v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
4.7. Kết luận chƣơng 4
Tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel sinh học được sản xuất tại Việt Nam đã được nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ AVL-5402. Nhiên liệu diesel sinh học được pha trộn với nhiên liệu diesel truyền thống với các tỷ lệ 10%, 20% và 30%. Thực nghiệm được tiến hành để nghiên cứu một số các yếu tố như: hình dạng tia phun; góc phun sớm; áp suất phun; tải trọng; tỷ lệ pha trộn, nguồn gốc diesel sinh học. Từ các kết quả thực nghiệm có thể rút ra một số kết luận như sau:
Sự hình thành và phát triển tia phun khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có quy luật tương tự như nhiên liệu diesel truyền thống. Tuy nhiên, khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học, do ảnh hưởng của độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng mặt ngoài lớn hơn nên tia phun thâm nhập sâu vào không gian và góc nón phun nhỏ hơn. Chiều dài tia phun của nhiên liệu B10, B20, B30 và B100 tăng trung bình 1,1%; 2,1%; 3,4% và 9,0%. Trong khi đó góc nón phun trung bình giảm 1,3%; 4,2%; 5,8% và 10,0% tương ứng với nhiên liệu B10, B20, B30, B100 so với B0.
Ở các chế độ làm việc của động cơ, khi sử dụng nhiên liệu B10, B20 và B30 thì công suất giảm và suất tiêu hao nhiên liệu tăng nhưng không đáng kể. Cụ thể, công cuất khi sử dụng B10 giảm nhiều nhất là 1,79% tại 1400(vg/ph) ở 25% tải; B20 giảm 2,72% tại 2200(vg/ph) ở 25% tải; B30 giảm 5,3% tại 2200(vg/ph) ở 75% tải. Trong khi đó, suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng B10 tăng nhiều nhất 1,75% tại 2200(vg/ph) ở 25% tải; B20 giảm 2,99% tại 2200(vg/ph) ở 50% tải; B30 giảm 4,23% tại 2200(vg/ph) ở 25% tải.
Nhiên liệu diesel sinh học có trị số xêtan cao hơn và có thêm thành phần Oxy nên quá trình cháy trễ được rút ngắn và khi tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên thì quá trình cháy trễ càng được rút ngắn, do đó góc phun sớm giảm. Góc phun sớm của nhiên liệu B10, B20, B30 giảm lần lượt 1(0
TK); 2(0TK); 3,5(0TK).
Khi áp suất phun tăng lên thì công suất của động cơ ban đầu tăng lên sau đó giảm. Áp suất phun tăng làm nhiên liệu phun tơi hơn và quá trình cháy diễn ra hoàn hảo hơn, kết quả làm phát thải CO, HC, độ khói giảm còn NOx tăng.
Phát thải CO, HC và khói đen của nhiên liệu diesel sinh học pha trộn luôn thấp hơn trong khi phát thải NOx lại cao hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống. Điều này được giải thích do sự có mặt của thành phần Oxy trong nhiên liệu diesel sinh học, chuỗi phân tử cacbon dài hơn, tỷ lệ A/F cao hơn giúp cho quá trình cháy diễn ra tối ưu hơn. Cụ thể:
Khi sử dụng B10, CO giảm nhiều nhất 5% tại 2200(vg/ph) ở 50% tải, HC giảm 9,8% tại 2200(vg/ph) ở 25% tải, NOx tăng 2,3% tại 2200(vg/ph) ở 25% tải, độ khói giảm 6,0% tại 2200(vg/ph) ở 50% tải.
Khi sử dụng B20, CO giảm nhiều nhất 8,9% tại 1400(vg/ph) ở 75% tải, HC giảm 18,6% tại 1400(vg/ph) ở 50%, NOx tăng 3,9% tại cả 1400(vg/ph) và 2200(vg/ph) ở 75% tải, độ khói giảm 12,1% tại 2200(vg/ph) ở 75%.
