Nghiên cứu ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn lớn tới tính năng động cơ ô tô phun xăng điện tử

Một số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng về sử dụng xăng sinh học đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ đốt trong.. Do vậy với các cơ quan tổ chức cũng như các nhà sản xuấ

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 các công trình nào khác

Hà Nội, tháng 04 năm 2015

Học viên

Hoàng Văn Biên

LỜI CẢM ƠN

Với tư cách là tác giả của bài luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành đến thầy giáo TS.Phạm Hữu Tuyến, người đã hướng dẫn tôi tận tình chu đáo về chuyên môn để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này

Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Động Cơ Đốt Trong, Viện Cơ Khí Động Lực và Viện Đào Tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn

Cuối cùng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành tới gia đình, bạn

bè và đồng nghiệp, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong thời gian tôi học tập và làm luận văn

Hà Nội, tháng 04 năm 2015

Học viên

Hoàng Văn Biên

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

LỜI NÓI ĐẦU 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 3

I Lý do chọn đề tài 3

II Các đề tài nghiên cứu liên quan 3

III Mục đích của đề tài, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 4

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

V Các nội dung chính của luận văn 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XĂNG SINH HỌC SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 6

1.1 Tổng quan về nhiên liệu thay thế 6

1.1.1 Sự cần thiết phải sử dụng nhiên liệu thay thế 6

1.1.2 Một số dạng nhiên liệu thay thế thường dùng 8

1.2 Nhiên liệu xăng sinh học dùng cho động cơ đốt trong 12

1.2.1.Cồn ethanol sinh học 12

1.2.2 Nguồn gốc, tính chất nhiên liệu xăng sinh học 17

1.3 Một số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng về sử dụng xăng sinh học đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ đốt trong 22

1.3.1 Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol đến tính năng phát thải của động cơ 4 thì đánh lửa cưỡng bức 22

1.3.2 Đánh giá giảm phát thải ở động cơ SI khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol trên piston có dùng lớp vật liệu phủ 23

1.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu xăng không chì pha trộn với ethanol đến công suất và khí thải của động cơ đánh lửa cưỡng bức 27

1.4 Phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt FFV 29

1.4.1 Khái niệm về phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt 29

1.4.2 Những yêu cầu về tính năng đối với xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt 30

1.4.3 Triển vọng phát triển xe FFV 31

Kết luận chương 1 32

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT CHÁY CƯỠNG BỨC KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC 33

2.1 Quá trình cháy của động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng pha ethanol.33 2.1.1 Diễn biến cháy và các thông số đặc trưng của quá trình cháy trong động cơ đốt trong 33

2.1.2 Quá trình cháy trong động cơ khi sử dụng xăng pha ethanol 34

2.2 Quá trình hình thành phát thải trong động cơ khi sử dụng xăng pha ethanol 37 2.2.1 Cơ chế hình thành oxit nitơ (NO x ) 38

2.2.2 Cơ chế hình thành Hydrocarbon (HC) 41

2.2.3 Cơ chế hình thành monoxit carbon (CO) 43

2.3 Ảnh hưởng của các thông số làm việc tới tính năng động cơ đốt cháy cưỡng bức 44

2.3.1 Ảnh hưởng của tỷ số nén 44

2.3.2 Ảnh hưởng của kết cấu buồng đốt và vị trí đặt bugi 44

2.3.3 Ảnh hưởng của loại nhiên liệu 45

2.3.4 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm 46

2.3.5 Ảnh hưởng của tốc độ quay n 47

2.3.6 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí 47

Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN LỚN ĐẾN TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ Ô TÔ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ 49

3.1 Mục đích thử nghiệm 49

3.2 Đối tượng thử nghiệm 49

3.2.1 Nhiên liệu sử dụng trong thử nghiệm 49

3.2.2 Động cơ sử dụng trong thử nghiệm 50

3.3 Chế độ thử nghiệm 51

3.4 Thiết bị thử nghiệm 51

3.4.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm 51

3.4.2 Các thiết bị thử nghiệm khác 52

3.5 Kết quả thử nghiệm trên động cơ khi sử dụng các nhiên liệu trộn ở các chế độ làm việc là 40% tay ga, và 100% tay ga 58

3.5.1 Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng sinh học đến tính năng kinh tế và kỹ thuật của động cơ 58

3.5.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng sinh học đến phát thải khí thải của động cơ 65 3.5.3 Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng sinh học đến diễn biến áp suất trong xy lanh 73

Kết Luận chương 3 75

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.Tính chất vật lý của ethanol 13

Bảng 1.2.Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới tính đến năm 2012 16

Bảng 1.3.Các chỉ tiêu chất lƣợng của ethanol dùng để pha với xăng 18

Bảng 1.4.Tính chất của xăng nguyên chất [5] 19

Bảng 1.5 So sánh thuộc tính của xăng nguyên chất và một số xăng sinh học điển hình 21 Bảng 1.6 Thành phần thể tích mẫu thử 24

Bảng 1.7 Tính chất của các nhiên liệu thử nghiệm 24

Bảng2.1 Chuỗi phản ứng hình thành NO x Hệ số tốc độ Bexp E k AT T         39

Bảng 3.1 Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm 50

Bảng 3.2 Bảng thông số kỹ thuật động cơ TOYOTA 1NZ-FE [19] 50

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm động cơ ở 100% tay ga 59

Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm động cơ ở 40% tay ga 61

Bảng 3.5 Kết quả thử nghiệm khí thải của động cơ 63

Bảng 3.6 Kết quả đo phát thải khí CO ở 100% tay ga 65

Bảng 3.7 Kết quả đo phát thải khí HC ở 100% tay ga 66

Bảng 3.8 Kết quả đo phát thải khí CO2 ở 100% tay ga 67

Bảng 3.9 Kết quả đo phát thải khí NOx ở 100% tay ga 68

Bảng 3.10 Kết quả đo phát thải khí thải CO tại 40% tay ga 69

Bảng 3.11 Kết quả đo phát thải khí thải HC tại 40% tay ga 70

Bảng 3.12 Kết quả đo phát thải khí thải CO2 tại 40% tay ga 71

Bảng 3.13 Kết quả đo phát thải khí thải NOx tại 40% tay ga 71

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phát thải NOx của động cơ với các dạng nhiên liệu 22

Hình 1.2 Phát thải CO của động cơ với các dạng nhiên liệu 22

Hình 1.3 Phát thải CO2 của động cơ với các dạng nhiên liệu 23

Hình 1.4 Kết quả thát thải CO2 đối với các nhiên liệu 24

Hình 1.5 Kết quả thát thải HC đối với các nhiên liệu 25

Hình 1.6 Kết quả thát thải NOx đối với các nhiên liệu 25

Hình 1.7 Kết quả thát thải CO đối với các nhiên liệu 26

Hình 1.8.Ảnh hưởng của việc thêm ethanol đến suất tiêu thụ nhiên liệu 27

Hình 1.9.Ảnh hưởng của việc thêm ethanol đến tỷ lệ hòa trộn không khí-nhiên liệu 28

Hình 1.10.Ảnh hưởng của việc thêm ethanol đến công suất 28

Hình 1.11.Ảnh hưởng của việc thêm ethanol đến momen 29

Hình 1.12.Số lượng xe FFV được sản xuất trên thế giới tính đến 2010 31

Hình 2.1 Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức 33

Hình 2.2 Sơ đồ lan truyền màng lửa trong động cơ đánh lửa cưỡng bức 34

Hình 2.3 Trị số Octan của nhiên liệu xăng pha ethanol 35

Hình 2.4 Nhiệt trị thấp của nhiên liệu xăng pha ethanol 36

Hình 2.5 Biến thiên nồng độ NOx, HC, CO theo hệ số dư lượng không khí 38

Hình 2.6 Ảnh hưởng của kết cấu buồng đốt và vị trí buji đến diễn biến quá trình cháy [18] 45

Hình 2.7 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến quá trình cháy trên động cơ xăng 46

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thiết bị băng thử động cơ nhiều xy lanh 52

Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx 53

Hình 3.3 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO 55

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cân nhiên liệu AVL Fuel Balancer 733S 57

Hình 3.5 Thiết bị điều chỉnh tay ga THA100 58

Hình 3.6 Công suất của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu ở 100% tay ga 59

Hình 3.7 Mômen của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu ở 100% tay ga 60

Hình 3.8 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu ở 100% tay ga.

60

Hình 3.9 Công suất của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu ở 40% tay ga 61

Hình 3.10 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu ở 100% tay ga 62

Bảng 3.5 Kết quả thử nghiệm khí thải của động cơ 63

Hình 3.11 Nhiệt độ khí thải của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu tại 100% tay ga 64 Hình 3.12 Nhiệt độ khí thải của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu tại 40% tay ga 65 Hình 3.13 Phát thải CO của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu tại 100% tay ga 66

Hình 3.14 Phát thải HC của động cơ khi sử dụng nhiên liệu tại 100% tay ga 67

Hình 3.15 Phát thải CO2 của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu tại 100% tay ga 68

Hình 3.16 Phát thải NOx của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu tại 100% tay ga 69

Hình 3.17 Phát thải CO của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu tại 40% tay ga 70

Hình 3.18 Phát thải HC của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu tại 40% tay ga 72

Hình 3.19 Phát thải CO2 của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu tại 40% tay ga 72

Hình 3.20 Phát thải NOx của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu tại 40% tay ga 73

Hình 3.21 Diễn biến áp suất trong xylanh động cơ khi sử dụng nhiên liệu E0, E10, E30 và E100 74

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội hiện đại môi trường sống đang ngày một bị hủy hoại với tốc độ diễn ra ngày càng nhanh hơn Những tác động đó có thể có nhiều nguyên nhân khác nhau, nhưng nhu cầu sinh hoạt, hoạt động sản xuất của con người là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này Một trong số đó là nguồn ô nhiễm khí thải từ động

cơ của các phương tiện giao thông vận tải Do vậy với các cơ quan tổ chức cũng như các nhà sản xuất động cơ đốt trong thì ngoài việc nâng cao đặc tính của động

cơ như công suất, mức tiêu thụ nhiên liệu, độ ổn định…thì việc giảm lượng khí phát thải độc hại ra môi trường cũng đang được đặc biệt coi trọng Việc cắt giảm phát thải khí thải đang được đầu tư nghiên cứu mạnh mẽ hơn bao giờ hết, từ việc thay đổi kết cấu động cơ, xử lý khí thải sau khi đi ra khỏi động cơ đến việc thay thế nguồn nhiên liệu được sử dụng trong động cơ đốt trong Tìm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang trở nên cấp bách trong tình trạng nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày một cạn kiệt trong tương lai gần Nhiên liệu sinh học đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trên thế giới, không những đem lại lợi ích về an ninh năng lượng mà còn đáp ứng được những yêu cầu cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch về vấn đề môi trường sống trên trái đất Trong số đó xăng sinh học là loại nhiên liệu đáp ứng tốt cả về mặt tính năng kỹ thuật của động cơ, thân thiện với môi trường và có khả năng tái tạo

Không nằm ngoài xu thế tất yếu đó, Việt Nam cũng đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu đánh giá, tổng hợp về xăng sinh học Nhận thấy được tiềm năng phát triển to lớn mà nhiên liệu xăng sinh học đem lại cho nền kinh tế, môi trường và sức khỏe dân sinh Năm 2007 thủ tướng chính phủ đã phê duyệt quyết định số 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”

Chính những vấn đề thực tiễn trên nên em chọn đề tài “ Nghiên cứu ảnh

hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn lớn tới tính năng động cơ ô tô phun xăng điện tử ”

Dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo TS Phạm Hữu Tuyến cùng với

sự hỗ trợ của các thầy cô trong Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ Đốt trong Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức và trình độ hiểu biết có giới hạn nên em thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp của quý thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 22 tháng 04 năm 2015

Học viên thực hiện

Hoàng Văn Biên

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

I Lý do chọn đề tài

Với mật độ giao thông dày đặc như hiện nay đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường không khí từ giao thông vận tải đang có xu hướng gia tăng Nhiều phương tiện đã qua nhiều năm

sử dụng nên chất lượng kỹ thuật đã giảm nhiều, mức tiêu thụ nhiên liệu cũng như nồng độ các chất độc hại trong khí thải cao Vì vậy ở các thành phố lớn nói riêng và trên quy mô toàn quốc vấn đề giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường sống

do khí thải của các phương tiện giao thông gây ra là một trong những vấn đề được Đảng, Nhà nước, Chính phủ và cả xã hội quan tâm

Sử dụng xăng sinh học là một giải pháp hữu hiệu cho vấn đề trên Xăng sinh học là một hỗn hợp của xăng khoáng và cồn ethanol sinh học theo tỷ lệ nhất định Cồn ethanol sinh học có nguồn gốc từ thực vật như ngô, sắn, mía và biomass nói chung, do vậy đây là nhiên liệu có khả năng tái tạo Xăng E5 hiện nay đã được sử dụng tương đối phổ biến ở nhiều nước trên thế giới Xăng E10 cũng đã được nghiên cứu khá chi tiết trên động cơ sử dụng chế hòa khí ở Việt Nam Nhằm tiếp tục nghiên cứu khả năng ứng dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn lớn trên những loại động

cơ khác nhau, em chọn đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ

cồn lớn tới tính năng động cơ ô tô phun xăng điện tử ” Đề tài được nghiên cứu

nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của nhiên liệu E10, E30, E100 đến công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động cơ phun xăng điện tử truyền thống Kết quả của

đề tài có ý nghĩa thực tiễn đối với các nhà sản xuất động cơ, sản xuất và chế biến nhiên liệu, người tiêu dùng Đồng thời góp cơ sở khoa học cho các chính sách về phát triển nhiên liệu sinh học tại Việt Nam

II Các đề tài nghiên cứu liên quan

Vấn đề nghiên cứu sử dụng nhiên liệu xăng sinh học trên động cơ ô tô đã được thực hiện nhiều trên thế giới Một số nghiên cứu điển hình như:

- Nghiên cứu “Những ảnh hưởng của xăng ethanol pha chì trong động cơ một xi lanh đơn SI đến hiệu suất và xả khí thải động cơ” của Suat Saridemir

- Nghiên cứu “Khí thải và Đặc tính cháy của động cơ SI làm việc với Xăng Ethanol Pha trộn với các hợp chất oxy hóa hữu cơ” của Farha Tabassum Ansari và Abhishek Prakash Verma

- Các nghiên cứu thử nghiệm nhiên liệu xăng sinh học E5, E10, E20… trên động cơ xăng thực hiện tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Một số kết quả nghiên cứu liên quan được trình bày chi tiết hơn trong phần Tổng quan

III Mục đích của đề tài, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Mục đích của đề tài: Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ ô tô phun xăng điện tử thông thường khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn lớn trong trường hợp không thay đổi kết cấu và thông số điều chỉnh của động cơ

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nhiên liệu A92 (E0), E10, E30 và E100 (các nhiên liệu pha trộn được pha chế từ xăng gốc A92 và ethanol nồng độ 99.5%) Tiến hành nghiên cứu các tác động của các mẫu nhiên liệu này tới tính năng kinh tế,

kỹ thuật và phát thải của động cơ ô tô phun xăng điện tử thông thường

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: nghiên cứu ảnh hưởng của các loại nhiên liệu trên tới công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu và phát thải động cơ Toyota 1NZ-FE

IV Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Đánh giá định lượng ảnh hưởng của nhiên liệu E10, E30, E100 đến tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ ô tô phun xăng điện tử thông thường, qua đó định hướng những thay đổi cần thiết khi sử dụng các loại nhiên liệu này trên động cơ ô tô phun xăng điện tử thông thường

- Ý nghĩa thực tiễn: Thúc đẩy các nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu xăng

sinh học ở Việt Nam, góp phần thực hiện mục tiêu của Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học của chính phủ

V Các nội dung chính của luận văn

- Tổng quan về đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về xăng sinh học

- Quá trình cháy và hình thành phát thải trong động cơ đốt cháy cưỡng bức khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học

- Lắp đặt thử nghiệm động cơ ô tô phun xăng điện tử trên băng thử động cơ

- Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tính năng kinh

tế kỹ thuật và phát thải của động cơ

- Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XĂNG SINH HỌC SỬ DỤNG CHO ĐỘNG

CƠ ĐỐT TRONG

1.1 Tổng quan về nhiên liệu thay thế

1.1.1 Sự cần thiết phải sử dụng nhiên liệu thay thế

Nhu cầu năng lượng của loài người đã hiện diện cách nay hàng trăm ngàn năm trước khi con người đã biết dùng lửa trong hoạt động hàng ngày để nướng thịt, xua đuổi thú dữ, đốt rừng làm nương rẫy Năng lượng có vai trò quan trọng đối với

sự phát triển của kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng, an ninh kinh tế luôn gắn liền với an ninh năng lượng của một quốc gia

Vào thế kỷ 19, gỗ là nguồn năng lượng làm máy chạy bằng hơi nước phổ thông trong ngành chuyên chở, giúp phát triển mạnh công nghiệp cơ giới Sau đó, con người chế tạo động cơ đốt trong cung cấp nguồn năng lượng cho đời sống hàng ngày và thay thế dần những máy chạy bằng hơi nước Khi tìm thấy nguồn nhiên liệu trầm tích như than đá, dầu hỏa và khí đốt, con người tăng tốc sử dụng loại năng lượng không tái tạo này để chạy máy nổ, chủ yếu trong ngành vận tải, nhiệt và điện năng Loại nhiên liệu thể lỏng (xăng, dầu) trở nên thông dụng hơn trong ngành chuyển vận vì có tỉ trọng năng lượng cao, dễ sử dụng hơn loại nhiên liệu khí và rắn,

và từ đó nguồn năng lượng rắn được sử dụng giảm dần.Theo các chuyên gia kinh tế thế giới trong khoảng 15 năm tới thì cung vẫn luôn thấp hơn cầu, chính vì nhu cầu

về xăng dầu và khí đốt không ngừng tăng như vậy đã làm cho giá dầu trên thế giới tăng chóng mặt trong những năm gần đây Ngoài ra nguồn năng lượng hóa thạch này lại chủ yếu tập trung ở các khu vực luôn có tình hình chính trị bất ổn như Trung Đông (nơi nắm giữ 2/3 trữ lượng dầu mỏ của thế giới), Trung Á, Trung Phi…Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu xảy ra lại làm nay chuyển nền kinh tế thế giới, các nước đang phát triển như Việt Nam cũng không thoát khỏi sự ảnh hưởng đó

Vào cuối những năm 1990, giá dầu tăng vọt từ 30 USD/thùng lên 55 USD/thùng nhưng rất nhanh trở về mức bình thường 30 USD/thùng vào đầu năm

1991, nên chỉ xem là sự tăng đột biến, không ảnh hưởng lớn và trầm trọng như các cuộc khủng hoảng trước Bắt đầu từ sau 2004 giá dầu lại tăng liên tục và đều đặn

Tháng 9/2003, giá dầu còn dưới 25 USD/thùng, tháng 8/2005 đã tăng lên gấp đôi, trên 60 USD/thùng Tháng 9/2007, giá dầu tăng trên 80 USD/thùng, đến tháng 10/2007, giá dầu tăng vọt lên 98.62 USD/thùng và hiện nay đang giữ mức trên 99 USD/thùng Điều đáng quan tâm là giá dầu có thể tăng lên đến 100 USD/thùng ngay trong tháng 12/2007, ngang với giá dầu xảy ra khủng hoảng năng lượng lần thứ hai trước đây và có thể giá dầu sẽ không trở về mức cũ mà vẫn ở mức cao Giá dầu 60 USD/thùng đã là mức quá cao đủ gây tác động kinh tế toàn cầu nói chung, làm suy thoái kinh tế và rối ren bất ổn xã hội, như thực tế những cuộc khủng hoảng dầu mỏ trước đây đã cho thấy

Cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ nhất năm 1973 chính là do các nước OPEC chủ động ngưng sản xuất dầu và thực hành cấm vận, không cung cấp dầu cho

Mỹ và những nước phương Tây do đã ủng hộ Israel trong cuộc xung đột với Syrie

và Ai Cập, còn cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ hai là hậu quả của việc các cơ sở sản xuất, khai thác dầu ở Iran bị phá hủy trong cuộc cách mạng Hồi giáo, tiếp sau là cuộc xâm lấn của Iraq vào Iran năm 1980 đã làm việc sản xuất dầu ở cả Iran và Iraq

bị hoàn toàn đình trệ, không có dầu để cung cấp cho thế giới Việc tăng đột ngột giá dầu năm 1990 liên quan đến chiến tranh vùng Vịnh và xâm lấn của Iraq vào Kuwait ngày 2/8/1990 Cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ ba này không gắn liền với các cuộc chiến tranh, xung đột vũ trang như những lần trước mà nguyên nhân chính là

do nhu cầu tăng quá cao ở những nền kinh tế mới đang phát triển, có sự tăng trưởng kinh tế mạnh và liên tục trong nhiều năm liền, trong đó 2/3 mức tăng lên là do nhu cầu của hai nền kinh tế lớn là Trung Quốc và Ấn Độ, 1/3 còn lại là do nhu cầu của các nền kinh tế đang phát triển trong thời kỳ hội nhập kinh tế toàn cầu Những năm gần đây, sự khác biệt giữa năng lực sản xuất và nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ đã thay đổi rất nhanh làm phá vỡ cân bằng cung-cầu Nếu giữa thập niên 80, khoảng cách này là

10 triệu thùng mỗi ngày, cuối thập niên 90 còn khoảng 2 triệu thùng/ngày, thì đến nay, khoảng cách này không còn nữa, thậm chí là con số ngày càng âm Hiện nay trên thế giới mức sản xuất cao nhất khoảng 82 triệu thùng/ngày, đến nay mức khai thác đang tiến đến đỉnh sản xuất và sau đó sẽ bắt đầu giảm sút khoảng 7% mỗi

năm Theo báo cáo ngày 22-10-2007 của Văn phòng Tổ chức kiểm soát Năng lượng Anh (EWG), sản lượng dầu mỏ thế giới đã lên đỉnh sản xuất vào năm 2006, sớm hơn nhiều so với dự báo Trong khi đó, năm 2007 nhu cầu tiêu thụ đã có thể xác định là 86,1 triệu thùng/ngày, sang năm 2008 sẽ là 88 triệu thùng/ngày, năm 2012 là 95,8 triệu thùng/ngày và đến năm 2025, nhu cầu tiêu dùng của thế giới sẽ tăng lên đến 118 triệu thùng/ngày! Cần lưu ý là tổng trữ lượng dầu mỏ có thể khai thác (recoverable reserve) trên thế giới tính đến năm 2006 khoảng 1.300 tỷ thùng, nghĩa

là chỉ đủ dùng cho khoảng 30 năm nữa với mức tiêu thụ khoảng 80 triệu thùng/ngày

Việc sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch sẽ thải ra những chất thải độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và môi trường sống, phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính làm biến đổi khí hậu, trái đất ấm dần lên, băng tan…Vì vậy,

để có thể giảm mức tiêu thụ dầu mỏ, né tránh được các cuộc khủng hoảng dầu mỏ, ngoài việc tiết kiệm và sử dụng dầu mỏ hợp lý hơn, hiệu quả hơn, giải pháp căn cơ

là phải tìm những nguồn nhiên liệu thay thế mới và nhanh chóng đưa vào sử dụng chúng, tăng dần mức độ thay thế đi đến thay thế hoàn toàn dầu mỏ theo một lộ trình chặt chẽ Nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được xem như là một trong những giải pháp quan trọng và nhận được sự quan tâm lớn của thế giới

1.1.2 Một số dạng nhiên liệu thay thế thường dùng

Nhiên liệu thay thế có thể được phân chia thành hai nhóm chính như sau: + Nhóm các nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch gồm: Xăng, diesel, dầu hỏa, khí thiên nhiên (NG-Natural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG-Liquefied Petroleum Gas), khí thiên nhiên hóa lỏng (GTL- Gas to liquid), than đá hóa lỏng (CTL-Coal to liquid)

+ Nhóm các nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: Khí sinh học (biogas), Ethanol sinh học ( bio-ethanol)/methanol sinh học ( bio-methanol), hydro, dầu thực vật (vegetable-oil) , diesel sinh học (bio-diesel hay FAME-Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật, mỡ động vật hydro hóa (HVO-Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hóa lỏng ( BTL-Biomass To Liquid)

- Có nhiệt lượng lớn, nhiệt độ ngọn lửa cao (189019350C), khối lượng riêng nhẹ hơn nước vào khoảng 0.53-0.58kg/l

- Nhiệt trị thấp Q H  46MJ kg/ tương đương khoảng 12.000kcal/kg

- Tỷ số không khí trên nhiên liệu: A/F=15,5

- Chỉ số Octane: 95-105

- Tỷ lệ hóa hơi của khí lỏng trong không khí tăng thể tích khoảng 250 lần

- Nhiệt độ ngọn lửa khi cháy: Butane (19000C), Propane (19350C)

- LPG được hóa lỏng ở -300C, áp suất tuyệt đối của nhiên liệu LPG trong bồn chứa là 4,4bar ở 150C, ở 1,7bar ở -150C, và 12,5bar ở 500C

LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas, và cũng có thể sản xuất từ các nhà máy lọc dầu Nguyên liệu ban đầu dùng để sản xuất LPG là dòng khí thiên nhiên khai thác từ các mỏ dầu hoặc qua quá trình xử lý dầu thô để thu được LPG

1.1.2.2 Khí thiên nhiên nén (CNG)

Khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas) với thành phần chính là methane (CH4) chiếm khoảng 84% còn lại là etan (C2H6) Khí thiên nhiên

có hai loại chính là khí thiên nhiên nén CNG và LNG (Liquefied Natural Gas) Trị

số octane của khí thiên nhiên là 120-130 trong khi đó với xăng chỉ là 92-100, do vậy CNG có khả năng chống kích nổ cao hơn, có thể nâng cao tỷ số nén để tăng hiệu suất động cơ CNG có tính năng tương tự khí thiên nhiên, sạch, chỉ chiếm khoảng 1/200 thể tích so với khí thiên nhiên ở trạng thái bình thường, dễ chuyên chở đi xa

và có chỉ số Octane cao nên được sử dụng rộng rãi trên thế giới làm nhiên liệu động

cơ thay thế xăng, dầu, vì không giải phóng nhiều khí độc như NO, CO, SO2 khi cháy và hầu như không phát sinh bụi Các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 90-97% lượng CO, 25% khí CO2, 35-60% lượng NO và đến 50% lượng hydrocarbon thải ra khi so sánh với động cơ xăng

1.1.2.3 Khí sinh học biogas

Biogas còn gọi là khí sinh học là một hỗn hợp khí được sản sinh từ sự phân hủy những hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của vi khuẩn trong môi trường yếm khí Hỗn hợp khí này chiếm tỉ lệ gồm: CH4: 60 - 70%; CO2: 30 - 40%, phần còn lại

là một lượng nhỏ khí: N2, H2, CO, CO2…CH4 chiếm lượng lớn và là khí chủ yếu tạo ra năng lượng khí đốt Lượng CH4 chịu ảnh hưởng bởi quá trình phân hủy sinh học và phụ thuộc loại phân, tỉ lệ phân nước, nhiệt độ môi trường, tốc độ dòng chảy… trong hệ thống phân hủy khí sinh học kỵ khí Khí biogas có tính dễ cháy nếu được hòa lẫn nó với tỉ lệ từ 6 đến 25% trong không khí Nếu hỗn hợp khí mà CH4

chỉ chiếm 60% thì 1 m3 cần 8 m3 không khí Trong thực tế, khí biogas cháy tốt trong không khí khi được hòa lẫn ở tỉ lệ là 1/9 – 1/10 [1]

Các nguyên liệu phổ biến nhất cho biogas có định hướng thương mại

là phân động vât, đặc biệt là phân lợn từ các trang trại nuôi lợn Một loại nguyên

liệu khác, nhưng ít phổ biến hơn là mật rỉ đường từ các xưởng sản xuất đường

1.1.2.4 Diesel sinh học (Biodiesel)

Diesel sinh học (Biodiesel) là loại nhiên liệu có những tính chất tương đương với dầu diesel tự nhiên nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật Diesel sinh học nói riêng hay nhiên liệu sinh học nói chung đều là loại năng lượng tái tạo và về phương diện hoá học thì biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ khi được ester hoá bởi các ancol methanol hoặc ethanol

Biodiesel là một chất lỏng, có màu giữa vàng hay nâu tối phụ thuộc vào nguyên liệu để chế biến Methyl ester điển hình có điểm bốc cháy khoảng ~150 0C,

tỷ trọng thấp hơn nước (d= ~0,88g/cm3), có độ nhớt tương tự diesel từ dầu mỏ

Nhiều nước trên thế giới dùng chữ B với ý nghĩa là biodiesel, chữ BA hay E để cho biết hoá hợp với ethanol

và dùng xúc tác là những kiềm mạnh (NaOH hay KOH) hoặc Natrisilicat ở áp suất thông thường và nhiệt độ phù hợp Liên kết ester của glyxerin với axit béo trong dầu mỡ bị phá huỷ, các axit béo sẽ được ester hoá với methanol hoặc ethanol còn glyxerin được tách ra

1.1.2.5 Nhiên liệu Hydrogen

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí lưỡng nguyên tử có công thức phân tử H2, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi ở -252,87 °C

và nhiệt độ nóng chảy là -259,14 °C Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương Hydro

có hóa trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác.Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:

 Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạc, sinh khối) bằng nhiệt (reforming)

Trước hết khí thiên nhiên (thành phần chủ yếu là metan) được tách carbon và chuyển hóa thành hydrogen nhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 9000C

 Phương pháp sinh học

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydrogen và oxygen Hiện tại phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu

 Phương pháp điện phân

Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang điện) chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng Khí hydrogen được sinh ra khi dòng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước, tương tự chúng ta cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen Như vậy việc sản xuất hydrogen sẽ là một quá trình sạch (không khí thải), tái sinh và bền vững [2]

1.2 Nhiên liệu xăng sinh học dùng cho động cơ đốt trong

1.2.1.Cồn ethanol sinh học

1.2.1.1 Tính chất vật lý

Cồn ethanol (C2H5OH) là một chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút

ẩm, dễ bay hơi, có mùi đặc trưng, có độ phân cực mạnh Ethanol được sản xuất từ các loại thực vật giàu đường (mía đường, củ cải đường,…) hoặc giàu tinh bột (ngô, lúa mì, lúa mạch, khoai, sắn,…) qua các quá trình lên men, chưng cất và làm khan cồn Ngoài ra ethanol còn được sản xuất từ các nguồn sinh khối có chứa cellulose Do có nguồn gốc từ thực vật sinh trưởng nhờ quá trình quang hợp sử dụng năng lượng mặt trời nên khi đốt cồn ethanol để sinh năng lượng sẽ không làm tăng lượng khí cacbornic Các tính chất của ethanol chủ yếu do sự hoạt động của nhóm hydroxyl (OH) và do mạch Carbon ngắn Vì

có nhóm OH nên có thể tham gia vào các liên kết với phân tử hydro, làm cho nó có độ nhớt và ít bay hơi so với các hợp chất hữu cơ cùng trọng lượng phân tử Ethanol là một dung môi linh động, có thể hòa tan trong nước với các hợp chất hữu cơ khác như: acid acetic, acetone, benzene, cacbon tetraclorua,chloroform, diethyl ether,ethylene glycol, glycerin, nitromethane, pyridine,và toluene

Ethanol có tốc độ cháy nhanh hơn xăng nên quá trình cháy sẽ đồng nhất hơn Ngoài ra do giới hạn cháy rộng hơn nên có thể sử dụng hỗn hợp không khí/nhiên liệu đậm hơn để nâng cao công suất động cơ

Do khả năng bay hơi thấp hơn xăng nên việc tồn trữ và vận chuyển ethanol

Năng lượng hỗn hợp công tác 94,7 Btu/ft3

1.2.1.2 Tính chất hóa học [20]

 Có tính chất của một rượu đơn chức:

Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ Ví dụ:

2 C2H5OH + 2 Na -> 2 C2H5ONa + H2Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và acid với môi trường là acid sulfuric đặc

nóng tạo ra este Ví dụ:

C2H5OH + CH3COOH -> CH3COOC2H5 + H2O Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi trường acid sulfuric đặc ở 170 độ C:

C2H5OH -> C2H4 + H2O Tách nước giữa 2 phân tử rượu thành ether

C2H5OH + C2H5OH -> C2H5-O-C2H5 + H2O Phản ứng oxi hóa, trong đó rượu bị oxi hóa theo 3 mức:oxy hóa không hoàn toàn thành andehyde, acid hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn (đốt cháy) tạo thành CO2 và

H2O Ví dụ :

Mức 1, trong môi trường nhiệt độ cao

CH3-CH2-OH + CuO -> CH3-CHO + Cu + H2O Mức 2, có xúc tác:

CH3-CH2-OH + O2 -> CH3-COOH + H2O Mức 3

C2H5OH + 3 O2 -> 2 CO2 + 3 H2O

 Phản ứng riêng:

Phản ứng tạo ra butadien-1.3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví dụ

Cu + Al2O3 ở 380-400 độ C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước

2C2H5OH -> CH2=CH-CH=CH2 + 2 H2O + H2 Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxi không khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 25 độ C

CH3-CH2-OH + O2 -> CH3-COOH + H2O

 Khả năng cháy của ethanol

Một trong những tính chất quan trọng của nhiên liệu là lượng nhiệt sinh ra khi cháy Với ethanol, oxy chiếm 35% phân tử lượng, có nhiệt trị cao hơn so với methanol, tương đương 60% giá trị nhiệt trị của xăng

1.2.1.3 Ưu nhược điểm của cồn ethanol sinh học so với xăng

 Ƣu điểm

- Ethanol có thể làm giảm nhập khẩu xăng dầu, cải thiện cán cân thanh toán, cải thiện an ninh năng lượng quốc gia, và giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ từ các khu vực không ổn định của thế giới

- Ethanol có khả năng truyền nhiệt tốt hơn, nên quá trình cháy diễn ra nhanh hơn, làm tăng phạm vi cháy

- Ethanol có nguồn gốc sinh học nên giảm phát thải khí nhà kính và một số thành phần độc hại trong khí thải động cơ

- Phát triển nhiên liệu Ethanol, góp phần thúc đẩy phát triển nông nghiệp và thu nhập cho nông dân

 Nhƣợc điểm

- Hàm lượng năng lượng ethanol thấp hơn

- Áp suất hơi thấp hơn của ethanol có thể đóng góp để sản xuất các chất ô nhiễm không được kiểm soát như aldehyde

- Sử dụng ethanol có thể tăng cường ăn mòn trên các chi tiết như bình nhiên liệu

- Ethanol là một phân tử triatomic có kết quả trong công suất nhiệt khí cao hơn và nhiệt độ khí đốt thấp hơn

- Áp suất hơi thấp của ethanol làm cho động cơ khó khởi động trong điều kiện thời tiết lạnh hơn

1.2.1.4 Tình hình sản xuất ethanol nhiên liệu trên thế giới và Việt Nam

a) Tình hình sản xuất ethanol nhiên liệu trên thế giới [3]

Sản lượng sản xuất ethanol trên thế giới tăng đều trong thập kỷ qua Trong năm 2012, tổng sản lượng nhiên liệu ethanol đạt 85 tỷ lít Hoa Kỳ là nước sản xuất ethanol lớn nhất trên thế giới với 88,4% tổng mức sản xuất Sản xuất ethanol nhiên liệu đã tăng lên đáng kể, bởi vì nhiều quốc gia hiện nay đang tìm kiếm để giảm lượng dầu nhập khẩu, thúc đẩy nông thôn nền kinh tế và cải thiện chất lượng không khí Hỗn hợp ethanol-xăng là được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới như Liên minh

châu Âu, Brazil, Thái lan và Canada Chính phủ Brazil đã thực hiện việc sử dụng ethanol bắt buộc kể từ năm 1976 họ thực hiện theo hai phương pháp tiếp cận liên quan đến việc sử dụng ethanol: một là bắt buộc sử dụng hỗn hợp ethanol-xăng và một trong những cách khác là mở rộng thị trường xe FFV Khoảng 90% xe ô tô mới được bán tại Brazil là xe FFV và xăng dầu bán chứa 20-25% ethanol khan Nhiều quốc gia có đã thực hiện hoặc thực hiện các chương trình bổ sung ethanol cho xăng Hầu hết các xe chạy trên đều sử dụng hàm lượng lên đến 10% ethanol pha trộn Ngoài ra, các nhà sản xuất thiết kế xe chạy với hỗn hợp ethanol cao hơn

Thời điểm hiện tại, sản lượng ethanol được sản xuất ở châu Phi vẫn còn tương đối thấp, nhưng khu vực này lại cho thấy tiềm năng to lớn trong việc tăng trưởng sản lượng ethanol trong năm 2012, dự kiến sẽ ở mức 36% Sản xuất nhiên liệu ethanol sẽ là cơ hội phát triển mới cho các nước châu Phi, bởi nó khuyến khích đầu tư cho nông nghiệp, tạo công ăn việc làm ổn định và giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu dầu mỏ từ nước ngoài Tại khu vực châu Âu, tổng sản lượng ethanol tiếp tục chứng kiến sức tăng trưởng mạnh mẽ Sản lượng ethanol năm 2011 tăng 4% so với năm 2010 Trong năm 2012, châu Âu dự kiến sẽ sản xuất 4,9 tỉ lít ethanol, tăng 11% so với năm 2011

Bảng 1.2.Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới tính đến năm 2012

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Europe 1,627 1,882 2,885 3,645 4,254 4,429 4,973

b) Tình hình sản xuất ethanol nhiên liệu tại Việt Nam [4]

Hiện nay cả nước có 6 nhà máy sản xuất ethanol sinh học từ sắn lát với tổng công suất 535 triệu lít mỗi năm Hiện nay, ngoài ba nhà máy mà tập đoàn Dầu khí quốc gia (PVN) tham gia đầu tư gồm nhà máy sản xuất ethanol Phú Thọ (hiện đã tạm ngưng), nhà máy ethanol Bình Phước và nhà máy ethanol Dung Quất, cả nước còn bốn nhà máy sản xuất ethanol khác đang hoạt động với công suất 335 triệu lít ethanol/năm, gồm nhà máy Đồng Xanh (Quảng Nam ), Tùng Lâm (Đồng Nai), Đại Việt (Đắk Nông), Bioethanol Đắk Tô (Kon Tum)

Tuy nhiên, việc phát triển mạng lưới phân phối xăng sinh học còn chậm, không theo kịp việc đầu tư sản xuất ethanol

1.2.2 Nguồn gốc, tính chất nhiên liệu xăng sinh học

Thông thường, ethanol được sử dụng trên động cơ xăng ở dạng hỗn hợp với xăng theo tỷ lệ nhất định (5,10,15,20% thể tích) còn gọi là xăng sinh học Theo những nghiên cứu được công bố rộng rãi trên toàn thế giới, khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol, công suất động cơ được cải thiện, nồng độ CO và HC giảm, CO2 và NOx tăng lên Tuy nhiên việc nghiên cứu nâng cao tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu cũng như những ảnh hưởng của nó vật liệu sử dụng trên động cơ vẫn đang được đầu tư nghiên cứu

và phát triển với hy vọng ethanol sinh học có thể dần thay thế được xăng mà vẫn đảm bảo tính kinh tế cũng như kỹ thuật của động cơ [21]

Ethanol đã thu hút sự chú ý trên toàn thế giới vì tiềm năng sử dụng của nó như một nhiên liệu thay thế cho ô tô Sử dụng ethanol làm nhiên liệu không phải là một khái niệm mới Năm 1826, Samuel Morey phát triển một động cơ chạy bằng ethanol Việc sử dụng ethanol pha trộn với diesel là một đối tượng nghiên cứu trong những năm 1980 Vào thời điểm đó, người ta thấy rằng hỗn hợp ethanol về mặt kỹ thuật là chấp nhận được làm nhiên liệu cho động cơ hiện có Tuy nhiên chi phí sản xuất cao nên ethanol tại thời điểm đó đã bị cản trở sử dụng thường xuyên và biến nó thành nhiên liệu dự phòng trong trường hợp tình trạng thiếu nhiên liệu Tuy nhiên nền kinh tế đã trở nên thuận lợi cho việc sản xuất ethanol và bây giờ có thể cạnh tranh với xăng dầu tiêu chuẩn

Xăng là hỗn hợp của các hydrocarbon chỉ chứa hai nguyên tố là H và C, còn ethanol có thêm O Tỷ lệ Không khí/Nhiên liệu (hay A/F) cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu để tạo ra CO2 và H20 được gọi là tỷ lệ hỗn hợp công tác Tỷ lệ này với xăng là 14,7/1 theo khối lượng Với nhiên liệu xăng pha ethanol, lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu là ít hơn so với xăng truyền thống vì bản thân trong ethanol đã có Ôxy và một số hydrocarbon đã được thay thế Với E10 (hỗn hợp pha giữa 10% ethanol và 90% xăng) thì tỷ lệ A/F chỉ yêu cầu từ 14-14,1/1

Bảng 1.3.Các chỉ tiêu chất lƣợng của ethanol dùng để pha với xăng

6 Độ axit (axit axetic), % khối lượng <0,007

7 Hàm lượng các clorit vô cơ, ppm <40

1.2.2.1 So sánh tính chất của xăng truyền thống với một số xăng sinh học được dùng nhiều nhất

Tính chất của xăng nguyên chất (xăng không chì) được thể hiện theo bảng sau:

Bảng 1.4.Tính chất của xăng nguyên chất [5]

Trị số ốctan theo phương pháp

nghiên cứu (RON), min

90 92 95

TCVN 2703 :

2007 (ASTM D 2699 - 06a)

5 Hàm lượng nhựa thực tế (đã rửa

dung môi), mg/100ml, max 5

TCVN 6593 :

2000 (ASTM D 381)

6 Độ ổn định oxy hóa, phút, min 480

TCVN 6778 :

2000 (ASTM D 525)

7 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg,

TCVN 6701:

2007 (ASTM D 2622 -

05) TCVN 7760 :

2008 (ASTM D 5453 -

9 Hàm lượng benzen, % thể tích,

TCVN 3166 :

2008 (ASTM D 5580 -

11 Olefin, % thể tích, max 38

TCVN 7330 :

2007 (ASTM D 1319-02a)

12 Hàm lượng oxy, % khối lượng,

TCVN 7332 :

2006 (ASTM D4815 -

14 Hàm lượng kim loại (Fe, Mn),

TCVN 7331:

2008 (ASTM D 3831 -

TCVN 7332 (ASTM D 4185)

17 Hàm lượng Metanol % thể tích Không phát hiện

(<0,2)

TCVN 7332 (ASTM D 4185)

18 Hàm lượng nước % thể tích Đạt (không có) TCVN 7759

(ASTM D 4176)

1.2.2.2 So sánh tính chất của xăng nguyên chất và một số xăng sinh học điển hình

Bảng 1.5 So sánh thuộc tính của xăng nguyên chất và một số xăng sinh học điển hình

1.3 Một số nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng về sử dụng xăng sinh học đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ đốt trong

1.3.1 Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol đến

tính năng phát thải của động cơ 4 thì đánh lửa cưỡng bức [6]

Thí nghiệm sử dụng 3 loại nhiên liệu khác nhau là xăng và hỗn hợp xăng – ethanol với các tỷ lệ 10% và 20% ethanol theo thể tích trong nhiên liệu Tốc độ thử nghiệm của động cơ là không thay đổi với tất cả các nhiên liệu ở 2500v/p

Hình 1.1 Phát thải NOx của động cơ với các dạng nhiên liệu

Hình 1.2 Phát thải CO của động cơ với các dạng nhiên liệu

Hình 1.3 Phát thải CO2 của động cơ với các dạng nhiên liệu

Ghi chú: Fuel Flow (Counts/10 Seconds) : Thời gian đo lượng tiêu hao nhiên liệu /1 lần đo là 10s

Từ các đồ thị ta nhận thấy hỗn hợp nhiên liệu xăng E10 có thể sử dụng trong các động cơ đánh lửa cưỡng bức mà không cần có bất kỳ chỉnh sửa nào đối với hệ thống phối trộn không khí/nhiên liệu Phát thải CO của E10 là thấp hơn khá nhiều

so với lượng phát thải CO từ xăng Phát thải CO2 và NOx của E10 cũng gần tương

tự với xăng Với E20 nhìn chung phát thải CO và NOx là thấp hơn nhiều so với xăng, nhưng lượng CO2 phát thải lại nhiều hơn xăng

1.3.2 Đánh giá giảm phát thải ở động cơ SI khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ethanol trên piston có dùng lớp vật liệu phủ [7]

xăng-Động cơ thử nghiệm có ba xy lanh, bốn thì, đường kính xy lanh là 86,5 mm, hành trình piston là 72mm, và dung tích công tác 796 cc, tỷ lệ nén 8,7:1, công suất 12,56 kW với tốc độ định mức 3000 rpm Tỷ lệ thể tích ethanol - xăng pha trộn với phụ gia là E60 + 2.0, E50 + 1.0 Ethanol với độ tinh khiết 99,9% được sử dụng trong hỗn hợp

Bảng 1.7 Tính chất của các nhiên liệu thử nghiệm

Hình 1.5 Kết quả thát thải HC đối với các nhiên liệu

Hình 1.6 Kết quả thát thải NOx đối với các nhiên liệu

Hình 1.7 Kết quả thát thải CO đối với các nhiên liệu Ghi chú: Engine Speed in rpm = Tốc độ động cơ (rpm)

CO, CO2, NOx in % by Volume = Hàm lượng khí thải

Kết quả thử nghiệm cho thấy, với các piston được tráng chất phụ gia oxy làm giảm đáng kể lượng phát thải HC, CO, CO2, NOx Mẫu 2 cho kết quả phát thải tốt nhất, CO giảm xuống còn 0,07% theo thể tích tại 2000rpm CO2 giảm xuống còn 7,8% theo thể tích tại 2800rpm Với mẫu E60 không có lớp vật liệu phủ, NOx giảm xuống còn có 28ppm tại 2800rpm

Nhận xét: Kết quả đối chứng động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống RON92 với

nhiên liệu xăng sinh học cho thấy khi sử dụng xăng sinh học thì lượng phát thải khí thải HC, CO, CO2, NOx là được giảm đáng kể Kết quả cho biết rằng nhiên liệu xăng sinh học cháy tốt hơn xăng RON92 Có kết quả như vậy là do ngoài lượng ôxy lấy từ môi trường bên ngoài vào cung cấp cho quá trình cháy thì lượng ôxy nguyên

tử có sẵn trong xăng sinh học đã cải thiện đáng kể lượng thiếu sót cần cho quá trình Ngoài ra tính bay hơi của cồn cao hơn xăng, ở 78 độ C cồn đã bay hơi hoàn toàn trong khi đó với xăng nhiệt độ bay hơi hoàn toàn là 190 độ C, đây cũng là một nguyên nhân giải thích lý do xăng sinh học cháy kiệt hơn xăng thông thường Mặt

khác khi pha cồn vào xăng làm cho trị số octan cao hơn xăng thông thường, khả năng chống kích nổ của nhiên liệu xăng sinh học sẽ tốt hơn xăng thông thường

1.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu xăng không chì pha trộn với ethanol đến công suất và khí thải của động cơ đánh lửa cưỡng bức

1.3.3.1 Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu và tỷ lệ hòa trộn không khí nhiên liệu

trên động cơ [8]

Kết quả đo đánh giá ảnh hưởng việc thêm ethanol đến suất tiêu thụ nhiên liệu

và tỷ lệ hòa trộn không khí nhiên liệu của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu khác nhau được thể hiện trong hình dưới:

Lượng tiêu thụ nhiên liệu là tăng cùng với lượng tăng ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu trộn ở tất cả các tốc độ Khi tăng tốc độ từ 1000rpm đến 4000rpm thì lượng tiêu hao nhiên liệu tăng tương ứng là 11% và 9% so với E0 Tỷ lệ hòa trộn không khí nhiên liệu cũng giảm trung bình là 3,7% tương ứng so với E0 Tức là lượng không khí cần cung cấp cho động cơ sẽ cần ít hơn xăng khi sử dụng nhiên liệu sinh học

Hình 1.8.Ảnh hưởng của việc thêm ethanol đến suất tiêu thụ nhiên liệu

Hình 1.9.Ảnh hưởng của việc thêm ethanol đến tỷ lệ hòa trộn không khí-nhiên liệu 1.3.3.2 Kết quả đo công suất và momen của động cơ [8]

Hình 1.10.Ảnh hưởng của việc thêm ethanol đến công suất

Hình 1.11.Ảnh hưởng của việc thêm ethanol đến momen

Ghi chú: - Equivalence A/F ratio = Tỷ lệ hòa trộn không khí nhiên liệu

- Brake power: Công suất động cơ

- Torque: Mô men động cơ

Việc thêm ethanol đã làm tăng công suất của động cơ lên một giá trị trung bình là 8,3% Mômen động cơ cũng tăng lên cho đến khi hàm lượng ethanol vượt quá 20% thì giảm Nhiên liệu E20 cho kết quả tốt nhất đối với thuộc tính và phát thải khí thải của động cơ

1.4 Phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt FFV

1.4.1 Khái niệm về phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt

FFV hay Fuels Flexibility Vehicles là một chiếc xe có thể chạy được với nhiều loại nhiên liệu khác nhau Những chiếc xe này có thể vận hành bằng xăng thông thường hoặc hỗn hợp nhiên liệu của xăng pha trộn ethanol với các tỉ lệ khác nhau lên đến 85% (85% ethanol, 15% xăng nguyên chất) Hệ thống điện tử quản lý động cơ tự động phát hiện loại nhiên liệu đang được sử dụng và điều chỉnh các thông số cần thiết đối với xe Điều này làm cho những chiếc xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt tiết kiệm nhiên liệu Cũng giống như những chiếc xe chạy bằng nhiên liệu xăng thông thường, xe FFV cũng chỉ có một bình chứa nhiên liệu Những chiếc xe FFV hạng nhẹ như sendan, xe bán tải và xe tải nhỏ được thiết kế để có thể chạy trên

nền nhiên liệu với ít nhất là 15% xăng nguyên chất là để đảm bảo có thể khởi động được trong thời tiết lạnh giá Nhiên liệu chứa ethanol làm suy giảm tính chất một số loại cao su và đẩy nhanh tiến độ sự ăn mòn của một số kim loại Vì vậy một số thành phần động cơ tiếp xúc với ethanol có thể cần phải được thay thế bằng một loại vật liệu không phân hủy khi tiếp xúc với nhiên liệu này

1.4.2 Những yêu cầu về tính năng đối với xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt

- Động cơ có khả năng hiệu chỉnh: Nhiên liệu và tia lửa điện đốt cháy trước được điều khiển trực tiếp bởi hệ thống máy tính trên xe, kiểm soát quá trình đốt

cháy, có khả năng khởi động nguội, chất lượng khí thải đáp ứng yêu cầu

- Các chi tiết bên trong động cơ: vòng piston, van, và các chi tiết khác phải được làm bằng những vật liệu có khả năng tương thích được với ethanol, giảm thiểu những tác động làm hại đến nhiên liệu, có thể rửa bôi trơn từ các chi tiết khác

- Hệ thống nhận dạng nhiên liệu: Sensor sẽ tự động phân tích được các thành phần của nhiên liệu và điều chỉnh động cơ hoạt động với hỗn hợp xăng-ethanol khác nhau

- Hệ thống phun nhiên liệu: Phải được làm bằng vật liệu có khả năng tương thích với ethanol và được thiết kế sao cho có dải hoạt động lớn hơn để bù lại cho mật độ năng lượng thấp của ethanol

- Đường dẫn nhiên liệu: Phải được làm bằng vật liệu tương thích với nhiên liệu ethanol, các miếng đệm, ống nhiên liệu cao su cũng là loại vật liệu tương thích với các loại nhiên liệu có tỷ lệ cồn khác nhau

- Bình nhiên liệu: Phải được làm bằng vật liệu tương thích với các nhiên liệu ethanol khác nhau và được thiết kế để giảm thiểu khả năng bay hơi cũng như hấp thụ hơi nước từ môi trường bên ngoài

- Hệ thống bơm nhiên liệu: Các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với nhiên liệu trong bơm phải được làm từ vật liệu có khả năng tương thích với ethanol và kích thước đủ lớn để xử lý lượng nhiên lớn hơn cần thiết để bù đắp lại cho mật độ năng lượng thấp của ethanol

- Hệ thống điện và dây dẫn: Hệ thống điện phải được cách ly và khả năng

dẫn điện tốt hơn cộng với khả năng bị ăn mòn ít hơn (nếu tiếp xúc với nhiên liệu)

1.4.3 Triển vọng phát triển xe FFV

Hình 1.12.Số lƣợng xe FFV đƣợc sản xuất trên thế giới tính đến 2010

Ghi chú: -E85 FFVs Produced by Year : Số lượng xe FFV sản xuất / năm

-Thousand FFVs : Đơn vị tính (nghìn xe)

Từ đồ thị có thể thấy rằng sản lượng sản xuất xe FFV trên thế giới ngày một tăng cao, điều này chứng tỏ rằng con người đã ngày càng quan tâm hơn đến xe chạy trên nhiên liệu có khả năng cải thiện môi trường, giảm tỷ lệ phát thải chất thải độc hại ra môi trường sống Sự gia tăng về số lượng xe FFV được sản xuất như là một quy luật phát triển tự nhiên Việc chính phủ một số quốc gia công nghiệp hàng đầu như Mỹ, Braxin, Nhật, Trung Quốc bắt buộc sử dụng nhiên liệu xăng phải có sự pha trộn một tỷ lệ ethanol vào, cũng như áp dụng các chính sách tài chính ưu đãi sẽ làm cho lượng xe FFV được sản xuất và tiêu thụ ngày một phổ biến hơn Các hãng sản xuất xe hàng đầu thế giới như General Motors, Chrysler, Mercedes, Toyota, Nissan… cũng đã lao vào cuộc đua giành thị phần trong lĩnh vực mà được dự đoán

sẽ là xu thế tất yếu này Tuy nhiên không phải tất cả các nhà sản xuất sẽ ngay lập tức bắt đầu theo đuổi vào việc sản xuất FFV Cần có thêm các thử nghiệm và hiệu chuẩn khí thải liên quan đến sản xuất FFV Cũng có thể là những thách thức kỹ thuật với tiêu chí đáp ứng tiêu chuẩn khí thải gây ô nhiễm với FFVs trong một số ứng dụng

Kết luận chương 1

So với sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống, khi động cơ chạy bằng xăng sinh học thì các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật và suất tiêu thụ nhiên liệu đều được cải thiện đáng kể Ngoài việc vẫn đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ, thì việc giảm phát thải chất thải gây ô nhiễm môi trường là một trong những mục tiêu quan trong nhất để nhiên liệu sinh học có tương lai phát triển rất lớn Với tiềm năng lớn

về các sản phẩm nông nghiệp là nguồn chế biến cồn ethanol ở nước ta, cần nghiên cứu nâng cao tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học, qua đó tăng khả năng thay thế của cồn ethanol sinh học cho xăng gốc khoáng Vì vậy luận văn này thực hiện thử nghiệm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ phun xăng điện tử thông thường khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn lớn