Luận án TS: Ảnh hưởng diesel ethanol biodiesel tới tính năng kỹ thuật & phát thải động cơ

Sản xuất ethanol toàn cầu tăng trưởng mạnh. Brazil và Mỹ là hai nước dẫn đầu. Biodiesel từ dầu thực vật được sản xuất rộng rãi ở châu Âu. Nhu cầu nhiên liệu diesel sinh học tăng nhanh. Nguyên nhân đến từ chính sách giảm CO2 phát thải giao thông. Nhiều quốc gia áp dụng tiêu chuẩn trộn ethanol pha trộn diesel bắt buộc. Công nghệ sản xuất biodiesel ngày càng成熟. Chi phí sản xuất giảm dần theo thời gian.

Việt Nam có tiềm năng lớn về nguyên liệu sản xuất biodiesel từ dầu thực vật. Dầu cọ, dầu dừa và dầu phế thải là nguồn nguyên liệu dồi dào. Nghiên cứu trong nước tập trung vào hiệu suất động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đi đầu trong lĩnh vực này. Nhiều đề tài cấp cơ sở đã được triển khai. Kết quả cho thấy diesel B20 B50 B100 có khả năng thay thế diesel khoáng. Khí thải động cơ diesel giảm đáng kể với tỷ lệ pha trộn phù hợp.

Mục đích chính là đánh giá tính năng kỹ thuật và khí thải động cơ diesel. Đối tượng nghiên cứu gồm động cơ diesel một xi-lanh và bốn xi-lanh. Nhiên liệu thử nghiệm là các hỗn hợp diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel. Phương pháp bao gồm mô phỏng trên phần mềm AVL Boost và thử nghiệm trên băng thử. Phạm vi áp dụng cho điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam. Kết quả phục vụ quy hoạch năng lượng sạch giao thông vận tải.

Ethanol có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng. Độ nhớt của ethanol thấp hơn đáng kể. Khi pha trộn ethanol pha trộn diesel, cần sử dụng chất nhũ hóa ổn định. Biodiesel từ dầu thực vật có độ nhớt cao hơn diesel. Hỗn hợp ba thành phần tạo ra tính chất cân bằng. Chỉ số cetan ảnh hưởng đến khả năng tự cháy. Nhiệt trị hỗn hợp giảm khi tăng tỷ lệ ethanol. Độ bay hơi tăng giúp hòa trộn tốt hơn trong buồng cháy.

Quá trình cháy gồm giai đoạn đánh lửa trễ và cháy lan truyền. Giai đoạn đánh lửa trễ dài hơn với ethanol pha trộn diesel. Nhiên liệu diesel sinh học có chỉ số cetan thấp hơn diesel khoáng. Áp suất đỉnh trong xi-lanh thay đổi theo tỷ lệ pha trộn. Nhiệt độ cháy ảnh hưởng trực tiếp đến khí NOx phát thải. Quá trình cháy hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel tạo ít muội than hơn. Cấu trúc tia phun ảnh hưởng đến hòa trộn nhiên liệu và không khí.

Phần mềm AVL Boost sử dụng phương trình nhiệt động học. Mô hình tính toán quá trình cháy dựa trên lý thuyết Vibe đôi. Truyền nhiệt được mô hình hóa bằng phương trình Woschni. Lượng phát thải tính theo mô hình Zeldovich cho khí NOx phát thải. Mô hình nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel được cài đặt chi tiết. Độ tin cậy mô hình được kiểm chứng bằng dữ liệu thực nghiệm. Sai số cho phép trong khoảng 5-10% so với đo thực tế.

Mô hình bao gồm xi-lanh, đường nạp và đường xả. Tham số đầu vào dựa trên thông số kỹ thuật động cơ thực tế. Quá trình cháy được mô hình hóa bằng phương trình Vibe. Truyền nhiệt sử dụng mô hình Woschni. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu đo trên băng thử. Sai số áp suất đỉnh dưới 5%. Sai số momen xoắn dưới 8%. Mô hình đạt độ tin cậy chấp nhận được cho nghiên cứu.

Tỷ lệ ethanol pha trộn diesel từ 5% đến 10% được nghiên cứu. DE5 giảm phát thải bụi mịn PM2.5 diesel khoảng 15%. DE10 giảm phát thải bụi mịn PM2.5 diesel khoảng 25%. Hiệu suất động cơ diesel giảm nhẹ 1-3%. Momen xoắn giảm không đáng kể ở chế độ tải trung bình. Nhiên lượng tiêu hao tăng 2-5% do nhiệt trị ethanol thấp hơn. Khí NOx phát thải giảm nhẹ ở một số chế độ làm việc.

Hỗn hợp DE5B5 và DE10B5 được mô phỏng chi tiết. Biodiesel từ dầu thực vật bù đắp phần giảm hiệu suất của ethanol. Hiệu suất động cơ diesel cải thiện so với diesel-ethanol đơn thuần. Phát thải CO2 phát thải giao thông giảm 8-15%. Khí NOx phát thải giảm ở chế độ tải thấp. Bụi mịn PM2.5 diesel giảm rõ rệt so với diesel khoáng. Nhiên liệu diesel B20 B50 B100 cho kết quả tương tự xu hướng.