Khi sử dụng B30, CO giảm nhiều nhất 14,7% tại 1400(vg/ph) ở 50% tải, HC giảm 27,8% tại 2200(vg/ph) ở 75%, NOx tăng 5,6% tại 2200(vg/ph) ở 75%, độ khói giảm 17,8% tại 1400(vg/ph) ở 25% tải.
107
Tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ còn phụ thuộc vào nguồn gốc của diesel sinh học. Diesel sinh học được sản xuất từ các nguồn khác nhau có các tính chất vật lý và hóa học khác nhau nên c ng có ảnh hưởng khác nhau đến động cơ. Cụ thể: khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel sinh học nguồn gốc dầu rán phế thải công suất động cơ giảm so với khi sử dụng nhiên liệu nguồn gốc mỡ cá do nhiệt trị thấp hơn. Mặt khác, trị số xêtan của nhiên liệu dầu rán cao hơn nên phát thải CO, HC, NOx giảm còn phát thải PM lại tăng.
KẾT LUẬN CHUNG
Luận án đã xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số phun như góc nón tia phun, chiều dài và độ rộng tia phun với áp suất phun và tỷ lệ diesel sinh học trong hỗn hợp nhiên liệu làm cơ sở cho việc giải thích quá trình phun và hình thành hỗn hợp trong động cơ.
Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng 1 chiều động cơ AVL-5402 trên phần mềm AVL-Boost khi sử dụng các loại nhiên liệu B0, B10, B20, B30, B40, B50. Qua đó đánh giá được đặc tính cháy, tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của các động cơ này khi sử dụng các loại nhiên liệu diesel sinh học pha trộn với tỷ lệ lớn hơn 5%, là cơ sở để giải thích, đánh giá kết quả thực nghiệm.
Luận án c ng đã xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số tính năng và phát thải của động cơ trên đối tượng nghiên cứu cụ thể là động cơ diesel commonrail AVL 5402 như công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu và các thành phần phát thải độc hại; c ng như giữa thông số góc phun sớm với tỷ lệ diesel sinh học trong hỗn hợp nhiên liệu đến B30.
Luận án đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đối với nhiên liệu diesel sinh học B10, B20, B30 nguồn gốc từ mỡ cá. Ảnh hưởng của chúng đến tính năng động cơ như sau:
Công suất động cơ giảm và càng giảm khi tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên, nguyên nhân do nhiệt trị của nhiên liệu diesel sinh học thấp hơn. Trong khi đó suất tiêu hao nhiên liệu tăng với sự tăng tỷ lệ pha trộn. Công suất đối với nhiên liệu B30 giảm tới 3%, trong khi suất tiêu hao nhiên liệu đối với B30 tăng 3,4%.
Phát thải CO, HC và độ khói giảm nhiều nhất khi sử dụng nhiên liệu B30 lần lượt 14,3%; 26,2% và 17,5%; trong khi NOx tăng nhiều nhất đối với B30 là 5,1%. Nguyên nhân, nhiên liệu diesel sinh học có thêm thành phần Oxy và chiều dài chuỗi phân tử cacbon lớn giúp quá trình cháy diễn ra thuận lợi.
Kết quả về tính năng của động cơ có sự sai khác giữa mô phỏng và thực nghiệm. Sai khác lớn nhất về công suất là 8,33% đối với nhiên liệu B20 tại 1400(vg/ph) ở 25% tải, suất tiêu hao nhiên liệu là 7,03% đối với nhiên liệu B20 tại 1400(vg/ph) ở 50% tải, phát thải CO là 11,3% đối với nhiên liệu B30 tại 1400(vg/ph) ở 25% tải, phát thải NOx là 8,87% tại 2200(vg/ph) ở 75% tải.
