Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel ethanol

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng CNG Khí nén thiên nhiên LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng HVO Dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa BTL Sinh khối hóa lỏng m Thống số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

HOÀNG TUẤN HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ PHUN ETHANOL VÀO ĐƯỜNG NẠP ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Thái Nguyên - Năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép tôi thực hiện luận văn này Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô

và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi

hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn

Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác

đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập

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

có thể hoàn chỉnh luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập

Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản thân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn

Học viên

Hoàng Tuấn Hải

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 4

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

* Ý nghĩa khoa học: 4

* Ý nghĩa thực tiễn: 4

4 Đối tượng nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 5

6 Phạm vi nghiên cứu 5

7 Nội dung nghiên cứu 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường 6

1.2 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 7

1.3 Nhiên liệu ethanol 9

1.3.1 Tính chất vật lý của ethanol 9

1.3.2 Công nghệ sản xuất ethanol 10

1.3.3 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam 14

 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới 14

 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam 16

1.3.4 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel 18

 Tình hình nghiên cứu trong nước 18

 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 19

1.4 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ 25

SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL 25

2.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong 25

2.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong 25

2.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại 28

2.2 Giới thiệu các phương pháp và mô hình tính toán các quá trình công tác của động cơ 30

2.2.1 Phương pháp Grinhevesky - Mading 30

2.2.2 Mô hình tính theo Vibe 31

2.2.3 Mô hình Vibe mở rộng 32

2.2.4 Mô hình theo Glagôlep 32

2.2.5 Mô hình theo Vôlôđin 33

2.3 Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol 34

2.4 Lựa chọn mô hình và phương pháp tính 35

2.4.1 Mô hình vật lý và phương trình tính toán 35

2.4.2 Xác định sự thay đổi các thông số đặc trưng kích thước hình học của xi lanh động cơ 36

2.4.3 Tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy trong xi lanh 39

2.4.4 Tính trao đổi nhiệt trong xi lanh của động cơ 41

2.5 Tính toán các thông số nhiệt động động cơ V12 42

2.5.1 Mô hình hóa động cơ V12 42

2.5.1.1 Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power 42

2.5.1.2 Xây dựng mô hình động cơ V12 44

2.5.2 Kết quả tính toán động cơ V12 48

2.6 Kết luận chương 2 51

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI ĐIỂM PHUN 52

VÀ TỐC ĐỘ PHUN ETHANOL VÀO ĐƯỜNG NẠP 52

ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL V12 52

3.1 Đặt vấn đề 52

3.2 Mô phỏng ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol 52

3.2.1 Ảnh hưởng của thời điểm phun ethanol tới các chỉ tiêu công tác của động cơ 53

 Ảnh hưởng tới nhiệt độ môi chất trong xi lanh 53

 Ảnh hưởng tới áp suất môi chất trong xi lanh 54

 Ảnh hưởng tới dòng nhiệt môi chất truyền cho thành vách buồng cháy 56

 Ảnh hưởng tới tốc độ tỏa nhiệt 57

 Ảnh hưởng tới quy luật cháy của nhiên liệu 58

3.2.2 Ảnh hưởng tới các chỉ tiêu phát thải của động cơ 60

 Ảnh hưởng tới thành phần phát thải CO 2 60

 Ảnh hưởng tới thành phần phát thải NO x 61

3.3 Mô phỏng ảnh hưởng của tốc độ phun ethanol 61

3.3.1 Ảnh hưởng của tốc độ phun ethanol tới các chỉ tiêu công tác 62

 Ảnh hưởng tới nhiệt độ môi chất trong xi lanh 62

 Ảnh hưởng tới áp suất môi chất trong xi lanh 63

 Ảnh hưởng tới dòng nhiệt 64

 Ảnh hưởng tới tốc độ tỏa nhiệt của môi chất trong xi lanh 65

 Ảnh hưởng tới quy luật cháy của nhiên liệu 66

3.3.2 Ảnh hưởng của các tốc độ phun ethanol tới thành phần phát thải 66

 Ảnh hưởng của tốc độ phun ethanol đến phát thải NO x 66

 Ảnh hưởng của tốc độ phun ethanol đến phát thải CO 2 68

3.4 Kết luận chương 3 68

KẾT LUẬN CHUNG 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng

CNG Khí nén thiên nhiên

LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng

HVO Dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa

BTL Sinh khối hóa lỏng

m Thống số đặc trưng cháy

x Quy luật cháy dx/d Tốc độ cháy

mnl Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình, [kg/ct]

QH Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

PM Chất ô nhiễm dạng hạt

FFV Phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của ethanol 10

Bảng 2.1 Các phần tử chính của mô hình động cơ V12 44

Bảng 2.2 Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình 46

Bảng 2.3 Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 49

Bảng 2.4 Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất 49

theo đặc tính ngoài động cơ V12 49

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ lúa mì và xi-rô đường 12

Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza 13

Hình 2.1 Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế 30

Hình 2.2 Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-alcohol, [1] 34

Hình 2.3 Mô hình các dòng năng lượng và khối lượng qua các biên 35

của thể tích xi lanh trong một chu trình [3] 35

Hình 2.4 Sơ đồ cơ cấu khuỷu trục thanh truyền của động cơ 37

trong trường hợp tổng quát 37

Hình 2.5 Các thông số hình học của xu páp dùng để xây dựng mô hình 38

Hình 2.6 Hình dáng quy luật tỏa nhiệt khi cháy theo Vibe 40

Hình 2.7 Mô hình động cơ V12 44

Hình 2.8 Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun ethanol 51

vào đường nạp của động cơ 51

Hình 2.9 Mô hình 1 nhánh cụm đường ống nạp động cơ V12 51

khi thiếp lập mô hình chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol 51

Hình 3.1 Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp 53

Hình 3.2 Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ 54

lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol 54

Hình 3.3 Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp 55

Hình 3.4 Áp suất cực đại trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel – ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol 55

Hình 3.5 Tốc độ tăng áp suất trung bình của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol 56

