Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc

Viết thuê đề tài giá rẻ trọn gói - KB Zalo/Tele : 0973.287.149
Luanvanmaster.com – Cần Kham Thảo - Kết bạn Zalo/Tele : 0973.287.149
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
PHẠM HUY THUYẾT
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CHÁY VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG
CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 80520116
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TRƯỞNG KHOA
TS. Nguyễn Trung Kiên
PHÒNG ĐÀO TẠO
Thái Nguyên -

i

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép
tôi 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 và
làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi
hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn
thành 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 thầy
trong 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 bản
thân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự
góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn.
Học viên
ii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................vii
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.......................................................................4
* Ý nghĩa khoa học: .......................................................................................4
* Ý nghĩa thực tiễn:........................................................................................4
4. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................4
5. Phương pháp nghiên cứu...............................................................................4
6. Các nội dung chính trong đề tài ....................................................................5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................6
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường ................................6
1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học ..............................................................7
1.3. Nhiên liệu ethanol ....................................................................................10
1.3.1. Tính chất vật lý của ethanol...............................................................10
1.3.2. Công nghệ sản xuất ethanol...............................................................11
1.3.3. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam.......................14
1.3.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel.............................18
1.4. Kết luận chương 1 ....................................................................................24
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ...25
SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU................................................................25
2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ...................25
2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong ...........................25
2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại...............................................28
iii

2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong...................30
2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol..................................34
2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng..........................................35
2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ..................................36

Lựa chọn mô hình cháy:
36

Lựa chọn mô hình truyền nhiệt:

40
2.4.2. Mô hình đường ống thải.....................................................................42
2.4.3. Mô hình đường ống nạp.....................................................................43
2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng phần mềm GT-Power...............................43
2.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power ........................................43
2.5.2. Các phần tử chính của mô hình động cơ khảo sát.............................45
2.6. Kết luận chương 2 ....................................................................................51
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU...................52
DIESEL - ALCOHOL.....................................................................................52
3.1. Đặt vấn đề.................................................................................................52
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng...................................................................52
3.3. Kết quả mô phỏng ....................................................................................62
3.3.1. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến áp suất môi chất 62
3.3.2. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến nhiệt độ môi chất
64
3.3.3. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến tốc độ tỏa nhiệt . 66
3.3.4. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải CO2 ...67
3.3.5. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải NOx ...69
3.3.6. Ảnh hưởng của lượng phun methanol, ethanol đến phát thải HC.....71
3.4. Kết luận chương 3 ....................................................................................71
KẾT LUẬN CHUNG......................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................75
iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Diễn giải
LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng
CNG Khí nén thiên nhiên
LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng
HVO Dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa
BTL Sinh khối hóa lỏng
m Thống số đặc trưng cháy
x Quy luật cháy
dx/d Tốc độ cháy
mnl Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, [kg/ct]
QH Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol............................................................10
Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel, methanol và ethanol . 52
Bảng 3.2. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình ..........53
Bảng 3.3. Các phần tử chính của mô hình động cơ V12 ................................55
Bảng 3.4. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 ..............57
Bảng 3.5. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất .............58
theo đặc tính ngoài động cơ V12 ....................................................................58
Bảng 3.6. Lượng phun diesel, methanol và ethanol........................................61
theo với các mức năng lượng chia sẻ với diesel khoáng.................................61
vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ lúa mì và xi-rô đường............................12
Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza ...............................................13
Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế.......................................................30
Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol, [1]........................35
Hình 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán ................42
theo phương trình của Woschni và Hohenberg...............................................42
Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh........................45
Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu.........................................................46
cho phần tử cơ cấu phân phối khí....................................................................46
Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun......................47
Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ .. 48
Hình 2.8. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống ..................49
Hình 2.9. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia ...........50
Hình 3.1. Mô hình động cơ V12 .....................................................................55
Hình 3.2. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu............................59
của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài của động cơ V12 ..................................59
Hình 3.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun alcohol.........60
vào đường nạp của động cơ.............................................................................60
Hình 3.4. Mô hình cụm đường ống nạp động cơ V12 khi thiếp lập mô hình
chạy lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol............................................................60
Hình 3.5. Lượng phun methanol, ethanol vào đường nạp ..............................61
Hình 3.6. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ lưỡng
nhiên liệu diesel – methanol............................................................................62
Hình 3.7. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ lưỡng
nhiên liệu diesel – ethanol...............................................................................63
Hình 3.8. Áp suất cực đại (a) và tốc độ tăng áp suất trung bình.....................63
của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol................................................63
Hình 3.9. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ ..........64
lưỡng nhiên liệu diesel – methanol .................................................................64
vii

Hình 3.10. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........65
lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol ....................................................................65
Hình 3.11. Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ ...........65
lưỡng nhiên liệu diesel – alcohol ....................................................................65
Hình 3.12. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ .........................................66
Hình 3.13. Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ .........................................67
Hình 3.14. Đặc tính phát thải CO2 động cơ....................................................68
Hình 3.17. Đặc tính phát thải NOx động cơ....................................................70
lưỡng nhiên liệu diesel - methanol..................................................................70
Hình 3.18. Đặc tính phát thải NOx động cơ....................................................70
Hình 3.19. Đặc tính phát thải HC động cơ......................................................71
viii

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Mặc dù hiện nay có rất nhiều loại động cơ được sử dụng để làm nguồn
động lực như động cơ tua-bin khí, động cơ tua-bin hơi, động cơ phản lực, động
cơ điện nhưng động cơ đốt trong kiểu pít tông vẫn được sử dụng rộng rãi nhất
với số lượng lớn nhất trong mọi lĩnh vực: giao thông vận tải (đường sắt, đường
bộ, đường thủy), nông nghiệp, lâm nghiệp, công nghiệp... Tổng công suất của
động cơ đốt trong tạo ra chiếm khoảng 90% công suất của toàn bộ thiết bị động
lực (nhiệt năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời).
Trong số các chất gây ô nhiễm không khí nói chung, khí thải từ các
phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB) chiếm một tỷ trọng đáng kể. Ngoài
những ưu điểm không thể phủ nhận, trong quá trình hoạt động động cơ đốt trong
(ĐCĐT) cũng gây ra những tác động xấu đến sức khỏe con người và môi trường
sinh thái. Con người đã nhận thức rõ và ngày càng có những biện pháp cương
quyết hơn nhằm hạn chế tác động tiêu cực của ĐCĐT. Thời gian gần đây, chính
phủ các nước đã đưa ra những chính sách khác nhau nhằm kiểm soát
ô nhiễm của các PTCGĐB. Chính những tiêu chuẩn về môi trường sẽ là một
trong những yếu tố mạnh nhất tác động đến sự phát triển của ĐCĐT trong tương
lai. Điều này cũng đặt ra yêu cầu cấp thiết đối với các nhà chuyên môn là phải
nghiên cứu tìm ra những giải pháp phù hợp nhằm hạn chế tác động tiêu cực của
ĐCĐT trong khi vẫn duy trì được những ưu điểm của chúng. Một trong
những giải pháp phù hợp hiện nay là sử dụng các nhiên liệu thay thế cho
nhiên liệu truyền thống xăng hoặc diesel.
Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang
là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào
nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động tới
môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy do nén
1

