Nghiên cứu đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn diesel theo các chu trình lái FTP, HW và NEDC

Trên thế giới, đã có một vài công trìnhnghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặctính phát thải của động cơ diesel, tuy nhiên các công trình này chỉ trình

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI

CỦA ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL THEO CÁC CHU TRÌNH LÁI FTP, HW VÀ NEDC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCChuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Thái Nguyên - Năm 2018

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp TháiNguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phéptôi thực hiện luận văn này Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô

và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập vàlàm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôihết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoànthành luận văn

Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác

đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầytrong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu

để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những

người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập

Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bảnthân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được sựgóp ý để luận văn được hoàn thiện hơn

Học viên

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 3

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

* Ý nghĩa khoa học: 3

* Ý nghĩa thực tiễn: 3

4 Đối tượng nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Phạm vi nghiên cứu 4

7 Nội dung nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

1.1 Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường

5 1.2 Nhiên liệu thay thế 6

1.2.1 Nhiên liệu thay thế dạng khí 7

1.2.2 Nhiên liệu thay thế dạng lỏng 9

1.3 Đặc điểm nhiên liệu ethanol 11

1.3.1 Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol 11

1.3.2 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam 13

1.4 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong 16

1.4.1 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng 16

1.4.2 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel 19

1.5 Kết luận chương 1 25

CHƯƠNG 2 THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ 26

VÀ CÁC CHU TRÌNH THỬ NGHIỆM 26

2.1 Các thành phần độc hại chính trong khí thải động cơ 26

2.2 Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí xả động cơ diesel 28

2.3 Giới thiệu các chu trình thử nghiệm 31

1 Chu trình thử cho đường phố FTP – 75 32

2 Chu trình thử cho xa lộ HW (US-Highway-Cycle) 33

3 Chu trình thử Châu âu NEDC 34

2.4 Các tiêu chuẩn khí thải 35

2.4.1 Tiêu chuẩn khí thải ở Mỹ 35

2.4.2 Tiêu chuẩn khí thải ở Châu âu 39

2.5 Kết luận chương 2 40

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG Ô TÔ THEO CÁC CHU TRÌNH THỬ 41

BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE 41

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm GT-Suite 41

3.1.1 Giới thiệu phần mềm GT-Drive 41

3.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 42

3.2 Nhiên liệu sử dụng khi mô phỏng 47

3.3 Kết quả mô phỏng 48

3.3.1 Tiêu hao nhiên liệu 48

3.3.2 Phát thải NO x 51

3.3.3 Phát thải CO 54

3.4 Kết luận chương 3 56

KẾT LUẬN CHUNG 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

THC Tổng phát thải hy đrô các bon chưa cháy

D80E20 Nhiên liệu pha trộn 80% diesel và 20% ethanolD100 Nhiên liệu diesel khoáng

FTP-75 Chu trình thử cho xe con chạy trong thành phố

của Mỹ

HW Chu trình thử trên xa lộ của Mỹ

NEDC Chu trình thử của Châu Âu

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất của ethanol 12

Bảng 2.1 Các thông số của chu trình thử xe con cho đường thành phố của Mỹ 33

Bảng 2.2 Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 1 36

Bảng 2.3 Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 2 37

Bảng 2.4 Tiêu chuẩn liên bang Mỹ cho xe tải nặng 38

Bảng 2.5 Tiêu chuẩn EPA cho động cơ diesel chạy trên xa lộ 39

Bảng 2.6 Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu cho xe con và xe tải nhẹ Áp dụng cho xe con với số chỗ ≤ 6 và xe tải hạng nhẹ có trọng lượng ≤ 2,5 tấn 39

Bảng 2.7 Tiêu chuẩn khí thải châu âu cho xe tải nặng, đơn vị tính g/km 40

Bảng 3.1 Các thông số chính trong mô hình ô tô “Vihicle - TC” 44

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của nhiên liệu diesel khoáng và D80E20 48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015 14

Hình 2.1 Cơ chế hình thành các chất thải độc hại ở động cơ diesel 29

Hình 2.2 Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ 29

Hình 2.3 Chu trình thử FTP 75 32

Hình 2.4 Chu trình thử xe con trên xa lộ của Mỹ, HW 33

Hình 2.5 Chu trình thử Châu Âu NEDC 34

Hình 3.1 Cửa sổ giao diện GT-Drive 42

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng ô tô theo các chu trình thử 43

ứng với các loại nhiên liệu khác nhau 43

Hình 3.3 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử động cơ 43

Hình 3.4 Mô hình hệ thống truyền lực ô tô “Vihicle - TC” 44

Hình 3.5 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử Vehicle_Controller 45

Hình 3.6 Chu trình thử FTP-75 thiết lập trong mô hình mô phỏng 46

Hình 3.7 Chu trình thử HW thiết lập trong mô hình mô phỏng 46

Hình 3.8 Chu trình thử NEDC thiết lập trong mô hình mô phỏng 47

Hình 3.9 Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử NEDC 49

Hình 3.10 Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử FTP-75 49

Hình 3.11 Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử HW 50

Hình 3.12 Lượng nhiên liệu tiêu thụ, [lít/100 km] 50

Hình 3.13 Tiêu hao nhiên liệu tổng cộng ứng với các chu trình thử 51

khác nhau, [kg/h] 51

Hình 3.14 Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình NEDC 52

Hình 3.15 Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75 52

Hình 3.16 Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình HW 53

Hình 3.17 Phát thải NOx trên toàn bộ chu trình thử khi sử dụng 2 loại nhiên liệu D100 và D80E20, [g/h] 53

Hình 3.18 Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình NEDC 54Hình 3.19 Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75 55Hình 3.20 Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình HW 55Hình 3.21 Phát thải CO trên toàn bộ chu trình thử khi sử dụng 2 loại nhiênliệu D100 và D80E20, [g/h] 56

1 Lý do chọn đề tài

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng

ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện.Nguồn ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của conngười, đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật độ xe cơ giới và mật độ dân cưcao Ô nhiễm môi trường là vấn đế cấp bách mà thế giới đang quan tâm, trong

