nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học sản xuất tại việt nam đến tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ (tt)

Mặc dù đã hoàn thiện công tr nh đ nh gi ảnh hưởng của nhiên liệu B5 5% diesel sinh học và 95% diesel Tu nhi n, theo đề án của Chính phủ thì tiến tới sử dụng nhiên liệu với tỷ lệ pha trộn

MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm đầu mỏ phát triển mạnh dẫn đến phát sinh nhiều vấn đề cần được giải quyết như: Nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, nạn ô nhiễm môi trường Mặt khác, như chúng ta biết, an ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôn gắn liền với

an ninh năng lượng Chính vì thế, để đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển bền vững, nhiều quốc gia trong vòng vài thập kỷ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần dầu khoáng, tiến tới xây dựng ngành nhiên liệu sạch ở quốc gia mình

Không nằm ngoài xu thế phát triển của thế giới, Việt Nam đã và đang bắt đầu quan tâm đến vấn đề nhiên liệu sạch Mặt h c, iệt Nam là một nước nông nghiệp, n i c tiềm năng lớn về ngu n liệu phục vụ cho sản uất nhi n liệu sinh học phục vụ cho đời sống Nhận biết được điều này, Thủ tướng Chính phủ đã thông qua ề n Ph t triển và sử dụng nhi n liệu sinh học đến năm 5 và tầm nh n đến năm 5” vào năm 7 Trong c c loại N S th diesel sinh học

có nguồn gốc từ mỡ cá là loại c thể thay thế tốt cho nhiên liệu diesel Chúng ta đã ph t triển những vùng nuôi trồng thủy sản có quy

mô rất lớn để xuất khẩu tại một số tỉnh của vùng đồng bằng sông Cửu Long Phần mỡ cá rất lớn dư thừa còn lại sau quá trình chế biến thường bị bỏ đi, nếu không xử lý sẽ gây ô nhiếm môi trường

Mặc dù đã hoàn thiện công tr nh đ nh gi ảnh hưởng của nhiên liệu B5 (5% diesel sinh học và 95% diesel) Tu nhi n, theo đề án của Chính phủ thì tiến tới sử dụng nhiên liệu với tỷ lệ pha trộn cao

h n ể góp phần thúc đẩy việc sản xuất, sử dụng nhiên liệu diesel sinh học tại Việt Nam, góp phần giảm ô nhiễm môi trường, thực hiện mục ti u đề án phát triển nhiên liệu sinh học, nâng cao chất lượng sử dụng động c đang lưu hành trong hi vẫn đ p ứng tiêu chuẩn về khí thải ngà càng nâng cao, đặc biệt là tr n c c phư ng tiện giao thông

vận tải ề tài: “ diesel sinh

với các tỷ lệ lớn h n 5% như % (B ), % (B ) và 3 % (B3 ).Mục đích cụ thể của luận án bao gồm:

- nh gi ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel sinh học đến tính năng inh tế kỹ thuật và phát thải động c ;

- nh gi hảo sát ảnh hưởng của các thông số cần điều chỉnh như g c phun sớm, áp suất phun khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học;

- nh gi được đặc điểm quá trình phun và phát triển tia phun nhiên liệu; quá trình hình thành hỗn hợp và cháy;

- Bước đầu đưa ra hu ến cáo cần thiết khi sử dụng diesel sinh học pha trộn được sản xuất tại Việt Nam cho động c diesel

ii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án lựa chọn động c A -5402 sử dụng hệ thống nhiên liệu Common Rail là động c nghi n cứu â là động c diesel phun nhiên liệu điện tử có nhiều ưu điểm so với động c diesel tru ền thống

Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm ộng c đốt trong, Viện C hí động lực, Trường ại học Bách khoa Hà Nội

iii Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng và đ nh gi Cụ thể, luận án sử dụng

c c phư ng ph p nghi n cứu sau:

- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên việc xây dựng mô hình và tính toán mô phỏng các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và phát thải của động

c hi sử dụng diesel sinh học

- Thử nghiệm đối chứng đ nh gi qu tr nh phun và sự phát triển tia phun nhiên liệu bằng kỹ thuật chụp hình ảnh tia phun Phân tích hình ảnh dựa tr n ích thước, hình dạng tia phun của các nhiên liệu thử nghiệm Kết quả nghiên cứu c ý nghĩa trong việc đưa ra c c khuyến cáo về sự điều chỉnh cần thiết đối với hệ thống nhiên liệu khi

sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

- Các thử nghiệm đ nh gi đến tính năng làm việc của động c được tiến hành trong phòng thí nghiệm tr n băng thử động c Kết quả phân tích dựa trên các chỉ tiêu về công suất, suất tiêu hao nhiên

liệu và phát thải của động c

- Sử dụng kỹ thuật đo p suất trong xylanh từ đ phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến đặc tính cháy của động c

iv Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận n đã c định được một số yếu tố cần điều chỉnh cho động

c hi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học đến B30 là góc phun sớm

và áp suất phun thông qua các tính chất c bản của nhiên liệu như độ nhớt, trị số xêtan, nhiệt trị nh gi ảnh hưởng của nhiên liệu từ

tỷ lệ diesel sinh học tr n thực tế

Luận n đã đưa ra những định hướng cụ thể (điều chỉnh góc phun sớm và áp suất phun) trong việc sử dụng diesel sinh học Góp phần xây dựng các tiêu chuẩn về nhiên liệu diesel sinh học ở Việt Nam và

tư vấn với các nhà hoạch định chính s ch và người tiêu dùng nhằm sớm đưa qu ết định 77 7 Q -TTg vào hiện thực Qua đ góp phần giảm phát thải độc hại, phát thải gây hiệu ứng nhà kính và nâng cao giá trị của các sản phẩm nông nghiệp ở Việt Nam thông qua việc

sử dụng diesel sinh học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học

1.1.1 Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học (N S ) được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật [1] â là nguồn nhi n liệu tha thế nhiều tiềm năng, thân thiện với môi trường và c thể t i tạo

1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp

Bao gồm: bioethanol, diesel sinh học, biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật

1.2 Nhiên liệu diesel sinh học và sử dụng nhiên liệu diesel sinh

học trên động cơ diesel

1.2.1 Khái niệm

Diesel sinh học được định nghĩa là một dạng nhiên liệu có tính chất

tư ng đư ng và dùng để thay thế diesel có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Nh n theo phư ng diện hóa học thì diesel sinh học

là methyl este của những axít béo

1.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng của diesel sinh học 1.2.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học

1.2.5 Công nghệ chuyển hóa diesel sinh học

1.2.6 Tình hình sản xuất và sử dụng diesel sinh học

1.2.6.1 Tình hình sản xuất và sử dụng diesel sinh học trên thế giới

Nói chung, Châu

xuất diesel sinh học

của c c nước trên

thế giới

Hình 1.4 Tình hình sản xuất diesel sinh học của các nước trên thế giới năm 2010 [18]

1.2.6.2 Tình hình sản xuất và sử dụng diesel sinh học ở Việt Nam

xylanh cho nhiên liệu

diesel thông thường và nhiên liệu diesel sinh học làm từ hạt cải với các tỷ lệ pha trộn 5%, 20%, 70% và 100% Kết quả về công suất và mômen được thể hiện trên hình 1.5:

(PB20, PB50, PB100) Thử nghiệm được thực hiện tr n động c 3

Hình 1.5 So sánh tính năng động cơ của Diesel, B5, B20, B70 và B100 [40]

Hình 1.6 Phát thải của động cơ từ các nhiên liệu khác nhau [25]

lanh đã cho ết quả về phát thải được thể hiện trên hình 1.6.

1.3.2 Các nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học tại Việt Nam

iện C hí động lực trường ại học B ch hoa à Nội tiến hành nghi n cứu thử nghiệm tr n băng thử, thử nghiệm hiện trường

tr n e ô tô thí nghiệm và thử nghiệm đại trà đối với nhi n liệu B5 c nguồn gốc từ mỡ c

Kết quả thử nghiệm

trước khi chạy bền đối với

động c D 43 cho thấy,

công suất tăng trung b nh

1,33% trong khi suất tiêu

hao nhiên liệu giảm

,39% và được thể hiện

trên hình 1.9

Luận án tiến sĩ của tác

giả Phùng Minh Lộc [7],

“Nghiên cứu tỷ lệ pha

trộn hợp lý giữa dầu dừa

ề tài cấp bộ của tác giả Nguyễn oàng ũ và c c cộng sự [8],

“Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự” cũng đã được hoàn thành cuối năm

3 Tu nhi n, đối tượng nghiên cứu là động c lắp tr n phư ng tiện c giới quân sự có những đặc thù ri ng, n n chưa thể đ nh giá chính c đến c c động c lắp tr n c c phư ng tiện khác nhau

