Nghiên cứu cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ô tô bằng phương pháp sử dụng phụ gia nhiên liệu

- Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá, phân tích, tổng hợp số liệu để so sánh mức tiêu hao nhiên liệu, lượng phát thải, mức độ mài mòn các chi tiết chính của 2 ô tô

1

/m

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

HV Nguyễn Văn Nhu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Phạm Văn Trọng

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHỤ

GIA NHIÊN LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GIA NHIÊN LIỆU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS HOÀNG ĐÌNH LONG

Hà Nội – Năm 2015

3

MỤC LỤC

Lời cam đoan 3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 8

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 9

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13

1.1 Động cơ đốt trong và vấn đề sử dụng nhiên liệu hóa thạch 13

1.1.1 Sự gia tăng nhanh về số lượng phương tiện 13

1.1.2 Sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch 15

1.1.3 Phát thải và vấn đề ô nhiễm môi trường 16

1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải 19

1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu 19

1.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng xử lý khí thải 20

1.2.3 Sử dụng nhiên liệu thay thế 21

1.2.4 Sử dụng phụ gia nhiên liệu 24

1.3 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2: PHỤ GIA NHIÊN LIỆU 26

2.1 Mục đích của việc sử dụng phụ gia nhiên liệu 26

2.2 Các loại phụ gia nhiên liệu 26

2.2.1 Phụ gia bảo quản 26

2.2.2 Phụ gia chống kích nổ 27

2.2.3 Phụ gia cải thiện hiệu suất và phát thải của động cơ 30

2.4 Phụ gia Maz- Nitro 33

2.4.1 Giới thiệu về phụ gia Maz- Nitro 33

2.4.2 Kết quả nghiên cứu ở một số nước về hiệu quả của phụ gia Maz-Nitro 35 2.5 Kết luận chương 2 43

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ PHỤ GIA MAZ- NITRO 44

4

3.1 Mục đích và đối tượng nghiên cứu 44

3.1.1 Mục đích nghiên cứu 44

3.1.2 Đối tượng nghiên cứu 44

3.2 Phương pháp nghiên cứu và nội dung thực nghiệm 44

3.2.1 Trang thiết bị thử nghiệm và nhiên liệu thử nghiệm 44

3.2.2 Nghiên cứu tương thích của phụ gia với hệ thống nhiên liệu 50

3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến tiêu hao nhiên liệu 50

3.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến phát thải 57

3.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến mài mòn 59

3.3 Kết quả nghiên cứu 66

3.3.1 Tính tương thích của phụ gia Maz- Nitro với hệ thống nhiên liệu 66

3.3.2 Ảnh hưởng của phụ gia Maz- Nitro đến phát thải 66

3.3.3 Ảnh hưởng của phụ gia Maz- Nitro đến tiêu hao nhiên liệu 68

3.3.4 Ảnh hưởng của phụ gia Maz-Nitro đến độ mòn các chi tiết 72

3.4 Kết luận chương 3 75

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

LỜI CẢM ƠN 80

PHỤ LỤC 81

5

Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Văn Trọng

6

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Stt Tên viết tắt/Ký hiệu Tên đầy đủ (nghĩa tiếng việt)

1 OICA Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô thế giới

3 EIA Cơ quan thông tin về năng lượng

11 Sox Các hợp chất lưu huỳnh oxit

14 EFI Electronic fuel injection

15 VVT-i Variable Valve Timing with intelligence

19 EFI Electronic fuel injection

23 MTBE Methyl tertiary-Buthyl ether

7

Stt Tên viết tắt/Ký hiệu Tên đầy đủ (nghĩa tiếng việt)

30 TP Throttle position (Vị trí bướm ga)

31 Rpm Revolutions per minute (Vòng trên phút)

34 NDIR Bộ phân tích hồng ngoại không tán sắc

35 FID Bộ phân tích ion hóa ngọn lửa

38 ECE1505 Chu trình thử xe con và xe tải

39 ECE15 Chu trình thử xe con và xe tải trong thành phố

40 EUDC Chu trình thử xe con và xe tải trên xa lộ

8

Danh mục các bảng

1 Bảng 2.1 Tính chất vật lý của các phụ gia oxygen 28

3 Bảng 3.2 So sánh mức phát thải khi chạy phụ gia và không phụ

gia của ô tô Toyota Land Cruiser 4500 theo chu trình thử châu Âu

67

4 Bảng 3.3 So sánh mức phát thải khi chạy phụ gia và không phụ

gia của ô tô Ford Transit theo chu trình thử Châu Âu

67

5 Bảng 3.4 So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô xăng Land

Cruiser giữa chạy phụ gia và chạy không phụ gia

68

6 Bảng 3.5 So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô diesel Ford

Transit giữa chạy phụ gia và chạy không phụ gia

70

7 Bảng 3.6 So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu khi chạy phụ gia và

không phụ gia của các phương tiện theo chu trình thử Châu Âu

71

4 Hình 1.4 Minh họa về số lượng ô tô trên thế giới 14

5 Hình 1.5 Hình ảnh về giao thông tại đường phố Hà Nội 14

6 Hình 1.6 Mức năng lượng tieu thụ của thế giới 1970 đến 2025 15

7 Hình 1.7 Tiêu thụ năng lượng phân theo khu vực 1970 đến 2025 15

8 Hình 1.8 Biểu đồ sản lượng khai thác dầu mỏ của Mỹ và thế giới 16

9 Hình 1.9 Biểu đồ sản xuất và tiêu thụ dầu mỏ tại Việt Nam qua các

21 Hình 2.9 Quy trình sản xuất phụ gia Maz- Nitro 34

22 Hình 3.1 Ô tô Toyota Land Cruiser chạy xăng phục vụ thử nghiệm 46

23 Hình 3.2 Ô tô diesel Ford Transit phục vụ thử nghiệm 47

29 Hình 3.8 So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu ở các giai đoạn thử nghiệm

có Maz và không có Maz của ô tô Land Cruiser 4500

69

30 Hình 3.9 So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu ở các giai đoạn thử nghiệm

có Maz và không có Maz của ô tô diesel Ford Transit

70

31 Hình 3.10 So sánh độ mòn giữa ô tô chạy xăng pha Maz và ô tô

chạy xăng không pha Maz

72

32 Hình 3.9 Chênh lệch độ mòn giữa ô tô chạy xăng pha Maz và ô tô

chạy xăng không pha Maz

73

33 Hình 3.10 So sánh độ mòn giữa ô tô chạy diesel pha Maz và ô tô

chạy diessel không pha Maz

74

34 Hình 3.11 Chênh lệch độ mòn giữa ô tô chạy diesel không pha Maz

và ô tô chạy diessel pha Maz

74

11

MỞ ĐẦU

Ngày nay, dân số thế giới đang tăng nhanh do vậy nhu cầu đi lại, vận chuyển càng ngày càng tăng cao Các loại phương tiện giao thông ngày càng đa dạng về chủng loại cũng như số lượng và chất lượng Ô tô là phương tiện giao thông chủ đạo trong tình hình hiện nay Do đó ngành công nghiệp ô tô đang phát triển không ngừng trên thế giới và trong nước Hàng loạt các mẫu xe mới, dòng xe hiện đại được đưa ra thị trường và góp phần thay đổi, nâng cao chất lượng của cuộc sống của chúng ta Đi kèm với sự phát triển ấy thì nhu cầu về nhiên liệu, áp lực về ô nhiễm môi trường cũng đang là vấn đề nhức nhối ngày nay Khi nguồn hóa thạch đang cạn kiệt, môi trường đang bị ô nhiễm một các nghiêm trọng thì nhu cầu bức thiết là tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và giảm mức độ phát thải do ô tô gây ra cũng là vấn đề đang được quan tâm hàng đầu Nước ta còn là nước đang phát triển, nguồn tài nguyên hóa thạch đang cạn dần thì nhu cầu đó lại càng trở lên cấp bách hơn Chính vì vậy tìm ra biện pháp để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của

