Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP.HỒ CHÍ MINH NCS NGUYỄN DANH CHẤN NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYLFURAN TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành : Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số ngành : 9520116 Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Hoàng Anh Tuấn PGS.TS Trần Quang Vinh TP HỒ CHÍ MINH - 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Giao thông Vận tải thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Anh Tuấn PGS.TS Trần Quang Vinh Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá Luận án họp Vào lúc ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu Luận án Thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao thơng Vận tải thành phố Hồ Chí Minh MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Giao thông vận tải phải đối mặt với hai thách thức lớn cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch vấn đề ô nhiễm môi trường Nhiên liệu hóa thạch nguồn lượng cho ngành giao thông nhiều thập kỷ tới, nhiên xu hướng kéo dài Mặt khác, áp lực từ vấn đề ô nhiễm môi trường khiến nhà chức trách khắp giới đưa điều luật buộc ngành công nghiệp ô tô hóa dầu phải phát triển cơng nghệ nhằm giảm phát thải cải thiện tính kinh tế nhiên liệu Nhằm đạt mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm mơi trường, đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, nhiên liệu sinh học hệ thứ xem ứng viên sáng giá cho việc thay phần hồn tồn loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống Trong số loại nhiên liệu tìm kiếm nghiên cứu 2,5dimethylfuran (DMF) nhận quan tâm lớn nhà khoa học khắp giới DMF có tính chất tương đồng với xăng, đồng thời tốt xăng số đặc tính số octan cao, bên cạnh DMF loại nhiên liệu sinh học hệ thứ nên không ảnh hưởng đến an ninh lương thực Trong điều kiện cụ thể Việt Nam nay, xăng pha cồn etanolđã bước đầu đưa vào sử dụng, nhiên hiệu kinh tế xã hội cịn chưa rõ rệt tiến triển chậm việc nghiên cứu để tìm loại nhiên liệu thay mới, có hiệu tốt điều cần thiết cấp bách Từ luận trên, thấy rằng: “Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng nhiên liệu dimethylfuran động xăng” vấn đề cấp thiết bối cảnh Mục tiêu nghiên cứu của đề tài a)Mục tiêu lý thuyết: - Nghiên cứu tổng quan quy trình sản xuất, tính chất lý hóa khả ứng dụng 2,5-dimethylfuran loại động đốt trong, đặc biệt động cháy cưỡng SI làm sở để xác định khoảng trống định hướng cho trình nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết trình cháy hình thành phát thải động SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính tốn tiêu kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF – xăng RON95 động xăng b) Mục tiêu thực nghiệm: - Nghiên cứu tính tốn mơ với hỗ trợ phần mềm AVL-Boost nhằm đánh giá đặc tính làm việc phát thải động SI sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF - Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng động SI nhằm so sánh với kết mô đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: - Về nhiên liệu: xăng thương phẩm RON95 DMF - Về động cơ: động cháy cưỡng b) Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu đề tài hệ động xăng điển hình lắp đặt xe ô tô thông dụng với dải công suất từ 50 đến 100 kW Các nghiên cứu mô thực nghiệm tiến hành với nhiên liệu: xăng RON95 hỗn hợp phối trộn 10DMF, 20DMF 30DMF (tương ứng với thành phần DMF hỗn hợp 10%, 20% 30% theo thể tích với xăng thương phẩm RON95) nhằm đánh giá đặc tính cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu phát thải (NOx, HC CO) theo đặc tính tải đặc tính ngồi động Phương pháp nghiên cứu a) Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu tổng quan nghiên cứu