Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn Ethanol Diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Diesel

Trong các nguồn năng lượng thay thế đang sử dụng hiện nay như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân…, thì nhiên liệu sinh học đang được ưu tiên phát triển.. Một hướng

HỒ DUY MẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL-DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ

KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG VIỆT DŨNG

Phản biện 1: PGS TS Trần Thanh Hải Tùng

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Anh

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 30

tháng 09 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết đề tài

Ngày nay do nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển mạnh dẫn đến nhiều vấn đề cần được giải quyết như: Nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ sắp cạn kiệt, ô nhiễm môi trường từ khí thải do động cơ tạo ra cũng trở nên đáng báo động Các chuyên gia kinh tế năng lượng cho rằng nếu không phát hiện thêm trữ lượng mới thì nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ không đáp ứng đủ và cạn kiệt trong tương lai không xa Xu hướng của thế giới là tìm kiếm nhiên liệu mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch

Trong các nguồn năng lượng thay thế đang sử dụng hiện nay như: (năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân…), thì nhiên liệu sinh học đang được ưu tiên phát triển Nhiên liệu sinh học có lợi thế như: tận dụng nguồn nguyên liệu tại chổ, tăng hiệu quả kinh tế, công nghệ sản xuất ít phức tạp, cấu trúc động cơ ít thay đổi Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng nhiên liệu sinh học phối trộn cùng nhiên liệu hóa thạch, trong đó ethanol sinh học đang được quan tâm vì nguồn cung khá dồi dào và có khả năng pha trộn cho diesel và xăng Tuy nhiên khi pha ethanol vào nhiên liệu khoáng thì tính chất, chất lượng của nhiên liệu sẽ thay đổi so với ban đầu Sự thay đổi ít hay nhiều phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với nhiên liệu khoáng Khi pha ethanol vào nhiên liệu khoáng thì sẽ có ảnh hưởng nhất định đến tính bền vững của hỗn hợp, tính đồng pha, tính ăn mòn, điều đó đòi hỏi phải kiểm nghiệm lại tính năng kinh tế

kỹ thuật động cơ

Do đó tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn Ethanol- Diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Diesel”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định tỷ lệ phối trộn tốt nhất ứng với các chế độ vận hành của động cơ để đạt được tính năng kỹ thuật tốt nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ một xy lanh EV2600 –

NB với các tỷ lệ phối trộn: 3%ethanol – 97% diesel; 5%ethanol –

95% diesel; 7%ethanol - 93% diesel; 10%ethanol - 90% diesel

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn ethanol – diesel Từ

đó xác định được các tính năng kinh tế kỹ thuật tối ưu nhất: Mô men động cơ, công suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ

4 Cách tiếp cận và phạm vi nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận luận văn

Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin dựa trên các công trình đã được công bố về nhiên liệu sinh học (ethanol - diesel), nghiên cứu thực nghiệm, phân tích số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên băng thử công suất Froude – tại Khoa Cơ Khí Giao Thông – Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

5 Bố cục luận văn

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL

1.1.1 Nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là nhiên liệu nhận được

từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật [4] Chúng bao gồm bio ethanol, diesel sinh học, biogas, ethanol pha trộn (ethanol – diesel, ethanol - xăng), dimetyl ether sinh học và dầu thực vật Nhiên liệu sinh học hiện nay sử dụng trong giao thông vận tải là ethanol sinh học, diesel sinh học

Tuy nhiên hiện nay vấn đề sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống còn nhiều hạn chế do giá thành sản xuất cao hơn so với nhiên liệu truyền thống Trong tương lai, nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh học là nguồn thay thế có nhiều tiềm năng lớn

1.1.2 Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel

Ở Châu Âu, NLSH đã được sản xuất lần đầu tiên ở Áo và Đức Người ta đặc biệt quan tâm đến diesel sinh học từ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1980

Năm 1996 hai nhà máy qui mô lớn ở Rouen - Pháp và Leer- Đức đã chứng minh sự phát triển mạnh của ngành công nghiệp diesel sinh học

