Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải dimethylfuran trên động cơ xăng - Nguyễn Danh Chấn, ĐH Giao thông Vận tải TPHCM

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. NGUYỄN DANH CHẤN NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYLFURAN TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Tp.HCM – 2021 luan an BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. NGUYỄN DANH CHẤN NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYLFURAN TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành : Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số ngành : 9520116 Người hướng dẫn khoa học : 1.TS Hoàng Anh Tuấn 2.TS Trần Quang Vinh Tp.HCM - 2021 luan an i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình khác.

Các tài liệu và dữ liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ! Tp.HCM, ngày 17 tháng 9 năm 2021 TM TT HƯỚNG DẪN Nghiên cứu sinh PGS.TS Hoàng Anh Tuấn Nguyễn Danh Chấn luan an ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM, Viện Đào tạo Sau Đại học và Viện Cơ khí đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau Đại học và Viện Cơ khí về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Anh Tuấn và PGS.TS Trần Quang Vinh đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Khoa Cơ khí và Phòng thí nghiệm động cơ, Trung tâm Công nghệ cơ khí – Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải đã luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM, Lãnh đạo Viện Cơ khí và các thầy cô trong Viện đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Danh Chấn luan an iii TÓM TẮT Giao thông vận tải hiện đang phải đối mặt với hai thách thức lớn là sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch và vấn đề ô nhiễm môi trường.

Nhiên liệu hóa thạch vẫn sẽ là nguồn năng lượng chính cho ngành giao thông trong nhiều thập kỷ tới, tuy nhiên xu hướng này không thể kéo dài mãi. Mặt khác, áp lực từ vấn đề ô nhiễm môi trường khiến các nhà chức trách trên khắp thế giới đưa ra các điều luật buộc ngành công nghiệp ô tô và hóa dầu phải phát triển các công nghệ mới nhằm giảm phát thải và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu. Nhằm đạt các mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, đồng thời tận dụng các phế phẩm, phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất ra các nguồn năng lượng tái tạo, nhiên liệu sinh học được xem như một ứng viên sáng giá cho việc thay thế một phần hoặc hoàn toàn các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Trong số những loại nhiên liệu được tìm kiếm và nghiên cứu thì 2,5- dimethylfuran (DMF) đang nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trên khắp thế giới.

DMF có các tính chất tương đồng với xăng, đồng thời tốt hơn xăng ở một số đặc tính như chỉ số octan cao, bên cạnh đó DMF là loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 nên không ảnh hưởng đến an ninh lương thực. Trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam hiện nay, khi xăng pha cồn etanol đã được đưa vào sử dụng hơn 10 năm nay, tuy nhiên hiệu quả kinh tế xã hội còn chưa rõ rệt và tiến triển chậm thì việc nghiên cứu để tìm ra một loại nhiên liệu thay thế mới, có hiệu quả tốt hơn là điều hết sức cần thiết và cấp bách. Xuất phát từ lý do trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng” nhằm mục đích đánh giá khả năng ứng dụng 2,5-dimethylfuran làm nhiên liệu cho động cơ xăng tại Việt Nam, giúp hạn chế sự phụ thuộc vào các loại nhiên liệu truyền thống và giảm ô nhiễm môi trường. Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án đã giải quyết các vấn đề theo trình tự sau: luan an iv - Nghiên cứu tổng quan quy trình sản xuất, tính chất lý hóa và khả năng ứng dụng của DMF trên các loại động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ cháy cưỡng bức (SI) làm cơ sở để xác định khoảng trống và định hướng cho quá trình nghiên cứu.

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 trên động cơ xăng. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm việc của động cơ xăng với sự hỗ trợ của phần mềm AVL-Boost nhằm đánh giá các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ SI khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF. - Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng trên động cơ SI nhằm so sánh với kết quả mô phỏng cũng như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF. Từ kết quả của quá trình nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm cho thấy việc sử dụng xăng có pha DMF trên các phương tiện giao thông mang lại rất nhiều lợi ích về kỹ thuật, kinh tế và môi trường.

Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng có pha tỷ lệ DMF lớn giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường. Việc điều chế DMF cũng tận dụng được các nguồn sinh khối truyền thống, đa dạng và dồi dào ở nước ta. Từ khóa- 2,5-dimethylfuran, sinh khối, động cơ xăng, đặc tính kỹ thuật của động cơ, đặc tính phát thải. luan an v ABSTRACT Transportation is currently facing two major challenges: the depletion of fossil fuels and environmental pollution.

Over the next decades, fossil fuels will still be the main source of energy for the transportation industry, but this trend cannot last forever. On the other hand, environmental pollution has led authorities around the world to introduce laws that forced the automotive and petrochemical industries to develop new technologies to reduce emissions and improve fuel economy. In order to achieve these goals, the 2nd and 3rd generation biofuels are considered as a good candidate for partial or complete replacement of traditional fossil fuels. Among the searched and studied fuels, 2.5-dimethylfuran (DMF) is receiving great attention from scientists around the world.

The properties of DMF are similar to gasoline and maybe better in some characteristics such as high octane. Besides, DMF is a 2nd generation biofuel, so it does not affect food security. In Vietnam today, although gasoline mixed with alcohol has been used, but the efficiency is not high enough. Therefore, finding a new and more efficient alternative fuel is very necessary and urgent.

From the reasons mentioned above, the author chose the topic of this thesis: "A study on the engine performance and emission characteristics of gasoline engine using dimethylfuran-based blends" with the aim of evaluating the applicability of 2,5-dimethylfuran as fuel for gasoline engines in Vietnam, helping to reduce the dependence on traditional fuels and environmental pollution. To achieve the set objectives, the thesis has solved the following problems: - An overview study of the production process, physicochemical properties and applicability of 2.5-dimethylfuran on on internal combustion engines (especially SI engines) to determine the reasearch gap, scope and plan. luan an vi - The theoretical basis study of combustion and emission of SI engines using DMF as fuel to examine the technical parameters and emissions of the engine when using DMF-gasoline blends on a gasoline engine. - Using AVL Boost software to build a simulation model of the SI engine's working process when using DMF blends to evaluate its performance parameters and emission characteristics.

- Experimental study on SI engines to compare with simulation results as well as evaluate factors affecting technical characteristics and emissions when using DMF blends. The results of simulation and experimental research show that the use of gasoline mixed with DMF in vehicles gives a lot of technical, economic and environmental benefits. Using DMF-gasoline blends as fuel with a high ratio of DMF helps to reduce the dependence on traditional fuels and reduce emissions that are harmful to the environment. The preparation of DMF also takes advantage of traditional, diverse and abundant biomass sources in our country.5-dimethylfuran, biomass, gasoline engine, engine performance, emission characteristics.

luan an vii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. xiv DANH MỤC BẢNG BIỂU.

xvii MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. xx a) Mục tiêu lý thuyết:.

xx b) Mục tiêu thực nghiệm:. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. xxi a) Đối tượng nghiên cứu:. xxi b) Phạm vi nghiên cứu:.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. xxi a) Về khoa học. xxi b) Về thực tiễn. Phương pháp nghiên cứu.

xxii a) Nghiên cứu lý thuyết. xxii b) Nghiên cứu mô phỏng. xxii c) Nghiên cứu thực nghiệm. Nội dung nghiên cứu.

xxiii luan an viii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .1 Tình hình sản xuất 2,5-dimethylfuran .1 Quy trình sản xuất 2,5-dimethylfuran từ sinh khối .2 Tiềm năng sản xuất DMF ở Việt Nam .2 Tính chất lý hóa của dimethylfuran .3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đốt trong .1 Sử dụng DMF nguyên chất trong động cơ xăng .2 Sử dụng hỗn hợp DMF-điêzen trên động cơ điêzen .3 Sử dụng hỗn hợp DMF-xăng trong động cơ xăng .4 Kết luận Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DMF .1 Lý thuyết về quá trình cháy của DMF trong động cơ đốt trong .1 Cơ chế phân hủy .2 Đặc tính đánh lửa .3 Cơ chế ôxy hóa và nhiệt phân của DMF .