Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel ba xy lanh phun gián tiếp sử dụng nhiên liệu biodiesel

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THANH VŨ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL BA XY LANH PHUN GIÁN TIẾP SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô, máy kéo Mã số: 605235 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : … PGS.TS PHẠM XUÂN MAI (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA………… ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN THANH VŨ MSHV:11130438 Ngày, tháng, năm sinh: 24/11/1988 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô, máy kéo Mã số : 605235 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu mô động Diesel ba xy lanh phun gián tiếp sử dụng nhiên liệu sinh học Biodiesel II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát đánh giá nhu cầu sử dụng động diesel ba xy lanh với dãy công suất 20-50 HP khả ứng dụng nhiên liệu Biodiesel hoạt động sản xuất nông thôn Việt Nam - Nghiên cứu phương án thiết kế động diesel ba xy lanh, từ rút mẫu động diesel ba xy lanh với việc bố trí cụm hệ thống tính tốn sơ - Nghiên cứu q trình cháy q trình tạo hỗn hợp (lý thuyết ba dịng xốy lốc Three-Voltex) Tìm hiểu kết nghiên cứu thực nghiệm động dùng biodiesel ảnh hưởng loại nhiên liệu chi tiết động - Thực nghiên cứu mô động diesel ba xy lanh với nhiên liệu biodiesel từ chiết suất jatropha - Rút kết luận tính động phát thải từ kết mô Từ đó, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp tục tương lai III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : PGS.TS PHẠM XUÂN MAI Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƢỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) iii LỜI CÁM ƠN Trong sống ngày nay, khoa học kỹ thuật luôn phát triển thay đổi nhằm phù hợp với yêu cầu từ thực tế Ở Việt Nam, kinh tế nơng thơn ln đóng vai trị chủ đạo Nhu cầu động lực hoạt động sản xuất lớn Nắm bắt vấn đề này, dự án trọng điểm ĐH Quốc Gia hình thành Đó “Nghiên cứu thiết kế động diesel ba xy lanh phun gián tiếp phục vụ nông thôn Việt Nam” Rất vinh dự tin cậy Thầy PGS.TS Phạm Xuân Mai, em tham gia phần công sức vào dự án Em xin chân thành cám ơn hướng dẫn tận tình thầy Nhờ quan tâm đơn đốc thầy mà em hoàn thành luận văn kịp tiến độ đề Bên cạnh đó, em xin cám ơn giúp đỡ thầy, anh bạn phịng Thí Nghiệm Động Cơ Đốt Trong Khoa KTGT hỗ trợ giúp đỡ để em thực tốt việc nghiên cứu Và hết, em xin gửi lời tri ân đến ba mẹ, bạn gái đồng nghiệp Xin cám ơn người động viên tạo điều kiện tốt cho việc thực luận văn Kính chúc người sức khỏe thành công TRẦN THANH VŨ iv TĨM TẮT Kinh tế nơng thơn đóng vai trò chủ đạo kinh tế Việt Nam Nhu cầu động lực hoạt động sản xuất ngày tăng Yêu cầu cấp thiết sản xuất động diesel ba xy lanh với dãy công suất 20-50 HP nhằm phục vụ nhu cầu nông thôn Thêm việc ứng dụng nhiên liệu biodiesel động cần nghiên cứu thử nghiệm tiến tới thay dần nhiên liệu diesel truyền thống Luận văn gồm chương với nội dung cụ thể là: giới thiệu tổng quan, khảo sát nhu cầu động ba xy lanh, nghiên cứu phương án thiết kế, nghiên cứu q trình cháy hịa trộn nhiên liệu, nghiên cứu mô động ba xy lanh dùng biodiesel từ jatropha kết luận Kết mô rằng, sử dụng biodiesel động diesel ba xy lanh phun gián tiếp khơng làm thay đổi q lớn tính động phát thải (chỉ khoảng 9-12%) Mức độ khác biệt thấp ta dùng nhiên liệu hỗn hợp diesel truyền thống biodiesel với tỉ lệ 9:1 (chỉ khoảng 5-8%) Một số nghiên cứu rằng, ảnh hưởng biodiesel lên chi tiết động không quan trọng Như vậy, việc nghiên cứu sản xuất động diesel ba xy lanh phun gián tiếp với công suất 20-45 HP nghiên cứu ứng dụng biodiesel động khả thi cho nông thôn Việt Nam ABSTRACT The rural economy is still a decisive role in Vietnam economy The demand of dynamic in all kinds of productive activity are developing A imperative requirement is production of a three cylinders diesel engine with power range 20-50 HP for serving rural demand Moreover, the application of biodiesel on diesel engine is also rather important for researching and making replacement on traditional diesel fuel This thesis have chapters with contents as: general introducing, survey researching about demand of three cylinders diesel engine, design researching, research combustion process and mixture of air and fuel, simulation researching of application biodiesel from jatropha curcas on three-cylinders indirect injection diesel engine and conclusion The results of simulation process showed that using biodiesel on threecylinders indirect injection engine will not change significant about engine performance and engine emission (about 9-12%) Level of significant was the lowest when we used mixture fuel of biodiesel and traditional diesel with ratio 9:1 (about 58%) Others research also showed that biodiesel „s effect on parts of diesel engine was not important Finally, the research for manufacturing three-cylinders