Tính năng động cơ phụ thuộc vào nguồn gốc của diesel sinh học, nguồn gốc khác nhau dẫn đến một số tính chất của nhiên liệu thay đổi do đó có sự ảnh hưởng khác nhau đến động cơ. Nhiệt trị, trị số xêtan, độ nhớt là những tính chất ảnh hưởng chính đến động cơ. Nhiên liệu có nhiệt trị thấp hơn làm cho công suất giảm và suất tiêu hao nhiên liệu tăng.
108
Như vậy, về mặt tính năng của động cơ, các loại nhiên liệu B10, B20, B30 có thể dùng để thay cho nhiên liệu diesel mà không cần phải thay đổi kết cấu của hệ thống cung cấp nhiên liệu. Tuy nhiên, khi sử dụng nhiên liệu B10, B20, B30 cần điều chỉnh giảm góc phun sớm cho phù hợp.
PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Trong thời gian tới, nghiên cứu cần được tiếp tục phát triển thêm một số vấn đề như sau:
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học pha trộn đến dầu bôi trơn, sức bền và tuổi thọ của các chi tiết trên động cơ. Đặc biệt là các chi tiết phi kim trong hệ thống nhiên liệu của động cơ.
Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn c ng như áp suất phun đến đặc điểm quá trình hình thành và phát triển tia phun nhiên liệu trong điều kiện thực tế trong buồng cháy của động cơ.
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học sản xuất tại Việt Nam đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ đang lưu hành.
109
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Đinh Thị Ngọ, TS. Nguyễn Khánh Diệu Hồng: Nhiên liệu sạch và các quá trình xử lý trong hóa dầu : NXB Khoa học và kỹ thuật, 2008.
[2] V Thị Thu Hà, Viện Hóa công nghiệp Việt Nam, Công ty CP Phát triển phụ gia và sản phẩm dầu mỏ, Viện Cơ khí động lực - Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam, Đề tài độc lập cấp Nhà nước Đánh giá hiện trạng Công nghệ sản xuất và thử nghiệm hiện trường nhiên liệu sinh học (diesel sinh học) từ mỡ cá , 2009.
[3] Thủ Tướng Chính phủ, Quyết định 177/2007/QĐ-TTg về việc phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 , 2007.
[4] Phạm Minh Tuấn, Chuyên đề khí thải động cơ và vấn đề ô nhiễm môi trường , 2001.
[5] Cù Việt Cường và các cộng sự, Đề tài độc lập cấp Nhà nước mã số: ĐTĐL- 2004/01: Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học có pha etanol và một số hợp chất có nguồn gốc dầu thực vật, Công ty CP Phát triển phụ gia và sản phẩm dầu mỏ (APP), 2006..
[6] Phạm Minh Tuấn. Lý thuyết động cơ đốt trong. NXB Khoa học kỹ thuật, 2008. [7] Phùng Minh Lộc, Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng
làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường, Luận án tiến s kỹ thuật, 2013.
[8] Nguyễn Hoàng V , Học viện Kỹ thuật Quân sự, Đề tài cấp Nhà nước thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự , 2013.
[9] Tiêu chuẩn Việt Nam về nhiên liệu diesel sinh học gốc B100 TCVN 7717 – 07, 2007.
[10] Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về xăng, nhiên liệu diesel và nhiên liệu sinh học, QCVN 01: 2009/BKHCN, 2009.
[11] Đặng Văn Uy, Đại học Hàng Hải, Đề tài cấp Nhà nước thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Nghiên cứu giải pháp công nghệ và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị chuyển đổi động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ sang sử dụng hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel , 2013.
[12] Nguyễn Hồng Phúc, Đại học Hàng Hải, Đề tài cấp Nhà thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Nghiên cứu công nghệ và thiết bị để chuyển đổi nồi hơi tàu thủy sang sử dụng hỗn hợp dầu thực vật – dầu DO , 2013.
110
Tiếng Anh
[13] Le Anh Tuan, Vu Thi Thu Ha, Production of Biodiesel Based Cat-Fish Fat and Aspects of Use in Conventional Engines, 2nd AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy, Chonburi, Thailand, 2010.
[14] Soni S.Wirawan, et. al, 2008. The Effect of Palm Biodiesel Fuel on the Performance anh Emission of the Automotive Diesel Engine . Agricultural Enginneering Internatinal: the CIGR Ejournal. Manuscript EE 07 005. Vol. X. [15] Le Anh Tuan, et al. Experimental Findings of Biodiesel Fuels on Engines and on
Transport Vehicles: A Case Study in Vietnam, Asia Pacific Automotive Conference APAC15, 2009.
[16] Pham Huu Tuyen, Le Anh Tuan, Hoang Linh Lan. The influences of waste cooking oil dirived biodiesel on diesel engine characteristics. Seatuc -2010.
[17] Didem Oezcimen and Sevil Yuecel, Novel Methods in Biodiesel Production, Biofuel's Engineering Process Technology 2011.
[18] EBB European Biodiesel Boad, Production of biodiesel in Europe 2011, http://www.ebb-eu.org/stats.php
[19] Sergey Zinoviev, Sivasamy Arumugam, and Stanislav Miertus, 2007.Background
paper on biofuel production technologies, Area of Chemistry, ICS-UNIDO.
[20] Utlu Z, Koc, MS. The effect of biodiesel fuel obtained from waste frying oil on direct injection diesel engine performance and exhaust emissions. Renew Energ 2008;33:1936–41.
[21] Hansen AC, Gratton MR, Yuan W. Diesel engine performance and NOx emissions from oxygenated biofuels and blends with diesel fuel. Trans ASABE 2006;49:589– 95.
[22] Jinlin Xuea, Tony E. Grifta, Alan C. Hansena, Effect of biodiesel on engine performances and emissions, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 1098–1116.
[23] B. Tesfa. R. Mishra, F. Gu, A. D. Ball; Combustion Characteristics of CI Engine Running with Biodiesel Blends; Las Palmas de Gran Canaria (Spain), 13th to 15th April, 2011.
[24] Wu F, Wang J, Chen W, Shuai S. A study on emission performance of a diesel engine fueled with five typical methyl ester biodiesel. Atmos Environ 2009;43:1481–5.
[25] Sahoo PK, Das LM, Babu MKG, Arora P, Singh VP, Kumar NR, et al. Comparative evaluation of performance and emission characteristics of jatropha, karanja and polanga based biodiesel as fuel in a tractor engine. Fuel 2009;88:1698– 707.
111
[26] Krahl J, Munack A, Schroder O, Stein H, Bunger J. Influence of biodiesel and different designed diesel fuels on the exhaust gas emissions and health effects. SAE paper 2003, 2003-01-3199.
[27] Raheman H, Phadatare AG. Diesel engine emissions and performance from blends of karanja methyl ester and diesel. Biomass Bioenerg 2004;27:393–7.
[28] Lin B-F, Huang J-H, Huang D-Y. Experimental study of the effects of vegetable oil methyl ester on DI diesel engine performance characteristics and pollutant emissions. Fuel 2009;88:1779–85.
[29] Lujan JM, Bermudez V, Tormos B, Pla B. Comparative analysis of a DI diesel engine fuelled with biodiesel blends during the European MVEG-A cycle: Performance and emissions (II). Biomass Bioenerg 2009;33:948–56.
[30] Yu Zhang, Jon H Van Gerpen. Combustion Analysis of Esters of Soybean Oil in a Diesel Engine, 1996, SAE paper 960765.
[31] Cenk Sayin, Metin Gumus, Mustafa Canakci. Effect of fuel injection pressure on the injection, combustion and performance characteristics of a DI diesel engine fueled with canola oil methyl esters-diesel fuel blends. Biomass and Bioenergy 46, 2012; 435-446.
