.4 348.1 1.6 0.4 2.4 1.7 3.0 3.5 329.8 318.8 341.0 344.0 362.2 3.9 5.3 1.0 4.6 5.3 7.7 332.6 332.9 350.0 357.0 365.1 5.7 6.2 5.4 7.4 9.3 8.6 335.1 7.0 335.9 6.4 342.7 5.2 373.5 14.3 389.6 15.9 6.8 Bảng 4-7: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích 50%BG 50%BG Bu0 n ge 1250 351.6 1500 344.9 1750 325.7 2000 322.3 2250 315.1 2500 306.7 2750 306.5 3000 296.7 3250 299.0 3500 304.1 3750 309.3 4000 315.4 4250 320.4 ge (%) Bu10 ge ge (%) 359.1 2.1 351.0 1.8 331.1 1.6 323.5 0.4 317.5 0.8 301.5 -1.7 296.2 -3.3 299.8 1.0 299.9 0.3 302.2 -0.6 304.8 -1.5 312.5 -0.9 316.5 -1.2 -0.1 Bu20 ge ge (%) 353.8 0.6 353.6 2.5 347.3 6.6 339.9 5.5 315.2 0.0 311.8 1.6 298.4 -2.7 301.1 1.5 308.9 3.3 312.0 2.6 311.0 0.5 313.5 -0.6 324.7 1.3 1.8 Bu30 ge ge (%) 380.5 8.2 353.4 2.5 346.7 6.4 339.3 5.3 326.6 3.6 313.2 2.1 308.1 0.5 299.7 1.0 321.2 7.4 315.9 3.9 310.9 0.5 313.3 -0.7 319.6 -0.3 3.1 Bu40 ge ge (%) 387.4 10.2 380.2 10.2 362.7 11.3 347.8 7.9 335.2 6.4 327.8 6.9 323.6 5.6 310.1 4.5 312.4 4.5 317.2 4.3 320.0 3.4 322.4 2.2 329.3 2.8 6.2 Bu50 ge ge (%) 406.7 15.7 387.4 12.3 371.8 14.1 362.1 12.4 339.7 7.8 333.3 8.6 323.8 5.7 320.9 8.1 322.0 7.7 322.9 6.2 324.1 4.8 330.1 4.7 339.1 5.8 8.8 Bảng 4-8 So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích 70%BG 70%BG Bu0 n ge 1250 383.4 1500 365.4 1750 353.9 2000 344.6 2250 332.1 2500 337.5 2750 333.5 3000 334.5 3250 332.6 3500 334.6 3750 339.5 4000 338.3 4250 337.6 ge (%) Bu10 ge ge (%) 390.4 1.8 368.3 0.8 355.8 0.5 343.7 -0.2 337.3 1.6 329.9 -2.2 331.6 -0.6 329.1 -1.6 335.9 1.0 338.1 1.0 343.0 1.0 343.4 1.5 355.5 5.3 0.8 Bu20 ge ge (%) 391.4 2.1 372.8 2.0 354.5 0.2 348.7 1.2 344.7 3.8 337.0 -0.1 336.7 1.0 335.6 0.3 329.7 -0.9 330.9 -1.1 339.6 0.0 346.0 2.3 341.3 1.1 0.9 Bu30 ge ge (%) 398.2 3.9 377.3 3.2 362.1 2.3 354.2 2.8 346.8 4.4 341.6 1.2 342.0 2.6 335.9 0.4 332.9 0.1 336.9 0.7 341.3 0.5 357.9 5.8 362.5 7.4 2.7 Bu40 ge ge (%) 405.8 5.9 382.8 4.8 377.8 6.8 363.8 5.6 351.4 5.8 347.6 3.0 349.2 4.7 335.9 0.4 343.1 3.2 344.1 2.8 353.7 4.2 359.3 6.2 362.8 7.5 4.7 Bu50 ge ge (%) 398.2 3.9 393.2 7.6 384.0 8.5 379.1 10.0 374.1 12.6 360.3 6.8 355.6 6.6 348.5 4.2 343.8 3.4 347.8 3.9 350.6 3.3 365.8 8.1 374.9 11.1 6.9 -83Hình 4.10 Hình 4.11 thể diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) suất tiêu hao lượng có ích (qe) động Daewoo A16DMS mức tải ứng với 10, 30, 50 70%BG Trong đường cong xấp xỉ sử dụng đa thức bậc từ điểm thực nghiệm Kết cho thấy, 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: a) 10%BG 450 430 400 410 370 ge (g/kWh) ge (g/kWh) 390 350 330 310 290 250 1250 1500 Bu0 Bu30 1750 2000 n (v/p) Bu10 Bu40 2250 350 325 275 1250 2500 c) 50%BG 1750 Bu0 Bu30 Bu20 Bu50 425 2250 2750 n (v/p) Bu10 Bu40 3250 Bu20 Bu50 d) 70%BG 400 400 375 ge (g/kWh) ge (g/kWh) 375 300 270 425 b) 30%BG 425 375 350 350 325 325 300 275 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 300 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 Hình 4.10: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) động -84- a)10%BG 17 16 15 qe (MJ/kWh) qe (MJ/kWh) 16 14 13 12 15 14 13 11 10 1250 1500 Bu0 Bu30 1750 2000 n (v/p) Bu10 Bu40 2250 12 1250 2500 Bu20 Bu50 1750 Bu0 Bu30 c) 50%BG 17 17 16 2250 2750 n (v/p) Bu10 Bu40 3250 Bu20 Bu50 d) 70%BG 16 qe (MJ/kWh) qe (MJ/kWh) b) 30%BG 17 15 14 15 14 13 13 12 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) 12 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 Bu0 Bu30 Bu10 Bu40 Bu20 Bu50 Hình 4.11: Suất tiêu hao lượng có ích (qe) động - 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 (Bảng 4-5) - 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 (Bảng 4-6) - 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 (Bảng 4-7) -85- 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 (Bảng 4-8) Do Butanol có nhiệt trị thấp xăng khoảng 1,3 lần nên suất tiêu hao lượng có ích giảm khoảng 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 xăng Bu0 Butanol có khối lượng riêng lớn xăng chút nên vị trí bướm ga tốc độ động cơ, lượng nhiên liệu cung cấp cho động tăng nhẹ sử dụng nhiên liệu xăng-Butanol Chính vậy, tốc độ 1250, 2250, 3250 4250 v/ph, suất tiêu hao nhiên liệu có ích sử dụng Bu30, Bu40 Bu50 lớn Bu0 khoảng 5%, 10%, 15%; riêng Bu10 Bu20 tương đương so với Bu0 (Hình 4.12a) Xét suất tiêu hao lượng, tốc độ 1250 v/ph riêng Bu50 có suất tiêu hao lượng cao 2,5% so với Bu0; riêng tốc độ 3250 v/ph Bu50 có suất tiêu hao lượng có ích giảm đến 14% so với Bu0 (Hình 4.12b) 380 15 qe (MJ/kWh) ge (g/kWh) 360 340 320 300 280 a) 1250 2250 3250 4250 13 12 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Butanol (%) 14 b) 20 40 Butanol (%) 1250 2250 3250 4250 Hình 4.12: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) suất tiêu hao lượng có ích (qe) 4.1.3 Phát thải ô nhiễm động sử dụng xăng-Butanol Hình 4.13 thể diễn biến hệ số dư lượng khơng khí () Hòa khí có hệ số ban đầu tăng theo tốc độ sau giảm dần tốc độ 2000 v/ph -86- a) 10%BG 1.3 1.1 0.9 0.7 1250 1500 Bu0 Bu30 1.5 n (v/p) 1750 2000 Bu10 Bu40 2250 2500 Bu20 Bu50 c) 50%BG 1.3 1.1 0.9 0.7 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 b) 30%BG 1.3 1.1 0.9 0.7 1250 1750 Bu0 Bu30 1.5 Hệ số dư lượng Hệ số dư lượng 1.5 Hệ số dư lượng Hệ số dư lượng 1.5 n (v/p) 2250 2750 Bu10 Bu40 3250 Bu20 Bu50 d) 70%BG 1.3 1.1 0.9 0.7 