Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio etanol sử dụng trên động cơ xăng

Mức độ thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda .... * Ý nghĩa thực tiễn: Luận án

-i-LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các

số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng

được ai công bố trong các công trình nào khác!

-ii-LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Anh Tuấn và TS Phạm Hữu Tuyến 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 án

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực và các thầy cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận

án này và định hướng nghiên cứu trong trương lai

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 tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Phạm Hữu Truyền

-iii-MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

ii Phương pháp nghiên cứu 3

iii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 5

1.2 Nhiên liệu etanol và xăng sinh học 6

1.2.1 Nhiên liệu etanol 6

1.2.2 Xăng sinh học 10

1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol 13

1.2.4 Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ trên thế giới 18

1.2.5 Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ ở Việt Nam 24

1.3 Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn 26

1.4 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TƯƠNG THÍCH CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG TRUYỀN THỐNG KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC 28

2.1 Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức 28

2.1.1 Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức 28

2.1.2 Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng xăng sinh học 31

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác động cơ sử dụng xăng sinh học 33

2.2.1 Trạng thái nhiệt động học 33

2.2.2 Lý thuyết tính toán quá trình cháy 34

2.2.3 Lý thuyết tính toán truyền nhiệt 39

2.2.4 Lý thuyết tính toán hàm lượng phát thải 41

2.2.5 Mô hình hỗn hợp nhiên liệu xăng và etanol E100 46

2.3 Phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học 47 2.3.1 Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu 47

2.3.2 Phương pháp đánh giá tính năng động cơ ô tô 49

2.3.3 Phương pháp đánh giá độ bền và tuổi thọ động cơ 50

2.4 Kết luận chương 2 54

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ ETANOL LỚN 55

3.1 Mục đích, đối tượng và phạm vi mô phỏng 55

3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 55

3.2.1 Giới thiệu về phần mềm AVL Boost 55

-iv-3.2.2 Xây dựng mô hình và các thông số nhập cho mô hình 56

3.2.3 Các bước nghiên cứu trên mô hình mô phỏng 57

3.3 Kết quả tính toán mô phỏng 58

3.3.1 Đánh giá độ chính xác của mô hình 58

3.3.2 Động cơ xe máy 59

3.3.3 Động cơ ô tô xe Lanos 64

3.4 Giải pháp cải tiến động cơ xăng thông thường khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn nhằm đảm bảo tính năng kỹ thuật 69

3.4.1 Giải pháp cải tiến động cơ sử dụng bộ chế hoà khí 69

3.4.2 Giải pháp cải tiến động cơ ô tô phun xăng điện tử 73

3.5 Kết luận chương 3 74

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 75

4.1 Mục đích và phạm vi thử nghiệm 75

4.2 Nhiên liệu 75

4.3 Nghiên cứu đánh giá khả năng tương thích vật liệu 76

4.3.1 Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm 76

4.3.2 Kết quả đánh giá khả năng tương thích vật liệu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ xe máy 77

4.3.3 Kết quả đánh giá khả năng tương thích vật liệu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ ô tô 82

4.4 Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử 89

4.4.1 Phương pháp, quy trình đánh giá tính năng và độ bền 89

4.4.2 Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm 89

4.4.3 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền động cơ xe máy 92

4.4.4 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến động cơ ô tô 99

4.5 So sánh kết quả nghiên cứu mô phỏng với thực nghiệm 109

4.6 Kết luận chương 4 112

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 113

Kết luận chung 113

Phương hướng phát triển 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 119

PHỤ LỤC 120

-v-DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

-vi-DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất của etanol [1] 7

Bảng 1.2 Quy chuẩn về etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì [3] 7

Bảng 1.3 Tính chất lý hóa của xăng sinh học [18] 10

Bảng 1.4 Những cải tiến cần thiết khi sử dụng xăng sinh học [36] 22

Bảng 2.1 Hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải 41

Bảng 2.2 Chuỗi phản ứng hình thành NO x 45

Bảng 2.3 Các hằng số đa thức 46

Bảng 2.4 Bảng tiến trình đo 49

Bảng 2.5 Các điểm thử nghiệm tại các tay số IV và V của ô tô 49

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ 56

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của mô hình 57

Bảng 3.3 Thời gian cháy trễ và thời gian cháy nhanh của các loại nhiên liệu 60

Bảng 3.4 Công suất động cơ khi chạy các loại nhiên liệu khác nhau (kW) 61

Bảng 3.5 Nồng độ CO khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) 62

Bảng 3.6 Nồng độ HC khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) 63

Bảng 3.7 Nồng độ NO x khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) 63

Bảng 3.8 Mức độ thay đổi công suất động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda 66

Bảng 3.9 Mức độ thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda 67

Bảng 3.10 Mức độ thay đổi phát thải CO động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda 67

Bảng 3.11 Mức độ thay đổi phát thải HC động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda 68

Bảng 3.12 Mức độ thay đổi phát thải NOx động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda 69

Bảng 3.13 Lượng nhiên liệu cần dùng để công suất động cơ xe máy không đổi khi tăng tỉ lệ etanol trong nhiên liệu (g/chu trình) 70

Bảng 3.14 Sự thay đổi đường kính lỗ gic-lơ để công suất động cơ xe máy không đổi 71

Bảng 4.1 Chỉ tiêu chất lượng của xăng RON92 75

Bảng 4.2 Tính chất nhiên liệu của xăng sinh học E10, E15 và E20 75

Bảng 4.3 Hình ảnh chụp giclơ nhiên liệu chính trước và sau 2000h ngâm 77

Bảng 4.4 Hình ảnh chụp bề mặt lỗ giclơ chính (vật liệu đồng) trên kính hiển vi điện tử với độ phóng đại 2000 lần 77

Bảng 4.5 Hình vít điều chỉnh lượng không khí ở chế độ chạy không tải và vít xả xăng 78

Bảng 4.6 Hình ảnh ngoại quan của kim ba cạnh trước và sau khi ngâm 78

Bảng 4.7 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử (phóng đại 500 lần) bề mặt chi tiết lọc tinh nhiên liệu 79

Bảng 4.8 Hình ảnh ngoại quan của vỏ nhựa lọc tinh trước và sau 2000h ngâm trong các dung dịch khác nhau 79

Bảng 4.9 Kết quả phân tích nhiên liệu trước khi ngâm chi tiết 80

Bảng 4.10 Kết quả phân tích nhiên liệu RON92 sau khi ngâm chi tiết 81

Bảng 4.11 Kết quả phân tích nhiên liệu E10 sau khi ngâm chi tiết 81

Bảng 4.12 Kết quả phân tích nhiên liệu E15 sau khi ngâm chi tiết 81

-vii-Bảng 4.13 Kết quả phân tích nhiên liệu E20 sau khi ngâm chi tiết 81

Bảng 4.14 Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết kim loại 82

Bảng 4.15 Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết phi kim 82

Bảng 4.16 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử giclơ nhiên liệu chính82 Bảng 4.17 Hình ảnh ngoại quan kết quả ngâm van điện từ cắt nhiên liệu (làm bằng đồng hợp kim) 83

Bảng 4.18 Kết quả phân tích nhiên liệu trước khi ngâm chi tiết 87

Bảng 4.19 Kết quả phân tích nhiên liệu RON92 sau khi ngâm chi tiết 87

Bảng 4.20 Kết quả phân tích nhiên liệu E10 sau khi ngâm chi tiết 88

Bảng 4.21 Kết quả phân tích nhiên liệu E15 sau khi ngâm chi tiết 88

Bảng 4.22 Kết quả phân tích nhiên liệu E20 sau khi ngâm chi tiết 88

Bảng 4.23 Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết kim loại 88

Bảng 4.24 Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết phi kim 88

Bảng 4.25 Thông số kỹ thuật xe Daewoo Lanos 90

Bảng 4.26 Thông số kỹ thuật xe Toyota Corolla 91

Bảng 4.27 Thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm 91

Bảng 4.28 Đường kính xilanh của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km 92

Bảng 4.29 Đường kính xilanh của động cơ xe chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km 92

Bảng 4.30 Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km 93

Bảng 4.31 Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km 93

Bảng 4.32 Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với RON92 94

Bảng 4.33 Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với E10 94

Bảng 4.34 Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với RON92 95

Bảng 4.35 Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với E10 95

Bảng 4.36 Áp suất nén đo trước và sau khi chạy bền 96

Bảng 4.37 Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 trước và sau khi chạy bền của 2 xe Honda SuperDream với 2 loại nhiên liệu RON 92 và xăng sinh học E10 97

Bảng 4.38 Kết quả phân tích dầu bôi trơn khi xe chạy bằng E10 98

Bảng 4.39 Kết quả phân tích dầu bôi trơn khi xe chạy bằng RON92 98

Bảng 4.40 Kết quả đo công suất xe Lanos tại tay số IV 99

Bảng 4.41 Thay đổi công suất xe Lanos ở tay số V 100

Bảng 4.42 Phát thải xe Lanos tại tay số V 101

Bảng 4.43 Phát thải xe Lanos khi chạy với các loại nhiên liệu theo chu trình thử ECE1505 101

Bảng 4.44 Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số IV 103

Bảng 4.45 Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số V 103

Bảng 4.46 Phát thải xe Corolla khi chạy với các loại nhiên liệu theo chu trình thử ECE1505 104

Bảng 4.47 Kết quả phân tích dầu trước và sau chạy bền 108

Bảng 4.48 Thay đổi công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu 109

-viii-Bảng 4.49 Thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu 109 Bảng 4.50 Thay đổi phát thải CO giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu

110

Bảng 4.51 Thay đổi phát thải HC giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu 110 Bảng 4.52 Thay đổi phát thải NO x giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu

111

-ix-DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường 8

Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza 9

Hình 1.3 Áp suất hơi bão hòa tại 37,80C 11

Hình 1.4 Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol 12

Hình 1.5 Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017 13

Hình 1.6 Công suất (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) khi sử dụng RON92 và E10 [20] 18

Hình 1.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương (a) và hệ số nạp (b) [21] 18

Hình 1.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới mômen động cơ (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) [21] 19

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải CO, HC và CO2 [21] 20

Hình 1.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải NO x [22] 21

Hình 1.11 Thay đổi về phát thải đối với mẫu xe năm 2001 theo chu trình thử ADR37/01 khi sử dụng E20 [33] 21

Hình 1.12 Hàm lượng phát thải khi giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp [34] 21

Hình 1.13 Sự thay đổi hàm lượng NO x khi sử dụng xăng sinh học so với xăng thông thường [31] 21 Hình 1.14 So sánh hàm lượng benzen và toluene trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng thông thường, E3 và E10 [35] 22

