Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng góc phun sớm cho động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu butanol diesel

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC DÀ NẴNG

NGUYỄN XUÂN HÀ

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG
GÓC PHUN SỚM CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU BUTANOL - DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà nẵng - Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC DÀ NẴNG

NGUYỄN XUÂN HÀ

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG
GÓC PHUN SỚM CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU BUTANOL - DIESEL

Chuyên ngành: Kỷ thuật cơ khí động lực
Mã số: 60 520 116

LUẬN VĂN THẠC SĨ : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Lê Văn Tụy

Đà nẵng - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong phần thực nghiệm của luận văn là trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Hà


MỤC LỤC

MỤC LỤC ..........................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..........................................................
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 4
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƢỢNG VÀ Ô NHIỄM MƠI
TRƢỜNG TRONG GIAO THƠNG VẬN TẢI..................................................4
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NHIÊN LIỆU SINH HỌC BUTANOL.....7
1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới ..................................... 7
1.2.2 Tình hình sản xuất Butanol trên thế giới ....................................................... 8
1.2.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu Butanol ................................. 10

1.2.3.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu Butanol…...……............11

1.2.3.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu Butanol…...……............12
1.3 KẾT LUẬN .......................................................................................................13
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................. 14
2.1 TÍNH CHẤT NHIÊN LIỆU BUTANOL VÀ DO-BUTANOL................14
2.1.1 Pha chế Butanol làm nhiên liệu .................................................................... 14
2.1.2 Tính chất lý hóa của nhiên liệu sinh học ...................................................... 19

2.2 QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL .......................................19
2.2.1 Diễn biến quá trình cháy của động cơ Diesel............................................... 19
2.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình cháy động cơ diesel. ......................... 23

2.2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến giai đoạn chuẩn bị cháy: ......................... 22
2.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến các giai đoạn cịn lại của q trình cháy 24


2.2.2.3 Ảnh hưởng của góc phun sớm đến q trình cháy động cơ diesel ..... 24
2.2.3 Ảnh hƣởng quá trình cháy động cơ Diesel đến các thành phần khí xả .... 25
2.3 ĐIỀU CHỈNH GÓC PHUN SỚM CHO ĐỘNG CƠ DIESEL ...................... 25

2.3.1 Các phƣơng pháp điều chỉnh góc phun sớm động cơ Diesel. .......... 26
2.3.2 Cách điều chỉnh góc phun sớm ở động cơ thí nghiệm EV2600 ....... 26
2.4 ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ ..............28
2.4.1 Cơng suất hữu ích động cơ Ne ....................................................................... 28
2.4.2 Suất tiêu hao nhiên liệu hữu ích động cơ ge ................................................. 29

2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ..................................................................................29
Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................ 31
3.1 GIỚI THIỆU TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ....................................31
3.1.1 Sơ đồ bố trí tổng thể băng thử cơng suất động cơ ....................................... 31
3.1.2 Băng thử công suất Froude DFX3 ................................................................ 32

3.1.3 Động cơ thí nghiệm VIKYNO – EV2600 ..................................................... 34
3.1.4 Thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu AVL FUEL BALANCE 733 .......... 34
3.1.5 Thiết bị đo mô-men xoắn băng thử công suất Froude ................................ 34
3.1.6 Thiết bị đo tốc độ Encoder 634C/X .............................................................. 36
3.1.7 Thiết bị đo các chất ơ nhiễm khí thải KEG-500 .......................................... 40

3.2 TỔ CHỨC THỬ NGHIỆM ...........................................................................41
3.2.1 Nội dung thử nghiệm ..................................................................................... 41
3.2.2 Quy trình thử nghiệm động cơ EV2600 trên băng thử Froude ................. 40

3.3 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM NHIÊN LIỆU DIESEL-BUTANOL...........41
3.3.1 Phƣơng pháp ghi nhận dữ liệu ...................................................................... 41

3.3.1.1 Ghi nhận dữ liệu mô-men và tốc độ động cơ ...................................... 42


3.3.1.2 Ghi nhận dữ liệu tiêu hao nhiên liệu độngcơ...................................... 42
3.3.1.3 Ghi nhận các đại lượng khí xả từ động cơEV2600............................. 43
3.3.2 Kết quả thử nghiệm ....................................................................................... 44

