Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:233

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao nhằm xác định những dữ liệu để nâng cao độ chính xác độ và tin cậy của việc tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel cũng như tổ chức tốt hơn cho quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ DƯƠNG QUANG MINH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-BIODIESEL CÓ TỶ LỆ PHA TRỘN CAO TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ DƯƠNG QUANG MINH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-BIODIESEL CÓ TỶ LỆ PHA TRỘN CAO TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9 52 01 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS, TS Nguyễn Hoàng Vũ 2. TS Nguyễn Năng Thắng HÀ NỘI – NĂM 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài NCKH &PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số: ĐT.08.14/NLSH, Chủ nhiệm đề tài là PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ, tổ chức chủ trì là Học viện Kỹ thuật Quân sự, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, do Bộ Công thương quản lý. Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả của đề tài vào việc viết luận án. Tôi xin cam đoan các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi đúng quy định. Tác giả luận án Dương Quang Minh
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Phòng sau Đại học, Khoa Động lực/Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên và Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình làm luận án. Tôi xin cảm ơn tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS-TS. Nguyễn Hoàng Vũ, TS Nguyễn Năng Thắng đã tận tình hướng dẫn khoa học và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để NCS hoàn thành luận án. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn PGS-TS. Nguyễn Hoàng Vũ, Chủ nhiệm Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH (thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025) đã tạo điều kiện để NCS được tham gia một số nội dung nghiên cứu của đề tài nhằm thu thập dữ liệu để hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quá trình cháy và Phun nhiên liệu (Combustion and Spray Laboratory) của Viện Năng lượng và Động lực/ĐH Giao thông Tây An - Trung Quốc, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong thuộc Viện Cơ khí Động lực - ĐH Bách khoa Hà nội, Phòng thử nghiệm Xăng-Dầu-Khí của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1 (Quatest 1) đã tạo điều kiện thuận lợi để NCS hoàn thành nội dung nghiên cứu thực nghiệm của luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc Bộ môn Động cơ, Khoa Động lực/Học viện KTQS và các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí - Động lực trong và ngoài Học viện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho NCS trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Dương Quang Minh
iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU 1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu 2 Đối tượng nghiên cứu 2 Loại nhiên liệu sử dụng 2 Phương pháp nghiên cứu 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3 Bố cục của luận án 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 6 1.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu biodiesel 6 1.2. Đặc tính cháy của nhiên liệu diesel 8 1.3. Sự thay đổi các thuộc tính/đặc tính của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn 9 1.4. Ảnh hưởng thuộc tính nhiên liệu đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh 14 1.5. Tình hình nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel 17 1.5.1. Trên thế giới 17 1.5.2. Tại Việt Nam 20 1.6. Kết luận Chương 1 24 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 26 2.1. Các vấn đề chung 26 2.2. Nguồn gốc và phương pháp pha chế hỗn hợp diesel-biodiesel 26 2.3. Xác định một số thuộc tính của hỗn hợp diesel-biodiesel 26 2.3.1. Xác định một số thuộc tính hóa-lý cơ bản 26 2.3.1.1. Mục đích 26 2.3.1.2. Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 27