Hình 3.6 Dòng nhiệt của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol 57

khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp 57

Hình 3.7 Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất động cơ lưỡng nhiên liệu diesel -

ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp 58

Hình 3.8 Quy luật cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol 59

khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp 59

Hình 3.9 Đặc tính phát thải CO2 động cơ lưỡng nhiên liệu 60

diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol 60

Hình 3.10 Đặc tính phát thải NOx động cơ lưỡng nhiên liệu 61

diesel - ethanol khi thay đổi thời điểm phun ethanol 61

Hình 3.11 Các tốc độ phun ethanol vào đường nạp 62

động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol 62

Hình 3.12 Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác động cơ lưỡng nhiên liệu 63

diesel - ethanol theo các tốc độ phun ethanol khác nhau 63

Hình 3.13 Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh động cơ 64

lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol theo các tốc độ phun ethanol khác nhau 64

Hình 3.14 Dòng nhiệt của động cơ khi thay đổi tốc độ phun ethanol 64

vào đường nạp 64

Hình 3.15 Tốc độ tỏa nhiệt của môi chất trong động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi tốc độ phun ethanol vào đường nạp 65

Hình 3.16 Quy luật cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi tốc độ phun ethanol vào đường nạp 66

Hình 3.17 Đặc tính phát thải NOx động cơ lưỡng nhiên liệu 67

diesel - ethanol khi thay đổi tốc độ phun ethanol vào đường nạp 67

Hình 3.18 Đặc tính phát thải CO2 động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol khi thay đổi tốc độ phun ethanol vào đường nạp 68

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự báo của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 5 năm nữa Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx,

NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường, hệ sinh thái và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống

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

Nhiên liệu sinh học cho động cơ nói chung và phương tiện giao thông nói riêng đang nhận được sự quan tâm lớn của thế giới Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường Mặt khác nhiên liệu sinh học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho người dân ở vùng sâu, vùng xa Một khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trường có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lượng xanh, năng lượng có phát thải cácbon thấp nhận được sự ưu tiên phát triển

Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của các ngành Khoa học - Kĩ thuật đặc biệt là sự khởi đầu của nền công nghiệp 4.0 đang dần dần hình thành

và trở thành xu hướng phát triển chung của các nền kinh tế thế giới Ngành

công nghiệp ô tô đang đứng trước rất nhiều khó khăn và thách thức để có thể theo kịp sự phát triển chung của thế giới và đáp ứng được nhu cầu sử dụng ngày một tăng cao của con người Một trong những nguy cơ và thách thức hàng đầu hiện nay đặt ra cho ngành công nghiệp ô tô chính là thay đổi công nghệ và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch hoặc nhiên liệu thay thế để ứng phó với sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch vốn là nguyên liệu cho các loại động cơ đốt trong dùng cho ô tô cũng như nhiều ngành công nghiệp khác và hiện tượng ô nhiễm

do các khí thải do quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch

Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang

là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính Động cơ cháy do nén (động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con người và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chấy ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter) Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) trong động

cơ diesel là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm phát sinh các thành phần độc hại trong khí xả Một trong số đó, nhiên liệu cồn Ethanol (hay còn gọi là cồn Etylic) là một trong những nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm phát thải và sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Ethanol là loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, do bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao Trong các loại nhiên liệu Alcohols chứa hàm lượng các bon thấp (chứa 3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như Methanol và Ethanol hiện được coi là những nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel nhận được nhiều sự quan tâm

do ưu điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng ô xi cao, do đó cải thiện đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải

Hiện nay có 4 phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy do nén,

đó là:

1 Phun hơi cồn (Alcohol Fumigation): trong phương pháp này, nhiên liệu

alcohol được đưa vào đường ống nạp của động cơ thông qua vòi phun hoặc chế hòa khí

2 Pha trộn cồn - diesel (Alcohol - diesel blend): trong phương pháp này, nhiên

liệu alcohol và diesel được hòa trộn theo tỷ lệ nhất định trước để tạo thành hỗn hợp đồng nhất và sau đó được phun trục tiếp vào xi lanh thông qua các vòi phun

3 Nhũ tương cồn - diesel (Alcohol - diesel emulsification): theo phương pháp

này, sử dụng chất chuyển thể sữa để hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu nhằm ngăn chặn sự phân ly

4 Phun kép (Dual injection): theo đó, sử dụng 2 hệ thống phun riêng rẽ để phun

nhiên liệu cồn và diesel vào xi lanh

Trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - diesel được sử dụng phổ biến hơn cả Đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ diesel [11  29], tuy nhiên các công trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm; một số ít trình bày về mô phỏng số nhưng các thuật toán và chương trình mô phỏng không được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy,

mô phỏng đặc tính của loại động cơ lưỡng nhiên liệu ethanol - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ, cũng như ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam nhằm giảm ô nhiễm môi trường từ các động cơ diesel đang lưu hành Tuy nhiên, khi tiến hành phun hơi ethanol vào đường nạp, thì thông số phun có ảnh hưởng tới các chỉ tiêu công tác và phát thải của động cơ nhưng chưa được đề cập trong

các nghiên cứu liên quan gần đây Chính vì vậy, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun Ethanol vào đường nạp đến các chỉ

tiêu công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel - Ethanol” làm đề tài luận

văn cao học của mình

2 Mục đích của đề tài

- Xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol bằng phần mềm

mô phỏng động cơ chuyên dụng GT-Power

- Khảo sát được ảnh hưởng của 2 thông số là thời điểm phun và tốc độ phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa thực tiễn:

- Các mô hình mô phỏng xây dựng được trong luận văn có thể góp phần cho quá trình đào tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ cháy do nén

- Luận văn đã đánh giá được ảnh hưởng của các thông số phun ethanol trên đường nạp đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi chuyển sang vận hành dạng lưỡng nhiên liệu

- Kết quả của đề tài là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol

4 Đối tượng nghiên cứu

- Động cơ diesel 12 xi lanh, chữ V (V12)

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết thông qua xây dựng các mô hình mô phỏng trên phần mềm mô phỏng động cơ chuyên dụng GT-Power

