NGHIÊN cứu sử DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER (DME) CHO ĐỘNG cơ DIESEL cỡ NHỎ

Dimethyl ether DME được chế biến và sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như sinh khối, than, khí thiên nhiên… Một số nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy hiệu quả và các vấn đề

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN LAN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER (DME) CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

CỠ NHỎ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC, BẢO TRÌ TÀU THỦY

HẢI PHÒNG, NĂM 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

NGUYỄN LAN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER (DME) CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

CỠ NHỎ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC, BẢO TRÌ TÀU THỦY

MÃ SỐ: 62520116

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS LƯƠNG CÔNG NHỚ - ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

2 PGS.TS PHẠM HỮU TUYẾN - ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HẢI PHÒNG, NĂM 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, hình ảnh, kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được sử dụng

để bảo vệ một học vị nào trước đây

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hải Phòng, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Nguyễn Lan Hương

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Viện Đào tạo Sau đại học trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Bộ môn Động cơ đốt trong và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong trường Đại học Chulalongkorn, Thái Lan đã hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lương Công Nhớ và TS Phạm Hữu Tuyến đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí và các thầy cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Kanit Wattanavichien đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi để hoàn thành luận án này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu

và thực hiện công trình này

Hải Phòng, ngày tháng năm 2015

Tác giả Nguyễn Lan Hương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Nhiên liệu thay thế sử dụng trên động cơ đốt trong 5

1.1.1 Sự cần thiết phải sử dụng nhiên liệu thay thế 5

1.1.2 Các loại nhiên liệu thay thế thường dùng 5

1.2 Nguồn gốc và đặc điểm tính chất nhiên liệu Dimethyl Ether 7

1.2.1 Nguồn gốc nhiên liệu Dimethyl Ether 7

1.2.2 Quy trình sản xuất DME 7

1.2.3 Tính chất lý hóa của nhiên liệu DME 9

1.3 Tình hình sản xuất DME trên thế giới và ở Việt Nam 11

1.3.1 Tình hình sản xuất DME trên thế giới 11

1.3.2 Tình hình sản xuất DME ở Việt Nam 12

1.4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME cho động cơ đốt trong 15

1.4.1 Yêu cầu của hệ thống cung cấp nhiên liệu DME 15

1.4.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME sử dụng bơm cao áp đơn kiểu Bosch 16

1.4.3 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu bình tích áp (common rail) 18

1.5 Một số kết quả nghiên cứu sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ diesel 19

1.5.1 Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới 19

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt nam 25

1.6 Kết luận chương 1 25

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYL

ETHER CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 27

2.1 Lý thuyết quá trình cháy trong động cơ khi sử dụng diesel và DME 27

2.1.1 Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel 27

2.1.2 Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi sử dụng DME 32

2.2 Cơ sở lý thuyết mô phỏng chu trình công tác động cơ diesel khi sử dụng DME 38

2.2.1 Phương trình nhiệt động thứ nhất 38

2.2.2 Mô hình truyền nhiệt 40

2.2.3 Mô hình cháy 44

2.2.5 Mô hình lọt khí 50

2.2.6 Mô hình tính toán các thành phần phát thải 50

2.2.7 Mô hình nhiên liệu 52

2.3 Kết luận chương 2 53

Chương 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CHU TRÌNH CÔNG TÁC ĐỘNG CƠ DIESEL KHI SỬ DỤNG DME 55

3.1 Nghiên cứu xây dựng mô hình động cơ diesel khi sử dụng DME 55

3.1.1 Đối tượng mô phỏng 55

3.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 56

3.2 Kết quả nghiên cứu mô phỏng 59

3.2.1 Kết quả mô phỏng động cơ Kubota RT140 khi dùng 100% DME 59

3.2.2 Nghiên cứu mô phỏng động cơ Kubota RT 140 khi thay đổi góc phun sớm với nhiên liệu DME 82

3.2.3 Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel sử dụng nhiên liệu hỗn hợp DME/diesel 83

3.3 Kết luận chương 3 92

PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL KHI SỬ DỤNG DIMETHYL ETHER 94

4.1 Mục đích thử nghiệm 94

4.2 Thiết lập thử nghiệm trên băng thử 944

4.2.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm 944

4.2.2 Xây dựng hệ thống cung cấp nhiên liệu DME cho động cơ diesel 955

4.2.3 Các trang thiết bị thử nghiệm chính 966

4.2.4 Động cơ và nhiên liệu thử nghiệm 99

4.2.5 Chế độ thử nghiệm 99

4.2.6 Kết quả thử nghiệm 1000

4.3 Nghiên cứu thử nghiệm đánh giá chất lượng tia phun nhiên liệu DME 111 4.3.1 Điều kiện thử nghiệm 111

4.3.2 So sánh tia phun nhiên liệu diesel và DME 112

4.4 Kết luận chương 4 1133

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 115

1 Kết luận chung 1155

2 Phương hướng phát triển 1166

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1177

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1199

PHỤ LỤC 12121

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PM Phát thải hạt

LPG Liquefied petroleum gas

AVL-Boost Phần mềm mô phỏng quá trình nhiệt động trong động cơ AVL-MCC Mô hình cháy trong động cơ diesel do hãng AVL phát triển

A/F Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Điều kiện phản ứng của tổng hợp DME trực tiếp [8] 8

Bảng 1.2 Một số tính chất của DME so với nhiên liệu diesel [10] 10

Bảng 2.1 Các hệ số của công thức trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải [30] 44

Bảng 2.2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx 51

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật động cơ Kubota RT140 56

Bảng 3.2 Các phần tử được lựa chọn để xây dựng mô hình 57

Bảng 3.3 Một số thông số định nghĩa nhiên liệu DME và diesel 57

Bảng 3.4 Thể tích nhiên liệu diesel/chu trình xác định từ thực nghiệm 60

Bảng 3.5 So sánh kết quả mô phỏng động cơ khi dùng diesel và DME 61

Bảng 3.6 Áp suất trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 62

Bảng 3.7 Tốc độ thay đổi áp suất trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 63 Bảng 3.8 Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh của diesel và DME tại 1400 v/ph 65

Bảng 3.9 Tốc độ thay đổi nhiệt độ trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 66

Bảng 3.10 Nhiệt độ cháy trong xylanh của diesel và DME tại 1400 v/ph 67

Bảng 3.11 Hệ số truyền nhiệt khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 68

Bảng 3.12 Thể tích nhiên liệu DME/chu trình 69

Bảng 3.13 So sánh kết quả mô phỏng động cơ khi dùng diesel và DME 70

Bảng 3.14 Áp suất trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 71

Bảng3.15 Tốc độ thay đổi áp suất trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph (Tăng DME) 72

Bảng 3.16 Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh của diesel và DME tại 1400 v/ph (Tăng DME) 74 Bảng 3.17 Tốc độ thay đổi nhiệt độ của diesel và DME tại 1400 v/ph 75

Bảng 3.18 Nhiệt độ cháy trong xylanh của diesel và DME tại 1400 v/ph (Tăng DME) 76 Bảng 3.19 Hệ số truyền nhiệt trong xylanh của diesel và DME tại 1400 v/ph (Tăng DME) 77

Bảng 3.20 So sánh thành phần phát thải của động Kubota RT140 78

Bảng 3.21 Kết quả mô phỏng khi thay đổi góc phun sớm tại 1400 vòng/phút với

DME 82

Bảng 3.22 Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình trong các trường hợp 0%, 25%, 50%, 75%, 100% DME 84

Bảng 3.23 Mô men của động cơ khi sử dụng 0%, 25%, 50%, 75%, 100% DME 85

Bảng 3.24 Suất tiêu hao nhiên liệu hỗn hợp khi sử dụng 0%, 25%, 50%, 75%, 100% DME 86

Bảng 3.25 Phát thải NOx khi sử dụng 0%, 25%, 50%, 75%, 100% DME 87

Bảng 3.26 Phát thải CO khi sử dụng 0%, 25%, 50%, 75%, 100% DME 88

Bảng 3.27 Muội than khi sử dụng 0%, 25%, 50%, 75%, 100% DME 89

Bảng 4.1 Thể tích nhiên liệu diesel và DME tiêu thụ trong một chu trình 1000

Bảng 4.2 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng khi sử dụng diesel 1000