iv 2.3.1.3. Quy trình thực nghiệm 27 2.3.1.4. Kết quả và nhận xét 27 2.3.2. Xác định nhiệt độ tự bốc cháy 29 2.3.2.1. Mục đích 29 2.3.2.2. Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 29 2.3.2.3. Quy trình thực nghiệm 30 2.3.2.4. Kết quả và nhận xét 30 2.3.3. Xác định tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, tỷ lệ A/F 31 2.3.3.1. Mục đích 31 2.3.3.2. Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 31 2.3.3.3. Quy trình thực nghiệm 33 2.3.3.4. Kết quả và nhận xét 33 2.3.4. Xác định trị số xê tan 34 2.3.4.1. Mục đích 34 2.3.4.2. Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 35 2.3.4.3. Quy trình, chế độ thực nghiệm khi đo trị số xê tan theo TCVN 7630:2013 37 (ASTM D613) 2.3.4.4. Kết quả và nhận xét 38 2.4. Xác định một số đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel 40 2.4.1. Xác định tốc độ cháy tầng của nhiên liệu 40 2.4.1.1.Mục đích 40 2.4.1.2. Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 40 2.4.1.3. Chế độ thực nghiệm 42 2.4.1.4. Kết quả và nhận xét 43 2.4.2. Xác định thời gian cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel bằng 44 Shock Tube 2.4.2.1. Mục đích 44 2.4.2.2. Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 45 2.4.2.3. Chế độ thực nghiệm 47 2.4.2.4. Kết quả và nhận xét 47 2.4.3. Xác định thời gian cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel trong 49 xi lanh động cơ 2.4.3.1. Mục đích 49 2.4.3.2. Trang thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 50 2.4.3.3. Chế độ thực nghiệm xác định các đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh 51 2.4.3.4. Kết quả và nhận xét 52
v 2.5. Kết luận Chương 2 56 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CÔNG THỨC DỰ BÁO THỜI GIAN 58 CHÁY TRỄ CỦA HỖN HỢP DIESEL-BIODIESEL 3.1. Các vấn đề chung 58 3.2. Tổng quan các công thức dự báo thời gian cháy trễ 58 3.3. Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ ứng với điều kiện nhiệt 60 động trong ống xung kích (Shock Tube) 3.4. Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ với điều kiện nhiệt động 64 trong động cơ diesel 3.4.1. Đánh giá một số công thức xác định thời gian cháy trễ ứng với bộ dữ liệu thực nghiệm thu được trên động cơ diesel CFR-F5 64 3.4.1.1. Với diesel dầu mỏ (B0) 64 3.4.1.2. Với hỗn hợp diesel-biodiesel 67 3.4.2. Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ với điều kiện nhiệt động trong 70 động cơ diesel 3.4.3. Đánh giá công thức xác định thời gian cháy trễ do NCS xây dựng ứng với bộ 75 dữ liệu thực nghiệm thu được trên động cơ diesel CFR-F5 3.5. Kết luận Chương 3 76 CHƯƠNG 4. ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHA TRỘN ĐẾN ĐẶC TÍNH 77 CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU TRONG XI LANH ĐỘNG CƠ DIESEL CFR-F5 4.1. Vấn đề chung 77 4.2. Xây dựng mô hình mô phỏng chu trình công tác của động cơ CFR-F5 77 bằng phương pháp cân bằng năng lượng 4.2.1. Mô hình hóa các quá trình công tác của động cơ 77 4.2.2. Xác định thời gian cháy trễ, mô hình cháy 80 4.2.2.1. Xác định thời gian cháy trễ của nhiên liệu 80 4.2.2.2. Xác định mô hình cháy 80 4.2.3. Xác định hệ số tỏa nhiệt và tốc độ trao đổi nhiệt đối lưu giữa môi chất công 82 tác với các bề mặt trao đổi nhiệt 4.2.3.1. Xác định nhiệt lượng trao đổi giữa môi chất công tác với các bề mặt trao 82 đổi nhiệt 4.2.3.2. Xác định hệ số trao đổi nhiệt 84 4.2.4. Xác định lượng khí vào/ra qua họng xu páp nạp/thải trong quá trình trao đổi khí 84 4.2.5. Xác định khối lượng không khí và sản vật cháy trong xi lanh 86
vi 4.2.6. Hệ phương trình vi phân mô phỏng các quá trình công tác của động cơ 87 4.2.7. Lựa chọn phần mềm nền mô phỏng 87 4.2.8. Các thông số tại thời điểm bắt đầu mô phỏng 88 4.2.9. Chế độ, trình tự tính toán mô phỏng 89 4.2.10. Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình mô phỏng chu trình công tác 92 4.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi 95 lanh động cơ diesel CFR-F5 4.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến thời gian cháy trễ 95 4.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật cháy, tốc độ cháy 96 4.3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật tỏa nhiệt và tốc độ tỏa nhiệt 99 4.3.