Nghiên cứu mô phỏng tính năng động cơ xăng lắp trên ô tô sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5%

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN KIM VIỆT NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ XĂNG LẮP TRÊN Ô TÔ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ ETHANOL LỚN HƠN 5% LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS PHẠM MINH TUẤN Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu độc lập khơng chép người khác Các nguồn tài liệu trích dẫn, số liệu sử dụng nội dung chuyên đề trung thực Đồng thời xin cam đoan kết q trình nghiên cứu chưa cơng bố chương trình nghiên cứu khác Tác giả luận văn TRẦN KIM VIỆT MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích nghiên cứu 12 1.3 Giới hạn nghiên cứu 12 1.4 Những nghiên cứu xăng sinh học với tỷ lệ pha > 5% 13 1.4.1.Tình hình sản xuất sử dụng bioethanol giới 13 1.4.2 Tình hình sản xuất sử dụng ethanol khu vực 15 1.4.3 Tình hình sản xuất sử dụng ethanol Việt Nam 15 1.5 Phương pháp nghiên cứu 19 1.6 Nội dung thực 19 1.7 Kết luận chương I 20 CHƯƠNG II: NHIÊN LIỆU SINH HỌC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ 21 ĐỐT TRONG 21 2.1 Các loại nhiên liệu sinh học 21 2.1.1 Giới thiệu chung nhiên liệu cồn sinh học 21 2.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học phương pháp tổng hợp 21 2.2.3 Metyl este 25 2.2 Nhiên liệu sinh học xăng pha cồn 28 2.2.1 Cấu tạo 28 2.2.2 Tính chất 29 2.3 Thực trạng sản xuất sử dụng nhiên liệu sinh học Việt Nam 33 2.3.1 Thực trạng tính kinh tế 33 2.3.2 Chiến lược phát triển sử dụng nhiên liệu sinh học nước ta 34 2.4 Kết luận chương II 35 CHƯƠNG III: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ AVL BOOST 37 3.1 Giới thiệu chung 37 3.1.1 Giới thiệu phần mềm AVL Boost 37 3.1.2 Tính 38 3.1.3 Tính áp dụng 38 3.1.4 Giao diện phần mềm AVL Boost 39 3.1.5 Các phần tử chương trình 40 3.1.6 Trình tự mô Boost 44 3.2 Cơ sở lý thuyết 45 3.2.1 Mơ hình hỗn hợp nhiên liệu 45 3.2.2 Mơ hình cháy 47 3.2.3 Mơ hình truyền nhiệt 53 3.2.4 Quá trình hình thành phát thải 57 3.3 Qui trình áp dụng 64 3.3.1 Xây dựng mơ hình 64 3.3.2 Nhập liệu cho mơ hình 65 3.3.3 Chạy mơ hình 66 3.4 Kết luận chương III 68 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC .69 E > 5% BẰNG PHẦN MỀM BOOST 69 4.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học 69 4.1.1 Giới thiệu chung 69 4.1.2 Sử dụng ethanol cho phương tiện giao thông 69 4.2.Giải pháp cải tiến động nâng tỷ lệ cồn ethanol nhiên liệu 73 4.2.1 Động ô tô 73 4.2.1.1 Đặc tính trình cháy 73 4.2.1.2 Công suất động 74 4.2.1.3 Suất tiêu hao nhiên liệu 75 4.2.1.4 Khí thải nhiễm 75 4.3 Kết luận chương IV 76 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .80 DANH MỤC PHỤ LỤC 82 PHỤ LỤC 83 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU VOC: Là hàm lượng hỗ hợp chất hữ độc hại bay nên khơng khí làm ô nhiễm môi trường mC: Khối lượng môi chất bên xylanh u: Nội pcyl: Áp suất bên xylanh V: Thể tích xylanh QF : Nhiệt lượng nhiên liệu cung cấp α : Góc quay trục khuỷu hBB: Trị số enthalpy D: Đường kính xylanh