CHƯƠNG 1 : TONG QUAN 1. Lý do chọn đề tai: Tình hình chung của thế giới hiện nay là vấn đề thiếu hụt nhiên liệu và ô nhiễm nảy sinh nghiêm trọng ở các thành phố lớn do sự bùng phát nhanh chóng số lượng xe tham gia giao thông. Làm sao để kiểm soát được ô nhiễm, bảo vệ sức khoẻ của cộng đồng cũng như bổ sung thiếu hụt về nhiên liệu trong tương lai ? Đó là câu hỏi mà các nhà quản lý và khoa học luôn luôn phải suy nghĩ. Vẫn đề này cần phải thiết kế mới, nghiên cứu và công nghệ mới trong thiết kế động cơ hay sử đụng các nhiên liệu thay thế khác khi mà xăng dầu trở nên khan hiếm và đắt.
Nhiên liệu thay thế và công nghệ mới sẽ phổ biến hơn trong những thập kỹ tới cho động cơ đốt trong. Tình hình nguồn nhiên liệu dầu mỏ hiện nay không ôn định, giá dầu thường thay đổi lớn theo những biến động chính trị, khó dự báo. Tính từ năm 1973 đến nay thé giới đã trải qua 6 lần khủng hoảng giá dau:[1][2][3] — Lệnh cắm van dau A Rap nam 1974; — Lệnh cắm vận dầu Iran năm 1979; — Chiến tranh Vùng Vịnh 1990; — Năm 1999 giá dầu từ 8+10 USD/thùng tăng vọt lên trên 30 USD/thùng; — Đặc biệt năm 2004 một sự khủng hoảng dầu mỏ lớn nhất từ trước đến nay, giá dầu tăng đến mức kỷ lục 60 USD/thùng. Năm 2005 giá dầu lên đến hơn 70 USD/thùng; — Ngày 21/8/2008 giá dầu đạt mức kỷ luật mới trên 121 USD/thùng; Theo Yves Mathieu (kĩ sư địa chất của Phân khoa Địa lý - Địa hóa học thuộc IFP) [4] cho biết: “Toàn bộ nguồn dầu mỏ trên thế giới ước tính khoảng từ 10.
Nhưng với điều kiện kĩ thuật, kinh tế hiện nay và trong tương lai, chỉ có thể khai thác được 30% nguồn tài nguyên này vì một vài mỏ dầu nằm quá sâu chẳng hạn”. 1/3 nguồn dầu có thê khai thác sắp bị rút hết. Xét về trữ lượng, tùy theo nguồn tin các con số thay đổi từ 854 ( theo Energy Watch Group) đến 1.370 tỉ thùng (Báo cáo thống kê của BP); phần lớn các ước tính xoay quanh con số 1.100 tỉ thùng tức gần bằng lượng dầu chúng ta đã tiêu thụ đến nay. Hiện đã khai thác được 944 tỉ thùng dầu, tại các mỏ dầu đã biết có thể khai thác được 764 tỉ thùng nữa, và 142 tỉ thùng được liệt vào dạng “đầu mỏ phải tìm kiếm”.Theo dự đoán của hai nhà khoa học Mỹ Campbell và Laharrere, mức độ tiêu thu 90 triệu thùng/ngày sẽ kéo dài khoảng 30 năm và như vậy sẽ có những thay đổi nghiêm trọng về năng lượng trong tương lai.
Chất lượng không khí hiện nay trên thế giới bị ô nhiễm đến mức báo động, nguyên nhân chủ yếu là từ việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch cho sản xuất công nghiệp và giao thông vận tải. Theo thống kê, các thành phó lớn trên thé giới có lượng CO chiếm 2/3 lượng khí độc ở bầu khí quyền. Trong đó 90% là do động cơ ôtô thải ra. Các loại khí độc khác như NO;, SO;, SƠ:, v.
cũng chiếm phần trăm khá lớn trong tỷ lệ thành phần khí độc trong không khí do động cơ ôtô, xe máy thải ra.Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có hiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được hay gây ra sự khó chịu đối với con người. Các tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong có thể làm cho co thé bị thiếu Oxy, nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn, gây viêm, ho, khó thở và làm hủy hoại các tế bào cơ quan hô hấp, mắt ngủ, gây ra căn bệnh ung thư máu, gây rối loạn hệ thần kinh, gây ra các bệnh về gan và làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ. Ngoài ra khí thải động cơ còn làm thay đổi nhiệt độ khí quyển và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Hiện nay giải pháp xử lý ô nhiễm môi trường có hai cách: Xử lý ô nhiễm với các động cơ đang sử dụng và tìm kiếm sử dụng các nguồn năng lượng sạch.
