Nghiên cứu sử dụng phụ gia nhiên liệu nhằm nâng cao tính hiệu quả và giảm phát thải độc hại cho động cơ và phương tiện

Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ nghiên cứu một xylanh AVL 5402 tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Đại học Bách khoa Hà Nội để xác định hàm lượng khí thải độc hại, tiêu thụ nh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN BÁ HƯNG

NGHIÊN CỨU XỬ DỤNG PHỤ GIA NHIÊN LIỆU NHẰM NÂNG CAO TÍNH HIỆU QUẢ VÀ GIẢM PHÁT THẢI ĐỘC CHO ĐỘNG CƠ VÀ

PHƯƠNG TIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS TS LÊ ANH TUẤN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài nghiên cứu nào khác

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

LỜI MỞ ĐẦU 7

Chương I TỔNG QUAN 9

1.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng phụ gia nhiên liệu trên thế giới 9

1.1.1 Phụ gia nhiên liệu sử dụng cho động cơ xăng 9

1.1.2 Phụ gia nhiên liệu sử dụng cho động cơ Diesel 12

1.1.3 Phụ gia nhiên liệu Nano 16

1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng phụ gia nhiên liệu ở Việt Nam 18

Chương II MỘT SỐ PHỤ GIA NANO ĐIỂN HÌNH VÀ CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG 20

2.1 Phụ gia eefuel 20

2.2 Phụ gia Maz 25

2.2.1 Thành phần 25

2.2.2 Cơ chế tác dụng 25

2.2.3 Một số kết quả thử nghiệm đối chứng phụ gia Maz 25

2.3 Phụ gia CeO2 26

2.3.1 Giới thiệu chung về CeO 2 26

2.3.2 Phương pháp tổng hợp CeO 2 29

2.3.3 Phụ gia nano xêri ôxit CeO 2 cho nhiên liệu diesel 34

Chương III CƠ SỞ LÝ LUẬN KHẢO SÁT CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 38

3.1 Các chỉ tiêu công tác của động cơ 38

3.1.1 Áp suất chỉ thị trung bình 38

3.1.2 Công suất chỉ thị của động cơ 38

3.1.3 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị 39

3.1.4 Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác 39

3.1.5 Quan hệ giữa các thông số chỉ thị của chu trình công tác 39

3.1.6 Các thông số có ích 41

3.2 Phát thải độc hại của động cơ diesel 43

3.2.1 Sản phẩm cháy và các thành phần độc hại chính của ĐC Diesel 43

3.2.2 Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải của động cơ diesel 46

3.3 Thử nghiệm công nhận kiểu về khí thải của động cơ đốt trong 48

3.3.1 Tổng quan về thử nghiệm công nhận kiểu 48

3.3.2 Khảo sát chu trình thử Châu Âu ECE R49 (EURO II) 51

Chương IV NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA PHỤ GIA NANO CeO2 ĐẾN ĐỘNG CƠ 53

4.1 Mục đích thử nghiệm 53

4.2 Phương pháp thử nghiệm 53

4.3 Đối tượng thử nghiệm 53

4.4 Trang thiết bị thử nghiệm 54

4.5 Quy trình thử nghiệm 66

4.5.1 Chuẩn bị thử nghiệm 66

4.5.2 Quy trình thử nghiệm 67

Chương V KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 68

5.1 Độ mờ khói 68

5.2 Thành phần THC 69

5.3 Thành phần CO và CO2 70

5.4 Thành phần NOx 72

5.5 Suất tiêu thụ nhiên liệu 74

5.6 Áp suất trong xylanh 76

5.7 Kết luận 78

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MTBE Methyl tert-butyl ether

TAME Tertiary amyl methyl ether

ETBE Ethyl tertiary butyl ether

BHT Butylated hydroxytoluene

TEL Tetraethyl lead

MMT Methylcyclopentadenyl manganese tricarbonyl

DCI Darex corrosion inhibitor (Chất ức chế ăn mòn Darex)

EHN 2-Ethylhexyl nitrate

DTBP Di-tertiary butyl peroxide

TBA Tertiary-butylalcohol

TREO Total rare earth oxides (Tổng số ôxit đất hiếm)

PTFE Polytetrafluoroethylene

XRD X-ray Diffraction ( nhiễu xạ tia X)

TEM Transmission Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử truyền qua) JCPDS Dữ liệu tiêu chuẩn về xêri ôxit

ECU Electronic control unit (Bộ điều khiển điện tử)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1 Kết quả đo các thành phần khí thải .24

Bảng 2 Xe chạy với nhiên liệu diesel 0,025% S .26

Bảng 3 Xe chạy với nhiên liệu diesel 0,025% S pha phụ gia Maz 200 với tỷ lệ pha 1000 ppm .26

Bảng 4 Đặc tính vật lý của xêri ôxit 27

Bảng 5 Kết quả tính kích cỡ CeO2 tạo ra từ các chất tiền thân Ce(OH)4 và xêri axêtat ở các thời gian xử lý khác nhau .32

Bảng 6 Phân loại ôtô của tiêu chuẩn Châu Âu .51

Bảng 7 Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 .52

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1 Nhiên liệu không sử dụng phụ gia eefuel .21

Hình 2.2 Nhiên liệu có pha phụ gia eefuel .21

Hình 2.3 Cơ chế làm sạch muội than của phụ gia eefuel .22

Hình 2.4 Kết quả đo công suất tại chế độ 30% tải .23

Hình 2.5 Kết quả đo suất tiêu hao nhiên liệu tại chế độ 30% tải 23

Hình 2.6 Kết quả đo công suất tại chế độ 80% tải 23

Hình 2.7 Kết quả đo suất tiêu hao nhiên liệu tại chế độ 80% tải 23

Hình 2.8 Mạng lưới tinh thể của CeO2 27

Hình 2.9 CeO2 sử dụng Ce(OH)4 (2500C) như một hàm của thời gian .31

Hình 2.10 CeO2 sử dụng xêri axêtat (2500C) như một hàm của thời gian .31

Hình 2.11 CeO2 từ Ce(OH)4 (24 giờ) xử lý nhiệt ở (a) 5000C, (b) 10000C .33

Hình 2.12 CeO2 từ xêri axêtat (24 giờ) xử lý nhiệt ở (a) 5000C, (b) 10000C .33

Hình 2.13 Hình ảnh quan sát TEM và sự nhiễu xạ electron của CeO2 tạo ra từ xêri(IV)hyđrôxit (a) và xêri axêtat (b) sau 24 giờ xử lý thủy nhiệt .34

Hình 2.14 Dung dịch phụ gia Nano CeO2 35

Hình 3.1 Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ 46

Hình 3.2 Sơ đồ thể hiện các mode của chu trình thử ECE R49 52

Hình 4.1 Băng thử nghiên cứu SCRE tại PTN ĐCĐT 54

Hình 4.2 Động cơ thí nghiệm AVL-5402 55

Hình 4.3 Cụm phanh điện với rôto có trục nối với trục động cơ 56

Hình 4.4 Hệ thống làm mát dầu bôi trơn và nước làm mát AVL-577 .57

Hình 4.5 : Thiết bị Throttle actuator .58

Hình 4.6 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động của 733S .59

Hình 4.7 Sơ đồ bộ phân tích khí CO .60

Hình 4.8 Sơ đồ bộ phân tích khí NOx 62

Hình 4.9 Sơ đồ bộ phân tích O2 .63

Hình 4 10 Sơ đồ bộ phân tích HC .65

Hình 5.1 Diễn biến độ mờ khói (opacity) theo đặc tính tải ở tốc độ 1400 v/ph 68

Hình 5.2 Sự phân bố kích cỡ hạt khí thải của động cơ diesel .69

Hình 5.3 Mức độ cải thiện thành phần THC theo thời gian chạy động cơ .70

Hình 5.4 Mức độ cải thiện thành phần CO theo thời gian chạy đông cơ 71

Hình 5.5 Mức độ cải thiện thành phần CO2 theo thời gian chạy đông cơ 71

Hình 5.6 Mức độ cải thiện thành phần NOx theo thời gian chạy động cơ .73

Hình 5.7 Tổng hợp mức độ cải thiện theo thời gian chạy động cơ đối với các khí thải khác nhau 73

Hình 5.8 Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải ở tốc độ 1400 v/ph của động cơ trong các trường hợp sử dụng diesel và diesel pha phụ gia nano CeO2 74

Hình 5.9 Mức độ cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu theo thời gian chạy động cơ 75 Hình 5.10 Biên dạng áp suất theo góc quay trục khuỷu ở 1400 v/ph với diesel và với diesel pha CeO2 ở các lần đo khác nhau (L1, L2, L3) 77

Hình 5.11 Biên dạng áp suất cháy theo góc quay trục khuỷu ở 1800 v/ph (trái) và 3000 v/ph (phải) 77

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay thế giới đang phải đối mặt với một thực tế là nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ đang có xu hướng ngày càng cạn kiệt Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải cũng đang trở nên đáng báo động Do vậy, việc nghiên cứu tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu thành phần khí thải độc hại của động cơ đốt trong trên các phương tiện cơ giới là cần thiết

và nằm trong xu thế chung của Việt Nam và thế giới

Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng phụ gia cho nhiên liệu, điển hình

là phụ gia nano Trên thế giới, đã có những công ty, tổ chức nghiên cứu và sử dụng loại phụ gia này như công ty Oxonica của Anh, tập đoàn công nghệ nhiên liệu nano của Mỹ, công ty Nanoscience Innovation của Singapore Tại Việt Nam, phụ gia nano cho nhiên liệu cũng đang được đầu tư nghiên cứu Cùng nằm trong xu thế đó, tác giả đã chọn phụ gia nhiên liệu là đề tài cho nghiên cứu của mình với tên:

“Nghiên cứu sử dụng phụ gia nhiên liệu nhằm nâng cao tính hiệu quả và giảm phát thải độc hại cho động cơ và phương tiện”

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nâng cao tính hiệu quả và giảm phát thải độc hại cho động cơ bằng cách sử dụng phụ gia nhiên liệu

Với mục đích nâng cao tính hiệu quả và giảm phát thải độc hại cho động cơ,

đề tài tập trung vào nghiên cứu sử dụng phụ gia nano Xêri ôxit (CeO2) cho nhiên liệu diesel Nghiên cứu được thực hiện trên động cơ nghiên cứu một xylanh AVL

5402 tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Đại học Bách khoa Hà Nội để xác định hàm lượng khí thải độc hại, tiêu thụ nhiêu liệu và diễn biến áp suất trong xylanh của động cơ trong các trường hợp sử dụng và không sử dụng phụ gia nano CeO2 cho nhiên liệu

Trên cơ sở mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, tác giả đã tiến hành thực hiện một số nội dung sau:

• Tìm hiểu tổng quan về tình hình nghiên cứu và sử dụng phụ gia nhiên liệu trên thế giới và tại Việt Nam

• Nghiên cứu một số phụ gia nano điển hình và cơ chế tác động của chúng Đây thực chất là nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của các loại phụ gia nano đến động

cơ

• Nghiên cứu cơ sở lý luận về các chỉ tiêu công tác và các thành phần phát thải của động cơ Đây là cơ sở để nghiên cứu phát triển và khai thác hiệu quả động cơ đốt trong

• Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá tác động của phụ gia nano CeO2 đến động

cơ

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, ĐHBK Hà Nội Trong đó thực hiện thử nghiệm đối chứng đối với hai loại nhiên liệu là diesel và diesel pha phụ gia nano CeO2 theo các đường đặc tính tải ở các tốc độ 1400 v/ph, 1800 v/ph và 3000 v/ph Trong mỗi lần động cơ chạy với từng loại nhiên liệu tiến hành đo suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần khí thải độc hại Đối với trường hợp sử dụng phụ gia nano CeO2 thực hiện 3 lần đo ứng với các thời gian động cơ chạy ổn định 0 giờ (đo lần đầu), 20 giờ và 56 giờ Kết quả thử nghiệm tính trung bình theo các hệ số của chu trình thử nghiệm khí thải Châu Âu ECE R49

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong đề tài này cho thấy, so với khi động cơ

sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống, động cơ dùng nhiên liệu có pha phụ gia nano CeO2 cho suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần khí thải thấp hơn sau thời gian 56 giờ chạy động cơ

Trong thời gian thực hiện ngắn, nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để luận văn hoàn thiện hơn

Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Anh Tuấn, người

đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình tác giả thực hiện luận văn Tác giả cũng xin gửi lời cám ơn tới tất cả các quý thầy cô trong Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường ĐHBK Hà Nội, cùng các anh chị em đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn của mình đúng thời hạn

Chương I TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng phụ gia nhiên liệu trên thế giới

1.1.1 Phụ gia nhiên liệu sử dụng cho động cơ xăng

Phụ gia nhiên liệu có thể hiểu là những chất phụ được pha vào nhiên liệu với

tỷ lệ nhất định nhằm cải thiện chất lượng và tính hiệu quả của nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong

Phụ gia sử dụng cho nhiên liệu xăng có thể hoạt động như một chất bôi trơn trong động cơ hoặc có thể làm tăng chỉ số ốc tan cho nhiên liệu động cơ xăng Trong khi đây là hai lợi ích tuyệt vời thì bên cạnh đó phụ gia nhiên liệu có thể chứa những chất gây nguy hiểm cho môi trường, như : chất chống ôxi hóa, chất ôxi hóa

và chất ức chế ăn mòn kim loại

Trên thế giới, phụ gia dùng cho nhiên liệu xăng có nhiều loại với những công dụng khác nhau Các kiểu phụ gia sử dụng cho nhiên liệu xăng bao gồm : kiểu oxy hóa (Oxygenates), kiểu chống oxy hóa (Antioxidants), kiểu chống kích nổ (Antiknock) và kiểu ức chế ăn mòn (Corrosion inhibitors) [20]

1.1.1.1 Kiểu phụ gia oxy hóa

Kiểu phụ gia ôxy hóa gồm có hai nhóm là cồn (alcohols) và ête (Ethers) Trong đó nhóm cồn thì có thể kể đến các chất như methanol, ethanol; còn đối với nhóm ête thì gồm có MTBE, TAME và ETBE

+ Phụ gia thuộc nhóm cồn:

- Methanol: Methanol (methyl alcohol) CH3OH là một chất lỏng không màu ở nhiệt độ thường với mùi alcohol nhẹ đặc trưng và có thể được sử dụng như một phụ gia để pha vào xăng nhằm tăng chỉ số ốc tan Tuy nhiên phụ gia này có nhược điểm

là tan vô hạn trong nước nên có thể dẫn đến những hậu quả không tốt hay nói cách khác là methanol có tính hút ẩm nên nhiên liệu có methanol để một thời gian sẽ bị đọng nước và tất nhiên khi dùng cho động cơ sẽ có hại

Ở Mỹ, methanol được sử dụng như thành phần nhiên liệu chủ yếu từ sau thập

kỷ 1940 Methanol cũng được sử dụng với động cơ tăng áp cơ khí trong tốp xe đua chạy bằng cồn Mãi đến năm 2006, tất cả các phương tiện ở thành phố Indianapolis

(Mỹ) đã chạy với methanol Methanol có thể được sử dụng ở mức độ thấp cùng với việc sử dụng những chất chống ăn mòn trong những phương tiện hiện nay Tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu châu Âu cho phép lên đến 3% methanol với một lượng dung môi thích hợp để pha vào xăng Ngày nay, Trung Quốc là nước sử dụng nhiều hơn một tỷ gallons methanol trên một năm với vai trò như một nhiên liệu trong hỗn hợp với xăng ở mức thấp để sử dụng cho các phương tiện hiện nay và ở mức cao trong các phương tiện được thiết kế để phù hợp với việc sử dụng nhiên liệu methanol

- Ethanol: Ethanol (C2H5OH) là loại nhiên liệu dạng cồn, nó có thể được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mì, lúa mạch… Ngoài ra, ethanol còn được sản xuất từ cây, cỏ có chứa cellulose

Ethanol cũng được sử dụng như một chất phụ gia để tăng trị số ôctan cho nhiên liệu xăng nhằm cải thiện quá trình cháy trong động cơ từ đó giảm khí thải độc hại cho động cơ xăng Tuy nhiên, ethanol có nhược điểm lớn là tính hút ẩm do vậy

sẽ có ảnh hưởng không tốt tới động cơ

Trên thế giới, Brazil là quốc gia có nền công nghiệp nhiên liệu ethanol lớn nhất Hơn 20% xe ôtô ở Brazil có thể sử dụng 100% ethanol như là một nhiên liệu, trong đó gồm có động cơ chỉ chạy nhiên liệu ethanol và động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt (flex-fuel) Động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt ở Brazil có thể làm việc với bất kỳ tỷ lệ nào của ethanol và xăng Xăng bán ở Brazil chứa ít nhất 25% ethanol khan, nhưng chính phủ đã yêu cầu tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu giảm xuống còn 20% trong giai đoạn 90 ngày bắt đầu từ ngày 01 tháng 02 năm

2010 do giảm sự cung cấp của nhiên liệu sinh học Bên cạnh Brazil còn có Mỹ cũng

là nước có nền công nghiệp ethanol phát triển Theo hiệp hội nhiên liệu tái tạo, ngày

30 tháng 10 năm 2007, sản lượng ethanol của Mỹ là 7 tỷ gallons trên một năm Mỹ cũng là nước có động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt, động cơ này có thể chạy từ 0% đến 85% ethanol(15% xăng), mức ethanol cao hơn 85% thì chưa nhận được sự cho phép của chính phủ

+ Phụ gia thuộc nhóm ête

- MTBE : là một chất dễ bay hơi, dễ cháy và là chất lỏng không màu, không

trộn lẫn được với nước MTBE là một phụ gia dùng cho nhiên liệu xăng, được sử dụng như một chất ôxy hóa và để làm tăng chỉ số ốctan cho xăng

Ở Mỹ, MTBE đã được sử dụng trong xăng ở mức độ thấp từ năm 1979 để thay thế cho tetra-ethyl chì và để làm tăng chỉ số ốctan giúp ngăn ngừa động cơ khỏi sự kích nổ

- TAME : là một ête và được sử dụng như một phụ gia ôxy hóa cho xăng Nó

được thêm vào xăng vì ba lý do: thứ nhất là để làm tăng chỉ số ốctan của xăng, thứ hai là để thay thế tetraethyl chì và lý do cuối cùng là làm tăng hàm lượng ôxy trong xăng Phụ gia TAME pha vào trong nhiên liệu có tác dụng giảm khí thải độc hại như những hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

1.1.1.2 Kiểu phụ gia chống ôxy hóa

Trong thành phần của nhiên liệu cần pha chế có chứa nhiều olefin, những chất này có xu hướng tạo nhựa và ôxi hoá nên người ta cho thêm chất phụ gia để làm chậm quá trình tạo nhựa và ôxi hoá của các thành phần ôlefin có trong xăng Các phụ gia thuộc loại này có thể kể đến như BHT, 2,4-Dimethyl-6-tert-butylphenol Trong đó BHT là một hợp chất béo và có thể được sử dụng như một phụ gia chống ôxy hóa trong nhiên liệu Tương tự với BHT, 2,4-Dimethyl-6-tert-butylphenol cũng được sử dụng như một phụ gia chống ôxy hóa, ví dụ như nó có tác dụng ngăn ngừa tạo nhựa trong nhiên liệu

1.1.1.3 Kiểu phụ gia chống kích nổ

Kiểu phụ gia chống kích nổ có thể kể đến như TEL và MMT Trong đó TEL là một hợp chất có công thức (CH3CH2)4Pb và được sử dụng như một phụ gia chống kích nổ hay như làm gia tăng chỉ số ốctan trong xăng Một trong những thuận lợi lớn nhất của TEL ngoài khả năng chống kích nổ hoặc làm tăng chỉ số ốctan của xăng đó là mật độ tập trung cần thiết rất thấp Tuy nhiên việc sử dụng TEL bị gián đoạn bởi vì tác hại của chì và ảnh hưởng có hại của nó lên bộ xúc tác khí xả TEL được sử dụng như một phụ gia trong xăng bắt đầu ở Mỹ, trong khi đó ở châu Âu,

cồn được sử dụng đầu tiên Đối với phụ gia MMT, công thức của nó là (CH3C5H4)Mn(CO)3 Phụ gia MMT bắt đầu được đưa ra thị trường vào năm 1958,

nó có vai trò như một phần bổ sung với phụ gia tetraethyl lead để làm tăng chỉ số ốctan của nhiên liệu, về sau thì MMT được sử dụng trong xăng không chì Mặc dù

bị cấm sử dụng như một phụ gia ở Mỹ từ năm 1977 đến 1995 nhưng MMT đã được

sử dụng trong xăng ở Canada từ năm 1976 (năm 1997 đến năm 1998 thì Canada cũng cấm sử dụng phụ gia này do lo lắng về tính an toàn của nó) và gần đây, nó được giới thiệu ở Australia

1.1.1.4 Kiểu phụ gia ức chế ăn mòn

Phụ gia ức chế ăn mòn là một hợp chất hóa học được thêm vào nhiên liệu để giảm sự ăn mòn kim loại hoặc hợp kim Các phụ gia ức chế ăn mòn được sử dụng cho nhiên liệu xăng gồm có: DCI-4A, DCI-6A, DCI-11, DCI-28, DCI-30 và DMA-

4 Trong đó DCI-4A được sử dụng rộng rãi trong nhiên liệu phản lực thương mại và quân sự Ngoài tác dụng ức chế ăn mòn kim loại, phụ gia này cũng hoạt động như một chất bôi trơn Còn phụ gia DCI-30 thì có tác dụng rất tốt trong việc ức chế ăn mòn trong các đường ống vận chuyển nhiên liệu và nơi dự trữ nhiên liệu

Ngoài những kiểu phụ gia kể trên, người ta còn thêm vào xăng các loại phụ gia khác như phụ gia biến đổi cặn, các chất màu và chất tẩy rửa

1.1.2 Phụ gia nhiên liệu sử dụng cho động cơ Diesel

Phụ gia sử dụng cho nhiên liệu diesel [14] có vai trò rất quan trọng, nó có thể giúp cải thiện chất lượng nhiên liệu hoặc cải thiện quá trình cháy cũng như góp phần làm giảm khí thải ô nhiễm của động cơ diesel Có bốn kiểu phụ gia được sử dụng cho nhiên liệu diesel là :

• Phụ gia cải thiện hiệu quả động cơ và hệ thống phân phối nhiên liệu

• Phụ gia cải thiện nhiên liệu

• Phụ gia ổn định nhiên liệu

• Phụ gia kiểm soát tạp chất (contaminant control)

1.1.2.1 Phụ gia cải thiện hiệu quả động cơ và hệ thống phân phối nhiên liệu

Kiểu phụ gia này có thể cải thiện hiệu quả động cơ hoặc hệ thống phun nhiên liệu Điều này được thể hiện qua việc làm gia tăng chỉ số xêtan của nhiên liệu, làm sạch vòi phun hoặc có thể hoạt động như một chất bôi trơn Trong một dải nhất định, chỉ số xêtan của nhiên liệu càng cao thì nó càng cho phép giảm độ ồn, độ khói

và có thể cải thiện khả năng khởi động của động cơ trong thời tiết lạnh

Phụ gia EHN là một chất làm tăng chỉ số xêtan cho nhiên liệu diesel và được

sử dụng rộng rãi nhất Nó cũng được gọi với cái tên octyl nitrate EHN không ổn định do nhiệt và phân hủy một cách nhanh chóng ở nhiệt độ cao trong buồng cháy Sản phẩm của sự phân hủy giúp quá trình cháy nhiên liệu bắt đầu và do đó rút ngắn giai đoạn cháy trễ EHN được sử dụng trong dải mật độ từ 0,05 đến 0,4% khối lượng và có thể làm tăng thêm chỉ số xêtan từ 3 đến 8 Một nhược điểm của EHN

đó là nó làm giảm độ ổn định nhiệt của một vài nhiên liệu diesel Điều này có thể được bù đắp bằng việc sử dụng các phụ gia ổn định nhiệt

DTBP là một phụ gia khác mà cũng được sử dụng như một chất làm tăng chỉ

số xêtan cho nhiên liệu diesel; nó kém hiệu quả hơn so với EHN Tuy nhiên DTBP không làm giảm độ ổn định nhiệt của hầu hết nhiên liệu diesel và nó không chứa nitơ (điều này có thể quan trọng đối với việc đáp ứng những yêu cầu quy định về nhiên liệu diesel tái tạo)

Nhiên liệu có thể hình thành chất kết tủa trong bề mặt lỗ vòi phun, bề mặt lỗ phun lại đặt trong xylanh nên tiếp xúc với nhiệt độ cao Mức độ hình thành kết tủa

là khác nhau với thiết kế động cơ, thành phần nhiên liệu, thành phần bôi trơn và các điều kiện hoạt động là khác nhau Nếu chất kết tủa này quá nhiều thì có thể dẫn đến làm rối loạn hình dạng tia phun ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn không khí - nhiên liệu Trong một vài động cơ, điều này có thể dẫn đến kết quả là tính kinh tế nhiên liệu giảm và phát thải tăng Do vậy, phụ gia tẩy rửa polymer không cặn được sử dụng để làm sạch chất kết tủa ở vòi phun nhiên liệu, giữ cho vòi phun sạch không cặn bẩn Phụ gia tẩy rửa điển hình được sử dụng nằm trong dải nồng độ từ 50 tới

300 ppm

1.1.2.2 Phụ gia cải thiện nhiên liệu

Phụ gia cải thiện nhiên liệu có thể kể đến như phụ gia chống tạo bọt và phụ gia chống đóng băng Một vài nhiên liệu có xu hướng tạo bọt khi chúng được đổ vào thùng nhiên liệu của xe Sự tạo bọt có thể gây trở ngại đối với việc đổ đầy hoàn toàn nhiên liệu vào thùng hoặc có thể gây ra tràn nhiên liệu, do đó cần pha vào nhiên liệu phụ gia chống tạo bọt Hầu hết các loại phụ gia chống tạo bọt là những hợp chất thuộc tổ chức silicon và được sử dụng ở nồng độ 10ppm hoặc thấp hơn Các phụ gia chống tạo bọt được sử dụng rộng rãi ở châu Âu và châu Á để đảm bảo rằng các khách hàng có thể đổ đầy nhiên liệu cho xe của họ Ngoài sự tạo bọt, trong nhiên liệu diesel còn có hiện tượng đóng băng của nước ở trạng thái tự do trong điều kiện nhiệt độ thấp Kết quả là những tinh thể băng có thể gây cản trở dòng chảy nhiên liệu hoặc gây thêm cản ở bộ lọc Cồn có khối lượng phân tử thấp có thể được thêm vào trong nhiên liệu diesel để ngăn ngừa sự hình thành băng, cho phép hạ thấp nhiệt

độ điểm đóng băng của nước tự do trong nhiên liệu diesel thấp hơn so với nước nguyên chất

1.1.2.3 Phụ gia ổn định nhiên liệu

Độ không ổn định của nhiên liệu sẽ dẫn đến hình thành chất gôm và chất này

có thể gây kết tủa ở vòi phun hoặc có thể làm cản trở nhiên liệu qua bộ lọc Đối với các nhiên liệu diesel khác nhau thì phụ gia ổn định pha vào nhiên liệu cũng khác nhau Nó phụ thuộc vào nhiên liệu được tạo nên từ nguồn dầu thô và quá trình lọc dầu và pha trộn như thế nào Vì liên quan đến lĩnh vực hóa học phức tạp nên một phụ gia có thể làm việc hiệu quả trong nhiên liệu này nhưng lại không làm việc hiệu quả trong một nhiên liệu khác Nếu một nhiên liệu cần được ổn định thì nó nên được kiểm tra để chọn ra một phụ gia hiệu quả và tỷ lệ phù hợp

Một trong những kiểu không ổn định của nhiên liệu là sự ôxy hóa Sự ôxy hóa diễn ra khi oxy trong không khí tấn công hỗn hợp phản ứng trong nhiên liệu qua những phản ứng chuỗi phức tạp Do vậy, chất chống ôxy hóa cần được thêm vào nhiên liệu để làm ngừng những phản ứng chuỗi này Các phenon bảo vệ và amin nhất định cũng như phenylenediamin là những chất được sử dụng phổ biến nhất để

ngăn ngừa sự ôxy hóa trong nhiên liệu Các chất này thường được sử dụng trong dải nồng độ từ 10 đến 80 ppm

Các phản ứng axit-bazơ là kiểu không ổn định khác của nhiên liệu Những chất ổn định được sử dụng để ngăn ngừa các phản ứng này điển hình như là những amin có tính kiềm mạnh và được sử dụng trong dải nồng độ từ 50 tới 150 ppm Chúng phản ứng với những hỗn hợp axít yếu để tạo nên các sản phẩm hòa tan trong nhiên liệu và không phản ứng thêm nữa

Một yếu tố nữa liên quan đến độ không ổn định của nhiên liệu là kim loại Khi

có một lượng kim loại nhất định, đặc biệt là đồng và sắt trong nhiên liệu diesel, chúng sẽ làm xúc tác cho những phản ứng liên quan đến độ không ổn định của nhiên liệu Những chất khử hoạt tính kim loại được sử dụng để khử những kim loại này và làm vô hiệu hóa ảnh hưởng xúc tác của chúng Những chất này thường được

sử dụng trong dải nồng độ từ 1 tới 15 ppm

1.1.2.4 Phụ gia kiểm soát tạp chất

Những phụ gia thuộc loại này chủ yếu được sử dụng để giải quyết những vấn

đề nội tại trong hệ thống phân phối và dự trữ nhiên liệu Nhiên liệu diesel có thể nhanh chóng trở nên bẩn nếu phơi ra ngoài môi trường không khí hoặc hơi nước có nhiều vi sinh vật Những vi sinh vật này bao gồm cả vi khuẩn và nấm Bởi vì hầu hết những vi sinh vật cần nước tự nhiên để phát triển nên sự phát triển của vi sinh thường tập trung ở bể mặt nhiên liệu tiếp xúc với hơi nước Thời gian phát triển của

vi sinh cũng là vấn đề quan trọng Khi quần thể vi sinh vật có thời gian để phát triển lớn mạnh hơn, chúng sẽ sinh ra những chất có tính axít và làm gia tăng sự ăn mòn thùng nhiên liệu

Các đioxit có thể được sử dụng như một phụ gia để giải quyết vấn đề vi sinh vật bằng cách tấn công chúng Một đioxit có thể không làm việc nếu có một lớp màng sinh học dày tích tụ trên bề mặt của thùng nhiên liệu hoặc các thiết bị khác bởi vì nó có thể không có khả năng thâm nhập vào các tổ chức sống ở sâu bên trong lớp màng Trong trường hợp này, thùng nhiên liệu phải được tháo cạn và làm sạch Bên cạnh việc làm dừng sự phát triển của vi sinh vật, đioxit cũng loại bỏ khối vi

sinh vật tích lũy để tránh tắc lọc nhiên liệu Các đioxit dùng làm phụ gia có thể được sử dụng trong dải nồng độ từ 200 đến 600 ppm

Bình thường, các hydrocacbon và nước trong nhiên liệu ở trạng thái riêng rẽ Nếu nhiên liệu chứa các hợp chất phân cực và nước trong nhiên liệu ở trạng thái tự

do thì nhiên liệu và nước có thể hình thành thể nhũ tương Chất khử nhũ tương là chất hoạt tính bề mặt mà phá vỡ thể nhũ tương và cho phép nhiên liệu và nước tách

ra Các chất khử nhũ tương được sử dụng nằm trong dải nồng độ từ 5 tới 30 ppm Hầu hết các đường ống và thùng chứa nhiên liệu được làm từ thép và kiểu ăn mòn phổ biến nhất là hình thành gỉ sắt do sự có mặt của nước Sự hóa gỉ có thể gây

ăn mòn thép và tạo nên các lỗ thũng Các hạt gỉ sắt làm cho nhiên liệu bị bẩn và có thể làm tắc bộ lọc nhiên liệu hoặc làm tăng công bơm nhiên liệu và làm mòn vòi phun Các chất ức chế ăn mòn được sử dụng với vai trò như một phụ gia chống lại

sự ăn mòn Chúng được sử dụng trong dải nồng độ từ 5 tới 15 ppm

1.1.3 Phụ gia nhiên liệu Nano

Trong bối cảnh giá xăng dầu biến động mạnh (có lúc lên đến 147 USD/thùng, được xác lập vào ngày 11/07/2008), tài nguyên năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và tình trạng ô nhiễm không khí do các phương tiện giao thông ngày càng trầm trọng, thì việc ứng dụng công nghệ Nano để tổng hợp các chất phụ gia cho công nghiệp chế biến xăng dầu đã và đang được các nước có nền khoa học và kỹ thuật phát triển quan tâm sâu sắc Lý do là các loại phụ gia này mang lại hiệu quả nhiều mặt, rõ rệt đối với việc tiết kiệm xăng dầu và giảm ô nhiễm môi trường

Phụ gia nhiên liệu Nano là một “chất nhũ tương” được điều chế theo công nghệ cao Nano, bằng kỹ thuật “vi nhũ hóa” cấp độ nanomét và pha trộn vào xăng dầu, để tạo ra nhiên liệu “nano nhũ hóa” Bản chất đốt cháy của “dầu vi nhũ hóa” dựa trên hai phương diện tốt, là đốt hóa học và đốt vật lý Đốt hóa học dựa trên các

phản ứng cháy của cácbon và đốt vật lý dựa trên lý thuyết các “vụ nổ nhỏ”, ở đây

nước (H2O) đóng vai trò của cả hai quá trình đốt này

Về mặt nguyên lý tác dụng, phụ gia nhiên liệu Nano sau khi pha trộn vào nhiên liệu, nó sẽ nhanh chóng được khuếch tán thành những “giọt nước siêu nhỏ”

cỡ 6 A thông qua chuyển động nhiệt Brown, các giọt nước siêu nhỏ này sẽ phân tán đồng đều trong lòng khối chất lỏng nhiên liệu Với kỹ thuật cơ-điện tử (bộ đôi kim phun cao áp…), nhiên liệu được phun vào buồng cháy động cơ, thành các hạt sương nhiên liệu có kích thước chỉ đạt cỡ 60÷100µm, lúc này mỗi giọt sương nhiên liệu đã chứa ở trong nó cả vạn giọt nước phụ gia Nano Dưới tác dụng của lực nén và nhiệt

độ cao trong buồng cháy, các hạt nước Nano sẽ vượt qua nhiệt độ sôi, chúng sẽ bốc hơi, phát nổ, làm vỡ vụn các hạt sương nhiên liệu Nhiên liệu lúc này được hóa sương lần hai với kích cỡ “siêu nhỏ” nanomét Thông qua việc “hóa sương lần hai”

và qua “hàng triệu vụ nổ nhỏ” trong buồng cháy, công suất của động cơ được nâng cao, hệ thống buồng cháy được làm sạch- chống bám dính phụ phẩm cháy, tỏa nhiệt tốt hơn nhiều, nhiên liệu được đốt cháy triệt để, tiết kiệm nhiên liệu rõ rệt, giảm ô nhiễm, tăng tuổi thọ động cơ, giảm chi phí sửa chữa thường xuyên…

Một nghiên cứu gần đây ở Anh [19] đối với những xe buýt sử dụng một loại phụ gia nhiên liệu Nano là ôxit xêri (Envirox) đã đưa ra kết luận rằng nhiên liệu tiết kiệm nhiều hơn 6% so với mức thông thường khi không sử dụng phụ gia Thử nghiệm cũng cho thấy có sự giảm lượng muội than bám trong thành xylanh động

cơ

Trung Quốc là một trong số những cường quốc, đang ưu tiên đầu tư nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ cao Nano, để tạo ra các loại vật liệu mới, làm thay đổi căn bản các tính năng lý hóa cơ…của vật liệu truyền thống, trong số đó phải kể đến vật liệu – phụ gia nhiên liệu Nano, do Tập đoàn Phương Chính (PKUBOYA) - Đại học Bắc Kinh nghiên cứu phát triển, trên cơ sở ý tưởng khoa học “nhũ tương/đốt vật lý” của Mỹ Và ý tưởng này chỉ thành hiện thực, để trở thành hàng hóa, khi công nghệ cao Nano ra đời và cho đến đầu những năm 2000, mới được triển khai ứng dụng rộng rãi, trực tiếp vào các cơ sở sản xuất chế biến xăng dầu

Phụ gia nhiên liệu Nano đã được gắn logo công nghệ cao, được bình chọn là

sản phẩm kỹ thuật bảo vệ môi trường và được Cơ quan Quản lý Tiêu chuẩn hóa

Chính phủ - Cục giám định kỹ thuật Thành phố Bắc Kinh, chuẩn y làm tiêu chuẩn

cho chất phụ gia nhiên liệu vi nhũ hóa Q/PGBDB 004-2004, Q/PGBDB 2007…

002-Hiện nay tại Trung Quốc, phụ gia nhiên liệu Nano đã được đưa vào pha trộn trực tiếp tại các công ty sản xuất chế biến xăng dầu như: Công ty Dầu Triết Long Giang, Công ty Dầu khí Bắc Kinh, công ty Dầu Phúc Châu, Trường Sa, Phương Tháp, Hồ Nam…

1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng phụ gia nhiên liệu ở Việt Nam

Sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một nội dung quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng bền vững của nước

ta, gắn liền với việc đảm bảo phát triển kinh tế, đảm bảo an ninh năng lượng và bảo

vệ môi trường

Do vấn đề ô nhiễm môi trường nên Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định kể

từ ngày 1/7/2001 đưa Việt Nam trở thành thành viên các quốc gia loại bỏ xăng pha chì Tuy nhiên để xăng không chì có trị số ốctan cao người ta vẫn phải thêm một số phụ gia cần thiết Các chất phụ gia chủ yếu của xăng không chì gồm: Methanol, Ethanol, TBA và MTBE Ngoài sử dụng xăng không chì, Việt Nam cũng đã thử nghiệm và áp dụng nhiên liệu sinh học là xăng pha cồn hay xăng E5, trong đó cồn (Ethanol) được pha vào xăng với tỷ lệ là 5% Cụ thể, ngày 15/9/2008, Tổng công ty Dầu Việt Nam (PV Oil) thuộc Petro Việt Nam đã bán xăng pha 5% ethanol (gọi là Gasohol E5) ra thị trường với giá 16.500 đồng/lít, rẻ hơn A92 là 500 đồng Ethanol được công ty PV Oil nhập từ Brazil, hai địa điểm được chọn bán đầu tiên là cây xăng 27 Thái Thịnh và 148 Hoàng Quốc Việt Tuy nhiên, sau khoảng 5 ngày (20/9),

Bộ Công thương ra quyết định đình chỉ hoàn toàn biệc bán xăng pha ethanol ta thị trường Giải thích điều này, Thứ trưởng Nguyễn Cẩm Tú cho rằng, do chúng ta chưa có tiêu chuẩn về xăng pha ethanol nên không thể tiếp tục bán ra thị trường Quyết định trên làm chậm lại tiến trình phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học ở nước ta, tạo ra tâm lý không tốt cho nhà sản xuất và người tiêu dùng

Ra đời sớm nhưng động cơ diesel không phát triển như động cơ xăng do gây

ra nhiều tiếng ồn, khí thải bẩn Tuy nhiên cùng với sự phát triển của kỹ thuật công

nghệ, các vấn đề dần được giải quyết và động cơ diesel ngày càng trở nên phổ biến

và hữu dụng hơn Tại Việt Nam, số lượng xe chạy bằng nhiên liệu diesel cũng rất nhiều trong đó bao gồm cả những xe đời cũ, kỹ thuật lạc hậu nên tính hiệu quả thấp đồng thời gây ô nhiễm môi trường trầm trọng Đặc biệt tại các thành phố lớn, dân

cư đông đúc nên nhu cầu đi lại bằng các phương tiện giao thông tăng cao, điển hình như xe buýt, loại phương tiện mà có mật độ lưu hành nhiều lần trên một ngày và thường xuyên chở quá tải vào những giờ cao điểm nên dẫn đến tình trạng nhanh xuống cấp và gây ô nhiễm môi trường Do vậy, việc áp dụng các biện pháp công nghệ để cải thiện tính hiệu quả và giảm phát thải độc hại cho động cơ diesel là rất cần thiết Một trong các biện pháp đó là sử dụng phụ gia nano cho nhiên liệu diesel Hiện tại, Việt Nam đang kiểm tra, đánh giá về tính năng ưu việt của Maz, phụ gia được xem là giúp tiết kiệm hàng nghìn tỷ đồng mỗi năm khi sử dụng với nhiên liệu truyền thống, để đưa vào sử dụng rộng rãi Áp dụng công nghệ pha chế Maz được xem là ưu thế nhất trong hàng trăm chất phụ gia hiện có sẽ tiết kiệm cho người Việt

ít nhất 25.000 tỷ đồng/năm Một lít Maz giá khoảng 25 USD pha với 1.000 lít xăng dầu Thử nghiệm của nhóm chuyên gia Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như tại một

số nước đối với phụ gia Maz trên động cơ xăng (Maz 100) cho thấy nhiên liệu tiết kiệm được 5-20% (từ trước đến nay, áp dụng chất phụ gia tiết kiệm lớn nhất là 2%), các khí thải độc hại CO giảm 5-11%, HC giảm 13-25%; trên động cơ diesel (Maz 200) tiết kiệm 24 % nhiên liệu; trên động cơ dầu diesel sinh học tiết kiệm tới 25% nhiên liệu, [9] Ngoài phụ gia Maz còn có phụ gia Xêri ôxit (CeO2), đây là một loại phụ gia nano được sử dụng cho động cơ diesel Việc sử dụng ôxit xêri CeO2

làm phụ gia cho nhiên liệu diesel nhằm giảm khí thải độc hại và tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là một trong những công nghệ phụ gia nano cho nhiên liệu tiên tiến, được phát triển, thử nghiệm và sử dụng thử ở khá nhiều nước như Anh Quốc, Mỹ, Singapore Ở Việt Nam, phụ gia nano CeO2 cũng đang là một hướng nghiên cứu hiện nay

Chương II MỘT SỐ PHỤ GIA NANO ĐIỂN HÌNH VÀ CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG

CỦA CHÚNG 2.1 Phụ gia Eefuel

Eefuel là một phụ gia nano cho nhiên liệu có xuất sứ từ tập đoàn công nghệ nhiên liệu nano của Mỹ Phụ gia eefuel đã được đăng ký với cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ (United States Environmental Protection Agency, viết tắt là USEPA)

từ năm 1990 Eefuel có thể được sử dụng trong tất cả các loại xăng bao gồm xăng pha chì, xăng không pha chì, xăng được ôxy hóa cũng như xăng pha cồn Ngoài ra phụ gia eefuel cũng có thể được sử dụng cho nhiên liệu diesel bao gồm nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp và cao

Eefuel là một phụ gia nhiên liệu nano có độ tập trung cao và sử dụng công nghệ nano lỏng tiên tiến Trong thùng nhiên liệu, eefuel xây dựng một cấu trúc mạng ba chiều ổn định bao gồm các cụm nano siêu hiển vi, tất cả được phân bố đều trong nhiên liệu Các cụm nano eefuel này có tác dụng về mặt vật lý, hóa học hoặc xúc tác phụ thuộc vào giai đoạn của chu kỳ cháy

* Cơ chế tác dụng:

Khi các cụm nano eefuel vào trong xylanh động cơ và bắt đầu cháy trong buồng cháy, chúng sẽ tăng cường nhiệt một cách nhanh chóng và bùng nổ thành dạng hơi Sự bùng nổ thành dạng hơi này tạo ra hai lợi ích rất quan trọng đó là:

 Các giọt nhiên liệu lớn bị phá vỡ thành những giọt nhiên liệu nhỏ hơn

và làm cho khả năng bay hơi dễ dàng hơn

 Tăng cường chuyển động rối, cải thiện sự hòa trộn hỗn hợp hơi không khí-nhiên liệu

Khi sự bùng nổ các cụm nano vươn tới bề mặt của buồng cháy động cơ, chúng tạo ra tác dụng làm sạch bất kỳ muội than nào tích tụ trong buồng cháy Một buồng cháy sạch sẽ đem lại các lợi ích như: giảm khí thải, dầu bôi trơn sạch hơn, làm mát buồng cháy tốt hơn và giảm được yêu cầu về chỉ số ốctan như đối với nhiên liệu động cơ xăng

Hình 2.1 Nhiên liệu không sử dụng phụ gia eefuel

Trong trường hợp không sử dụng phụ gia eefuel như hình 2.1, tia nhiên liệu phun vào buồng cháy sẽ có những giọt lớn và những giọt này không cháy hoàn toàn trong quá trình cháy Quá trình cháy không hoàn toàn tạo ra những khí thải độc hại

và thúc đẩy sự hình thành muội than trong buồng cháy Những muội than này hoạt động như vật cách nhiệt do đó làm gia tăng nhiệt độ quá trình cháy và tăng khí thải

NOx Muội than trong buồng cháy và nhiên liệu cháy không hoàn toàn cũng gây ra hiện tượng như làm bẩn dầu bôi trơn, từ đó có thể làm giảm tuổi thọ của động cơ

Hình 2.2 Nhiên liệu có pha phụ gia eefuel

Trường hợp nhiên liệu có pha phụ gia eefuel như hình 2.2, eefuel tạo ra hàng triệu cụm nano rất nhỏ trong nhiên liệu Những cụm nano này bùng nổ ngay trước

và trong quá trình cháy làm tăng cường chuyển động rối và sinh ra những giọt nhiên liệu nhỏ hơn Những giọt nhiên liệu nhỏ hơn bay hơi hoàn toàn tạo điều kiện cho nhiên liệu cháy tốt hơn từ đó làm tăng công suất của động cơ

Hình 2.3 Cơ chế làm sạch muội than của phụ gia eefuel

Hình 2.3 thể hiện cơ chế làm sạch muội than bám trong buồng cháy của động

cơ khi sử dụng nhiên liệu pha phụ gia eefuel Sự bùng nổ các cụm nano eefuel giúp phá vỡ và phân hủy muội than bám trong buồng cháy cũng như ngăn ngừa bất kỳ sự hình thành muội than sau này Buồng cháy sạch sẽ giảm đáng kể khí thải NOx và nâng cao khả năng làm mát động cơ

- Dưới đây là một số kết quả từ việc thử nghiệm đối chứng phụ gia eefuel trên động cơ diesel 1 xylanh nghiên cứu AVL 5402 tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong- Trường ĐHBK Hà Nội [2]:

+ Kết quả đo công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tại các chế độ 30% và 80% tải được thể hiện qua các hình từ hình 2.4 đến hình 2.7 Trong đó các kết quả đo thể hiện sự so sánh giữa hai trường hợp là động cơ sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống và động cơ sử dụng nhiên liệu diesel có pha phụ gia nano eefuel

270 275 280 285 290 295 300 305 310

Hình 2.4 Kết quả đo công suất Hình 2.5 Kết quả đo suất tiêu hao nhiên liệu

tại chế độ 30% tải tại chế độ 30% tải

Hình 2.6 Kết quả đo công suất Hình 2.7.Kết quả đo suất tiêu hao nhiên liệu

tại chế độ 80% tải tại chế độ 80% tải

+ Kết quả đo các chất thải độc hại trong hai trường hợp là động cơ sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống và động cơ sử dụng nhiên liệu diesel có pha phụ gia nano eefuel được thể hiện qua bảng 1 Trong đó khí thải được đo ở 30% và 80% tải với các tốc độ động cơ là 1400, 1800, 2200, 2600 và 3000 v/ph Kết quả của mỗi thành phần khí thải được tính trung bình để tiện so sánh

Bảng 1 Kết quả đo các thành phần khí thải

Nhận xét: So với nhiên liệu diesel thông thường, nhiên liệu diesel có pha phụ

gia nano eefuel có những thay đổi như sau:

Trung bình ở 30 phần trăm tải công suất tăng 3,41%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 3,26% Các thành phần khí thải CO giảm 15,43%, CO2 giảm 3,17%, HC giảm 5,93%, NOx tăng 7,93%, Độ khói giảm 24,74%

Trung bình ở 80 phần trăm tải công suất tăng 2,92%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,84% Các thành phần khí thải CO giảm 11,85%, CO2 tăng 0,46%, HC giảm 16,03%, NOx tăng 8,18%, Độ khói giảm 3,77%

Trung bình Diesel 256,81 200,78 186,07 223,84 908,3 355,16

2.2 Phụ gia Maz

2.2.1 Thành phần

Maz là một sản phẩm công nghệ cao, sử dụng hoạt chất Nitroparaffins dùng cho xăng, diesel, xăng Ethanol và dầu diesel sinh học

Thành phần phụ gia Maz bao gồm :

- 70÷80% Nitroparaffins (chủ yếu là Nitromethane)

- 20÷30% Methyl Benzen

- 1% các thành phần khác

Các loại phụ gia Maz gồm có:

- Maz 100 dùng cho nhiên liệu xăng

- Maz 200 dùng cho nhiên liệu diesel

2.2.2 Cơ chế tác dụng

Phụ gia Maz có nguyên lý tác dụng đó là tạo ra môi trường ôxy và hydro trước quá trình cháy, làm xúc tác cho nhiên liệu cháy nhanh hơn và kiệt hơn

Đặc điểm chính của phụ gia Maz :

- Có hàm lượng ôxy cao, ví dụ Nitromethane CH3NO2 chứa 52% ôxy

- Tốc độ cháy rất nhanh, gấp 5 lần tốc độ cháy của xăng

- Đặc tính bay hơi và phân tán tốt

- Khả năng làm sạch bề mặt tốt nên giảm được hiện tượng đóng cặn trong hệ thống nhiên liệu và kết muội than trong buồng cháy

- Hoạt tính cháy cao

Do các tính chất trên nên phụ gia Maz sẽ làm tăng hiệu quả và tăng tính hoàn thiện quá trình cháy do đó làm tăng công suất của động cơ cũng như tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời làm giảm các thành phần độc hại như CO, HC, NOx trong sản vật cháy

2.2.3 Một số kết quả thử nghiệm đối chứng phụ gia Maz

- Đối tượng thử nghiệm: xe ôtô Ford Transit

- Nhiên liệu sử dụng: 2 mẫu nhiên liệu diesel thương phẩm 0,025% S và nhiên liệu diesel thương phẩm 0,025% S pha phụ gia Maz 200 tỷ lệ 1000 ppm

Sau khi tiến hành thử nghiệm theo chu trình thử ECE 1505 ứng với 2 mẫu nhiên liệu trên tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội, thu được một số kết quả thể hiện ở bảng 2 và bảng 3 [3]

Bảng 2 Xe chạy với nhiên liệu diesel 0,025% S

Lượng tiêu hao nhiên liệu 9,85 (l/100km)

Bảng 3 Xe chạy với nhiên liệu diesel 0,025% S pha phụ gia Maz 200 với tỷ lệ

Lượng tiêu hao nhiên liệu 9,12 (l/100km)

So với nhiên liệu diesel 0,025% S thì nhiên liệu diesel 0,025% S pha phụ gia Maz 200 với tỷ lệ pha 1000 ppm có ưu thế hơn cả về mặt khí thải lẫn tiêu hao nhiên liệu Các thành phần khí thải trong trường hợp có sử dụng phụ gia Maz 200 đều giảm hơn so với trường hợp không sử dụng phụ gia Lượng tiêu hao nhiên liệu trong trường hợp sử dụng phụ gia Maz 200 là 9,12 (l/100km) cũng thấp hơn so với lượng tiêu hao nhiên liệu khi không sử dụng phụ gia Maz 200 là 9,85 (l/100km)

2.3 Phụ gia CeO 2

2.3.1 Giới thiệu chung về CeO 2

Trong số các ôxit của xêri thì ôxit bền vững nhất là xêri đioxit CeO2 Khi các muối của xêri bị nung nóng trong không khí hoặc môi trường chứa ôxy thì ôxit xêri trong đó xêri hóa trị 4 được hình thành

Khi tinh khiết, CeO2 có màu vàng nhạt Màu vàng nhạt của ôxit này không chỉ nhạy với điều kiện lý tưởng mà còn với sự có mặt của các họ lantan khác Một

lượng rất nhỏ (≈0,02%) Pr sẽ gây ra màu vàng sẫm Ngoài ra, vì ôxit này thông thường được tạo ra bởi sự nung nóng của muối xêri nên màu sắc quan sát được phụ thuộc vào mức độ của sự nung nóng đó Một số đặc tính vật lý của xêri ôxit được thể hiện ở bảng 4 [15]

Bảng 4 Đặc tính vật lý của xêri ôxit

CeO2 có cấu trúc giống với cấu trúc của canxiflorit (CaF2) trong đó các nguyên

tử kim loại tạo thành mạng lập phương tâm mặt, xung quanh là các nguyên tử ôxi tạo thành tứ diện Khi bị khử trong không khí ở nhiệt độ cao, CeO2 tạo thành các ôxít thiếu ôxi dạng CeO2-x (với 0 < x < 0,5), đặc biệt khi thiếu một lượng lớn nguyên tử ôxi trong mạng lưới tinh thể và tạo nên một lượng lớn lỗ trống tại những

vị trí nguyên tử ôxi đã mất, CeO2 vẫn có cấu trúc của canxiflorit và những ôxít xêri thiếu ôxi này sẽ dễ dàng bị ôxi hóa thành CeO2 nhờ tác dụng của môi trường ôxi hóa

Quá trình ôxi hóa – khử đó có thể biểu diễn bằng các phương trình phản ứng sau [1]:

Ce+3 – 1e = Ce+4 (quá trình oxi hóa)

Ce+4 + 1e = Ce+3 (quá trình khử)

Thế ôxi hóa - khử của phản ứng là: Ce+3 = Ce+4 +1e +1,61V

Một số tính chất xúc tác của CeO2 như sau: Xúc tác chuyển hóa NOx thành N2

và O2 trên hệ CeO2(85%)/La2O3(15%); chuyển hóa CO thành CO2 trên hệ La2O3 ở 419C, nếu có mặt CeO2 sẽ giảm nhiệt độ xuống 206C Phản ứng để hyđrô hóa mêtan và các dẫn xuất dãy ankan thành hydrocacbon không no trên hệ CeO2/Al2O3 Phản ứng ôxi hóa mêtan thành CO2 và nước trên hệ CeO2 sẽ giảm nhiệt độ cháy từ 650C xuống 450C khi áp suất cao hơn 4 bar, khi nhiệt độ 525C sẽ chuyển hóa hết 99,8%

Tinh thể nano xêri ôxít là một vật liệu ôxít tiềm năng, nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau, vì có những tính chất hóa lý riêng rất đặc biệt như độ cứng cơ học, độ trơ hóa học, bền cháy và khả năng dẫn ôxi cao Những tính chất như độ dẫn điện và sự khuếch tán ôxi được xác định bởi sự có mặt của mật độ và độ ổn định khuyết tật mạng tinh thể Xêri ôxít là chất dẫn hỗn hợp, tức là chất dẫn điện tử, cũng như ion Sự ảnh hưởng các yếu tố này đến độ dẫn điện chung phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, áp suất hơi bên ngoài của ôxi và sự có mặt của dopant (một chất được đưa thêm vào mạng tinh thể của xêri ôxit để nhằm thay đổi tính chất dẫn điện của nó)

Giống như các vật liệu nano khác, CeO2 kích thước nano có kích thước hạt bé, chỉ lớn hơn kích thước của các nguyên tử 1-2 bậc Hầu hết các nguyên tử bị lộ ra bề mặt hoặc được che chắn không đáng kể, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh, trong khi ở vật liệu thông thường chỉ một số ít các nguyên tử nằm trên bề mặt được thể hiện tính chất còn phần lớn các nguyên tử còn lại nằm sâu trong thể tích của vật bị các nguyên tử lớp ngoài che chắn Do đó CeO2 kích thước nano thể hiện một số tính chất khác thường như tính chất quang, điện, từ,… các tính chất lý- hóa khác nhiều so với CeO2 thông thường

2.3.2 Phương pháp tổng hợp CeO 2

Bột CeO2 siêu mịn đã được tổng hợp bằng cách sử dụng các kỹ thuật như cháy

hồ quang (flash combustion), quá trình xử lý cơ hóa (mechanochemical processing), kết tủa đồng nhất (homogeneous precipitation), tổng hợp điện hóa (electrochemical synthesis), thủy nhiệt (hydrothermal) và quá trình xử lý nhiệt phân dung dịch (solvothermal processes) [17] Trong đó, kỹ thuật thủy nhiệt là kỹ thuật có khả năng tạo bột CeO2 cao, kích thước hạt nhỏ

Kỹ thuật thủy nhiệt [11] được sử dụng để tổng hợp các hạt nano xêri ôxit từ hai chất tiền thân là xêri hyđrôxit và xêri axêtat (Ce(O2C2H3)3.xH2O)đã được nghiên cứu tại Viện khoa học và kỹ thuật Vật liệu, Đại học kỹ thuật Nanyang Singapore Nguyên liệu sử dụng là xêri cacbonat (Ce2(CO3)3·3H2O,Ce2O3/TREO 60,5%), xêri ôxit ngậm nước được giữ ổn định bởi các ion axêtat (CeO2.xH2O), axit (65% HNO3), axit axêtic (CH3COOH), dung dịch amoniac (28% NH3) và hyđrô perôxit (30%H2O2) Trong dung dịch gốc chuẩn bị, xêri cacbonat được hòa tan trong axit nitric để tạo ra xêri (III) nitơrat, xêri ôxit ngậm nước mà được giữ ổn định bởi các ion axêtat được hòa tan trong nước đã khử ion (nước cất) để tạo ra xêri ôxit dạng gel được giữ ổn định bởi các ion axêtat và sẽ được xác định như xêri axêtat Dung dịch amoniac được pha loãng tới nồng độ 7M để sử dụng như chất làm lắng

và điều chỉnh pH Quá trình tổng hợp được thực hiện với việc sử dụng bình chưng cất axit có bọc lớp PTFE 45ml có xuất xứ từ Công ty thiết bị Parr (Mỹ)

Xêri (III) nitơrat, Ce(NO3)3.6H2O, được pha loãng tới [Ce4+]= 0,5M bằng việc

sử dụng nước cất Hyđrô perôxit với tỷ lệ mol H2O2: Ce4+ là 1:2 được thêm vào

dung dịch xêri (III) nitơrat và khuấy khoảng 5 phút dưới sự tác động của nhiệt từ

tấm gia nhiệt từ tính để chuyển Ce3+ thành Ce4+ Dung dịch amoniac pha loãng

(7M) theo tỷ lệ mol (NH4OH: Ce4+) là 3, sau đó được cho vào hỗn hợp này Nhờ

vào việc cho thêm vào dung dịch amoniac, phản ứng kết tủa xảy ra Dung dịch

amoniac dư được thêm vào theo cách nhỏ giọt cho đến khi độ pH đạt 8,8 Hỗn hợp

này được cho khuấy liên tục ở 800C với khoảng thời gian là 1 giờ để phản ứng diễn

ra hoàn toàn Sau 1 giờ, chất kết tủa màu vàng nhạt (Ce(OH)4) được làm sạch vài

lần với nước cất cho đến khi độ dẫn điện của dung dịch nhỏ hơn hoặc bằng

2 mili siemen (mS) Sau khi điều chỉnh để pH bằng 10 với việc sử dụng dung dịch

amoniac, 30 ml chất kết tủa đã làm sạch được đặt vào bình Teflon của bình cao áp

thủy nhiệt Bình cao áp sau đó được đặt vào buồng sấy và gia nhiệt trong khoảng

thời gian (0-24 giờ) Sản phẩm cuối cùng được làm sạch lại lần nữa với nước cất để

độ dẫn điện đạt được của dung dịch nhỏ hơn hoặc bằng 2 mS và sau đó làm khô ở

750C Bột khô được lấy ra và để ra riêng một chỗ cho quá trình xử lý nhiệt và mô tả

đặc điểm

Xêri axêtat được pha loãng tới [Ce4+]= 0,5M bằng việc sử dụng nước cất Độ

dẫn điện và pH của dung dịch được ghi chép lại trước khi đặt 30 ml dung dịch vào

bình Teflon của bình cao áp thủy nhiệt Bình cao áp sau đó được đặt vào buồng sấy

và gia nhiệt tới 2500C ở các thời gian xử lý khác nhau Sau khi thu được sản phẩm

cuối cùng, độ dẫn điện và pH của sản phẩm được ghi chép lại Sau đó cho sản phẩm

vào máy quay ly tâm và làm khô ở 750C Bột khô được lấy ra và để ra riêng một chỗ

cho quá trình xử lý nhiệt và mô tả đặc điểm

Máy phân tích nhiễu xạ XRD (Shimadzu 6000) được sử dụng để xác định

thành phần pha và để đánh giá kích cỡ tinh thể của các hạt nano Bức xạ Cu Kα theo

dải 2θ là 20÷800 ở 40 2θ/phút được sử dụng để đo Kích cỡ vi tinh thể của các hạt

nano được tính toán bằng cách sử dụng phương trình Scherrer :

0,89.λD

hkl hkl 

Trong đó λ là chiều dài bước sóng của tia X chiếu tới (0,15406 nm); θ là góc nhiễu xạ; βhkl là nửa độ rộng đo được

Thông số mạng tinh thể (a) được tính theo công thức :

2 2 2

lkh

ad

Hình 2.9 CeO 2 sử dụng Ce(OH) 4 (250 0 C) Hình 2.10 CeO 2 sử dụng xêri axêtat (250 0 C)

như một hàm của thời gian như một hàm của thời gian

Trong hình 2.9, các hạt nano thể hiện một vài mức độ kết tinh và hiển thị tất cả các đỉnh (peak) chính của CeO2 với một cấu trúc lập phương (JCPDS 34-0394) sau

6 giờ xử lý Tuy nhiên không có sự cải thiện đáng kể về độ kết tinh quan sát được giữa 6 giờ và 24 giờ Ở hình 2.10, xu hướng này cũng tương tự nhưng có điều các đỉnh hẹp hơn và mức độ kết tinh cũng lớn hơn khi so sánh với xêri ôxit được tổng hợp từ xêri(IV) hyđrôxit

Kích cỡ tinh thể CeO2 được tính toán nhờ vào phần mềm Topas và kết quả tính được đưa ra trong bảng 5

Bảng 5 Kết quả tính kích cỡ CeO2 tạo ra từ các chất tiền thân Ce(OH)4 và

xêri axêtat ở các thời gian xử lý khác nhau

Khi tổng hợp (2500C)

Xử lý nhiệt ở

5000C

Xử lý nhiệt ở

10000C Chất

tiền thân

Thời gian

xử lý (giờ)

Kiểu mạng

Dhkl(nm)

Kiểu mạng

Dhkl(nm)

Kiểu mạng

Dhkl(nm)

Lập phương 47,4

Xêri axêtat 0 Vô định

Lập phương 53,6

Hình 2.11 và 2.12 thể hiện hình ảnh phân tích tia X đối với xêri ôxit được tổng hợp từ xêri(IV) hyđrôxit và xêri axêtat tương ứng sau 24 giờ, nhiệt xử lý ở 500 và

10000C với thời gian duy trì khoảng 2 giờ Trong cả hai hình, có thể thấy các đỉnh đặc tính là nhọn và hẹp hơn khi ở xử lý ở nhiệt độ cao hơn Đối với xêri ôxit được tổng hợp từ xêri(IV) hyđrôxit thì kích cỡ tinh thể sau khi xử lý nhiệt ở 500 và

10000C lên tới 8,8 và 47,4 nm tương ứng Bên cạnh đó thì kích cỡ tinh thể của xêri ôxit mà được tổng hợp từ xêri axêtat sau khi xử lý nhiệt là 17,7 và 53,6 nm ở 500 và

10000C tương ứng Nếu so sánh có thể thấy mức kích cỡ của các hạt tinh thể xêri ôxit được tổng hợp từ xêri axêtat cao hơn so với kích cỡ hạt tinh thể xêri ôxit được tổng hợp từ xêri(IV) hyđrôxit

Hình 2.11 CeO 2 từ Ce(OH) 4 (24 giờ) Hình 2.12 CeO 2 từ xêri axêtat (24 giờ)

xử lý nhiệt ở (a) 500 0 C, (b) 1000 0 C xử lý nhiệt ở (a) 500 0 C, (b) 1000 0 C

Hình 2.13a thể hiện kết quả tổng hợp xêri ôxit từ xêri(IV) hyđrôxit (Ce(OH)4) sau 24 giờ xử lý nhiệt Kết quả cho thấy các hạt sau khi tổng hợp rất là mịn Độ kết tinh có thể được quan sát dựa vào các hạt và hình ảnh nhiễu xạ electron tương ứng Kích cỡ tinh thể của xêri ôxit là khoảng 5÷6 nm khi quan sát từ kính hiển vi điện tử TEM

Đối với xêri ôxit được tổng hợp từ xêri axêtat sau 24 giờ (hình 2.13b), các hạt phân tán một cách tương đối và rất dễ phân biệt khi quan sát, điều này cho thấy độ kết tụ của các hạt xêri ôxit được tổng hợp từ xêri axêtat thấp hơn so với các hạt xêri ôxit được tổng hợp từ xêri(IV) hyđrôxit

Hình 2.13 Hình ảnh quan sát TEM và sự nhiễu xạ electron của CeO 2 từ xêri(IV)hyđrôxit (a) và xêri axêtat (b) sau 24 giờ xử lý thủy nhiệt

Trong trường hợp xêri ôxit được tổng hợp từ xêri axêtat, bề mặt tinh thể và trạng thái kết tinh có thể được quan sát rất rõ Kích cỡ hạt xêri ôxit trong trường hợp này là khoảng 10÷15 nm, lớn hơn một chút so với các hạt xêri ôxit được tổng hợp từ xêri(IV) hyđrôxit, điều này phù hợp với kết quả tính toán kích cỡ hạt tinh thể của máy phân tích tia X

2.3.3 Phụ gia nano ôxit xêri CeO 2 cho nhiên liệu diesel

Các hạt nano CeO2 sau khi được điều chế từ các kỹ thuật trên, đặc biệt là kỹ thuật thủy nhiệt, có thể được tổng hợp thành phụ gia cho nhiên liệu diesel Trong đó

để tạo phụ gia cho nhiên liệu diesel từ các hạt nano CeO2 thì phải phân tán hạt nano sao cho các hạt này phân tán tốt trong nhiên liệu và không lắng đọng trong khi sử dụng Để đạt được điều này, phải sử dụng thêm các chất hoạt động bề mặt

Ôxit xêri CeO2 là một chất có khả năng xúc tác có lợi cho buồng cháy của động cơ đốt trong Thông thường, CeO2 được chuẩn bị ở dạng hạt rất bé và được hòa trộn với nhiên liệu diesel ở dạng phụ gia với nồng độ rất thấp Thông qua thuộc tính xúc tác của nó, CeO2 có thể ôxy hóa ở nhiệt độ thấp muội than và các hyđrôcacbon có trong khí thải của động cơ thành điôxit cacbon CO2 và nước H2O, làm giảm mức độ ảnh hưởng của khí thải độc hại đến con người và môi trường Bên cạnh đó, CeO2 còn có tác dụng giũ sạch muội than gắn ở trên thành của buồng cháy,

làm cho buồng cháy của động cơ sạch hơn và tạo cơ hội có được hiệu suất cháy cao hơn Qua đó cho phép động cơ tiết kiệm nhiên liệu hơn

Phụ gia nano CeO2 do Công ty NanoScience Innovation Pte Ltd của Singapore phát triển ở dạng dung dịch phụ gia lỏng (hình 2.14)

Hình 2.14 Dung dịch phụ gia Nano CeO 2

Dung dịch này chứa 99% diesel, gần 1% chất hoạt tính bề mặt và phần còn lại

là CeO2 Dung dịch phụ gia này được hòa trộn với nhiên liệu diesel truyền thống sẵn có trên thị trường Việt Nam với tỷ lệ 1:5.000 Với tỷ lệ đó, nồng độ CeO2 có trong nhiên liệu diesel sẽ không vượt quá 10 phần triệu (10ppm) Các hạt CeO2 có kích thước rất bé, đường kính từ 5 đến 10 nm như được thể hiện qua hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử ở hình 2.15 Đường kính này nhỏ hơn hàng nghìn lần so với kích thước của lỗ vòi phun

Hình 2.15 Hình ảnh chụp hạt nano CeO 2 trên kính hiển vi điện tử TEM

(Nguồn: NanoScience Innovation Pte Ltd)

Với kích thước bé, các hạt nano CeO2 sẽ không gây ảnh hưởng đến sự hoạt động bình thường của bất kể kết cấu cơ khí nào của động cơ Ngoài ra, do kích

thước hạt bé nên chỉ với một lượng rất nhỏ phụ gia nano CeO2 (khoảng 5 đến 10ppm) vẫn có đủ bề mặt cho các hiệu ứng xúc tác trong buồng cháy của động cơ

* Các hiệu ứng xúc tác:

Các hạt nano CeO2 có thể cung cấp các hiệu ứng xúc tác thông qua các phản ứng oxy hóa và phản ứng khử Cụ thể, các hiệu ứng này được trình bày theo các phản ứng sau :

O* có thể làm giảm nhiệt độ của phản ứng trong phương trình 2,3,4 và 5 (xuống tới mức 3000C) Không giống như các phương trình 2,3,4 và 5 là những phương trình

mô tả quá trình oxi hóa, phương trình 6 cho thấy quá trình khử NOx thành N2 Bên cạnh đó, NOx có thể cũng được hình thành bởi sự kết hợp N2 và O2 từ không khí và

O* từ CeO2 ở nhiệt độ cao

Mặt khác, khi cho rằng các hạt oxit xêri chỉ có thể tham gia trong cả phản ứng oxi hóa lẫn phản ứng khử thì khi đó có thể có sự biến thiên theo chiều hướng ngược lại của các thành phần khí thải như CO, Csoot, THC so với NOx Cho đến khi động

cơ tương đối sạch trong đó sự kết bám của C bị loại bỏ, tuy nhiên thật khó có thể kết luận về vai trò của CeO2 trong mỗi phản ứng trên Không chỉ vậy, các phản ứng

ở trên cũng có thể xảy ra khi các khí đã thoát ra khỏi buồng cháy do tính chất nhiệt

độ thấp của hiệu ứng xúc tác (như trong bộ chuyển đổi xúc tác)

Thông thường, CO, Csoot và THC có thể được phân loại theo cùng một loại và phản ứng oxi hóa là có lợi đối với năng lượng Nói theo cách khác, quá trình oxi hóa những khí này thành CO2 là phản ứng một chiều (tỏa năng lượng) ở tất cả các nhiệt độ làm việc Do đó, việc thêm vào nhiên liệu các hạt nano CeO2 sẽ làm giảm tất cả những khí này và điều này diễn ra ở cả bên trong và bên ngoài buồng cháy Mặt khác, N2 + O2  NOx là quá trình hai chiều phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất riêng phần của ôxy Có ba cơ chế hình thành NOx khác nhau trong buồng cháy (i) “NOx nhiệt” hình thành thông qua sự kết hợp của oxy và nitơ theo cơ chế Zeldovich Tỷ lệ sản phẩm NOx tăng lên gần như tuyến tính với thời gian ổn định

và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ ngọn lửa

(ii) “NOx tức thời”, một dạng của NOx nhiệt, được hình thành ở gần màng lửa khi các sản phẩm cháy trung gian như HCN, N và NO được ôxy hóa để tạo ra NOx (iii) “NOx nhiên liệu” hình thành bởi sự ôxy hóa của nitơ chứa trong hỗn hợp nhiên liệu Sự hình thành của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ ngọn lửa và được hỗ trợ bởi điều kiện nghèo nhiên liệu

Chương III

CƠ SỞ LÝ LUẬN KHẢO SÁT CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC VÀ PHÁT THẢI

CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL 3.1 Các chỉ tiêu công tác của động cơ

V

L

P  [N/m2] (3.1)

Trong đó:

Li - là công chỉ thị của chu trình [N.m]

Vh - thể tích công tác của xilanh [m3]

Áp suất chỉ thị trung bình là thông số dùng để đánh giá tính hiệu quả sử dụng thể tích của xilanh

3.1.2 Công suất chỉ thị của động cơ

Công suất chỉ thị của động cơ là công chỉ thị của động cơ sinh ra trong một đơn vị thời gian, được xác định theo công thức 3.2

τ

2n.i

.Vp

Ni  i h [W/s] (3.2)

Trong đó:

Ni - là công suất chỉ thị

pi- là áp suất chỉ thị trung bình [N/m2]

Vh - thể tích công tác của xilanh [m3]

n - tốc độ vòng quay của trục khuỷu trong một giây (vòng/s)

τ - là số hành trình piston trong 1 chu trình

i – là số xilanh

Thông thường người ta tính Vh = (lít); n = (vòng/phút); pi = (MN/m2) hay MPa, khi đó công suất chỉ thị của động cơ được xác định theo công thức 3.3

30.τ

.n.i.Vp

i  [kW] (3.3)

3.1.3 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị là lượng tiêu thụ nhiên liệu tính trên một đơn vị công suất chỉ thị trong một đơn vị thời gian, được xác định theo công thức 3.4

Ni - công suất chỉ thị của toàn bộ động cơ, đơn vị [kW]

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị dùng để đánh giá tính kinh tế của chu trình, nếu suất tiêu hao nhiên liệu càng nhỏ thì tính kinh tế của chu trình càng cao

3.1.4 Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác

Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác là tỷ số giữa công chỉ thị của chu trình

Li và lượng nhiệt cung cấp cho chu trình do đốt cháy nhiên liệu trong xilanh động

cơ, được xác định theo công thức 3.5

Li - công chỉ thị của chu trình

Q1 - lượng nhiệt cung cấp cho chu trình

Q1 = gct.Qtk , với Qtk là nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu (J/kg)

Hiệu suất chỉ thị của chu trình công tác là thông số đánh giá tính hiệu quả của việc sử dụng nhiệt biến thành công cơ học

3.1.5 Quan hệ giữa các thông số chỉ thị của chu trình công tác

Áp suất chỉ thị trung bình

Áp suất chỉ thị trung bình được xác định theo công thức 3.6