Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn ethanol diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ diesel

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ DUY MẠNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL – DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. DƯƠNG VIỆT DŨNG Đà Nẵng – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được tôi trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn HỒ DUY MẠNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL – DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL. Học viên: Hồ Duy Mạnh Mã số: 60.52.01.16 Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Khóa: K30 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Nhiên liệu phối trộn đang được quan tâm, góp phần tiết kiệm năng lượng, giảm bớt khí thải từ động cơ. Ethanol- diesel được chú trọng, khi pha ethanol vào diesel thì tính chất, chất lượng nhiên liệu thay đổi. Điều đó đòi hỏi phải kiểm nghiệm lại tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ. Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ phối trộn ethanol- diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ diesel”. Đã thu được một số thành tựu: hỗn hợp nhiên liệu ethanol-diesel có thể sử dụng như một loại nhiên liệu thay thế diesel khoáng khi tỉ lệ pha trộn từ 5% trở lại. Hỗn hợp nhiên liệu DE5 có tính kinh tế nhất trong các nhiên liệu phối trộn từ DE3 đến DE10. Vị trí vận hành tối ưu: Tại vị trí thanh răng 48,3% cho tiêu hao nhiên liệu trung bình nhỏ nhất 275,91 [g/kWh] đối với nhiên liệu DE5 và động cơ thử nghiệm EV2600 – NB. Phương pháp hòa trộn trực tiếp Ethanol và Diesel là phù hợp cho yêu cầu của động cơ Diesel vì không thay đổi kết cấu, không cần thiết kế thêm chi tiết bổ sung. Từ khóa – Nhiên liệu phối trộn; ethanol- diesel; tính năng kinh tế kỹ thuật; DE3, DE5, DE7, DE10; EV2600-NB. ETHANOL - DIESEL EFFECTS ON THE DIESEL ENGINEERING ECONOMY FEATURES. Summary - Blended fuel is of interest, contributing to energy savings and reducing emissions from the engine. Ethanol-diesel is focused, when the mixture of ethanol into diesel, the nature, quality of fuel change. That requires a re-testing of engine economics. Topic: "Study on the effect of blends of ethanol-diesel on the economics of diesel engines". Some achievements have been made: A mixture of ethanol-diesel fuel can be used as a substitute for mineral diesel when the mixing ratio is 5%. The most economical DE5 fuel blend in blends DE3 to DE10. Optimum operating position: At 48.3% of the rack, the minimum fuel consumption is 275.91 [g/kWh] for the DE5 fuel and the EV2600 - NB test engine. Direct blending of Ethanol and Diesel is suitable for diesel engine requirements because it does not change the structure, without the need for additional design details. Key words - Mixed fuel; ethanol-diesel; technical and economic features; DE3, DE5, DE7, DE10; EV2600-NB. 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................................... 12 1.1. NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL. ....................................................................................... 12 1.1.1. Nhiên liệu sinh học............................................................................................. 12 1.1.2. Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel ............................................ 15 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ VIỆC SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ DIESEL ............................................ 19 1.2.1. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt trong trên thế giới. ....................................................................................................... 19 1.2.2. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt trong ở trong nước. ...................................................................................................... 21 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 24 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 25 2.1. TÍNH CHẤT LÝ HÓA NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL......................... 25 2.1.1. Ethanol nhiên liệu biến tính.............................................................................. 25 2.1.2. Chỉ tiêu chất lượng diesel thông dụng ............................................................. 28 2.1.3. Diesel pha ethanol, Khả năng thích ứng khi pha diesel với ethanol ............. 29 2.2. CƠ SỞ, ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL ..... 32 2.2.1. Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel ............................................... 33 2.2.2. Các thông số kinh tế kỹ thuật trong động cơ .................................................. 36 2.2.3. Các loại đặc tính động cơ. ................................................................................. 41 2.3. TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ THEO NHIÊN LIỆU DO, DE3, DE5, DE7, DE10 .................................................................................................................... 44 2.3.1. Quá trình nạp ..................................................................................................... 45 2.3.2. Quá trình nén ..................................................................................................... 46 2.3.3. Quá trình cháy ................................................................................................... 48 2.3.4. Quá trình thải .................................................................................................... 50 2.3.5. Các thông số chỉ thị ........................................................................................... 52 2 2.3.6. Các thông số có ích ............................................................................................ 52 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 54 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM....................................................... 55 3.1. TRANG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM ................................................................ 