Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học trong hỗn hợp diesel ethanol biodiesel tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel TT

MỞ ĐẦU i Sự cần thiết đề tài Hiện lượng ô nhiễm môi trường hai vấn đề quan trọng cấp bách cần giải Thực tế cho thấy, với phát triển mạnh mẽ cơng nghiệp kéo theo lượng lượng cần cho tăng lên lớn Trong nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt Mặt khác, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho mơi trường bị nhiễm nghiêm trọng Vì việc tìm nguồn lượng có khả tái tạo thân thiện với môi trường điều quan trọng cần thiết Nhiên liệu sinh học sử dụng cho động đốt phổ biến ethanol diesel sinh học Việt Nam nước nông nghiệp nên có nhiều tiềm sản xuất nhiên liệu sinh học thay cho nhiên liệu khoáng Nhận biết lợi ích việc sử dụng nhiên liệu sinh học lợi to lớn, từ năm 2007 Chính phủ ban hành định số 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu phát triển nhiên liệu sinh học, tái tạo để thay phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh lượng bảo vệ môi trường [16] Đề án đưa mục tiêu cụ thể đến năm 2015, nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% đến năm 2025 đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu nước Nhằm thực mục tiêu này, năm 2012 Chính phủ ban hành định số 53/2012/QĐ-TTg lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17] Theo định này, xăng E5 E10 sử dụng thành phố lớn vào cuối 2014 2016, sử dụng rộng rãi toàn quốc vào cuối 2015 2017, diesel sinh học B5 B10 khuyến khích sản xuất, phối chế sử dụng Đối với ethanol sinh học, nước ta có nhiều nguồn nguyên liệu để chế biến sắn, rơm rạ, trấu, vỏ cà phê, bã mía Đến nước có bảy nhà máy sản xuất ethanol vào hoạt động với công suất thiết kế đạt khoảng 600.000 m3/năm Lượng ethanol để pha xăng E5 bán thị trường cho ô tô, xe máy chạy xăng khoảng 177.900 m3/năm chiếm 44% sản lượng Do lượng ethanol thừa cịn nhiều khó xuất hạn chế cơng nghệ qui mô sản xuất nên giá thành cao Nhằm trì phát triển cơng nghiệp nhiên liệu sinh học cịn non trẻ, góp phần phát triển kinh tế- xã hội bảo vệ môi trường cần phải tìm giải pháp tăng lượng tiêu thụ ethanol nước Một hướng khả thi nghiên cứu sử dụng ethanol cho động diesel (là động phổ biến xe tải, xe bus từ cỡ nhỏ đến cỡ lớn) cách pha ethanol vào diesel Tuy nhiên, ethanol có tính chất vật lý khác xa so với diesel trị số xetan thấp độ nhớt thấp… nên ảnh hưởng xấu đến tính động Để khắc phục phần ảnh hưởng pha thêm lượng biodiesel chất phụ gia Do việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel cho động diesel ảnh hưởng đến tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động cần thiết ii Mục đích nghiên cứu - Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanolbiodiesel tới tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel, làm sở tăng lượng tiêu thụ ethanol - Lựa chọn tỷ lệ hợp lý để tạo hỗn hợp diesel-ethanolbiodiesel dùng làm nhiên liệu cho động diesel iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu luận án động D4BB, xylanh thẳng hàng, hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu khí, sử dụng xe tải Hyundai 1,25 lưu hành Việt Nam Nhiên liệu nghiên cứu mô diesel thơng thường hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel biodiesel có tỷ lệ 5%, tỷ lệ ethanol thay đổi từ 5% đến 30%, cịn lại diesel thơng thường Nhiên liệu nghiên cứu thử nghiệm gồm diesel thông thường, hỗn hợp nhiên DE5, DE10, DE5B5 DE10B5 (hỗn hợp pha trộn theo phần trăm thể tích) Nhiên liệu diesel có sẵn thị trường Việt Nam theo TCVN 5689-2018 - Phạm vi nghiên cứu giới hạn phịng thí nghiệm với chế độ làm việc ổn định theo đường đặc tính ngồi, đường đặc tính tải iv Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án phương pháp tổng hợp phân tích, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm cụ thể sau: - Nghiên cứu lý thuyết: Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô động D4BB sử dụng nhiên liệu diesel thông thường hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel theo tỷ lệ thể tích nhằm thực nhiệm vụ: + Đánh giá diễn biến trình làm việc động diesel D4BB sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel + Đưa kết tính tốn lý thuyết tính kinh tế kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanolbiodiesel Qua lựa chọn tỷ lệ phối trộn để thực thử nghiệm - Nghiên cứu thực nghiệm: Thực phòng thí nghiệm đánh giá định lượng phân tích ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tới thông số kinh tế kỹ thuật phát thải động diesel thông thường v Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Luận án đưa giải pháp khoa học phù hợp nhằm lựa chọn tỷ lệ phối trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel (DE10B5) hợp lý, đảm bảo tính kỹ thuật giảm phát thải cho động diesel lưu hành - Kết luận án sở cho việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động diesel, giúp nâng cao tiêu thụ nhiên liệu ethanol, góp phần hồn thành mục tiêu của đề án phát triển NLSH Chính phủ vi.Tính đề tài Đây cơng trình nghiên cứu Việt Nam thực đánh giá tính kỹ thuật phát thải động diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel động diesel Trong động nghiên cứu loại sử dụng phổ biến Việt Nam, nhiên liệu ethanol biodiesel sản xuất từ nguồn nguyên liệu sắn dầu cọ Việt Nam vii Bố cục luận án Thuyết minh luận án bao gồm nội dung sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan nhiên liệu ethanol biodiesel Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanolbiodiesel Chương 3: Nghiên cứu mô tính kỹ thuật phát thải động diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanolbiodiesel Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận chung hướng phát triển đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ BIODIESEL 1.1 Khái quát chung nhiên liệu sinh học 1.2 Nhiên liệu ethanol biodiesel 1.2.1 Nhiên liệu ethanol 1.2.1.1 Tính chất vật lý 1.2.1.3 Cơng nghệ sản xuất ethanol 1.2.2 Nhiên liệu biodiesel 1.2.2.1 Tính chất vật lý 1.2.2.2 Tính chất hóa học 1.2.2.3 Ngun liệu quy trình sản xuất biodiesel 1.3 Tình hình sản xuất ethanol biodiesel 1.3.1 Trên giới Mỹ nước sản xuất tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn giới Sau đến Brazil Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học Brazil dầu đậu nành, dầu hướng đương, dầu thầu dầu dầu thực vật qua sử dụng Sau Mỹ Brazil Trung Quốc Khu vực Châu Á có sản lượng sản xuất tiêu thụ 1.3.2 Tại Việt Nam Năm 2012 Chính phủ ban hành định số 53/2012/QĐTTg lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17] Theo đề án Phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn 2020, đến năm 2020, cơng nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học Việt Nam đạt trình độ tiên tiến giới, với sản lượng đạt khoảng 500 triệu lít dầu diesel sinh học B10/năm [20] Thực tế nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động diesel cịn thiếu chưa có nguồn ngun liệu đủ lớn cho sản xuất quy mô công nghiệp Trong sản lượng ethanol lại nhiều cần nghiên cứu sử dụng bổ sung ethanol thay cho diesel nhiên liệu cho động diesel 1.4 Các kết nghiên cứu sử dụng ethanol biodiesel làm nhiên liệu cho động diesel 1.4.1 Nghiên cứu nước 1.4.1.1 Nhiên liệu diesel- ethanol Các nghiên cứu [21], [22], [23], [24] cho thấy sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol công suất động giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng dần theo tỷ lệ ethanol thay thế, Độ khói CO giảm, NOx, HC tăng 1.4.1.2 Nhiên liệu biodiesel Các nghiên cứu [25], [26], [27], [28], [29], [30] cho thấy sử dụng hỗn hợp diesel-biodiesel kết cho thấy mô men động giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng theo tỷ lệ diesel sinh học thay Phát thải CO, HC độ khói giảm, NOx tăng 1.4.1.3 Nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel Các nghiên cứu [25], [26], [27], [28], [29], [30] cho thấy sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel với tỷ lệ phối trộn biodiesel ethanol nhỏ ảnh hưởng tới tính kỹ thuật động Khi tăng tỷ lệ ethanol, ge tăng, HC CO tăng, NOx giảm 