Luận văn: Mô hình hóa đặc tính và phát thải của động cơ nhiên liệu DME

Luận văn mô hình hóa đặc tính làm việc và phát thải của động cơ nhiên liệu DME, so sánh hiệu suất và mức độ ô nhiễm so với động cơ diesel.

• Tác giả: Nguyễn Quang Đạo
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Thu Hương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Động Cơ Nhiên Liệu DME: Đặc Tính Làm Việc Và Phát Thải
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhiên liệu DME và ứng dụng trên động cơ

Dimethyl Ether (DME) là một nhiên liệu thay thế tiềm năng cho các động cơ diesel hiện đại. DME có công thức hóa học CH₃OCH₃ và được coi là giải pháp quan trọng để giảm phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm nguy hại. Nhiên liệu này có thể được sản xuất từ các nguồn tái tạo như sinh khối, than hoặc khí tự nhiên, mang lại lợi ích đáng kể cho môi trường. Động cơ DME có khả năng hoạt động với hiệu suất cao và giảm đáng kể các chất thải độc hại. Sự phát triển của công nghệ sử dụng DME trong các phương tiện vận tải đã được các nhà sản xuất lớn như Volvo và Ford quan tâm nghiêm túc. Việc nghiên cứu đặc tính làm việc và phát thải của động cơ DME là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường quốc tế.

1.1. Định nghĩa và tính chất cơ bản của DME

DME là một chất khí không màu, có tính chất tương tự như diesel về khả năng cháy. Tính chất quan trọng của DME bao gồm: độ nhạy cháy cao, hàm lượng oxygen tự nhiên 34%, không chứa lưu huỳnh, và có khối lượng phân tử thấp. Những đặc điểm này làm cho nhiên liệu DME trở thành ứng cử viên hàng đầu cho việc giảm phát thải NOx, PM và CO. DME có công suất phun tiêm cao hơn diesel, cho phép tối ưu hóa quá trình cháy trong buồng máy.

1.2. Phương pháp sản xuất và nguồn gốc

Sản xuất DME có thể thực hiện từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, bao gồm khí tự nhiên, than, và sinh khối. Quy trình sản xuất thông thường bao gồm các bước: chuyển đổi nguyên liệu thành khí tổng hợp (syngas), sau đó catal hóa để tạo thành DME. Phương pháp này đã được áp dụng thương mại ở các nước như Nhật Bản, Trung Quốc, và Thụy Điển. Điểm mạnh của quy trình sản xuất DME là giảm được các bước xử lý phức tạp so với nhiên liệu truyền thống.

II. Đặc tính làm việc của động cơ chạy nhiên liệu DME

Đặc tính làm việc của động cơ DME cho thấy những thay đổi quan trọng so với động cơ diesel truyền thống. Công suất động cơ khi sử dụng DME phụ thuộc vào góc phun sớm và tỷ lệ hỗn hợp khí-nhiên liệu. Nghiên cứu sử dụng mô hình hóa động cơ AVL 5402 cho thấy rằng hiệu suất động cơ có thể được cải thiện thông qua điều chỉnh tối ưu các thông số kỹ thuật. Tiêu hao nhiên liệu của động cơ chạy DME thường cao hơn diesel do hàm lượng năng lượng thấp hơn, nhưng có thể được bù đắp bằng các cải tiến công nghệ. Quá trình cháy trong xy lanh diễn ra nhanh hơn, dẫn đến tốc độ phát triển áp suất cao.

2.1. Công suất và hiệu suất động cơ

Khi sử dụng nhiên liệu DME, công suất động cơ có thể đạt mức tương đương với diesel ở các góc phun sớm tối ưu. Tại tốc độ 1800 vòng/phút toàn tải, công suất động cơ đạt giá trị cao nhất khi góc phun sớm điều chỉnh hợp lý. Hiệu suất nhiên liệu DME phụ thuộc many vào bộ điều khiển động cơ và cảm biến phận phân. Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc tối ưu hóa thông số điều khiển có thể nâng cao công suất 5-10% so với thiết lập mặc định.