(động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp,
giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy
nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con người
và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chấy 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 phát sinh 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, do bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao.
Trong các loại nhiên 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 là những 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 thiện đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải. Tuy nhiên, do
số Cetane thấp và nhiệt ẩn bay hơi cao cũng như vấn đề hòa trộn làm cản trở
việc sử dụng các alcohol 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 bon trở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so
với nhiên liệu alcohol hàm lượng các bon thấp do chúng có số Cetane và nhiệt
trị cao hơn cũng như khả năng hòa trộn tốt hơn.
Nhiên liệu alcohol có thể được sử dụng với nhiên liệu diesel bằng nhiều
cách khác nhau, trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn
cồn - diesel được sử dụng phổ biến hơn cả. Trong phương pháp pha trộn cồn -
diesel, nhiên liệu alcohol được pha trộn trước với nhiên liệu diesel với tỷ lệ nhất
định trước khi phun vào trong xi lanh động cơ. Để nâng cao tính ổn định của hỗn
hợp cồn - diesel cần thiết phải sử dụng thêm chất phụ gia, chính điều
2

này làm giới hạn lượng alcohol pha trộn với nhiên liệu diesel. Phương pháp
phun hơn cồn vào đường nạp có nhiều ưu điểm hơn tuy nhiên cần có một số
điều chỉnh nhỏ từ động cơ cơ sở như bố trí thêm một vòi phun nhiên liệu thấp
áp, thùng nhiên liệu alcohol, đường ống và bộ điều khiển vòi phun nhiên liệu
alcohol. Tuy nhiên phương pháp này đạt được nhiều kết quả mong muốn hơn,
như hiệu suất của động cơ tốt hơn, hàm lượng nhiên liệu alcohol có thể sử
dụng cao hơn, giảm đáng kể các chất ô nhiễm đặc biệt là oxit ni tơ (NOx) và
chất ô nhiễm dạng hạt PM.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ cồn đến hiệu
suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ diesel, tuy nhiên các công
trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu trong khi các thuật toán cùng mô
phỏng số không được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy, nghiên cứu đặc tính cháy
và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết nhằm từng
bước làm chủ công nghệ. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel” làm
đề tài luận văn cao học của mình.
2. Mục đích của đề tài
- Xây dựng được mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo
phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp (alcohol fumigation) bằng phần
mềm mô phỏng động cơ chuyên dụng 1D GT-Power.
- Xác định được lượng phun tối ưu alcohol (methanol và ethanol) ứng
với chế độ tính toán.
- Đánh giá được ảnh hưởng của lượng phun methanol và ethanol vào
đường nạp của động cơ đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và phát thải.
- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị.
3

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Luận văn đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và
cháy của loại động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel trong động cơ cháy do nén
thông qua mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power. Từ
mô hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của lượng phun alcohol khác nhau
vào đường nạp đến đặc tính cháy, tính kinh tế nhiên liệu và phát thải của động
cơ được khảo sát. Đây là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với thực nghiệm để
từ đó có thể đề xuất kiến nghị sử dụng động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel
cho động cơ cháy do nén (CI - Compression Ignition), do đó có thể giải quyết
được vấn đề nguồn nhiên liệu mới và thân thiện với môi trường cho động cơ
đốt trong.
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Các mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình
đào tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu cồn -
diesel cho động cơ cháy do nén; đặc biệt là phương pháp phun hơi cồn vào
đường nạp động cơ (Alcohol Fumigation).
- Mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu đã xây dựng được có thể sử dụng
làm cơ sở cho các mục đích tương tự.
- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả
thực nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu cồn – diesel (loại
phun hơi cồn vào đường nạp).
4. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ diesel
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: sử dụng phần mềm GT-Power để mô phỏng và
phân tích kết quả.
4

6. Các nội dung chính trong đề tài
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. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên
liệu
- Chương 3. Mô phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol
- Kết luận và kiến nghị
5

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 tô
trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang
phải 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 thể
đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát
hiện 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 về
nhiên liệu ngày càng tăng lên.
Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng
dầu 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
thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40
năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa,
lượng dầu 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 dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập
trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ
lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng
giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang
phát triển như Việt Nam.
Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ
dầu 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.
6

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân
thiện 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 và
ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu
thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong.
1.2. Tổng quan về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình
thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế
xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa
mì, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…),
sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [4]. NLSH dùng
cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Methanol, Ethanol,
Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế
thải, mỡ động vật). Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai,
tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu điểm
chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau:
* Ưu điểm:
+ Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu
ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại
nhiên liệu truyền thống.
+ Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt
động sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào
nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…).
* Nhược điểm:
- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác
lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do
7

đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe
dọa tới an ninh lương thực.
- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó
khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều
kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được.
- Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo
nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose - có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao.
- NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ
bị biến tính phân hủy theo thời gian).
Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các
loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên
liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ [4]:
- NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên
liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột,
đường, mỡ động vật, dầu thực vật,…
- NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH
thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu
tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa
lignocellulose. Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp
đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa.
- NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng
thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5 ÷ 300 lần để sản xuất
biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 ÷ 2 lần trong
một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 ÷ 10 ngày tùy thuộc
vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể.
Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó
8

đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan
tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch.
Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể
tên như sau:
- Bioethanol;
- Biodiesel;
- Methane (biogas);
- Biohydrogen;
- Dimethyl ether (DME).
Trong đó bio-ethanol (gọi tắt là ethanol) được sản xuất và sử dụng rộng
rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc.
Ethanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ
đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiên
trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên
đề xuất việc sử dụng ethanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ
các sản phẩm nông nghiệp. Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là
đất nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ
trên toàn thế giới.
Ethanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp
như ngô, khoai tây, củ cải đường… Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp
như pho mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn
nguyên liệu để chế tạo ra cồn ethanol. Ở Brazil thì ethanol được sản xuất từ bã
mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì ethanol
được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất
rượu vang bị suy giảm. Ngoài ra ethanol còn có thể được sản xuất từ gỗ.
Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanol
được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
9

1.3. Nhiên liệu ethanol
1.3.1. Tính chất vật lý của ethanol
Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn
nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15o
C), sôi ở 78,39o
C, hóa rắn ở -
114,15o
C, tan vô hạn trong nước. Sở dĩ ethanol tan tốt trong nước và có nhiệt
độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo
thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước.
Một số tính chất vật lý thể hiện trong bảng 1.1 [4].
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol
TT Tính chất Giá trị
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 Tỷ trọng 0,789
5 Độ nhớt 1,2 cP ở 20o
C
6 Độ tan trong nước Tan hoàn toàn
7 Nhiệt độ sôi 78,4o
C (351,6 K)
8 Nhiệt độ tan 158,8 K (-114,3 o
C)
9 Điểm tới hạn 514 K
10 pH 7,0 (trung tính)
11 Cp 65,21 J/mol.K
12 Tác động cấp tính
Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm,
ngừng thở trong trường hợp nặng
13 Tác động kinh niên Nghiện, xơ gan
14 Nhiệt độ tự cháy 425 o
C
15 Mật độ giới hạn nổ 3,5 ÷ 15%
10

1.3.2. Công nghệ sản xuất ethanol

Phương pháp hydrat hóa etylen

Cho etylen hợp nước ở 300 0
C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit:
CH2 = CH2 + H2O CH3-CH2-OH
Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các
chất có độ xốp cao như diatomit hay than củi. Chất xúc tác này được công ty
Shell sử dụng để sản xuất ethanol ở mức độ công nghiệp năm 1947.
Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản
ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân
hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại axit:
CH2 = CH2 + H2SO4 CH3-CH2OSO3H
CH3-CH2OSO3H + H2O CH3-CH2-OH + H2SO4
Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có
chứa một số thành phần độc hại như: methanol, denatonium (C21H29N2O,
C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê. Ethanol điều chế theo phương pháp
công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 ÷ 1987 [4].