3.3.2.1 Kết quả đo diễn biến mô-men và tiêu hao nhiên liệu động cơ............ 44
3.3.2.2 Kết quả đo diễn biến các đại lượng khí thải động cơ ......................... 49
3.3.2.3 Kết quả tổng hợp diễn biến các đại lượng động cơ ............................ 49
3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG ..................................................................................60
Chƣơng 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ....................................................... 61
4.1 ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT NHIÊN LIỆU CỦA HỖN HỢP BUTANOL
PHA TRỘN VỚI DẦU DIESEL .........................................................................61
4.2 ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ KỸ THUẬT VÀ Ơ NHIỄM KHÍ XẢ
CỦA ĐỘNG CƠ.....................................................................................................64
4.2.1 Phân tích đánh giá tổng hợp tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ ............ 85

4.2.1.1 Đối với mẫu nhiên liệu DOB5 ............................................................. 85
4.2.1.2 Đối với mẫu nhiên liệu DOB15........................................................... 70
4.2.2 Phân tích đánh giá tổng hợp các thành phần khí xả ..........................75

4.2.2.1 Đánh giá tổng hợp các thành phần khí xả mẫu nhiên liệu DOB5 ...... 75
4.2.2.2 Đánh giá tổng hợp các thành phần khí xả mẫu nhiên liệu DOB15 .... 79
4.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG ..................................................................................81
4.3.1 Khi chƣa thay đổi góc phun sớm: ................................................................. 81
4.3.2 Khi thay đổi góc phun sớm: .......................................................................... 82

KẾT LUẬN & HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI....................................... 83
1. KẾT LUẬN. ........................................................................................................83
2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................................84


3. KIẾN NGHỊ........................................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO. ........................................................................... 85
PHỤ LỤC 1: Một số kết quả phân tích chi tiết khác ................................. 87
1. Phân tích chi tiết kết quả mẫu nhiên liệu DOB5. ................................... 87
2. Phân tích chi tiết kết quả mẫu nhiên liệu DOB15 ................................. 92
PHỤ LỤC 2: Dữ liệu thí nghiệm động cơ diesel......................................... 98
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN...................................................
QUYẾT ĐỊNH GIA HẠN THỜI GIAN LÀM LUẬN VĂN .........................


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Các ký hiệu mẫu tự La tinh :
a, b

[-]

Các hằng số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ

C

[%kg]

% khối lượng Carbon có trong nhiên liệu

Cm

[m/s]

Tốc độ trung bình piston

D

[mm]

Đường kính xi lanh

Gh

[kg/h]

Lượng 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

gemin

[kg/kW.h]

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích min

H

[%kg]

% khối lượng Hydro có trong nhiên liệu

i

[-]

Số xi lanh

M

[N/m]

Mơ men hữu ích ở trục khuỷu

n

[rpm]

Số vòng quay động cơ

ngemim

[rpm]

Số vòng quay ứng với ge nhỏ nhất

O

[%kg]

% khối lượng Õxy có trong nhiên liệu

p

[kG/cm2]

Áp suất của hỗn hợp trong xy lanh

pi

[kG/cm2

Áp suất chỉ thị trung bình

pzmax

[N/m2]

Áp suất cực đại của hỗn hợp cháy

P

[HP]/[kW]

Công suất động cơ

Qh

[MJ/kg]

Nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu
Hành trình piston

S

[mm], [%kg]

% khối lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu

Τ

[oK]

Nhiệt độ hỗn hợp cháy

Τc

[oK]

Nhiệt độ cuối quá trình nén

Τmax

[oK]

Nhiệt độ max của hỗn hợp cháy

W

[%kg]

% khối lượng nước có trong nhiên liệu

W

[kG/cm2/rad] Độ tăng áp suất

Wmax

[kG/cm2/rad] Độ tăng áp suất lớn nhất

2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp :


[-]

Hệ số dư lượng khơng khí



[rad/s]

Tốc độ góc của động cơ



[độ]

Góc quay trục khuỷu



[độ]

Góc quay ứng với giai đoạn cháy trễ



[độ]

Góc quay ứng với giai đoạn cháy I



[độ]

Góc quay ứng với giai đoạn cháy II



[độ]

Góc quay ứng với giai đoạn cháy III

IV

[độ]

Góc quay ứng với giai đoạn cháy IV



[s]

Thời gian cháy trễ

3. Các chữ viết tắt:
AVL

Tên hãng sản xuất các trang thiết bị thí nghiệm động cơ

APA

Asynchron Pendelmaschinen Anlage (Băng thử cơng suất)

BP

Bristish Petroleum (Tập đồn dầu khí)

CFC

Chlorofluorocacbons (Chất khí gây ô nhiễm tầng ôzôn)

DO

Diesel Fuel Oil (Nhiên liệu diesel)