indirect injection diesel engine in power range 20-50 HP and the research for application biodiesel on diesel engine are very feasible in Vietnam rural economy v LỜI CAM ĐOAN Tôi tên TRẦN THANH VŨ Học viên Cao Học Khóa 2011, ngành Kỹ thuật ô tô – máy kéo, khoa KTGT Trong q trình thực Luận Văn, tơi xin cam đoan: - Tuân thủ quy tắc thực Luận văn trường khoa - Thực tham khảo trích dẫn từ nguồn tài liệu khoa học tin cậy - Nội dung luận văn thực nghiêm túc hồn chỉnh theo u cầu đề tài Tơi xin chịu trách nhiệm cho vấn đề liên quan trình thực luận văn Người cam kết TRẦN THANH VŨ vi MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Lời cam đoan vi CHƢƠNG : GIỚI THIỆU T NG QUAN 1.1 Sự cần thiết phải nghiên cứu 1.2 Mục đích nghiên cứu đề tài 1.3 Phạm vi đối tượng nghiên cứu đề tài .3 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu đề tài 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài 1.5.1 Phương pháp thống kê, phân tích 1.5.2 Phương pháp tính tốn lý thuyết mơ 1.5.3 Phương pháp nghiên cứu tính tốn thiết kế 1.5.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 1.5.5 Phương pháp chuyên gia 1.6 nghĩa khoa học thực ti n mà đề tài mang lại 1.6.1 nghĩa khoa học 1.6.2 nghĩa thực ti n 1.7 Tiến độ thực .4 CHƢƠNG : KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ NHU CẦU S DỤNG ĐỘNG CƠ DIESEL XY LANH Ở NÔNG THÔN VIỆT NAM .6 2.1 Tình hình chung giới hóa nơng nghiệp nông thôn Việt Nam .6 2.1.1 Quy mô sử dụng đất nông nghiệp mức độ trang bị máy móc điện nơng nghiệp (CĐNN) 2.1.2 Nguồn động lực sản xuất nông nghiệp 2.1.3 Mức độ giới hóa hoạt động sản xuất nơng – lâm – ngư nghiệp .8 vii 2.2 Các loại động sử dụng nông nghiệp nông thôn Việt Nam 11 2.2.1 Dãy công suất động 11 2.2.2 Khảo sát loại động thị trường .12 2.3 Nhu cầu sử dụng động Diesel Việt Nam 16 2.3.1 Trong hoạt động nông nghiệp .16 2.3.2 Trong hoạt động lâm nghiệp 17 2.3.3 Trong hoạt động ngư nghiệp 18 2.4 Các loại nhiên liệu Biodiesel sử dụng Việt Nam 19 2.4.1 Khái quát nhiên liệu Biodiesel 19 2.4.2 Các nguồn nguyên liệu sản xuất Biodiesel 25 2.4.3 Các phương pháp sản xuất Biodiesel 25 2.4.4 Nhu cầu khả ứng dụng Biodiesel .28 2.5 Đánh giá khả ứng dụng động diesel xy lanh sử dụng biodiesel Việt Nam 30 2.6 Phân tích để lựa chọn sơ thông số kỹ thuật động Diesel phù hợp với nhu cầu thực tế VN 31 2.6.1 Mơ hình ứng dụng động Diesel nhiều xy lanh nông thôn 31 2.6.2 Những yêu cầu cho động Diesel đề xuất 32 2.6.3 Chọn thơng số cho động Diesel nhiều xy lanh 33 2.7 Kết luận .33 CHƢƠNG : NGHIÊN C U PHƢƠNG ÁN THI T K ĐỘNG CƠ S DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC 35 3.1 Nghiên cứu đề xuất phạm vi ứng dụng động xy lanh sử dụng loại nhiên liệu sinh học 35 3.2 Nghiên cứu phạm vi ứng dụng nhiên liệu sinh học cho động nghiên cứu 36 3.2.1 Các giai đoạn nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh hoc 36 3.2.2 Khả sản xuất nhiên liệu Biodiesel Việt Nam .37 3.2.3 Chọn nhiên liệu biodiesel ứng dụng cho động nghiên cứu .40 3.3 Nghiên cứu phương án bố trí chung cho động xy lanh 41 3.3.1 Chọn kiểu bố trí xy lanh 42 3.3.2 Chọn số xy lanh cho động .42 3.3.3 Chọn kiểu phun nhiên liệu cho động .43 3.3.4 Chọn kiểu hòa trộn cho động 46 viii 3.4 Tính tốn so sánh phương án thiết kế động nghiên cứu với động nước tương tự 47 3.4.1 Thông số kỹ thuật động tham khảo (Kubota D1703-M-E3B) 47 3.4.2 Chọn tính tốn thơng số kết cấu động 48 3.4.3 Chọn phương án cho hệ thống động 49 3.4.4 Tính tốn thiết kế m t cắt ngang động nghiên cứu 54 3.4.5 Tính tốn thiết kế m t cắt dọc động nghiên cứu .56 3.4.6 So sánh phương án thiết kế với loại động tương tự 57 3.5 Kết luận: 58 CHƢƠNG : NGHIÊN C U QUÁ TR NH TẠO H N H P VÀ CHÁY 59 4.1 Cơ sở lý thuyết trình cháy 59 4.1.1 Khái quát trình cháy động Diesel .59 4.1.2 Quá trình cháy động Diesel phun gián tiếp .59 4.1.3 Áp suất buồng cháy động phun gián tiếp 60 4.2 Cơ sở lý thuyết trình tạo hỗn hợp 61 4.2.1 Định nghĩa dịng xốy lốc (Vortex) 61 4.2.2 Lịch sử phát triển ba dịng xốy lốc (Three vortex): .61 4.2.3 Nghiên cứu mơ buồng cháy ba dịng xoáy lốc động Diesel 67 4.3 Kết nghiên cứu thực nghiệm động sử dụng Biodiesel 69 4.4 Những tác động xấu Biodiesel đến chi tiết động 76 4.5 Buồng cháy Three-Voltex động sử dụng Biodiesel 81 4.6 Kết luận .82 CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG QUÁ TR NH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 83 5.1 Giới thiệu chung 83 5.2 Các phần tử phần mềm AVL Boost .84 5.2.1 Phần tử xylanh (Cylinder) 89 5.2.2 Phần tử điều kiện biên (Boundaries) .90 5.2.3 Phần tử bình ổn áp (Plenum) 90 5.2.4 Phần tử đường ống (Pipes) 90 5.3 Lý thuyết phần mềm AVL Boost .91 5.3.1 Mơ hình cháy .91 5.3.2 Mơ hình truyền nhiệt 94 5.3.3 Mơ hình hình thành phát thải .98 ix 5.4 Các chế độ mô 100 5.4.1 Mơ hình mơ 100 5.4.2 Nhiên liệu thử nghiệm 101 5.4.3 Các chế độ thử nghiệm 102 5.5 Kết mô 102 5.5.1 Mô trình cháy 102 5.5.2 Tính tốn tính làm việc động 104 5.5.3 Mơ tính tốn thành phần