6 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của 2 thông số là thời điểm phun và tốc độ phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol

Chế độ tính toán: chế độ công suất định mức

7 Nội dung nghiên cứu

Thuyết minh của đề tài được trình bày gồm các phần chính sau:

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về vấn đế nghiên cứu

- Chương 2 Mô phỏng động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol

- Chương 3 Mô phỏng ảnh hưởng của thời điểm phun và tốc độ phun

ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ diesel V12

- Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường

Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên

Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn Năm 2003, lượng dầu

mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu

về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu

mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam

Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực Song hành cùng với việc

sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và

ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong

1.2 Tổng quan về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành

từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [4] NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Methanol, Ethanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật) Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh

đó cũng có những hạn chế nhất định Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau:

* Ưu điểm:

+ Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu

ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống

+ Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động

sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…)

- Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose - có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao

- NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ

bị biến tính phân hủy theo thời gian)

Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ [4]:

- NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên

liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường,

mỡ động vật, dầu thực vật,…

- NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của

NLSH thế hệ đầu tiên Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều

có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa

- NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng

lượng thay thế khả thi Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5 ÷ 300 lần để sản xuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 ÷ 2 lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 ÷ 10 ngày tùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể

kể tên như sau:

- Bioethanol;

- Biodiesel;

- Methane (biogas);

- Biohydrogen;

- Dimethyl ether (DME)

Trong đó bio-ethanol (gọi tắt là ethanol) được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc

Ethanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng ethanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới

Ethanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như ngô, khoai tây, củ cải đường… Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho mát cũng có thể được sử dụng Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu để chế tạo ra cồn ethanol Ở Brazil thì ethanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường Còn ở Pháp thì ethanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm Ngoài ra ethanol còn có thể được sản xuất từ gỗ

Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

1.3 Nhiên liệu ethanol

1.3.1 Tính chất vật lý của ethanol

Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan vô hạn trong nước Sở dĩ ethanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước

Một số tính chất vật lý thể hiện trong bảng 1.1 [4]

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của ethanol

1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O

3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt dễ cháy

1.3.2 Công nghệ sản xuất ethanol

 Phương pháp hydrat hóa etylen

Cho etylen hợp nước ở 300 0C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit:

CH2 = CH2 + H2O  CH3-CH2-OH Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất

có độ xốp cao như diatomit hay than củi Chất xúc tác này được công ty Shell

sử dụng để sản xuất ethanol ở mức độ công nghiệp năm 1947

Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric Phản ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại axit:

 Công nghệ lên men sản xuất ethanol

Ethanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.1) Tinh bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân hủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men Hạt ngũ cốc được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân

để tạo đường Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men ancol Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 ÷ 5,0 Ethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất

để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanol khan)

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

 Công nghệ sinh học sản xuất ethanol từ nguyên liệu xenluloza

Công nghệ sinh học sản xuất ethanol từ xenluloza thể hiện qua quy trình

xử lý thủy phân xenluloza trong đó bao gồm thủy phân nguyên liệu licnoxenluloza tiền xử lý, sử dụng các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp để tạo thành đường đơn giản và tiếp theo là quá trình lên men và chưng cất

Có 6 giai đoạn để sản xuất ethanol từ xenluloza như giới thiệu trên hình 1.2

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

- Thủy phân xenluloza (cellulolysis), để bẻ gãy các phân tử để tạo đường

- Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (phức polyme thơm)

- Lên men đường

- Chưng cất để tạo ra ethanol nguyên chất

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

Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza

Quá trình sản xuất ethanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40 ÷ 60% xenluloza và 20 ÷ 40% hemixenluloza, có cấu trúc tinh thể bền Hemixenluloza chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo Nói chung hỗn hợp xenluloza khó hòa tan trong nước Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 ÷ 25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác [4]

 Các phương pháp làm khan ethanol

Thông thường ethanol sản xuất theo các phương pháp nêu trên thường

có nồng độ ≤ 96% vì vậy để tạo ra ethanol có nồng độ lớn hơn 99% thì chúng

ta phải sử dụng các biện pháp loại nước, hay còn gọi là làm khan Các phương pháp làm khan:

- Làm khan bằng các chất hút nước: Có thể dùng các chất hút nước như:

Clorua canxi khan, vôi … Tuy nhiên biện pháp này ít hiệu quả

- Chưng cất phân đoạn: Đó là phương pháp cho thêm một cấu tử vào hỗn

hợp để phá vỡ điểm sôi Cấu tử thêm là benzen và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn lần nữa Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và ethanol nhằm loại bỏ ethanol ra khỏi nước và điểm sôi hỗn hợp cấp 2 với ethanol để loại bỏ phần lớn benzen Phương pháp này có thể tạo ra ethanol có độ khan rất cao tuy nhiên vẫn còn một lượng nhỏ benzen còn lại trong ethanol gây độc hại

Do vậy phương này chỉ ứng dụng để tạo ethanol làm nhiên liệu (ví dụ như pha vào xăng) mà không được sử dụng cho thực phẩm

- Sử dụng rây phân tử: Rây phân tử là vật liệu xốp, sử dụng để hấp thụ

chọn lọc nước từ dung dịch 96% ethanol Có thể sử dụng zeolit dạng viên hoặc bột yến mạch tuy nhiên zeolit có giá trị hơn do khả năng hấp phụ chọn lọc cao, lại tái sinh được Số lần sử dụng zeolit không hạn chế do có thể tái tạo bằng cách làm khô với luồng khí CO2 nóng Ethanol tinh khiết sản xuất theo phương pháp này sẽ không chứa benzen do vậy ethanol tinh khiết loại này có thể sử dụng trong thực phẩm, y học và mỹ phẩm

- Sử dụng chất phụ gia: Hiện nay có một xu hướng sử dụng ethanol nồng

độ thấp 92% làm nhiên liệu Đối với ethanol dạng này yêu cầu phải có phụ gia có vai trò xúc tiến quá trình hòa trộn giữa xăng và ethanol đồng thời nó ngăn ngừa sự tách pha của nước trong hỗn hợp cũng như ngăn cản quá trình hấp thụ hơi nước từ khí quyển trong quá trình bảo quản sử dụng Phụ gia thường dùng là các loại ancol có phân tử lớn như ancol isopropylic, isobutyric