Bảng 4.3 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng khi sử dụng DME 1011

Bảng 4.4 So sánh mô men và suất tiêu hao nhiên liệu khi dùng diesel và DME 1033

Bảng 4.5 So sánh nhiệt độ khí xả khi dùng diesel và DME 1044

Bảng 4.6 So sánh thành phần độ khói khi dùng diesel và DME 1055

Bảng 4.7 Suất tiêu hao nhiên liệu thay đổi theo mô men 1066

Bảng 4.8 Nhiệt độ khí xả thay đổi theo mô men 1088

Bảng 4.9 Chiều dài và góc của tia phun 113

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử DME 9

Hình 1.2 Rãnh xoắn thay đổi hành trình 16

Hình 1.3 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME sử dụng bơm cao áp đơn kiểu Bosch 18

Hình 1.4 Cơ cấu xả trong bơm cao áp 18

Hình 1.5 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu bình tích áp 19

Hình 1.6 Áp suất phun của DME và diesel 20

Hình 1.7 Suất tiêu hao nhiên liệu diesel và DME theo tốc độ động cơ 20

Hình 1.8 Hàm lượng NOx ở tốc độ 2200 v/ph 20

Hình 1.9 Độ khói ở tốc độ 2200 v/ph 20

Hình 1.10 Quá trình phát triển tia phun của DME ở các điều kiện áp suất và nhiệt độ phòng thí nghiệm 21

Hình 1.11 Suất tiêu hao năng lượng trong quá trình cháy với các nhiên liệu khác nhau 22 Hình 1.12 Phát thải NOx với các nhiên liệu 22

Hình 1.13 So sánh phát thải CO và HC 22

Hình1.14 DME phun vào Nitrogen ở 15 bar, 0,875 ms sau khi phun 24

Hình 1.15 Diesel phun vào Nitrogen ở 1 5 b ar , 0,875 ms sau khi phun 24

Hình 1.16 So sánh hàm lượng phát thải khi sử dụng DME và diesel 24

Hình 2.1 Các giai đoạn của quá trình cháy 28

Hình 2.2 Các đường đặc tính phun nhiên liệu 30

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo của tia nhiên liệu 32

Hình 2.4 Phản ứng oxi hóa DME của Curran 34

Hình 2.5 Hình ảnh của chùm tia phun của DME và Diesel 34

Hình 2.6 Đặc điểm tia phun của DME và diesel khi phun vào môi trường có nhiệt độ 35

Hình 2.7 Đặc tính phun của DME và diesel khi phun vào môi trường có nhiệt độ a T = 773 K và áp suất p a = 31 bar 36

Hình 2.8 Quá trình bắt cháy của tia DME và diesel 37

Hình 2.9 Thời gian cháy trễ của DME và diesel] 38

Hình 3.1 Động cơ Kubota RT140 55

Hình 3.2 Sơ đồ khối 58

Hình 3.3 Mô hình động cơ Kubota RT140 59

Hình 3.4 Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu mô phỏng trường hợp cùng vct 61

Hình 3.5 Áp suất trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 62

Hình 3.6 Tốc độ thay đổi áp suất trong xylanh khi dùng diesel và DME tại

1400 v/ph 64

Hình 3.7 Phần thể tích đã cháy của diesel và DME tại 1400 v/ph 65

Hình 3.8 Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 66 Hình 3.9 Tốc độ thay đổi nhiệt độ trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 67

Hình 3.10 Nhiệt độ cháy trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 68

Hình 3.11 Hệ thống truyền nhiệt trong xylanh của diesel và DME tại

1400 vòng/phút 69

Hình 3.12 Đặc tính mô men và suất tiêu hao nhiên liệu mô phỏng của diesel và DME 70

Hình 3.13 Áp suất trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 71

Hình 3.14 Tốc độ thay đổi áp suất trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 73

Hình 3.15 Phần thể tích đã cháy khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 73

Hình 3.16 Tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 75

Hình 3.17 Độ tăng nhiệt độ trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 76

Hình 3.18 Nhiệt độ cháy trong xylanh khi dùng diesel và DME tại 1400 v/ph 77

Hình 3.19 Hệ số truyền nhiệt trong xy lanh của diesel và DME tại 1400 v/ph 77

Hình 3.20 Phát thải NOx 79

Hình 3.21 Phát thải CO 79

Hình 3.22 Phát thải muội than 79

Hình 3.23 Phát thải NOx trong xy lanh 80

Hình 3.24 Phát thải CO trong xy lanh 81

Hình 3.25 Phát thải muội than trong xy lanh 81

Hình 3.26 Mô men của động cơ ở vòng quay 1400 v/ph 82

Hình 3.27 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở vòng quay 1400 v/ph 83

Hình 3.28 Mô men của động cơ khi sử dụng khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel 85 Hình 3.29 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel 86

Hình 3.30 Phát thải NOx khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel 87

Hình 3.31 Phát thải NOx khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel 88

Hình 3.32 Phát thải muội than khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel 89

Hình 3.33 Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel tại 1400 v/ph 90

Hình 3.34 Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel tại 1700 v/ph 90

Hình 3.35 Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel tại 2100 v/ph 91

Hình 3.36 Áp suất trong xy lanh khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel tại 1400 v/ph 91

Hình 3.37 Áp suất trong xy lanh khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel tại 1700 v/ph 92

Hình 3.38 Áp suất trong xy lanh khi sử dụng hỗn hợp DME và diesel tại 2100 v/ph 92

Hình 4.1 Sơ đồ băng thử động cơ 955

Hình 4.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel 955

Hình 4.3 Hệ thống cung cấp DME cho động cơ Kubota 966

Hình 4.4 Phanh động cơ theo nguyên lý phanh thủy lực 977

Hình 4.5 Nguyên lý thiết bị đo tốc độ 977

Hình 4.6 Cấu tạo cảm biến đo nhiệt độ 988

Hình 4.7 Mô men thực nghiệm và mô phỏng với nhiên liệu diesel 1011

Hình 4.8 Suất tiêu hao nhiên liệu thực nghiệm và mô phỏng với nhiên liệu diesel 1011

Hình 4.9 Mô men thực nghiệm và mô phỏngvới nhiên liệu DME 1022 Hình 4.10 Suất tiêu hao nhiên liệu thực nghiệm và mô phỏng với nhiên liệu DME 1022

Hình 4.11 Mô men của động cơ với nhiên liệu diesel và DME 1044

Hình 4.12 Suất tiêu hao nhiên liệu với nhiên liệu diesel và DME 1044

Hình 4.13 Nhiệt độ khí xả khi dùng diesel và DME 1055

Hình 4.14 Muội than của động cơ RT140 dùng diesel và DME 1066

Hình 4.15 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại tốc độ 1400 v/ph 1077

Hình 4.16 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại tốc độ 1700 v/ph 1077

Hình 4.17 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại tốc độ 2100 v/ph 1088

Hình 4.18 Nhiệt độ khí xả tại tốc độ 1400 v /ph 1099

Hình 4.19 Nhiệt độ khí xả tại tốc độ 1700 v /ph 1099

Hình 4.20 Nhiệt độ khí xả tại tốc độ 2100 v /ph 1100

Hình 4.21 Áp suất trong xylanh với mô men 15,56 Nm tại 1400 v/ph 1100

Hình 4.22 Áp suất trong xylanh với mô men 15,56 Nm tại 1700 v/ph 1111

Hình 4.23 Áp suất trong xylanh với mô men 15,56 Nm tại 2100 v/ph 1111

Hình 4.24 Kết cấu vòi phun 112

Hình 4.25 Hình ảnh tia phun nhiên liệu diesel và DME 112

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng hiện nay thường

sử dụng nhiên liệu được chưng cất từ dầu mỏ như xăng và dầu diesel Trước nhu cầu khai thác ngày càng lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch đang có xu hướng cạn kiệt dần Bên cạnh đó, động cơ sử dụng diesel truyền thống phát thải nhiều chất độc hại như carbonmonoxide (CO), hydrocarbon (HC), nitrogen oxide (NOx), các chất thải dạng hạt (PM)…gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người Vì thế, việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu sạch, có khả năng tái tạo để thay thế dầu mỏ là vấn đề cấp thiết, đã và đang được quan tâm trên toàn thế giới cũng như ở Việt Nam