đó động cơ đốt trong là một trong những nguồn gây ra ô nhiễm nhiều nhất.Hơn nữa nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong đang dần cạn kiệt Vì vậy,thực tiễn phát triển động cơ phải gắn liền tiêu hao ít nhiên liệu và giảm phátthải gây ô nhiễm môi trường đến mức nhỏ nhất Từ yêu cầu cấp bách của thựctiễn, các nhà nghiên cứu phải tìm ra biện pháp tối ưu để cải tiến động cơ vànghiên cứu tìm ra nguồn nhiên liệu mới thay thế cho nhiên liệu truyền thống

Vì vậy, hướng nghiên cứu sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiênliệu truyền thống có ý nghĩa thực tiễn cao, phù hợp với xu hướng phát triểncông nghệ động cơ trong tương lai

Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thếđang là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụthuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảmtác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính Động cơ cháy

do nén (động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nôngnghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suấtcao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với conngười và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chất ô nhiễm dạng hạt(PM - Particulate Matter) Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) trong động cơ diesel là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm phátsinh các thành phần độc hại trong khí xả Một trong số đó, nhiên liệu cồn(alcohol) là một trong những nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm phát thải và

sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa

thạch Alcohol là loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, dobản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao Trong các loạinhiên liệu alcohol, các nhiện liệu alcohol chứa hàm lượng các bon thấp (chứa

3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như methanol và ethanol hiện được coi lànhững nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel nhận được nhiều sự quan tâm

do ưu điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng ô xi cao, do đó cải thiệnđáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải Tuy nhiên, do số cetane thấp vànhiệt ẩn bay hơi cao cũng như vấn đề hòa trộn làm cản trở việc sử dụng cácalcohol có hàm lượng các bon thấp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel.Nhiên liệu alcohol có hàm lượng các bon cao (chứa từ 4 nguyên tố các bontrở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so với nhiên liệualcohol hàm lượng các bon thấp do chúng có số cetane và nhiệt trị cao hơncũng như khả năng hòa trộn tốt hơn

Nghiên cứu sử dụng cồn trên động cơ diesel là một hướng nghiên cứumới đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm Vì cồn có một sốtính chất có lợi cho sự cháy động cơ diesel như: cồn có nhiệt ẩn hóa hơi cao,trong phân tử cồn có chứa ô xy, không có lưu huỳnh và tốc độ cháy nhanh

Trong các phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vậnhành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy donén, thì phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - dieselđược sử dụng phổ biến hơn cả [5] Trên thế giới, đã có một vài công trìnhnghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặctính phát thải của động cơ diesel, tuy nhiên các công trình này chỉ trình bàykết quả nghiên cứu trong khi các thuật toán cũng như mô phỏng số khôngđược giới thiệu chi tiết [6 ÷ 20]; chính vì vậy, mô phỏng đặc tính của loạiđộng cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ; mặtkhác, đánh giá đặc tính phát thải của phương tiện trang bị động cơ lưỡng nhiênliệu cồn - diesel theo các chu

trình lái hiện nay là thực sự cần thiết, vấn đề này chưa thấy đề cập trong các

công trình nghiên cứu gần đây Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên

cứu đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái FTP, HW và NEDC” làm đề tài luận văn cao học của mình.

2 Mục đích của đề tài

- Thiết lập mô hình mô phỏng ô tô trang bị động cơ lưỡng nhiễn liệu cồn

- diesel theo các chu trình lái

- Khai thác và sử dụng phần mềm chuyên dụng GT-SUITE của hãngGama Technology trong mô phỏng động lực học của ô tô

- Thông qua mô hình xây dựng được, đánh giá đặc tính phát thải của ô

tô khi sử dụng nhiên liệu diesel khoáng và nhiên liệu D80E20 (80% diesel và20% ethanol) theo các chu trình lái phổ biến hiện nay

- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa khoa học:

Luận văn đã góp phần đánh giá đặc tính phát thải của động cơ lưỡngnhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái FTP, HW và NEDC Từ kết quảcủa đề tài đánh giá được đặc điểm phát thải của động cơ diesel khi sử dụngcồn và khả năng ứng dụng của alcohol trên động cơ diesel

Từ mô hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp diesel alcohol ở các tỷ lệ pha trộn khác nhau đến đặc tính cháy, tính kinh tế nhiênliệu và phát thải của phương tiện theo các chu trình lái Đây là cơ sở lý thuyếtgiúp cho việc so sánh với thực nghiệm, để từ đó có thể đề xuất kiến nghị sửdụng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ ở tỷ lệ thích hợp

-* Ý nghĩa thực tiễn:

- Mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình đàotạo chuyên sâu liên quan đến động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel;

- Mô hình xây dựng được trong luận văn có thể phục vụ khảo sát ảnhhưởng của các nhiên liệu thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và đặc tínhphát thải của phương tiện theo các chu trình lái.

- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết trong việc so sánh với kết quảthực nghiệm

- Là tài liệu tham khảo cần thiết cho các mục đích tương tự

4 Đối tượng nghiên cứu

Ô tô con

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết thông qua việc xây dựng mô hình mô phỏng ô tôtrang bị động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái bằng phầnmềm GT-Suite

6 Phạm vi nghiên cứu

Đánh giá đặc tính phát thải của ô tô khi sử dụng nhiên liệu dieselkhoáng và nhiên liệu D80E20 (80% diesel và 20% ethanol) theo các chu trìnhlái phổ biến hiện nay FTP-75, HW và NEDC

7 Nội dung nghiên cứu

Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Chương 2 Thành phần khí thải động cơ và các chu trình thử nghiệm

- Chương 3 Mô phỏng ô tô theo các chu trình thử bằng phần mềm GT-SUITE

- Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường

Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tôtrên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng Thế giới đangphải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt Theo

dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thểđáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không pháthiện thêm các nguồn dầu mỏ mới Việt Nam là một quốc gia đang phát triển,nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước vềnhiên liệu ngày càng tăng lên

Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượngdầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn Năm 2003, lượng dầu

mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn Nếu không được phát hiện thêmnhững nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 nămnữa Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượngdầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu

về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầutrên thế giới Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ởcác khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượngdầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giádầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang pháttriển như Việt Nam

Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từdầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường,phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thânthiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực Song hành cùng với việc

sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong vàngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thaythế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong.