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu0 Bu10 Bu20 Bu30 Bu40 Bu50 Hình 4.13: Hệ số dư lượng khơng khí () theo tốc độ động Điểm đáng ý hệ số dư lượng gần không thay đổi phạm vi Bu0, Bu10 Bu20 Ở Bu30, Bu40 Bu50 hệ số dư lượng khơng khí tăng lên chút Hình 4.14 đến Hình 4.17 thể diễn biến nồng độ phát thải CO, HC, CO NOx động Daewoo A16DMS theo tốc độ mức tải ứng với 10, 30, 50 70%BG Trong đó, đường cong xấp xỉ sử dụng đa thức bậc từ điểm thực nghiệm Kết cho thấy, ứng với mức tải, tốc độ khoảng 1250 - 2000 v/ph, phát thải CO HC động giảm, CO2 NOx tăng lên, tốc độ khoảng 2250 -3500 v/ph ngược lại - Nồng độ khí CO phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu (cacbon nhiên liệu) Nồng độ CO tăng thành phần cacbon tăng Trường hợp động đánh lửa trễ, trình cháy kéo dài đường thải, điều kiện cháy xấu đi, tăng khả cháy khơng hồn tồn làm tăng nồng độ CO Động phát thải CO cao sử dụng -87nhiên liệu Bu0, tăng hàm lượng Butanol nhiên liệu phát thải CO giảm theo Mức giảm phát thải CO động sử dụng nhiên liệu từ Bu10-Bu50 khoảng 10-15%, 30-60%, 40-65% 35-65% ứng với vị trí bướm ga 10, 30, 50 70% a) 10%BG 2.5 CO (%) 1.5 CO (%) b) 30%BG 0.5 1250 1500 Bu0 Bu30 1750 2000 n (v/p) Bu10 Bu40 2250 2500 1250 2250 n (v/p) Bu0 Bu30 Bu20 Bu50 c) 50%BG 1750 2750 Bu10 Bu40 3250 Bu20 Bu50 d) 70%BG 6 CO (%) CO (%) 1 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu0 Bu30 Bu10 Bu40 Bu20 Bu50 n (v/p) Bu0 Bu30 Bu10 Bu40 Bu20 Bu50 Hình 4.14: Phát thải CO động - Phát thải HC cháy khơng hồn tồn, phần phận hỗn hợp nằm khu vực lan tràn màng lửa hay không đồng hỗn hợp dập tắt màng lửa khu vực gần thành xilanh làm phát sinh nồng độ HC Nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc nhiên liệu-khơng khí Phát thải HC giảm dần tăng -88hàm lượng Butanol nhiên liệu từ Bu0 đến Bu20 sau lại tăng trở lại từ Bu30 đến Bu50 Riêng 70%BG, phát thải HC giảm dần từ Bu0 đến Bu50 Đặc biệt 10%BG phát thải HC lại tăng đột biến sử dụng Bu30, Bu40 Bu50 a) 10%BG 210 210 190 190 170 170 150 130 130 110 90 90 Bu0 Bu40 Bu20 350 1500 1750 2000 n (v/p) Bu10 Bu50 Bu30 2250 Bu20 Bu0 Bu40 70 1250 2500 Bu0 Bu40 Bu20 Bu30 Bu10 Bu50 c) 50%BG 2250 n (v/p) 2750 Bu10 Bu50 Bu30 Bu20 Bu0 Bu40 3250 Bu30 Bu10 Bu50 d) 70%BG 250 HC (ppm) 250 200 150 100 200 150 100 50 50 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 Bu0 Bu40 Bu20 1750 300 300 HC (ppm) 150 110 70 1250 b) 30%BG 230 HC (ppm) HC (ppm) 230 n (v/p) Bu10 Bu50 Bu30 Bu20 Bu0 Bu40 Bu30 Bu10 Bu50 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 Bu0 Bu40 Bu20 n (v/p) Bu10 Bu50 Bu30 Bu20 Bu0 Bu40 Bu30 Bu10 Bu50 Hình 4.15: Phát thải HC động - Phát thải CO2 động sử dụng Bu10, Bu20 gần tương đương so với Bu0 Còn Bu30, Bu40 Bu50 CO2 giảm đáng kể so với Bu0 Khi số vòng quay tăng hỗn hợp giàu dần dẫn đến hệ số dư lượng khơng khí giảm xăng hỗn hợp cháy tốt nên hàm lượng CO2 cao hơn, ngồi xăng RON92 cháy khơng hết nhiệt độ cao xảy phản ứng C+CO2=>CO nên hàm lượng CO2 giảm -89- a) 10%BG 15 13.5 14 13 13 12 12.5 12 11.5 11 10 1250 Bu0 Bu40 Bu20 1500 1750 2000 2250 n (v/p) Bu10 Bu20 Bu50 Bu0 Bu30 Bu40 11 1250 2500 Bu0 Bu40 Bu20 Bu30 Bu10 Bu50 c) 50%BG 16 1750 2250 2750 n (v/p) Bu20 Bu10 Bu50 Bu30 Bu0 Bu40 3250 Bu30 Bu10 Bu50 d) 70%BG 16 15.8 15.5 15.6 15 15.4 14.5 CO2 (%) 15.2 CO2 (%) b) 30%BG 14 CO2 (%) CO2 (%) 16 15 14.8 14 13.5 14.6 13 14.4 12.5 14.2 14 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 Bu0 Bu40 Bu20 n (v/p) Bu10 Bu50 Bu30 Bu20 Bu0 Bu40 Bu30 Bu10 Bu50 12 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 Bu0 Bu40 Bu20 n (v/p) Bu10 Bu50 Bu30 Bu20 Bu0 Bu40 Bu30 Bu10 Bu50 Hình 4.16: Phát thải CO2 động - Khí NOx hình thành kết hợp O2 N2 nhiệt độ cao Nồng độ NOx phát thải tăng nhiệt độ cháy tăng nồng độ Oxygen tăng Khí NOx chủ yếu sinh q trình cháy khơng hồn tồn Phát thải NOx 10%BG động sử dụng nhiên liệu pha Butanol giảm so với xăng, vị trí bướm ga lại tăng đáng kể với mức tăng Bu10 so với xăng trung bình khoảng 100% 70%BG Hình 4.18 thể nồng độ CO HC khí thải tốc độ 1250, 2250, 3250 4250 v/ph ứng với vị trí bướm ga 10%, 30%, 50% 70% Theo diễn biến hệ số dư lượng khơng khí trình bày Hình 4.13 phát thải CO HC giảm theo tỷ lệ Butanol xăng nhờ trình cháy có hòa khí nghèo -90so 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 4-6%, đặc biệt tốc độ 1250 v/ph tốc độ giảm khoảng 2-3% 1500 10%BG 1800 1600 1000 NOx (ppm) NOx (ppm) 1250 750 500 Bu10 Bu50 Bu30 n (v/p) Bu20 Bu0 Bu40 Bu0 Bu40 Bu20 50%BG 1750 2250 2750 n (v/p) Bu10 Bu50 Bu30 Bu20 Bu0 Bu40 3250 Bu30 Bu10 Bu50 70%BG 2500 2000 2000 NOx (ppm) NOx (ppm) 1000 400 1250 Bu30 Bu10 Bu50 2500 1500 1500 1000 1000 500 500 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 n (v/p) Bu0 Bu30 1200 600 1250 1500 1750 2000 2250 2500 3000 1400 800 250 Bu0 Bu40 Bu20 30%BG 2000 Bu10 Bu40 Bu20 Bu50 1250 1750 2250 2750 3250 3750 4250 Bu0 Bu30 n (v/p) Bu10 Bu40 Bu20 Bu50 Hình 4.17: Phát thải NOx động 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 -91đến 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% Như vậy, tỷ lệ pha Butanol vào xăng lớn (Bu40, Bu50), phát thải CO HC có xu hướng tăng trở lại Điều lượng Butanol cung cấp lớn khiến phần nhiên liệu bay muộn khơng có hội cháy hồn tồn nên hình thành CO HC nhiều Đồng thời tốc độ thấp, vận tốc dòng khí nạp thấp khiến hòa khí khơng đồng dẫn đến phát thải HC CO cao HC (ppm) CO (%) 10 20 30 40 50 Butanol (%) 1250 2250 3250 4250 160 140 120 100 80 60 40 20 0 10 1250 20 30 Butanol (%) 2250 3250 40 50 4250 Hình 4.18: Phát thải CO HC Hình 4.19 thể nồng độ CO2 NOx khí thải tốc độ 1250, 2250, 3250 4250 v/ph ứng với vị trí bướm ga 10%, 30%, 50% 70% CO 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, 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 Phát thải NOx điều đáng quan tâm sử dụng xăng pha cồn nói chung xăng pha Butanol nói riêng Hình 4.19b cho thấy động phát thải NOx 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, -92Bu20 Bu30 khoảng 5% Ở tốc độ thấp 1250 v/ph, NO x tăng chút tỷ lệ Bu10 sau từ Bu20 giảm với mức giảm khoảng 5% pha thêm 10% Butanol vào xăng Như vậy, phát thải NOx thấp ưu điểm nhiên liệu có tỷ lệ pha Butanol cao (Bu40 Bu50) 2500 CO2 (%) 15 NOx (ppm) 2000 14 1500 1000 500 13 10 1250 20 30 Butanol (%) 2250 3250 40 50 4250 0 10 1250 20 30 Butanol (%) 2250 a) 3250 40 50 4250 b) Hình 4.19: Phát thải CO2 NOx Trong phạm vi tải động ứng với 10-70% độ mở bướm ga khoảng tốc độ 1250-4250 v/ph, động Daewoo A16DMS sử dụng nhiên liệu xăngButanol với tỷ lệ Butanol từ 10 – 50% có tính kinh tế, kỹ thuật gần tương đồng so với sử dụng nhiên liệu xăng, với mức giảm mô men cơng suất có ích khơng q 21%; mức tiêu hao nhiên liệu tăng không 22%; đồng thời giảm phát thải CO lên đến 15% HC lên đến 30% pha vào xăng 10% Butanol, làm phát thải NOx tăng đáng kể lên tới 42% pha vào xăng 10% Butanol Trong mức tải thấp cao kết hợp với tốc độ thấp làm giảm tính kinh tế, kỹ thuật nhiễm động cơ, đặc biệt động sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ Butanol 30% 4.2 Kết mơ q trình phun nhiên liệu bay hình thành hòa khí động Daewoo A16DMS sử dụng xăng-Butanol Chế độ mô 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 -93Nhiên liệu sử dụng mô 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 không ngược lại 4.2.1 Đánh giá tính bay Butanol so với xăng Q trình bay hình thành hòa khí phụ thuộc vào tính chất nhiệt động học nhiên liệu, cấu trúc phun tốc độ truyền nhiệt khơng khí xung quanh giọt nhiên liệu Có thể thấy Bảng 2-2 khác biệt quan trọng nhiệt ẩn bay áp suất bão hòa Butanol xăng Hình 4.20 minh hoạ tốc độ bay phun riêng Butanol (Bu100) xăng (Bu0) điều kiện hoạt động (Tkn = 315K, n = 2000v/ph, PI phía) Xăng có nhiệt ẩn bay thấp áp suất bão hòa cao so với Butanol bay sau phun với tốc độ bay nhanh gấp khoảng 1,5 lần so với Butanol Xăng chủ yếu bay thời gian phun đạt đến giá trị ổn định nồng độ góc quay khoảng 210-240oCA, lượng nhỏ lại bay vào cuối trình nén (Hình 4.20a) điều làm cho hòa khí tương đối đồng trước đánh lửa (Hình 4.20c) 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 (Hình 4.20b) đáng ý hòa khí đồng so với trường hợp phun xăng (Hình 4.20d) 4.2.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp Tốc độ bay nhiên liệu tăng tăng nhiệt độ khí nạp, nhiên nhiệt độ khí nạp cao ảnh hưởng bất lợi tới hiệu nạp làm tăng nhiệt độ hòa khí cuối q trình nén -94- So sánh bay phun xăng (Bu0) butanol (Bu100) 0.4 Er (Bu100) Fv (Bu100) 0.1 0.08 0.3 0.06 0.2 0.04 0.1 0.02 a) Er (Bu0) Fv (Bu0) 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Nồng độ nhiên liệuFv (kg/kg) Tốc độ bay Er (mg/s) 0.5 c) d) (độ) b) 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, T kn=315K Hình 4.21 cho thấy nhiệt độ khí nạp Tkn= 300K trường hợp phun riêng xăng, có lượng nhỏ xăng bay q trình nén nhiệt độ khí nạp Tkn= 315-345K xăng bay hồn tồn q trình nạp (Hình 4.21a) nồng độ xăng tăng khoảng 6-16% tăng nhiệt độ khí nạp từ 300K lên 315-345K Khi kết thúc q trình nén, hạt nhiên liệu tìm thấy buồng cháy nhiệt độ khí nạp Tkn= 315 (Bảng 4-9) Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp lên q trình bay Butanol so với trường hợp xăng Trên Hình 4.21b, thấy cuối q 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 (Bảng 4-9) -95- 0.2 0.08 0.15 0.06 0.1 0.04 0.05 0.02 0 60 120 180 240 300 (độ) Er (300K) Er (330K) Fv (300K) Fv (330K) 0.25 Tốc độ bay Er (mg/s) 0.1 Nồng độ xăng Fv (kg/kg) Tốc độ bay Er (mg/s) 0.25 0.1 Nồng độ butanol Fv (kg/kg) b) Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến bay butanol (Bu100) a) Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp đến bay xăng (Bu0) 0.2 0.08 0.15 0.06 0.1 0.04 0.05 0.02 0 60 120 180 240 300 360 (độ) Er (315K) Er (345K) Fv (315K) Fv (345K) Er (300K) Er (330K) Fv (300K) Fv (330K) Er (315K) Er (345K) Fv (315K) Fv (345K) Hình 4.21: Ảnh hưởng nhiệt độ khí nạp lên trình bay xăng (a) Butanol (b) tốc độ động 2000 v/ph Bảng 4-9: Mật độ giọt nhiên liệu nồng độ nhiên liệu cuối trình nén (330 oCA) phun riêng xăng Butanol theo nhiệt độ khí nạp Tkn=300K Mật độ giọt xăng Nồng độ xăng Mật độ giọt Butanol Nồng độ Butanol Tkn=315K Mật độ giọt xăng Nồng độ xăng Mật độ giọt Butanol Nồng độ Butanol 4.2.1.2 Ảnh hưởng tốc độ động Thời gian phun kéo dài nên thời gian cho bay giảm tốc độ động tăng lên Tuy nhiên, tăng tốc độ động chuyển động rối không khí -96buồng cháy tăng làm tăng truyền nhiệt đối lưu khơng khí với giọt nhiên liệu, kết làm tăng tốc độ bay Hình 4.22 đến Hình 4.24 biểu diễn thay đổi tốc độ bay nồng độ tốc độ 2000, 3000, 4000 4500 v/ph PI nhiên liệu Bu0, Bu100 Bu50 từ phía Trong giai đoạn phun, tốc độ bay 2000 v/ph cao so với 4000 v/ph Cuối giai đoạn phun sau kết thúc phun tốc độ bay trường hợp 