gần nhằm làm sở cho việc đưa định hướng nội dung chi tiết nghiên cứu, - Nghiên cứu lý thuyết làm sở chuyển đổi động sử dụng xăng truyền thống sang sử dụng nhiên liệu DMF thiết lập chế độ vận hành cho động b) Nghiên cứu mơ - Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ tính tốn mơ q trình làm việc động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 phần mềm AVL-Boost c)Nghiên cứu thực nghiệm - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính kỹ thuật phát thải động xăng sử dụng nhiên liệu DMF, qua xây dựng phương án tối ưu thông số làm việc động chuyển sang dùng loại nhiên liệu Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Về khoa học Luận án có ý nghĩa việc xây dựng sở lý thuyết chuyển đổi động xăng truyền thống sang sử dụng nhiên liệu DMF Đây sở cho việc cải thiện tính kỹ thuật phát thải cho động xăng truyền thống sử dụng nguồn nhiên liệu tái tạo có tiềm nước ta Nghiên cứu góp phần đưa đánh giá mặt kỹ thuật sử dụng DMF làm nhiên liệu thay cho xăng, phương án nhà nghiên cứu giới nghiên cứu phát triển b) Về thực tiễn Đề tài góp phần mở rộng khả đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho động xăng Góp phần cải thiện số tiêu kỹ thuật phát thải động chuyển sang sử dụng nhiên liệu xăng pha trộn với DMF theo tỷ lệ phối trộn hợp lý Điểm của luận án - Nghiên cứu tổng quan cách chi tiết ứng dụng nhiên liệu DMF cho động đốt nói chung động xăng nói riêng; Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật phát thải động xăng sử dụng hỗn hợp DMF-xăng RON95 theo tỷ lệ hòa trộn khác từ thấp đến cao (10%30%) nhằm đánh giá cách đầy đủ chi tiết đặc tính động sử dụng DMF làm nhiên liệu - Kết hợp nghiên cứu mô thực nghiệm nhằm đối chứng kết hai phương pháp nghiên cứu Kết cấu của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, chương nội dung nghiên cứu, phần kết luận chung hướng phát triển Toàn luận án trình bày 120 trang, 21 bảng 49 hình vẽ đồ thị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình sản xuất 2,5-dimethylfuran 1.1.1 Quy trình sản xuất 2,5-dimethylfuran từ sinh khối 1.1.2 Tiềm sản xuất DMF Việt Nam Việt Nam nước xuất lúa gạo đứng thứ hai giới Từ năm 2002 đến nay, trung bình nước ta sản xuất xuất khoảng 34 triệu thóc năm Do đó, hàng năm nước ta thải khoảng 55 triệu rơm rạ [19] Ngoài rơm rạ, loại phế phẩm, phụ phẩm nông nghiệp khác tro, trấu, gỗ vụn, mùn cưa, xơ dừa…ở nước ta vô phong phú chủng loại có trữ lượng cực lớn Và nguồn nguyên liệu dồi để sản xuất nhiên liệu sinh học hệ thứ hai, loại nhiên liệu sinh học tái tạo không ảnh hưởng đến an ninh lương thực Như vậy, thấy tiềm sản xuất nhiên liệu sinh học nói chung 2,5-dimethylfuran nói riêng Việt Nam vơ to lớn 1.2 Tính chất lý hóa của dimethylfuran Về tính chất lý hóa: 2,5-dimethylfuran (thường gọi DMF) chất lỏng suốt màu vàng có tính nhớt dầu, có mùi thơm DMF dễ cháy, nhạy cảm tiếp xúc với khơng khí (nhưng khơng mạnh), khơng tan nước Về phản ứng: DMF phản ứng mạnh với chất oxy hóa, chúng không phản ứng với axit bazơ mạnh Cơng thức hóa học 2,5-dimethylfuran: C6H8O 1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DMF động đốt 1.3.1 Sử dụng DMF nguyên chất động xăng Các cơng trình nghiên cứu cho thấy, sử dụng DMF nguyên chất (100%) để làm nhiên liệu cho động đặc điểm trình cháy đặc tính làm việc động sử dụng loại nhiên liệu tương đồng so với xăng, đồng thời đặc tính phát thải DMF cải thiện nhiều so với sử dụng xăng, đặc biệt phát thải độc hại Hiện nay, Việt Nam, chưa có cơng trình nghiên cứu công bố việc sử dụng DMF nguyên chất động Tuy nhiên, DMF loại nhiên liệu nên trình sản xuất nhà nghiên cứu Thế giới tập trung cải thiện, Việt Nam chưa thể tự sản xuất loại nhiên liệu này, Việt Nam có tiềm lớn nguồn