phát thải động 106 5.6 Kết luận 108 CHƢƠNG 6: K T LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 109 6.1 Kết luận 109 6.2 Hướng phát triển đề tài 110 Tài liệu tham khảo 111 Phụ lục 1: Danh sách bảng biểu 114 Phụ lục 2: Danh sách hình vẽ đồ thị 116 Phụ lục 3: Bài báo khoa học Hội Nghị ICAEF12 119 x TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] h m hi n i h n ng hu n hi n v gu n H n ng nghi p n ng th n i t m – th ng n m gi i h ti n tr nh [2] h m n ng gu n h ng v h m H ng H nh h ng ph t tri n i n n ng nghi p ph v s n u t h i n n ng - l m - th s n ti n tr nh ng nghi p h - hi n i h n ng nghi p n ng th n – th ng n m [3] n m gi i h s n u t n ng nghi p v gi m t n th t s u thu ho h i H i h n m th nh t u [4] n h Bông Bài gi ng môn học, ch hu ên dùng Khoa KTGT - ĐH B K oa h nh s h h tr nh m ề: hiên li u dầu mỡ ch t lỏng H M, 2009 [5] Sở Khoa học Cơng ngh TP H Chí Minh (2005), Báo cáo tổng k đ ch nhiên li u biodiesel từ dầu thực vật ph th eo óa ê H Chí Minh [6] Yoshu i kell ( usingveget le oil s Tallahassee, pp 35-53 đ u , TP ) From the r er to the fuel t nk the omplete guide to n ltem tive fuel Tickell Energy Consulting (TEC), [7] R lph M Gill et l Emission perform n e of sele ted iodiesel fuels SAE Technical Paper Series, May 2003 JSAE and [8] ASTM D6751, American and European Biodiesel Quality Standards, 2001 [9] EN 14214, Automotive fuels - Fatty acid methyl esters (FAME) for diesel engines Requirements and test methods, 2008 [10] TCVN 7717:2007, Nhiên li 2007 đ êze ọc g c (B100) - Yêu cầu kỹ thuật, [11] Ngu n http://www.vietnambiodiesel.blogspot.com [12] Ngu n http://www.binhdinhinvest.gov.vn [13] u t nh v i ph ng ti n gi o th ng [14] ê n ng t Luậ ă - G gi i u ng nh l tr nh p d ng tiêu hu n kh th i i t m ghiên ứu ứng d ng Biodiesel-mỡ cá làm nhiên li u cho ỹ - Đ i học Bách Khoa TP HCM, TP.HCM, 2008 i ng [15] Ayhan Demirbas, A Realistic Fuel Alternative for Diesel Engines, Spinger, London – England, 2008 [16] gu n H ng h nh iều h nhiên li u s ng ph ng ph p h siêu m ậ ă nhiên TP.HCM, TP.HCM, 2008 iesel sinh họ ( iodiesel) t mỡ ỹ– ĐH K oa ọ ự 111 [17] Kh ng u ng ng, Dầu lai – ầu c a công nghi p n ng l ng sinh học, Hội nghị khoa học công ngh lần thứ 11- Đ i học Bách Khoa TP.HCM, TP.HCM i t m n m [18] gu n http: www.agroviet.gov.vn [19] gu n ứ Minh r gu n n Hi u v r ng n o ghiên ứu kh n ng ứng d ng v ề u t ng iesel l nh m l s d ng nhiên li u sinh họ ph v n ng nghi p ậ ă Đ ọ ĐH B K oa H M, 2010 [20] gu n http: www.agbiotech.com.vn [21] gu n http: www.khoahoc.com.vn [22] Ayhan Demirbas,Progress and recent trend in biodiesel fuel, Energy Coversion and Management Magazine – 50, 2009,pp 14-34 [23] John B Heywood Internal Combustion Engine Fundamentals Newyork: McGraw-Hill Book Company, 1988, 493-497 [24] ùi n G u tr nh h ọ Kỹ ậ , 2002, 114-117 [25] Hu nh hi n l nh ph v TP HCM, 2010 ng t H ộ K oa ng rần Minh Ho ng v gu n Ho ng hiên hi t k ng ho n ng nghi p ậ ă Đ ọ ĐH B K oa [26] gu n http://geo-mexico.com/?tag=transportation [27] n h ng ng t [28] H [29] H u h nh v ĐH gu n nh Hùng H ng d n n m n họ a H M, TP HCM, 2007, pp 26-28 n hu n et ll K t u v t nh to n o t p - pp26 ikipedi - he Free En ng lopedi v i t kh t – p 3, orte [30] H Helmholtz, Uă ber Integrale der hydrodynamischen Gleichungen, welche denWirbelbewegungen entsprechen, J Reine Angew Math 55 (1858) 25–55 Reprinted in: Wissenschaftliche Abhandlungen von Hermann Helmholtz (Barth, Leipzig, 1882) I101–134 [31] H ss n Aref he th Laboratory, Nov , 2008 hree- orte ro lem Princeton Plasma Physics [32] H Aref Rott & H hom nn Grö li’s solution of the three-vorte pro lem Annual Review of Fluid Mechanics 24, 1-20 (1992) [33] H Aref & M A tremler On the motion of three point vorti es in strip Journal of Fluid Mechanics 314, 1-25 (1996) periodi [34] d o Ok z ki et l evelopment of Small IDI Diesel Engine Using Numerical Appro hes 2004 Small Engine Technology Conference, Graz, Austria, September 27-30, 2004 112 [35] gu n gọ ng he erform n e E h ust G s Emissions nd om ustion of ire t Inje tion iesel Engine Using iodiesel Fuel from h si ut Oil Master Thesis – The Bandung Institute of Technology, Indonesia, 2006 [36] Savita Kaul – R.C.Saxena – Ajay Kumar – M.S.Negi – A.K.Bhatnagar – H.B.Goyal – A K Gupt orrosion eh vior of iodiesel from seed oils of Indi n origin on diesel engine p rts Fuel Processing Technology 88, Elsevier B.V, India, 2007, pp 303-307 [37] Stanislav Pehan – Marta Svoljsak Jerman – Marko Kegl – red Kegl iodiesel influen e on tri olog h r teristi s of diesel engine Fuel 88, pp 970-979 [38] AVL–List GmbH BOOST v.2011 Users Guide Hans–List–Platz 1, A–8020 Graz, Austria, 2011 [39] Chmela F, Orthaber G Rate of Heat Release Prediction for Direct Injection Diesel Engines Based on Purely Mixing Controlled Combustion SAE Paper 1999-010186 [40] Pattas K, Häfner G Stickoxidbildung bei der ottomotorischen Verbrennung, MTZ Nr 12, 397-404, 1973 [41] Onorati