Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học butanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức

Trong bối cảnh đó việc nghiên cứu nhiên liệu sinh học, Butanol là một hướng đi mới rất cần thiết, Butanol gây hấp dẫn trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học vì nó có thể trộn với xăng theo t

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

DŨNG

Đà Nẵng – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Đà Nẵng, ngàytháng 10 năm 2019

Tác giả luận án

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 7

1.1 Khái quát 7

1.1.1 Phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường 7

1.1.2 Nhiên liệu thay thế sử dụng trên phương tiện giao thông 10

1.1.3 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam .12

1.1.4 Sử dụng nhiên liệu Butanol sinh học trên động cơ đốt trong 15

1.2 Sự cần thiết cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ đánh lửa cưỡng bức 18

1.2.1 Lịch sử phát triển của hệ thống nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức .18

1.2.2 Cải tiến hệ thống phun nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường 19

1.3 Đặc điểm các quá trình trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol 23

1.3.1 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học đến tính năng kinh tế kỹ thuật trên động cơ đốt trong 23

1.3.2 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học trên động cơ đốt trong đến quá trình lan tràn màng lửa 25

Chương 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 28

2.1 Tính chất nhiên liệu Butanol sinh học sử dụng trong động cơ đánh lửa cưỡng bức 28

2.1.1 Giới thiệu về Butanol sinh học 28

2.1.2 Một số tính chất lý hóa của Butanol 28

2.1.3 Đánh giá một số chỉ tiêu của xăng và Butanol [4, 36] 30

2.2 Lý thuyết phun nhiên liệu trên động cơ đánh lửa cưỡng bức 33

2.2.1 Hệ thống phun xăng trên đường nạp 33

2.2.2 Hệ thống phun xăng trực tiếp 34

2.3 Lý thuyết mô phỏng quá trình phun nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức 37

2.3.1 Hệ phương trình đối lưu-khuếch tán 37

2.3.2 Hệ phương trình mô tả dòng chảy rối 39

2.3.4 Lý thuyết bay hơi của giọt nhiên liệu 45

2.4 Ứng dụng ansys-fluent mô phỏng quá trình phun 50

2.4.1 Xác lập quá trình phun nhiên liệu 50

2.4.2 Mô hình hình học 54

2.4.3 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 56

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 60

3.1 Mục tiêu và đối tượng thực nghiệm 60

3.1.1 Mục tiêu thực nghiệm 60

3.1.2 Đối tượng thực nghiệm 61

3.2 Lắp đặt động cơ lên cụm băng thử APA204/08 62

3.3 Quy trình thực nghiệm 64

3.3.1 Trình tự thực nghiệm 64

3.3.2 Bảo dưỡng hệ thống 64

3.3.3 Chế độ thực nghiệm 65

3.4 Kết quả thực nghiệm 67

3.4.1 Kết quả phân tích tính chất nhiên liệu 67

3.4.2 Kết quả thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu 67

3.4.3 Kết quả thực nghiệm trên băng thử động cơ 73

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 74

4.1 Kết quả thực nghiệm trên động cơ Daewoo A16DMS 74

4.1.1 Tính kỹ thuật của động cơ khi sử dụng xăng-Butanol 74

4.1.2 Tính kinh tế của động cơ khi sử dụng xăng-Butanol 81

4.2 Kết quả mô phỏng quá trình phun nhiên liệu và bay hơi hình thành hòa khí động cơ Daewoo A16DMS sử dụng xăng-Butanol 92

4.2.1 Đánh giá tính bay hơi của Butanol so với xăng 93

4.2.2 Đánh giá ảnh hưởng cấu hình phun đến quá trình bay hơi và hình thành hòa khí 100 4.2.3 Đánh giá ảnh hưởng của phun trực riếp trong buồng cháy (DI) và phun trên đường nạp (PI) 105

KẾT LUẬN 109

KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 111

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Thực trạng giao thông ở thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội

Hình 1.2: Diễn biến nồng độ TSP trung bình năm gần các tuyến đường giao thông tại các thành phố lớn (Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2016)

Hình 1.3: Khí thải ô tô đã gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường không khí

Hình 1.4: Sản lượng Biodiesel ở một số nước trên thế giới năm 2016

Hình 1.5: Sản lượng nhiên liệu sinh học ở một số khu vực trên thế giới

Hình 1.6: Các hệ thống phun nhiên liệu [37]

Hình 1.7: Vị trí của kim phun của hệ thống cung cấp nhiên liệu kết hợp trực tiếp và gián tiếp [37]

Hình 1.8: So sánh hệ thống chuẩn bị hỗn hợp PFI [40] và GDI [60]

Hình 1.9: So sánh lượng nhiên liệu cần thiết để khởi động lạnh động cơ GDI và PFI ở các nhiệt độ môi trường khác nhau [38]

Hình 1.10: Sơ đồ bố trí động cơ thí nghiệm [48] .

Hình 1.11: Mối quan hệ áp suất trong xylanh và góc quay trục khuỷu tại các thời điểm đánh lửa khác nhau của n-Butanol và tỷ số nén bằng 10 [48] .

Hình 1.12: Mối quan hệ lượng phun và góc quay trục khuỷu [48]

Hình 1.13: a) Tỷ lệ hòa khí cháy 10-90% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol và xăng PON 87 b) Tỷ lệ hòa khí cháy 0-10% ứng với thời gian đánh lửa cho n-Butanol và xăng PON 87 [48]

Hình 1.14: Áp suất trong xylanh và tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu [52]

Hình 1.15: Hình ảnh ngọn lửa của xăng và Bu40 [52]

Hình 2.1: Cấu trúc không gian của Butanol

Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn sự phân tích pha với nước theo % thể tích Butanol và Ethanol 31

Hình 2.3: Hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5]

Hình 2.4: Sơ đồ điều kiển hệ thống phun xăng đa điểm điều khiển điện tử Bosch Motronic [5]

Hình 2.5: Bố trí hệ thống động cơ GDI điển hình [43]

Hình 2.6: So sánh các đặc tính phun của kim phun cao áp kiểu lỗ và xoáy cho áp suất phun 20 MPa [51]

Hình 2.7: Thiết kế điển hình của vòi phun xoáy

Hình 2.8: Trình tự tính toán bằng ANSYS-FLUENT [63]

Hình 2.9: Xác lập các lựa chọn mô hình Discrete phase

Hình 2.10: Xác lập mô hình phân rã tia phun

Hình 2.11: Xác lập thông số động học vòi phun

Hình 2.12: Xác lập thành phần nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn

Hình 2.13: Mô hình phun xăng-Butanol trên đường nạp

Hình 2.14: Xác lập áp suất khí nạp tại cửa nạp

Hình 2.15: Xác lập nhiệt độ khí nạp tại cửa nạp

Hình 2.16: Xác lập thành phần khí nạp tại cửa nạp

Hình 2.17: Xác lập áp suất khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp

Hình 2.18: Xác lập nhiệt độ khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp

Hình 2.19: Xác lập thành phần khí sót trong xilanh đầu quá trình nạp

Hình 3.1: Bố trí hệ thống các trang thiết bị thí nghiệm

Hình 3.2: Thiết bị sấy và giữ nhiệt Memmert

Hình 3.3: Cân điện tử Mettler Toledo

Hình 3.4: Đặc tính tốc độ động cơ xăng [5]

Hình 3.5: Phạm vi làm việc trong thực tế của động cơ phun xăng điện tử sử dụng trên ô tô [62]

Hình 4.1: Mô men có ích (Me) ở 10%BG

Hình 4.2: Mô men có ích (Me) ở 30%BG

Hình 4.3: Mô men có ích (Me) ở 50%BG

Hình 4.4: Mô men có ích (Me) ở 70%BG

Hình 4.5: Công suất có ích (Ne) ở 10%BG

Hình 4.6: Công suất có ích (Ne) ở 30%BG

Hình 4.7: Công suất có ích (Ne) ở 50%BG

Hình 4.8: Công suất có ích (Ne) ở 70%BG

Hình 4.9: Mức độ tăng giảm mô men và công suất có ích theo tỷ lệ Butanol

Hình 4.10: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) của động cơ

Hình 4.11: Suất tiêu hao năng lượng có ích (qe) của động cơ

Hình 4.12: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge) và suất tiêu hao năng lượng có ích (qe)

Hình 4.13: Hệ số dư lượng không khí ( ) theo tốc độ động cơ

Hình 4.14: Phát thải CO của động cơ

Hình 4.15: Phát thải HC của động cơ

Hình 4.16: Phát thải CO2 của động cơ

Hình 4.17: Phát thải NOx của động cơ

Hình 4.18: Phát thải CO và HC

Hình 4.19: Phát thải CO2 và NOx

Hình 4.20: So sánh tỷ lệ bốc hơi, nồng độ hơi và áp suất, nhiệt độ môi chất ứng với phun Butanol và xăng tinh khiết ở n=2000 v/ph, Tkn=315K

Hình 4.21: Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp lên quá trình bay hơi xăng (a) và Butanol (b) ở tốc độ động cơ 2000 v/ph

Hình 4.22: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ lên quá trình bay hơi khi phun riêng xăng

Hình 4.23: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến quá trình bay hơi khi phun riêng Butanol

(Bu100) 98

Hình 4.24: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ lên quá trình bay hơi khi phun riêng Butanol 99

Hình 4.25: Ảnh hưởng của phun hỗn hợp và phun riêng rẽ xăng/Butanol đến bay hơi của

nhiên liệu Bu50 101

Hình 4.26: Diễn biến bay hơi phun nhiên liệu Bu50 từ 1 phía và từ 2 phía102

Hình 4.27: Phân bố nồng độ hơi nhiên liệu và hệ số tương đương theo phương ngang (x) khi

phun 1 phía và phun 2 phía 103

Hình 4.28: Ảnh hưởng của thời điểm phun đến bay hơi khi phun riêng rẽ (a) và khi phun hỗn

hợp (b); đường màu đồng mức phân bố nồng độ hơi nhiên liệu tại mặt cắt y=0 ở 330 o CA(c)

(n=3000 v/ph, Bu50) 104

Hình 4.29: Tốc độ bốc hơi và nồng độ hơi ứng với trường hợp DI nhiên liệu hỗn hợp (Blend)

và nhiên liệu riêng rẽ (Dual) ở vị trí vòi phun Xj = 0mm 105

Hình 4.30: So sánh quá trình bay hơi và tạo hỗn hợp trong các trường hợp BUDI-GPI,

GDI-BUPI và vị trí vòi phun pha trộn DI tại Xj = 0 (n = 3000 v/ph, Bu50, T kn = 315K): phân bố

hạt (a), tốc độ bay hơi và nồng độ hơi (b) và đường đồng mức nồng độ hơi trên mặt cắt y =

0 tại 330oCA (c) 107

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Đặc tính lý hóa của Butanol [48] 29

Bảng 2-2: So sánh tính chất hóa học và vật lý của Butanol và xăng [20, 24, 58] 29

Bảng 2-3: Độ nhớt động học của một số loại nhiên liệu [23] 33

Bảng 2-4: Các hệ số khuếch tán và các thuật ngữ nguồn cho các phương trình vô hướng khác nhau 42

Bảng 2-5: Động cơ Daewoo A16DMS 55

Bảng 2-6: Thông số vật lý các hạt nhiên liệu 56

Bảng 2-7: Điều kiện khí nạp và khí sót 56

Bảng 2-8: Thành phần môi chất xăng/Butanol-không khí 58

Bảng 3-1: Tiến trình đo và lưu trữ dữ liệu đo 66

Bảng 3-2: Một số chi tiết chính thuộc hệ thống nhiên liệu ô tô và xe gắn máy dùng để thực nghiệm 68

Bảng 3-3: Bảng tiến trình thực nghiệm đánh giá tính tương thích vật liệu 69 Bảng 3-4: Hình ảnh chụp các chi tiết sau khi thử nghiệm 69

Bảng 3-5: Trọng lượng các chi tiết sau khi ngâm 71

Bảng 3-6: Mức độ tương đương và ảnh hưởng của nhiên liệu phối trộn Xăng-Butanol lên các chi tiết động cơ 72

Bảng 4-1: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 10%BG 75

Bảng 4-2: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 30%BG 75

Bảng 4-3: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 50%BG 76

Bảng 4-4: So sánh mức thay đổi mô men có ích ở 70%BG 76

Bảng 4-5: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 10%BG.81 Bảng 4-6: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 30%BG81 Bảng 4-7: So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 50%BG.82 Bảng 4-8 So sánh mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở 70%BG .82

Bảng 4-9: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330 o CA) khi phun riêng xăng và Butanol theo nhiệt độ khí nạp 95

Bảng 4-10: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330 o CA) khi phun riêng xăng và Butanol theo tốc độ động cơ 97

Bảng 4-11: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330 o CA) khi phun hỗn hợp Bu50 theo tốc độ động cơ 100

Bảng 4-12: Mật độ giọt nhiên liệu và nồng độ hơi nhiên liệu cuối quá trình nén (330 o CA) khi phun hỗn hợp và phun riêng rẽ nhiên liệu Bu50 101

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

GPI BuDI BG

Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương đúng đắn thể hiện qua Đề án Phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025 Sử dụng nhiên liệu sinh học là xu thế phát triển tất yếu trên thế giới, nhất là

ở các nước nông nghiệp và phải nhập nhiên liệu, do các lợi ích của nhiên liệu sinh học đem lại như: giảm thiểu khí gây hiệu ứng nhà kính, giảm nhập khẩu nhiên liệu, tận dụng nguyên liệu thực vật tại chỗ, công nghệ sản xuất không phức tạp, tạo việc làm

và tăng thu nhập cho người lao động, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp.

từ 01/12/2014 tại các thành phố lớn như Hà Nội, Đà Nẵng, Cần Thơ Trên thế giới, ngoài Ethanol sinh học ra, Butanol sinh học cũng được chú ý sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thời gian gần đây Xét về khả năng dùng làm nhiên liệu, Butanol có một số ưu điểm so với các loại nhiên liệu cồn khác như methanol

và ethanol [11, 33], Butanol sinh học cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu [22, 24] Có một số công bố thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline và n-Butanolvề tính năng động cơ, quá trình cháy và phát thải của động cơ [24, 41] Các công bố này cho thấy kết quả khả quan của việc sử dụng gasoline-Butanol cho động cơ đốt trong.

Trong bối cảnh đó việc nghiên cứu nhiên liệu sinh học, Butanol là một hướng đi mới rất cần thiết, Butanol gây hấp dẫn trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học vì nó có thể trộn với xăng theo tỷ lệ lớn, dùng chung hệ thống phân phối

và nạp liệu xăng, và sử dụng trên các động cơ chạy xăng hiện hành được.

Hiện nay, Butanol sinh học có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế một phần xăng sản xuất từ dầu mỏ [3] Tuy nhiên các tính chất lý hóa của Butanol và xăng khác nhau nên quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu phối trộn xăng - Butanol diễn ra cũng khác nhau Nhằm góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch dùng cho động cơ đốt trong, góp phần nâng cao hiệu quả của động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng – Butanol, cần thiết phải có những nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu về sựu hình thành hỗn hợp và cháy của hỗn hợp này Những năm gần đây, dựa vào những thành tựu của công nghệ tin học và cơ điện tử, việc nghiên cứu quá trình hỗn hợp và cháy được thực hiện bằng phương pháp mô hình hóa Cùng đồng nghiệp ở các quốc gia phát triển, các nhà khoa học Việt Nam bắt kịp những tiến

bộ khoa học và đã hòa nhập vào trào lưu chung của thế giới trong hướng nghiên cứu này Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa thấy công trình nào công bố liên quan đến nghiên cứu mô hình hóa các quá trình hình thành hỗn hợp và cháy một cách chuyên sâu của động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu này Vì vậy “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức” có ý nghĩa khoa học và thiết thực.

1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng thể của luận án là đưa ra được các định hướng về mặt kỹ thuật nhằm đảm bảo tính tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol theo thể tích lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50).

Cụ thể, luận án đánh giá tính chất của xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol, đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ xăng truyền thống và đưa ra khuyến cáo cần thiết khi

sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50) cho động cơ xăng truyền thống.

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Sử dụng hỗn hợp Butanol-xăng với các tỷ lệ lần lượt là 10% (Bu10), 20% (Bu20), 30% (Bu30), 40% (Bu40) và 50% (Bu50) về thể tích trên động cơ đốt cháy cưỡng bức.

Thực nghiệm được tiến hành trên động cơ A16DMS do hãng DAEWOO sản xuất, đây là động cơ kiểu Dual Overhead Cam L - 4 1.6L DOHC phun xăng điện tử trên đường nạp, tỷ số nén 9,5; đường kính xy lanh 79; hành trình piston 81,5.

Luận án nghiên cứu về lý thuyết liên quan đến đặc tính quá trình phun khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học và thực hiện mô phỏng trên phần mềm mô phỏng ANSYS-FLUENT.

Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các loại nhiên liệu Bu0, Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50.

Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu trong luận án gồm phương pháp mô hình hóa, phương pháp thực nghiệm, phương pháp phân tích, phương pháp nghiên cứu tài liệu, phương pháp hội đồng (brainstorming) và phương pháp đánh giá.

Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết tổng hợp các nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học trên thế giới và tập hợp, kế thừa các kết quả trước đây của các đề tài liên quan và tính toán lý thuyết trên các phần mềm mô phỏng hiện đại về động cơ đốt trong với thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá Trao đổi và tiếp thu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện phương pháp nghiên cứu.

Tính tương thích trong sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng truyền thống được thể hiện thông qua những nghiên cứu đánh giá tác động của tính chất xăng sinh học đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, cũng như chất lượng quá trình cháy của động cơ Đánh giá tính chất của xăng sinh học ở các

tỷ lệ khác nhau theo các tiêu chuẩn quy định hiện hành cũng được đưa ra nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam.

Luận án sử dụng các phương pháp và kỹ thuật sau đây:

Đánh giá các chỉ tiêu so sánh bao gồm: ngoại quan, kích thước, trọng lượng, chụp ảnh bề mặt, phân tích nhiên liệu trước và sau ngâm Kết quả nghiên cứu tương

thích vật liệu có ý nghĩa trong việc khuyến cáo điều chỉnh vật liệu (nếu cần) của một số chi tiết khi động cơ sử dụng xăng sinh học.

Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng hiện đại và thử nghiệm đối chứng trên băng thử động cơ nhằm đánh giá tác động của xăng sinh học đến đặc tính phun, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải của động cơ.

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hiệu quả kinh tế xã hội: Nghiên cứu một loại nhiên liệu sinh học mới có nhiều ưu điểm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, có thể pha trộn với xăng theo tỷ lệ lớn giảm chi phí nhiên liệu xăng và giảm áp lực lên nguồn nhiên liệu hóa thạch đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia Hiệu quả khoa học: Đề xuất sử dụng Butanol sinh học phù hợp với động cơ chạy xăng thông thường.

* Ý nghĩa khoa học:

Luận án đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp của nhiên liệu xăng sinh học trong động cơ đốt trong thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm ANSYS-FLUENT Từ các mô hình mô phỏng này, ảnh hưởng của nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ Butanol khác nhau đến đến quá trình bay hơi và hòa trộn, các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải của động

cơ được khảo sát và đánh giá để làm cơ sở cho việc đánh giá các kết quả thực nghiệm trên động cơ thực và kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành của động cơ một cách phù hợp khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học.

Luận án cũng đã đánh giá quá trình hòa trộn đối với nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ Butanol 0%, 50% và 100%, so sánh với cùng các tỷ lệ trên khi pha xăng với Butanol.

Các quy trình này được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành cũng như hệ thống thiết bị đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam.

* Ý nghĩa thực tiễn:

Luận án đã đánh giá được tương thích vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xe ô tô với các loại xăng sinh học Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50, của

các chi tiết tới hiện tượng ăn mòn, rỉ sét ở vật liệu kim loại, trương nở ở vật liệu phi kim.

Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học Bu10, Bu20, Bu30, Bu40 và Bu50 tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ Từ đó, đưa ra các nhận định cũng như giải pháp kỹ thuật, điều kiện vận hành đối với động cơ nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha Butanol lên đến 50% trên động cơ.

5 Đóng góp mới của luận án

- Kết quả thực nghiệm của luận án khẳng định có thể sử dụng Butanol với tỷ lệ đến Bu30 ở mức tải và tốc độ mà động cơ thường xuyên làm việc lần lượt 30-70% độ mở bướm ga và 1250-4250 v/ph sẽ không làm ảnh hưởng đến tính năng kinh tế của động cơ so với khi sử dụng xăng (Bu0).

với kết quả mô phỏng các phương án phun hỗn hợp xăng-Butanol khẳng định rằng phun hỗn hợp xăng-Butanol sẽ cải thiện khả năng bay hơi cho Butanol so với khi phun riêng rẽ xăng/Butanol, tuy nhiên phun hỗn hợp có thể làm cho việc bay hơi của xăng không hoàn toàn Phun riêng rẽ xăng/Butanol làm tăng khả năng bay hơi hoàn toàn của xăng, tuy nhiên dẫn đến Butanol khó bay hơi hoàn toàn, trong trường hợp này nên phun sớm Butanol so với xăng Phun 2 phía hỗn hợp làm tăng sự đồng nhất cho hòa khí, phun hai phía riêng rẽ xăng/Butanol sẽ phân tầng hòa khí trong buồng cháy, phía nửa trái xilanh có tỷ lệ Bu cao hơn so với phía nửa phải xilanh Phun 1 phía hỗn hợp trên đường nạp sẽ tạo điều kiện hình thành hòa khí có nồng độ hơi nhiên liệu

và hệ số tương đương cao tập trung ở giữa buồng cháy và cách xa cửa xả, điều này giúp giảm thời gian cháy trễ và giảm nguy cơ cháy kích nổ cho động cơ Tốc độ bay hơi của nhiên liệu khi phun PI nhanh hơn đáng kể so với phun DI và tốc độ bay hơi xăng nhanh hơn so với Butanol ở cùng điều kiện hoạt động, tốc độ bốc hơi của BuDI- GPI là cao nhất, sau đến GDI-BuPI và thấp nhất là DI hỗn hợp Hòa khí của DI hỗn hợp đồng nhất hơn so với BuDI-GPI và GDI-BuPI.

6 Nội dung chính của luận án có thể tóm lược như sau:

(1) Lý thuyết mô phỏng tia phun nhiên liệu và quá trình tạo hỗn hợp;

(2) Đánh giá ảnh hưởng của các phương án phun nhiên liệu xăng/Butanol đến quá trình cháy và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ;

(3) Nghiên cứu thực nghiệm tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ chạy bằng xăng/Butanol;

(4) Kiểm chứng kết quả dự báo bởi mô phỏng.

Ngoài phần mở đầu và kết luận; luận án được cấu tạo thành 4 chương Chương1: Nghiên cứu tổng quan; Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết; Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm; Chương 4: Kết quả và bàn luận.

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực liên quan của đề tài, tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam và trên thế giới Trong đó đặc biệt chú ý đến khả năng sản xuất Butanol sinh học và các nghiên cứu để ứng dụng làm nhiên liệu sinh học Chương này cũng nghiên cứu các hệ thống cung cấp nhiên liệu cũng như đặc điểm các quá trình khi sử dụng nhiên liệu sinh học pha Butanol Từ đó có thể đề xuất cải tiến đường nạp để cait thiện tính năng động cơ và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1 Khái quát

1.1.1 Phương tiện giao thông và ô nhiễm môi trường

Phát triển giao thông vận tải là một yêu cầu quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia Theo dự báo, số lượng ô tô ở Châu Á - Thái Bình Dương sẽ tăng 93% (từ năm 1985 đến 2020) và tiếp tục tăng 50% (từ năm

2020 đến 2060) Mức độ gia tăng số lượng ô tô phụ thuộc vào thu nhập bình quân đầu người của mỗi quốc gia Theo Tổng cục thống kê, lượng ô tô nhập khẩu về thị trường Việt Nam trong những năm qua tăng mạnh Nếu như năm 2013, Việt Nam chỉ nhập khẩu 34 nghìn chiếc ô tô, thì trong năm 2014 lượng ô tô nhập là 72 nghìn chiếc, tăng gấp đôi so năm trước đó và năm 2015 là 125 nghìn chiếc, tăng 74% so năm 2014 Năm 2016, lượng ô tô nhập khẩu giảm nhẹ, chỉ đạt 115 nghìn chiếc, giảm 8% so năm 2015, song trong 3 tháng đầu năm 2017 tình hình nhập khẩu ô tô tăng mạnh trở lại, với 28 nghìn chiếc, tăng 43,4% so cùng kỳ năm trước.

phát triển, các khu, cụm công nghiệp… mà đã trở thành mối quan tâm của toàn xã hội ONKK được xem là một trong những tác nhân hàng đầu có nguy cơ tác động nghiêm trọng đối với sức khỏe cộng đồng Giao thông với xu hướng số lượng phương tiện giao thông gia tăng mạnh mẽ qua các năm được đánh giá là nguồn đóng góp đáng kể gây suy giảm chất lượng môi trường không khí (như Hình 1.1) Trong đó, các khí CO, VOC, TSP chủ yếu do các loại xe máy phát thải còn đối với

Hình 1.1: Thực trạng giao thông ở thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội

Hình 1.2: Diễn biến nồng độ TSP trung bình năm gần các tuyến đường giao thông tại các

thành phố lớn (Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2016)

Bầu không khí tại thủ đô Hà Nội bị cho là ô nhiễm hơn Thành phố Hồ Chí Minh (như Hình 1.2) Điểm đáng chú ý là dù dân số và phương tiện giao thông tại

Hà Nội ít hơn Thành phố Hồ Chí Minh, thế nhưng mức độ ô nhiễm không khí lại tệ hơn Cụ thể theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường thì số ngày trong một năm ghi nhận chất lượng không khí tại Hà Nội kém là 237 ngày, số ngày chất lượng không khí xấu là 21 và 1 ngày ô nhiễm ở mức nguy hại Xe máy chiếm đến 95% phương tiện giao thông tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, chỉ tiêu thụ 56% xăng nhưng thải ra 94% hydro cacbon (HC), 87% cacbon oxit (CO), 57% oxit

không bảo đảm tiêu chuẩn phát thải vì cũ kỹ [65].

Thủ tướng chính phủ Việt Nam vừa ký Quyết định số 985 a về việc ban hành

Kế hoạch hành động quốc gia về quản lý chất lượng không khí mục tiêu đến năm

2020 và tầm nhìn đến năm 2030 Theo quyết định này thì khuyến khích chủ nhân các phương tiện giao thông như xe máy, ô tô sử dụng xăng sinh học Từ năm

2007, Chính phủ đã có đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025; tuy nhiên đến nay số điểm bán xăng sinh học vẫn còn hạn chế Theo thống kê về môi trường, ước tính khoảng 40% NOx, 60% HC, 80% CO và nhiều dạng hạt rắn PM (kích thước rất nhỏ) trong bầu khí quyển là do khí thải của

ô tô gây ra [7, 8] Vì vậy, từ những năm 50 của thế kỷ trước, các quốc gia công nghiệp phát triển đã quan tâm vấn đề này Nhiều luật bảo vệ môi trường đã ban hành với mức độ càng nghiêm ngặt hơn yêu cầu các nhà chế tạo ô tô phải nghiên cứu cải tiến sản phẩm của mình tốt hơn nhằm hạn chế nồng độ chất ô nhiễm khí thải Các giá trị giới hạn nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải của ô tô theo Tiêu chuẩn Euro và bắt đầu áp dụng ở cộng đồng Châu Âu từ năm 1995: Euro I (1995), Euro II (1997), Euro III (2001), Euro IV (2006).

Ở Việt Nam, tiêu chuẩn khí thải mới áp dụng từ năm 2006 [64] như mức 2 (Euro II) vào ngày 01/7/2006, mức 3 (Euro III) vào năm 2008, mức

4 (Euro IV) vào năm 2017 và mức 5 (Euro V) sẽ thực hiện năm 2022.

Xu hướng phát triển của phương tiện giao thông trên thế giới được tóm tắt như sau: Động cơ chính làm nguồn động lực cho ô tô có thể chia thành 4 nhóm: động cơ xăng, động cơ diesel truyền thống, động cơ điện và động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế Hai loại động cơ xăng và diesel truyền thống có ưu điểm là việc cung cấp nhiên liệu đơn giản

và nhanh chóng; tuy nhiên, hiệu suất của nó hạn chế và mức độ phát thải ô nhiễm cao Nhờ kỹ thuật xử lý trên đường thải: lọc hạt PM, sử dụng bộ xúc tác ba chức năng là các giải pháp hữu hiệu nhằm tiếp tục khử đến mức thấp nhất các chất độc hại còn lại trong khí thải động cơ Các hệ thống mới áp dụng tiến bộ khoa học và kỹ thuật trong lĩnh vực điện

tử và công nghệ thông tin đã điều khiển các quá trình làm việc của động cơ đốt trong ngày càng hiện đại hơn như kỹ thuật tổ chức quá trình cháy phân lớp, thời điểm đóng mở cơ cấu phân phối khí thay đổi, hệ thống tự động hồi lưu khí thải, hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử đã cho phép tối ưu hóa

quá trình công tác của động cơ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường Một xu hướng khác được nghiên cứu là sử dụng năng lượng điện trên động cơ ô tô giảm thiểu đáng kể lượng khí thải ô nhiễm môi trường; tuy nhiên, giải pháp này phụ thuộc vào nguồn năng lượng sử dụng để sản xuất điện năng nạp vào ac-quy cung cấp động lực cho ô tô Hơn nữa, khả năng tích trữ điện năng của ac-quy có giới hạn, nên hạn chế quãng đường hoạt động độc lập của phương tiện giao thông sử dụng năng lượng này.

Hình 1.3: Khí thải ô tô đã gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường không khí Trước những ưu điểm và hạn chế của phương tiện giao thông, các nhà khoa học

và hãng chế tạo ô tô có xu hướng: Nâng cao hiệu suất và giảm thiểu khí thải gây ô nhiễm môi trường; Tối ưu hóa hệ thống điều khiển tự động và nâng cao tiện ích trên

ô tô; Tiếp tục nghiên cứu sử dụng có hiệu quả nhiên liệu sạch thay thế nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt Động cơ sử dụng nhiên liệu thay thế cũng đang được các nhà khoa học quan tâm và ô tô sinh thái

là mục tiêu hướng tới của các nhà khoa học và hãng chế tạo ô tô ngày nay.

1.1.2 Nhiên liệu thay thế sử dụng trên phương tiện giao thông

Những năm gần đây, khi nhu cầu năng lượng thế giới tăng, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang nhanh chóng cạn kiệt và tiêu chuẩn khí thải phương tiện giao thông ngày càng nghiêm ngặt hơn Khủng hoảng năng lượng toàn cầu và nguồn cung cấp hạn chế nhiên liệu lỏng từ dầu đã nhóm lên một cuộc cách mạng về sự phát triển công nghệ bền vững sản xuất nhiên liệu thay thế có nguồn gốc phi hóa thạch Chính vì vậy,

đã có nhiều nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sạch thay thế nhiên liệu truyền thống trên

động cơ đốt trong như khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG), nhiên liệu cồn, dầu thực vật, năng lượng điện, nhiên liệu hydrogen Khi được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong, mỗi loại nhiên liệu sạch đều có ưu và nhược điểm.

Khí dầu hóa lỏng (LPG) là một sản phẩm trong quá trình tinh chế dầu và cũng được tìm thấy trong các mỏ khí tự nhiên Sản phẩm này góp phần cải thiện môi trường, giải phóng rất ít hạt bụi lơ lửng và không thải ra lưu huỳnh Tuy nhiên, LPG lại không mạng lại những lợi ích đáng kể đối với sự thay đổi khí hậu.

Khí thiên nhiên nén (CNG) và khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG): Các phương tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên có thể mang lại những lợi ích thiết thực cho cả sự thay đổi khí hậu và chất lượng không khí Những phương tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên sẽ thải ra ít hơn CO 2 và NO x so với các phương tiện vận tải sử dụng xăng và không thải ra những hạt bụi lơ lửng Các phương tiện vận tải sử dụng khí thiên nhiên cũng tạo ra ít tiếng ồn hơn.

Dầu diesel sinh học có thể được sản xuất từ những loại dầu thực vật mới hoặc đã được sử dụng như dầu hướng dương, dầu đậu nành Muốn sử dụng biodiesel như nhiên liệu cho động cơ diesel thì chúng thường được pha trộn với diesel thông thường và cần thêm chất phụ gia Khi sử dụng dầu diesel sinh học

có thể giảm việc phát xạ khí nhà kính so với nhiên liệu truyền thống nhưng việc thải ra NOx làm cho dầu diesel sinh học ít phù hợp đối với những vùng đô thị Cồn (Ethanol, Butanol và Propanol) có nguồn gốc từ thực vật có thể sử dụng như là một nhiên liệu thay thế nhiên liệu hóa thạch Trong thực tế, tính chất của cồn tương tự như xăng và được xem là một nhiên liệu thay thế có thể được sản xuất từ sự lên men đường và đang được sản xuất rộng rãi trên khắp thế giới Điện: những phương tiện vận tải điện không gây ô nhiễm khói bụi và sự phát xạ khí nhà kính phụ thuộc vào phương pháp sử dụng để phát ra điện năng Bộ nguồn được nạp điện khi xe hơi dừng lại hoặc xuống dốc và sau đó được sử dụng như một nguồn phụ khi tăng tốc Tesla là hãng chuyên sản xuất ô tô điện, theo dự đoán của các chuyên gia, sẽ sớm vượt lên dẫn đầu ngành công nghiệp xe hơi, trở thành hãng

xe giá trị nhất, tương tự điều mà Apple đã làm được đối với ngành điện thoại di động.

Pin nhiên liệu Hydrogen: Công nghiệp ô tô đang hướng tới tương lai

sử dụng pin nhiên liệu Tất cả nhà sản xuất đều có một chương trình phát triển pin nhiên liệu Nếu bắt nguồn từ khí thiên nhiên, có thể hạn chế đến 60% khả năng giải phóng CO2 Hãng ô tô BMW đang phát triển việc sử dụng nhiên liệu hydrogen thay cho những động cơ đốt trong truyền thống.

1.1.3 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.3.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới

Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng nhiên liệu sinh học ở các mức độ khác nhau Nhiên liệu sinh học được dùng bao gồm: dầu thực vật sạch, Butanol, diesel sinh học, dimetyl ether, ethy tertiary butyl ether và các sản phẩm

từ chúng Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít Ethanol (75% dùng làm nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, dự kiến năm 2012 là 80 tỷ lít; năm 2005 sản xuất

4 triệu tấn diesel sinh học, năm 2010 tăng lên khoảng trên 20 triệu tấn.

Hình 1.4: Sản lượng Biodiesel ở một số nước trên thế giới năm 2016 Hình 1.4 biểu diễn sản lượng biodiesel tại một số quốc gia trên thế giới năm

2016 Đứng đầu về sản lượng biodiesel trên thế giới là Mỹ với 5,5 triệu lít, tiếp sau

đó là Brazil với 3,8 triệu lít Đứng thứ 3 lần lượt là các quốc gia Đức, Indonesia,

Agentina với 3 triệu lít năm 2016 Các quốc gia còn lại như Pháp, Thái Lan, Tây Ban Nha, Bỉ, Colombia, Canada, Trung Quốc lần lượt chia nhau ở các

vị trí còn lại và đóng góp vào tổng sản lượng biodiesel trên toàn thế giới.

Hình 1.5: Sản lượng nhiên liệu sinh học ở một số khu vực trên thế giới Hình 1.5 biểu diễn sản lượng nhiên liệu sinh học bao gồm Ethanol và biodiesel

ở Châu Âu, Châu Á, Nam và Trung Mỹ, Bắc Mỹ, và các khu vực khác trên thế giới năm 2006 và năm 2016 Sản lượng ở tất cả các khu vực năm 2016 đều lớn hơn rất nhiều so với năm 2006 Khu vực Bắc Mỹ có sản lượng lớn nhất thế giới với khoảng 33 tỷ tấn năm 2016 Các nước thuộc khu vực Châu Á và Châu

Âu có sản lượng biodiesel lớn nhất với khoảng hơn 10 tỷ tấn năm 2016 Mỹ có

sự tăng trưởng lớn nhất, 1930 chỉ vài nghìn tấ) Sản lượng biodiesel tăng 6,5%, trong đó Indonesia cung cấp tới hơn 50% của sự tăng trưởng này.

Mỹ là quốc gia có sản lượng nhiên liệu sinh học lớn, quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương, thân cây cao lương ngọt và củ cải đường Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất Ethanol Mỹ đặt chỉ tiêu sản xuất xăng sinh học để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi năm 2010, 100% vào năm 2012 Đức là một nước tiêu thụ nhiều nhất xăng sinh học trong cộng đồng EU, trong đó có khoảng 0,48 triệu tấn Butanol Nguyên liệu chính sản xuất Butanol là củ cải đường Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều nhiên liệu sinh học trong cộng đồng Châu Âu với mức khoảng 1,07 triệu tấn Butanol và diesel

sinh học năm 2006 Thụy Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng cho xe hơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học Hiện nay, 20% xe ở Thụy Điển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng Ethanol.

Để khuyến khích sử dụng xăng sinh học, chính phủ Thụy Điển không đánh thuế xăng sinh học và trợ cấp xăng sinh học rẻ hơn 20% so với xăng thông thường Ở Ấn Độ, Chính phủ đã có chính sách sử dụng xăng sinh học trong những năm tới Ấn Độ gia tăng diện tích trồng cây dầu lai để sản xuất diesel sinh học Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm

1985 Năm 2011 Thái Lan thành lập Ủy Ban nhiên liệu sinh học để điều hành và phát triển nghiên cứu, xăng sinh học đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003.1.1.3.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

Để đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế nông thôn tại các vùng sâu, vùng xa, ngày 20-11-2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” Theo Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22 tháng 11 năm 2012 về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống thì từ ngày 1/12/2014 xăng E5 được sản xuất, sử dụng ở một số thành phố

và được sử dụng trên toàn quốc kể từ 1/12/2015 Để thực hiện lộ trình trên, các địa phương đã tích cực triển khai, đưa xăng E5 vào lưu thông, thay thế xăng RON92 Một số địa phương đã quyết định triển khai sớm hơn so với lộ trình, như

Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi và Bà Rịa – Vũng Tàu.

Nhằm đảm bảo nguồn cung Ethanol cho thị trường, hiện Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam có 2 Nhà máy NLSH: Nhà máy NLSH Miền Trung và Nhà máy NLSH Bình Phước đã hoàn thành và đi vào hoạt động thương mại, với công suất thiết kế 200.000

tỉnh Quảng Ngãi, Bình Phước, Đồng Nai sản xuất Ethanol đạt tiêu chuẩn đảm bảo cho việc phối trộn sinh học, với công suất thiết kế là 210.000 tấn/năm; 01 nhà máy ở Quảng Nam đang ngừng sản xuất để tái cơ cấu lại; 02 nhà máy ở Đắk Nông và Kon Tum chưa sản xuất được Ethanol đạt tiêu chuẩn cho phép Tổng công

suất thiết kế sản xuất của 6 nhà máy nếu đạt 415.000 tấn/năm (100% công suất thiết kế) sẽ đủ đảm bảo phối trộn cho 8,3 triệu tấn xăng E5 và 4,15 triệu tấn xăng E10.

1.1.4 Sử dụng nhiên liệu Butanol sinh học trên động cơ đốt trongButanol làm nhiên liệu trên các phương tiện giao thông vận tải được xác định như là một sự thay thế xăng đầy triển vọng vì Butanol có một số ưu điểm

so với các loại nhiên liệu cồn phổ biến khác như propanol, ethanol [3, 12, 17,

19, 47, 57] Nhiệt trị của Butanol là khoảng 83% so với xăng [3] Butanol ít hút

ẩm hơn so với propanol và ethanol, do đó nhiên liệu này ít ngậm nước [6] Butanol ít ăn mòn hơn và có thể được vận chuyển bằng đường ống hiện có an toàn hơn nhiều vì có điểm sôi tương đối cao [9].

Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho động

cơ đốt trong được nhiều trung tâm, viện nghiên cứu cũng như các nhà khoa học đặc biệt quan tâm Sau hàng loạt các thực nghiệm nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học trên động cơ thì các công bố nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ đã được công bố rộng rãi trên các tạp chí khoa học.

1.1.4.1 Các nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong trên thế giới

Nhóm tác giả V Hönig, M Kotek and J Mařík tại Trường Đại học Czech University of Life Sciences Prague, Kamycka 129, 16521, Prague 6, Czech Republic [24, 25, 30] đã thực hiện nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu Butanol cho động cơ đốt trong Nghiên cứu đã đánh giá tính chất nhiên liệu của Butanol

CULS-và đồng thời so sánh với các tính chất của xăng CULS-và BioButanol Nó cũng chỉ rõ những ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng nó cả trong hỗn hợp và ở dạng tinh khiết Các hỗn hợp của Butanol - xăng 5%, 30%, 50%, 85% và 100% được chọn làm nhiên liệu mà không có sự khác biệt lớn so với xăng ô tô truyền thống Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như Butanol từ các loại cây trồng nông nghiệp cũng có thể giúp giảm nhập khẩu nhiên liệu dầu mỏ, hỗ trợ phát triển nông nghiệp và tạo ra nhiều việc làm cho nông dân.

Nhóm tác giả Jing Yang, Yong Wang and Renhua Feng [56] của Đại học Human

đã nghiên cứu đánh gia tính năng kỹ thuật của động cơ đốt khi sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng – Butanol Trọng tâm của nghiên cứu này là so sánh vận hành của động cơ sử dụng xăng với động cơ sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng-Butanol ở các tỉ

lệ hòa trộn khác nhau Nghiên cứu chỉ ra rằng Butanol là một loại nhiên liệu thay thế giảm 14% tổng tiêu thụ năng lượng có ích và giảm các chất gây ô nhiễm môi trường Động cơ sử dụng nhiên liệu xăng – Butanol có tốc độ cháy nhanh hơn, đặc biệt ở giai đoạn cuối của quá trình cháy và khi sử dụng hỗn hợp xăng – 35% Butanol (Bu35) thì không cần thay đổi kết cấu của động cơ mà vẫn duy trì mô men xoắn không đổi, trong khi đó suất tiêu hao nhiên liệu và mức phát thải CO, HC thì giảm đáng kể.

Tác giả S Szwaja của Đại học Kỹ thuật Michigan, Mỹ và tác giả J.D Naber của Đại học Kỹ thuật Czestochowa, Ba Lan [48, 53] với nghiên cứu tập trung ứng dụng n- Butanol như là một phụ gia pha trộn vào xăng để giảm lượng nhiên liệu hóa thạch Dựa trên cơ sở kết quả thực nghiệm, đặc tính quá trình cháy ở các loại nhiên liệu với

tỉ lệ khác nhau đã được chỉ ra: Khối lượng được đốt cháy, tỉ lệ khối lượng được đốt cháy, thời gian cháy tại vị trí 50% khối lượng được đốt cháy là tối ưu nhất về thời điểm đánh lửa để đạt tối đa mô men xoắn và tỉ lệ giải phóng nhiệt lượng.

Nhóm tác giả Cinzia Tornatore và các cộng sự tại Istituto Motori - CNR, Napoli, Italy [52] đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc pha trộn Butanol với xăng có tỷ lệ 40% n- Butanol pha trộn với 60% xăng nguyên chất (Bu40) được thực hiện trên động cơ đốt cháy cưỡng bức 1 xylanh sử dụng hệ thống phun nhiên với một thiết bị tăng áp từ bên ngoài Bu40 cho mức hiệu suất tương tự như xăng và phun trong thời gian van nạp mở cho phép để giảm thiểu những tác động bất thường trong quá trình cháy đốt bao gồm các phát xạ của các hạt cacbon siêu mịn, NOx và HC.

Tác giả Benjamin R Wigg của Đại học Illinois [54] nghiên cứu mức phát thải

Butanol với các tỷ lệ phối trộn khác nhau nhằm đánh giá so sánh mức phát thải của CO, HC, NOx ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau Kết quả cho thấy mức phát thải của CO, HC, Nox là tương đương với khi sử dụng nhiên liệu truyền thống.

Tác giả F.N Alasfour [10, 11] của Đại học Đại học Kuwait với nghiên cứu ảnh hưởng của góc đánh lửa đến mức độ phát thải HC và NOx khi sử dụng nhiên liệu phối trộn xăng – 30% Butanol (Bu30) trên động cơ đốt cháy cưỡng bức đã đưa ra kết luận về việc thay đổi mức độ phát thải HC, NOx ở các góc đánh lửa khác nhau.

1.1.4.2 Các nghiên cứu sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ở Việt Nam

nghiên cứu, tìm ra thêm các loại nhiên liệu sinh học khác trong đó có Butanol sinh học để đưa vào sử dụng trên thị trường cũng rất được các nhà khoa học quan tâm.

Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ và các cộng sự của Viện Dầu khí Viêt Nam [2]

đã khẳng định xăng pha 10,5% n-Butanol có quy cách phẩm chất, thông số vận hành và tính năng làm việc của nhiên liệu trên xe ô tô là tương đương

so với xăng thông dụng A95, đồng thời sử dụng xăng pha n-Butanol góp phần làm giảm thiểu khí độc hại phát thải ra môi trường.

Các cộng sự của Đại học Đà Nẵng [3] với đề tài đánh giá khả năng

sử dụng Butanol phối trộn vào xăng nhiên liệu đã khẳng định khi pha 10% thể tích Butanol vào xăng A92 động cơ vẫn hoạt động ổn định và phát thải CO, HC có giảm so với động cơ sử dụng xăng A92.

Nhóm tác giả Lê Văn Tụy và Bùi Ngọc Hân của Đại học Đà Nẵng [6] với

đề tài nghiên cứu góc đánh lửa tối ưu cho động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha Butanol đã kết luận bằng cách điều chỉnh góc đánh lửa hợp lý, động cơ

sử dụng nhiên liệu sinh học xăng pha Butanol sẽ cho phát ra công suất cao hơn và giảm phái thải ô nhiễm hơn so với xăng thị trường RON95.

Một vài nghiên cứu khác của các tác giả Phạm Thanh Việt, Phạm Văn Phê [6, 7] nghiên cứu khả năng ứng dụng Butanol thay thế xăng trong xăng truyền thống đến tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ôtô đã có thêm nhiều kết luận quan trọng cho việc sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Tóm lại, ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu về việc sử dụng Butanol sinh học làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong và cũng đưa ra được khẳng định Butanol sinh

học hoàn toàn có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế tiềm năng Tuy nhiên, đến nay các đề tài vẫn chỉ dừng lại ở tỷ lệ Butanol pha trộn vào xăng ở mức 20% thể tích trở xuống và chưa có đề tài nào nghiên cứu về việc ảnh hưởng của các tỷ lệ đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, phát thải ô nhiễm khi pha Butanol vào xăng RON92 Vì vậy, việc nghiên cứu pha Butanol với xăng RON92 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức với tỷ lệ Butanol cao hơn hẳn các công trình đã công bố nhằm đánh giá tính năng kỹ thuật, phát thải ô nhiễm, ảnh hưởng của các chế độ vận hành đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, phát thải ô nhiễm; qua đó có thể nâng cao tỷ lệ pha trộn Butanol vào xăng làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

1.2 Sự cần thiết cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động

cơ đánh lửa cưỡng bức

1.2.1 Lịch sử phát triển của hệ thống nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức

Lịch sử ứng dụng phun nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức thay thế cho bộ chế hòa khí bắt đầu từ đầu thế kỷ 19 và 20 Việc áp dụng hệ thống phun nhiên liệu cho động cơ đánh lửa đã diễn ra vào năm 1898, khi công ty Deutz sử dụng bơm phun kiểu trượt vào động cơ tĩnh tại sử dụng dầu hỏa.

Hình 1.6: Các hệ thống phun nhiên liệu [37]

a) Phun một điểm, b) Phun đa điểm, c) Phun trực tiếp; 1- Cung cấp nhiên liệu, 2 - Bơm khí, 3 - Bướm ga, 4 - Ống nạp, 5 - Kim phun nhiên liệu (hoặc kim phun), 6 – Động cơ

Ngoài ra, anh em nhà Wright đã nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ máy bay đầu tiên từ năm 1903 là nền tảng ra đời của hệ thống phun xăng [28] Tuy nhiên, việc chế tạo một vòi phun Venturi vào bộ chế hòa khí trong những

năm tiếp theo gặp phải các khó khăn về công nghệ và vật liệu đã làm giảm sự phát triển của hệ thống phun nhiên liệu trong động cơ đánh lửa trong hai thập kỷ tiếp theo.

Hình 1.7: Vị trí của kim phun của hệ thống cung cấp nhiên liệu kết hợp

trực tiếp và gián tiếp [37]

1 - Pít-tông, 2 - Cổng xả khí, 3 - Bugi, 4 - Van xả, 5 - Van nạp, 6 - Kim phun

gián tiếp, 7 - Kênh lấy nước, 8 - Kim phun trực tiếp

Động cơ phun trực tiếp (SI) đầu tiên trên thế giới, Junkers Jumo 210G, được phát triển vào giữa năm 30 của thế kỷ trước và được sử dụng vào năm 1937 trong một trong những phiên bản phát triển của máy bay chiến đấu Messerschmitt Bf-109

[31] Trong tiến trình phát triển, hệ thống phun xăng được cải tiến từ hệ thống phun xăng đơn điểm trên đường nạp (Hình 1.6a), phun đa điểm trên đường nạp (Hình 1.6b), đến phun trực tiếp trong buồng cháy (Hình 1.6c) và hiện nay đang tiếp cận đến hệ thống phun kép kết hợp phun trên đường nạp và phun trực tiếp (Hình 1.7).

1.2.2 Cải tiến hệ thống phun nhiên liệu động cơ đánh lửa cưỡng bức nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường

Hướng tới giải quyết giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải ô nhiễm trên phương tiện giao thông, các kỹ sư ô tô đang nỗ lực phát triển các động cơ có suất tiêu hao nhiên liệu

có ích thấp hơn và đồng thời đáp ứng các yêu cầu phát thải nghiêm ngặt Động cơ diesel

có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng bức phun nhiên liệu trên đường nạp về tiêu hao nhiên liệu là nhờ có tỷ số nén cao và quá trình cháy có hòa khí nghèo hơn đáng kể Tuy nhiên, động cơ diesel nói chung có mức độ tiếng

ồn cao hơn, phạm vi tốc độ hạn chế hơn, khởi động khó hơn, đồng thời phát thải hạt và NOx cao hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng bức Trong hai thập

kỷ qua, những nỗ lực đã được thực hiện để phát triển động cơ đốt trong sử dụng trên ô tô bằng cách kết hợp các tính năng tốt nhất của động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ diesel Mục tiêu là kết hợp ưu điểm về sự tiện nghi của động cơ xăng với hiệu suất có ích cao của động cơ diesel ở chế độ tải cục bộ Động cơ đánh lửa cưỡng bức như vậy sẽ có suất tiêu hao nhiên liệu có ích tiếp cận với động cơ diesel, trong khi vẫn duy trì các đặc tính vận hành.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng để đạt được mục tiêu này là động cơ đánh lửa cưỡng bức bốn kỳ phun trực tiếp, không tiết lưu điều chỉnh hỗn hợp đầu vào

để kiểm soát tải Trong động cơ này, chùm tia phun nhiên liệu được phun trực tiếp vào xi lanh, tạo ra hỗn hợp không khí nhiên liệu với thành phần dễ cháy ở khe hở tia lửa tại thời điểm đánh lửa Loại động cơ này gọi là động cơ phun nhiên liệu trực tiếp có hòa khí phân lớp, có khả năng chống kích nổ đối với nhiên liệu có chỉ

số octan thấp hơn và có thể sử dụng đa nhiên liệu [27, 29, 34] Theo cách tương

tự như động cơ diesel, công suất có ích của động cơ này được kiểm soát bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu phun vào xilanh Không khí nạp không được điều tiết bởi bướm ga do đó giảm thiểu trợ lực trên đường nạp Bằng cách sử dụng bugi để đốt cháy hòa khí bằng đánh lửa trực tiếp do đó giảm thiểu ảnh hưởng bởi tính tự cháy của nhiên liệu Hơn nữa, bằng cách bố trí hợp lý vị trí của vòi phun so với bugi hòa khí sẽ nhạt đi đáng kể [14, 18, 21, 26, 55].

Sự khác biệt chính giữa động cơ phun đa điểm trên đường nạp (PFI) và động cơ phun trực tiếp (GDI) là trong các phương thức chuẩn bị hỗn hợp, được minh họa dưới dạng sơ đồ trên Hình 1.8 Trong động cơ PFI, nhiên liệu được phun vào cổng nạp của mỗi xi lanh và có độ trễ thời gian liên quan giữa hoạt động phun và hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí vào xilanh Phần lớn các động cơ PFI trên ô tô hiện tại sử dụng phun nhiên liệu theo thời gian vào mặt sau của van nạp Trong quá trình khởi động và khởi động lạnh, có sự hình thành và dịch chuyển của màng nhiên liệu lỏng trong khu vực van nạp của cửa nạp Điều này gây ra sự chậm trễ trong việc cung cấp nhiên liệu, khiến cho lượng nhiên liệu cần lớn hơn yêu cầu để đạt tỷ lệ hòa khí lý

thuyết trong xilanh, làm gia tăng đáng kể phát thải HC Ngược lại, phun nhiên liệu trực tiếp vào xilanh động cơ hoàn toàn tránh được các vấn đề liên quan đến việc hình thành lớp nhiên liệu lỏng trên thành cửa nạp, đồng thời tăng cường kiểm soát nhiên liệu cung cấp, cũng như giảm thời gian vận chuyển nhiên liệu Do đó, khối lượng nhiên liệu thực tế đi vào xilanh theo một chu kỳ nhất định có thể được kiểm soát chính xác hơn bằng cách GDI so với PFI Động cơ GDI có khả năng đốt cháy với hòa khí nghèo hơn, hòa khí đồng nhất hơn giữa các xilanh và suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn, lượng khí thải HC trong quá trình khởi động lạnh cũng có khả năng thấp hơn trong trường hợp GDI Do áp suất nhiên liệu của hệ thống GDI cao hơn nên nhiên liệu

đi vào xilanh được xé tơi tốt hơn nhiều so với hệ thống PFI, đặc biệt là trong điều kiện vận hành lạnh, do đó tốc độ hóa hơi nhiên liệu cao hơn nhiều Tuy nhiên, việc phun nhiên liệu trực tiếp vào xi lanh cũng có thể hình thành màng nhiên liệu do nhiên liệu

có thể bám trên đỉnh piston hoặc các bề mặt buồng đốt khác.

Động cơ GDI khắc phục những hạn chế cơ bản của động cơ PFI, đặc biệt là liên quan đến việc làm ướt thành cửa nạp Màng nhiên liệu trên thành cửa nạp của động

cơ PFI hoạt động như một tụ điện tích hợp và lượng nhiên liệu được đo không chính xác do có lượng nhiên liệu lỏng bên trong màng, chứ không phải từ nhiên liệu hiện tại được đo chính xác bởi kim phun [59] Trong quá trình khởi động lạnh của động cơ PFI

sẽ không cháy hoặc không khởi động trong một vài chu kỳ đầu tiên, mặc dù nhiên liệu đang được phun thêm vào màng lỏng Các thuật toán điều khiển phải được sử dụng

để cung cấp nhiên liệu lớn hơn nếu đạt được thời gian bắt đầu PFI hoạt động ổn định, lúc nhiệt độ khởi động thấp sẽ khiến lượng phát thải HC sẽ tăng lên Do đó, hệ thống PFI tạo ra 90% tổng lượng phát thải HC trong thử nghiệm phát thải FTP của Hoa Kỳ trong vòng 90 giây đầu tiên [16].

Việc phun xăng trực tiếp vào xi lanh của động cơ đánh lửa cưỡng bức bốn kỳ giúp loại bỏ màng nhiên liệu tích hợp trên thành cửa nạp Phun trực tiếp xăng với ít hoặc không làm giàu hòa khí khi khởi động lạnh có thể bắt đầu khởi động vào chu trình thứ hai [13] và có thể giảm đáng kể HC trong quá trình thay đổi tải So sánh lượng nhiên liệu cần thiết để khởi động động cơ GDI và PFI được cung cấp trong như

Hình 1.9 [38] Động cơ GDI cần ít nhiên liệu hơn để khởi động động cơ

và cần nhiều hơn khi nhiệt độ môi trường giảm.

Hình 1.8: So sánh hệ thống chuẩn bị hỗn hợp PFI [40] và GDI [60]

Một hạn chế của động cơ PFI là yêu cầu tiết lưu trên đường nạp để kiểm soát tải động cơ Mặc dù tiết lưu trên đường nạp là một cơ chế kiểm soát tải được thiết lập trong động cơ PFI nhưng tổn thất nhiệt động lực học rất đáng kể Bất kỳ hệ thống nào

sử dụng tiết lưu trên đường nạp để điều chỉnh mức tải sẽ gây ra tổn thất nhiệt động

và sẽ làm suy giảm hiệu suất có ích ở mức tải thấp Các động cơ PFI tiên tiến hiện tại vẫn sử dụng tiết lưu trên đường nạp để kiểm soát tải động cơ Động cơ PFI sử dụng tiết lưu trên đường nạp sẽ giảm đáng kể tiêu hao nhiên liệu và phát thải Hiện nay, những cải tiến liên tục trong công nghệ PFI nhằm đạt mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu và phát thải Về mặt lý thuyết, động cơ GDI không có hai hạn chế đáng kể này cũng như các tính năng có liên quan đến chúng Những lợi thế về mặt lý thuyết của động cơ GDI

so với động cơ PFI hiện đại được tóm tắt như sau:

- Cải thiện tính kinh tế nhiên liệu (lên đến 25% tùy thuộc vào chu kỳ thử nghiệm) nhờ: tổn thất công bơm ít hơn, tổn thất nhiệt

ít hơn, tỷ số nén cao hơn, yêu cầu trị số octan thấp hơn, tăng hiệu suất nạp, cắt nhiên liệu trong quá trình giảm tốc.

- Cải thiện khả năng đáp ứng nhờ: giảm mức độ làm đậm khi tăng tốc.

- Kiểm soát tỷ lệ nhiên liệu-không khí chính xác hơn nhờ: khởi động lạnh nhanh hơn, giảm tiêu hao khi khởi động lạnh.

- Lợi thế lựa chọn phát thải nhờ: giảm phát thải HC khi khởi động lạnh, giảm lượng khí thải CO2.

lạnh đo được từ động cơ GDI nguyên mẫu của Nissan thấp hơn khoảng 30% so với động cơ PFI trong điều kiện tương đương Một lợi thế khác của động cơ GDI

là có thể điều chỉnh mức độ cắt giảm nhiên liệu khi giảm tốc sẽ tiết kiệm nhiên liệu và giảm mức phát thải HC Đối với động cơ PFI, hoạt động của màng nhiên liệu đã được thiết lập ở cửa nạp nên việc cắt nhiên liệu trong quá trình giảm tốc

sẽ ảnh hưởng đến quá trình hòa trộn vì nó làm giảm hoặc loại bỏ màng nhiên liệu lỏng tại cửa nạp Điều này tạo ra hòa khí rất nghèo trong buồng đốt trong một vài chu kỳ sau khi phục hồi tải dẫn đến tình trạng không ổn định động cơ.

1.3 Đặc điểm các quá trình trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu sinh học Butanol

1.3.1 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học đến tính năng kinh tế kỹ thuật trên động cơ đốt trong

S Szwaja [48] đã ứng dụng n-Butanol như một thành phần hòa trộn thêm vào xăng để giảm thành phần nhiên liệu hóa thạch trong hỗn hợp nhiên liệu và đây cũng là

đánh lửa cưỡng bức được nghiên cứu chi tiết Phối trộn n-Butanol và xăng với tỷ lệ 0%, 20% và 60% để gần với đặc tính nhiên liệu n-Butanol được nghiên cứu trên động cơ 1 xylanh có thể thay đổi được tỷ số nén.

Sơ đồ bố trí động cơ thí nghiệm như Hình 1.10.

hiện tượng động cơ không nổ Thời điểm đánh lửa tối ưu bị giới hạn bởi hiện tượng cháy kích nổ tại góc đánh lửa lớn hơn 14 độ trước điểm chết trên như Hình 1.12 Thực nghiệm được thực hiện tại các chế độ tải cục bộ của động cơ.

Hình 1.13a mô tả thời gian cháy của hỗn hợp nhiên liệu 10-90% Butanol, được xác định theo tỷ lệ hòa khí cháy tại vị trí có tỷ lệ 0,1 và 0,9 ứng với vị trí trục khuỷu

hỗn hợp nhiên liệu 0-10% Butanol có thời điểm đánh lửa thay đổi cho cả n-Butanol và xăng Quá trình cháy của n-Butanol nguyên chất ngắn hơn so với xăng nguyên chất, dẫn đến nhiệt độ quá trình cháy cao hơn tại thời điểm đánh lửa của bugi.

nén bằng 10 [48].

Hình 1.13: a) Tỷ lệ hòa khí cháy 10-90% ứng với thời gian đánh lửa cho Butanol và xăng PON 87 b) Tỷ lệ hòa khí cháy 0-10% ứng với thời gian

n-đánh lửa cho n-Butanol và xăng PON 87 [48]

1.3.2 Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu Butanol sinh học trên động

cơ đốt trong đến quá trình lan tràn màng lửa

Cinzia [52] nghiên cứu ảnh hưởng của Butanol khi phối trộn với nhiên liệu xăng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Thực nghiệm sử dụng động cơ đánh lửa cưỡng bức 1 xylanh, phun nhiên liệu, tăng áp, có thể điều chỉnh thay đổi được tỷ số nén Hình 1.14 và Hình 1.15 mô tả quá trình cháy từ bugi đánh lửa tới khi màng lửa chạm vào thành xylanh động cơ Sau thời điểm này, hình dạng màng lửa đối diện không còn đối xứng, nó phát triển chạm thành xylanh tại khu vực của xupap xả, màng nhiên liệu đọng lại một lớp trên xupap nạp và bề mặt buồng cháy ở chu kỳ trước Khi màng lửa lan tràn tới khu vực đối diện, mỗi phần của khu vực phát triển đối diện nơi có tập trung nhiều nhiên liệu, sự dao động của tốc độ lan tràn màng lửa dọc theo màng lửa đối diện và sự gia tăng của vòng lửa Tính không đối xứng của màng lửa là bất lợi

của nhiên liệu B40, nhưng màng lửa thì phát triển đều đặn hơn Với Bu40 các đóm sáng thì ít rõ hơn so với nhiên liệu xăng, các phần tử khó bay hơi bắt đầu bay hơi khi nhiệt độ tăng lên và tiếp đó nhiên liệu được đốt cháy.

Hình 1.14: Áp suất trong xylanh và tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu [52]

Hình 1.15: Hình ảnh ngọn lửa của xăng và Bu40 [52]