2.2. Tiêu hao nhiên liệu và hiệu quả tổng thể

Tiêu hao nhiên liệu của động cơ DME thường cao hơn diesel từ 15-25% do hàm lượng năng lượng thấp hơn khoảng 25%. Tuy nhiên, hiệu quả năng lượng tổng thể vẫn có thể cạnh tranh nhờ vào quá trình cháy hiệu quả hơn. Việc sử dụng hệ thống common rail hiện đại giúp giảm tiêu hao và cải thiện điều khiển phun nhiên liệu chính xác. Các chiếc xe sử dụng DME từ Volvo và Ford đã chứng minh khả năng tiết kiệm năng lượng khi so sánh trên cơ sở năng lượng đầu vào.

III. Phát thải khí độc hại và tác hải môi trường

Phát thải từ động cơ DME thấp hơn đáng kể so với diesel, đặc biệt là các chất ô nhiễm chính như NOx, PM và CO. Hàm lượng oxygen tự nhiên trong DME giúp cải thiện quá trình cháy không hoàn toàn, giảm thiểu khí thải carbon monoxide. Chất thải PM (chất mịn) từ động cơ DME thường giảm 90-95% so với diesel truyền thống, đây là một bước đột phá quan trọng cho chất lượng không khí. NOx emissions cũng giảm khoảng 50-70% tùy vào điều kiện vận hành và góc phun sớm. Các tác hại từ khí xả động cơ truyền thống bao gồm gây bệnh hô hấp, tim mạch, và phát triển bệnh ung thư, trong khi DME có thể giảm đáng kể những rủi ro này.

3.1. Giảm phát thải NOx và chất mịn PM

Phát thải NOx của động cơ DME thấp hơn diesel do nhiệt độ cháy thấp hơn và chu kỳ cháy ngắn hơn. Điều này có thể đạt được thông qua điều chỉnh góc phun sớm tối ưu tại các tốc độ khác nhau (1000, 1400, 1800 vòng/phút). Hạt mịn PM gần như biến mất khi sử dụng DME vì không có các hydrocacbon nặng. Các nghiên cứu sử dụng mô hình AVL Boost cho thấy tỷ lệ giảm PM có thể đạt 90% ở các điều kiện vận hành toàn tải.

3.2. Giảm carbon monoxide và tác hại môi trường

Phát thải CO của động cơ DME giảm 40-60% so với diesel do hàm lượng oxygen tự nhiên. Điều này góp phần giảm hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm không khí đô thị. Tác hại từ các chất ô nhiễm bao gồm: NOx gây acid mưa, PM gây bệnh hô hấp, CO tạo thành O₃ tầng thấp. Động cơ DME không chứa lưu huỳnh, do đó không tạo ra SO₂ và sulfate particles. Việc sử dụng nhiên liệu DME có thể đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải Euro 6 mà không cần các hệ thống xử lý khí thải phức tạp.

IV. Tối ưu hóa và ứng dụng thực tiễn động cơ DME

Tối ưu hóa động cơ DME yêu cầu điều chỉnh chính xác các thông số kỹ thuật như góc phun sớm, tỷ lệ hỗn hợp, và nhiệt độ nạp. Các phương án sử dụng DME bao gồm: thay thế hoàn toàn diesel, dùng lưỡng nhiên liệu trên hệ thống chung, hoặc hai hệ thống song song. Hệ thống common rail của Ford Motor và Volvo đã chứng minh hiệu quả cao trong việc kiểm soát phun nhiên liệu. Mô phỏng động cơ sử dụng phần mềm AVL Boost cho phép dự đoán đặc tính làm việc và phát thải trước khi thử nghiệm thực tế. Hướng phát triển tương lai bao gồm tối ưu hóa hệ thống phun tiêm để tăng hiệu suất và giảm phát thải thêm nữa.

4.1. Điều chỉnh góc phun sớm tối ưu

Góc phun sớm tối ưu thay đổi theo tốc độ động cơ: tại 1000 rpm cần góc sớm nhất, tại 1400 rpm điều chỉnh trung bình, và tại 1800 rpm góc phun sớm ít hơn. Việc tối ưu hóa góc phun giúp cân bằng giữa công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải. Các đồ thị từ nghiên cứu cho thấy hiệu suất tối đa đạt được ở một vùng tối ưu cụ thể. Mô hình hóa động cơ cho phép tính toán tỷ lệ mol CO và dự đoán chính xác phát thải.

4.2. Ứng dụng trong phương tiện vận tải thương mại

Động cơ DME đã được thử nghiệm trên xe buýt, xe tải, và các phương tiện nặng khác. Các thử nghiệm thực tế tại Nhật Bản, Thụy Điển, và Mỹ cho thấy khả năng vận hành ổn định và phát thải thấp. Xe chở nhiên liệu DME cần có hệ thống bảo quản đặc biệt vì DME dễ bay hơi. Các hãng như Volvo đã phát triển hệ thống đặc biệt để lưu trữ và phun DME an toàn. Ứng dụng thương mại sắp tới sẽ mở rộng sang nhiều nước khác nhằm giảm phát thải khí thải đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI NGUYÊN QUANG ĐẠO. SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA NGHIÊN CỨU DAC TINH LAM VIEC VA PHAT THAI CUA DONG CO CHAY NHIEN LIEU DIMETHYL ETHER (DME) CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. TRẢN THỊ THU HƯƠNG Hà Nội — Năm 2014 Luận văn thạc sĩ kỹ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài của riêng tôi và các kết qua trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Hà Nội, tháng - năm 2014 Học viên Nguyễn Quang Đạo HV: Nguyén Quang Đạo 0 MSHV: CA120118 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC DANH MỤC CAC BANG BIEU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỎ THỊ.

TONG QUAN VE DE TAI NGHIEN CUU. Chuong 1: TONG QUAN VE NHIEN LIEU DIMETHYL ETHER.1 Khí xả động cơ và lý thuyết hình thành các chất gây ô nhiễm trong khí xả động cơ ¬ cước h¬ 1.2 Tác hại của các chất độc hại từ khí xả động cơ 13 1.13 Giải pháp ô tô sạch.14 Mục đích và ý nghĩa nghiên cứu nhiên liêu thay thế 19 1.2 Nhiên liêu Dimethy] ether (DME).1 Tính chất của DME.2 Sản xuất DME.3 Tình hình sử dụng DME hiện nay. ae ere) Chương II. CÁC PHUONG AN SU DUNG DME TREN DONG CO.1 Một số nghiên cứu về nhiên liêu DME trên thế giới omens 2.2 Các khả năng sử dụng DME HN ¬ 2.1 Khả năng thay thế hoàn toàn nhiên liệu Diesel.2 Khả năng dùng lưỡng nhiên liệu trên cùng một hệ thống nhiên liéu.3 Khả năng dùng lưỡng nhiên liệu diesel + DME với hai hệ thống nhiên liệu song song.4 Đánh giá các khả năng sử dụng DME - Chương 3: MO PHONG DONG CO SU DỤNG NHIÊN LIỆU DME HV: Nguyén Quang Dao 1 MSHV: CA120118 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VA DO THI Hình 1.1 Ô tô chạy bằng nhiên liệu dầu thực vật ở Pháp.2 Sơ đồ quy trình sản xuất DME.

Bếp đun dùng nhiên liệu DME Hình 1.4 Một số ôtô dùng động cơ nhiên liệu DME.5 Xe chở nhiên liệu DME.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sử dụng nhiên liệu DME.2 Sơ đồ hệ thông nhiên liệu DME hiện đại của hãng Volvo.3 Động cơ sử dụng hệ thống common rail của Ford Motor Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu.5 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu.1 Giao diện phần mềm AVL Boost.2 Mặt cắt dọc, mặt cắt ngang động cơ AVL 5402.3 Mô hình động co AVL-5402 trén AVL Boost Hình 3.4: Tỷ lệ mol CO dự đoán: hàm lượng CO cân bằng và CO động học (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải, A/F = 12,6).5: Tỷ lệ mol dự đoán của CO theo hảm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải) Hình 3. Kiểm chuẩn áp suất buồng cháy Hình 4.1 Công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu DME và diesel.2 Suit tiêu hao nhiên liệu của động cơ.3 Phát thải CO của động cơ chạy nhiên liệu DME và diesel.4 So sánh phát thải NOx của nhiên liệu DME với diesel .5 So sánh phát thải PM của nhiên liệu DME với diesel.6 Đồ thị góc phun sớm tối ưu tại tốc độ 1000 vòng/ phút.7 Đồ thị góc phun sớm tối ưu tại tốc độ 1400 vòng/ phút.8 Đồ thị góc phun sớm tối ưu tại tốc độ 1800 vòng/phút. HV: Nguyễn Quang Đạo 4 MSHV: CA120118 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU Bang 1.1 Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyền .2 Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (%).3 Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mỹ (%).4 Tính chất của DME so sánh với diesel.5 Các bộ phận quy trình sản xuất DME Bang 3.1: Thông số kỹ thuật ộng cơ AVL§402.2 Các phần tử để hoàn Bảng 3. Các thông số điều khiển chung của động cơ AVL 5402 Bảng 4.1 Các thông số tính năng của động cơ.2 Các thành phần phát thải độc hạ Bang 4.3 Công suất động cơ thay đổi theo góc phun sớm.

HV: Nguyễn Quang Đạo 3 MSHV: CA120118 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3.1 Tổng quan về phần mềm AVL Boost.1 Giới thiệu chung.2 Tính năng cơ bản.- tuyên nee exec 3.3 Tính năng áp dụng.4 Giao diện của phần mém AVL TU ÔỂT uoao nong HE 0L00021600149000s06 39 3.3 Thiết lập mô phỏng.1 Xây dựng mô hình.2 Mô hình cháy. #iitãtišgištjSãiš8sSñ ‘i ¬— 4B 3.3 Mô hình truyền nhiệt,.4 Quá trình hình thành phát thải.5 Kiểm chứng mô hìn .6 Nhập dữ liệu cho mô hình.7 Các chế độ mô phỏng. KẾT QUÁ VẢ THẢO LUẬN.1 Tính năng làm việc của động cơ.2 Các thành phần phát thải độc hại.3 Điều chỉnh góc phun sớm tối ưu.1 Điều chỉnh góc phun sớm " re .2 Tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xy lanh. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CUA DE TAL TÀI LIỆU THAM KHẢO HV: Nguyén Quang Đạo 2 MSHV: CA120118 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VA DO THI Hình 1.1 Ô tô chạy bằng nhiên liệu dầu thực vật ở Pháp.2 Sơ đồ quy trình sản xuất DME.

Bếp đun dùng nhiên liệu DME Hình 1.4 Một số ôtô dùng động cơ nhiên liệu DME.5 Xe chở nhiên liệu DME.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sử dụng nhiên liệu DME.2 Sơ đồ hệ thông nhiên liệu DME hiện đại của hãng Volvo.3 Động cơ sử dụng hệ thống common rail của Ford Motor Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu.5 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu.1 Giao diện phần mềm AVL Boost.2 Mặt cắt dọc, mặt cắt ngang động cơ AVL 5402.3 Mô hình động co AVL-5402 trén AVL Boost Hình 3.4: Tỷ lệ mol CO dự đoán: hàm lượng CO cân bằng và CO động học (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải, A/F = 12,6).5: Tỷ lệ mol dự đoán của CO theo hảm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải) Hình 3. Kiểm chuẩn áp suất buồng cháy Hình 4.1 Công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu DME và diesel.2 Suit tiêu hao nhiên liệu của động cơ.3 Phát thải CO của động cơ chạy nhiên liệu DME và diesel.4 So sánh phát thải NOx của nhiên liệu DME với diesel .5 So sánh phát thải PM của nhiên liệu DME với diesel.6 Đồ thị góc phun sớm tối ưu tại tốc độ 1000 vòng/ phút.7 Đồ thị góc phun sớm tối ưu tại tốc độ 1400 vòng/ phút.8 Đồ thị góc phun sớm tối ưu tại tốc độ 1800 vòng/phút. HV: Nguyễn Quang Đạo 4 MSHV: CA120118 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật MO DAU Trong những năm gân đây, củng với sự triển mạnh mẽ vẻ kinh tế, xã hội, thẻ giới cũng đang đổi mặt với nhiều khỏ khăn thức thách. Nguôn nhiên liệu hoa thạch vốn cỏ hạn, đang ngày cảng cạn kiệt.