55 3.1.1. Giới thiệu về động cơ EV2600-NB ................................................................... 55 3.1.2. Giới thiệu về băng thử công suất Froude ........................................................ 56 3.1.3. Giới thiệu về thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S ............................................................................................................................... 58 3.1.4. Giới thiệu về cảm biến lực Loadcell ................................................................. 60 3.2. MÔ HÌNH BỐ TRÍ THỰC NGHIỆM ................................................................ 61 3.3. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM .......................................................................... 63 3.4. THU NHẬN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ..................................................................... 64 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 72 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................. 73 4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ .................................................................................................................... 73 4.1.1. Công suất tổng quát........................................................................................... 73 4.1.2. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 10% thanh răng ................................. 75 4.1.3. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 30% thanh răng ................................. 76 4.1.4. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 50% thanh răng ................................. 77 4.1.5. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 70% thanh răng ................................. 78 4.2. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔ MEN ĐỘNG CƠ .................................................................................................................... 79 4.2.1. Mô men tổng quát .............................................................................................. 79 4.2.2. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 10% thanh răng ............................. 80 4.2.3. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 30% thanh răng ............................. 81 4.2.4. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 50% thanh răng ............................. 82 4.2.5. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 70% thanh răng ............................. 83 4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN SUẤT TIÊU HAO NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ ....................................................................... 84 3 4.3.1. Suất tiêu hao nhiên liệu tổng quát ................................................................... 84 4.3.2. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh răng, ge [g/kWh] .................................................................................................................... 85 4.3.3. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 30% thanh răng, ge [g/kWh] .................................................................................................................... 86 4.3.4. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 50% thanh răng, ge [g/kWh] .................................................................................................................... 87 4.3.5. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 70% thanh răng [g/kWh] ......................................................................................................................... 88 4.4. ĐẶC TÍNH TẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG CÁC NHIÊN LIỆU DO, DE3, DE5, DE7, DE10 ................................................................................................. 89 4.4.1. Đặc tính tải tổng quát ........................................................................................ 89 4.4.2. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh răng ............. 90 4.4.3. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 30% thanh răng ............. 92 4.4.4. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 50% thanh răng ............. 93 4.4.5. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 70% thanh răng ............. 95 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ..................................................................................... 97 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI................................................... 98 1.KẾT LUẬN ............................................................................................................... 98 2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...................................................................... 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 99 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 102 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) QUYẾT ĐỊNH GIA HẠN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN(bản sao) KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN(bản sao) 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục các ký hiệu La Tinh : ge [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích Me [N/m] Mô men đầu ra trục khuỷu Ne [kW] Công suất có ích động cơ pk [N/m2] Áp suất khí nạp pi [N/m2] Áp suất chỉ thị trung bình pm [N/m2] Áp suất tổn thất cơ khí gct [kg/chu trình] Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình M [kmol/kg] Lượng thay đổi phân tử môi M0 [kmol/kg] Số mol không khí M1 [kmol/kg] Số mol khí nạp mới M2 [kmol/kg] Số mol sản phẩm cháy  QH [kJ/kg] - Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn Chỉ số nén đa biến n1 m - Chỉ số giản nỡ nhiệt khí sót 2. Danh mục các ký hiệu Hy lạp : o - Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết  - Hệ số biến đổi phân tử thực tế Z - Hệ số biến đổi phân