Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel 4 xy-lanh Hyundai D4BB khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiel có tỷ lệ ethanol lớn.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 064-069 Nghiên cứu ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel với tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tính kỹ thuật phát thải động diesel Effect of High Ethanol Content Diesel-Ethanol-Biodiesel Blends on Performance and Emissions of a Diesel Engine Phạm Hữu Tuyến1*, Phạm Minh Tuấn1, Nguyễn Văn Nhỉnh1,2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên - Dân Tiến, Khoái Châu, Hưng Yên, Việt Nam Đến Tòa soạn: 26-01-2020; chấp nhận đăng: 25-09-2020 Tóm tắt Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) ethanol sinh học cho động đốt vấn đề cấp thiết nhằm giải vấn đề thiếu hụt nguồn nhiên liệu khống nhiễm mơi trường Bài báo trình bày kết nghiên cứu mơ tính kỹ thuật phát thải động diesel xy-lanh Hyundai D4BB sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiel có tỷ lệ ethanol lớn Mơ hình động hiệu chuẩn thực nghiệm băng thử với nhiên liệu diesel khoáng Kết cho thấy sử dụng hỗn hợp DE10B5 (85% diesel-10% ethanol-5% biodiesel), DE30B5 (65% diesel-30% ethanol–5% biodiesel), DE50B5 (45% diesel-50% ethanol–5% biodiesel), theo đường đặc tính ngồi cơng suất động giảm suất tiêu hao nhiên liệu tăng so với sử dụng diesel Trong đó, hàm lượng phát thải CO, NOx, muội than khí thải giảm chế độ làm việc động Từ khóa: Nhiên liệu sinh học, hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel, khí thải, động diesel Abstract Research on using biodiesel and bioethanol for an internal combustion engine is necessary to solve the shortage of mineral fuels and environmental pollution This paper presents the results of simulating the engine performance and emissions of a Hyundai D4BB 4-cylinder diesel engine when using high ethanol content diesel-ethanol-biodiesel blends The model of engine fueled by fossil diesel was calibrated and validated by experiment which was carried out on engine test benches The result shows that, when using blends including DE10B5 (85% diesel-10% ethanol-5% biodiesel), DE30B5 (65% diesel-30% ethanol-5% biodiesel), DE50B5 (45% diesel-50% ethanol-5% biodiesel), engine power decreases and fuel consumption increases at full load whereas the concentration of CO, NOx, soot emissions decreases at all operation loads as compared to that when using fossil diesel Keywords: biofuel, diesel-ethanol-biodiesel blends, emissions, diesel engine Đặt vấn đề * Hiện nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt nhiễm mơi trường từ khí thải động đốt ngày tăng nên việc tìm kiếm ứng dụng loại nhiên liệu thay sử dụng cho động đốt trong, đặc biệt nhiên liệu sinh học, xu hướng chung nhiều nước giới Nhiên liệu sinh học, phổ biến diesel sinh học (biodiesel) ethanol sinh học (bioethanol), có nguồn gốc từ động, thực vật nhiên liệu có khả tái tạo thân thiện với mơi trường Do biodiesel có tính chất tương tự với diesel khoáng ethanol tương tự xăng khoáng nên thơng thường biodiesel phối trộn với diesel khống sử dụng động diesel, ethanol phối trộn với xăng khoáng sử dụng động xăng Bên cạnh đó, số nghiên cứu bước đầu phối trộn ethanol với diesel khoáng biodiesel làm nhiên liệu cho động diesel Suhan Park nghiên cứu thuộc tính hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel [1] cho thấy biodiesel đóng vai trị chất phụ gia chống tách pha, tăng độ bền tăng trị số Xê-tan hỗn hợp T Krishnaswamy nghiên cứu hỗn hợp 85% diesel-15% ethanol, 