NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL – DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng nhiên liệu sinh học phối trộn cùng nhiên liệu hóa thạch, trong đó ethano

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trang 2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ DUY MẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL – DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ

THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Trang 3

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả được tôi trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

HỒ DUY MẠNH

Trang 4

Học viên: Hồ Duy Mạnh Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16 Khóa: K30 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Nhiên liệu phối trộn đang được quan tâm, góp phần tiết kiệm năng lượng,

giảm bớt khí thải từ động cơ Ethanol- diesel được chú trọng, khi pha ethanol vào diesel thì tính chất, chất lượng nhiên liệu thay đổi Điều đó đòi hỏi phải kiểm nghiệm lại tính năng kinh

tế kỹ thuật động cơ Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ phối trộn ethanol- diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ diesel” Đã thu được một số thành tựu: hỗn hợp nhiên liệu ethanol-diesel có thể sử dụng như một loại nhiên liệu thay thế diesel khoáng khi tỉ lệ pha trộn

từ 5% trở lại Hỗn hợp nhiên liệu DE5 có tính kinh tế nhất trong các nhiên liệu phối trộn từ DE3 đến DE10 Vị trí vận hành tối ưu: Tại vị trí thanh răng 48,3% cho tiêu hao nhiên liệu trung bình nhỏ nhất 275,91 [g/kWh] đối với nhiên liệu DE5 và động cơ thử nghiệm EV2600 – NB Phương pháp hòa trộn trực tiếp Ethanol và Diesel là phù hợp cho yêu cầu của động cơ Diesel vì không thay đổi kết cấu, không cần thiết kế thêm chi tiết bổ sung

Từ khóa – Nhiên liệu phối trộn; ethanol- diesel; tính năng kinh tế kỹ thuật; DE3, DE5,

DE7, DE10; EV2600-NB.

ETHANOL - DIESEL EFFECTS ON THE DIESEL ENGINEERING

ECONOMY FEATURES

Summary - Blended fuel is of interest, contributing to energy savings and reducing emissions from the engine Ethanol-diesel is focused, when the mixture of ethanol into diesel, the nature, quality of fuel change That requires a re-testing of engine economics Topic: "Study on the effect of blends of ethanol-diesel on the economics of diesel engines" Some achievements have been made: A mixture of ethanol-diesel fuel can be used as a substitute for mineral diesel when the mixing ratio is 5% The most economical DE5 fuel blend in blends DE3 to DE10 Optimum operating position: At 48.3% of the rack, the minimum fuel consumption is 275.91 [g/kWh] for the DE5 fuel and the EV2600

- NB test engine Direct blending of Ethanol and Diesel is suitable for diesel engine requirements because it does not change the structure, without the need for additional design details.

Key words - Mixed fuel; ethanol-diesel; technical and economic features; DE3, DE5,

DE7, DE10; EV2600-NB

Trang 5

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 12

1.1 NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL 12

1.1.1 Nhiên liệu sinh học 12

1.1.2 Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel 15

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ VIỆC SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 19

1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt trong trên thế giới 19

1.2.2 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt trong ở trong nước 21

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 25

2.1 TÍNH CHẤT LÝ HÓA NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL 25

2.1.1 Ethanol nhiên liệu biến tính 25

2.1.2 Chỉ tiêu chất lượng diesel thông dụng 28

2.1.3 Diesel pha ethanol, Khả năng thích ứng khi pha diesel với ethanol 29

2.2 CƠ SỞ, ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 32

2.2.1 Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel 33

2.2.2 Các thông số kinh tế kỹ thuật trong động cơ 36

2.2.3 Các loại đặc tính động cơ 41

2.3 TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ THEO NHIÊN LIỆU DO, DE3, DE5, DE7, DE10 44

2.3.1 Quá trình nạp 45

2.3.2 Quá trình nén 46

2.3.3 Quá trình cháy 48

2.3.4 Quá trình thải 50

2.3.5 Các thông số chỉ thị 52

Trang 6

2.3.6 Các thông số có ích 52

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 55

3.1 TRANG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 55

3.1.1 Giới thiệu về động cơ EV2600-NB 55

3.1.2 Giới thiệu về băng thử công suất Froude 56

3.1.3 Giới thiệu về thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance - 733S 58

3.1.4 Giới thiệu về cảm biến lực Loadcell 60

3.2 MÔ HÌNH BỐ TRÍ THỰC NGHIỆM 61

3.3 QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 63

3.4 THU NHẬN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 64

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 73

4.1 ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 73

4.1.1 Công suất tổng quát 73

4.1.2 Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 10% thanh răng 75

4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔ MEN ĐỘNG CƠ 79

4.2.1 Mô men tổng quát 79

4.2.2 Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 10% thanh răng 80

4.3 ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ 84

Trang 7

4.3.1 Suất tiêu hao nhiên liệu tổng quát 84

4.3.2 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh răng, ge [g/kWh] 85

4.3.5 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 70% thanh răng [g/kWh] 88

4.4 ĐẶC TÍNH TẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG CÁC NHIÊN LIỆU DO, DE3, DE5, DE7, DE10 89

4.4.1 Đặc tính tải tổng quát 89

4.4.2 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh răng 90

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 97

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 98

1.KẾT LUẬN 98

2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

PHỤ LỤC 102 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

QUYẾT ĐỊNH GIA HẠN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN(bản sao)

KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN(bản sao)

Trang 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Danh mục các ký hiệu La Tinh :