ô tô nhằm nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải vào môi trường là hướng nghiên cứu đúng đắn của các nhà khoa học trong hiện tại cũng như tương lai

Thực tế có rất nhiều cách để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của ô tô Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm khác nhau và được áp dụng tùy vào điều kiện của mỗi quốc gia Một trong những phương pháp đó là sử dụng phụ gia nhiên liệu để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ô tô

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ô tô bằng phương pháp sử dụng phụ gia nhiên liệu Maz-Nitro

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của việc pha 2 phụ gia nhiên liệu Maz 100 và Maz 200 vào nhiên liệu để cho ô tô vận hành

- Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá, phân tích, tổng hợp số liệu để so sánh mức tiêu hao nhiên liệu, lượng phát thải, mức độ mài mòn các chi tiết chính của 2 ô tô sử dụng nhiên liệu thông thường và 2 ô tô cùng loại sử dụng nhiên liệu có pha phụ gia Maz-Nitro

12

- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Luận văn là cơ sở để đánh giá loại phụ gia nhiên liệu Maz-Nitro khi pha vào trong nhiên liệu sử dụng cho ô tô

- Nội dung nghiên cứu:

+ Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm phát thải của động cơ xăng và diesel

+ Tìm hiểu về các loại phụ gia thường dùng và đặc điểm phụ gia Nitro

Maz-+ Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng phụ gia nhiên liệu Maz-Nitro 100 cho ô tô chạy xăng, Maz-Nitro 200 cho xe chạy diesel trong phòng thí nghiệm

và tại hiện trường

+ Phân tích số liệu thực nghiệm, kết luận về hiệu quả của phụ gia Nitro về ảnh hưởng của phụ gia tới hệ thống cung cấp nhiên liệu, mức giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải, mức độ mài mòn các chi tiết chính của động cơ ô tô

Maz-13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Động cơ đốt trong và vấn đề sử dụng nhiên liệu hóa thạch

1.1.1 Sự gia tăng nhanh về số lượng phương tiện

Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt biến đổi nhiệt năng thành cơ năng Khi động cơ đốt trong làm việc thì quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu được diễn

ra bên trong xi lanh động cơ Động cơ đốt trong được phân loại thành nhiều loại theo các tiêu chí khác nhau Ví dụ: Động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ 1 xi lanh, động cơ nhiều xi lanh…

Hình 1.1 Động cơ diesel Hình 1.2 Động cơ xăng

Động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi trong thực tế và trang bị trên nhiều loại máy móc, phương tiện vận tải Ô tô chiếm đại đa số trong các phương tiện vận tải Mỗi ô tô được trang bị một loại động cơ sao cho phù hợp với mục đích và nhu cầu sử dụng Sự gia tăng nhanh dân số và phát triển kinh tế của các quốc gia dẫn đến sự gia tăng chóng mặt của ô tô trên thế giới.Từ đó các chủng loại ô tô phát triển mạnh mẽ và đồng thời số lượng

các phương tiện cũng tăng lên

không ngừng Theo Hiệp hội Các

nhà sản xuất ô tô thế giới (OICA),

năm 2012, toàn thế giới có khoảng

1,143 tỷ xe ô tô các loại đang lưu

hành, trong đó riêng Mỹ gần 251

triệu xe, toàn châu Âu hiện có 368

Hình 1.3 Xe ô tô lưu thông trên đường phố

14

Hình 1.5 Hình ảnh về giao thông tại đường phố Hà Nội

triệu xe, riêng 27 quốc gia thuộc Liên minh châu Âu và các nước thuộc Hiệp hội mậu dịch tự do châu Âu chiếm 291 triệu xe Với 1,143 tỷ xe đang lưu thông, cũng tính trung bình mỗi xe chỉ dài 5m, khi toàn bộ xe trên thế giới xếp thành một hàng thì ước tính chiều dài của đoàn xe này là khoảng 5,7 triệu km, tức hơn 140 lần chu

vi trái đất

Hình 1.4 Minh họa về số lượng ô tô trên thế giới

Hòa chung với sự phát triển mạnh mẽ của ô tô thế giới thì số lượng của ô tô tại nước ta cũng đang tăng lên một cách nhanh chóng Cụ thể với tốc độ tăng trưởng GDP năm 2014 lần lượt là 5,98%, mức tăng trưởng năm 2014 cao hơn mức tăng trưởng 5,25% của năm 2012 và 5,42% của năm 2013 thì số lượng ô tô đang lưu hành khoảng 1,5 triệu xe Theo đề án 356/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ thì đến năm 2020, thì định hướng phát triển phương tiện vận tải gồm ô tô các loại có khoảng 3,2 - 3,5 triệu xe, trong đó xe con 57%, xe khách 14% và xe tải 29% Do lượng ô tô trong nước cũng như số lượng ô tô trên thế giới đang tăng nhanh dẫn đến yêu cầu sử dụng về nhiên liệu cho lượng ô tô đó rất lớn Điều đó sẽ gây ra tình trạng cạn kiệt thiếu hụt xăng dầu trong tương lai

15

1.1.2 Sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch

Thế kỷ thứ 21, thế giới đang đứng trước nhiều vấn đề cần phải đối mặt Trong đó, vấn đề được xem là nóng bỏng nhất và thu hút sự quan tâm của tất cả các nhà khoa học cũng như Chính Phủ các quốc gia hiện là hiện tượng ấm lên toàn cầu

do tác động của hiệu ứng nhà kính và sự khủng hoảng về năng lượng Theo dự báo của Cơ quan thông tin về năng lượng (EIA) vào năm 2004, trong vòng 24 năm kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới có thể tăng thêm 54% (ước tính khoảng 404 nghìn tỷ thùng năm 2001 tới 623 nghìn tỷ thùng vào năm 2025) mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia có nền kinh tế đang phát triển mạnh mẽ, như Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á

Các quốc gia trên thế giới

đều có nhu cầu năng lượng tăng

lên do vậy sản lượng khai thác

dầu mỏ của thế giới và đặc biệt

là Mỹ đang tăng lên nhanh

tô

1.1.3 Phát thải và vấn đề ô nhiễm môi trường

Quá trình làm việc của động cơ đốt trong bao gồm các quá trình nạp nhiên liệu, hòa trộn nhiên liệu và không khí, đốt cháy nhiên liệu và thải khí thải ra ngoài Các sản phẩm cháy cơ bản của quá trình cháy bao gồm COx, H2O ( hơi nước), HC,

NOx, SOx, Pb Các sản phẩm cháy này khi thải vào môi trường sẽ gây ra những ảnh hưởng tới môi trường và tới sức khỏe con người

- CO: ô-xýt-các-bon hay còn gọi là mô-nô-xít-các-bon là sản phẩm cháy của các bon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ô xy Mô-nô-xít-các-bon ở dạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ ô xy của hê-mô-glô-bin trong máu, làm

Hình 1.9 Biểu đồ sản xuất và tiêu thụ dầu mỏ tại Việt Nam qua các năm

17

giảm khả năng cung cấp ô xy cho các tế bào trong cơ thể Mô-nô-xít-các-bon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây cho con người tử vong Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3