1.3.3 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam

 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới

Dùng ethanol thay dầu diesel sẽ góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường

từ khí thải động cơ diesel: các chỉ số HC, CO, độ khói đen đều thấp hơn so với khi dùng dầu diesel Sở dĩ như vậy là do trong phần tử ethanol có thành phần cácbon ít hơn với dầu diesel và có sẵn oxy nên dễ đốt cháy cácbon hơn Tuy nhiên, do tính chất của ethanol khác với tính chất của nhiên liệu dùng cho động

cơ diesel như: trị số xêtan và độ nhớt thấp, không thể đốt cháy ethanol bằng phương pháp tự bốc cháy trong động cơ diesel Vì vậy sử dụng ethanol trên động cơ diesel gặp nhiều khó khăn hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng bức [4]

Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 86,25% toàn bộ lượng ethanol sản xuất toàn cầu [1, 4] Nguyên liệu chính để sản xuất ethanol tại Mỹ là ngô, trong khi tại Brazil thì mía là nguồn cung cấp chính

Brazil là nước đi đầu với chương trình quốc gia ủng hộ cồn từ năm 1975,

sử dụng cồn sản xuất từ bã mía để pha vào xăng với tỷ lệ đến 20%, dùng trong ngành vận tải Hiện nay 9 công ty sản xuất xe hơi ở Brazil, trong đó có General Motor và Ford cung cấp cho thị trường loại xe sử dụng nhiên liệu lưỡng tính (xe FFV - Flexible Fuel Vehicle) tức là chạy bằng xăng thông thường hoặc bằng cồn hoặc bằng hỗn hợp xăng cồn đều được Trong số xe bán ra trong tháng 4/2005, loại xe này chiếm tới 50%

Trong thực tế, Brazil là một trong các quốc gia sản xuất và xuất khẩu đường lớn nhất thế giới, đồng thời cũng là nước sản xuất, tiêu thụ và xuất khẩu cồn đứng thứ hai thế giới sau Mỹ Cả nước có khoảng 600000 đồn điền trồng mía, hơn 300 nhà máy sản xuất cồn [4]

EU chiếm vị trí thứ ba thế giới về sản lượng etanol Sản xuất etanol tại

EU chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đường Chương trình năng lượng tái tạo (RFD) của EU quy định đến năm 2020, toàn bộ xăng dầu dùng cho giao thông vận tải phải được pha 10% nhiên liệu tái tạo

Philippines là quốc gia tiên phong ở Châu Á trong việc thực hiện chương trình NLSH bằng việc sử dụng NLSH tái tạo vào năm 2006 Theo đó, toàn bộ các sản phẩm nhiên liệu tiêu thụ nội địa phải pha trộn NLSH 2% Bio-diesel và 10% Bio-etanol vào tháng 2/2012

Thái lan đã bắt đầu cung cấp xăng pha cồn cho các phương tiện vận tải vào năm 2005 Người tiêu dùng có thể chọn mua E10 với giá giảm đáng kể so

với xăng thông thường Tại thời điểm đó, hầu hết các phương tiện vận tải đường

bộ ở Thái lan có thể sử dụng xăng pha cồn E10 mà không ảnh hưởng gì Chính phủ đã công bố một danh sách của tất cả các xe có thể sử dụng xăng E10 và phát hành rộng rãi tại tất cả các trạm xăng dầu trên cả nước Hầu hết ô tô sản xuất sau năm 1983 đều có thể sử dụng E10

Hiện tại hầu hết các trạm xăng tại Thái Lan đều bán xăng E20 và đây là loại xăng thông dụng nhất tại Thái Lan vì tất cả các loại ô tô đời mới đều có thể

sử dụng loại xăng này, giá cả thấp hơn 5 Baht/lít so với xăng E10 Đối với E85, hiện Thái Lan có khoảng 150 điểm bán, chủ yếu tại Bangkok và đang sử dụng ngày một nhiều hơn Loại xăng này chỉ có thể sử dụng cho các loại phương tiện

sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV) Loại phương tiện này có một hệ thống nhiên liệu điện tử đặc biệt cho phép vận hành trên bất cứ loại xăng pha etanol nào với

tỷ lệ etanol từ 0% ÷ 80%

 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam

Hiện nay tại Việt Nam, nhiên liệu xăng và diesel vẫn là hai loại nhiên liệu chính của ngành giao thông vận tải (GTVT) Việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu thay thế là chưa nhiều, hầu hết ở quy mô nhỏ lẻ Năm 2007, thủ

tướng chính phủ ra quyết định số 177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát triển nhiên

liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” Mục tiêu đến năm 2015, sản xuất

được 250 nghìn tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng 1% nhu cầu nhiên liệu; và tầm nhìn 2025 là 1,8 triệu tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng được 5% nhu cầu nhiên liệu Cùng với đó là những khuyến khích về tài chính như trợ giá, miễn thuế… cho các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnh vực năng lượng tái tạo Tuy nhiên, tình hình sản xuất etanol tại Việt Nam còn có những thuận lợi và khó khăn như sau:

* Thuận lợi:

+ Việt Nam tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối đáng kể là những sản phẩm thừa trong quá trình chế biến nông lâm sản như rơm rạ, trấu, cỏ, lá, mùn cưa, bã mía và một số chất thải nông nghiệp khác So với nguồn nhiên liệu sinh khối từ gỗ khoảng 75 ÷ 80 triệu tấn năm, tương đương 26 ÷ 28 triệu tấn dầu/năm Năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp chiếm khoảng 30 triệu tấn/năm tương đương với 10 triệu tấn dầu/năm trong đó đáng kể là các nguyên liệu trấu, rơm rạ, bã mía, mùn cưa Nguồn nhiên liệu sinh khối từ vỏ trấu là đáng kể nhất ở Việt Nam khoảng 5 ÷ 7 triệu tấn/năm trong đồng bằng sông Cửu Long có khoảng 4,5 ÷ 5 triệu tấn/năm Phụ phẩm thứ 2 có thể kể đến

là vỏ cà phê, vỏ cà phê hoàn toàn có thể dùng để sản xuất etanol

+ Việt Nam còn có vùng nguyên liệu sắn rộng lớn Cây sắn đã chuyển đổi vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp với tốc độ cao, năng suất

và sản lượng sắn đã tăng nhanh ở thập kỷ đầu của thế kỷ XXI

* Khó khăn:

- Mặc dù nhà nước đã có đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm

2015, tầm nhìn đến năm 2025” được ký duyệt vào cuối năm 2007 nhưng vẫn

chưa có những chính sách cụ thể để khuyến khích cũng như hỗ trợ các nhà khoa học, doanh nghiệp và người dân cùng thực hiện Các công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học được công bố còn ít, các công trình đã công bố thì lại gặp khó khăn trong việc triển khai sản xuất và ứng dụng Các doanh nghiệp không mặn mà với việc sản xuất nhiên liệu sinh học

- Hiện nay, nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch để chạy động cơ do một

số doanh nghiệp nắm giữ và mang tính độc quyền, để thuyết phục họ chuyển dần sang kinh doanh nhiên liệu sinh học là rất khó Các doanh nghiệp khác thì chưa đủ tiềm lực để có thể áp dụng và kinh doanh nhiên liệu sinh học Mặt khác

để đầu tư cho dây chuyền sản xuất nhiên liệu sinh học theo quy mô công nghiệp thì yêu cầu nguồn vốn lớn, điều này không phải doanh nghiệp nào ở Việt Nam cũng có thể đáp ứng được

- Muốn phát triển nhiên liệu sinh học thì phải có nguồn nguyên liệu cung cấp để sản xuất Tuy nhiên, hiện nay có một số vùng trồng nguyên liệu nhưng mang tính chất manh mún, nhỏ lẻ gây khó khăn cho việc sản xuất theo quy mô công nghiệp

- Một yếu tố quan trọng nữa là người tiêu dùng ở nước ta từ trước đến nay vẫn quen dùng nhiên liệu truyền thống, chưa có những chiến dịch tuyên truyền người dân sử dụng nhiên liệu sinh học Mặt khác, giá thành của xăng sinh học còn cao, chưa khuyến khích được người tiêu dùng sử dụng

1.3.4 Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel

 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế tiềm năng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel, đồng thời có khả năng cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ Điển hình gồm các nghiên cứu sau:

Nghiên cứu đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5% và 10% [32] Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu thay đổi không đáng kể, phát thải HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx

tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc

Đối với sử dụng ethanol cho động cơ diesel bằng phương pháp phun ethanol vào xupáp nạp và điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ có thể kể đến công trình [1] Đề tài đã đưa ra được phương pháp và cơ sở khoa học chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol, có thể áp dụng linh hoạt cho các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học Cụ thể, đã chuyển đổi thành công một động cơ diesel D4BB sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol thông qua thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu với điều kiện giữ nguyên mô men, tỷ lệ thay thế

ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ Động cơ làm việc bình thường ở mọi chế độ ổn định cũng như chuyển tiếp, giảm phát thải

Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ được tác giả Lê Danh Quang thực hiện

trong luận án tiến sĩ (2014) "Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh

học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ" cho thấy: Khi thử

nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-D đến tính năng kinh tế,

kỹ thuật của động cơ diesel D243, kết quả là ở thời điểm 0 giờ mô men động

cơ tăng trung bình 5,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 2,5%, các thành phần phát thải đều giảm, cụ thể: CO: 3,5%; HC: 6,6%; NOx: 5,5%; CO2: 0,86%

và PM: 3,3% khi so sánh với trường hợp không sử dụng phụ gia Kết quả thử nghiệm mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả của động

cơ tại các thời điểm 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định không thay đổi nhiều so với thời điểm 0 giờ Sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với nhiên liệu D5 có phụ gia VPI-D, lượng phát thải được cải thiện Cụ thể, sau 50 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt

là 3,9%, 14,7%, 3,6%, 1,2% và 4,3; sau 100 giờ chạy ổn định phát thải HC,

NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 5%, 16,3%, 8,4%, 2,2% và 6%

 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Qua các kết quả chỉ ra trong các công trình từ [11] ÷ [42], nhận thấy có một vài công nghệ có thể ứng dụng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu ethanol sau:

+ Sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn;

+ Ethanol phun trực tiếp;

+ Ethanol phun trên đường ống nạp

Sau đây sẽ giới thiệu các kết quả của một vài công trình điển hình về sử dụng ethanol theo các phương thức như trên

* Sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn

E.A Ajav và các cộng sự [33] đã nghiên cứu thực nghiệm một số thông

số hiệu suất của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn tại tốc độ động cơ không đổi Trong nghiên cứu sử dụng động cơ TV110, một

xi lanh, làm mát bằng dung dịch Kết quả cho thấy công suất lớn nhất của động

cơ diesel nguyên bản đạt 10,71 [ml] tại tốc độ 1475 [vg/ph], công suất lớn nhất đạt lần lượt là 10,66; 10,63; 10,51; 10,39 [ml] tương ứng với các tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5%; 10%; 15% và 20% Như vậy, có thể coi công suất động

cơ giảm không đáng kể khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với

tỷ lệ thay thế có thể đạt đến 20% so với động cơ diesel nguyên bản

Theo nghiên cứu của Eugene EE và các cộng sự [34] thì động cơ cần một

số điều chỉnh nhỏ như thay đổi thời điểm phun và lượng phun để động cơ giữ được công suất cực đại, mức độ điều chỉnh nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu và phụ thuộc vào ảnh hưởng của ethanol đến quá trình cháy