2 Danh mục các ký hiệu Hy lạp :

o

Trang 10

DANH MỤC CÁC BẢNG

4.4 Hệ số của các đường cong tìm gemin của các nhiên liệu tại

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số

1.1 Sản lượng diesel sinh học châu Âu từ năm 1998 đến năm

1.2 Tình hình sản xuất diesel sinh học của các nước trên thế giới năm 2010 17

2.2 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE3, DE5, DE7,

2.4 Quá trình cháy trong động cơ diesel, biểu diễn trên đồ thị

3.7 Phòng đo công suất, mô men, tiêu hao nhiên liệu, khí thải

Trang 12

Số

3.20 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu

4.1 Diễn biến so sánh công suất động cơ của các nhiên liệu

Trang 13

Số

4.12 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ tại vị trí 10% thanh

4.16 Đặc tính tải của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu DO, DE3,

4.17 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh

Trang 14

Trong các nguồn năng lượng thay thế đang sử dụng hiện nay như: (năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân…), thì nhiên liệu sinh học đang được ưu tiên phát triển Nhiên liệu sinh học có lợi thế như: tận dụng nguồn nguyên liệu tại chổ, tăng hiệu quả kinh tế, công nghệ sản xuất ít phức tạp, cấu trúc động cơ ít thay đổi

Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng nhiên liệu sinh học phối trộn cùng nhiên liệu hóa thạch, trong đó ethanol sinh học đang được quan tâm vì nguồn cung khá dồi dào và có khả năng pha trộn cho diesel và xăng Tuy nhiên khi pha ethanol vào nhiên liệu khoáng thì tính chất, chất lượng của nhiên liệu sẽ thay đổi

so với ban đầu Sự thay đổi ít hay nhiều phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với nhiên liệu khoáng Khi pha ethanol vào nhiên liệu khoáng thì sẽ có ảnh hưởng nhất định đến tính bền vững của hỗn hợp, tính đồng pha, tính ăn mòn, điều đó đòi hỏi phải kiểm nghiệm lại tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ

Do đó tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn

Ethanol- Diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Diesel”

Trang 15

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định tỷ lệ phối trộn tốt nhất ứng với các chế độ vận hành của động cơ

để đạt được tính năng kỹ thuật tốt nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ một xy lanh EV2600 –NB với các

tỷ lệ phối trộn: 3%ethanol – 97% diesel; 5%ethanol – 95% diesel; 7%ethanol -

93% diesel; 10%ethanol - 90% diesel

b Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn ethanol – diesel Từ đó xác định được các tính năng kinh tế kỹ thuật tối ưu nhất: Mô men động cơ, công suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ

4 Cách tiếp cận và phạm vi nghiên cứu

a Cách tiếp cận luận văn

Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin dựa trên các công trình đã được công

bố về nhiên liệu sinh học (ethanol - diesel), nghiên cứu thực nghiệm, phân tích

số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo

b Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên băng thử công suất Froude – tại Khoa Cơ Khí Giao Thông – Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

5 Bố cục luận văn

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Trang 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL

1.1.1 Nhiên liệu sinh học

a Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là nhiên liệu nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật [4] Như nhiên liệu chế suất từ chất béo của động thực vật ngủ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương) các chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải ) Chúng bao gồm bio ethanol, diesel sinh học, biogas, ethanol pha trộn (ethanol – diesel, ethanol - xăng), dimetyl ether sinh học và dầu thực vật Nhiên liệu sinh học hiện nay sử dụng trong giao thông vận tải là ethanol sinh học, diesel sinh học

Tuy nhiên hiện nay vấn đề sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống còn nhiều hạn chế do giá thành sản xuất cao hơn so với nhiên liệu truyền thống Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh học

là nguồn thay thế có nhiều tiềm năng lớn

Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ đốt trong bao gồm hai loại chủ yếu sau:

Nhiên liệu lỏng: Bao gồm xăng sinh học và diesel sinhhọc

Xăng sinh học: Bao gồm bio-metanol, bio-ethanol, bio-butanol… Trong

số các dạng xăng sinh học này, bio-ethanol là loại nhiên liệu sinh học thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp

từ nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như, sắn,…

Diesel sinh học (diesel sinh học): Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất

Trang 17

từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este

Khí Biogas

Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Thành phần chính của Biogas là CH4(50-60%) và CO2(>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO… được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas

Nhiên liệu rắn

Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đang phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học rất đa dạng, phong phú, bao gồm: sắn, ngô, mía, củ cải đường, rơm rạ…

Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta lại chọn những loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH Ví dụ như Brasil sản xuất ethanol chủ yếu từ mía, ở Mỹ là từ ngô

b Các loại nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được sản suất từ nhiều dạng khác nhau, có thể tổng hợp một số nyên liệu chính như sau:

Metyl ester

Trang 18

Đây là một loại diesel sinh học Diesel sinh học thường dùng có tên monoalkyl ester (methyl hoặc ethyl ester) của acid béo có chuỗi phân tử dài được lấy từ lipid như dầu thực vật hoặc mỡ động vật Nó là sản phẩm trong quá trình ester hóa từ dầu hạt cải, dầu đậu tương, dầu cây hướng dương, dầu cọ… Có thể sử dụng diesel sinh học nguyên chất hoặc pha với dầu diesel thông thường theo các tỷ lệ nhất định

Dimetyl ether (DME)

Ở nhiệt độ môi trường, áp suất khí quyển, DME là chất khí không màu, hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp DME có thể được sản xuất từ khí tự nhiên thông qua 2 bước: chuyển đổi khí tự nhiên thành methanol sau đó khử nước (2CH3OH → CH3OCH3+ H2O) sẽ thu được DME