- CmHn: (còn được ký hiệu là HC - Hydrocarbon) là các loại các-bua-hy-đrô

có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải (đôi khi Các-bua-hy-đrô có rất nhiều loại Mỗi loại có ảnh hưởng (mức độ độc hại) khác nhau nên không thể đánh giá chung một cách trực tiếp Ví dụ, pa-ra-phin và naph-ta-nin có thể coi là vô hại Trái lại, các loại các-bua-hy-đrô thơm thường rất độc, ví

dụ như các-bua-hy-đrô có nhân ben-zen (3 hoặc 4 nhân) có thể gây ung thư Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần các-bua-hy-đrô tổng cộng trong khí thải (Total Hydrocarbon viết tắt là TH) Các-bua-hy-đrô tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mặc đường hô hấp

- NOx: ô-xýt-ni-tơ là sản phẩm ô xy hoá ni-tơ có trong không khí được đưa vào buồng cháy động cơ trong điều kiện nhiệt độ cao Do ni-tơ có nhiều hoá trị nên ô-xýt-ni-tơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx Trong khí thải của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO

+ NO2: pe-ô-xýt-ni-tơ là một khí có mùi gắt và mầu nâu đỏ Với một hàm lượng nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng với hơi nước

sẽ tạo thành a-xit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật [NO2] = 9mg/m3

+ NO: NO là thành phần chủ yếu của NOx trong khí thải NO là một khí không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm mạc Trong khí quyển, NO không ổn định nên bị ô-xy hoá tiếp thành NO2 và kết hợp với hơi nước tạo thành a-xit ni-tơ-ríc [NO] = 9 mg/m3

- An-đê-hýt: có nhiều dạng khác nhau nhưng có chung một công thức tổng quát là C-H-O Khi ở dạng khí an-đê-hýt có mùi gắt và có tác dụng gây tê Một số loại có thể gây ung thư Đối với fooc-môl-đê-hýt hàm lượng cực đại cho phép là 0,6mg/m3

Hình 1.10 Ô nhiễm không khí do ô tô gây ra tại Việt Nam ngày càng trầm trọng

Môi trường đang xấu đi trầm trọng, các hiện tượng tiêu cực của thời tiết đang xuất hiện ngày một nhiều Hiện tượng trái đất nóng lên, băng tan làm xuất hiện các siêu bão trên các đại dương, hạn hán ở nhiều khu vực Hiện tượng Enino làm cho khu vực các quốc gia Ấn Độ, nam Á, trong đó có Việt Nam trải qua đợt nắng nóng

kỷ lục trong hơn 10 năm vừa qua đã gây ra nhiều xáo trộn trong cuộc sống Ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu đang là mối đe dọa rất lớn đến điều kiện sống hiện nay Chính vì vậy cải thiện môi trường sống, giảm thiều ô nhiễm môi trường chính là xu hướng tất yếu của thế kỷ 21 Là một trong những nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trường không khí thì vấn đề giảm phát thải của ô tô cũng đang được quan tâm nhiều hơn Nhà nước ta cũng đang có những biện pháp để làm giảm

ô nhiễm môi trường do ô tô gây ra như đưa vào sử dụng nhiên liệu sinh học, cải tiến

19

các kết cấu, sử dụng các tiêu chuẩn để kiểm soát khí thải giúp cải thiện hàm lượng khí xả Chính vì vậy tìm ra các biện pháp để làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường chính là là nhiệm vụ của các kỹ sư, nhà khoa học để giúp bảo vệ hành tinh xanh của chúng ta

1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải

1.2.1 Tối ưu hóa kết cấu

Để giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải thì các kết cấu hệ thống của động cơ đốt trong được cải tiến nhiều so với khi động cơ mới được trang bị trên ô tô

Hệ thống thông tin, các cơ cấu cơ điện tử, tự động hóa được sử dụng trên động cơ trên ô tô ngày một nhiều hơn Các cơ cấu đó giúp cải thiện các đặc tính làm việc và nâng cao chất lượng của ô tô Điển hình trong số đó là sử dụng các hệ thống, kết cấu sau:

- Hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ xăng: Khi động cơ xăng mới được

sử dụng thì chế hòa khí chính là bộ phận được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho động cơ xăng Ngày nay các hệ thống cung cấp nhiên liệu hiện đại và có tính năng

ưu việt hơn được sử dụng: Hệ thống phun xăng điện tử EFI, hệ thống nạp xả thông minh VVT-I (Toyota), hệ thống VVT (Mazda) Hệ thống phun xăng điện tử được trang bị trên động cơ nhằm cung cấp nhiên liệu và không khí phù hợp với các chế

độ làm việc của động cơ Qua đó giúp cho quá trình hòa trộn xăng với không khí tốt hơn, dẫn đến quá trình cháy của động cơ được cải thiện Động cơ thường làm việc ở chế độ nghèo nhiên liệu giúp cho quá trình đốt nhiên liệu kiệt hơn, giảm hàm lượng

HC và CO hình thành sau quá trình cháy Ngày nay hệ thống phun xăng điện tử được trang bị trên nhiều loại động cơ ô tô của các hãng xe ô tô khác nhau Ô tô có

hệ thống phun xăng điện tử được sử dụng phổ biến do có những tính năng ưu việt của nó so với ô tô có động cơ dùng chế hòa khí

- Hệ thống phun dầu điện tử trên động cơ diesel: Hệ thống phun dầu điện tử được trang bị trên các động cơ diesel nhằm cải thiện quá trình cháy của động cơ diesel nhằm tăng hiệu suất, giảm hàm lượng phát thải Giúp cung cấp nhiên liệu tốt hơn so với hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel kiểu cũ

- Hệ thống luân hồi khí xả: Luân hồi khí xả trên động cơ là biện pháp đưa, trích một phần khí xả đưa vào đường nạp và từ đó hòa trộn với khí nạp mới, góp phần sấy nóng khí nạp mới để tăng hiệu quả làm việc, giảm phát thải khí độc hại ra môi trường, góp phần tiết kiệm nhiên liệu Ngày nay các xe ô tô đều có hệ thống luân hồi khí xả vì những lợi ích của hệ thống này

Ngày nay khi khoa học kỹ thuật ứng dụng trên ô tô nói chung và động cơ nói riêng đã đạt tới mức gần như hoàn thiện về công nghệ thì việc tối ưu hóa kết cấu không còn khả thi nữa, áp dụng phương pháp giảm thành phần độc hại bằng xử lý khí thải đã được sử dụng trên nhiều phương tiện và đã góp phần làm giảm đáng kể các thành phần độc hại của khí xả

1.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng xử lý khí thải

Giảm thành phần độc hại khí thải thì xử lý khí thải trên hệ thống thải là biện pháp hiệu quả để giảm thành phần độc hại của quá trình cháy Phương pháp xử lý được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ xúc tác trên đường thải, phổ biến nhất là dùng bộ xúc tác 3 tác dụng trong động cơ xăng Bộ xử lý chứa một hàm lượng nhỏ các chất xúc tác (Pt, Ni, Rd) có tác dụng tăng cường các quá trình ô xy hóa và khử các thành phần độc hại Các bộ xử lý xúc tác thường chỉ hoạt động hiệu quả khi nhiệt độ bộ xúc tác đạt trên 350oC nên ở thời kỳ khởi động lạnh và chạy ấm máy, các phương tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong thường phát thải lớn Do vậy, việc tìm biện pháp giảm thành phần độc hại trong sản vật cháy từ ngay trong quá trình cháy vẫn rất cần phòng khi bộ xúc tác chưa tác dụng hoặc mất tác dụng, nếu không thì phải sấy nóng bộ xúc tác trong các trường hợp khí thải chưa đủ nhiệt