1.2 Nhiên liệu thay thế

Theo nguồn gốc nhiên liệu có thể chia thành hai nhóm là nhiên liệu hóathạch và nhiên liệu sinh học Nhiên liệu có thể thay thế nhiên liệu truyền thống

từ dầu mỏ như xăng và diesel gọi là nhiên liệu thay thế Hiện nay dầu mỏchiếm hơn 35% tổng mức tiêu thụ nhiên liệu thương mại chủ yếu của toàn thếgiới Xếp thứ hai là than đá (chiếm khoảng 23%) và khí thiên nhiên đứng thứ

3 (chiếm 21%) Những loại nhiên liệu hóa thạch này là nguồn phát thải khínhà kính chủ yếu gây nóng lên toàn cầu và làm biến đổi khí hậu

Các loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học gọi là nhiên liệu sinh học(NLSH) là một dạng nhiên liệu thay thế, chiếm 10% tổng mức tiêu thụ nănglượng chủ yếu trên toàn cầu, NLSH gồm nhiên liệu rắn như gỗ, củi, khí sinhhọc, nhiên liệu lỏng như ethanol sinh học và các diesel sinh học chế biến từcác loại cây trồng như cây mía đường, các loại cỏ năng lượng hoặc từ gỗnhiêu liệu, than củi, chất thải nông nghiệp và các sản phẩm phụ, những phếthải rừng, phân vật nuôi và các sản phẩm khác NLSH có nhiều ưu điểm nổibật so với các loại nhiên liệu hóa thạch (dầu khí, than đá ) [2]:

+ Tính chất thân thiện với môi trường: sinh ra ít khí gây hiệu ứng nhà

kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít khí gây ô nhiễm môitrường hơn các loại nhiên liệu truyền thống

+ Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này chế biến từ hoạt động

sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vàonguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống (than đá, dầu mỏ)

NLSH đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp

và nhập khẩu nhiên liệu, do có các ưu điểm vượt trội khác: nguyên liệu để sản

xuất NLSH rất phong phú, có khả năng sản xuất và cung cấp với số lượng lớn

để thay thế khi giá xăng dầu khoáng ngày càng tăng NLSH không chứa cácchất gây độc hại như dầu mỏ, khả năng phân hủy sinh học cao Sử dụngNLSH thuận tiện đơn giản bên cạnh các dạng nhiên liệu khác, ví dụ có thể sửdụng xăng pha ethanol, mà không cần thay đổi, hoán cải các động cơ và mạnglưới phân phối hiện có

Công nghệ sản xuất ethanol, dầu mỡ động thực vật và pha chế NLSHkhông phức tạp như công nghệ lọc hoá dầu với đầu tư thấp hơn nhiều, có thểsản xuất với các quy mô khác nhau Chính vì vậy, hiện nay, NLSH đang đượccác quốc gia nói trên định hướng sử dụng rộng rãi

Tuy nhiên hiện nay NLSH mới chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong cáncân năng lượng thế giới do giá thành cao và gây ra những nguy cơ đến vấn đề

an ninh lương thực, nhất là đối với những nước đang phát triển Chính vì thế,các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp khắcphục những hạn chế của NLSH

Như trên đã trình bày, NLSH là một dạng nhiên liệu thay thế bên cạnhcác nhiên liệu thay thế khác Theo trạng thái, nhiên liệu thay thế cho động cơđốt trong tồn tại ở hai dạng:

- Nhiên liệu thay thế dạng khí;

- Nhiên liệu thay thế dạng lỏng.

1.2.1 Nhiên liệu thay thế dạng khí

Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng khí tương đối phổbiến dùng cho động cơ đốt trong

 Khí nén thiên nhiên (CNG - Compressed Natural

trong đó metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ propan, butan và các khí khác.

Theo [1] “Đặc điểm cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệuDiesel-CNG (Trong trường hợp sử dụng Acid béo methyl esters phun mồi)”cho thấy, khi tỷ lệ CNG thay thế tới 75% thì hiệu suất nhiệt là tương tự nhưđộng cơ sử dụng diesel gốc Khi tỷ lệ CNG thay thế lớn hơn 75% thì hỗn hợpcông tác khó cháy hơn và hiệu suất nhiệt giảm đáng kể, cũng như phát thải HC

và NOx tăng lên nhiều

 Hyđrô và khí giàu hyđrô

Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước

và từ sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóakhông hoàn toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình reforming

và điện phân nước [2]

Hyđrô có thể được sử dụng trực tiếp trên động cơ đốt trong ở dạnghyđrô lỏng (nhiệt độ hóa lỏng là -253oC ở điều kiện khí quyển) hoặc ở dạngnén (áp suất bình chứa lên tới 700 bar) Vấn đề tồn chứa hyđrô một cách hiệuquả, an toàn vẫn đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu vàdoanh nghiệp Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu đểsản sinh điện năng Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ

và giá thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu

được xem như là vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là “nhiên liệu của

tương lai”

[2]

Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như oxy(trong khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác Khígiàu hyđrô thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệubằng cách bổ sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảmphát thải ô nhiễm [2]

1.2.2 Nhiên liệu thay thế dạng lỏng

Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng lỏng tương đối phổbiến dùng cho động cơ đốt trong

 Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)

LPG là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí đồng hành thu được trongquá trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C3H8 vàbutan, C4H10 [2] LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơđánh lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén như làmột phụ gia nhiên liệu

Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp:khoảng 2,2 bar đối với C4H10 tại 20oC, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 55oC[2] Thông thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệpropan/butan khoảng 60%/40%

Khi sử dụng LPG cho động cơ đốt trong nhận thấy [2]:

- Phát thải HC giảm hơn ba lần và phát thải NOx ít hơn khi phun trựctiếp vào buồng cháy

-Tổng lượng tiêu hao nhiên liệu giảm khi tăng tỷ lệ LPG thay thế khitốc độ động cơ lớn hơn 2000 vg/ph, khi tốc độ động cơ lớn hơn 2400 vg/phsuất tiêu hao năng lượng giảm rõ rệt, đồng thời phát thải HC và NOx tăngnhiều trong khí phát thải CO và soot giảm Bên cạnh đó các nghiên cứu về sửdụng LPG cho động cơ đốt trong, cũng cho thấy cần phải giảm góc phun sớm

để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải

 Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To

hoá thạch như khí thiên nhiên) Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ khímethane gồm methanol, DME hoặc FT diesel [2].