80% diesel-10% ethanol-10% biodiesel 65% diesel15% ethanol-20% biodiesel [2] thấy hỗn hợp có độ nhớt tương tự diesel có độ bền tách pha tốt hỗn hợp diesel-ethanol Thử nghiệm hỗn hợp nhiên liệu động diesel xy-lanh có lắp xử lý xúc tác ơ-xy hóa cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu tăng khoảng 5% nhiệt trị hỗn hợp giảm, nhiên hiệu suất nhiệt không thay đổi, phát thải độ khói giảm mạnh, tới khoảng 20%, NO giảm khoảng 5% chế độ tải lớn, HC CO có xu hướng tăng nhẹ Nadir Yilmaz thử nghiệm với tỷ lệ phối trộn cao hơn, 45% biodiesel - 10% ethanol 45% diesel 40% biodiesel - 20% ethanol - 40% diesel động diesel xy-lanh, phun trực tiếp chế độ tải [3] cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu * Địa liên hệ: Tel.: (+84) 346504599 Email: tuyen.phamhuu@hust.edu.vn 64 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 064-069 cung cấp, QW nhiệt lượng tổn thất cho thành vách, hBB enthalpy khí lọt, mBB lượng khí lọt, mi lượng khí vào xy-lanh, hi enthalpy khí vào xy-lanh, me lượng khí khỏi xy-lanh, he enthalpy khí xy-lanh, qev nhiệt bay nhiên liệu, f phần nhiệt bay môi chất, mev lượng nhiên liệu bay hơi, α góc quay trục khuỷu tăng khoảng 25%, phát thải HC CO tăng mạnh chế độ tải nhẹ tăng tải lớn, NO giảm trung bình khoảng 25% tăng nồng độ ethanol hỗn hợp Như hỗn hợp dieselethanol-biodiesel giải pháp tốt để giảm NO, nhiên chất lượng khí thải nói chung phụ thuộc nhiều vào chế độ làm việc động tỷ lệ trộn ethanol Ở Việt Nam, nghiên cứu sử dụng loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học thân thiện với môi trường quan tâm Năm 2007, Chính phủ phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 [4] Theo đó, nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu quốc gia vào năm 2015 5% vào năm 2025 Với mạnh lớn sắn nên Việt Nam có khả đảm bảo đủ nguồn nguyên liệu cho nhà máy sản xuất cồn ethanol nhiên liệu [5] Tuy nhiên diesel sinh học chưa đạt nhiều kết mong muốn việc phát triển vùng nguyên liệu đòi hỏi thời gian khó khăn nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ, thiết bị phù hợp [6] Do vậy, việc phối trộn ethanol với diesel khoáng tăng khả sử dụng nhiên liệu sinh học thay cho nhiên liệu khoáng Bài báo đánh giá ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol, diesel-ethanol-biodiesel tới tính kỹ thuật phát thải động diesel lưu hành Việt Nam Biến thiên khối lượng môi chất xy-lanh tính tổng khối lượng mơi chất vào trừ khối lượng khỏi xy-lanh dmc dm dm dm dm i e BB ev dα d d d dt Kết hợp với phương trình trạng thái: pc mc R0Tc V giải phương trình nhiệt động để xác định áp suất nhiệt độ xy-lanh động - Mơ hình cháy Q trình cháy động diesel chia thành bốn giai đoạn: cháy trễ, cháy nhanh, cháy cháy rớt [8] Tuy nhiên, nhiệt lượng tỏa trình cháy chủ yếu giai đoạn cháy nhanh cháy nên trình cháy mơ tả sau [7,9,10]: Phương pháp nghiên cứu dQtotal dQPMC dQMCC dα d d Nghiên cứu thực theo phương pháp tính tốn mơ phần mềm AVL Boost, mơ hình kiểm chứng thực nghiệm băng thử động Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu khí thải thuộc Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Mơ hình truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua thành xy-lanh, piston, nắp máy ngồi tính tốn dựa vào phương trình truyền nhiệt sau 2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn phần mềm AVL Boost Qwi Ai w (Tc Twi ) Hệ số truyền nhiệt thường xác định theo mơ hình Woschni [7, 11] Trong phần mềm AVL Boost mơ hình động diesel xây dựng tính tốn thơng qua mơ hình sau: Mơ hình nhiệt động, mơ hình cháy, mơ hình truyền nhiệt, mơ hình