Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel ethanol

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------------------------- HOÀNG TUẤN HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ PHUN ETHANOL VÀO ĐƯỜNG NẠP ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Thái Nguyên - Năm 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN i http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và làm luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên 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 văn. Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này. 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 học tập. Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản thân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn. Học viên Hoàng Tuấn Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN ii http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................. viii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 4 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 4 * Ý nghĩa khoa học: ....................................................................................... 4 * Ý nghĩa thực tiễn: ........................................................................................ 4 4. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 4 5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 5 6. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 5 7. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 6 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường ................................ 6 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học .............................................................. 7 1.3. Nhiên liệu ethanol ...................................................................................... 9 1.3.1. Tính chất vật lý của ethanol ................................................................. 9 1.3.2. Công nghệ sản xuất ethanol............................................................... 10 1.3.3. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam ....................... 14  Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới ........................... 14  Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam ........................... 16 1.3.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel............................. 18  Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................... 18  Tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................................ 19 1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................... 24 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ .......................................................... 25 SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL ........................... 25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN iii http://lrc.tnu.edu.vn 2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ................... 25 2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong ........................... 25 2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại ............................................... 28 2.2. Giới thiệu các phương pháp và mô hình tính toán các quá trình công tác của động cơ ..................................................................................................... 30 2.2.1. Phương pháp Grinhevesky - Mading ................................................. 30 2.2.2. Mô hình tính theo Vibe ....................................................................... 31 2.2.3. Mô hình Vibe mở rộng ....................................................................... 32 2.2.4. Mô hình theo Glagôlep ...................................................................... 32 2.2.5. Mô hình theo Vôlôđin......................................................................... 33 2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol ................................ 34 2.4. Lựa chọn mô hình và phương pháp tính .................................................. 35 2.4.1. Mô hình vật lý và phương trình tính toán .......................................... 35 2.4.2. Xác định sự thay đổi các thông số đặc trưng kích thước hình học của xi lanh động cơ ............................................................................................. 36 2.4.3. Tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy trong xi lanh .................................. 39 2.4.4. Tính trao đổi nhiệt trong xi lanh của động cơ ................................... 41 2.5. Tính toán các thông số nhiệt động động cơ V12 ..................................... 42 2.5.1. Mô hình hóa động cơ V12 .................................................................. 42 2.5.1.1. Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power .................................. 42 2.5.1.2. Xây dựng mô hình động cơ V12 .................................................. 44 2.5.2. Kết quả tính toán động cơ V12 .......................................................... 48 2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................... 51 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI ĐIỂM PHUN ........ 52 VÀ TỐC ĐỘ PHUN ETHANOL VÀO ĐƯỜNG NẠP ................................. 52 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL V12 ............ 52 3.1. Đặt vấn đề................................................................................................. 52 3.2. Mô phỏng ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol .................................. 52 3.2.1. Ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol tới các chỉ tiêu công tác của động cơ ......................................................................................................... 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN iv http://lrc.tnu.edu.vn  Ảnh hưởng tới nhiệt độ môi chất trong xi lanh .................................... 53  Ảnh hưởng tới áp suất môi chất trong xi lanh ..................................... 54  Ảnh hưởng tới dòng nhiệt môi chất truyền cho thành vách buồng cháy ................................................................................................................... 