Nghiên cứu sử dụng dimetyl ete cho đcđt ứng dụng trên động cơ 2KD FTV của toyota

Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phảnứng chính tạo thành và phân huỷ NO là: + Cơ chế hình thành dioxyde nitơ NO 2 Dioxyde nitơ NO2 được hình thành từ monoxyde ni

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án là môn học đặc biệt và rất quan trọng đối với sinh viên ngành kỹ thuật.Trong quá trình làm đồ án sinh viên sẽ phải tự cũng cố lại những kiến thức về kỹthuật đại cương, kỹ thuật chuyên ngành, tin học ứng dụng Hơn thế nữa, với đồ ántốt nghiệp yêu cầu sinh viên phải có sự đầu tư lớn để có thể hoàn thành tốt và đúngthời gian quy định

Trong đợt làm đồ án tốt nghiệp kỳ II năm 2009 – 2010, nhóm sinh viênNguyễn Minh Hải, Bùi Văn Hội – lớp 05C4A – Khoa Cơ Khí Giao Thông chọn đềtài:

"Nghiên cứu ứng dụng Dimetyl Ete cho động cơ đốt trong Ứng dụng trên động cơ 2KD – FTV của Toyota."

Tại các nước phát triển, hợp chất hóa học dimetyl ete cũng chỉ mới đượcnghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực động cơ nhiệt vài năm gần đây; ở nước ta đây

là đề tài còn rất mới mẽ, các nguồn cung cấp tài liệu tham khảo chưa có nhiều, chủyếu là tìm hiểu từ những sự nghiên cứu ở Hoa Kỳ và Nhật Bản Vì vậy trong quátrình làm đồ án này chúng em gặp khá nhiều khó khăn và bỡ ngỡ, tuy nhiên với sựhướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Trần Văn Nam, sự giúp đỡ của thầy TS LêMinh Đức - khoa Hóa kỹ thuật và các thầy cô giáo khoa Cơ Khí Giao Thông, cộngvới sự cố gắng cá nhân chúng em đã hoàn thành đồ án này

Qua đây chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất và lời chúc sức khỏeđến quý thầy cô giáo đã giúp đỡ chúng em trong thời gian qua

Đà Nẵng, 02 / 2010Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Minh Hải Bùi Văn Hội

1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Tình hình ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông vận tải gây ra

1.1.1 Giới thiệu chung

Ô nhiễm môi trường - một trong những vấn đề hết sức nghiêm trọng màchúng ta đang phải đối mặt Thật vậy, trong sản xuất và đời sống, trong quá trìnhphát triển của nền kinh tế công nghiệp cùng với những thói quen sinh hoạt, conngười đã thải vào bầu khí quyển hàng triệu tấn các chất thải độc hại, ảnh hưởng trựctiếp 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 Thủ phạm chính phátsinh ô nhiễm môi trường không khí đã được các nhà khoa học tìm ra và được họquan tâm nhất đó là: Khí xả động cơ đốt trong Đến nay người ta đã xác định đượccác chất ô nhiễm trong không khí mà phần lớn các khí đó có mặt trong khí xả động

cơ đốt trong

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

Bảng 1 - 1 Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển

Tốc độ tăng (%/năm)

Nguồn phát ô nhiễm CO HC NOx

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

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

1.1.2.2 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 phảnứng chính tạo thành và phân huỷ NO là:

+ Cơ chế hình thành dioxyde nitơ (NO 2 )

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

NO + HO2  NO2 + OH (1.4)

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

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 trongsản vật cháy NO2 cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ thải thấp và có sự hiệndiện của ôxy

+ Cơ chế hình thành protoxyde nitơ (N 2 O)

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

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 sựkhông đồng nhất của hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành haytrong các không gian chết, nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp Cơ chế tôi màng lửacùng với các không gian chết là nguyên nhân chính phát sinh HC trong khí xả độngcơ

Tôi màng lửa hay sự dập tắt màng lửa diễn ra khi nó tiếp xúc với thành buồngchây Quá trình tôi màng lửa có thể xảy ra trong các điều kiện khác nhau: màng lửa

bị làm lạnh trong quá trình tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặcmàng lửa bị dập tắt trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy

1.1.3 Tác hại của các chất ô nhiễm do khí xả động cơ

1.1.3.1 Đối với sức khỏe con người

Tác hại của CO : CO ngăn cản sự dịch chuyển hồng cầu trong máu làm chocác bộ phận của cơ thể bị thiếu ôxy Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bịkhống chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm) Ở nồng độ thấphơn, 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 đến50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh

Tác hại của NOx : NOx là họ các oxyde nitơ NO không 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 khoảng0,12ppm NO2 là chất khó hoà tan nên nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổigây 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 cáchydrocarbure thơm Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong cănbệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thầnkinh 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 dểhoà 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 cơthể 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 kínhtrung bình khoảng 0,3m nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồìhóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kỳ một hợp chất cơ họcnào khác có mặt trong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư docác hydrocarbure thơm mạch vòng hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trìnhhình 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 phụgia 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 nhậpvào 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 động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ Chì bắt đầu gâynguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó trong máu không vượt quá 200đến 250 g/lít

1.1.3.2 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 nhàkính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khíquyển Trong số những chất gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khícarbonic CO2, vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứathành phần carbon Sự gia tăng nhiệt độ của bầu khí quyển do sự hiện diện của cácchất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau:

Quả đất nhận được năng lượng từ mặt trời và bức xạ ra không gian một phầnnăng 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 đấtnằm trong vùng hồng ngoại (7 15m).

Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ khác nhau Do đó, thành phần các chấtkhí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quảđất và không gian Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bướcsóng 15m Vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng làchất 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 làmnóng 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 quả 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 nướcbiển, làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hoá thêm bề mặt trái đất

+ 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 tímphát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt làđột 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 acidesulfuric, acide nitric hoà tan trong nước, trong tuyết, trong sương mù làm huỷ hoạithảm 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 môitrường do các phương tiện giao thông vận tải gây ta, đặc biệt là các phương tiện sửdụng các lại nhiên liệu truyền thống như xăng , dầu diesel Mặc dù với sự phát triểncủa khoa học kỹ thuật, hiện nay các phương tiện đã được trang bị những thiết bị ứngdụng kỹ thuật công nghệ điện tử, tin học Điều đó đã góp phần nâng cao tính năngkinh 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 thìngoài các giải pháp kỹ thuật công nghệ chúng ta cần nghiên cứu và sử dụng cácnguồn năng lượng mới, nhiên liệu mới không gây ô nhiễm môi trường hay gây ônhiễm môi trường rất ít để thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống

1.2 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 hoànthiện quá trình cháy của động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyềnthống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pilenhiên liệu, năng lượng mặt trời Xu hướng phát triển ôtô sạch có thể tổng hợp nhưsau:

1.2.1 Hoàn thiện động cơ diesel

Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ Diesel đã cho phép nâng cao rõ rệttính năng của nó bao gồm áp dung hệ thống phun common rail điều khiển điện tử,lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xử lý ba chức năng, hoặc nâng caochất lượng nhiên liệu Việc dùng động cơ Diesel sử dụng đồng thời nhiên liệu khí vànhiên liệu lỏng cũng là một giải pháp nâng cao tính năng của động cơ Diesel

1.2.2 Ôtô dùng điện

Ôtô dùng điện là một trong những giải pháp tối ưu nhất của các loại phươngtiện không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật thì hiện nay ôtôchạy điện có hai nhược điểm quan trọng đó là : năng lượng dự trữ thấp (khoảng 100lần 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) Với những loại ôtô sửdụng nguồn điện trực tiếp trên đường dây thì là loại ôtô sạch, cơ động, nhưng hệthống cung cấp năng lượng cho chúng (dây cáp điện trần) làm mất cảnh quan vàkhông an toàn Còn với loại ôtô điện chạy bằng ác qui có một số vấn đề đặt ra vàcần giải quyết khi đưa ôtô chạy điện vào ứng dụng trong thực tế một cách đại trà làkhả năng tăng tốc, thời gian nạp điện, bán kính hoạt động, vấn đề sưởi và điều hoàkhông khí trong ôtô

Hình 1 – 1 Ô tô lấy điện trực tiếp từ dây cáp điện trần

1.2.3 Ôtô đa động lực

Ôtô đa động lực sử dụng ít nhất hai nguồn sức kéo bổ sung cho nhau, cácnguồn 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 pile nhiên liệu Động

cơ nhiệt ở đây có thể là động cơ Diesel hiện đại với hệ thống lọc bồ hóng và sử lýkhí xả hay động cơ sử dụng nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hoá lỏngLPG)

1.2.4 Ôtô chạy bằng pile nhiên liệu

Một trong những giải pháp của nguồn năng lượng sạch cung cấp cho ôtôtrong tương lai là pile nhiên liệu Pile nhiên liệu là hệ thống điện hoá biến đổi trựctiếp hoá năng trong nhiên liệu thành điện năng Do không có quá trình cháy xảy ranên sản phẩm hoạt động của pile nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước Vì vậy có thểnói ôtô hoạt động bằng pile nhiên liệu là loại ôtô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải

ô nhiễm trong khí xả Ôtô chạy bằng pile nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạpnhiên liệu hydro, vì vậy khó khăn trong việc lưu trữ hydro dưới áp suất cao

1.2.5 Ôtô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế

Các loại nhiên liệu lỏng thay thế hiện nay là cồn, colza có nguồn gốc tự dầuthực vật Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên trong quá trình cháy sinh ra ítchất ô 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 tiệngiao thông vận tải vẫn còn rất hạn chế do giá thành của nhiên liệu còn cao

Hình 1 – 2 Ô tô chạy bằng nhiên liệu dầu thực vật ở Pháp

1.2.6 Ôtô chạy bằng khí thiên nhiên

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

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

về mặt công nghệ lẫn vật liệu, chẳng hạn sử dụng bình chứa composite gia cố bằngsợi carbon Bình chứa được kiểm tra an toàn tuyệt đối theo các tiêu chuẩn khắt khenên không thể xảy ra sự cố nổ bình Mặt khác trên ôtô sử dụng khí thiên nhiên có hệthống phát hiện rò khí để tránh hoả hoạn mặc dù nó không có mùi và không độcnhư Diesel hay Xăng

1.2.7 Ôtô sử dụng nhiên liệu khí hoá lỏng LPG

Sử dụng nhiên liệu khí để chạy động cơ ngoài việc đa dạng hoá nguồn nănglượng còn góp phần đáng kể vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường dophương tiện giao thông vận tải gây ra Nhiên liệu khí dầu mỏ hoá lỏng LPG đượcxem 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 đangtrở 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 phẩmphụ 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 ngànhnhiều lĩnh vực đã và đang mang lại những hiệu quả thuyết phục.

1.3 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 đạinhất 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 tronghàng chục ngàn kilomet mà vẫn “sạch” hơn gấp 140 lần so với xe của hồi thập niên

60 của thế kỷ XX

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

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

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 làcông nghệ sinh học và công nghệ thông tin, thiết nghĩ việc nghiên cứu sản xuất cácloại nhiên liệu thay thế và cải tiến động cơ để sử dụng có hiệu quả các loại nhiênliệu này là một việc làm trong tầm tay

Đặc biệt hơn nữa là ở Việt Nam – một quốc gia có tốc độ phát triển caonhưng 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 đểtránh tụt hậu Và chúng ta sẽ luôn ấp ủ hy vọng rằng, khi ngành công nghiệp luyệnkim của Việt Nam phát triển đủ tầm trong tương lai không xa, thì ngành côngnghiệp 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) – mộtloại nhiên liệu có nhiều ưu điểm nổi trội về kinh tế, kỹ thuật và thân thiện với môitrường lại ít được đầu tư nghiên cứu Với những lý do như trên nên em chọn đề tàinày để tìm hiểu, nghiên cứu trong đồ án này

2 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 Tổng quan nhiên liệu Diesel

2.1.1 Giới thiệu về nhiên liệu Diesel

Nhiên liệu lỏng dùng cho động cơ Diesel chủ yếu là những loại sản phẩmcủa quá trình chưng cất dầu mỏ Nó là một hỗn hợp của nhiều Cacbuahydro có kếtcấu phân tử khác nhau, quyết định tính chất lý hoá cơ bản của nhiên liệu và ảnhhưởng rất nhiều tới quá trình bốc hơi và cháy của nhiên liệu Trong những loạinhiên liệu truyền thống sử dụng trên các phương tiện vận tải, Diesel là một trongnhững nguồn nhiên liệu rất quan trọng được sử dụng rất phổ biến bởi những tínhnăng ưu việt của nó

Dầu Diesel là phần Hydrocacbon lấy từ dầu mỏ, có nhiệt độ sôi nằm trongkhoảng 200 - 3000C Dầu Diesel có màu nâu nhạt, nặng hơn xăng và nhẹ hơn nước.