Động cơ diesel là nguồn động lực có hiệu suất cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trên các phương tiện vận tải hạng nặng Nhiên liệu thay thế một phần hoặc toàn bộ diesel khoáng sử dụng cho động cơ diesel có thể kể đến như dầu thực vật, diesel sinh học, LPG… và Dimethyl ether Dimethyl ether (DME) được chế biến và sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như sinh khối, than, khí thiên nhiên… Một số nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy hiệu quả và các vấn đề đặt ra khi sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ diesel

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học và diesel sinh học

đã được quan tâm khuyến khích qua đề án phát triển nhiên liệu sinh học và lộ trình áp dụng E5, E10 đã được chính phủ phê duyệt Tuy nhiên, việc thực hiện lộ trình áp dụng nhiên liệu sinh học trong thực tế còn gặp nhiều khó khăn Cùng với mục tiêu góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu môi trường và phát huy ưu thế về nguồn nguyên liệu sẵn có, việc nghiên cứu sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ diesel đang lưu hành ở Việt Nam là cần thiết Để có thể triển khai rộng rãi, cần có những nghiên cứu cơ bản đánh giá ảnh hưởng của DME tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel, đề xuất giải pháp đảm bảo tính năng động cơ diesel khi sử dụng DME cũng như phương án

cung cấp DME cho động cơ diesel Do những nghiên cứu như vậy hiện còn rất hạn chế ở Việt Nam nên đề tài này được thực hiện nhằm bước đầu giải quyết các vấn đề nêu trên

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2.1 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ diesel thông thường khi sử dụng nhiên liệu DME, đề xuất giải pháp thay đổi thông số điều chỉnh nhằm đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ Qua đó đánh giá được khả năng sử dụng DME cho động cơ diesel cỡ nhỏ phổ biến ở Việt Nam

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ Kubota RT140 do hãng Kubota (Nhật Bản) sản xuất, đây là động cơ diesel 4 kỳ, 1 xylanh, ứng dụng trên các máy nông nghiệp hiện có nhiều ở Việt Nam

- Nghiên cứu mô phỏng thực hiện trên phần mềm AVL Boost tại phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Nghiên cứu thực nghiệm về chất lượng tia phun DME, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, độ khói của động cơ cũng như thay đổi bơm cao áp phù hợp khi sử dụng DME được thực hiện tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong- Trường Đại học Chulalongkorn, Thái Lan

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

3.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Tổng hợp và phân tích các nghiên cứu trên thế giới về các quá trình cung cấp nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu DME;

- Nghiên cứu tính toán mô phỏng chu trình công tác động cơ diesel sử dụng diesel, DME và hỗn hợp diesel/DME theo các tỷ lệ khác nhau bằng phần mềm chuyên dụng AVL Boost

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu tia phun DME thực hiện trên thiết bị cân chỉnh vòi phun Động cơ sử dụng DME được thử nghiệm trên băng thử động cơ với trang bị phù hợp và hệ thống cung cấp DME đảm bảo duy trì DME ở dạng lỏng đáp ứng yêu cầu nghiên cứu

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

+ Đóng góp vào các nghiên cứu về sử dụng DME làm nhiên liệu cho động

cơ diesel ở Việt Nam và trên thế giới

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

+ Bước đầu đánh giá được khả năng ứng dụng nhiên liệu DME trên động

cơ diesel truyền thống

+ Góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu thay thế nói chung, DME nói riêng ở Việt Nam nhằm giải quyết vấn đề an ninh năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường

5 Nội dung nghiên cứu

Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần như sau:

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

- Chương 2 Cơ sở lý thuyết sử dụng nhiên liệu Dimethyl ether cho động

cơ diesel

- Chương 3 Nghiên cứu mô phỏng chu trình công tác động cơ diesel khi

sử dụng Dimethyl ether

- Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm tính năng kỹ thuật và phát thải động

cơ diesel khi sử dụng Dimethyl ether

- Kết luận chung và phương hướng phát triển

Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Nhiên liệu thay thế sử dụng trên động cơ đốt trong

1.1.1 Sự cần thiết phải sử dụng nhiên liệu thay thế

Từ những năm 1970, trước áp lực của các cuộc khủng hoảng dầu mỏ và vấn đề giảm thải các chất gây ô nhiễm môi trường, nhiều nước trên thế giới đã hoạch định những chính sách nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế cho nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ trên các động cơ đốt trong nói chung, động cơ diesel nói riêng Đây cũng là hướng nghiên cứu được các nhà khoa học và chính phủ Việt Nam quan tâm trong thời gian gần đây

Nhiên liệu thay thế được dùng phổ biến hiện nay gồm các loại nhiên liệu sinh học (xăng sinh học, diesel sinh học, khí sinh học ), hydro, khí thiên nhiên, khí hóa lỏng…

Ở Việt Nam, với số lượng phương tiện xe máy khoảng 40 triệu chiếc, ô tô khoảng 2 triệu chiếc hàng năm tiêu tốn lượng nhiên liệu lớn cũng như phát ra lượng khí thải độc hại đáng kể ra môi trường Theo số liệu thống kê của Bộ Giao thông Vận tải năm 2010, ô nhiễm không khí ở đô thị do các hoạt động giao thông vận tải chiếm tỷ lệ khoảng 70% Để khắc phục dần các vấn đề về ô nhiễm, năm

2007 Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định số 177/2007 / QĐ-TTg về việc phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 Theo đó, nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu quốc gia vào năm

2015 và là 5% vào năm 2025 Song song với nhiên liệu sinh học, các chính sách khuyến khích nhằm phát triển và ứng dụng khí LPG, CNG cho phương tiện giao thông cũng đang được xây dựng nhằm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu thay thế

1.1.2 Các loại nhiên liệu thay thế thường dùng

1.1.2.1 Cồn

Cồn thường được sử dụng để thay thế xăng làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức Trong các loại cồn thì ethanol được sử dụng phổ biến nhất nhờ tính chất vật lý, đặc tính cháy, khả năng ăn mòn chi tiết gần giống với xăng Ethanol sinh học có nguồn gốc từ thực vật có chứa tinh bột, đường như ngô, sắn,

mía, đồng thời có thể tận dụng các nguồn sinh khối là phụ phẩm trong nông nghiệp (rơm, rạ, củi ) hoặc của quá trình sản xuất chế biến (rỉ đường ) để sản xuất ethanol Cồn có thể sử dụng ở dạng nguyên chất (E100) làm nhiên liệu cho những động cơ được thiết kế phù hợp hoặc phối trộn với tỷ lệ nhất định cho động

cơ xăng thông thường Sử dụng ethanol làm nhiên liệu giúp giảm hầu hết các phát thải độc hại trong khí thải và do ethanol có trị số Octane cao nên có thể tăng

tỉ số nén để tăng hiệu suất động cơ

1.1.2.2 Khí hoá lỏng (LPG)

LPG, viết tắt của khí dầu mỏ hoá lỏng Liquefied Petroleum Gas, gồm hai thành phần chính là Butan (C4H10) và Propan (C3H8), tồn tại trong thiên nhiên ở các mỏ dầu, mỏ khí và cũng thể sản xuất ở các nhà máy lọc dầu trong quá trình chưng cất dầu thô Ở điều kiện áp suất và nhiệt độ môi trường LPG ở dạng khí,

để tăng mật độ năng lượng trong quá trình tồn chứa, LPG được hóa lỏng ở áp suất 6-8 bar LPG có nhiệt trị cao, trị số Octan lớn nên phù hợp làm nhiên liệu cho động cơ đốt cháy cưỡng bức Bên cạnh đó, LPG cũng có thể sử dụng cho động cơ diesel ở dạng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel mà không yêu cầu thay đổi kết cấu động cơ [9]

1.1.2.3 Khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên (Natural Gas-NG) có thành phần chủ yếu là methane (CH4) là một loại nhiên liệu sẵn có ở nhiều nơi nên giá thành tương đối rẻ Khí thiên nhiên có thể thay thế hoàn toàn xăng sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức với những động cơ được thiết kế phù hợp Trị số Octan của khí thiên nhiên là 120-130 cao hơn xăng thông thường nên khả năng chống kích nổ cao hơn và có thể nâng cao tỉ số nén để tăng hiệu suất của động cơ Tuy nhiên nhược điểm của khí thiên nhiên là cần nén áp suất cao hoặc hóa lỏng ở nhiệt độ khá thấp để tăng mật độ năng lượng lưu trữ Quá trình này yêu cầu tiêu tốn năng lượng lớn đồng thời nguy hiểm trong quá trình vận hành khai thác phương tiện