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến các thời điểm đặc biệt trong quá trình cháy 101 4.3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến diễn biến và tốc độ gia tăng áp suất trong 103 xi lanh. 4.4. Ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong 106 xi lanh động cơ diesel CFR-F5 4.4.1. Thời gian cháy trễ 106 4.4.2. Ảnh hưởng của việc dự báo thời gian cháy trễ đến quy luật cháy, tốc độ cháy 107 4.4.3. Ảnh hưởng của việc dự báo thời gian cháy trễ đến quy luật tỏa nhiệt, tốc độ 109 tỏa nhiệt 4.4.4. Ảnh hưởng của việc dự báo thời gian cháy trễ đến các thời điểm đặc biệt 111 trong quá trình cháy 4.4.5. Ảnh hưởng của việc dự báo thời gian cháy trễ đến diễn biến và tốc độ gia 113 tăng áp suất trong xi lanh. 4.5. Kết luận Chương 4 116 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 118 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 CÁC PHỤ LỤC 128
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị ASTM Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials) B0 (DO) Nhiên liệu diesel dầu mỏ Biodiesel Nhiên liệu diesel sinh học Bxx Nhiên liệu diesel nguồn gốc hóa thạch được hòa trộn với nhiên liệu diesel sinh học, trong đó, B thể hiện là hỗn hợp diesel-biodiesel, x thể hiện tỷ lệ % theo thể tích của diesel sinh học trong hỗn hợp. CFR Động cơ diesel thử nghiệm trị số xê tan (Cooperative Fuel Research) CTCT Chu trình công tác TGCT Thời gian cháy trễ Độ GQTK, ms, s CA5, CA10, Giá trị GQTK tương ứng với 5, 10, 50, 90% tổng lượng CA50,CA90 nhiệt cung cấp cho chu trình được giải phóng CN Trị số xê tan được đo bằng thực nghiệm (Cetane Number) CI Chỉ số xê tan được tính toán lý thuyết (Cetane Index) ĐCĐT Động cơ đốt trong ĐCD Điểm chết dưới ĐCT Điểm chết trên EU Liên minh Châu Âu (European Union) FAME Este metyl a xít béo (Fatty acid methyl esters) gct Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình g/ct gi Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g/kW.h ηi Hiệu suất chỉ thị pi Áp suất chỉ thị trung bình pi bar Ni Công suất chỉ thị kW GPS Góc phun sớm độ GQTK Góc quay trục khuỷu độ GQTC Góc quay trục cam độ HC Hydrocacbon HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Organization for Standardization) KH&CN Khoa học và công nghệ LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas)
viii Me Mô men xoắn có ích N.m n Tốc độ vòng quay của trục khuỷu vg/ph nc Tốc độ vòng quay của trục cam bơm cao áp vg/ph NCKH Nghiên cứu khoa học NCS Nghiên cứu sinh Ne Công suất có ích kW NLSH Nhiên liệu sinh học NOx Các ô xít ni tơ MLR Phương pháp hồi qui đa biến (Multiple linear regression) PTCGĐB Phương tiện cơ giới đường bộ PTCGQS Phương tiện cơ giới quân sự PTN Phòng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn Việt Nam QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu QTCN Quy trình công nghệ Quatest 1 Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1 TSN Tỷ số nén TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TSKT Tiến sĩ kỹ thuật 𝜙 Tỷ lệ tương đương  Hệ số tỏa nhiệt W/m2 K i Thời gian cháy trễ Độ GQTK, ms, s ∆τimin Sai số tương đối nhỏ nhất về thời gian cháy trễ ∆τimax Sai số tương đối lớn nhất về thời gian cháy trễ Rμ Hằng số phổ biến khí lý tưởng, để tránh làm phức tạp các công [kJ/mol.K] thức thì trong LATS thì Rμ được ký hiệu là R, R = 8,314 z Khoảng thời gian cháy Độ GQTK pxl Áp suất trong xi lanh bar pxl max Giá trị áp suất lớn nhất trong xi lanh bar dp/d Tốc độ tăng áp suất trong xi lanh bar/độ GQTK dp/dφ max Giá trị tốc độ tăng áp suất lớn nhất trong xi lanh bar/độ GQTK Q Quy luật tỏa nhiệt trong xi lanh kJ Q max Lượng nhiệt tỏa ra lớn nhất trong xi lanh kJ dQ/dφ Tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh kJ/độ GQTK dQ/dφ max Tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất trong xi lanh kJ/độ GQTK
ix x Quy luật cháy dx Tốc độ cháy 1/ độ GQTK d Hu Nhiệt trị thấp kJ/kg HHV Nhiệt trị cao (High Heating Value) kJ/kg Gkk Lượng khí nạp đầy vào xi lanh tại thời điểm xu páp nạp kg đóng Gspcs Lượng khí sót còn lại xi lanh tại thời điểm xu páp nạp kg đóng, (kg) Ngoài ra, còn một số từ viết tắt và ký hiệu được sử dụng và diễn giải trong các chương tương ứng của luận án và các phụ lục.