ngun liệu để sản xuất DMF Chính thế, hướng nghiên cứu sử dụng DMF nguyên chất không tác giả lựa chọn 1.3.2 Sử dụng hỗn hợp DMF-diesel động diesel Các cơng trình nghiên cứu cho thấy, DMF có số octan cao nhiệt độ tự bốc cháy cao nên khó tự bốc cháy phun vào buồng đốt động diesel Chính thế, cơng trình nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-diesel động diesel nhằm cải thiện trình cháy động giảm phát thải độc hại Tại Việt Nam, chưa có cơng trình nghiên cứu công bố việc sử dụng DMF làm nhiên liệu động diesel Tuy nhiên, so với động diesel động xăng phổ biến nhiều số lượng chủng loại, việc nghiên cứu ứng dụng DMF làm nhiên liệu động diesel khơng có nhiều ý nghĩa tính kinh tế thực tiễn Chính thế, hướng nghiên cứu không tác giả lựa chọn đề cập đến cơng trình 1.3.3 Sử dụng hỗn hợp DMF-xăng động xăng Các công trình nghiên cứu việc sử dụng hỗn hợp DMF/xăng động xăng cho thấy sử dụng DMF pha trộn với xăng để làm nhiên liệu cho động mang đến số lợi ích định: giúp cải thiện trình cháy đặc điểm làm việc động cơ, đồng thời góp phần giảm thiểu phát thải độc hại môi trường bên ngồi Tuy nhiên, cơng trình tập trung nghiên cứu hỗn hợp DMF/xăng với tỷ lệ hòa trộn thấp (từ đến 15%) tiến hành nghiên cứu tỷ lệ hòa trộn định (25% 30%) Tại Việt Nam, Dự án môi trường Trường Đại học GTVT Tp.HCM chủ trì bước đầu tiến hành nghiên cứu ứng dụng thí điểm DMF làm phụ gia cho động xăng Tuy nhiên, nghiên cứu tiến hành với tỷ lệ hòa trộn DMF xăng thấp (10%) Như vậy, thấy Thế giới Việt Nam, chưa có cơng trình nghiên cứu đánh giá cách đầy đủ chi tiết việc sử dụng hỗn hợp DMF/xăng động xăng với tỷ lệ hòa trộn từ thấp đến cao Chính thế, hướng nghiên cứu mà tác giả lựa chọn để trình bày Luận án “Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng nhiên liệu dimethylfuran động xăng” tương ứng với tỷ lệ hòa trộn khác từ thấp đến cao DMF xăng thương phẩm RON95 nhằm đánh giá đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng hỗn hợp động xăng, nhằm làm sở ban đầu cho việc ứng dụng loại nhiên liệu tương lai Việt Nam 1.4 Kết luận chương Tóm lại, nghiên cứu tổng quan cơng trình có liên quan cơng bố gần thấy DMF có tiềm trở thành loại nhiên liệu sinh học thay cho nhiên liệu truyền thống với nhiều ưu điểm mật độ lượng cao, hàm lượng ôxy, số ốctan cao, điểm sơi thích hợp, tính khơng tan nước khả hòa lẫn với xăng dầu điêzen tỷ lệ Đặc biệt, phát thải động sử dụng DMF làm nhiên liệu có nhiều ưu điểm vượt trội xăng số khía cạnh phát thải CO HC giảm, cịn phát thải NOx có tăng khơng đáng kể Hơn nữa, DMF có lợi lớn mở rộng nguồn nguyên liệu trình sản xuất Đặc biệt Việt Nam, quốc gia có nơng nghiệp phát triển, nguồn nguyên liệu dùng cho việc sản xuất DMF vô đa dạng phong phú Tại Việt Nam, tính đến thời điểm có cơng trình nghiên cứu việc sử dụng DMF làm nhiên liệu cho ĐCĐT Chính thế, đề tài tập trung nghiên cứu việc sử dụng DMF làm nhiên liệu cho động xăng tương ứng với tỷ lệ hòa trộn khác từ thấp đến cao DMF xăng thương phẩm RON95 nhằm đánh giá đặc tính kỹ thuật phát thải sử dụng hỗn hợp động xăng, làm sở ban đầu cho việc ứng dụng loại nhiên liệu tương lai Việt Nam CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DMF 2.1 Lý thuyết về quá trình cháy của DMF động đốt 2.1.1 Cơ chế phân hủy 2.1.2 Đặc tính đánh lửa 2.1.3 Cơ chế oxy hóa nhiệt phân DMF 2.2 Cơ sở lý thút mơ quá trình cơng tác của động sử dụng xăng DMF 2.2.1 Giới thiệu phần mềm AVL Boost 2.2.2 Phương trình mô tả hệ nhiệt động 2.2.3 Điều kiện biên 2.2.3.1 Mơ hình cháy 2.2.3.2 Mơ hình trùn nhiệt 2.2.3.3 Mơ hình hình thành phát thải 2.2.3.4 Mô hình nhiên liệu 2.6 Kết luận chương Nội dung Chương trình bày sở lý thuyết trình cháy động đốt sử dụng nhiên liệu xăng DMF, đồng thời đề