Luận văn thạc sĩ cơ khí động lực: Nghiên cứu lựa chọn thành phần phụ gia nhiên liệu trên cơ sở hạt nanô xêri đi ôxít nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại của động cơ diesel

MỤC LỤCMỞ ĐẦU1CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA DÙNG31.1.VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA ĐỐI VỚI NHIÊN LIỆU DIESEL31.1.1.Các loại phụ gia cho nhiên liệu diesel31.1.2. Các loại phụ gia tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường41.2. PHỤ GIA NHIÊN LIỆU TRÊN CƠ SỞ HẠT NANÔ XÊRI ÔXÍT61.2.1. Tinh thể nanô xêri ôxít61.2.2. Hạt nanô xêri ôxít là chất xúc tác có lợi cho buồng cháy của động cơ đốt trong81.3. Các tính chất của nhiên liệu diesel khi pha phụ gia nanô xêri đi ôxít91.3.1. Các tính chất của nhiên liệu diesel truyền thống91.3.2. Kết quả khảo sát các tính chất của nhiên liệu diesel khi pha phụ gia nanô xêri ôxít131.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu211.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 122CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ LUẬN KHẢO SÁT CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL232.1. CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ232.1.1 Áp suất chỉ thị trung bình232.1.2 Công suất chỉ thị của động cơ232.1.3. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị242.1.4. Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác252.1.5. Quan hệ giữa các thông số chỉ thị của chu trình công tác252.1.6. Sự ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy đến các thông số chỉ thị của động cơ.272.1.7. Các thông số có ích312.2. PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG342.2.1. Sản phẩm cháy và các thành phần độc hại chính của động cơ diesel342.2.2. Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải của động cơ diessel372.3. PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC VÀ PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ402.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 242CHƯƠNG 3 TỐI ƯU THÀNH PHẦN PHỤ GIA TRÊN CƠ SỞ NANÔ XÊRI ĐI Ô XÍT ĐỂ GIẢM TIÊU HAO433.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM TRONG TỐI ƯU THÀNH PHẦN PHỤ GIA433.1.1. Cơ sở tối ưu hóa433.1.2. Một số khái niệm cơ bản về quy hoạch thực nghiệm483.1.3. Các bước cơ bản của phương pháp quy hoạch thực nghiệm503.1.4. Các mô hình hồi quy sử dụng trong quy hoạch thực nghiệm563.1.5. Thuật toán xác định phương trình hồi quy573.2. Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm lựa chọn tối ưu thành phần phụ gia cho nhiên liệu diesel593.2.1. Chọn các thông số nghiên cứu603.2.2. Xây dựng các phương trình hồi quy613.2.3. Bàn luận kết qủa quy hoạch thực nghiệm773.2.4.Tối ưu hóa các thông số kinh tế năng lượng và phát thải độc hại793.3. NHẬN XÉT VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ TỐI ƯU853.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 385KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ861. Kết luận862. Kiến nghị87

MỞ ĐẦU

Phương tiện giao thông vận tải đã và đang góp phần quan trọng vào quátrình công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước nhưng mặt trái của nó cũngđang gây ra những tác động xấu đến môi trường, gây nguy hại cho sức khỏecủa con người và làm suy giảm chất lượng cuộc sống nhất là cuộc sống ở các

đô thị lớn Phát thải ô nhiễm từ các phương tiện tham gia giao thông hiện nayđang là một trong những tác nhân lớn nhất có ảnh hưởng đến quá trình biếnđổi khí hậu

Trong những năm qua cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước nhucầu đi lại, vận chuyển hàng hóa của người dân tăng nhanh dẫn tới số lượngcác phương tiện giao thông đặc biệt là các phương tiện sử dụng nhiên liệudiesel tăng lên rất nhanh như xe buýt, xe khách, xe tải Hàm lượng nhiều chấtđộc hại trong không khí từ khí thải của những loại phương tiện này đã vượtquá tiêu chuẩn cho Những chất ô nhiễm này ảnh hưởng tai hại cho sức khỏecon người và môi trường

Nghiên cứu tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu thành phần khí thải độchại của động cơ đốt trong trên các phương tiện cơ giới là cần thiết và nằmtrong xu thế chung của Việt Nam và thế giới Có nhiều giải pháp được nghiêncứu, như hoàn thiện kết cấu động cơ, nâng cao chất lượng nhiên liệu Mộttrong những hướng có nhiều tiềm năng đó là sử dụng các loại phụ gia, mộttrong số đó là phụ gia trên cơ sở nanô xêri đi ôxít làm chất phụ gia pha với

nhiên liệu Diesel Vì vậy, học viên đã chọn đề tài “Nghiên cứu lựa chọn

thành phần phụ gia nhiên liệu trên cơ sở hạt nanô xêri đi ôxít nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại của động cơ diesel” cho luận văn tốt

nghiệp của mình Luận văn giải quyết một số nội dung sau:

Chương 1 Tổng quan về phụ gia dùng cho nhiên liệu diesel

Chương 2 Những tính chất có lợi của phụ gia nanô xêri đi ôxít đối với động

cơ đốt trong

Chương 3 Cơ sở lý luận khảo sát các chỉ tiêu công tác của động cơ dieselChương 4 Tối ưu thành phần phụ gia trên cơ sở nanô xêri đi ôxít để giảmtiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại của động cơ

Với thời gian thực hiện ngắn, trong điều kiện hạn chế về thiết bị kiểmchứng và kinh phí, luận văn không tránh khỏi thiếu sót, xin tiếp thu các ý kiếnđóng góp để luận văn hoàn thiện hơn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của thầygiáo: PGS.TS Cù Huy Thành Trân trọng cảm ơn các cấp lãnh đạo, các thầy

và các đồng nghiệp trong trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, đặc biệt làKhoa Công Nghệ Ô Tô đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ và đóng góp nhiều ýkiến

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA DÙNG

CHO NHIÊN LIỆU DIESEL

1.1 VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA ĐỐI VỚI NHIÊN LIỆU DIESEL

1.1.1 Các loại phụ gia cho nhiên liệu diesel

Nhiên liệu Diesel (DO – Diesel Oil) là một loại nhiên liệu lỏng, nặng hơndầu lửa và xăng, sử dụng chủ yếu cho động cơ Diesel (đường bộ, đường sắt,đường thủy) và một phần được sử dụng cho các tuabin khí (trong công nghiệpphát điện, xây dựng…) Nhiên liệu Diesel được sản xuất chủ yếu từ phânđoạn gazoil và là sản phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có đầy

đủ những tính chất lý hóa phù hợp cho động cơ Diesel mà không cần phải ápdụng những quá trình biến đổi hóa học phức tạp

Để nâng cao tính năng sử dụng và bảo quản của nhiên liệu, người ta bổsung rất nhiều loại phụ gia cho nhiên liệu diesel như:

- Phụ gia tăng điểm bắt lửa của nhiên liệu;

- Phụ gia chống oxy hóa tăng độ ổn định trong bảo quản;

- Phụ gia chống ăn mòn để bảo vệ bể chứa, ống dẫn;

- Phụ gia chống đông đặc;

- Phụ gia chống tĩnh điện, giảm nguy hiểm về cháy nổ gây ra do điệntĩnh điện;

- Phụ gia ngăn chặn sự phát triển của các vi sinh;

- Phụ gia chống tạo khói; phụ gia khống chế kích nổ; …

Ngoài ra, hiện nay để tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường người tacòn sử dụng thêm các loại phụ gia như:

- Phụ gia tiết kiệm nhiên liệu;

- Phụ gia giảm thành phần phát thải độc hại của động cơ;

- Phụ gia sinh học,

1.1.2 Các loại phụ gia tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường

Sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm môitrường là một nội dung quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng bềnvững của nước ta, gắn liền với việc đảm bảo phát triển kinh tế, đảm bảo anninh năng lượng và bảo vệ môi trường

Có nhiều giải pháp được nghiên cứu, như hoàn thiện cấu trúc động cơ,nâng cao chất lượng nhiên liệu Để nâng cao chất lượng của nhiên liệu trênthế giới đã có nhiều hướng tiếp cận khác nhau, trong đó có hướng sử dụngnhiên liệu sinh học Theo hướng này nhiên liệu biodiesel cũng đã bắt đầuđược sử dụng cho động cơ diesel và đã đạt được những kết quả nhất định, tuynhiên lại đang gặp phải rào cản đó là ảnh hưởng đến an ninh lương thực vàcòn nhiều bất cập trong sử dụng