[32] Le Thi Nhu Y, (2005), Diesel sinh học – Alternative Fuel – Produced by Transesterification of Vegetable Oils, Proceedings International Conference on Automotive Technology for Vietnam, Hanoi, October 22-24, 2005.
[33] C. Hüttl, U. Leidenberger and D. Brüggemann; Mixture Formation and Combustion of Biodiesel Blended Fuels in a DI Diesel Engine; Bayreuth Engine Research Center (BERC) Universität Bayreuth 95440 Bayreuth, Germany, September 2010. [34] Alan C. Hansen; Combustion and Emissions Characteristics of Biodiesel Fuel;
CABER Seminar May 5, 2008.
[35] Sayin C, Ilhan M, Canakci M, Gumus M. Effect of injection timing on the exhaust emissions of a diesel engine using dieselemethanol blends. Renew Energ 2009;34(5):1261-9.
[36] Yu CW, Bari S, Ameen A. A comparison of combustion characteristics of waste cooking oil with diesel as fuel in a direct injection diesel engine. P I Mech Eng D-J Aut 2002; 216(3):237-43.
[37] Ozsezen AN, Canakci M, Turkcan A, Sayin C. Performance and combustion characteristics of a DI diesel engine fueled with waste palm oil and canola oil methyl esters. Fuel 2009; 88(4):629-36.
[38] Huang ZH, Lu HB, Jiang DM, Zeng K, Liu B, Zhang JQ, et al. Combustion characteristics and heat release analysis of a compression ignition engine operating on the diesel-methanol blends. P I Mech Eng D-J Aut 2004; 218(9):1011-24.
112
[39] Sinha S, Agarwal AS. Combustion Characteristics of Rice Bran Oil Derived Biodiesel in a Transportation Diesel Engine. SAE paper 2005-26-354.
[40] Ren Y, Huang Z, Miao H, Di Y, Jiang D, Zeng K, et al. Combustion and emissions of a DI diesel engine fuelled with diesel-oxygenate. Fuel 2008;87(12):2691-7. [41] Carten Baumgarten, 2006. Mixture formation in internal cobustion engines,
Germany.
[42] Ekrem Buyukkaya, Effects of biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics, Contents lists available at ScienceDirect, 2010.
113
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Nguyen Tuan Nghia, Vu Khac Thien, Tran Thi Thu Huong and Le Anh Tuan “Effects of injection timing on performance and emissions of a common-rail diesel engine fueled with waste cooking oil blend” Proceedings of the 5th Regional Conference on
New and Renewable Energy – RCNRE 2012, p.164 -169.
2. Nguyen Tuan Nghia, Le Anh Tuan and Tran Dang Quoc “A study on the effects of diesel sinh học blends based cat-fish fat on characteristics of a single cylinder diesel engine – AVL 5402” Tạp chí Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Số đặc biệt, 7+8+9/2013. Tr. 47-51.
3. Van Nguyen Cao, Trung Tran Anh, Tuan Le Anh, Nghia Nguyen Tuan “Combustion Characteristics of a Common-Rail Diesel Engine Fueled by Blends of Palm Oil Derived Diesel sinh học and Fossil Diesel” Proceedings of the 3rd International Conference on Sustainable Energy, 29-30/10/2013, p.40-45.
4. Nguyễn Tuấn Ngh a, Lê Văn Anh, Lê Anh Tuấn “Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hư ng của nhiên liệu diesel sinh học nguồn gốc mỡ cá đến đặc t nh cháy và phát thải độc hại của động cơ diesel 1 xylanh AVL-5402” Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số đặc biệt 2014, Tr
164 - 170.
5. Nguyen Tuan Nghia, Le Anh Tuan and Tran Dang Quoc “Effects of Injection Pressure
on Performance and Emission Characteristics of a Single Cylinder Diesel Engine-AVL 5402 with Fueled Cat-Fish Fat” Tạp chí Khoa học và Công nghệ, trường Đại học