Tỉ trọng 0,80-0,86

Dầu Diesel phải có các tính chất sau đây:

- Tính bốc hơi và tự bốc cháy thích hợp để dễ khởi động máy

- Cháy ổn định, không làm rung khi động cơ nổ

- Có độ nhớt thích hợp để đảm bảo nhiên liệu dễ cháy ở nhiệt độ thích hợp,đồng thời phải đảm bảo phun sương vào buồng cháy và bôi trơn cho cặppiston- bơm cao áp được tốt

- Nhiên liệu phải cháy kiệt, xả hết hơi thừa, ít đóng muội ở vòi phun,buồng cháy

- Không có lẫn tạp chất ăn mòn, cặn bẩn, nước và các loại dầu khác

2.1.2 Các tính chất của dầu Diesel

2.1.2.1 Nhiệt trị của nhiên liệu Diesel

Nhiệt trị của nhiên liệu là số nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn mộtđơn vị khối lượng hoặc thể tích (kg hay m3) nhiên liệu

Nhiệt trị là một đặc tính rất phổ biến, rất chung của nhiên liệu, nó xác địnhlượng nhiên liệu dùng cho tất cả các loại động cơ nhiệt và cho tất cả các thiết bịđộng lực khác

Khái niệm về nhiệt trị cần phải chính xác để tránh nhầm lẫn khi sử dụng.Trong thực tế, ta cần phân biệt nhiệt trị đẳng áp và nhiệt trị đẳng tích, nhiệt trị thấpvới nhiệt trị cao

Nhiệt trị đẳng áp Qp và nhiệt trị đẳng tích Qv có khác nhau :

- Nhiệt trị đẳng áp Qp là nhiệt lượng tỏa ra từ sản vật cháy của một đơn vị

số lượng nhiên liệu khi làm lạnh nó đến nhiệt độ bằng nhiệt độ của khíhỗn hợp trước lúc đốt cháy (thông thường ở 200C) trong điều kiện áp suấtcủa sản vật cháy đã được làm lạnh bằng áp suất khí hỗn hợp trước lúc đốtcháy

- Nhiệt trị đẳng tích Qv được xác định tương tự như vậy nhưng trong điềukiện giữ cho thể tích sản vật cháy (môi chất sau khi cháy) bằng thể tíchhòa khí (môi chất trước khi cháy)

Mối quan hệ giữa Qp và Qv được xác định theo biểu thức sau:

Trong đó :

pt (N/m2)  Là áp suất môi chất trước khi cháy

Vt , Vs (m3)  Thể tích hòa khí trước khi cháy và thể tích sản vật cháy đãđược làm lạnh ở áp suất pt đối với một đơn vị số lượng nhiên liệu

Nhiệt trị cao Qo và nhiệt trị thấp QH có khác nhau: Nhiệt trị cao Qo là toàn bộ

số nhiệt lượng thu được sau khi đốt cháy kiệt 1kg (hoặc 1m3 tiêu chuẩn) nhiên liệu,trong đó có cả số nhiệt lượng do hơi nước được tạo ra trong sản vật cháy ngưng tụlại thành nước nhả ra, khi sản vật cháy được làm lạnh tới nhiệt độ trước khi cháyđược gọi là nhiệt ẩn trong hơi nước Trên thực tế khí xả từ động cơ thải ra ở nhiệt độkhá cao, do đó hơi nước trong khí xả chưa kịp ngưng tụ đã bị thải mất Do đó khitính toán động cơ đốt trong người ta thường dùng nhiệt trị thấp QH, nhiệt trị thấpnày nhỏ hơn Qo một trị số bằng nhiệt ẩn hóa hơi của nước chứa trong sản vật cháy Mối quan hệ giữa Qo và QH được xác định theo biểu thức sau [1] :

QH = Qo - 2,512.106.(9H + W) (2-2)Trong đó :

2,512.106 (j/kg)  Nhiệt ẩn của một kg hơi nước;

9H  Lượng hơi nước được hình thành khi đốt cháy Hkg hydro có trongmột kg nhiên liệu;

W  Lượng hơi nước chứa trong một kg nhiên liệu

QH có thể tính theo công thức Menđêlêép như sau:

QH = [34,013C + 125,6H - 10,9(O - S) - 2,512(9H + W)] j/kg (2-3)Rất dễ cho rằng khi chọn nhiên liệu dùng cho động cơ phải dùng loại nhiênliệu có nhiệt trị lớn, Nhưng trên thực tế gây ảnh hưởng trực tiếp tới công suất động

cơ lại là nhiệt trị của 1m3 không khí Q’H trong điều kiện đốt hết O2 (hệ số dư lượngkhông khí  = 1)

Q’H tiêu chuẩn được xác định theo biểu thức sau :

0

.4,22

QH (Mj/m3)  Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

nl (Kg/Kmol)  Phân tử lượng nhiên liệu

M0 (Kmol/Kg)  Lượng không khí lí thuyết cần để đốt kiệt 1kg nhiên liệu.22,4 (m3)  Thể tích phân tử trong đktc P = 760 mmHg, t = 00C

2.1.2.2 Tính bốc hơi và sự cháy ổn định của nhiên liệu Diesel

Tính bốc hơi của nhiên liệu có ý nghĩa rất quan trọng đối với tất cả các loạiđộng cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng Trong động cơ diesel tính bốc hơi cũng rất quantrọng bởi vì nó ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy của động cơ như cháy kiệt,cháy ổn định.

Quá trình cháy của dầu diesel trong động cơ đốt trong có thể chia làm 4 giaiđoạn:

+ Giai đoạn thứ nhất là thời kỳ cháy trễ, tính từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu vàoxylanh đến khi nhiên liệu tự bốc cháy

+ Giai đoạn thứ hai là thời kỳ cháy nhanh, phát triển những trung tâm bốc cháy vàlan tràn màn lửa, tính từ cuối thời kỳ cháy trễ đến khi áp suất trong xylanh đạt cựcđại

+ Giai đoạn thứ ba là thời kỳ cháy chính của hỗn hợp khí công tác, tính từ khi ápsuất đạt cực đại đến khi nhiệt độ trong xylanh đạt cực đại

+ Giai đoạn thứ tư là thời kỳ cháy rớt phần hỗn hợp còn lại trong xylanh, từ lúcnhiệt độ đạt cực đại đến khi kết thúc quá trình cháy

Trong bốn thời kỳ trên thì thời kỳ đầu có quan hệ chặt chẽ với sự cháy ổnđịnh Nếu ở thời kỳ này dầu bốc hơi nhanh, cháy sớm, phun vào chừng nào cháyngay chừng ấy, tức là cháy ổn định, bình thường không gây ra nổ rung, sức máykhỏe, như vậy là thời kỳ chuẩn bị ngắn Ngược lại, thời kỳ này kéo dài tức là dầubốc hơi chậm, cháy muộn, lượng dầu phun vào trước không cháy hết ngay được, cứ

ùn dần lại, đến khi bốc cháy được lại cháy dồn một lúc làm cho thể hơi nở đột ngột,

áp suất và nhiệt độ tăng nhanh, gây ra hiện tượng động cơ quá nóng, rung mạnh, xả

nhiều khói đen và phát ra tiếng kêu Động cơ Diesel gây ra nổ rung chính là do thời

kỳ chuẩn bị cháy quá dài, nhưng thời kỳ chuẩn bị cháy dài hay ngắn lại có liên quanđến hai yếu tố cơ bản của dầu là tính bốc hơi và khả năng tự bốc cháy của nhiên liệuDiesel

2.1.2.3 Tính tự bốc cháy của nhiên liệu Diesel

Một trong những tính chất quan trọng nhất của nhiên liệu dùng cho động cơDiesel là tính tự cháy Như đã biết, nhiên liệu khi được phun vào xilanh không phải

tự bốc cháy ngay mà phải qua một giai đoạn chuẩn bị để tự bốc cháy (giai đoạncháy trể); trong thời gian này nhiên liệu có sự thay đổi về lý và hoá học

