Tài liệu Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tỉ số nén đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng ethanol

I HỌC N NG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THÀNH TÀI NGHI N CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ SỐ NÉN ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHI N LIỆU XĂNG - ETHANOL UẬN VĂN THẠC S NGÀNH CƠ Đà Nẵng - Năm 2018 HÍ ĐỘNG ỰC I HỌC N NG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THÀNH TÀI NGHI N CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ SỐ NÉN ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHI N LIỆU XĂNG - ETHANOL C uy số à :C ộ : 60.52.01.16 UẬN VĂN THẠC S NGÀNH CƠ ực HÍ ĐỘNG ỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS DƢƠNG VIỆT DŨNG Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CA ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Công trình được phát triển trên động cơ Diesel D28 có tỷ số nén thay đổi là đề tài luận văn cao học của khóa K32,chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực của Kỹ sư Lê Đức Trọng Nguyễn và đề tài “ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống đánh lửa cho động cơ một xy lanh có tỷ số nén thay đổi” của Kỹ sư Đỗ Phú Ngưu. Vì vậy, các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực, không sửa đổi và chưa được công bố ở trong bất kỳ công trình trước đây. Tác iả luậ vă P a T à Tài LỜI CẢ ƠN Sau một thời gian học tập và thực hiện luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, ngoài sự nổ lực của bản thân, tác giả chân thành cảm ơn các thành viên thực hiện trong nhóm đề tài luận văn tốt nghiệp thực hiện trên động cơ Diesel D28, đến nay bản luận văn đã hoàn thành. Tác giả vô cùng biết ơn quý thầy trong Khoa Cơ khí Giao thông - Trƣờng học Bách Khoa ại à Nẵng, đặc biệt là Thầy hƣớng dẫn PGS. TS Dƣơng Việt Dũng đã giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp quan trọng trong định hƣớng nghiên cứu của đề tài. Do hạn chế về khả năng, đề tài đƣợc thực hiện mới hoàn toàn, trong điều kiện thiếu thiết bị kiểm thử, thời gian cũng nhƣ nguồn thông tin nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong tiếp tục nhận đƣợc những ý kiến đóng góp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận văn P a T à Tài TÓ TẮT ĐỀ TÀI Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của thành phần nhiên liệu , các thông số kết cấu của động cơ thay đổi tỷ số nén, vận hành động cơ đến quá trình cháy và tính năng của động cơ thay đổi nhiên liệu cháy ( từ động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel sang động cơ Xăng) , đánh lửa cƣỡng bức chạy bằng nhiên liệu Xăng pha Ethanol. Góc đánh lửa sớm tối ƣu của động cơ D28là 200 đồng thời thay đổi tỷ số nén nằm trong dãy : 9.75 , 10 , 10.25 , 10.5 , 11 , thì cho ta thấy động cơ ổn định trong khoảng từ 9.75 đến 10.5 trong phạm vi tốc độ 800 vòng/phút đến 1600 vòng/phút. EXECUTIVE SUMMARY The thesis presents the results of the study on the effect of fuel composition, engine performance parameters, compression ratios, engine operation on combustion and the characteristics of the combustion engine. from diesel engine to gasoline engine), fueled by Ethanol fuel. The optimum ignition timing of the D28 is 200 and the compression ratio in the range 9.75, 10, 10.25, 10.5, 11 shows the steady state of the engine. It shows that the engine is stable between 9.75 and 10.5 in the range micro speed 800 rpm to 1600 rpm. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1.Lý do chọn đề tài. .........................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu. ..................................................................................................1 3. ối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. ..............................................................................2 4. Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu .....................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .....................................................................................3 6. Cấu trúc của luận văn ..................................................................................................4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................5 1.1. SỰ CẦN THIẾT PHẢI NGHI N CỨU VÀ ỨNG DỤNG NHI N IỆU SINH HỌC ................................................................................................................................ 