1.4 K t luận chương 1

Nhi n liệu sinh học là nhi n liệu c nguồn gốc từ sinh học c thể

sử dụng làm nhi n liệu cho động c đốt trong N g p phần giảm sự phụ thuộc vào nhi n liệu h a thạch và giảm thiểu ô nhiễm môi trường c nguồn gốc từ sinh học n n ngu n liệu để sản uất nhi n liệu sinh học rất phong phú

C c nghi n cứu trong nước về nhi n liệu diesel sinh học đến động

Hình 1.9 Kết quả thử nghiệm đối chứng

về công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu ở 100% tải đối với động cơ D243

c còn hạn chế Mặc dù đã c nghi n cứu tư ng đối hoàn chỉnh về nhiên liệu diesel sinh học từ mỡ c nhưng mới chỉ dừng ở mức 5% Một số nghi n cứu h c tập chung vào những nguồn ngu n liệu sẵn

c h c ở iệt Nam nhưng tập trung vào những động c đặc thù lắp

tr n c c phư ng tiện như quân sự, tàu thủ

ấn đề đ nh gi ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến tính năng inh

tế - ỹ thuật và ph t thải của động c cần được tập trung nghi n cứu Ngoài ra, sự h nh thành tia phun nhi n liệu, h nh thành hỗn hợp và

ch hi sử dụng nhi n liệu diesel sinh học nguồn gốc từ mỡ c cũng cần được quan tâm nghi n cứu

Từ c c phân tích tr n, vấn đề ảnh hưởng của nhi n liệu diesel sinh học nguồn gốc từ mỡ c cần tiếp tục được nghi n cứu sâu h n và với

tỷ lệ pha trộn cao h n

iệc nghi n cứu lý thu ết dựa tr n việc â dựng mô h nh và tính

to n mô phỏng cũng như ết hợp nghi n cứu thực nghiệm ảnh hưởng của diesel sinh học đến tính năng inh tế, năng lượng và ph t thải của động c là cần thiết iệc nà c thể dễ dàng thực hiện tr n trang thiết bị tại phòng thí nghiệm ộng c đốt trong, vi n C hí ộng lưc, ại học B ch Khoa à Nội

Chỉ ti u inh tế- ỹ thuật và ph t thải của động c sẽ tha đổi hi

sử dụng diesel sinh học c nguồn gốc h c nhau Do đ , việc nghi n cứu ảnh hưởng của diesel sinh học c nguồn gốc h c nhau đến động

c cũng cần được nghi n cứu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH PHUN, HÌNH THÀNH HỖN HỢP VÀ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KHI

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HọC

2.1 Lý thuy t về quá trình phun nhiên liệu và sự hình thành tia phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

2.1.1 Lý thuy t về quá trình phun nhiên liệu động cơ diesel

2.1.1.1 Cơ chế phá vỡ tia phun của chất lỏng [39]

C chế phá vỡ của tia phun chất lỏng phụ thuộc vào vận tốc

tư ng đối và các thuộc tính của chất lỏng và khí bao quanh Hình 2.1

là s đồ Ohnesorge (Ohnesorge W., 1931), ở đ Z là hàm của của

Re

2.1.1.2 Cơ chế phá vỡ giọt

Hình 2.1 Cơ chế phá vỡ tia phun [39]

chất lỏng [39]

Sự phá vỡ giọt khi phun là do lực khí động (ma sát và áp suất) gây ra bởi vận tốc tư ng đối urel giữa các giọt nhỏ và khí xung quanh Các lực khí động này gây ra dao động sóng ngày càng tăng tại giao diện của 2 pha khí/lỏng, cuối cùng dẫn đến phân rã hình thành các giọt nhỏ h n

2.1.1.3 Cấu trúc tia phun trong động cơ [39]

Biểu đồ mô tả một tia phun hình nón được cho trong hình 2.3

Hình 2.3 Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón

Cấu trúc tia phun được c định bới một số thông số c bản như: chiều dài tia phun (S); g c n n phun (); chiều dài phân rã ( b)

2.1.2 Cấu trúc tia phun nhiên liệu diesel sinh học

2.1.2.1 Chiều dài phân rã L b

Nhiên liệu diesel sinh học có khối lượng ri ng cao h n so với nhiên liệu diesel nên chiều dài phân rã lớn h n

