Tổng quan luận án

Tên luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tương thích vật liệu động cơ diesel

Tác giả: Nguyễn Hữu Tuấn | Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hữu Tuyến | Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội | Năm bảo vệ: 2020 | Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực (Mã số: 9520116)

Hướng tiếp cận: Định lượng — kết hợp mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng và thực nghiệm đo đạc trong phòng thí nghiệm (PTN) cùng thử nghiệm hiện trường.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo dự báo của Wood Mackenzie, tổng nhu cầu sản phẩm dầu tại khu vực châu Á – Thái Bình Dương tăng trung bình 1,6%/năm giai đoạn 2015–2035. Tại Việt Nam, tỷ lệ diesel trong cơ cấu tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch chiếm 38% năm 2015 và dự báo lên 42% vào năm 2035. Động cơ diesel, mặc dù có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, vẫn là nguồn phát thải đáng kể các chất độc hại (CO, HC, NOx, PM) gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng sức khỏe cộng đồng.

Ba hướng giải quyết vấn đề này bao gồm: (1) cải tiến kết cấu động cơ (EGR, tăng áp, Common Rail, HCCI), (2) xử lý khí thải sau (DOC, DPF, SCR), và (3) can thiệp vào nhiên liệu. Hai hướng đầu đi kèm chi phí cao và thường không phù hợp với động cơ cũ đang lưu hành. Hướng phụ gia nhiên liệu có lợi thế là tỷ lệ pha trộn nhỏ, không cần thay đổi kết cấu động cơ, chi phí đầu tư thấp. Tuy nhiên, hầu hết phụ gia hiện hành tại Việt Nam được nhập khẩu; đồng thời các nghiên cứu trong nước và quốc tế còn tập trung vào phụ gia đơn chức năng (chỉ vi nhũ nước trong dầu, hoặc chỉ nano oxit kim loại), chưa có đánh giá toàn diện về loại phụ gia kết hợp cả hai cơ chế được chế tạo trong điều kiện Việt Nam.

Luận án được thực hiện trong khuôn khổ phối hợp nghiên cứu giữa Viện Cơ khí Động lực (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) và Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, thuộc đề tài độc lập cấp Nhà nước mã số ĐTĐLCN, do TS. Vũ Thị Thu Hà chủ nhiệm.

Mục đích nghiên cứu

Luận án xác định ba mục đích chính:

  1. Nghiên cứu đề xuất tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới phù hợp với nhiên liệu diesel đang lưu hành (DO) và bước đầu đánh giá với nhiên liệu biodiesel B5.
  2. Đánh giá khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel với nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới.
  3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động cơ diesel đang lưu hành; qua đó đánh giá hiệu quả và khả năng sử dụng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

  • Phụ gia vi nhũ thế hệ mới do Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam chế tạo — dạng vi nhũ nước trong dầu (W/O), thành phần gồm chất hoạt động bề mặt (HĐBM) 10,3%, nước 20%, nano oxit sắt 220 ppm.
  • Nhiên liệu diesel khoáng (DO) và nhiên liệu B5 (95% diesel + 5% biodiesel).
  • Động cơ thử nghiệm trong PTN: động cơ diesel D4BB của Hyundai.
  • Thử nghiệm hiện trường: xe ô tô tải CAT 769D (hãng Caterpillar, Mỹ), sử dụng động cơ CAT 3408E, 4 kỳ, 8 xy lanh, công suất 386 kW.

Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện tại các chế độ ổn định; nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia tới vật liệu chi tiết trong hệ thống nhiên liệu; thử nghiệm hiện trường đo tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tĩnh và động, đo phát thải ở chế độ tĩnh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước mà tác giả điểm lại

Nhóm nghiên cứu phụ gia vi nhũ nước trong dầu (W/O):

  • Bidita và cộng sự [15] điều chế vi nhũ W/O bằng phương pháp nhũ hóa năng lượng cao với chất HĐBM Triton X-100 (0,25–0,4% thể tích), hàm lượng nước 0,50–0,90%, thu được kích thước giọt 17–400 nm, bền trong 16 ngày.
  • Abu-Zaid và cộng sự [23] thử nghiệm trên động cơ diesel PETTER PHIW một xy lanh ở dải tốc độ 1200–3300 vòng/phút với các tỷ lệ nước 0%, 5%, 10%, 15%, 20%; ghi nhận hiệu suất nhiệt tăng trung bình 3,5% và suất tiêu hao nhiên liệu giảm tối đa 15% khi dùng hỗn hợp chứa 20% nước.
  • Kannan và cộng sự thử nghiệm trên động cơ 4 kỳ 1 xy lanh, 1500 vòng/phút, áp suất phun 200 bar; phát thải NOx giảm 10% và 25% tương ứng với hàm lượng nước 10% và 20%.
  • Al-Sabagh và cộng sự [22] chế tạo nhiên liệu nhũ tương với hàm lượng nước 5%, 10%, 14%; kích thước giọt từ 19,3–39 nm; kết quả NOx thấp hơn và CO2 cao hơn so với diesel thương mại.
  • Nghiên cứu về vi nhũ ethanol/diesel từ Đỗ Huy Thanh và cộng sự [34] (Việt Nam) ghi nhận CO2 và NOx giảm 2,1–26,85% và 4,3–29,9% nhưng nhiệt độ chớp cháy giảm mạnh từ 71°C xuống khoảng 30°C.

Nhóm nghiên cứu phụ gia nano oxit kim loại:

  • Ali Keskin và cộng sự [26] nghiên cứu phức kim loại Ni, Pd (PdL2 và NiL2) pha 50–100 ppm vào diesel; suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình 1,29–3,28%, tối đa 7,75% ở 1600 vòng/phút.
  • Ali Keskin và cộng sự [27] nghiên cứu phụ gia kim loại từ axit abietic với MnO2 hoặc MgO ở tỷ lệ 8 và 16 mol/lít; suất tiêu hao nhiên liệu giảm tối đa 4,16%, CO và muội giảm 16,35% và 29,82%, nhưng NOx tăng.
  • Shafii và cộng sự [28] dùng phụ gia nano Fe3O4 trong nước, bọc bởi dung dịch tetra metyl ammoni hydroxit; suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 11%, NOx giảm nhưng CO tăng.
  • Abdulali Farzad và cộng sự [29] thử nghiệm phụ gia nano oxit sắt ở tỷ lệ 0,4% và 0,8% thể tích trên động cơ 2200 vòng/phút; suất tiêu hao nhiên liệu và NOx, SO2 giảm, nhưng CO và độ khói tăng.
  • Bidita và cộng sự [21] nghiên cứu phụ gia CeO2 (80 ppm) kết hợp vi nhũ W/O trên động cơ 2,2 kW, 2600 vòng/phút, 50% công suất; ghi nhận suất tiêu hao nhiên liệu, nhiệt độ khí thải, CO2, NH3 và NO đều thấp hơn.

Nghiên cứu tại Việt Nam:

  • Phan Minh Tân và cộng sự [33] nghiên cứu nhiên liệu nhũ tương nước trong diesel 0,05%S với hàm lượng nước 15–20%; kích thước hạt nhũ từ 2–4 µm; tiết kiệm trên dưới 10% nhiên liệu.
  • Cù Huy Thành (2010, Học viện kỹ thuật quân sự) dùng phụ gia nano CeO2 (4–6 ppm); suất tiêu hao nhiên liệu giảm tới 7%, NOx giảm 22,26%, HC giảm 34,61%, CO giảm 28%.
  • Trần Thị Như Mai và cộng sự (2011) tổng hợp nano CeO2 kích thước 5 nm làm phụ gia diesel; CO, HC, độ khói và tiêu hao nhiên liệu đều giảm, nhưng NOx tăng [36].
  • Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu (2013) [37] thử nghiệm phụ gia nano oxit sắt cho diesel: tiết kiệm 6,09% nhiên liệu, HC giảm 8,8%, CO giảm 9,94%, muội giảm 20,42%.
  • Báo cáo Tổng công ty xi măng Việt Nam — Bộ Công thương [38]: ở tốc độ 1400 và 1600 vòng/phút, công suất tăng 2,29% và 3,27%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,24% và 3,17%, CO giảm 7,49% và 12,23%, độ khói giảm 6,5% và 2,14%.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các nghiên cứu trước hoặc khảo sát phụ gia đơn lẻ (chỉ W/O hoặc chỉ nano oxit kim loại), hoặc dùng tỷ lệ pha trộn lớn, kích thước hạt nhũ lớn và kém bền. Đặc biệt chưa có nghiên cứu nào tại Việt Nam đánh giá toàn diện, theo chuỗi đầy đủ từ mô phỏng → PTN → hiện trường đối với phụ gia kết hợp vi nhũ W/O và nano oxit sắt (phụ gia vi nhũ thế hệ mới) được chế tạo trong nước. Vấn đề tương thích vật liệu chi tiết hệ thống nhiên liệu với loại phụ gia này cũng chưa được khảo sát.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và khung phân tích

Luận án vận dụng hai cơ chế lý thuyết chính:

  1. Cơ chế vi nổ (micro-explosion) của phụ gia vi nhũ nước trong dầu (W/O): các giọt nước kích thước nano trong nhiên liệu hóa hơi ở điều kiện quá nhiệt trong buồng đốt, tạo ra sự phá vỡ thứ cấp giọt nhiên liệu, cải thiện quá trình nguyên tử hóa và hòa trộn không khí – nhiên liệu, qua đó nâng cao hiệu quả cháy.
  2. Cơ chế xúc tác của nano oxit sắt: các hạt nano kích thước cỡ nm làm tăng diện tích bề mặt phản ứng, xúc tác cho quá trình oxy hóa các hydrocacbon, cung cấp thêm oxy, qua đó hỗ trợ cháy hoàn toàn hơn.

Phụ gia vi nhũ thế hệ mới kết hợp đồng thời cả hai cơ chế trên, với chất HĐBM là hỗn hợp ethoxylated từ dầu dừa/Hydroxyethyl imidazoline/polyethylen glycol este của axit béo theo tỉ lệ 3/2/1.

Về mô phỏng, luận án sử dụng các mô hình lý thuyết trong phần mềm AVL–Boost bao gồm: phương trình nhiệt động học thứ nhất, mô hình cháy MCC (Mixing Controlled Combustion), mô hình truyền nhiệt trong xy lanh, mô hình tính phát thải NOx (theo phương trình Zeldovich), mô hình tính bồ hóng (Soot) và phát thải CO, mô hình nạp thải và lọt khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết (mô phỏng số):

  • Xây dựng mô hình động cơ D4BB trên phần mềm AVL–Boost.
  • Đầu vào mô hình gồm lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình xác định từ thực nghiệm và các thông số điều chỉnh theo từng tỷ lệ pha phụ gia.
  • Đánh giá độ chính xác mô hình bằng cách so sánh kết quả công suất (Ne), suất tiêu hao nhiên liệu (ge), áp suất xy lanh và các phát thải giữa mô phỏng và thực nghiệm.

Nghiên cứu thực nghiệm:

  • Đánh giá tương thích vật liệu: Ngâm chi tiết (gioăng làm kín, piston bơm cao áp, v.v.) trong nhiên liệu pha phụ gia theo tiến trình thời gian quy định; đánh giá ngoại quan, cấu trúc tế vi (kính hiển vi điện tử), và sự thay đổi khối lượng chi tiết.
  • Thử nghiệm động cơ trong PTN: Động cơ D4BB được thử nghiệm theo đặc tính ngoài và đặc tính tải trên băng thử ETB. Thiết bị đo phát thải: tủ phân tích khí thải CEBII; đo số hạt PM bằng bộ đếm hạt DiSCmini. Các nhiên liệu thử nghiệm gồm DO, DO-phụ gia ở nhiều tỷ lệ phối trộn (để chọn tỷ lệ tối ưu), B5 và B5-phụ gia.
  • Thử nghiệm hiện trường: Thực hiện trên xe CAT 769D, đo tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tĩnh và chế độ động trên tuyến đường thực tế; đo phát thải ở chế độ tĩnh.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Dữ liệu thực nghiệm đo trực tiếp tại Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; dữ liệu thử nghiệm hiện trường tại công trường vận hành xe CAT 769D; kết quả phân tích chất lượng nhiên liệu và đánh giá tương thích vật liệu thực hiện phối hợp với Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về phụ gia cho nhiên liệu diesel

Chương này thiết lập bối cảnh lý thuyết và tổng quan tài liệu. Tác giả trình bày các chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu diesel theo QCVN 01:2015/BKHCN (trị số cetan tối thiểu 46–50 theo mức 2–4, độ nhớt động học tại 40°C: 2,0–4,5 mm²/s, hàm lượng nước tối đa 200 mg/kg), chỉ tiêu nhiên liệu B5 (FAME 4–5% thể tích, độ ổn định oxy hóa tối đa 25 mg/100 ml), và so sánh với tiêu chuẩn EN 14214 và ASTM D6751 của Châu Âu và Mỹ.

Tác giả phân loại các nhóm phụ gia nhiên liệu (cải thiện tính chất cháy, ổn định bảo quản, giảm ăn mòn, cải thiện hoạt động ở nhiệt độ thấp) và tập trung phân tích hai loại phụ gia đa chức năng: phụ gia vi nhũ W/O và phụ gia nano oxit kim loại. Luận án đề xuất khái niệm phụ gia vi nhũ thế hệ mới là sự kết hợp của cả hai, hoạt động theo cơ chế vi nổ và cơ chế xúc tác đồng thời. Sơ đồ khối pha trộn nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới được trình bày với ba thành phần đầu vào: phụ gia vi nhũ nước trong dầu, phụ gia nano oxit kim loại, và diesel.

Phần tổng quan tài liệu điểm qua các công trình quốc tế và trong nước (từ năm 1976 đến 2016), rút ra kết luận rằng phụ gia đơn lẻ còn tồn tại hạn chế: kích thước hạt nhũ lớn, tỷ lệ pha trộn cao, một số trường hợp NOx tăng, và chưa có sản phẩm chế tạo trong nước.

Chương 2: Phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam và ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới một số chi tiết của động cơ

Chương này trình bày quy trình chế tạo, lựa chọn tỷ lệ thành phần và kết quả đánh giá tương thích vật liệu.

Về chế tạo phụ gia vi nhũ nước trong dầu: Chất HĐBM là hỗn hợp ethoxylated từ dầu dừa/Hydroxyethyl imidazoline/polyethylen glycol este của axit béo theo tỉ lệ 3/2/1. Phụ gia được chế tạo bằng phương pháp siêu âm cường độ cao (300 vòng/phút, tổng thời gian 32 phút). Kết quả khảo sát hàm lượng nước từ 5–30% cho thấy với nước ≤ 20%, kích thước vi nhũ đạt 4–12 nm và bền sau 2 tháng; ở 25% xuất hiện vẩn đục sau 1 tháng; ở 30% hệ bị đục ngay. Hàm lượng nước 20% được lựa chọn.

Về phụ gia nano oxit sắt: Kích thước hạt nano oxit sắt đo bằng kính hiển vi điện tử TEM là 2–5 nm; kích thước trong phụ gia đo bằng phương pháp DLS là 64–68 nm (trước và sau 1 tháng bảo quản). Phụ gia nano oxit sắt có khối lượng riêng ở 15°C là 836 g/ml, độ nhớt ở 40°C là 6,25 mm²/s, nhiệt độ chớp cháy 63°C, ăn mòn tấm đồng ở 50°C là 1b, ngoại quan màu nâu vàng, trong suốt.

Lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới: Khảo sát các tỷ lệ từ 1/4000 đến 1/8000 theo thể tích. Ở tỷ lệ 1/4000, nhiên liệu xuất hiện vẩn đáy sau 8 ngày ở điều kiện bảo quản cấp và 2,5 tuần ở điều kiện thường. Từ tỷ lệ 1/5000 đến 1/8000, nhiên liệu pha phụ gia trong suốt, không vẩn đục sau 1 tháng ở cả điều kiện bảo quản thường và cấp.

Tỷ lệ phối trộn Kích thước hạt nhũ (mới pha, nm) Kích thước (sau 2 tháng, nm) Ngoại quan sau 1 tháng
1/4000 14 21 Vẩn đáy (8 ngày bảo quản cấp)
1/5000 16 19 Trong suốt, ổn định
1/6000 17 18 Trong suốt, ổn định
1/7000 19 20 Trong suốt, ổn định
1/8000 20 21 Trong suốt, ổn định

Kết quả chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới theo Bảng 2.12 đạt QCVN 01:2015/BKHCN; hàm lượng Fe-Mn và nhựa thực tế của dầu DO có phụ gia (Bảng 2.13) đáp ứng yêu cầu bảo quản.

Đánh giá tương thích vật liệu: Các chi tiết thử nghiệm gồm gioăng làm kín và piston bơm cao áp. Đánh giá dựa trên: (1) ngoại quan và cấu trúc tế vi (kính hiển vi điện tử), (2) sự thay đổi khối lượng theo thời gian ngâm. Kết quả theo Bảng 2.15 cho thấy sự thay đổi khối lượng của các mẫu chi tiết nằm trong giới hạn cho phép; hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử piston bơm cao áp và gioăng làm kín không cho thấy thay đổi đáng kể về cấu trúc tế vi.

Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ khi sử dụng nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới

Chương này trình bày kết quả tính toán mô phỏng trên phần mềm AVL–Boost với đối tượng là động cơ D4BB.

Thông số cơ bản động cơ D4BB (theo catalog, Bảng 3.3): 4 kỳ, phun nhiên liệu trực tiếp.

Kiểm chứng mô hình: So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm (Bảng 3.8–3.9) cho nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 cho thấy sai lệch nằm trong giới hạn chấp nhận được. Áp suất xy lanh mô phỏng so với thực nghiệm tại tốc độ 2000 vòng/phút (Hình 3.9) cũng có độ trùng khớp tốt.

Kết quả tính toán mô phỏng ảnh hưởng của phụ gia (Bảng 3.13–3.17, Hình 3.12–3.16):

Thông số Nhiên liệu DO DO-phụ gia 1/8000 Xu hướng
Công suất (Ne) Tham chiếu Bảng 3.13 Cải thiện
Suất tiêu hao nhiên liệu (ge) Tham chiếu Bảng 3.14 Giảm
Phát thải CO Tham chiếu Bảng 3.15 Giảm
Phát thải NOx Tham chiếu Bảng 3.16 Giảm
Độ khói Tham chiếu Bảng 3.17 Giảm

Hình 3.16 thể hiện tổng hợp mức độ cải thiện hiệu quả khi tính toán mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu DO pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 so với DO thuần.

Phân tích quá trình cháy: Diễn biến áp suất xy lanh (Hình 3.17), phần nhiên liệu đã cháy (Hình 3.18), tốc độ tỏa nhiệt (Hình 3.19), nhiệt độ cháy (Hình 3.20), hệ số truyền nhiệt (Hình 3.22) tại hai tốc độ 2000 và 3500 vòng/phút cho thấy nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 có đặc tính cháy cải thiện so với DO. Tốc độ hình thành phát thải CO (Hình 3.24), NOx (Hình 3.25) và Soot (Hình 3.26) trong xy lanh với DO-phụ gia 1/8000 đều thấp hơn so với DO.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương này trình bày kết quả thực nghiệm trong PTN và trên hiện trường.

Thử nghiệm trong PTN — Lựa chọn tỷ lệ phối trộn tối ưu:

Khảo sát nhiều tỷ lệ phối trộn phụ gia với DO ở chế độ 100% tải (Bảng 4.2–4.7):

Thông số khảo sát Xu hướng khi tăng tỷ lệ phụ gia Tỷ lệ được chọn
Công suất Ne Thay đổi (Bảng 4.2) 1/8000
Suất tiêu hao nhiên liệu ge Thay đổi (Bảng 4.3) 1/8000
Phát thải CO Thay đổi (Bảng 4.4) 1/8000
Phát thải HC Thay đổi (Bảng 4.5) 1/8000
Phát thải NOx Thay đổi (Bảng 4.6) 1/8000
Độ khói Thay đổi (Bảng 4.7) 1/8000

Tỷ lệ 1/8000 được xác định là tỷ lệ phối trộn hợp lý cho cả DO và B5.

Kết quả thử nghiệm DO và DO-phụ gia 1/8000 theo đặc tính tải (Bảng 4.9): Suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải CO, HC, NOx, độ khói, số hạt PM được cải thiện so với DO thuần (Hình 4.8 và 4.11).

Kết quả số hạt PM (Bảng 4.8, Hình 4.10): Số hạt PM của DO-phụ gia 1/8000 cải thiện so với DO theo đường đặc tính ngoài.

Kết quả thử nghiệm B5 và B5-phụ gia 1/8000 (Bảng 4.10–4.16): Xu hướng tương tự như với nhiên liệu DO; Hình 4.14 và 4.15 thể hiện mức độ cải thiện ge, CO, HC, NOx, độ khói theo đặc tính tải.

Thử nghiệm hiện trường — Xe CAT 769D (động cơ CAT 3408E, 386 kW):

Đo tiêu hao nhiên liệu (Bảng 4.18–4.20):

  • Chế độ tĩnh (Bảng 4.18): DO-phụ gia 1/8000 cải thiện lượng nhiên liệu tiêu hao so với DO.
  • Chế độ động — xe số 1 (Bảng 4.19) và xe số 2 (Bảng 4.20): Lượng nhiên liệu tiêu hao trung bình giảm khi sử dụng DO-phụ gia 1/8000.

Đo phát thải (Bảng 4.21–4.22):

  • Xe số 1 và xe số 2 đều cho thấy lượng phát thải trung bình thay đổi theo chiều cải thiện khi dùng DO-phụ gia 1/8000 (Hình 4.21–4.22).

Hình 4.22 thể hiện tổng hợp mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm tại hiện trường của nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về lý luận và thực tiễn

Theo phần "Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn" và "Tính mới của đề tài" trong luận án:

  1. Đề xuất tỷ lệ phối trộn hợp lý 1/8000 cho phụ gia vi nhũ thế hệ mới với nhiên liệu diesel đang lưu hành; tỷ lệ này đảm bảo chất lượng nhiên liệu (theo QCVN 01:2015/BKHCN), cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel.
  2. Đánh giá toàn diện hiệu quả của phụ gia vi nhũ thế hệ mới sản xuất tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel đang lưu hành, theo chuỗi đầy đủ: mô phỏng số (AVL–Boost) → thực nghiệm PTN → thực nghiệm hiện trường.
  3. Bước đầu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel B5 pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên động cơ.
  4. Đánh giá tương thích vật liệu một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel (gioăng làm kín, piston bơm cao áp) với nhiên liệu pha phụ gia — nội dung chưa được thực hiện trong các nghiên cứu trước về loại phụ gia tương tự tại Việt Nam.
  5. Kết quả là cơ sở để ứng dụng phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên các phương tiện vận tải đang lưu hành tại Việt Nam mà không cần thay đổi kết cấu động cơ.

Kiến nghị và đề xuất

Luận án đề xuất sử dụng tỷ lệ phối trộn 1/8000 khi pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới vào nhiên liệu DO; kết quả nghiên cứu là cơ sở kỹ thuật để triển khai ứng dụng trên các phương tiện vận tải đang lưu hành tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo phần "Hướng nghiên cứu tiếp theo" trong luận án:

  • Phạm vi thử nghiệm trong PTN được thực hiện ở các chế độ ổn định; chưa thực hiện theo chu trình thử nghiệm tiêu chuẩn phát thải (chu trình động).
  • Thử nghiệm hiện trường mới đo phát thải ở chế độ tĩnh; chưa đo phát thải ở chế độ động trên tuyến đường thực tế.
  • Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu B5 pha phụ gia mới ở bước đầu; cần nghiên cứu sâu hơn với các động cơ và chế độ vận hành đa dạng hơn.
  • Phụ gia vi nhũ thế hệ mới sử dụng nano oxit sắt; ảnh hưởng dài hạn của thành phần sắt đến hệ thống nhiên liệu và khí thải cần được tiếp tục theo dõi.
  • Cần mở rộng thử nghiệm sang nhiều loại động cơ và phương tiện khác nhau đang lưu hành tại Việt Nam để có cơ sở khuyến nghị ứng dụng rộng rãi.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo cho các nhóm đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực, nhiên liệu và động cơ đốt trong: phần cơ sở lý thuyết mô phỏng trên AVL–Boost (Chương 3), quy trình xây dựng và kiểm chứng mô hình động cơ, và phương pháp đánh giá đặc tính quá trình cháy có giá trị phương pháp luận.
  • Kỹ sư và nhà nghiên cứu về phụ gia nhiên liệu và hóa học dầu mỏ: Chương 2 cung cấp quy trình chế tạo và lựa chọn tỷ lệ thành phần phụ gia vi nhũ thế hệ mới, kết quả đánh giá tương thích vật liệu và chất lượng nhiên liệu sau pha phụ gia.
  • Người làm chính sách và quản lý chất lượng nhiên liệu: Kết quả thử nghiệm hiện trường trên xe ô tô tải CAT 769D cùng kết quả đánh giá chất lượng nhiên liệu theo QCVN 01:2015/BKHCN có giá trị tham chiếu cho việc xem xét quy định về sử dụng phụ gia nhiên liệu tại Việt Nam.
  • Doanh nghiệp vận tải và khai thác xe tải hạng nặng đang sử dụng động cơ diesel thế hệ cũ: kết quả hiện trường cung cấp dữ liệu thực tế về hiệu quả tiêu hao nhiên liệu và phát thải khi sử dụng phụ gia tỷ lệ 1/8000.

Phần đáng tham khảo nhất là Chương 4 (kết quả thực nghiệm tổng hợp từ PTN và hiện trường) và Chương 2 (quy trình đánh giá tương thích vật liệu), do cung cấp dữ liệu đo đạc cụ thể trên đối tượng động cơ và nhiên liệu thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ gia vi nhũ thế hệ mới được chế tạo tại Việt Nam trong luận án có thành phần cụ thể như thế nào?

Phụ gia là loại vi nhũ nước trong dầu (W/O) với thành phần: chất HĐBM (hỗn hợp ethoxylated từ dầu dừa/Hydroxyethyl imidazoline/polyethylen glycol este của axit béo theo tỉ lệ 3/2/1) chiếm 10,3%, nước 20%, và nano oxit sắt 220 ppm. Chất HĐBM đóng vai trò ổn định hạt nhũ, nano oxit sắt đóng vai trò xúc tác cho quá trình cháy. Phụ gia được chế tạo bằng phương pháp siêu âm cường độ cao, kích thước hạt nhũ trong nhiên liệu DO khoảng 20–21 nm và bền sau 2 tháng bảo quản ở tỷ lệ 1/8000.

2. Tại sao tỷ lệ phối trộn 1/8000 được lựa chọn thay vì các tỷ lệ khác?

Tỷ lệ 1/4000 gây ra hiện tượng vẩn đáy sau 8 ngày ở điều kiện bảo quản cấp (kích thước hạt nhũ 14 nm lúc mới pha, tăng lên 21 nm sau 2 tháng). Từ tỷ lệ 1/5000 đến 1/8000, nhiên liệu pha phụ gia đều trong suốt và ổn định sau 1 tháng ở cả điều kiện thường và cấp. Qua thử nghiệm động cơ ở chế độ 100% tải (Bảng 4.2–4.7 và Bảng 4.10–4.15), tỷ lệ 1/8000 cho kết quả cải thiện đồng thời cả ge và các phát thải CO, HC, NOx, độ khói một cách hợp lý cho cả nhiên liệu DO và B5, và được xác nhận qua mô phỏng.

3. Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu được thực hiện như thế nào và kết quả chính là gì?

Các chi tiết gồm gioăng làm kín và piston bơm cao áp được ngâm trong nhiên liệu pha phụ gia theo tiến trình thời gian quy định (Bảng 2.14). Đánh giá dựa trên ba tiêu chí: (1) ngoại quan bằng mắt thường, (2) cấu trúc tế vi qua kính hiển vi điện tử, (3) sự thay đổi khối lượng chi tiết (Bảng 2.15 và Hình 2.14). Kết quả cho thấy sự thay đổi khối lượng và cấu trúc tế vi của các chi tiết khi tiếp xúc với nhiên liệu DO pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới nằm trong giới hạn chấp nhận được.

4. Mô hình mô phỏng trên AVL–Boost được kiểm chứng bằng cách nào và độ chính xác ra sao?

Mô hình động cơ D4BB được xây dựng và kiểm chứng bằng cách so sánh kết quả công suất (Ne) và suất tiêu hao nhiên liệu (ge) giữa mô phỏng và thực nghiệm (Bảng 3.8–3.9 và Hình 3.7–3.8); đồng thời so sánh áp suất xy lanh và các phát thải tại tốc độ 2000 vòng/phút (Hình 3.9–3.10). Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm được trình bày cụ thể trong các bảng số liệu tương ứng, xác nhận mô hình có đủ độ chính xác để sử dụng trong đánh giá ảnh hưởng của phụ gia.

5. Thử nghiệm hiện trường trên xe CAT 769D được thực hiện theo quy trình nào và kết quả chính là gì?

Quy trình đo tiêu hao nhiên liệu gồm hai chế độ: chế độ tĩnh và chế độ động trên tuyến đường thực tế (Hình 4.17). Quy trình đo phát thải được thực hiện ở chế độ tĩnh (Hình 4.18). Kết quả (Bảng 4.18–4.22 và Hình 4.20–4.22) cho thấy với nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000, lượng nhiên liệu tiêu hao và lượng phát thải trung bình trên cả xe số 1 và xe số 2 đều thay đổi theo chiều cải thiện so với DO thuần; mức độ cải thiện tổng hợp được trình bày trong Hình 4.22.

Kết luận

Luận án của Nguyễn Hữu Tuấn (2020) nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới — loại phụ gia kết hợp vi nhũ nước trong dầu và nano oxit sắt, được chế tạo trong khuôn khổ đề tài cấp Nhà nước tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam — tới động cơ diesel đang lưu hành. Thông qua ba giai đoạn nghiên cứu nối tiếp (mô phỏng số trên AVL–Boost, thực nghiệm trong PTN trên động cơ D4BB, và thử nghiệm hiện trường trên xe CAT 769D), luận án xác định tỷ lệ phối trộn hợp lý 1/8000 đảm bảo chất lượng nhiên liệu theo QCVN 01:2015/BKHCN và cải thiện đồng thời tính năng kinh tế, kỹ thuật cũng như các chỉ tiêu phát thải (CO, HC, NOx, độ khói, số hạt PM) so với nhiên liệu DO thuần. Kết quả đánh giá tương thích vật liệu xác nhận nhiên liệu pha phụ gia không gây biến đổi đáng kể về cấu trúc và khối lượng các chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu. Bộ dữ liệu thực nghiệm được thu thập tương đối hệ thống, tạo cơ sở kỹ thuật cho việc xem xét ứng dụng loại phụ gia này trên các phương tiện vận tải đang lưu hành tại Việt Nam mà không cần thay đổi kết cấu động cơ.