4000 v/ph cao so với trường hợp 2000 v/ph nhờ chuyển động rối tăng lên tốc độ cao Kết nồng độ cuối trình nén trường hợp 4000 v/ph cao so với 2000 v/ph Hòa khí trường hợp 4000 v/ph đồng so với trường hợp 2000 v/ph thể biểu đồ đường đồng mức Bảng 4-10 Bảng 4-11 Thời điểm kết thúc phun tối ưu để hầu hết nhiên liệu bay trước đóng xupap nạp Vì vậy, tốc độ động tăng lên, thời điểm phun phải sớm Đối với trường hợp phun riêng xăng (Bu0), ảnh hưởng việc tăng tốc độ động đến bay giọt xăng rõ ràng Tốc độ bay cuối trình nạp đầu trình nén tăng lên tăng tốc độ động cơ, dẫn đến xăng gần bay hoàn toàn tăng tốc độ động Điều kết hợp với lượng khơng khí nạp vào giảm tăng tốc độ động cơ, dẫn đến làm tăng đáng kể hệ số tương đương (Hình 4.22) 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 Nhìn chung tăng tốc độ động làm giảm khả bay hoàn tồn Butanol Butanol khơng bay vào cuối q trình nén có áp suất bão hòa thấp Điều dẫn đến tốc độ tăng khiến hệ số tương đương thấp so với trường hợp phun xăng tăng tốc độ động (Hình 4.23) -97- Ảnh hưởng tốc độ động đến bay phun xăng (Bu0) 0.15 0.1 0.05 0 60 120 180 (độ) 240 300 360 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 Hệ số tương đương Tốc độ bay Er (mg/s) 0.2 Er (2000) Er (3000) Er (4000) Er (4500) 2000 3000 4000 4500 0.1 Nồng độ oxy O2 (kg/kg) 0.09 0.175 0.08 0.15 0.07 0.06 0.125 0.05 0.1 0.04 0.075 0.05 0.03 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Nồng độ nhiên liệu Fv (kg/kg) Ảnh hưởng tốc độ động đến bay phun xăng (Bu0) 0.2 O2 (2000) O2 (3000) O2 (4000) O2 (4500) Fv (2000) Fv (3000) Fv (4000) Fv (4500) 0.02 (độ) Hình 4.22: Ảnh hưởng tốc độ động lên trình bay phun riêng xăng Bảng 4-10: Mật độ giọt nhiên liệu nồng độ nhiên liệu cuối trình nén (330 oCA) phun riêng xăng Butanol theo tốc độ động Nồng độ xăng 2000v/ph Mật độ giọt xăng 2000v/ph Nồng độ xăng 4000v/ph Mật độ giọt xăng 4000v/ph Nồng độ Butanol 2000v/ph Mật độ giọt Butanol 2000v/ph Nồng độ Butanol 4000v/ph Mật độ giọt Butanol 4000v/ph -98- Tốc độ bay Er (mg/s) 0.2 0.15 0.1 0.05 0 60 120 180 (độ) 240 300 360 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 Hệ số tương đương Ảnh hưởng tốc độ động đến bay phun riêng (Bu100) Er (2000) Er (3000) Er (4000) Er (4500) 2000 3000 4000 4500 0.2 0.1 0.09 0.175 0.08 0.15 0.07 0.125 0.06 0.05 0.1 0.04 0.075 0.05 0.03 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0.02 O2 (2000) Nồng độ nhiên liệu Fv (kg/kg) Nồng độ oxy O2 (kg/kg) Ảnh hưởng tốc độ động đến bay riêng phun (Bu100) O2 (3000) O2 (4000) O2 (4500) Fv (2000) Fv (3000) Fv (4000) Fv (4500) (độ) Hình 4.23: Ảnh hưởng tốc độ động đến trình bay phun riêng Butanol (Bu100) 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 40004500 v/ph Như pha trộn Butanol vào xăng với khả hòa tan tốt Butanol làm tăng áp suất bão hòa, tăng khả bay giọt nhiên liệu -99vào 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 (Hình 4.24) Ảnh hưởng tốc độ đến bay phun hỗn hợp Bu50 70 Er (2000) 65 Er (3000) 60 0.15 55 50 45 0.1 Tỷ lệ Bu (%) Tốc độ bay Er (mg/s) 0.2 Er (4500) Bu (2000) Bu (3000) Bu (4000) 40 Bu (4500) 35 0.05 Er (4000) 30 25 0 60 120 180 240 300 360 20 (độ) Ảnh hưởng tốc độ đến bay phun hỗn hợp Bu50 0.2 0.1 O2 (2000) 0.09 Nồng độ nhiên liệu Fv (kg/kg) 0.175 Nồng độ oxy O2 (kg/kg) 0.08 0.15 0.07 0.125 0.06 0.05 0.1 O2 (3000) O2 (4000) O2 (4500) Fv (2000) Fv (3000) Fv (4000) Fv (4500) 0.04 0.075 0.05 0.03 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0.02 (độ) Hình 4.24: Ảnh hưởng tốc độ động lên trình bay phun riêng Butanol -100Bảng 4-11: Mật độ giọt nhiên liệu nồng độ nhiên liệu cuối trình nén (330 oCA) phun hỗn hợp Bu50 theo tốc độ động Nồng độ Butanol Nồng độ xăng 2000v/ph 2000v/ph Nồng độ Butanol 4000v/ph Mật độ giọt 2000v/ph Nồng độ xăng 4000v/ph Mật độ giọt 4000v/ph 4.2.2 Đánh giá ảnh hưởng cấu hình phun đến trình bay hình thành hòa khí Sự phân bố nhiên liệu buồng cháy vào thời điểm đánh lửa có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng q trình cháy sau đó, ảnh hưởng đến hiệu suất động mức phát thải Hòa khí khơng đồng dẫn đến đốt cháy khơng hồn tồn, làm giảm hiệu suất nhiệt động làm tăng phát thải CO, HC bồ hóng Ảnh hưởng thơng số khác độ đồng hòa khí phun hỗn hợp, phun riêng rẽ xăng Butanol thảo luận cụ thể phần sau 4.2.2.1 So sánh phun hỗn hợp với phun riêng rẽ Hình 4.25 thể diễn biến tốc độ bay tỷ lệ Bu (nồng độ Butanol/nồng độ nhiên liệu) trình nạp trình nén Kết cho thấy phun riêng rẽ (GPI30+BuPI62), nhiên liệu bắt đầu bay diễn sớm nhất, tiếp đến phun hỗn hợp (GBuPI30) cuối phun riêng rẽ (GPI62+BuPI30) Nguyên nhân Butanol khó bay giai đoạn đầu q trình nạp áp suất chân không xilanh tốc độ dòng khí nạp thấp Diễn biến tỷ lệ Bu cho thấy, phun hỗn hợp hòa khí có tỷ lệ Bu lớn (50%), tiếp đến GPI62+BuPI30 cuối GPI30+BuPI62 Ảnh hưởng phun hỗn hợp phun riêng rẽ xăng/butanol đến bay nhiên liệu Bu50 Er (GPI30+BuPI62) 0.25 60 0.2 55 0.15 50 0.1 0.05 45 40 60 120 180 (độ) 240 300 360 Er (GPI62+BuPI30) Tỷ lệ Bu (%) Tốc độ bay Er (mg/s) -101- Er (Hỗn hợp) Bu (GPI30+BuPI62) Bu (GPI62+BuPI30) Bu (Hỗn hợp) Hình 4.25: Ảnh hưởng phun hỗn hợp phun riêng rẽ xăng/Butanol đến bay nhiên liệu Bu50 Như 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 hồn tồn vào cuối q trình nén (Bảng 4-12) Bảng 4-12: Mật độ giọt nhiên liệu nồng độ nhiên liệu cuối trình nén (330 oCA) phun