cập đến sở lý thuyết mơ q trình cơng tác động sử dụng loại nhiên liệu Về phần lý thuyết trình cháy động đốt sử dụng nhiên liệu DMF, nội dung Chương trình bày nghiên cứu chế phân hủy, đặc tính đánh lửa, chế ơxy hóa nhiệt phân DMF sử dụng làm nhiên liệu động đốt Kết nghiên cứu cho thấy đặc tính cháy DMF hồn tồn thích hợp cho việc sử dụng loại động đốt Bên cạnh đó, chế phân rã DMF q trình cháy cho thấy sản sinh số chất nhiễm, độc hại trở thành rào cản cho việc ứng dụng DMF tương lai Tuy nhiên, để đánh giá cách xác thành phẩn, tỷ lệ sản sinh chất gây ô nhiễm mức độ ảnh hưởng chúng môi trường sức khỏe người cần phải có nghiên cứu sâu mô thực nghiệm kiểm chứng Về phần sở lý thuyết mô q trình cơng tác động sử dụng xăng DMF, kết nghiên cứu cho thấy trình cháy động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-DMF mơ mơ hình cháy Fractal Mơ hình thường dùng cho loại động đánh lửa cưỡng bức, NOx, HC, CO Kết q trình nghiên cứu mơ tóm tắt sau: - Về đặc tính kỹ thuật động cơ, việc thực điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho chu trình để đảm bảo giữ nguyên λ=1 nên ta thay đổi thành phần nhiên liệu DMF hỗn hợp với xăng cho kết công suất mômen gần tương đương với xăng (ở toàn tải chế độ tải phận) mà không cần thay đổi kết cấu khác góc đánh lửa động cho ta thấy việc áp dụng DMF vào pha trộn với xăng để làm nhiên liệu khả quan Điều đánh giá phần thơng qua tính chất lý hóa DMF có nhiều điểm tương đồng so với xăng RON95 - Về đặc tính kinh tế, kết mơ cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu động tăng 1,64%, 5,45%, 8,45%, 11,84%, 14,82% chế độ 100% tải tăng 1,13%, 6,04%, 9,15%, 12,58%, 16,06% chế độ 50% tải, tương ứng sử dụng nhiên liệu 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF, 50DMF so với sử dụng xăng RON95 Như vậy, để đảm bảo công suất mômen cho động sử dụng nhiên liệu từ 10DMF÷50DMF, ta cần phải tăng thêm lượng nhiên liệu trung bình 9,27% so với sử dụng RON95 toàn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph - Về đặc tính phát thải, q trình mơ tiến hành nghiên cứu đánh giá phát thải động bao gồm HC, CO NOx Kết đánh giá phát thải cho thấy sau: • Lượng phát thải HC giảm tăng tỉ lệ DMF hỗn hợp, cụ thể HC giảm 2,74% , 4,26%, 6,14%, 8,63%, 10,57% chế độ 100% tải giảm 2,67%, 3,99% , 6,06%, 8,33%, 10,78% chế độ 50% tải, tương ứng với nhiên liệu 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF, 50DMF trung bình toản dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph • Lượng phát thải CO giảm tăng tỉ lệ DMF hỗn hợp, cụ thể CO giảm 2,12% , 3,78%, 6,32%, 8,98%, 11,71% chế độ 100% tải giảm 2,05% , 3,48% , 5,64%, 8,21%, 11,22% chế độ 50% tải, tương ứng với 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF, 50DMF trung bình toản dải tc t 1000ữ5000 vg/ph ã Lng phỏt thi NOx tăng tăng tỉ lệ DMF hỗn hợp, cụ thể NOx tăng 4,78% , 8,20% , 13,07%, 20,96%, 27,89% chế độ 100% tải tăng 4,88% , 9,34% , 15,09%, 23,20%, 29,67% chế độ 50% tải, tương ứng với 10DMF, 20DMF, 30DMF, 40DMF 50DMF tồn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Đặt vấn đề và các mục tiêu thực nghiệm 4.1.1 Đặt vấn đề 4.1.2 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá đặc tính kỹ thuật phát thải động xăng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 tỉ lệ hòa trộn khác - Kết thực nghiệm so sánh với kết mô phần mềm AVL Boost để từ khẳng định lại tính xác mơ hình mơ 4.2 Phạm vi và điều kiện thực nghiệm Thử nghiệm tiến hành để đánh giá ảnh hưởng tỉ lệ hòa trộn DMFxăng RON95 đến tính làm việc động chế độ tải tốc độ ổn định động 1NZ-FE quy mơ phịng thử nghiệm băng thử động lực cao Phịng thí nghiệm Động cơ, Trung tâm Cơng nghệ khí, Trường Đại học Cơng nghệ Giao thông vận tải