Băng thử bao gồm động cơ diesel, phanh điện và hệ thống đo lường. Cảm biến áp suất Piezo ghi lại diễn biến áp suất trong xi-lanh. Hệ thống lấy mẫu khí thải đo nồng độ CO, HC, NOx và PM. Thiết bị đếm hạt PMP đo số lượng hạt bụi mịn PM2.5 diesel. Nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn được kiểm soát chặt chẽ. Dữ liệu thu thập ở tần số cao đảm bảo độ chính xác. Mỗi chế độ thử nghiệm lặp lại ba lần.

Cấu trúc tia phun ảnh hưởng đến hòa trộn nhiên liệu. Phương pháp hình ảnh tốc độ cao được áp dụng. Nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 được so sánh. Góc phun mở rộng với nhiên liệu có ethanol. Độ xuyên thấu tia phun thay đổi theo độ nhớt nhiên liệu. Biodiesel từ dầu thực vật tạo tia phun tập trung hơn. Kết quả cho thấy ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình cháy.

Áp suất đỉnh xi-lanh giảm nhẹ với nhiên liệu DE10. Momen xoắn tối đa giảm dưới 5% so với diesel khoáng. Hiệu suất nhiệt cải thiện ở chế độ tải trung bình. Tiêu hao nhiên liệu tăng 3-7% tùy tỷ lệ pha trộn. Diesel B20 B50 B100 cho momen xoắn ổn định. Hiệu suất động cơ diesel đạt mức chấp nhận được. Kết quả thực nghiệm xác nhận tính khả thi của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel.

Khí NOx phát thải hình thành ở nhiệt độ cao. Ethanol giảm nhiệt độ cháy đỉnh. Do đó khí NOx phát thải giảm 5-15% với DE10. Biodiesel từ dầu thực vật có hàm lượng oxy cao. Điều này có thể tăng nhẹ khí NOx ở một số chế độ. Hỗn hợp DE10B5 cho kết quả giảm NOx tổng thể. Diesel B20 B50 B100 cũng cho xu hướng tương tự. Kết quả phù hợp với nghiên cứu quốc tế.

Bụi mịn PM2.5 diesel là chất gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe. Ethanol chứa oxy giúp cháy hoàn toàn hơn. Muội than giảm 20-40% với DE10 so với diesel khoáng. Biodiesel từ dầu thực vật cũng giảm hạt phát thải. Hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel giảm tổng lượng hạt đáng kể. Kích thước hạt nhỏ hơn với nhiên liệu pha trộn. Số lượng hạt nano giảm ở hầu hết chế độ vận hành. Kết quả rất có ý nghĩa cho môi trường đô thị.

CO2 phát thải giao thông giảm 10-18% với diesel sinh học. Biodiesel từ dầu thực vật có chu trình carbon trung tính. Hydrocarbon chưa cháy giảm với biodiesel do cháy hoàn toàn hơn. CO giảm 5-12% ở chế độ tải trung bình. Nhiên liệu DE10B5 cho phát thải tổng hợp thấp nhất. Kết quả chứng minh lợi ích môi trường rõ ràng. Ứng dụng rộng rãi sẽ cải thiện chất lượng không khí đô thị.

DE10 giảm bụi mịn PM2.5 diesel khoảng 25%. DE10B5 giảm CO2 phát thải giao thông 15%. Hiệu suất động cơ diesel giảm dưới 3%. Khí NOx phát thải giảm 5-15%. Mô hình AVL Boost đạt độ tin cậy cao. Cấu trúc tia phun thay đổi rõ rệt với nhiên liệu pha trộn. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm nhất quán. Nhiên liệu diesel B20 B50 B100 có tiềm năng thương mại hóa.

Luận án cung cấp cơ sở dữ liệu đầy đủ về nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel. Mô hình mô phỏng được验证 và áp dụng thành công. Kết quả phục vụ thiết kế hệ thống phun nhiên liệu mới. Doanh nghiệp sản xuất biodiesel từ dầu thực vật có cơ sở để phát triển sản phẩm. Chính sách năng lượng sạch có thêm bằng chứng khoa học. Giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch nhập khẩu.

Nên mở rộng nghiên cứu với tỷ lệ pha trộn cao hơn. Diesel B20 B50 B100 cần thử nghiệm trên quy mô lớn hơn. Hệ thống phun nhiên liệu cần tối ưu cho ethanol pha trộn diesel. Biodiesel từ dầu thực vật phế thải cần được nghiên cứu thêm. Đào tạo kỹ thuật viên bảo dưỡng động cơ diesel sinh học. Xây dựng tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu diesel sinh học quốc gia. Ứng dụng thực tế sẽ giảm mạnh CO2 phát thải giao thông tại Việt Nam.