Tài liệu Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học butanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH TẤN TIẾN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BUTANOL TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH TẤN TIẾN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC BUTANOL TRÊN ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62.52.01.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: GS.TS. TRẦN VĂN NAM 2: PGS.TS. DƯƠNG VIỆT DŨNG Đà Nẵng – 2019 -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Đà Nẵng, ngày tháng 10 năm 2019 Tác giả luận án -ii- MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................... vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................ viii MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1 Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ............................. 7 1.1. Khái quát ..............................................................................................................7 1.1.1. Phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường ...............................................7 1.1.2. Nhiên liệu thay thế sử dụng trên phương tiện giao thông ...............................10 1.1.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam ...............12 1.1.4. Sử dụng nhiên liệu Butanol sinh học trên động cơ đốt trong .........................15 1.2. Sự cần thiết cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ đánh lửa cưỡng bức .............................................................................................................................18 1.2.1. Lịch sử phát triển của hệ thống nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức .......18 1.2.2. Cải tiến hệ thống phun nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường ......................................................................19 1.3. Đặc điểm các quá trình trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol ........................................................................................................23 1.3.1. Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học đến tính năng kinh tế kỹ thuật trên động cơ đốt trong ...............................................................................................23 1.3.2. Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học trên động cơ đốt trong đến quá trình lan tràn màng lửa .......................................................................................25 Chương 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ............................ 28 2.1. Tính chất nhiên liệu Butanol sinh học sử dụng trong động cơ đánh lửa cưỡng bức .............................................................................................................................28 2.1.1. Giới thiệu về Butanol sinh học........................................................................28 2.1.2. Một số tính chất lý hóa của Butanol ...............................................................28 2.1.3. Đánh giá một số chỉ tiêu của xăng và Butanol [4, 36] ..................................30 2.2. Lý thuyết phun nhiên liệu trên động cơ đánh lửa cưỡng bức ............................33 2.2.1. Hệ thống phun xăng trên đường nạp ...............................................................33 2.2.2. Hệ thống phun xăng trực tiếp ..........................................................................34 2.3. Lý thuyết mô phỏng quá trình phun nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức ...37 2.3.1. Hệ phương trình đối lưu-khuếch tán ...............................................................37 2.3.2. Hệ phương trình mô tả dòng chảy rối .............................................................39 2.3.3. Phương trình mô tả tia phun ............................................................................41 -iii- 2.3.4. Lý thuyết bay hơi của giọt nhiên liệu ..............................................................45 2.4. Ứng dụng ansys-fluent mô phỏng quá trình phun..............................................50 2.4.1. Xác lập quá trình phun nhiên liệu ...................................................................50 2.4.2. Mô hình hình học ............................................................................................54 2.4.3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên ...............................................................56 Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................... 