tử tại z z - Hệ số lợi dụng nhiệt tại z b - Hệ số lợi dụng nhiệt tại b  - Tỉ số tăng áp 1 - Hệ số nạp thêm 5 2 - Hệ số quét buồng cháy đ - Hệ số điền đầy đồ thị 3. Các chữ viết tắt : NLSH Nhiên liệu sinh học NLBT Nhiên liệu biến tính HHNL Hỗn hợp nhiên liệu DE3 Hỗn hợp diesel – ethanol với 97% diesel và 3% ethanol DE5 Hỗn hợp diesel – ethanol với 95% diesel và 5% ethanol DE7 Hỗn hợp diesel – ethanol với 93% diesel và 7% ethanol DE10 Hỗn hợp diesel – ethanol với 90% diesel và 10% ethanol ĐCT Điểm chết trên 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 3.1 3.2 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 Tên bảng Tính chất vật lý ethanol Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol NLBT Đặc tính cơ bản của Ethanol NLBT Chỉ tiêu chất lượng diesel thông dụng Các thông số chọn động cơ Các thông số tính toán cho quá trình nạp Các thông số tính toán cho quá trình nén Các thông số tính toán cho quá trình cháy Các thông số tính toán cho quá trình giản nở Các thông số chỉ thị Các thông số có ích Thông số kỹ thuật động cơ EV2600-NB Một số thông số kỹ thuật của AVL 733 Công suất động cơ (KW) Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên liệu Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên liệu tại vị trí 10% thanh răng. Hệ số của các đường cong tìm gemin của các nhiên liệu tại vị trí 10% thanh răng. Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên liệu tại vị trí 30% thanh răng. Hệ số của các đường cong tìm gemin của các nhiên liệu tại vị trí 30% thanh răng. Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên liệu tại vị trí 50% thanh răng. Hệ số của các đường cong tìm gemin của các nhiên liệu tại vị trí 50% thanh răng. Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên liệu tại vị trí 70% thanh răng. Hệ số của các đường cong tìm gemin của các nhiên liệu tại vị trí 70% thanh răng. Trang 25 27 27 28 44 45 47 49 50 52 54 55 59 73 89 90 91 92 93 93 94 95 96 7 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 Tên hình Sản lượng diesel sinh học châu Âu từ năm 1998 đến năm 2011 Tình hình sản xuất diesel sinh học của các nước trên thế giới năm 2010 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE15, DE12, DE10, E7, DE5, DE3 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE3, DE5, DE7, DE10 Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE15, DE12 và sau khi gia nhiệt Quá trình cháy trong động cơ diesel, biểu diễn trên đồ thị công P- Trang 16 17 30 31 31 33 2.5 Đặc tính tải động cơ diesel 43 2.6 Đường đặc tính ngoài của động cơ. 43 3.1 Mặt cắt dọc động cơ EV2600-NB 56 3.2 Cấu tạo băng thử thủy lực Froude 57 3.3 Hệ thống đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance - 733S 58 3.4 Nguyên lý thiết bị đo tiêu hao nhiên lệu AVL 733 59 3.5 Hình dạng cảm biến lực Loadcel 60 3.6 3.7 Sơ đồ bố trí thực nghiệm động cơ diesel EV2600-NB và băng thử công suất Froude Phòng đo công suất, mô men, tiêu hao nhiên liệu, khí thải động cơ diesel. 61 62 3.8 Giao diện chương trình hiển thị kết quả đo công suât, mô men 62 3.9 Giao diện chương trình hiển thị kết quả đo tiêu hao nhiên liệu 63 3.10 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel 65 3.11 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE3 65 8 Số hiệu Tên hình Trang 3.12 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE5 66 3.13 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE7 66 3.14 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE10 67 3.15 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel 67 3.16 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng HHNL DE3 68 3.17 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng HHNL DE5 68 3.18 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng HHNL DE7 69 3.19 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng HHNL DE10 69 3.20 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu Diesel 70 3.21 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE3 70 3.22 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE5 71 3.23 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE7 71 3.24 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE10 72 4.1 Diễn biến so sánh công suất động cơ của các nhiên liệu Ne[Kw] 74 4.2 Đồ thị công suất động cơ tại vị trí 10% thanh răng 75 4.3 Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 30% thanh răng 76 4.4 Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 50% thanh răng 77 4.5 Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 70% thanh răng 78 4.6 Diễn biến mô men động cơ Me[Nm] 79 4.7 Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 10% thanh răng 80 4.8 Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 30% thanh răng 81 9 Số hiệu Tên hình Trang Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 50% thanh răng 82 4.10 Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 70% thanh răng 83 4.11 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ 84 4.9 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ tại vị trí 10% thanh răng Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ tại vị trí 30% thanh răng Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ tại vị trí 50% thanh răng Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ tại vị trí 70% thanh răng Đặc tính tải của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu DO, DE3, DE5, DE7, DE10 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh răng Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 30% thanh răng Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 50% thanh răng Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 70% thanh răng 4.21 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu gemin theo các chế độ phụ tải 85 86 87 88 90 91 92 94 95 97 10 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”. 11 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 a. 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. b. 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 a. 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. b. 