hỗn hợp phun riêng rẽ nhiên liệu Bu50 Phương án phun Mật độ giọt nhiên liệu (330oCA) Nồng độ xăng (330oCA) Nồng độ Butanol (330oCA) Hỗn hợp (GBuPI) Riêng rẽ (GPI30+BuPI62) Riêng rẽ (GPI62+BuPI30) 4.2.2.2 So sánh phun đường nạp phía phía Hình 4.26 cho thấy ảnh hưởng phun hỗn hợp phun riêng rẽ thành phần nhiên liệu Bu50 từ phía từ phía tốc độ động 2000 v/ph Có thể -102quan sát thấy, trường hợp phun phía có tốc độ bay cao trường hợp phun phía phun phía hỗn hợp có tốc độ bay cao so với phun phía riêng rẽ Tuy nhiên nồng độ nhiên liệu thu vào cuối trình nén tương đương nhau, riêng trường hợp phun phía riêng rẽ có nồng độ thấp chút 0.3 0.08 Tốc độ bay Er (mg/s) 0.1 0.06 0.2 0.04 0.1 0 60 120 180 (độ) 240 d) Phun phía hỗn hợp Mật độ hạt T (K) 300 360 Nồng độ nhiên liệuFv (kg/kg) Diễn biến bay phun Bu50 từ phía phía 0.4 Er (1 phía hỗn hợp) Er (2 phía riêng rẽ) Er (2 phía hỗn hợp) Fv (1 phía hỗn hợp) 0.02 Fv (2 phía riêng rẽ) Fv (2 phía hỗn hợp) e) Phun phía riêng rẽ Mật độ hạt T (K) Hình 4.26: Diễn biến bay phun nhiên liệu Bu50 từ phía từ phía Sự khác biệt tốc độ bay phun phía phun phía có lẽ chế truyền nhiệt Khi phun phía, truyền nhiệt từ khơng khí sang hạt xảy phía xi lanh, làm giảm nhiệt độ cục (xem trường nhiệt độ T Hình 4.26d), 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 -103nồng 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 Hình 4.27 thể phân bố nồng độ nhiên liệu, hệ số tương đương tỷ lệ Bu hòa khí theo phương ngang (x) mặt cắt ngang ĐCT cuối trình nén Kết cho thấy diễn biến nồng độ xăng Butanol có thay đổi phun hỗn hợp từ phía, phun hỗn hợp từ phía phun riêng rẽ từ phía 0.9 0.7 0.04 0.9 0.7 0.5 0.5 0.3 0.02 -0.04-0.02 0.02 0.04 x (m) BUv Bu Nồng độ xăng Gv 0.3 0.02 -0.04-0.02 0.02 0.04 x (m) Bu f BUv Gv Nồng độ Butanol Nồng độ xăng Nồng độ Butanol 1.5 0.06 BUv, Gv 0.04 1.1 1.7 , Bu (kg/kg) 1.1 1.3 c) Phun phía riêng rẽ 0.06 BUv, Gv 1.5 BUv, Gv 1.3 f 1.7 0.06 1.5 , Bu (kg/kg) b) Phun phía hỗn hợp a) Phun phía hỗn hợp , Bu (kg/kg) 1.7 1.3 1.1 0.04 0.9 0.7 0.5 0.3 0.02 -0.04-0.02 0.02 0.04 x (m) f Bu BUv Gv Nồng độ xăng Nồng độ Butanol Hình 4.27: Phân bố nồng độ nhiên liệu hệ số tương đương theo phương ngang (x) phun phía phun phía Theo diễn biến hệ số tương đương phân bố nồng độ nhiên liệu, hỗn hợp đồng phun phía, phun phía hỗn hợp cho hòa khí đồng Khi phun phía riêng rẽ (Hình 4.27c), buồng cháy phân thành vùng có tỷ lệ Bu cao (phía trái) vùng có tỷ lệ Bu thấp (phía phải) Khi phun phía hỗn hợp (Hình 4.27b), vùng hòa khí có tỷ lệ Bu cao nằm (x=-0,02÷0,02), trường hợp phun phía hỗn hợp (Hình 4.27a) tỷ lệ Bu phân bố đồng từ trái sang phải 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 -1044.2.2.3 Ảnh hưởng thời điểm phun Q trình hình thành hòa khí khơng phụ thuộc vào tốc độ truyền nhiệt khơng khí xung quanh tới hạt nhiên liệu mà phụ thuộc vào thời gian hòa trộn Khi phun muộn, thời gian để bay giảm nên thời điểm đánh lửa bay khơng hồn tất nhiên liệu khơng có đủ thời gian trộn với khơng khí để tạo 0.5 a) phía- hỗn hợp 0.1 0.0875 0.075 0.0625 0.25 0.125 0 30 60 90 120 Er (10CA) Er (30CA) Er (60CA) Fv (10CA) Fv (30CA) Fv (60CA) 150 180 (độ) Er (mg/s) b) Phun phía- riêng rẽ 1.75 1.5 1.25 0.75 0.5 0.25 210 240 270 0.05 0.0375 0.025 0.0125 300 330 0.15 Er (10CA) Er (30CA) Er (60CA) Fv (10CA) 0.125 0.1 0.075 Fv (kg/kg) Er (mg/s) 0.375 Fv (kg/kg) thành hỗn hợp đồng 0.05 0.025 30 c)Thời điểm phun Phun riêng rẽ (dual) 60 90 10oCA 120 150 180 (độ) 30oCA 210 240 270 300 330 60oCA Phun hỗn hợp (blend) Hình 4.28: Ảnh hưởng thời điểm phun đến bay phun riêng rẽ (a) phun hỗn hợp (b); đường màu đồng mức phân bố nồng độ nhiên liệu mặt cắt y=0 330oCA(c) (n=3000 v/ph, Bu50) -105Hình 4.28 trình bày ảnh hưởng thời điểm phun đến tốc độ bay nồng độ trường hợp phun hỗn hợp phun riêng rẽ 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 30oCA, q trình bốc khơng hồn tất kết thúc q 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 (Hình 4.28a Hình 4.28b) Đường đồng mức Hình 4.28c thể phân bố nồng độ nhiên liệu mặt cắt y = góc quay 330oCA ứng với thời điểm phun 10oCA, 30oCA 60oCA Có thể thấy thời điểm phun 10oCA 30oCA, khơng có khác biệt đáng kể phân bố nhiên liệu mặt cắt ngang Nhưng với thời điểm phun 60oCA, khác biệt việc phân bố nhiên liệu trở nên đáng kể 4.2.3 Đánh giá ảnh hưởng phun trực riếp buồng cháy (DI) So sánh bay DI blend DI duaI Er (mg/s) 1.75 Er (DI,Blend) Er (DI, Dual) 1.5 Fv (DI,Blend) Fv (DI, Dual) 1.25 0.15 0.125 0.1 0.075 0.75 0.05 0.5 0.025 0.25 Fv (kg/kg) phun đường nạp (PI) 30 60 90 120 150 180 (độ) 210 240 270 300 330 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 Hình 4.29 giới thiệu ảnh hưởng vị trí vòi phun đến tốc độ bốc hình thành hỗn hợp cho trường hợp phun DI hỗn hợp (Blend)và phun DI riêng rẽ (Dual) nhiên liệu Bu50 tốc độ động 3000 v/ph, nhiệt độ khơng khí nạp 315K, thời -106điểm phun 30oCA Có thể thấy bay phun hỗn hợp đáng kể so với phun riêng rẽ vị trí xj = GDI_BuPI 60 a) Mật độ hạt (DPM) DI hỗn hợp GPI_BuDI 180 322 b) So sánh bay GDI_BuPI, DI blend GPI_BuDI 0.125 1.75 1.5 Er (DI,Blend) 0.1 Er (GDI_BuPI) 0.075 Er (GPI_BuDI) 0.75 0.05 0.5 0.025 0.25 c) 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Fv (kg/kg) Er (mg/s) 1.25 Fv (DI,Blend) Fv (GPI_BuDI) Fv (GDI_BuPI) (độ) GDI_BuPI DI hỗn hợp GPI_BuDI -107- Hình 4.30: So sánh trình bay