1.4.2 Nghiên cứu nước Các nghiên cứu nước thực hầu hết xăng sinh học diesel sinh học, nghiên cứu phối trộn ethanol với diesel chưa có nghiên cứu thực phối trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel đánh giá tính kỹ thuật động diesel sử dụng hỗn hợp 1.5 Hướng tiếp cận luận án Nhằm thực mục tiêu tăng lượng tiêu thụ ethanol nêu phần Mở đầu luận án cách pha ethanol với diesel khoáng bổ sung biodiesel phụ gia cải thiện tính chất nhiên liệu sở nghiên cứu tổng quan NCS đưa phương pháp tiếp cận sau Đầu tiên NCS chọn động nghiên cứu động diesel D4BB lắp xe tải nhẹ Hyundai 1,25 sử dụng nhiều Việt Nam đại diện cho loại động diesel lưu hành Tiếp theo, vào cơng trình cơng bố, NCS chọn số mẫu có tỷ lệ pha diesel-ethanol-bioethanol khác nhau, sau tiến hành nghiên cứu mơ phần mềm AVL-Boost để xác định thông số tính phát thải động làm sở để xác định tỷ lệ pha dieselethanol-bioethanol hợp lý Cuối cùng, NCS tiến hành nghiên cứu thực nghiệm có đối chiếu với kết mơ nhằm đánh giá ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tới tính kinh tế, kỹ thuật phát thải động diesel lưu hành rút kết luận cần thiết 1.6 Kết luận chương - Phối trộn ethanol vào diesel thông thường với có mặt biodiesel tạo hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel có khả làm nhiên liệu cho động diesel - Hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel có độ nhớt tương tự diesel có độ bền tách pha tốt hỗn hợp diesel-ethanol Sử dụng hỗn hợp động diesel giúp cải thiện tính kỹ thuật số thành phần phát thải động Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng nhiên liệu hỗn hợp tới động phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần hỗn hợp, nguồn gốc nhiên liệu sinh học, kết cấu điều kiện hoạt động cụ thể động - Việt Nam mạnh sản xuất ethanol, sản xuất biodiesel gặp khó khăn thiếu nguyên liệu Ethanol phối trộn với xăng khoáng tạo thành xăng E5 sử dụng nước Tuy nhiên lượng ethanol sản xuất nước dư thừa nhiều Do vậy, bên cạnh việc thúc đẩy phát triển xăng sinh học, cần nghiên cứu sử dụng ethanol với lượng nhỏ biodiesel động diesel nhằm cải thiện chất lượng mơi trường, góp phần đảm bảo an ninh lượng hướng tới hoàn thành mục tiêu đề án phát triển nhiên liệu sinh học Chính phủ CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL-BIODIESEL 2.1 Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel 2.1.1 Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol 2.1.1.1 Độ nhớt 2.1.1.2 Trị số xêtan 2.1.1.3 Nhiệt trị 2.1.1.4 Hàm lượng ô xy 2.1.1.5 Nhiệt độ chớp cháy 2.1.1.6 Nhiệt ẩn hóa 2.1.1.7 Sức căng bề mặt biodiesel tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel 2.1.2.1 Trị số xêtan Các nghiên cứu cho thấy phối trộn tỷ lệ ethanol biodiesel trị số xê tan hỗn hợp tương đương với diesel gốc Quan hệ thể theo công thức [55]: CNebdg = CNd - 0,59ne + 0,55nbd 2.1.2.2 Độ nhớt Độ nhớt nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tính theo cơng thức sau [55]: ƞkev = (2ne ƞe + 3nbd.ƞbd + ng ƞg + 0,71).0,91 2.1.2.3 Hàm lượng ôxy nhiên liệu Hàm lượng ôxy nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tính theo công thức sau [55]: Mo = 0,34peVe + 11pbVb 2.2 Quá trình cháy động diesel sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel 2.2.1 Quá trình cháy động diesel sử dụng diesel khống 2.2.2 Q trình cháy động diesel sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol 2.2.3 Quá trình cháy động diesel sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel 2.3 Nghiên cứu cấu trúc tia phun sử dụng nhiên liệu hỗn hợp 2.3.1 Cấu trúc tia phun động 2.3.2 Cấu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu 2.4 Cơ sở lý thuyết mơ phần mềm AVL Boost 2.4.1 Phương trình nhiệt động học Phương trình nhiệt động học thứ d(m u) dQ dm dm (2.10) dm dm dV dQ  -p  -∑ -h ∑ h  ∑ h - q f c dα F c dα dα w dα BB BB e i dα dα i dα ev e ev dt Phương trình bảo tồn khối lượng dm c dm dmBB dmev dm i   e   dα d d d dt (2.11) phương trình trạng thái pc  mc Rc Tc V (2.12) Giải phương trình 2.13 xác định áp