56  Ảnh hưởng tới tốc độ tỏa nhiệt ............................................................. 57  Ảnh hưởng tới quy luật cháy của nhiên liệu ........................................ 58 3.2.2. Ảnh hưởng tới các chỉ tiêu phát thải của động cơ ............................. 60  Ảnh hưởng tới thành phần phát thải CO2 ............................................ 60  Ảnh hưởng tới thành phần phát thải NOx ............................................ 61 3.3. Mô phỏng ảnh hưởng của tốc độ phun ethanol ........................................ 61 3.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ phun ethanol tới các chỉ tiêu công tác .......... 62  Ảnh hưởng tới nhiệt độ môi chất trong xi lanh .................................... 62  Ảnh hưởng tới áp suất môi chất trong xi lanh ..................................... 63  Ảnh hưởng tới dòng nhiệt ..................................................................... 64  Ảnh hưởng tới tốc độ tỏa nhiệt của môi chất trong xi lanh ................. 65  Ảnh hưởng tới quy luật cháy của nhiên liệu ........................................ 66 3.3.2. Ảnh hưởng của các tốc độ phun ethanol tới thành phần phát thải ... 66  Ảnh hưởng của tốc độ phun ethanol đến phát thải NOx ...................... 66  Ảnh hưởng của tốc độ phun ethanol đến phát thải CO2 ...................... 68 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................... 68 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN v http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng CNG Khí nén thiên nhiên LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng HVO Dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa BTL Sinh khối hóa lỏng m Thống số đặc trưng cháy x Quy luật cháy dx/d Tốc độ cháy mnl Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, [kg/ct] QH Nhiệt trị thấp của nhiên liệu PM Chất ô nhiễm dạng hạt FFV Phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN vi http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol ............................................................ 10 Bảng 2.1. Các phần tử chính của mô hình động cơ V12 ............................... 44 Bảng 2.2. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình .......... 46 Bảng 2.3. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 .............. 49 Bảng 2.4. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất ............. 49 theo đặc tính ngoài động cơ V12 .................................................................... 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN vii http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ lúa mì và xi-rô đường ............................ 12 Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza ............................................... 13 Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế ....................................................... 30 Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol, [1] ........................ 34 Hình 2.3. Mô hình các dòng năng lượng và khối lượng qua các biên ............ 35 của thể tích xi lanh trong một chu trình [3]..................................................... 35 Hình 2.4. Sơ đồ cơ cấu khuỷu trục thanh truyền của động cơ ........................ 37 trong trường hợp tổng quát ............................................................................. 37 Hình 2.5. Các thông số hình học của xu páp dùng để xây dựng mô hình ...... 38 Hình 2.6. Hình dáng quy luật tỏa nhiệt khi cháy theo Vibe ........................... 40 Hình 2.7. Mô hình động cơ V12 ..................................................................... 44 Hình 2.8. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun ethanol ......... 51 vào đường nạp của động cơ ............................................................................ 51 Hình 2.9. Mô hình 1 nhánh cụm đường ống nạp động cơ V12 ...................... 51 khi thiếp lập mô hình chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol ......................... 51 Hình 3.1. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp ............. 53 Hình 3.2. Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ ............. 54 lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol .......... 54 Hình 3.3. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp .................................................................. 55 Hình 3.4. Áp suất cực đại trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol...................................................................... 55 Hình 3.5. Tốc độ tăng áp suất trung bình của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol................................................... 56 Hình 3.6. Dòng nhiệt của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol ............. 57 khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp ...................................... 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN viii http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.7. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ lưỡng nhiên liệu diesel ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp.......................... 58 Hình 3.8. Quy luật cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol ......... 59 khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp ...................................... 59 Hình 3.9. Đặc tính phát thải CO2 động cơ lưỡng nhiên liệu ........................... 60 diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol ...................................... 60 Hình 3.10. Đặc tính phát thải NOx động cơ lưỡng nhiên liệu ......................... 61 diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol ...................................... 61 Hình 3.11. Các tốc độ phun ethanol vào đường nạp ....................................... 62 động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol ....................................................... 62 Hình 3.12. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác động cơ lưỡng nhiên liệu .. 63 diesel - ethanol theo các tốc độ phun ethanol khác nhau ................................ 63 Hình 3.13. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh động cơ .......... 64 lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol theo các tốc độ phun ethanol khác nhau .... 