x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Ký hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Lượng tiêu thụ biodiesel của Liên minh Châu Âu và dự báo cho 2015 6 và 2016, [78] Bảng 1.2 Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp biodiesel theo tỷ lệ pha trộn 9 Bảng 1.3 Sự thay đổi thuộc tính của B100 theo nguồn nguyên liệu sản xuất 12 Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị K4700, [60] 30 Bảng 2.2 Nhiệt độ tự bốc cháy của B0 và B100 31 Bảng 2.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị HPLC, [85] 32 Bảng 2.4 Tỷ lệ C:H:O, khối lượng riêng của B0 và B100 33 Bảng 2.5 Tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp và tỷ lệ A/F của các hỗn hợp biodiesel 33 Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của động cơ CFR -F5, [32] 35 Bảng 2.7 Chế độ vận hành của động cơ CFR -F5 khi đo trị số xê tan, [32] 37 Bảng 2.8 Kết quả đo trị số xê tan 38 Bảng 2.9 Kết quả phân tích thuộc tính hóa-lý của hỗn hợp diesel-biodiesel 39 Bảng 2.10 Thông số kỹ thuật của buồng cháy đẳng tích, [84] 41 Bảng 2.11 Tốc độ cháy tầng của các hỗn hợp biodiesel (cm/s) 43 Bảng 2.12 Thông số kỹ thuật của ống xung kích, [95] 45 Bảng 2.13 Chế độ vận hành của động cơ CFR -F5 khi xác định các đặc tính 51 cháy, hiệu chỉnh công thức cháy trễ Bảng 2.14 Sự thay đổi pxl max theo tỷ lệ pha trộn ở TSN=17, GPS=18 và 53 gct=0,0242 [g/ct] Bảng 2.15 Sự thay đổi pxl max theo tỷ lệ tương đương ở TSN=17 và GPS=18 khi 53 sử dụng hỗn hợp B60 Bảng 2.16 Sự thay đổi pxl max theo TSN, GPS ở ϕ =0,72 khi sử dụng hỗn hợp B60 54 Bảng 2.17 Sự thay đổi của i theo tỷ lệ pha trộn ở TSN=17, GPS=18 và gct=0,0242 55 [g/ct] Bảng 2.18 Sự thay đổi của i theo tỷ lệ tương đương ở TSN=17 và GPS=18 khi sử 55 dụng hỗn hợp B60 Bảng 2.19 Sự thay đổi của i theo TSN, GPS ở ϕ=0,72 khi sử dụng B60 56 Bảng 3.1 Sự thay đổi của tỷ lệ tương đương ϕ theo tỷ lệ pha trộn 62 Bảng 3.2 Tổng hợp sai số tương đối về TGCT (∆τi) khi sử dụng nhiên liệu B0 của các 65 tác giả Bảng 3.3 Tổng hợp sai số tương đối về TGCT (∆τi) khi sử dụng Bxx 67 Bảng 3.4 Năng lượng kích hoạt của hỗn hợp diesel-biodiesel 71 Bảng 3.5 So sánh Ea khi sử dụng nhiên liệu B0, B20 của một số tác giả 75
xi Bảng 3.6 Tổng hợp sai số tương đối về TGCT (∆τi) theo công thức M_V Bxx 75 khi sử dụng nhiên liệu B0, B20, B40, B60, B100 Bảng 4.1 Khoảng giá trị của m và  trong mô hình cháy Vibe, [29] 83 Bảng 4.2 Bảng so sánh kết quả pxl mô phỏng tính toán và thực nghiệm của B0 94 và B60 khi cháy ở TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct) Bảng 4.3 Bảng so sánh kết quả pxl mô phỏng tính toán và thực nghiệm của B0 94 và B60 khi nén thuần túy ở TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct) Bảng 4.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến TGCT của hỗn hợp diesel-biodiesel 96 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Bảng 4.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến dx/dφmax (ở chế độ khảo sát: 96 TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Bảng 4.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến Qmax và dQ/dφmax (ở chế độ khảo 99 sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Bảng 4.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến sự thay đổi của CA5, CA10, CA50, 103 CA90 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Bảng 4.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến sự thay đổi p xlmax (ở chế độ khảo 104 sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Bảng 4.