Nghiên cứu, phát triển sản xuất và sử dụng NLSH thu hút sự quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới do lợi ích của loại nhiên liệu này đối với an ninh năng lượng, môi trường và xã hội..
Trang 1MỞ ĐẦU
Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết Trong khi đó, nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và việc sử dụng nguồn nhiên liệu này làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng Vì vậy, việc tìm ra nguồn năng lượng thay thế có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và cần thiết Nghiên cứu, phát triển sản xuất
và sử dụng NLSH thu hút sự quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới do lợi ích của loại nhiên liệu này đối với an ninh năng lượng, môi trường và xã hội
Trong các loại NLSH thì etanol là loại có tiềm năng lớn ở Việt Nam nhờ nguồn nguyên liệu phong phú Chính phủ đã phê duyệt đề
án phát triển, sử dụng và lộ trình áp dụng NLSH theo Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/207 và 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012 Nhiên liệu E5 đã được chính thức lưu thông trên thị trường từ năm 2010, tuy nhiên do tác động của nhiều yếu tố nên lượng tiêu thụ E5 còn khiêm tốn Để nâng cao khả năng thay thế của cồn etanol trong xăng sinh học, cần nghiên cứu và đánh giá khả năng
sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5% cho các phương tiện đang lưu hành Bên cạnh đó, các nghiên cứu này có ý nghĩa trong việc đón trước lộ trình sử dụng thí điểm và đại trà xăng
sinh học, đặc biệt là xăng E10 trên thị trường Đề tài “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động cơ xăng” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên của thực tiễn.
i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Xây dựng phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ xăng truyền thống Đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền, tuổi thọ của động cơ Đưa ra định hướng về mặt kỹ thuật, đề xuất giải pháp cải tiến và điều chỉnh động cơ; và đưa ra khuyến cáo cần thiết khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn hơn 5% cho động cơ xăng truyền thống Đối tượng nghiên cứu là 02 xe ô tô; 02 động cơ ô tô;
02 xe máy
Nghiên cứu lý thuyết đặc tính của động cơ khi sử dụng E10, E15, E20 và E85 trên phần mềm AVL-Boost Đánh giá tính thương thích của hệ thống cung cấp nhiên liệu với E10, E15, E20 Đánh giá tính
Trang 2hiệu quả, kinh tế và phát thải khi sử dụng RON92, E10, E15 và E20 Đánh giá độ bền của động cơ khi sử dụng xăng E10 và RON92 Các nội dung nghiên cứu được thực hiện tại PTN Động cơ đốt trong - Viện CKĐL - ĐHBK Hà Nội
ii Phương pháp nghiên cứu
Ngâm các chi tiết của hệ thống nhiên liệu trong xăng thông thường và xăng sinh học Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng và thử nghiệm đối chứng trên băng thử nhằm đánh giá tác động của xăng sinh học đến đặc tính cháy, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải, tăng tốc, khởi động lạnh Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ bền của động cơ khi sử dụng E10
iii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Kết quả mô phỏng làm cơ sở cho việc đánh giá các kết quả thực nghiệm và kiến nghị điều chỉnh các thông số của động cơ Xây dựng các quy trình đánh giá tương thích vật liệu, tính năng kinh tế-kỹ thuật
và phát thải cũng như độ bền của động cơ xăng đối với xăng sinh học