Hình 1.15 Vỏ bơm nhiên liệu (đặt trong thùng nhiên liệu) trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39] 23

Hình 1.16 Vít điều chỉnh không tải (bằng đồng) của bộ chế hòa khí trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39] 23

Hình 1.17 Lõi bơm nhiên liệu trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39] 24

Hình 1.18 Màng van bơm nhiên liệu trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 550C [38, 39] 24

Hình 1.19 Van thông khí cácte trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 550C [38, 39] 24

Hình 1.20 So sánh các thông số của động cơ xe máy khi sử dụng E5 và E10 với RON92 [6] 25

Hình 2.1 Diễn biến áp suất trong xylanh động cơ đốt cháy cưỡng bức 28

Hình 2.2 Hình ảnh quá trình cháy trong xylanh nghiên cứu, diễn biến áp suất và lượng khí cháy ở tốc độ 1400v/p, áp suất nạp 0,5atm [56] 29

Hình 2.3 Hình dạng bề mặt màng lửa 29

Hình 2.4 Quan hệ giữa x b và y b 30

Hình 2.5 Biến thiên tỷ số nhiên liệu/không khí tương đương theo nồng độ cồn etanol trong xăng sinh học [44] 31

Hình 2.6 Bán kính màng lửa khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 32

Hình 2.7 Diện tích màng lửa khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 32

Hình 2.8 Tỷ lệ hỗn hợp cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 32

Hình 2.9 Thời gian cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 32

Hình 2.10 Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ 33

Hình 2.11 Ngọn lửa tiến gần đến thành xylanh và bắt đầu quá trình cháy sát vách 38

-x-Hình 2.12 Tỷ lệ mol CO tính toán theo góc quay trục khuỷu (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải,

A/F=12,6) 42

Hình 2.13 Tỷ lệ mol CO tính toán theo giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) 42

Hình 2.14 Nồng độ HC theo góc quay trục khuỷu và độ dày màng dầu (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) 44

Hình 2.15 Chu trình thử Châu Âu ECE 15-05 50

Hình 2.16 Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng xe máy 51

Hình 2.17 Vị trí và phương pháp đo mài mòn xy lanh 52

Hình 2.18 Vị trí đo đường kính piston 52

Hình 2.19 Đo khe hở miệng xéc măng 52

Hình 2.20 Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng ô tô 53

Hình 2.21 Các vị trí đo mòn cổ trục khuỷu 53

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng động cơ xe máy và động cơ ô tô 57

Hình 3.2 So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ xe máy với hai loại nhiên liệu xăng (E0) và xăng pha cồn E10 58

Hình 3.3 So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ ôtô Lanos với hai loại nhiên liệu RON92 và E10 59

Hình 3.4 Diễn biến áp suất, nhiệt độ trong xylanh động cơ tại 7500 v/ph 59

Hình 3.5 Tốc độ toả nhiệt của động cơ sử dụng các loại nhiên liệu ở 7500 v/phút 60

Hình 3.6 Độ giảm công suất trung bình khi sử dụng E5, E10, E20, E85 (so với RON92) 61

Hình 3.7 Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ sử dụng xăng pha cồn 61

Hình 3.8 Phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với RON92) 62

Hình 3.9 Phát thải HC khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với E0) 62

Hình 3.10 Phát thải NO x khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với E0) 63

Hình 3.11 Sự thay đổi công suất động cơ so với khi sử dụng xăng 64

Hình 3.12 Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để công suất động cơ không đổi 64

Hình 3.13 Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ so với khi sử dụng xăng 64

Hình 3.14 Thay đổi phát thải CO khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng 65

Hình 3.15 Thay đổi phát thải HC khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng 65

Hình 3.16 Thay đổi phát thải NO x khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng 65

Hình 3.17 Mức độ thay đổi công suất động cơ so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda 66

Hình 3.18 Mức độ tăng suất tiêu thụ nhiên liệu so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda 66

Hình 3.19 Mức độ thay đổi các thành phần phát thải so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda 68

Hình 3.20 Tỷ lệ lượng nhiên liệu cần bổ sung để công suất động cơ không đổi 70

Hình 4.1 Màng cao su của bơm tăng tốc phụ của bộ chế hòa khí trước và sau ngâm 83

Hình 4.2 Các chi tiết của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm 2000h 84

Hình 4.3 Hình ảnh chụp bảng mạch báo mức xăng của bơm xăng điện tử 84

Hình 4.4 Lưới lọc thô của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm trong xăng RON92 và E10 84

Hình 4.5 Hình ảnh giắc cắm bơm xăng tử trước và sau khi ngâm 85

Hình 4.6 Đồ thị tăng khối lượng chi tiết gioăng làm kín bơm xăng so với 0h 86

Hình 4.7 Đồ thị tăng khối lượng chi tiết màng cao su tăng tốc phụ so với 0h 86

Hình 4.8 Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h 86

Hình 4.9 Đồ thị khối lượng giảm chi tiết quả phao chế hòa khí so với 0h 86

Hình 4.10 Đồ thị tăng khối lượng chi tiết lọc tinh bơm xăng điện so với 0h 86

-xi-Hình 4.11 Đồ thị giảm khối lượng chi tiết bộ báo mức nhiên liệu bơm xăng điện so với 0h 87

Hình 4.12 Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h 87

Hình 4.13 Ô tô thử nghiệm 90

Hình 4.14 Hình ảnh hai xe máy tham gia chạy thử nghiệm 91

Hình 4.15 Tổng hợp sự thay đổi kích thước trung bình của piston và xilanh xe máy trước và sau chạy bền 93

Hình 4.16 Công suất xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền 95

Hình 4.17 Suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền 96

Hình 4.18 Phát thải HC và NO x của xe máy trước và sau chạy bền 97

Hình 4.19 Phát thải CO và CO 2 của xe máy trước và sau chạy bền 97

Hình 4.20 Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số IV so với RON92 100

Hình 4.21 Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số V so với RON92 100

Hình 4.22 Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xe Lanos 100

Hình 4.23 Thời gian tăng tốc 20 km/h đến 80 km/h đối với xe Lanos 102

Hình 4.24 Tỷ lệ cải thiện công suất động cơ xe Corrola sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 103

Hình 4.25 Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola tại tay số IV 104

Hình 4.26 Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola tại tay số V 104

Hình 4.27 Thời gian tăng tốc 20 km/h đến 80 km/h đối với xe Corolla 105

Hình 4.28 Thay đổi kích thước xilanh trước và sau chạy bền tại vị trí của xéc măng hơi thứ nhất 105

Hình 4.29 Thay đổi kích thước phần dẫn hướng piston trước và sau chạy bền 105

Hình 4.30 So sánh lượng mòn trung bình trước và sau chạy bền của chi tiết xilanh và piston 106

Hình 4.31 So sánh lượng mòn trung bình trước và sau chạy bền của các cổ biên 106

Hình 4.32 Mômen và công suất động cơ chạy RON92 trước chạy bền và sau chạy bền 107

Hình 4.33 Suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ chạy RON92 trước chạy bền và sau chạy bền 107

Hình 4.34 Mômen và công suất động cơ chạy nhiên liệu E10 trước chạy bền và sau chạy bền 107

Hình 4.35 Suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ chạy E10 trước chạy bền và sau chạy bền 107

Hình 4.36 Áp suất nén động cơ chạy nhiên liệu xăng RON92 và E10 trước và sau chạy bền 107

-1-MỞ ĐẦU

Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự báo của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx,

NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường,

hệ sinh thái và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều…Năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm

Nhiên liệu sinh học cho động cơ nói chung và phương tiện giao thông nói riêng đang nhận được sự quan tâm lớn của thế giới Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường Mặt khác nhiên liệu sinh học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho người dân ở vùng sâu, vùng xa Một khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trường

có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lượng xanh, năng lượng có phát thải cácbon thấp nhận được sự ưu tiên phát triển

Trong các loại nhiên liệu sinh học thì etanol là loại nhiên liệu có tiềm năng lớn ở Việt Nam nhờ nguồn nguyên liệu phong phú và sự tham gia mạnh mẽ của nhiều thành phần kinh tế vào quá trình sản xuất Nguyên liệu để sản xuất etanol rất phong phú có thể kể đến như nguồn nguyên liệu từ các sản phẩm nông nghiệp là ngô, khoai, sắn, mía Ngoài ra nguồn nguyên liệu sản xuất etanol còn có thể được tận dụng từ rác thải, phế phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, bã mía, cỏ khô hay phế phẩm lâm nghiệp như củi, rễ, cành cây, lá khô đây là những nguồn nguyên liệu dồi dào không liên quan đến lương thực trong khi giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất

Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương đúng đắn thể hiện qua

Đề án Phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025 Chủ trương này thể hiện sự tham vọng của chính phủ và cũng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học

Etanol sinh học ở Việt Nam hiện đang được các doanh nghiệp đầu tư phát triển mạnh

mẽ Nhà máy sản xuất etanol Đồng Xanh, Đại Lộc, Quảng Nam với công suất 130 triệu lít/năm, đưa vào hoạt động vào cuối năm 2010 và 5 nhà máy đã đi vào hoạt động khác với tổng công suất thiết kế cả nước hiện nay vào khoảng 535 triệu lít/năm Xăng sinh học E5

đã chính thức được giới thiệu trên thị trường từ năm 2010 sau khi các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học E5 (hỗn hợp của 5% etanol biến tính với 95% xăng) cho phương tiện đã

-2-được thực hiện khá hoàn chỉnh, tuy nhiên do tác động của nhiều yếu tố khách quan và chủ quan, tốc độ phát triển các điểm bán xăng sinh học E5 cũng như sản lượng E5 tiêu thụ còn rất khiêm tốn Một trong những nguyên nhân chính của vấn đề này đó là chính sách khuyến khích sản xuất, sử dụng thiếu đồng bộ và đặc biệt là lo ngại của người sử dụng về những ảnh hưởng không mong muốn của xăng sinh học đến phương tiện Mặc dù vậy, lộ trình sử dụng đại trà xăng sinh học E5 và tiến tới xăng sinh học E10 đã được Chính phủ phê duyệt trong Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012 Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5% cho các phương tiện đang lưu hành trên thị trường có ý nghĩa khoa học và thiết thực trong việc đón trước lộ trình sử dụng thí điểm và đại trà xăng sinh học, đặc biệt là xăng E10 trên thị trường