DME có trị số xêtan khá cao (khoảng 55) trong khi trị số xêtan của diesel

là 40 ÷ 53 Tuy nhiên nhiệt trị và độ nhớt của DME lại khá thấp, do vậy khi sử dụng trên động cơ cần phải cải tiến lại hệ thống nhiên liệu cho phù hợp

Dimetyl cacbonate (DMC)

DMC là một chất lỏng không màu, không độc và không gây ăn mòn Nó

có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel theo một vài tỷ lệ DMC có thể thêm vào nhiên liệu diesel như một chất phụ gia, vì nó chứa 53% (về trọng lượng) Oxy

Cồn

Trang 19

Cồn thường tồn tại ở hai dạng: Methanol và Ethanol Trong đó, methanol

là loại cồn đơn giản nhất chứa một nguyên tử C trong mỗi phân tử Phần lớn methanol được làm từ than đá và khí tự nhiên, và có thể làm từ nguồn tái sinh như gỗ hoặc giấy thải Để làm nhiên liệu động cơ có thể dùng M85 (hỗn hợp 85% methanol và 15% xăng), có chỉ số octan 102 Tuy nhiên, khi sử dụng M85 thì xe phải được thay đổi cho phù hợp (như tỷ số nén cao hơn, hệ thống hút thiết

kế lại để lấy đủ khí và dầu bôi trơn chịu được sự tác động tự nhiên của methanol)

Ethanol (công thức phân tử C2H5OH) được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu mà thường được pha trộn với xăng hay diesel theo những tỷ lệ nhất định

1.1.2 Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel

a Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới

Ở Châu Âu, diesel sinh học đã được sản xuất lần đầu tiên ở Áo và Đức Người ta đặc biệt quan tâm đến diesel sinh học từ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1980 Việc tổng hợp diesel sinh học trong phòng thí nghiệm bởi Mittelbach ở Đại học Graz diễn ra lần đầu tiên năm 1983 Nhà máy công nghiệp đầu tiên sản xuất metyl ester dầu hạt cải đã được xây dựng năm 1991 ở Áo Năm

1996 hai nhà máy qui mô lớn ở Rouen - Pháp và Leer- Đức đã chứng minh sự phát triển mạnh của ngành công nghiệp diesel sinh học[11]

Hình 1.1 cho ta thấy sự tăng trưởng hàng năm sản lượng diesel sinh học ở châu Âu (từ năm 1998 đến năm 2011)

Vào cuối năm 2006, ở Đức có khoảng 50 nhà máy diesel sinh học qui mô

từ 10.000 tấn/năm đến 250.000 tấn/năm [11]

Trang 20

Hình 1.1 Sản lượng nhiên liệu sinh học châu Âu từ năm 1998 đến 2011 [12]

Ngày nay, rất nhiều nhà máy khác của Pháp đã được xây dựng và đưa vào

sử dụng, đưa sản lượng diesel sinh học của Pháp năm 2008 tăng đến khoảng 2,5 triệu tấn/năm

Italia là nước có sản lượng diesel sinh học đứng thứ 3 châu Âu sau Đức và Pháp Đến năm 2004, 320.000 tấn diesel sinh học đã được sản xuất từ 8 nhà máy phân bố trên toàn bộ lãnh thổ Italia Nguyên liệu chính để sản xuất diesel sinh học ở Italia là dầu hạt hướng dương trồng tại Italia hoặc dầu hạt cải nhập khẩu từ Đức và Pháp [11]

Tại Mỹ, sản lượng diesel sinh học tăng mạnh trong những năm gần đây Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Mỹ là dầu đậu nành tinh khiết, dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ động vật Theo Hội Nhiên liệu sinh học Mỹ, với sự ủng hộ của chính phủ, lượng diesel sinh học bán ra có thể đạt gần 2 tỷ gallon mỗi năm Tổng lượng diesel sinh học tiêu thụ ở Mỹ năm 2000 là gần 20 triệu gallon [11]

Nhìn chung, châu Âu chiếm phần lớn sản xuất dầu diesel sinh học của thế giới Ở các nước như Brazil và Hoa Kỳ, ethanol sản xuất gấp 10 lần so với dầu diesel sinh học Hình 1.3 thể hiện tỷ lệ sản xuất nhiên liệu sinh học của các nước trên thế giới

Trang 21

Tại Brazil, không giống như ngành sản xuất ethanol, ngành sản xuất diesel sinh học ở đây còn rất non trẻ Hiện tại chỉ có môt số dây chuyền sản xuất thử nghiệm (công suất 40-130m3/ngày)

Hình 1.2 Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học của các nước trên thế

giới năm 2010 [12]

Trong những năm gần đây, sản lượng diesel sinh học của các nước Đông Nam Á cũng tăng rất mạnh, đặc biệt là từ năm 2006 đến 2007, sản lượng diesel sinh học tăng gần 6 lần Các nước sản xuất nhiều diesel sinh học ở Đông Nam Á

là Malaysia, Indonexia và Thái Lan[12];[13]

Indonesia đã trợ cấp khoảng 7 tỷ USD cho vấn đề năng lượng Nước này đặt mục tiêu đến năm 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng 10% cho ngành điện và giao thông Hiện nay ở Indonesia phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng dầu diesel sinh học (hỗn hợp dầu cọ với nhiên liệu hóa thạch)

