Luận văn: Phun ethanol đường nạp động cơ Diesel-Ethanol - Hoàng Tuấn Hải

Nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của các thông số phun ethanol trong quá trình thí nghiệm. Phân tích tác động đến hiệu suất và kết quả nghiên cứu khoa học.

• Tác giả: Hoàng Tuấn Hải
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trung Kiên
• Trường học: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng thông số phun ethanol đến động cơ diesel
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng thông số phun ethanol

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun ethanol vào đường nạp là đề tài khoa học quan trọng trong lĩnh vực động cơ đốt trong. Ethanol, một loại nhiên liệu sinh học tái tạo, được đánh giá cao nhờ khả năng giảm phát thải độc hại và cải thiện hiệu suất động cơ. Khi phun ethanol vào đường nạp, các thông số như tỷ lệ phun, áp suất phun, góc phun sớm và nhiệt độ môi chất có tác động trực tiếp đến quá trình cháy, công suất động cơ và mức độ phát thải. Việc tối ưu hóa các thông số này giúp cân bằng giữa hiệu suất động cơ, tiêu hao nhiên liệu và tác động môi trường. Các nghiên cứu trước đây cho thấy ethanol có thể thay thế một phần diesel trong động cơ lưỡng nhiên liệu, mang lại lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể.

1.1. Vai trò của ethanol trong nhiên liệu sinh học

Ethanol được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo như ngô, mía đường hoặc phụ phẩm nông nghiệp, giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Khác với xăng, ethanol có trị số octan cao, nhiệt trị thấp hơn nhưng khả năng chống kích nổ tốt, phù hợp cho động cơ diesel khi sử dụng công nghệ phun bổ sung. Khi phun vào đường nạp, ethanol giúp tăng tốc độ cháy, giảm nhiệt độ cháy cục bộ và hạn chế hình thành muội than. Ngoài ra, ethanol còn có khả năng giảm phát thải NOx và CO nhờ đặc tính bay hơi nhanh và nhiệt độ ngọn lửa thấp hơn so với diesel nguyên chất.

1.2. Tình hình nghiên cứu ethanol trong động cơ diesel

Trên thế giới, nhiều quốc gia đã triển khai nghiên cứu ethanol trong động cơ diesel, đặc biệt tại Mỹ, Brazil và châu Âu nơi ethanol được sản xuất với quy mô lớn. Tại Việt Nam, các nghiên cứu còn hạn chế do thiếu nguồn nguyên liệu ổn định và cơ sở hạ tầng sản xuất. Các công trình nghiên cứu trong nước tập trung vào đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol đến hiệu suất động cơ, phát thải và độ ổn định vận hành. Kết quả bước đầu cho thấy ethanol có thể thay thế 10-20% diesel mà không ảnh hưởng đáng kể đến công suất, nhưng cần tối ưu hóa các thông số phun để tránh hiện tượng kích nổ hoặc giảm hiệu suất.

II. Phân tích vấn đề ảnh hưởng thông số phun ethanol

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun ethanol đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế. Các vấn đề chính bao gồm sự không đồng nhất trong quá trình phun do đặc tính bay hơi của ethanol, sự thay đổi nhiệt trị hỗn hợp nhiên liệu, và nguy cơ ăn mòn các chi tiết động cơ do tính chất hóa học của ethanol. Ngoài ra, áp suất phun ethanol thấp hơn diesel dẫn đến khả năng phân tán kém, ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn nhiên liệu-không khí. Một thách thức khác là sự phụ thuộc của hiệu suất động cơ vào điều kiện vận hành, khiến việc xác định thông số phun tối ưu trở nên phức tạp. Các nghiên cứu trước đây chưa thống nhất về phạm vi tỷ lệ ethanol tối ưu do khác biệt trong cấu hình động cơ và điều kiện thử nghiệm.

2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ phun ethanol

Tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải. Khi tỷ lệ ethanol tăng lên, nhiệt trị hỗn hợp giảm, dẫn đến giảm công suất động cơ nếu không điều chỉnh kịp thời. Tuy nhiên, ethanol giúp giảm phát thải NOx và muội than nhờ khả năng làm mát môi chất nạp và tăng tốc độ cháy. Các nghiên cứu cho thấy tỷ lệ ethanol từ 10% đến 30% có thể tối ưu hóa hiệu suất mà không gây hại cho động cơ, nhưng tỷ lệ vượt quá 30% có thể gây ra hiện tượng kích nổ hoặc giảm đáng kể công suất.

2.2. Ảnh hưởng của áp suất và góc phun sớm

Áp suất phun ethanol thấp hơn diesel dẫn đến khả năng phân tán nhiên liệu kém, ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn nhiên liệu-không khí. Áp suất phun càng cao, ethanol càng được phân tán tốt hơn, cải thiện hiệu suất cháy. Góc phun sớm cũng đóng vai trò quan trọng: phun sớm quá mức có thể gây kích nổ, trong khi phun trễ dẫn đến cháy không hoàn toàn. Các nghiên cứu sử dụng mô phỏng CFD chỉ ra rằng góc phun sớm từ 10° đến 20° trước Điểm Chết Trên (ĐCT) tối ưu hóa quá trình cháy, giảm phát thải và cải thiện hiệu suất nhiên liệu.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng thông số phun ethanol

Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun ethanol bao gồm thực nghiệm trên động cơ thử nghiệm và mô phỏng số. Động cơ thử nghiệm được trang bị hệ thống phun bổ sung ethanol, cảm biến đo áp suất trong xi-lanh, nhiệt kế và thiết bị phân tích khí thải. Các thông số phun như áp suất, góc phun sớm, tỷ lệ ethanol được điều chỉnh theo kế hoạch thử nghiệm. Mô phỏng số sử dụng phần mềm AVL Fire hoặc ANSYS Fluent để mô phỏng quá trình cháy, phân tích sự phân bố nhiên liệu và nhiệt độ trong buồng đốt. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng được so sánh để xác nhận tính chính xác của mô hình. Ngoài ra, phương pháp thống kê được áp dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thông số đến các chỉ tiêu công tác của động cơ.

3.1. Thiết lập động cơ thử nghiệm

Động cơ thử nghiệm được chọn là loại động cơ diesel bốn kỳ, có dung tích 1.5L, công suất 40 kW. Hệ thống phun ethanol được lắp bổ sung vào đường nạp, bao gồm bơm cao áp, kim phun và bộ điều khiển điện tử. Các cảm biến đo áp suất, nhiệt độ và lưu lượng nhiên liệu được kết nối với hệ thống thu thập dữ liệu. Động cơ được vận hành ở các chế độ tải khác nhau (25%, 50%, 75%, 100%) để đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến hiệu suất. Nhiệt độ môi chất nạp được điều chỉnh bằng bộ trao đổi nhiệt để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình cháy.

3.2. Mô hình hóa quá trình cháy

Mô hình hóa quá trình cháy sử dụng phương pháp Vibe mở rộng để mô tả sự cháy của hỗn hợp diesel-ethanol. Phương trình đặc tính cháy được xây dựng dựa trên các thông số như góc phun sớm, tỷ lệ ethanol và điều kiện môi chất nạp. Mô hình Woschni được áp dụng để tính toán trao đổi nhiệt giữa khí cháy và thành vách xi-lanh. Các thông số đầu vào bao gồm áp suất nén, nhiệt độ môi chất nạp, tỷ lệ không khí-nhiên liệu và đặc tính nhiên liệu. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để hiệu chỉnh mô hình, đảm bảo độ tin cậy của dự đoán.

IV. Kết luận và ứng dụng nghiên cứu ethanol

Nghiên cứu đã chứng minh ethanol có tiềm năng lớn trong cải thiện hiệu suất và giảm phát thải của động cơ diesel khi được phun vào đường nạp. Các thông số phun ethanol như tỷ lệ, áp suất và góc phun sớm có ảnh hưởng đáng kể đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng chỉ ra rằng tỷ lệ ethanol từ 10% đến 20% kết hợp với góc phun sớm 15° trước ĐCT mang lại hiệu suất tối ưu. Áp suất phun ethanol nên được duy trì ở mức 1.2-1.5 MPa để đảm bảo phân tán nhiên liệu tốt. Ứng dụng ethanol trong động cơ diesel không chỉ giúp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững toàn cầu.

4.1. Kết luận chính từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã xác định được phạm vi thông số phun ethanol tối ưu cho động cơ diesel, bao gồm tỷ lệ ethanol 10-20%, áp suất phun 1.2-1.5 MPa và góc phun sớm 15° trước ĐCT. Ethanol giúp giảm phát thải NOx và muội than lần lượt 15-20% và 30-40% so với diesel nguyên chất. Tuy nhiên, việc tăng tỷ lệ ethanol vượt quá 30% dẫn đến giảm công suất động cơ do nhiệt trị thấp của ethanol. Kết quả cũng chỉ ra rằng nhiệt độ môi chất nạp ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cháy, nhiệt độ càng cao càng cải thiện hiệu suất nhưng cũng làm tăng phát thải NOx.

4.2. Hướng ứng dụng trong thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trong thiết kế hệ thống phun bổ sung ethanol cho động cơ diesel hiện hữu. Các nhà sản xuất động cơ có thể tích hợp hệ thống điều khiển điện tử để tự động điều chỉnh tỷ lệ ethanol dựa trên điều kiện vận hành. Ngoài ra, ethanol có thể được sản xuất từ nguồn nguyên liệu địa phương tại Việt Nam như sắn hoặc mía đường, giảm chi phí nhập khẩu nhiên liệu hóa thạch. Chính phủ cần có chính sách khuyến khích sử dụng nhiên liệu sinh học, bao gồm trợ giá và tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng về lợi ích môi trường của ethanol.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt.

Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên. Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn.

Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam. Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 6 ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong. Tổng quan về nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [4].

NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Methanol, Ethanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau: * Ưu điểm: + Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. + Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…).

* Nhược điểm: - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọa tới an ninh lương thực. - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 7 - Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose - có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao. - NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ bị biến tính phân hủy theo thời gian).

Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ [4]: - NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ động vật, dầu thực vật,… - NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose. Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa.

- NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5 ÷ 300 lần để sản xuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 ÷ 2 lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 ÷ 10 ngày tùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể. Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch. Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể tên như sau: - Bioethanol; - Biodiesel; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.

Trong đó bio-ethanol (gọi tắt là ethanol) được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc. Ethanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng ethanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp. Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới.

Ethanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như ngô, khoai tây, củ cải đường… Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu để chế tạo ra cồn ethanol. Ở Brazil thì ethanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì ethanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm.

Ngoài ra ethanol còn có thể được sản xuất từ gỗ. Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Nhiên liệu ethanol 1. Tính chất vật lý của ethanol Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan vô hạn trong nước.

Sở dĩ ethanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 9 Một số tính chất vật lý thể hiện trong bảng 1. Tính chất vật lý của ethanol TT Tính chất Giá trị 1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O 2 Phân tử gam 46,07 g/mol 3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt dễ cháy 4 Tỷ trọng 0,789 5 Độ nhớt 1,2 cP ở 20oC 6 Độ tan trong nước Tan hoàn toàn 7 Nhiệt độ sôi 78,4oC (351,6 K) 8 Nhiệt độ tan 158,8 K (-114,3 oC) 9 Điểm tới hạn 514 K 10 pH 7,0 (trung tính) 11 Cp 65,21 J/mol.K Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, 12 Tác động cấp tính ngừng thở trong trường hợp nặng 13 Tác động kinh niên Nghiện, xơ gan 14 Nhiệt độ tự cháy 425 oC 15 Mật độ giới hạn nổ 3,5 ÷ 15% 1. Công nghệ sản xuất ethanol  Phương pháp hydrat hóa etylen Cho etylen hợp nước ở 300 0C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit: CH2 = CH2 + H2O  CH3-CH2-OH Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất có độ xốp cao như diatomit hay than củi.

Chất xúc tác này được công ty Shell sử dụng để sản xuất ethanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 10 Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại axit: CH2 = CH2 + H2SO4  CH3-CH2OSO3H CH3-CH2OSO3H + H2O  CH3-CH2-OH + H2SO4 Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại như: methanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê. Ethanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 ÷ 1987 [4].

 Công nghệ lên men sản xuất ethanol Ethanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.