Luận án TS: Ảnh hưởng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel đến tính năng, phát thải động cơ diesel

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài cấp cơ sở “Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel”, mã số T2018-PC-041 do PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài. Tôi đã đƣợc chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài cấp cơ sở vào việc viết luận án. Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong các công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tập thể giáo viên hƣớng dẫn Nghiên cứu sinh GS.TS Phạm Minh Tuấn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến Nguyễn Văn Nhỉnh i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Phạm Hữu Tuyến đã chu đáo, tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài cấp cơ sở mã số T2018-PC-041 đã đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài vào việc viết luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Hƣng Yên, Khoa Cơ khí Động lực cùng các thầy cô trong khoa đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sƣ, Phó Giáo sƣ, Tiến sĩ và các nhà khoa học đã dành thời gian quý báu để đọc và góp ý giúp tôi hoàn thiện luận án. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã luôn động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Nhỉnh ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.ii MỤC LỤC.iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.

ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. xi MỞ ĐẦU. Sự cần thiết của đề tài. Mục đích nghiên cứu.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Tính mới của đề tài.

Bố cục của luận án. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu ethanol và biodiesel. Nhiên liệu ethanol.

Nhiên liệu biodiesel. Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel. Trên thế giới. Tại Việt Nam.

Các kết quả nghiên cứu sử dụng ethanol và biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Nghiên cứu ngoài nƣớc. Nghiên cứu trong nƣớc. Hƣớng tiếp cận của luận án.

Kết luận chƣơng 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL- ETHANOL-BIODIESEL. Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol.

Tính chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng diesel khoáng. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol.

Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol- biodiesel. Nghiên cứu cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp. Cấu trúc của tia phun trong động cơ. Cấu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu.

Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL Boost. Phƣơng trình nhiệt động học. Lý thuyết tính toán quá trình cháy. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt.

Lý thuyết tính toán lƣợng phát thải trong động cơ diesel. Mô hình nhiên liệu. Cơ sở phƣơng pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động cơ. Thành phần và phân bố hạt theo kích thƣớc.

Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lƣợng hạt. Kết luận chƣơng 2. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL- ETHANOL-BIODIESEL. Xây dựng mô hình động cơ diesel và đánh giá độ tin cậy của mô hình.

Mục đích và đối tƣợng mô phỏng. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ. Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng. Tính toán mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel.

Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Kết luận chƣơng 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.

Mục đích thử nghiệm. Phƣơng pháp, đối tƣợng và chế độ thử nghiệm. Phƣơng pháp thử nghiệm. Đối tƣợng thử nghiệm.

Chế độ thử nghiệm. Trang thiết bị thử nghiệm. Sơ đồ bố trí thử nghiệm. Các thiết bị thử nghiệm chính.

Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5. Các thiết bị sử dụng nghiên cứu. So sánh cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5. Kết quả thử nghiệm động cơ trên băng thử.

Tính năng kỹ thuật của động cơ và diễn biến áp suất trong xylanh. Ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu tới phát thải động cơ. So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với nhiên liệu DE10B5. Tính toán sơ bộ lƣợng ethanol thay thế diesel.

Kết luận chƣơng 4.112 KẾT LUẬN CHUNG. 114 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.115 TÀI LIỆU THAM KHẢO.116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.121 MỤC LỤC PHỤ LỤC. 122 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3].

Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza [5]. Sơ đồ sản xuất biodiesel. Biểu đồ sản lƣợng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015[12]. Phát thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21].

Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21]. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]17 Hình 1. Phát thải NOx, smoke khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]. So sánh tính năng động cơ của diesel, B5, B20, B70 và B100 [26].

Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, B70 và B100 [26]. Đặc tính cháy của nhiên liệu thử nghiệm [35]. Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của nhiên liệu thử nghiệm [36]. So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel, DB10, DE10B10, DE20B10[38].

Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, DE3B12 và DE4B16 tại 100% tải [39]. Phát thải của nhiên liệu diesel, DE15, DE10B10 và DE15B20 [40]. Thay đổi Ne và ge theo tỷ lệ diesel. Quan hệ giữa CO, HC, NOx, độ khói và tỷ lệ pha trộn diesel sinh học [43].

Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48]. Phát thải CO, HC, NOx khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48] 27 Hình 2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng ethanol đến độ nhớt nhiên liệu [49,50,51]. Trị số xêtan của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50].

Nhiệt trị của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50]. Hàm lƣợng ô xy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50]. Nhiệt độ tự cháy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50]. Nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol [49,50].

Đồ thị khai triển quá trình cháy ở động cơ diesel [56,57,58]. So sánh áp suất trong xylanh khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59]. So sánh tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59]. Tốc độ cháy của nhiên liệu diesel-ethanol [59].

Diễn biến áp suất trong xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt (pinj = 1200 MPa, n = 1200 v/ph) [37]. Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón [60]. So sánh các tia phun với các tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên liệu khác nhau [62]. Ảnh hƣởng của tỷ lệ pha trộn diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tính phun [62].

Cân bằng năng lƣợng trong xylanh động cơ. Thành phần phát thải hạt đƣợc tạo ra trong quá trình cháy. Phân bố số lƣợng, khối lƣợng, diện tích bề mặt theo đƣờng kính hạt. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lấy mẫu xác định số lƣợng hạt trong khí thải 56 Hình 3.

Động cơ diesel Hyundai D4BB ………………………………………. Đƣờng đặc tính ngoài động cơ thực. Mô hình động cơ D4BB. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải CO. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx. Mômen (a) và suất tiêu hao nhiên liệu (b) theo đặc tính ngoài.

Suất tiêu hao nhiên liệu, sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải. Hàm lƣợng CO theo đặc tính ngoài. Hàm lƣợng CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph. Hàm lƣợng NOx theo đƣờng đặc tính ngoài.

Hàm lƣợng NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đƣờng đặc tính ngoài. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đặc tính tải tại 2000v/ph. Mô men và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài.

Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình tại 2000 v/ph. Hàm lƣợng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài. Hàm lƣợng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph.

Hàm lƣợng NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài. Hàm lƣợng NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngoài. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph.

Khuấy hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu……………………………………86 Hình 4. Sơ đồ thử nghiệm động cơ D4BB. Băng thử động lực cao động cơ. Phanh điện APA 100.

Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của cảm biến tốc độ động cơ. Thiết bị đo độ đen Smoke Meter AVL 415. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S. Sơ đồ của hệ thống phân tích khí xả AVL CEBII.

Sơ đồ khối hệ thống lấy mẫu xác định số hạt trong khí thải. Thiết bị cân chỉnh vòi phun. Máy quay Photron Fastcam SA3 tốc độ 3000 FPS. Quá trình chụp tia nhiên liệu.