Malaysia hiện có 3 nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học với công suất 276.000 tấn/năm Chính phủ nước này đặt mục tiêu sản xuất 1 triệu tấn dầu diesel sinh học xuất khẩu vào năm 2007 – 2008 Hiện nay Malaysia đã trồng được 10.000 cây jatropha để chiết xuất dầu diesel

Trang 22

b Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học tại ViệtNam

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định

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 là phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng

năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môitrường

Theo Đề án, mục tiêu đến giai đoạn 2011 - 2015, nước ta làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất NLSH, ứng dụng thành công công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu sinh học Đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước Tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước[5]

Các trường Đại học (ĐHBK Hà Nội, ĐHBK -ĐH Đà Nẵng, ĐHBK Thành phố Hồ Chí Minh, ĐHKHTN – ĐH Quốc gia HN),Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, Tổng công ty Dầu khí Việt Nam, Công ty Phát triển Phụ gia và Sản phẩm Dầu mỏ (APP), đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau như: dầu bông, dầu cọ, dầu dừa, dầu thải, mỡ động vật nhưng mới ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc quy mô sản xuất nhỏ

Tính đến năm 2010, nước ta đã làm chủ công nghệ sản xuất diesel sinh học từ một số nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước (methanol, ethanol, butanol)

và bước đầu tiến hành pha trộn B5

Trang 23

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ VIỆC SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt trong trên thế giới

a Tình hình sản xuất, sử dụng nhiên liệu sinh học pha trộn với nhiên liệu khoáng trên thế giới

Tại Mỹ, lượng bio-diesel được tiêu thụ đạt trên 2 tỷ gallon mỗi năm, mục tiêu đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học [9]

Tại Áo, phải sử dụng nhiên liệu diesel khoáng pha 5% nhiên liệu sinh học [10]

Tại Đức, bắt buộc phải sử dụng nhiên liệu diesel-B5 và đến cuối năm

2010 có khoảng 10% nhiên liệu sử dụng có nguồn gốc tái tạo[9]

Tại Pháp, đã có hàng vạn phương tiện tham gia giao thông sử dụng nhiên liệu diesel-B30 [9]

Tại Thái Lan, đã có chương trình sử dụng nhiên liệu diesel-B5 vào năm

2011 và diesel-B10 vào năm 2012 Chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Thái Lan đang phát triển với tốc độ nhanh[9]

Tại Indonesia, phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng nhiên liệu diesel sinh học và đến cuối năm 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng khoảng 10% cho ngành điện và giao thông [16]

Ngoài những nước như đã nói trên, còn nhiều nước khác đã nghiên cứu đưa ra chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học vào nước của họ Qua đó cho thấy, nhiên liệu sinh học được sản xuất và tiêu thụ trên thế giới ngày một gia tăng

Trang 24

b Tình hình nghiên cứu, sử dụng ethanol trong động cơ trên thế giới

Hiện nay, toàn bộ xăng, diesel sử dụng trên ôtô của Brazin đều pha 25% ethanol sinh học Luật pháp Brazin quy định tất cả các loại xe sử dụng xăng pha 22% ethanol và nước này đã có 20% số lượng xe chỉ sử dụng ethanol 100% [4]

20-Trong khối EU, nhiên liệu sinh học là một ưu tiên trong chính sách môi trường và giao thông Từ đầu năm 2004 các trạm xăng Aral và Shell ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà theo đó từ 31/12/2005 ít nhất 2% và từ 31/12/2010 ít nhất 5,75% nhiên liệu dùng cho giao thông vận tải phải có nguồn gốc tái tạo EU còn quy định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất 10% nhiên liệu sinh học từ nay đến 2020

Mỹ đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học trong giao thông, Iowa là bang sản xuất ethanol cho nhiên liệu ôtô với sản lượng lớn nhất

Nhiên liệu Ethanol- diesel dùng ở Mỹ qui định thành phần ethanol chứa trong nhiên liệu này không vượt quá 15% về thể tích và 5% chất phụ gia riêng

để ổn định các tính chất của nhiên liệu tương đương với diesel Theo Robert E.Reynolds nguyên nhân của giới hạn này là do: các số liệu kiểm tra trên hỗn hợp nhiên liệu ở mức cao hơn đều bị hạn chế, ở hỗn hợp có thành phần ethanol cao sẽ bất lợi nhiều hơn về mặt kinh tế; [15]

Trong nghiên cứu của T.K.Bhattacharya và T.N Mishra [14] về khả năng hòa trộn của ethanol trong Diesel họ đã rút ra các nhận xét sau:

Ethanol có nồng độ 2000có thể pha vào Diesel với tỷ lệ đến 20% thể tích hoặc hơn nữa vì không có nước nên sẽ hoà tan triệt để và có tính đồng nhất

Ethanol có nồng độ 1900 và 1800 có thể pha vào Diesel với tỷ lệ đến 20% Khi đó hỗn hợp sẽ hoà tan không triệt để và có pha phân cách không rõ rệt nhưng có thể sử dụng được trong động cơ Diesel Tỷ lệ tốt nhất là dưới 15%

Trang 25

Ethanol có nồng độ 1700 chỉ có thể dùng như là nhiên liệu trong động cơ diesel khi pha với tỷ lệ nhỏ hơn 15%

Các hỗn hợp còn lại không thể sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ Diesel vì lượng nước chứa trong ethanol quá lớn (20% đến 25%), sự hoà tan sẽ không tốt và tạo ra các pha phân cách rõ rệt