2.1.2.2 Chiều dài chùm tia nhiên liệu S

Chiều dài chùm tia nhiên liệu chủ yếu phụ thuộc vào thời gian phun, áp suất phun và độ nhớt của nhiên liệu Thông thường nhiên liệu diesel sinh học c độ nhớt lớn h n n n chiều dài chùm tia sẽ dài

h n

2.1.2.3 Góc nón tia phun nhiên liệu 

Góc nón chùm tia tỷ lệ nghịch với độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt của nhiên liệu Khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học thì góc nón chùm tia phun nhiên liệu sẽ nhỏ h n so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thường

2.2 Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel 2.2.1 Khái niệm cơ bản

Quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình bốc cháy nhiên liệu của động c diesel chồng chéo lên nhau Sau khi phun nhiên liệu, trong buồng cháy diễn ra một loạt tha đổi về lý hóa của nhiên liệu, sau đ phần nhiên liệu phun vào trước đã tạo ra hỗn hợp và tự bốc cháy, trong khi nhiên liệu vẫn được phun tiếp, cung cấp cho xylanh của động c

2.2.2 Cơ sở lý hóa quá trình cháy

2.2.2.1 Phản ứng dây truyền nhiệt

Trong số các công trình đã công bố thì lý thuyết về phản ứng dây chuyển nhiệt của Viện sỹ Xêmênốp được sử dụng rộng rãi để giải thích c chế của quá trình cháy

2.2.2.2 Sự châm cháy nhiên liệu trong xylanh

Quá trình châm cháy trong động c Diesel có thể chia thành hai giai đoạn:

- Giai đoạn 1: là giai đoạn hình thành ngọn lửa nguội.

- Giai đoạn 2: là giai đoạn tích tụ các phần tử hoạt tính cho đến khi

phản ứng dây chuyền kết thúc bằng sự nổ nhiệt và xuất hiện ngọn lửa n ng”

2.2.2.3 Thời gian cháy trễ

Thời gian tính từ lúc phun nhiên liệu cho đến khi quá trình cháy thực

sự diễn ra với sự tăng vọt về áp suất và nhiệt độ trong xylanh gọi là thời gian cháy trễ (s) tư ng ứng với góc i(0TK)

2.2.2.4 Quy luật cháy và tốc độ tỏa nhiệt

Quy luật cháy x và tốc độ cháy của nhiên liệu là những quy luật quan trọng trong quá trình nghiên cứu động học và các quá trình phát triển nhiệt độ T và áp suất p trong xylanh

Quy luật tỏa nhiệt hi ch là lượng nhiệt được giải phóng thông qua quá trình cháy của nhiên liệu và không khí và phát triển theo thời gian của quá trình cháy

2.2.3 Diễn bi n quá trình cháy của động cơ diesel thông thường

Quá trình cháy là quá trình ô-xy hoá nhiên liệu, giải phóng hoá năng thành nhiệt năng Y u cầu đối với quá trình cháy là nhiên liệu

ch đúng lúc, ch iệt để đạt tính hiệu quả và tính kinh tế cao,

đồng thời tốc độ tăng p suất Δp Δφ hông qu lớn để động c làm việc ít rung giật và hạn chế tải trọng động tác dụng lên các chi tiết của c cấu trục khuỷu-thanh truyền.

2.2.4 Quy luật cháy trong động cơ trang bị hệ thống nhiên liệu commonrail

Quá trình phun nhiên liệu của hệ thống nhiên liệu Commonrail được điều khiển phun bằng điện tử nên có thể tổ chức phun thành ba giai đoạn khác nhau, bao gồm: Phun mồi, phun chính và phun sau

2.3 So sánh sự hình thành và cháy của nhiên liệu diesel và diesel sinh học

Nói chung, sự hình thành hỗn hợp, châm ch cũng như lan tràn màng lửa có diễn biến tư ng tự nhau đối với nhiên liệu diesel và diesel sinh học Tuy nhiên, nhiên liệu diesel sinh học có trị số xêtan cao h n n n sự hình thành và bắt cháy của diesel sinh học sớm h n Kết quả là quá trình cháy của nhiên liệu diesel sinh học kết thúc trước so với quá trình cháy của nhiên liệu diesel iều nà được kiểm chứng qua một thử nghiệm cho hai loại nhiên liệu là B0 và B100

Hình 2.7 Sự phát triển ngọn lửa trong quá trình cháy của B0 và B100[34]