Một hướng đang được tập trung nghiên cứu hiện nay là sử dụng phụ giatrên cơ sở hạt nanô xêri ôxít (CeO2) cho nhiên liệu (Oxonica của Anh,NanoScience Innovation của Xanhgapo, )

Việt Nam đang kiểm tra, đánh giá về tính năng ưu việt của Maz, phụgia được xem là giúp tiết kiệm hàng nghìn tỷ đồng mỗi năm khi sử dụng vớinhiên liệu truyền thống, để đưa vào sử dụng rộng rãi Áp dụng công nghệ phachế Maz được xem là ưu thế nhất trong hàng trăm chất phụ gia hiện có sẽ tiếtkiệm cho người Việt ít nhất 25.000 tỷ đồng/năm Một lít Maz giá khoảng 25USD pha với 1.000 lít xăng dầu Thử nghiệm của nhóm chuyên gia Đại họcBách khoa Hà Nội cũng như tại một số nước đối với phụ gia Maz trên động

cơ xăng (Maz 100) cho thấy nhiên liệu tiết kiệm được 5-20% (từ trước đếnnay, áp dụng chất phụ gia tiết kiệm lớn nhất là 2%), các khí thải độc hại COgiảm 5-11%, HC giảm 13-25%; trên động cơ diesel (Maz 200) tiết kiệm 24 %nhiên liệu; trên động cơ dầu diesel sinh học tiết kiệm tới 25% nhiên liệu,…

Một trong những hướng có nhiều tiềm năng đó là sử dụng vật liệu nanôtrên cơ sở hạt nanô xêri ôxít cùng với các kim loại chuyển tiếp nhóm d, tạo hệxúc tác trong quá trình xử lý khí thải của động cơ đốt trong Hệ xúc tác nàytương đối hiệu quả đối với động cơ xăng nhưng đối với động cơ diesel đangcòn nhiều hạn chế

Những tính chất đặc biệt của hạt nanô xêri ôxít (CeO2)là chất xúc tác cólợi trong buồng đốt của động cơ đốt trong: Nó có thể ôxi hóa muội than vàcác hydrocacbon có trong khí thải của động cơ ở vùng nhiệt độ thấp Khi sửdụng nó làm phụ gia trong nhiên liệu, nó có thể làm sạch muội than trên thànhbuồng đốt của động cơ, tạo điều kiện cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn.Khi động cơ làm việc trong điều kiện ít nhiên liệu và dư ôxi, Ce2O3 sẽ thu hồilượng ôxi thừa trong khí thải và khí NOx dưới tác dụng xúc tác có trong thànhphần hỗn hợp nhiên liệu, biến NOx thành N2 không gây độc hại Trong điềukiện dư nhiên liệu và ít ôxi, CeO2 nhả ôxi để đốt cháy nhiên liệu làm chonhiên liệu cháy hoàn toàn hơn, ít tạo thành sản phẩm phụ COX và CHx dư, làmtăng hiệu suất động cơ

Oxonica đã thử nghiệm thành công phụ gia dựa cơ sở nanô xêri ôxít(CeO2) được đặt tên (Envirox) trên các xe buýt tại Hongkong với tổng quãngđường dài 12 triệu km Hiện Công ty khai thác xe buýt Stagecoach của Anhđang thử nghiệm phụ gia mới trên 1.000 xe chạy bằng diesel

Theo hướng nghiên cứu này được sự hỗ trợ của Chương trình mục tiêuquốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, nhóm nghiên cứu tạiHọc viện Kỹ thuật Quân sự bước đầu đã lựa chọn và chế tạo được những phụgia nanô trên cơ sở xêri ôxít (CeO2) [3] Kết quả thử nghiệm cũng cho thấyrằng khi sử dụng phụ gia nanô xêri ôxít (CeO2) cho phép suất tiêu hao nhiênliệu giảm tới 10% (trong khi đó chi phí cho phụ gia nhỏ hơn 1%), NOx giảmtới 22,26%, HC giảm tới 34,61%, CO giảm tới 28%, CO2 giảm tới 5,5%, độ

khói giảm tới 25% Qua kết quả nghiên cứu cũng thấy rằng, cần phải cân đối

phù hợp giữa tiêu chí về năng lượng và tiêu chí về thành phần khí thải để lựachọn thành phần phụ gia phù hợp Khi sử dụng phụ gia với tỷ lệ xêri ôxít(CeO2) 4-6ppm có kết quả tương đối tốt, đồng đều về cả về chỉ tiêu nănglượng và khí thải

Tuy nhiên, để có được những sản phẩm có tính năng hiệu quả cao hơn,thân thiện với môi trường thì cần phải hoàn chỉnh qui trình điều chế hạt nanô,

sử dụng chất hoạt động bề mặt phù hợp, kết hợp hỗn hợp các hạt nanô khácnhau Đồng thời để làm chủ được công nghệ tổng hợp, làm chủ được chấtlượng sản phẩm, giá thành hợp lý, công nghệ phù hợp và trên cơ sở nguyênvật liệu sẵn có Vì vậy, cần phải có những nghiên cứu thêm về cả lý thuyết vàthực nghiệm Phụ gia tổng hợp được phải được thử nghiệm kiểm chứng vàđánh giá trong phòng thí nghiệm và cả trên các phương tiện cơ giới trong điềukiện khai thác sử dụng tại Việt Nam

Trên cơ sở những kết quả đạt được nhóm nghiên cứu tại Học viện kỹthuật Quân sự được Chương trình mục tiêu Quốc gia về sử dụng năng lượngtiết kiệm và hiệu quả, Bộ Quốc phòng tiếp tục hỗ trợ nghiên cứu phát triển và

áp dụng thử tại Bộ tư lệnh Tăng Thiết giáp

1.2 PHỤ GIA NHIÊN LIỆU TRÊN CƠ SỞ HẠT NANÔ XÊRI ÔXÍT 1.2.1 Tinh thể nanô xêri ôxít

Tinh thể nanô xêri ôxít là một vật liệu ôxít tiềm năng, nó được ứng dụngrộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau, vì có những tính chất hóa

lý riêng rất đặc biệt như độ cứng cơ học, độ trơ hóa học, bền cháy và khảnăng dẫn ôxi cao,…

Những tính chất như độ dẫn điện và sự khuyếch tán ôxi được xác địnhbởi sự có mặt của mật độ và độ ổn định khuyết mạng tinh thể Xêri ôxít làchất dẫn hỗn hợp, tức là chất dẫn điện tử, cũng như ion Sự ảnh hưởng các

yếu tố này đến độ dẫn điện chung phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, áp suất hơibên ngoài của ôxi và sự có mặt của dopant.

Trong khi ôxi hóa khả năng xêri ôxít nhận ôxi và nhường khi khử đảmbảo hoạt tính xúc tác của nó; chất xúc tác mạnh trên cơ sở đồng, các kim loạiquý và các ôxít đất hiếm [3]

Công thức cấu tạo của CeO2: O=Ce=O; Cấu trúc mạng lưới tinh thể củahạt CeO2 như trên hình 1.1

Hình 1.1 Mạng lưới tinh thể của CeO2

CeO2 có cấu trúc giống với cấu trúc của canxiflorit (CaF2) trong đó cácnguyên tử kim loại tạo thành mạng lập phương tâm mặt, xung quanh là cácnguyên tử ôxi tạo thành tứ diện Khi bị khử trong không khí ở nhiệt độ cao,CeO2 tạo thành các ôxít thiếu ôxi dạng CeO2-x (với 0 < x < 0,5), đặc biệt khithiếu một lượng lớn nguyên tử ôxi trong mạng lưới tinh thể và tạo nên mộtlượng lớn lỗ trống tại những vị trí nguyên tử ôxi đã mất, CeO2 vẫn có cấu trúccủa caxiflorit và những ôxít xêri thiếu ôxi này sẽ dễ dàng bị ôxi hóa thànhCeO2 nhờ tác dụng của môi trường ôxi hóa

Quá trình ôxi hóa – khử đó có thể biểu diễn bằng các phương trình phản ứngsau [3]:

Ce+3 – 1e = Ce+4 (quá trình oxi hóa)

Ce+4 + 1e = Ce+3 (quá trình khử)