1.1.2.4 Diesel sinh học

Diesel sinh học (Biodiesel) là sản phẩm của quá trình chuyển đổi ester của các loại dầu thực vật hoặc mỡ động vật Về phương diện hóa học, diesel sinh học

là các methyl, ethyl ester của những acid béo, có tính chất tương tự như diesel khoáng Sử dụng biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel có nhiều ưu điểm vì đây là nhiên liệu có khả năng tái tạo và chất lượng khí thải từ động cơ diesel được cải thiện đáng kể, đặc biệt là thành phần muội than

1.2.1 Nguồn gốc nhiên liệu Dimethyl Ether

Dimethyl ether (DME) không phải là sản phẩm khí sẵn có trong tự nhiên

mà là sản phẩm tổng hợp từ khí tự nhiên, dầu mỏ, than đá hoặc chất hữu cơ vi sinh, than bùn, chất thải lâm nghiệp như cành, ngọn và gốc cây tạp thừa thải trong rừng, nguyên liệu sinh khối, khí thải công nghiệp, dầu nặng phế thải, khí metane tận thu từ các quá trình xử lý chất thải…thông qua quá trình khí hóa

1.2.2 Quy trình sản xuất DME

Với các nguồn nguyên liệu ở trên, quy trình chế biến DME có thể thực hiện theo hai phương pháp: tổng hợp gián tiếp qua phản ứng khử nước trong methanol và tổng hợp trực tiếp từ khí tổng hợp [8, 10]

- Phương pháp tổng hợp gián tiếp:

Theo quy trình này DME được chế biến qua hai bước, trong đó bước thứ nhất là chuyển đổi khí tổng hợp thành methanol, tiếp theo là làm mất nước của methanol với một chất xúc tác có tính axit Phản ứng methanol mất nước xảy ra

dễ dàng với hầu hết các chất xúc tác ở phạm vi nhiệt độ tương đối thấp từ 300°C ở trạng thái khí và không phụ thuộc nhiều vào áp suất Khí tổng hợp có thể được tạo ra qua việc khí hóa các nguồn sinh khối khác nhau, than hoặc tạo ra

250-từ nguồn khí thiên nhiên

Các phản ứng liên quan trong quy trình sản xuất như sau:

+ Tổng hợp Methanol:

CO + 2H2 → CH3OH, ∆H0

rxn = - 90,3kJ mol-1 (1.1)

CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O, ∆H0

rxn = -49,4 KJ mol-1 (1.2) + Khử nước trong methanol:

2CH3OH → CH3OCH3 + H2O, ∆H0

rxn = -23,4 KJ mol-1 (1.3) + Phản ứng dịch chuyển nước-khí :

H2O + CO → CO2 + H2 , ∆H0

rxn = -40,9 KJ mol-1 (1.4) + Phản ứng chung toàn bộ:

3H2 + 3CO → CH3OCH3+ CO2, ∆H0

rxn = -258,6 KJ mol-1 (1.5)

và 4H2 + 2CO → CH3OCH3+ H2O, ∆H0

rxn = -205 KJ mol-1 (1.6)

- Phương pháp tổng hợp trực tiếp

Trong phương pháp này, quá trình tổng hợp methanol và quá trình khử nước được thực hiện kết hợp trong cùng một lò phản ứng tổng hợp DME Phương pháp này tiết kiệm hơn vì không cần các công đoạn tách riêng methanol

và chuẩn bị methanol cho phản ứng tổng hợp DME Trước tiên, nguyên liệu (sinh khối, than đá hoặc khí thiên nhiên) được chuyển đổi thành khí tổng hợp Tiếp theo methanol được tổng hợp từ khí tổng hợp (theo các phản ứng 1.1 và 1.2) và chuyển đổi thành DME qua phản ứng methanol mất nước (phản ứng 1.3) một cách liên tục nhờ có các chất xúc tác

Trong tổng hợp trực tiếp DME, một loạt các nguyên liệu thành phần và điều kiện hoạt động có thể được sử dụng Sự hợp thành khí, nguồn từ khí và việc lựa chọn chất xúc tác là các thông số quan trọng của quá trình Điều kiện phản ứng điển hình của tổng hợp trực tiếp DME được giới thiệu trong bảng 1.1 [8]

Bảng 1.1 Điều kiện phản ứng của tổng hợp DME trực tiếp [8]

Tỷ lệ chất xúc tác(W/F) [kg-cat.*h/kg-mol]

3,0- 8,0

1.2.3 Tính chất lý hóa của nhiên liệu DME

DME có công thức hóa học là CH3-O-CH3 (hình 1.1) là hợp chất hữu cơ

không màu, tồn tại ở thể khí dưới áp suất và nhiệt độ môi trường Tương tự như

LPG, để tăng lượng năng lượng dự trữ trên đơn vị thể tích bình chứa, DME

thường được tồn chứa dưới dạng lỏng trong bình có áp suất từ 7 bar đến 10 bar

DME ở thể khí có khối lượng riêng lớn hơn không khí nhưng khi ở thể lỏng khối

lượng riêng của DME chỉ bằng 2/3 so với nước [11]

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử DME [11]

DME có nhiệt độ sôi -25,1oC nên trong điều kiện thường tồn tại dưới

dạng khí nhưng có thể hóa lỏng tương đối dễ dàng Áp suất hóa lỏng của DME ở

200C là 0,5 MPa, còn ở 380C là 0,6 MPa DME có thể sản xuất chế biến thành

một loại khí gas hoá lỏng và còn được biết dưới tên methoxymethane,

oxybismethane, methyl ether, ether gỗ hay DME Một số tính chất quan trọng

của DME được thể hiện trong bảng 1.2

So với nhiên liệu diesel truyền thống, DME sử dụng trên động cơ có

những ưu nhược điểm cơ bản như sau:

- Ưu điểm:

+ Tỷ lệ hàm lượng hydro/cácbon cao nên quá trình cháy tạo ra ít phát thải CO2;

+ Nhiệt độ sôi thấp giúp DME bay hơi nhanh khi được phun vào trong

xylanh động cơ;

+ Hàm lượng ôxy cao cùng với không có mối liên kết C-C trong phân tử

dẫn đến quá trình cháy ít hình thành muội than;

+ Trị số Xêtan cao do nhiệt độ tự cháy thấp và khả năng bay hơi nhanh,

dẫn đến chất lượng quá trình cháy được cải thiện;

+ Không chứa lưu huỳnh nên không hình thành H2SO4 và các thành phần hạt sulfate trong khí thải, giúp giảm ô nhiễm môi trường và tăng tuổi thọ của các

bộ xử lý xúc tác

- Nhược điểm:

+ Nhiệt trị thấp hơn so với diesel do có chứa ôxy trong phân tử, vì vậy để đảm bảo công suất động cơ không thay đổi cần cung cấp một lượng nhiên liệu lớn hơn;

+ Độ nhớt thấp và tính bôi trơn kém dẫn đến tăng khả năng lọt nhiên liệu, gây mòn bề mặt của các chi tiết chuyển động trong hệ thống phun nhiên liệu;

+ Mô đun đàn hồi thấp dẫn đến công tiêu hao cho bơm nhiên liệu cao hơn (khoảng 10%);

Qua đó có thể thấy DME là nguồn nhiên liệu thay thế có nhiều triển vọng hiện nay, tuy nhiên động cơ cũng cần có những thay đổi phù hợp

Bảng 1.2 Một số tính chất của DME so với nhiên liệu diesel [10]

Khối lượng riêng ở trạng thái lỏng kg/m3 667 831

1.3 Tình hình sản xuất DME trên thế giới và ở Việt Nam

1.3.1 Tình hình sản xuất DME trên thế giới

Sản xuất DME của thế giới hiện nay khoảng 5 triệu tấn mỗi năm, chủ yếu

từ nguồn nguyên liệu methanol

Hiện nay, Trung Quốc đang đẩy mạnh phát triển DME sản xuất từ than

đá, thành nhiên liệu chủ lực thay thế diesel Dự tính Trung Quốc cho 20 triệu tấn DME vào năm 2020 Trung Quốc có trữ lượng than đá lớn thứ 3 thế giới và hơn 60% năng lượng của nước này được tạo ra từ than đá Ước tính, đến năm

2020, nhu cầu sử dụng than đá trên thế giới sẽ tăng lên 7,6 tỷ tấn/năm so với mức 5,3 tỷ tấn hiện nay Trong đó, riêng mức sử dụng của Trung Quốc sẽ xấp xỉ 3 tỷ tấn Các chuyên gia thị trường tiêu thụ nhiên liệu cho biết nhiên liệu DME có thể sản xuất dùng thay thế dầu diesel và có thể giữ được giá dầu thô trên thế giới ở mức trên 40 đô la Mỹ /thùng Trong khi giá dầu thô hiện tại trên thế giới khoảng trên 70 đô la Mỹ/thùng, tăng gần gấp ba lần so với năm 2002 [7] Nhiên liệu DME giá khoảng 1.000 nhân dân tệ/tấn (tương đương với 123 đô la Mỹ) rẻ hơn

so dầu diesel Nếu nhiên liệu DME này được đưa vào sử dụng thay thế dầu diesel cho toàn bộ xe buýt của thành phố Thượng Hải có thể tiết kiệm được khoảng hơn

300 triệu nhân dân tệ (tương đương với 37 nghìn đô la Mỹ) mỗi năm Chính quyền thành phố đã lên danh sách ngành công nghiệp hoá nhiên liệu DME là một trong những nhiệm vụ quan trọng của Thành phố nhằm giảm bớt chi phí nhiên liệu đắt tiền, giảm bớt sự ô nhiễm môi trường và tiếng ồn Mặc dù vậy, động cơ

xe buýt cần phải chỉnh sửa lại một chút trước khi sử dụng nhiên liệu mới này [7]

Nhật Bản cũng có các cơ sở sản xuất DME Tháng 7 năm 2002, một nhà máy sản xuất DME từ khí tự nhiên công suất 100 tấn/ngày - công suất lớn nhất thế giới ở thời điểm đó đã được xây dựng tại thành phố Kushiro Ngày 19 tháng

11 năm 2002, nhà máy chính thức chạy thử nghiệm Sau hơn 1 tháng rưỡi hoạt động liên tục, người ta đã thu được 1240 tấn DME chất lượng khá tốt với độ tinh khiết khoảng 99,5% để chuẩn bị cho việc sử dụng thử nghiệm [8] Phương pháp tổng hợp trực tiếp DME mới chỉ thực hiện được trong những năm gần đây nhờ những thành tựu đạt được trong lĩnh vực về các chất xúc tác Phương pháp mới

này cho phép giảm giá thành sản xuất DME và khả năng sử dụng DME thay thế cho nhiên liệu truyền thống trở thành hiện thực Nhật Bản đang gấp rút thực hiện chương trình DME như là một trong những giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đa dạng hóa các nguồn năng lượng, góp phần tăng cường an ninh năng lượng Tuy còn tồn tại một số vấn đề cần giải quyết trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt, nhưng người ta tin chắc rằng chương trình DME của Nhật Bản sẽ thành công, nhất là trong giai đoạn hiện nay khi giá dầu mỏ tăng rất cao và do

áp lực của cơ chế phát triển sạch mà các nước công nghiệp hàng đầu trên thế giới sẽ phải thực hiện

Chương trình DME không chỉ có riêng ở Nhật Bản, Trung Quốc mà còn được tiến hành ở một số nước khác như Hàn Quốc, Đan Mạch, Mỹ, Hà Lan, Áo Do nhận thức được vai trò quan trọng của nhiên liệu DME trong tương lai, các nước này cũng đã triển khai chương trình DME của riêng mình từ khoảng mười năm gần đây

Ở Thụy Điển, Chemrec sử dụng khí hóa nước đen, một dòng chất thải từ quá trình phương pháp nghiền để sản xuất BioDME Tổng hợp nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai giảm rất cao khí thải dioxide carbon so với nhiên liệu diesel thông thường Tại Đại học Vaexjoe, các nhà khoa học đang nghiên cứu chế tạo DME, được xem là thế hệ thứ hai của nhiên liệu sinh học Sử dụng nguyên liệu là chất thải lâm nghiệp như cành, ngọn và gốc cây tạp thừa thãi trong rừng, hợp chất khí không mùi này được đánh giá là “nhiên liệu thay thế hiệu quả nhất” Dự kiến trong 10 năm nữa, DME sẽ được đưa vào sản xuất trên diện rộng ở Vaexjoe với công suất 400.000 tấn/năm Và khi đó, toàn bộ hệ thống giao thông công cộng ở đây sẽ vận hành bằng DME

1.3.2 Tình hình sản xuất DME ở Việt Nam

Hiện nay, tại Việt Nam do nền kinh tế ngày càng phát triển nên nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm lọc dầu tăng lên nhanh chóng Trong tổng sản lượng tiêu thụ các sản phẩm lọc dầu thì dầu diesel là sản phẩm chiếm tỷ trọng lớn nhất, bên cạnh đó, nhu cầu tiêu thụ LPG cũng khá cao Tuy nhiên, sản lượng của LPG, diesel sản xuất trong nước chưa đáp ứng được nhu cầu làm nhiên liệu trong sinh

hoạt và sản xuất Do đó, cần phải có kế hoạch nâng cao sản lượng LPG và diesel hoặc tìm nguồn nhiên liệu mới thay thế

Bên cạnh đó, Việt Nam cũng theo xu hướng chung của thế giới là tìm các nguồn nhiên liệu sạch thay thế để tránh gây ô nhiễm môi trường DME là nhiên liệu thay thế sạch và kinh tế, có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế hoàn toàn hoặc một phần LPG, diesel Ngoài ra, nguyên liệu để sản xuất DME cũng phong phú, có thể sản xuất từ khí thiên nhiên, than đá, hoặc biomass Quá trình sản xuất DME từ khí nhằm khai thác hết được tiềm năng dầu khí của Việt Nam, góp phần nâng cao giá trị tài nguyên khí cũng như mở rộng, đa dạng hóa thị trường khí và đáp ứng trong tương lai Xuất phát từ những lí do trên, ngày 07/08/2008, Tập đoàn Dầu khí Việt Nam đã kí hợp đồng số 5672/HĐ-DKVN với Viện Dầu khí Việt Nam/ Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Chế biến Dầu khí (PVPro) để thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng sản xuất và sử dụng DME từ khí”

Bên cạnh nguồn nguyên liệu than đá, nước ta còn có nguồn khí thiên nhiên với trữ lượng tương đối lớn, cho nên sự phát triển sản phẩm DME này thực

sự có tiềm năng và đáng quan tâm Tuy nhiên, tại Việt Nam cho đến nay công nghệ sản xuất chế biến DME còn rất mới mẻ Mới đây, tập đoàn Sao Nam (Hà Nội) đã trở thành doanh nghiệp tư nhân đầu tiên triển khai xây dựng nhà máy sản xuất DME tại Việt Nam

Hiện Sao Nam Group đã chọn vùng biển Tiền Hải (Thái Bình) là nơi gần

mỏ khí 102, 106 để đặt nhà máy sản xuất DME Hiện họ đang tìm kiếm nguồn nguyên liệu trong tỉnh Thái Bình hoặc mua ở những mỏ quanh tỉnh này để khi dây chuyền sản xuất hoàn thành sẽ có nguyên liệu để sản xuất ngay

Theo tính toán của Sao Nam Group, nếu tận dụng được nguồn khí CO2 từ các mỏ mà không phải nhập khẩu thì giá thành sẽ giảm 50% so với LPG và dầu diesel Trong trường hợp phải nhập thêm nguồn khí CO2 từ các nước khác thì giá thành cũng sẽ chỉ bằng LPG và dầu diesel trên thị trường “Khí này có thể dự trữ được trong thời gian lâu dài, có ưu thế là vận chuyển dễ dàng, tiện lợi nên giá thành vận chuyển cũng sẽ giảm rất nhiều Việt Nam có đủ nguồn nguyên liệu cho công nghệ DME vì trước đây ở các mỏ dầu khai thác dầu khí, CO2 thường bán đi

hoặc phải chôn lại xuống đất nên giờ có thể tận dụng Ngoài ra, nếu mỏ khí 102,

106 được đưa vào khai thác, sẽ cung cấp đủ nguyên liệu Bên cạnh đó, Sao Nam Group còn tham gia vào lĩnh vực tìm kiếm thăm dò các mỏ dầu khí mới trong nước và đầu tư tìm kiếm mỏ ở các nước khác rồi mang về Việt Nam phục vụ cho công nghệ DME Ở Việt Nam, dầu diesel được dùng rất nhiều trong vận tải và công nghiệp, cũng như LPG dùng nhiều trong dân dụng Hiện nhà máy Dinh Cố một năm cũng chỉ sản xuất được 600 ngàn tấn LPG, còn phải nhập thêm 400 ngàn tấn nữa “Nếu có đủ nguồn khí CO2 thì một năm nhà máy DME có thể sản xuất được 700 – 800 ngàn tấn nhiên liệu sạch DME, không chỉ đáp ứng đủ nhu cầu

mà còn dư thừa Phát triển DME tại Việt Nam sẽ giảm được 91 tỉ USD từ nay đến năm 2025” [6] DME có thể được chiết xuất từ nhiều nguồn như các nguyên liệu tái chế (rác, các nông phẩm…), nhiên liệu hóa thạch (khí đốt ), than, các sản phẩm lâm sản – nông sản phụ, rác từ các khu đô thị và cây trồng nhiên liệu… Công nghệ hiện nay cho phép tận thu nhiên liệu từ nguồn khí thiên nhiên còn sót lại tại các mỏ đã khai thác, hoặc khí ở các mỏ có trữ lượng nhỏ, mỏ cận biên bằng cách chuyển đổi hoặc tổng hợp tại chỗ nhiên liệu khí thành nhiên liệu lỏng có hàm lượng năng lượng cao và mức phát tán CO2 thấp, từ đó giảm sự phụ thuộc vào nguồn xăng dầu nhập khẩu và giảm khí thải CO2 từ các loại động cơ

Con đường đơn giản nhất để sản xuất DME là từ methanol Methanol có thể sản xuất từ than hay từ khí thiên nhiên qua giai đoạn sản xuất khí tổng hợp Trên thế giới, methanol được sản xuất lượng lớn, cỡ hàng chục triệu tấn/năm Nước ta cũng đã có dự án xây dựng cơ sở sản xuất methanol cỡ hơn 60 vạn tấn/năm từ khí thiên nhiên Ngày nay, công nghệ sản xuất DME từ methanol đã được ứng dụng trong công nghiệp Xúc tác cho quá trình dehyđrat hóa methanol thành DME là nhôm ôxit Viện Hóa học Công nghiệp Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam đã nắm vững công nghệ chế tạo loại ôxit này

Từ đầu những năm 80 của thế kỷ trước, DME đã bắt đầu được tổng hợp trực tiếp từ khí tổng hợp bằng quá trình xúc tác dị thể trong pha khí Cũng có thể tiến hành phản ứng này trong pha lỏng, nhưng trong pha khí, thiết bị đơn giản hơn Đi tiên phong theo hướng này là hãng Mobil Khí tổng hợp được sản xuất

giống như ở các nhà máy sản xuất phân đạm, có thể từ than hoặc từ khí thiên nhiên Chẳng hạn, tại Nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc, khí tổng hợp được sản xuất bằng công nghệ khí hóa than antraxit, còn tại Nhà máy Phân đạm

Cà Mau đã khởi công xây dựng, khí tổng hợp được sản xuất từ khí thiên nhiên Methanol được tổng hợp từ khí tổng hợp, tức là từ hyđro và cacbon oxit (hay cacbon đioxit), còn amoniăc được tổng hợp từ phản ứng của H2 trong khí tổng hợp với N2 từ không khí Để tổng hợp amoniăc, khí tổng hợp phải được xử lý để chuyển hóa hết khí CO thành H2 qua phản ứng giữa CO với hơi nước, và phải loại hết CO dư, vì nó là chất độc đối với xúc tác tổng hợp amoniăc Còn để tổng hợp methanol, thì chỉ cần điều chỉnh tỷ số H2/CO bằng 2 là được Cho đến nay, trong khoa học còn có những bằng chứng cho thấy chính CO2 chứ không phải

CO, tham gia vào phản ứng tổng hợp methanol Quá trình tổng hợp methanol trong công nghiệp có hiệu quả nhất là được tiến hành trên xúc tác oxit hỗn hợp Cu-Zn-Al ở nhiệt độ khoảng 220-2800C và áp suất 5-10 MPa Khi trong lớp xúc tác có mặt cả xúc tác có khả năng tổng hợp methanol và xúc tác đehyđrat hóa, thì methanol tạo thành có thể chuyển hóa tiếp theo thành DME Như vậy là từ khí tổng hợp, trong cùng một hệ thiết bị trên cùng một lớp xúc tác có thể tổng hợp trực tiếp DME Công nghệ tổng hợp DME trực tiếp từ khí tổng hợp gần tương tự như công nghệ tổng hợp methanol, nhưng giá thành DME thấp hơn giá thành methanol khoảng 5- 10%

1.4 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME cho động cơ đốt trong

1.4.1 Yêu cầu của hệ thống cung cấp nhiên liệu DME

Nhiên liệu DME có nhiều tiềm năng sử dụng trên động cơ diesel Tuy nhiên, do có sự khác biệt về tính chất so với nhiên liệu diesel truyền thống nên khi thiết kế hoặc cải tiến động cơ diesel sang sử dụng DME cần lắp thêm bộ phận phụ trợ và thay đổi một số kết cấu trong hệ thống nhiên liệu Nhiệt trị của DME thấp nên phải tăng lượng nhiên liệu cung cấp bằng cách thay đổi kết cấu của piston và cam bơm cao áp, kết cấu vòi phun Trong hệ thống nhiên liệu DME cần thêm hệ thống làm mát để tránh sự tăng nhiệt độ của DME gây hóa hơi Độ nhớt DME thấp làm giảm bôi trơn các bộ phận chuyển động như piston và kim phun

nên cần sử dụng các phụ gia để cải thiện bôi trơn, thay đổi vật liệu và xử lý tăng bền bề mặt các chi tiết [10]

Về cơ bản, hệ thống cung cấp DME cũng tương tự như hệ thống nhiên liệu diesel, có thể sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu thông thường hoặc kiểu bình tích áp (common rail) với một số yêu cầu riêng Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu DME gồm:

- Cung cấp lượng nhiên liệu có áp suất cao với quy luật phun phù hợp với chế độ làm việc của động cơ;

- Duy trì DME ở trạng thái lỏng trong hệ thống cung cấp;

- Đảm bảo kín khít, không có sự rò rỉ nhiên liệu (DME là khí hóa lỏng)

1.4.2 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME sử dụng bơm cao áp đơn kiểu Bosch

Với bơm cao áp đơn kiểu Bosch [10], piston tạo ra áp suất cung cấp nhiên liệu đến vòi phun để phun vào trong xylanh Nhiệt trị của DME bằng khoảng một nửa của diesel, do đó lượng DME phun để có cùng công suất động cơ sẽ gấp đôi

so với diesel Để tăng lượng nhiên liệu DME phun vào xylanh, phải thay đổi rãnh xoắn của piston, tăng đường kính, hành trình có ích của piston (hình 1.2) và thay đổi biên dạng cam của bơm cao áp để tăng hành trình chuyển động Ngoài ra, để thời gian phun không quá dài, đầu kim phun được thiết kế lại để giảm cản và tăng tiết diện lưu thông dòng chảy [10]

Diesel DME

Hình 1.2 Rãnh xoắn thay đổi hành trình [10]

DME là nhiên liệu khí được hóa lỏng ở - 250C, với áp suất 1 bar, hoặc ở

200C với áp suất 5 bar Để lượng nhiên liệu DME cung cấp đủ và ổn định cho bơm cao áp thì cần thiết phải giữ DME ở trạng thái lỏng, do vậy, cần duy trì áp suất lớn hơn áp suất bay hơi của DME trong đường nhiên liệu thấp áp Sơ đồ hệ thống nhiên liệu DME sử dụng bơm cao áp đơn kiểu Bosch bao gồm bình chứa nhiên liệu, bơm thấp áp, két làm mát nhiên liệu, bộ hút khí, van tràn, bơm cao áp, vòi phun (hình 1.3)

Bơm thấp áp tạo áp suất nhiên liệu trong đường ống thấp áp khoảng 0,5 MPa, đưa DME từ thùng chứa nhiên liệu tới bơm cao áp Lượng nhiên liệu qua bơm thấp áp lớn hơn lượng cần thiết nên phần nhiên liệu thừa quay trở về thùng nhiên liệu qua van tràn với áp suất mở 5 bar Két làm mát nhiên liệu ở sơ đồ này nhằm tránh sự tăng nhiệt độ của DME gây hóa hơi,và bộ hút khí trên đường hồi nhằm loại bỏ phần khí DME trong đường ống Bơm thấp áp được đặt tại vị trí thấp hơn mức thùng chứa chất lỏng bởi vì chất lỏng DME trong bình nhiên liệu trong điều kiện bão hòa không thể được hút lên vị trí cao hơn so với mức chất lỏng, như vậy DME lỏng được dẫn đến bơm thấp áp bằng trọng lực và áp suất nén trong thùng chứa (hình 1.3)

Khi động cơ dừng hoạt động, DME có thể rò rỉ qua bề mặt của kim phun

và đế kim phun đi vào trong xylanh động cơ Điều này dẫn đến động cơ làm việc không bình thường khi hoạt động trở lại, thậm chí có khả năng gây hư hỏng động

cơ Để khắc phục vấn đề này cần phải xả nhiên liệu còn lại trong vòi phun bằng

cơ cấu xả trong bơm cao áp (hình 1.4)

Hình 1.3 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME sử dụng bơm cao áp đơn kiểu Bosch [10]

Với phương án xả nhiên liệu còn lại, lượng nhiên liệu trong bơm cao áp và vòi phun được đưa quay lại thùng chứa ở dạng lỏng hoặc dạng hơi

Hình 1.4 Cơ cấu xả trong bơm cao áp

1.4.3 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu bình tích áp (common rail)

Hình 1.5 mô tả hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu bình tích áp sử dụng bơm thấp áp làm bơm chuyển nhiên liệu[10] Nhiên liệu DME được bơm thấp áp chuyển qua van điện từ, qua két làm mát lên bơm cao áp, qua bình tích áp đến vòi phun Sau đó DME lỏng áp suất cao được trở về thùng nhiên liệu Khi động cơ dừng, DME còn trong hệ thống được đưa về bình xả và được nén để hóa

lỏng và hồi về thùng nhiên liệu

Hình 1.5 Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu bình tích áp [10]

Đối với hệ thống nhiên liệu kiểu bình tích áp, cần sửa đổi kết cấu của loại kim phun điện từ thông thường cho phù hợp với tính chất của DME Tuy nhiên những kim phun này cũng có kích thước lỗ vòi phun mở rộng để đạt được lượng phun lớn hơn

1.5 Một số kết quả nghiên cứu sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ diesel

Mặc dù đã được sản xuất với khối lượng lớn trên thế giới, tuy nhiên ứng dụng chủ yếu của DME là làm chất đẩy trong bình phun xịt do DME không độc,

là môi chất có khả năng hòa tan tốt và bay hơi tốt ở áp suất và nhiệt độ môi trường [10] Những nghiên cứu tính năng kỹ thuật động cơ diesel khi sử dụng DME cho đến nay còn hạn chế do khó khăn trong quá trình lưu trữ và cung cấp nhiên liệu cho động cơ Đồng thời kết quả nghiên cứu cũng phụ thuộc nhiều vào tình trạng kỹ thuật và công nghệ động cơ Một số kết quả nghiên cứu sử dụng DME được trình bày dưới đây

1.5.1 Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu của Zhen HUANG [15] thử nghiệm sử dụng DME trên động

cơ diesel common rail, công suất 29,4 kW cho thấy áp suất phun của DME thấp hơn diesel, ở chế độ 100% tải, đỉnh áp suất phun với diesel là 51,6 MPa trong khi đỉnh áp suất phun với DME chỉ là 36,4 MPa (hình 1.6)

Hình 1.6 Áp suất phun của DME và diesel [15]

Suất tiêu hao nhiên liệu DME thấp hơn khi tốc độ động cơ nhỏ hơn 1500 vòng/phút nhưng cao hơn khi tốc độ động cơ lớn hơn 1500 vòng/phút so với khi dùng diesel ở chế độ 100% tải (hình 1.7)

Hình 1.7 Suất tiêu hao nhiên liệu diesel và DME theo tốc độ động cơ[15]

Về hàm lượng phát thải NOx và độ khói giảm đáng kể khi sử dụng DME cho động cơ diesel (hình 1.8, 1.9)

20 40 60 80 100

100% tải 75% tải 50% tải

0,1 0,4 0,7 1,0 1,3

1,6 1,2 0,8 0,4

0

Nghiên cứu của SuHan Park [19] khảo sát đặc tính phun của nhiên liệu DME và diesel sử dụng trên động cơ diesel cỡ lớn với các mẫu phân tích và thí nghiệm Kết quả thực nghiệm cho thấy DME có đặc tính phun tốt hơn nhiên liệu diesel thông thường Hơn nữa, thời gian phun trễ nhiên liệu của DME ngắn hơn diesel và tốc độ phun nhiên liệu lớn nhất của DME thấp hơn diesel khi xét ở các điều kiện tương đương Khi so sánh sự phát triển tia phun, kết quả là chùm tia diesel rộng hơn và dài hơn chùm tia DME ở cùng các điều kiện Sự phát triển chùm tia DME tại áp suất môi trường cao là chậm hơn và góc của chùm tia rộng hơn so với diesel dưới điều kiện áp suất khí quyển Chùm tia diesel dài hơn và rộng hơn ở nhiệt độ xung quanh cao Thêm vào đó, chùm tia DME cho thấy quá trình bay hơi rất nhanh do DME tồn tại ở thể hơi khi ở nhiệt độ phòng

Hình 1.10 Quá trình phát triển tia phun của DME ở các điều kiện áp suất

và nhiệt độ phòng thí nghiệm [19]

So sánh thời gian đến của chùm tia cho thấy rằng nhiên liệu diesel đạt tới điểm đo nhanh hơn DME Các hạt nhiên liệu diesel có động lượng cao do có độ nhớt và ứng suất bề mặt cao nên gia tăng vận tốc chùm tia, điều đó làm giảm thời gian đến của chùm tia diesel Theo kết quả nghiên cứu khoảng cách hướng trục

từ đầu vòi phun, đường kính của hạt nhiên liệu của cả hai loại nhiên liệu cho thấy

sự phân tách các hạt là tương đồng, nếu có khác biệt thì là rất nhỏ Tuy nhiên, sự phân tách các hạt diesel có sự khác biệt lớn hơn các hạt DME, do vậy đặc tính phun sương của DME tốt hơn nhiên liệu diesel

Nghiên cứu của Wang Ying [20] sử dụng hỗn hợp DME và diesel với các

tỷ lệ 10%, 15% và 20% DME (tương ứng là DM10, DM15 và DM20) trên động

cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh, công suất 88 kW/2800 vòng/phút, bơm cao áp kiểu cơ khí Kết quả thử nghiệm ở các giá trị áp suất trung bình khác nhau cho thấy suất

tiêu hao năng lượng với các nhiên liệu hỗn hợp thấp hơn so với khi sử dụng diesel, trong khi đó ở chế độ toàn tải công suất động cơ khi dùng nhiên liệu hỗn hợp thấp hơn so với diesel (hình 1.11)

Hình 1.11 Suất tiêu hao năng lượng trong quá trình cháy với các nhiên liệu khác nhau [20]

Hình 1.12 Phát thải NOx với các nhiên liệu [20]

Áp suất có ích trung bình (MPa)

Áp suất có ích trung bình (MPa)

Về hàm lượng phát thải, hỗn hợp DME/diesel làm giảm đáng kể thành phần muội than nhất là ở các chế độ tải lớn (giảm tới khoảng 60%), giảm chút ít