tạo hỗn hợp trường hợp BUDI-GPI, GDI-BUPI vị trí vòi phun pha trộn DI Xj = (n = 3000 v/ph, Bu50, T kn = 315K): phân bố hạt (a), tốc độ bay nồng độ (b) đường đồng mức nồng độ mặt cắt y = 330oCA (c) Hình 4.30a thể phân bố hạt nhiên liệu phun xăng Butanol kép kết hợp hoán đổi PI DI ứng với nhiên liệu Bu50, thời gian phun 60CA tốc độ động 3000 v/ph (BuDI-GDI, GDI-BuDI DI hỗn hợp) 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 BuDIGPI cao nhất, sau đến GDI-BuPI thấp DI hỗn hợp Như đề cập, 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 Do vậy, nồng độ nhiên liệu trường hợp GPI-BuDI cao so với trường hợp BuPI-GDI Cuối trình nén, nồng độ nhiên liệu hai trường hợp gần giống Phun trực tiếp hỗn hợp có tốc độ bay thấp nồng độ thấp vào cuối nén so với phun riêng rẽ (Hình 4.30b) Cụ thể, cuối trình nén, nồng độ nhiên liệu ứng với DI hỗn hợp nhỏ 10% so với GDI-BuPI BuDI-GPI Tuy nhiên, Hình 4.30c quan sát thấy 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 kết mô phỏng: Tại điều kiện hoạt động, Butanol có tốc độ bay thấp so với xăng, xăng bốc trình phun Butanol bốc chủ yếu từ trình nạp đến q trình nén Khơng có khác biệt áp suất xilanh phun riêng Butanol phun riêng xăng trình nạp nén Nhiệt độ mơi chất q trình nạp nén phun Butanol thấp chút so với phun xăng -108Hòa khí cuối q trình nén có hệ số tương đương cao tăng nhiệt độ khí nạp phạm vi từ 300-345K tăng tốc độ động phạm vi từ 20004500 v/ph Ảnh hưởng việc tăng nhiệt độ khí nạp tăng tốc độ động tới trình bay Butanol yếu so với xăng + Trong điều kiện bướm ga mở 100%, lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct=0,08g/ct, tốc độ động 2000v/ph, nhiệt độ khí nạp tăng từ mức 300K lên khoảng 315-345K, nồng độ tăng khoảng 2,5-11%, 6-16% ứng với phun riêng Butanol phun riêng xăng + Trong điều kiện bướm ga mở 100%, lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct=0,08g/ct, 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 1,011,37; hệ số tương đương hòa khí xăng/khơng khí tăng từ mức 1,25 lên 1,37-1,95 Phun hỗn hợp nhiên liệu pha trước (Butanol+xăng) cải thiện khả bay cho Butanol so với phun riêng rẽ Butanol/xăng, dẫn đến làm tăng tỷ lệ Bu hòa khí, 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 hoàn toàn, trường hợp nên phun sớm Butanol so với xăng Phun hai phía nhánh nạp đối xứng làm tăng đồng cho hòa khí, phun hai phía riêng rẽ xăng/Butanol tạo điều kiện phân khơng gian buồng cháy thành nửa trái xilanh có tỷ lệ Bu cao so với 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 GDI-BuPI thấp DI hỗn hợp Hòa khí DI hỗn hợp đồng so với BuDI-GPI GDI-BuPI -109- 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 xăng-Butanol với tỷ lệ Butanol từ 10 – 50% có tính kinh tế, kỹ thuật gần tương đồng phát thải ô nhiễm cải thiện so với sử dụng nhiên liệu xăng - 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 công 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 xăngButanol 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 Bu20Bu50 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% 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 -110từ 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 315-345K, 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 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 GDI-BuPI thấp DI hỗn hợp Hòa khí DI hỗn hợp đồng so với BuDI-GPI GDI-BuPI -111- 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 Cần đánh giá ảnh hưởng Butanol đến ăn mòn động tuổi thọ chi tiết động -112- DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Huỳnh Tấn Tiến, Trần Văn Nam, Trần Đinh 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 Toàn 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, ISBN 978-1-53863421-9, 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 -113- TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tiếng Việt: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Phạm Ngọc Đăng, "Các thách thức nhiễm mơi trường khơng khí nước ta" Tạp chí Bảo vệ mơi trường, 8, Tr 45-49, 2007 Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ, Nguyễn Hữu Lương, Nguyễn Đình Việt, Cấn Đình Hùng, "Đánh giá khả ứng dụng butanol động xăng để thay phần nhiên liệu truyền thống Việt Nam" Tạp chí Dầu khí, 08, Tr 3645, 2012 Huỳnh Tấn Tiến, Nguyễn Đình Lâm, Trần Văn Nam, "Đánh giá khả sử dụng butanol phối trộn vào xăng nhiên liệu" Tạp chí Khoa học cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, 1(50, Tr 57-64, 2012 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 Cơng nghệ ĐHĐN, 3(76), Tr 64-69, 2014 Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý động đốt NXB Giáo dục, Hà nội, 2000 Lê Văn Tụy, Bùi Ngọc Hân, "Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng góc đánh lửa sớm đến động ôtô sử dụng nhiên liệu xăng pha Butanol" Tạp chí khoa học cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, 10[71], Tr 56-61, 2013 Phạm Thanh Việt, "Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn tối ưu nhiên liệu sinh học Butanol với xăng RON95 sử dụng cho động ô tô " Luận văn Thạc sĩ, Đại học Đà Nẵng, 2013 Bộ Khoa học Công nghệ, "Thơng tư hướng dẫn trình tự, thủ tục đăng ký việc sử dụng phụ gia không thông dụng để sản xuất, chế biến, pha chế xăng nhiên liệu điezen," Cổng thơng tin Chính phủ, 2009 B Tiếng Anh: Avinash Kumar Agarwal, "Biofuels (alcohols