DO 0,05S

Dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh khơng q 0,05%


DOB5

Ký hiệu hỗn hợp nhiên liệu 95% dầu diesel và 5% butanol

DOB15

Ký hiệu hỗn hợp nhiên liệu 85% dầu diesel và 15% butanol

ĐCD

Điểm chết dưới

ĐCT

Điểm chết trên

EU

European Union (Liên minh Châu Âu)

IPCC

Intergovernmental Panel on Climate Change (Tổ chức liên
chính phủ về biến đổi khí hậu tồn cầu)

MON

Motor Octane Number (Chỉ số Octan động cơ)

OPEC

Organization of the Petroleum Exporting Countries (Tổ chức
các nước xuất khẩu dầu lửa)

ppm

parts per million (Một phần triệu)

RON

Research Octane Number (Chỉ số Octan nghiên cứu)

rpm

Revoletion per minute (Tốc độ vòng trên phút)

TCVN

Tiêu Chuẩn Việt Nam

USD

United States Dollar (Đồng tiền Đôla của Mỹ)


DANH MỤC CÁC BẢNG
Kí

Tên bảng

hiệu
1.1

2.1

Mức độ phát thải và hiệu quả sử dụng khí thiên nhiên trên
ơtơ so với các nhiên liệu khác

Các thông số vật lý của n- Butanol, Iso-Butanol và SecButanol

Trang

5

15

2.2

So sánh tính chất cơ bản của n-Butanol, Ethanol

16

2.3

Độ nhớt động học của một số loại nhiên liệu

18

2.4

Tính chất lý hóa của nhiên liệu sinh học Butanol & DO
0,05S

19

3.1

Thơng số kỹ thuật chính của động cơ EV2600

35

3.2

Thơng số kỹ thuật thiết bị AVL 733

36

3.3

Bảng thông số kỹ thuật cảm biến đo lực (LoadCell-PTS100)

38

3.4

Bảng thông số kỹ thuật dụng cụ đo tốc độ Encoder 634C/X

40

3.5

Bảng thông số kỹ thuật thiết bị đo khí thải KEG-500

41

4.1

So sánh tính chất nhiên liệu Butanol với Diesel khoáng DO

0,05S

63

Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất (ge_min) khi thay đổi góc
4.2

phun sớm (so với góc nguyên thủy) của mẫu nhiên liệu

69

DOB5
Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất (ge_min) khi thay đổi góc
4.3

phun sớm (so với góc nguyên thủy) của mẫu nhiên liệu
DOB15

74


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Kí

Tiêu đề hình vẽ, đồ thị

hiệu
1.1

1.2

1.3
1.4

So sánh mức độ ô nhiễm CO2 của các loại nhiên liệu dùng
cho ôtô.
So sánh tiêu hao năng lượng của các loại nhiên liệu dùng
cho ôtô.
Mức độ ô nhiễm NOx, SOx, CO của các loại nhiên liệu
Nhà máy sản xuất Ethanol của tập đồn dầu khí quốc gia
Việt Nam

Trang

5

5
6
8

1.5

Sơ đồ các cơng nghệ sản xuất Butanol sinh học

10

2.1

Mơ hình phân tử n- Butanol

16

2.2

Diễn biến quá trình cháy trong động cơ Diesel

20

Bơm cao áp và các tấm đệm điều chỉnh góc phun sớm
2.3

(động cơ Vikyno-EV2600)

28

3.1

Sơ đồ bố trí chung hệ thống băng thử công suất Froude

31

3.2

Các cấu thành băng thử công suất Froude

33

3.3

Động cơ VIKYNO DIESEL EV2600

34

3.4

Thiết bị AVL 733

36

3.5

Tấm cảm biến kiểu ten-zo

37

3.6

Hình dạng của Loadcell chịu kéo/nén dùng trên băng thử
Froude

38

3.7

Cảm biến tốc độ Encoder 634C/X

39

3.8

Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của encoder tốc độ

39


3.9

Thiết bị đo khí thải KEG-500.