 Dimethyl Ether (DME)

Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiênliệu có thể làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy

do nén nhờ có trị số xêtan cao DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồnkhác nhau như nhiên liệu gốc hoá thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối[2]

 Biodiesel

Trong những năm gần đây, việc quan tâm sử dụng biodiesel thay thếcho diesel khoáng ngày càng được quan tâm Vấn đề ảnh hưởng của việc sửdụng trực tiếp biodiesel đến quá trình phun nhiên liệu, quá trình cháy, cũngnhư đặc tính động cơ, ô nhiễm môi trường và tính kinh tế nhiên liệu đangđược các nhà khoa học quan tâm, và các kết quả đã chỉ ra rằng sự ảnh hưởngnày phụ thuộc vào tính chất hóa học, tính chất vật lý của biodiesel và thông sốđộng cơ, cũng như điều kiện làm việc của động cơ, …

Theo hầu hết các nghiên cứu cho thấy công suất động cơ, mô men động

cơ, phát thải dạng hạt PM, phát thải CO và phát thải HC chưa cháy nhìn chungđều giảm khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng Tuy nhiên phát thải

NOx lại tăng

Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng Do đó, nếu hiệu suất cháynhư nhau thì tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thếdiesel khoáng

học chung là CnH2n+1OH được xem là nhiên liệu phù hợp nhất để sử dụng chođộng cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane cao và tính chất vật lý, hoáhọc tương tự như xăng Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn thể là ethanol (C2H5OH),methanol (CH3OH), butanol (C4H9OH) và propanol (C3H7OH), tất cả đều làchất lỏng không màu, tuy nhiên methanol và butanol đều rất độc, đặc biệt làbutanol Hơn nữa, giá thành sản xuất butanol khá cao so với giá thành sản xuấtethanol và methanol Vì vậy hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả chocác phương tiện giao thông vận tải [2].

1.3 Đặc điểm nhiên liệu ethanol

Với các đặc tính là nguồn nhiên liệu cháy sạch, dễ lưu trữ và vậnchuyển, có ưu thế trong tiềm năng sản xuất và cung cấp, việc sử dụng ethanollàm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ cho tính kinh tế và tính hiệu quả cao,góp phần thay thế một phần nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt

và giảm phát thải ô nhiễm môi trường Do đó, sau đây sẽ tìm hiểu và nghiêncứu kỹ hơn về ethanol và việc sử dụng ethanol trên động cơ diesel

1.3.1 Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol

 Tính chất vật lý của

ethanol

Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu vàđặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), dễ bayhơi (sôi ở nhiệt độ 78,39 oC), hóa rắn ở -114,15 oC, tan trong nước vô hạn, tantrong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa cómàu xanh da trời (Bảng 1.1 [9], [10]) Sở dĩ ethanol tan vô hạn trong nước và

có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có cùng số cácbon là

do có sự tạo thành liên kết hyđrô giữa các phân tử với nhau và với nước [2]

Bảng 1.1 Tính chất của ethanol

1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O

2 Phân tử gam 46,07 [g/mol]

3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt, dễ cháy

4 Khối lượng riêng tại 20oC 0,789 [g/cm3]

Mức 1: Oxy hóa không hoàn toàn trong môi trường nhiệt độ cao

CH3-CH2-OH + CuO  CH3-CHO + Cu + H2O Mức 2: Oxy hóa bằng oxy không khí có xúc tác tạo axit hữu cơ

CH3-CH2-OH + O2  CH3-COOH + H2OMức 3: Oxy hóa hoàn toàn

C2H5OH + 3O2  2CO2 + 3H2O

1.3.2 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam

 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới

Dùng ethanol thay dầu diesel sẽ góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường

từ khí thải động cơ diesel: các chỉ số HC, CO, độ khói đen đều thấp hơn so vớikhi dùng dầu diesel Sở dĩ như vậy là do trong phần tử ethanol có thành phầncácbon ít hơn với dầu diesel và có sẵn oxy nên nên dễ đốt cháy cácbon hơn.Tuy nhiên, do tính chất của ethanol khác với tính chất của nhiên liệu dùng chođộng cơ diesel như: trị số xêtan và độ nhớt thấp, không thể đốt cháy ethanolbằng phương pháp tự bốc cháy trong động cơ diesel Vì vậy sử dụng ethanoltrên động cơ diesel gặp nhiều khó khăn hơn so với động cơ đánh lửa cưỡngbức

[2]

Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn nhất thế giới,chiếm khoảng 86,25% toàn bộ lượng ethanol sản xuất toàn cầu (Hình 1.1).Nguyên liệu chính để sản xuất ethanol tại Mỹ là ngô, trong khi tại Brazil thìmía là nguồn cung cấp chính [1], [2]

Hình 1.1 Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015

 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam

Hiện nay tại Việt Nam, nhiên liệu xăng và diesel vẫn là hai loại nhiênliệu chính của ngành giao thông vận tải (GTVT) Việc sản xuất và sử dụngnhiên liệu thay thế là chưa nhiều, hầu hết ở quy mô nhỏ lẻ Năm 2007, thủ

tướng chính phủ ra quyết định số 177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát triển

nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” Mục tiêu đến năm 2015,

sản xuất được 250 nghìn tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng 1% nhu cầu nhiênliệu; và tầm nhìn 2025 là 1,8 triệu tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng được 5%nhu cầu nhiên liệu Cùng với đó là những khuyến khích về tài chính như trợgiá, miễn thuế cho các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnhvực năng lượng tái tạo [1], [2]

Việt Nam là một nước nông nghiệp, có tiềm năng lớn để phát triểnnhiên liệu sinh học, đặc biệt là ethanol Một số nhà máy sản xuất ethanol đã đivào hoạt động như nhà máy cồn Đại Lộc (Quảng Nam) với sản lượng khoảng125

triệu lít/năm; nhà máy cồn Cát Lái (TP Hồ Chí Minh) với sản lượng 40 triệulít/năm Ba nhà máy cồn của công ty dầu Việt Nam (PV Oil) đang được xâydựng với sản lượng ước tính là 125 triệu lít/năm Nhà máy bắt đầu vào hoạtđộng vào cuối năm 2012, đầu năm 2013 Nguyên liệu chính được sử dụng làsắn Tuy nhiên, do nhu cầu ở Việt Nam chưa lớn, nên hầu hết các nhà máykhông hoạt động hết công suất Trong năm 2010, tổng sản lượng ethanol sảnxuất được của cả nước ước tính khoảng 150 triệu lít [2].