Xử lý ô nhiễm với các động cơ đang được sử dụng có hai hướng giải quyết: é⁄ Xử lý bên trong động cơ như nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy và hoàn thiện kết cầu động cơ; Ra đời từ năm 1892 động cơ diesel không phát triển như động cơ xăng do gây ra tiếng ồn và khí thải bẩn - thủ phạm gây ô nhiễm môi trường. Đến năm 1986 Bosch đưa vào thị trường việc điều khiển điện tử cho hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel được gọi là hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel. Cho đến ngày nay hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel đã hoàn thiện và được hầu hết các nước tiên tiến trên thế giới sử dụng lắp cho các loại ô tô. Với đặc tính như: ° Áp suất nhiên liệu, lượng phun, thời điểm phun được điều khiển bằng điện tử vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ đạt độ chính xác cao.
° Áp suất nhiên liệu cao cho nên việc hòa trộn nhiên liệu — không khí trong buồng cháy tốt hơn. ° Tích trữ nhiên liệu áp suất cao, nhiên liệu được phun vào xylanh với áp suất cao ở mỗi dải tốc độ động cơ. Xử lý bên ngoài động cơ như: Đốt lại khí xả và lọc khí xả. Hoặc là tìm kiếm sử dụng các nguồn năng lượng sạch như: Nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), cồn, nhiên liệu có nguồn gốc sinh khối (BIOFUEL), nhiên liệu Hydro, công nghệ pin nhiên liệu (FUEL CELL), năng lượng điện, năng lượng mặt trời.
Giải pháp này hiện đang được các nước tiên tiến quan tâm nghiên cứu. Những nghiên cứu về nhiên liệu thay thế trên thế giới sử dụng ở động cơ đốt trong bắt đầu từ những năm cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX. Ngày nay, một số dạng năng lượng và nhiên liệu thay thế đã được sử dụng thực tế tại một số nước trên thế giới. Việc tìm kiếm các loại nhiên liệu, năng lượng sạch không những giải quyết được vần đề ô nhiễm không khí mà còn có thể chủ động được các nguồn nhiên liệu, hạn chế sự phụ thuộc vào các biến động trên thé gidi.
Nhiên liệu nhũ tương dầu - nước ( diesel- H;ạO ) đang là xu thế nghiên cứu va phát triển trên thế giới [5] nhờ các ưu điểm: v Lượng NOx trong khí thải giảm từ 10% - 30% v Lượng CO trong khí thải giảm từ 10% - 60%; v Lượng PM trong khí thải khoảng 60%; * Hầu như không có khói; x Giảm mài mòn động cơ ; * Không cần thay đổi kết cầu động cơ khi vận hành với nhiên liệu nhũ tương. Do đó, đề tài “nghiên cứu đặc tính công suất, sự cháy và khí thải động cơ diesel 4 kỳ tăng áp common rail vận hành với nhiên liệu nhũ tương bằng mô phóng” là một vẫn đề kỹ thuật thú vị rất cần thiết nghiên cứu. Nếu thành công, các giải pháp ứng dụng nhiên liệu thay thế trên ô tô, đặc biệt là xe tải sẽ áp dụng vào thực tế trong tương lai không xa, góp phần giảm phát thải ô nhiễm môi trường. Tống quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: +» Tình hình nghiên cứu ngoài nước A.
Alahmer và các đồng nghiệp [6] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu nhũ tương lên hiệu suất và khí thải của động cơ diesel khi chuyển sang dùng nhiên liệu nhũ tương với tỉ lệ phần trăm theo thê tích nước thay đổi từ 5% đến 30% ở các tốc độ khác nhau, bắt đầu từ 1000 vòng/phút cho đến 3.000 vòng/phút với mức thay đổi là 500 vòng/phút. Kết quả : nồng độ NO và NOx trong khí thải giảm khi tỉ lệ phần trăm theo thể tích nước có trong nhiên liệu nhũ tương tăng và hiệu suất động cơ là cực đại khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương với 5% nước. | 1000 1500 2000 2500 3000 Engine Speed (rpm) r®ew 84 D2222) hi S7 0 Pure Diesel @ Diesel+2%surfactant+5%water S Diesel+2%surfactant+103%water E1 Diesel+2%surfactant+153%water 0 Diesel+2%surfactant+20%water t3 Diesel+2%surfactant+25%water G Diesel+2%surfactant+30%water Hình 1.1: Momen cua dong cơ khi sử dụng nhũ tương [6] Brake Specific Fuel Brake Thermal Efficiency (%) = = s o Me => E HS k- a | * E ts k- > = | 8 2000 2500 3000 Engine Speed (rpm) © Pure Diesel Ea Diesel+2%surfactant+53%water E Diesel+2%surfactant+10%water 0 Diesel +2%suractant+15%water s Diesel+2%surfactant+20%water fa Diese 2%surfactant+25%water @ Diese 2%surfactant+30 %water Hình 1.2: BSFC của động cơ khi sử dụng nhũ tương [6] 192 1Ÿ + r : 1000 1500 2000 2500 3000 Engine Speed (rpm) --& — Predicted for Pure Diesel —@ Experimental for Pure Diesel —#— Predicted for 5% water Addition —+— Experimental for 5%Water Addition ----- Predicted for 10% water Addition —- - - Experimental for 10%Water Addition --@-- Predicted for 15% water Addition © —G -Experimental for 15%Water Addition Hình 1.3: Hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng nhũ tương [6] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 22 1000 NOx (PPM) Bo 595555553 1500 2000 B95 999999999. 9) 2500 Engine Speed (rpm) © Pure Diesel E2 Diesel+2%surfactant+10%water [3 Diesel+2%surfactant+20%water Ei Diesel+2%surfactant+30%water #8 Diesel+2%surfactant+5%water .Diesel+2%surfactant+15%water Diesel+2%surfactant+25%water Hình 1.4: Nông độ NOx của động cơ khi sử dụng nhũ tương |6] ~ wt „1 I Gases Exhaust Temperature (°C) 1500 >> Po SSS bebe ba ITITIIIII[IIIIIIT esos 55555559 3000 2000 2500 Engine Speed (rpm) © Pure Diesel & Diesel+2%surfactant+10%water & Diesel+2%surfactant+20%water 1 Diesel+2%surfactant+30%water & Diesel+2%surfactant+5%water 0 Diesel+2%surfactant+15%water G Diesel+2%surfactant+25%water Hình 1.5: Nhiệt độ khí thải của động cơ khi sử dụng nhũ tương [6] 16 141 sb.
a 12 t tìm 7 ý & 107] te y 8 +H BA ⁄2 ở s[ +4 BAA / O "Í| TL ee ee 4 [ TT Ree ey 2 EAL TE a 0 đt +. Le < bd — b — L — 1000 1500 2000 2500 3000 Engine Speed (rpm) (© Pure diesel & Diesel+2%surfactant+5%water F2 Diesel+2%surfactant+10%water Diesel+2%surfactant+15%water © Diesel+2%surfactant+20%water 8 Diesel+2%surfactant+25%water 1 Diesel+2%surfactant+30%water Hình 16: Nông độ CO của động cơ khi sử dụng nhũ tương [6] ne — 800 1ˆ: #2 FB # t5 ¬ a = 600 1): | RA se Ae :, =) A222 0 © 400}: Beas Ở SET Ba oO Me ot Lê — : +42) gue M) — Ba 2 200+: RA. SY ST |: Ba 3 Ứ 4 a =f : tr M4 0 jm 4 ibs dt BZ Ee 1) 1000 1500 2000 2500 3000 Engine Speed © Pure Diesel @ Diesel+2%surfctant+5%water ta Diesel+2%surfctant+10%water B Diesel+2%surfctant+15%water (a Diesel+2%surfactant+20% water @ Diesel+2%surfactant+25%water G Diesel+2%surfactant+30%water Hinh 1.7: Nong độ NO của động cơ khi sử dụng nhũ tương [6] A.Bames và các đồng nghiệp [7] nghiên cứu ứng dụng thực tế nhiên liệu nhũ tương lên xe buýt và thu được kết quả: hiệu suất động cơ giảm 7% + 8%, PM giảm 20% khi dùng nhiên liệu nhũ tương với 10% nước trên xe bus nội thành.