40

3.10

Các mẫu nhiên liệu thử nghiệm DOB5 và DOB15

42

3.11

Các tấm đệm điều chỉnh góc phun sớm động cơ EV2600

43

3.12

Màn hình hiển thị dữ liệu đo mơ-men xoắn và tốc độ động
cơ

44

3.13

Màn hình hiển thị dữ liệu đo tiêu hao nhiên liệu động cơ

45

3.14

Màn hình hiển thị dữ liệu đo khí xả của thiết bị KEG-500

46

3.15

Diễn biến mô-men, tiêu hao nhiên liệu mẫu nhiên liệu
DOB5_0 (30% và 50% vị trí tay ga)

47

Diễn biến mơ-men, tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB5-1
3.16

47
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến mô-men, tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB5-2

3.17

48
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến mơ-men và tiêu hao nhiên liệu của mẫuDOB5+1

3.18

48
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến mô-men, tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB5+2

3.19

49
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến mơ-men, tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB15_0

3.20

50
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến mô-men, tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB15-1

3.21

50
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến mơ-men, tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB15-2

3.22

51
(30% và 50% vị trí tay ga)

Diễn biến mô-men, tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB15+1
3.23

51
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến mơ-men, tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB15+2

3.24

52
(30% và 50% vị trí tay ga)

3.25

3.26

3.27

3.28

3.29

3.30

3.31

3.32

3.33

3.34
3.35

Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB5_0 (vị
trí tay ga 30% và 50%)
Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB5-1
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB5-2
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB5+1
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB5+2
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB15_0
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB15-1
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB15-2
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB15+1
(30% và 50% vị trí tay ga)
Diễn biến các chất khí xả của mẫu nhiên liệu DOB15+2
(30% và 50% vị trí tay ga)
Tổng hợp lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ Gh[kg/h]

53

53

54

54

55

56

56

57

57

58
58


của mẫu DOB5 ứng với 05 góc phun sớm ở 30% và 50% vị
trí thanh răng.
3.36

Tổng hợp mơ-men động cơ của mẫu nhiên liệu DOB5 ứng
với 05 góc phun sớm ở 30% và 50% vị trí thanh răng.

59

Tổng hợp lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ Gh[kg/h]
3.37

của mẫu DOB15 ứng với 05 góc phun sớm ở 30% và 50%

59

vị trí thanh răng.
3.38

3.39

3.40

3.41

3.42

Tổng hợp mơ-men động cơ của mẫu nhiên liệu DOB15 ứng
với 05 góc phun sớm ở 30% và 50% vị trí thanh răng.
Tổng hợp diễn biến khí xả NOx của mẫu nhiên liệu DOB5
ứng với 05 góc phun sớm ở 30% và 50% vị trí thanh răng.
Tổng hợp diễn biến khí xả CO2 của mẫu nhiên liệu DOB5
ứng với 05 góc phun sớm ở 30% và 50% vị trí thanh răng.
Tổng hợp diễn biến khí xả NOx của mẫu nhiên liệu DOB15
ứng với 05 góc phun sớm ở 30% và 50% vị trí thanh răng.
Tổng hợp diễn biến khí xả CO2 của mẫu nhiên liệu DOB15
ứng với 05 góc phun sớm ở 30% và 50% vị trí thanh răng.

60

60

61

61

62

Diễn biến công suất động cơ của mẫu DOB5 khi điều
4.1

chỉnh theo 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở

66

vị trí tay ga 30% và 50%
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB5-2 khi
4.2

điều chỉnh góc phun sớm muộn hơn 3,0[độ] (khi vận hành

66

ở vị trí tay ga 30%)
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB5 khi điều
4.3

chỉnh theo 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở
vị trí tay ga 30% và 50%

67

Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu theo công suất động cơ
4.4a

của mẫu DOB5 khi điều chỉnh 05 góc phun sớm ở vị trí tay

68

ga 30%
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu theo công suất động cơ
4.4b

của mẫu DOB5 khi điều chỉnh 05 góc phun sớm ở vị trí tay

68

ga 50%
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu min của mẫu DOB5 theo
4.5

sự điều chỉnh góc phun sớm (khi vận hành ở vị trí tay ga

69

30% và 50%)
Diễn biến cơng suất động cơ của mẫu DOB15 khi điều
4.6a

chỉnh theo 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở

71

vị trí tay ga 30% và 50%
Diễn biến cơng suất của mẫu DOB15 theo phụ tải khi điều
4.6b

chỉnh theo 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở

71

vị trí tay ga 30% và 50%
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của mẫu DOB15 khi
4.7

điều chỉnh theo 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận

72

hành ở vị trí tay ga 30% và 50%
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu theo công suất động cơ
4.8a

của mẫu DOB15 khi điều chỉnh 05 góc phun sớm ở vị trí

73

tay ga 30%
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu theo công suất động cơ
4.8b

của mẫu DOB15 khi điều chỉnh 05 góc phun sớm ở vị trí

73

tay ga 50%
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu min của mẫu DOB15
4.9

theo sự điều chỉnh góc phun sớm (khi vận hành ở vị trí tay
ga 30% và 50%)