NOx trong khi HC và CO có xu hướng tăng trong hầu hết các chế độ vận hành

Nghiên cứu của Yoshio Sato, Akira Noda & Li Jun [13] đã thử nghiệm

sử dụng động cơ diesel một xi-lanh phun trực tiếp được trang bị với hệ thống phun nhiên liệu common rail để nghiên cứu ảnh hưởng của đặc tính phun DME ảnh hưởng đến hàm lượng phát thải Thí nghiệm được tiến hành sử dụng hai kết cấu vòi phun khác nhau, cả hai có tổng diện tích lỗ vòi phun giống nhau Vòi phun thứ nhất có năm lỗ, mỗi lỗ đường kính 0,55 mm, vòi phun thứ hai có ba lỗ, mỗi lỗ đường kính 0,7 mm Thử nghiệm những ảnh hưởng của tỷ lệ phun và tỷ lệ xoáy với phát thải NOx Kết quả cho thấy lượng khí thải NOx khi sử dụng vòi phun 5 lỗ cao hơn so với 3 lỗ

Nghiên cứu của Z Longbao, W Hewu, W Ying [18] trình bày các kết quả nghiên cứu tính năng động cơ khi dùng DME cho động cơ diesel common rail Nghiên cứu này xét tới các thông số kết cấu, như đường kính piston, loại vòi phun, góc phun sớm nhiên liệu, khoảng cách của đầu vòi phun trong xi lanh, các đặc tính cháy và phát thải Thí nghiệm được sử dụng với động cơ 4 xi lanh, 3,2 l, công suất 66 kW Khi thí nghiệm sử dụng DME với vòi phun 5 lỗ, đường kính lỗ 0,32 mm cho kết quả hiệu suất nhiệt tốt nhất, không có khói và phát thải NOx giảm 50% so với sử dụng diesel Nghiên cứu còn chỉ ra việc sử dụng DME cho các phương tiện vận tải gây tiếng ồn nhỏ hơn khi dùng diesel

Spencer C.Sorenson [16] nghiên cứu đặc điểm phun của DME với áp suất cao trong hệ thống phun nhiên liệu diesel có vòi phun một lỗ Hình ảnh của quá trình phun DME vào buồng N2 ở tốc độ cao được thể hiện trong hình 1.14, 1.15 với áp suất phun 15 bar, nhiệt độ là 38 ° C Ở nhiệt độ này, DME có áp lực 8,2 bar DME bay hơi rất nhanh trong điều kiện này Hình 1.14 cho thấy hình ảnh phun DME, sau khi phun 0,875 ms, hình 1.15 cho thấy rằng hình ảnh phun diesel, sau khi phun 0,875 ms Tia phun DME mỏng hơn, vùng phun rộng hơn

(hình 1.14), đó là do DME bay hơi nhanh hơn diesel

Hình1.14 DME phun vào Nitrogen

ở 15 bar, 0,875 ms sau khi phun [16]

Hình 1.15 Diesel phun vào Nitrogen

ở 15 bar, 0,875 ms sau khi phun [16]

Một nghiên cứu khác [23] đánh giá chất lượng phát thải động cơ diesel khi

sử dụng DME cũng cho thấy các phát thải HC, NOx, muội than giảm đáng kể, trong khi lượng CO2 hầu như không thay đổi và CO tăng khá nhiều so với sử dụng nhiên liệu diesel (Hình 1.16) Tuy nhiên, cũng cần lưu ý hàm lượng CO trong khí thải động cơ diesel thường thấp và việc xử lý giảm phát thải CO cũng tương đối dễ dàng

Hình 1.16 So sánh hàm lượng phát thải khi sử dụng DME và diesel [23]

Hãng Volvo [25] hiện đang thử nghiệm 10 xe tải chở hàng đã chạy được 400.000 km trên đường sử dụng nhiên liệu DME thay cho diesel Theo kết quả đánh giá của Volvo, các xe này hoạt động rất tốt trên đường và đây là công nghệ

có độ tin cậy cũng như có hiệu quả sử dụng năng lượng cao

Hầu hết các nghiên cứu trên thế giới được thực hiện trên cơ sở thực nghiệm, trên các động cơ common rail và động cơ cỡ lớn mà chưa đề cập tới động cơ diesel trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu cơ khí trong khi đây là kiểu động cơ có số lượng lớn ở Việt Nam

Mức phát thải ứng với diesel (100%)

Các kết quả chưa phân tích rõ được diễn biến áp suất, diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh khi sử dụng DME, đồng thời các nghiên cứu này cũng chưa đánh giá đầy đủ ảnh hưởng của các yếu tố lượng nhiên liệu cung cấp, tỷ lệ DME/diesel, góc phun sớm DME tới tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt nam

Ở Việt Nam đến nay có rất ít nghiên cứu liên quan đến nhiên liệu DME

Đề tài “DME- nguồn nhiên liệu mới thay thế xăng dầu diesel” [8] giới thiệu sơ lược về sự hình thành dầu mỏ, tình hình dầu mỏ hiện nay và nghiên cứu một cách tổng quan về nguồn nhiên liệu mới DME Nghiên cứu này cũng mới chỉ đưa ra đặc điểm của DME thích hợp với động cơ diesel do nhiệt độ tự cháy thấp, chỉ số Xetan hợp lý và đề cập đến vấn đề DME không trộn lẫn với diesel nhưng lắp thêm bộ phận phụ trợ vào động cơ diesel là có thể sử dụng được DME

Ngoài đề tài trên, hầu như chưa có đề tài nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DME trên động cơ diesel Trong khi đó, tiềm năng về nguồn nguyên liệu cũng như khả năng về công nghệ hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu sản xuất nhiên liệu DME như đã trình bày ở trên Do vậy cần thực hiện nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel cỡ nhỏ phổ biến ở Việt Nam khi sử dụng DME, qua đó bước đầu đánh giá khả năng ứng dụng loại nhiên liệu này thay thế cho diesel truyền thống

1.6 Kết luận chương 1

Do nhu cầu khai thác ngày càng lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch đang có

xu hướng cạn kiệt dần Bên cạnh đó, động cơ sử dụng diesel truyền thống phát thải nhiều chất độc hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người Vì vậy, việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế, nhiên liệu tái tạo nhằm giải quyết các vấn đề trên là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam Trong các loại nhiên liệu thay thế, DME hiện được xem là có nhiều tiềm năng thay thế diesel Với những ưu điểm như dễ bay hơi, trị số Xetan cao, có chứa ôxy trong phân tử, sử dụng DME làm nhiên liệu trên động cơ diesel giúp quá trình hòa trộn tạo hỗn hợp tốt hơn, quá trình cháy triệt để hơn, có khả năng giảm thiểu một trong các thành phần độc hại nhất trong khí thải động cơ

diesel là muội than Tuy nhiên do DME thường được hóa lỏng ở áp suất lớn hơn 5bar và tồn tại ở thể khí trong điều kiện thông thường nên quá trình cung cấp DME cho động cơ diesel truyền thống gặp khó khăn Điều này tới các nghiên cứu

sử dụng DME còn ít và chủ yếu là thực hiện trong phòng thí nghiệm Bên cạnh

đó, tính năng động cơ diesel khi sử dụng DME còn phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật và công nghệ của động cơ Trên thế giới đến nay đã có một số nghiên cứu

sử dụng DME trên động cơ diesel common rail hoặc sử dụng hỗn hợp DME/diesel với tỷ lệ DME nhỏ trên động cơ diesel trang bị bơm cao áp cơ khí Ở Việt Nam đến nay nghiên cứu đánh giá tính năng động cơ diesel với nhiên liệu DME hầu như còn chưa được thực hiện, đồng thời đa số động cơ diesel ở Việt Nam vẫn sử dụng công nghệ cũ là bơm cao áp và vòi phun điều khiển cơ khí Do vậy phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu tính toán lý thuyết và thực nghiệm sử dụng DME với động cơ diesel cỡ nhỏ, động cơ một xy lanh, công suất 11kW và sử dụng phổ biến ở Việt Nam

Các kết quả giúp làm rõ các quá trình diễn ra trong xylanh động cơ khi sử dụng DME, đánh giá được khả năng sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ diesel thông thường, đồng thời là cơ sở việc đa dạng hóa nguồn nhiên liệu thay thế ở Việt Nam