Công nghệ lên men sản xuất ethanol

Ethanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể
là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.1).
Tinh bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân hủy
thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men. Hạt ngũ cốc
được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân để tạo
đường. Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột
nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một
số chủng men ancol. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung dịch thủy
phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 ÷ 5,0. Ethanol sinh ra trong quá trình
11

lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất
để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanol khan).
Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ lúa mì và xi-rô đường

Công nghệ sinh học sản xuất ethanol từ nguyên liệu xenluloza

Công nghệ sinh học sản xuất ethanol từ xenluloza thể hiện qua quy
trình xử lý thủy phân xenluloza trong đó bao gồm thủy phân nguyên liệu
licnoxenluloza tiền xử lý, sử dụng các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp để
tạo thành đường đơn giản và tiếp theo là quá trình lên men và chưng cất.
Có 6 giai đoạn để sản xuất ethanol từ xenluloza như giới thiệu trên hình
1.2.
- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc
rơm rạ để thủy phân.
- Thủy phân xenluloza (cellulolysis), để bẻ gãy các phân tử để tạo đường.
- Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (phức
polyme thơm).
- Lên men đường.
- Chưng cất để tạo ra ethanol nguyên chất.
- Khử nước để tạo ra ethanol khan với nồng độ lên đến 99,7%.
12

Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza
Quá trình sản xuất ethanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men
tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên
men. Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp
xenluloza là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài
(polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40 ÷ 60% xenluloza và 20 ÷ 40%
hemixenluloza, có cấu trúc tinh thể bền. Hemixenluloza chứa hỗn hợp các
polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn
xenlulo. Nói chung hỗn hợp xenluloza khó hòa tan trong nước. Phức polyme
thơm có trong gỗ là lignin (10 ÷ 25%) không thể lên men vì khó phân hủy
sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác [4].

Các phương pháp làm khan ethanol

Thông thường ethanol sản xuất theo các phương pháp nêu trên thường
có nồng độ ≤ 96% vì vậy để tạo ra ethanol có nồng độ lớn hơn 99% thì chúng
ta phải sử dụng các biện pháp loại nước, hay còn gọi là làm khan. Các phương
pháp làm khan:
13

- Làm khan bằng các chất hút nước: Có thể dùng các chất hút nước
như: Clorua canxi khan, vôi … Tuy nhiên biện pháp này ít hiệu quả.
- Chưng cất phân đoạn: Đó là phương pháp cho thêm một cấu tử vào hỗn
hợp để phá vỡ điểm sôi. Cấu tử thêm là benzen và hỗn hợp lại được chưng cất
phân đoạn lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và
ethanol nhằm loại bỏ ethanol ra khỏi nước và điểm sôi hỗn hợp cấp 2 với
ethanol để loại bỏ phần lớn benzen. Phương pháp này có thể tạo ra ethanol có
độ khan rất cao tuy nhiên vẫn còn một lượng nhỏ benzen còn lại trong ethanol
gây độc hại. Do vậy phương này chỉ ứng dụng để tạo ethanol làm nhiên liệu
(ví dụ như pha vào xăng) mà không được sử dụng cho thực phẩm.
- Sử dụng rây phân tử: Rây phân tử là vật liệu xốp, sử dụng để hấp thụ
chọn lọc nước từ dung dịch 96% ethanol. Có thể sử dụng zeolit dạng viên
hoặc bột yến mạch tuy nhiên zeolit có giá trị hơn do khả năng hấp phụ chọn
lọc cao, lại tái sinh được. Số lần sử dụng zeolit không hạn chế do có thể tái
tạo bằng cách làm khô với luồng khí CO2 nóng. Ethanol tinh khiết sản xuất
theo phương pháp này sẽ không chứa benzen do vậy ethanol tinh khiết loại
này có thể sử dụng trong thực phẩm, y học và mỹ phẩm.
- Sử dụng chất phụ gia: Hiện nay có một xu hướng sử dụng ethanol nồng
độ thấp 92% làm nhiên liệu. Đối với ethanol dạng này yêu cầu phải có phụ gia
có vai trò xúc tiến quá trình hòa trộn giữa xăng và ethanol đồng thời nó ngăn
ngừa sự tách pha của nước trong hỗn hợp cũng như ngăn cản quá trình hấp thụ
hơi nước từ khí quyển trong quá trình bảo quản sử dụng. Phụ gia thường dùng là
các loại ancol có phân tử lớn như ancol isopropylic, isobutyric.
1.3.3. 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 với
14

khi dùng dầu diesel. Sở dĩ như vậy là do trong phần tử ethanol có thành phần
cácbon ít hơn với dầu diesel và có sẵn oxy nên dễ đốt cháy cácbon hơn. Tuy
nhiên, do tính chất của ethanol khác với tính chất của nhiên liệu dùng cho động
cơ diesel như: trị số xêtan và độ nhớt thấp, không thể đốt cháy ethanol bằng
phương pháp tự bốc cháy trong động cơ diesel. Vì vậy sử dụng ethanol trên động
cơ diesel gặp nhiều khó khăn hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng bức [4].
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 [1, 4]. Nguyên
liệu chính để sản xuất ethanol tại Mỹ là ngô, trong khi tại Brazil thì mía là
nguồn cung cấp chính.
Brazil là nước đi đầu với chương trình quốc gia ủng hộ cồn từ năm
1975, sử dụng cồn sản xuất từ bã mía để pha vào xăng với tỷ lệ đến 20%,
dùng trong ngành vận tải. Hiện nay 9 công ty sản xuất xe hơi ở Brazil, trong
đó có General Motor và Ford cung cấp cho thị trường loại xe sử dụng nhiên
liệu lưỡng tính (xe FFV - Flexible Fuel Vehicle) tức là chạy bằng xăng thông
thường hoặc bằng cồn hoặc bằng hỗn hợp xăng cồn đều được. Trong số xe
bán ra trong tháng 4/2005, loại xe này chiếm tới 50%.
Trong thực tế, Brazil là một trong các quốc gia sản xuất và xuất khẩu
đường lớn nhất thế giới, đồng thời cũng là nước sản xuất, tiêu thụ và xuất
khẩu cồn đứng thứ hai thế giới sau Mỹ. Cả nước có khoảng 600000 đồn điền
trồng mía, hơn 300 nhà máy sản xuất cồn [4].
EU chiếm vị trí thứ ba thế giới về sản lượng etanol. Sản xuất etanol tại
EU chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đường. Chương trình năng lượng tái
tạo (RFD) của EU quy định đến năm 2020, toàn bộ xăng dầu dùng cho giao
thông vận tải phải được pha 10% nhiên liệu tái tạo.
Philippines là quốc gia tiên phong ở Châu Á trong việc thực hiện chương
trình NLSH bằng việc sử dụng NLSH tái tạo vào năm 2006. Theo đó, toàn bộ
15