Ở Trung Quốc, tại phòng thí nghiệm về An Toàn Ô tô và Năng Lượng – Đại Học Thanh Hoa, 2003; nhóm tác giả Bang-Quan Hea, Shi-Jin Shuaia, Jian-Xin Wanga, đã nghiên cứu: ảnh hưởng của ethanol pha trộn diesel đến thành phần khí thải, khi pha trộn tư 10% đến 15% ethanol trong HHNL Kết quả thu được: Trị số cetan giảm, nhiệt trị cao giảm, NOX, CO2, HC đều giảm;[9]

1.2.2 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt trong ở trong nước

a Tình hình sản xuất, sử dụng nhiên liệu sinh học pha trộn với nhiên liệu khoáng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, trước khi có Quyết định số 177/2007QĐ-TTg ngày 20/11/2007 của Chính phủ, một số cơ sở đã nghiên cứu sản xuất bio-diesel và thử nghiệm loại nhiên liệu này Như ở đồng bằng Nam bộ, đã có doanh nghiệp sản xuất thành công bio-diesel từ mỡ cá basa và cá tra Một số người dân đã tự ý

sử dụng thử loại nhiên liệu này mặc dù chưa có qui định của Nhà nước

Sau khi có sự phê duyệt 177/2007QĐ-TTg của Chính phủ, các tổ chức trong nước đã tích cực đầu tư nghiên cứu, sản xuất thử, sản xuất ở qui mô công nghiệp và sẽ làm chủ công nghệ sản xuất bio-diesel từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước

Các thử nghiệm chiết xuất dầu diesel sinh học từ cây dầu mè của TS Thái Xuân Du, từ cây diesel của TS Lê Võ Định Tường, từ mỡ cá basa của công ty AGIFISH gần đây đều cho kết quả khả quan[16]

Trang 26

Các nghiên cứu và sản xuất dầu diesel sinh học của Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã có nhiều thành công, hiện đã và đang chuyển giao công nghệ sản xuất cho nhiều doanh nghiệp [6].

Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã chuyển giao công nghệ sản xuất

biodiesel từ dầu thực vật (chiết xuất biodiesel từ hơn mười loại dầu thực vật như

dầu cọ, dầu cao su, dầu lai, dầu gòn ) quy mô pilot có công suất 100 kg/ngày

cho tập đoàn Trường Thịnh- một đơn vị chuyên sản xuất biodiesel và trồng cây Jatropha tại tỉnh Bình Phước [6]

Bộ Công thương đã xây dựng đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2020, với đề án nàyđến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 500 triệu lít dầu diesel sinh học B10/năm[17]

b Tình hình nghiên cứu và sử dụng ethanol trong động cơ ở Việt Nam

Đại học Bách khoa Tp.HCM đã pha chế, thử nghiệm để chứng minh ethanol có thể thay thế xăng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong [15]

Viện Công nghệ thực phẩm đã và đang nghiên cứu sản xuất ethanol từ phế thải nông nghiệp Nhiều đơn vị trong đó có APP, Sài Gòn Petro, Công ty Mía đường Lam Sơn đã lên kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sản xuất ở quy

mô phù hợp và đưa vào sử dụng [15]

Nhóm tác giả: Th.S Nguyễn Thành Bắc, GS.TS Phạm Minh Tuấn, TS Trần Anh Trung – Khoa Công nghệ Ô tô, ĐH Công Nghiệp HN, Viện cơ khí Động Lực, Trường ĐH BK Hà Nội Đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel D4BB lắp trên xe Hyundai 1,25 tấn khi sử dụng lưởng nhiên liệu diesel – ethanol tại 100% tải với các tỉ lệ ethanol thay thế được lựa chọn gần các giới hạn kích nỗ Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ ethanol thay thế giảm khi tăng tốc độ

Trang 27

động cơ; suất tiêu hao năng lượng, phát thải CO nhỏ hơn; phát thải CO2 , HC, NOx lớn hơn so với trường hợp chạy diesel gốc trên toàn dải tốc độ

Nhóm tác giả: Th.S Huỳnh Bá Vang, chủ biên - TS Lê Văn Tụy – KS Phùng Minh Nguyên (Nghiên cứu giảm thiểu ô nhiễm khí thải của ô tô bằng thực nghiệm phối trộn Ethanol với xăng A95, Đề tài cấp Đại học Đà Nẵng, mã số: Đ2011-02-04, 2011) Bằng cách trộn trực tiếp Ethanol với tỉ lệ là 5% (E5) và 10% (E10) thể tích với xăng thị trường RON 95, sử dụng cho ô-tô Mercedes-MB140 rồi chạy thử nghiệm trên hệ thống băng thử động lực học ô-tô CD-48” tại phòng thí nghiệm Động cơ và Ô tô –Khoa Cơ Khí Giao Thông – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Kết quả cho thấy việc sử dụng xăng sinh học E5 và E10 làm giảm rõ rệt các chất phát thải ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra (CO giảm từ từ 61% đến 85%; còn HC giảm từ 57% đến 80%); trong khi hiệu quả về kinh tế kỹ thuật của xe chỉ thay đổi chút ít theo chiều hướng tốt so với xăng RON 95