60 3.1. Mục tiêu và đối tượng thực nghiệm ...................................................................60 3.1.1. Mục tiêu thực nghiệm .....................................................................................60 3.1.2. Đối tượng thực nghiệm ...................................................................................61 3.2. Lắp đặt động cơ lên cụm băng thử APA204/08 .................................................62 3.3. Quy trình thực nghiệm .......................................................................................64 3.3.1. Trình tự thực nghiệm.......................................................................................64 3.3.2. Bảo dưỡng hệ thống ........................................................................................64 3.3.3. Chế độ thực nghiệm ........................................................................................65 3.4. Kết quả thực nghiệm ..........................................................................................67 3.4.1. Kết quả phân tích tính chất nhiên liệu.............................................................67 3.4.2. Kết quả thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu .................................67 3.4.3. Kết quả thực nghiệm trên băng thử động cơ ...................................................73 Chương 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................ 74 4.1. Kết quả thực nghiệm trên động cơ Daewoo A16DMS ......................................74 4.1.1. Tính kỹ thuật của động cơ khi sử dụng xăng-Butanol ....................................74 4.1.2. Tính kinh tế của động cơ khi sử dụng xăng-Butanol ......................................81 4.2. Kết quả mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và bay hơi hình thành hòa khí động cơ Daewoo A16DMS sử dụng xăng-Butanol ..................................................92 4.2.1. Đánh giá tính bay hơi của Butanol so với xăng ..............................................93 4.2.2. Đánh giá ảnh hưởng cấu hình phun đến quá trình bay hơi và hình thành hòa khí .................................................................................................................................100 4.2.3. Đánh giá ảnh hưởng của phun trực riếp trong buồng cháy (DI) và phun trên đường nạp (PI).........................................................................................................105 KẾT LUẬN .................................................................................. 109 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................ 111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC .............................. 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 113 -iv- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Thực trạng giao thông ở thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội ................................ 8 Hình 1.2: Diễn biến nồng độ TSP trung bình năm gần các tuyến đường giao thông tại các thành phố lớn (Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2016) ............................................................ 8 Hình 1.3: Khí thải ô tô đã gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường không khí ..................... 10 Hình 1.4: Sản lượng Biodiesel ở một số nước trên thế giới năm 2016................................ 12 Hình 1.5: Sản lượng nhiên liệu sinh học ở một số khu vực trên thế giới ............................ 13 Hình 1.6: Các hệ thống phun nhiên liệu [37] ....................................................................... 18 Hình 1.7: Vị trí của kim phun của hệ thống cung cấp nhiên liệu kết hợp trực tiếp và gián tiếp [37] ....................................................................................................................................... 19 Hình 1.8: So sánh hệ thống chuẩn bị hỗn hợp PFI [40] và GDI [60] .................................. 22 Hình 1.9: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết để khởi động lạnh động cơ GDI và PFI ở các nhiệt độ môi trường khác nhau [38] .................................................................................... 23 Hình 1.10: Sơ đồ bố trí động cơ thí nghiệm [48]. ................................................................ 24 Hình 1.11: Mối quan hệ áp suất trong xylanh và góc quay trục khuỷu tại các thời điểm đánh lửa khác nhau của n-Butanol và tỷ số nén bằng 10 [48]. ..................................................... 25 Hình 1.12: Mối quan hệ lượng phun và góc quay trục khuỷu [48]...................................... 25 Hình 1.13: a) Tỷ lệ hòa khí cháy 10-90% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol và xăng PON 87. b) Tỷ lệ hòa khí cháy 0-10% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol và xăng PON 87 [48] ......................................................................................................................... 25 Hình 1.14: Áp suất trong xylanh và tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu [52] .......... 26 Hình 1.15: Hình ảnh ngọn lửa của xăng và Bu40 [52] ........................................................ 26 Hình 2.1: Cấu trúc không gian của Butanol......................................................................... 