Thế ôxi hóa - khử của phản ứng là: Ce+3 = Ce+4 +1e +1,61V

Một số tính chất xúc tác của CeO2 như sau: Xúc tác chuyển hóa NOx

thành N2 và O2 trên hệ CeO2(85%)/La2O3(15%); chuyển hóa CO thành CO2

trên hệ La2O3 ở 419C, nếu có mặt CeO2 sẽ giảm nhiệt độ xuống 206C Phảnứng để hyđrô hóa mêtan và các dẫn xuất dãy ankan thành hydrocacbon không

no trên hệ CeO2/Al2O3 Phản ứng ôxi hóa mêtan thành CO2 và nước trên hệbụi CeO2 sẽ giảm nhiệt độ cháy từ 650C xuống 450C khi áp suất cao hơn 4bar, khi nhiệt độ 525C sẽ chuyển hóa hết 99,8%,…

Giống như các vật liệu nanô khác, CeO2 kích thước nanô có kích thướchạt bé, chỉ lớn hơn kích thước của các nguyên tử 1-2 bậc Hầu hết các nguyên

tử bị lộ ra bề mặt hoặc được che chắn không đáng kể, mỗi nguyên tử được tự

do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xungquanh, trong khi ở vật liệu thông thường chỉ một số ít các nguyên tử nằm trên

bề mặt được thể hiện tính chất còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâutrong thể tích của vật bị các nguyên tử lớp ngoài che chắn Do đó CeO2 kíchthước nanô thể hiện một số tính chất khác thường như tính chất quang, điện,từ,… các tính chất lý- hóa khác nhiều so với CeO2 thông thường [3]

1.2.2 Hạt nanô xêri ôxít là chất xúc tác có lợi cho buồng cháy của động

cơ đốt trong

Trong vài năm gần đây, CeO2 và các vật liệu có chứa CeO2 được coi làchất xúc tác và chất xúc tiến cả về mặt điện tử và cấu trúc đối với các phảnứng xúc tác dị thể CeO2 đóng vai trò như là một chất tăng cường để cải thiệnhoạt tính hoặc độ chọn lọc của xúc tác hoặc để tăng cường tính ổn định củaxúc tác Việc ứng dụng CeO2 làm tác nhân chính trong xúc tác ba hướng

(Three Way Catalyst – TWC) đối với vấn đề xử lý khí thải từ các động cơ ô tôcho thấy những triển vọng tốt cả về mặt công nghệ và mặt kinh tế

Theo những nghiên cứu gần đây khi không có xêri ôxít, các ôxít kim loạinhóm Platin chỉ được ứng dụng rộng rãi tại các nước phát triển Do tính dễlưu trữ và tính dễ dàng nhả ôxi, xêri ôxít điều tiết áp suất riêng phần của ôxi,tạo ra một siêu bão hòa ôxi tại vùng lân cận của những nguyên tố hoạt tínhxúc tác như Pt, Pd,… và sử dụng ôxi này để ôxi hóa các cấu tử có trong khíthải

Hạt nanô xêri ôxít (CeO2) là chất xúc tác có lợi trong buồng cháy củađộng cơ đốt trong:

- Có thể ôxi hóa muội than và các hydrocacbon có trong khí thải củađộng cơ ở vùng nhiệt độ thấp

- Khi sử dụng nó làm phụ gia trong nhiên liệu, nó có thể làm sạch muộithan trên thành buồng đốt của động cơ, tạo điều kiện cho động cơ hoạt độnghiệu quả hơn

- Khi động cơ làm việc trong điều kiện ít nhiên liệu và dư ôxi, Ce2O3 sẽthu hồi lượng ôxi thừa trong khí thải và khí NOx dưới tác dụng xúc tác cótrong thành phần hỗn hợp nhiên liệu, biến NOx thành N2 không gây độc hại

- Trong điều kiện dư nhiên liệu và ít ôxi, CeO2 nhả ôxi để đốt cháy nhiênliệu làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn, ít tạo thành sản phẩm phụ COX và

CHx dư, làm tăng hiệu suất động cơ

1.3 Các tính chất của nhiên liệu diesel khi pha phụ gia nanô xêri đi ôxít 1.3.1 Các tính chất của nhiên liệu diesel truyền thống

* Tỷ trọng

Tỷ trọng (Density) của nhiên liệu diesel là một thuộc tính quan trọng, vì

hệ thống phun nhiên liệu được thiết kế để cung cấp một thể tích nhiên liệu xác

định vào trong buồng cháy Tỷ trọng của các loại nhiên liệu diesel tại các khuvực khác nhau trên thế giới nằm trong khoảng từ 0,811  0,857 kg/dm3.

Nhiên liệu diesel của Châu Âu dùng cho giao thông đường bộ phải có tỷtrọng nằm trong khoảng 0,820  0,860 kg/dm3 (tiêu chuẩn EN 590) Tại Mỹ(hiện không có tiêu chuẩn chính thức về đặc tính tỷ trọng của nhiên liệudiesel), tỷ trọng trung bình vào khoảng 0,835 kg/dm3 (gần tương tự với tỷtrọng trung bình của nhiên liệu diesel tại Châu Âu và Nhật Bản) Nhiên liệudiesel được bán tại các nước Bắc Âu (điều kiện khí hậu rất lạnh vào mùađông), có thuộc tính gần với dầu lửa (Koresene), có tỷ trọng thấp hơn so vớinhiên liệu bán ở các nước khác, tỷ trọng trung bình là 0,823 kg/dm3

Việc thiết lập giá trị thấp nhất của tỷ trọng là yêu cầu hợp lý nhằm đảmbảo thu được công suất đủ lớn với các động cơ diesel sử dụng bơm cao ápđịnh lượng lượng nhiên liệu phun kiểu thể tích Việc xác định giá trị lớn nhấtcủa tỷ trọng nhằm mục đích tránh sự tạo khói đen ở chế độ toàn tải của động

cơ

Các thông số chính tác động đến tỷ trọng của nhiên liệu diesel là: thuộctính của dầu thô gốc, mức độ thô của phần lựa chọn cho nhiên liệu diesel(trong quá trình tinh lọc) và hàm lượng các hợp chất thu được từ quá trìnhcracking xúc tác Sự thay đổi tỷ trọng nhiên liệu diesel có tác động rõ ràngđến quá trình cháy (do sự thay đổi về nhiệt trị và tỷ số tương đương như đã đềcập) Tuy nhiên, ảnh hưởng của tỷ trọng đến đặc tính ô nhiễm của động cơdiesel là rất khó xác định

Tác động đến nhiệt trị và tỷ số tương đương của 2 loại nhiên liệu diesel

có tỷ trọng rất khác nhau (tương ứng là 0,814 và 0,873 kg/dm3; sai khác 7,25

%) được trình bày trong bảng 2.1 Sự gia tăng tỷ trọng dẫn đến sự suy giảm

về NHVm (-3,6%) và sự gia tăng về NHVv (+ 3,4%) Tại chế độ toàn tải,lượng năng lượng cung cấp cho 1 chu trình sẽ tăng thêm 3,4% ứng với loại

nhiên liệu có tỷ trọng nặng hơn (nó sẽ cung cấp thêm 1 lượng công suất tương

tự tại cùng mức hiệu suất) Tuy nhiên, trong thực tế sự gia tăng nhiên liệu nàykhông được sử dụng để phát huy công suất (vì sự gia tăng của tỷ số tươngđương trung bình có thể dẫn đến sự tạo thành thêm của khói đen)

Bảng 1.1 Đặc tính của 2 loại nhiên liệu diesel có tỷ trọng rất khác nhau

diesel 1

Nhiên liệudiesel 2

Sự thayđổi tươngđối [%]

Tỷ trọng tại 150C, [kg/dm3] 0,814 0,873 +7,25

Sự thay đổi về tỷ số tương đương với

thể tích nhiên liệu cung cấp không đổi

* Tính bay hơi

Tính bay hơi (Volatility) của nhiên liệu được đặc trưng bởi 2 đặc tính:đường cong chưng cất (Distillation Curve) và điểm bắt lửa (Flash Point).Điểm bắt lửa không có tác động trực tiếp đến quá trình cháy hoặc sự vận hànhcủa động cơ, nhưng nó là một thông số an toàn quan trọng liên quan đến quátrình lưu trữ và phân phối nhiên liệu Đường cong chưng cất của nhiên liệu cótác động đến sự phát triển của quá trình cháy (đường cong này được thiết lậptheo phương pháp thử nghiệm ASTM D 86)

Tiêu chuẩn Châu Âu (EN 590) chỉ rõ 3 tiêu chí liên quan đến giá trị củaphần được chưng cất tại một nhiệt độ đã cho (điểm bắt đầu và kết thúc khôngđược định rõ vì việc xác định chúng thường không chính xác) Do đó, phầnchưng cất bắt buộc với nhiên liệu diesel phải là:

+ Nhỏ hơn 65% tại 250oC

+ Lớn hơn 85% tại 350oC

+ Lớn hơn 95% tại 370oC

Tiêu chuẩn của Mỹ (ASTM D 975-94) quy định rõ 2 mức về tính bay hơiđối với nhiên liệu diesel dùng trong giao thông đường bộ Loại thứ nhất (dùngcho động cơ diesel xe con), phải có 90% thành phần được chưng cất tại nhiệt

độ 288oC Loại thứ 2 (dùng cho phương tiện vận tải thương mại), phải có 90%đợc chưng cất trong khoảng nhiệt độ từ 282  383 oC

Thành phần nặng trong nhiên liệu diesel không được quá lớn, nếu khôngthì quá trình tán nhỏ nhiên liệu thành các hạt nhỏ mịn sẽ gặp khó khăn Điềunày sẽ tác động đến sự phát triển tối ưu của quá trình cháy Hơn nữa, phụthuộc vào kiểu động cơ và điều kiện vận hành, những nghiên cứu đã chỉ rarằng, hiệu suất của động cơ giảm 1 đến 5% khi khoảng nhiệt độ chưng cấttăng từ dải 180  370oC lên dải 185  440oC Hàm lượng của phần nặngtrong nhiên liệu diesel cũng có tác động đến đặc tính ô nhiễm của động cơdiesel Mặt khác, cho dù điểm kết thúc chưng cất không được chỉ rõ, nhưngtheo thông lệ nó không được vượt quá 1 giá trị giới hạn để không gây ra sựsuy giảm các đặc tính khác (ví dụ như việc đảm bảo vận hành của động cơ ởnhiệt độ lạnh) Điều này giải thích tại sao, điểm chưng cất cuối cùng củanhiên liệu diesel tại các nước khu vực Bắc Âu là thấp hơn khá nhiều so vớicác vùng có thời tiết ấm hơn (Bảng 1.2)

Ngược lại, việc làm nhẹ hoá nhiên liệu diesel bằng cách bổ sung cácphần nhẹ (như Naphtha hoặc dầu lửa) sẽ không có tác động trực tiếp đến sựvận hành của động cơ Đôi khi, kỹ thuật này được sử dụng để cải thiện sự vậnhành của động cơ diesel trong điều kiện thời tiết lạnh

* Độ nhớt

Độ nhớt (Viscosity) phải đáp ứng được những tiêu chuẩn kỹ thuật chínhxác và nó có tác động trực tiếp đến sự vận hành của động cơ Nhiên liệu có độnhớt quá lớn sẽ làm tăng tổn thất bơm cao áp và vòi phun, dẫn đến làm giảm

áp suất phun và tiếp theo là giảm mức độ nguyên tử hoá và cuối cùng sẽ ảnhhưởng đến chất lượng quá trình cháy trong động cơ diesel

Ngược lại, độ nhớt của nhiên liệu giảm, sẽ dẫn đến sự gia tăng lượngnhiên liệu rò lọt tại bơm cao áp và vòi phun, sẽ làm giảm thể tích thực củanhiên liệu được vòi phun phun vào buồng cháy Ngoài ra, độ nhớt giảm cũnglàm cho kim phun nâng muộn hơn

Ngoài ra, khi độ nhớt thấp có thể làm cho bơm cao áp bị kẹt Cần chú ýđảm bảo độ nhớt của nhiên liệu khi bổ sung các phần nhẹ vào nhiên liệudiesel (trong mùa đông, đôi khi nhiên liệu diesel có thể bị pha loãng bằngxăng hoặc dầu hoả) Mặt khác, ở các quốc gia có điều kiện khí hậu lạnh, cầnphải dùng phụ gia để cải thiện độ nhớt của nhiên liệu diesel

Trong một thời gian dài, các tiêu chuẩn chính thức chỉ xác định giá trị độnhớt động học đơn lớn nhất tại nhiệt độ 20oC (9,5 mm2/s) Hiện nay, tiêuchuẩn Châu Âu (EN 90) và của Mỹ (ASTM D 975-94) định rõ khoảng độnhớt có thể (nó đặc trưng tốt hơn cho nhiệt độ làm việc thực tại bơm cao áp)tại 40oC (thay vì phải nằm trong khoảng 2,0  4,5 mm2/s Tại Mỹ, khoảng độnhớt chấp nhận được thay đổi từ 1,3  2,4 mm2/s (đối với nhiên liệu diesel xecon) và từ 1,9  4,1 mm2/s (đối với nhiên liệu dùng cho các loại phương tiệnkhác) [4]

1.3.2 Kết quả khảo sát các tính chất của nhiên liệu diesel khi pha phụ gia nanô xêri ôxít

Theo kết quả nghiên trong tài liệu [3], để điều chế hạt nanô xêri ôxít(CeO2) có nhiều phương pháp khác nhau, Trong đó phương pháp thủynhiệt cho thành phần tinh khiết, kích thước phù hợp để tổng hợp thànhphụ gia cho nhiên liệu diesel Bước tiếp theo trong quá trình tạo phụ gia làphải phân tán hạt nanô, sao cho hạt nanô phân tán tốt trong nhiên liệu vàkhông lắng đọng trong khi sử dụng Để đạt được điều này, phải sử dụng thêm

các chất hoạt động bề mặt Các chất hoạt động bề mặt cũng ảnh hưởng đếntính chất xúc tác của hỗn hợp phụ gia nhiên liệu Vì vậy, cũng cần phải cónhững nghiên cứu để lựa chọn được chất hoạt động bề mặt phù hợp cũng nhưphương pháp phân tán hạt nanô xêri ôxít tốt nhất

Theo kết quả [3], đã nghiên cứu được tiến trình phân tán các hạt nanô trên

cơ sở sử dụng chất hoạt động bề mặt BP (họ hợp chất cacboxylat) và OP (họhợp chất sucxinimide) trong nhiên liệu hàm lượng là 0,5% Chất hoạt động bềmặt BP là chất phân tán hiệu quả hạt nanô xêri ôxít (CeO2) trong dầu diesel.Những kết quả nghiên cứu đã đạt được là:

- Đã làm rõ được khả năng của hạt nanô xêri ôxít (CeO2) xúc tác cho quátrình cháy của nhiên liệu diesel nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khíthải

- Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy rằng khi sử dụng phụ gia nanô xêriôxít (CeO2) cho nhiên liệu cho phép suất tiêu hao nhiên liệu giảm tới 10%,

NOx giảm tới 22,26%, HC giảm tới 34,61%, CO giảm tới 28%, CO2 giảm tới

5,5%, độ khói giảm tới 25% Những tiêu chí đánh giá này có thể cải thiện hơn

nhiều nếu động cơ sử dụng nhiên liệu có phụ gia nanô xêri ôxít (CeO2) làmviệc trong thời gian dài Vì khi đó hạt nanô bám lên bề mặt đủ lớn, tính nănglàm sạch muội than trong buồng đốt động cơ mới phát huy tác dụng

- Để có được một gói phụ gia có chất lượng thì cần phải cân đối phù hợpgiữa tiêu chí về năng lượng và tiêu chí về thành phần khí thải

- Để tiếp tục hoàn thiện hướng nghiên cứu này cần phải có những nghiêncứu tiếp theo để xây dựng hoàn thiện gói phụ gia trên cơ sở CeO2 nhằm nângcao tính kinh tế - kỹ thuật và thân thiện với môi trường

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu các phương pháp điều chế nanô, cấu trúc,

cơ chế tác dụng, hiệu quả về năng lượng và môi trường, kết quả nghiên cứutổng hợp hỗn hợp phụ gia nanô xêri ôxít để giảm tiêu hao nhiên liệu và phát

thải độc hại của động cơ diesel cần phải hoàn thiện gói phụ gia trên cơ sở cácđịnh hướng như sau :

- Hoàn thiện công nghệ chế tạo hạt nanô CeO2

- Nghiên cứu các chất hoạt động bề mặt phải phù hợp để phân tán hạtnanô trong nhiên liệu diesel

- Lựa chọn thành phần và kích thước hạt nanô phù hợp để vừa giảm đượctiêu hao nhiên liệu, vừa giảm được phát thải độc hại