Bắt đầu từ tháng 8 năm 2010, xăng sinh học E5 đã bắt đầu được bán ở

22 cây xăng (12 cây xăng của PV Oil và 10 cây xăng do PETEC quản lý) ởcác địa phương như TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, Bà Rịa-Vũng Tàu, Hải Phòng,Hải Dương

Lộ trình thực hiện tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệutruyền thống được thể hiện theo quyết định số 53/2012/QĐ-TTg cụ thể nhưsau: từ ngày 01 tháng 12 năm 2014 xăng E5 được sản xuất, phối chế, kinhdoanh, từ ngày 01 tháng 12 năm 2016, xăng E10 được sản xuất, phối chế,kinh doanh Trong thời gian chưa thực hiện áp dụng tỷ lệ phối trộn theo lộtrình, khuyến khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế và kinh doanhxăng E5, E10 và diesel B5 và B10

Hiện tại, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500triệu USD, tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm, tập trung chủ yếu tại MiềnTrung - Tây Nguyên và Miền Nam Việt Nam Thiết bị của các nhà máy nàyđều được xây dựng sau năm 2007 và được đầu tư thiết bị mới 100%, xuất xứChâu Á và G7 Trình độ tự động hóa đạt trên 85% Hiện tại, chỉ có 04/07 Nhàmáy có khả năng sản xuất được E100 Nếu bốn nhà máy này hoạt động đạt80% công suất thiết kế sẽ cung cấp ra thị trường 320000 m3 E100/năm, dư đủcho nhu cầu pha xăng E5 - E10 theo lộ trình của Chính phủ

1.4 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong

1.4.1 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng

 Tình hình nghiên cứu trong nước

Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ xăng,

trong đó có thể kể đến nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu

xăng pha ethanol E5 và E10 đến tính năng và phát thải độc hại của xe máy và

xe con đang lưu hành ở Việt Nam” với nhiên liệu E5 (5% ethanol, 95% xăng

Mogas92) và E10 (10% ethanol, 90% xăng Mogas92) đối chứng với xăngMogas92 Động cơ ô tô thực nghiệm là Ford Laser Ghia 1.8 và động cơ xemáy là HonDa Super Dream 100cc Theo nghiên cứu này hỗn hợp xăng-ethanol được hòa trộn sẵn và có ưu điểm là không phải thay đổi về kết cấuđộng cơ

Kết quả cho thấy công suất động cơ ô tô tăng khi tỷ lệ ethanol thay thếtăng Suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ ô tô tại tốc độ bình thường trongtrường hợp có ethanol ít hơn khi dùng xăng Mogas92

Về các thành phần phát thải, nghiên cứu cũng cho thấy phát thải COgiảm khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế Phát thải HC cũng ít hơn khi tăng tỷ lệethanol thay thế, đặc biệt tại tốc độ cao Phát thải NOx tăng khi tăng tỷ lệethanol thay thế còn phát thải CO2 tăng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế, đặcbiệt tại tốc độ

cao

Cụ thể khi sử dụng xăng E5 và E10 cho động cơ xe máy và động cơ ô

tô, công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu được cải thiện tương ứng6,5% và

6,37% cho động cơ xe máy, cải thiện tương ứng 6,36% và 5,18% cho động cơ

ô tô khi so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92

Phát thải CO và HC giảm đáng kể lần lượt là 33,74% và 18,62% đối vớiđộng cơ ô tô, 16,06% và 21% đối với động cơ xe máy Trong khí đó, phát thải

NOx và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 đều tăng lên 21,58% và 3,79% đối vớiđộng cơ ô tô, tăng 31,67% và 11,64% đối với động cơ xe máy.

Bên cạnh đó trong nội dung luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Hữu

Truyền (2014) với đề tài “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học

bio-ethanol sử dụng trên động cơ xăng”, theo nghiên cứu này hỗn hợp

xăng-ethanol cũng được hòa trộn sẵn và có ưu điểm là không phải thay đổi về kếtcấu động cơ Cho thấy, khi sử dụng nhiên liệu E10, E15 và E20 kết quả đocông suất và tỷ lệ cải thiện công suất xe Lanos so với trường hợp sử dụngxăng RON92 tại tay số IV và V cho thấy xét trên toàn dải tốc độ, xe chạy vớinhiên liệu E10 cho công suất tương đương nhiên liệu RON92, tuy nhiên ở tốc

độ thấp công suất E10 nhỏ hơn RON92, nhưng ở tốc độ cao E10 cho công suấtlớn hơn Suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E10, E15, E20 lớn hơn

so với trường hợp sử dụng xăng RON92 Phát thải xe Lanos tại tay số V chothấy đối với xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử, tính trung bình trên toàndải tốc độ thử nghiệm, phát thải CO, HC được cải thiện đối với nhiên liệuE10, tương ứng với nó là mức phát thải NOx và CO2 tăng lên Tuy nhiên vớixăng E15 và E20, CO vẫn giảm nhưng HC có xu hướng tăng lên

Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số IV và tay số V đối với động

cơ ô tô sử dụng bộ chế hòa khí, công suất của động cơ tăng lên khi sử dụngxăng sinh học E10, E15 và E20 Công suất cao nhất của động cơ đạt được đốivới nhiên liệu E15, tiếp sau đó là E10 Suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụngxăng sinh học E10, E15 và E20 được cải thiện đáng kể so với xăng RON92.Phát thải CO, HC cải thiện, sự cải thiện các thành phần phát thải CO và HCcàng lớn khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học

 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Hsieh và các cộng sự [21] đã nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính động

cơ và phát thải của động cơ xăng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanolhòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5%, 10%, 20% và 30% Kếtquả chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế thì nhiệt trị của hỗn hợp giảm và

trị số octane của hỗn hợp nhiên liệu tăng Động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệugasoline-ethanol hòa trộn sẵn thì mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăngkhông đáng kể.