các sản phẩm nhiên liệu tiêu thụ nội địa phải pha trộn NLSH 2% Bio-diesel và
10% Bio-etanol vào tháng 2/2012 .
Thái lan đã bắt đầu cung cấp xăng pha cồn cho các phương tiện vận tải
vào năm 2005. Người tiêu dùng có thể chọn mua E10 với giá giảm đáng kể so
với xăng thông thường. Tại thời điểm đó, hầu hết các phương tiện vận tải
đường bộ ở Thái lan có thể sử dụng xăng pha cồn E10 mà không ảnh hưởng
gì. Chính phủ đã công bố một danh sách của tất cả các xe có thể sử dụng xăng
E10 và phát hành rộng rãi tại tất cả các trạm xăng dầu trên cả nước. Hầu hết ô
tô sản xuất sau năm 1983 đều có thể sử dụng E10.
Hiện tại hầu hết các trạm xăng tại Thái Lan đều bán xăng E20 và đây là
loại xăng thông dụng nhất tại Thái Lan vì tất cả các loại ô tô đời mới đều có
thể sử dụng loại xăng này, giá cả thấp hơn 5 Baht/lít so với xăng E10. Đối với
E85, hiện Thái Lan có khoảng 150 điểm bán, chủ yếu tại Bangkok và đang sử
dụng ngày một nhiều hơn. Loại xăng này chỉ có thể sử dụng cho các loại
phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV). Loại phương tiện này có một
hệ thống nhiên liệu điện tử đặc biệt cho phép vận hành trên bất cứ loại xăng
pha etanol nào với tỷ lệ etanol từ 0% ÷ 80%.

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 nhiên liệu
chính của ngành giao thông vận tải (GTVT). Việc sản xuất và sử dụng nhiên 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 nhiên liệu; 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 trợ giá, miễn thuế… cho các tổ chức, cá
nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnh vực năng
16

lượng tái tạo. Tuy nhiên, tình hình sản xuất etanol tại Việt Nam còn có những
thuận lợi và khó khăn như sau:
* Thuận lợi:
+ Việt Nam tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối đáng kể là những sản
phẩm thừa trong quá trình chế biến nông lâm sản như rơm rạ, trấu, cỏ, lá, mùn
cưa, bã mía và một số chất thải nông nghiệp khác. So với nguồn nhiên liệu
sinh khối từ gỗ khoảng 75 ÷ 80 triệu tấn năm, tương đương 26 ÷ 28 triệu tấn
dầu/năm. Năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp chiếm khoảng 30
triệu tấn/năm tương đương với 10 triệu tấn dầu/năm trong đó đáng kể là các
nguyên liệu trấu, rơm rạ, bã mía, mùn cưa. Nguồn nhiên liệu sinh khối từ vỏ
trấu là đáng kể nhất ở Việt Nam khoảng 5 ÷ 7 triệu tấn/năm trong đồng bằng
sông Cửu Long có khoảng 4,5 ÷ 5 triệu tấn/năm. Phụ phẩm thứ 2 có thể kể
đến là vỏ cà phê, vỏ cà phê hoàn toàn có thể dùng để sản xuất etanol.
+ Việt Nam còn có vùng nguyên liệu sắn rộng lớn. Cây sắn đã chuyển
đổi vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp với tốc độ cao, năng suất
và sản lượng sắn đã tăng nhanh ở thập kỷ đầu của thế kỷ XXI.
* Khó khăn:
- Mặc dù nhà nước đã có đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm
2015, tầm nhìn đến năm 2025” được ký duyệt vào cuối năm 2007 nhưng vẫn
chưa có những chính sách cụ thể để khuyến khích cũng như hỗ trợ các nhà
khoa học, doanh nghiệp và người dân cùng thực hiện. Các công trình nghiên
cứu về nhiên liệu sinh học được công bố còn ít, các công trình đã công bố thì
lại gặp khó khăn trong việc triển khai sản xuất và ứng dụng. Các doanh
nghiệp không mặn mà với việc sản xuất nhiên liệu sinh học.
- Hiện nay, nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch để chạy động cơ do một
số doanh nghiệp nắm giữ và mang tính độc quyền, để thuyết phục họ chuyển dần
sang kinh doanh nhiên liệu sinh học là rất khó. Các doanh nghiệp khác thì
17

chưa đủ tiềm lực để có thể áp dụng và kinh doanh nhiên liệu sinh học. Mặt
khác để đầu tư cho dây chuyền sản xuất nhiên liệu sinh học theo quy mô công
nghiệp thì yêu cầu nguồn vốn lớn, điều này không phải doanh nghiệp nào ở
Việt Nam cũng có thể đáp ứng được.
- Muốn phát triển nhiên liệu sinh học thì phải có nguồn nguyên liệu cung
cấp để sản xuất. Tuy nhiên, hiện nay có một số vùng trồng nguyên liệu nhưng
mang tính chất manh mún, nhỏ lẻ gây khó khăn cho việc sản xuất theo quy
mô công nghiệp.
- Một yếu tố quan trọng nữa là người tiêu dùng ở nước ta từ trước đến
nay vẫn quen dùng nhiên liệu truyền thống, chưa có những chiến dịch tuyên
truyền người dân sử dụng nhiên liệu sinh học. Mặt khác, giá thành của xăng
sinh học còn cao, chưa khuyến khích được người tiêu dùng sử dụng.
1.3.4. 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 diesel
khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần
lượt là 5% và 10% [32]. 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.
Đối với sử dụng ethanol cho động cơ diesel bằng phương pháp phun
ethanol vào xupáp nạp và điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ có thể kể đến công trình
[1]. Đề tài đã đưa ra được phương pháp và cơ sở khoa học chuyển đổi động cơ
diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol, có thể áp dụng
18

linh hoạt cho các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên
liệu sinh học. Cụ thể, đã chuyển đổi thành công một động cơ diesel D4BB
sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol thông qua thiết kế cải tiến và chế
tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu với điều kiện giữ nguyên mô men, tỷ lệ thay
thế ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ. Động cơ làm việc bình
thường ở mọi chế độ ổn định cũng như chuyển tiếp, giảm phát thải.
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 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 năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel D243, kết quả là ở thời điểm 0
giờ mô men động cơ tăng trung bình 5,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm
khoảng 2,5%, 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 dụng phụ gia. Kết quả thử nghiệm mô men, công suất, suất tiêu hao
nhiên liệu và nhiệt độ khí xả của động cơ tại các thời điểm 50 giờ và 100 giờ
chạy ổn định không thay đổi nhiều so với thời điểm 0 giờ. Sau 50 giờ và 100
giờ chạy ổn định với nhiên liệu D5 có phụ gia VPI-D, lượng phát thải được
cải thiện. Cụ thể, sau 50 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM
giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 3,9%, 14,7%, 3,6%, 1,2% và 4,3;
sau 100 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so
với thời điểm 0 giờ lần lượt là 5%, 16,3%, 8,4%, 2,2% và 6%.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Qua các kết quả chỉ ra trong các công trình từ [11] ÷ [42], nhận thấy có
một vài công nghệ có thể ứng dụng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu
ethanol sau:
19

+ Sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn;
+ Ethanol phun trực tiếp;
+ Ethanol phun trên đường ống nạp.
Sau đây sẽ giới thiệu các kết quả của một vài công trình điển hình về sử dụng
ethanol theo các phương thức như trên.
* Sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn
E.A. Ajav và các cộng sự [33] đã nghiên cứu thực nghiệm một số thông số
hiệu suất của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn 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 của động cơ
diesel nguyên bản đạt 10,71 [ml] tại tốc độ 1475 [vg/ph], công suất lớn 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 coi công suất động cơ
giảm không đáng kể khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ
thay thế có thể đạt đến 20% so với động cơ diesel nguyên bản.
Theo nghiên cứu của Eugene EE và các cộng sự [34] thì động cơ cần
một số điều chỉnh nhỏ như thay đổi thời điểm phun và lượng phun để động cơ
giữ 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 quá
trình cháy.
Theo nghiên cứu của Alan C. Hansen và các cộng sự [35] thì ethanol khan
có thể hòa trộn với nhiên liệu diesel, tuy nhiên do ethanol có tính hút nước mạnh
nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân 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 [36] cho biết, khả năng hòa tan của hỗn hợp
diesel - ethanol phụ thuộc vào tỷ lệ hòa trộn, nhiệt độ, hàm lượng nước, nồng độ
chất phụ gia và trọng lượng riêng của nhiên liệu diesel. So với
20

các loại nhiên liệu diesel thông thường, các loại nhiên liệu pha trộn cho hiệu
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 thêm
ethanol 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 đồng
thời chiều dày màng dập lửa tăng do nhiệt hóa hơi của ethanol cao.
Weidmann và các cộng sự [37] đã tiến hành đo đặc tính của động cơ
diesel 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 [38] đã xây dựng đặc tính của động cơ
diesel bốn xy lanh phun trực tiếp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30%
thể tích ethanol và 15% thể tích dầu hạt cải. Kết quả cho thấy khi thêm
ethanol sẽ làm cho nhiệt độ cháy giảm, tất cả chất độc hại trong khí thải giảm
ở toàn tải, tuy nhiên 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 hợp
diesel-ethanol hòa trộn sẵn cho thấy ưu điểm của phương pháp này là không
phải thay đổi kết cấu động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng
phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol thay thế để đảm bảo giữ được mô men và
công suất động cơ. Tuy nhiên phương pháp này không tối ưu được tỷ lệ
ethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol có tính hút
nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị
phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ
gây khó khăn trong quá trình sử dụng.
21

* Ethanol phun trực tiếp
Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng một
động cơ, trong đó ethanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy
bằng nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun
của ethanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất.
Theo nghiên cứu của Savage LD [39], phương pháp này cho phép tỷ lệ
ethanol lên tới 90% trong điều kiện lý tưởng. Công nghệ này còn tạo ra quá
trình cháy êm dịu, độ mờ khói và khí thải rất thấp. Tuy nhiên áp dụng công
nghệ này vào thực tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ
thống phun ethanol cao áp.
* Ethanol phun trên đường ống nạp
Phương pháp thứ ba là ethanol hòa trộn với không khí nạp trước khi đi
vào xy lanh động cơ. Theo phương pháp này M.Abu-Qudais và các cộng sự
[40] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai trường hợp phun ethanol trên đường
ống nạp và diesel - ethanol hòa trộn sẵn đến đặc tính và phát thải của động cơ
diesel 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 đường ống 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 liệu diesel 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 hòa trộn sẵn.
Từ các kết quả trên, cho thấy khi sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế
với tỷ lệ thay thế 20% trong các trường hợp thì phát thải CO, HC tăng và phát
thải độ khói và soot đều giảm. Phát thải CO và HC tăng dẫn đến tỷ lệ ethanol có
thể sử dụng bị giới hạn. Ngoài ra, sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp
trên đường ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên
22

phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp
nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó.
Ogawa H và cộng sự [41] đã tiến hành thiết lập đặc tính của động cơ
diesel 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 ethanol
trên 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%, độ
khói và NOx đều giảm trên toàn bộ dải làm việc của động cơ. Nếu kết hợp tốt
giữa việc phối trộn ethanol và EGR thì có thể cho phép độ khói bằng không
đồng thời hàm lượng NOx giảm mạnh. Kết quả còn cho thấy cần phải giảm tỷ
số nén nhằm đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol đồng thời loại
bỏ hiện tượng mất lửa và gõ trong xy lanh.
Ngoài ra có thể kể đến Volpato và cộng sự [42] đã nghiên cứu điều
khiển động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ
nông 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 phun
vào buồng cháy của động cơ ở dạng phun mồi nhằm kích hoạt nhiên liệu
ethanol cháy chính. Kết quả cho thấy công suất và mô men động cơ vẫn đảm
bảo 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 phun
ethanol trên đường ống nạp có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hòa
khí hoặc sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp phun trước xupáp nạp. Mặc
dù phương pháp này phải cần hai hệ thống nhiên liệu và điều khiển độc lập,
làm tăng mức độ phức tạp trong quá trình điều khiển, tuy nhiên phương pháp
này giải quyết được các nhược điểm của hai phương pháp trên, và có các ưu
điểm như sau:
23

- 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.
1.4. Kết luận chương 1
- Từ các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy phương án sử
dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ diesel bằng hai hệ thống
phun riêng biệt thích hợp hơn cả khi nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel
sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol.
- Từ phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp cung cấp ethanol
như đã phân tích ở trên cho thấy phương pháp được lựa chọn là phun ethanol vào
xupáp nạp là hoàn toàn khả thi. Đây là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng,
tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của
xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó.
- Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun
ethanol vào xupáp bằng cách sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp.
Phương pháp này có một vài ưu điểm nổi bật như: Không phải thay đổi lớn
kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên đường ống nạp; việc
ngắt phun ethanol dễ dàng; dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các
chế độ làm việc của động cơ. Chính vì vậy, luận văn sẽ sử dụng phương pháp
này để thiết lập mô hình mô phỏng xác định đặc tính cháy và phát thải của
động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.
24