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến sự thay đổi dp/dφmax (ở chế độ khảo 105 sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Bảng 4.10 Sự thay đổi TGCT khi sử dụng các công thức dự báo TGCT khác nhau 106 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727, dùng nhiên liệu B60) Bảng 4.11 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến dx/dφmax khi sử dụng B60 (ở chế 109 độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Bảng 4.12 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến Qmax và dQ/dφmax khi sử dụng 111 B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Bảng 4.13 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến sự thay đổi CA5, CA10, CA50, CA90 112 khi sử dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Bảng 4.14 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến sự thay đổi pxl max khi sử dụng B60 114 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Bảng 4.15 Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến dp/dφmax khi sử dụng B60 (ở chế 114 độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727)
xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Ký hiệu Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1 So sánh quy luật cháy (x) của B07 và B100, [38] 18 Hình 1.2 So sánh tổng thời gian cháy của B0 và B100, [54] 18 Hình 1.3 So sánh diễn biến áp suất của B0, B05, B10, B20, B50 và B100, [62] 19 Hình 1.4 So sánh quy luật cháy (x) của B0, B05, B10, B20, B50 và B100, [62] 19 Sự thay đổi của khối lượng riêng (a), nhiệt trị cao (b), độ nhớt động Hình 2.1 29 học (c), nhiệt độ chớp cháy cốc kín (d) của hỗn hợp theo tỷ lệ pha trộn Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị Koehler- K47000, [60] 30 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị HPLC, [63] 32 Hình 2.4 Kết cấu buồng cháy và bố trí thiết bị đo của động cơ CFR-F5 36 Hình 2.5 Sự thay đổi trị số xê tan 38 Hình 2.6 Cấu tạo buồng cháy đẳng tích, [49] 41 Hình 2.7 Sơ đồ bố trí trang thiết bị đo tốc độ cháy tầng, [49] 42 Ảnh hưởng của tỉ lệ pha trộn đến tốc độ cháy tầng của hỗn hợp Hình 2.8 43 diesel-biodiesel Hình 2.9 Kết quả xác định thời gian cháy trễ của hỗn hợp B20 45 Hình 2.10 Bố trí trang thiết bị đo thời gian cháy trễ bằng ống xung kích 46 Kết quả xác định thời gian cháy trễ của B0, B20 , B40 , B60, B80, Hình 2.11 48 B100 Hình 2.12 Thời gian cháy trễ của B0, B20, B40, B60, B80, B100 tại ϕ=1 49 Hình 2.13 Sơ đồ bố trí trang thiết bị thử nghiệm 50 Diễn biến pxl tại TSN=17, GPS=18 của các hỗn hợp diesel- Hình 2.14 52 biodiesel Hình 3.1 So sánh i_TT với i_TN khi sử dụng nhiên liệu B0 66 Hình 3.2 So sánh τi_TT với τi_TN khi sử dụng B20, B40, B60, B100. 68 Sai số tương đối nhỏ nhất về TGCT khi sử dụng các công thức dự báo Hình 3.3 69 TGCT cho hỗn hợp diesel-biodiesel Sai số tương đối lớn nhất về TGCT khi sử dụng các công thức dự báo Hình 3.4 70 TGCT cho hỗn hợp diesel-biodiesel Hình 4.1 Mô hình vật lý các dòng khối lượng và năng lượng 78 Hình 4.2 Sơ đồ khối mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5 91 So sánh áp suất trong xi lanh giữa tính toán và thực nghiệm của B0 ở Hình 4.3 93 TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct) Hình 4.4 So sánh áp suất trong xi lanh giữa tính toán và thực nghiệm của 93
xiii B60 ở TSN=17, GPS=18, gct=0,0242 (g/ct) Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến TGCT của hỗn hợp diesel-biodiesel Hình 4.5 95 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật cháy (x) Hình 4.6 97 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến tốc độ cháy (dx/dφ) Hình 4.7 97 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến quy luật tỏa nhiệt (Q) Hình 4.8 99 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến tốc độ tỏa nhiệt (dQ/dφ) Hình 4.9 100 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến sự thay đổi