64 Hình 3.14. Dòng nhiệt của động cơ khi thay đổi tốc độ phun ethanol ........... 64 vào đường nạp ................................................................................................. 64 Hình 3.15. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi tốc độ phun ethanol vào đường nạp ............................. 65 Hình 3.16. Quy luật cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi tốc độ phun ethanol vào đường nạp .......................................................... 66 Hình 3.17. Đặc tính phát thải NOx động cơ lưỡng nhiên liệu......................... 67 diesel - ethanol khi thay đổi tốc độ phun ethanol vào đường nạp .................. 67 Hình 3.18. Đặc tính phát thải CO2 động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi tốc độ phun ethanol vào đường nạp .................................................. 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN ix http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự báo của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 5 năm nữa. Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường, hệ sinh thái và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống. Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết. Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều… Năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm. Nhiên liệu sinh học cho động cơ nói chung và phương tiện giao thông nói riêng đang nhận được sự quan tâm lớn của thế giới. Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường. Mặt khác nhiên liệu sinh học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho người dân ở vùng sâu, vùng xa. Một khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trường có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lượng xanh, năng lượng có phát thải cácbon thấp nhận được sự ưu tiên phát triển. Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của các ngành Khoa học - Kĩ thuật đặc biệt là sự khởi đầu của nền công nghiệp 4.0 đang dần dần hình thành và trở thành xu hướng phát triển chung của các nền kinh tế thế giới. Ngành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 1 http://lrc.tnu.edu.vn công nghiệp ô tô đang đứng trước rất nhiều khó khăn và thách thức để có thể theo kịp sự phát triển chung của thế giới và đáp ứng được nhu cầu sử dụng ngày một tăng cao của con người. Một trong những nguy cơ và thách thức hàng đầu hiện nay đặt ra cho ngành công nghiệp ô tô chính là thay đổi công nghệ và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch hoặc nhiên liệu thay thế để ứng phó với sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch vốn là nguyên liệu cho các loại động cơ đốt trong dùng cho ô tô cũng như nhiều ngành công nghiệp khác và hiện tượng ô nhiễm do các khí thải do quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy do nén (động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con người và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chấy ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter). Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) trong động cơ diesel là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm phát sinh các thành phần độc hại trong khí xả. Một trong số đó, nhiên liệu cồn Ethanol (hay còn gọi là cồn Etylic) là một trong những nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm phát thải và sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Ethanol là loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, do bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao. Trong các loại nhiên liệu Alcohols chứa hàm lượng các bon thấp (chứa 3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như Methanol và Ethanol hiện được coi là những nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel nhận được nhiều sự quan tâm do ưu điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng ô xi cao, do đó cải thiện đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 2 http://lrc.tnu.edu.vn Hiện nay có 4 phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy do nén, đó là: 1. Phun hơi cồn (Alcohol Fumigation): trong phương pháp này, nhiên liệu alcohol được đưa vào đường ống nạp của động cơ thông qua vòi phun hoặc chế hòa khí. 2. Pha trộn cồn - diesel (Alcohol - diesel blend): trong phương pháp này, nhiên liệu alcohol và diesel được hòa trộn theo tỷ lệ nhất định trước để tạo thành hỗn hợp đồng nhất và sau đó được phun trục tiếp vào xi lanh thông qua các vòi phun. 3. Nhũ tương cồn - diesel (Alcohol - diesel emulsification): theo phương pháp này, sử dụng chất chuyển thể sữa để hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu nhằm ngăn chặn sự phân ly. 4. Phun kép (Dual injection): theo đó, sử dụng 2 hệ thống phun riêng rẽ để phun nhiên liệu cồn và diesel vào xi lanh. Trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn diesel được sử dụng phổ biến hơn cả. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ diesel [11  29], tuy nhiên các công trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm; một số ít trình bày về mô phỏng số nhưng các thuật toán và chương trình mô phỏng không được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy, mô phỏng đặc tính của loại động cơ lưỡng nhiên liệu ethanol - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ, cũng như ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam nhằm giảm ô nhiễm môi trường từ các động cơ diesel đang lưu hành. Tuy nhiên, khi tiến hành phun hơi ethanol vào đường nạp, thì thông số phun có ảnh hưởng tới các chỉ tiêu công tác và phát thải của động cơ nhưng chưa được đề cập trong các nghiên cứu liên quan gần đây. Chính vì vậy, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun Ethanol vào đường nạp đến các chỉ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 3 http://lrc.tnu.edu.vn tiêu công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel - Ethanol” làm đề tài luận văn cao học của mình. 2. Mục đích của đề tài - Xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol bằng phần mềm mô phỏng động cơ chuyên dụng GT-Power. - Khảo sát được ảnh hưởng của 2 thông số là thời điểm phun và tốc độ phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: Luận văn đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu ethanol - diesel trong động cơ diesel thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power. Từ các mô hình mô phỏng này, ảnh hưởng của 2 thông số là thời điểm phun và tốc độ phun khi phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol được khảo sát và đánh giá để làm cơ sở cho việc đánh giá về sau khi nghiên cứu thực nghiệm. * Ý nghĩa thực tiễn: - Các mô hình mô phỏng xây dựng được trong luận văn có thể góp phần cho quá trình đào tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ cháy do nén. - Luận văn đã đánh giá được ảnh hưởng của các thông số phun ethanol trên đường nạp đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi chuyển sang vận hành dạng lưỡng nhiên liệu. - Kết quả của đề tài là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol. 4. Đối tượng nghiên cứu - Động cơ diesel 12 xi lanh, chữ V (V12). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 4 http://lrc.tnu.edu.vn 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết thông qua xây dựng các mô hình mô phỏng trên phần mềm mô phỏng động cơ chuyên dụng GT-Power. 6. Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của 2 thông số là thời điểm phun và tốc độ phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol. Chế độ tính toán: chế độ công suất định mức. 7. Nội dung nghiên cứu Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần chính sau: - Mở đầu - Chương 1. Tổng quan về vấn đế nghiên cứu - Chương 2. Mô phỏng động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol - Chương 3. Mô phỏng ảnh hưởng của thời điểm phun và tốc độ phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ diesel V12 - Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 5 http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên. Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam. Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 6 http://lrc.tnu.edu.vn ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong. 1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [4]. NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Methanol, Ethanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau: * Ưu điểm: + Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. + Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…). * Nhược điểm: - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọa tới an ninh lương thực. - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 7 http://lrc.tnu.edu.vn - Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose - có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao. - NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ bị biến tính phân hủy theo thời gian). Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ [4]: - NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ động vật, dầu thực vật,… - NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose. Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa. - NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5 ÷ 300 lần để sản xuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 ÷ 2 lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 ÷ 10 ngày tùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể. Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch. Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể tên như sau: - Bioethanol; - Biodiesel; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 8 http://lrc.tnu.edu.vn - Methane (biogas); - Biohydrogen; - Dimethyl ether (DME). Trong đó bio-ethanol (gọi tắt là ethanol) được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc. Ethanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng ethanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp. Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới. Ethanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như ngô, khoai tây, củ cải đường… Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu để chế tạo ra cồn ethanol. Ở Brazil thì ethanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì ethanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm. Ngoài ra ethanol còn có thể được sản xuất từ gỗ. Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. 1.3. Nhiên liệu ethanol 1.3.1. Tính chất vật lý của ethanol Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan vô hạn trong nước. Sở dĩ ethanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 9 http://lrc.tnu.edu.vn Một số tính chất vật lý thể hiện trong bảng 1.1 [4]. Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol TT Tính chất Giá trị 1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O 2 Phân tử gam 46,07 g/mol 3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt dễ cháy 4 Tỷ trọng 0,789 5 Độ nhớt 1,2 cP ở 20oC 6 Độ tan trong nước Tan hoàn toàn 7 Nhiệt độ sôi 78,4oC (351,6 K) 8 Nhiệt độ tan 158,8 K (-114,3 oC) 9 Điểm tới hạn 514 K 10 pH 7,0 (trung tính) 11 Cp 65,21 J/mol.K 12 Tác động cấp tính 13 Tác động kinh niên Nghiện, xơ gan 14 Nhiệt độ tự cháy 425 oC 15 Mật độ giới hạn nổ 3,5 ÷ 15% Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, ngừng thở trong trường hợp nặng 1.3.2. Công nghệ sản xuất ethanol  Phương pháp hydrat hóa etylen Cho etylen hợp nước ở 300 0C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit: CH2 = CH2 + H2O  CH3-CH2-OH Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất có độ xốp cao như diatomit hay than củi. Chất xúc tác này được công ty Shell sử dụng để sản xuất ethanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 10 http://lrc.tnu.edu.vn Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại axit: CH2 = CH2 + H2SO4  CH3-CH2OSO3H CH3-CH2OSO3H + H2O  CH3-CH2-OH + H2SO4 Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại như: methanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê. Ethanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 ÷ 1987 [4].  Công nghệ lên men sản xuất ethanol Ethanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.1). Tinh bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân hủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men. Hạt ngũ cốc được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân để tạo đường. Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men ancol. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 ÷ 5,0. Ethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanol khan). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 11 http://lrc.tnu.edu.vn