Tính tự cháy của nhiên liệu được đánh giá qua các thông số sau:

- Theo tỷ số nén tới hạn

- Theo số xêtan

- Theo số xêten

- Theo chỉ số Diesel

- Theo hằng số độ nhớt- trọng lượng

2.1.2.4 Trị số xêtan của nhiên liệu Diesel

Trị số xêtan của nhiên liệu là số phần trăm tính theo thể tích của chất xêtan

có trong hỗn hợp với chất α - Metylnaptalin, hỗn hợp này có tỉ số nén tới hạn giốngnhư của nhiên liệu thí nghiệm

Để xác định trị số xêtan, người ta pha lẫn hai loại nhiên liệu có tính chất đốilập nhau là: Chất xêtan (C16H34) bảo đảm cho động cơ làm việc ổn định, chống nổrung, qui ước có độ tự cháy là 100 và chất α – Metylnaptalin (α - C10H7CH3) cókhả năng gây nổ rung và qui ước có độ tự cháy là 0 Đem 40 phần xêtan (theo thểtích) pha lẫn với 60 phần α - Metylnaptalin thì được một loại nhiên liệu Diesel mẫuvới trị số xêtan là 40 Như vậy, trị số xêtan là trị số qui ước của tính tự bốc cháy củanhiên liệu Diesel, tính bằng phần trăm xêtan chứa trong cùng một hỗn hợp với α -Metylnaptalin của loại Diesel mẫu

Các loại động cơ Diesel có tỉ số nén khác nhau, nên đòi hỏi trị số xêtan củanhiên liệu cũng khác nhau Động cơ có tỉ số nén cao, tốc độ quay nhanh (1000vòng/phút trở lên) như ở xe ôtô, phải dùng dầu nhẹ, có trị số xêtan cao, thường là40÷50 trở lên Động cơ có tỉ số nén thấp, tốc độ quay chậm (1000 vòng/phút trởxuống) như động cơ máy kéo, phải dùng dầu có trị số xêtan thấp

2.1.2.5 Trị số xêten của nhiên liệu Diesel

Số xêten được xác định giống như số xêtan, chỉ khác là thay số xêtan bằng sốxêten, đó là hỗn hợp của các chất đồng vị C16H32 Xêten tự bốc cháy khó hơnxêtan, do đó số xêten lớn hơn số xêtan: số xêtan ≈ 0,88 số xêten Hiện nay đánh giánhiên liệu theo số xêten không được sử dụng vì rất khó thu được một xêten có tínhchất ổn định tốt

2.1.2.6 Độ nhớt của nhiên liệu Diesel

So với xăng thì dầu Diesel đặc hơn, cháy chậm hơn, bốc hơi ít hơn vì có độnhớt lớn hơn Thông thường dầu có độ nhớt cao thì ít bay hơi trong khi bảo quản, vàkhả năng gây ra tai nạn cháy cũng ít hơn

Muốn cho xe làm việc bình thường, cần phải căn cứ vào cấu tạo của mỗi loại động

cơ và thời tiết (mùa hè hay mùa đông) mà sử dụng dầu Diesel có độ nhớt thích hợp

2.1.2.7 Độ tinh khiết của nhiên liệu Diesel

Dầu Diesel được bơm cao áp bơm tới vòi phun và phun vào buồng cháy với

áp suất cao Bơm cao áp, vòi phun và các chi tiết khác có cấu tạo rất tinh vi, với độ

chính xác cao Vì vậy đòi hỏi nhiên liệu không có tạp chất và cặn bẩn Nếu trongdầu Diesel có tạp chất, cặn bẩn sẽ gây ảnh hưởng không tốt đối với sự làm việc củabơm cao áp và vòi phun Nếu trong dầu có tạp chất ăn mòn như lưu huỳnh, axit,bazơ, nước lã thì chúng sẽ ăn mòn kim loại, phá hoại bề mặt ma sát, làm giảm độchính xác của bộ đôi piston – bơm cao áp, kim phun - đế vòi phun và các chi tiếtkhác Dầu Diesel loại nhẹ tuyệt đối không cho phép có lẫn tạp chất ăn mòn và nước

lã, lượng axit cho phép không quá 0,2% Muội than trong dầu Diesel là những chấtkhông cháy được hết, khi gặp nhiệt độ cao phân hủy thành muội, bám lại ở cửaxupáp, trong lòng buồng cháy, đỉnh piston, cạnh secmăng gây tác hại nghiêmtrọng cho động cơ, muội than còn nói lên mức độ tinh chế của dầu Nếu kiểm trathấy lượng muội than nhiều, tức là nhiên liệu tinh chế chưa kỹ, chất nhựa còn nhiều,lượng nhựa (muội than) cho phép trong dầu Diesel không quá 0,01÷0,03%

Bảng 2 – 1 Thành phần nguyên tố và đặc tính của nhiên liệu Diesel

Thành phần tính theo trọng lượng:

CHO

0,870,1260,004Trọng lượng phân tử nl : 180200Nhiệt trị thấp QH , Mj/kg

(Hoặc kcal/kg)

42,5(10150)

Nhiệt trị của hỗn hợp khi  = 1,tính theo Mj/Kmol (Kcal/Kmol)

86,0(20500)

Lượng không khí cần thiết lý thuyết để đốt cháy 1kg nhiên

liệu tính theo Kmol

0,496

Độ nhớt động học ở 200C tính theo xangtixtoc (20) 2,58,5

2.2 Tổng quan về Dimetyl ete (DME)

2.2.1 Giới thiệu 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 thườngquan sát thấy trong các cấu trúc chuỗi dài được gọi là ête tuyến tính So với cácankan của cấu trúc tương tự, ví dụ nếu nhóm CH2 thay thế các nguyên tử O, cácđiểm 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 tráingược với các hạt khác được sử dụng trước đó, không độc hại và phân hủy dễ dàngtrong bầu khí quyển

2.2.2 Tính chất của DME

Để được đánh giá 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 tính năng đáng kể cho việc sử dụng DME làm nhiên liệu cho quá trình cháy trị

số xetan, điểm sôi, và nhiệt độ đánh lửa Tuy nhiên, còn có các tính chất liên quanphải lưu ý đó là độ nhớt, nhiệt trị, và áp suất hơi

Các tính chất của DME được hiển thị trong bảng sau:

Bảng 2 - 2 Tính chất của DME so sánh với Diesel và Propane

Công thức hóa học C2H6O C10.8H18.7 C3H8

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

cao so với dầu điezen truyền thống, nó sẽ dễ dàng bắt lửa và cháy một cách đầy đủhơn

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

nhiên liệu Một lần nữa, nó chứng minh có đặc tính tốt hơn trong điều kiện khởiđộng 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 một chất khí ở áp suất khí quyển, chúng tacần phải hòa trộn nhiên liệu và phun nhiên liệu ở dạng lỏng, vì thế nhiên liệu cầnđược 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 nó cũng là dùng áp lực 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 hạt phát thải Hạtphát thải cũng thường được gọi là muội hoặc khói đen Để sự phát thải không cókhói thì hàm lượng oxy trong hỗn hợp nhiên liệu với DME là từ 40 đến 100 wt.%,

với việc vận hành động cơ bằng nhiên liệu diesel thì hàm lượng này vào khoảng 38wt.%