- Nghiên cứu bảo quản, chế độ khai thác sử dụng phụ gia trong điều kiệnViệt Nam

Thử nghiệm các tính chất của nhiên liệu được tiến hành tại Phòng thửnghiệm quốc gia dầu mỡ bôi trơn VILAS 292 thuộc Công ty cổ phần pháttriển phụ gia và sản phẩm dầu mỏ Địa chỉ: Khu công nghiệp tập trung vừa vànhỏ Phú Thị - Gia Lâm – Hà Nội

Phòng thử nghiệm quốc gia dầu mỡ bôi trơn VILAS 292 có chức năngnhiệm vụ: Phân tích kiểm tra, đánh giá các sản phẩm dầu mỏ và chất lỏngchuyên dụng của công ty và các cơ quan, doanh nghiệp có liên quan Thamgia thử nghiệm các loại dầu, mỡ theo các đề tài nghiên cứu cấp nhà nước, cấp

Bộ và công ty Phòng thử nghiệm đã được hiệp hội các phòng thử nghiệmquốc gia công nhận là phòng thử nghiệm đạt tiêu chuẩn Quốc gia VILAS 292,với năng lực kiểm tra phân tích trên 50 chỉ tiêu về dầu, mỡ và chất lỏngchuyên dụng

Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, phòng VILAS 292 khôngngừng cập nhật những phương pháp phân tích và thiết bị mới nhất, thườngxuyên nâng cao trình độ tay nghề cho nhân viên để thỏa mãn các yêu cầungày càng cao về độ chính xác cung cấp kết quả một cách nhanh nhất

Phòng thử nghiệm quốc gia dầu mỡ bôi trơn VILAS 292 bao gồm cácphòng chuyên biệt riêng như sau:

+ Phòng tài liệu: Luôn cập nhật các thông tin mới nhất về các tiêuchuẩn quốc tế và tiêu chuẩn Việt Nam trong lĩnh vực dầu mỡ và các lĩnh vựcliên quan.

+ Phòng phân tích hóa lý: Phân tích kiểm tra, đánh giá các tính chất hóa

lý của dầu mỡ bôi trơn và các hóa chất liên quan Phân tích hàm lượng lưuhuỳnh bằng phương pháp đốt, phân tích hàm lượng kim loại bằng phươngpháp hấp thụ nguyên tử,…

+ Phòng phân tích tính năng của dầu mỡ:

Khả năng tách nhũ

Khả năng chống oxy hóa

Tính chịu tải cao

+ Phòng sử lý mẫu: Pha chế nghiên cứu các sản phẩm mới Pha mẫu và

xử lý các mẫu dầu mỡ, chất lỏng chuyên dụng

Bảng 1.2 Các tiêu chuẩn thử nghiệmNhiệt độ chớp cháy cốc

Hàm lượng nước Water content ASTM D95

Nhiệt độ đông đặc Pour point ASTM D97

Hàm lượng lưu huỳnh Sulphur content ASTM D129

Ăn mòn tấm đồng Copper strip corrosion ASTM D130

Độ lún xuyên kim Penetration of gease AST D127

Độ nhớt động học Kinematic viscosity ASTM D445

Hàm lượng tro Ash content ASTM D482

Hàm lượng cặn các bon Ramsbottom carbon residue ASTM D524

Nhiệt độ nhỏ giọt của mỡ Dropping point ASTM D566

Chỉ số axit tổng, TAN Total acid number (TAN) ASTM D664

Hàm lượng tro sun phát Ash Sulphated content ASTM D874

Đặc tính tạo bọt Foaming characteristic ASTM D892

Hàm lượng cặn không

tan

Insoluble in used of lubricating oil ASTM D893

Đặc tính oxy hóa Oxidation characteristic ASTM D943

Nhiệt độ sôi Boilling point ASTM D1120

Đặc tính rửa trôi của mỡ Washout of lubricating grease ASTM D1264

Đặc tính khử nhũ Water separability ASTM D401

Độ bền cơ học của

mỡ(ROLL)

Roll stability ASTM D1831

Tải trọng hàn dính, 4 bi 4-ball methods ASTM D2783

Trị số kiềm tổng, TBN Total base number (TBN) ASTM D2896

Hàm lượng kim loại Metal content ASTM D4628

Tách dầu sàng hình côn

mỡ

Oil separation on storage of grease ASTM D6184

Độ bền trượt cắt dầu Shear stability of lubricating oil ASTM D6278

Độ bền keo của mỡ Gel stability of grease GOST 7142

Độ bền trượt của mỡ Shear stability of lubricating grease GOST 7143

Độ trương nở cuppen Seal swell TCVN 2752

[3] Thử nghiệm 01 mẫu nhiên liệu DO nguyên thủy và 05 mẫu nhiên liệu

DO pha phụ gia theo các phương pháp điều chế cho các kích thước hạt nanokhác nhau: PG1, PG2, PG3, PG4, PG5(với mẫu PG5 có kích thước khoảng20nm, PG4 có kích thước 25nm, PG3 có kích thước khoảng 30nm, PG2 cókích thước khoảng 40nm, PG1 có kích thước khoảng 50nm)

Bảng 1.3 Kết quả phân tích ITên / ký hiệu mẫu: Dầu Diesel (DO) – (gốc)

Bảng 1.4 Kết quả phân tích IITên / ký hiệu mẫu: Dầu Diesel (DO) – (PG 1)

Tính chất của vật liệu nanô bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé

có thể so sánh với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lý của vậtliệu Vật liệu nanô nằm giữa tính chất lượng tử của nguyên tử và tính chấtkhối của vật liệu Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn của các tính chất rấtnhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với vật liệu nanô thì điều đó khôngđúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ nguyên nhân này

Để nâng cao chất lượng của nhiên liệu diesel bằng cách sử dụng các tínhchất đặc biệt của hạt nanô để tổng hợp phụ gia cho nhiên liệu diesel, giải pháp

này có nhiều triển vọng là sử dụng vật liệu nanô trên cơ sở xêri ôxít (CeO2)

tạo hệ xúc tác trong quá trình cháy và xử lý khí thải của động cơ đốt trong.Phụ gia nanô xêri oxít khi pha vào nhiên liệu diesel là chất xúc tác có lợi chobuồng cháy của động cơ đốt trong

Kết quả thí nghiệm theo TCVN tại phòng thử nghiệm đạt tiêu chuẩnQuốc gia VILAS 292, thấy rằng khi pha phụ gia nano với tỉ lệ rất nhỏ vàonhiên liệu không làm thay đổi tính chất của nhiên liệu diesel (các tính chấtcủa nhiên liệu gần như không thay đổi so với trường hợp không pha phụ gia).Đây chính là những cơ sở để ứng dụng nhiên liệu pha phụ gia trong thực tế;khi pha phụ gia nhiên liệu không bị thay đổi tính chất Vì vậy không bị ảnhhưởng trong quá trình bảo quản, vận chuyển và khai thác sử dụng; mà tínhchất của hạt nanô chỉ phát huy tính xúc tác của nó khi nhiên liệu cháy trongbuồng đốt của động cơ đốt trong

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thiện gói phụ gia cho nhiên liệu diesel trên cơ sở hạt nanôCeO2, đề tài luận văn chọn định hướng nghiên cứu lựa chọn thành phần phụgia phù hợp, vừa giảm tiêu hao nhiên liệu vừa giảm được thành phần phát thảiđộc hại của động cơ Để thực hiện đề tài này, luận văn tập trung vào nghiêncứu tổng quan về phụ gia cho nhiên liệu diesel, ảnh hưởng của phụ gia nanôxêri ôxít (CeO2) đến các tiêu chuẩn kỹ thuật của nhiên liệu diesel và những cơ

sở lý luận khảo sát các chỉ tiêu công tác các thành phần phát thải độc hại củađộng cơ diesel Tiến hành thử nghiệm các chỉ tiêu công tác của động cơ khi

sử dụng nhiên liệu pha phụ gia nanô xêri ôxít (CeO2), được tiến hành trênđộng D243 tại Phòng thí nghiệm phát triển động cơ đốt trong Viện cơ khíĐộng lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Sử dụng các thông số này làm thông

số đầu vào cho bài toán quy hoạch thực nghiệm để lựa chọn thành phần phụgia phù hợp cho nhiên liệu diesel.