CA5,CA10, CA50,CA90 Hình 4.10 101 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến diễn biến pxl Hình 4.11 103 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến tốc độ gia tăng áp suất Hình 4.12 105 (ở chế độ khảo sát: TSN=17, GPS=18 và ϕ=0,77÷0,69) Sự thay đổi TGCT khi sử dụng các công thức dự báo TGCT khác nhau Hình 4.13 107 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727, dùng nhiên liệu B60) Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến quy luật cháy (x) khi sử dụng Hình 4.14 108 B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến tốc độ cháy (dx/dφ) khi sử Hình 4.15 108 dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến quy luật tỏa nhiệt (Q) khi sử Hình 4.16 110 dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Ảnh hưởng việc dự báo TGCT tốc độ tỏa nhiệt (dQ/dφ) khi sử Hình 4.17 110 dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến sự thay đổi CA5, CA10, CA50, CA90 Hình 4.18 112 khi sử dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến diễn biến pxl khi sử dụng B60 Hình 4.19 113 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727) Ảnh hưởng việc dự báo TGCT đến tốc độ gia tăng áp suất khi sử Hình 4.20 115 dụng B60 (ở chế độ khảo sát TSN=17, GPS=18 và ϕ= 0,727)
1 MỞ ĐẦU Để giảm thiểu mức ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt trong gây ra và sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, các quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam đã và đang nghiên cứu sản xuất, sử dụng nhiên liệu diesel sinh học cho động cơ đốt trong, [16, 51]. Nhiên liệu diesel sinh học là hỗn hợp của diesel sinh học tinh khiết (còn gọi là B100 hoặc diesel sinh học gốc) được pha trộn với nhiên liệu diesel truyền thống (có nguồn gốc hóa thạch) theo một tỷ lệ nhất định về thể tích. Nhiên liệu diesel sinh học thường được ký hiệu là Bxx, trong đó xx là 2 chữ số chỉ tỷ lệ thể tích của diesel sinh học trong hỗn hợp (ví dụ: B40 có nghĩa là hỗn hợp nhiên liệu chứa 40 % diesel sinh học và 60% diesel truyền thống; B0 sẽ tương ứng với ký hiệu của nhiên liệu diesel truyền thống, chứa 0% biodiesel), [17]. Trong nhiều công trình đã công bố với tỷ lệ pha trộn nhỏ (dưới 10%) thì hầu như không làm thay đổi nhiều các tính năng kinh tế-kỹ thuật của động cơ, [3, 5, 20]. Tuy nhiên, nếu sử dụng tỷ lệ pha trộn cao hơn, do thành phần và tính chất nhiên liệu thay đổi nên sẽ làm thay đổi rõ rệt đặc tính cháy và cuối cùng là tính năng kinh tế- kỹ thuật của động cơ. Đối với các hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn lớn (trên 20%), sự thay đổi các thuộc tính liên quan quá trình cháy (trị số xê tan, tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp...) là đáng kể sẽ làm ảnh hưởng đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh (thời gian cháy trễ; diễn biến tốc độ cháy và tỏa nhiệt; diễn biến áp suất trong xi lanh; các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy như CA5, CA10, CA50, CA90...). Do vậy, việc “Nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel- biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao trong động cơ diesel” là rất cần thiết, nhằm có được những dữ liệu để nâng cao độ chính xác của việc tính toán mô phỏng chu trình công tác (CTCT) của động cơ diesel; tổ chức tốt hơn quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel. Luận án tiến sĩ của NCS là một sản phẩm khoa học công nghệ của đề tài NCKH&PTCN cấp Quốc gia, “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau” (thuộc Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020) do PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ là Chủ nghiệm đề tài, đã bảo vệ tháng 12/2017, [17].