74


Diễn biến nồng độ NOx[ppm] của mẫu DOB5 theo phụ tải
4.10a của 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở vị trí

76

tay ga 30%
Diễn biến nồng độ NOx[ppm] của mẫu DOB5 theo phụ tải
4.10b của 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở vị trí

76

tay ga 50%
Diễn biến nồng độ riêng CO2[%/kW] của mẫu DOB5 theo
4.11a phụ tải 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở vị

77

trí tay ga 30%
Diễn biến nồng độ riêng CO2[%/kW] của mẫu DOB5 theo
4.11b phụ tải 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở vị

78

trí tay ga 50%
Diễn biến nồng độ riêng CO2[%/kW] của mẫu DOB5 theo
4.12

05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở vị trí tay

78

ga 30% và 50%
Diễn biến nồng độ riêng NOx[ppm/kW] của mẫu DOB15
4.13a theo phụ tải 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành

79

ở vị trí tay ga 30%
Diễn biến nồng độ riêng NOx[ppm/kW] của mẫu DOB15
4.13b theo phụ tải 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành

80

ở vị trí tay ga 50%
Diễn biến nồng độ riêng CO2[%/kW] của mẫu DOB15 theo
4.14a phụ tải 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở vị

80

trí tay ga 30%
Diễn biến nồng độ riêng CO2[%/kW] của mẫu DOB15 theo
4.14b phụ tải 05 góc phun sớm ứng với 02 chế độ vận hành ở vị
trí tay ga 50%

81


1

MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô
nhiễm môi trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ đốt trong nói
chung và ơ tơ nói riêng. Trong tình hình dầu mỏ đang cạn kiệt và sự biến đổi khí
hậu trái đất đang trở nên ngày một nghiêm trọng đối với loài người thì vấn đề năng
lượng và mơi trường càng trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học
cũng như các giới quản lý trên toàn thế giới.
Song song với việc hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt trong để nâng
cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường thì
các dự án, các chương trình nghiên cứu nhằm tìm kiếm nguồn năng lượng mới,
nhiên liệu thay thế và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này cũng đã và đang
được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu.
Để giải quyết vấn đề giảm thiểu ô nhiễm môi trường, trên thế giới hiện nên
đã và đang sử dụng các loại nhiên liệu thay thế sạch như khí dầu mỏ hóa lỏng
LPG, khí thiên nhiên nén/hoặc lỏng (CNG/LNG). Ngồi ra, các loại nhiên liệu sinh
học như Biogas, Biomass, Ethanol, Butanol… cũng đã và đang được quan tâm
nghiên cứu bởi tính chất sạch, ít gây ô nhiễm môi trường; hơn nữa nhiên liệu sinh

học được hình thành từ các chất hữu cơ động thực vật nên sản lượng lớn và phân
bố hầu khắp trái đất. Do đó, đây là nguồn nhiên liệu thay thế bổ sung phong phú,
mang tính bền vững; góp phần đáng kể vào việc duy trì an ninh năng lượng trên
tồn thế giới nói chung.
Ngày nay, nhiên liệu Butanol đã và đang được nghiên cứu để thay thế một
phần vào nhiên liệu truyền thống xăng/dầu nhằm làm giảm mức độ ô nhiễm không
khí cũng như ảnh hưởng sức khỏe con người. Tuy nhiên, khi pha trộn vào nhiên
liệu xăng/dầu thì sẽ làm cho quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ truyền
thống bị thay đổi; và do đó làm ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của
động cơ. Vì vậy, cần thiết phải điều chỉnh góc phun sớm cho động cơ sử dụng
nhiên liệu Diesel pha Butanol. Với những lý do đó đề tài “Nghiên cứu thực
nghiệm ảnh hưởng góc phun sớm cho động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên
liệu butanol - diesel” có tính cấp thiết.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU


2

Mục đích chung rộng lớn là giảm thiểu ơ nhiễm môi trường nhờ phối trộn
thêm nhiên liệu sinh học Butanol, làm phong phú và đa dạng hóa nguồn nhiên liệu
dùng cho động cơ đốt trong. Mục tiêu cụ thể của đề tài là xác định góc phun sớm
tối ưu cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu Diesel pha Butanol với các tỷ lệ khác
nhau.
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu
diesel pha butanol với các tỷ lệ khác nhau. Phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn đến
vấn đề hiệu chỉnh góc phun sớm trong thực nghiệm đối với các mẫu nhiên liệu liệu
Diesel pha Butanol với các tỷ lệ 5% và 15% và được ký hiệu lần lượt là: DOB5,
DOB15.
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, trong đó chú trọng nghiên cứu
thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của góc phun sớm đến tính năng kinh tế kỹ
thuật cũng như vấn đề ô nhiễm đối với động cơ nhiệt sử dụng nhiên liệu diesel pha
butanol với các tỷ lệ khác nhau.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Việc pha trộn thêm nhiên liệu sinh học Butanol vào nhiên liệu Diesel sẽ làm
thay đối tính chất lý hóa đối với nhiên liệu dùng cho động cơ diesel, do đó sẽ làm
cho quá trình gia nhiệt chuẩn bị cho quá trình tự cháy của nhiên liệu mới trong
buồng cháy bị thay đổi. Vì vậy việc nghiên cứu thực nghiệm nhằm tay đổi góc
phun sớm cho phù hợp với mỗi mẫu nhiên liệu pha trộn có tỷ lệ Butanol khác nhau
có ý nghĩa khoa học rõ rệt và mang tính thực tiễn cao.
CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của đề tài luận văn: “Nghiên cứu
thực nghiệm ảnh hưởng góc phun sớm cho động cơ diesel sử dụng hỗn hợp
nhiên liệu butanol - diesel” được trình bày trong 04 chương, chứa các nội dung
tóm tắt với cấu trúc như sau:


3

Chƣơng 1 – Tổng quan các vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng, tác hại của ô
nhiễm môi trường do nhiên liệu hóa thạch, tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu
sinh học Diesel-Butanol trong và ngoài nước.
Chƣơng 2 – Cơ sở lý thuyết: phân tích tính chất nhiên liệu, diễn biến q
trình cháy của động cơ diesel, các thơng số ảnh hưởng đến góc phun sớm, điều
khiển phun sớm cho động cơ diesel.
Chƣơng 3 – Nghiên cứu thực nghiệm: giới thiệu trang thiết bị thí nghiệm,
nghiên cứu thí nghiệm chạy nhiên liệu Diesel pha Butanol với các tỷ lệ khác nhau
và ứng với các góc phun sớm khác nhau trên băng thử công suất Froude, kết quả
dữ liệu nhận được từ thí nghiệm.

Chƣơng 4 – Kết quả và bàn luận: phân tích đánh giá kết quả về ảnh hưởng
của góc phun sớm đến tính năng kinh tế kỹ thuật và ơ nhiễm mơi trường đối với
động cơ thí nghiệm sử dụng nhiên liệu diesel pha Butanol với các tỷ lệ khác nhau.


4

Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƢỢNG VÀ Ô NHIỄM MÔI
TRƢỜNG TRONG GIAO THÔNG VẬN TẢI.
Trong vài thập niên trở lại đây, sự tăng trưởng kinh tế ở các nước đang phát
triển đã kéo theo sự tăng nhanh của các phương tiện giao thông vận tải. và đặt ra
hàng loạt vấn đề về kinh tế - xã hội, năng lượng và môi trường đối với các nhà
quản lý, các nhà nghiên cứu cũng như các nhà hoạch định chiến lược phát triển
kinh tế - xã hội trong lĩnh vực giao thông vận tải.
Nạn kẹt xe, ô nhiễm môi trường, cùng với sự cạn kiệt của dầu mỏ vừa là
thách thức vừa là động lực cho các công trình nghiên cứu về các vấn đề liên quan
đến năng lượng và môi trường của thế kỷ hai mươi mốt [1, 2, 6, 9, 14-15].
Theo cơ quan quản lý năng lượng của Hoa Kỳ (DOE - Department of
Energy) sự ô nhiễm khơng khí ở nước này do các phương tiện giao thông vận tải
gây ra chiếm hơn 50% (ở thành phố hơn 80%). Ơ nhiễm khơng khí khơng những
gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người mà còn đe dọa nghiêm trọng đến
trạng thái cân bằng nhiệt của bầu khí quyển [2, 14]. Nghị định thư Kyoto (1997) đã
gióng lên hồi chng báo động về hiện tượng bầu khí quyển đang nóng lên từng
ngày do hiệu ứng nhà kính. Điều này khơng chỉ là một thách thức đối với các nhà
khoa học mà còn là áp lực lớn đối với các chính trị gia trong chiến lược phát triển
kinh tế và bảo vệ môi trường nhằm tránh cho trái đất một thảm họa khó lường. Vì
vậy, trước tình hình nhiên liệu truyền thống đang lâm vào khủng hoảng vì cạn kiệt
và vấn đề ơ nhiễm mơi trường đang trở nên trầm trọng, thì song song với việc sử
dụng tiết kiệm hơn nhiên liệu, hoàn thiện hơn các giải pháp kỹ thuật để giảm thiểu