A Ferr ri G ’Erri o G 1D Unsteady Flows with Chemical Reactions in the Exhaust Duct-System of S.I Engines: Predictions and Experiments SAE Paper No 2001-01-0939 [42] Schubiger R.A, Boulouchos K, Eberle M.K Rußbildung und Oxidation bei der dieselmotorischen Verbrennung MTZ 5/2002, 342-353, 2002 113 PHỤ LỤC 1: DANH SÁCH BẢNG BIỂU B ng 1.1: B ng k ho ch ti n B ng 2.1: Ngu n th c hi n LVTN d ki n ng l c dùng nông nghi p, nông thôn B ng 2.2: Tỷ l l m t b ng máy vùng trang b m B ng 2.3: Mứ p lúa vùng ầu t tr ng B ng 2.4: Mứ B ng 2.5: Dãy công su t B ng 2.6: Các lo i tàu thuyền k t qu khai thác h i s n 11 ng ng v ỡ l c kéo móc máy kéo 12 iesel c s d ng ph bi n 14 B ng 2.7: Kh o sát máy nông- lâm- ng nghi p dùng ng Diesel 20-50 HP 17 B ng 2.8: Ngu n ng l c dùng nông- lâm- ng nghi p 17 B ng 2.9: T ng công su t t u nh h i s n ph n theo ph ng 18 B ng 2.10: Tính ch t v t lý c a h n h p nhiên li u ester dầu c i hòa v i diesel 20 B ng 2.11: Tính ch t v t lý hóa học c a m t s lo i biodiesel 22 B ng 2.12: Tiêu chu n ch t l B ng : B ng : vùng nh gi iều ki n khí h u thích h p Jatropha Vi t Nam 39 hi ti t ki u x p xy lanh 42 B ng 3.3: So sánh chọn s B ng : ng biodiesel B100 TCVN 7717:2007 24 l nh ng ề xu t 42 o s nh ặc tính c a lo i bu ng h ng B ng 3.5: Thông s kỹ thu t c Ku ot B ng 3.6: Ph m vi chọn tỉ s S/D c a m t s lo i B ng 3.7: Ph m vi giá tr thông s k t c u B ng 3.8: So sánh thông s kỹ thu t c B ng 4.1: Thông s kỹ thu t ng ng ng ng ng iesel 46 - M- E3B 47 48 49 ề xu t v i ng kh 57 th nghi m 70 B ng 4.2: Thông s kỹ thu t c a nhiên li u dám th nghi m 70 B ng 4.3: T ng h p k t qu sau nghiên cứu 77 B ng 5.1: Các l nh ng phần mền AVL BOOST 84 B ng 5.2: Các phần t c h ng tr nh 85 B ng 5.3: Chu i ph n ứng hình thành NOx H s t c a mơ hình k = ATBexp(-E/T) 98 114 B ng 5.4: Các ph n ứng hình thành phát th i CO 99 B ng 5.5: Gía tr h s mơ hình 100 B ng 5.6: Thông s kỹ thu t c ng 100 B ng 5.7: Tỷ l thành phần biodiesel làm t Jatropha 101 B ng 5.8: Tính ch t nhiên li u th nghi m 102 B ng 5.9: S th i c a công su t ng s d ng h n h p biodiesel- diesel 106 B ng 5.10: S th i cu su t tiêu hao nhiên li u s d ng h n h p biodiesel- diesel 106 115 PHỤ LỤC 2: DANH SÁCH HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ H nh tr ng : i u ngu n ng l di ng (H h ) vùng H nh : i u ph n H nh : i u tỷ l ( ) l m t H nh : i u mứ tr ng m H nh : i u mứ ầu t H nh theo : i u t ng ng su t t u nh h i s n ph n ph ng 19 H nh : h H nh 8: ng ph p s ngu n ng l n ng nghi p n ng th n ng m pl vùng vùng ng su t t u thu ền vùng 11 n ng qu tr nh s n u t iodiesel 26 thu biodiesel b ng ph ng ph p este ho 27 H nh : u tr nh t ng h p iodiesel ng ph ng ph p siêu m v i t h t meth nol 28 H nh : i u m h nh ứng d ng ng iesel nhiều lanh nông thôn 32 Hình 3.0: c phát tri n nhiên li u sinh học 37 H nh : u tr nh hi t t h mỡ lỏng t mỡ H nh : h ng kê s n l H nh : lo i u ng h H nh : d ng u ng h H nh : tr h th ng ph t l H nh : tr h th ng ph i kh 51 H nh : tr h th ng nhiên li u 52 H nh 8: H nh : ng dầu ng ng phun tr ti p) 44 phun gi n ti p ỡ nhỏ 45 v khởi ng 50 tr h th ng l m m t 54 : H nh : tr mặt ng ng H nh : tr mặt dọ : ng nghi p 41 i tr n 53 H nh H nh he t th ng nh t ( tr h th ng 38 nh to n s mặt ng ng ng ng ng ong tỏ nhi t tiêu i u ng 55 nghiên ứu 55 nghiên ứu 56 ng iesel 60 H nh : u ng h d v u ng h h nh ng iesel phun gi n ti p 60 116 H nh : ng o l t o ởi nh m 61 H nh : hu n ng d ng o l ( ) – d ng gi ng nh u ( ) – d ng ng nh u ( ) – ặp o l 62 H nh : M h nh thu t ivi ni 64 H nh : hu n H nh : mặt ph ng ph 65 H nh 8: H nh : M h nh o ng d ng o d ng d ng ng quỹ l nh 64 ng o l 65 l d ng Grö li 65 o v H nh : H nh : H th ng u ng h H nh : o s nh h nh d ng gi H nh : h n ph i v n t H nh : o s nh mứ gi i ph ng nhi t 69 H nh : o s nh mứ ph t th i v tiêu h o nhiên li u 69 H nh : H nh : Moment ng su t tremler 67 E-TVCS 68 u ng h i ti n 68 lu ng kh n p t i ng ng ởi M A v i 69 lo i nhiên li u th nghi m 71 v i lo i nhiên li u th nghi m 72 H nh 8: u t tiêu h o nhiên li u ng v i lo i nhiên li u th nghi m 73 H nh : ng H kh th i v i lo i nhiên li u th nghi m 74 H nh : ng O kh th i v i lo i nhiên li u th nghi m 74 H nh : ng Ox kh th i v i lo i nhiên li u th nghi m 75 H nh : ng kh i kh th i v i lo i nhiên li u th nghi m 75 H nh : iston v i iesel 77 H nh : iston v i iodiesel H nh : t H nh : t xylanh-Biodiesel Salvadora 78 H nh : ề mặt piston lv dor 77 l nh v i iesel 78 on m o p tr c sau s d ng Biodiesel 79 H nh 8: m kim phun xy-lanh 79 H nh : H nh : ng on ng u ng cháy s 81 H nh : ng on ng u ng cháy s 81 cbon bám kim phun xy-lanh 80 Hình 5.1: Mơ hình cân b ng n ng l Hình 5.2: Mơ hình mô ng ng ng 95 M phần mềm AVL Boost 101 117 Hình 5.3: Di n bi n áp su t xylanh s d ng lo i nhiên li u 103 Hình 5.4: Di n bi n nhi t Hình 5.5: Di n bi n t xylanh s d ng lo i nhiên li u 104 to nhi t s d ng lo i nhiên li u 104 Hình 5.6: Cơng su t ng theo t vòng quay s d ng lo i nhiên li u 105 Hình 5.7: Su t tiêu hao