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 dieseltrong 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 mộtđộng cơ tạo ra một số vấn đề về bôi trơn vì độ nhớt thấp Với những gì các nhànghiên cứu hiện nay hiểu biết về các loại nhiên liệu được sử dụng trong các hệthống phun nhiên liệu ô tô, đặc điểm cố hữu về bôi trơn của nhiên liệu cũng là mộtyếu tố rất quan trọng, đặc biệt là khi việc sử dụng phụ gia, nhiên liệu thay thế đangđược xem xét

Giá trị tỏa nhiệt của diesel lớn hơn 1,5 lần so với DME nên cần thiết phảităng thể tích nhiên liệu để tạo ra một giá trị nhiệt lượng tương đương từ quá trìnhđốt cháy.Bằng cách là tăng lượng phun vào xylanh động cơ để bù lại lượng nhiệtgiảm đi

2.2.3 Sản xuất DME

2.2.3.1 Bối cảnh sản xuất DME

Một nghiên cứu khả thi về sản xuất dimethyl ether 99,5 wt.% sẽ được thựchiện, nhà máy có khả năng sản xuất 50.000 tấn / năm DME được tạo ra do sự mấtnước của methanol với chất xúc tác axit zeolite Mục tiêu đạt ra là thiết kế ra một cơ

sở sản xuất DME đảm bảo an toàn và hiệu quả

DME được sử dụng chủ yếu như là một chất nổ đẩy, nó có thể được trộn lẫnvới hầu hết các dung môi hữu cơ và có tính hòa tan cao trong nước Thời gian gầnđây, việc sử dụng DME là một nhiên liệu phụ gia cho động cơ diesel đã đượcnghiên cứu do nó có tính bay hơi và trị số xetan cao

2.2.3.2 Cơ sở lý thuyết của việc sản xuất DME

Sự sản xuất DME qua sự khử nước Methanol với chất xúc tác ôxit nhôm vôđịnh hình có 10.2% SiO2, một sự chuyển đổi Methanol khoảng 80% được đạt đượctrong lò phản ứng DME được sản xuất bởi phản ứng sau đây:

2CH3OH = CH3OCH3 + H2O (2.5)

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 chấtvượt quá 92% Vì thế, lò phản ứng được kiểm soát trong phạm vi nhiệt độ hoạt độngbình thường

Với nhiệt độ trên 250 0C, phương trình tỷ lệ được cho bởi Bondiera và Naccache là:

methanol

a o

T R

E k

exp

pmethanol là áp suất riêng phần của methanol (kPa)

Xảy ra sự khử hoạt tính mạnh của chất xúc tác ở nhiệt đọ trên 400 0C, vì vậy

lò phản ứng được thiết kế sao cho không được vượt quá nhiệt độ này tại bất cứ nơinào trong lò phản ứng Từ đó, phản ứng DME không tỏa ra nhiệt lớn, , nhiệt độthích hợp có thể được duy trì bởi bộ sấy cấp nhiệt không quá 250 0C và diễn ra phảnứng đoạn nhiệt

2.2.3.3 Mô tả quá trình sản xuất DME

Mô tả thiết bị:

Bảng 2 – 3 Các bộ phận quá trình sản xuất DME

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

E-108 Bình ngưng V-102 Trống ngưng hồi lưuT-101 Cột chưng cất DME V-103 Trống ngưng hồi lưuT-102 Cột lọc tạp chất V-104 Trống cung cấp

T-103 Cột chưng cất Methanol

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

6

17

14 8

2

16

13 7

1

3

5 4

Hình 2 -1 Sơ đồ quá trình sản xuất DME

Một PFD của quá trình này được thể hiện trong thể hiện trong hình 2-1 Cáccông đoạn trong quá trình này là sấy sơ bộ nguyên liệu thô (gần như methanolnguyên chất), phản ứng methanol để tạo DME, tách sản phẩm , tách chất gây ônhiễm, tách methanol và tái chế

Methanol thô, chứa khoảng 2 mol% 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 đóđến dòng 4, nguyên liệu được đưa vào bình sấy E-101, nó được nung nóng đếnnhiệt độ 250 °C trước khi nó được đưa tới bình phản ứng R-101, hình thành DME.Phản ứng tỏa nhiệt hơi 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 E-102

và sau đó được điều chỉnh đến 10 atm trước khi đi vào T-101 Ở đây, qua quá trìnhchưng cất dimethyl ether được tách ra khỏi các thành phần khác (dòng 9).Các sảnphẩm dưới cùng (dòng 10) được điều chỉnh đến 6,9 atm và đưa đến T-102, methanol

và nước được tách ra từ các thành phần chất thải, chất thải ra ngoài theo dòng 12 vàđến công đoạn xử lý chất thải Nước và methanol đi theo dòng 13, được tăng thêm 1atm và đi vào T-103, tại đây nước và methanol được tách ra Nước theo dòng 15 đến

bộ phận xử lý chất thải, methanol theo dòng 16 đến P-105A/B và được bơm lên đến

16,8 atm, theo dòng 17 đến V-104 để trộn với methanol tươi, tiếp tục quá trình sảnxuất.

2.2.3.4 Tình hình sử dụng DME hiện nay

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

+ Dùng làm nhiên liệu nấu , đốt:

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

+ Bán cho các nhà cung cấp khí tự nhiên:

2.3 Sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ

DME là một chất lỏng khi được chứa dưới áp lực vừa phải, với một áp lựchơi của 5,1 (kg/m2) ở 20 oC, việc xử lý tương đối dễ dàng Trong mười năm qua, cácnhà nghiên cứu đã bắt đầu xem xét việc sử dụng DME làm nhiên liệu, bởi vì trị sốxetan và nhiệt độ đánh lửa gần với nhiên liệu diesel, DME được cho là một thay thếtuyệt vời để sử dụng trong động cơ đánh lửa nén.