Thử nghiệm chưa đề cập đến chế độ khởi động đánh giá độ bền tuổi thọ hệ thống cấp nhiên liệu động sử dụng DMF làm nhiên liệu 4.3 Quy trình, chế độ và trang thiết bị thử nghiệm 4.3.1 Nhiên liệu thử nghiệm 4.3.2 Trang thiết bị thử nghiệm 4.3.2.1 Động thử nghiệm Động 1NZ-FE động xăng xi lanh, sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng đa điểm Đây động qua sử dụng lắp xe ôtô Toyota Vios lưu hành 4.3.2.2 Băng thử động lực học Băng thử động lực học cao Phịng thí nghiệm Động cơ, Trung tâm Cơng nghệ Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghệ Giao thơng vận tải băng thử cung cấp hãng AVL Áo Sơ đồ băng thử thể Hình 4.3 Hình Sơ đờ bố trí băng thử đợng 4.3.3 Quy trình thử nghiệm 4.3.4 Chế độ thử nghiệm 4.4 Kết thử nghiệm và thảo luận 4.4.1 Kết thực nghiệm đánh giá công suất động Hình Cơng suất đợng theo đặc tính ngoài sử dụng xăng RON 95, 10DMF, 20DMF 30DMF Kết thực nghiệm Hình 4.6 cho thấy xu hướng chung mức giảm công suất động giai đoạn từ 2600 vg/ph đến 3400 vg/ph thấp so với tốc độ động thấp cao Ở 40-50% vòng quay định mức, chế độ nhiệt động ổn định nên mức giảm công suất không mạnh tốc độ cao Một nguyên nhân tăng tốc độ, mức nhiên liệu cấp vào lớn, thời gian cháy ngắn lượng sinh đơn vị thời gian lớn 4.4.2 Kết thực nghiệm đánh giá tính kinh tế nhiên liệu Hình Suất tiêu hao nhiên liệu đợng theo đặc tính ngoài sử dụng xăng RON 95, 10DMF, 20DMF 30DMF Hình Suất tiêu hao nhiên liệu đợng theo đặc tính tải ở 3000v/ph sử dụng xăng RON 95, 10DMF, 20DMF 30DMF Ở đặc tính ngồi (Hình 4.7), suất tiêu hao nhiên liệu nói chung cao tốc độ nhỏ (trên 450 g/kWh 1000 vg/ph), giảm nhanh tốc độ tăng đạt nhỏ vùng tốc độ 2500÷3500 vg/ph Đây vùng tốc độ làm việc kinh tế vùng tốc độ làm việc thường xun động Ở đặc tính tải (Hình 4.8), suất tiêu hao nhiên liệu động sử dụng hỗn hợp DMF xăng RON 95 thấp tải nhỏ thấp suất tiêu hao nhiên liệu động sử dụng xăng tải Điều tải nhỏ, chất lượng tạo hỗn hợp nhiệt độ cháy hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí thấp nhiều so với tải lớn so với động xăng chế độ tải, thành phần hỗn hợp nhiên liệu có chứa ơxy khả cháy sớm tốt dẫn đến chất lượng hiệu cháy tốt hơn, cơng sinh đốt cháy lượng nhiên liệu cao xăng 4.4.3 Kết thực nghiệm đánh giá mức độ phát thải 4.4.3.1 Phát thải CO Hình Phát thải CO động theo đặc tính ngoài Hình 10 Phát thải CO đợng theo đặc tính tải Đánh giá lượng phát thải CO theo đặc tính ngồi động chế độ 100% tải (Hình 4.9), ta thấy lượng phát thải CO giảm tăng tỉ lệ DMF hỗn hợp, cụ thể lượng phát thải CO giảm trung bình 1,7%, 4,5% 7,2% tương ứng với hỗn hợp nhiên liệu 10DMF, 20DMF 30DMF tồn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph Trên đồ thị Hình 4.9, ta thấy lượng phát thải CO giảm mạnh vùng tốc độ từ 1500÷2500 vg/ph, vùng tốc độ làm việc ổn định động Đánh giá lượng phát thải CO theo đặc tính tải tốc độ vịng quay 3000 vg/ph (Hình 4.10), ta thấy lượng phát thải CO giảm tăng tỉ lệ DMF có hỗn hợp, cụ thể phát thải CO giảm trung bình 27%, 63% 66% tương ứng với hỗn hợp nhiên liệu 10DMF, 20DMF 30DMF thay đổi tải từ 20÷70 Nm Đặc biệt, chế độ tải trọng làm việc thông dụng động từ 30÷40 Nm, phát thải CO giảm rõ rệt Ở lần thử nghiệm theo đặc tính tốc độ đặc tính tải, ta thấy lượng phát thải CO giảm tăng tỉ lệ DMF hỗn hợp nhiên liệu, đặc biệt giảm mạnh vùng tốc độ làm việc ổn định (2500÷3000 vịng/phút) vùng tải ổn định (30÷40 Nm) Điều dễ dàng giải thích có mặt ngun tử oxy công thức phân tử DMF Nguyên tử oxy này, kết hợp với lượng oxy có sẵn khơng khí làm cho q trình cháy hỗn hợp nhiên liệu triệt để hơn, sản phẩm trình cháy chuyển hố thành CO2 tốt hơn, đo dẫn đến phát thải CO giảm 4.4.3.2 Phát thải HC Hình 11 Phát thải HC đợng Hình 12 Phát thải