Năm 2006, ở Đức có khoảng 50 nhà máy NLSH qui mô từ 10.000 tấn/năm đến 250.000 tấn/năm

Nhìn chung, châu Âu chiếm phần lớn sản xuất dầu diesel sinh học của thế giới Ở các nước như Brazil và Hoa Kỳ, ethanol sản xuất gấp 10 lần so với dầu diesel sinh học Hình 1.3 thể hiện tỷ lệ sản xuất nhiên liệu sinh học của các nước trên thế giới

Hình 1.2 Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học của các nước trên

thế giới năm 2010 [12]

Trong những năm gần đây, sản lượng diesel sinh học của các nước Đông Nam Á cũng tăng rất mạnh, đặc biệt là từ năm 2006 đến

2007, sản lượng diesel sinh học tăng gần 6 lần

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ VIỆC

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt trong trên thế giới

Nhiên liệu Ethanol- diesel dùng ở Mỹ qui định thành phần ethanol chứa trong nhiên liệu này không vượt quá 15% về thể tích và 5% chất phụ gia riêng để ổn định các tính chất của nhiên liệu tương đương với diesel Theo Robert E.Reynolds nguyên nhân của giới hạn này là do: các số liệu kiểm tra trên hỗn hợp nhiên liệu ở mức cao hơn đều bị hạn chế, ở hỗn hợp có thành phần ethanol cao sẽ bất lợi nhiều hơn về mặt kinh tế; [15]

Trong nghiên cứu của T.K.Bhattacharya và T.N Mishra [14]

về khả năng hòa trộn của ethanol trong Diesel họ đã rút ra các nhận xét sau:

Ethanol có nồng độ 2000có thể pha vào Diesel với tỷ lệ đến 20% thể tích hoặc hơn nữa vì không có nước nên sẽ hoà tan triệt để

và có tính đồng nhất

lệ đến 20% Khi đó hỗn hợp sẽ hoà tan không triệt để và có pha phân cách không rõ rệt nhưng có thể sử dụng được trong động cơ Diesel

Tỷ lệ tốt nhất là dưới 15%

trong động cơ diesel khi pha với tỷ lệ nhỏ hơn 15%

Các hỗn hợp còn lại không thể sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ Diesel vì lượng nước chứa trong ethanol quá lớn (20% đến 25%), sự hoà tan sẽ không tốt và tạo ra các pha phân cách rõ rệt

Ở Trung Quốc, tại phòng thí nghiệm về An Toàn Ô tô và Năng Lượng – Đại Học Thanh Hoa, 2003; nhóm tác giả Bang-Quan Hea, Shi-Jin Shuaia, Jian-Xin Wanga, đã nghiên cứu: ảnh hưởng của ethanol pha trộn diesel đến thành phần khí thải, khi pha trộn tư 10% đến 15% ethanol trong HHNL Kết quả thu được: Trị số cetan giảm,

1.2.2 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt trong ở trong nước

Đại học Bách khoa Tp.HCM đã pha chế, thử nghiệm để chứng minh ethanol có thể thay thế xăng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong [15]

Nhóm tác giả: Th.S Nguyễn Thành Bắc, GS.TS Phạm Minh Tuấn, TS Trần Anh Trung – Khoa Công nghệ Ô tô, ĐH Công Nghiệp HN, Viện cơ khí Động Lực, Trường ĐH BK Hà Nội Đã thực hiện đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel D4BB lắp trên xe

Hyundai 1,25 tấn khi sử dụng lưởng nhiên liệu diesel – ethanol tại 100% tải với các tỉ lệ ethanol thay thế được lựa chọn gần các giới hạn kích nỗ Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ ethanol thay thế giảm khi tăng tốc độ động cơ; suất tiêu hao năng lượng, phát thải CO nhỏ hơn; phát thải CO2 , HC, NOx lớn hơn so với trường hợp chạy diesel gốc trên toàn dải tốc độ