Đề tài “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động

cơ xăng” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên của thực tiễn

i Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

*) Mục đích nghiên cứu

Mục đích tổng thể của luận án là đưa ra được các định hướng về mặt kỹ thuật nhằm đảm bảo tính tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học có tỷ

lệ pha etanol E100 cao trên 5% như 10% (E10), 15% (E15), 20% (E20) và 85% (E85)

Cụ thể, luận án hướng tới xây dựng phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha trên 5% etanol E100 và đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ xăng truyền thống; đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền, tuổi thọ của động cơ; đưa ra định hướng về mặt kỹ thuật, đề xuất giải pháp cải tiến và điều chỉnh động cơ; và đưa ra khuyến cáo cần thiết khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5% cho động cơ xăng truyền thống

*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án nghiên cứu về lý thuyết liên quan đến đặc tính của động cơ xe máy và ô tô khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học E10, E15, E20 và E85 trên phần mềm mô phỏng một chiều nhiệt động học và chu trình công tác của động cơ

Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các loại nhiên liệu RON92, E10, E15

và E20 Riêng nghiên cứu đánh giá đối chứng về độ bền và tuổi thọ của động cơ được thực hiện với nhiên liệu RON92 và E10

Đối với ô tô gồm 02 xe: 01 xe sử dụng động cơ phun xăng điện tử đại diện cho thế hệ

ô tô gần đây và 01 xe có động cơ sử dụng bộ chế hòa khí đại diện cho ô tô thế hệ cũ Ngoài

ra còn có 02 động cơ ô tô dùng chế hòa khí phục vụ cho mục đích thử nghiệm bền trên băng thử Trong đó 01 động cơ chạy RON92, 01 động cơ chạy E10

Đối với xe máy là 02 xe có động cơ sử dụng bộ chế hòa khí: 01 xe chạy nhiên liệu xăng RON92 và 01 xe sử dụng nhiên liệu E10

Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận án sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống Kết hợp giữa lý thuyết thông qua tổng hợp các nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học trên thế giới, và tập hợp, kế thừa các kết quả trước đây của các đề tài liên quan và tính toán lý thuyết trên các phần mềm mô phỏng hiện đại về động cơ đốt trong với thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá Tăng cường trao đổi và tiếp thu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện phương pháp nghiên cứu, cũng như mở rộng hợp tác với các tổ chức trong nước

để thực hiện tốt việc nghiên cứu và triển khai thử nghiệm

Tính tương thích trong sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng truyền thống được thể hiện thông qua những nghiên cứu quy mô về tác động của xăng sinh học đến vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu, các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, cũng như độ bền

và tuổi thọ của động cơ Giải pháp tương thích hóa động cơ với xăng sinh học ở các tỷ lệ khác nhau cũng được đưa ra nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam Luận án sử dụng các phương pháp và kỹ thuật sau đây:

- Ngâm các chi tiết của hệ thống cung cấp nhiên liệu trong xăng truyền thống và xăng sinh học ở các tỷ lệ khác nhau trong môi trường kín, ổn định nhiệt độ bằng tủ sấy theo tiêu chuẩn của Hội kỹ sư ô tô thế giới SAE J1747 và SAE J1748 Các chỉ tiêu đánh giá

so sánh bao gồm: ngoại quan, kích thước, trọng lượng, chụp ảnh hiển vi điện tử bề mặt, phân tích nhiên liệu trước và sau ngâm Kết quả nghiên cứu tương thích vật liệu có ý nghĩa trong việc khuyến cáo điều chỉnh vật liệu (nếu cần) của một số chi tiết khi động

cơ sử dụng xăng sinh học,

- Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng hiện đại và thử nghiệm đối chứng trên băng thử xe máy và ô tô nhằm đánh giá tác động của xăng sinh học đến đặc tính cháy, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải, khả năng tăng tốc, khởi động lạnh của động cơ,

- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ bền, tuổi thọ của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E10 nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học E10 một cách đại trà

ở Việt Nam Thời gian chạy bền đối với các động cơ ô tô là 300 giờ Các chỉ tiêu đánh giá độ bền, tuổi thọ bao gồm: độ mòn các chi tiết, tính chất dầu bôi trơn, công suất, tiêu thụ nhiên liệu, áp suất nén và phát thải

iii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

-4-Luận án cũng đã xây dựng thành công các quy trình đánh giá tương thích của động cơ xăng đối với nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ etanol bất kỳ, bao gồm quy trình đánh giá tương thích vật liệu, quy trình đánh giá đối chứng tính năng và quy trình chạy bền động cơ Các quy trình này được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành cũng như hệ thống thiết bị đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam

*) Ý nghĩa thực tiễn:

Luận án đã đánh giá được tương thích vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu động

cơ xe máy và ô tô với các loại xăng sinh học E10, E15 và E20, qua đó khuyến cáo các loại vật liệu thay thế nhằm đảm bảo khả năng làm việc của các chi tiết trước một số thuộc tính không có lợi của xăng sinh học dẫn tới hiện tượng ăn mòn, rỉ sét ở vật liệu kim loại, trương

nở ở vật liệu phi kim

Ảnh hưởng của xăng sinh học E10, E15 và E20 tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng xe máy và ô tô đã được đánh giá Ngoài ra, độ bền và tuổi thọ của động cơ xăng xe máy vận hành ổn định trong 200 giờ trên bằng thử và 5500km vận hành trên đường (tương đương với 20.000km vận hành trên đường), và động cơ ô tô vận hành

ổn định trên băng thử trong 300 giờ cũng đã được đánh giá Từ đó, đưa ra các nhận định cũng như giải pháp kỹ thuật đối với động cơ nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học có

tỷ lệ etanol E100 cao hơn 5% trên động cơ xăng xe máy và ô tô

Luận án góp phần tư vấn cho các cơ quan chức năng trong việc thực hiện mục tiêu của

lộ trình sử dụng xăng sinh học E10 theo quyết định 53/2012/QĐ-TTg của Thủ Tướng Chính phủ và cung cấp kiến thức, cũng như tư vấn cho người sử dụng phương tiện trong việc sử dụng, vận hành đúng cách phương tiện nhằm tận dụng được tối đa ưu điểm và hạn chế ảnh hưởng trái chiều của xăng sinh học đến phương tiện và môi trường

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

 Mở đầu

 Chương 1 Tổng quan

 Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán và phương pháp đánh giá tương thích của động

cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học

 Chương 3 Tính toán mô phỏng động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn

 Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

 Kết luận chung và phương hướng phát triển

-5-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 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 mỳ, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [1] NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Metanol, Etanol, 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:

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 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:

- 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,

-6 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 15 -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 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:

- Bioetanol [13]

- Biodiesel [13]

- Methane (biogas) [2,13]

- Biohydrogen [13, 15, 16, 17]

- Dimethyl ether (DME) [13]

Trong đó bio-etanol (gọi tắt là etanol) được sản xuất và sử dụng rỗng rãi ở Mỹ, Brazil

và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc

Etanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy etanol 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 etanol 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 etanol làm nhiên liệu sử dụng cho động

cơ trên toàn thế giới

Etanol 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 etanol

Ở Brazil thì etanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường Còn ở Pháp thì etanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm Ngoài ra etanol còn có thể được sản xuất từ gỗ Etanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường etanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Là đối tượng nghiên cứu của luận án nên các tính chất của etanol cũng như tác động của etanol đến động cơ sẽ được trình bày tỉ mỉ trong các phần sau

1.2 Nhiên liệu etanol và xăng sinh học

1.2.1 Nhiên liệu etanol

Chất lỏng trong suốt dễ cháy 0,789

1,2 cP ở 20oC Tan hoàn toàn

1170 78,4oC (351,6K) 158,8 K (-114,3oC; -173,83oF)

514 K (241oC; 465,53oF) ở P = 63 bar 7,0 (trung tính)

65,21 J/mol.K Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, ngừng thở trong trường hợp nặng

Nghiện, xơ gan

425oC (797oF) 3,5 ÷ 15%

Ở Việt Nam, etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì được quy định trong quy chuẩn Việt Nam QCVN 1: 2009/BKHCN [3] thể hiện ở Bảng 1.2

Bảng 1.2 Quy chuẩn về etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì [3]

Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử

4 Độ axit (tính theo axit axetic CH 3 COOH), % khối

lượng, không lớn hơn

1.2.1.2 Công nghệ sản xuất etanol

a) Phương pháp hydrat hóa etylen

Cho etylen hợp nước ở 3000C 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 etanol

ở mức độ công nghiệp năm 1947

-8-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 etanol và tái tạo lại axit:

CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3-CH2OSO3H

CH3-CH2OSO3H + H2O → CH3-CH2-OH + H2SO4

Etanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại như: metanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê Etanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 –

1987 [1]

b) Công nghệ lên men sản xuất etanol

Etanol 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 bằng enzym (ví dụ amylaza) 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 Etanol sinh

ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và

tinh cất để tạo etanol nguyên chất (có thể đạt mức etanol tuyệt đối- etanol khan)

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường

c) Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ nguyên liệu xenluloza

Công nghệ sinh học sản xuất etanol 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 etanol từ xenluloza (Hình 1.2):

- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc rơm rạ để thủy phân,

-9 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 etanol nguyên chất,

- Khử nước để tạo ra etanol khan với nồng độ lên đến 99,7%

Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza

Quá trình sản xuất etanol 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]

d) Các phương pháp làm khan etanol

Thông thường etanol sản xuất theo các phương pháp nêu trên thường có nồng độ ≤ 96% vì vậy để tạo ra etanol 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:

- 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 etanol nhằm loại bỏ etanol ra khỏi nước và điểm sôi hỗn hợp cấp 2 với etanol để loại bỏ phần lớn benzen Phương pháp này có thể tạo ra etanol có độ khan rất cao tuy nhiên vẫn còn một lượng nhỏ benzen còn lại trong etanol gây độc hại Do vậy phương này chỉ ứng dụng để tạo etanol 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% etanol Có thể sử dụng zeolit dạng viên hoặc bột yến mạch tuy nhiên

-10-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 CO2nóng Etanol tinh khiết sản xuất theo phương pháp này sẽ không chứa benzen do vậy etanol 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 etanol nồng độ thấp  92% làm nhiên liệu Đối với etanol dạng này yêu cầu phải có phụ gia có vai trò xúc tiến quá trình hòa trộn giữa xăng và etanol 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