21

Hình 1.11 Bộ xúc tác được trang bị trên các xe con

Việc lắp đặt vận hành bộ xúc tác trên đường thải cũng có một số nhược điểm như: giá thành đắt, thời gian khi xe chạy ấm máy và khởi động thì bộ xúc tác không hoạt động, tuổi thọ của bộ xúc tác ngắn và lượng tiêu hao xăng dầu vẫn rất lớn Vì vậy sử dụng nhiên liệu mới, các nhiên liệu có sẵn, có thể điều chế trong tự nhiên sẽ giúp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch

1.2.3 Sử dụng nhiên liệu thay thế

Việc gia tăng một cách nhanh chóng số lượng phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel theo cách truyền thống đã tác động ngày càng xấu tới môi trường Cấm hoặc hạn chế số lượng các phương tiện là biện pháp không khả thi Nhiều phương pháp giảm hàm lượng khí xả độc hại đã được nghiên cứu và

áp dụng như đã giới thiệu ở trên Chính vì vậy phương pháp thay đổi cách thức sử dụng nhiên liệu và dùng nguồn nhiên liệu mới thay thế, sạch, rẻ hơn cho các phương tiện có sử dụng động cơ đốt trong sẽ là phương án hữu hiệu trong tương lai Nhiên liệu thay thế được chia thành các nhóm nhiên liệu:

+ Nhiên liệu cồn Methanol và cồn Ethanol

+ Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và khí thiên nhiên hoá lỏng (LNG) + Khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG)

+ Nhiên liệu khí Hyđrô (H2)

+ Nhiên liệu giàu Hyđrô: hỗn hợp của nhiên liệu hóa thạch với hyđrô

- Nhiên liệu khí có nguồn gốc hoá thạch có giá thành rẻ hơn xăng và có tỷ lệ

HC lớn hơn nên khi cháy thải ra ít CO và CO2 hơn Thêm nữa, nhiên liệu này không chứa benzen và các thành phần các bua hyđrô khác nên sạch hơn xăng Nhiên liệu

22

này có khả năng tạo hoà khí tốt, có tính chống kích nổ cao, khả năng cháy với hỗn hợp nghèo hơn hẳn nhiên liệu xăng cho nên lượng khí thải độc hại thấp hơn nhiều,

có thể giảm 20% lượng CO2 so với dùng nhiên liệu xăng

- Hiện nay trên thế giới đang có hơn 1,2 triệu xe sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và gần 1,4 triệu phương tiện sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) chủ yếu ở Achentina, Italy, Canada, Mỹ, Nhật bản Không chỉ ở các nước phát triển

mà các nước đang phát triển cũng rất quan tâm tới nguồn nhiên liệu sạch này Ở Việt Nam, sử dụng nguồn nhiên liệu sạch cũng là một vấn đề được nhà nước và chính phủ quan tâm, nhất là khi ngành khí công nghiệp ở nước ta rất phát triển và đến nay đã có nhiều chương trình chạy

thử xe dùng nhiên liệu khí Tuy nhiên do

nhiệt trị mole thấp hơn xăng nên công

suất động cơ sẽ thấp hơn nếu cùng kích

thước

- Nhiên liệu cồn Methanol và cồn

Ethanol cũng đã được sử dụng làm nhiên

liệu thay thế và phụ gia nhiên liệu với

mục đích giảm chi phí, giảm thành phần

độc hại khí xả và tăng trị số ốc tan nhiên

liệu trong động cơ xăng Tuy nhiên khi chuyển động cơ xăng sang dùng loại nhiên liệu này thì công suất giảm Thêm nữa, loại nhiên liệu này thường chỉ sẵn có với mức giá chấp nhận được ở các nước nông nghiệp và công nghiệp mía đường phát triển

- Nhiên liệu hyđrô: Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hyđrô từ lâu đã được xem như một loại nhiên liệu mong muốn cho động cơ đốt trong Khác với các loại nhiên liệu truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và có thể được sản xuất từ nguồn nước vô tận và có khả năng sử dụng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel Hyđrô khi phản ứng với ô xy tạo ra sản phẩm sạch, chỉ có nước và không có thành phần ô nhiễm nào, kể cả CO2 nên không gây ô nhiễm môi trường và

Hình 1.12 Cánh đồng trồng sắn để sản xuất nhiên liệu sinh học ở Quảng Ngãi

23

không gây hiệu ứng nhà kính như khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch Thêm nữa, nhiên liệu này có ưu điểm là cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt, nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ Mặc dù vậy, nhiên liệu hydro cũng có một số nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hydro thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp

- Nhiên liệu giàu hyđrô: Chính vì một số nhược điểm của nhiên liệu hyđrô trong việc thay thế hoàn toàn nhiên liệu xăng và diesel như đã nói trên nên nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hydro như một thành phần phụ gia cho nhiên liệu truyền thống Với phương pháp này, hydro chỉ được cấp một tỷ lệ nào đó vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng, diesel, hoặc khí thiên nhiên, để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hyđrô (có hyđrô ở trạng thái tự do trong hỗn hợp) Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu chính tốt hơn nên giảm được thành phần độc hại khí thải, mở rộng giới hạn cháy và tăng tính chống kích nổ cho động cơ trong khi không thay đổi kết cấu động cơ so với khi dùng xăng hoặc diesel Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hydro ổn định và tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên

Sử dụng nhiên liệu thay thế là hướng đi được rất nhiều quốc gia lựa chọn Tuy nhiên việc sản xuất nhiên liệu thay thế số lượng lớn thường gặp khó khăn, do sản xuất mất nhiều công đoạn, vùng đòi hỏi vùng nguyên liệu và giá thành sản xuất đắt, tình hình lương thực trên thế giới Một trong những phương pháp đơn giản và

dễ áp dụng hơn để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ô tô là sử dụng phụ gia nhiên liệu

24

1.2.4 Sử dụng phụ gia nhiên liệu

Nhiên liệu của động cơ đốt trong không đơn thuần chỉ là sản phẩm của một quá trình chưng cất từ một công đoạn nào đó của dầu mỏ, nó là một sản phẩm hỗn hợp được lựa chọn cẩn thận từ một số thành phần kết hợp với một số phụ gia nhằm đảm bảo cho điều kiện vận hành thực tế và lưu trữ bảo quản Hơn nữa, ngoài mục đích lưu trữ và bảo quản, việc dùng phụ gia nhiên liệu còn nhằm mục đích giảm thành phần khí thải độc hại một cách hiệu quả Tuy nhiên, để đạt được mục đích này, vấn đề đặt ra là cần lựa chọn loại phụ gia nào cho phù hợp, hàm lượng pha trộn

là bao nhiêu, vấn đề giá thành, công nghệ sản xuất cũng là một vấn đề cần xem xét Nguyên lý tác dụng chung của một số phụ gia nhiên liệu trong việc cải thiện đặc tính cháy của nhiên liệu và giảm thành phần độc hại khí xả là tạo ra môi trường ôxi trong quá trình cháy, làm cho nhiên liệu cháy nhanh hơn, tiếp tục cháy một phần sản phẩm CO, HC độc hại Một số phụ gia còn hình thành môi trường Hydro tạo ra phản ứng xúc tác quá trình cháy làm cho quá trình cháy hoàn thành một cách tốt nhất Nhiều loại phụ gia đã được sử dụng, tuy nhiên chúng không phải hoàn toàn vì mục đích giảm thành phần độc hại khí thải Với nguyên tắc tác dụng như trên, có thể thấy phương pháp dùng phụ gia nhiên liệu, đặc biệt là khi lựa chọn được loại phụ gia thích hợp là một phương pháp hiệu quả và khả thi nhất trong việc cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu và giảm hơn nữa thành phần độc hại khí xả để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo

1.3 Kết luận chương 1

Có thể thấy để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ô tô có thể tiến hành bằng nhiều biện pháp Mỗi biện pháp đều có những ưu nhược điểm khác nhau cụ thể: Tối ưu hóa thiết kế động cơ là nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình cháy, tăng chất lượng quá trình nạp xả, đảm bảo cháy kiệt, nhờ đó giảm được các sản phẩm cháy có tính độc hại được giảm ngay từ trong xi lanh tuy nhiên ngày nay các công nghệ về động cơ đã đạt ở trình độ rất cao do vậy việc áp dụng biện pháp này để giảm độc hại khí thải là rất khó khăn Biện pháp sử dụng bộ xúc tác 3 chức năng thì chưa giải quyết triệt vấn đề nguồn gốc phát thải và lượng tiêu thụ nhiên

25

liệu hầu như không giảm đi trong thời kỳ khởi động và các giai đoạn chuyển tiếp chế độ Biện pháp sử dụng nhiên liệu thay thế còn gặp phải các vấn đề về công nghệ, nguồn nguyên liệu để chế biến, một số nhiên liệu mới có giá thành cao Do vậy áp dụng các biện pháp trên đều còn gặp nhiều trở ngại Việc sử dụng phụ gia nhiên liệu

có nguồn gốc hữu cơ là biện pháp phù hợp với điều kiện và tình hình hiện tại Biện pháp có ưu điểm là không can thiệp nhiều vào kết cấu của động cơ, không làm tăng hàm lượng phát thải độc hại Vì vậy việc sử dụng phụ gia nhiên liệu có nguồn gốc hữu cơ nhằm cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ, giảm phát thải nhiên liệu là hướng đi phù hợp, có khả thi trong hiện tại và tương lai

2.2 Các loại phụ gia nhiên liệu

2.2.1 Phụ gia bảo quản

2.2.1.1 Phụ gia chống oxy hóa

Phụ gia chống oxy hóa phụ thuộc vào từng hệ thống công nghệ của cơ sở lọc hóa dầu Thành phần hóa học của các nhiên liệu cần pha chế có thể chứa nhiều olefine, những olefine có xu hướng bị oxy hóa khi tồn chứa và tạo nhựa Các hợp chất này theo thời gian sẽ lắng đọng ở các bể chứa, trong các hệ thống công nghệ, trong bơm nhiên liệu của động cơ Việc thêm phụ gia chống oxy hóa nhằm mục đích làm chậm quá trình tạo nhựa của các thành phần olefine có trong xăng Các chất chống oxy hóa thường được sử dụng là phenol, hoặc hợp chất của amine và được cho vào xăng là rất nhỏ Trong phụ gia chống oxy hóa người ta thường cho thêm một lượng nhỏ các chất làm giảm độ hoạt động của kim loại, chúng có tác dụng làm giảm độ hoạt động hóa học của kim loại trong quá trình lọc dầu, vận chuyển

2.2.1.2 Phụ gia tẩy rửa

Trong hệ thống nhiên liệu của động cơ sau một thời gian làm việc sẽ có một lượng nhỏ nhựa, các cặn, muội bám vào Các loại cặn đó thường tập trung ở các vị trí tiết lưu của động cơ Để loại bỏ những cặn bẩn này và làm sạch hệ thống người

ta thường cho vào xăng một lượng nhỏ các chất tẩy rửa

27

2.2.1.3 Phụ gia chống rỉ

Trong các loại xăng thường chứa một lượng nhỏ lưu huỳnh(S) có sẵn từ trong dầu thô Do vậy hàm lượng lưu huỳnh được quy định cụ thể với từng loại xăng Tuy nhiên lưu huỳnh có khả năng kết hợp với hơi nước trong không khí để tạo ra các axit Các axit này có thể tác dụng hóa học với các thành phần khác nhau của bể chứa, hệ thống công nghệ, xi lanh, piston, hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ… gây ra hiện tượng ăn mòn Để hạn chế những tác động đó người ta phải cho các phụ gia chống rỉ để chống lại các hiện tượng đó Các phụ gia chống rỉ này thường là muối ammon hoặc amine của axit phosphoric, sulphonic, cacboncilic Các chất phụ gia này sẽ có tác dụng trung hòa với các axit yếu của lưu huỳnh nhằm giảm quá trình tạo rỉ

2.2.1.4 Phụ gia biến đổi cặn

Trong quá trình vận hành động cơ, quá trình cháy thường tạo ra cặn và muội, các cặn và muội đó thường tích tụ trên bề nắp máy phần tiếp giáp với buồng đốt Trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, các muối và cặn được tạo ra từ quá trình đốt cháy các thành phần hóa học có trong xăng, các phụ gia có xăng, trong dầu nhờn và lượng nhỏ các cặn có sẵn trong nhiên liệu Do vậy cần cho vào xăng một số chất phụ gia để làm biến đổi tính chất hóa học của các cặn muội này thành các dạng muội khác xốp hơn, dễ vỡ hơn Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, áp suất của khí thải các muội này sẽ thoát ra theo đường thải

2.2.2 Phụ gia chống kích nổ

2.2.2.1 Phụ gia cho xăng có chì

Phụ gia được pha vào xăng là hợp chất của chì có tác dụng làm tăng cường thêm các thành phần hóa học có khả năng kiềm chế các hiện tượng cháy kích nổ của nhiên liệu trong điều kiện nhiên liệu bị oxy hóa sâu sắc bằng phương pháp Este hóa hoặc Alcohol hóa để bão hòa oxy trong hỗn hợp nhiên liệu không đẩy tiến trình oxy hóa thêm nữa Phụ gia chì được pha vào xăng với mục đích làm tăng trị số Octane cho xăng Hàm lượng chì phụ thuộc vào lượng và loại phụ gia được pha vào xăng Hoạt chất chủ yếu được sử dụng để làm phụ gia là Tetra etyl Chì- Pb(C2H5)4 Đặc

28

trưng cho các loại xăng pha chì thường có màu đỏ Hỗn hợp Pb(C2H5)4 và các chất làm bay hơi PbO được gọi là nước chì và các hợp chất này rất độc Do vậy ngày nay người ta thường sử dụng xăng không có pha phụ gia có chứa chì

2.2.2.2 Phụ gia cho xăng không có chì

Ngày nay do các yêu cầu về bảo vệ môi trường mà các loại phụ gia chì không được sử dụng nữa Tuy nhiên để đảm bảo được trị số octane cao người ta pha vào xăng các phụ gia có nguồn gốc hữu cơ Các phụ gia chủ yếu bao gồm: Methanol, Ethanol, Tertiary-butyl alcohol (TBA), Methyl tertiary-Buthyl ether (MTBE) Các phụ gia này được gọi chung là các dạng oxygen, chúng có trị số octane cao và giá thành rất đắt

Tan vô hạn

Tan vô hạn

4,9 19,0

2,4 8,0

29

- Giá thành tương đối rẻ

- Cách điều chế phụ gia này trong

thiên nhiên tương đối dễ dàng

Methanol có thể điều chế từ nhiều

nguyên liệu thô khác nhau

Nhược điểm của phụ gia này là khả năng tan vô hạn của nó với nước có thể dẫn tới những hậu quả không tốt

b) Phụ gia Ethanol

Ethanol không được sử dụng rộng rãi bằng Methanol, nó chỉ được sử dụng rộng rãi ở các quốc gia có sẵn nguồn nguyên liệu thiên nhiên là mía Tuy nhiên sử

dụng phụ gia này có một số nhược điểm

- Hút ẩm nhiều, làm tăng nguy cơ cháy nổ của nhiên liệu

- Làm tăng áp suất hơi bão hòa của nhiên liệu

Hình 2.2 Công thức hóa học của Ethanol c) Phụ gia Tertiary-butyl alcohol (TBA)