Tuy nhiên, có một số mặt hạn chế để sử dụng nhiên liệu, đó là về độ nhớt vàtính nén của nhiên liệu DME Để khắc phục những nhược điểm của nhiên liệu củaDME, cũng như giảm khí thải, các thí nghiệm tập trung vào việc dimethyl ether trộnvới nhiên liệu diesel Mục tiêu ban đầu là để xác định ảnh hưởng của nồng độ oxytrong khí thải, với một số sự cải tiến động cơ Trong những nghiên cứu này, không

có tập trung vào việc thay đổi thời điểm phun nhiên liệu, kim phun nhiên liệu, hoặclập trình cho động cơ động cơ Những thay đổi trong hệ thống nhiên liệu nhằm mụcđích sử dụng nhiên liệu ở dạng lỏng phân phối bởi hệ thống common rail bằng cáchduy trì hỗn hợp DME-diesel ở áp suất trên 100 psi

Trong hơn mười năm qua, nhiều nghiên cứu đã bắt đầu để đánh giá hiệu quảhoạt động và phát thải của dimethyl ether nguyên chất Nghiên cứu cho thấy rằng,đối với một tốc độ cố định và các mức tải tải khác nhau, các hạt và NOx phát thải từđộng cơ 0,273 lít, phun trực tiếp nhiên liệu xylanh đơn với dimethyl ether nguyênchất giảm đáng kể so với lượng khí thải khi sử dụng nhiên liệu diesel Trong nghiêncứu đó, HC và CO phát thải rất ít hoặc hầu như không có Các thí nghiệm khác vớithành phần DME chiếm 40%, 60% khối lượng hỗn hợp đều cho thấy mức độ phátthải các chất gây ô nhễm đều thấp hơn đáng kể so với sử dụng nhiên liệu dieseltruyền thống

3 TỔNG QUAN VỀ DME TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Vấn đề ô nhiễm môi trường như hiện nay, mà lượng khí thải do ôtô phát ra làchủ yếu Vì vậy, nhà nghiên cứu phải đi vào nghiên cứu ôtô sử dụng nhiên liệu sạch,cải thiện động cơ để có thể đạt được những quy định nghiêm khắc về khí thải Trênthế giới, nhiên liệu sạch được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong động cơ đốt trong

từ rất sớm và đạt được nhiều thành tựu cao Nhiều loại xe với nhiên liệu mới thaythế cho nhiên liệu truyền thống đã đưa vào sử dụng trong giao thông mà hiệu quảcủa nó rất khả thi cho các nhà sản xuất, nhất là trong vấn đề môi trường

Nhiên liệu DME cũng đã được nghiên cứu từ rất lâu, hiện nay đã có nhiềuloại xe sử dụng nhiên liệu DME của nhiều hãng xe hơi nổi tiếng của các nước ápdụng trong giao thông thế giới như:

+ ISUZU, NISSAN, HINO…của Nhật Bản

+ Ford của Mỹ

+ Volvo của Thụy Điển

+ Trung Quốc và nhiều nước khác

Một số hình ảnh về ô tô sử dụng DME làm nhiên liệu:

3.1 Các khả năng sử dụng DME

DME là nhiên liệu mới siêu sạch thay thế cho dầu Diesel mà nó có thể sản

xuất từ nguồn tài nguyên dồi dào Khi đốt cháy trong động cơ Diesel tất cả bồ hóng phát thải được loại bỏ và lượng phát thải NOx giảm đáng kể (Đây là khí góp vào sự nóng lên của toàn cầu)

Do tính chất của nó tương tự nhiên liệu diesel nên DME chỉ có khả năng ứngdụng trong động cơ Diesel để thay thế hoàn toàn hay 1 phần nào đó nhiên liệuDiesel Dưới đây là các phương án ứng dụng của nó:

3.1.1 Khả năng thay thế hoàn toàn nhiên liệu Diesel

Phương án nhiên liệu DME thay thế hoàn toàn nhiên liệu Diesel để chạy trênđộng cơ Diesel Phương án này đã được nghiên cứu từ rất sớm mà cụ thể nhất là:

+ Vào khoảng tháng 3 năm 2006 hãng xe nổi tiếng của Nhật Bản NissanDiesel Motor co.,ltd đã cho chạy thử nghiệm thành công xe tải nặng sử dụng động

cơ NISAN DIESEL PW25A Xe với tải trọng 20 tấn, động cơ 6 xi lanh thẳng hànglàm mát bằng nước, với hệ thống nạp khí sử dụng tua bin tăng áp và hệ thống xử lýkhí thải EGR Thùng nhiên liệu DME chứa tới 342L Công suất cực đại 199 kW ở

2700 vòng/phùt, mômen xoắn cực đại 750 Nm ở 1100 vòng/phút

Khi sử dụng phương án này ta chỉ cần cải tiến hay thay thế hệ thống nhiênliệu diesel sang chạy hoàn toàn bằng nhiên liệu DME DME được nén trong bìnhchứa với áp suất lớn hơn 5bar để cho nhiên liệu khỏi hóa hơi, bây giờ DME ở dạngthể lỏng nên ta có thể đưa vào hệ thống nhiên liệu lỏng để đưa cào động cơ Với sơ

đồ hệ thống nhiên liệu Diesel thường như sau:

Hình 3 – 1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel thường

1.Thùng nhiên liệu DME; 2.Bộ điều chỉnh áp suất; 3.Bơm cao áp; 4 Tới vòi

phun; 5.Bộ làm lạnh; 6.Thùng hóa lỏng DME từ thùng chứa 1 được bơm hút qua bầu lọc tới bộ ổn định áp suất nhiênliệu rồi tới bơm cao áp 3 để cung cấp tới các vòi phun 4 của động cơ Một phầnnhiên liệu thừa sẻ được hồi trở lại thùng 1 sau xử lý khi đi qua bộ hóa lỏng 6 và bộlàm mát nhiên liệu 5

Khi sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ Nissan đã cho thấy rằng DME

là nhiên liêu sạch cho thế kỷ 21, với lượng phát thải NOx, CO so với năm2005,2009 thấp hơn nhiều Còn hạt PM xem như không có

+ Vào khoảng tháng 12 năm 2003, hãng ôtô Volvo của Thụy Điển cho ra đời

“heavy duty” Volvo Afforhd với thành công ngoài mong đợi Động cơ Diesel 6 xi lanh thẳng hàng, hệ thống nhiên liệu comman rail hiiện đại Động cơ có thể đạt công suất tối 220 kW với số vòng quay 1400 vòng /phút

Sơ đồ hệ thống nhiên liệu

Cùng thời điểm, hãng Ford của Mỹ cũng nghiên cứu thành công động cơDIATA chạy hoàn toàn bằng nhiên liệu DME với hệ thống nhiên liệu sử dụngconman rail hiện đại

3.1.2 Khả năng dùng lưỡng nhiên liệu trên cùng một hệ thống nhiên liệu

Từ tháng 1 năm 1999 đến khoảng tháng 12 năm 2003 đã có hoàng loạtnhững nghiên cứu về DME làm nhiên liệu they thế cho dầu Diesel Các nhà nghiêncứu đã sử dụng trên động cơ Nivistar T444E 7.3L V-8 có tua bin tăng áp

DME thay thế một phần nhỏ nhiên liệu Diesel Diesel và DME được nén vào trongmột bình chứa heli khoảng 100 psi được bơm cung cấp cho động cơ hoạt động.lượng DME sử dụng là rất nhỏ nhằm cải thiện chất lượng khí thải phát ra môitrường.

