Sử dụng phương pháp mô hình hóa nghiên cứu đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy nhiên liệu dimethyl ether (DME)

Trong số các nhiên liệu thay thế, thì DME cũng rất được quan tâm vì sạch và có nhiều ứng dụng quan trọng như sử dụng làm chất đốt trong dân dụng và công nghiệp thay thế cho LPG hay khí t

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

- -

NGUYỄN QUANG ĐẠO

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA NGHIÊN CỨU

ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ

CHẠY NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER (DME)

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRẦN THỊ THU HƯƠNG

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài của riêng tôi và các kết quả

trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Hà Nội, tháng năm 2014

Học viên

Nguyễn Quang Đạo

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 0

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 4

MỞ ĐẦU 6

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 8

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER 10

1.1 Tổng quan 10

1.1.1 Khí xả động cơ và lý thuyết hình thành các chất gây ô nhiễm trong khí xả động cơ 11

1.1.2 Tác hại của các chất độc hại từ khí xả động cơ 13

1.1.3 Giải pháp ô tô sạch 16

1.1.4 Mục đích và ý nghĩa nghiên cứu nhiên liệu thay thế 19

1.2 Nhiên liệu Dimethyl ether (DME) 20

1.2.1 Tính chất của DME 21

1.2.2 Sản xuất DME 23

1.2.3 Tình hình sử dụng DME hiện nay 25

Chương II CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG DME TRÊN ĐỘNG CƠ 28

ĐỐT TRONG 28

2.1 Một số nghiên cứu về nhiên liệu DME trên thế giới 28

2.2 Các khả năng sử dụng DME 31

2.2.1 Khả năng thay thế hoàn toàn nhiên liệu Diesel 31

2.2.2 Khả năng dùng lưỡng nhiên liệu trên cùng một hệ thống nhiên liệu 34

2.2.3 Khả năng dùng lưỡng nhiên liệu diesel + DME với hai hệ thống nhiên liệu song song 35

2.2.4 Đánh giá các khả năng sử dụng DME 36

Chương 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DME 37

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

3.1 Tổng quan về phần mềm AVL Boost 37

3.1.1 Giới thiệu chung 37

3.1.2 Tính năng cơ bản 38

3.1.3 Tính năng áp dụng 38

3.1.4 Giao diện của phần mềm AVL Boost 39

3.2 Động cơ AVL 5402 40

3.3 Thiết lập mô phỏng 42

3.3.1 Xây dựng mô hình 42

3.3.2 Mô hình cháy 43

3.3.3 Mô hình truyền nhiệt 44

3.3.4 Quá trình hình thành phát thải 48

3.3.5 Kiểm chứng mô hình 51

3.3.6 Nhập dữ liệu cho mô hình 52

3.3.7 Các chế độ mô phỏng 52

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53

4.1 Tính năng làm việc của động cơ 53

4.2 Các thành phần phát thải độc hại 55

4.3 Điều chỉnh góc phun sớm tối ưu 57

4.3.1 Điều chỉnh góc phun sớm 57

4.3.2 Tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xy lanh 59

60

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển 10

Bảng 1.2 Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (%) 11

Bảng 1.3 Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mỹ (%) 11

Bảng 1.4 Tính chất của DME so sánh với diesel 21

Bảng 1.5 Các bộ phận quy trình sản xuất DME 24

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ AVL5402 42

Bảng 3.2 Các phần tử để hoàn thiện mô hình 42

Bảng 3.3 Các thông số điều khiển chung của động cơ AVL 5402 52

Bảng 4.1 Các thông số tính năng của động cơ 53

Bảng 4.2 Các thành phần phát thải độc hại 55

Bảng 4.3 Công suất động cơ thay đổi theo góc phun sớm 57

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ô tô chạy bằng nhiên liệu dầu thực vật ở Pháp 18

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình sản xuất DME 24

Hình 1.3 Bếp đun dùng nhiên liệu DME 26

Hình 1.4 Một số ôtô dùng động cơ nhiên liệu DME 26

Hình 1.5 Xe chở nhiên liệu DME 27

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sử dụng nhiên liệu DME 32

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu DME hiện đại của hãng Volvo 33

Hình 2.3 Động cơ sử dụng hệ thống common rail của Ford Motor 34

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu 35

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu 36

Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL Boost 39

Hình 3.2 Mặt cắt dọc, mặt cắt ngang động cơ AVL 5402 41

Hình 3.3 Mô hình động cơ AVL-5402 trên AVL Boost 43

Hình 3.4: Tỷ lệ mol CO dự đoán: hàm lƣợng CO cân bằng và CO động học (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải, A/F = 12,6) 49

Hình 3.5: Tỷ lệ mol dự đoán của CO theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dƣ lƣợng không khí (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải) 50

Hình 3.6 Kiểm chuẩn áp suất buồng cháy 51

54

Hình 4.1 Công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu DME và diesel 54

Hình 4.2 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 54

Hình 4.3 Phát thải CO của động cơ chạy nhiên liệu DME và diesel 55

Hình 4.4 So sánh phát thải NOx của nhiên liệu DME với diesel 56

Hình 4.5 So sánh phát thải PM của nhiên liệu DME với diesel 56

Hình 4.6 Đồ thị góc phun sớm tối ƣu tại tốc độ 1000 vòng/ phút 58

Hình 4.7 Đồ thị góc phun sớm tối ƣu tại tốc độ 1400 vòng/ phút 58

Hình 4.8 Đồ thị góc phun sớm tối ƣu tại tốc độ 1800 vòng/phút 59

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 4.9 Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt tại góc phun sớm 12 độ và tốc độ n=1400v/ph 60

Hình 4.10 Đồ thị đỉnh áp suất trong xy lanh 60

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội, thế giới cũng đang đối mặt với nhiều khó khăn thức thách Nguồn nhiên liệu hoá thạch vốn có hạn, đang ngày càng cạn kiệt Giá dầu mỏ ngày càng tăng cao, ảnh hưởng đến đời sống và nền kinh tế toàn thế giới Bên cạnh đó cả thế giới cũng đang đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường sống do phát thải gây ra ngày càng báo động Các loại khí độc hại như NOx, CO2, SO2 phát thải từ các phương tiện giao thông, các khu công nghiệp, các nhà máy, cơ sở dịch vụ đang làm ô nhiễm không khí và bầu khí quyển Chính vì điều này đã đặt ra vấn đề cho các nhà khoa học, là phải nỗ lực tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế, nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường Nhiên liệu thay thế từ lâu đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của nhiều nhà khoa học trên thế giới, bởi những lợi ích cũng như bảo đảm an ninh năng lượng và đáp ứng được các yêu cầu về môi trường Trong số các nhiên liệu thay thế, thì DME cũng rất được quan tâm vì sạch và có nhiều ứng dụng quan trọng như sử dụng làm chất đốt trong dân dụng và công nghiệp thay thế cho LPG hay khí thiên nhiên NG, làm nhiên liệu thay thế cho diesel và một số ứng dụng khác Hơn nữa, DME có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ trị số cetane cao DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như nhiên liệu gốc hoá thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối

Cải thiện khả năng sử dụng các nguồn năng lượng mới và giảm các phát thải độc hại là mục tiêu chính của các nhà khoa học Ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về nhiên liệu thay thế Tuy nhiên để đưa được các nhiên liệu thay thế vào trong thực tế cần phái có những nghiên cứu để đánh giá các đặc tính công suất, tiêu hao nhiên liệu, và phát thải của động cơ Chính vì những ý nghĩa thực tiễn trên mà tôi

chọn đề tài “Sử dụng phương pháp mô hình hoá nghiên cứu đặc tính làm việc và

phát thải của động cơ chạy nhiên liệu dimethyl ether (DME)”

Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Trần Thị Thu Hương cùng với sự giúp

đỡ của các thầy cô bộ môn Động cơ đốt trong và Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong em đã hoàn thành luận văn này Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

và trình độ hiểu biết có hạn nên khó có thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong sự chỉ bảo dóng góp của các thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày… tháng 4 năm 2014 Học viên thực hiện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1 Mục đích của đề tài

Nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong của Việt Nam và các nước trên thế giới ngày càng tăng, trong khi nguồn nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt Vấn đề về ô nhiễm môi trường do phát thải gây ra ngày càng báo động ảnh hưởng trực tiếp tới đời sống, sức khoẻ của mọi người trong xã hội Vì vậy con người cần tìm ra nguồn năng lượng mới thay thế nhiên liệu hoá thạch Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn và cấp bách đó, các nhà khoa học, các công ty, tập đoàn, chính phủ các nước đẩy mạnh nghiên cứu và đưa vào sử dụng các loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong nhằm giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch, giảm

sự ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc giữa các nước với nhau trong việc cung cấp nhiên liệu hoá thạch phục vụ sinh hoạt và sản xuất Tuy nhiên, để những nhiên liệu thay thế được đưa vào thực tế cần có những nghiên cứu cụ thể đánh giá được các công suất, mức tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ chạy bằng nhiên

liệu thay thế đó Dimethyl ether (DME) là một trong những loại nhiên liệu có khả

năng thay thế cho nhiên liệu diesel và có thể sản xuất từ các nguồn sinh khối Mục đích của đề tài là nghiên cứu mô phỏng các đặc tính của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DME, với mục đích rút ngắn quá trình, thời gian và chi phí cho việc nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ thực, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của loại nhiên liệu thay thế này

2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu về cơ chế hình thành, tác hại của các thành phần độc hại có trong khí xả của động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Đánh giá quá trình cháy, hình thành phát thải, cũng như công suất của động

cơ AVL 5402 qua mô phỏng động cơ sử sụng nhiên liệu DME trên phần mềm AVL BOOST

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nhiên liệu thay thế là một vấn đề cấp bách và cần thiết tại nhiều quốc gia trên thế giới hiện nay Tại một số quốc gia trên thế giới việc nghiên cứu, ứng dụng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nhiên liệu thay thế đã có từ lâu và đã phần nào giải quyết được vấn đề năng lượng của quốc gia đó Còn ở Việt Nam đây là vấn đề vẫn còn nhiều mới mẻ, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế vẫn còn nhiều việc cần làm, do điều kiện về kinh tế, khoa học công nghệ, môi trường sản xuất cũng như chất lượng phương tiện giao thông khác nhiều so với các nước trên thế giới Chính phủ Việt Nam hiện nay cũng

đã rất quan tâm đến vấn đề này, các trường đại học, các trung tâm và viện nghiên cứu chuyên ngành cũng đã được chính phủ quan tâm đầu tư cơ sở vật chất, đào tạo nguồn nhân lực đáp ứng bước đầu nhu cầu phát triển nhiên liệu thay thế

Đề tài nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn đối với việc định hướng sản xuất

và sử dụng nhiên liệu DME thông qua các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiên liệu này tới tính năng làm việc và đặc tính phát thải của động cơ Đồng thời giúp người tiêu dùng hiểu rõ hơn về một loại nhiên liệu thay thế có tính khả thi cho động cơ và cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho những nghiên cứu sau này

4 Các nội dung của luận văn

- Tổng quan về nhiên liệu dimethyl ether

+ Tổng quan về nhiên liệu DME

+ Nhiên liệu DME

- Các phương án sử dụng DME trên động cơ đốt trong

+ Một số nghiên cứu về nhiên liệu DME

+ Các khả năng sử dụng DME

- Mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu DME

+ Tổng quan về phần mềm AVL Boost

+ Động cơ AVL 5402

+ Thiết lập mô phỏng

- Kết quả và thảo luận

+ Tính năng làm việc của động cơ

+ Các thành phần phát thải độc hại

- Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER 1.1 Tổng quan

Ô nhiễm môi trường - một trong những vấn đề hết sức nghiêm trọng mà chúng ta đang phải đối mặt Thật vậy, trong sản xuất và đời sống, trong quá trình phát triển của nền kinh tế công nghiệp cùng với những thói quen sinh hoạt, con người đã thải vào bầu khí quyển hàng triệu tấn các chất thải độc hại, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ của con người Điều đó đã thôi thúc các nhà khoa học nghiên cứu

để tìm rõ nguồn phát sinh ô nhiễm chủ yếu và từ đó tìm các biện pháp khắc phục, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất mức độ phát sinh ô nhiễm Một trong các nguồn phát sinh ô nhiễm môi trường không khí đã được các nhà khoa học tìm ra và được

họ quan tâm nhất đó là: khí xả động cơ đốt trong

Nồng độ của câc chất gây ô nhiễm môi trường không khí có mặt trong khí xả động cơ như : NOx, CO, HC, bồ hóng có xu hướng gia tăng mạnh mẽ cùng với sự gia tăng của câc loại phương tiện giao thông vận tải Các số liệu cho trong bảng dưới đây cho thấy sự gia tăng một cách đáng ngại nồng độ của một số chất ô nhiễm trong bầu khí quyển [1]

Bảng 1.1 Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển

Tốc độ tăng (%/năm)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Bảng 1.2 Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (%)

Sản xuất điện năng 0,1 0,1 21,5

Quá trình cháy trong công nghiệp 0,0 26,4 31,3

Các phương tiện giao thông khác 9,0 7,2 10,5

Quá trình cháy trong công nghiệp 9,1 16,8 42,8

Công nghiệp dầu mỏ 5,2 5,3 1,7

Ở điều kiện hỗn hợp giàu, lượng ôxi có mặt trong hỗn hợp không đủ để ôxi hoá hoàn toàn cacbon của nhiên liệu thành khí CO2 Mặt khác ở điều kiện nhiệt độ cao, phản ứng phân giải sản phẩm cháy cũng làm tăng nồng độ CO ngay cả khi hỗn hợp nghèo

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Khi động cơ làm việc ở chế độ non tải, do điều kiện cháy của hỗn hợp không thuận lợi, tạo ra các vùng cháy không hoàn toàn cục bộ, nên nồng độ CO trong khí

xả cao cho dù hệ số dư lượng không khí được bộ tạo hỗn hợp điều chỉnh dao động chung quanh giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết Chính vì lẽ đó, khi ôtô hoạt động trong thành phố thì sự phát sinh CO đáng quan tâm nhất, do động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ tải thấp

1.1.1.2 Cơ chế hình thành NO x

+ Cơ chế hình thành monoxyde nitơ (NO)

Sự hình thành NO do ôxy hoá nitơ trong không khí có thể được mô tả bằng cơ chế Zeldovich Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân huỷ NO là:

Dioxyde nitơ NO2 được hình thành từ monoxyde nitơ NO và các chất trung gian của sản vật cháy theo phản ứng :

NO + H2O NO2 + OH (1.4)

Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 có thể bị phân giải theo phản ứng :

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

NO2 + O NO + O2 (1.5)

Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (1.5) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy NO2 cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ thải thấp và có sự hiện diện của ôxy

Protoxyde nitơ N2O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO

NH + NO N2O + H (1.6)

NCO + NO N2O + CO (1.7)

N2O chủ yếu được hình thành ở vùng ôxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao,

mà hyđrô là chất tạo ra sự phân huỷ mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng :

Hydrocarbure chưa cháy HC do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một

bộ phận hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa Điều này xảy ra do sự không đồng nhất của hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay trong các không gian chết, nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp

1.1.2 Tác hại của các chất độc hại từ khí xả động cơ

1.1.2.1 Đối với sức khỏe con người

Tác hại của CO: CO ngăn cản sự dịch chuyển hồng cầu trong máu làm cho các

bộ phận của cơ thể bị thiếu ôxy Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm) Ở nồng độ thấp hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người : khi 20% hồng cầu bị khống chế nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não

bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh

Tác hại của NOx: NOx là họ các oxyde nitơ NOkhông nguy hiểm mấy, nhưng

nó là cơ sở để tạo ra NO2 NO2 là một chất khí có màu hơi hồng, có mùi, khứu giác

có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12ppm NO2 là chất khó hoà tan nên nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm huỷ hoại các tế bào của cơ quan hô hấp Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở

Tác hại của HC: HC gây tác hại đến sức khoẻ con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan Tác hại của SO2 : Oxyde lưu huỳnh là một chất háo nước, vì vậy nó rất dể hoà tan vào nước mũi, bị ôxy hoá thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp đi sâu vào trong phổi Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân

Tác hại của bồ hóng: Bồ hóng tồn tại dưới dạng các hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3 m nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi Ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kỳ một hợp chất cơ học nào khác có mặt trong không khí, bồ hóng còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành

Tác hại của chì (Pb): Chì có mặt trong khí xả do Thétráetyl chì Pb(C2H5)4được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu Sự pha trộn chất phụ gia này vào xăng hiện nay vẫn còn đề tài bàn cãi của giới khoa học Chì trong khí xả động cơ tồn tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào

cơ thể qua da hoặc đường hô hấp Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30% đến 40% lượng chì này đi vào máu Sự hiện diện của chì gây xáo trộn ion ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa có tác

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Chì bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của chì trong máu không vượt quá 200 đến 250 g/lít

1.1.2.2 Đối với môi trường

+ Thay đổi nhiệt độ khí quyển

Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất gây hiệu ứng nhà kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Trong số những chất gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí carbonic CO2, vì là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa thành phần carbon

Sự gia tăng nhiệt độ của bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau: Trái đất nhận được năng lượng từ mặt trời và bức xạ ra không gian một phần năng lượng mà nó nhận được Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (Có bước sóng trong khoảng 0,4 0,73 m) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7

15 m)

Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ khác nhau Do đó, thành phần các chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả đất và không gian Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15 m Vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất Một phần tia bức

xạ hồng ngoại từ mặt đất do lớp khí CO2 giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất làm nóng lên bầu khí quyển theo hiệu ứng nhà kính

Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người ta dự đoán vào giữa thế kỷ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi Khi đó theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với

sự cân bằng nhiệt trên trái đất: nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3oC Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước biển, làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hoá thêm bề mặt trái đất

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

+ Ảnh hưởng đến sinh thái

Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng

sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn đến huỷ hoại

sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa Mặt khác các chất khí có tính acide như: SO2, NO2, bị oxy hoá thành acide sulfuric, acide nitric hoà tan trong nước, trong tuyết, trong sương mù làm huỷ hoại thảm thực vật trên trái đất (mưa acide) và gây ăn mòn các công trình kim loại Như vậy, chúng ta đã thấy rõ sự nguy hại của các chất gây ô nhiễm môi trường

do các phương tiện giao thông vận tải gây ta, đặc biệt là các phương tiện sử dụng các lại nhiên liệu truyền thống như xăng, dầu diesel Mặc dù với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện nay các phương tiện đã được trang bị những thiết bị ứng dụng kỹ thuật công nghệ điện tử, tin học Điều đó đã góp phần nâng cao tính năng kinh tế và kỹ thuật cho các phương tiện, giảm ô nhiễm môi trường Nhưng với tốc

độ gia tăng của các loại phương tiện như hiện nay, để giảm ô nhiễm môi trường thì ngoài các giải pháp kỹ thuật công nghệ chúng ta cần nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng mới, nhiên liệu mới không gây ô nhiễm môi trường hay gây ô

nhiễm môi trường rất ít để thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống

1.1.3 Giải pháp ô tô sạch

Ôtô sạch là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu chế tạo ôtô hiện nay

Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, tập trung là hoàn thiện quá trình cháy của động cơ diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời Xu hướng phát triển ôtô sạch có thể tổng hợp như sau:

1.1.3.1 Hoàn thiện động cơ diesel

Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ diesel đã cho phép nâng cao rõ rệt tính năng của động cơ bao gồm áp dụng hệ thống phun common rail điều khiển điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

tử, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xử lý ba chức năng, hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu Việc dùng động cơ diesel sử dụng đồng thời nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng cũng là một giải pháp nâng cao tính năng của động cơ diesel

1.1.3.2 Ôtô dùng điện

Ôtô dùng điện là một trong những giải pháp tối ưu nhất của các loại phương tiện không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật thì hiện nay ôtô chạy điện có hai nhược điểm quan trọng đó là: năng lượng dự trữ thấp (khoảng 100 lần thấp hơn ôtô dùng động cơ nhiệt truyền thống) và giá thành ban đầu cao hơn (30 40% cao hơn so với ôtô dùng động cơ nhiệt truyền thống)

1.1.3.3 Ôtô đa động lực

Ôtô đa động lực sử dụng ít nhất hai nguồn sức kéo bổ sung cho nhau, các nguồn sức kéo này có thể là :

- Động cơ điện và động cơ nhiệt

- Động cơ điện và hệ thống ắc-qui động năng

Động cơ điện ở đây có thể chạy bằng acqui thông thường hay pin nhiên liệu Động cơ nhiệt ở đây có thể là động cơ diesel, xăng hiện đại với hệ thống lọc bồ hóng và xử lý khí xả hay động cơ sử dụng nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí dầu

mỏ hoá lỏng LPG)

1.1.3.4 Ôtô sử dụng pin nhiên liệu

Một trong những giải pháp của nguồn năng lượng sạch cung cấp cho ôtô trong tương lai là pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là hệ thống điện hoá biến đổi trực tiếp hoá năng trong nhiên liệu thành điện năng Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pin nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước Vì vậy có thể nói ôtô hoạt động bằng pin nhiên liệu là loại ôtô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải ô nhiễm trong khí xả Ôtô chạy bằng pin nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydro, vì vậy khó khăn trong việc lưu trữ hydro dưới áp suất cao

1.1.3.5 Ôtô sử dụng các loại nhiên liệu lỏng thay thế

Các loại nhiên liệu lỏng thay thế hiện nay như cồn có nguồn gốc tự dầu thực vật Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên trong quá trình cháy sinh ra ít chất ô

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính Ngày nay việc ứng dụng các nguồn nhiên liệu lỏng thay thế trên các phương tiện giao thông vận tải vẫn còn rất hạn chế do giá thành của nhiên liệu còn cao

Hình 1.1 Ô tô chạy bằng nhiên liệu dầu thực vật ở Pháp

1.1.3.6 Ôtô sử dụng khí thiên nhiên

Sử dụng ôtô chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách hữu ích về năng lượng thay thế trong tương lai Cho tới nay có hai giải pháp sử dụng khí thiên nhiên trên ôtô, đó là khí thiên nhiên dưới dạng khí và khí thiên nhiên dưới dạng lỏng Ôtô chạy bằng khí thiên nhiên thoả mãn dễ dàng các qui định khắt khe nhất về ô nhiễm môi trường đối với ôtô Mặc dù ngày nay người ta đã có nhiều giải pháp công nghệ làm giảm ô nhiễm trong khí xả động cơ, nhưng các giải pháp này không thật bề vững, tính hiệu quả của nó giảm theo thời gian Trong khi đó khí xả động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chứa ít chất độc hại ngay từ nguồn nên sự giảm tính năng của các hệ thống xử lý trên đường xả không gây ảnh hưởng lớn đến mức độ phát ô nhiễm như đối với các loại động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống Ưu điểm của loại nhiên liệu này, ngoài mức độ phát ô nhiễm thấp, nó còn là nguồn nhiên liệu dồi dào, phân bố đều trên khắp trái đất

Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng lượng này chưa được áp dụng rộng rãi trên phương tiện giao thông vận tải là vấn đề lưu trữ khí thiên nhiên trên ôtô Ngày nay việc chế tạo bình chứa khí thiên nhiên đã được cải thiện nhiều cả

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

sợi carbon Bình chứa được kiểm tra an toàn tuyệt đối theo các tiêu chuẩn khắt khe nên không thể xảy ra sự cố nổ bình Mặt khác trên ôtô sử dụng khí thiên nhiên có hệ thống phát hiện rò khí để tránh hoả hoạn mặc dù nó không có mùi và không độc như diesel hay xăng

1.1.3.7 Ôtô sử dụng nhiên liệu khí hoá lỏng LPG

Sử dụng nhiên liệu khí để chạy động cơ ngoài việc đa dạng hoá nguồn năng lượng còn góp phần đáng kể vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do phương tiện giao thông vận tải gây ra Nhiên liệu khí dầu mỏ hoá lỏng LPG được xem như một loại nhiên liệu sạch thay thế các loại cho nhiên liệu truyền thống Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, kinh

tế và yêu cầu về môi trường, những ứng dụng của LPG cũng trở nên rộng rãi và đang trở thành nhiên liệu có nhiều ưu điểm nhất hiện nay

LPG là tên viết tắt của khí dầu mỏ hoá lỏng (Liquefied Petrolium Gas), là sản phẩm phụ trong quá trình lọc Thành phần chủ yếu là C3H8 (Propan) và C4H10(Butan) được nén theo tỷ lệ phần trăm Propan trên phần trăm Butan

LPG được hoá lỏng dưới áp suất cao để thuận lợi cho việc tồn chứa và vận chuyển Với nhiều đặc tính ưu việt, LPG đang được sử dụng và ứng dụng trong nhiều ngành nhiều lĩnh vực đã và đang mang lại những hiệu quả thuyết phục

1.1.4 Mục đích và ý nghĩa nghiên cứu nhiên liệu thay thế

Phương tiện giao thông ngày nay vẫn đang ứng dụng các công nghệ hiện đại nhất nhằm giảm lượng khí thải, đáp ứng yêu cầu của chính phủ và người tiêu dùng Các phần mềm phức tạp được cài đặt để xe có thể vận hành êm và ổn định trong hàng chục ngàn kilomet mà vẫn “sạch” hơn gấp hàng trăm lần so với xe của thập niên 60 của thế kỷ XX

Mặc dù vậy, từ nhiều năm nay, do những yêu cầu về giảm ô nhiễm môi trường, giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính, đồng thời do nguồn năng lượng từ dầu mỏ đứng trước nguy cơ cạn kiệt trong vài chục năm tới, ngành công nghiệp xe hơi vẫn đang đứng trước sức ép cả về kinh tế và môi trường, vì vậy phải

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nỗ lực tìm kiếm các nhiên liệu thay thế và kéo theo đó là công nghệ động cơ thay thế

Một thách thức lớn cho các nhà sản xuất là bất kỳ sản phẩm thay thế nào khi

có mặt trên thị trường cũng phải thỏa mãn người tiêu dùng về tính tiện lợi, an toàn

và kinh tế; nếu không sẽ không được thị trường chấp nhận

Ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ sinh học và công nghệ thông tin, việc nghiên cứu sản xuất các loại nhiên liệu thay thế và cải tiến động cơ để sử dụng có hiệu quả các loại nhiên liệu này là một việc làm trong tầm tay

Đặc biệt hơn nữa là ở Việt Nam – một quốc gia có tốc độ phát triển cao nhưng xuất phát điểm quá thấp so với các nước phát triển, nên cần có những bước

đi trước đón đầu trong lĩnh vực nhiên liệu thay thế này so với các quốc gia khác để tránh tụt hậu Và chúng ta sẽ luôn ấp ủ hy vọng rằng, khi ngành công nghiệp luyện kim của Việt Nam phát triển đủ tầm trong tương lai không xa, thì ngành công nghiệp ô tô của nước ta sẽ đứng ở một vị thế cao trên thế giới

Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế như LPG, biogas, biodiesel…đã được thực hiện nhiều, tuy nhiên Dimetyl Ete (DME) – một loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm nổi trội về kinh tế, kỹ thuật và thân thiện với môi trường lại ít được đầu tư nghiên cứu Với những lý do như trên nên em chọn đề tài này để tìm hiểu, nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp

1.2 Nhiên liệu Dimethyl ether (DME)

Các hợp chất trong đó hai nhóm hydrocarbon dính liền với một trong oxy, đại diện là ROR được gọi là ête, có thể có cấu trúc chuỗi mở hoặc vòng Ete thường quan sát thấy trong các cấu trúc chuỗi dài được gọi là ête tuyến tính So với các ankan của cấu trúc tương tự, ví dụ nếu nhóm CH2 thay thế các nguyên tử O, các điểm sôi của ete là cao hơn

Dimethyl ether là một ête với hai nhóm metyl trên mỗi bên của một nguyên

tử oxy, công thức hóa học CH3-O-CH3 DME không được gây hại cho tầng ozone

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

trái ngược với các loại nhiên liệu khác được sử dụng trước đó, không độc hại và

phân hủy dễ dàng trong bầu khí quyển

1.2.1 Tính chất của DME

Để đánh giá được những ưu điểm và nhược điểm của dimethyl ether, người

ta phải hiểu được các tính chất cần thiết của nhiên liệu diesel trong đánh lửa nén Các thông số tính chất hóa lý quan trọng ảnh hưởng đến việc sử dụng DME làm nhiên liệu cho quá trình cháy là trị số xetan, điểm sôi, và nhiệt độ đánh lửa Ngoài

ra còn các tính chất liên quan phải lưu ý đó là độ nhớt, nhiệt trị, và áp suất hơi Các tính chất của DME được thể hiện trong bảng sau [2]:

Bảng 1.4 Tính chất của DME so sánh với diesel

Nhiệt hóa hơi ở 200

C (kJ/kg) 410 233 Giới hạn bốc cháy trong không khí

theo phần trăm thể tích (%)

3.4-17 1.0-6.0

Nhiệt độ đánh lửa ở 1 atm (0C) 235 250

Trị số xetan 55-60 40-55

Trị số xetan mô tả chất lượng bắt lửa của nhiên liệu DME có chỉ số xetan cao

so với dầu diesel truyền thống, sẽ dễ dàng bắt lửa và cháy một cách triệt để hơn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Điểm sôi của DME là một lợi thế quan trọng đối với việc sử dụng làm nhiên

liệu Một lần nữa, chứng minh có đặc tính tốt hơn trong điều kiện khởi động lạnh, là một yếu tố quan trọng trong phát triển động cơ Áp suất hơi của DME là một vấn đề cần lưu ý khi nhiên liệu là chất khí ở áp suất khí quyển, chúng ta cần phải hòa trộn nhiên liệu và phun nhiên liệu ở dạng lỏng, vì thế nhiên liệu cần được nén Điều này dẫn đến các vấn đề khác với trong việc cung cấp nhiên liệu, mặc dù công nghệ để làm điều này là tương tự như với LPG (Liquid Propane Gas) bởi vì LPG cũng cần dùng áp suất vừa phải để giữ nhiên liệu ở trạng thái lỏng

Một vấn đề quan trọng của sự phát thải từ quá trình đốt cháy nhiên liệu động

cơ diesel với nhiên liệu diesel so với DME, là giảm và loại bỏ các phát thải dạng hạt Phát thải dạng hạt thường được gọi là muội hoặc khói đen Để sự phát thải không có khói thì hàm lượng oxy trong hỗn hợp nhiên liệu với DME là từ 40 đến 100% về khối lượng, với việc vận hành động cơ bằng nhiên liệu diesel thì hàm lượng này vào khoảng 38%

Độ nhớt của DME là thấp hơn nhiều so với nhiên liệu diesel, do đó việc cung

cấp nhiên liệu vào trong xi lanh động cơ sẽ dễ dàng hơn so với nhiên liệu diesel trong điều kiện thời tiết lạnh Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiên liệu bị rò rỉ từ các kim phun Ngoài ra, bằng cách sử dụng DME nguyên chất trong động cơ gặp phải một số vấn đề về bôi trơn vì độ nhớt thấp Với những gì các nhà nghiên cứu hiện nay hiểu biết về các loại nhiên liệu được sử dụng trong các hệ thống phun nhiên liệu ô tô, đặc điểm cố hữu về bôi trơn của nhiên liệu cũng là một yếu tố rất quan trọng, đặc biệt là khi việc sử dụng phụ gia, nhiên liệu thay thế đang được xem xét

Nhiệt trị thấp của diesel lớn hơn 1,5 lần so với DME nên cần thiết phải tăng thể tích nhiên liệu để tạo ra một giá trị nhiệt lượng tương đương từ quá trình đốt cháy Bằng cách tăng lượng DME phun vào xylanh động cơ để bù lại lượng nhiệt trị giảm đi

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.2.2 Sản xuất DME

DME được tạo ra do sự mất nước của methanol với chất xúc tác axit zeolite DME được sử dụng chủ yếu như một chất nổ đẩy, có thể được trộn với hầu hết các dung môi hữu cơ và có tính hòa tan cao trong nước Thời gian gần đây, việc sử dụng DME làm nhiên liệu hoặc phụ gia cho động cơ diesel đã được nghiên cứu do

có tính bay hơi và trị số xetan cao

1.2.2.1 Cơ sở lý thuyết của việc sản xuất DME

DME được sản xuất qua sự khử nước methanol với chất xúc tác ôxit nhôm

vô định hình có 10.2% SiO2, thì sự chuyển đổi methanol đạt khoảng 80% trong lò phản ứng DME được tạo thành bởi phản ứng sau đây:

2CH3OH = CH3OCH3 + H2O Trong phạm vi nhiệt độ hoạt động bình thường, phản ứng xảy ra không đáng

kể và việc chuyển đổi trạng thái cân bằng cho nguồn cấp methanol nguyên chất vượt quá 92% Vì thế, lò phản ứng được kiểm soát trong phạm vi nhiệt độ hoạt động bình thường

Với nhiệt độ trên 250oC, phương trình tỷ lệ được cho bởi Bondiera và Naccache là:

methanol

a o

T R

E k

exp

Trong đó: k0 = 1,21 106

Ea = 80,48 (kJ/mol)

pmethanol là áp suất riêng phần của methanol (kPa)

Khi nhiệt độ trên 400o

C xảy ra sự khử hoạt tính mạnh của chất xúc tác, vì vậy lò phản ứng được thiết kế sao cho không được vượt quá nhiệt độ này tại bất cứ nơi nào trong lò phản ứng Từ đó, phản ứng DME không tỏa ra nhiệt lớn, nhiệt độ thích hợp có thể được duy trì bởi bộ sấy cấp nhiệt không quá 250oC và diễn ra phản ứng đoạn nhiệt

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.2.2.2 Quá trình sản xuất DME

Hình 1.2 trình bày sơ đồ quy trình sản xuất DME Trong đó các bộ phận của sơ

đồ được thể hiện trong bảng 1.5 gồm: bộ sấy methanol, bộ làm mát, các nồi hơi, các bình ngưng, cột chưng cất DME, cột lọc tạp chất, cột chưng cất methanol, bơm cấp, các bơm hồi lưu, bơm tuần hoàn, bình phản ứng, các trống ngưng hồi lưu, trống cung cấp

V-103 V-102

V-101

P-104A/B P-103A/B

T-101 E-102

R-101

E-101

V-104

P-101A/B Methanol

DME

X? lý ch?t th?i

X? lý ch?t th?i 15

10 11

12 9

6

17

14 8

2

16

13 7

1

3

5 4

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình sản xuất DME

Bảng 1.5 Các bộ phận quy trình sản xuất DME

E-101 Bộ sấy methanol P-101A/B Bơm cấp

E-102 Bộ làm mát P-102A/B Bơm hồi lưu

E-103 Nồi hơi P-103A/B Bơm hồi lưu

E-104 Bình ngưng P-104A/B Bơm hồi lưu

E-105 Nồi hơi P-105A/B Bơm tuần hoàn

E-106 Bình ngưng R-101 Bình phản ứng

E-107 Nồi hơi V-101 Trống ngưng hồi lưu

E-108 Bình ngưng V-102 Trống ngưng hồi lưu

T-101 Cột chưng cất DME V-103 Trống ngưng hồi lưu

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

T-102 Cột lọc tạp chất V-104 Trống cung cấp

T-103 Cột chưng cất Methanol

Các công đoạn trong quá trình này là sấy sơ bộ nguyên liệu thô (gần như methanol nguyên chất), phản ứng methanol để tạo DME, tách sản phẩm, tách tạp

chất gây ô nhiễm, tách methanol và tái chế

Methanol thô, chứa khoảng 2% tạp chất, tồn tại ở dạng lỏng trong dòng 1, bơm lên đến 16,8 atm và kết hợp với dòng 17, một dòng tái chế methanol Sau đó đến dòng 4, nguyên liệu được đưa vào bình sấy E-101, được nung nóng đến nhiệt

độ 250°C trước khi được đưa tới bình phản ứng R-101, hình thành DME Phản ứng tỏa nhiệt và các sản phẩm phản ứng được nung nóng đến khoảng 365°C trước khi ra khỏi lò phản ứng Các chất sau phản ứng được làm lạnh trong bộ làm mát E-102 và sau đó được điều chỉnh đến 10 atm trước khi đi vào cột chưng cất DME T-101 Ở đây, qua quá trình chưng cất dimethyl ether được tách ra khỏi các thành phần khác (dòng 9) Các sản phẩm dưới cùng (đường 10) được điều chỉnh đến 6,9 atm và đưa đến bộ lọc tạp chất T-102, methanol và nước được tách ra từ các thành phần chất thải, chất thải ra ngoài theo đường 12 và đến công đoạn xử lý chất thải Nước và methanol đi theo đường 13, được tăng thêm 1 atm và đi vào trống ngưng hồi lưu T-

103, tại đây nước và methanol được tách ra Nước theo đường 15 đến bộ phận xử lý chất thải, methanol theo đường16 đến bơm tuần hoàn P-105A/B và được bơm lên đến 16,8 atm, theo đường 17 đến trống cung cấp V-104 để trộn với methanol tươi, tiếp tục quá trình sản xuất

1.2.3 Tình hình sử dụng DME hiện nay

Hiện nay, khi nhiên liệu thay thế đã trở thành đề tài nghiên cứu được nhiều nhà quan tâm thì những lựa chọn để sử dụng nguồn năng lượng này càng trở nên phong phú Các xu hướng chính sử dụng nhiên liệu DME trên thế giới như sau:

+ Dùng làm nhiên liệu nấu, đốt:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.3 Bếp đun dùng nhiên liệu DME

+ Làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong trên ô tô hoặc tàu thủy, tua bin khí:

Hình 1.4 Một số ôtô dùng động cơ nhiên liệu DME + Bán cho các nhà cung cấp khí tự nhiên:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.5 Xe chở nhiên liệu DME

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chương II CÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG DME TRÊN ĐỘNG CƠ

ĐỐT TRONG 2.1 Một số nghiên cứu về nhiên liệu DME trên thế giới

Seokhwan Lee và các cộng sự [3] đã nghiên cứu thí nghiệm về các thông số

tính năng và phát thải của động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DME và LPG Tính năng, đặc điểm phát thải (HC, CO và NOx), và sự ổn định của một động cơ với nhiên liệu DME pha trộn LPG được kiểm tra ở tốc độ 1800 và

3600 vòng/phút Kết quả cho thấy động cơ hoạt động ổn định ở dải rộng tải trọng động cơ lên đến 20% nhiên liệu DME Hơn nữa, nghiên cứu đã chứng minh rằng, cho đến 10% DME, công suất động cơ tương đương với khi sử dụng nhiên liệu LPG tinh khiết Kết quả đo khí thải cho thấy HC và NOx tăng nhẹ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp ở tốc độ động cơ thấp Tuy nhiên, công suất động cơ giảm và giảm tiêu hao nhiên liệu (BSFC) với nhiên liệu pha trộn vì nhiệt trị của nhiên liệu DME thấp hơn nhiều so với LPG Hơn nữa, số cetan cao của nhiên liệu DME dẫn đến khả năng kích nổ của động cơ sử dụng DME tăng lên đáng kể Xem xét kết quả của công suất động cơ và khí thải, hỗn hợp nhiên liệu LPG với phần tram DME lên đến 10% theo khối lượng có thể được sử dụng như là một nhiên liệu thay thế cho LPG, và hỗn hợp DME pha trộn với nhiên liệu LPG làm tăng tiềm năng mở rộng thị trường tiêu thụ cho DME

Kết quả nghiên cứu thử nghiệm này cho các kết luận sau:

1 Với hàm lượng DME tăng, mô-men xoắn động cơ giảm và BSFC tăng lên rất nhiều do hàm lượng năng lượng thấp hơn của DME so với LPG tinh khiết

2 Nhiệt độ khí thải tăng lên cùng với tăng hàm lượng DME dưới WOT vì giá trị lamda cân bằng hóa học của DME là thấp hơn so với butan

3 Sự ổn định của quáy trình cháy được đảm bảo trong tất cả các chế độ hoạt động không vượt quá 5% IMEP_COV, tại mọi giá trị hàm lượng DME

4 Kích nổ tăng lên đáng kể với hàm lượng DME tăng lên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

5 Sau khi giá trị lamda của hỗn hợp DME pha trộn 20% đã được điều chỉnh cân bằng lamda của butan tinh khiết, mô-men xoắn của động cơ và BSFC tăng 4% và 13%, tương ứng Thêm vào đó, nhiệt độ khí xả giảm xuống 36 độ C

Cũng nghiên cứu liên quan đến khả năng sử dụng DME, R.J Crookes và cộng

sự [4] đã đưa ra vấn đề về sự suy giảm nhiên liệu hóa thạch và suy thoái môi trường Động cơ ngày nay và các nhà sản xuất xe tương lai sẽ tập chung vào hai loại

xe là xe điện và xe chạy nhiên liệu Hidrocacbon Để đáp ứng nghiêm ngặt vấn đề kiểm soát khí thải có nhiều lựa chọn được đặt ra cho vấn đề tìm ra nhiên liệu thay thế khả thi Khí thiên nhiên sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức là một nhiên liệu đã được khám phá và thực nghiệm, các nhiên liệu khác đang được khám phá cho động cơ tự động đánh lửa Trong bài báo này DME và RME cùng với diesel đã được dùng để thực nghiệm trong cùng một động cơ đánh lửa cưỡng bức để kiểm tra,

so sánh đặc tính và phát thải Thảo luận về ưu nhược điểm của 2 nhiên liệu này Các

tác giả khẳng định:

- So sánh lượng tiêu thụ nhiên liệu cho thấy việc sử dụng nhiên liêu DME với động

cơ đánh lửa cưỡng bức cần nhiều hơn 2 lần khối lượng phun so với nhiên liệu diesel, do mật độ thấp hơn và nhiệt trị thấp dẫn đến entanpy của quá trình cháy

nhiên liệu DME sinh ra thấp hơn

- Đặc tính làm việc và phát thải cho thấy RME là nhiên liệu thích hợp sư dụng cho động cơ diesel như là một loại nhiên liệu sạch hoặc nhiên liệu phun mồi cho động

cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu

- Có sự giảm NOx, CO, HC với động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu cùng với sự tăng BMEP và giảm suất tiêu hao nhiên liệu

- Trong cả 2 động cơ sử dụng đơn nhiên liệu và lưỡng nhiên liệu cho thấy DME cho lượng phát thải NOx là thấp nhất

Trong một nghiên cứu về ứng dụng của DME trên động cơ cháy do nén,

Constantine Arcoumanis và các cộng sự [5] đã đánh giá các đặc tính và ứng dụng

nhiên liệu dimethyl ether (DME) trên động cơ diesel DME được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như khí tự nhiên, than đá, dầu cặn và sinh khối Để

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

đánh giá tính chất khả thi của nhiên liệu DME trong bài báo này tác giả đã so sánh những tính chất lý hóa quan trọng với nhiên liệu diesel DME có trị số xetan cao, nhiệt độ tự đánh lửa thấp Cấu trúc hóa học đơn giản cùng với hàm lượng oxy cao nên lượng bồ hóng gần như không có Hệ thống phun được dùng hệ thống common rail nhưng phải sửa đổi chút ít để tăng tính chống ăn mòn và khắc phục độ nhớt thấp của nhiên liệu DME Đặc tính phun của DME là dễ bay hơi, mật độ thấp hơn Nghiên cứu cho thấy phát thải NOx thấp hơn diesel Bài viết này cung cấp một đánh giá toàn diện về tính khả thi của nhiên liệu DME như một nhiên liệu thay thế cho động cơ tự cháy do nén thân thiện với môi trường trong tương lai Kết quả thực nghiệm cho thấy:

- DME dễ dàng để sử dụng như LPG vì nhiên liệu này có thể ngưng tụ bằng cách điều áp trên 0,5 MPa

- Đặc điểm nhanh bay hơi của DME có thể dẫn đến pha trộn tốt hơn với không khí trong xi lanh động cơ và kết hợp với hàm lượng oxy cao có sẵn trong nhiên liệu cho khả năng và tốc độ ôxy hoá các hạt nhiên liệu cao Tuy nhiên, DME đòi hỏi một lượng phun cao hơn để cung cấp tương đương lượng năng lượng như nhiên liệu diesel, do mật độ thấp hơn và nhiệt trị thấp của nhiên liệu thấp hơn Hệ thống nhiên liệu DME cũng cần bôi trơn và cần chống ăn mòn vật liệu để đảm bảo hoạt động không bị rò rỉ

- Cần tối ưu hoá các thiết bị phun nhiên liệu, khắc phục các vấn đề mật độ thấp, bôi trơn kém và ăn mòn

- Động cơ dùng nhiên liệu DME có tiếng ồn thấp, NOx thấp, bồ hóng thấp, có tiềm năng là một nhiên liệu thay thế và có thể áp dụng cho việc sản xuất hàng loạt trên ô

tô

Changwei Ji, Chen Liang và cộng sự [6] đã kiểm nghiệm về quá trình cháy và

lượng khí thải của hỗn hợp DME và xăng trong động cơ đánh lửa cưỡng bức và nhận thấy Dimethyl ether (DME) có rất nhiều đặc tính tốt và được cho là một trong những nhiên liệu thay thế tốt nhất cho động cơ IC trong tương lai Để nâng cao hiệu quả, ổn định và hiệu suất cháy, lượng khí thải của động cơ đánh lửa cưỡng bức ở