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 12 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 a. Giới thiệu chung về 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]. Như nhiên liệu chế suất từ chất béo của động thực vật ngủ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương) các chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải...). 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, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh học là nguồn thay thế có nhiều tiềm năng lớn. Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ đốt trong bao gồm hai loại chủ yếu sau: Nhiên liệu lỏng: Bao gồm xăng sinh học và diesel sinhhọc. Xăng sinh học: Bao gồm bio-metanol, bio-ethanol, bio-butanol… Trong số các dạng xăng sinh học này, bio-ethanol là loại nhiên liệu sinh học thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như, sắn,… Diesel sinh học (diesel sinh học): Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất 13 từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este. Khí Biogas Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí. Thành phần chính của Biogas là CH4(50-60%) và CO2(>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO… được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc. Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas. Nhiên liệu rắn Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đang phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ. Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học rất đa dạng, phong phú, bao gồm: sắn, ngô, mía, củ cải đường, rơm rạ… Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta lại chọn những loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH. Ví dụ như Brasil sản xuất ethanol chủ yếu từ mía, ở Mỹ là từ ngô. b. Các loại nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học được sản suất từ nhiều dạng khác nhau, có thể tổng hợp một số nyên liệu chính như sau: Metyl ester 14 Đây là một loại diesel sinh học. Diesel sinh học thường dùng có tên monoalkyl ester (methyl hoặc ethyl ester) của acid béo có chuỗi phân tử dài được lấy từ lipid như dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Nó là sản phẩm trong quá trình ester hóa từ dầu hạt cải, dầu đậu tương, dầu cây hướng dương, dầu cọ… Có thể sử dụng diesel sinh học nguyên chất hoặc pha với dầu diesel thông thường theo các tỷ lệ nhất định. Dimetyl ether (DME) Ở nhiệt độ môi trường, áp suất khí quyển, DME là chất khí không màu, hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp. DME có thể được sản xuất từ khí tự nhiên thông qua 2 bước: chuyển đổi khí tự nhiên thành methanol sau đó khử nước (2CH3OH → CH3OCH3+ H2O) sẽ thu được DME. DME có trị số xêtan khá cao (khoảng 55) trong khi trị số xêtan của diesel là 40 ÷ 53. Tuy nhiên nhiệt trị và độ nhớt của DME lại khá thấp, do vậy khi sử dụng trên động cơ cần phải cải tiến lại hệ thống nhiên liệu cho phù hợp. Dimetyl cacbonate (DMC) DMC là một chất lỏng không màu, không độc và không gây ăn mòn. Nó có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel theo một vài tỷ lệ. DMC có thể thêm vào nhiên liệu diesel như một chất phụ gia, vì nó chứa 53% (về trọng lượng) Oxy. DMC được sản xuất từ methanol, CO và O2với chất xúc tác HCl thêm 5% KCl vào: 2CH3OH + CO + 1/2O2= CH3OCOO-CH3+ H2O Hydrogen Hydrogen không phải là nhiên liệu hóa thạch tìm thấy trong tự nhiên, nhưng nó có thể được sản xuất từ các nguyên liệu khác nhau như là khí tự nhiên, methanol, than đá, sinh vật và nước. Hydro thường được tích trữ bằng cách nén thành chất lỏng. Đặc tính mong muốn của hydro phần lớn phù hợp làm nhiên liệu ôtô, nó cháy sạch. Cồn 15 Cồn thường tồn tại ở hai dạng: Methanol và Ethanol. Trong đó, methanol là loại cồn đơn giản nhất chứa một nguyên tử C trong mỗi phân tử. Phần lớn methanol được làm từ than đá và khí tự nhiên, và có thể làm từ nguồn tái sinh như gỗ hoặc giấy thải. Để làm nhiên liệu động cơ có thể dùng M85 (hỗn hợp 85% methanol và 15% xăng), có chỉ số octan 102. Tuy nhiên, khi sử dụng M85 thì xe phải được thay đổi cho phù hợp (như tỷ số nén cao hơn, hệ thống hút thiết kế lại để lấy đủ khí và dầu bôi trơn chịu được sự tác động tự nhiên của methanol). Ethanol (công thức phân tử C2H5OH) được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose. Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu mà thường được pha trộn với xăng hay diesel theo những tỷ lệ nhất định. 1.1.2. Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel a. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới Ở Châu Âu, diesel sinh học 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. Việc tổng hợp diesel sinh học trong phòng thí nghiệm bởi Mittelbach ở Đại học Graz diễn ra lần đầu tiên năm 1983. Nhà máy công nghiệp đầu tiên sản xuất metyl ester dầu hạt cải đã được xây dựng năm 1991 ở Áo. 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[11]. Hình 1.1 cho ta thấy sự tăng trưởng hàng năm sản lượng diesel sinh học ở châu Âu (từ năm 1998 đến năm 2011). Vào cuối năm 2006, ở Đức có khoảng 50 nhà máy diesel sinh học qui mô từ 10.000 tấn/năm đến 250.000 tấn/năm [11]. 16 Hình 1.1 Sản lượng nhiên liệu sinh học châu Âu từ năm 1998 đến 2011 [12] Ngày nay, rất nhiều nhà máy khác của Pháp đã được xây dựng và đưa vào sử dụng, đưa sản lượng diesel sinh học của Pháp năm 2008 tăng đến khoảng 2,5 triệu tấn/năm. Italia là nước có sản lượng diesel sinh học đứng thứ 3 châu Âu sau Đức và Pháp. Đến năm 2004, 320.000 tấn diesel sinh học đã được sản xuất từ 8 nhà máy phân bố trên toàn bộ lãnh thổ Italia. Nguyên liệu chính để sản xuất diesel sinh học ở Italia là dầu hạt hướng dương trồng tại Italia hoặc dầu hạt cải nhập khẩu từ Đức và Pháp [11]. Tại Mỹ, sản lượng diesel sinh học tăng mạnh trong những năm gần đây. Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Mỹ là dầu đậu nành tinh khiết, dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ động vật. Theo Hội Nhiên liệu sinh học Mỹ, với sự ủng hộ của chính phủ, lượng diesel sinh học bán ra có thể đạt gần 2 tỷ gallon mỗi năm. Tổng lượng diesel sinh học tiêu thụ ở Mỹ năm 2000 là gần 20 triệu gallon [11]. 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.