3.1.3 Khả năng dùng lưỡng nhiên liệu Diesel + DME Với hai hệ thống khác nhau

Nhiên liệu Dme thay thế một phần Diesel Nhưng hai loại nhiên liệu được sửdụng hai hệ thống nhiên liệu khác nhau để cung cấp động cơ Hệ thống nhiên liệuDiesel được giữ nguyên theo động cơ, ta chỉ cần thiết kế thêm hệ thống cung cấpDME cho động cơ hoạt động cùng với nhiên liệu Diesel Trong phương án này thìlượng Dme được sử dụng là chủ yếu, còn Diesel đóng vai trò làm nhiên liệu làmmồi lửa để đốt cháy DME trong buồng đốt vùa tạo công suất ban đầu cho động cơhoạt động

Sơ đồ hệ thống nhiên liệu:

ECU

1

2 3

4

5

6 7

8

9

10

11 12

Hình 3 – 4 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu1.Lọc không khí; 2.Turbo tăng áp; 3.Vòi phun Diesel; 4.Bộ xúc tác ba chức năng;5.Ống phân phối; 6.Bơm cao áp; 7.Lọc nhiên liệu Diesel; 8.Thùng chứa nhiên liệuDiesel; 9.Vòi phun DME; 10.Bộ điều chỉnh áp suất; 11.ECU điều khiển cấp DME;

12.Bình chứa DME

3.2 Lựa chọn phương án phù hợp

Với điều kiện sản xuất DME ở nước ta như hiện nay nhỏ lẻ, không tập trung

Để tạo điều kiện khả năng áp dụng DME vào sử dụng trong động cơ đốt trong thì

phương án cuối cùng là hợp lý nhất Tuy phương án này có nhiều nhược điểm như

là: phức tạp động cơ, khó khăn trong việc bố trí, lượng khí độc hại trong khí thải

giảm không đáng kể….Nhưng nó mang nhiều ưu điểm phù hợp với điều kiện trongnước: động cơ ứng dụng có thể chạy lưỡng nhiên liệu Diesel + DME, chỉ chạy bằnghoàn toàn Diesel khi hệ thống cung cấp DME bị sự cố.

4 KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ 2KD-FTV

4.1 Giới thiệu

Động cơ 2KD-FTV của hãng TOYOTA là loại động cơ 4 kỳ 4 xylanh đượcđặt thẳng hàng và làm việc theo thứ tự nổ 1-3-4-2 Động cơ có công suất lớn 75KW/3600 v/ph, hệ thống phối khí của các xupap được dẫn động trực tiếp từ trụccam thông qua con đội thuỷ lực, sử dụng con đội thuỷ lực và cách bố trí 4 xupaptrên một xylanh tạo đươc chất lượng nạp và thải (nạp đầy, thải sạch), nhằm tăngcông suất động cơ, giảm được lượng khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường Với

hệ thống phun nhiên liệu diesel bằng hệ thống tích luỹ nhiên liệu và điều khiển bằngECU và hệ thống tuần hoàn khí xả tạo cho động cơ luôn làm việc ở chế độ an toàn

và hiệu quả cao

Bảng 4 – 1 Thông số kỹ thuật động cơ 2KD-FTV

Hệ thống nhiên liệu Loại ống phân phối

Momen xoắn cực đại (N.m/v/ph) 260/2400

4.2 Khảo sát hệ thống nhiên liệu

4.2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ

ECU EDU

NE G Cảm biế n khác

7 8

11

4 14

5

Hình 4 – 1 Sơ đồ hệ thống nhiín liệu động cơ 2KD-FTV1- Thùng nhiín liệu ; 2- Lọc nhiín liệu ; 3- Bơm cao âp HP3 ; 4- CommonRail tích trữ điều âp ; 5- Vòi phun ; 6- Kĩt lăm mât nhiín liệu ; 7- EDU ; 8- ECU ;9- Đường nhiín liệu cao âp ; 10- Đường dầu hồi ; 11- Câc cảm biến ; 12- Van SVC ;

13- Van an toăn âp suất ; 14- Cảm biến âp suất nối với ECU

Bơm cao âp 3 có nhiệm vụ tạo ra nhiín liệu có âp suất cao cho quâ trìnhphun Bơm năy được lắp đặt trín một ngăn của hệ thống Thường thì giống như vịtrí đặt bơm phđn phối trước đđy (của câc động cơ cổ truyền) Nhiín liệu sau khi rakhỏi bơm cao âp được vận chuuyển văo bộ phận tích luỹ cao âp

Ống Rail 4 năy lă bộ phận tích luỹ cao âp vă luôn được cấp nhiín liệu đểphục vụ cho việc phun nhiín liệu Nhiín liệu trong ống luôn có âp suất 180MPa đểphun văo xylanh văo đúng thời điểm Một số thănh phần của hệ thống CommonRail được đặt trực tiếp trín ống năy, như cảm biến âp suất, van điều âp

Vòi phun 5 có chức năng phun nhiín liệu văo xylanh động cơ ECU quyếtđịnh lượng nhiín liệu được phun, thời điểm phun vă điều khiển nam chđm điệntrong vòi phun, thông qua bộ EDU Nam chđm điện năy mở vòi phun vă nhiín liệuđược phun văo buồng chây động cơ khi âp suất tồn tại trong ống tích luỹ cao âp

Common Rail lă một hệ thống phun được điều khiển bằng ECU EDU điềukhiển vă giâm sât quâ trình phun bằng những giâ trị cần thiết được mặc định sẵncho quâ trình phun nhiín liệu

Hệ thống nhiín liệu Common Rail động cơ 2KD-FTV có những đặc tính sau:

+ Áp suất nhiên liệu, lượng phun, và thời điểm phun được điều khiển bằngđiện tử vì vậy điều khiển tốc độ động cơ đạt độ chính xác cao.

+ Áp suất nhiên liệu cao cho nên việc hoà trộn nhiên liệu – hoà khí trongbuồng cháy tốt hơn

+ Tích trữ nhiên liệu áp suất cao, nhiên liệu được phun vào áp suất cao ở mõidãi tốc độ động cơ

Với những đặc tính như trên thì động cơ 2KD-FTV có tính hiệu năng, tínhkinh tế nhiên liệu tăng cao, tiếng ồn nhỏ ít rung động và khí thải sạch

4.2.2 Kết cấu hệ thống nhiên liệu

Kết cấu hệ thống nhiên liệu Common Rail của động cơ 2KD-FTV chia thànhhai vùng : Vùng áp suất thấp và vùng áp suất cao

4.2.2.1 Vùng áp suất thấp

Vùng áp suất thấp có nhiệm vụ đưa nhiên liệu lên vòng cao áp, bao gồm các

bộ phận :

+ Bình chứa nhiên liệu

Bình chứa nhiên liệu phải làm từ vật liệu chống ăn mòn và giữ cho không bị

rò rỉ ở áp suất gấp đôi áp suất hoạt động bình thường Van an toàn trong bình phảiđược lắp để khi áp suất quá cao có thể tự thoát ra ngoài Nhiên liệu cũng khôngđược rò rĩ ở cổ nối với bình lọc nhiên liệu hay ở thiết bị bù áp suất khi xe rung xócnhỏ, cũng như khi xe vào đường vòng hoặc dừng hay chạy trên đường dốc Bìnhnhiên liệu và động cơ phải đặt xa nhau để khi tai nạn xảy ra không có nguy cơ cháy nổ

+ Đường nhiên liệu áp suất thấp

Đường ống nhiên liệu mềm được bọc thép thay thế cho đường ống bằng thép

và được dùng trong ống áp suất thấp, như đường ống nhiên liệu từ bình chứa nhiênliệu tới bơm cao áp Tất cả các bộ phận mang nhiên liệu phải được bảo vệ khỏi tácđộng của nhiệt độ

+ Lọc nhiên liệu

Sự làm việc lâu dài làm cho hiệu quả của bơm cung cấp nhiên liệu cũng nhưvòi phun và bơm phân phối phụ thuộc vào chất lượng lọc của lọc nhiên liệu

* Nhiệm vụ của bầu lọc tinh :

Bầu lọc tinh lọc tạp chất cơ học có kích thước 0,0020,003 mm ra khỏi nhiênliệu (trong khi đó khe hở xy lanh và piston bơm 0,0025mm) nên bầu lọc đảm bảocho hệ thống làm việc tốt

5 4

3 10

Nhiên liệu từ bình chứa vào bình lọc từ ống 1 đến đường ống 10 nằm phíadưới nắp đậy được nối thông với khoang A nhiên liệu từ khoang A đi qua lõi lọc 6tại đây tạp chất bẩn tách khỏi nhiên liệu và lắng đọng xuống dưới đáy khoang Anhiên liệu lọc sạch đi vào khoang B và đi ra đến bơm cao áp từ đầu nối 4 , nhiênliệu bẩn được xả ra từ nút 9 ra khỏi bình lọc

Hình 4 – 3 Sơ đồ mạch điện công tắc cảnh báo lọc NLTrong bình lọc nhiên liệu của của hệ thống Common Rail lõi lọc làm sợi

bông Một bộ lọc nhiên liệu không thích hợp có thể dẫn đến hư hỏng cho các thành

phần của bơm, van phân phối và kim phun Bộ lọc nhiên liệu làm sạch nhiên liệutrước khi đưa đến bơm cao áp, và do đó ngăn ngừa sự mài mòn nhanh của các chitiết bơm

Nước xâm nhập vào hệ thống nhiên liệu có thể làm hư hỏng hệ thống ở dạng

ăn mòn Vì vậy bình lọc này có gắng công tác cảnh báo nước lắng đọng để báo mứcnước quá dưới hạng cho phép của bình lọc, để xả nước ra khỏi bình lọc và bình lọcnày cũng có gắng công tắc cảnh báo lọc nhiên liệu, báo khi bình lọc tắc ngẽn làmcho hệ thống nhiên liệu làm việc ổn định và an toàn hình là sơ đồ làm việc cáccông tắc bộ lọc với ECU

4.2.2.2 Vùng áp suất cao

Vùng áp suất cao của hệ thống Common Rail động cơ 2KD-FTV có nhiệm

vụ tạo ra một áp suất cao không đổi trong đường ống tích luỹ áp suất và phun nhiênliệu vào buồng cháy động cơ, bao gồm :

- Bơm cao áp với van điều khiển áp suất

- Đường ống nhiên liệu áp suất cao, tức ống phân phối đóng vai trò của bộtích áp suất cao cùng với cảm biến áp suất nhiên liệu, van giới hạn áp suất, kimphun và đường ống dầu về

+ Bơm cao áp

Bơm cao áp có nhiệm vụ tạo ra nhiên liệu có áp suất cao cho quá trình phun.Bơm này được lắp đặt trên một ngăn của hệ thống Nhiên liệu sau khi ra khỏi bơmcao áp được vận chuyển vào bộ phận tích luỹ cao áp

Bơm cao áp tạo áp lực nhiên liệu đến một áp suất lên đến 180MPa Bơm cao ápđược lắp đặt tốt nhất ngay trên động cơ như ở hệ thống nhiên liệu của bơm phân phốiloại cũ Nó được dẫn động bằng động cơ (tốc độ quay bằng 1/2 tốc độ động cơ, nhưng

Hình 4 – 4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bơm cao áp1- Cam không đồng trục và cam vòng ; 2- Lò xo hồi của piston bơm ; 3- Piston bơm ;4- Van một chiều ; 5- Van hút ; 6- Van đẩy ; 7- Đường nhiên liệu đến ống phân phối ;

8- Đường nhiên liệu vào ; 9- Bơm nạp ; 10- Van SCV ; 11- Trục bơm

Bơm nạp đưa nhiên liệu từ bình chứa qua bộ lọc đến đường dầu vào bơm cao

áp được lắp trực tiếp trên bơm Nó đẩy nhiên liệu qua van SCV đến hai piston củabơm cao áp, cùng trục với bơm cao áp Nhiên liệu được đưa vào hai piston bơm cao

áp ít hay nhiều phụ thuộc vào van SCV dưới sự điều khiển của ECU Nhiên liệu dưcủa bơm nạp đi qua van và theo đường dầu hồi trở về bình chứa

11

Trục của bơm cao áp có các cam lệch tâm làm di chuyển 2 piston lên xuốngtùy theo hình dạng các vấu cam làm cho 2 piston hút nén đối xứng nhau Van nạp mở

ra nhiên liệu tư bơm nạp qua van SCV được hút vào bơm piston của bơm cao áp tạiđây nhiên liệu được nén dưới áp suất cao khi piston lên tới điểm chết trên, áp suấtnhiên liệu thắng lực lò xo của van nén, nhiên liệu thoát ra ngoài đến ống phân phối

Piston tiếp tục phân phối cho đến khi nó đi đến điểm chết trên (ĐCT), sau đó

do áp suất bị giảm xuống nên van nén đóng lại Khi áp suất trong buồng bơm củathành phần bơm giảm xuống thì van nạp mở ra và quá trình lặp lại lần nữa

Bơm cao áp phân phối lượng nhiên liệu tỷ lệ với tốc độ quay của nó Và do

đó, nó là một hàm của tốc độ động cơ Trong suốt quá trình phun, tỉ số truyền đượctính sao cho một mặt thì lượng nhiên liệu mà nó cung cấp không quá lớn, mặt kháccác yêu cầu về nhiên liệu vẫn còn đáp ứng trong suốt chế độ hoạt động Tùy theotốc độ trục khuỷu mà tỉ số truyền là : 1: 2 hoặc 1:3 Đó là nguyên lý làm việc chungcủa bơm cao áp, sau đây ta nguyên cứu vào cấu tạo, nguyên lý làm việc của từngchi tiết trong bơm cao áp gồm : Bơm piston, bơm nạp, van SCV, cảm biến áp suấtnhiên liệu

Piston B đặt đối xứng với piston A nên khi piston A đi xuống thực hiện quátrình hút thì piston B đi lên thực hiện quá trình nén và bơm nhiên liệu đến ống phânphối, hai bơm làm việc luân phiên hút và nén nhiên liệu, bơm nhiên liệu đến ốngphân phối dưới áp cao và ổn định