TBA là sản phẩm trung gian của ocide propylene Có khoảng 800,000 tấn TBA được sản xuất trên thế giới hàng năm Hiện nay TBA được sử dụng để pha chế với methanol (tỷ lệ 1:1) Hỗn hợp theo tỷ lệ này làm giảm khả năng phân tách giữa hai pha của methanol, đồng thời làm tăng áp suất hơi bão hòa của hỗn hợp Nhược điểm:

Hình 2.1 Công thức hóa học của Methanol

Hình 2.3 Công thức hóa học TBA

d) Phụ gia Methyl tertiary-Buthyl ether (MTBE)

- Ưu điểm của phụ gia này là:

+ Khi pha vào xăng không làm thay đổi áp suất hơi bão hòa của nhiên liệu

+ Khả năng hòa tan vào nước của MTBE thấp hơn nhiều so với các loại rượu, do vậy lượng nước lẫn vào trong nhiên liệu sẽ ít hơn

+ Sử dụng MTBE ít nguy hiểm hơn so với các phụ gia khác

+ Nguy cơ gây cháy nổ ít hơn rượu

- Nhược điểm: Phụ gia này có giá thành cao Mà trong khi phụ gia này có thể pha vào xăng với lượng khá lớn (tối đa lên tới 15%) Ngày nay MTBE được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau để làm giảm giá thành

2.2.3 Phụ gia cải thiện hiệu suất và phát thải của động cơ

2.2.3.1 Phụ gia Nano Xêri Điôxít (CeO 2 )

Đây là công trình của Tiến sỹ Cù Huy Thành (Học viện Kỹ thuật quân sự) sử dụng các hạt nano CeO2 có nguồn gốc hóa thạch để cải làm phụ gia nhiên liệu cho động cơ diesel Phụ gia nano CeO2 có các tính chất:

- Có thể ôxi hóa muội than và các hydrocacbon có trong khí thải của động cơ

ở vùng nhiệt độ thấp

- Khi sử dụng nó làm phụ gia trong nhiên liệu, nó có thể làm sạch muội than

Hình 2.4 Công thức hóa học MTBE

31

trên thành buồng đốt của động cơ, tạo điều kiện cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn

- Khi động cơ làm việc trong điều kiện ít nhiên liệu và dư ôxi, sẽ thu hồi lượng ôxi thừa trong khí thải và khí NOx dưới tác dụng xúc tác có trong thành phần hỗn hợp nhiên liệu, biến NOx thành N2 không gây độc hại

- Trong điều kiện dư nhiên liệu và ít ôxy, CeO2 nhả ôxy để đốt cháy nhiên liệu làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn, ít tạo thành sản phẩm phụ COX và CHx dư, làm tăng hiệu suất động cơ

Để chế tạo phụ gia nano CeO2: Chuyển hóa CeO2 đã thành phụ gia cần phân tán chúng trong dầu diesel đảm bảo đồng nhất, không lắng đọng Để đạt được điều này, phải sử dụng thêm các chất hoạt động bề mặt Ở đây sử dụng chất hoạt động bề mặt

BP (họ hợp chất cacboxylat) và OP (họ hợp chất sucxinimide):

+Mẫu phụ gia sử dụng chất hoạt động bề mặt BP: Tiến hành pha hạt nanô vào

chất hoạt động bề mặt BP theo lượng đã tính trước vào trong dầu diesel và khuấy mạnh trong 2 giờ trên bếp cách thuỷ ở nhiệt độ 400C, sau đó để trong 24 giờ tại điều kiện nhiệt độ thường

+Mẫu phụ gia sử dụng chất hoạt động bề mặt OP: Chọn ankenylsucxinimide,

đây là hợp chất có độ bền nhiệt và bền nhiệt ôxi hóa cao, với các cấu tử ban đầu là polyisobutylen, dietylentriamin và anhydric maleic Quá trình tổng hợp được thực hiện theo các điều kiện: ankyl hóa trong môi trường xylen ở 230°C, áp suất 0,4MPa trong 10-15 giờ; tách lượng dư anhydric maleic; tiến hành amin hóa ở 150°C-200°C trong 5-10 giờ; lọc sản phẩm cuối

Theo tác giả thì hạt nanô xêri điôxít là chất xúc tác mạnh có lợi cho buồng đốt của động cơ đốt trong Có thể sử dụng làm phụ gia cho nhiên liệu diesel để giảm tiêu hao nhiên liệu và thành phần phát thải của động cơ

32

Tuy nhiên về bản chất phụ gia Nano CeO2 là các hạt Nano có kích thước li ti có nhiệt độ cao xúc tác trong quá trình o xi hóa nhiên liệu bên trong xi lanh qua đó giảm phát thải Về cấu tạo các hạt kim loại có kích thước nhỏ li ti sau khi xúc tác sẽ thải ra môi trường cùng với khí thải do các hạt nano rất khó lọc Do đó khí chúng ta hô hấp hít được các hạt này thì sẽ có những tác động đến sức khỏe Vì vậy cần có những nghiên cứu ảnh hưởng của chất này khi phát tán ra môi trường Ngoài ra phụ gia nano CeO2 được điều chế dưới dạng nano nên điều chế rất khó, vận chuyển, bảo quản khó khăn Điều đó dẫn đến giá thành của phụ gia rất đắt Vì vậy cần tìm ra một loại phụ gia có nguồn gốc hữu cơ, dễ chế tạo, giá thành phù hợp, có thể dùng cho cả nhiên liệu xăng, nhiên liệu diesel là nhiệm vụ quan trong Trên thế giới phụ gia Maz-Nitro được đưa vào sử dụng rộng rãi vì vậy để đánh giá xem phụ gia Maz-Nitro có phù hợp với nước ta hay không ta cần nghiên cứu phụ gia này

33

nhiên liệu là sử dụng được ngay, giá cạnh tranh Có tính tẩy rửa, làm sạch bề mặt cao nên giảm được hiện tượng đóng cặn trong hệ thống nhiên liệu và kết muội than trong buồng cháy Không gây ăn mòn và hư hại khác cho động cơ Để đánh giá xem các tính chất của phụ gia Maz-Nitro của nhà sản xuất đưa ra có đáng tin cậy không ta cần nghiên cứu, phân tích tính chất hóa lý và các ảnh hưởng của phụ gia đến động cơ

2.4 Phụ gia Maz- Nitro

2.4.1 Giới thiệu về phụ gia Maz- Nitro

a) Công thức hóa học của phụ gia Maz-Nitro

Phụ gia Maz là phụ gia nhiên liệu có gốc nitroparaffin và một số chất khác gồm dầu ete hoặc hydrocacbon thơm Công thức chất phụ gia này gồm có: nitroparaffin, dầu ete và/hoặc hydrocacbon thơm Cụ thể: Công thức bao gồm: nitroparaffin 0 đến 80 phần trăm khối lượng, được chọn từ nhóm gồm: nitropropan

1, nitroethan, và nitrometan; thành phần thứ hai là tỷ lệ phần còn lại được chọn từ nhóm bao gồm: dầu ete bôi trơn cải tiến để loại bỏ tricresyl photsphat và toluene Ví

dụ, một công thức phụ gia này có thể gồm các thành phần: nitrometan từ 10% - 90% khối lượng, nitroetan 10% - 30% khối lượng, nitropropan 1 chiếm 40% - 60% khối lượng, toluen 2% - 8% khối lượng, và dầu ete cải tiến khoảng 1% - 3% khối lượng, do đó tất cả tricresyl photsphat đều bị loại bỏ

Phụ gia Maz có nhiều loại khác nhau được sử dụng với các loại nhiên liệu khác nhau: Maz 100 dùng với nhiên liệu xăng, Maz 200 dùng với diesel, Maz 300 dùng với xăng etanol, Maz 400 dùng với nhiên liệu biodiesel Cấu tạo công thức phụ gia Maz gồm thành phần gốc và thành phần điều chỉnh theo loại nhiên liệu sử dụng, ví dụ thành phần của Maz 100 dùng với xăng và Maz 200 dùng với diesel như sau: Thành phần gốc của Maz gồm 40-65% nitropropane, 15-25% nitroethane, 15-25% nitromethane, 5-15% toluene, 0,5-5% L-1699 (hỗn hợp các vi chất do Công ty hoá chất Exxon-Mobil cung cấp);

- Maz 100 bao gồm 65-90% thành phần Maz gốc và 10-35% OGA-72012 (hỗn hợp một số hydrocacbon thơm và vi chất do Công ty Chevron-Oronite cung

34

cấp);

- Maz 200 bao gồm 65-90% thành phần Maz gốc và 10-35% Di-tert Butyl Peroxide (dầu ete cải tiến)

b) Quy trình sản xuất phụ gia Maz

Phụ gia Maz được điều chế theo quy trình hình 2.9 Phương pháp chuẩn bị chất phụ gia như sau: trong bình trộn, cho một phần dầu ete biến đổi để loại bỏ tất

cả tricresyl photsphat, thêm khoảng 5 phần toluene và giữ ở nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh khoảng 10 phút; thêm khoảng 10 phần nitromethan vào hỗn hợp dầu ete và toluen nêu trên; thêm tiếp khoảng 10 phần nitroethan vào hỗn hợp đó, thêm khoảng 29 phần nitropropan 1 vào hỗn hợp, và thông khí cho hỗn hợp trên từ

từ, thông qua một ống lưu tốc kế pitot hẹp ở áp suất và nhiệt độ xung quanh thấp

c) Đặc điểm chính của phụ gia Maz-Nitro

Theo các nhà nghiên cứu phát triển phụ gia Maz-Nitro, các loại phụ gia này

có các tính chất sau: Hoạt tính cháy cao, có hàm lượng ô xy cao (vì chứa gốc nitro

-NO2), nên hoạt tính cháy cao Tốc độ cháy rất nhanh, gấp 5 lần tốc độ cháy của xăng Đặc tính bay hơi và phân tán tốt Khả năng làm sạch cao

Khí thiên nhiên

HNO 3

Không khí

Nito oxit Khí thiên nhiên

Low Boilers

NHC, High Boilers

Products

NM

NE 1-NP

N 2 , NO X , CO, CO 2

H 2 O H 2 O

Nm

Ne 1-

NP

Phản ứng hóa học

Phản ứng

hóa học

Tách các sản phẩm

Lọc tách sản phẩm

Tách các chất chính

Hoà trộn để tạo ra Maz Maz

35

So với các phụ gia khác thì phụ gia Maz-Nitro khi pha vao nhiên liệu có ưu điểm:

+ Không làm thay đổi tính chất lý hóa của nhiên liệu

+ Dễ sử dụng, pha vào nhiên liệu là sử dụng được ngay, giá cạnh tranh; + Có tính tẩy rửa, làm sạch bề mặt cao nên giảm được hiện tượng đóng cặn trong hệ thống nhiên liệu và kết muội than trong buồng cháy

+ Không gây ăn mòn và hư hại khác cho động cơ

Nhà sản xuất ra phụ gia Maz- Nitro khuyến cáo tỷ lệ pha phụ gia Maz là từ

800 đến 1500ppm với nhiên liệu Do các tính chất trên nên phụ gia Maz-Nitro được

sử dụng ở nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới

2.4.2 Kết quả nghiên cứu ở một số nước về hiệu quả của phụ gia Maz-Nitro

2.4.2.1 Nghiên cứu tại Singapore

a) Kết quả kiểm tra động cơ sử dụng phụ gia Maz 100

* Mục đích

Chương trình kiểm tra động cơ nhằm đánh giá tác động của chất phụ gia nhiên liệu Maz 100 đối với tính năng động cơ và khí thải Mục tiêu của nghiên cứu nhằm so sánh tính năng của RON98 và RON92 pha Maz 100

** Tiến trình kiểm tra

Đầu tiên, sử dụng xăng RON98 tiêu chuẩn để thử nghiệm động cơ Tiến hành đo đặc tính động cơ gồm mômen xoắn, công suất, tiêu hao nhiên liệu, áp suất trong xylanh và khí thải.Sau đó, sử dụng xăng RON92 pha Maz 100 (với tỷ lệ 1/1000) cho động cơ hoạt động trong 50h Sau 50h hoạt động, động cơ được thử nghiệm trong các điều kiện như đã tiến hành với xăng chuẩn RON98, tiến hành đo các đặc tính và khí thải động cơ.Có thể đánh giá được hiệu quả của chất phụ gia nhiên liệu đối với động cơ bằng cách so sánh trực tiếp các đặc tính và thành phần khí thải của động cơ khi sử dụng RON92 pha Maz 100 với các dữ liệu thu thập được khi thử nghiệm động cơ chạy bằng nhiên liệu chuẩn

*** Kết quả kiểm tra động cơ

36

Mômen xoắn và công suất: So sánh mômen xoắn và công suất của động cơ

khi chạy bằng hai loại nhiên liệu RON98 và RON92 pha phụ gia tại vận tốc động cơ

và vị trí bướm ga (TP) khác nhau Với các số liệu này, trong điều kiện vị trí bướm

ga cao (TP>50%) động cơ chạy bằng RON92 pha phụ gia có mômen xoắn và công suất cao hơn khi chạy bằng nhiên liệu chuẩn RON98, và ngược lại khi trong điều kiện vị trí bớm ga thấp (TP<50%) động cơ chạy bằng RON92 pha phụ gia có mômen xoắn và công suất thấp hơn khi chạy bằng khí đốt chuẩn RON98 Công suất tăng khoảng 4-6% khi động cơ chạy với vận tốc cao hơn và ở toàn tải

Nhiệt độ khí thải: So sánh nhiệt độ khí thải khi động cơ chạy bằng RON98

và RON92 pha phụ gia tại vận tốc động cơ và vị trí bướm ga (TP) khác nhau Có thể thấy rằng, trong hầu hết trường hợp thử nghiệm, nhiệt độ khí xả của động cơ chạy bằng RON92 pha phụ gia thấp hơn nhiệt độ khí xả của động cơ khi chạy bằng RON98 Nhìn chung, nhiệt độ khí thải thấp hơn khi động cơ chạy bằng RON92 pha

phụ gia Maz 100 cho thấy động cơ có độ giãn nở tốt tại kỳ nổ của động cơ

Suất tiêu hao nhiên liệu: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu khi động cơ chạy

bằng RON98 và RON92 pha phụ gia tại vận tốc và vị trí bướm ga khác nhau cho thấy khi bướm ga ở vị trí cao (TP>50%), suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng RON92 pha phụ gia sẽ thấp hơn khi sử dụng RON98 Ngược lại, khi bướm ga

ở trị trí thấp, động cơ chạy bằng RON92 pha phụ gia sẽ tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn khi chạy bằng RON98 Nói tóm lại, mức tiêu hao nhiên liệu sẽ được cải thiện khi động cơ chạy bằng RON92 pha Maz 100 vì vị trí bướm ga TP thường cao hơn

50%

Phát thải khí CO: So sánh nồng độ khí thải CO khi động cơ chạy bằng

RON98 và RON92 pha phụ gia tại vận tốc và vị trí bướm ga khác nhau có thể thấy rằng trong hầu hết trường hợp, chất phụ gia nhiên liệu Maz 100 giúp giảm mức phát

thải CO

Phát thải khí HC: So sánh nồng độ khí thải HC khi động cơ chạy bằng

RON98 và RON92 pha phụ gia tại vận tốc và vị trí bướm ga khác nhau cho thấy nồng độ HC phát thải khi động cơ chạy bằng RON92 pha phụ gia thường cao hơn

37

một chút so với động cơ khi chạy bằng RON98 Nồng độ HC phát thải khi chạy

bằng RON92 pha phụ gia cao hơn khi động cơ chạy với vận tốc thấp

Phân tích áp suất xylanh: So sánh áp suất xy lanh cực đại khi động cơ chạy

bằng RON98 và RON92 pha phụ gia tại vận tốc và vị trí bướm ga khác nhau cho thấy khi TP >50%, RON92 pha phụ gia gây áp suất xylanh cực đại cao hơn RON98

nhưng ngược lại khi TP< 50% Kết quả cụ thể được ghi trong bảng 12 trong phần

phụ lục A4

Tóm lại phụ gia Maz 100 được thử nghiệm tại Singapore giúp tiết kiệm

nhiên liệu, giảm hàm lượng phát thải

b) Đánh giá tính năng động cơ diesel khi sử dụng phụ gia Maz 200

* Phương pháp thử nghiệm

Thử nghiệm động cơ được tiến hành trên 23 điểm hoạt động, ví dụ 6 lần thay đổi vận tốc khi động cơ không tải, 6 lần thay đổi khi tải trọng bằng 20Nm, 6 lần thay đổi vận tốc khi tải trọng bằng 40Nm, và 5 lần thay đổi vận tốc tại tải trọng toàn phần 6 tốc độ được thay đổi gồm 150rpm, 1700rpm, 2100rpm, 2300rpm và 2500rpm Trong mỗi lần kiểm tra động cơ, tải trọng và vận tốc của động cơ được thay đổi và điều chỉnh theo các giá trị đã cài đặt Công suất của động cơ được tính theo vận tốc và mômen xoắn của động cơ Khi tiến hành kiểm tra, ổn định động cơ

ở các điều kiện hoạt động đã cài sẵn trong vòng ít nhất 10 phút Các chất cặn cũng được lấy mẫu, thu thập trong khoảng thời gian là 10 phút Đầu tiên tiến hành kiểm tra động cơ chạy bằng nhiên liệu chuẩn (động cơ không sử dụng chất phụ gia nhiên liệu) và thu thập các dữ liệu về phát thải và đặc tính động cơ Sau đó cho động cơ chạy với diesel pha chất phụ gia nhiên liệu trong 50h rồi tiến hành đo các số liệu phát thải và đặc tính động cơ để so sánh với những dữ liệu đã thu thập được từ các thử nghiệm động cơ chạy bằng nhiên liệu chuẩn Do lượng chất phụ gia nhiên liệu thêm vào có tỷ lệ tương đối nhỏ so với lượng nhiên liệu nên chúng ta giả sử rằng thay đổi về khối lượng riêng của nhiên liệu là không đáng kể Nếu đã biết khối lượng riêng của nhiên liệu, suất tiêu hao nhiên liệu cụ thể tính bằng g/kWh có thể

cơ diesel so với động cơ xăng Mức tiêu hao nhiên liệu cho thấy hiệu quả của việc

sử dụng chất phụ gia nhiên liệu Trong một vài điều kiện hoạt động, có thể giảm được 10% Nhìn chung, có thể tiết kiệm được 3 -5% nhiên liệu khi sử dụng chất phụ gia nhiên liệu

Thử nghiệm chất cặn cũng cho kết quả tương tự, ví dụ nồng độ chất cặn có thể giảm khi sử dụng chất phụ gia nhiên liệu và có thể giảm được ít nhất 10% So sánh với thí nghiệm động cơ chạy bằng nhiên liệu chuẩn, khi động cơ chạy với tốc

độ thấp, nồng độ chất cặn sẽ cao hơn Cũng giống như mức tiêu hao nhiên liệu, nồng độ chất cặn giảm khi động cơ chạy với vận tốc cao hơn Kết quả thử nghiệm được ghi cụ thể trong bảng 13 phần phụ lục A4

Tương tự phụ gia Maz 100 , phụ gia Maz 200 được pha vào trong nhiên liệu diesel giúp cho động cơ diesel tiết kiệm nhiên liệu 3- 5% và giảm phát thải 10 %

2.4.2.2 Thử nghiệm tại Thái Lan

a) Điều kiện kiểm nghiệm

1 Loại và kích thước động cơ Model Mitsubishi 2500 CC,

VG turbo D4D, Động cơ Diesel

2 Tổng số dặm đi được trước khi kiểm nghiệm 150.000 km

3 Vận tốc trung bình (km/h) trong 700km Vận tốc trung bình 105 km/h

4 Giới hạn RPM trong 700km Vận tốc trung bình 2500 rpm

39

5 Tải trọng – Số người trên xe và hàng hóa 2 người, không hàng hóa

6 Điều kiện ống thải – khô, ẩm, sạch Khô

7 Khí đen thải ra khi xả hết ga Bình thường

8 Mức độ tiếng ồn của động cơ sau Maz Bình thường

10 Loại nhiên liệu: HSD với mọi đặc tính nhiên

liệu

Dầu Shell, (gold grade)

b) Kết quả kiểm nghiệm

nghiệm 1

Kiểm nghiệm 2

Kiểm nghiệm 3

Kiểm nghiệm 4

Kiểm nghiệm 5

CR-CM-City City Mức tiêu thụ

2.000-2.000

2.000

2.500 Vận tốc trung

1.500-bình (km/h) 90-110 90-110 80-100 80-100 60-100

CM = Chiang Mai; CR = Chiangrai; LP = Lampang; City = nội thành Chiang Mai

Kết quả thử nghiệm tại Thái Lan cho thấy phụ gia Maz 200 giúp động cơ diesel tiết kiệm nhiên liệu từ khoảng 8,51% đến 16, 25%

40

2.4.2.3 Thử nghiệm phụ gia tại Malaysia

Nhiên liệu gốc: Petronas Primax 3, Sulfua 150ppm, Chì 0,0025g/L RON 97

Điều kiện thử nghiệm

Điều kiện cài đặt động cơ: 4.3.2.1 WOT, Bánh răng thứ 4 @ 8000rpm dyno load

Mức tiêu thụ nhiên liệu theo kiểm nghiệm

Đo theo tiêu chuẩn RFT 510 07 069: 3,312 l/h

Kết quả kiểm nghiệm: (Mức tiêu thụ nhiên liệu l/h)

Kết quả thử nghiệm tại Malaysia cho thấy phụ gia Maz 500 giúp động cơ

diesel tiết kiệm năng lƣợng trung bình từ 8,3 % đến 11,8% tùy vào loại thử nghiệm 2.4.2.4 Thử nghiệm phụ gia tại Trung Quốc

Đây là báo cáo thẩm định của trung tâm thẩm định và giám sát chất lƣợng xe khách quốc gia- trung quốc Tiến hành thử nghịêm chất xúc tác cháy dầu diesel và xăng không chì 90

Thông số của mẫu kiểm tra

Áp lực của lốp lái 200kPa