Abdel-Rahman và các cộng sự [22] đã thực nghiệm trên động cơ có tỷ

số nén thay đổi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn có tỷ

lệ ethanol thay thế tới 40% Công suất động cơ tăng lên khi tăng tỷ lệ ethanolthay thế đến 10% tại tỷ số nén động cơ bằng 10:1 Tỷ số nén tốt nhất là 10,

11, 12 tương ứng với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 20%, 30% và 40%,đồng thời công suất chỉ thị của động cơ đạt lớn nhất

Nghiên cứu thực nghiệm của Al-Hasan [23] về ảnh hưởng của việc sửdụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn đến tính năng kỹ thuật

và phát thải của động cơ xăng Kết quả chỉ ra rằng khi có ethanol thì làm tăngcông suất có ích, hiệu suất nhiệt có ích, hiệu suất nạp và tiêu hao nhiên liệutương ứng lần lượt là 8,3%; 9,0%; 7,0% và 5,7% Kết quả tốt nhất của tínhnăng kỹ thuật và phát thải của động cơ đạt được tương ứng với tỷ lệ ethanolthay thế bằng 20%

Wu và các công sự [24] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ không khí nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ xăng sửdụng lưỡng nhiên liệu gasoline- ethanol hòa trộn sẵn Kết quả cho thấy mômen tăng không đáng kể khi độ mở bướm ga nhỏ và phát thải CO, HC giảmkhi tăng tỷ lệ ethanol thay thế Đồng thời phát thải CO2 trên một đơn vị côngsuất động cơ là tương tự hoặc ít hơn so với khi sử dụng nhiên liệu gốc

-Yucesu và các cộng sự [25] đã nghiên cứu so sánh giữa tính toán vàphân tích thực nghiệm về đặc tính kỹ thuật của động cơ xăng khi sử dụnghỗn hợp lưỡng nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn Nhóm tác giả đãthực nghiệm động cơ sử dụng hỗn hợp gasoline - ethanol với các tỷ lệethanol thay thế là

10%, 20%, 40% và 60% trên động cơ xăng bốn kỳ, một xy lanh Khi thực

nghiệm được tiến hành bằng cách thay đổi góc đánh lửa sớm có ảnh hưởngđến tỷ lệ A/F và tỷ số nén tại tốc độ động cơ bằng 2000 [vg/ph] khi bướm ga

mở hoàn toàn Kết quả cho thấy mô men động cơ lớn hơn so với trường hợp

sử dụng gasoline nguyên bản trong toàn dải tốc độ động cơ, phát thải HC giảmđáng kể, đồng thời động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline - ethanol hòatrộn sẵn có thể dùng tỷ số nén lớn hơn mà không bị kích nổ

Mustafa Koç và các cộng sự [26] đã nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng củahỗn hợp nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn đến tính năng kỹ thuật vàphát thải của động cơ xăng Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp gasoline - ethanolhòa trộn sẵn với các tỷ lệ ethanol thay thế là 0%, 50% và 85% Động cơ thựcnghiệm là động cơ xăng, một xy lanh, bốn kỳ với hai tỷ số nén lần lượt là 10

và 11 Tốc độ động cơ thay đổi trong khoảng 1500 ÷ 5000 [vg/ph] Kết quảnghiên cứu cho thấy mô men, công suất động cơ tăng, các thành phần phát thải

CO, NOx và HC đều giảm, đồng thời khi sử dụng lưỡng nhiên liệu gasoline ethanol hòa trộn sẵn nên tăng tỷ số nén của động cơ để không xảy ra kích nổ

-Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy khi sử dụng nhiên liệugasoline - ethanol ở dạng hòa trộn trước đều cho thấy cải thiện được công suất

và mô men động cơ, đồng thời giảm các thành phần phải thải như CO, HC và

NOx.

1.4.2 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel

 Tình hình nghiên cứu trong

nước

Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế tiềm năng cho cả động cơ xăng

và động cơ diesel, đồng thời có khả năng cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật

và phát thải của động cơ Điển hình gồm các nghiên cứu sau:

Nghiên cứu đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ dieselkhi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lầnlượt là 5% và 10% [27] Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên

liệu thay đổi không đáng kể, phát thải HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx

tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc

Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đếncác chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ được tác giả Lê Danh Quang thực

hiện trong luận án tiến sĩ (2014) "Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu

sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ" cho thấy:

Khi thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-D đến tính năngkinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel D243, kết quả là ở thời điểm 0 giờ mômen động cơ tăng trung bình 5,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng2,5%, các thành phần phát thải đều giảm, cụ thể: CO: 3,5%; HC: 6,6%; NOx:5,5%; CO2: 0,86% và PM: 3,3% khi so sánh với trường hợp không sử dụngphụ gia Kết quả thử nghiệm mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu vànhiệt độ khí xả của động cơ tại các thời điểm 50 giờ và 100 giờ chạy ổn địnhkhông thay đổi nhiều so với thời điểm 0 giờ Sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổnđịnh với nhiên liệu D5 có phụ gia VPI-D, lượng phát thải được cải thiện Cụthể, sau 50 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn sovới thời điểm 0 giờ lần lượt là 3,9%, 14,7%, 3,6%, 1,2% và 4,3; sau 100 giờchạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0giờ lần lượt là 5%, 16,3%,

8,4%, 2,2% và 6%

 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Có một vài công nghệ có thể ứng dụng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệuethanol:

+ Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn;

+ Ethanol phun trực tiếp;

+ Ethanol phun trên đường ống nạp

* Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn

E.A Ajav và các cộng sự [28] đã nghiên cứu thực nghiệm một số thông

số hiệu suất của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộnsẵn tại tốc độ động cơ không đổi Trong nghiên cứu sử dụng động cơ TV110,một xy lanh, làm mát bằng dung dịch Kết quả cho thấy công suất lớn nhất củađộng cơ diesel nguyên bản đạt 10,71 [ml] tại tốc độ 1475 [vg/ph], công suấtlớn nhất đạt lần lượt là 10,66; 10,63; 10,51; 10,39 [ml] tương ứng với các tỷ

lệ ethanol thay thế lần lượt là 5%; 10%; 15% và 20% Như vậy, có thể coicông suất động cơ giảm không đáng kể khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanolhòa trộn sẵn với tỷ lệ thay thế có thể đạt đến 20% so với động cơ dieselnguyên bản

Theo nghiên cứu của Eugene EE và các cộng sự [29] thì động cơ cầnmột số điều chỉnh nhỏ như thay đổi thời điểm phun và lượng phun để động cơgiữ được công suất cực đại, mức độ điều chỉnh nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ

lệ ethanol trong nhiên liệu và phụ thuộc vào ảnh hưởng của ethanol đến quátrình

cháy

Theo nghiên cứu của Alan C Hansen và các cộng sự [30] thì ethanolkhan có thể hòa trộn với nhiên liệu diesel, tuy nhiên do ethanol có tính hútnước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bịphân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ.Theo nghiên cứu của Murayama T và các cộng sự [31] cho biết, khả năng hòatan của hỗn hợp diesel - ethanol phụ thuộc vào tỷ lệ hòa trộn, nhiệt độ, hàmlượng nước, nồng độ chất phụ gia và trọng lượng riêng của nhiên liệu diesel

So với các loại nhiên liệu diesel thông thường, các loại nhiên liệu pha trộn chohiệu suất nhiệt tốt hơn, độ khói giảm, và phát thải HC, NOx, CO giảm

Do ethanol có tính chất cơ lý khác với nhiên liệu diesel nên khi thêmethanol vào diesel sẽ làm thay đổi tính chất cơ lý của nhiên liệu gốc như làm

giảm mạnh trị số cetan cũng như độ nhớt và nhiệt trị của hỗn hợp Với lý do

này động cơ sẽ khó khởi động lạnh, hiện tượng rò rỉ nhiên liệu tăng lên đồngthời chiều dày màng dập lửa tăng do nhiệt hóa hơi của ethanol cao.

Weidmann và các cộng sự [32] đã tiến hành đo đặc tính của động cơdiesel bốn xy lanh Volkswagen sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha ethanol,kết quả cho thấy HC, CO và andehit trong khí thải tăng lên, tuy nhiên NOx và

độ khói giảm so với chạy nhiên liệu diesel

Czerwinski và các cộng sự [33] đã xây dựng đặc tính của động cơ dieselbốn xy lanh phun trực tiếp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30% thể tíchethanol và 15% thể tích dầu hạt cải Kết quả cho thấy khi thêm ethanol sẽ làmcho nhiệt độ cháy giảm, tất cả chất độc hại trong khí thải giảm ở toàn tải, tuynhiên lượng CO và HC tăng tại tải nhỏ và tốc độ thấp

Qua việc phân tích các công trình đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợpdiesel- ethanol hòa trộn sẵn cho thấy ưu điểm của phương pháp này là khôngphải thay đổi kết cấu động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượngphun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol thay thế để đảm bảo giữ được mô men vàcông suất động cơ Tuy nhiên phương pháp này không tối ưu được tỷ lệethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol có tính hútnước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bịphân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữgây khó khăn trong quá trình sử dụng

* Ethanol phun trực tiếp

Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng mộtđộng cơ, trong đó ethanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháybằng nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phuncủa ethanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất.Theo nghiên cứu của Savage LD [34], phương pháp này cho phép tỷ lệethanol lên tới 90% trong điều kiện lý tưởng Công nghệ này còn tạo ra quátrình cháy êm

dịu, độ mờ khói và khí thải rất thấp Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vàothực tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phunethanol cao áp.

* Ethanol phun trên đường ống nạp

Phương pháp thứ ba là ethanol hòa trộn với không khí nạp trước khi đivào xy lanh động cơ Theo phương pháp này M.Abu-Qudais và các cộng sự[35] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai trường hợp phun ethanol trên đườngống nạp và diesel - ethanol hòa trộn sẵn đến đặc tính và phát thải của động cơdiesel một xy lanh, bốn kỳ, làm mát bằng dung dịch

Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% và 5,4%trên toàn dải tốc độ lần lượt trong hai trường hợp: phun ethanol trên đườngống nạp và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn Về phát thải cho thấy CO,

HC đều tăng trong khi độ khói và soot giảm so với khi sử dụng nhiên liệudiesel nguyên bản Tỷ lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20% và 15%trong lần lượt hai trường hợp phun ethanol và hỗn hợp diesel - ethanol hòatrộn sẵn

Từ các kết quả trên, cho thấy khi sử dụng ethanol làm nhiên liệu thaythế với tỷ lệ thay thế 20% trong các trường hợp thì phát thải CO, HC tăng vàphát thải độ khói và soot đều giảm Phát thải CO và HC tăng dẫn đến tỷ lệethanol có thể sử dụng bị giới hạn Ngoài ra, sử dụng phương pháp phunethanol gián tiếp trên đường ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ ápdụng Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng đượcnhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phunvào nó

Ogawa H và cộng sự [36] đã tiến hành thiết lập đặc tính của động cơdiesel một xy lanh 0,83 dm3 phun trực tiếp sử dụng hai hệ thống nhiên liệu,bao gồm hệ thống phun diesel Common - Rail (CR) và hệ thống phun ethanoltrên đường ống nạp, đồng thời sử dụng phương pháp luân hồi khí thải EGR

Kết quả cho thấy với 20% ethanol và lượng oxy trong khí nạp giảm 15%, độkhói và

NOx đều giảm trên toàn bộ dải làm việc của động cơ Nếu kết hợp tốt giữaviệc phối trộn ethanol và EGR thì có thể cho phép độ khói bằng không đồngthời hàm lượng NOx giảm mạnh Kết quả còn cho thấy cần phải giảm tỷ sốnén nhằm đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol đồng thời loại bỏhiện tượng mất lửa và gõ trong xy lanh.

Ngoài ra có thể kể đến Volpato và cộng sự [37] đã nghiên cứu điềukhiển động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơnông nghiệp MWM MS-4001P sử dụng bơm phân phối piston hướng kính,ethanol được phun vào đường ống nạp, trong đó nhiên liệu diesel được phunvào buồng cháy của động cơ ở dạng phun mồi nhằm kích hoạt nhiên liệuethanol cháy chính Kết quả cho thấy công suất và mô men động cơ vẫn đảmbảo mặc dù tỷ lệ ethanol thay thế từ 60 ÷ 85% tại chế độ tải 100%

Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phunethanol trên đường ống nạp có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hòa khíhoặc sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp phun trước xupáp nạp Mặc dùphương pháp này phải cần hai hệ thống nhiên liệu và điều khiển độc lập, làmtăng mức độ phức tạp trong quá trình điều khiển, tuy nhiên phương pháp nàygiải quyết được các nhược điểm của hai phương pháp trên, và có các ưu điểmnhư sau:

- Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được

đặt ở trên đường ống nạp.

- Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp;

- Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng;

- Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ không khí nạp nạp vào động cơ;

- Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ.

1.5 Kết luận chương 1

Qua nghiên cứu tổng quan ở trên rút ra một số nhận xét sau:

- Việc sử dụng nhiên liệu ethanol nói riêng và nhiên liệu alcohol nóichung cho động cơ đánh lửa cưỡng bức đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ, chi tiết

và thu được nhiều kết quả triển vọng khi sử dụng nhiên liệu cồn thay thế choxăng khoáng

- Sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn có thể nâng cao hiệusuất động cơ, giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường, góp phần đảm bảo anninh năng lượng và nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp

- Việc nghiên cứu sử dụng alcohol cho động cơ diesel đang ngày càngđược quan tâm, trong đó việc hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu

có 2 phương pháp nổi bật là hòa trộn diesel - alcohol sẵn trước khi phun vào xilanh và phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp của động cơ

- Trên cơ sở phân tích các phương pháp hình thành lên chế độ vận hànhđộng cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol, trong nội dung luận văn tác giả sửdụng phương pháp hòa trộn diesel - alcohol trước trước khi phun vào xi lanh

do đơn giản, không phải thay đổi kết cấu động cơ và quan trọng là thuận tiệnxây dựng mô hình mô phỏng động cơ theo các chu trình lái bằng phần mềmGT-Suite

CHƯƠNG 2 THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ

VÀ CÁC CHU TRÌNH THỬ NGHIỆM 2.1 Các thành phần độc hại chính trong khí thải động cơ

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ôxy hóa nhiên liệu,giải phóng nhiệt năng, diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chếhết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số Trong quá trình cháysinh ra các hợp chất trung gian rất phức tạp Sản phẩm cuối cùng của quá trìnhcháy gọi là sản phẩm cháy

Quá trình ôxy hóa nhiên liệu sẽ tạo ra các hợp chất khác nhau trong khíthải động cơ Các thành phần chính trong khí thải động cơ là: CO, CO2, NOx,THC, Anđêhít, thành phần dạng hạt (PM), hợp chất chứa lưu huỳnh

 Ôxít cacbon (Monoxide carbon - CO)

Monoxide carbon (CO) là sản phẩm cháy của nhiên liệu sinh ra do ôxyhóa không hoàn toàn hyđrô cácbon trong điều kiện thiếu ôxy, CO ở dạng khíkhông màu, không mùi, không vị

CO khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thàmh một hợpchất ngăn cản quá trình hấp thụ ôxy của Hemoglobin trong máu và làm chocác bộ phận của cơ thể bị thiếu ôxy

Theo các nghiên cứu nếu:

- 20% lượng hemoglobin bị khống chế thì sẽ gây nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn;

- 50% lượng hemoglobin bị khống chế thì não bắt đầu bị ảnh hưởng;

- 70% lượng hemoglobin bị khống chế có thể dẫn đến tử vong.

Hàm lượng CO cho phép trong không khí là: [CO] = 33 mg/m3, [2]

 Cácbua hydro (Total Hydrocacbon – THC)

Total hydrocacbon (THC) là các loại HC có trong nhiên liệu hoặc dầubôi trơn không cháy hết có trong khí thải động cơ HC có nhiều loại và mỗiloại có mức độ độc hại khác nhau Các HC có nguồn gốc paraphin hoặcnaphtanin có thể coi là vô hại, trong khi đó các HC thơm (có nhân benzen)thường rất độc, chúng có thể gây ra căn bệnh ung thư HC tồn tại trong khíquyển còn gây ra sương mù gây tác hại cho mắt, niêm mạc và đường hô hấp.Thông thường để đánh giá tiêu chuẩn môi trường thì thường xét tổng lượng

HC mà động cơ phát ra (THC)

 Ôxít nitơ (NO x )

Ôxítnitơ là sản phẩm ôxy hóa N2 có trong không khí (khí nạp mới) ởđiều kiện nhiệt độ cao trên 11000C NOx tồn tại chủ yếu là NO và NO2 trong

đó NO chiếm đại bộ phận NO là khí không mùi và không nguy hiểm nhưng

nó không bền và dễ biến thành NO2 trong điều kiện tự nhiên NO2 là khí cómàu nâu đỏ, có mùi gắt, gây nguy hiểm cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng vớinước tạo ra axít, gây ra mưa axít làm ăn mòn chi tiết máy và đồ vật

Hàm lượng cho phép [NO] = 9 mg/m3, [NO2] = 9 mg/m3, [2]

PM là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí thải động cơ diezel,

nó tồn tại dưới dạng hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3 μm, nên dễxâm nhập vào phổi gây tổn thương tới cơ quan hô hấp và còn có thể gây ungthư do các hydrocacbon thơm bám dính lên nó PM sinh ra do quá trình phânhủy nhiên liệu và dầu bôi trơn, chúng chính là C chưa cháy hết bị bón thànhcác hạt nhỏ