28 Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn sự phân tích pha với nước theo % thể tích Butanol và Ethanol ............................................................................................................................................. 31 Hình 2.3: Hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5]................. 34 Hình 2.4: Sơ đồ điều kiển hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5] ......................................................................................................................................... 35 Hình 2.5: Bố trí hệ thống động cơ GDI điển hình [43]....................................................... 36 Hình 2.6: So sánh các đặc tính phun của kim phun cao áp kiểu lỗ và xoáy cho áp suất phun 20 MPa [51] ......................................................................................................................... 36 Hình 2.7: Thiết kế điển hình của vòi phun xoáy .................................................................. 37 Hình 2.8: Trình tự tính toán bằng ANSYS-FLUENT [63] .................................................. 50 Hình 2.9: Xác lập các lựa chọn mô hình Discrete phase ..................................................... 51 Hình 2.10: Xác lập mô hình phân rã tia phun ...................................................................... 52 Hình 2.11: Xác lập thông số động học vòi phun ................................................................. 53 Hình 2.12: Xác lập thành phần nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn ............................................. 53 Hình 2.13: Mô hình phun xăng-Butanol trên đường nạp..................................................... 55 -v- Hình 2.14: Xác lập áp suất khí nạp tại cửa nạp ................................................................... 57 Hình 2.15: Xác lập nhiệt độ khí nạp tại cửa nạp.................................................................. 57 Hình 2.16: Xác lập thành phần khí nạp tại cửa nạp ............................................................. 57 Hình 2.17: Xác lập áp suất khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp ...................................... 58 Hình 2.18: Xác lập nhiệt độ khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp .................................... 58 Hình 2.19: Xác lập thành phần khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp ............................... 58 Hình 3.1: Bố trí hệ thống các trang thiết bị thí nghiệm ....................................................... 62 Hình 3.2: Thiết bị sấy và giữ nhiệt Memmert...................................................................... 63 Hình 3.3: Cân điện tử Mettler Toledo.................................................................................. 64 Hình 3.4: Đặc tính tốc độ động cơ xăng [5] ........................................................................ 66 Hình 3.5: Phạm vi làm việc trong thực tế của động cơ phun xăng điện tử sử dụng trên ô tô [62] ....................................................................................................................................... 66 Hình 4.1: Mô men có ích (Me) ở 10%BG ............................................................................ 77 Hình 4.2: Mô men có ích (Me) ở 30%BG ............................................................................ 77 Hình 4.3: Mô men có ích (Me) ở 50%BG ............................................................................ 78 Hình 4.4: Mô men có ích (Me) ở 70%BG ............................................................................ 78 Hình 4.5: Công suất có ích (Ne) ở 10%BG .......................................................................... 79 Hình 4.6: Công suất có ích (Ne) ở 30%BG .......................................................................... 79 Hình 4.7: Công suất có ích (Ne) ở 50%BG .......................................................................... 80 Hình 4.8: Công suất có ích (Ne) ở 70%BG .......................................................................... 80 Hình 4.9: Mức độ tăng giảm mô men và công suất có ích theo tỷ lệ Butanol ..................... 81 Hình 4.10: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) của động cơ................................................ 83 Hình 4.11: Suất tiêu hao năng lượng có ích (qe) của động cơ ............................................. 84 Hình 4.12: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) và suất tiêu hao năng lượng có ích (qe) ..... 85 Hình 4.13: Hệ số dư lượng không khí () theo tốc độ động cơ........................................... 86 Hình 4.14: Phát thải CO của động cơ .................................................................................. 87 Hình 4.15: Phát thải HC của động cơ .................................................................................. 88 Hình 4.16: Phát thải CO2 của động cơ ................................................................................. 