5 1.1.1. Tính cấp thiết .........................................................................................................5 1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học đã và đang đƣợc nghiên cứu sử dụng cho phƣơng tiện giao thông vận tải .....................................................................................................6 1.1.2.1 Nhiên liệu lỏng ....................................................................................................6 1.1.2.2 Khí sinh học (Biogas) .......................................................................................... 7 1.1.2.3 Nhiên liệu sinh học rắn ........................................................................................7 1.2.Tính chất lý hóa của xăng pha Ethanol .....................................................................7 1.2.1. Giới thiệu chung về Ethanol ..................................................................................7 1.2.2. Thành phần hóa học và tính chất lý hóa ................................................................ 9 1.2.2.1. Thành phần hóa học............................................................................................ 9 1.2.2.2 Tính chất lý hóa của Ethanol ...............................................................................9 1.2.3. ặc trƣng của hổn hợp Ethanol-xăng ..................................................................10 1.2.3.1.Ƣu điểm của Ethanol so với xăng.....................................................................10 1.2.3.2.Nhƣợc điểm của Ethanol so với xăng ................................................................ 10 1.3 Thành phần pha chế nhiên liệu thực nghiệm ........................................................... 11 1.3.1.Phƣơng pháp sản xuất Ethanol (Cồn tuyệt đối) ....................................................11 1.3.2.1. Tiêu chuẩn Việt Nam về etanol nhiên liệu biến tính ......................................12 1.3.2.2 ặc tính kỹ thuật của nhiên liệu E10 .................................................................13 1.4 Tình hình sản xuất ethanol (và xăng sinh học) trên thế giới và ở Việt Nam ...........16 1.4.1Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam ..............................................16 1.4.1.1Vấn đề sản xuất Ethanol ở Việt Nam .................................................................16 1.4.1.2Tình hình cung cấp và nhu cầu cồn tại Việt Nam ..............................................18 1.4.2 Tình hình sản xuất ethanol (và xăng sinh học) trên thế giới ................................ 20 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ Ý THUYẾT ...........................................................................24 2.1 Giới thiệu về động cơ đốt trong truyền thống. .......................................................24 2.1.1 ịnh nghĩa ...........................................................................................................24 2.1.2 Phân loại. ..............................................................................................................24 2.1.2 Một số thuật ngữ và khái niệm thông dụng. ......................................................... 26 2.1.3 Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong pittông. ....................................................27 2.1.3.1 ộng cơ xăng 4 kỳ............................................................................................. 28 2.1.3.2 ộng cơ Diesel 4 kỳ không tăng áp. ................................................................ 31 2.1.4 Các bộ phận cơ bản của động cơ đốt trong: ......................................................... 33 2.2. ặc tính kết cấu động cơ thí nghiệm một xylanh có tỷ số nén thay đổi. ................46 2.3 Tính toán gia công pittong chính .............................................................................49 2.3.1 Cơ sở lý thuyết......................................................................................................49 2.3.2 Gia công pittong chính ......................................................................................... 49 2.4. Hệ thống đánh lửa đƣợc trang bị trên động cơ thí nghiệm 1 xylanh ......................52 2.4.1. Phƣơng án thiết kế tƣơng tự HT L bán dẫn không tiếp điểm của ô tô ..............52 2.4.2. Hệ thống đánh lửa thiết kế: .................................................................................53 2.5 iều chỉnh thay đổi thể tích buồng cháy động cơ thí nghiệm một xylanh có tỷ số nén thay đổi. ..................................................................................................................53 CHƯƠNG 3 . TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHI N IỆU CHO ĐỘNG CƠ D28 SỬ DỤNG NHI N LIỆU XĂNG ................................................................ 