nhiên li u theo t vòng quay s d ng lo i nhiên li u 105 Hình 5.8: Phát th i NOx theo t Hình 5.9: Phát th i CO theo t ng ng s d ng lo i nhiên li u 107 s d ng lo i nhiên li u 107 Hình 5.10: S th i c a hai thành phần phát th i theo tỷ l biodiesel nhiên li u 108 118 The 2nd International Conference on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuels HoChiMinh City University of Technology, Vietnam National University – HoChiMinh City December 4-5, 2012 A Simulation Study of Combustion and Emission Process of Three-Cylinders Biodiesel Engine Pham Xuan Mai1, Nguyen Dinh Hung1, Tran Thanh Vu1 Le Anh Tuan2, Tran Quang Vinh2 Nguyen Ngoc Chanh3, Le Viet Hung3 Department of Automotive Engineering, faculty of Transportation Engineering, HoChiMinh City University of Technology Institute of Transportation Engineering, Hanoi University of Science and Technology SVEAM Co Ltd E-mail: xuanmaipham@hcmut.edu.vn Abstract Nowadays, Vietnam is still a rural economy with three main branches: agriculture, logging and aquaculture The main dynamic in all of rural economy activities is diesel engine in a particular perspective and internal combustion engine in general The statistics shows that three-cylinder diesel engine in the range of 20-50 HP is the most widely used engine Moreover, the pilot project of production and application biodiesel fuel in engine is being carried out In this paper, using AVL-Boost software, the process of three-cylinder Indirect Injection diesel engine using biodiesel fuel is simulated This simulation contributes to study combustion processes, performances and exhaust emissions with Biodiesel fuel from Jatropha Curcas The simulation results show that when we use diesel or biodiesel fuel, they not have any significant differences about combustion characteristics, engine performances and exhaust emissions Some small differences will be treated by fuel system regulations This is an opening for a new trend of biodiesel applications on three-cylinder engine used in Vietnam, also for the three-cylinder Indirect Injection diesel engine used biodiesel project of Vietnam Keywords: biodiesel, three-cylinder, IDI engine, Jatropha, simulations, AVL Boost Introduction The rural economy is still playing an essential role in the development of Vietnam The engine used in agriculture and in rural services is divided in to three ranges of power The first power range is from 11HP to 17HP, used in mono-cylinder engine (gasoline or diesel engine, but the bigger part is diesel engine) for wheel tractors The second power range is from 19HP to 40HP and often used in two or three cylinders engine for wheel all-purpose tractors The third power range is above 50HP with over 1.4 tons of traction force Besides, these engines are used in other agricultural machines, services and rural transportations (roads and rivers); especially in the first and second power range with or cylinders engine ICAEF2012 - 21 [1] In the future, a demand on small diesel engines (1-2 and almost cylinders) for agriculture and rural services will be potentially very large To reduce the dependence on traditional fuel, the research and application of biodiesel fuel from vegetation, animal fat and wasted oil in cylinder diesel engine has become very important For this reason, the keyproject of HCMC National University “Design of three-cylinder diesel engine by using bio-fuel for agriculture, rural services and transportations” has been developed Contributing studies of biodiesel applications on three-cylinder diesel-biodiesel engine (3CD-BE), the author group simulated the 3CD-BE process by a special software AVLBoost This is a reliable simulation tool; it 119 The 2nd International Conference on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuels HoChiMinh City University of Technology, Vietnam National University – HoChiMinh City December 4-5, 2012 permits to decrease time to market, optimizes engine process and structure in prototype step First of all is the creation 3CD-BE model with specific parameters of referred engine (Kubota three-cylinder engine) In the next step, we will create a series of simulated fuel with fuel which is a mixture of biodiesel (Jatropha curcas) and diesel Their specific parameters of 3CD-BE process such as combustion processes, engine performances and exhaust emissions will be determined Base on these results, we will give an exact conclusion about capability of biodiesel application on 3CD-BE Theory of simulation in AVL-Boost 2.1 Combustion model Combustion model AVL-MCC forecasts ratio of exchange heating values and NOx formation in diesel engine It bases on fuel mass and turbulent kinetic energy of fuel spray This model requires number of nozzle, diameter of nozzle and pressure injection line so that calculates effective injection efficiency, velocity and then calculates kinetic energy of fuel spray Below