Đưa ra các khuyến cáo về khả năng tương thích vật liệu của một
số chi tiết với xăng sinh học E10, E15, E20 Đồng thời, đưa ra các nhận định cũng như giải pháp kỹ thuật đối với động cơ nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 cao hơn 5% trên động cơ xăng xe máy và ô tô
Luận án góp phần tư vấn cho các cơ quan chức năng trong việc thực hiện lộ trình sử dụng xăng sinh học E10 và cung cấp kiến thức cũng như tư vấn cho người sử dụng phương tiện
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật [1] Đây là nguồn nhiên liệu thay thế nhiều tiềm năng, thân thiện với môi trường
và có thể tái tạo
Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay
có thể kể tên như sau: Bioetanol, biodiesel, biogas, biohydrogen… Trong đó bioetanol (gọi tắt là etanol) được sản xuất và sử dụng rỗng rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung
Trang 3Quốc
1.2 Nhiên liệu etanol và xăng sinh học
1.2.1 Nhiên liệu etanol
Etanol là chất lỏng không
màu, mùi thơn dễ chịu, vị cay,
nhẹ hơn nước (khối lượng riêng
0,7936 g/ml ở 150C), sôi ở
78,390C, hóa rắn ở - 114,150C,
tan vô hạn trong nước
Công nghệ sản xuất: phương
pháp hydrat hóa etylen, công
nghệ lên men, công nghệ sinh
học sản xuất etanol từ nguyên liệu xenluloza
1.2.2 Xăng sinh học
Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng và etanol theo một tỷ lệ nhất định Sau khi phối trộn, xăng sinh học có những thay đổi về tính chất: khi tăng etanol thì áp suất hơi bảo hòa (RVP) tăng, đạt giá trị lớn nhất ở E10 và sau đó giảm, trị số octan tăng, nhiệt trị của nhiên liệu giảm [18]
Xăng có ẩn nhiệt hóa hơi khoảng 465,4 KJ/kg; etanol là 839,67 KJ/kg, sự bay hơi của hỗn hợp dẫn tới sự giảm nhiệt độ khí nạp vì vậy, “mật độ khối lượng” xăng sinh học vào động cơ lớn hơn
Hàm lượng etanol thấp sẽ gây ra sự
tăng RVP đạt giá trị cực đại khi etanol
khoảng 10% thể tích và bắt đầu giảm khi
tăng etanol (Hình 1.3)
Etanol có trị số octan cao sau khi phối
trộn làm tăng số octan nhiên liệu có thể
loại bỏ việc sử dụng các phụ gia chống
kích nổ gây ô nhiễm [19]
1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol
1.2.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol trên thế giới
Ngành NLSH trên thế giới phát triển mãnh mẽ dựa trên 3 động lực là năng lượng tái tạo, hỗ trợ nông nghiệp, và bảo vệ môi trường Các thống kê khác nhau cho thấy, sản lượng etanol đến năm 2012 đã đạt xấp xỉ 115 tỷ lít, tăng gần gấp đôi trong vòng 5 năm qua Trong
Hình 1.3 Áp suất hơi bão
hòa tại 37,8 0 C
Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường
Trang 4đó, Mỹ, Braxin, EU chiếm 87% sản lượng toàn cầu OECD và FAO cũng đưa ra dự báo, đến năm
2021 sản lượng etanol toàn
cầu sẽ tăng lên đến 180 tỷ lít
Việc nghiên cứu, phát
triển sản xuất và sử dụng
NLSH thu hút sự quan tâm
rất lớn của các quốc gia trên
thế giới do các lợi ích của
loại nhiên liệu này đối với an
ninh năng lượng, môi trường và xã hội
1.2.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ở Việt Nam
Tính đến tháng 12/2012, đã có 6 nhà máy sản xuất cồn etanol hoạt động, công suất thiết kế khoảng 535 triệu lít etanol/năm Dự kiến đến năm 2015, cả nước có 13 nhà máy với tổng công suất thiết
kế đạt khoảng 1,100 triệu lít đủ để phối trộn 8,5 triệu tấn xăng E10
và nhu cầu sử dụng sắn đạt 2,15 triệu tấn sắn lát khô
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” [5] Đề án xây dựng mục