Nhóm tác giả: Th.S Huỳnh Bá Vang, chủ biên - TS Lê Văn Tụy – KS Phùng Minh Nguyên (Nghiên cứu giảm thiểu ô nhiễm khí thải của ô tô bằng thực nghiệm phối trộn Ethanol với xăng A95, Đề tài cấp Đại học Đà Nẵng, mã số: Đ2011-02-04, 2011) Bằng cách trộn trực tiếp Ethanol với tỉ lệ là 5% (E5) và 10% (E10) thể tích với xăng thị trường RON 95, sử dụng cho ô-tô Mercedes-MB140 rồi chạy thử nghiệm trên hệ thống băng thử động lực học ô-tô CD-48” tại phòng thí nghiệm Động cơ và Ô tô –Khoa Cơ Khí Giao Thông – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Kết quả cho thấy việc sử dụng xăng sinh học E5 và E10 làm giảm rõ rệt các chất phát thải ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra (CO giảm từ từ 61% đến 85%; còn HC giảm từ 57% đến 80%); trong khi hiệu quả về kinh tế kỹ thuật của xe chỉ thay đổi chút ít theo chiều hướng tốt so với xăng RON 95 Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chi Minh, Bách Khoa Đà Nẵng đã pha chế, thử nghiệm trên động cơ để chứng minh ethanol có thể thay thế xăng gốc dầu khoáng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Viện Khoa học vật liệu ứng dụng thành phố Hồ Chí Minh đã

có đề tài nghiên cứu về xăng pha cồn vào năm 2005

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Để đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài và phát triển bền vững, nhiều quốc gia 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 Việt Nam cũng đang tập trung theo hướng phát triển này

Nhiên liệu sinh học được sử dụng cho động cơ đốt trong chưa thể đáp ứng đủ cho toàn bộ nên chưa phù hợp cho việc sử dụng hoàn toàn nhiên liệu sinh học, vì thế nhiên liệu sinh học được sử dụng dưới dạng phối trộn với nhiên liệu khoáng

Vấn đề nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn ethanol – diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật là cấp thiết, cần được

tập trung nghiên cứu Vì vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn ethanol-diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ diesel”

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TÍNH CHẤT LÝ HÓA NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL 2.1.1 Ethanol nhiên liệu biến tính

2.1.2 Chỉ tiêu chất lượng diesel thông dụng

2.1.3 Diesel pha ethanol, Khả năng thích ứng khi pha diesel với ethanol

Diesel pha ethanol

Ethanol tan trong nhiên liệu diesel kém hơn nhiều so với tan trong xăng Khi pha ethanol vào diesel ta nhận được nhiên liệu diesel

- ethanol

Hỗn hợp nhiên liệu diesel pha ethanol được ký hiệu DEX, (trong đó EX là thể tích ethanol NLBT trong công thức pha trộn) Ví dụ: DE3 là hỗn hợp diesel – ethanol với 97% diesel và 3% ethanol Tùy thuộc vào lượng ethanol pha vào diesel khác nhau thì tính chất và chất lượng của nhiên liệu nhận được sẽ có thay đổi khác nhau

so với nhiên liệu diesel khoáng Sự thay đổi tính chất và chất lượng của diesel pha ethanol nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với diesel Như vậy, thành phần của nhiên liệu diesel pha ethanol gồm có: Nhiên liệu diesel gốc khoáng và ethanol

Khả năng thích ứng khi pha ethanol với diesel

Có thể pha trộn nhiên liệu diesel với ethanol để tạo thành nhiên liệu diesel - ethanol sử dụng cho động cơ diesel Tuy nhiên, để HHNL sử dụng cho động cơ diesel thì nhiên liệu phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật về chất lượng theo các tiêu chuẩn đã qui định Một trong những tính chất dễ nhận biết sự thay đổi được thực hiện rất nhanh đó là thành phần chưng cất nhiên liệu Do ethanol

cất của nhiên liệu khoáng pha trộn với ethanol khác thành phần chưng cất của nhiên liệu khoáng gốc ban đầu