89 Hình 4.17: Phát thải NOx của động cơ ................................................................................. 90 Hình 4.18: Phát thải CO và HC ........................................................................................... 91 Hình 4.19: Phát thải CO2 và NOx ........................................................................................ 92 Hình 4.20: So sánh tỷ lệ bốc hơi, nồng độ hơi và áp suất, nhiệt độ môi chất ứng với phun Butanol và xăng tinh khiết ở n=2000 v/ph, Tkn=315K ........................................................ 94 Hình 4.21: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lên quá trình bay hơi xăng (a) và Butanol (b) ở tốc độ động cơ 2000 v/ph..................................................................................................... 95 Hình 4.22: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ lên quá trình bay hơi khi phun riêng xăng ...... 97 -vi- Hình 4.23: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến quá trình bay hơi khi phun riêng Butanol (Bu100) ................................................................................................................................ 98 Hình 4.24: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ lên quá trình bay hơi khi phun riêng Butanol.. 99 Hình 4.25: Ảnh hưởng của phun hỗn hợp và phun riêng rẽ xăng/Butanol đến bay hơi của nhiên liệu Bu50 .................................................................................................................. 101 Hình 4.26: Diễn biến bay hơi phun nhiên liệu Bu50 từ 1 phía và từ 2 phía ...................... 102 Hình 4.27: Phân bố nồng độ hơi nhiên liệu và hệ số tương đương theo phương ngang (x) khi phun 1 phía và phun 2 phía ................................................................................................ 103 Hình 4.28: Ảnh hưởng của thời điểm phun đến bay hơi khi phun riêng rẽ (a) và khi phun hỗn hợp (b); đường màu đồng mức phân bố nồng độ hơi nhiên liệu tại mặt cắt y=0 ở 330 oCA(c) (n=3000 v/ph, Bu50) .......................................................................................................... 104 Hình 4.29: Tốc độ bốc hơi và nồng độ hơi ứng với trường hợp DI nhiên liệu hỗn hợp (Blend) và nhiên liệu riêng rẽ (Dual) ở vị trí vòi phun Xj = 0mm .................................................. 105 Hình 4.30: So sánh quá trình bay hơi và tạo hỗn hợp trong các trường hợp BUDI-GPI, GDIBUPI và vị trí vòi phun pha trộn DI tại Xj = 0 (n = 3000 v/ph, Bu50, Tkn = 315K): phân bố hạt (a), tốc độ bay hơi và nồng độ hơi (b) và đường đồng mức nồng độ hơi trên mặt cắt y = 0 tại 330oCA (c) ................................................................................................................. 107 -vii- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Đặc tính lý hóa của Butanol [48] ........................................................................ 29 Bảng 2-2: So sánh tính chất hóa học và vật lý của Butanol và xăng [20, 24, 58] ............... 29 Bảng 2-3: Độ nhớt động học của một số loại nhiên liệu [23] .............................................. 33 Bảng 2-4: Các hệ số khuếch tán và các thuật ngữ nguồn cho các phương trình vô hướng khác nhau ...................................................................................................................................... 42 Bảng 2-5: Động cơ Daewoo A16DMS ................................................................................ 55 Bảng 2-6: Thông số vật lý các hạt nhiên liệu ...................................................................... 56 Bảng 2-7: Điều kiện khí nạp và khí sót ............................................................................... 56 Bảng 2-8: Thành phần môi chất xăng/Butanol-không khí................................................... 58 Bảng 3-1: Tiến trình đo và lưu trữ dữ liệu đo ...................................................................... 66 Bảng 3-2: Một số chi tiết chính thuộc hệ thống nhiên liệu ô tô và xe gắn máy dùng để thực nghiệm ................................................................................................................................. 68 Bảng 3-3: Bảng tiến trình thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu ......................... 69 Bảng 3-4: Hình ảnh chụp các chi tiết sau khi thử nghiệm ................................................... 69 Bảng 3-5: Trọng lượng các chi tiết sau khi ngâm ................................................................ 71 Bảng 3-6: Mức độ tương đương và ảnh hưởng của nhiên liệu phối trộn Xăng-Butanol lên các chi tiết động cơ .............................................................................................................. 72 Bảng 4-1: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 10%BG ................................................ 