suất thơng qua phương trình trạng thái 2.4.2 Lý thuyết tính tốn q trình cháy Mơ hình cháy AVL MCC dQtotal dQMCC dQPMC   d d d (2.13) Tốc độ tỏa nhiệt giai đoạn tính tốn theo công thức Vibe: dQPMC ( m1) QPMC a  (m  1) y m e a y d  c (2.14) 2.4.3 Lý thuyết tính tốn truyền nhiệt Mơ hình Woschni 1978 Qwi  Ai  w Tc  Twi  Hệ số truyền nhiệt mơ hình Woschni 1978 tính cho q trình nén cháy giãn nở theo phương trình sau: ,8  W  130.D 0, 0,8 c  , 53 c p T   V T C1 cm  C D c ,1  pc  pc ,  pc ,1 Vc ,1   (W/m2.K) 2.4.4 Lý thuyết tính tốn lượng phát thải động diesel 2.4.4.1 Mơ hình tính tốn hàm lượng phát thải CO 2.4.4.2 Mơ hình tính tốn hàm lượng phát thải NOx Quá trình hình thành NOx theo chế Zeldovich 2.4.4.3 Mơ hình tính tốn hàm lượng Soot Cơ chế hình thành Soot dmsoot dmsoot form dmsoot.ox   d d d (2.33) 2.4.5 Mơ hình nhiên liệu cP  a1  a2T  a3T  a4T  a5T R (2.36) H0 a a a a a  a1  T  T  T  T  RT T S a a a  a1 ln T  a2T  T  T  T  a7 RT (2.37) (2.38) Trong đó, cp nhiệt dung riêng đẳng áp H0 S0 entanpy entropy a1 đến a7 hệ số xác định riêng cho loại nhiên liệu [66] 2.5 Cơ sở phương pháp lấy mẫu đếm hạt khí thải động 2.5.1 Thành phần phân bố hạt theo kích thước 2.5.2 Hệ thống lấy mẫu phép đo số lượng hạt 2.6 Kết luận chương Do tính chất ethanol khác với diesel khoáng độ nhớt thấp, nhiệt trị thấp, trị số xêtan thấp, tính bay cao nên phối trộn, tính chất hỗn hợp diesel-ethanol thay đổi so với diesel gốc ảnh hưởng tới trình cháy động làm tăng thời gian cháy trễ, đồng thời ảnh hưởng tới cấu trúc chùm tia phun Nhằm khắc phục phần thay đổi mở rộng khả sử dụng nhiên liệu sinh học, bổ sung thêm lượng nhỏ biodiesel vào hỗn hợp diesel-ethanol biodiesel có độ nhớt cao trị số xêtan cao Các nghiên cứu cho thấy giai đoạn trình cháy động diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanolbiodiesel giống sử dụng diesel khống, nhiên tính chất nhiên liệu khác nên thời gian cháy trễ chi tiết diễn biến áp suất xylanh có khác Luận án lựa chọn phần mềm AVL Boost để thực tính tốn mơ động diesel sử dụng nhiên liệu hỗn hợp làm sở cho thực nghiệm Đây phần mềm đại, chun dụng tính tốn q trình nhiệt động hình thành phát thải động đốt Luận án trình bày sở lý thuyết số mơ hình phần mềm gồm mơ hình cháy AVL MCC, mơ hình truyền nhiệt, mơ hình nhiên liệu, mơ hình tính tốn hàm lượng phát thải Đối với phát thải từ động cơ, bên cạnh giới hạn HC, CO, NOx khối lượng phát thải dạng hạt, từ tiêu chuẩn Euro giới hạn số hạt Để đảm bảo độ xác kết đếm số hạt, trình lấy mẫu cần qua bước pha lỗng thứ nhất, sấy nóng làm bay hợp chất hữu pha loãng lần thứ hai để giảm nhiệt độ khí mẫu giảm nồng độ hạt phù hợp với dải đo thiết bị Phần mềm AVL Boost chưa có mơ hình để tính tốn số hạt, nhiên nội dung thử nghiệm luận án sử dụng hệ thống lấy mẫu đếm số hạt phát triển Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu khí thải để so sánh đánh giá số hạt khí thải động sử dụng nhiên liệu hỗn hợp CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOLBIODIESEL 3.1 Xây dựng mơ hình động diesel đánh giá độ tin cậy mơ hình 3.1.1 Mục đích đối tượng mơ 3.1.1.1 Mục đích mơ Đánh giá ảnh hưởng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanolbiodiesel đến đặc tính cháy, hình thành phát thải độc hại thơng số tính động thơng qua mơ hình mơ xây dựng phần mềm AVL Boost Lựa chọn tỷ lệ ethanol, biodiesel phối trộn với diesel phù hợp phục vụ thử nghiệm, giúp rút ngắn thời gian giảm chi phí thực nghiệm 3.1.1.2 Đối tượng mơ Động nghiên cứu mô thực động qua sử dụng Qua thực nghiệm trình bày Chương 4, thơng số đặc tính ngồi động nghiên cứu trình bày Bảng 3.1 Hình 3.2 Bảng 3.1 Thơng số đặc tính ngồi động nghiên cứu n Ne (v/ph) (kW) Me (Nm) 1000 13,40 128 1500 22,29 142 2000 30,56 146 2500 37,16 142 3000 42,39 135 Hình 3.1 Đường đặc tính 3500 47,62 130 ngồi động thực 10 3.1.2 Xây dựng mơ hình mơ động 3.1.2.1 Xây dựng mơ hình Hình 3 Mơ hình động D4BB 3.1.2.2 Các thơng số nhập cho mơ hình 3.1.2.4 Chế độ mơ 3.1.3 Đánh giá độ tin cậy mơ hình mô Kết cho thấy sai lệch mơ thực nghiệm