Cm:Tốc độ trung bình piston M: Là khối lượng mol phân tử khí chưa cháy [kg/kmol] R: Là số khí [J/(kmol K] Tpiston : Là nhiệt độ piston [K] wF : Là tỷ lệ khối lượng nhiên liệu lớp dầu [-] t: Là thời gian [s] r: Là vị trí tâm lớp dầu (tính từ thành xylanh) [m] DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số nhà máy sản xuất ethanol Việt Nam 16 Bảng 1.2 Các thông số động ô tô Toyota – 5A 19 Bảng 2.1 Tính chất vật lý cồn ethanol 30 Bảng 2.2 So sánh nhiên liệu sinh học với nhiên liệu dầu mỏ 33 Bảng 3.1 Các lệnh phần mềm AVL BOOST 40 Bảng 3.2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx Hệ số tốc độ mơ hình 63 Bảng 3.3 Thơng số kỹ thuật động Toyota – 5A 64 Bảng 3.4 Số lượng phần tử để hoàn thiện mơ hình 65 Bảng 3.5.Các thông số điều khiển chung 66 Bảng 3.6 Kết so sánh cơng suất chạy mơ mơ hình 67 Bảng 3.7 Công suất không thay đổi cấp nhiên liệu xăng pha ethanol 67 Bảng 3.8 Thay đổi công suất với loại hỗ hợp xăng pha ethanol 68 Bảng 4.1 Những yêu cầu cải tiến động cần thiết tăng tỷ lệ ethanol hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol [16] 72 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Số lượng tơ xe máy hoạt động hàng năm Việt Nam Hình 1.2 Tỷ lệ phát thải khí gây nhiễm theo nguồn phát thải Việt Nam năm 2008 10 Hình 1.3 Lượng khí thải CO 10 Hình 1.4 Tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm phương tiện giới đường 10 Hình 1.5 Tỷ lệ tơ, xe máy theo số năm sử dụng Hà Nội năm 2009 11 Hình 1.6 Biểu đồ sản xuất ethanol giới năm 2006 13 Hình 1.7 Sản lượng ethanol nhiên liệu giới năm 2008 14 Hình 1.8 Biểu đồ sản xuất nhiên liệu sinh học giới đến năm 2007, [3]14 Hình 1.9 Tình hình sản xuất ethanol giới (triệu gallons), [4] 15 Hình1 10 Nhà máy sản xuất ethanol Quảng Ngãi 16 Hình 1.11 Cây xăng bán xăng ethanol Việt Nam 17 Hình 2.1 Quy trình sản xuât methanol cơng nghiệp [3] 22 Hình 2.2 Lượng ethanol sản xuất toàn giới, [4] 23 Hình 2.3 Quy trình sản xuất ethanol 24 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống cải tiến động diesel để dùng nhiên liệu dầu thực vật 25 Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL Boost 39 Hình 3.2 Giao diện thơng số điều khiển ban đầu 45 Hình 3.3 Giao diện mơ tả thiết lập mơ hình hỗn hợp nhiên liệu 46 Hình 3.4 Màng lửa tới thành xylanh bắt đầu tượng cháy sát vách 52 Hình 3.5 Sự hình thành hỗn hợp khí bên bên xi lanh 53 Hình 3.6 Xupap 57 Hình 3.7 Tỷ lệ mol CO dự đoán: hàm lượng CO cân CO động học (tốc độ động 3000rpm, toàn tải, A/F = 12,6) 58 Hình 3.8 Tỷ lệ mol dự đốn CO theo hàm góc đánh lửa sớm hệ số dư lượng khơng khí (tốc độ động 3000rpm, tồn tải) 59 Hình 3.9 Tỷ lệ mol dự đoán HC theo hàm góc đánh lửa sớm hệ số dư lượng khơng khí (tốc độ động 3000rpm, tồn tải) 62 Hình 3.10 Mơ hình mơ 65 Hình 4.2 Diễn biến áp suất nhiệt độ xylanh động 73 Hình 4.3 Diễn biến tốc độ toả nhiệt xylanh động 73 Hình 4.4 Sự thay đổi công suất động so với sử dụng xăng 74 Hình 4.5 Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để công suất động không đổi 74 Hình 4.6 Suất tiêu hao nhiên liệu động so với sử dụng xăng 75 Hình 4.7 Thay