HC đợng theo đặc tính ngoài theo đặc tính tải Từ đồ thị Hình 4.11, ta thấy lượng phát thải HC giảm tăng tỉ lệ DMF hỗn hợp, cụ thể lượng HC giảm trung bình 4,3%, 6,3% 8,7% tương ứng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu 10DMF, 20DMF 30DMF toàn dải tốc độ từ 1000÷5000 vg/ph Lượng phát thải HC giảm giải thích phân tử DMF có oxy, phần oxy bổ sung thêm vào q trình cháy với lượng oxy có sẵn khơng khí nạp vào, điều làm giảm tượng cháy khơng hồn tồn nhiên liệu dẫn đến lượng phát thải HC giảm Ở hỗn hợp nhiên liệu có tỉ lệ DMF cao 30DMF, hàm lượng oxy hỗn hợp lớn dẫn đến cháy tốt Do nhiệt độ cháy DMF cao xăng nên lượng DMF hỗn hợp nhiều trình cháy kiệt hơn, dẫn đến việc lượng phát thải HC giảm mạnh Cũng dựa vào đồ thị Hình 4.11, ta thấy vùng tốc độ động thấp trung bình (từ 1800÷2600 vg/ph), lượng phát thải HC giảm mạnh ta tăng tỉ lệ DMF hỗn hợp Tuy nhiên, vùng tốc độ động cao (từ 4200÷5000 vg/ph), phát thải HC có giảm khơng đáng kể Điều tốc độ động cao, thời gian chu trình bị rút ngắn lại, dẫn đến việc q trình cháy khơng diễn hồn tồn, phát thải HC khơng có thay đổi rõ rệt tăng tỉ lệ DMF hỗn hợp Ở đặc tính tải tương ứng với tốc độ vịng quay 3000 vg/ph (Hình 4.12), phát thải HC giảm tăng tỉ lệ hoà trộn DMF vào hỗn hợp với xăng RON95 Tuy nhiên, mức tải thấp (20 Nm) cao (>60 Nm), lượng giảm phát thải HC khơng có diễn biến rõ rệt Ở mức tải trung bình (40 Nm), lượng giảm HC diễn biến rõ ràng mức tải ổn định động Tại mức tải này, chế độ hoạt động động ổn định hơn, trình cháy diễn hồn thiện hơn, dẫn đến lượng nhiên liệu cấp vào cháy hoàn toàn phát thải HC giảm 4.4.3.3 Phát thải NOx Hình 13 Phát thải NOx động Hình 14 Phát thải NOx đợng theo đặc tính ngoài theo đặc tính tải Dựa vào đồ thị Hình 4.13 Hình 4.14, ta thấy lượng phát thải NOx tăng tăng tỉ lệ DMF hoà trộn vào hỗn hợp nhiên liệu với xăng, cụ thể NOx tăng tương ứng 5,2%, 9% 15% với 10DMF, 20DMF 30DMF toàn dải tốc độ động từ 1000÷5000 vg/ph Điều lượng ôxy chứa nhiên liệu tăng nên làm cho trình cháy động cải thiện, dẫn đến lượng phát thải NOx sinh trình cháy sử dụng hỗn hợp nhiên liệu với DMF lớn so với dùng xăng RON95 t Trong điều kiện hồ khí chuẩn, q trình cháy DMF tốt so với xăng, hỗn hợp không khí-DMF cháy nhanh hơn, làm cho áp suất nhiệt độ xi lanh cao so với xăng, dẫn đến lượng phát thải NOx cao 4.5 So sánh kết tính toán mô với kết thực nghiệm Đồ thị Hình 4.15 so sánh kết tính tốn mơ với kết thực nghiệm công suất suất tiêu hao nhiên liệu động sử dụng hỗn hợp 10DMF Kết so sánh đồ thị cho thấy sai lệch lớn cơng suất tính tốn mơ số liệu đo thực nghiệm 11,3% tốc độ 1000 vg/ph sai lệch trung bình 5,6% tồn dải tốc độ động Suất tiêu hao nhiên liệu lớn mô thực nghiệm 5,2% sai lệch trung bình 3,5% tồn dải tốc độ Đồ thị Hình 4.16 so sánh kết tính tốn mơ với kết thực nghiệm phát thải CO, HC NOx động sử dụng hỗn hợp 10DMF Kết so sánh đồ thị cho thấy sai lệch lớn phát thải CO tính tốn mơ số liệu đo thực nghiệm 11,8% tốc độ 2600 vg/ph sai lệch trung bình 8,7% tồn dải tốc độ động Đối với HC, sai lệch lớn 12,6% tốc độ 4200 vg/ph, sai lệch trung bình 10,6% Phát thải NOx có sai lệch lớn 12,1% sai lệch trung bình 11,1% tồn dải tốc độ Hình 15 So sánh kết MP-TN Hình 16 So sánh kết quả MP-TN công suất và suất tiêu hao nhiên các phát thải CO và NOx động liệu đợng Nói tóm lại, sai lệch trung bình kết mô so với thực nghiệm công suất suất tiêu hao nhiên liệu động khoảng 4% sai lệch kết phát thải CO NOx khoảng 10% Điều khơng thể tránh khỏi q trình mơ thiết lập dựa điều kiện vận hành lý tưởng động cơ, cịn q trình thực nghiệm tiến hành dựa điều kiện thực tế (động dùng thử nghiệm động cũ, điều chỉnh ECU nguyên động để giữ λ =1 thiết lập mô phỏng) Như vậy, thấy sai khác kết