1.2.2 Xăng sinh học

1.2.2.1 Tính chất lý hóa của xăng sinh học

Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng truyền thống và etanol theo một tỷ lệ nhất định Sau khi phối trộn, xăng sinh học có những thay đổi nhất định về tính chất so với xăng gốc,

ví dụ về tính chất một số loại xăng sinh học thể hiện ở Bảng 1.3

Tỷ lệ phối trộn các loại nhiên liệu etanol – xăng (E0; E5; E10; E20; E30) ở đây E chỉ etanol và số tiếp theo chỉ phần trăm etanol (E5 có nghĩa là 5% etanol được pha trộn với 95% xăng)

Bảng 1.3 cho thấy khi thay đổi tỷ lệ phối trộn etanol – xăng thì áp suất hơi bảo hòa (RVP); trị số octan, nhiệt trị của nhiên liệu thay đổi Khi tăng hàm lượng etanol thì áp suất hơi bảo hòa (RVP) tăng, đạt giá trị lớn nhất ở E10 và sau đó giảm, trị số octan tăng, nhiệt trị của nhiên liệu giảm vì nhiệt trị của etanol thấp hơn xăng

Bảng 1.3 Tính chất lý hóa của xăng sinh học [18]

So sánh thuộc tính của xăng sinh học và xăng truyền thống Đặc tính Nhiên liệu

Hàm lượng chất keo rửa trôi

(RVP- Reid Vapor Pressure)- : Áp suất hơi bão hòa

1.2.2.2 Ảnh hưởng của tính chất xăng sinh học đến động cơ xăng

a) Độ bay hơi của xăng sinh học

Xăng có ẩn nhiệt hóa hơi là khoảng 465,4 KJ/kg; etanol là 839,67 KJ/kg Trong động

cơ, sự bay hơi của hỗn hợp xăng/không khí dẫn tới sự giảm nhiệt độ vào khoảng 4,40C Ở cùng một điều kiện, do nhiệt ẩn hóa hơi của etanol lớn hơn 2 lần so với xăng, nên sự giảm nhiệt độ đối với etanol lớn hơn hai lần so với xăng Sự giảm nhiệt độ này dẫn tới một “mật

độ khối lượng” xăng sinh học vào động cơ lớn hơn so với xăng Nhiệt ẩn hóa hơi của xăng sinh học cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp, do đó nạp được nhiều hỗn hợp hơn vào trong xy lanh của động cơ, kết hợp với nhiệt trị thể tích của hỗn hợp của etanol gần bằng của xăng, cho nên công suất của động cơ dùng etanol có thể lớn hơn khi dùng xăng Điều này dẫn tới sự tăng hiệu quả về nhiên liệu của etanol so với xăng

b) Ảnh hưởng của etanol lên độ bay hơi của nhiên liệu

Độ bay hơi của nhiên liệu thể hiện qua áp suất hơi Reid (RVP) RVP của etanol thấp hơn RVP của xăng nhiều Tuy nhiên, RVP của xăng sinh học không tuân theo quan hệ tuyến tính với tỷ lệ etanol trong nhiên liệu Hàm lượng etanol thấp trong xăng sẽ gây ra sự tăng RVP Áp suất hơi tăng đến giá trị

cực đại khi hàm lượng etanol trong

nhiên liệu khoảng 10% thể tích và bắt

đầu giảm khi tiếp tục tăng hàm lượng

etanol (Hình 1.3) Như vậy hỗn hợp

nhiên liệu có hàm lượng etanol lớn

hơn 10% sẽ có sự tăng nhẹ hơn về

RVP Theo các nghiên cứu, khi thêm

etanol, xăng có áp suất hơi bản thân

thấp sẽ có độ tăng áp suất hơi cao hơn

so với xăng có áp suất hơi cao

Hình 1.3 Áp suất hơi bão hòa tại 37,8 0 C

-12-các phụ gia chống kích nổ truyền thống

gây ô nhiễm như tetra etyl chì Việc pha

10 - 15% etanol vào xăng không chì làm

tăng trị số octan đến giá trị cho phép có

thể được sử dụng để đốt trong động cơ tỷ

số nén cao mà trước đây không thể sử

dụng cho nhiên liệu xăng không chì

truyền thống Việc sử dụng etanol không

phải là mới do etanol đã từng được sử

dụng làm phụ gia tăng trị số octan [19]

d) Hiệu ứng làm giảm tỷ lệ không khí/nhiên liệu (tỷ lệ A/F)

Xăng là hỗn hợp của các hydrocacbon chỉ chứa H và C, etanol chứa H, C và O Tỷ lệ A/F cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu để tạo thành CO2 và nước gọi là tỷ lệ hỗn hợp công tác A/F lý tưởng (stoichiometric ratio) Với xăng, tỷ lệ này vào khoảng 14,7:1 (theo khối lượng) Với xăng sinh học, không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu cần ít hơn do trong bản thân etanol đã có ôxy và do một số hydrocacbon được thay thế Lấy ví dụ, một nhiên liệu chứa 10% etanol chỉ yêu cầu A/F từ 14:1 đến 14,1:1

e) Phân tách pha do sự có mặt của nước

Sự phân tách pha xảy ra khi hàm lượng nước trong xăng quá cao Nước có tỷ trọng lớn hơn xăng nên lắng xuống phía dưới khi phân tách Do nhiên liệu thường được lấy ở gần đáy thùng chứa, nên nước trong nhiên liệu sẽ ảnh hưởng tới động cơ tính năng kỹ thuật động cơ và tăng cường quá trình ăn mòn, lão hóa các chi tiết Các loại xăng thông thường chỉ có thể hấp thụ một lượng nhỏ nước trước khi sự phân tách pha xảy ra Nhiên liệu xăng sinh học có thể hấp thụ một lượng nước lớn hơn Nhiên liệu xăng sinh học thực tế có chức năng làm khô thùng chứa nhờ sự hấp thụ nước đáng kể mà không xảy ra sự phân tách pha

do khả năng hoà tan của nước trong etanol cao và cho phép sử dụng trực tiếp trong động

cơ Tuy nhiên nếu lượng nước quá cao, nước và phần lớn etanol sẽ phân tách và lắng xuống phía dưới thùng nhiên liệu Lượng nước có thể được hấp thụ trong nhiên liệu xăng sinh học mà không xảy ra sự phân tách pha trong thay đổi từ 0,3 - 0,5% thể tích, tuỳ thuộc vào nhiệt độ

1.2.2.3 Ảnh hưởng của xăng sinh học đến môi trường

Động cơ sử dụng etanol giảm phát thải khí nhà kính, giảm được khí CO2 và khí độc hại Thêm vào đó, phát thải CO2 lại được cây hấp thụ lại để tái tạo etanol, như vậy coi như không làm gia tăng khí CO2 trong khí quyển Do etanol có chứa tới 34,7% khối lượng ôxy nên xăng sinh học cũng chứa một tỷ lệ ôxy nhất định giúp cải thiện quá trình cháy, qua đó phần lớn các phát thải độc hại trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng được giảm Xăng sinh học chứa ít lưu huỳnh và các hydrocacbon thơm nên giảm các sản phẩm cháy có chứa lưu huỳnh trong khí thải, hạn chế sự hình thành mưa axit Tuy nhiên do xăng sinh học dễ bay hơi hơn xăng thông thường nên có xu hướng làm tăng phát thải HC do bay hơi Thêm vào đó, hàm lượng acetaldehyde trong khí thải động cơ sử dụng xăng sinh học

có thể tăng lên

Hình 1.4 Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol

-13-1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol

1.2.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol trên thế giới

Trong những năm vừa qua, ngành nhiên liệu sinh học trên thế giới đã có những bước phát triển mãnh mẽ dựa trên 3 động lực chính là phát triển năng lượng tái tạo trước tình trạng giá dầu tăng cao, hỗ trợ nông nghiệp qua việc gia tăng giá trị sản phẩm, và bảo vệ môi trường Tổ chức Năng lượng Quốc tế IEA kêu gọi từ nay đến năm 2020 cần tăng gấp đôi sản lượng NLSH nhằm góp phần giảm 20C nhiệt độ trái đất

Chính phủ nhiều nước trên thế giới đã hỗ trợ ngành NLSH phát triển thông qua các chính sách bắt buộc pha trộn NLSH vào nhiên liệu truyền thống và các chỉ tiêu về tỷ lệ năng lượng tái tạo trong nền kinh tế Trong ngành NLSH trên thế giới, etanol phát triển mạnh nhất Xét về giá trị kinh tế, ngành sản xuất etanol đến nay đã tạo được hơn 1,4 triệu việc làm và đóng góp giá trị gia tăng hơn 277,3 tỷ USD cho kinh tế thế giới

Về tốc độ phát triển, các thống kê khác nhau cho thấy, sản lượng etanol đến năm 2012

đã đạt xấp xỉ 115 tỷ lít, tăng gần gấp đôi trong vòng 5 năm qua Trong đó, Mỹ, Braxin và

EU chiếm 87% sản lượng toàn cầu OECD và FAO cũng đưa ra dự báo, đến năm 2021 sản lượng etanol toàn cầu sẽ tăng lên đến 180 tỷ lít

Hình 1.5 Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017

Việc nghiên cứu, phát triển sản xuất và sử dụng NLSH thu hút sự quan tâm rất lớn của các quốc gia trên thế giới do các lợi ích của loại nhiên liệu này đối với an ninh năng lượng, môi trường và xã hội Với các lợi ích thiết thực như vậy, nhiều quốc gia trên thế giới đã xây dựng và ban hành các chiến lược, chương trình, chính sách thúc đẩy phát triển sản xuất

và sử dụng NLSH theo hướng bền vững, trên cơ sở đảm bảo an ninh năng lượng, an ninh lương thực, bảo vệ môi trường và giải quyết các vấn đề xã hội

a) Brazil

Nước này có diện tích canh tác trồng mía cho sản xuất etanol lên đến gần 8 triệu ha

450 nhà máy đường ở Brazil hầu hết đều sản xuất etanol Ngành công nghiệp etanol ở Brazil nhận được nguồn tài chính khổng lồ và những chính sách công phù hợp, ưu đãi

-14-khiến cho sản phẩm xăng sinh học ở đây có sức cạnh tranh lớn nhất thế giới Brazil đứng thứ 2 trên thế giới về sản xuất etanol (từ mía đường) với sản lượng gần 25 tỷ lít/năm Bên cạnh đó, Brazil cũng là nước tiên phong trong việc sử dụng NLSH trên thế giới, đặc biệt trong việc nghiên cứu phát triển các loại phương tiện vận tải sử dụng etanol nguyên chất Những chiếc xe chạy etanol nguyên chất đã được Brazil giới thiệu từ những năm 1970 của thế kỷ trước và sử dụng rộng rãi trong những năm 1980 Tại Brazil hiện nay

có tới hơn 80% phương tiện vận tải sử dụng NLSH các loại trong tổng số xe mới bán ra góp phần nâng số lượng xe sử dụng NLSH tại Brazil lên hơn 50% trong tổng số gần 30 triệu xe tải nhẹ đang lưu hành