hình thành phát thải 130 D , p c0 , T c , 53 V Tc ,1 [C1c m C ( p c p c , )]0,8 p c ,1 Vc ,1 - Mơ hình nhiệt động Trạng thái nhiệt động môi chất công tác xy-lanh động xác định sở cân lượng xy-lanh động [7] w - Mô hình hình thành phát thải Mơ hình tính tốn phát thải NOx Theo phương trình nhiệt động học thứ nhất, ta có: Phát thải NOx tính tốn dựa phản ứng chuỗi Zeldovich [7, 12] d(m c u) dQ w dm BB dV dQ F -p c - - hBB dα dα dα dα dα dm dm dm i hi e he -qev f ev dα dα dt Trong đó, mc khối lượng mơi chất bên xylanh, u nội năng, pc áp suất bên xy-lanh, V thể tích xy-lanh, QF nhiệt lượng nhiên liệu Mơ hình tính tốn phát thải CO Tốc độ phản ứng tạo thành CO tính theo công thức [7]: d C O dt 65 C O R1 R CO e Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 064-069 Mơ hình tính tốn phát thải muội than (soot) 2.3 Động nghiên cứu Động nghiên cứu động diesel Hyundai D4BB Đây động diesel xy-lanh thẳng hàng sử dụng phổ biến xe tải Hyundai 1.25 lưu hành Việt Nam Thông số kỹ thuật động D4BB trình bày Bảng Tốc độ gia tăng khối lượng muội than hiệu số tốc độ hình thành tốc độ ơ-xy hóa muội than [13]: dm S , f dm S , ox dm S dt dt dt Bảng Thông số kỹ thuật động diesel D4BB Mơ hình nhiên liệu Thông số kỹ thuật Kiểu động Nhiên liệu xác định thơng qua tính chất lý, hóa, nhiệt định nghĩa theo phương trình sau [7]: C p R a a T a 3T a 4T a 5T Thứ tự nổ Thể tích cơng tác (lít) Đường kính xy-lanh (mm) x Hành trình piston (mm) Cơng suất định mức/tốc độ động (kW/v/ph) Mômen lớn nhất/tốc độ động (Nm/v/ph) Tỷ số nén Kiểu hệ thống nhiên liệu H a a a a a a1 T T T T RT T S0 a3 a4 a5 a ln T a T T T T a7 RT với cp nhiệt dung riêng đẳng áp; H0 S0 entanpy entropy; a1 đến a7 số xác định riêng cho loại nhiên liệu 2.2 Nhiên liệu nghiên cứu Nhiên liệu nghiên cứu hỗn hợp diesel khoáng, ethanol biodiesel gồm hỗn hợp 85% diesel10% ethanol-5% biodiesel (DE10B5), 65% diesel30% ethanol-5% biodiesel (DE30B5), 45% diesel50% ethanol-5% biodiesel (DE50B5) Tại Việt Nam chưa có nguồn nguyên liệu đủ lớn để đáp ứng yêu cầu sản xuất biodiesel nhiên liệu, nguyên liệu để chế biến ethanol lại dồi Do vậy, nghiên cứu sử dụng 5% biodiesel với vai trò phụ gia hỗn hợp, ethanol sử dụng với tỷ lệ lớn để phát huy tiềm sản xuất ethanol nhiên liệu Giá trị Diesel, xy-lanh, thẳng hàng, không tăng áp 1-3-4-2 2.607 91.1x100 59/4000 165/2200 22 Cơ khí truyền thống 2.4 Xây dựng hiệu chuẩn mơ hình động Với sở lý thuyết tính tốn trên, mơ hình động diesel hyundai D4BB xây dựng phần mềm mơ AVL Boost (Hình 1) Một số tính chất nhiên liệu trước phối trộn thể Bảng Bảng Thông số tính chất lý hóa nhiên liệu [14,15]: Các tiêu Tỷ trọng 150C (kg/m3) Độ nhớt động học 400C, mm2/s Trị số Xê-tan Trị số Ốc tan Nhiệt trị (MJ/kg) Hàm lượng lưu huỳnh, % khối lượng Diesel Ethanol Biodiesel từ dầu cọ 837 789 869 3.14 - 4.1 53 - 110 65 - 43 26.8 39.9 0.05 - 0.004 Hình Mơ hình động D4BB Để đảm bảo độ tin cậy mơ hình, động diesel D4BB sử dụng diesel thử nghiệm băng thử với trang thiết bị chuyên dụng gồm phanh điện APA 100, thiết bị đo áp suất xy-lanh, tốc độ động Kết thử nghiệm sử dụng để hiệu chuẩn mơ hình động Sau mơ hình động hiệu chuẩn, kết mô thực 66 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 064-069 nghiệm chế độ làm việc khác so sánh Ở chế độ toàn tải, tốc độ 2000 v/ph, sai lệch công suất 4.41%, suất tiêu hao nhiên liệu 4.23%, diễn biến áp suất xy-lanh theo góc quay trục khuỷu phù hợp với (Hình 2) Kết cho thấy mơ hình đảm bảo độ tin cậy đáp ứng yêu cầu cho nghiên cứu mơ (Hình 4) phù hợp với giảm công suất động Với hỗn hợp DE10B5, DE30B5, DE50B5, trung bình