mô thực nghiệm không nhiều, chấp nhận mơ hình mơ trình làm việc động xây dựng Chương hồn tồn có giá trị, sử dụng để tính tốn mơ nghiên cứu đặc tính làm việc động sử dụng hỗn hợp DMF-xăng RON95 khơng có điều kiện thực nghiệm 4.4 Kết luận chương Nội dung Chương trình bày nghiên cứu thực nghiệm trình cháy hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 phần đánh giá ảnh hưởng DMF (khi pha với tỷ lệ khác từ 10% đến 30% hỗn hợp nhiên liệu với xăng) tới tính kỹ thuật phát thải động xăng Kết thu từ trình thực nghiệm tóm tắt sau: - Về công suất động cơ: kết thực nghiệm cho thấy công suất động giảm sử dụng hỗn hợp DMF-xăng, giảm mạnh tăng tỷ lệ hòa trộn DMF vào xăng theo phần trăm thể tích - Về suất tiêu hao nhiên liệu: kết thử nghiệm cho thấy, toàn dải tốc độ tải sử dụng pha thêm DMF vào xăng RON 95 suất tiêu hao nhiên liệu động tăng nhẹ so với sử dụng xăng - Về phát thải: kết thực nghiệm cho thấy phát thải CO HC giảm, phát thải NOx tăng Trong so sánh kết thực nghiệm mô tương đồng sai khác nằm phạm vi cho phép Như vậy, ta thấy việc sử dụng xăng có pha DMF phương tiện giao thông mang lại nhiều lợi ích kỹ thuật, kinh tế mơi trường Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng có pha tỷ lệ DMF lớn giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường Việc điều chế DMF tận dụng nguồn sinh khối truyền thống, đa dạng dồi nước ta KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN CHUNG Luận án phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu ngồi nước việc sử dụng DMF động đốt trong, cụ thể động cháy cưỡng bức, để từ đưa hướng nghiên cứu kết hợp mô thực nghiệm đối chứng nhằm đánh giá cách đầy đủ đặc tính kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp hòa trộn DMF xăng RON95 Các kết đạt luận án bao gồm: Luận án tiến hành nghiên cứu tổng quan từ quy trình sản xuất tính chất lý hóa đến khả ứng dụng DMF loại động đốt trong, đặc biệt động cháy cưỡng Kết đánh giá tổng quan cho thấy, cơng trình nghiên cứu cơng bố trước giới Việt Nam việc sử dụng DMF làm nhiên liệu loại động thường tập trung vào tỷ lệ hòa trộn thấp DMF với xăng điêzen, tỷ lệ hịa trộn định Bên cạnh đó, có cơng trình sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu mô thực nghiệm để đánh giá đặc tính làm việc phát thải động sử dụng DMF làm nhiên Trên sở đó, luận án sử dụng kế thừa lý thuyết liên quan để xây dựng mơ hình mô thực nghiệm nhằm đánh giá cách đầy đủ khả sử dụng nhiên liệu DMF với tỷ lệ hòa trộn cao loại động đốt Luận án tiến hành nghiên cứu sở lý thuyết về trình cháy hình thành phát thải động SI sử dụng nhiên liệu DMF làm sở để tính tốn tiêu kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 động xăng Luận án nghiên cứu tính tốn mơ với hỗ trợ phần mềm AVL-Boost nhằm đánh giá đặc tính làm việc phát thải động SI sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF Kết mô cho thấy thay đổi thành phần nhiên liệu DMF hỗn hợp với xăng cho kết công suất mômen gần tương đương với xăng (ở toàn tải chế độ tải phận) Đồng thời, kết mô cho thấy tăng lượng nhiên liệu cho chu trình để đảm bảo giữ nguyên λ=1, suất tiêu hao nhiên liệu động tăng lên, phát thải CO HC giảm đồng thời phát thải NOx tăng tăng lượng DMF hỗn hợp Luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trình làm việc động sử dụng DMF làm nhiên liệu hòa trộn với xăng Kết thực nghiệm cho thấy cơng suất động giảm, suất tiêu hao nhiên liệu động tăng khoảng 5% sử dụng hỗn hợp DMF-xăng so với xăng nguyên gốc Bên cạnh đó, kết thực nghiệm cho thấy phát thải HC CO giảm, phát thải NOx lại tăng Như vậy, thấy việc sử dụng xăng có pha DMF phương tiện giao thơng mang lại nhiều lợi ích kỹ thuật, kinh tế môi trường Việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng có pha tỷ lệ DMF lớn giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường Đồng thời, việc điều chế DMF tận dụng nguồn sinh khối truyền thống, đa dạng dồi nước ta HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong thời gian tới, nghiên cứu cần tiếp tục phát triển thêm số vấn đề sau: Do phạm vi giới hạn đề tài, NCS tập trung vào việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp DMF-xăng tỷ lệ pha trộn khác điều kiện xác định mà chưa tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố khác (góc đánh lửa hợp lý, hệ số dư lượng khơng khí λ, tỷ lệ tuần hồn khí xả EGR) đến đặc tính kỹ thuật, kinh tế phát thải động Do đó, hướng nghiên cứu NCS nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trình làm việc động cơ, nhằm đánh giá cách đầy đủ khả sử dụng DMF làm nhiên liệu thay động xăng Mở rộng phạm vi nghiên cứu ứng dụng DMF cho loại ô tô vận hành đường, đồng thời tiến hành số thử nghiệm khác thử nghiệm tính tương thích vật liệu, thử nghiệm bền động hệ thống nhiên liệu nhằm đưa kết nghiên cứu áp dụng vào thực tiễn Bên cạnh việc thay xăng, DMF cho thấy có tính chất hóa lý phù hợp sử dụng động diesel nhiệt độ tự cháy cao (khoảng 286oC, so với nhiệt độ tự cháy diesel khoảng 260oC) hệ số cetan mức trung bình nên cũng xem DMF loại nhiên liệu thay đầy tiềm cho động diesel Do đó, hướng nghiên cứu NCS tập trung vào khả sử dụng DMF loại động diesel nhằm thay nhiên liệu diesel truyền thống DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Nguyễn Danh Chấn, Hoàng Anh Tuấn (5.2018) Tiềm việc phát triển nhiên liệu sinh học 2.5-Dimethylfuran giới Việt Nam Hội nghị Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải Lần IV Trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM (5/2018) Nguyen, D C., Hoang, A T., Tran, Q V., Hadiyanto, H., Wattanavichien, K., and Pham, V V (September 22, 2020) "A Review on the Performance, Combustion, and Emission Characteristics of Spark-Ignition Engine Fueled With 2,5-Dimethylfuran Compared to Ethanol and Gasoline." ASME J Energy Resour Technol April 2021; Vol 143(4): 040801 Minh Quang Chau, Danh Chan Nguyen, Anh Tuan Hoang, Van Viet Pham (2020) A Numeral Simulation Determining Optimal Ignition Timing Advance of SI Engines Using 2.5-Dimethylfuran-Gasoline Blends International Journal on Advanced Science Engineering Information Technology (2020) ISSN: 2088-5334; SCOPUS, Q2 Vol 10(5), 1933-38 Anh Tuan Hoang, Danh Chan Nguyen (2018) Properties of DMFfossil Gasoline RON95 Blends in the Consideration as The Alternative Fuel International Journal on Advanced Science Engineering Information Technology ISSN: 2088-5334; SCOPUS, Q2 Vol (2018) No 6, pages: 2555-2560 Trung Thanh Bui , Dhinesh Balasubramanian , Anh Tuan Hoang , Ozcan Konur , Danh Chan Nguyen & Van Nam Tran (2020) Characteristics of PM and soot emissions of internal combustion engines running on biomass-derived DMF biofuel: a review Energy Sources ISSN: 1521- 0510; SCI Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects Published online: 31 Dec 2020 ... hình thành phát thải động SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính tốn tiêu kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF – xăng RON95 động xăng b) Mục tiêu thực nghiệm: - Nghiên cứu tính tốn... cháy hình thành phát thải động SI sử dụng nhiên liệu DMF làm sở để tính tốn tiêu kỹ thuật phát thải động sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF -xăng RON95 động xăng Luận án nghiên cứu tính tốn mơ với... làm nhiên liệu cho động đặc điểm q trình cháy đặc tính làm việc động sử dụng loại nhiên liệu tương đồng so với xăng, đồng thời đặc tính phát thải DMF cải thiện nhiều so với sử dụng xăng, đặc