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Nghiên cứu phát triển nhiên liệu chứa hỗn hợp phụ gia nanô xêri ôxít(CeO2) để giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải độc hại của động cơ diesel làgiải pháp khả thi nhằm tiết kiệm nhiên liệu và sử dụng nhiên liệu hiệu quả chođộng cơ diesel

Để làm cơ sở cho việc ứng dụng và phát triển, cần phải đánh giá cáctính chất của nhiên liệu khi pha phụ gia, cần phải thử nghiệm động cơ khi sửdụng nhiên liệu pha phụ gia để đánh giá tính kinh tế về nhiên liệu và phát thảiđộc hại

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá phân tích hiệu quả

về kinh tế - năng lượng, về tính năng giảm phát thải độc hại động cơ diesel

Từ đó đề xuất giải pháp và quy trình sử dụng gói phụ gia vừa giảm tiêu haonhiên liệu vừa giảm phát thải độc hại cho các phương tiện cơ giới sử dụngnhiên liệu diesel

Nghiên cứu lựa chọn thành phần phụ gia phù hợp để hoàn thiện gói phụgia trên cơ sở hạt nanô CeO2 là giải pháp khả thi Để thực điều này cần cónhững nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm, giả bài toán quy hoạch thựcnghiệm để lựa chọn thành phần phụ gia tối ưu

CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ LUẬN KHẢO SÁT CÁC CHỈ TIÊU

CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

2.1 CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ

V - thể tích công tác của xilanh [m3]

Áp suất chỉ thị trung bình là thông số dùng để đánh giá tính hiệu quả sửdụng thể tích của xilanh

2.1.2 Công suất chỉ thị của động cơ

Công suất chỉ thị của động cơ là công chỉ thị của động cơ sinh ra trongmột đơn vị thời gian, được xác định theo công thức (2.2)

' i

V p n 2 L

V - thể tích công tác của xilanh [m3]

n’ - tốc độ vòng quay của trục khuỷu trong một giây

 - là số kỳ của động cơ Công suất chỉ thị của toàn bộ động cơ được xác định theo công thức (2.3)





' h i

V p

Trong đó:

i – là số xilanh Thông thường người ta tínhV h= (dm3); n = (vòng/phút); p i= (MN/

m2), khi đó công suất chỉ thị của động cơ được xác định theo công thức(2.4)



 30

n V i p

2.1.3 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị là lượng tiêu thụ nhiên liệu tính trên mộtđơn vị công suất chỉ thị trong một đơn vị thời gian, được xác định theo côngthức (2.5)

nl

G - lượng tiêu thụ nhiên liệu tính trên một đơn vị thời gian,

đơn vị đo [kg/h] hoặc [g/h]

i

N - công suất chỉ thị của toàn bộ động cơ đơn vị [KW]

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị dùng để đánh giá tính kinh tế của chutrình, nếu suất tiêu hao nhiên liệu càng nhỏ thì tính kinh tế của chu trình càngcao

2.1.4 Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác

Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác là tỷ số giữa công chỉ thị của chutrình L i và lượng nhiệt cung cấp cho chu trình do đốt cháy nhiên liệu trongxilanh động cơ, được xác định theo công thức (2.6)

1

i i

L - công chỉ thị của chu trình

1

Q - lượng nhiệt cung cấp cho chu trình

Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác là thông số đánh giá tính hiệu quảcủa việc sử dụng nhiệt biến thành công cơ học

2.1.5 Quan hệ giữa các thông số chỉ thị của chu trình công tác

Áp suất chỉ thị trung bình

Áp suất chỉ thị trung bình được xác định theo công thức (2.7)

k v

i

i Lo

Lo 14 , 3  14 , 5 Kg KK/Kg NLCoi

 - hệ số dư lượng không khí trong hỗn hợp cháy

Hệ số  dùng để đánh giá hỗn hợp cháy, được xác định theocông thức (2.8)

α = Lo G Gnl KK

Trong đó:

GKK- lượng không khí thực tế tham gia quá trình cháy đo được,đơn vị đo [Kg/h]

Gnl- lượng nhiên liệu tham gia trong quá trình cháy [Kg/h]

Hỗn hợp cháy chia ra làm 3 loại:

- Khi  = 1 tức là lượng không khí lý thuyết và lượng không khí thực tếtham gia vào quá trình cháy bằng nhau, khi đó  = 1 gọi là hỗn hợp trung hòa

- Khi  < 1 tức là lượng không khí thực tế nhỏ hơn lượng không khí lýthuyết (thiếu ôxy), khi đó  < 1 hỗn hợp giàu

- Khi  > 1 hỗn hợp nghèo

Do đặc điểm của quá trình tạo hỗn hợp và đặc điểm của quá trình cháy

và thành phần hỗn hợp cháy của động cơ Diesel và động cơ xăng khác nhau

Đối với hỗn hợp cháy của động cơ Diesel

Hỗn hợp cháy trong động cơ Diesel là không đồng nhất do đó  bao giờcũng phải là  >1 (nghèo – thừa ôxy)

min

 ở động cơ Diesel phụ thuộc vào phương pháp tạo hỗn hợp thực chấtphụ thuộc vào hình dạng buồng cháy

- Buồng cháy thống nhất (động cơ cao tốc, trung bình)

- Buồng cháy xoáy lốc: thường dùng cho động cơ công suất nhỏ và côngsuất trung bình như máy nông nghiệp, được xác định theo công thức (2.9)

V i Lo

 - hệ số nạp dùng để đánh giá chất lượng nạp đầy

 - Hệ số dư lượng không khí trong hỗn hợp cháy

 - Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác

Nhận xét: với 1 động cơ cụ thể (iVh, tăng áp hay không tăng áp, chế độtốc độ cụ thể) thành phần hỗn hợp cháy quyết định Pi, Ni của động cơ

2.1.6 Sự ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy đến các thông số chỉ thị của động cơ.

Do đặc điểm của quy trình tạo hỗn hợp và đặc điểm của quy trình cháy ởđộng cơ xăng và động cơ diesel khác nhau Nên khi nghiên cứu quá trình cháyngười ta phải nghiên cứu riêng cho từng loại động cơ khác nhau

Đối với động cơ diesel: do đặc điểm quá trình cháy của động cơ dieselyêu cầu thành phần hỗn hợp cháy phải có dư lượng không khí  >1 Đối với

động cơ diesel quan hệ

Hình 2.1 Đường đặc tính phụ tảiĐường đặc tính phụ tải biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số dư lượngkhông khí  , suất tiêu hao nhiên liệu ge, lượng tiêu thụ nhiên liệu Gnl…theo phụ tải động cơ (Pe, Ne) tương ứng với 1 chế độ tốc độ vòng quay trụckhuỷu (n = const)

- Đường đặc tính không tải bao gồm 4 giai đoạn là 4 phần

+ Giai đoạn 1: Tương ứng với đoạn 1- 2 khi ta tăng dần phụ tải động cơthì ge giảm rất nhanh bởi vì tăng dần hiệu suất cơ khí

+ Giai đoạn 2: Tương ứng với đoạn 2 - 3 Khi tăng dần phụ tải động cơthì ge thay đổi không nhiều, trong quá trình khai thác động cơ người ta muốngiai đoạn này càng kéo dài càng tốt

Hình 2.2 Đường đặc tính không tải+ Giai đoạn 3: tương ứng với đoạn 3 – 4 Khi tiến hành cấp thêm nhiênliệu vào chu trình thì công suất động cơ tăng và đạt được ở điểm 4, nhưngđồng thời suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên và bắt đầu ở điểm 3 đã xuất hiệnnhả khói đen trong khí thải Cho nên điểm 3 là điểm hạn chế công suất trongquá trình khai thác và sử dụng.

Vị trí của điểm 3 trên đồ thị xác định bằng 2 cách; Kẻ đường tiếp tuyếnvới đường cong ge xuất phát từ gốc tọa độ của đồ thị

+ Giai đoạn 4: điểm 4 – 5: Khi tiếp tục tăng lượng cung cấp nhiên liệu thicông suất giảm ge tăng Thường người ta phải xây dựng nhiều đường chế độphụ tải khác nhau để lựa chọn vùng làm việc kinh tế nhất

1

2

3 4 5

- Đường đặc tính kinh tế của động cơ Diesel: Để xây dựng đường đặctính kinh tế của động cơ Diesel cần phải xây dựng đường đặc tính phụ tải củađộng cơ tương ứng với từng tốc độ động cơ khác nhau.

Hình 2.3 Đường đặc tính kinh tế của động cơ Diesel

Công sinh ra trong xi lanh động cơ chính là các thông số chỉ thị Côngkhông phải được truyền toàn bộ cho các thiết bị tiêu thụ công suất mà còn bịtổn hao một phần cơ khí ở trên động cơ.