đổi phát thải CO sử dụng xăng pha cồn so với sử dụng xăng 76 Hình 4.8 Thay đổi phát thải HC sử dụng xăng pha cồn so với sử dụng xăng 76 Hình 4.9 Thay đổi phát thải NOx sử dụng xăng pha cồn so với sử dụng xăng 76 LỜI MỞ ĐẦU Động đốt có vai trị quan trọng phát triển kinh tế giới, nguồn động lực chủ yếu cho phát triển giao thông, xây dựng, khai khoáng… Nhiên liệu cung cấp cho động đốt xăng diesel, nhiên loại nhiên liệu có xuất xứ từ dầu mỏ hay nói cách khác nhiên liệu hóa thạch dự báo cạn kiệt vòng vài chục năm tới nhu cầu khai thác sử dụng ngày gia tăng người Do đó, nhiều nước giới tìm cách phát triển nguồn nhiên liệu thay khác, phải kể đến nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học loại nhiên liệu hình thành từ hợp chất có nguồn gốc động thực vật Ví dụ nhiên liệu chế xuất từ chất béo động vật (mỡ động vật ) ngũ cốc (lúa mì, ngô…), chất thải nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm thải công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…), Nhiên liệu sinh học sử dụng phổ biến giới nhiên liệu sinh học dùng cho động xăng Nhiên liệu sinh học dùng cho động xăng kể đến bioethanol biomethanol, đặc biệt bioethanol, loại nhiên liệu sinh học sử dụng rộng rãi giới Do vậy, luận văn này, tơi trình bày nhiên liệu sinh học dùng cho động xăng bioethanol, tập trung chủ yếu vào bioethanol để hiểu rõ vấn đề liên quan đến loại nhiên liệu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy GS Phạm Minh Tuấn, cảm ơn bạn lớp Cao học 2011B- lớp Kỹ thuật động nhiệt giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Vì thời gian trình độ chun mơn cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận ý kiến đóng góp để luận văn hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn! CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Theo số liệu thống kê cuối năm 2010, số xe ô tô giới có khoảng 1,015 tỷ xe lưu hành, tăng 3,6% so với số 980 triệu xe vào cuối năm 2009 chủ yếu tập trung nước phát triển Mỹ (239,8 triệu xe), Trung Quốc (78 triệu xe), Nhật Bản (73,9 triệu xe) Tính trung bình, 6,75 người lại có người sở hữu ô tô Ở Việt Nam, số lượng ô tơ tăng mạnh Tính tới tháng năm 2009 số lượng tơ Việt Nam khoảng 990 nghìn tập trung chủ yếu hai thành phố lớn TP Hồ Chí Minh Thủ Hà Nội (hình 1.1) Theo thống kê Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng xe ô tô tính đến tháng năm 2011 1,344 triệu xe Hình 1.1 Số lượng tơ xe máy hoạt động hàng năm Việt Nam ... Đề tài ? ?Nghiên cứu mơ tính động xăng lắp ô tô sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn 5%? ?? nhằm thực nội dung nói 1.2 Mục đích nghiên cứu Đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động xăng dùng...n xuất sử dụng ethanol Ethanol sinh học thường sử dụng cho động đốt dạng hỗn hợp với xăng tỷ lệ từ 5% đến 26% Ở Châu Âu Ấn độ sử dụng tối đa 5% ethanol, Mỹ sử dụng 10%, Brazin bắt buộc sử dụn... liệu sinh học sử dụng phổ biến giới nhiên liệu sinh học dùng cho động xăng Nhiên liệu sinh học dùng cho động xăng kể đến bioethanol biomethanol, đặc biệt bioethanol, loại nhiên liệu sinh học sử dụng