parameters used to control heat transfer speed and NOx formation: - Ignition delay process - Parameters of combustion chamber are the most important elements in the rate of heat release model (ROHR) - Parameters of swirl motion affect turbulent kinetic energy, while parameters of diffusion process affect diffusion kinetic energy - Parameters of diffusion control swirl process - Parameters of NOx formation process affect NOx production - Some effects of recirculation process and parameters control this process - Mixture ratio is used 0.7 during time of combustion process Mixture controlled combustion (MCC) is used to build combustion characteristics in diesel engine This model considers the effects of the premixed (PMC) and diffusion (MCC) controlled combustion process according to equation [3]: dQtotal dQMCC dQPMC   d d d 2.2 Transfer heat model ICAEF2012 - 21 To understand clearly about heat transfer process, we will find out deeply about the happening of physical process in cylinder element So that we can describe those physical processes by mathematics, we have to distinguish the two processes: air exchange process and high pressure process Only in the air exchange process, there will appear a mass flow between pipes and adapting pipe [4] a) With high pressure process: The first law of thermodynamics for closed system as below (assumption of simple onedirection model) It represents a relationship between variation of internal energy (enthalpy) and variation of heat – work: In there: b) With air exchange process: This process has to enter a mass flow of mixed-air At this time, following the equation in first law of thermodynamics, we have: [4] In there: 2.3 Emission formation model a) NOx emission formation mechanism: NOx emission formation mechanism bases on Pattas and Hafner [5] Their formation process is represented by chemical equations follow Zeldovich mechanism: N2 + O ↔ NO + N 120 The 2nd International Conference on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuels HoChiMinh City University of Technology, Vietnam National University – HoChiMinh City December 4-5, 2012 O2 + N ↔ NO + O OH + N ↔ NO + H N2O + O ↔ NO + NO O2 + N2 ↔ N2O + O OH + N2 ↔ N2O + H b) CO emission formation mechanism: Model of calculating CO emission is based on the Onorati et al „s research results [6] It is followed by two main chemical equations as below: CO + OH = CO2 + H CO + O2 = CO2 + O c) Soot emission formation mechanism: Model of calculating soot emission is based on the Schubiger„s research result [10] The rate of soot change (msoot) is difference between the rate of soot formation (msoot.form) and rate of soot oxidize (msoot.ox): dmsoot dmsoot form dmsoot.ox   d d d The necessary parameters for engine simulation process on AVL-Boost 3.1 Engine for simulation The research engine is an indirect injection three-cylinder diesel engine (IDI) It has combustion system with TVCS (Three-Voltex Combustion System) type It is based on the referred engine, which has model name “Kubota D1703M” The table below is the technical parameters of this engine (Table 1) Table 1: Specifications of IDI cylinders engine Parameters Value Engine type cycles, cylinders Bore 87 mm symbolize them as D0, B5, B10, B20, B100 Biodiesel being used in this research was fatty acid from Jatropha curcas with its composition as in table The properties of fuel sample are showed in table Table 2: Ratio of biodiesel Ingredient name Formula Ratio (%m) Myristic acid methyl ester C15H30O2 1.07 Palmitic acid methyl ester C17H34O2 14.6 Stearic acid methyl ester C19H38O2 6.55 Oleic acid methyl ester C19H36O2 39.9 Linoleic acid methyl ester C19H34O2 37.6 Linolenic acid methyl ester C19H32O2 0.28 Table 3: Fuel sample properties Properties D0 B5 B10 B20 B100 Molar mass (g/mol) 226.45 228.99 231.59 236.97 291.08 Low heating value (MJ/kg) 42.8 42.546 42.293 41.785 37.726 A/F ratio 14.7 14.591 14.48 14.26 12.52 Carbon mass rate (%) 86.25 85.78 85.31 84.37 76.89 Oxygen mass rate (%) 0.5497 1.099 2.199 10.993 3.3 Simulating model Based on the real structure and technical parameters of the referred engine, the engine model was simulated by AVL-Boost ( Figure 1) PL1 R2 Stroke 92.4 mm Displacement 1.647 l Combustion type Injection pressure Swirl chamber (IDI, TVCS) E1 MP2 MP3 SB2 10 CL1 180 bar C2 C1 C3 Injection time 22 TK before TDC 3.2 Fuel for simulation The fuel used for this simulation is a mixture of fuel between diesel and biodiesel following series ratio of biodiesel‟s volume percentage (0%, 5%, 10%, 20% and 100%) We ICAEF2012 - 21 R1 11 MP1 PL2 MP4 SB1 Figure 1: Simulating engine model 121 The 2nd International Conference on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuels HoChiMinh City University of Technology, Vietnam National University – HoChiMinh City December 4-5, 2012 The Figure performs a change of average temperature in the second cylinder