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng NLSH ngày càng tăng ở trong nước, cùng với mức hỗ trợ tín dụng ưu đãi từ Chính phủ, đã thúc đẩy việc đầu tư xây dựng thêm các nhà máy sản xuất etanol trên toàn quốc Đặc biệt là từ giữa các năm 2005 – 2012 đã có hơn 116 nhà máy sản xuất etanol mới được đầu tư xây dựng tại Brazil

b) Trong khối EU

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 Ba quốc gia Pháp, Đức, Anh chiếm khoảng một nửa sản lượng etanol toàn EU Tiêu thụ nhiên liệu sinh học của EU luôn cao hơn sản xuất và được bù đắp bằng nguồn nhập khẩu, chủ yếu từ Brazil Tiêu thụ NLSH cũng tăng nhanh khoảng 23% mỗi năm, do ngoài việc áp dụng E5, E10 và B7 lên các động cơ truyền thống, loại động cơ cải tiến dùng E85 đang được áp dụng ngày càng rộng rãi

Từ đầu năm 2004 các trạm xăng Aral và Shell ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà theo đó từ 31 - 12 - 2005 ít nhất 2% và đến 31 - 12 - 2010 ít nhất 5,75% các nhiên liệu dùng để chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo

Tại Mỹ, etanol sản xuất chủ yếu từ ngô Đạo luật về an ninh và độc lập năng lượng ban hành năm 2007 đã giúp Mỹ vượt qua Brazil để trở thành nước sản xuất etanol lớn nhất thế giới Dưới đạo luật này, chương trình nhiên liệu tái tạo của Mỹ ban đầu đặt chỉ tiêu năm 2008 pha 29 tỷ lít NLSH vào xăng, nhưng thực tế năm 2008 đạt đến 32 tỷ lít và chỉ tiêu đề ra cho năm 2022 là 137 tỷ lít

Trong những năm qua, Chính phủ Mỹ cũng có chương trình hỗ trợ sản xuất etanol cho các nhà máy chế biến với những chính sách ưu đãi đặc biệt bao gồm các khoản tín dụng

e) Thái lan

Ngày 27/12/2011, Chính phủ Thái lan phê duyệt và ban hành chương trình phát triển năng lượng tái tạo trong 10 năm (2012 - 2021) nhằm tăng lượng sử dụng NLSH trên toàn quốc từ 1,1 triệu lít ngày (tương đương 9,4% tổng tiêu thụ năng lượng) lên 9 triệu lít ngày vào năm 2021 (tương đương 25% tổng tiêu thụ năng lượng) Mục tiêu chính của chương trình này nhằm giảm 80% lượng dầu mỏ nhập khẩu

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%

1.2.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ở Việt Nam

Sản xuất etanol theo công nghiệp ở nước ta đã bắt đầu từ năm 1898 do người Pháp thiết kế và xây dựng Trước Cách mạng Tháng Tám ở nước ta có các nhà máy ancol Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán và Cái Rằng Tất cả đều sản xuất từ ngô, gạo theo phương pháp amylo Sau ngày hoà bình lập lại (1955), các nhà máy không còn thiết bị nguyên vẹn nên chính phủ ta tập trung cải tạo, sửa chữa thành nhà máy ancol Hà Nội với năng suất 6 triệu lít/năm

-16-Đến năm 1960, chúng ta có thêm hai nhà máy etanol từ rỉ đường là Việt Trì - Phú Thọ

và Sông Lam - Nghệ An Năng suất mỗi nhà máy là 1 triệu lít Trong những năm chống

Mỹ cứu nước, các tỉnh và địa phương xây dựng thêm hàng loạt các nhà máy ancol cỡ 1 triệu lít/năm như Lục Ngạn - Hà Bắc, Hứng Nhân - Thái Bình Ngoài ra hầu hết ở các tỉnh cũng xây dựng các phân xưởng etanol cỡ nhỏ 100000lít/năm Tổng năng suất của các nhà máy lớn nhỏ là 15 triệu lít/năm

Sau năm 1975, chúng ta tiếp quản và xây dựng thêm các nhà máy rỉ đường và một số

cơ sở tư nhân khác Thời điểm 1980 - 1985 tổng lượng etanol sản xuất hàng năm là trên 30 triệu lít Có thể nói, thời gian này lượng etanol trong cả nước là lớn nhất, vừa xuất khẩu vừa tiêu thụ trong nước

Tính đến tháng 12/2012, cả nước đã có 6 nhà máy (Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công ty Cổ phần Đồng Xanh; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công ty TNHH Tùng Lâm; Nhà máy sản xuất Etanol – Công ty TNHH Đại Việt; Nhà máy sản xuất Bio-etanol Đăk Tô – Kum Tum; Nhà máy sản xuất Etanol sinh học Dung Quất; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu Bình Phước) sản xuất NLSH đi vào hoạt động với tổng công suất thiết kế khoảng 535 triệu lít etanol/năm đủ để pha khoảng trên 1054 triệu lít xăng E5 hoặc trên 526 triệu lít xăng E10

Sản phẩm của các công ty này được tiêu thụ trong nước khoảng 20% để phối trộn xăng E5 và bán theo hệ thống phân phối của Tập đoàn Dầu khí và của Công ty Sài Gòn Petro Phần còn lại khoảng 80% sản lượng sản xuất được xuất khẩu cho các nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, Philippine ở dạng 95,5 và 96% etanol

Hiện cả nước có một số dự án đầu tư xây dựng nhà máy (Nhà máy sản xuất Etanol sinh học Phú Thọ; Nhà máy cồn sinh học Việt – Nhật) sản xuất etanol nhiên liệu đang trong giai đoạn hoàn tất chuẩn bị đưa vào vận hành với công suất thiết kế đạt khoảng 220 triệu lít etanol/năm

Ngoài các nhà máy trong giai đoạn hoàn tất chuẩn bị đưa vào sản xuất trong năm

2012, hiện nay còn một số các dự án đã được các tỉnh phê duyệt đầu tư (Nhà máy sản xuất Bio-etanol nhiên liệu – Công ty Cổ phần Tấn phát; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công ty cổ phần Thảo Nguyên; Nhà máy liên hợp sản xuất Etanol, phân bón và thức ăn gia súc – Công ty cổ phần Bio-etanol Thái – Việt; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công

ty cổ phần Quy Nguyên; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công ty cổ phần Năng lượng xanh dầu khí toàn cầu – Energreen) đang tiến hành xây dựng dự kiến hoàn thành và đưa vào sản xuất giai đoạn từ năm 2013 đến 2015 Theo số liệu báo cáo của các Công ty, tổng năng lực sản xuất của nhóm này đạt khoảng 350 triệu lít etanol nhiên liệu/năm Nếu các dự án đầu tư được triển khai đúng tiến độ, đến năm 2015, cả nước sẽ có 13 nhà máy sản xuất etanol nhiên liệu với tổng công suất thiết kế đạt khoảng 1,100 triệu lít đủ để phối trộn 8,5 triệu tấn xăng E10 và nhu cầu sử dụng sắn đạt 2,15 triệu tấn sắn lát khô

Tình hình sản xuất etanol tại Việt Nam 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

-17-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 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 đó 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:

Ngày 15/09/2008, tổng công ty Dầu Khí Việt Nam (PV Oil) thuộc Petro Việt Nam đã bán xăng pha 5% etanol (E5) ra thị trường với giá 16.500 đồng/lít, rẻ hơn giá xăng A92 lúc

đó 500 đồng/lít Tuy nhiên chỉ 6 ngày sau (20/09), việc bán xăng pha etanol ra thị trường

bị dừng lại do chưa có tiêu chuẩn về xăng sinh học

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 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

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định 177/2007/QĐ-TTg phê

duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” [5]

Đề án xây dựng mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh học theo từng giai đoạn, bao gồm các vấn đề về cơ chế chính sách, quy hoạch vùng nguyên liệu, đào tạo nguồn nhân lực, nghiên cứu làm chủ công nghệ chế biến phối trộn xăng sinh học Theo đó, đến năm 2015 sản

-18-lượng etanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước; và đến năm sản lượng này đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước

1.2.4 Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ trên thế giới

Do có một số tính chất của etanol khác với xăng truyền thống nên để ứng dụng trong thực tế nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học tới tính năng kỹ thuật, phát thải và độ bền của động cơ

1.2.4.1 Ảnh hưởng của xăng sinh học tới tính năng kỹ thuật động cơ

Động cơ sử dụng xăng sinh học thường cho kết quả về công suất, mômen tốt hơn, tuy nhiên tiêu hao nhiên liệu có thể cao hơn so với xăng truyền thống Thử nghiệm với động

cơ 4 xylanh, phun xăng điện tử, tỷ số nén 9,8:1 với xăng E10 tại chế độ toàn tải [20] cho thấy công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu đều tăng chút ít so với khi sử dụng xăng thông thường (Hình 1.6) Lượng ô xy sẵn có trong xăng sinh học giúp cải thiện quá trình cháy tăng công suất động cơ, tuy nhiên nhiệt trị của xăng sinh học thấp hơn nên suất tiêu thụ nhiên liệu tăng so với khi sử dụng xăng thông thường

Hình 1.6 Công suất (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) khi sử dụng E0 và E10 [20]

Thử nghiệm tương tự với động cơ xăng 4 xylanh, tỷ số nén 9:1 đối với xăng sinh học

có tỷ lệ etanol biến thiên từ 0% đến 25%, ở các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph và bướm ga mở 75% cũng cho thấy tính năng kỹ thuật của động cơ được cải thiện [21] Khi tăng tỷ lệ etanol, hệ số dư lượng không khí tương đương (tỷ lệ nghịch với hệ số dư lượng không khí lambda) giảm xuống, tức là hỗn hợp có xu hướng nhạt dần (Hình 1.7a) Điều này gây bởi hai nguyên nhân:

- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 đơn vị khối lượng xăng sinh học giảm,

- Lượng ôxy nạp vào trong xylanh động cơ tăng vì ngoài lượng ôxy trong không khí nạp còn có một lượng ôxy chứa sẵn trong xăng sinh học

Tuy nhiên, khi nồng độ etanol lớn hơn 20%, hệ số dư lượng không khí tương đương biến thiên theo chiều ngược lại vì mật độ nhiên liệu lúc này tăng làm giảm lượng không khí thực tế đi vào xylanh

lệ etanol lớn lại làm tăng nhiệt dung riêng (vì nhiệt dung riêng của etanol cao hơn của xăng thông thường) nên nhiệt độ của khí nạp tăng lên Như vậy tăng tỷ lệ etanol sẽ có hai tác dụng ngược nhau đối với nhiệt độ môi chất nạp và giá trị nhiệt độ này sẽ tùy vào ảnh hưởng của yếu tố nào mạnh hơn Với tỷ lệ etanol nhỏ hơn 20%, ảnh hưởng của sự tăng độ bay hơi và ẩn nhiệt của xăng sinh học lớn hơn nên nên hệ số nạp tăng, trong khi với tỷ lệ etanol lớn hơn nữa thì ảnh hưởng của nhiệt dung riêng lớn hơn nên hệ số nạp có xu hướng giảm dần Mômen động cơ cũng có xu hướng biến thiên tương tự như hệ số nạp và Suất tiêu thụ nhiên liệu cũng có sự thay đổi tương ứng (Hình 1.8)

Hình 1.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới mômen động cơ (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) [21]

Với tỷ lệ etanol cao hơn, thử nghiệm trên động cơ phun xăng điện tử trong điều kiện góc đánh lửa tối ưu (MBT, góc đánh lửa tại đó mômen đạt lớn nhất), hệ số dư lượng không khí được duy trì bằng 1, tỷ số nén 10:1 cho thấy mômen tăng khoảng 2%, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng khoảng 20,3% và 45,6% đối với E50 và E85 so với E0 [22] Điều này cho

-20-thấy mặc dù nhiệt trị của xăng sinh học thấp hơn xăng thông thường, tuy nhiên các yếu tố như sự có mặt của ôxy trong nhiên liệu, khối lượng riêng tăng, nhiệt hóa hơi lớn làm giảm nhiệt độ khí nạp và tăng hệ số nạp đã dẫn tới sự tăng mômen khi sử dụng xăng sinh học Một thử nghiệm khác với dải tỷ lệ etanol rộng hơn, từ 0 đến 100%, ở cùng chế độ tốc độ và công suất, hiệu suất nhiệt động cơ đạt được lớn nhất với E60 và suất tiêu thụ nhiên liệu tăng cùng với tỷ lệ của etanol trong nhiên liệu [23]

Nghiên cứu trên động cơ có thiết kế cũ, trang bị bộ chế hòa khí cho thấy với xăng E10, E20 và E30 công suất động cơ tăng và suất tiêu thụ nhiên liệu giảm so với xăng thông thường [24] Nguyên nhân được giải thích là do sự tăng lên của khối lượng nhiên liệu nạp vào, của hệ số nạp và trị số Octan

Xăng sinh học có trị số Octan lớn hơn xăng thông thường nên có thể tăng tỷ số nén của động cơ mà không gây hiện tượng kích nổ Thông thường, khi trị số Octan tăng 5 đơn

vị thì có thể tăng tỷ số nén lên 1 đơn vị [23], như vậy nếu sử dụng etanol cho động cơ xăng thông thường (tỷ số nén 9:1, xăng 95) có thể tăng tỷ số nén tới 14:1 giúp nâng cao hiệu suất nhiệt Tăng tỷ số nén từ 10:1 lên 11:1 khi sử dụng E50 và E85 giúp mômen động cơ tăng từ 2% lên 2,3% và 2,8% trong khi giảm mức tăng Suất tiêu thụ nhiên liệu từ 20,3% và 45,6% xuống còn 16,1% và 36,4% [22] Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ etanol và tỷ số nén đến đặc tính động cơ cho thấy tỷ số nén tối ưu (công suất đạt lớn nhất) là 8, 10 và 12 tương ứng với xăng E10, E20 và E30 [25] Việc tăng tỷ số nén có thể được thực hiện bằng cách thiết kế lại piston và chú ý tới khả năng chịu bền của xécmăng, thanh truyền, xupáp, bugi

và tính cân bằng của trục khuỷu [26]

1.2.4.2 Ảnh hưởng của xăng sinh học tới chất lượng phát thải

Hầu hết các kết quả thử nghiệm đều cho thấy sử dụng xăng sinh học có thể giảm đáng

kể HC, CO, tuy nhiên lượng CO2 có xu hướng tăng và NOx thay đổi tùy từng trường hợp [18, 21, 22, 27, 28] Nghiên cứu đối với xăng sinh học có tỷ lệ cồn tới 25% ở các tốc độ khác nhau đã đề cập ở trên [21] cho thấy khi tỷ lệ etanol tăng, tốt nhất là với E20, lượng phát thải CO, HC giảm và CO2 tăng (Hình 1.9) Đây là kết quả của quá trình cháy được cải thiện nhờ các ưu điểm của xăng sinh học ở trên và phù hợp với xu hướng thay đổi của mômen động cơ

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải CO, HC và CO 2 [21]

Thử nghiệm với E50 và E85 cũng cho thấy CO và đặc biệt HC giảm nhiều so với xăng thông thường [22] Hàm lượng NOx trong trường hợp này có xu hướng giảm (Hình 1.10)

Sự hình thành NOx chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ đỉnh và lượng ôxy có mặt trong quá trình cháy, trong đó hình thành nhiều nhất tại nhiệt độ trên 15000C và hỗn hợp hơi nhạt (hệ

-21-số dư lượng không khí lớn hơn 1 một chút)

[29, 30] Sự giảm NOx được giải thích do nhiệt

hóa hơi của E50 và E85 lớn hơn E0 nên làm

giảm nhiệt độ màng lửa Kết quả giảm NOx

cũng thu được ở một số nghiên cứu khác

[27,28]

Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác cho

kết quả hàm lượng NOx tăng khi tăng tỷ lệ

etanol trong nhiên liệu [31, 32] Thử nghiệm

đối với động cơ có bộ chế hòa khí, không điều

chỉnh lượng nhiên liệu theo tỷ lệ etanol trong xăng sinh học (điều khiển vòng hở) theo chu trình thử FTP75, khi tỷ lệ etanol tăng từ 0 đến 20% thì lượng HC và CO giảm trong khi

NOx tăng khoảng 30% với E20 [31] Cũng với chu trình thử FTP nhưng với các động cơ phun xăng điện tử điều khiển vòng kín và xăng sinh học có tỷ lệ cồn từ 0% đến 40% cho thấy NOx tăng chậm đều tới E30 (tăng khoảng

28% với E30) nhưng sau đó tăng nhanh (tới

90% với E40) [32] Kết quả này cũng phù hợp

với thử nghiệm E20 trên một số mẫu xe sản

xuất năm 2001 với chu trình thử Australia

ADR37/01 [33], trung bình NOx tăng tới 48%

so với trường hợp sử dụng xăng thông thường,

trong khi HC và CO giảm cùng với xu hướng ở

trên (Hình 1.11)

Trong trường hợp giữ cố định lượng nhiên

liệu cung cấp và lượng không khí nạp, khi tăng

tỷ lệ etanol trong xăng sinh học làm cho hỗn hợp nhạt dần (lambda tăng) và có ảnh hưởng khá rõ rệt tới hàm lượng NOx Với hệ số lambda ban đầu là 0,847, tức là hỗn hợp hơi đậm, thử nghiệm trên động cơ 1 xylanh [34] cho thấy khi tỷ lệ etanol tăng đến 20%, lambda tăng đến 0,925 và hàm lượng NOx tăng tới 60% (Hình 1.12)

Hình 1.12 Hàm lượng phát thải khi giữ

nguyên lượng nhiên liệu cung cấp [34]

Hình 1.13 Sự thay đổi hàm lượng NO x khi sử dụng xăng sinh học so với xăng thông thường [31]

Hàm lượng NOx được cho là phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ nhiều hơn là

tỷ lệ etanol trong nhiên liệu [31] Thử nghiệm với xăng sinh học có tỷ lệ etanol tới 30% trên động cơ phun xăng điện tử đa điểm có điều khiển vòng kín ở các vị trí bướm ga khác

Hình 1.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới

phát thải NO x [22]

Hình 1.11 Thay đổi về phát thải đối với

mẫu xe năm 2001 theo chu trình thử ADR37/01 khi sử dụng E20 [33]

-22-nhau tại tốc độ 3000 v/ph cho thấy (Hình 1.13) ở vị trí tải nhỏ và trung bình, NOx giảm với hầu hết các loại xăng sinh học, trừ E10; ở chế độ tải lớn NOx tăng với E5 và E20 trong khi lại giảm với E10 NOx với E30 luôn có xu hướng giảm ở các chế độ tải thử nghiệm

Hình 1.14 So sánh hàm lượng benzen và toluene trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng thông

thường, E3 và E10 [35]

Xăng sinh học có thể làm tăng một số hợp chất carbonyl không quy định trong tiêu chuẩn như formaldehyde, acetaldehyde và acetone; tuy nhiên, lại làm giảm hàm lượng benzen, toluene là các chất có mức độ độc hại rất cao trong khí thải động cơ sử dụng xăng thông thường (Hình 1.14) [35] Vì vậy sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol cao vẫn đảm bảo cải thiện được môi trường tốt hơn

1.2.4.3 Ảnh hưởng tới vật liệu của các chi tiết

Động cơ đốt trong nói chung và hệ thống nhiên liệu nói riêng gồm nhiều chi tiết có vật liệu khác nhau và cần phải đảm bảo phù hợp với loại nhiên liệu sử dụng Tùy vào hàm lượng etanol trong nhiên liệu, động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học trên

có thể cần có thay đổi nhất định Bảng 1.4 trình bày những cải tiến cần thiết theo những khuyến cáo về cải tiến động cơ của Brazin khi bắt đầu chương trình sử dụng etanol ở Brazin năm 1979 [36]

Bảng 1.4 Những cải tiến cần thiết khi sử dụng xăng sinh học [36]

Với bất kỳ phương tiện nào Với những phương tiện đến 15 - 20 năm tuổi

-23-Theo đó, động cơ xăng thông thường có thể sử dụng đến E10 mà không cần phải thay đổi, ngoại trừ cần chú ý một số chi tiết trong bộ chế hòa khí Xăng sinh học có khả năng ăn mòn bởi các yếu tố như tính axít, hoạt tính và các phản ứng hóa học trực tiếp giữa etanol

và một số kim loại [37] Etanol trong xăng sinh học có thể hấp thụ và hòa tan nước tạo ra dung dịch có tính axít yếu Không giống như xăng thông thường, etanol nguyên chất hoặc khi kết hợp với nước có khả năng dẫn điện gây ăn mòn các bề mặt kim loại tiếp xúc Xăng sinh học có thể ăn mòn các chi tiết bằng nhôm hợp kim, hấp thụ chì trong hợp kim bị gây

rỗ bề mặt chi tiết, gia tăng hiện tượng ăn mòn đối với chi tiết bằng thép Do vậy khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn các chi tiết bằng vật liệu này có thể bị ảnh hưởng và cần phải được bổ sung thêm các chất ức chế ăn mòn Những tác động của xăng sinh học ảnh hưởng tới chức năng làm việc của các chi tiết và chất lượng động cơ Mặc dù chưa nhiều nhưng đến nay đã có một số nghiên cứu nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng cũng như khả năng tương thích của các chi tiết và vật liệu các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu động

cơ xăng truyền thống với xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn

Thử nghiệm đối với các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu động cơ xe con, động cơ xuồng máy và động cơ máy tỉa cây với xăng E20 đã được thực hiện tại Australia [38, 39] Dựa trên quy trình tiêu chuẩn SAE J1747 và SAE J1748, trong nghiên cứu này các chi tiết kim loại được ngâm ở nhiệt độ 450C, chi tiết phi kim (nhựa và vật liệu đàn hồi) được ngâm

ở nhiệt độ 550C, thời gian ngâm là 2000 giờ Kết quả cho thấy đều xuất hiện hiện tượng ăn mòn đối với các chi tiết kim loại (Hình 1.15) Các ôxít bong tách từ bề mặt chi tiết kim loại

có thể trở thành các hạt mài gây mài mòn các chi tiết chuyển động hoặc gây tắc trên đường nhiên liệu Các chi tiết bằng đồng và chi tiết tiếp xúc điện sau khi ngâm đều bị xỉn màu, giảm độ bóng bề mặt (Hình 1.16, Hình 1.17) có thể dẫn tới sai lệch về thành phần hòa khí cung cấp cho động cơ (trường hợp gíclơ nhiên liệu, vít điều chỉnh nhiên liệu trong bộ chế hòa khí bị ôxy hóa) và giảm khả năng dẫn điện của các chi tiết tiếp xúc điện (trường hợp các giắc nối, đầu tiếp điện của bơm nhiên liệu…)

Hình 1.15 Vỏ bơm nhiên liệu (đặt trong thùng nhiên liệu) trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20,

thời gian 2000h, nhiệt độ là 45 0 C [38, 39]

Hình 1.16 Vít điều chỉnh không tải (bằng đồng) của bộ chế hòa khí trước (a) và sau (b) khi ngâm

trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 45 0 C [38, 39]

-24-Hình 1.17 Lõi bơm nhiên liệu trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ

là 45 0 C [38, 39]

Hình 1.18 Màng van bơm nhiên liệu trước (a)

và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h,

nhiệt độ là 55 0 C [38, 39]

Hình 1.19.Van thông khí cácte trước (a) và sau

(b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt

độ là 55 0 C [38, 39]

Các chi tiết phi kim có những thay đổi đáng kể sau khi ngâm trong E20: các màng cao

su bị đổi màu, biến dạng (Hình 1.18), các ống cao su trương nở và tách ra khỏi ống nối (Hình 1.19)

Một nghiên cứu tương tự thực hiện đối với các mẫu vật liệu thường sử dụng của các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu, 19 mẫu kim loại được ngâm ở 450C trong 2016 giờ, 8 mẫu phi kim ngâm ở 550C trong 3024 giờ trong nhiên liệu E10 và E20 giả định [40, 41] Hầu hết các mẫu kim loại thử nghiệm đều có sự thay đổi về màu sắc và khối lượng thay đổi từ 0,0008 gam trở lên sau khi ngâm Đặc biệt với 2 mẫu kim loại magiê và hợp kim thiếc nhôm có sự suy giảm khối lượng lớn tới 0,0185 gam và 0,338 gam và xuất hiện nhiều vết rỗ trên mẫu hợp kim thiếc nhôm [40] Hai mẫu vật liệu này thường dùng cho các chi tiết trong bộ chế hòa khí và bơm màng Tương tự hầu hết các mẫu phi kim cũng thay đổi màu sắc, khối lượng, thể tích và độ bền kéo sau khi ngâm trong E10 và E20 Hai mẫu vật liệu polyurethane 55D-90 Adurameter hardness (PUR) và polyvinyl chloride flexible version (PVC) có sự thay đổi lớn nhất Mẫu PUR có khối lượng tăng tới khoảng 39%, thể tích tăng 60,3% và thậm chí bị gãy vỡ trước khi thực hiện độ bền kéo sau khi ngâm trong E20 (độ bền kéo giảm 72,7% sau khi ngâm trong E10) Mẫu PVC có sự thay đổi ngược lại

về khối lượng và thể tích, giảm trung bình khoảng 31% và 35% sau khi ngâm đối với cả 3 nhiên liệu, tuy nhiên độ bền kéo giảm nhiều nhất tới 40% với E20 [41]

1.2.5 Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ ở Việt Nam

Ở Việt Nam, nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học etanol-xăng trên động

cơ xăng ở các tỷ lệ 5% và 10% (E5 và E10) đã được đề cập trong các nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Động cơ đốt trong, Đại học Bách khoa Hà Nội [6] và Đại học Bách khoa Đà Nẵng [7] Các kết quả nghiên cứu đều phản ánh tích cực tính tương đồng về các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải cũng như một số kết quả khá khiêm tốn liên quan đến độ bền,

Hình 1.20 So sánh các thông số của động cơ xe máy khi sử dụng E5 và E10 với RON92[6]

Cùng với đó, các thành phần phát thải CO và HC giảm lần lượt là 14,40% và 21,65% đối với nhiên liệu E5 so với khi sử dụng xăng RON92 Đây là kết quả rất có lợi đối với môi trường, nhất là đối với thành phần phát thải CO, một thành phần phát thải được quan tâm nhất đối với động cơ xe máy Quá trình cháy được cải thiện nhờ hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu đồng đều hơn do khả năng bay hơi tốt và do lượng ôxy sẵn có của nhiên liệu E5 Tuy nhiên, phát thải NOx và CO2 trong trường hợp sử dụng E5 và E10 cao hơn so với xăng RON92 Đây là hệ quả của việc quá trình cháy trong động cơ được cải thiện: nhiệt độ cháy tăng làm tăng phát thải NOx, nhiên liệu cháy kiệt nên hầu hết hyđrô cácbon đều được chuyển thành CO2

Nghiên cứu đánh giá độ bền động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu E5 so với nhiên liệu xăng RON92 thị trường đã được thực hiện khá bài bản và chi tiết [7] Theo đó, động cơ của hai

ô tô tải hoàn toàn mới của hãng Suzuki đã được vận hành trong điều kiện đối chứng trên băng thử của phòng thí nghiệm, một xe sử dụng nhiên liệu E5, xe còn lại sử dụng nhiên liệu xăng RON92 thị trường Kết quả thử nghiệm bền cho thấy, sau 455 giờ chạy động cơ (tương đương với khoảng 36.000km vận hành ô tô trên đường) thì công suất ở tốc độ 5.500 v/ph và 95% tải của động cơ sử dụng xăng E5 giảm 1,887% trong khi công suất ở cùng chế

độ của động cơ dùng nhiện liệu RON92 giảm 2,242% Như vậy, có thể thấy rằng công suất động cơ sử dụng E5 sau 455 giờ vận hành suy giảm ít hơn so với động cơ sử dụng xăng thông thường Mức độ tăng tiêu hao nhiên liệu (tính theo kg/giờ) sau 455 giờ vận hành động cơ cũng cho thấy tác động tích cực của nhiên liệu E5, tiêu thụ nhiên liệu của động cơ

sử dụng E5 tăng 3,977%, trong khi giá trị này là 4,406% đối với trường hợp sử dụng xăng thị trường Qua các kết quả trên, có thể nhận định rằng, áp suất nén, độ mòn các chi tiết của động cơ khi sử dụng E5 là tương đồng, thậm chí tốt hơn, so với khi sử dụng xăng thông thường

Nghiên cứu của Viện dầu khí Việt Nam [7] cũng đã chỉ ra rằng nhiên liệu xăng pha

40

Cải thiện(%)

-26-cồn etanol E5 hoàn toàn không xẩy ra hiện tượng tách lớp sau 60 ngày theo dõi trong môi trường kín Điều này là một cơ sở quan trọng trong việc quyết định có nên sử dụng phụ gia chống tách lớp cho nhiên liệu E5 hay không Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng RON92 và cồn 97 với tỷ lệ 90:10 (hỗn hợp E10) thì hiện tượng mờ đục đã xảy ra ngay sau khi pha trộn nếu không sử dụng phụ gia chống tách lớp Hiện tượng mờ đục này có xảy ra hay không khi sử dụng hỗn hợp xăng và cồn tuyệt đối E10 vẫn là một câu hỏi cần được các nhà khoa học trong nước giải đáp

Cũng cần phải kể thêm rằng nghiên cứu sử dụng xăng pha etanol ở Việt Nam còn được thực hiện bởi khá nhiều đơn vị khác và ở nhiều quy mô khác nhau Đề tài độc lập cấp Nhà nước của KS Cù Việt Cường, Công ty CP phát triển phụ gia và sản phẩm dầu mỏ (APP) về“Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học có pha etanol và một số hợp chất có nguồn gốc dầu thực vật”, hoàn thành năm 2006 [8] Nghiên cứu sử dụng etanol E5 trên 50 xe taxi thuộc hiệp hội taxi TP Hà Nội năm 2008 do Công ty Cổ phần Hoá dầu & Nhiên liệu Sinh học Dầu khí, Tập đoàn Dầu khí quốc gia VN thực hiện, tuy nhiên, kết quả nghiên cứu chưa được công bố một cách rộng rãi Ở thời điểm hiện tại, Viện Dầu khí thuộc Tập đoàn Dầu khí quốc gia VN đang phối hợp với Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện một nghiên cứu về lựa chọn các chất phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu gốc khoáng (xăng và diesel) nhằm đảm bảo yêu cầu về chất lượng nhiên liệu trong quá trình bảo quản và sử dụng, đồng thời đảm bảo tính an toàn môi trường của nhiên liệu

1.3 Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn

Như đã trình bày ở trên, etanol có một số tính chất khác với tính chất của nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch, vì vậy để động cơ có thể hoạt động một cách hiệu quả khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn etanol lớn, cần thiết phải nghiên cứu và điều chỉnh kết cấu một cách phù hợp Đặc biệt để tăng khả năng thay thế nhiên liệu truyền thống có thể sử dụng tới E100 trên động cơ xăng thông thường và các nghiên cứu điều chỉnh động cơ trong trường hợp này cũng rõ nét nhất Một số vấn đề đặt ra khi sử dụng xăng E100 được trình bày dưới đây

Etanol có trị số Octan (RON và MON) cao, tăng khả năng chống kích nổ, do đó có thể cải tiến tăng tỷ số nén để tăng hiệu suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, qua đó giảm phát thải CO2

Lượng ôxy trong cồn etanol chiếm khoảng 35% khối lượng nên nhiệt trị của etanol thấp hơn so với xăng (27 MJ/kg so với 42,7 MJ/kg) Để đảm bảo duy trì năng lượng cung cấp cho động cơ cần phải tăng lượng nhiên liệu cho một chu trình Tuy nhiên bên cạnh đó, hàm lượng ôxy lớn của etanol cũng có ảnh hưởng tích cực như giúp cải thiện quá trình cháy, nâng cao hiệu suất động cơ, đặc biệt là giảm phát thải độc hại HC và CO của động

cơ Đồng thời, chất lượng quá trình cháy khi sử dụng cồn etanol còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác như chất lượng hình thành hỗn hợp, tốc độ cháy nên cần tính toán cũng như có phương án cải tiến kết cấu nhằm tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp đảm bảo công suất động cơ không đổi

Etanol có áp suất hơi bão hòa thấp, khả năng bay hơi thấp, nhiệt hoá hơi cao (gấp 3

Etanol có chứa hàm lượng lớn ôxy nên có khả năng ôxy hóa cao, làm cho một số chi tiết kim loại bị ăn mòn, chi tiết phi kim bị lão hóa nhanh Ảnh hưởng này có thể dẫn tới hiện tượng rò rỉ nhiên liệu, gây nguy hiểm cho phương tiện [42]

1.4 Kết luận chương 1

Nhiên liệu thay thế nói chung, xăng sinh học nói riêng đã được nghiên cứu và ứng dụng cho phương tiện giao thông vận tải ở nhiều nước trên thế giới nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường Các nghiên cứu cho thấy khả năng sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn etanol lớn trên các phương tiện giao thông Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của xăng sinh học tới động cơ phụ thuộc nhiều vào kết cấu, kiểu loại động cơ, vật liệu chế tạo chi tiết, chế độ làm việc cụ thể đối với từng trường hợp Ở Việt Nam, Chính phủ đã phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học với mục tiêu đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp vốn là thế mạnh của Việt Nam cũng như tạo việc làm cho người dân, đây cũng là

xu hướng phù hợp với tình hình chung của thế giới Để thực hiện đề án này, nhiên liệu E5

đã được lưu thông và khuyến khích sử dụng trên thị trường, đồng thời lộ trình nâng cao tỷ

lệ cồn etanol trong xăng sinh học cũng đã được đặt ra Tuy nhiên khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn hơn 5% cho động cơ xăng thông thường đang lưu hành ở điều kiện Việt Nam, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã thực hiện, cần đặc biệt quan tâm tới vấn đề tương thích với động cơ gồm tương thích về tính năng và tương thích về vật liệu Sự cần thiết này thể hiện ở những luận điểm sau:

- Khí hậu nóng ẩm ở Việt Nam là cơ sở cho việc hút ẩm xẩy ra mạnh đối với những động cơ sử dụng xăng sinh học Nước tích tụ trên các bề mặt ma sát có thể sẽ gây ô xy hóa bề mặt các chi tiết,

- Phương tiện đang lưu hành ở Việt Nam còn nhiều loại có thiết kế cũ, sử dụng chế hòa khí hoặc phương tiện có độ tuổi trên 10 năm Tác động của xăng sinh học với tỷ lệ etanol lớn đến tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tuổi thọ động cơ của các phương tiện này rõ nét hơn so với những động cơ thế hệ mới,

- Vật liệu chế tạo các chi tiết của động cơ đáp ứng được yêu cầu sử dụng xăng nhưng khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn có thể bị trương nở, lão hóa (đối với các chi tiết phi kim) và ăn mòn hóa học (đối với một số chi tiết kim loại),

- Cồn etanol và xăng sinh học được sản xuất và phối trộn tại Việt Nam

Kết quả nghiên cứu cần đánh giá được một cách toàn diện ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn hơn 5% tới phương tiện đang lưu hành trong điều kiện Việt Nam Qua đó giúp cho các nhà sản xuất và người sử dụng biết được những tác động có thể xảy ra

và những điều chỉnh cần thiết đối với phương tiện khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn

-28-CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TƯƠNG THÍCH CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG TRUYỀN THỐNG KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC

2.1 Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức

2.1.1 Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức

Trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, nhiên

liệu và không khí được hòa trộn với nhau trên

đường ống nạp, đi vào qua xupap nạp vào

xylanh, hòa trộn với lượng khí sót còn lại

trong xylanh, sau đó hỗn hợp này bị nén lại

trong hành trình nén Cuối hành trình nén, tia

lửa điện được phóng ra ở 2 điện cực bugi thực

hiện quá trình đốt cháy hỗn hợp Trong khoảng

thời gian ngắn sau khi bugi bật tia lửa điện,

năng lượng tỏa ra từ quá trình cháy hỗn hợp

rất nhỏ nên không thấy rõ sự khác biệt về áp

suất và nhiệt độ trong xylanh so với trường

hợp không đánh lửa, đây thường gọi là giai

đoạn cháy trễ (Hình 2.1) Sau giai đoạn cháy

trễ, màng lửa từ tâm cháy tiếp tục phát triển và

lan truyền khắp buồng cháy, đường áp suất khi này tách ra khỏi đường nén và tăng mạnh đến giá trị cực đại sau ĐCT trước khi toàn bộ hòa khí được đốt cháy hoàn toàn Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nhanh Sau đó, áp suất giảm khi thể tích xylanh tăng dần trong phần hành trình giãn nở gọi là giai đoạn cháy rớt

Toàn bộ quá trình cháy cần diễn ra lân cận ĐCT để mômen và công suất động cơ đạt lớn nhất Thời gian từ khi hình thành màng lửa trung tâm đến khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy khoảng 30 đến 90 độ góc quay trục khuỷu Nếu quá trình cháy diễn ra quá sớm công nén sẽ tăng; ngược lại nếu quá trình cháy diễn ra quá muộn, áp suất lớn nhất trong xylanh xuất hiện trong quá trình giãn nở, khi thể tích trong xylanh khá lớn làm giá trị áp suất này giảm dẫn đến công truyền từ lực khí thể cho piston giảm Thời điểm đánh lửa tối

ưu phụ thuộc vào tốc độ phát triển và lan truyền màng lửa, chiều dài quãng đường màng lửa đi qua trong buồng cháy và diễn biến khi màng lửa chạm thành buồng cháy Các yếu tố này phụ thuộc vào kết cấu và điều kiện làm việc của động cơ, đặc tính của nhiên liệu, của không khí và hỗn hợp khí cháy

Màng lửa trong quá trình cháy được hình thành và trải qua các giai đoạn khác nhau, bắt đầu từ khi bugi bật tia lửa điện, hình thành trung tâm màng lửa, lan truyền màng lửa khắp buồng cháy và kết thúc cháy khi màng lửa chạm thành vách buồng cháy Các nghiên cứu cho thấy, sau khi bugi bật tia lửa điện, một màng lửa hình cầu bề mặt gồ ghề được hình thành và phát triển dần (Hình 2.2) Ban đầu của giai đoạn này màng lửa là một lớp mỏng, có số lượng nếp gấp vừa phải, tuy nhiên khi chịu tác động của dòng chuyển động

Hình 2.1 Diễn biến áp suất trong xylanh

động cơ đốt cháy cưỡng bức I: Giai đoạn cháy trễ II: Giai đoạn cháy nhanh III: Giai đoạn cháy rớt

-29-rối, số lượng nếp gấp tăng lên Ảnh hưởng của chuyển động rối thấy rõ qua bề mặt cuộn lại của màng lửa Thể tích cháy phía sau màng lửa tiếp tục phát triển theo dạng hình cầu, ngoại trừ nơi tiếp giáp với thành buồng cháy Lượng hòa khí được đốt cháy và mức độ tăng

áp suất trở nên đáng kể khi màng lửa đi khoảng 2/3 buồng cháy Áp suất trong xylanh đạt cực đại khi màng lửa lan tới thành ở xa của buồng cháy

Hình 2.2 Hình ảnh quá trình cháy trong xylanh nghiên cứu, diễn biến áp suất và lượng khí cháy ở

tốc độ 1400v/p, áp suất nạp 0,5atm [56]

Hình dạng bề mặt màng lửa cũng phụ

thuộc vào mức độ xoáy lốc của hòa khí

Nếu hòa khí không có xoáy lốc hoặc xoáy

lốc ở mức độ bình thường, bề mặt màng

lửa phát triển theo dạng hình cầu Tuy

nhiên nếu xoáy lốc của hòa khí mạnh bề

mặt màng lửa bị kéo duỗi và biến dạng

theo hình dạng của dòng xoáy (Hình 2.3)

Mức độ chuyển động rối của hòa khí càng

lớn làm tăng độ gồ ghề, tăng nếp gấp trên

bề mặt màng lửa làm tăng diện tích bề

mặt màng lửa Diện tích bề mặt màng lửa càng lớn, lượng hòa khí chưa cháy thâm nhập vào màng lửa và tham gia vùng cháy càng lớn, qua đó tăng tốc độ lan truyền màng lửa Tốc độ lan truyền màng lửa là thông số quan trọng đặc trưng cho quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu, không khí và khí sót Tốc độ cháy được tính toán khác nhau tùy theo màng lửa chảy tầng hay chảy rối Với màng lửa chảy tầng trong các hỗn hợp được hòa trộn trước, tốc

độ lan truyền màng lửa được định nghĩa là tốc độ màng lửa lan truyền đến phần hòa khí chưa cháy đứng yên phía trước màng lửa Với màng lửa chảy rối, tốc độ lan truyền màng lửa có thể được tính thông qua tốc độ lan truyền màng lửa chảy tầng và cường độ rối

Hình 2.3 Hình dạng bề mặt màng lửa

a) Trường hợp hòa khí có xoáy lốc bình thường b) Trường hợp hòa khí có xoáy lốc mạnh