75 Bảng 4-2: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 30%BG ................................................ 75 Bảng 4-3: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 50%BG ................................................ 76 Bảng 4-4: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 70%BG ................................................ 76 Bảng 4-5: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 10%BG ........................ 81 Bảng 4-6: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 30%BG ........................ 81 Bảng 4-7: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 50%BG ........................ 82 Bảng 4-8 So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 70%BG ......................... 82 Bảng 4-9: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330 oCA) khi phun riêng xăng và Butanol theo nhiệt độ khí nạp .............................................................. 95 Bảng 4-10: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330 oCA) khi phun riêng xăng và Butanol theo tốc độ động cơ .......................................................... 97 Bảng 4-11: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330 oCA) khi phun hỗn hợp Bu50 theo tốc độ động cơ ..................................................................... 100 Bảng 4-12: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330 oCA) khi phun hỗn hợp và phun riêng rẽ nhiên liệu Bu50.......................................................... 101 -viii- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa P Áp suất CO2 Carbon dioxide CO Carbon monoxide Ne Công suất có ích s Góc đánh lửa sớm  Góc quay trục khuỷu  Hệ số dư lượng không khí  Hệ số tương đương HC Hydrocacbon chưa cháy  Khối lượng riêng BH Lượng tiêu hao nhiên liệu Me Mô men có ích T Nhiệt độ NOx Nitrogen oxides qe Suất tiêu hao năng lượng có ích ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích Vc Thể tích buồng cháy Vh Thể tích công tác xilanh Va Thể tích toàn bộ của xilanh SOC Thời điểm bắt đầu cháy (Start Of Combustion) EOC Thời điểm két thúc cháy (End Of Combustion) MFB10% Thời điểm tỷ lệ hòa khí cháy 10% MFB90% Thời điểm tỷ lệ hòa khí cháy 90% n Tốc độ động cơ TSOT Trị số octane MFB Tỷ lệ cháy của hòa khí (Mass Fraction Burn) Bu Tỷ lệ Butanol trong nhiên liệu A/F Tỷ lệ không khí/nhiên liệu  Tỷ số nén v/ph Vòng/phút Bu10 Xăng pha 10% thể tích Butanol Ghi chú -ix- Bu15 Xăng pha 15% thể tích Butanol Bu20 Xăng pha 20% thể tích Butanol Bu25 Xăng pha 25% thể tích Butanol Bu30 Xăng pha 30% thể tích Butanol Bu40 Xăng pha 40% thể tích Butanol Bu50 Xăng pha 50% thể tích Butanol Bu0 Xăng RON92 Bu100 Butanol tinh khiết ONKK Ô nhiễm không khí NLSH Nhiên liệu sinh học VOC Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi TSP Hạt bụi lơ lửng TDC Điểm chết trên BDC Điểm chết dưới ATDC Sau điểm chết trên BTDC Trước điểm chết trên SMD Sauter mean diameter – Kích thước trung bình của hạt CFD Computational Fluid Dynamics – Tính toán động lực học chất lỏng bằng phương pháp số TAB Taylor Analogy Breakup – Mô hình phân rã tia phun DPM Đường kính giọt ICE Động cơ đốt trong CAD Độ theo góc quay trục khuỷu SI Động cơ đốt cháy cưỡng bức PFI Phun trên đường nạp GPI Phun xăng trên đường nạp BuDI Phun trực tiếp Butanol trong buồng cháy BG Bướm ga -1- MỞ ĐẦU Năng lượng và môi trường đã, đang và sẽ là vấn đề quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia trên thế giới. Cùng với tốc độ phát triển kinh tế, sự gia tăng nhanh dân số, giao lưu văn hóa, xã hội giữa các quốc gia trên thế giới làm cho nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng cao. Áp lực về ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, gần đây các nhà sản xuất ô tô phải giảm mức độ phát thải, cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và cho phép sử dụng nhiên liệu phát triển từ các nguồn năng lượng tái tạo để có thể đạt mục tiêu giảm lượng khí thải CO2 của mỗi chiếc xe. Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương đúng đắn thể hiện qua Đề án Phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025. Sử dụng nhiên liệu sinh học là xu thế phát triển tất yếu trên thế giới, nhất là ở các nước nông nghiệp và phải nhập nhiên liệu, do các lợi ích của nhiên liệu sinh học đem lại như: giảm thiểu khí gây hiệu ứng nhà kính, giảm nhập khẩu nhiên liệu, tận dụng nguyên liệu thực vật tại chỗ, công nghệ sản xuất không phức tạp, tạo việc làm và tăng thu nhập cho người lao động, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp. Ở Việt Nam, xăng sinh học E5 đã xuất hiện và chính thức sử dụng rộng rãi từ 01/12/2014 tại các thành phố lớn như Hà Nội, Đà Nẵng, Cần Thơ... Trên thế giới, ngoài Ethanol sinh học ra, Butanol sinh học cũng được chú ý sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thời gian gần đây. Xét về khả năng dùng làm nhiên liệu, Butanol có một số ưu điểm so với các loại nhiên liệu cồn khác như methanol và ethanol [11, 33], Butanol sinh học cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu [22, 24]. Có một số công bố thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline và n-Butanolvề tính năng động cơ, quá trình cháy và phát thải của động cơ [24, 41]. Các công bố này cho thấy kết quả khả quan của việc sử dụng gasoline-Butanol cho động cơ đốt trong. Trong bối cảnh đó việc nghiên cứu nhiên liệu sinh học, Butanol là một hướng đi mới rất cần thiết, Butanol gây hấp dẫn trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học vì nó có thể trộn với xăng theo tỷ lệ lớn, dùng chung hệ thống phân phối và nạp liệu xăng, và sử dụng trên các động cơ chạy xăng hiện hành được. -2Hiện nay, Butanol sinh học có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế một phần xăng sản xuất từ dầu mỏ [3]. Tuy nhiên các tính chất lý hóa của Butanol và xăng khác nhau nên quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu phối trộn xăng - Butanol diễn ra cũng khác nhau. Nhằm góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch dùng cho động cơ đốt trong, góp phần nâng cao hiệu quả của động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng – Butanol, cần thiết phải có những nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu về sựu hình thành hỗn hợp và cháy của hỗn hợp này. Những năm gần đây, dựa vào những thành tựu của công nghệ tin học và cơ điện tử, việc nghiên cứu quá trình hỗn hợp và cháy được thực hiện bằng phương pháp mô hình hóa. Cùng đồng nghiệp ở các quốc gia phát triển, các nhà khoa học Việt Nam bắt kịp những tiến bộ khoa học và đã hòa nhập vào trào lưu chung của thế giới trong hướng nghiên cứu này. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa thấy công trình nào công bố liên quan đến nghiên cứu mô hình hóa các quá trình hình thành hỗn hợp và cháy một cách chuyên sâu của động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu này. Vì vậy “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức” có ý nghĩa khoa học và thiết thực. 1. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng thể của luận án là đưa ra được các định hướng về mặt kỹ thuật nhằm đảm bảo tính tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol theo thể tích lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50). Cụ thể, luận án đánh giá tính chất của xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol, đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ xăng truyền thống và đưa ra khuyến cáo cần thiết khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50) cho động cơ xăng truyền thống. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Sử dụng hỗn hợp Butanol-xăng với các tỷ lệ lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50) về thể tích trên động cơ đốt cháy cưỡng bức. -3Thực nghiệm được tiến hành trên động cơ A16DMS do hãng DAEWOO sản xuất, đây là động cơ kiểu Dual Overhead Cam L - 4 1.6L DOHC phun xăng điện tử trên đường nạp, tỷ số nén 9,5; đường kính xy lanh 79; hành trình piston 81,5. Luận án nghiên cứu về lý thuyết liên quan đến đặc tính quá trình phun khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học và thực hiện mô phỏng trên phần mềm mô phỏng ANSYS-FLUENT. Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các loại nhiên liệu Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50. Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu trong luận án gồm phương pháp mô hình hóa, phương pháp thực nghiệm, phương pháp phân tích, phương pháp nghiên cứu tài liệu, phương pháp hội đồng (brainstorming) và phương pháp đánh giá. Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết tổng hợp các nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học trên thế giới và tập hợp, kế thừa các kết quả trước đây của các đề tài liên quan và tính toán lý thuyết trên các phần mềm mô phỏng hiện đại về động cơ đốt trong với thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá. Trao đổi và tiếp thu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện phương pháp nghiên cứu. Tính tương thích trong sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng truyền thống được thể hiện thông qua những nghiên cứu đánh giá tác động của tính chất xăng sinh học đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, cũng như chất lượng quá trình cháy của động cơ. Đánh giá tính chất của xăng sinh học ở các tỷ lệ khác nhau theo các tiêu chuẩn quy định hiện hành cũng được đưa ra nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam. Luận án sử dụng các phương pháp và kỹ thuật sau đây: Đánh giá các chỉ tiêu so sánh bao gồm: ngoại quan, kích thước, trọng lượng, chụp ảnh bề mặt, phân tích nhiên liệu trước và sau ngâm. Kết quả nghiên cứu tương -4thích vật liệu có ý nghĩa trong việc khuyến cáo điều chỉnh vật liệu (nếu cần) của một số chi tiết khi động cơ sử dụng xăng sinh học. Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng hiện đại và thử nghiệm đối chứng trên băng thử động cơ nhằm đánh giá tác động của xăng sinh học đến đặc tính phun, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động cơ. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Hiệu quả kinh tế xã hội: Nghiên cứu một loại nhiên liệu sinh học mới có nhiều ưu điểm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, có thể pha trộn với xăng theo tỷ lệ lớn giảm chi phí nhiên liệu xăng và giảm áp lực lên nguồn nhiên liệu hóa thạch đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Hiệu quả khoa học: Đề xuất sử dụng Butanol sinh học phù hợp với động cơ chạy xăng thông thường. * Ý nghĩa khoa học: Luận án đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp của nhiên liệu xăng sinh học trong động cơ đốt trong thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm ANSYS-FLUENT. Từ các mô hình mô phỏng này, ảnh hưởng của nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ Butanol khác nhau đến đến quá trình bay hơi và hòa trộn, các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ được khảo sát và đánh giá để làm cơ sở cho việc đánh giá các kết quả thực nghiệm trên động cơ thực và kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành của động cơ một cách phù hợp khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học. Luận án cũng đã đánh giá quá trình hòa trộn đối với nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ Butanol 0%, 50% và 100%, so sánh với cùng các tỷ lệ trên khi pha xăng với Butanol. Các quy trình này được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành cũng như hệ thống thiết bị đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam. * Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã đánh giá được tương thích vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xe ô tô với các loại xăng sinh học Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50, của -5các chi tiết tới hiện tượng ăn mòn, rỉ sét ở vật liệu kim loại, trương nở ở vật liệu phi kim. Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50 tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Từ đó, đưa ra các nhận định cũng như giải pháp kỹ thuật, điều kiện vận hành đối với động cơ nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol lên đến 50% trên động cơ. 5. Đóng góp mới của luận án - Kết quả thực nghiệm của luận án khẳng định có thể sử dụng xăng-Butanol với tỷ lệ đến Bu30 ở mức tải và tốc độ mà động cơ thường xuyên làm việc lần lượt 3070% độ mở bướm ga và 1250-4250 v/ph sẽ không làm ảnh hưởng đến tính năng kinh tế của động cơ so với khi sử dụng xăng (Bu0). - Từ những kết quả về các mẫu nhiên liệu của hỗn hợp xăng-Butanol kết hợp với kết quả mô phỏng các phương án phun hỗn hợp xăng-Butanol khẳng định rằng phun hỗn hợp xăng-Butanol sẽ cải thiện khả năng bay hơi cho Butanol so với khi phun riêng rẽ xăng/Butanol, tuy nhiên phun hỗn hợp có thể làm cho việc bay hơi của xăng không hoàn toàn. Phun riêng rẽ xăng/Butanol làm tăng khả năng bay hơi hoàn toàn của xăng, tuy nhiên dẫn đến Butanol khó bay hơi hoàn toàn, trong trường hợp này nên phun sớm Butanol so với xăng. Phun 2 phía hỗn hợp làm tăng sự đồng nhất cho hòa khí, phun hai phía riêng rẽ xăng/Butanol sẽ phân tầng hòa khí trong buồng cháy, phía nửa trái xilanh có tỷ lệ Bu cao hơn so với phía nửa phải xilanh. Phun 1 phía hỗn hợp trên đường nạp sẽ tạo điều kiện hình thành hòa khí có nồng độ hơi nhiên liệu và hệ số tương đương cao tập trung ở giữa buồng cháy và cách xa cửa xả, điều này giúp giảm thời gian cháy trễ và giảm nguy cơ cháy kích nổ cho động cơ. Tốc độ bay hơi của nhiên liệu khi phun PI nhanh hơn đáng kể so với phun DI và tốc độ bay hơi xăng nhanh hơn so với Butanol ở cùng điều kiện hoạt động, tốc độ bốc hơi của BuDI-GPI là cao nhất, sau đến GDI-BuPI và thấp nhất là DI hỗn hợp. Hòa khí của DI hỗn hợp đồng nhất hơn so với BuDI-GPI và GDI-BuPI. 6. Nội dung chính của luận án có thể tóm lược như sau: (1). Lý thuyết mô phỏng tia phun nhiên liệu và quá trình tạo hỗn hợp; -6(2). Đánh giá ảnh hưởng của các phương án phun nhiên liệu xăng/Butanol đến quá trình cháy và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ; (3). Nghiên cứu thực nghiệm tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng xăng/Butanol; (4). Kiểm chứng kết quả dự báo bởi mô phỏng. Ngoài phần mở đầu và kết luận; luận án được cấu tạo thành 4 chương. Chương1: Nghiên cứu tổng quan; Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết; Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm; Chương 4: Kết quả và bàn luận. -7- Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực liên quan của đề tài, tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam và trên thế giới. Trong đó đặc biệt chú ý đến khả năng sản xuất Butanol sinh học và các nghiên cứu để ứng dụng làm nhiên liệu sinh học. Chương này cũng nghiên cứu các hệ thống cung cấp nhiên liệu cũng như đặc điểm các quá trình khi sử dụng nhiên liệu sinh học pha Butanol. Từ đó có thể đề xuất cải tiến đường nạp để cait thiện tính năng động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 1.1. Khái quát 1.1.1. Phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường Phát triển giao thông vận tải là một yêu cầu quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia. Theo dự báo, số lượng ô tô ở Châu Á - Thái Bình Dương sẽ tăng 93% (từ năm 1985 đến 2020) và tiếp tục tăng 50% (từ năm 2020 đến 2060). Mức độ gia tăng số lượng ô tô phụ thuộc vào thu nhập bình quân đầu người của mỗi quốc gia. Theo Tổng cục thống kê, lượng ô tô nhập khẩu về thị trường Việt Nam trong những năm qua tăng mạnh. Nếu như năm 2013, Việt Nam chỉ nhập khẩu 34 nghìn chiếc ô tô, thì trong năm 2014 lượng ô tô nhập là 72 nghìn chiếc, tăng gấp đôi so năm trước đó và năm 2015 là 125 nghìn chiếc, tăng 74% so năm 2014. Năm 2016, lượng ô tô nhập khẩu giảm nhẹ, chỉ đạt 115 nghìn chiếc, giảm 8% so năm 2015, song trong 3 tháng đầu năm 2017 tình hình nhập khẩu ô tô tăng mạnh trở lại, với 28 nghìn chiếc, tăng 43,4% so cùng kỳ năm trước. Ô nhiễm không khí (ONKK) không chỉ là vấn đề nóng tập trung ở các đô thị phát triển, các khu, cụm công nghiệp… mà đã trở thành mối quan tâm của toàn xã hội. ONKK được xem là một trong những tác nhân hàng đầu có nguy cơ tác động nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng. Giao thông với xu hướng số lượng phương tiện giao thông gia tăng mạnh mẽ qua các năm được đánh giá là nguồn đóng góp đáng kể gây suy giảm chất lượng môi trường không khí (như Hình 1.1). Trong đó, các khí CO, VOC, TSP chủ yếu do các loại xe máy phát thải còn đối với ô tô thì nguồn ô nhiễm chính gồm các khí SO2 và NO2 [1, 65]. -8- Hình 1.1: Thực trạng giao thông ở thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội Hình 1.2: Diễn biến nồng độ TSP trung bình năm gần các tuyến đường giao thông tại các thành phố lớn (Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2016) Bầu không khí tại thủ đô Hà Nội bị cho là ô nhiễm hơn Thành phố Hồ Chí Minh (như Hình 1.2). Điểm đáng chú ý là dù dân số và phương tiện giao thông tại Hà Nội ít hơn Thành phố Hồ Chí Minh, thế nhưng mức độ ô nhiễm không khí lại tệ hơn. Cụ thể theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường thì số ngày trong một năm ghi nhận chất lượng không khí tại Hà Nội kém là 237 ngày, số ngày chất lượng không khí xấu là 21 và 1 ngày ô nhiễm ở mức nguy hại. Xe máy chiếm đến 95% phương tiện giao thông tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, chỉ tiêu thụ 56% xăng nhưng thải ra 94% hydro cacbon (HC), 87% cacbon oxit (CO), 57% oxit nitro (NOx)… trong tổng lượng phát thải của các loại xe cơ giới. Nhiều xe sử dụng không bảo đảm tiêu chuẩn phát thải vì cũ kỹ [65]. -9Thủ tướng chính phủ Việt Nam vừa ký Quyết định số 985a về việc ban hành Kế hoạch hành động quốc gia về quản lý chất lượng không khí mục tiêu đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030. Theo quyết định này thì khuyến khích chủ nhân các phương tiện giao thông như xe máy, ô tô sử dụng xăng sinh học. Từ năm 2007, Chính phủ đã có đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025; tuy nhiên đến nay số điểm bán xăng sinh học vẫn còn hạn chế. Theo thống kê về môi trường, ước tính khoảng 40% NOx, 60% HC, 80% CO và nhiều dạng hạt rắn PM (kích thước rất nhỏ) trong bầu khí quyển là do khí thải của ô tô gây ra [7, 8]. Vì vậy, từ những năm 50 của thế kỷ trước, các quốc gia công nghiệp phát triển đã quan tâm vấn đề này. Nhiều luật bảo vệ môi trường đã ban hành với mức độ càng nghiêm ngặt hơn yêu cầu các nhà chế tạo ô tô phải nghiên cứu cải tiến sản phẩm của mình tốt hơn nhằm hạn chế nồng độ chất ô nhiễm khí thải. Các giá trị giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải của ô tô theo Tiêu chuẩn Euro và bắt đầu áp dụng ở cộng đồng Châu Âu từ năm 1995: Euro I (1995), Euro II (1997), Euro III (2001), Euro IV (2006). Ở Việt Nam, tiêu chuẩn khí thải mới áp dụng từ năm 2006 [64] như mức 2 (Euro II) vào ngày 01/7/2006, mức 3 (Euro III) vào năm 2008, mức 4 (Euro IV) vào năm 2017 và mức 5 (Euro V) sẽ thực hiện năm 2022. Xu hướng phát triển của phương tiện giao thông trên thế giới được tóm tắt như sau: Động cơ chính làm nguồn động lực cho ô tô có thể chia thành 4 nhóm: động cơ xăng, động cơ diesel truyền thống, động cơ điện và động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế. Hai loại động cơ xăng và diesel truyền thống có ưu điểm là việc cung cấp nhiên liệu đơn giản và nhanh chóng; tuy nhiên, hiệu suất của nó hạn chế và mức độ phát thải ô nhiễm cao. Nhờ kỹ thuật xử lý trên đường thải: lọc hạt PM, sử dụng bộ xúc tác ba chức năng là các giải pháp hữu hiệu nhằm tiếp tục khử đến mức thấp nhất các chất độc hại còn lại trong khí thải động cơ. Các hệ thống mới áp dụng tiến bộ khoa học và kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử và công nghệ thông tin đã điều khiển các quá trình làm việc của động cơ đốt trong ngày càng hiện đại hơn như kỹ thuật tổ chức quá trình cháy phân lớp, thời điểm đóng mở cơ cấu phân phối khí thay đổi, hệ thống tự động hồi lưu khí thải, hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử đã cho phép tối ưu hóa