2.4 Cơ ch hình thành và cơ sở tính toán phát thải động cơ diesel 2.4.1 Phát thải NOx

Quá trình hình thành NOx diễn ra chủ yếu ở nhiệt độ trên 2000

0K Do đ nếu khống chế được nhiệt độ tức thời trong buồng cháy dưới 2000 0

K thì có thể giảm được sự hình thành NOx

Phát thải NOx của động c hi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

sẽ cao h n so với khi sử dụng nhiên liệu diesel Nguyên nhân thứ nhất là do nhiệt độ cháy của động c hi sử dụng diesel sinh học cao

h n Ngu n nhân thứ hai là do bản thân nhiên liệu diesel sinh học

có chứa thành phần Oxy trong công thức phân tử

2.4.2 Phát thải bồ hóng

Các nghiên cứu c bản về quá trình hình thành bồ hóng trong các ngọn lửa và trong buồng ch động c diesel đã được đề cập nhiều trong các tài liệu gần đâ với c chế điển hình:

- C chế bán toàn phần (ha c chế hai bước của Hiroyasu)

- C chế fusco

Khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học thì với sự gia tăng nhiệt độ

và đặc trưng qu tr nh ch là ch huếch tán diễn ra mãnh liệt h n giúp cho quá trình oxy hóa bồ hóng triệt để h n

Trong trường hợp cụ thể thì việc tính to n qu tr nh ch trong động

c đốt trong được dựa tr n phư ng tr nh nhiệt động học thứ nhất: ( )

2.5.2 Mô hình cháy AVL-MCC

2.5.2.1 Lý thuyết chung về mô hình cháy AVL-MCC

Mô hình cháy AVL - MCC dự đo n được tỷ lệ lượng nhiệt trao đổi và lượng NO h nh thành tr n động c diesel dựa vào khối lượng nhiên liệu và năng lượng động học rối của vòi phun nhiên liệu

2.5.2.2 Phương trình đặc trưng của mô hình cháy AVL-MCC

Mô h nh ch c điều hiển hỗn hợp (MCC) được dùng để â dựng đặc tính ch trong động c diesel

Qu tr nh tru ền nhiệt từ trong buồng ch qua thành buồng ch như nắp lanh, piston, và l t lanh được tính dựa vào phư ng

tr nh tru ền nhiệt sau:

(2.49)

2.5.3.2 Trao đổi nhiệt trên thành xylanh

C thể coi trong qu tr nh nạp, lượng trao đổi nhiệt giữa thành

v ch lanh và hí nạp mới làm giảm thể tích hiệu dụng của động

c

2.5.3.3 Trao đổi nhiệt tại cửa nạp và cửa thải

Quá trình trao đổi nhiệt tại của nạp và thải là hết sức quan trọng,

c thể lớn h n rất nhiều so với dòng chả trong đường ống đ n giản

do hệ số tru ền nhiệt cao và nhiệt độ trong vùng giữa up p và đế xupáp

2.6 K t luận chương 2

Quy luật phun và sự phát triển tia phun nhiên liệu đ ng vai trò qua trọng cho sự hình thành hỗn hợp và ch trong động c diesel Hình dạng tia phun phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: p suất phun, kết cấu vòi phun, môi trường phun và đặc biệt là tính chất của nhiên liệu Nhiên liệu diesel sinh học c độ nhớt, khối lượng ri ng cũng như sức căng bề mặt lớn h n n n hả năng phun t i, é nhỏ hạt nhiên liệu h hăn h n, ết quả là tia phun nhiên liệu thâm nhập sâu h n và g c n n phun nhỏ h n

Thực nghiệm cho thấy diễn biến của quá trình hình thành hỗn hợp

và cháy của động c sử dụng nhiên liệu diesel sinh học có những khác biệt nhất định so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thường Cụ thể, thời điểm cháy bắt đầu và kết thúc sớm h n hi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

Từ các kết luận trên cho thấy, vấn đề ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn, góc phun sớm, áp suất phun và nguồn gốc của nhiên liệu diesel sinh học cần phải được nghiên cứu bằng thực nghiệm

Nghiên cứu c sở lý thuyết dựa trên phần mềm mô phỏng Boost cho phép mô phỏng diễn biến quá trình hình thành hỗn hợp và

AVL-ch cũng như tính to n c c AVL-chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và hàm lượng phát thải của động c một c ch nhanh ch ng và đảm bảo độ tin cậy

Mô hình tính toán của AVL-Boost có thể mô phỏng đối với các loại nhiên liệu khác nhau thông qua một số thuộc tính của nhiên liệu

 c wi

w i

Q   