2 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao nhằm xác định những dữ liệu để nâng cao độ chính xác độ và tin cậy của việc tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel cũng như tổ chức tốt hơn cho quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm (PTN) với các trang thiết bị và quy trình thử tiêu chuẩn nhằm xác định các thuộc tính hóa-lý, các thuộc tính liên quan đến quá trình cháy của các loại hỗn hợp diesel-biodiesel. Nghiên cứu lý thuyết tập trung vào việc xây dựng, đánh giá sự phù hợp của công thức dự báo thời gian cháy trễ của hỗn hợp diesel-biodiesel; ứng dụng công thức dự báo thời gian cháy trễ đã xây dựng để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy (TGCT; tốc độ cháy và tỏa nhiệt; các thời điểm đặc biệt của quá trình cháy; diễn biến và tốc độ thay đổi áp suất trong xi lanh...) của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5 thông qua việc mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5. Đối tượng nghiên cứu Các loại hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel có tỷ lệ pha trộn từ 20 đến 100%. Trong đó, B0 là sản phẩm diesel thương mại trên thị trường (0,05% S). Diesel sinh học gốc (B100) được sản xuất từ phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil) thành dầu ăn (Cooking Oil), theo quy trình công nghệ của đề tài NCKH& PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học B10 và B20 cho phương tiện cơ giới quân sự”, mã số: ĐT.06.12/NLSH, [16]. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm: - Xác định các thuộc tính liên quan đến quá trình cháy (tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, tỷ lệ A/F lý thuyết, trị số xê tan, nhiệt độ giới hạn tự bốc cháy) và đặc tính cháy (tốc độ cháy tầng, TGCT) của biodiesel: sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống trang thiết bị chuyên dụng, theo quy trình thử tiêu chuẩn. Kết quả thực nghiệm được đánh giá độ tin cậy và sử dụng một số phương pháp tính toán phù hợp để xác định quy luật thay đổi đặc tính cháy theo tỷ lệ pha trộn của biodiesel và điều kiện vận hành. - Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ: sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, dùng ống xung kích (Shock Tube) và động cơ diesel nghiên cứu 1
3 xi lanh CFR-F5 để xác định các dữ liệu thực nghiệm cần thiết. Sử dụng công cụ tính toán phù hợp để xây dựng công thức thực nghiệm dự báo TGCT của hỗn hợp biodiesel có xét đến thuộc tính của nhiên liệu, tỷ lệ pha trộn, điều kiện vận hành. - Đánh giá độ chính xác của công thức dự báo thời gian cháy trễ: sử dụng dữ liệu thực nghiệm trên động cơ diesel nghiên cứu 1 xi lanh CFR-F5 để khảo sát, đánh giá độ tin cậy của công thức thực nghiệm do NCS xây dựng. - Khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh của động cơ CFR-F5, thông qua việc tính toán mô phỏng CTCT của động cơ CFR-F5 trong phần mềm Matlab...(sử dụng các công thức dự báo TGCT do NCS xây dựng; có xét đến các thông số kết cấu và vận hành của động cơ, thuộc tính của nhiên liệu sử dụng). Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Luận án đã xác định được chi tiết một số thuộc tính liên quan đến quá trình cháy (tỷ lệ C:H:O, nhiệt trị thấp, tỷ lệ A/F lý thuyết, trị số xê tan, nhiệt độ giới hạn tự bốc cháy) và đặc tính cháy (tốc độ cháy tầng, TGCT) của biodiesel, với B100 có nguồn gốc từ dầu Cọ. - Luận án đã xây dựng được công thức dự báo TGCT ứng với điều kiện nhiệt động trong ống xung kích và điều kiện nhiệt động trong động cơ diesel, có đủ độ tin cậy và có xét đến tỷ lệ pha trộn của hỗn hợp, thuộc tính của nhiên liệu. - Luận án đã đánh giá được độ chính xác của công thức dự báo TGCT đã xây dựng ; Đánh giá chi tiết ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh cơ CFR-F5; Đánh giá mức độ ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của diesel-biodiesel trong xi lanh động cơ CFR-F5. Ý nghĩa thực tiễn: - Các kết quả nghiên cứu của luận án là dữ liệu đầu vào, dữ liệu tham khảo tốt cho các công việc sau: nghiên cứu chuyên sâu về quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel; góp phần nâng cao độ chính xác của việc tính toán mô phỏng CTCT của động cơ diesel; phân tích, đánh giá các kết quả thử nghiệm động cơ thu được khi sử dụng biodiesel; tổ chức tốt hơn quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng biodiesel. - Luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo tốt cho quá trình đào tạo đại học, sau đại học ngành Cơ khí động lực (Kỹ thuật Động cơ nhiệt).