at engine speed is 1800 (rpm) The difference of combustion temperature was really insignificant when using D0, B5, B10 and B20 In case of using B100, the lower heat quantity radiated, because B100„s heating value was less 11.86% than diesel Moreover, the peak temperature Tzmax of biodiesel combustion was lower about 3.33% and the point time which reached Tzmax was sooner about 5.6% Figure 3: Temperature progress in cylinder The Figure performs the progress of heat transfer rate in cylinder when using fuel types at engine speed 1800 (rpm) The result showes that the heat transfer rate of B100‟s combustion was rather lower than other fuel types, because the heating values of fuel types were different The B100‟s time of firing was shorter than using D0, B5, B10 and B20, because of high cetane number 90 DO B5 B10 B20 B100 80 Tốc độ toả nhiệt [J/độ] 3.4 Testing modes - The combustion process of diesel-biodiesel engine takes place with injection modes (injection point, injection pressure) and closing opening time of valves The simulation process is executed at different load modes: full load (100%), heavy load (75%), medium load (50%) and light load (25%) - Calculating power (P), torque (T), brake specific fuel consumption (BSFC), heat efficiency ,… of engine used the experimental fuel - We also calculated some key factors of engine emission NOx and CO with experimental fuel and modes Base on the simulation results, we will bring out some optimal parameters about injection time, injection pressure, on-off valve timing, etc… with different fuel Simulating results 4.1 Combustion characteristic The Figure performs the pressure combustion in the second cylinder when using a mixed fuel between diesel and biodiesel at engine speed is 1800 (rpm) We saw that the progress of pressure in cylinder didn‟t have any important distinctions when we used D0, B5, B10 and B20 The time of the combustion was shorter than using traditional diesel fuel, because of their high cetane number So the peak pressure Pzmax of biodiesel was decreased more slightly than the peak pressure in using diesel With B100 fuel, because the oxygen rate in fuel was high and heating value was lower than diesel fuel, biodiesel‟s combustion process took place much faster (time of combustion decreased about 10%), the peak pressure P zmax was lowered about 4% and the point time which pressure reached maximum value was sooner about 4.5% 70 60 50 40 30 20 10 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 Góc quay trục khuỷu [độ] Figure 4: The progress of heat transfer rate Figure 2: Pressure progress in cylinder ICAEF2012 - 21 122 The 2nd International Conference on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuels HoChiMinh City University of Technology, Vietnam National University – HoChiMinh City December 4-5, 2012 4.2 Engine performance The simulated engine used D0, B5, B10, B20 and B100 at full load mode (the fuel mass which was provided was hold in 0.029 g/cycle) with speed range 1200 – 2400 (rpm) between diesel and biodiesel The results are that CO emission decreased when we increased the percentage of biodiesel in the experimental fuel With percentage levels are at 5%, 10%, 20% and 100%, the CO emission of engine decreased by 0.563%, 1.281%, 2.482% and 8.348% Figure 5: Engine power Figure 7: NOx emission at engine speed levels Figure 6: BS-Fuel consumption The engine with experimental fuel types, in the whole working range, the engine power is decreased by 0.66%, 1.18%, 2.42% and 12.26% when using B5, B10, B20 and B100 Relating to the brake specific fuel consumption, it is increased by 0.65%, 1.16%, 2.44% and 13.92% when using a mixtured fuel between diesel and biodiesel with ratio of biodiesel by volume as 5%, 10%, 20% and 100% 4.3 Engine emission The Figure performs value measures for NOx emission (g/kW.h) at every engine speed We see that NOx emission was increased altogether with percentage of biodiesel in testing fuel In details, when we used B5, B10, B20 and B100; NOx emission was increased roughly by 0.055%, 0.172%, 0.593% and 3.52% The Figure performs value of CO emission (g/kW.h) when using a mixtured fuel ICAEF2012 - 21 Figure 8: CO emission at engine speed levels The Figure performs the relative change of NOx and CO emission follows percentage of biodiesel in the experimental fuel The results shows that the trend of changing NO x and CO when we use the two experimental fuel types (a mixtured fuel between biodiesel and diesel; a traditional diesel) Figure 9: The change of emission follow percentage of biodiesel in fuel 123 The 2nd International Conference on Automotive Technology, Engine and Alternative Fuels HoChiMinh City University of Technology, Vietnam National University – HoChiMinh City December 4-5, 2012 Conclusion Nowadays, the application of simulation software for engine combustion, calculating the