suất tiêu hao nhiên liệu tăng tương ứng 6.56%, 12.37%, 19.73% Tương tự, theo đặc tính tải 2000 vịng/phút, suất tiêu hao nhiên liệu tăng trung bình 6.85%, 12.33%, 18.42% với DE10B5, DE30B5, DE50B5 (Hình 5) - Kết tính tốn phát thải Khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanolbiodiesel, thành phần CO khí thải có xu hướng giảm Tăng tỷ lệ ethanol hỗn hợp, mức giảm CO lớn So với diesel, hỗn hợp DE10B5, DE30B5, DE50B5 giảm CO trung bình tương ứng 37.04%, 53.29%, 65.87% theo đường đặc tính ngồi (Hình 6) 21.9%, 31.15%, 39.45% trung bình theo đường đặc tính tải (Hình 7) Hàm lượng ơ-xy có ethanol biodiesel lầm lượt khoảng 34.7% and 8.4% Diesel phối trộn ethanol biodiesel bổ sung thêm ô-xy làm giảm vùng thiếu ô-xy buồng cháy, thúc đẩy q trình hồn tồn dẫn tới lượng CO khí thải giảm Bên cạnh đó, hàm lượng thành phần C nhiên liệu hỗn hợp thấp so với diesel góp phần giảm hình thành CO khí thải Hình Diễn biến áp suất xy-lanh mô (MP) thực nghiệm (TN) Nghiên cứu tính kỹ thuật phát thải động diesel D4BB sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel 3.1 Chế độ mô Động mô chế độ làm việc sau: - Theo đường đặc tính ngồi: chế độ tải 100%, tốc độ từ 1000 v/ph đến 3500 v/ph - Theo đường đặc tính tải: chế độ tương ứng với 25%, 50%, 75% tải (mômen) sử dụng diesel 100% ga tốc độ 2000 v/ph 3.2 Kết mô tính kỹ thuật phát thải động Hình Cơng suất động 100% tải - Kết tính tốn tính kỹ thuật động Công suất động chế độ 100% tải với hỗn hợp nhiên liệu tính tốn tốc độ khác theo đường đặc tính ngồi (Hình 3) Công suất động lớn tốc độ đạt sử dụng nhiên liệu diesel Tỷ lệ ethanol nhiên liệu tăng lên có xu hướng làm giảm cơng suất động Trung bình tồn dải tốc độ, sử dụng DE10B5, DE30B5, DE50B5 công suất động giảm tương ứng 6.88%, 13.40%, 19.77% so với sử dụng diesel Sự giảm công suất gây ethanol có nhiệt trị nhỏ đáng kể so với diesel (27 MJ/kg so với 45.8 MJ/kg) nên tăng tỷ lệ ethanol nhiệt trị hỗn hợp giảm xuống dẫn tới giảm công suất Suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu tăng lên Hình Suất tiêu hao nhiên liệu động 100% tải 67 Tạp chí Khoa học Công nghệ 145 (2020) 064-069 Hàm lượng muội than (soot) giảm đáng kể sử dụng DE10B5, DE30B5, DE50B5 trung bình tồn dải tốc độ theo đường đặc tính ngồi mức giảm tương ứng 17.91%, 22.80%, 22.15% (Hình 10) Tương tự theo đặc tính tải 2000 v/ph hàm lượng soot giảm 3.94%, 15.65%, 7.12% (Hình 11) Điều giải thích lượng ơ-xy sẵn có nhiên liệu làm giảm vùng hỗn hợp giàu, thiếu ô-xy, đồng thời nhiên liệu DE10B5, DE30B5, DE50B5 có tỷ lệ C/H nhỏ so với diesel thơng thường dẫn tới giảm hình thành muội than Hình Suất tiêu hao nhiên liệu 2000 v/ph Hình Hàm lượng CO 100% tải Hình Hàm lượng NOx 100% tải Hình Hàm lượng NOx 2000 v/ph Hình Hàm lượng CO 2000 v/ph Hàm lượng NOx sử dụng DE10B5, DE30B5, DE50B5 giảm so với nhiên liệu diesel khoáng Cụ thể theo đường đặc tính ngồi hàm lượng NOx giảm trung bình 14.63%, 21.21%, 21.13% DE10B5, DE30B5, DE50B5 so với diesel (Hình 8) Tương tự theo đặc tính tải 2000 v/ph, hàm lượng NOx giảm trung bình 13.75%, 18.42% 21.03% (Hình 9) Sự hình thành NOx phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ cực đại q trình cháy lượng ơ-xy sẵn có môi chất cháy Mặc dù hàm lượng ô-xy cao hơn, nhiên hỗn hợp DE10B5, DE30B5, DE50B5 có trị số Xê-tan thấp diesel nên thời gian cháy trễ kéo dài, với nhiệt trị thấp làm giảm nhiệt độ cực đại chu trình tới lượng NOx giảm Hình 10 Hàm lượng soot 100% tải 68 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 145 (2020) 064-069 oxygennated biofuel blends ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol 7, No.1 (2012), ISSN 1819-6608, Hình 11 Hàm lượng soot 2000 v/ph Kết luận Kết nghiên cứu mô đánh giá ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu có tỷ lệ ethanol lớn tới tính kỹ thuật phát thải động diesel lưu hành Việt Nam Với hỗn hợp DE10B5, DE30B5, DE50B5, cơng suất động có xu hướng giảm suất tiêu hao nhiên liệu động tăng Mức độ thay đổi rõ rệt tăng tỷ lệ ethanol hỗn hợp Chất lượng khí thải cải thiện thể qua kết giảm thành phần CO, NOx muội than sử dụng hỗn hợp nhiên liệu so với diesel Các kết bước đầu cho thấy ưu điểm việc phối trộn ethanol với diesel khống biodiesel, góp phần thúc đẩy sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông nói riêng động đốt nói chung T Krishnaswamy, N Shenbaga Vinayaga Moorthi, Performance evaluation of diesel engine with Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg việc phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 [5] http://khcncongthuong.vn/tin-tuc/t1892/tiem-nangphat-trien-san-xuat-nhien-lieu-sinh-hoc-o-vietnam.html [6] Hồ Sĩ Thoảng, Thách thức triển vọng nhiên liệu tương lai – Góc nhìn từ Việt Nam Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 50 (6) (2012) 899-922 [7] AVL Boost Theory, version 2011 [8] Phạm Minh Tuấn, Lý thuyết động đốt NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [9] Chmela, F., Orthaber G, Rate of heat release prediction for direct injection diesel engines based on purely mixing controlled combustion SAE Paper 1999-01-0186 (1999) [12] Pattas K., Häfner G., Stickoxidbildung bei der ottomotorischen Verbrennung MTZ Nr 12 (1973) 397-404 [13] Schubiger R.A., Boulouchos K., Eberle M.K., Rußbildung und Oxidation bei der dieselmotorischen Verbrennung MTZ 5/2002 (2002) 342-353 [14] Ðinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng, Nhiên liệu q trình xử lý hóa dầu NXB Khoa học kỹ thuật, 2008 Tài liệu tham khảo [2] [4] [11] Woschni, G., A Universally Applicable Equation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in Internal Combustion Engines, SAE 670931 (1967) Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) đề tài mã số T2018PC-041 Su Han Park, Se Hun Kim, Chang Sik Lee, Mixing stability and spray behavior characteristics of dieselethanol-methyl ester blended fuels in a common-rail diesel injection system, Energy Fuels, Vol 23 (2009) 5228–5235 Nadir Yilmaz, Comparative analysis of biodieselethanol-diesel and biodiesel-methanol -diesel blends in a diesel engine Energy, Vol 40 (2012) 210-213 [10] P.A Lakshminarayanan, Yogesh V.Aghav, Modelling Diesel Combustion Springer, 2010 Lời cảm ơn [1] [3] [15] Vu Nguyen Hoang, Ha Thi Thu Vu, et al Esterification of Waste Fatty Acid from Palm Oil Refining Process into Biodiesel by Heterogeneous Catalysis: Fuel Properties of B10, B20 Blends International Journal of Renewable Energy and Environmental Engineering ISSN 2348-0157, Vol 01, No 01 (2013) 69 ... luận Kết nghiên cứu mô đánh giá ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu có tỷ lệ ethanol lớn tới tính kỹ thuật phát thải động diesel lưu hành Việt Nam Với hỗn hợp DE10B5, DE30B5, DE50B5, cơng suất động có... trộn ethanol với diesel khoáng tăng khả sử dụng nhiên liệu sinh học thay cho nhiên liệu khoáng Bài báo đánh giá ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu diesel -ethanol, diesel -ethanol- biodiesel tới tính kỹ thuật. .. tải với hỗn hợp nhiên liệu tính tốn tốc độ khác theo đường đặc tính ngồi (Hình 3) Cơng suất động lớn tốc độ đạt sử dụng nhiên liệu diesel Tỷ lệ ethanol nhiên liệu tăng lên có xu hướng làm giảm cơng