Nhiên liệu mới nhận được, có những tính chất làm tốt thêm về chất lượng thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đối với nhiên liệu sử dụng cho động cơ Ethanol có điểm đông đặc thấp nên tính linh động của nhiên liệu diesel-ethanol được cải thiện rất tốt ở điều kiện nhiệt độ thấp đối với các tính chất chưa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật về chất lượng nhiên liệu, có thể khắc phục bằng cách sử dụng phụ gia Khi pha diesel – ethanol theo các tỉ lệ DE3, DE5, DE7, DE10 nhận thấy màu sắc của nhiên liệu thay đổi so với diesel khoáng (màu trắng đục) Đối với DE7, DE10 sau khi pha trộn 1 giờ xuất hiện kết tủa

Khi pha diesel – ethanol theo các tỉ lệ DE12, DE15 nhận thấy màu sắc của nhiên liệu đổi thành màu trắng sữa, không tan, kết tủa mạnh DE15 nhận thấy phân tầng mạnh, đóng cặn màu đen Sau khi

vẫn không tan hết và phân tầng

Hình 2.1 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE15, DE12,

DE10, DE7, DE5, DE3

Hình 2.2 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE3, DE5, DE7,

DE10

Hình 2.3 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE15, DE12 và

sau khi gia nhiệt

2.2 CƠ SỞ, ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG

CƠ DIESEL

2.2.1 Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel

2.2.2 Các thông số kinh tế kỹ thuật trong động cơ

2.2.3 Các loại đặc tính động cơ

Đặc tính tải

Các động cơ dẫn động máy phát điện, máy nén, bơm nước…phải đáp ứng đòi hỏi của máy công tác là khi thay đổi tải của máy công tác, tốc độ động cơ chỉ được thay đổi trong phạm vi rất hẹp Vì vậy chất lượng hoạt động của động cơ ấy được đánh giá theo đặc tính khi không thay đổi tốc độ động cơ Đặc tính này gọi là đặc tính tải Đặc tính tải của động cơ là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa

các yếu tố công suất Ne, mô men có ích Me hoặc áp suất chỉ thị

Hi ̀nh2-5 Đặc tính tải động cơ diesel

Đặc tính tải có ý nghĩa quan trọng trong việc để đánh giá các động cơ kéo máy phát điện hay động cơ làm việc ở số vòng quay không đổi

2.3 TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ THEO NHIÊN LIỆU DO, DE3, DE5, DE7, DE10

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương 2 đã nghiên cứu đặc điểm nhiên liệu diesel pha ethanol Cơ sở quá trình cháy trong động cơ, đặc tính của động cơ, các thông số kinh tế kỹ thuật động cơ diesel cũng như tính toán nhiệt động cơ Đây là cơ sở để tính toán lý thuyết nhằm so sánh với thực nghiệm ở chương tiếp theo

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Song song với việc tính toán lý thuyết chúng ta cần phải nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm nghiệm thực tế Trên cơ sở đó

để đưa ra được kết quả chính xác về tính năng kinh tế - kỹ thuật của động cơ

Việc nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên băng thử công suất Froude tại Phòng thí nghiệm – Khoa cơ khí Giao Thông – Đại Học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

3.1 TRANG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM

3.1.1 Giới thiệu về động cơ EV2600-NB

Động cơ EV2600-NB là động cơ sử dụng nhiên liệu diesel do công ty máy nông nghiệp Miền Nam - Vikyno sản xuất Động cơ EV2600-NB là loại động cơ 1 xylanh, 4 kỳ, máy đặt nằm ngang và

có buồng cháy thống nhất, [22]

3.1.2 Giới thiệu về băng thử công suất Froude

William Froude đã phát minh ra phanh bằng thủy lực năm

1877

Dùng để tạo tải cân bằng với mô men của động cơ

Thông số đo: Me[N.m], n[vòng/ phút]

Công suất đo: 0 đến 200 [hp]

3.1.3 Giới thiệu về thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance - 733S

Hoạt động theo nguyên lý phân tích trọng lượng dùng cảm biến điện dung không tiếp điểm có độ nhạy cao