ơ nhiễm mơi trường, thì vấn đề tìm kiếm các nguồn nhiên liệu mới sạch để thay thế
bổ sung cho động cơ đốt trong và sử dụng hiệu quả chúng là hướng nghiên cứu
trọng tâm hiện nay cũng như trong tương lai của phần lớn các cơng trình khoa học
trong lĩnh vực giao thơng vận tải.
Đứng trước tình hình ơ nhiễm mơi trường trầm trọng như vậy, thì nhiên liệu
sạch như khí thiên nhiên có nhiều ưu điểm nổi bật so với ô tô sử dụng các loại
nhiên liệu truyền thống (xem bảng 1.1).


5

Bảng 1.1: Mức độ phát thải và hiệu quả sử dụng khí thiên nhiên trên ơtơ so với các
nhiên liệu khác.
Loại nhiên liệu

NOx

SOx

CO

PM

CO2

sử dụng trên ôtô

[g/km]

[g/km]

[g/km]

[g/km]

[g/km]

Tiêu hao
Nhiên liệu
[MJ/km]

Gasoline ICE car

0,260

0,200

2,300

0,0100

209,0

3,160

Diesel ICE car

0,570

0,130

0,650

0,0500

154,0

2,360

CNG ICE car

0,100

0,010

0,050

<0,0001

158,0

2,740

Hydrogen ICE car

0,110

0,030

0,040

0,0001

220,0

4,440

Mức độ ô nhiễm CO2 [g/km]

250

200

150

100

50

0

Gasoline ICE car

Diesel ICE car

CNG ICE car

Hydrogen ICE car

Hình 1.1: So sánh mức độ ô nhiễm CO2 của các loại nhiờn liu dựng cho ụtụ.

Tiêu hao năng l-ợng [MJ/km]

5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Gasoline ICE car

Diesel ICE car

CNG ICE car

Hydrogen ICE car

Hình 1.2: So sánh tiêu hao năng lượng của các loại nhiên liệu dùng cho ôtô.


6

Các hình 1.1đến hình 1.2 cho ta thấy rõ hơn hiệu năng sử dụng năng lượng
của nhiên liệu khí thiên nhiên (CNG) cũng như mức độ phát thải của nó so với các
loại nhiên liệu khác trên ôtô.

Bảng 1.1 và hình 1.1 chỉ rõ, mức độ phát thải CO2 (g/km) do nhiên liệu khí
thiên nhiên (CNG) gây ra thấp hơn khoảng 24,4% so với sử dụng nhiên liệu xăng.
Còn về phương diện tiêu thụ năng lượng, thì ơtơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên
tiết kiệm được khoảng 13,3% so với sử dụng xăng (hình 1.2). Các chất phát thải
khác (như NOx, SOx, CO - hình 1.3) đều giảm rất mạnh khi sử dụng nhiên liệu khí
thiên nhiên so với các loại nhiên liệu lỏng. Chẳng hạn, khi dùng xăng thì NO x cao
gấp 2,6 lần so với nhiên liệu CNG, cịn thành phần CO thì cao gấp 46 lần so với
khi dùng nhiên liệu khí thiên nhiên.
Nhìn vào đồ thị hình 1.3 cho thấy, mức độ phát thải các chất kí gây ơ nhiễm
đối với nhiên liệu diesel nói riêng và dầu mỏ nói chung là cao nhất trong các loại
nhiên liệu. Vì vậy để giảm mức độ phát thải ô nhiễm cho nhiên liệu dầu mỏ truyền
thống, cần thiết phải nghiên cứu các nhiên liệu sinh học nhằm b sung cho cỏc

Mức độ ô nhiễm NOx,SOx ,CO [g/km]

nhiờn liệu xăng dầu thông thường.
NOx

2.5

SOx
CO

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0
Gasoline ICE car

Diesel ICE car

CNG ICE car

Hydrogen ICE car

Hình 1.3: Mức độ ơ nhiễm NOx, SOx, CO của các loại nhiên liệu.