and biodiesel) applications as fuels for internal combustion engines" Progress in energy and combustion science, 33, pp 233-271, 2007 FN Alasfour, "NOx emission from a spark ignition engine using 30% isobutanol–gasoline blend: part 1—preheating inlet air" Applied Thermal Engineering, 18, pp 245-256, 1998 FN Alasfour, "The effect of using 30% iso-butanol-gasoline blend on hydrocarbon emissions from a spark-ignition engine" Energy Sources, 21, pp 379-394, 1999 -114[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] Şehmus ALTUN, Cengiz ÖNER, Müjdat FIRAT, "Exhaust emissions from a spark-ignition engine operating on iso-propanol and unleaded gasoline blends" Technology, 13, pp 183-188, 2010 RW Anderson, DD Brehob, J Yang, JK Vallance, RM Whiteaker, "A new direct injection spark ignition (DISI) combustion system for low emissions" FISITA-96,1996 George S Baranescu, "Some characteristics of spark assisted direct injection engine," SAE Technical Paper 0148-7191, 1983 Syed Ameer Basha, K Raja Gopal, "In-cylinder fluid flow, turbulence and spray models—a review" Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, pp 1620-1627, 2009 Wai K Cheng, Douglas Hamrin, John B Heywood, Simone Hochgreb, Kyoungdoug Min, Michael Norris, "An overview of hydrocarbon emissions mechanisms in spark-ignition engines," SAE Technical Paper 0148-7191, 1993 Oğuzhan Doğan, "The influence of n-butanol/diesel fuel blends utilization on a small diesel engine performance and emissions" Fuel, 90, pp 2467-2472, 2011 VK Duggal, T-W Kuo, FB Lux, "Review of multi-fuel engine concepts and numerical modeling of in-cylinder flow processes in direct injection engines," SAE Technical Paper 0148-7191, 1984 Ashraf Elfasakhany, Abdel-Fattah Mahrous, "Performance and emissions assessment of n-butanol–methanol–gasoline blends as a fuel in spark-ignition engines" Alexandria Engineering Journal, 55, pp 3015-3024, 2016 Ashraf Elfasakhany, "Performance and emissions of spark-ignition engine using ethanol–methanol–gasoline, n-butanol–iso-butanol–gasoline and isobutanol–ethanol–gasoline blends: A comparative study" Engineering science and technology, an international journal, 19, pp 2053-2059, 2016 Bernhard Enright, Gary L Borman, Phillip S Myers, "A critical review of spark ignited diesel combustion" SAE Transactions, pp 1645-1662, 1988 Thaddeus Ezeji, Nasib Qureshi, Hans P Blaschek, "Production of acetone– butanol–ethanol (ABE) in a continuous flow bioreactor using degermed corn and Clostridium beijerinckii" Process Biochemistry, 42, pp 34-39, 2007 Mridul Gautam, Daniel W Martin, "Combustion characteristics of higheralcohol/gasoline blends" Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 214, pp 497-511, 2000 -115[24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] V Hönig, M Kotek, J Mařík, "Use of butanol as a fuel for internal combustion engines" Agronomy Research, 12, pp 333-340, 2014 V Hönig, M Orsák, M Pexa, Z Linhart, "The distillation characteristics of automotive gasoline containing biobutanol, bioethanol and the influence of the oxygenates" Agronomy Research, 13, pp 558-567, 2015 Y Iida, "The current status and future trend of DISC engines," Preprint of JSME Seminar (in Japanese), 1992, pp 72-6 Changho Kim, David E Foster, "Aldehyde and unburned fuel emission measurements from a methanol-fueled Texaco stratified charge engine," SAE Technical Paper 0148-7191, 1985 Kevin Kochersberger, Robert Emens, Ken Hyde, Raymond Parker, "An evaluation of the 1910 Wright Vertical Four aircraft engine," 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit, 2001, p 3387 JM Lewis, "UPS multifuel stratified charge engine development program-field test," SAE Technical Paper 0148-7191, 1986 J Mařík, M Pexa, M Kotek, V Hönig, "Comparison of the effect of gasolineethanol E85-butanol on the performance and emission characteristics of the engine Saab 9-5 2.3 l turbo" Agronomy Research, 12, pp 359-366, 2014 Francis K Mason, Messerschmitt Bf 109: F-G in Luftwaffe and Foreign Services/Text by Francis K Mason, 1973 RS Miller, K Harstad, J Bellan, "Evaluation of equilibrium and nonequilibrium evaporation models for many-droplet gas-liquid flow simulations" International Journal of Multiphase Flow, 24, pp 1025-1055, 1998 Shelley Minteer, Alcoholic fuels CRC Press, 2016 E Mitchell, Martin Alperstein, JM Cobb, CH Faist, "A stratified charge multifuel military engine-a progress report," SAE Technical Paper 0148-7191, 1972 CHR Mundo, M Sommerfeld, C Tropea, "Droplet-wall collisions: experimental studies of the deformation and breakup process" International journal of multiphase flow, 21, pp 151-173, 1995 Tran Van Nam, Huynh Tan Tien, Nguyen Dinh Lam, "Experimental Research on Fuel Contained Gasoline A92 and 10% Butanol for Automobile Engines" Journal of Science and Technology, The University of Danang, 3, pp 184-189, 2012 -116[37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] Marcin Noga, Bronisław Sendyka, "Combustion process in the spark-ignition engine with dual-injection system" 2013 H Nohira, S Ito, "Development of Toyota’s direct injection gasoline engine," Proceedings of AVL Engine and Environment Conference, 1997, pp 239-49 Peter J O'Rourke, Anthony A Amsden, "The TAB method for numerical calculation of spray droplet