Các dạng tổn hao cơ khí bao gồm:

- Mất mát do ma sát trên các bề mặt làm việc có chuyển động tương đốivới nhau Ma sát giữa xécmăng, piston với thành xylanh

- Mất mát do ma sát trên các cổ trục, ổ trục, chủ yếu là ma sát giữa xécmăng,piston với thành xylanh

Khi tính sơ bộ tổn hao cơ khí trên động cơ căn cứ vào tốc độ trung bìnhcủa piston, được xác định theo công thức (2.10)

Vtbp =

30

n S

M i i

e m

p

p 1 p

p p p

Để xác định áp suất tổn hao cơ khí p M, p Msẽ phụ thuộc vào giá trị vậntốc trung bình piston và đặc điểm kết cấu của động cơ, người ta sử dụng cáccông thức gần đúng (2.13).

Vtbp  [m/s] là vận tốc trung bình của pistonBảng 2.1 Xác định các hàng số A, B

n V i p

V - thể tích công tác của xilanh đơn vị đo (dm3)

n - tốc độ vòng quay của trục khuỷu đơn vị đo (vòng/phút)

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích là tỷ số giữa lượng tiêu hao nhiên liệutrong một giờ với công suất có ích của động cơ:

10 N

Gnl – Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờ [kg/h].

Hiệu suất có ích là chỉ số kinh tế quan trọng đối với sự làm việc của động

cơ đốt trong, chỉ số này lớn khi suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ Vì vậy, với mộtloại nhiên liệu nhất định nếu giảm được suất tiêu hao nhiên liệu cho phépnâng cao được tính kinh tế của động cơ

Hiệu suất có ích có thể xác định theo công thức :

m i

 - Hiệu suất cơ khí

Các phương pháp xác định hiệu suất cơ khí

Về thực nghiệm hay dùng 3 phương pháp sau:

- Đo diễn biến áp suất bên trong xilanh động cơ để tính Ni

- Đo công suất có Ne trên băng thử động cơ và tính các thông số:

i

e m

n V i.

p

- Dùng máy điện của phanh điện làm việc ở chế độ động cơ điện côngsuất để dẫn động động cơ đốt trong chính là công suất cơ khí N M

2.2 PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

2.2.1 Sản phẩm cháy và các thành phần độc hại chính của động cơ diesel

Ngoài các chỉ tiêu công tác của động cơ, ngày nay để đánh giá động cơngười ta còn phải quan tâm đến các thành phần phát thải độc hại đến môitrường do động cơ sinh ra

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình oxy hóa nhiên liệu,giải phóng nhiệt năng, diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chếhết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số Trong quá trình cháysinh ra các hợp chất trung gian rất phức tạp Vấn đề này được nghiên cứu tỉ

mỷ trong các công trình nghiên cứu về lý thuyết động học phản ứng Sảnphẩm cuối cùng của quá trình cháy gọi là sản phẩm cháy bao gồm các chấtsau:

CO2, H2O, H2, CO, O2 (dư), -CHO (andehyt), HC (hydrocacbon, hay cònviết tắt là HC), NOx, các chất thải dạng hạt (particulale Matter viết tắt là P-M), các hợp chất chứa chì Pb (đối với động cơ dùng xăng pha chì), các hợpchất chứa lưu huỳnh (chủ yếu đối với động cơ diesel) Trong số này có một sốthành phần có tính độc hại đối với môi trường và sức khỏe của con người nênđược gọi là thành phần độc hại

Các thành phần độc hại chính và ảnh hưởng của chúng [4]:

CO (monoxit cacbon): Là sản phẩm cháy của C trong nhiên liệu trongđiều kiện thiếu oxy Monoxit cacbon ở dạng khí không màu, không mùi Khikết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cảnquá trình hấp thụ oxy hemoglobin trong máu, làm giảm khả năng cung cấpoxy cho các tế bào trong cơ thể Monoxit cacbon rất độc, chỉ với một hàmlượng nhỏ trong không khí có thể gây cho con người tử vong Hàm lượng cựcđại cho phép [CO] = 33 mg/m3

HC (Hydrocacbon đôi khi còn được ký hiệu là CmHn): Là các loạihydrocacbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trongkhí thải Hydrocacbon có rất nhiều loại, mỗi loại có mức độ độc hại khácnhau nên không thể đánh giá chúng một cách trực tiếp Ví dụ, parafin vànaphtalin có thể coi là vô hại Trái lại, hydrocacbon thơm thường rất độc, ví

dụ như hydrocacbon có nhân benzen có thể gây ung thư Để đơn giản khi đưa

ra các tiêu chuẩn về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần hydrocacbontổng cộng trong khí thải (Total Hydrocacbon viết tắt là THC) Hydrocacbontồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêmmạc đường hô hấp

NOx (oxit nitơ): Là sản phẩm oxy hóa nitơ có trong không khí (mộtthành phần của khí nạp mới vào động cơ) trong điều kiện nhiệt độ cao Donitơ có nhiều hóa trị nên oxit nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọichung là NOx Trong khí thải của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạngchủ yếu là NO2 và NO

- NO2 (peoxit nitơ): Là một khí có mùi gắt và màu nâu đỏ Với một hàmlượng nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng với hơinước sẽ tạo thành axit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật Hàm lượng cựcđại cho phép [NO2] = 9 mg/m3

- NO (monoxit nitơ): Là thành phần chủ yếu của NOx trong khí thải NO

là một khí không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thươngniêm mạc Trong khí quyển, NO không ổn định nên bị oxy hóa tiếp thành

NO2 và kết hợp với hơi nước tạo thành axit nitơric HNO3 Hàm lượng cực đạicho phép [NO] = 9 mg/m3

 Andehyt: Có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một công thứctổng quát là –CHO Andehyt có tác dụng gây tê và có mùi gắt Một số loạiandehyt có thể gây ung thư Đối với formaldehyt, hàm lượng cực đại chophép là 0,6 mg/m3

Chì: Chì rất độc đối với tế bào sống, làm giảm khả năng hấp thụ oxytrong máu, gây ung thư, làm giảm chỉ số thông minh Hàm lượng cực đại chophép [Pb] = 0,1 mg/m3

SO2: Là một chất khí không màu, có mùi gắt và có tác hại đối với niêmmạc Khi kết hợp với nước tạo thành axit yếu H2SO3 Hàm lượng cực đại chophép [SO2] = 2 ml/m3

P-M: Theo định nghĩa của tổ chức bảo vệ môi trường bang carliforniathì P-M là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hòa trộn vớikhông khí (làm loãng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,70C và được tách ra bằng một

bộ lọc qui định Với định nghĩa như vậy, P-M gồm những hạt rắn và các chấtlỏng bám theo Các hạt rắn gồm: cacbon tự do và tro còn gọi là bồ hóng(soot), các chất phụ gia dầu bôi trơn, các hạt và vẩy tróc do mài mòn,… Chấtlỏng bám theo gồm có các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn Cáchạt rắn gây độc hại với con người trước hết đối với đường hô hấp Ngoài ramột số loại hydrocacbon thơm bám vào muội than có thể gây ung thư Đối vớimôi trường, P-M còn là tác nhân gây sương mù, ảnh hưởng đến giao thông vàsinh hoạt của con người

CO2: Là sản phẩm cháy hoàn toàn của cacbon với oxy Tuy CO2 khôngđộc đối với sức khỏe con người nhưng với nồng độ quá lớn sẽ gây ngạt Hàmlượng cực đại cho phép [CO2] = 9000 mg/m3 Ngoài ra, CO2 là thủ phạmchính gây ra hiệu ứng nhà kính

2.2.2 Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải của động cơ diessel

Đặc điểm của động cơ diesel là sự hình thành hỗn hợp bên trong động cơnên so với ở động cơ xăng hệ số dư lượng không khí  nằm trong một giớihạn rất rộng từ 1,2  10 tương ứng từ toàn tải đến không tải Chính vì giớihạn  rộng nên điều chỉnh tải bằng phương pháp điều chỉnh  còn gọi làđiều chỉnh chất Sau đây ta sẽ khảo sát tỉ mỷ những đặc tính này:

Thành phần HC

Do  lớn nên HC trong động cơ diesel so với ở động cơ xăng cũng nhỏhơn Khi  tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy được sẽtăng lên (HC tăng) Đối với phương pháp hỗn hợp màng, do hiệu ứng sát váchảnh hưởng mạnh nên HC lớn hơn so với trường hợp hỗn hợp thể tích Nếu tổchức xoáy lốc và hòa trộn tốt trong quá trình hình thành hỗn hợp, thành phần

HC sẽ giảm

Thành phần NOx

Khi  tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm So với động

cơ xăng thì động cơ diesel có NOx thấp hơn Tuy nhiên, thành phần NO2

trong NOx lại cao hơn, chiếm tới 5  15% trong khi tỷ lệ này của động cơxăng chỉ là 2  10%.