Giá dầu mỏ ngảy cảng tăng cao, ảnh hưởng đến đời sống vả nền kinh tế toàn thể giới. Bên cạnh đỏ cả thế giới cũng đang đối mặt với vân đề ô nhiễm môi trường sống do phát thải gây ra ngày càng báo động. Các loại khi độc hại như NO,, CO;, SO¿.phát thải từ các phương tiện giao thông, các khu công nghiệp, cae nha may, cơ sở dịch vụ đang lam 6 nhiém khéng khi và bầu khí quyền. Chỉnh vì điều này da dat ra van dé cho các nhà khoa học, là phải nỗ lực tìm ra nguồn nhiên liệu thay thể, nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường.

Nhiên liệu thay thể từ lâu đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của nhiều nhả khoa học trên thể giới, bởi những lợi ich cũng như bảo đảm an ninh năng lượng và đáp ứng được các yêu câu về môi trường. Trong số các nhiên liệu thay thẻ, thì DME cũng rất được quan tâm vì sạch và có nhiều ứng dụng quan trọng như sử dụng làm chất đốt trong dân dụng và công nghiệp thay thế cho LPG hay khí thiên nhiên NG, làm nhiên liệu thay thế cho diesel và một số ứng dụng khác. Hơn nữa, DME có khả nang thay thé cho diesel trén déng cơ cháy do nén nhờ trị số cetane cao. DME có thể được sản xuất từ nhiêu nguồn khác nhau như nhiên liệu góc hoá thạch, than đá, khi thiên nhiên và sinh khôi.

Cải thiện khả năng sử dụng các nguồn năng lượng mới vả giảm các phát thải độc hại là mục tiêu chính của các nhà khoa học. Ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu vẻ nhiên liệu thay thể. Tuy nhiên đề đưa được các nhiên liệu thay thẻ vào trong thực tế cần phải cỏ những nghiên cứu đẻ đánh giả các đặc tỉnh công suất, tiêu hao nhiên liệu, và phát thải của động cơ. Chính vỉ những ý nghĩa thực tiễn trên mả tôi chọn đề tải “Sứ dựng phương pháp mô hình hoá nghiên cứu đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy nhiên ligu dimethyl ether (DME)”.

Dưới sự hướng dẫn tận tinh cia TS Tran Thi Thu Hương củng với sự giúp đỡ của các thầy cô bộ môn Động cơ dot trong va Phòng thi nghiệm động co dot trong em đã hoàn thành luận văn này. Mặc dù có nhiều cỗ gắng nhưng do kiến thức HV: Nguyén Quang Đạo 6 MSHV: CA120118 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật TONG QUAN VE DE TAI NGHIEN CUU 1. Mục đích của đề tài. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong của Việt Nam và các nước trên thế giới ngảy cảng tăng, trong khi nguồn nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt, Vẫn để về ô nhiễm môi trường do phát thải gây ra ngày cảng bao động ảnh hưởng trực tiếp tới đời sông, sức khoẻ của mọi người trong xã hội.

Vì vậy con người cần tìm ra nguồn năng lượng mới thay thẻ nhiên liệu hoá thạch. Xuất phát từ nhu cảu thực tién va cap bách đỏ, các nhà khoa học, các công ty, tập đoàn, chính phủ các nước đây mạnh nghiên cứu và đưa vào sử dụng các loại nhiên liêu thay thẻ cho động cơ đốt trong nhằm giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch, giảm sự ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc giữa các nước với nhau trong việc cung cấp nhiên liệu hoá thạch phục vụ sinh hoạt vả sản xuất. Tuy nhiên, đẻ những nhiên liệu thay thể được đưa vảo thực tế cần cỏ những nghiên cứu cụ thể đánh gia được các công suất, mức tiêu hao nhiên liệu vả phát thải của động cơ chạy bằng nhiên liêu thay thế đỏ. Dimethyl ether (DME) là một trong những loại nhiên liệu có khả năng thay thế cho nhiên liệu diesel và cỏ thể sản xuất từ các nguồn sinh khỏi.