Nghiên cứu và phát triển động cơ diesel sử dụng biodiesel: Đề tài cấp Quốc gia

LỜI CAM ĐOAN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài

1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.6. Điểm mới của luận án

1.7. Bố cục luận án

2. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỆ THỐNG PHUN KIỂU COMMONRAIL (CR) LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC

2.1. Mô hình động học hệ thống phun nhiên liệu kiểu CR

2.2. Van điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào BCA (van SCV)

2.3. Đường ống rail

2.4. Mô hình cháy

2.4.1. Cơ sở lựa chọn mô hình cháy

2.4.2. Mô hình cháy

2.5. Mô hình động học tuabin tăng áp và đường nạp, thải

2.5.1. Tốc độ của rô to cụm TB-MN

2.5.2. Lưu lượng khí nạp

2.5.3. Lưu lượng khí thải

2.6. Mô hình tổn thất cơ khí trên động cơ

2.6.1. Mô men ma sát

2.6.2. Mô men tổn thất dẫn động cơ cấu phân phối khí

2.6.3. Mô men tổn thất dẫn động các cơ cấu phụ

2.7. Mô hình truyền nhiệt

2.8. Xác định áp suất xylanh

2.9. Mô hình động học, động lực học của động cơ

2.9.1. Mô hình động học

2.9.2. Mô hình động lực học

2.10. Kết luận

3. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ HYUNDAI D4CB 2.5 TCI-A SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-BIODIESEL LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN THỰC

3.1. Chế độ thực nghiệm xác định các tham số đầu vào cho mô hình

3.1.1. Đối tượng nghiên cứu

3.1.2. Trang thiết bị và chế độ thực nghiệm

3.1.2.1. Trang thiết bị thử nghiệm

3.1.2.2. Chế độ thử nghiệm

3.1.3. Kết quả thực nghiệm

3.1.3.1. Xác định các tham số đầu vào của mô hình HTPNL kiểu CR

3.1.3.2. Xác định các tham số của mô hình tuabin – máy nén

3.1.3.3. Xác định hệ số của mô hình mô men ma sát

3.1.3.4. Quy luật phối khí

3.1.3.5. Lưu lượng khí qua xupap nạp và thải

3.2. Xử lý số liệu

3.2.1. Xác định tốc độ tỏa nhiệt

3.2.2. Xác định thời điểm cháy, khoảng thời gian cháy và phần nhiên liệu đã cháy

3.2.3. Xác định hệ số lưu lượng qua xupap nạp và thải

3.3. Xây dựng và đánh giá mô hình

3.3.1. Xây dựng mô hình động cơ

3.3.2. Đánh giá độ tin cậy của mô hình động cơ

3.3.2.1. Về tốc độ tỏa nhiệt

3.3.2.2. Về mô men và công suất động cơ

3.4. Kết luận

4. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ HYUNDAI D4CB 2.5 TCI-A SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL

4.1. Thiết kế các bộ điều khiển vòng hở

4.1.1. Tính toán lượng phun nhiên liệu

4.1.1.1. Tính toán lượng nhiên liệu phun khi khởi động

4.1.1.2. Tính toán lượng nhiên liệu không tải yêu cầu

4.1.1.3. Tính toán lượng nhiên liệu yêu cầu

4.1.2. Tính toán quy luật phun

4.1.2.1. Phun chính

4.2. Thiết kế các bộ điều khiển vòng kín

4.2.1. Bộ điều khiển PID

4.2.2. Bộ điều khiển áp suất rail

4.2.3. Bộ điều khiển tốc độ không tải

4.3. Kết luận

5. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

5.1. Mục đích thử nghiệm

5.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu thực nghiệm

5.2.1. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm

5.2.2. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm

5.2.3. Điều kiện nghiên cứu thực nghiệm

5.3. Quy trình và trang thiết bị thực nghiệm

5.3.1. Trang thiết bị thực nghiệm

5.3.2. Quy trình thử nghiệm

5.4. Kết quả thử nghiệm

5.4.1. Đánh giá bộ điều khiển áp suất rail

5.4.1.1. Tại chế độ không tải

5.4.1.2. Tại chế độ toàn tải

5.4.1.2.1. Đánh giá mức độ cải thiện về momen và tiêu thụ nhiên liệu của ECU-New

5.4.1.2.2. Đánh giá mức độ cải thiện khí thải của ECU-New

5.4.1.3. Tại chế độ tải bộ phận

5.4.1.4. Tại chế độ tăng tốc

5.5. Kết luận

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Động Cơ Diesel Biodiesel Cấp Quốc Gia

Đề tài nghiên cứu và phát triển động cơ diesel sử dụng biodiesel cấp quốc gia là một nỗ lực quan trọng nhằm tìm kiếm các giải pháp năng lượng thay thế bền vững. Biodiesel, một loại nhiên liệu sinh học, được sản xuất từ các nguồn tái tạo như dầu thực vật, mỡ động vật hoặc tảo, hứa hẹn giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm các hệ thống động cơ diesel phù hợp với việc sử dụng biodiesel ở các mức pha trộn khác nhau. Mục tiêu chính là tối ưu hóa hiệu suất, giảm khí thải và đảm bảo độ bền của động cơ khi vận hành bằng nhiên liệu sinh học. Đề tài này có ý nghĩa lớn trong bối cảnh an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường ngày càng được quan tâm.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Động Cơ Diesel Biodiesel

Động cơ diesel biodiesel là động cơ diesel được thiết kế hoặc điều chỉnh để hoạt động hiệu quả với biodiesel hoặc hỗn hợp biodiesel và dầu diesel thông thường. Biodiesel là một nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật, mỡ động vật hoặc dầu tái chế. Việc sử dụng biodiesel trong động cơ diesel có thể giúp giảm lượng khí thải nhà kính và các chất ô nhiễm khác so với việc sử dụng dầu diesel truyền thống. Tuy nhiên, cần có những nghiên cứu và điều chỉnh để đảm bảo hiệu suất động cơ và độ bền được duy trì khi sử dụng biodiesel.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Biodiesel Hiện Nay

Nghiên cứu về biodiesel ngày càng trở nên quan trọng do nhiều yếu tố. Thứ nhất, nguồn cung cấp dầu mỏ đang dần cạn kiệt, thúc đẩy việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế. Thứ hai, biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường đòi hỏi các giải pháp năng lượng sạch hơn. Biodiesel có tiềm năng lớn trong việc giảm phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm từ động cơ diesel. Thứ ba, việc phát triển biodiesel có thể tạo ra cơ hội kinh tế mới cho ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến. Do đó, các nghiên cứu về sản xuất biodiesel, chất lượng biodiesel và ứng dụng biodiesel trong động cơ diesel là rất cần thiết.

II. Thách Thức Khi Phát Triển Động Cơ Diesel Chạy Biodiesel

Việc phát triển động cơ diesel sử dụng biodiesel không phải là không có thách thức. Một trong những vấn đề chính là tính chất hóa học của biodiesel khác với dầu diesel truyền thống, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ, khí thải động cơ và độ bền của các bộ phận. Biodiesel có thể gây ăn mòn một số vật liệu, làm tắc nghẽn bộ lọc nhiên liệu và làm giảm tuổi thọ dầu bôi trơn. Ngoài ra, tiêu chuẩn khí thải động cơ diesel ngày càng khắt khe đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm ra các giải pháp để giảm thiểu khí thải độc hại khi sử dụng biodiesel. Chi phí sản xuất biodiesel cũng là một yếu tố cần xem xét để đảm bảo tính cạnh tranh của nhiên liệu sinh học này.

2.1. Ảnh Hưởng Của Biodiesel Đến Hiệu Suất Động Cơ Diesel

Biodiesel có thể ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ diesel theo nhiều cách. Một số nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng biodiesel có thể làm giảm công suất và mô-men xoắn của động cơ do nhiệt trị của biodiesel thấp hơn so với dầu diesel. Tuy nhiên, hiệu suất đốt cháy có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh các thông số phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa. Ngoài ra, độ nhớt của biodiesel có thể ảnh hưởng đến quá trình phun nhiên liệu và sự hình thành hỗn hợp khí, ảnh hưởng đến tiết kiệm nhiên liệu động cơ diesel.

2.2. Vấn Đề Khí Thải Khi Sử Dụng Biodiesel Cho Động Cơ Diesel

Mặc dù biodiesel có thể giúp giảm lượng khí thải nhà kính, nhưng nó cũng có thể làm tăng lượng khí thải NOx (oxit nitơ) trong một số trường hợp. NOx là một chất ô nhiễm gây ra các vấn đề về hô hấp và góp phần vào sự hình thành sương mù quang hóa. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách giảm lượng khí thải NOx từ động cơ diesel biodiesel bằng cách sử dụng các công nghệ như tuần hoàn khí thải (EGR), bộ xúc tác oxy hóa diesel (DOC) và bộ lọc hạt diesel (DPF). Việc xử lý khí thải động cơ diesel biodiesel là một thách thức quan trọng để đảm bảo động cơ diesel thân thiện môi trường.

2.3. Độ Bền Và Bảo Trì Động Cơ Diesel Sử Dụng Biodiesel

Việc sử dụng biodiesel có thể ảnh hưởng đến độ bền động cơ diesel và yêu cầu bảo trì động cơ diesel biodiesel khác so với việc sử dụng dầu diesel thông thường. Biodiesel có thể gây ăn mòn một số vật liệu, đặc biệt là các bộ phận làm bằng cao su và nhựa. Nó cũng có thể làm tắc nghẽn bộ lọc nhiên liệu do tính chất hòa tan của nó. Do đó, cần sử dụng các vật liệu tương thích với biodiesel và thực hiện bảo trì định kỳ để đảm bảo tuổi thọ động cơ.

III. Giải Pháp Cải Tiến Động Cơ Diesel Chạy Biodiesel Hiệu Quả

Để giải quyết các thách thức liên quan đến việc sử dụng biodiesel trong động cơ diesel, nhiều giải pháp đã được đề xuất và nghiên cứu. Các giải pháp này bao gồm cải tiến thiết kế động cơ diesel cải tiến, tối ưu hóa hệ thống phun nhiên liệu, sử dụng các chất phụ gia cho biodiesel, và phát triển các công nghệ xử lý khí thải tiên tiến. Mục tiêu là tạo ra các động cơ diesel thế hệ mới có thể hoạt động hiệu quả, bền bỉ và thân thiện với môi trường khi sử dụng biodiesel.

3.1. Tối Ưu Hóa Hệ Thống Phun Nhiên Liệu Cho Biodiesel

Hệ thống phun nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất đốt cháy và giảm khí thải từ động cơ diesel biodiesel. Việc điều chỉnh các thông số phun nhiên liệu như áp suất phun, thời điểm phun và số lần phun có thể giúp tối ưu hóa quá trình đốt cháy và giảm lượng khí thải NOx và hạt bụi. Các hệ thống phun nhiên liệu tiên tiến như hệ thống phun nhiên liệu common rail (CR) cho phép kiểm soát chính xác quá trình phun nhiên liệu và cải thiện tiết kiệm nhiên liệu.

3.2. Sử Dụng Phụ Gia Để Cải Thiện Tính Chất Biodiesel

Việc sử dụng phụ gia cho biodiesel có thể giúp cải thiện một số tính chất của biodiesel và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến việc sử dụng nó trong động cơ diesel. Các phụ gia có thể giúp cải thiện tính ổn định oxy hóa của biodiesel, giảm độ nhớt và ngăn ngừa sự hình thành cặn bẩn. Ngoài ra, các phụ gia cũng có thể giúp giảm lượng khí thải NOx và cải thiện hiệu suất động cơ.

3.3. Ứng Dụng Công Nghệ Xử Lý Khí Thải Tiên Tiến

Các công nghệ xử lý khí thải tiên tiến như tuần hoàn khí thải (EGR), bộ xúc tác oxy hóa diesel (DOC) và bộ lọc hạt diesel (DPF) có thể được sử dụng để giảm lượng khí thải độc hại từ động cơ diesel biodiesel. EGR giúp giảm lượng khí thải NOx bằng cách giảm nhiệt độ đốt cháy. DOC giúp oxy hóa các chất ô nhiễm như CO và HC. DPF giúp loại bỏ các hạt bụi từ khí thải. Việc kết hợp các công nghệ này có thể giúp động cơ diesel đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải khắt khe.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Kết Quả Nghiên Cứu Động Cơ Biodiesel

Các nghiên cứu về động cơ diesel sử dụng biodiesel đã mang lại nhiều kết quả tích cực và mở ra nhiều ứng dụng thực tế. Biodiesel đã được sử dụng rộng rãi trong giao thông vận tải, nông nghiệp và công nghiệp. Nhiều quốc gia đã ban hành các chính sách hỗ trợ biodiesel để khuyến khích việc sử dụng nhiên liệu sinh học này. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng biodiesel có thể giúp giảm lượng khí thải nhà kính và cải thiện chất lượng không khí.

4.1. Ứng Dụng Biodiesel Trong Giao Thông Vận Tải

Ứng dụng biodiesel trong giao thông vận tải là một trong những lĩnh vực quan trọng nhất. Biodiesel có thể được sử dụng trong xe buýt, xe tải, tàu thuyền và các phương tiện giao thông khác. Nhiều thành phố trên thế giới đã chuyển sang sử dụng biodiesel cho đội xe công cộng của họ để giảm lượng khí thải và cải thiện chất lượng không khí. Việc sử dụng biodiesel trong giao thông vận tải cũng giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ và tăng cường an ninh năng lượng.

4.2. Sử Dụng Biodiesel Trong Nông Nghiệp Và Công Nghiệp

Ứng dụng biodiesel trong nông nghiệp và công nghiệp cũng rất tiềm năng. Biodiesel có thể được sử dụng để vận hành máy kéo, máy gặt và các thiết bị nông nghiệp khác. Nó cũng có thể được sử dụng trong các nhà máy điện, hệ thống sưởi ấm và các ứng dụng công nghiệp khác. Việc sử dụng biodiesel trong nông nghiệp và công nghiệp giúp giảm chi phí năng lượng và giảm lượng khí thải.

4.3. Đánh Giá Hiệu Quả Kinh Tế Của Việc Sử Dụng Biodiesel

Việc đánh giá biodiesel về mặt kinh tế là rất quan trọng để đảm bảo tính bền vững của nó. Chi phí sản xuất biodiesel cần phải cạnh tranh với chi phí sản xuất dầu diesel. Các lợi ích kinh tế của biodiesel bao gồm giảm chi phí nhập khẩu dầu mỏ, tạo ra việc làm mới trong ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến, và giảm chi phí chăm sóc sức khỏe do ô nhiễm không khí giảm. Các chính sách hỗ trợ biodiesel có thể giúp thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp biodiesel.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Động Cơ Diesel Biodiesel

Nghiên cứu và phát triển động cơ diesel sử dụng biodiesel là một lĩnh vực đầy tiềm năng và có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh năng lượng và môi trường hiện nay. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng các giải pháp cải tiến và ứng dụng thực tế đã chứng minh rằng biodiesel có thể là một giải pháp năng lượng sạch và bền vững. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất động cơ, giảm khí thải và cải thiện độ bền động cơ khi sử dụng biodiesel. Đồng thời, cần phát triển các công nghệ sản xuất biodiesel quy mô công nghiệp hiệu quả và bền vững.

5.1. Tiềm Năng Phát Triển Của Biodiesel Trong Tương Lai

Tiềm năng phát triển biodiesel trong tương lai là rất lớn. Với sự tiến bộ của công nghệ và sự gia tăng của nhu cầu năng lượng sạch, biodiesel có thể đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới. Việc phát triển các nguồn nguyên liệu mới cho sản xuất biodiesel như tảo và các loại dầu thải có thể giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững của biodiesel.

5.2. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Biodiesel Đến Tuổi Thọ Động Cơ

Nghiên cứu ảnh hưởng của biodiesel đến tuổi thọ động cơ là rất quan trọng để đảm bảo tính bền vững của việc sử dụng biodiesel. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc đánh giá tác động của biodiesel đến các bộ phận động cơ như hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống bôi trơn và hệ thống làm mát. Việc sử dụng các vật liệu tương thích với biodiesel và thực hiện bảo trì định kỳ có thể giúp kéo dài tuổi thọ động cơ.

5.3. Chính Sách Hỗ Trợ Phát Triển Biodiesel Bền Vững

Các chính sách hỗ trợ biodiesel đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp biodiesel. Các chính sách này có thể bao gồm các khoản trợ cấp cho sản xuất biodiesel, các quy định về việc sử dụng biodiesel trong giao thông vận tải và các chương trình nghiên cứu và phát triển. Các chính sách cần được thiết kế để đảm bảo tính bền vững của biodiesel về mặt kinh tế, xã hội và môi trường.