technical-economic and emission characteristics of engines is one of the researching orientations being interested in by the scientists The simulation process will give plenty of support for the experimental process and help to evaluate relatively effects of different elements to engine performance To ensure the working ability of biodiesel engine, the fuel system (injection pressure, advance injection), valve timing parameters need changes Using AVL-Boost software to determinate the optimistic parameters of biodiesel engine is an important technique in engine process optimization The results of this simulation shows that when we use a mixtured fuel between biodiesel and diesel on three-cylinder engine; combustion characteristic, engine performance and exhaust emission will have some small differences This problem can be explained that both biodiesel and diesel have some different properties such as: cetane number, kinematic viscosity, heat value, oxygen content, flash point,… However, this difference is relatively small In relation to 10% between B100 (100% biodiesel) and D0 (0% biodiesel) If the mixture fuel ratio of biodiesel about 5-10%, the difference will be extremely low Therefore, the application of the mixtured fuel between biodiesel and diesel is feasible And using the fuel is fabricated from vegetation will contribute to solve traditional fuel‟s depletion This paper contributes an application research of biodiesel on three-cylinder engine with a small power range for the Vietnam rural economy Once this engine is manufactured successfully, a window of new opportunity will open in domestic mechanical industry and will develop many fields of science, technology, engineering, economy and environment in Vietnam The authors kindly thank to Vietnam National University – Ho Chi Minh City for giving permissions and supports so that we can finish off these researches in the cadre of a keyproject scientific ICAEF2012 - 21 References [1] Pham Van Lang et al, “Mechanization in the process of modernization of agriculture and rural areas in Vietnam”, Science and Technology Journal of Agriculture and Rural Development – No.5, pp.3-11, May 2010 [2] SVEAM Co., “Marketing Survey Report about Multi Cylinders Engine”, SVEAM Vietnam, April 2009 [3] 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 [4] AVL–List GmbH BOOST v.2011 Theory Hans–List–Platz 1, A–8020 Graz, Austria, 2011 [5] Pattas K and Häfner G, Stickoxidbildung bei der ottomotorischen Verbrennung, MTZ Nr 12, pp 397-404, 1973 [6] Onorati A et al, “1D Unsteady Flows with Chemical Reactions in the Exhaust Duct-System of S.I Engines: Predictions and Experiments”, SAE Paper No 2001-01-0939, 2001 [7] AVL–List GmbH BOOST v.2011 Users Guide Hans–List–Platz 1, A–8020 Graz, Austria, 2011 [8] Nguyen Ngoc Dung, “The Performance, Exhaust Gas Emissions and Combustion of a Direct Injection Diesel Engine Using Biodiesel Fuel from Physic Nut Oil”, Master Thesis – The Bandung Institute of Technology, Indonesia, 2006 [9] Ayhan Demirbas, A Realistic Fuel Alternative for Diesel Engines, Springer, London – England, 2008 [10] Schubiger R.A, Boulouchos K, Eberle M.K Rußbildung und Oxidation bei der dieselmotorischen Verbrennung MTZ 5/2002, 342-353, 2002 [11] Pham Xuan Mai, Do Van Thoai, Nguyen Dinh Hung, Le Viet Hung, Nguyen Ngoc Chanh, Contribution to study on the formation of biodiesel air mixture for cylinder IDI Diesel engine, The 12 Conference on Science and Technology, October 26-28, 2011, HCMUT 124 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ tên: TRẦN THANH VŨ Giới tính: Nam Ngày sinh: 24/11/1988 Nơi sinh: Đồng Nai Địa liên lạc: Số 15, đường 2, KP3, P Linh Tây, Q Thủ Đức, TP.HCM II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Thời gian Nơi học tập Công việc đảm nhiệm 2006-2011 Học Đại học, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM Sinh viên 2008-2010 Học Cao học, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM Học Viên III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC Thời gian 3/201112/2011 12/201110/2012 10/2012-nay Nơi cơng tác Công ty TNHH Robert Bosch Vietnam Công ty TNHH Innova Electronics Công ty TNHH Robert Bosch Vietnam Công việc đảm nhiệm Nhân viên hậu Kỹ sư ô tô Chuyên viên hậu ... TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu mô động Diesel ba xy lanh phun gián tiếp sử dụng nhiên liệu sinh học Biodiesel II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát đánh giá nhu cầu sử dụng động diesel ba xy lanh với dãy... động ba xy lanh, nghiên cứu phương án thiết kế, nghiên cứu trình cháy hịa trộn nhiên liệu, nghiên cứu mơ động ba xy lanh dùng biodiesel từ jatropha kết luận Kết mô rằng, sử dụng biodiesel động diesel. .. B T T 12 Nghiên cứu mô động Diesel xy lanh sử dụng biodiesel ã T SVEAM ã D H nông thôn D ã P SVEAM ã ỉ V D C D c HVTH: Trần Thanh Vũ 13 Nghiên cứu mô động Diesel xy lanh sử dụng biodiesel ng