Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (mã số: 9520116) của nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Tuấn, được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2020 dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Hữu Tuyến, mang tiêu đề: "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". Công trình được phát triển phối hợp cùng đề tài độc lập cấp Nhà nước "Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng cho động cơ diesel" (mã số ĐTĐLCN.03/16) do TS. Vũ Thị Thu Hà làm chủ nhiệm tại Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ lọc hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Động cơ diesel giữ vai trò chủ đạo trong giao thông vận tải, công nghiệp, xây dựng và nông nghiệp nhờ hiệu suất nhiệt cao và chi phí vận hành hợp lý. Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu khoáng hóa thạch đang đối mặt với nguy cơ cạn kiệt nguồn cung, đồng thời phát thải khí xả chứa các chất độc hại như oxit nitơ (NOx), cacbon monoxit (CO), hydrocacbon chưa cháy (HC) và bụi hạt (PM/soot) gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Để giải quyết mâu thuẫn giữa hiệu quả năng lượng và kiểm soát phát thải, các giải pháp can thiệp kết cấu động cơ (EGR, Common Rail, HCCI) hoặc lắp đặt hệ thống xử lý khí thải sau buồng cháy (DOC, DPF, SCR) thường có chi phí đầu tư cao và khó áp dụng đồng loạt cho các phương tiện cũ đang lưu hành.

Giải pháp sử dụng phụ gia pha vào nhiên liệu với tỷ lệ nhỏ mang lại tính khả thi cao do không yêu cầu cải tạo kết cấu động cơ. Trước đây, các nghiên cứu tập trung vào hai nhóm phụ gia đơn lẻ: phụ gia vi nhũ nước trong dầu (W/O) nhằm khai thác hiệu ứng vi nổ để tán nhỏ hạt sương nhiên liệu, và phụ gia nano oxit kim loại nhằm xúc tác quá trình oxy hóa. Mặc dù vậy, các hệ phụ gia vi nhũ thế hệ cũ thường có tỷ lệ phối trộn nước cao, kích thước hạt nhũ lớn, độ bền động học thấp và có nguy cơ làm tăng phát thải NOx hoặc gây mất ổn định khi tồn trữ. Mặt khác, các phụ gia nano kim loại nhập khẩu có giá thành cao và chưa được kiểm chứng đầy đủ về tính tương thích vật liệu đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu trên các phương tiện tại Việt Nam. Do đó, khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần phát triển, đánh giá một hệ phụ gia vi nhũ thế hệ mới kết hợp cả hai cơ chế trên với kích thước hạt cấp nano, được chế tạo tại Việt Nam, nhằm xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu và kiểm chứng hiệu quả toàn diện qua mô phỏng, thử nghiệm phòng thí nghiệm và thử nghiệm thực tế hiện trường.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu đề xuất tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới phù hợp với nhiên liệu diesel khoáng (DO) đang lưu hành và nghiên cứu bước đầu với nhiên liệu diesel sinh học 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 và phát thải của động cơ diesel đang lưu hành thông qua mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm, làm cơ sở đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của phụ gia chế tạo trong nước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Phụ gia vi nhũ thế hệ mới dạng nước trong dầu (W/O) do Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam chế tạo (chứa 10,3% chất hoạt động bề mặt, 20% nước và 220 ppm nano oxit sắt). Nhiên liệu khảo sát gồm dầu diesel thương phẩm (DO) theo QCVN 01:2015/BKHCN và nhiên liệu diesel sinh học B5 (95% DO + 5% biodiesel). Động cơ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm là động cơ diesel Hyundai D4BB. Đối tượng thử nghiệm hiện trường là xe ô tô tải hạng nặng CAT 769D trang bị động cơ Caterpillar CAT 3408E (4 kỳ, 8 xy lanh, công suất định mức 386 kW).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Đánh giá độ bền, chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu pha phụ gia và mức độ tương thích vật liệu đối với các chi tiết tiếp xúc nhiên liệu (gioăng cao su, piston bơm cao áp).
    • Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm các chỉ tiêu công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và nồng độ phát thải (CO, HC, NOx, độ khói, số hạt PM) ở các chế độ vận hành ổn định trong phòng thí nghiệm.
    • Đo đạc thực tế mức tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tĩnh và chế độ động, đo phát thải ở chế độ tĩnh trên phương tiện vận tải hoạt động tại hiện trường mỏ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các công trình trong và ngoài nước theo hai nhánh công nghệ chính:

Các nghiên cứu quốc tế

  • Về nhiên liệu nhũ tương và vi nhũ nước trong dầu (W/O): Khởi xướng từ nghiên cứu ban đầu của Gillberg và Friberd (1976), nguyên lý nhũ tương nước trong dầu đã được nhiều tác giả phát triển. Bidita (2014) sử dụng chất hoạt động bề mặt Triton X-100 (0,25% - 0,4% thể tích) với hàm lượng nước 0,50% - 0,90%, thu được kích thước hạt nhũ từ 17 nm đến 400 nm, hệ bền trong 16 ngày. Abu-Zaid và cộng sự (2004) thử nghiệm trên động cơ đơn xy lanh PETTER PHIW với tỷ lệ nước từ 0% đến 20%, ghi nhận hiệu suất nhiệt tăng 3,5% và suất tiêu hao nhiên liệu giảm tối đa 15% khi tính riêng phần dầu diesel. Kannan và cộng sự khảo sát hệ nhũ 10% và 20% nước trên động cơ 4 kỳ phun trực tiếp ở áp suất 200 bar, kết luận phát thải NOx giảm 10% - 25% cùng xu hướng giảm của phát thải HC. Al-Sabagh và cộng sự (2011) chế tạo hệ nhũ tương với 5%, 10% và 14% nước, ghi nhận kích thước hạt 19,3 nm - 39 nm giúp giảm phát thải NOx nhưng làm giảm nhiệt trị nhiên liệu. Qi và cộng sự (2011) khảo sát hệ vi nhũ diesel/dầu hạt cải/ethanol, chỉ ra rằng áp suất cực đại và tốc độ tăng áp cao hơn diesel gốc dù thời gian cháy trễ bị kéo dài do trị số cetan của ethanol thấp.
  • Về phụ gia nano kim loại và oxit kim loại: Ali Keskin và cộng sự (2008, 2010) khảo sát các phức kim loại PdL2, NiL2 (50 - 100 ppm) và muối của axit abietic với MnO2, MgO (8 - 16 mol/lít), cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu giảm từ 1,29% đến 4,16%, giảm phát thải CO và muội nhưng phát thải NOx có xu hướng tăng. Shafii và cộng sự tổng hợp hạt nano Fe3O4 phân tán trong nước bằng chất hoạt động bề mặt tetrametyl ammoni hydroxit, giúp giảm 11% suất tiêu hao nhiên liệu. Abdulali Farzad và cộng sự pha nano oxit sắt (0,4% và 0,8% thể tích) trên động cơ ở 2200 vòng/phút, ghi nhận giảm suất tiêu hao nhiên liệu, giảm NOx và SO2 nhưng tăng CO và độ khói. Gan và cộng sự (2011, 2012) nghiên cứu hành vi cháy của huyền phù nano Al, micro Al, nano B và Fe, chứng minh các hạt nano dưới 10 nm có khả năng cháy hoàn toàn cùng giọt nhiên liệu. Bidita và cộng sự (2014) kết hợp hạt nano CeO2 (80 ppm) vào hệ vi nhũ W/O, ghi nhận khả năng vừa tận dụng hiệu ứng vi nổ vừa cung cấp oxy nội tại để giảm đồng thời CO, HC và muội than.

Các nghiên cứu tại Việt Nam

  • Phan Minh Tân và cộng sự (Sở Khoa học và Công nghệ TP. Hồ Chí Minh) nghiên cứu nhiên liệu nhũ tương nước trong diesel (15% - 20% nước, kích thước hạt 2 - 4 µm), thử nghiệm trên xe buýt, xe cẩu Tadano và đoàn xe container Renault 22 tấn, ghi nhận tiết kiệm khoảng 10% chi phí nhiên liệu nhưng kích thước hạt nhũ tăng theo thời gian và chưa hạch toán chi phí nước khử khoáng.
  • Đỗ Huy Thanh và cộng sự (2012) chế tạo hệ nhũ tương ethanol trong diesel, giảm được 2,1% - 26,85% CO2 và 4,3% - 29,9% NOx nhưng làm nhiệt độ chớp cháy giảm mạnh từ 71°C xuống 30°C.
  • Cù Huy Thành (2010) tại Học viện Kỹ thuật Quân sự khảo sát phụ gia nano CeO2 nồng độ 4 - 6 ppm, giúp giảm 7% suất tiêu hao nhiên liệu, giảm 22,26% NOx, 34,61% HC và 25% độ khói. Trần Thị Như Mai và cộng sự (2011) tổng hợp hạt nano CeO2 kích thước 5 nm, ghi nhận giảm CO, HC, độ khói nhưng phát thải NOx tăng do nhiệt độ buồng cháy nâng cao.
  • Đề tài cấp Bộ của Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc hóa dầu (2013) bước đầu thử nghiệm hệ phụ gia nano oxit sắt cho diesel, ghi nhận tiết kiệm 6,09% lượng tiêu hao DO, giảm 8,8% HC, 9,94% CO và 20,42% muội. Báo cáo của Tổng công ty Xi măng Việt Nam (2014) ghi nhận phụ gia nano giúp tăng công suất 2,29% - 3,27% và giảm suất tiêu hao 2,24% - 3,17% tại dải tốc độ 1400 - 1600 vòng/phút.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị trọng tâm vào việc giải quyết các nhược điểm của những công trình đi trước: khắc phục tình trạng kém bền và hạt nhũ kích thước lớn của hệ W/O truyền thống bằng công nghệ siêu âm năng lượng cao; giải quyết sự gia tăng phát thải NOx khi dùng phụ gia nano kim loại đơn thuần bằng cách kết hợp pha nước phân tán siêu mịn (cỡ 9 - 12 nm); xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu ở mức rất nhỏ (1/8000 thể tích) để không làm biến đổi các chỉ tiêu cơ bản theo QCVN 01:2015/BKHCN; đồng thời thực hiện đầy đủ quy trình kiểm chứng từ tương thích vật liệu, mô phỏng nhiệt động học 1D đến thực nghiệm trên băng thử và phương tiện tải nặng ngoài mỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cơ chế vi nổ (Micro-explosion): Dựa trên hiện tượng chênh lệch nhiệt độ sôi giữa nước (100°C) và các phân đoạn hydrocacbon trong dầu diesel (180°C - 360°C). Khi giọt nhiên liệu phun vào môi trường nhiệt độ cao trong buồng cháy, các hạt nước siêu mịn bên trong lõi bị quá nhiệt và hóa hơi tức thời trước pha dầu, phá vỡ giọt nhiên liệu thành các hạt sương thứ cấp có kích thước cực nhỏ. Quá trình này gia tăng diện tích tiếp xúc với không khí và thúc đẩy hòa trộn đồng đều.
  • Cơ chế xúc tác oxy hóa: Các hạt nano oxit sắt (kích thước 2 - 5 nm) phân tán trong nhiên liệu đóng vai trò là tâm xúc tác dị thể. Các hạt nano cung cấp oxy nội tại và hạ thấp năng lượng hoạt hóa của các phản ứng oxy hóa hydrocacbon, thúc đẩy quá trình cháy kiệt các phần tử muội cacbon và CO ở giai đoạn cháy rớt.
  • Mô hình nhiệt động học dòng khí trong xy lanh: Ứng dụng phương trình định luật nhiệt động thứ nhất cho hệ mở có khối lượng thay đổi:

$$\frac{d(m \cdot u)}{d\alpha} = -p \cdot \frac{dV}{d\alpha} + \frac{dQ_F}{d\alpha} - \frac{dQ_W}{d\alpha} - h_{bb} \cdot \frac{dm_{bb}}{d\alpha}$$

Trong đó: $m$ là khối lượng môi chất, $u$ là nội năng riêng, $\alpha$ là góc quay trục khuỷu, $p$ là áp suất xy lanh, $V$ là thể tích công tác, $Q_F$ là nhiệt lượng tỏa ra từ nhiên liệu, $Q_W$ là nhiệt lượng truyền qua vách buồng cháy, $h_{bb}$ và $m_{bb}$ là enthalpy và khối lượng khí lọt qua khe hở xéc-măng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm định lượng:

  1. Phương pháp chế tạo và hóa lý: Sử dụng phương pháp nhũ hóa năng lượng cao bằng máy khuấy siêu âm cường độ cao kết hợp khuấy cơ học (tốc độ 300 vòng/phút trong 32 phút) để phối trộn hệ vi nhũ W/O. Phân tích hình thái học và kích thước hạt nano bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS). Đánh giá các chỉ tiêu hóa lý nhiên liệu theo các tiêu chuẩn TCVN, ASTM và QCVN 01:2015/BKHCN.
  2. Phương pháp thử nghiệm tương thích vật liệu: Ngâm thử nghiệm các chi tiết cao su (gioăng làm kín) và kim loại (piston bơm cao áp) trong mẫu nhiên liệu pha phụ gia ở các mốc thời gian quy chuẩn (lên đến 720 giờ), xác định mức độ biến dạng, cấu trúc bề mặt qua kính hiển vi điện tử quét và đo độ biến thiên khối lượng bằng cân phân tích chính xác.
  3. Phương pháp mô phỏng số (1D Engine Simulation): Xây dựng mô hình chu trình công tác của động cơ diesel Hyundai D4BB trên phần mềm chuyên dụng AVL-Boost. Luận án áp dụng mô hình cháy có điều khiển hỗn hợp (Mixing Controlled Combustion - MCC), mô hình truyền nhiệt Woschni cho vách xy lanh, mô hình lọt khí xéc-măng, cùng các mô hình động học hóa học mở rộng để dự báo quá trình hình thành NOx (cơ chế Zeldovich mở rộng), bồ hóng (soot) và CO.
  4. Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm: Lắp đặt động cơ D4BB trên băng thử động lực học (High Dynamic Engine Testbed - ETB). Đo đạc nồng độ phát thải khí xả bằng tủ phân tích Combustion Emission Bench II (CEBII), đo độ khói khí xả bằng thiết bị đo độ mờ AVL Smoke Meter, đo số lượng và kích thước hạt PM bằng thiết bị DiSCmini (Diffusion Size Classifier Miniature), và đo hệ số dư lượng không khí bằng cảm biến Lambda LSU.
  5. Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Khảo sát trên 02 xe ô tô tải chuyên dụng CAT 769D hoạt động vận chuyển đất đá tại công trường mỏ. Sử dụng đồng hồ đo lưu lượng nhiên liệu chuyên dụng lắp trên đường cấp và đường hồi để xác định suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tĩnh (chạy không tải tại chỗ) và chế độ động (chu kỳ vận chuyển thực tế trên cung đường cố định), kết hợp đo phát thải khí xả tại hiện trường.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày bối cảnh nghiên cứu, tính cấp thiết của việc phát triển phụ gia nhiên liệu nội địa, xác định rõ mục tiêu, đối tượng nghiên cứu (phụ gia vi nhũ thế hệ mới, nhiên liệu DO, B5, động cơ D4BB và CAT 3408E), phương pháp tiếp cận kết hợp lý thuyết - thực nghiệm, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

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

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức cơ sở về tính chất hóa lý của nhiên liệu diesel khoáng theo QCVN 01:2015/BKHCN và nhiên liệu diesel sinh học theo EN 14214, ASTM D6751, TCVN 7717-07. Phân tích vai trò của các thông số kỹ thuật như trị số cetan, hàm lượng lưu huỳnh, độ nhớt, hàm lượng oxy và điểm chớp cháy tới quá trình cháy trong động cơ. Chương này phân loại chi tiết các nhóm phụ gia cho diesel (cải thiện chỉ số cetan như EHN, DTBP; phụ gia tẩy rửa, phụ gia chống oxy hóa; phụ gia nano oxit kim loại CeO2, Fe3O4, nano Al, B; phụ gia vi nhũ W/O). Điểm luận chi tiết các nghiên cứu trong nước và quốc tế, chỉ rõ sự khác biệt giữa nhiên liệu nhũ tương thế hệ cũ và phụ gia vi nhũ thế hệ mới:

Tiêu chí so sánh Nhiên liệu nhũ tương truyền thống Phụ gia vi nhũ thế hệ mới
Bản chất hệ phân tán Không bền động học, dễ tách pha Bền nhiệt động và bền động học
Kích thước pha phân tán Hạt nhũ lớn (100 nm ÷ vài µm) Hạt vi nhũ siêu mịn (dưới 20 nm)
Tỷ lệ nước đưa vào Lớn (5% ÷ 20% thể tích nhiên liệu) Cực nhỏ (nước chiếm 20% trong phụ gia, pha tỷ lệ 1/8000)
Cơ chế tác động Đơn cơ chế vi nổ Đa cơ chế: Vi nổ kết hợp xúc tác hạt nano oxit kim loại
Yêu cầu thiết bị động cơ Cần cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu Sử dụng trực tiếp, không thay đổi kết cấu động cơ

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

Trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo phụ gia vi nhũ thế hệ mới tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam:

  • Thành phần phụ gia: Sử dụng hệ chất hoạt động bề mặt gồm hỗn hợp ethoxylated từ dầu dừa / Hydroxyethyl imidazoline / Polyethylen glycol este của axit béo theo tỷ lệ khối lượng 3/2/1 với nồng độ 10,3%. Pha nước chiếm 20% khối lượng, được đồng hóa bằng sóng siêu âm ở tốc độ 300 vòng/phút trong 32 phút, tạo kích thước hạt vi nhũ nước trong DO đạt 9 nm (mới pha) và 12 nm (sau 2 tháng bảo quản). Pha phụ gia nano oxit sắt chứa các hạt Fe2O3/Fe3O4 kích thước 2 - 5 nm (kiểm tra qua ảnh TEM) phân tán trong dầu với nồng độ kim loại đạt 220 ppm.
  • Lựa chọn tỷ lệ phối trộn: Đánh giá độ bền và kích thước hạt khi pha phụ gia vào DO theo các tỷ lệ từ 1/4000 đến 1/8000. Kết quả cho thấy tỷ lệ 1/8000 đảm bảo hỗn hợp hoàn toàn trong suốt, không lắng cặn sau 60 ngày, kích thước hạt duy trì ổn định ở mức 20 - 21 nm. Các chỉ tiêu kỹ thuật của dầu DO pha phụ gia 1/8000 hoàn toàn đáp ứng QCVN 01:2015/BKHCN (độ nhớt 40°C đạt 3,21 mm²/s, điểm chớp cháy 67°C, hàm lượng nước 112 mg/kg nằm dưới ngưỡng giới hạn 200 mg/kg).
  • Thử nghiệm tương thích vật liệu: Tiến hành ngâm gioăng cao su làm kín và piston bơm cao áp trong mẫu DO có phụ gia vi nhũ thế hệ mới ở các khoảng thời gian 24h, 72h, 168h, 360h và 720h. Quan sát ngoại quan và cấu trúc tế vi trên kính hiển vi điện tử cho thấy không xuất hiện hiện tượng ăn mòn rỗ bề mặt kim loại hay nứt vỡ, trương nở bất thường trên bề mặt cao su. Độ biến thiên khối lượng của các chi tiết sau 720 giờ ngâm đều nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn kỹ thuật ngành.

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

  • Xây dựng mô hình: Thiết lập mô hình mô phỏng 1D chu trình nhiệt động của động cơ Hyundai D4BB trên phần mềm AVL-Boost. Cấu hình mô hình bao gồm các phần tử xy lanh, đường nạp, đường xả, vòi phun, cơ cấu phối khí và các điều kiện biên nhiệt độ, áp suất môi trường.
  • Kiểm chứng mô hình: Hiệu chỉnh mô hình bằng các số liệu thực nghiệm đo được trên động cơ D4BB khi dùng dầu DO gốc. Sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm đối với công suất động cơ ($N_e$), suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$), áp suất cực đại trong xy lanh ($p_{max}$) và nồng độ phát thải đều nhỏ hơn 5%, khẳng định độ tin cậy của mô hình toán.
  • Kết quả tính toán mô phỏng: Mô phỏng so sánh động cơ sử dụng DO và DO pha phụ gia tỷ lệ 1/8000:
    • Áp suất cháy cực đại trong xy lanh tăng nhẹ, thời gian cháy trễ được rút ngắn và tốc độ tỏa nhiệt ở giai đoạn cháy chính tăng lên nhờ hiệu ứng tán sương thứ cấp từ cơ chế vi nổ.
    • Suất tiêu hao nhiên liệu tính toán giảm trung bình 2,5% - 4,2% trên toàn dải tốc độ.
    • Nồng độ phát thải CO giảm từ 8% đến 15%, muội than (soot) giảm từ 12% đến 22% do quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn dưới tác dụng xúc tác của nano oxit sắt. Nồng độ phát thải NOx trong mô phỏng có xu hướng giảm nhẹ hoặc tương đương do sự bay hơi thu nhiệt của các hạt nước siêu mịn làm giảm cục bộ nhiệt độ đỉnh ngọn lửa trong buồng cháy.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm định lượng trong phòng thí nghiệm và hiện trường:

  • Thực nghiệm trên động cơ D4BB trong phòng thí nghiệm:
    • Với nhiên liệu DO pha phụ gia: Thử nghiệm quét các tỷ lệ pha phụ gia (1/4000, 1/6000, 1/8000, 1/10000) ở chế độ 100% tải để xác định tỷ lệ tối ưu. Kết quả khẳng định tỷ lệ 1/8000 đem lại hiệu quả cao nhất: công suất động cơ ($N_e$) tăng trung bình 2,14% trên đường đặc tính ngoài; suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$) giảm trung bình 3,48% (mức giảm lớn nhất đạt 4,82% tại tốc độ 2500 vòng/phút); phát thải CO giảm trung bình 14,26%; phát thải HC giảm trung bình 16,84%; độ khói giảm 18,75%; số hạt bụi PM đo bằng DiSCmini giảm trung bình 22,35%; phát thải NOx giảm trung bình 3,12%.
    • Với nhiên liệu B5 pha phụ gia: Khảo sát trên nhiên liệu B5 pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 cho thấy công suất động cơ tăng trung bình 1,86%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình 3,15%, phát thải CO giảm 12,45%, HC giảm 15,10%, độ khói giảm 16,20% và NOx giảm 2,85% so với khi chạy bằng nhiên liệu B5 nguyên bản.
Chỉ tiêu khảo sát (Chế độ 100% tải) Mức cải thiện của DO + Phụ gia 1/8000 so với DO gốc Mức cải thiện của B5 + Phụ gia 1/8000 so với B5 gốc
Công suất động cơ ($N_e$) Tăng trung bình +2,14% Tăng trung bình +1,86%
Suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$) Giảm trung bình -3,48% Giảm trung bình -3,15%
Phát thải CO Giảm trung bình -14,26% Giảm trung bình -12,45%
Phát thải Hydrocacbon (HC) Giảm trung bình -16,84% Giảm trung bình -15,10%
Phát thải Oxit Nitơ (NOx) Giảm trung bình -3,12% Giảm trung bình -2,85%
Độ khói khí xả (Smoke) Giảm trung bình -18,75% Giảm trung bình -16,20%
Số lượng hạt bụi (PM count) Giảm trung bình -22,35% Không đo đạc
  • Thực nghiệm hiện trường trên xe tải Caterpillar CAT 769D (động cơ CAT 3408E):
    • Lượng tiêu hao nhiên liệu: Ở chế độ tĩnh (chạy không tải định mức), mức tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình 3,85%. Ở chế độ động (chu kỳ xe chở đất đá có tải và không tải trên cung đường khai thác mỏ), mức tiêu hao nhiên liệu đo được trên 02 xe thử nghiệm giảm trung bình lần lượt là 3,62% (Xe số 1) và 3,45% (Xe số 2).
    • Phát thải khí xả tại hiện trường: Nồng độ phát thải CO giảm trung bình 11,8% trên Xe số 1 và 12,3% trên Xe số 2; độ khói khí xả giảm lần lượt là 15,6% và 16,2% khi sử dụng nhiên liệu DO pha phụ gia 1/8000.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Đã làm sáng tỏ cơ chế tác động đồng thời của phụ gia vi nhũ thế hệ mới đối với quá trình cháy trong động cơ diesel: tích hợp đồng thời hiệu ứng bốc hơi vi nổ của các hạt nước siêu mịn (9 - 12 nm) để cải thiện quá trình hòa trộn không khí - nhiên liệu, kết hợp với hoạt tính xúc tác oxy hóa của các hạt nano oxit sắt (2 - 5 nm) nhằm thúc đẩy quá trình cháy kiệt.
  2. Xây dựng và kiểm chứng thành công mô hình toán học nhiệt động học 1D trên phần mềm AVL-Boost mô tả chính xác chu trình công tác, đặc tính cháy và cơ chế phát thải của động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ nano.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xác định được tỷ lệ phối trộn thể tích tối ưu của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo trong nước là 1/8000 đối với dầu diesel DO và bước đầu xác lập hiệu quả trên nhiên liệu diesel sinh học B5, đảm bảo hoàn toàn các tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu theo QCVN 01:2015/BKHCN và an toàn tồn trữ trên 60 ngày.
  2. Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện chứng minh nhiên liệu pha phụ gia 1/8000 không gây ăn mòn hay phá hủy các chi tiết làm kín và hệ thống phun nhiên liệu sau 720 giờ thử nghiệm; giúp tiết kiệm từ 3,45% đến 3,85% lượng nhiên liệu tiêu thụ trên phương tiện vận tải nặng hoạt động thực tế; đồng thời cắt giảm đồng thời các thành phần khí thải ô nhiễm (CO, HC, PM và NOx).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Các chế độ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và hiện trường chủ yếu tập trung vào các trạng thái hoạt động ổn định, chưa khảo sát sâu ở các điều kiện chuyển tiếp nhanh (transient conditions) hoặc điều kiện khởi động lạnh ở nhiệt độ môi trường thấp.
  • Đối tượng thử nghiệm thực tế tập trung vào động cơ diesel sử dụng hệ thống nhiên liệu truyền thống trên xe tải nặng CAT 769D và động cơ IDI/D4BB, chưa mở rộng đánh giá chuyên sâu trên các dòng động cơ du lịch thế hệ mới sử dụng hệ thống phun nhiên liệu tích áp Common Rail đa giai đoạn với áp suất phun siêu cao (> 2000 bar).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Tiếp tục theo dõi, đánh giá độ bền lâu dài của động cơ và các chi tiết tiếp xúc nhiên liệu sau thời gian vận hành liên tục từ 2000 đến 5000 giờ trong điều kiện sản xuất thực tế.
  2. Nghiên cứu mở rộng việc phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên các tỷ lệ phối trộn diesel sinh học cao hơn như B10, B20.
  3. Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên các động cơ diesel hiện đại trang bị hệ thống Common Rail điều khiển điện tử kết hợp luân hồi khí xả EGR và bộ lọc hạt DPF.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Động lực, Kỹ thuật Hóa dầu: Tài liệu cung cấp phương pháp luận mẫu mực về quy trình kết hợp giữa chế tạo vật liệu phụ gia nano, đánh giá tương thích vật liệu hóa lý, mô phỏng nhiệt động 1D trên phần mềm AVL-Boost và thiết kế quy trình đo đạc thực nghiệm từ phòng thí nghiệm ra hiện trường.
  • Đối với giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Chương 1 và Chương 3 là nguồn tư liệu chuẩn xác về lý thuyết quá trình cháy vi nổ, động học hình thành phát thải động cơ diesel và cách thức thiết lập các điều kiện biên nhiệt động học trong phần mềm mô phỏng chuyên dụng.
  • Đối với doanh nghiệp vận tải, khai thác mỏ và các nhà hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực tế về giải pháp kỹ thuật pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 nhằm giảm chi phí nhiên liệu và đáp ứng các quy chuẩn kiểm định phát thải phương tiện mà không đòi hỏi chi phí thay đổi kết cấu động cơ.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ gia vi nhũ thế hệ mới trong luận án có thành phần hóa học cụ thể là gì?

Phụ gia vi nhũ thế hệ mới do Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam chế tạo là hệ nhũ tương nước trong dầu (W/O) gồm ba thành phần chính:

  • Chất hoạt động bề mặt (10,3% khối lượng): Hỗn hợp ethoxylated từ dầu dừa / Hydroxyethyl imidazoline / Polyethylen glycol este của axit béo theo tỷ lệ khối lượng 3/2/1.
  • Pha nước (20% khối lượng): Phân tán dưới dạng các hạt siêu mịn kích thước 9 - 12 nm.
  • Phụ gia nano oxit kim loại: Hạt nano oxit sắt (kích thước tinh thể 2 - 5 nm) phân tán trong pha dầu với nồng độ kim loại đạt 220 ppm.

2. Tại sao tỷ lệ phối trộn 1/8000 lại được lựa chọn là tỷ lệ tối ưu?

Qua khảo sát các tỷ lệ thể tích từ 1/4000 đến 1/10000 trên dầu DO, tỷ lệ 1/8000 được chọn vì:

  • Đảm bảo độ bền nhiệt động và quang học cao nhất: Dung dịch hoàn toàn trong suốt, không xuất hiện vẩn đục hay tách lớp sau 60 ngày bảo quản, kích thước hạt duy trì ổn định ở mức 20 - 21 nm.
  • Đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu chất lượng của QCVN 01:2015/BKHCN (hàm lượng nước đạt 112 mg/kg, nằm dưới mức giới hạn tối đa 200 mg/kg; độ nhớt đạt 3,21 mm²/s; điểm chớp cháy đạt 67°C).
  • Mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và môi trường tối ưu trong thực nghiệm: Suất tiêu hao nhiên liệu giảm 3,48%, công suất tăng 2,14%, đồng thời giảm phát thải CO (14,26%), HC (16,84%), độ khói (18,75%) và số hạt PM (22,35%).

3. Nhiên liệu pha phụ gia có gây ăn mòn hay ảnh hưởng xấu đến các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu không?

Kết quả thử nghiệm tương thích vật liệu tại Chương 2 qua việc ngâm thử nghiệm gioăng cao su làm kín và piston bơm cao áp trong 720 giờ cho thấy nhiên liệu pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 hoàn toàn an toàn. Quan sát cấu trúc bề mặt qua kính hiển vi điện tử không phát hiện hiện tượng ăn mòn rỗ kim loại hay lão hóa, nứt vỡ cao su; mức thay đổi khối lượng của các chi tiết đều nằm trong ngưỡng sai số tiêu chuẩn cho phép.

4. Kết quả thử nghiệm thực tế trên xe tải nặng tại hiện trường mỏ đạt được như thế nào?

Thử nghiệm trên 02 xe tải hạng nặng Caterpillar CAT 769D (động cơ CAT 3408E công suất 386 kW) hoạt động tại mỏ ghi nhận:

  • Mức tiêu hao nhiên liệu ở chế độ tĩnh giảm trung bình 3,85%.
  • Mức tiêu hao nhiên liệu ở chế độ chạy có tải/không tải thực tế giảm trung bình 3,62% (Xe 1) và 3,45% (Xe 2).
  • Phát thải CO tại hiện trường giảm từ 11,8% đến 12,3%, độ khói khí xả giảm từ 15,6% đến 16,2%.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Tuấn đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu đề ra thông qua việc xác lập tỷ lệ phối trộn tối ưu 1/8000 của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam cho nhiên liệu diesel DO và B5. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết nhiệt động học, mô phỏng số 1D trên phần mềm AVL-Boost và kiểm chứng thực nghiệm từ phòng thí nghiệm đến hiện trường sản xuất thực tế. Các kết quả đạt được khẳng định tính an toàn về mặt vật liệu, tính ổn định trong bảo quản tồn chứa, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật (tiết kiệm nhiên liệu trên 3,4%) và cắt giảm đáng kể các thành phần phát thải ô nhiễm môi trường trên động cơ diesel.