Từ năm 2003, Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Chế biến Dầu khí (thuộc Viện Dầu khí Việt Nam) đã thực hiện đề tài "Nghiên cứu dùng cồn etylic sản xuất trong nước pha chế xăng thương phẩm có trị số octan cao" (giai đoạn I) Kết quả đánh giá các thông số hoạt động của động cơ (test engine) và thành phần khí xả khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn là tương đương với xăng thị trường có cùng tri số octan Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chi Minh, Bách Khoa Đà Nẵng đã pha chế, thử nghiệm trên động cơ để chứng minh ethanol có thể thay thế xăng gốc dầu khoáng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, hoặc nghiên cứu methyl ester dùng làm diesel sinh học trong phòng thí nghiệm Viện Khoa học vật liệu ứng dụng thành phố Hồ Chí Minh đã có đề tài nghiên cứu về xăng pha cồn vào năm 2005 Viện Nghiên cứu Rượu Bia nước giải khát cũng đã triển khai đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế cho một số loại động cơ và cho những kết quả khả quan về việc sản xuất và sử dụng loại nhiên liệu này Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Công ty APP chủ trì

Trang 28

đề tài độc lập cấp Nhà nước: "Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học có pha ethanol và một số hợp chất có nguồn gốc thực vật" Công ty đã nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm và đang chuẩn bị thử nghiệm cho các phương tiện giao thông ở quy mô lớn Viện Công nghiệp thực phẩm đã được giao chủ trì đề tài cấp nhà nước nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ phế

thải nông nghiệp bằng công nghệ enzyme và vi sinh vật

Tất cả các nghiên cứu trên về mặt kỹ thuật không có rào cản lớn, nhưng

để sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở quy mô đại trà thì cần phải có chủ trương, chính sách và biện pháp mạnh mẽ của Chính Phủ

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Để đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài và phát triển bền vững, nhiều quốc gia đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần dầu khoáng, tiến tới xây dựng ngành nhiên liệu sạch ở quốc gia mình Việt Nam cũng đang tập trung theo hướng phát triển này

Nhiên liệu sinh học được sử dụng cho động cơ đốt trong chưa thể đáp ứng

đủ cho toàn bộ nên chưa phù hợp cho việc sử dụng hoàn toàn nhiên liệu sinh học, vì thế nhiên liệu sinh học được sử dụng dưới dạng phối trộn với nhiên liệu khoáng

Vấn đề nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn ethanol – diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật là cấp thiết, cần được tập trung nghiên cứu Vì

vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn ethanol-diesel đến

tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ diesel”

Trang 29

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TÍNH CHẤT LÝ HÓA NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL

2.1.1 Ethanol nhiên liệu biến tính

a Tính chất vật lý ethanol

Ethanol là một chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 150 C), sôi ở 78,390C, hóa rắn ở -114,150C, tan vô hạn trong nước Ethanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay andehit có cùng số cacbon là do có sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước Một số tính chất vật lý của ethanol thể hiện trên bảng 2.1 [4]

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của ethanol

Trang 30

b Tính chất hóa học ethanol

Tính chất của một rượu đơn chức

- Phản ứng thế với kim loại kiềm:

2C2H5OH + 2Na = C2H5ONa + H2

Phản ứng este hóa:

C2H5OH + CH3COOH = CH3COOC2H5 + H2O

- Phản ứng loại nước:

+ Tách nước tạo olefin: C2H5OH = C2H4 +H2O

+ Tách nước tạo ete: 2C2H5OH = C2H5-O-C2H5 + H2O

Ethanol nhiên liệu biến tính (NLBT)

Để sử dụng ethanol pha vào diesel sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel thì ethanol cần phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 7716:2009 (tương đương với ASTM D 4806) Ethanol sử dụng cho mục đích này phải là NLBT

Trang 31

Bảng 2.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với Ethanol NLBT

8 Độ axit (như axit axetic CH3COOH), % khối lượng

Tỷ lệ hỗn hợp làm việc, kg không khí/ kg

Trang 32

2.1.2 Chỉ tiêu chất lượng diesel thông dụng

Dầu mỏ là một hỗn hợp rất phức tạp trong đó có hàng trăm các cấu tử khác nhau, mỗi loại dầu mỏ được đặc trưng bởi thành phần chính, chiếm 60% đến 90% trọng lượng dầu, còn lại là các chất chứa Oxy, Lưu huỳnh, Nitơ, các phức cơ kim… Phổ biến là các hợp chất của lưu huỳnh thuộc loại thành phần phi hidrocacbon là hợp chất có hại, trong khi chế biến chúng thường tạo ra các hợp chất ăn mòn thiết bị, gây ô nhiễm mạnh môi trường do khi cháy tạo ra SOx, gây ngộ độc xúc tác và làm giảm chất lượng của sản phẩm chế biến

Để đảm bảo yêu cầu về an toàn, sức khỏe, môi trường và tính năng sử dụng cho động cơ, mỗi quốc gia đều đưa ra một quy chuẩn kỹ thuật, chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu phù hợp với điều kiện sử dụng của mỗi nước

Ở nước ta đã có Qui Chuẩn Quốc Gia QCVN1: 2009/BKHCN về xăng không chì, nhiên liệu diesel và nhiên liệu sinh học, Tiêu Chuẩn Quốc Gia TCVN 6776:2005 xăng không chì, TCVN 5689:2005 cho diesel – Yêu cầu kỹ thuật và những qui định hiện hành

Bảng 2.4 Chỉ tiêu chất lượng diesel

4 Điểm chớp cháy cốc kín, 0 C,

TCVN 6608 (ASTM D 3828)

5 Độ nhớt động học ở 40 0 C,

TCVN 3171 (ASTM D 445)

TCVN 6324 (ASTM D 189)

(ASTM D 97)

Trang 33

2.1.3 Diesel pha ethanol, Khả năng thích ứng khi pha diesel với ethanol

Diesel pha ethanol

Ethanol tan trong nhiên liệu diesel kém hơn nhiều so với tan trong xăng Khi pha ethanol vào diesel ta nhận được nhiên liệu diesel-ethanol (diesohol)

Hỗn hợp nhiên liệu diesel pha ethanol được ký hiệu DEX, (trong đó EX là thể tích ethanol NLBT trong công thức pha trộn) Ví dụ: DE3 là hỗn hợp diesel – ethanol với 97% diesel và 3% ethanol Tên gọi các hỗn hợp diesel - ethanol: DE5, DE7, DE10, DE12, DE15 cũng được định nghĩa tương tự như vậy

Tùy thuộc vào lượng ethanol pha vào diesel khác nhau thì tính chất và chất lượng của nhiên liệu nhận được sẽ có thay đổi khác nhau so với nhiên liệu diesel khoáng Sự thay đổi tính chất và chất lượng của diesel pha ethanol nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với diesel Như vậy, thành phần của nhiên liệu diesel pha ethanol gồm có: Nhiên liệu diesel gốc khoáng và ethanol

Khả năng thích ứng khi pha ethanol với diesel

Có thể pha trộn nhiên liệu diesel với ethanol để tạo thành nhiên liệu diesel-ethanol (diesohol) sử dụng cho động cơ diesel Tuy nhiên, để nhiên liệu diesohol sử dụng cho động cơ diesel thì nhiên liệu phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật về chất lượng theo các tiêu chuẩn đã qui định

Một trong những tính chất dễ nhận biết sự thay đổi được thực hiện rất nhanh đó là thành phần chưng cất nhiên liệu Do ethanol (tinh khiết 99,5%) có

Trang 34

nhiệt độ sôi ở 78,370C, nên thành phần chưng cất của nhiên liệu khoáng pha trộn với ethanol khác thành phần chưng cất của nhiên liệu khoáng gốc ban đầu

Nhiên liệu mới nhận được, có những tính chất làm tốt thêm về chất lượng thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đối với nhiên liệu sử dụng cho động cơ Ethanol có điểm đông đặc thấp nên tính linh động của nhiên liệu diesel-ethanol được cải thiện rất tốt ở điều kiện nhiệt độ thấp đối với các tính chất chưa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật về chất lượng nhiên liệu, có thể khắc phục bằng cách sử dụng phụ gia

Khi pha diesel – ethanol theo các tỉ lệ DE3, DE5, DE7, DE10 nhận thấy màu sắc của nhiên liệu thay đổi so với diesel khoáng (màu trắng đục) Đối với DE7, DE10 sau khi pha trộn 1 giờ xuất hiện kết tủa

Khi pha diesel – ethanol theo các tỉ lệ DE12, DE15 nhận thấy màu sắc của nhiên liệu đổi thành màu trắng sữa, không tan, kết tủa mạnh DE15 nhận thấy phân tầng mạnh, đóng cặn màu đen Sau khi gia nhiệt đến 750C và khuấy đều hỗn hợp DE12 hòa tan hết, DE15 vẫn không tan hết và phân tầng

Hình 2.1 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE15, DE12, DE10,

DE7, DE5, DE3

Trang 35

Hình 2.2 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE3, DE5, DE7, DE10

Hình 2.3 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE15, DE12 và sau khi

gia nhiệt

Trang 36

Tính chất lý hóa hỗn hợp nhiên liệu Ethanol- Diesel (theo kết quả test, phòng

TN-XD petroleum Laboraty, Công ty xăng dầu khu vực V)

Trang 37

2.2.1 Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel

Trên cơ sở đồ thị công chỉ thị khai triển và một số điểm đặc trưng, có thể chia quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ diesel thành 4 giai đoạn sau: giai đoạn cháy trễ; giai đoạn cháy nhanh; giai đoạn cháy chính (cháy từ từ); giai đoạn cháy rớt

Hình 2.4 Quá trình cháy trong động cơ diesel, biểu diễn trên đồ thị công P-

c’ - Thời điểm phun nhiên liệu ;

c1 - Thời điểm nhiên liệu cháy;

s- Góc phun sớm;

i- Góc cháy trễ;

❖ a) Giai đoạn I – Giai đoạn cháy trễ

Bắt đầu từ lúc nhiên liệu thực tế được phun vào buồng cháy (điểm c’) và kết thúc khi xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên, việc xác định thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên trong buồng cháy rất khó nên người ta

Trang 38

quy ước thời điểm cuối giai đoạn cháy trễ là lúc đường cong áp suất trong xylanh tách khỏi đường nén lí thuyết (điểm c1)

Các thông số đặc trưng cho giai đoạn cháy trê của quá trình gồm:

Thời gian cháy trễ tính bằng giây (ti) hoặc góc cháy trễ tính theo góc quay trục khuỷu (i)

Lượng nhiên liệu được phun vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ(gi) Thời gian cháy trễ ở động cơ diesel kéo dài khoảng vài phần nghìn giây, trong thời gian đó có khoảng 3040% lượng nhiên liệu chu trình được đưa vào buồng cháy, đặc biệt ở một số động cơ diesel cao tốc, lượng nhiên liệu phun trong giai đoạn này có thể tới 100%

❖ b) Giai đoạn II - Giai đoạn cháy nhanh

Bắt đầu từ lúc đường áp suất cháy tách khỏi đường nén (điểm c1) và kéo dài cho đến lúc áp suất cháy đạt giá trị cực đại (điểm z’)

Từ những trung tâm cháy hình thành trong giai đoạn I, ngọn lửa phát triển

và bao trùm khắp không gian buồng cháy Tốc độ toả nhiệt rất lớn trong điều kiện thể tích không gian công tác nhỏ làm cho nhiệt độ và áp suất của môi chất công tác tăng lên đột ngột Giai đoạn II của quá trình cháy có thể coi như tương ứng với quá trình cấp nhiệt đẳng tích và được đánh giá bằng các thông số sau:

Áp suất cháy cực đại: Pz' = Pz= Pmax

Tỷ số tăng áp suất:  = P z'/PC

Các thông số trên có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của động cơ và sự hao mòn các chi tiết thuộc cơ cấu truyền lực Áp suất cháy cực đại càng cao thì các chi tiết chịu lực phải có kích thước càng lớn Tốc độ tăng áp suất trung bình là thông số quyết định độ “cứng” và độ ồn của động cơ khi làm việc Trong động cơ

Trang 39

diesel, trị số của wtb thường nằm trong khoảng (2,0 - 6,0 kG/cm2/độ góc quay trục khuỷu)

Sự thay đổi áp suất môi chất công tác trong giai đoạn II của quá trình cháy phụ thuộc trước hết vào quy luật cung cấp nhiên liệu và thời gian cháy trễ

Hai yếu tố quyết định lượng nhiên liệu tập trung trong buồng cháy tại thời điểm cuối giai đoạn cháy trễ (gi) là lượng nhiên liệu (gi) đã được chuẩn bị cùng với lượng nhiên liệu tiếp tục được phun vào sẽ bốc cháy mãnh liệt trong điều kiện nồng độ ôxy lớn, thể tích công tác của xylanh nhỏ nên tốc độ toả nhiệt và tốc độ tăng áp suất rất cao

❖ c) Giai đoạn III - Giai đoạn cháy chính

Bắt đầu từ lúc áp suất cháy đạt giá trị cực đại (điểm z’) và kết thúc khi

áp suất trong xylanh bắt đầu giảm (điểm z)

Giai đoạn III có thể coi như tương ứng với quá trình cấp nhiệt đẳng áp của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp Động cơ cao tốc thường kết thúc quá trình phun nhiên liệu ở giai đoạn II của quá trình cháy, nên giai đoạn III chỉ diễn ra trong một thời gian rất ngắn

Vào giai đoạn III, mặc dù quá trình cháy vẫn diễn ra mạnh mẽ nhưng áp suất môi chất công tác hầu như không tăng do thể tích công tác tăng nhanh Nhiệt độ của môi chất công tác đạt giá trị cực đại vào cuối giai đoạn III Ở chế

độ định mức, nhiệt độ cực đại nằm trong khoảng (1800 - 2300)0K đối với động

cơ hai kỳ thấp tốc và (2000 - 2400)0K đối với động cơ bốn kỳ cao tốc

Cũng vào cuối giai đoạn III, phần lớn nhiên liệu cung cấp cho chu trình đã đốt cháy, sản vật cháy trong xylanh tăng nhanh, nồng độ ôxy giảm đáng kể Nếu chất lượng phun và hoà trộn nhiên liệu không tốt, sẽ có những khu vực buồng cháy tập trung nhiều nhiên liệu hoặc có các hạt nhiên liệu có kích thước lớn chưa kịp bay hơi Lượng ôxy còn lại khó tiếp xúc với các phần tử nhiên liệu và

Trang 40

ôxy hoá nó một cách hoàn toàn Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, các phần tử nhiên liệu bị phân huỷ, các bon trong nhiên liệu được giải phóng dưới dạng bồ hóng Dạng các bon này khó bị ôxy hoá, không được đốt cháy ở giai đoạn sau và

sẽ bị thải ra ngoài theo khí thải (khí thải có màu đen)

❖ d) Giai đoạn IV - Giai đoạn cháy rớt

Cháy rớt là hiện tượng cháy kéo dài trên đường giãn nở Ở động cơ diesel, hiện tượng cháy rớt thường nghiêm trọng hơn ở động cơ xăng vì rất khó tạo ra một hỗn hợp cháy đồng nhất trong một thời gian ngắn Vì vậy, mặc dù sử dụng nhiều biện pháp hoà trộn nhiên liệu với không khí trong buồng cháy, đối với động cơ diesel vẫn phải sử dụng hệ số dư lượng không khí khá lớn (α =1,2÷2,0)

Hiện tượng cháy rớt có hại về mọi phương diện vì:

- Tăng tổn thất cho nước làm mát do bề mặt tiếp xúc giữa môi chất công tác với vách xylanh lớn khi piston đã rời xa ĐCT

- Tăng tổn thất nhiệt theo khí thải do một phần nhiên liệu không kịp cháy thải ra ngoài và do môi chất công tác có nhiệt độ cao vào cuối hành trình giãn

nở

Nhiệt độ cao của môi chất công tác trong xylanh được duy trì lâu có thể làm xupáp, đỉnh piston quá nóng, làm kẹt các séc măng,…

2.2.2 Các thông số kinh tế kỹ thuật trong động cơ

a Công suất của động cơ

Công do môi chất trong xylanh tạo ra trong một chu trình được xác định qua đồ thị p-V, vì thế đồ thị p-V được gọi là đồ thị công, và công được gọi là công chỉ thị của chu trình Li

Định dạng
Số trang	117
Dung lượng	4,2 MB