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ
SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU
2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong
2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong là nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường. Các thành
phần độc hại chính phát thải từ động cơ gồm ô xít các bon (CO), hydrocacbon
(HC), ô xít ni tơ (NOx), ô xít lưu huỳnh (SO2), khói đen và các chất thải dạng hạt
khác. Các thành phần chất thải này không những gây tác hại trực tiếp cho sức
khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống
con người. Theo số liệu thống kê ở Mỹ năm 1997, các chất ô nhiễm phát thải từ
các phương tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch
chiếm 40 ÷ 50% tổng hàm lượng HC trong không khí, 50% tổng hàm lượng NOx
và 80 ÷ 90% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố. Ở các nước phát triển
khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự. Trong những năm
gần đây, số lượng phương tiện vận tải ngày càng tăng cao, trung bình hàng năm
thế giới sản xuất và đưa vào sửa dụng thêm trên 40 triệu chiếc động cơ, nên càng
làm vấn đề ô nhiễm môi trường thêm trầm trọng.
Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn. Thứ nhất là
khí thải trên đường ống xả. Đó là những khí độc hại phát sinh trong quá trình
cháy nhiên liệu trong động cơ và thải ra ngoài thông qua đường ống xả. Khí thải
bao gồm những thành phần chính là Ni tơ (N2) và hơi nước chiếm khoảng 83%,
các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), carbuahydro (HC), và
các loại ô xít ni tơ (NOx). Thứ hai là các khí rò lọt bao gồm những khí rò lọt qua
khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2 chiếm tới 90% phần còn lại
là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng nhỏ CO và NOx. Thứ ba là các khí bay
hơi gồm chủ yếu là hơi xăng (HC) bay hơi từ các thiết bị nhiên liệu. Trong ba
nguồn này thì khí thải từ đường ống thải là nguồn gây ô nhiễm chính
25

của động cơ với các thành phần độc hại là CO, HC, NOx, khói và chất thải
rắn. Với động cơ xăng, các thành phần phát thải độc hại chủ yếu gồm CO,
HC, NOx. Đối với nguồn khí rò lọt và khí bay hơi, thành phần độc hại chủ yếu
là HC chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng phát thải HC của động cơ nên thường không
được quan tâm nhiều.
Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ liên quan đến quá
trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong
động cơ đốt trong là quá trình ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và
quá trình này diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức
phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành phần giữa không
khí và nhiên liệu, điều kiện cháy… Ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn
toàn của nhiên liệu Hydrocacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh ra sản
phẩm cháy không độc hại như là CO2, H2O. Tuy nhiên, trong động cơ trạng
thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy hoàn toàn có thể nói là không
bao giờ xảy ra, bởi vì thời gian cho quá trình ôxy hoá bị giới hạn và sự thiếu
đồng nhất ở trạng thái hơi của nhiên liệu trong không khí. Kết quả là trong sản
vật cháy, ngoài các sản phẩm cháy hoàn toàn còn có các thành phần độc hại
CO và HC. Thêm nữa, quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi trường
có ô xy và ni tơ nên sẽ sinh ra chất độc hại NOx trong khí thải.
Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại
động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ. Hàm lượng
CO tăng khi hệ số dư lượng không khí giảm. Nồng độ CO cao hơn với hỗn
hợp giàu nhiên liệu hơn. Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa
nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi. Do
vậy, mặc dù chung có thể > 1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi
lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO.
26

Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn
toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra. Nguồn chính của khí thải HC
là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình
chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào
các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự
giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở
khi áp suất giảm.
Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng
dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá
trình giãn nở. Một phần Hydrocacbon này được ôxy hoá khi được trộn với khí
đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài
cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC. Mức độ ôxy hóa HC phụ thuộc
vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và
không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa… Sự đánh lửa muộn hơn thích
hợp để ôxy hoá HC sau quá trình cháy. Nguồn phát sinh khác của HC là sự
cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc
là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng
đốt cháy kém. Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào
tỷ lệ không khí và nhiên liệu. Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp đậm hơn,
đặc biệt là với < 1. Đối với hỗn hợp quá nghèo thành phần khí xả HC cũng
tăng do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong một phần của
các chu kỳ vận hành động cơ.
Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi
chung dưới cái tên NOx trong đó NO chiếm đa phần trên 80%. Khí thải NOx
được hình thành ở nhiệt độ cháy cao. Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất
cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ
phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy.
27

Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt độ, ôxy và thời
gian. Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx sẽ cao, tức là khi động
cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp và = 1,05 ÷ 1,1 thì NOx lớn.
2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại
Việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp hữu hiệu để giảm phát thải cho
động cơ đã được quan tâm từ lâu. Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải
độc hại cho động cơ xăng hiện nay có thể được chia thành ba nhóm.
Nhóm thứ nhất: giảm phát thải tại nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm
các biện pháp giảm nồng độ độc hại khí thải từ xi lanh bằng cách tối ưu hoá chất
lượng tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động
cơ. Các biện pháp công nghệ của nhóm này bao gồm cải tiến hệ thống phun
nhiên liệu và tạo hỗn hợp, áp dụng hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ, điều
chỉnh chính xác tỉ lệ không khí - nhiên liệu và thiết kế hệ thống đánh lửa thích
hợp trong động cơ xăng, tối ưu kết cấu buồng cháy, luân hồi khí thải, và một số
công nghệ khác. Nhìn chung các động cơ hiện đại đều đã được tối ưu hóa kết cấu
với việc sử dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến cho phép giảm tối
thiểu thành phần phát thải độc hại khí thải thoát ra khỏi xi lanh động cơ. Tuy
nhiên, hàm lượng phát thải độc hại của động cơ vẫn chưa thể đáp ứng các tiêu
chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo trong khi khó có thể giảm thêm được bằng
cách áp dụng các biện pháp cải tiến kết cấu động cơ.
Nhóm thứ hai: Xử lý khí thải sau nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm các
biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi các thành phần độc hại của khí thải thành
khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương pháp
xử lý xúc tác trung hòa khí thải. Ở phương pháp này, các thành phần độc hại CO,
HC được ô xi hóa tiếp trong các bộ xử lý xúc tác ô xi hóa; còn NOx được chuyển
thành N2 trong bộ xủa lý xúc tác giảm NOx hoặc việc ô xi hóa CO, HC, và giảm
NOx được thực hiện đồng thời trong cùng một bộ xử lý xúc tác 3
28

chức năng trên động cơ xăng; khói bụi thì được xử lý trong các bộ xử lý xúc tác
đặc biệt. Việc xử lý xúc tác khí thải cho phép giảm đến trên 95% hàm lượng các
thành phần độc hại. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý xúc tác này chỉ đạt được ở chế độ
làm việc ổn định của động cơ khi bộ xử lý xúc tác đã nóng hoàn toàn.
Ở chế độ khởi động lạnh, chạy ấm máy, chạy không tải và chế độ chuyển tiếp,
hiệu quả của bộ xủa lý xúc tác rất thấp làm tăng lượng phát thải độc hại vào
môi trường.
Nhóm thứ ba: Liên quan đến sử dụng nhiên liệu sạch, bao gồm các biện
pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu (pha phụ gia cải thiện nhiên
liệu) và sử dụng nhiên liệu thay thế. Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng nhiên
liệu thay thế trên các động cơ hiện hành ngày càng được quan tâm nhằm mục
đích vừa để bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt do nguồn nhiên liệu hóa thạch
ngày càng cạn kiệt và vừa để giảm phát thải cho động cơ. Do đó, yêu cầu đối
với nhiên liệu thay thế là phải có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có
khả năng cháy tốt, cháy kiệt và có nồng độ phát thải độc trong khí thải thấp.
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành hai nhóm, nhóm nhiên liệu có
nguồn gốc hóa thạch và nhóm có nguồn gốc tái tạo. Nhóm nhiên liệu thay thế có
nguồn gốc hóa thạch có thể gồm khí thiên nhiên (khí thiên nhiên nén CNG, khí
thiên nhiên hóa lỏng LNG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), dimethyl ether (DME)
và một số khí khác. Các loại khí này có tỷ lệ các bon (C/H) nhỏ nên sản vật cháy
chứa ít thành phần độc hại CO, HC và CO2 hơn so với khí thải của xăng và
diesel [6, 11]. Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo có thể gồm khí sinh học
(biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-methanol),
hydro, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME - Fatty
Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa (HVO
- Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hóa lỏng (BTL - Bio-mass To
Liquid). Các nhiên liệu tái tạo có ưu điểm nổi bật là có thể nuôi trồng chế biến
29

được nên không bao giờ cạn, mặt khác các nhiên liệu này cũng có hàm lượng
C nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng và diesel và đặc biệt là khí hydro không
chứa C nên phát thải độc hại thấp hơn.
Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hydro (H2) là loại khí có nhiệt trị
khối lượng cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và
CO như các loại nhiên liệu gốc hóa thạch, mặt khác, hydro có trữ lượng gần như
vô tận trong thiên nhiên nên hiện nay được coi là nhiên liệu của tương lai và là
nhiên liệu thay thế rất tiềm năng cho động cơ đốt trong [4]. Viễn cảnh lựa chọn
nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được giới thiệu trên hình 2.1.
Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế
2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong
Chu trình công tác của động cơ được đặc trưng bằng các thông số mà khi
tính toán cũng như khi phân tích cần phải xét đến như áp suất chỉ thị trung bình,
hiệu suất chỉ thị, áp suất cực đại và tốc độ tăng áp suất trong quá trình cháy, nhiệt
độ cực đại trong quá trình cháy và các thông số trạng thái của môi chất công tác.
Toàn bộ các thông số đặc trưng đó được phản ánh tổng quát thông qua quy luật
phát triển của áp suất và nhiệt độ trong quá trình cháy có xét đến
30

quy luật cháy của nhiên liệu và quy luật trao đổi nhiệt giữa khí cháy và thành
vách [2], [3].
Phương pháp tính toán lý thuyết gần đúng đầu tiên được sử dụng cho
việc tính toán chu trình công tác dựa trên cơ sở của chu trình lý tưởng, trong
đó quá trình cháy được thay bằng các quá trình cấp nhiệt tương đương đẳng
tích, đẳng áp và hỗn hợp đã được trình bày trong các giáo trình nhiệt động kỹ
thuật. Nhược điểm của phương pháp này là khi tính không xét đến sự thay đổi
môi chất công tác về mặt hóa học trong quá trình cháy, những tổn thất khí
động trong quá trình nạp, sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng của môi chất
công tác vào nhiệt độ cũng như những tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn
và do truyền nhiệt. Do đó, kết quả tính toán chỉ mang tính chất định tính.
Để nâng cao kết quả tính toán lý thuyết sát với kết quả của chu trình thực,
sau này người ta đã áp dụng phương pháp của giáo sư Grinheveski (1906 - 1907)
và được các nhà khoa học Liên Xô như viện sĩ Briling, Streekin, giáo sư Mading
phát triển. Việc tính nhiệt của chu trình công tác theo phương pháp Grinheveski -
Mading có xét đến sự thay đổi trạng thái môi chất công tác về mặt hóa học trong
quá trình cháy, những tổn thất khí động trong quá trình nạp
- thải, sự phụ thuộc của nhiệt dung vào nhiệt độ và tổng lượng nhiệt tổn thất do
cháy không hoàn toàn và do truyền nhiệt thông qua các hệ số. Phương pháp này
chủ yếu dựa trên việc tính toán nhiệt động các quá trình đã được đơn giản hóa
khá nhiều (ví dụ: chọn áp suất của các quá trình nạp, thải pa, pr bằng hằng số
theo kinh nghiệm mà không tính quá trình trao đổi khí; hay chọn hệ số lợi
dụng nhiệt tại điểm z(z) và tại điểm b (b) chứ không tính toán diễn biến quá
trình tỏa nhiệt khi cháy… nên kết quả tính toán có độ chính xác không cao.
Mặc dù vậy, phương pháp Grinheveski-Mading vẫn phản ánh được bản chất
của các quá trình cũng như toàn bộ chu trình công tác của động cơ [3].
31

Đối với động cơ tăng áp bằng tua bin khí xả, các quá trình công tác trong
xi lanh động cơ và trong bộ tua bin - máy nén có mối liên hệ và phụ thuộc lẫn
nhau, điều đó không được đề cập đến trong phương pháp của Grinheveski và
Mading [4]. Phương pháp này cũng không thể xác định được đặc tính thay đổi
các thông số chủ yếu của các quá trình công tác của động cơ theo động lực học
tỏa nhiệt, trao đổi nhiệt với thành xi lanh và các thông số điều chỉnh. Vì vậy cần
phải có mô hình toán học cho phép tính đến các yếu tố này trong các quá trình
công tác và cho phép đánh giá ảnh hưởng của chúng đến đặc tính diễn biến quá
trình công tác, tính kinh tế nhiên liệu và độ tin cậy làm việc của động cơ. Mô
hình toán học các quá trình công tác của động cơ là hệ các phương trình
vi phân khép kín. Với các điều kiện ban đầu và điều kiện biên đã cho, mỗi hệ
phương trình này mô tả đầy đủ mối quan hệ của các thông số quá trình công tác
với sự thay đổi năng lượng, khối lượng và các thông số kết cấu của động cơ
[3].
Hiện nay có hai phương pháp tính toán chu trình công tác động cơ đốt
trong được sử dụng rộng rãi đó là phương pháp cân bằng năng lượng và
phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics).
Phương pháp cân bằng năng lượng là phương pháp mô phỏng chu trình
làm việc của động cơ trên cơ sở xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá
trình trao đổi nhiệt và trao đổi khí trong động cơ; hệ phương trình bao gồm các
phương trình cân bằng năng lượng, phương trình cân bằng khối lượng và phương
trình trạng thái. Phương pháp này do GS Vô-lô-đin (Liên Xô cũ) đề xuất những
năm 80 của thế kỷ 20 và được GS Woschni (CHLB Đức) tiếp tục phát triển,
được dùng khá phổ biến để tính toán nhiệt độ và áp suất trong xi lanh theo góc
quay trục khuỷu và qua đó xây dựng được đồ thị công của chu trình. Hệ phương
trình vi phân cùng các điều kiện biên kèm theo chỉ có thể giải gần đúng bằng
phương pháp số, ví dụ phương pháp Runge - Kutta. Đầu tiên người
32

ta chọn thông số của môi chất tại một điểm nào đó của chu trình, thông
thường chọn tại điểm đóng xu páp nạp, làm điều kiện đầu. Điểm chọn được
gọi là điểm đầu của chu trình. Sau đó tiến hành tính toán theo bước cho đến
khi kết thúc chu trình tức là quay lại điểm đầu. So sánh kết quả nhận được với
giá trị chọn ban đầu nói chung có sự sai lệch. Căn cứ vào độ lệch sẽ chọn lại
những thông số tại điểm đầu rồi tiến hành tính lần 2, lần 3… cho đến khi kết
quả tính trùng với kết quả chọn thì dừng lại. Kết quả của lần tính cuối cùng
chính là nghiệm của hệ phương trình vi phân, đó là khối lượng m, áp suất p và
nhiệt độ T của môi chất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu. Quá trình giải
đòi hỏi một khối lượng tính toán rất lớn nên thường phải lập trình giải trên
máy tính. So với phương pháp tính toán nhiệt động của Grinheveski - Mading
thì mô hình mô tả các quá trình thành phần sát thực hơn nên kết quả chính xác
hơn. Hiện nay, nhiều phần mềm mô phỏng xây dựng trên cơ sở phương pháp
cân bằng năng lượng được phát triển và áp dụng khá phổ biến trong nghiên
cứu - phát triển động cơ như AVL Boost (Áo), GT-Power (Mỹ)…
Phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp
mô phỏng hiện đại cho đối tượng là dòng lưu chất trong không gian 3 chiều. Cơ
sở lý thuyết của phương pháp CFD là hệ phương trình Navier - Strockes mô tả
trao đổi năng lượng, động lượng và trao đổi chất của dòng môi chất là chất lỏng
nhớt trong không gian 3 chiều. Đối với dòng lưu động là chất khí cần phải bổ
sung thêm phương trình trạng thái. Ngoài ra, còn có các điều kiện biên để xác
định các thông số trong các phương trình nói trên. Tất cả tạo thành hệ phương
trình mô phỏng dòng khí thực. Giải hệ phương trình mô phỏng thường dùng
phương pháp thể tích hữu hạn (tương tự như phương pháp phần tử hữu hạn FEM
- Finite Element Method). Kết quả tính toán ở mỗi thời điểm, tại mỗi thể tích
khảo sát thông thường gồm 6 giá trị là vx, vy, vz (xác định véc tơ vận tốc v), nhiệt
độ T, áp suất p và mật độ. Nếu như thêm vào hệ phương trình mô
33

phỏng các phương trình tính toán động học phản ứng trong quá trình cháy thì
còn nhận được nồng độ các chất độc hại như CO, NOx, PM… Do số thể tích
khảo sát thường rất lớn và bước thời gian tính toán thường rất nhỏ nên để bảo
đảm độ chính xác, khối lượng tính toán sẽ rất lớn cần phải sử dụng máy tính
lớn có tốc độ tính toán rất cao. Mặc dù vậy, thời gian tính toán một chu trình
công tác của động cơ vẫn rất lâu, có thể đến nhiều ngày tùy theo bài toán và
cấu hình của máy tính. Ngoài ra, việc chuẩn bị những số liệu, những thông số
cần thiết để đưa vào mô hình mô phỏng cũng mất rất nhiều thời gian và công
sức. Vì vậy, phương pháp CFD chỉ được sử dụng ở các phòng thiết kế và các
trường đại học lớn. Đây là phương pháp mô phỏng hiện đại và có tiềm năng
phát triển. Hiện nay có nhiều phần mềm CFD trên thị trường như Fluent và
Kiva (Mỹ), AVL-Fire (Áo), Star-CD (Anh), Promo (Đức)… Những phần
mềm này đã được áp dụng tính toán các quá trình bên trong động cơ tạo nên
chu trình làm việc bao gồm cả hình thành các chất độc hại cho kết quả rất phù
hợp với số liệu đo bằng thực nghiệm.
2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol
Hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol bao gồm hai hệ
thống làm việc độc lập: hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel và hệ thống phun
ethanol như được giới thiệu chi tiết trên hình 2.2 [1].
34

Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol, [1]
1- Đường ống cấp nhiên liệu diesel đến bơm cao áp; 2- Bơm cao
áp; 3- Lọc không khí; 4- Lọc nhiên liệu alcohol; 5- Bơm nhiên liệu
alcohol; 6- Thùng chứa nhiên liệu alcohol; 7- Vòi phun alcohol; 8-
Đường ống thải; 9- Buồng cháy; 10- Xupáp thải; 11- Vòi phun
diesel; 12- Xupáp nạp; 13- Đường hồi nhiên liệu diesel từ vòi phun
nhiên liệu diesel về bơm cao áp; 14- Đường cấp nhiên liệu diesel
đến vòi phun nhiên liệu diesel; 15- Đường hồi nhiên liệu diesel về
thùng chứa nhiên liệu diesel; minj_eth- Lượng nhiên liệu alcohol phun
ra; mair- Lượng không khí; minj_die- Lượng nhiên liệu diesel phun ra;
mexh- Lượng khí thải; Qhr- Nhiệt tỏa ra;
Qht- Nhiệt truyền qua vách xy lanh; p- Áp suất xy lanh; T- Nhiệt độ buồng cháy.
2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng
Để mô phỏng chu trình công tác của động cơ cần thiết phải xây dựng
mô hình từng bộ phận của động cơ bao gồm:
- Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ;
- Mô hình hệ thống phun nhiên liệu: 1 vòi phun nhiên liệu alcohol vào
đường nạp và một vòi phun diesel trực tiếp vào xi lanh động cơ;
- Mô hình đường ống thải;
- Mô hình đường ống nạp.

35

2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ
Chu trình nhiệt động bên trong xi lanh của động cơ sẽ được tính toán bằng
phần mềm GT-Power, cơ sở lý thuyết của phần mềm này được trình bày cụ thể
như trong các tài liệu tham khảo [30], [31]. Để mô hình nhiệt động bên trong
xi lanh động cơ cần lựa chọn mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt.

Lựa chọn mô hình cháy:

Quá trình cháy của động cơ diesel thường được chia thành hai giai đoạn
cơ bản là cháy nhanh và cháy chính hay cháy khuếch tán (ngoài ra còn có giai
đoạn cháy trễ được đánh giá bằng tham số thời gian cháy trễ và giai đoạn cháy
rớt).
Động cơ diesel khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-
alcohol theo phương pháp phun alcohol trên đường ống nạp (diesel được phun
mồi và alcohol được phun chính) thì sẽ xuất hiện thêm một giai đoạn cháy
song song với hai giai đoạn trên được gọi là giai đoạn cháy lan tràn giống như
động cơ xăng.
Các mô hình cháy trong buồng cháy của động cơ có rất nhiều và rất đa
dạng. Có mô hình tính độc lập quy luật cháy, tốc độ cháy; có mô hình phải
tính trong quan hệ mật thiết với sự thay đổi áp suất, nhiệt độ và sự trao đổi
nhiệt giữa các vùng với nhau; có mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết động lực
học chất lưu (CFD - Computational Fluid Dynamic).
Theo chiều không gian tính toán có thể phân theo 3 loại mô hình:
Mô hình không chiều (Zero-dimensional models).
Mô hình một chiều (Quasi-dimensional models).
Mô hình đa chiều (Multi-dimensional models).
Theo vùng cháy hỗn hợp có thể phân loại theo 3 loại mô hình:
Mô hình cháy đơn vùng (Single zone).
Mô hình cháy 2 vùng (Two zone).
36

Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc

Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc

Similar to Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc (11)

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Nghiên cứu đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel.doc