tiêu phát triển nhiên liệu sinh học theo từng giai đoạn, bao gồm các vấn đề về cơ chế chính sách, quy hoạch vùng nguyên liệu, đào tạo nguồn nhân lực, nghiên cứu làm chủ công nghệ chế biến phối trộn xăng sinh học Theo đó, đến năm 2015 sản lượng etanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước; và đến năm sản lượng này đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước
1.2.4 Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ trên thế giới
Alvydas Pikunas thử nghiệm động cơ 4 xylanh, phun xăng điện
tử, tỷ số nén 9,8:1 với E10, chế độ toàn tải [20] cho thấy công suất và suất tiêu hao nhiên liệu đều tăng chút ít
M.Al-Hasan, thử nghiệm với động cơ xăng 4 xylanh, tỷ số nén 9:1, tỷ lệ etanol biến thiên từ 0% ÷ 25%, ở các tốc độ 1000, 2000,
3000, 4000v/ph, bướm ga mở 75% kết quả tính năng kỹ thuật động
cơ được cải thiện [21]
Hình 1.5 Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017
Trang 5Ioannis Gravalos, nghiên cứu trên động cơ trang bị bộ chế hòa khí cho thấy với xăng E10, E20 và E30 công suất động cơ tăng và suất tiêu hao nhiên liệu giảm so với xăng thông thường [24]
Hầu hết các kết quả đều cho thấy phát thải giảm đáng kể HC, CO, tuy nhiên lượng CO2 có xu hướng tăng và NOx thay đổi tùy từng trường hợp cụ thể [18, 21, 22, 27, 28, 31, 32]
Kết quả xuất hiện
hiện tượng ăn mòn
với các chi tiết kim
loại (Hình 1.15) Các chi tiết bằng đồng đều bị xỉn màu, giảm độ bóng (Hình1.17)
Các chi tiết phi kim có những thay đổi đáng kể sau khi ngâm trong E20: các màng cao su bị đổi màu, biến dạng (Hình 1.18), các ống cao su trương nở và tách ra khỏi ống nối (Hình 1.19)
1.2.5 Các nghiên cứu ứng dụng etanol cho động cơ ở Việt Nam
Nghiên cứu Đại học Bách
khoa Hà Nội [6] và Đại học
Bách khoa Đà Nẵng [7] với E5
và E10 kết quả phản ánh tích
cực tính tương đồng về các chỉ
tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát
thải cũng như một số kết quả
liên quan đến độ bền, tuổi thọ
của động cơ (Hình 1.20)
Hình 1.15 Vỏ bơm nhiên liệu
sau khi ngâm trong E20 [36,
Hình 1.17 Lõi bơm nhiên liệu sau
khi ngâm trong E20 [36, 37]
Hình 1.18 Màng van
bơm nhiên liệu Lõi bơm nhiên liệu sau khi ngâm trong E20 [36, 37]
-30 -20 -10 0 10 20 30 40
C ải thiện(%)
Trang 61.3 Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn
Etanol có trị số Octan cao, vì vậy có thể tăng tỷ số nén để nâng cao hiệu suất nhiệt Ôxy chiếm khoảng 35% làm tăng khả năng cháy kiệt nhiên liệu Nhiệt ẩn hoá hơi của etanol cao do đó động cơ khó khởi động lạnh Etanol có chứa hàm lượng lớn ôxy nên có khả năng ôxy hóa cao, làm cho một số chi tiết kim loại bị ăn mòn, chi tiết phi kim bị lão hóa nhanh [42]
1.4 Kết luận chương 1
Việc nâng cao tỷ lệ cồn etanol trong xăng sinh học là xu hướng chung trên thế giới và đã được quan tâm nghiên cứu Kết quả nghiên cứu cho thấy mức độ ảnh hưởng của xăng sinh học tới động cơ phụ thuộc nhiều vào kết cấu, kiểu loại động cơ, vật liệu chế tạo và chế độ làm việc Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, chất lượng phương tiện đang lưu hành ở Việt Nam, để sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol lớn hơn 5%, cần đánh giá một cách toàn diện khả năng tương thích của phương tiện đang lưu hành với nhiên liệu này Qua đó góp phần thực hiện lộ trình ứng dụng NLSH, đồng thời giúp các nhà sản xuất và người sử dụng biết được những tác động có thể xảy ra và những điều chỉnh cần thiết đối với phương tiện khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TƯƠNG THÍCH CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG TRUYỀN THỐNG KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC
2.1 Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức
2.1.1 Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức
Động cơ đốt cháy cưỡng bức quá trình cháy chia làm 3 giai đoạn: cháy trễ; cháy nhanh; cháy rớt
Quá trình cháy diễn ra lân cận
ĐCT để mômen và công suất
động cơ đạt lớn nhất Màng lửa
trong quá trình cháy được hình
thành và trải qua các giai đoạn
Trang 72.1.2 Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng xăng sinh học
Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng
và etanol, phương trình cháy của xăng
sinh học trong động cơ đốt cháy cưỡng
bức được diễn tả như sau [43]:
(1-XE)CnHm+(XE)C2H5OH+a(O2+3,76N2)
→bCO2+dH2O+eN2+fO2+gCO+hH2+iH
+jO+kOH+lNO
- a, b, d, e, f, g, h, i, j, k, l: các hệ số
- XE: tỷ lệ etanol trong xăng
Khi tăng tỷ lệ etanol, tỷ số nhiên
liệu/không khí tương đương có xu hướng
giảm (Hình 2.5) Nếu với xăng tỷ số này
là 1,15 thì khi tăng nồng độ cồn tới
khoảng 25%, tỷ số này sẽ xấp xỉ bằng 1 và tốc độ lan tràn màng lửa
dm h d
dm d
dm h d
dQ d
dQ d
dt
dm d
dm d
dm d
2.2.2 Lý thuyết tính toán quá trình cháy
Động cơ đốt cháy cưỡng bức có thể sử dụng mô hình cháy Fractal Quá trình cháy được tính toán dựa trên phương trình nhiệt động học 1 của mô hình cháy vibe 2 vùng (Vibe Two Zone) [45], [46]
Hình 2.5 Biến thiên tỷ số
nhiên liệu/không khí tương đương theo nồng độ cồn etanol trong xăng sinh học
[44]
Trang 8Nhiệt động học được thể hiện theo các phương trình 2.3 và 2.4:
dm h d
dQ d
dQ d
dV p
b c
.)
dm h d
dQ d
dQ d
dV p
u c
.)
2.2.3 Lý thuyết tính toán truyền nhiệt
2.2.3.1 Truyền nhiệt trong xylanh:
Quá trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua thành buồng cháy:
).(
, 0 8 , 0 66 , 0
)4,1.(
m c c
2.2.3.2 Trao đổi nhiệt tại cửa nạp, cửa thải:
Trong AVL-Boost mô hình Zapf [41], 47 sử dụng để tính toán
w c m A w u
p w
Trang 92.2.5 Mô hình hỗn hợp nhiên liệu xăng và etanol E100
Đối với nhiên liệu etanol, đặc tính nhiệt động học được tính toán dựa trên các hàm đa thức:
2.3.1 Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu
2.3.1.1 Các tiêu chuẩn đánh giá tương thích vật liệu
Trên cơ sở các tiêu chuẩn SAEJ 1747[52], SAEJ 1748[53] và SAE 2005-10-3710 và nghiên cứu Viện công nghệ Kingmonkut, Thái Lan [54] Xây dựng một phương pháp đánh giá tương thích vật liệu phù hợp
2.3.1.2 Xây dựng quy trình thử nghiệm tương thích vật liệu
- Các chi tiết được chọn lọc và cắt được ngâm
- Ngâm: RON92, E10, E15, E20, 2000 giờ, nhiệt độ 450C±20C
- Nhiên liệu được thay hàng tuần
- Thời gian ngâm 2000h với các chu kỳ 1, 3, 6, 12 tuần
- Chi tiết cao su và nhựa, nhiên liệu thay hàng ngày trong ba ngày đầu, sau đó thay hàng tuần
- Chi tiết kim loại nhiên liệu thay theo chu kỳ 1, 3, 6 và 12 tuần
Trang 10Trước, trong và sau khi ngâm được đánh giá theo phương pháp: Ngoại quan (1), khối lượng (2), kích thước (3), độ cứng (4), chụp ảnh (5), được đo đạc và đánh giá tại các thời điểm Bảng 2.4
Bảng 2.4 Bảng tiến trình đo
Lần đo Thời điểm đo Phương pháp đo
2.3.2 Phương pháp đánh giá
tính năng động cơ ô tô
Đánh giá theo phương pháp
đối chứng: ôtô chạy với nhiên
liệu RON92, E10, E15 và E20