7

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NHIÊN LIỆU SINH HỌC BUTANOL
1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới đã ghi nhận được nhiều thành công về ứng dụng nhiên
liệu sinh học trong động cơ [5]. Trong đó có Mỹ, Bzazil, Thái Lan, Đức, Pháp,
Nauy, Thụy Điển, Canada, Ấn Độ, Trung Quốc, Úc, Rumani ...
Mỹ là quốc gia tiêu thụ khoảng 25% năng lượng trên thế giới hằng năm
(trong khi chỉ có 6% trữ lượng dầu mỏ), hơn 60% dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài.
Năm l998, Tổng thống Mỹ B.Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩm
sinh học thay thế một phần dầu mỏ. Năm 2004, Mỹ đã sản xuất trên 13 triệu m3
cồn. Để sử dụng nhiên liệu sinh học, Mỹ đã ban hành nhiều đạo luật về môi trường
như: cấm sử dụng phụ gia hoá học làm tăng trị số Octan gây độc hại, bắt buộc sử
dụng nhiên liệu sinh học ở các vùng đông dân cư, miễn thuế cho nhiên liệu pha
cồn...
Trung Quốc là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn thứ 3 sau
Brazil và Mỹ. Năm 2004, họ đã đa vào hoạt động nhà máy sản xuất cồn lớn nhất

thế giới công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm (mỗi năm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô
làm nguyên liệu), tăng sản lượng cồn Ethanol cả nước trên 3,5 triệu m3. Từ tháng 6
năm 2002, nước này đã quyết định sử dụng xăng pha 10% cồn (E10) ở 5 thành phố
và đến cuối năm 2006 sẽ tăng thêm 27 thành phố đông dân khác.
Các nước EU năm 2010 sẽ sử dụng 5,75% nhiên liệu sinh học trong tổng số
xăng dầu cho giao thông vận tải năm 2020 sẽ tăng lên 20%. Năm 2003 toàn thế
giới đã sản xuất trên 38,5 triệu m3 Ethanol (Châu Mỹ khoảng 70%, Châu Á 17%,
Châu Âu 10%), trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu ở trên 43 quốc gia. Dự báo
đến năm 2012 (thời hạn kết thúc Nghị định thương Kyoto) sản lượng Ethanol toàn
cầu sẽ tăng lên 79,3 triệu m3 và trong vòng 15 – 20 năm tới, nhiên liệu sinh học sẽ
chiếm khoảng 25% nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giới.
Nước ta là nước nông nghiệp, các loại phế phẩm thực vật khá dồi dào nhất là
những nơi sản xuất sắn khoai, ngơ, mía đường. Với hơn 50 nhà máy đường trong
nước tổng công suất gần 100.000 tấn mía/ngày, khả năng mỗi năm có thể sản xuất
100 triệu lít cồn [6].


8

Hình 1.4. Nhà máy sản xuất Ethanol của tập đồn dầu khí quốc gia Việt Nam
Năm 2003, tổng cơng suất của các nhà máy cồn của ngành mía đường là 48
triệu lít. Trong đó, Cơng ty đường Lam Sơn - Thanh Hóa có nhà máy sản xuất cồn
cơng suất 25 triệu lít/năm, sản phẩm cồn của nhà máy chủ yếu phục vụ nhu cầu
xuất khẩu.
Ngồi ra, cịn có các nhà máy sản xuất cồn khác như nhà máy rượu Bình Định
có cơng suất 5 triệu lít/năm; nhà máy cồn Bình Dương (thuộc cơng ty rượu Bình
Tây) có cơng suất 4,5 triệu lít/năm; nhà máy sản xuất cồn - rượu Quảng Ngãi có
cơng suất 12 triệu lít/năm, sản phẩm cồn rượu của nhà máy còn xuất khẩu qua một
số nước như: Đài Loan, Lào, Camphuchia... Cơng ty đã có dự án xây dựng thêm
một nhà máy sản xuất cồn với công suất 12 triệu lít/năm ở An Khê, nhà máy cồn

Xuân Lộc - Đồng Nai có cơng suất 20.000 lít/ngày...
1.2.2 Tình hình sản xuất Butanol trên thế giới
Sản xuất Butanol có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện hành của sản xuất
Ethanol. Quy trình hóa dầu oxo mang tính khả thi cao nhất để sản xuất Butanol rẻ
tiền hơn từ các nguồn sinh khối khác nhau [2, 4, 7, 8, 10].
Cách đây vài năm, một dự án liên doanh giữa BP và Dupont về sản xuất
Butanol sinh học theo quy trình ABE tại Trung Quốc đã được thực hiện đang mang
nhiều triển vọng thúc đẩy thị trường tiêu thụ nguồn nhiên liệu mới này. Hơn nữa,
nhiều nhà máy, bên cạnh quy trình đang dùng như ABE hay oxo cho vài chủng loại