4 - Kết quả nghiên cứu của Luận án góp phần trực tiếp cho việc thực hiện đề tài NCKH&PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm ECU phù hợp cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel với các mức pha trộn khác nhau”, mã số ĐT.08.14/NLSH [17], nhằm sử dụng có hiệu quả nhiên liệu diesel sinh học theo chủ trương chung của Chính phủ, [1, 2]. Bố cục của luận án Luận án được thực hiện với 119 trang thuyết minh và 05 Phụ lục (trình bày trong 72 trang), bao gồm những nội dung chính sau: + Chương 1. Tổng quan (25 trang). Nội dung Chương 1 tập trung đánh giá nhu cầu sử dụng biodiesel; Các đặc tính liên quan đến quá trình cháy của nhiên liệu diesel; Tỷ lệ pha trộn và sự thay đổi các thuộc tính, đặc tính của hỗn hợp diesel- biodiesel theo tỷ lệ pha trộn; Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh; Tổng quan tình hình nghiên cứu về đặc tính cháy của hỗn hợp diesel-biodiesel ở trong nước và trên thế giới. Đây là nội dung rất cần thiết nhằm xác định rõ mục đích, phương pháp và phạm vi nghiên cứu; đối tượng nghiên cứu, loại nhiên liệu sử dụng. + Chương 2. Nghiên cứu thực nghiệm (27 trang). Chương 2 trình bày các nội dung liên quan đến nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định một số thuộc tính liên quan đến quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu diesel-biodiesel (bao gồm: Các thuộc tính hóa-lý cơ bản; Tỷ lệ C:H:O và tỷ lệ A/F lý thuyết; Nhiệt trị thấp; Trị số xê tan; Nhiệt độ tự bốc cháy) và đặc tính cháy (bao gồm: Tốc độ cháy tầng; Thời gian cháy trễ trong Shock Tube; Thời gian cháy trễ và diễn biến áp suất trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5). Với mục đích và nội dung nghiên cứu của luận án thì công việc thực nghiệm phải được tiến hành trước để có dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc xây dựng công thức dự báo TGCT (Chương 3) và mô phỏng CTCT (Chương 4). Do đó, Chương 2 “Nghiên cứu thực nghiệm” được đặt ngay sau Chương 1“Tổng quan”. + Chương 3. Xây dựng công thức dự báo thời gian cháy trễ của hỗn hợp diesel-biodiesel (20 trang). Với các dữ liệu thực nghiệm của Chương 2, Chương 3 tập trung xây dựng các công thức dự báo thời gian cháy trễ (ứng với điều kiện nhiệt động trong Shock Tube, điều kiện nhiệt động trong xi lanh động cơ diesel CFR-5), có đủ độ tin cậy và có xét đến tỷ lệ pha trộn, thuộc tính của hỗn hợp; So sánh, đánh giá độ chính xác, phù hợp của một số công thức dự báo thời gian cháy trễ thông dụng
5 và công thức dự báo thời gian cháy trễ mà NCS đã xây dựng, ứng với điều kiện nhiệt động trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5. + Chương 4. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh động cơ diesel CFR-F5 (39 trang). Chương 4 tập trung đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến đặc tính cháy của nhiên liệu trong xi lanh thông qua việc mô phỏng CTCT của động cơ diesel CFR-F5, sử dụng công thức dự báo thời gian cháy trễ do NCS đã xây dựng, có xét đến các thông số kết cấu-vận hành của động cơ cũng như thuộc tính của nhiên liệu sử dụng; Ngoài ra, NCS còn khảo sát mức độ ảnh hưởng của việc dự báo TGCT đến đặc tính cháy của diesel-biodiesel trong xi lanh động cơ CFR-F5. + Kết luận và Hướng phát triển: Trình bày những đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực chuyên ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo.