Trên thực tế, DMF từ lâu đã được sử dụng làm dung môi trong ngành nước hoa và dược phẩm. Ngồi ra, DMF có tính chất hóa lý thích hợp để trở thành một loại nhiên liệu thay thế tối ưu. Các tính chất hóa lý của DMF, etanol, n-butanol, xăng và dầu điêzen được liệt kê trong Bảng 1.2. Các tính chất này đã chỉ ra rằng DMF đã khắc phục được những hạn chế của etanol và n-butanol.
Bảng 1.2 So sánh tính chất hóa lý của DMF, cồn và nhiên liệu hóa thạch [20]
Tính chất DMF Etanol 1-butanol Xăng Điêzen
Công thức phân tử C6H8O C2H6O C4H10O Khối lượng phân tử
(g/mol)
96,13 46,07 74,12 100-105
Hàm lượng hydro (%) 8,32 13,02 13,49 Hàm lượng cacbon (%) 75,01 52,2 64,91 Tỷ số A/F 10,72 8,95 11,2 14,7 14,3 Mật độ chất lỏng (kg/m3, 20oC ) 889,7 790,9 810 744,6 820
Ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg từ 25 oC ) 389,1 919,6 707,9 351 270- 301 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 33,7 26,9 33,2 42,9 42,5 Điểm sôi (oC ) 93 77,3 117,25 27-225 180- 370 Độ tan nước (wt%, 20 oC ) 0,26 Có thể trộn 7,7 Không đáng kể Trị số ốctan 119 110 98 90-100 - Trị số xêtan 9 8 25 10-15 40-45 Ứng suất bề mặt (mN/m) 25,9 22,3 24,6 20 Độ nhớt động học (cSt, 20oC ) 0,57 1,5 3,6 0,37-0,44
Từ Bảng 1.2, có thể thấy rằng DMF có nhiệt trị thấp cao hơn dẫn đến việc tiêu thụ ít nhiên liệu so với etanol và n-butanol. Điểm sôi cao hơn của DMF so với etanol có thể giúp hạn chế hiện tượng tắc hơi ở đường nạp. Mặt khác, điểm sôi thấp hơn của DMF so với n-butanol sẽ mang lại lợi ích cho việc khởi động nguội khi nhiệt độ mơi trường thấp. So với etanol và n-butanol, DMF ít hấp thụ nước từ khơng khí dẫn đến chất lượng ít bị suy giảm khi lưu trữ. Do độ nhớt của DMF và xăng khá tương đồng
với nhau nên việc thiết lập áp suất phun của DMF trong hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng được thực hiện một cách dễ dàng, đồng thời cũng có tác dụng bảo vệ các thành phần của hệ thống nhiên liệu động cơ. Trị số ốctan nghiên cứu (RON) của DMF là khoảng 119 [14] cao hơn xăng.
Bảng 1.3 Tính chất hóa lý của DMF tương ứng với các cơng trình nghiên cứu khác nhau
Tính chất DMF[20] DMF[21] DMF[22] DMF[23] DMF[24]
Công thức phân tử C6H8O C6H8O C6H8O C6H8O C6H8O Hàm lượng ôxy (%) 16,67 16,67 16,67 16,67 -
Tỷ lệ A/F 10,72 10,72 10,79 10,79 10,75
Khối lượng riêng (kg/m3, 20oC )
889,7 889,7 889,7 890 888
Ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg từ 25 oC ) 389,1 332 332 333 380,7 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 33,7 32,9 33,7 33,7 33,27 Điểm sôi (oC ) 93 92 92 92-94 93 Độ tan nước (wt%, 20oC ) 0,26 Không tan Không tan - - Trị số ốctan 119 101,3 119 119 101 Nhiệt độ tự cháy (oC) 286 - 286 285.85 -
So với etanol và n-butanol, DMF có rất nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, việc sử dụng DMF trực tiếp trong động cơ vẫn tồn tại một số vấn đề hạn chế như sau:
- DMF có mật độ năng lượng cao hơn etanol và butanol, nhưng thấp hơn
làm nhiên liệu cho động cơ xăng hoặc điêzen đòi hỏi phải tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ, dẫn đến việc hệ thống cung cấp nhiên liệu phải hoạt động với cường độ cao hơn.
- Cấu tạo phân tử của DMF, bao gồm liên kết đơi C=C và vịng enol, có
khả năng sẽ tạo ra một lượng lớn phát thải hạt trong quá trình cháy.
- Cần tiếp tục nghiên cứu độc tính và tác động của DMF đối với môi trường và các sản phẩm cháy của nó [25].
Do DMF là một hợp chất vừa mới được tìm thấy gần đây, nên các tính chất hóa lý của nó vẫn cịn đang được các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu. Tương ứng với mỗi cơng trình nghiên cứu, do có sự khác biệt về phương pháp nghiên cứu, sự khác biệt về trang thiết bị đo đạc và thử nghiệm, điều kiện thực nghiệm khơng đồng nhất… dẫn đến sự sai khác về tính chất hóa lý của DMF. Các khác biệt này được mơ tả trong Bảng 1.3.
1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đốt trong
Mặc dù có nhiều tính chất hóa lý tương đồng với các nhiên liệu truyền thống, nhưng do DMF là một loại nhiên liệu mới và quy trình sản xuất của nó mới được cải thiện trong thời gian gần đây nên để ứng dụng trong thực tế, nhiều cơng trình nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đánh giá ảnh hưởng của DMF đến các tính năng kỹ thuật và phát thải khi sử dụng trên các loại động cơ đốt trong.
1.3.1 Sử dụng DMF nguyên chất trong động cơ xăng
1.3.1.1 Đặc điểm quá trình cháy của động cơ khi sử dụng DMF
Để có thể sử dụng trên các loại động cơ đốt trong, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu đặc điểm quá trình cháy của DMF. Các vấn đề liên quan bao gồm: đặc tính phun, tốc độ lan truyền màng lửa, ảnh hưởng của pha cháy, ảnh hưởng của thời gian phun, ảnh hưởng của tỷ lệ hịa trộn khơng khí-nhiên liệu… đã được nghiên cứu và thảo luận.
Trong số những vấn đề trên, đặc tính phun của nhiên liệu ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của động cơ và q trình phát thải của nó, đặc biệt đối với các loại động cơ phun trực tiếp (DI: direct injection). Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính phun bao gồm áp suất phun, kết cấu kim phun và tính chất của nhiên liệu trong quá trình phun đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và đánh giá. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu và qua đó ảnh hưởng đến quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ. Guohong Tian và các cộng sự [26] đã tiến hành nghiên cứu đặc tính phun của DMF và các hỗn hợp của nó với xăng. Hỗn hợp DMF với xăng được phun bởi một vịi phun cao áp và sau đó được phân tích bởi Hệ thống phân tích hạt pha Doppler (PPDA: Phase Doppler Particle Analyzer). Các vấn đề như chiều dài tia phun, vận tốc hạt và phân bố kích thước hạt của các hỗn hợp nhiên liệu khác nhau được tiến hành phân tích và đánh giá, sau đó các kết quả nghiên cứu được so sánh với xăng và etanol.
Nhóm tác giả cho biết, xăng có chiều dài tia phun ngắn hơn khoảng 10% so với etanol, DMF và D50 (D50 là hỗn hợp bao gồm 50% DMF pha trộn với 50% xăng). Cấu trúc tia phun của tất cả các loại nhiên liệu tương tự như nhau; vận tốc phun của DMF nguyên chất và các hỗn hợp của nó hơi thấp hơn so với xăng, trong đó etanol có vận tốc phun thấp nhất; áp suất phun ảnh hưởng rất lớn đến sự phân bố kích thước hạt trong q trình phun. Khi tăng áp suất phun thì quá trình phun của DMF cũng được cải thiện nhiều hơn so với etanol. Kết quả nghiên cứu cũng đưa ra kết luận rằng, quá trình phun của DMF và các hỗn hợp của nó cho thấy DMF hồn tồn có thể sử dụng trên các loại động cơ đốt trong mà hầu như không cần phải thay đổi hay điều chỉnh kết cấu động cơ.
Tốc độ lan truyền màng lửa là một đặc tính quan trọng khác của nhiên liệu. Nó rất quan trọng trong việc nghiên cứu quá trình cháy của động cơ, và đặc biệt quan trọng trong việc mô phỏng q trình cháy. Đối với các mơ hình nghiên cứu hiện tượng của quá trình cháy, việc xác định đầy đủ các yếu tố động học - hóa học và phản ứng của ngọn lửa là vô cùng cần thiết. Tuy nhiên, do sự phức tạp và bản chất không ổn định của chuyển động rối bên trong buồng cháy, hầu hết các mơ hình mơ phỏng số
đều dựa vào vận tốc lan truyền màng lửa để mô tả, giải thích thay cho các thành phần rối. Trong thực tế, tốc độ lan truyền màng lửa ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ cháy và qua đó ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ. Guohong Tian và các cộng sự [27] cũng đã nghiên cứu về tốc độ lan truyền màng lửa của DMF và so sánh nó với tốc độ lan truyền màng lửa của xăng và etanol. Các thử nghiệm được tiến hành dưới áp suất ban đầu là 0,1MPa và các mức nhiệt độ khác nhau (50oC, 75oC và 100oC).
Hình 1.7 Tốc độ lan truyền màng lửa của các nhiên liệu thử nghiệm (DMF, etanol và xăng) với hệ số dư lượng khơng khí λ = 1, nhiệt độ ban đầu 75oC [28]
Trên Hình 1.7, có thể thấy tốc độ lan truyền màng lửa của etanol là cao nhất. Ngọn lửa hình thành và đo được sau 3ms, và tốc độ tăng tương đối của màng lửa ln được duy trì trong suốt q trình mở rộng. Trong khi đó, ta thấy tốc độ lan truyền màng lửa của DMF và xăng ít có sự khác biệt.
1.3.1.2 Đặc tính làm việc của động cơ
Các nghiên cứu ở trên đã cho thấy DMF có những tính chất tương đồng với xăng và hồn tồn có khả năng thay thế xăng khi sử dụng trên động cơ đốt trong. Tuy nhiên, các thí nghiệm trên được thực hiện trong mơi trường được kiểm sốt, nhưng khi ứng dụng trên động cơ thì chưa phù hợp do nhiệt độ và áp suất cục bộ của nó thay đổi theo chu kỳ. Chính vì thế, bước tiếp theo là phải phân tích các đặc tính của động cơ để tìm hiểu ảnh hưởng sự kết hợp phức tạp của các thông số khác nhau này.
nổ… khi sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đánh lửa, phun nhiên liệu trực tiếp (DISI: Direct Injection Spark Ignition). Kết quả thử nghiệm cho thấy, để cung cấp năng lượng tương đương với 1 lít xăng thì cần đến 1,512 lít etanol và 1,073 lít DMF. Vì tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu của các loại nhiên liệu khơng giống nhau, nên vị trí bướm ga cần phải được điều chỉnh để đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí λ = 1 tại các mức tải khác nhau. Khi tăng ga thì lượng nhiên liệu qua đường nạp tăng và lượng nhiên liệu cần thiết để duy trì hệ số dư lượng khơng khí λ = 1 cũng tăng. Trong 3 loại nhiên liệu tham gia thử nghiệm, etanol có giá trị nhiệt lượng thấp nhất nên mức tiêu hao nhiên liệu cao nhất, trong khi đó mức tiêu hao nhiên liệu của DMF khơng có nhiều khác biệt so với xăng.
Hiệu suất nhiệt chỉ thị của DMF tương tự như xăng, trong khi đó etanol có hiệu suất nhiệt đặc biệt cao. Điều này là do hiệu suất cháy của etanol cao và do thành phần ôxy phân tử (ôxy chiếm 35% khối lượng etanol, cao hơn 18% so với DMF). Hiệu suất nhiệt của etanol không giảm một cách đột ngột như DMF và xăng mà vẫn duy trì ở mức trên 37%.
Hiện tượng kích nổ bắt đầu xuất hiện ở mức tải tương ứng với áp suất chỉ thị trung bình IMEP 5,5 bar (IMEP: Indicated mean effective pressure). DMF cho thấy nó có xu hướng kích nổ ít hơn xăng do chỉ số RON cao hơn. Tuy nhiên, xu hướng kích nổ tăng theo tải, và ở mức tải tương ứng với áp suất chỉ thị trung bình trên 6,5 bar, động cơ bắt đầu mất ổn định. Các thử nghiệm ở mức tải cao hơn không được tiến hành vì sẽ gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho động cơ. Trong số các nhiên liệu thử nghiệm thì etanol khơng xảy ra hiện tượng kích nổ ở bất kỳ mức tải nào.
Ritchie Daniel và các cộng sự [30] cũng đã trình bày cơng trình nghiên cứu về ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến quá trình cháy và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF. Kết quả nghiên cứu cho thấy DMF và etanol đều cần nhiều nhiên liệu hơn xăng để duy trì mức cơng suất cần thiết trên tồn bộ phạm vi tải. Điều này sở dĩ là do xăng có mật độ năng lượng vượt trội so với 2 nhiên liệu cịn lại. Tuy nhiên, so với etanol thì DMF tiêu thụ ít nhiên liệu hơn do nhiệt trị thấp của DMF cao
hơn khoảng 25% (6,8 MJ/kg). Kết quả nghiên cứu này cũng tương đồng với những gì mà Shaohua Zhong và cộng sự đã cơng bố trước đó.
1.3.1.3 Đặc tính phát thải
Trong cơng trình nghiên cứu của mình, Guohong Tian và các cộng sự [28] đã tổng hợp các nghiên cứu trước đó và trình bày những đánh giá khá chi tiết về quá trình cháy và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF. Lượng khí thải của động cơ được tiến hành đo đạc, phân tích và so sánh giữa 3 loại nhiên liệu là DMF, xăng và etanol ở các mức tải khác nhau. Các phát thải thông dụng như NOx, HC, CO, CO2 và phát thải không thông dụng cũng được tiến hành nghiên cứu và đánh giá.
NOx là phát thải được quan tâm hàng đầu trong động cơ. Nó có độc tính cao gấp 20 lần so với CO và là nhân tố chính gây nên hiện tượng sương mù quang hóa. Sự hình thành phát thải NOx chủ yếu xảy ra khi nhiệt độ quá trình cháy cao hơn 1800K và hỗn hợp giàu ôxy. Lượng phát thải chỉ thị của NOx được tính bằng khối lượng phát thải tương ứng với năng lượng phát ra từ động cơ và có đơn vị là g/kWh. Phát thải NOx phụ thuộc vào tải động cơ và thường tăng theo tải. Tương ứng với cùng thời điểm đánh lửa, etanol có lượng phát thải NOx thấp hơn nhiều so với xăng. Nguyên nhân là do etanol có tốc độ cháy tương đối cao hơn xăng và nhiệt độ quá trình cháy thấp hơn. Mặc dù DMF dường như có tốc độ cháy nhanh hơn etanol một chút, nhưng lượng phát thải NOx lại tương đương với xăng do nhiệt độ quá trình cháy của DMF rất cao. Lượng phát thải NOx tương đối cũng có thể quy cho tỷ lệ H/C của nhiên liệu. Etanol có lượng phát thải NOx thấp nhất là do nó có tỷ lệ H/C cao nhất, trong khi đó DMF có lượng phát thải NOx rất cao vì tỷ lệ H/C của nó là thấp nhất. Do đó, ta thấy lượng phát thải NOx tỷ lệ nghịch với tỷ lệ H/C của nhiên liệu.
Etanol có hàm lượng ơxy cao hơn DMF dẫn đến hiệu quả quá trình cháy cao hơn, đồng thời hỗ trợ q trình ơxy hóa các hydrocacbon chưa cháy và vì thế, giúp giảm lượng phát thải HC. Khi tải tăng lên tương ứng với áp suất chỉ thị trung bình từ 3,5 đến 8,5 bar, lượng phát thải HC giảm khoảng 30% đối với tất cả các nhiên liệu. Nguyên nhân là do khi tăng tải, nhiệt độ quá trình cháy sẽ tăng lên và do đó giúp tăng
hiệu suất cháy. Lượng phát thải HC và CO phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng ơxy trong cơng thức phân tử. Chính vì thế, mức phát thải HC của DMF nằm giữa xăng và etanol.
Phát thải CO của các nhiên liệu được mô tả tương tự như phát thải HC, phát thải CO thường giảm khi tăng tải. Xu hướng này ngược lại với quá trình tăng hiệu suất chỉ thị, nghĩa là lượng phát thải CO thấp nhất khi đạt hiệu suất cao nhất. Giữa 2 loại nhiên liệu có chứa ơxy (DMF và etanol), etanol ln tạo ra lượng phát thải CO thấp nhất trong tất cả các điều kiện thử nghiệm. Điều này là do hiệu quả quá trình cháy của etanol là cao nhất và lượng ơxy của nó cũng nhiều nhất.
Mặc dù CO2 là một loại khí khơng độc hại và khơng được phân vào loại khí thải động cơ gây ơ nhiễm, nhưng nó là một trong những chất chịu trách nhiệm chính cho sự nóng lên tồn cầu thơng qua hiệu ứng nhà kính. Do đó, việc đánh giá và so sánh phát thải CO2 của các loại nhiên liệu là cần thiết. Lượng phát thải CO2 giảm khi tăng tải và khi động cơ hoạt động với góc đánh lửa tối ưu. Phát thải CO2 là một dấu hiệu cho thấy sự hồn thiện của q trình cháy. Khi tăng tải động cơ, q trình cháy sẽ hồn thiện hơn, dẫn đến làm tăng hiệu suất của q trình cháy và qua đó làm giảm phát thải CO2.