theo đặc tính tốc độ ở các vị trí
tay số xác định và ở 100% tải;
đánh giá khả năng khởi động
lạnh và khởi động nóng; đánh
giá phát thải theo chu trình thử
ECE 15-05 với ô tô
2.3.3 Phương pháp đánh giá
độ bền và tuổi thọ động cơ
2.3.3.1 Phương pháp đánh giá
ảnh hưởng của xăng sinh học
E10 đến độ bền và tuổi thọ của
động cơ xăng xe máy
Đánh giá đối chứng hai xe
máy với RON92 và E10 Tổng
quãng đường quy đổi vào
khoảng 20.000 km, gồm 5500
km trên đường và 200h chạy
trên băng thử Sơ đồ quy trình
Hình 2.16
Hao mòn của các chi tiết
được thực hiện thông qua việc
đo đạc các kích thước của động
cơ như xilanh, piston, xéc măng
Hình 2.16 Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng xe máy
Hình 2.20 Sơ đồ quy trình thử
nghiệm bền của động cơ xăng ô tô
Trang 112.3.3.2 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học E10 đến độ bền và tuổi thọ của động cơ xăng ô tô
Đánh giá đối chứng với RON92 và E10, 300h trên băng thử, áp suất có ích trung bình BMEP = 5,65bar, 3000 v/ph Tương đương 80km/h Tổng quãng đường quy đổi 24.000 km Sơ đồ quy trình Hình 2.20 Đánh giá hao mòn của được thực hiện tương tự xe máy
2.4 Kết luận chương 2
Mô hình cháy Fractal cùng với các mô hình khác như mô hình hỗn hợp nhiên liệu, truyền nhiệt, tính toán hàm lượng phát thải được
sử dụng trong nghiên cứu này
Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu được xây dựng phù hợp với điều kiện Việt Nam trên cơ sở các khuyến nghị SAEJ 1747, SAEJ 1748 và SAE 2005-10-3710
Đánh giá tính năng động cơ theo phương pháp đối chứng khi sử dụng RON92 và xăng sinh học ở các tay số và theo chu trình thử khí thải tiêu chuẩn
Đánh giá độ bền và tuổi thọ động cơ theo phương pháp đối chứng RON92 và E10, chạy bền xe máy tương đương 20.000km, chạy bền động cơ ô tô 300giờ trên băng thử
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG
XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ ETANOL LỚN
3.1 Mục đích, đối tượng và phạm vi mô phỏng
Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu E10, E15, E20 và E85 thông qua mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm AVL Boost
3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ
3.2.1 Giới thiệu về phần mềm AVL Boost
AVL Boost là một công cụ mô phỏng chu trình công tác và quá trình trao đổi khí của động cơ [45]
3.2.2 Xây dựng mô hình và các thông số nhập cho mô hình
Mô hình động cơ xe máy, ô tô được xây dựng Hình 3.1
3.2.3 Các bước nghiên cứu trên mô phỏng
Mô phỏng đặc tính ngoài ở các chế độ: lượng nhiên liệu cho một chu trình không đổi, hệ số lambda không đổi, công suất không đổi
Trang 12Hình 3.1 Mô hình mô phỏng động cơ xe máy và động cơ ô tô
3.3 Kết quả tính toán mô phỏng
3.3.1 Đánh giá độ chính xác của mô hình
Hình 3.2 so sánh
công suất xe máy mô
phỏng và thực nghiệm,
sai lệch lớn nhất là
3,39% Đối với động cơ
ô tô sai lệch công suất
3.3.2 Động cơ xe máy
Thời gian cháy trễ giảm
khi tăng tỉ lệ etanol trong khi
thời gian cháy nhanh tăng
lên
Hình 3.6 đã cho thấy được
độ giảm công suất ở 3 dải tốc
độ 3000, 5000, 7500 v/ph so
với khi chạy xăng RON92
Vì công suất giảm nên suất
tiêu thụ nhiên liệu sẽ tăng
3
4
5
6
Hình 3.6 Độ giảm công suất trung bình
khi sử dụng E5, E10, E20, E85 (so với
E0)
Hình 3.2 So sánh kết quả tính toán mô phỏng
với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ
xe máy với hai loại nhiên liệu xăng (E0) và
xăng pha cồn E10