Phương pháp hình thành khí hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến hình thành

NOx Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ(hạn chế không khí) rất thiếu oxy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫnnhỏ Khi cháy ở buồng cháy chính, mặc dù  rất lớn, oxy nhiều nhưng nhiệt

độ quá trình cháy không lớn nên NOx cũng nhỏ Tổng hợp lại, NOx của động

cơ buồng cháy ngăn cách chỉ bằng khoảng một nửa so với ở động cơ buồngcháy thống nhất

Chất thải dạng hạt (P-M)

Các hạt (P-M) có kích thước từ 0,01 đến 1m Phần lớn hạt có kíchthước < 0,3m nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường hô hấp vàphổi

P-M của động cơ diesel cao hơn nhiều so với của động cơ xăng, chủyếu là do một phần đáng kể nhiên liệu cháy ở dạng giọt lỏng rất nhỏ trongkhi ở động cơ xăng thì ở dạng hơi P-M phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làmviệc của động cơ và phương pháp hình thành khí hỗn hợp Thông thườngtrong P-M của động cơ diesel chứa:

- 40% dầu bôi trơn;

- 31% bồ hóng;

- 14% các muối sunfat ngậm nước;

- 7% nhiên liệu diesel;

- 8% các loại khác còn lại

Khi  nhỏ, nhiệt độ cháy lớn nên nhiên liệu phân hủy nhiều thành bồhóng Với  tăng, nhiệt độ cháy giảm nên tỷ lệ nhiên liệu phân hủy giảm, P-Mgiảm Từ  = 3 trở đi, P-M hầu như không đổi

Hợp chất chứa lưu huỳnh

Trong khí thải có các hợp chất chứa lưu huỳnh là do trong nhiên liệucòn một lượng tạp chất lưu huỳnh còn lại khi chưng cất dầu mỏ Lưu huỳnhkhi cháy tạo thành SO2 sẽ kết hợp với hơi nước (sản phẩm cháy hydro củanhiên liệu) tạo thành axit yếu H2SO3 gây ăn mòn các chi tiết và mưa axit,đồng thời tạo ra P-M thông qua các muối có gốc sufat Trước năm 1996, ởchâu Âu qui định giới hạn hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu tính theokhối lượng S < 500ppm (0,05%) theo tiêu chuẩn EURO II Sau năm 1996,giới hạn này càng ngặt nghèo hơn: từ 1/1/2000 đối với xăng là 150ppm,còn diesel là 350ppm; từ 1/1/2005 cho cả xăng và diesel là 50ppm, riêngđối với một số nước tiên tiến áp dụng giới hạn 10ppm; còn từ 1/1/2009trong toàn bộ EU là 10ppm Ở nước ta, theo TCVN 5689-2005 có hiệu lực

từ 1/1/2007 qui định chất lượng nhiên liệu diesel với hai loại là DO 0,05%(DO – Diesel Oil – là một loại nhiên liệu diesl) dùng cho các phương tiệngiao thông và DO 0,25% dùng cho động cơ cỡ lớn và tàu thủy Theo đó ,

số xetan tối thiểu là 46 cho cả hai loại còn hàm lượng lưu huỳnh đối với

DO 0,05 là 500ppm phù hợp với tiêu chuẩn EURO II và đối với DO 0,25 là2500ppm Trước 1/1/2007 chúng ta vẫn dùng nhiên liệu diesel có hàmlượng lưu huỳnh tới 0,5 và 1% tức là 5000 và 10000ppm

2.3 PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC VÀ PHÁT THẢI ĐỘC HẠI CỦA ĐỘNG CƠ

Thử nghiệm kiểm tra

- Thử nghiệm giao nhận: được tiến hành đối với động cơ mới và động cơsau sửa chữa Đây là dạng thử nghiệm đơn giản nhất và thường được tiếnhành với mục đích xác định xem các chỉ tiêu chính của động cơ (công suất cóích, suất tiêu hao nhiên liệu, mức độ ô nhiễm ) có phù hợp với yêu cầu kỹthuật hay không Dạng thử này cũng nhằm kiểm tra xem việc sửa chữa, lắpgiáp, điều chỉnh động cơ có phù hợp hay không

- Thử nghiệm động cơ có kết cấu hoặc cụm mới: dạng thử này thườngđược tiến hành song song với việc chế tạo hoặc cải tiến động cơ nhằm xácđịnh những thông số kết cấu và điều chỉnh tối ưu, phù hợp với điều kiện kỹthuật cụ thể Thời gian của kiểu thử này thường kéo dài và có thể lặp đi lặp lạinhiều lần

- Thử nghiệm nghiệm thu cấp quốc gia: dạng thử này được tiến hành với

sự tham gia và giám sát của một hội đồng (do cấp có thẩm quyền chỉ định)nhằm xem xét, đánh giá trước khi cho phép một kiểu kết cấu mới của động cơhoặc một cụm kết cấu mới được đưa vào áp dụng hàng loạt Dạng thử nàythường tiến hành tại các cơ sở chế tạo động cơ có quy mô lớn

- Thử nghiệm khai thác: dạng thử này nhằm xác định tình trạng kỹ thuậthiện tại và trên cơ sở đó có thể dự báo khả năng sử dụng tiếp theo của độngcơ

Thử nghiệm nghiên cứu và phát triển

Dạng thử này nhằm mục đích chọn và đánh giá chất lượng điều chỉnh(thí dụ như với bộ chế hòa khí, bơm cao áp và vòi phun, ) Các dạng thửnhằm xem xét sự ảnh hưởng của một vài yếu tố khác nhau đến quá trình làmviệc của động cơ (nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện khí hậu và yếu tố vận

hành tới các chỉ tiêu kinh tế năng lượng của động cơ; ảnh hưởng của điều kiệnkhí hậu đến độ bền, tuổi thọ của động cơ, ) thường phức tạp hơn rất nhiều.

Ngày nay, các dạng thử nghiệm phụ vụ việc nghiên cứu và phát triển(R&D) động cơ khá phức tạp và đa dạng, với một số dạng điển hình như:

- Thử nghiệm khi phát triển các mẫu động cơ mới nhằm đáp ứng tiêuchuẩn ô nhiễm, đây là dạng thử nghiệm rất phức tạp gồm nhiều công đoạnđan xen nhau Thực tế cho thấy, để phát triển một mẫu động cơ mới thỏa mãncác tiêu chuẩn ô nhiễm ngày càng nghiêm ngặt, có thể phải mất 3 năm liêntục

- Thử nghiệm khi thay đổi nhiên liệu: hiện nay, đứng trước nguy cơ cạnkiệt nguồn nguyên liệu có nguồn gốc hóa thạch truyền thống, việc nghiên cứu

sử dụng nguyên liệu thay thế (CNG, LPG, Biofuel ) hoặc nhiên liệu có thànhphần thay đổi so với nhiên liệu truyền thống đang được quan tâm rất nhiều.Những nghiên cứu hiện nay tập trung vào hai hướng chính là tận dụng cácđộng cơ hiện có hoặc cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu cho phù hợp vớiloại nhiên liệu mới

- Thử nghiệm xây dựng bản đồ điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu

và điều khiển động cơ (Engine Map): việc điện tử hóa quá trình điều khiểnđộng cơ và cung cấp nhiên liệu đang là xu thế tất yếu của ngành động cơ đốttrong nhằm thỏa mãn hai yêu cầu chính là giảm mức tiêu thụ nhiên liệu vàmức độ ô nhiễm môi trường Với các hệ cơ – điện tử trên động cơ đốt tronghiện nay, bộ dữ liệu mẫu nạp trong ECU đóng vai trò rất quan trọng và là bíquyết công nghệ của các hãng sản xuất động cơ Quá trình thử nghiệm và tínhtoán để thu được bộ dữ liệu cho ECU này khá tốn kém và phức tạp

Thử nghiệm ảo bằng phần mềm máy tính

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mô phỏng, các phươngpháp tính toán mới, công nghệ tin học và các phần mềm máy tính phục vụ