58 3.1. Tính toán nhiệt kiểm nghiệm động cơ D28. ........................................................... 58 3.1.1. Các số liệu ban đầu. ............................................................................................. 58 3.1.2. Các thông số chọn. .............................................................................................. 58 3.1.3. Tính toán kiểm nghiệm đƣờng kính xylanh động cơ D28 ..................................59 3.2. Tính toán nhiệt khi động cơ D28 sử dụng nhiên liệu xăng. ...................................66 3.2.1. Các số liệu ban đầu. ............................................................................................. 66 3.2.2. Các thông số chọn. .............................................................................................. 66 3.2.3. Tính toán các chu trình công tác..........................................................................67 3.3.Tính toán thiết kế bộ hoà trộn..................................................................................73 CHƯƠNG 4 . NGHI N CỨU THỰC NGHIỆM......................................................77 4.1 MỤC ÍCH THỬ NGHIỆM. ..................................................................................77 4.2 ỐI TƢỢNG THỬ NGHIỆM. ...............................................................................77 4.3 QUY TRÌNH V PH M VI THỬ NGHIỆM. .......................................................78 4.3.1 Quy trình thực nghiệm.......................................................................................... 78 4.3.2 Phạm vi thử nghiệm. ............................................................................................. 78 4.4 SƠ Ồ BỐ TRÍ THỬ NGHIỆM V TRANG THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM. ..........78 4.4.1 Giới thiệu về thiết bị thử công suất động cơ. .......................................................78 4.4.2 Trang thiết bị thử nghiệm .....................................................................................79 4.4.2.1 Hệ thống đo lƣờng ............................................................................................ 79 4.4.2.2 Phanh thủy lực. ................................................................................................ 79 1. ƣờng nƣớc vào, 2. Nhãn mác, 3. Buồng gây tải, 4 Trục phanh nƣớc, 5. ƣờng nƣớc ra, 6. Ống dẫn nƣớc, 7. Van tải, 8. Vành tốc độ, ..................................................80 9. Núm vú mỡ, 10. Trục ................................................................................................ 80 4.4.2.3 Các tín hiệu cảm biến đầu vào. ..........................................................................80 4.4.2.4 Các thiết bị xử lý tín hiệu. .................................................................................86 4.4.2.5 Tổng quan phần mềm. .......................................................................................88 4.5 Kết quả thử nghiệm .................................................................................................90 4.5.1 Kết quả đo công suất, momen động cơ sử dụng nhiên liệu E10 trên băng thử tải .......................................................................................................................................90 4.5.2 Kết quả đo công suất, momen động cơ sử dụng nhiên liệu E5 trên băng thử tải .91 4.5.3 Kết quả đo suất tiêu hao nhiên liêu cơ sử dụng nhiên liệu E10, E5 trên băng thử tải ...................................................................................................................................93 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................................95 1. ÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM. .................................................................95 2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN Ề T I ..............................................................................95 3. KIẾN NGHỊ ...............................................................................................................96 DANH MỤC T I LIỆU THAM KHẢO ......................................................................97 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của Ethanol ..........................................................................9 Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza ............................................................... 12 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của động cơ đốt trong. ............................................26 Hình 2.2 Nguyên lý làm việc động cơ đốt trong pittông sử dụng xăng ........................ 28 Hình 2.3 ồ thị công động cơ xăng 4 kỳ.......................................................................28 Hình 2.4 ồ thị pha phân phối khí ................................................................................29 Hình 2.5 Nguyên lý làm việc động cơ diesel 4 kỳ không tăng áp .................................31 Hình 2.6 ồ thị công động cơ diesel 4 kỳ .....................................................................31 Hình 2.7 Bộ phận cố định trong động cơ ......................................................................34 Hình 2.8 Thân xy lanh và lót xy lanh a. xy lanh đúc liền với khối xy lanh b.Lót xy lanh khô .................................................................................................................................35 Hình 2.9 Nhóm pittông – thanh truyền – trục khuỷu ....................................................36 Hình 2.10 Kết cấu pittông ............................................................................................. 37 Hình 2.11 Các biên dạng đỉnh pitttông động cơ xăng và diesel. ...................................37 Hình 2.12 Thanh truyền. ................................................................................................ 39 Hình 2.13 Kết cấu trục khuỷu........................................................................................ 39 Hình 2.14 Hệ thống bôi trơn cƣỡng bức cacte ƣớt. .......................................................41 Hình 2.15 Hệ thống bôi trơn cƣỡng bức cacte khô .......................................................42 Hình 2.16 Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel. ......................................44 Hình 2.17 Sơ đồ cấu tạo hệ thống nhiên liệu động cơ Xăng .........................................45 Hình 2.18 ộng cơ sau khi gia công .............................................................................47 Hình 2.19 Cơ cấu cần liên động điều chỉnh độ mở cánh bƣớm ga ( Bộ chế hòa khí ) .48 Hình 2.20 Pittông chính của động cơ thí nghiệm 1 xilanh có tỷ số nén thay đổi khi động cơ hoạt động theo phƣơng pháp tự cháy .............................................................. 50 Hình 2.21 Pittông chính của động cơ thí nghiệm 1 xilanh có tỷ số nén thay đổi khi động cơ hoạt động theo phƣơng pháp đốt cháy cƣỡng bức ...........................................51 Hình 3 .1 Các loại bộ hoà trộn. ......................................................................................73 Hình 3 .2 Bộ hoà trộn trực giao. ....................................................................................74 Hình 4.1 Các bộ phận của băng thử công suất POWER TEST 500HP ........................ 79 Hình 4.2 Cấu tạo phanh thủy lực ...................................................................................80 Hình 4.3 Cảm biến lực cánh tay đòn. ............................................................................81 Hình 4.4 Cảm biến tốc độ. ............................................................................................ 82 .......................................................................................................................................82 Hình 4.5 Cảm biến tiêu hao nhiên liệu. .........................................................................82 Hình 4.6 Cảm biến áp suất nhớt. ...................................................................................83 Hình 4.7 Cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát....................................................................84 Hình 4.8 Cảm biến nhiệt độ nƣớc phanh thủy lực......................................................... 84 Hình 4.9 Cảm biến áp suất nƣớc vào. ............................................................................85 Hình 4.10 Hệ thống điều khiển ga tự động. ..................................................................85 Hình 4.11 Biến tần điều khiển động cơ điện. ................................................................ 86 Hình 4.12 Thiết bị hiệu chuẩn cảm biến lực. ................................................................ 87 Hình 4.13 Máy tính để thu thập xử lý tín hiệu. ............................................................. 87 Hình 4.14 Giao diện phần mềm. ....................................................................................88 Hình 4.15 Giao diện chƣơng trình chạy thử nghiệm thủ công. .....................................89 Hình 4.16 Giao diện chƣơng trình chạy thử nghiệm tự động ........................................89 Hình 4.17 ồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất và số vòng quay động cơ ........90 Hình 4.18 ồ thị thể hiện mối quan hệ giữa Momen và số vòng quay động cơ ...........91 Hình 4.19 ồ thị thể hiện mối quan hệ giữa công suất và số vòng quay động cơ ........92 Hình 4.20 ồ thị thể hiện mối quan hệ giữa Momen (Nm) và số vòng quay động cơ .92 Hình 4.21 ồ thị thể hiện mối quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu với số vòng quay động cơ sử dụng E10 .....................................................................................................93 Hình 4.22 ồ thị thể hiện mối quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu với số vòng quay động cơ sử dụng E5 .......................................................................................................94 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol nhiên liệu biến tính ....................................8 Bảng 1.2 Kết quả phân tích của mẫu xăng sinh học E10...............................................13 Bảng 1.3: Tiêu chuẩn chất lƣợng cơ sở của xăng E10 ..................................................15 Bảng 1.4. Sản lƣợng cồn của các vùng kinh tế năm 2000 [7] .......................................16 Bảng 1.5. Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol nhiên liệu biến tính [7] ............................ 17 Bảng 2.1 Thông số điều chỉnh tỷ số nén khi thay đổi pittông phụ thứ nhất. .................54 Bảng 2.2 Thông số điều chỉnh tỷ số nén khi thay đổi pittông phụ thứ hai. ...................56 Bảng 3.1 .Thông số ban đầu. ......................................................................................... 58 Bảng 3.2 Thông số chọn. ............................................................................................... 58 Bảng 3.3 Thành phần các nguyên tố C, H, O trong nhiên liệu xăng. ............................ 60 Bảng 3.4 Các hệ số của phƣơng trình tính toán Tz. .......................................................63 Bảng 3.5 Bảng hệ số tổn thất dựa vào các loại động cơ ................................................65 Bảng 3.6 Thông số ban đầu. .......................................................................................... 66 Bảng 3.7 Thông số chọn. ............................................................................................... 66 Bảng 3.8 Bảng giá trị an. ................................................................................................ 75 Bảng 4.1 Kết quả đo thực nghiệm công suất, momen động cơ 1 xylanh sử dụng xăng E10 .................................................................................................................................90 Bảng 4.2 Kết quả đo thực nghiệm công suất, momen động cơ 1 xylanh sử dụng xăng E5 ...................................................................................................................................91 Bảng 4.3 Kết quả đo thực nghiệm suất tiêu hao nhiên liệu động cơ 1 xylanh sử dụng xăng E10 ........................................................................................................................ 93 Bảng 4.4 Kết quả đo thực nghiệm Momen động cơ 1 xylanh sử dụng xăng E5 ...........94 DANH MỤC CÁC Ý HIỆU Ne N Dxl S  Vh Va Vc Pk Pa Pr m Ta Cm Vh [Kw] [Vòng/phút] [mm] [mm] [-] [cm3] [cm3] [cm3] [MN/m2] [MN/m2] [MN/m2] [-] [K] [m/s] [m3 ] Công suất động cơ Nhiệt độ sấy nóng môi chất mới ƣờng kính xy lanh Hành trình pít-tông Tỷ số nén Thể tích công tác Thể tích cực đại của xilanh Thể tích buồng cháy Áp suất không khí nạp Áp suất cuối quá trình nạp Áp suất khí sót Chỉ số nén đa biến Nhiệt độ môi chất cuối quá trình nạp Tốc độ trung bình của pittông Thể tích công tác xy lanh S [m] [KJ/Kmol0K] [KJ/Kmol0K] [KJ/Kmol0K] [KJ/Kmol0K] [-] Hành trình pittông Tỷ nhiệt mol trung bình không khí Tỷ nhiệt mol trung bình sản vật cháy Tỷ nhiệt mol trung bình của hỗn hợp công tác Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z Chỉ số nén đa biến trung bình mCVkk mCV" mCV' mCVz" n1 ý iệu Hylạp: 1 [-] 2 [-] t [-] r [-] v [-]  [-] B [-] P [-]  [-] 0 [-]  [-] z [-] z [-] b [-] Hệ số nạp thêm Hệ số quét buồng cháy Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt Hệ số khí sót Hệ số nạp Hệ số dƣ lƣợng không khí Phân tử lƣợng của Butane Phân tử lƣợng của Propane Tỷ số nén Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết Hệ số biến đổi phân tử thực tế Hệ số biến đổi phân tử tại z Hệ số lợi dụng nhiệt tại z Hệ số lợi dụng nhiệt tại b    d i m e  [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] [-] Hệ số tăng áp Tỷ số giãn nở sau Tỷ số giãn nở sớm Hệ số điền đầy đồ thị công Hiệu suất chỉ thị Hiệu suất cơ giới Hiệu suất có ích Hệ số kỳ 1 Ở ĐẦU 1. ý do c ọ ề tài. Nhiên liệu sinh học tại Mỹ, Braxin và một số quốc gia khác chủ yếu là ethanol đƣợc sản xuất từ quá trình lên men mía đƣờng và bắp. ứng trƣớc nguy cơ của sự phát triển dân số, lệ thuộc nguồn năng lƣợng hóa thạch và sự biến đổi khí hậu toàn cầu tại Mỹ và nhiều nơi khác đang có nhiều chƣơng trình dự án phát triển công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học, chủ yếu là ethanol. Ngày nay chủ yếu tập trung vào các mục tiêu chính là nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm mức khí thải độc hại. Các giải pháp để đạt đƣợc các mục tiêu trên bao gồm nghiên cứu cải thiện và nâng cao hiệu quả quá trình cháy. Chúng ta đều biết hiệu suất của quá trình cháy phụ thuộc rất lớn vào tỷ số nén, tỷ số nén cao thì quá trình cháy diễn ra càng triệt để. Tuy nhiên đối với các động cơ xăng thì không thể tăng mãi tỷ số nén bởi nếu tỷ số này lớn thì hỗn hợp nhiên liệu xăng và không khí khi đi vào bên trong buồng đốt có thể tự bốc cháy mà không cần đến bugi đánh lửa và gây nên hiện tƣợng kích nổ trong động cơ và dẫn đến giảm công suất của động cơ và có thể gây nên hƣ hỏng động cơ. Tiết kiệm năng lƣợng và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ và ô tô. Song song với việc hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt trong thay đổi đƣợc tỷ số nén để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng thì các dự án, các chƣơng trình nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lƣợng thay thế mà cụ thể là nguồn nhiên liệu sinh học đã và đang đƣợc các nhà khoa học tại Brazil, Mỹ, Thái Lan, Trung Quốc, Ấn ộ... tập trung nghiên cứu. ể góp phần nghiên cứu và đánh giá tính năng hiệu quả của việc sử dụng nhiên liệu sinh học hiện nay, tác giả quyết định chọn đề tài có tên là “N i cứu thực nghiệm ảnh ưởng của tỷ số é ế t ă i tế kỹ thuật của ộ c sử dụng i iệu xă -ethanol” với nội dung có ý nghĩa to lớn và hết sức cấp thiết; không những góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch dùng cho động cơ đốt trong khi dầu mỏ đang cạn kiệt, mà còn góp phần nghiên cứu pha chế nhiên liệu sinh học từ Ethanol với tỉ lệ 10% với xăng Ron95 trên thị trƣờng hiện nay để sử dụng hiệu quả trên động cơ xăng nhằm tiết kiệm lƣợng xăng nhập khẩu cho Việt Nam. 2. ục c i cứu. + Khảo sát một số tính chất của xăng-ethanol ( E10, E5) 2 + ánh giá tính kinh tế kỹ thuật của động cơ sử dụng xăng-ethanol khi thay đổi tỷ số nén. 3. Đối tượ và p ạm vi i cứu. - ối tƣợng nghiên cứu: động cơ một xy lanh. ây là động cơ một xylanh, không tăng áp, làm mát bằng nƣớc, động cơ này sử dụng 2 xupap (1 nạp, 1 thải), buồng cháy thống nhất, sử dụng hỗn hợp nhiên liệu pha 10%, 5% Ethanol với xăng RON95 -Thông số kỹ thuật: STT Loại Thông số Thứ nguyên 1 Kiểu động cơ 1 xylanh 2 Công suất 12.5 Kw 3 Số vòng quay 1750 Vòng /phút 125 Mm 4 ƣờng kính xylanh D 5 Hành trình piston 120 Mm 6 Dung tích xilanh 1473 Cc 7 Tỉ số nén 9.5-11.5 - Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm việc sử dụng xăng E10, E5, trên động cơ thay đổi tỷ số nén nhằm phân tích đánh giá tính năng kỹ thuật, tiêu hao nhiên liệu 3 4. Các tiếp cậ , p ư p áp i cứu Các tiếp cậ ề tài đƣợc thực nghiệm với các trang thiết bị hiện đại và có tính đồng bộ cao, bằng việc sử dụng hệ thống băng thử công suất POWER TEST 500HP tại xƣởng X2 sửa chữa ô tô thuộc đơn vị 387- Cục kỹ thuật quân khu địa chỉ số 120 Nguyễn Văn Thoại TP à Nẵng. Với hệ thống bao gồm các trang thiết bị có tính đồng bộ cao, đây là điều kiện tốt nhất để có thể đánh giá một cách khoa học về những tác động ảnh hƣởng của nhiên liệu sinh học E10 đến các tính năng động lực của động cơ thay đổi đƣợc tỷ số nén. Công đoạn pha chế nhiên liệu xăng sinh học đƣợc sự hỗ trợ từ PTN Khoa Hóa trƣờng ại Học Bách Khoa, đảm bảo độ chính xác về % thể tích pha trộn Ethanol với xăng Ron95. Việc phân tích thành phần các tính chất lý hóa của nhiên liệu xăng sinh học đƣợc thử nghiệm tại Phòng thử nghiệm tại Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lƣờng chất lƣợng P ư p áp i cứu Trọng tâm đến việc thực nghiệm nhiều hơn nhằm để đánh giá ảnh hƣởng của nhiên liệu xăng E10, E5 đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ thay đổi tỷ số nén Chạy thực nghiệm xăng – Ethanol trên động cơ thay đổi tỷ số nén cải tạo từ động cơ D28 Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên băng thử công suất POWER TEST 500HP tại xƣởng X2 sửa chữa ô tô thuộc đơn vị 387-Cục kỹ thuật quân khu địa chỉ số 120 Nguyễn Văn Thoại TP à Nẵng. 5. Ý ĩa oa ọc và t ực tiễ Xác định các thông số động lực học, hơn nữa đánh giá chính xác lƣợng tiêu hao nhiên liệu thực tế của động cơ thay đổi tỷ số nén ở mọi chế độ làm việc của động cơ, nhờ các thiết bị hiện đại đƣợc trang bị đồng bộ cùng với 4 băng thử POWER TEST 500HP nên đề tài có ý nghĩa khoa học và phản ánh tính thực tiễn rõ nét. 6. Cấu trúc của uậ vă Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đƣợc chia bố cụ thành 04 chƣơng và phần phụ lục: CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU CHO ỘNG CƠ D28 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHỤ LỤC 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. SỰ CẦN THIẾT PHẢI NGHI N CỨU VÀ ỨNG DỤNG NHI N IỆU SINH HỌC 1.1.1. Tính cấp thiết Năng lƣợng và nhiên liệu có vai trò quan trọng hàng đầu cho sự phát triển kinh tế - xã hội nói chung cũng nhƣ sự phát triển của các loại phƣơng tiện vận tải nói riêng. Với vai trò quan trọng nhƣ vậy, trong sự phát triển kinh tế - xã hội nhiên liệu cần phải phát triển trƣớc một bƣớc so với các ngành kinh tế khác. Còn đối với sự phát triển các loại phƣơng tiện thì nhiên liệu chính là cơ sở để nghiên cứu và phát triển các loại phƣơng tiện ở hiện tại cũng nhƣ trong tƣơng lai. Với sự tăng trƣởng kinh tế, tăng dân số (nhất là các nƣớc đang phát triển) dẫn đến tiêu thụ nhiên liệu ngày càng tăng. Theo báo cáo nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu trong vòng 50 năm tới so với năm 1995 sẽ tăng 50% đối với phƣơng án tăng trƣởng kinh tế thấp và sẽ tăng 250% với tăng trƣởng kinh tế cao. Trong khi nguồn nhiên liệu hoá thạch (than, dầu khí vốn đƣợc coi là nguồn năng lƣợng chủ yếu ở hiện tại và trong tƣơng lai 4,5 thập kỷ nữa) giờ đây đang cạn kiệt và trở nên đắt đỏ. Việc khai thác, sử dụng nhiên liệu hoá thạch còn gây ô nhiễm môi trƣờng, làm tăng nguy cơ của hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng dần lên; lƣợng khí gây hiệu ứng nhà kính mà chủ yếu là CO 2 đã tăng trên 30% so với thời kỳ tiền công nghiệp (tăng từ 280 ppmV lên 360 ppmV và có nguy cơ tăng lên 500 ppmV trƣớc năm 2100) gây ra hậu quả xấu cho nền kinh tế và xã hội toàn cầu. Bên cạnh đó tình hình bất ổn tại các khu vực giàu dầu mỏ Iran, Iraq, Nigeria… khiến nguồn cung không đảm bảo liên tục gây lo ngại cho các nƣớc “khát dầu” phục vụ cho nền kinh tế phát triển. ể đảm bảo đƣợc an ninh nhiên liệu, tăng trƣởng kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng, chúng ta, bao gồm cả những nƣớc phát triển và đang phát triển phải có chiến lƣợc kết hợp sử dụng hợp lý các nguồn nhiên liệu dài hạn với chiến lƣợc phát triển sử dụng các nguồn nhiên liệu ít gây ô nhiễm môi trƣờng nhƣ nhiên liệu sạch (nhiên liệu sinh học) càng sớm càng tốt. Chính vì những lý do đó, nhiều quốc gia và các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới trong vài thập kỷ qua đã đầu tƣ cho nghiên cứu và phát triển các loại phƣơng tiện sử dụng các dạng nhiên liệu sạch thay thế, trong đó có nhiên liệu sinh học. Phƣơng tiện sử dụng nhiên liệu thay thế là các loại phƣơng tiện có động cơ chạy bằng các loại nhiên liệu khác không có nguồn gốc từ dầu mỏ (không chạy bằng xăng hoặc dầu diesel) và các loại phƣơng tiện sử dụng các công nghệ khác không liên quan đến dầu mỏ (ví dụ nhƣ xe điện, xe điện hybrid, năng lƣợng mặt trời). Do tác động của các yếu tố nhƣ ảnh hƣởng tới môi trƣờng, sự tăng cao của 6 giá dầu nên việc phát triển các loại xe sử dụng nhiên liệu thay thế đang là một ƣu tiên của nhiều chính phủ và các nhà sản xuất ô tô trên toàn thế giới. 1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học đã và đang được nghiên cứu sử dụng cho phương tiện giao thông vận tải Hiện nay, đã và đang có nhiều loại nhiên liệu sinh học đƣợc nghiên cứu và sử dụng. Các loại nhiên liệu sinh học đó bao gồm: 1.1.2.1 Nhiên liệu lỏng + Nhiên liệu Diesel sinh học (BioDiesel) Diesel sinh học (BioDiesel): Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tƣơng đƣơng với nhiên liệu dầu diesel nhƣng không phải đƣợc sản xuất từ dầu mỏ mà đƣợc sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa ester. Trên thực tế, để có thể dùng làm Biodiesel, các loại dầu và mỡ phải đƣợc tinh chế thành methyl hoặc ethyl ester. Trong quá trình chuyển hóa nhiều loại dầu đƣợc chuyển hóa thành methyl ester nhờ phản ứng hóa học với Methanol (có các chất xúc tác nhƣ Na (natri) hay KOH (potassium hydroxide). Sau đó, nƣớc, glyxerin, methanol và một số chất cặn bã khác sẽ đƣợc tách trƣớc khi Biodiesel trở thành loại nhiên liệu có chất lƣợng đủ tiêu chuẩn dùng cho động cơ diesel. + Nhiên liệu sinh học gốc rƣợu (Ancol) Nhiên liệu sinh học gốc rƣợu, còn gọi là ancol, trong hóa học là một hợp chất hữu cơ chứa nhóm -OH gắn vào một nguyên tử cácbon mà nó đến lƣợt mình lại gắn với một nguyên tử hiđrô hay các bon khác. Bao gồm các nhiên liệu chính sau đây: Methanol (CH3OH): Methanol, cũng gọi là methyl alcohol, alcohol gỗ, naphtha gỗ hay rƣợu mạnh gỗ, là một hợp chất hóa học với công thức phân tử CH3OH (thƣờng viết tắt MeOH). ây là rƣợu đơn giản nhất, nhẹ, dễ bay hơi, không màu, dễ cháy chất lỏng với một mùi đặc trƣng, rất giống, nhƣng hơi ngọt hơn ethanol, dễ bay hơi, dễ cháy, mùi gây chóng mặt, độc và gây ăn mòn, có thể hấp thụ qua da. Methanol đƣợc làm từ than đá và khí tự nhiên, cũng có thể làm từ nguồn nguyên liệu tái sinh nhƣ gỗ hoặc giấy thải dƣới tác dụng của vi khuẩn. Ethanol (C2H5OH): là một ancol mạch thẳng, công thức hóa học của nó là C2H6O hay C2H5OH. Một công thức thay thế khác là CH3-CH2-OH thể hiện carbon ở nhóm metyl (CH3–) liên kết với carbon ở nhóm metylen (–CH2–), nhóm này lại liên kết với oxy của nhóm hydroxyl (–OH). Ethanol là chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu và đặc trƣng, vị cay, nhẹ hơn nƣớc, dễ bay hơi, sôi ở nhiệt độ 78,39°C, hóa rắn ở -114,15°C, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời. Ethanol đƣợc chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ nhƣ tinh bột, cellulose, lignocellulose. Ethanol nguyên chất ít đƣợc dùng làm nhiên liệu, thông thƣờng ethanol đƣợc pha với xăng để làm nhiên liệu cho 7 động cơ đốt trong. Theo một số nghiên cứu thì khi pha 5÷10% ethanol vào xăng thì động cơ không phải thay đ ổi bất kỳ thông số kết cấu nào. Butanol (C4H7OH): là một hợp chất hữu cơ có nhóm chức OH nhƣ ethanol nhƣng số nhóm CH2 nhiều hơn gấp 3 lần nên thuộc loại rƣợu mạnh. Tuy có cùng nhóm chức OH nhƣng chứa cấu trúc mạch cacbon dài hơn và có nhiều nhánh nên Butanol ít hoặc khó hòa vào nƣớc so với ethanol. Cũng giống nhƣ ethanol, Butanol thu đƣợc thông qua tổng hợp hóa học gọi là Butanol tổng hợp, đƣợc dùng chủ yếu nhƣ một dung môi trong công nghiệp, còn nếu thu đƣợc bằng con đƣờng sinh học thì gọi là Butanol sinh học, đƣợc dùng nhƣ nhiên liệu. 1.1.2.2 Khí sinh học (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 trƣờng yếm khí. Thành phần chính của Biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác nhƣ hơi nƣớc N2, O2, H2S, CO, … đƣợc thuỷ phân trong môi trƣờng 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. ể sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trƣớc 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 nƣớc có hàm lƣợng nhỏ nhƣng ảnh hƣởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas. 1.1.2.3 Nhiên liệu sinh học rắn Nhiên liệu sinh học rắn đã đƣợc con ngƣời sử dụng từ rất lâu trong lịch sử nhân loại. ó là các loại gỗ cũng nhƣ phân thú khô. Trƣớc kia cũng nhƣ ngày nay, loại nhiên liệu này chủ yếu đƣợc sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nƣớng hay sƣởi ấm. ối với phƣơng tiện giao thông vận tải, nhiên liệu sinh học rắn đƣợc sử dụng trong thời kỳ phát triển của các động cơ mà quá trình cháy diễn ra ở bên ngoài nhƣ động cơ hơi nƣớc. Lúc đó, gỗ đƣợc sử dụng để đốt để lấy nhiệt cho các lò hơi nƣớc. Tuy nhiên, ngày nay với sự phát triển của các phƣơng tiện sử dụng động cơ đốt trong thì loại nhiên liệu sinh học rắn này không còn đƣợc sử dụng trên các loại phƣơng tiện nữa. 1.2.T c ất ý óa của xă p a Ethanol 1.2.1. Giới thiệu chung về Ethanol Ethanol là nhiên liệu dạng cồn, đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp lên men và chƣng cất nguyên liệu nhƣ nƣớc mía, mật rỉ hoặc các loại ngũ cốc chứa tinh bột nhƣ ngô, sắn, gạo … ể có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ xăng, cần phải làm khan ethanol để đạt độ cồn lên trên 99,7%. Ethanol đã đƣợc các nƣớc công nghiệp phát triển sử dụng nhƣ một loại nhiên liệu độc lập hoặc pha vào xăng để làm tăng chỉ số octane và giảm lƣợng khí thải