Theo nghiên cứu của Alan C Hansen và các cộng sự [35] thì ethanol khan có thể hòa trộn với nhiên liệu diesel, tuy nhiên do ethanol có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ Theo nghiên cứu của Murayama T và các cộng sự [36] cho biết, khả năng hòa tan của hỗn hợp diesel - ethanol phụ thuộc vào tỷ lệ hòa trộn, nhiệt độ, hàm lượng nước, nồng độ chất phụ gia và trọng lượng riêng của nhiên liệu diesel So với các loại nhiên liệu diesel thông thường, các loại nhiên liệu pha trộn cho hiệu suất nhiệt tốt hơn, độ khói giảm, và phát thải HC, NOx, CO giảm

Do ethanol có tính chất cơ lý khác với nhiên liệu diesel nên khi thêm ethanol vào diesel sẽ làm thay đổi tính chất cơ lý của nhiên liệu gốc như làm

giảm mạnh trị số cetan cũng như độ nhớt và nhiệt trị của hỗn hợp Với lý do này động cơ sẽ khó khởi động lạnh, hiện tượng rò rỉ nhiên liệu tăng lên đồng thời chiều dày màng dập lửa tăng do nhiệt hóa hơi của ethanol cao

Weidmann và các cộng sự [37] đã tiến hành đo đặc tính của động cơ diesel bốn xi lanh Volkswagen sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha ethanol, kết quả cho thấy HC, CO và andehit trong khí thải tăng lên, tuy nhiên NOx và

độ khói giảm so với chạy nhiên liệu diesel

Czerwinski và các cộng sự [38] đã xây dựng đặc tính của động cơ diesel bốn xi lanh phun trực tiếp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30% thể tích ethanol và 15% thể tích dầu hạt cải Kết quả cho thấy khi thêm ethanol sẽ làm cho nhiệt độ cháy giảm, tất cả chất độc hại trong khí thải giảm ở toàn tải, tuy nhiên lượng CO và HC tăng tại tải nhỏ và tốc độ thấp

Qua việc phân tích các công trình đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợp ethanol hòa trộn sẵn cho thấy ưu điểm của phương pháp này là không phải thay đổi kết cấu động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất động cơ Tuy nhiên phương pháp này không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn trong quá trình sử dụng

diesel-* Ethanol phun trực tiếp

Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng một động cơ, trong đó ethanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy bằng nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun của ethanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất Theo nghiên cứu của Savage LD [39], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên tới 90% trong điều kiện lý tưởng Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm

dịu, độ mờ khói và khí thải rất thấp Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực

tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp

* Ethanol phun trên đường ống nạp

Phương pháp thứ ba là ethanol hòa trộn với không khí nạp trước khi đi vào xi lanh động cơ Theo phương pháp này M.Abu-Qudais và các cộng sự [40]

đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai trường hợp phun ethanol trên đường ống nạp

và diesel - ethanol hòa trộn sẵn đến đặc tính và phát thải của động cơ diesel một

xi lanh, bốn kỳ, làm mát bằng dung dịch

Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% và 5,4% trên toàn dải tốc độ lần lượt trong hai trường hợp: phun ethanol trên đường ống nạp và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn Về phát thải cho thấy CO, HC đều tăng trong khi độ khói và soot giảm so với khi sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản Tỷ lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20% và 15% trong lần lượt hai trường hợp phun ethanol và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn

Từ các kết quả trên, cho thấy khi sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế với tỷ lệ thay thế 20% trong các trường hợp thì phát thải CO, HC tăng và phát thải độ khói và soot đều giảm Phát thải CO và HC tăng dẫn đến tỷ lệ ethanol

có thể sử dụng bị giới hạn Ngoài ra, sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp trên đường ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó

Ogawa H và cộng sự [41] đã tiến hành thiết lập đặc tính của động cơ diesel một xi lanh 0,83 dm3 phun trực tiếp sử dụng hai hệ thống nhiên liệu, bao gồm hệ thống phun diesel Common - Rail (CR) và hệ thống phun ethanol trên đường ống nạp, đồng thời sử dụng phương pháp luân hồi khí thải EGR Kết quả cho thấy với 20% ethanol và lượng oxy trong khí nạp giảm 15%, độ khói và

NOx đều giảm trên toàn bộ dải làm việc của động cơ Nếu kết hợp tốt giữa việc

phối trộn ethanol và EGR thì có thể cho phép độ khói bằng không đồng thời hàm lượng NOx giảm mạnh Kết quả còn cho thấy cần phải giảm tỷ số nén nhằm đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol đồng thời loại bỏ hiện tượng mất lửa và gõ trong xi lanh

Ngoài ra có thể kể đến Volpato và cộng sự [42] đã nghiên cứu điều khiển động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ nông nghiệp MWM MS-4001P sử dụng bơm phân phối pít tông hướng kính, ethanol được phun vào đường ống nạp, trong đó nhiên liệu diesel được phun vào buồng cháy của động cơ ở dạng phun mồi nhằm kích hoạt nhiên liệu ethanol cháy chính Kết quả cho thấy công suất và mô men động cơ vẫn đảm bảo mặc dù tỷ

lệ ethanol thay thế từ 60 ÷ 85% tại chế độ tải 100%

Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol trên đường ống nạp có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hòa khí hoặc sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp phun trước xupáp nạp Mặc dù phương pháp này phải cần hai hệ thống nhiên liệu và điều khiển độc lập, làm tăng mức độ phức tạp trong quá trình điều khiển, tuy nhiên phương pháp này giải quyết được các nhược điểm của hai phương pháp trên, và có các ưu điểm như sau:

- Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên đường ống nạp

- Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp;

- Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng;

- Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ không khí nạp nạp vào động cơ;

- Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ

1.4 Kết luận chương 1

- Từ các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy phương án sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ diesel bằng hai hệ thống phun riêng biệt thích hợp hơn cả khi nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol

- Từ phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp cung cấp ethanol như đã phân tích ở trên cho thấy phương pháp được lựa chọn là phun ethanol vào trước xupáp nạp là hoàn toàn khả thi Đây là một phương pháp đơn giản và

dễ áp dụng, tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào

nó

- Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol vào trước xupáp bằng cách sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp Phương pháp này có một vài ưu điểm nổi bật như: không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên đường ống nạp; việc ngắt phun ethanol dễ dàng; dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế

độ làm việc của động cơ Chính vì vậy, luận văn sẽ sử dụng phương pháp này

để thiết lập mô hình mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của các thông số phun ethanol đến đặc tính cháy và phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ

SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL

2.1 Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong

2.1.1 Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong

Động cơ đốt trong là nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường Các thành phần độc hại chính phát thải từ động cơ gồm ô xít các bon (CO), hydrocacbon (HC), ô xít ni tơ (NOx), ô xít lưu huỳnh (SO2), khói đen và các chất thải dạng hạt khác Các thành phần chất thải này không những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống con người Theo số liệu thống kê ở Mỹ năm 1997, các chất ô nhiễm phát thải từ các phương tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm 40 ÷ 50% tổng hàm lượng HC trong không khí, 50% tổng hàm lượng NOx và 80 ÷ 90% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố Ở các nước phát triển khác như Châu Âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự Trong những năm gần đây, số lượng phương tiện vận tải ngày càng tăng cao, trung bình hàng năm thế giới sản xuất và đưa vào sửa dụng thêm trên 40 triệu chiếc động cơ, nên càng làm vấn đề ô nhiễm môi trường thêm trầm trọng

Các thành phần độc hại phát ra từ động cơ có thể từ 3 nguồn Thứ nhất

là khí thải trên đường ống xả Đó là những khí độc hại phát sinh trong quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ và thải ra ngoài thông qua đường ống xả Khí thải bao gồm những thành phần chính là Ni tơ (N2) và hơi nước chiếm khoảng 83%, các khí còn lại là ô xít carbon (CO), các bon níc (CO2), carbuahydro (HC),

và các loại ô xít ni tơ (NOx) Thứ hai là các khí rò lọt bao gồm những khí rò lọt

qua khe hở giữa pít tông và xi lanh, chủ yếu là N2 và O2 chiếm tới 90% phần còn lại là CO2, HC, hơi nước và một hàm lượng nhỏ CO và NOx Thứ ba là các

khí bay hơi gồm chủ yếu là hơi xăng (HC) bay hơi từ các thiết bị nhiên liệu Trong ba nguồn này thì khí thải từ đường ống thải là nguồn gây ô nhiễm chính của động cơ với các thành phần độc hại là CO, HC, NOx, khói và chất thải rắn

Với động cơ xăng, các thành phần phát thải độc hại chủ yếu gồm CO, HC, NOx Đối với nguồn khí rò lọt và khí bay hơi, thành phần độc hại chủ yếu là HC chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng phát thải HC của động cơ nên thường không được quan tâm nhiều

Sự hình thành các chất độc hại trong khí thải động cơ liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng bởi vì quá trình cháy trong động

cơ đốt trong là quá trình ô xi hoá nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng và quá trình này diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số như thành phần giữa không khí và nhiên liệu, điều kiện cháy… Ở điều kiện lý tưởng, sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu Hydrocacbon với Oxy trong không khí sẽ sinh ra sản phẩm cháy không độc hại như là CO2, H2O Tuy nhiên, trong động cơ trạng thái cân bằng hoá học lý tưởng đối với sự cháy hoàn toàn có thể nói là không bao giờ xảy ra, bởi vì thời gian cho quá trình ôxy hoá bị giới hạn và sự thiếu đồng nhất ở trạng thái hơi của nhiên liệu trong không khí Kết quả là trong sản vật cháy, ngoài các sản phẩm cháy hoàn toàn còn có các thành phần độc hại CO và HC Thêm nữa, quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ cao trong môi trường có ô xy và ni tơ nên sẽ sinh

ra chất độc hại NOx trong khí thải

Nồng độ các thành phần trong khí thải thay đổi tuỳ thuộc vào kiểu loại động cơ, và đặc biệt là phụ thuộc vào điều kiện vận hành động cơ Hàm lượng

CO tăng khi hệ số dư lượng không khí  giảm Nồng độ CO cao hơn với hỗn hợp giàu nhiên liệu hơn Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa nhiên liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi Do vậy, mặc dù  chung có thể > 1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO

Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC cũng là do sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra Nguồn chính của khí thải HC

là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở khi áp suất giảm

Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn nở Một phần Hydrocacbon này được ôxy hoá khi được trộn với khí

đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC Mức độ ôxy hóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa… Sự đánh lửa muộn hơn thích hợp để ôxy hoá HC sau quá trình cháy Nguồn phát sinh khác của HC là sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy kém Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệu Nồng độ của chúng tăng khi hỗn hợp đậm hơn, đặc biệt là với  < 1 Đối với hỗn hợp quá nghèo thành phần khí xả HC cũng tăng

do đốt cháy không hoàn toàn hoặc hiện tượng bỏ lửa trong một phần của các chu kỳ vận hành động cơ

Các chất oxit nitơ NO, dioxit nitơ NO2, và protoxit nitơ N2O được gọi chung dưới cái tên NOx trong đó NO chiếm đa phần trên 80% Khí thải NOx

được hình thành ở nhiệt độ cháy cao Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại

bộ phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt độ, ôxy và thời gian Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx sẽ cao, tức là khi động

cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp và  = 1,05 ÷ 1,1 thì NOx lớn

2.1.2 Các biện pháp giảm phát thải độc hại

Việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp hữu hiệu để giảm phát thải cho động cơ đã được quan tâm từ lâu Nhìn chung các biện pháp giảm phát thải độc hại cho động cơ xăng hiện nay có thể được chia thành ba nhóm

Nhóm thứ nhất: giảm phát thải tại nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm

các biện pháp giảm nồng độ độc hại khí thải từ xi lanh bằng cách tối ưu hoá chất lượng tạo hỗn hợp và đốt cháy nhiên liệu thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động cơ Các biện pháp công nghệ của nhóm này bao gồm cải tiến hệ thống phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp, áp dụng hệ thống điều khiển điện tử trên động

cơ, điều chỉnh chính xác tỉ lệ không khí - nhiên liệu và thiết kế hệ thống đánh lửa thích hợp trong động cơ xăng, tối ưu kết cấu buồng cháy, luân hồi khí thải,

và một số công nghệ khác Nhìn chung các động cơ hiện đại đều đã được tối

ưu hóa kết cấu với việc sử dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến cho phép giảm tối thiểu thành phần phát thải độc hại khí thải thoát ra khỏi xi lanh động cơ Tuy nhiên, hàm lượng phát thải độc hại của động cơ vẫn chưa thể đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo trong khi khó có thể giảm thêm được bằng cách áp dụng các biện pháp cải tiến kết cấu động cơ

Nhóm thứ hai: Xử lý khí thải sau nguồn phát sinh, nhóm này bao gồm

các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi các thành phần độc hại của khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý xúc tác trung hòa khí thải Ở phương pháp này, các thành phần độc hại CO, HC được ô xi hóa tiếp trong các bộ xử lý xúc tác ô xi hóa; còn NOx

được chuyển thành N2 trong bộ xử lý xúc tác giảm NOx hoặc việc ô xi hóa CO,

HC, và giảm NOx được thực hiện đồng thời trong cùng một bộ xử lý xúc tác 3 chức năng trên động cơ xăng; khói bụi thì được xử lý trong các bộ xử lý xúc tác đặc biệt Việc xử lý xúc tác khí thải cho phép giảm đến trên 95% hàm lượng các thành phần độc hại Tuy nhiên, hiệu quả xử lý xúc tác này chỉ đạt được ở chế độ làm việc ổn định của động cơ khi bộ xử lý xúc tác đã nóng hoàn toàn

Ở chế độ khởi động lạnh, chạy ấm máy, chạy không tải và chế độ chuyển tiếp, hiệu quả của bộ xử lý xúc tác rất thấp làm tăng lượng phát thải độc hại vào môi trường

Nhóm thứ ba: Liên quan đến sử dụng nhiên liệu sạch, bao gồm các biện

pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu (pha phụ gia cải thiện nhiên liệu) và sử dụng nhiên liệu thay thế Hiện nay, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trên các động cơ hiện hành ngày càng được quan tâm nhằm mục đích vừa để bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt do nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vừa để giảm phát thải cho động cơ Do đó, yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế là phải có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có khả năng cháy tốt, cháy kiệt và có nồng độ phát thải độc trong khí thải thấp

Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành hai nhóm, nhóm nhiên liệu

có nguồn gốc hóa thạch và nhóm có nguồn gốc tái tạo Nhóm nhiên liệu thay thế có nguồn gốc hóa thạch có thể gồm khí thiên nhiên (khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), dimethyl ether (DME) và một số khí khác Các loại khí này có tỷ lệ các bon (C/H) nhỏ nên sản vật cháy chứa ít thành phần độc hại CO, HC và CO2 hơn so với khí thải của xăng và diesel [6, 11] Nhóm nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo có thể gồm khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-methanol), hydro, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME - Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hóa (HVO

- Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hóa lỏng (BTL - Bio-mass To Liquid) Các nhiên liệu tái tạo có ưu điểm nổi bật là có thể nuôi trồng chế biến được nên không bao giờ cạn, mặt khác các nhiên liệu này cũng có hàm lượng

C nhỏ hơn so với nhiên liệu xăng và diesel và đặc biệt là khí hydro không chứa

C nên phát thải độc hại thấp hơn

Trong các loại nhiên liệu thay thế, khí hydro (H2) là loại khí có nhiệt trị khối lượng cao và khi cháy không gây phát thải các thành phần độc hại HC và

CO như các loại nhiên liệu gốc hóa thạch, mặt khác, hydro có trữ lượng gần như vô tận trong thiên nhiên nên hiện nay được coi là nhiên liệu của tương lai

và là nhiên liệu thay thế rất tiềm năng cho động cơ đốt trong [4] Viễn cảnh lựa chọn nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được giới thiệu trên hình 2.1

Hình 2.1 Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế 2.2 Giới thiệu các phương pháp và mô hình tính toán các quá trình công tác của động cơ

Cùng với quá trình phát triển và hoàn thiện về mặt nguyên lý và kết cấu của động cơ, các phương pháp và mô hình tính toán quá trình công tác của động

cơ cũng đồng thời được nghiên cứu và hoàn thiện Các phương pháp và mô hình tính toán như sau:

2.2.1 Phương pháp Grinhevesky - Mading

Phương pháp Grinhevesky -Mading còn được gọi là phương pháp truyền thống Phương pháp này dựa trên cơ sở của chu trình lý tưởng bằng cách thay khí lý tưởng bằng môi chất thực có xét đến sự biến đổi hóa học trong quá trình cháy Kết quả tính là thông số áp suất và nhiệt độ tại các điểm đầu và cuối từng quá trình Các quá trình trung gian của quá trình nén và giãn nở được xác định

theo phương trình đa biến, còn các giá trị trung gian quá trình cháy được xác định theo phơng pháp đồ thị gần đúng Kết quả được biểu diễn dưới dạng đồ thị p-V Hiện nay để nghiên cứu quá trình thực tế phương pháp này không được

áp dụng [3]

2.2.2 Mô hình tính theo Vibe

Theo Vibe, muốn tính được diễn biến của đường cong áp suất và nhiệt

độ trong quá trình cháy thì trước hết phải xác định được quy luật cháy và tốc

độ cháy của nhiên liệu Vibe đã rút ra được từ kết quả của các tác giả trước đó như: Noiman, Gôntra, Alculôp, Semenôp và Kôskin Đưa ra được hai công thức

số học tính quy luật cháy và tốc độ cháy của nhiên liệu [3]

1 6,9081

m z

e d

trong đó: m - thông số đặc trưng cho quá trình cháy;

z - thời gian cháy tính theo góc quay trục khuỷu

Với hai công thức trên, mô hình quá trình cháy theo Vibe vẫn dựa trên cơ sở phương trình nhiệt động I viết cho quá trình cháy Phương trình vi phân biểu diễn sự phát triển của áp suất p và nhiệt độ T trong quá trình cháy như sau [9]:

 1

z K