breakup," SAE Technical Paper 0148-7191, 1987 Y Ohyama, T Nogi, M Ohsuga, "Effects of fuel/air mixture preparation on fuel consumption and exhaust emission in a spark ignition engine," XXIV FISITA congress London The vehicle and the environment, 1992 IJ Park, YH Yoo, JG Kim, DH Kwak, WS Ji, "Corrosion characteristics of aluminum alloy in bio-ethanol blended gasoline fuel: Part The effects of dissolved oxygen in the fuel" Fuel, 90, pp 633-639, 2011 SR Pierson, S Richardson, PA Rubini, MC Jermy, DA Greenhalgh, "Laser characterization of a port fuel injector to provide boundary data for computational fluid dynamics," IMechE Conference Transactions, 2000, pp 167-178 C Preussner, C Döring, S Fehler, S Kampmann, "GDI: Interaction between mixture preparation, combustion system and injector performance," SAE Technical Paper 0148-7191, 1998 WE Ranz, W R_ Marshall, "Evaporation from drops" Chem Eng Prog, 48, pp 141-146, 1952 Sergei S Sazhin, "Advanced models of fuel droplet heating and evaporation" Progress in energy and combustion science, 32, pp 162-214, 2006 SS Sazhin, T Kristyadi, WA Abdelghaffar, MR Heikal, "Models for fuel droplet heating and evaporation: comparative analysis" Fuel, 85, pp 16131630, 2006 Harish Sivasubramanian, Yashwanth Kutti Pochareddy, Gopinath Dhamodaran, Ganapathy Sundaram Esakkimuthu, "Performance, emission and combustion characteristics of a branched higher mass, C3 alcohol (isopropanol) blends fuelled medium duty MPFI SI engine" Engineering Science and Technology, an International Journal, 20, pp 528-535, 2017 S Szwaja, JD Naber, "Combustion of n-butanol in a spark-ignition IC engine" Fuel, 89, pp 1573-1582, 2010 Y Takagi, "The role of mixture formation in improving fuel economy and reducing emissions of automotive SI engines" FISITA Technical Paper,1996 -117[50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] LRKRWDR Talbot, RK Cheng, RW Schefer, DR Willis, "Thermophoresis of particles in a heated boundary layer" Journal of fluid mechanics, 101, pp 737758, 1980 Terutoshi Tomoda, Shizuo Sasaki, Daisaku Sawada, Akinori Saito, Hiroshi Sami, "Development of direct injection gasoline engine-study of stratified mixture formation" SAE transactions, pp 759-766, 1997 Cinzia Tornatore, Luca Marchitto, Gerardo Valentino, Felice Esposito Corcione, Simona Silvia Merola, "Optical diagnostics of the combustion process in a PFI SI boosted engine fueled with butanol–gasoline blend" Energy, 45, pp 277-287, 2012 Wojciech Tutak, Kristof Lukacs, Stanisław Szwaja, Akos Bereczky, "Alcohol–diesel fuel combustion in the compression ignition engine" Fuel, 154, pp 196-206, 2015 Benjamin R Wigg, "A study on the emissions of butanol using a spark ignition engine and their reduction using electrostatically assisted injection" 2011 Charles D Wood, "Unthrottled open-chamber stratified charge engines," SAE Technical Paper 0148-7191, 1978 Jing Yang, Yong Wang, Renhua Feng, "The performance analysis of an engine fueled with butanol-gasoline blend," presented at the SAE 2011 World Congress & Exhibition Hunan University, 2011 IM Yusri, Rizalman Mamat, AF Yusop, WH Azmi, Omar Awad, Hafizil Mat Yasin, "Investigation of influences of secondary butyl-alcohol blends on performance and cycle-to-cycle variations in a spark ignition engines" Energy Procedia, 110, pp 310-315, 2017 Zhijin Zhang, Tianyou Wang, Ming Jia, Qun Wei, Xiangzan Meng, Gequn Shu, "Combustion and particle number emissions of a direct injection spark ignition engine operating on ethanol/gasoline and n-butanol/gasoline blends with exhaust gas recirculation" Fuel, 130, pp 177-188, 2014 Fu-Quan Zhao, Ming-Chia Lai, David L Harrington, "The spray characteristics of automotive port fuel injection—a critical review" SAE transactions, pp 399-432, 1995 Fu-Quan Zhao, Ming-Chia Lai, David L Harrington, "A review of mixture preparation and combustion control strategies for spark-ignited directinjection gasoline engines" SAE transactions, pp 861-904, 1997 Fuquan Zhao, M-C Lai, David L Harrington, "Automotive spark-ignited direct-injection gasoline engines" Progress in energy and combustion science, 25, pp 437-562, 1999 -118C Website: [62] [63] [64] [65] http://www.lexusv8engines.co.za/1uz-fe-vvt-i-4l-v8/ https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/17.0/enus/help/wb_icom/wb_icom.html http://vbpl.vn/bogiaothong/Pages/vbpq-toanvan.aspx?ItemID=26788 http://vea.gov.vn/vn/tintuc/tintuchangngay/Pages ... cháy cách chuyên sâu động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Vì Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol động đánh lửa cưỡng bức có ý nghĩa khoa học thiết thực Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng... đến khả sản xuất Butanol sinh học nghiên cứu để ứng dụng làm nhiên liệu sinh học Chương nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu đặc điểm trình sử dụng nhiên liệu sinh học pha Butanol Từ đề xuất... việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho động đốt nhiều trung tâm, viện nghiên cứu nhà khoa học đặc biệt quan tâm Sau hàng loạt thực nghiệm nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học động cơng
Ngày đăng: 28/10/2019, 11:10
Xem thêm: Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học butanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức
