Tài liệu Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần khí thải của động cơ sử dụng xăng ethanol butanol

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGUYỄN VĂN TRÀNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG/ETHANOL - BUTANOL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- NGUYỄN VĂN TRÀNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG / ETHANOL - BUTANOL Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS TRẦN VĂN NAM Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả thực nghiệm đo đạc của luận văn này là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trƣớc những lời cam đoan của mình. Tác giả luận văn Nguyễn Văn Trành NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG/ ETHANOL –BUTANOL Tóm tắt Song song với sự phát triển kinh tế - xã hội, thì năng lƣợng và môi trƣờng cũng là một vấn đề đang đƣợc quan tâm. Chính sách năng lƣợng và môi trƣờng luôn đƣợc đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến lƣợc phát triển đất nƣớc. Việt Nam đang nằm trong bối cảnh chung của thế giới, đó là sự cạn kiệt dần về năng lƣợng (xăng, dầu, khí đốt.vv...) và sự ô nhiễm môi trƣờng. : “Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần khí thải của động cơ sử dụng xăng/ ethanol –butanol”. Đây là vấn đề cần thiết phải nghiên cứu thực nghiệm nhằm chứng minh đƣợc những cơ sở lý thuyết của việc ứng dụng ethanol, butanol cho động cơ xăng, góp phần nâng cao tỷ lệ phối trộn cồn trên 15 % đảm bảo an ninh năng lƣợng, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng cho động cơ sử dụng xăng sinh học. Về lựa chọn hỗn hợp phù hợp với động cơ DAEWOO- A16DMS khi sử dụng nhiên liệu sinh học đó là hỗn hợp E15+Bu5 xét theo tiêu chí ô nhiễm, đây là tỷ lệ hỗn hợp ở tất cả các chế độ vận hành của băng thử động cơ đều có độ phát thải CO và HC thấp hơn xăng E5 còn độ phát thải CO2 tƣơng đƣơng với xăng E5. In parallel with socio-economic development, energy and the environment are also a concern. Energy and environment policy is always placed at the top of every country in the country's development strategy. Vietnam is in the global context of energy depletion (gasoline, oil, gas, etc.) and environmental pollution. "Experimental study identifies exhaust gas composition of gasoline / ethanol-butanol engines." It is a matter of practical research to prove the theoretical basis for the use of ethanol, butanol for gasoline engines, contributing to an increase in the mixing ratio of more than 15% for energy security. , minimizing environmental pollution for engines using bio-fuel. The selection of suitable mixes with the DAEWOO-A16DMS engine when using biofuel is a mixture of E15 + Bu5 based on pollution criteria, which is the mixture ratio in all operating modes of the ice. All engines have lower CO and HC emissions than E5 and CO2 emissions are equivalent to E5. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................... DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................... DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................... MỞ ĐẦU .................................................... 1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI............................................................................................ 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN .............................................................................................. 4 3. ĐỔI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................................... 4 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu. ........................................................................................... 4 3.2. Phạm vi nghiên cứu: .............................................................................................. 4 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................ 4 5. CƠ SỞ VẬT CHẤT PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU ..................................................... 4 6. CẤU TRÖC CỦA LUẬN VĂN............................................................................... 5 Chƣơng 1: TỔNG QUAN ......................................... 6 1.1 VIỄN CẢNH VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH .................................... 6 1.1.1. Vấn đề môi trƣờng và biến đổi khí hậu hiện nay................................................ 6 1.1.2. Tính cấp thiết của việc tìm nguồn năng lƣợng sạch. .......................................... 8 1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM................................................................................................................. 10 1.2.1. Sử dụng nhiên liệu sinh học của một số quốc gia trên thế giới ........................ 10 1.2.2. Tình hình sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam .................................................. 12 1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG ........................................................................................ 15 Chƣơng 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT. ....................... 16 2.1. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƢỠNG BỨC. ..................................................................................... 16 2.1.1. Cơ chế hình thành CO. ..................................................................................... 16 2.1.2. Sự hình thành hydrocarbure (HC) .................................................................... 18 2.1.3. Sự hình-thành NOx .......................................................................................... 21 2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ XẢ. ......................... 23 2.2.1 Ảnh hƣởng của đặc điểm kết cấu động cơ. ....................................................... 23 2.2.2 Ảnh hƣởng của hệ thống điều khiến động cơ.................................................... 24 2.2.3 Ảnh hƣởng của tính chất nhiên liệu xăng.......................................................... 25 2.2.4 Các yếu tố ảnh hƣởng khác ............................................................................... 27 2.3 CÁC TIÊU CHUẨN VỀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ........................ 27 2.3.1 Tiêu chuẩn khí thải là gì? .................................................................................. 27 2.3.2 Tiêu chuẩn khí thải châu Âu. (Theo nguồn tài liệu European Union) .............. 27 2.3.3 Tiêu chuẩn khí thải của một số nƣớc khác (Nhật Bản, Hoa kỳ...), ................... 30 2.3.4 Tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam. ............................................................... 33 2.3.5 Lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải của Việt Nam. ................................... 35 2.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CHỈ TIÊU HOÁ LÝ CÁC MẪU XĂNG. ................. 38 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ........................................................................................ 40 Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. .......................... 42 3.1. MÔ TẢ THIẾT BỊ ............................................................................................... 42 3.1.1. Hệ thống phòng thử nghiệm động cơ và thiết bị hỗ trợ ................................... 42 3.1.2 Băng thử công suất APA 204/08 ....................................................................... 43 3.1.3 Thiết bị đo và phân tích thành phần khí thải KEG-500 động cơ xăng .............. 43 3.1.4 Thiết bị đo cấp và đo tiêu hao nhiên liệu 733-753AVL .................................... 45 3.1.5 Đối tƣợng thử nghiệm Động cơ A16 DMN: .................................................... 46 3.2 PHƢƠNG PHÁP PHỐI TRỘN NHIÊN LIỆU .................................................. 46 3.3 QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM .......................................................................... 46 3.4. KẾT QUẢ SO SÁNH THỰC NGHIỆM ĐO THÀNH PHÀN KHÍ THẢI ........ 51 3.4.1. Diễn biến phát thải của động cơ DAEWOO A16-DMS khi sử dụng nhiên liệu E5, (E10+Bu5) và E15 ...............................................Error! Bookmark not defined. 3.4.1.1 Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ không tải (tốc độ động cơ: 1200 v/p)............................................................................................................... 51 3.4.1.2. Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ tải không đổi (ct = costan) thay đổi tốc độ động cơ(n ) ............................................................................ 53 3.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG. ...................................................................................... 71 Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN. ............................. 72 4.1 PHÂN TÍCH SO SÁNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI CỦA BA HỖN HỢP E10+B5, E15+B5 VÀ E20+B5 SO VỚI XĂNG HIỆN HÀNH E5........................... 73 4.1.1 Trƣờng hợp động cơ chạy không tải. ................................................................... 4.1.2 Trƣờng hợp động cơ chạy ở chế độ tải 30% vị trí bƣớm ga. ............................... 4.1.3 Trƣờng hợp động cơ chạy ở chế độ tải 50% vị trí bƣớm ga ................................. 4.1.5 Trƣờng hợp động cơ chạy ở chế độ tải 90% vị trí bƣớm ga. ............................ 80 4.2. KẾT LUẬN CHƢƠNG ....................................................................................... 82 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...................... 84 I- KẾT LUẬN ................................................ 84 II- HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................. 85 III- KIẾN NGHỊ ............................................... 86 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................. 87 PHỤ LỤC ..................................................... DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu mẫu tự La tinh: Ký hiệu Thứ nguyên Diễn giải Các hằng số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ a, b Cm [m/s] Tốc độ trung bình piston D [mm] Đƣờng kính xi lanh Gnl [kg/h] Lƣợng tiêu hao nhiên liệu giờ gi [kg/kW/h] Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị ge [kg/kW/h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích i [-] Số xi lanh Kc [-] Hệ số tốc độ Li [N/m] Công chỉ thị Me [N/m] Mô men ở đầu ra trục khuỷu Memax [N/m] Mô men cực đại M0 [Kmol/kg] Lƣợng không khí lý thuyết M1 [Kmol/kg] Lƣợng môi chất thực tế đi vào xi lanh Ne [kW] Công suất có ích động cơ Nedm [kW] Công suất định mức Nemax [kW] Công suất có ích cực đại N [v/ph] Số vòng quay động cơ ndm [v/ph] Số vòng quay định mức ngemin [v/ph] Số vòng quay ứng với ge nhỏ nhất nmax [v/ph] Số vòng quay cực đại nM [v/ph] Số vòng quay ứng với Me cực đại pe [N/m2] Áp suất có ích trung bình Ký hiệu Thứ nguyên Diễn giải pi [N/m2] Áp suất chỉ thị trung bình pk [N/m2] Áp suất trƣớc xupáp nạp pm [N/m2] Áp suất tổn hao cơ giới pmmin [N/m2] Áp suất tổn hao cơ giới nhỏ nhất QH [J/kg] Nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu S [mm] Hành trình piston Tk [oK] Nhiệt độ trƣớc xupáp nạp Vh [m3] Thể tích công tác 2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp : Ký hiệu Thứ nguyên Diễn giải [-] Hệ số dƣ lƣợng không khí γ [-] Hệ số khí sót ω [rad/s] Tốc độ góc của động cơ ηi [-] Hiệu suất chỉ thị ηv [-] Hệ số nạp ηm [-] Hiệu suất cơ giới Τ [-] Số kỳ động cơ µnl [đvC] Phân tử lƣợng nhiên liệu 3. Các chữ viết tắt: Ký hiệu Diễn giải ASTM Air Fuel Ratio (Tỉ lệ không khí/nhiên liệu) American Society for Testing and Materials (Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ). ATDC After Top Dead Center (Trƣớc điểm chết trên) AVL Hãng sản xuất các trang thiết bị thí nghiệm động cơ của Áo Asynchron Pendelmaschi Nen Anlage (Băng thử công suất) Butanol 5% (Nhiên liệu sinh học B5) AFR APA B5 BP CFC CO COP ĐCT ĐCĐT E5, …E25 Bristish Petroleum (Tập đoàn dầu khí Anh Quốc) Chlorofluorocacbons (Chất khí hóa học gây suy giảm tầng ôzôn) Carbon Monoxide Conference Of the Parties (Hội nghị về biến đổi khí hậu) Điểm chết trên Động cơ đốt trong Ethanol 5…25% (Xăng sinh học hàm lƣợng ethanol hàm lƣợng 5… 25%) ESA Ethanol 10% + Butanol 5% (xăng sinh học chứa hàm lƣợng Ethanol 10% + Butanol 5%) ... Ethanol 20% + Butanol 5% (xăng sinh học chứa hàm lƣợng Ethanol 20% + Butanol 5%) Electronic Spark Advance (Hệ thống đánh lửa điện tử) EU European Union (Liên minh Châu Âu) ETBE Ethyl Tertiary-Butyl Ether (Chất phụ gia ôxy hóa) E10+Bu5 … E20+ Bu5 FVI Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức lƣơng thực và nông nghiệp Liên hiệp quốc) Fuel Volatility Index (Chỉ số hóa hơi nhiên liệu) FBP Final Boiling Point (Điểm sối cuối) GC Gas Chromatography (Sắc khí) FAO Ký hiệu Diễn giải Gasohol Hỗn hợp xăng pha cồn HHC Hỗn hợp cháy IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change (Tổ chức liên chính phủ về biến đổi khí hậu toàn cầu) LHQ Liên hiệp quốc LHV Low Heating Value (Nhiệt trị thấp của nhiên liệu) MTBE Methyl Tertiary-Butyl Ether (Hỗn hợp giữa metanol và iso Buthens) PTN Phòng thí nghiệm ppm Parts Per Million (phần triệu) PONA Paraffins-Olefins-NaphtheNes Analysis (Tính toán nhóm ankan, anken và naptalen) RON Research Octane Number (Chỉ số octan nghiên cứu) rpm Revoletion Per Minute (Tốc độ vòng trên phút) RVP Reid Vapor pressure (Áp suất hóa hơi) USD United States Dollar (Đồng tiền đôla Mỹ) TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam WTO World Trade Organization (Tổ chức thƣơng mại thế giới) ZEOLITE Khoáng chất tự nhiên (Một thành phần của nhóm hỗn hợp Alumino-Silicat đã đƣợc hyđrat hoá) THC Tổng hydrocacbon DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 1 Dự đoán lƣợng tiêu thụ năng lƣợng dến năm 2030 1 Bảng 1.1 Sản lƣợng cồn của các vùng kinh tế năm 2000 15 Bảng 1.2 Tình hình sản xuất cồn - nguyên liệu pha chế xăng sinh học ở nƣớc ta Tổng hợp ảnh hƣởng của một số yếu tố đến thải khí độc 17 Bảng 2.2 Thống kê về sự phát sinh các chất ô nhiễm liên quan đế quá trình phát triên công nghệ của hệ thống nhiên liệu 31 Bảng 2.3 Tiêu chuẩn phát thải cho xe khách, g/km 35 Bảng 2.4 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe thƣơng mại hạng nhẹ 28 Bảng 2.5 Tiêu chuẩn khí thải đôi với xe tải và xe buýt (Động cơ Diesel, g/kWh) Tiêu chuân liên bang vê giới hạn độc hại động cơ diesel xe tải Tiêu chuẩn cho xe con Tiêu chuẩn Nhật Bản đối vói ô tô du lịch sử dụng động cơ xăng Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ôtô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải 30 Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khi xả của các phƣơng tiện vận tải Quy định thành phần khí thải cho phép theo TCVN 6438 2001 Quy định thành phần khí tầải cho phép cho động cơ xăng (theo TCVN 6348: 2005) Kết quả phân tích chỉ tiêu hoá lý các mẫu xăng (15E + 5Bu) 33 Bảng 2.15 Kết quả phân tích chỉ tiêu hoá lý các mẫu xăng: 37 Bảng 4.1 RON92; E5; E20 và (15E+Bu5) Diễn biến phát thải của các hỗn hợp nhiên liệu E10+ B5, E15+B5, E20+B5 và E5 ở chế độ không tải 72 Bảng 2.1 Bảng 2.6 Bảng 2.7 Bảng 2.8 Bảng 2.9 Bảng 2.10 Bảng 2.11 Bảng 2.12 Bảng 2.13 Bảng 2.14 30 31 31 31 32 32 34 34 35 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình Trang Hình 1 Biểu đồ lƣợng tiêu thụ và dự đoán theo nguồn năng lƣợng thế giới 2 Hình 2 Thực trạng ô nhiễm môỉ trƣờng hiện nay Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất 3 Đồ thị tƣơng quan giữa mức phát thải thực tế và các dự đoán về mức phát thải CO2 và gia tăng nhiệt độ của IPCC đến năm 2100 Tình hình khai thác dầu trên thế giới 7 8 Hình 1.5 Tiêu thụ xăng và khí hóa lỏng của các quốc gia trên thế giới Biến động giá dầu thô thế giới Hình 1.6 Triển vọng sản lƣợng ethanol toàn thế giới 10 Hình 1.7 Sản xuất và tiêu thụ Ethanol ở Braxin 11 Hình 1.8 Tốp các nƣớc có sản lƣợng và năng suất sắn cao nhất thế giới Ảnh hƣởng của hệ số dƣ lƣợng không khí đến nồng độ CO So sánh nồng độ CO trên đƣờng xả cho bởi mô hình và thực nghiệm So sánh nồng độ CO trên đƣờng xả cho bởi mô hình và thực nghiệm trình bày nồng độ CO theo góc quay trục khuỷu ứng với các góc đánh lửa sớm khác nhau. Biến thiên nồng độ các hyđrocarbure theo góc quay trục khuỷu Sự hình thành màng lửa HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy Nguồn phát sinh HC trông động cơ đánh lửa cƣởng bức 12 22 39 Hình 3.2 Biến thiên nồng độ NO theo hệ số dƣ lƣợng không khí Bố trí hệ thống các trang thiết bị phòng thử nghiệm động cơ đốt trong Băng thử công suất APA204/08 Hình 3.3 Đặc tính công suất và mô men băng thử APA204/08 41 Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 3.1 6 8 9 16 17 17 18 18 19 20 40 Hình 3.4 Thiết bị phân tích khí thải KEG-500, KOREA 42 Hình 3.5 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 733AVL 42 Hình 3.6 Biểu đồ phát thải khí CO ở chế độ không tải của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] Biểu đồ phát thải khí CO2 ở chế độ không tải. của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] Biểu đồ phát thải khí HC ở chế độ không tải của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 30% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 30% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] 48 Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 30% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 50% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] 50 Hình 3.13 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 50% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] 51 Hình 3.14 Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 50% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] 52 Hình 3.15 Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 70% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] 52 Hình 3.16 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 70% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 70% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 90% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 90% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 90% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15] 53 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 48 49 49 50 51 53 54 54 55 Biểu đồ phát thải khí CO ở chế độ không tải của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] Biểu đồ phát thải khí CO2 ở chế độ không tải của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] Biểu đồ phát thải khí HC ở chế độ không tải của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 30% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] 55 Hình 3.25 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 30% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] 57 Hình 3.26 Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 30% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] 58 Hình 3.27 Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 50% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] 58 Hình 3.28 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 50% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] 59 Hình 3.29 Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 50% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] 59 Hình 3.30 Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 70% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] 60 Hình 3.31 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 70% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 70% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 90% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 90% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 90% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E15+BU5) VÀ E20] Biểu đồ phát thải khí CO ở chế độ không tải của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] Biểu đồ phát thải khí CO2 ở chế độ không tải của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] 60 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.32 Hình 3.33 Hình 3.34 Hình 3.35 Hình 3.36 Hình 3.37 56 56 57 61 61 62 62 63 63 Biểu đồ phát thải khí HC ở chế độ không tải của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 30% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] 64 Hình 3.40 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 30% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] 65 Hình 3.41 Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 30% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] 65 Hình 3.42 Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 50% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] 66 Hình 3.43 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 50% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] 66 Hình 3.44 Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 50% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] 67 Hình 3.45 Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 70% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] 67 Hình 3.46 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 70% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 70% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 90% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 90% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 90% khi thay đổi số vòng quay động cơ của [E5, (E20+BU5) VÀ E25] Diễn biến phát thải của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ không tải Diễn biến phát thải CO của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 30 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải CO2 của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 30 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải HC của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 30 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải CO của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 50 % vị trí bƣớm ga 68 Hình 3.38 Hình 3.39 Hình 3.47 Hình 3.48 Hình 3.49 Hình 3.50 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 64 68 69 69 70 72 73 73 74 75 Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.8 Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Diễn biến phát thải CO2 của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 50 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải HC của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 50 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải CO của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 70 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải CO2 của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 70 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải HC của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 70 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải CO của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 90 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải CO2 của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 90 % vị trí bƣớm ga Diễn biến phát thải HC của các mẫu nhiên liệu E10+B5; E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ 90 % vị trí bƣớm ga 75 76 77 77 78 79 79 80 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. Song song với sự phát triển kinh tế - xã hội, thì năng lƣợng và môi trƣờng cũng là một vấn đề đang đƣợc quan tâm. Chính sách năng lƣợng và môi trƣờng luôn đƣợc đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến lƣợc phát triển đất nƣớc. Việt Nam đang nằm trong bối cảnh chung của thế giới, đó là sự cạn kiệt dần về năng lƣợng (xăng, dầu, khí đốt.vv...) và sự ô nhiễm môi trƣờng. Trong tƣơng lai những nguồn nhiên liệu hoá thạch (xăng, dầu, khí đốt vv...) sẽ dần dần bị cạn kiệt và đây đang là một trong những vấn đề nóng bỏng của cả thế giới. Với mức độ tiêu thụ hiện tại, khối lƣợng này sẽ chỉ đủ dùng trong khoảng 40 đến 50 năm nữa. Bảng 1: Dự đoán lượng tiêu thụ năng lượng dến năm 2030 [20] Dạng năng lƣợng Dầu mỏ Than đá Khí thiên nhiên Nguyên tử Sức nƣớc Năng lƣợng khác Tổng 1971 2.450 49,0% 1.149 29,0% 895 17,9% 29 0,6% 104 2,0% 73 1,5% 4.999 Thực tế 2000 3.604 39,3% 2.355 25,7% 2.085 22,7% 674 7,3% 228 2,5% 233 2,5% 9.179 2010 4.272 38,4% 2.702 24,3% 2.797 25,1% 753 6,8% 274 2,5% 336 3,0% 11.132 Dự tính 2030 5.769 37,8% 3.606 23,6% 4.203 27,5% 703 4,6% 366 2,4% 618 4,0% 15.267 Tỷ lệ tăng % 1,6% 1,4% 2,4% 0,1 1,6% 3,3 1,7% 2 Hình 1: Biểu đồ lượng tiêu thụ và dự đoán theo nguồn năng lượng thế giới Theo công bố của Cục Đăng kiểm Việt Nam kết quả về khảo sát và nghiên cứu về môi trƣờng đô thị thì hầu hết các loại khí độc hại nhƣ HC, CO, CO2, SO2, NOx trong môi trƣờng không khí tại các đô thị Việt Nam đều vƣợt tiêu chuẩn cho phép. Ở những nơi mật độ giao thông cao, những điểm thƣờng có tình trạng ùn tắc giao thông thƣờng xuyên thì mức độ ô nhiễm và các chất độc hại trên tăng gấp hơn hai lần so với tiêu chuẩn cho phép. Một trong những tác nhân gây ra ô nhiễm không khí chính là khí xả của động cơ bao gồm: khí thải do đốt cháy nhiên liệu, bụi và tiếng ồn. Trong đó, khí thải do đốt nhiên liệu có mức độ gây ô nhiễm môi trƣờng lớn nhất. 3 . Hình 2: Thực trạng ô nhiễm môỉ trường hiện nay [37] Môi trƣờng không khí bị ô nhiễm đã và đang gây hại đến sức khỏe con ngƣời đồng thời gây thiệt hại cho nền kinh tế. Trƣớc thực trạng lƣợng xe cơ giới ngày một tăng, trong một vài năm tới Việt Nam muốn giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng không khí thì cách tốt nhất là phải kiểm soát đƣợc việc phát thải của các phƣơng tiện cơ giới tham gia giao thông mà trong đó việc thử nghiệm sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học cũng là một vấn đề góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng. Lộ trình và đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ. Ngày 22 tháng 11 năm 2012, Thủ tƣớng Chính phủ đã có quyết định số 53/2012/QĐ-TTg “Về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống”. Theo đó từ ngày 01 tháng 12 năm 2015 xăng đƣợc sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E5 và từ ngày 01 tháng 12 năm 2017 là xăng E10. Trƣớc đó theo “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” thì đến năm 2025 sản lƣợng nhiên liệu sinh học (ethanol và biodiesel) đạt khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nƣớc, nghĩa là cần phải sử dụng “xăng E30” làm nhiên liệu cho các phƣơng tiện cơ giới. Lộ trình sử dụng xăng sinh học E5 và E10 là cơ sở thực tế để tiến tới nâng cao tỷ lệ phối trộn ethanol trong xăng sinh học. Tuy nhiên ethanol với tính chất có nhiệt ẩn hóa hơi lớn và có nhiệt trị thấp hơn xăng nên khi tăng cao (trên 15%) tỷ lệ phối trộn của ethanol trong xăng sinh học cần giải quyết một số vấn đề nhƣ tăng lƣợng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo công suất động cơ, giảm nguy cơ ngƣng tụ của ethanol trên 4 đƣờng nạp và cải thiện khả năng bay hơi của ethanol để đảm bảo tính khởi động lạnh và tăng tốc của động cơ. Những thay đổi trên làm cho nhiên liệu không còn phù hợp với động cơ, nên cần có một số thay đổi về kết cấu động cơ nhƣ thay đổi góc đánh lửa sớm, góc phun sớm nhiên liệu v.v.... Hoặc cần phải có một dung môi để cải thiện những nhƣợc điểm trên của nhiên liệu mà không cần thay đổi kết cấu của động cơ, và dung môi đó chính là Butanol. Một trong những dung môi phù hợp nhất vì các ƣu điểm của nó khắc phục đƣợc nhƣợc điểm trên làm cho tỷ lệ % phối trộn cồn trong xăng đƣợc nâng cao góp phần bảo đảm an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng. Đó chính là lí do tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần khí thải của động cơ sử dụng xăng/ ethanol –butanol”. Đây là vấn đề cần thiết phải nghiên cứu thực nghiệm nhằm chứng minh đƣợc những cơ sở lý thuyết của việc ứng dụng ethanol, butanol cho động cơ xăng, góp phần nâng cao tỷ lệ phối trộn cồn trên 15 % đảm bảo an ninh năng lƣợng, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng cho động cơ sử dụng xăng sinh học. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. Xác định độ phát thải của động cơ đánh lửa cƣỡng bức sử dụng nhiên liệu Xăng / Ethanol - Butanol so với xăng E5 3. ĐỔI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu. Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là động cơ thực nghiệm Daewoo A16-DMS sử dụng nhiên liệu Xăng/Ethanol –Butanol và xăng E5 chạy trên băng thử APA204/E. 3.2. Phạm vi nghiên cứu: Chỉ tập trung nghiên cứu thực nghiệm tính khả dụng nhiên liệu Xăng / Ethanol –Butanol qua các tỷ lệ (E10 + 5%B; E15 + 5%B; E20 + 5%B) trên động cơ DAEWOO A16-DMS nhằm phân tích đánh giá so sánh mức độ phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu trên so với nhiên liệu E5 từ đó đƣa ra tỷ lệ tối ƣu nhất. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: Nghiên cứu lỷ thuyết: Về cơ chế hình thành của các chất phát thải ô nhiễm trong động cơ xăng đánh lửa cƣỡng bức. Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm đo đạc về các chỉ số ô nhiễm khí xả của động cơ DAEWOO A16-DMS sử dụng nhiên liệu sinh học (E10 + 5%B; E15 + 5%B; E20 + 5%B) và (E5; E15; E20; E25). Trên băng thử công suất APA 204/8, máy phân tích khí xả KEG-500. Phân tích, so sánh đánh giá kết quả thực nghiệm. 5. CƠ SỞ VẬT CHẤT PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU. Đề 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 APA 204/08tại phòng thí nghiệm động cơ của khoa cơ khí giao thông trƣờng Đại học bách khoa Đại học Đà Nẵng, đây là điều