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

v nĐẠI 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp TháiNguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phéptôi 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 vàlàm 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 hoànthành 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 thầytrong 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 bảnthân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót Tôi rất mong nhận được sựgóp ý để luận văn được hoàn thiện hơn

Học viên

Hoàng Tuấn Hải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

1.4 Kết luận chương 1 24CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ 25

SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL 25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

58

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

60

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

66

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

66

68

3.4 Kết luận chương 3 68KẾT LUẬN CHUNG 70TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v nHình 3.6 Dòng nhiệt của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol 57khi thay đổi thời điểm phun ethanol vào đường nạp 57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

1 Lý do chọn đề tài

MỞ ĐẦU

Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng vàcấp bách cần giải quyết Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ củanền công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rấtlớn Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, theonhư dự báo của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượngxăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 5 năm nữa Mặt khác việc sửdụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêmtrọng 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 xấuđến 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 thânthiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết Bên cạnh việc sửdụng 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 cónguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm

Nhiên liệu sinh học cho động cơ nói chung và phương tiện giao thôngnói riêng đang nhận được sự quan tâm lớn của thế giới Một mặt nhiên liệusinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môitrường 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 bềnvững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trường có vai tròthiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lượng xanh, nănglượng 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 - Kĩthuật 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 thểtheo kịp sự phát triển chung của thế giới và đáp ứng được nhu cầu sử dụngngày một tăng cao của con người Một trong những nguy cơ và thách thứchàng đầu hiện nay đặt ra cho ngành công nghiệp ô tô chính là thay đổi côngnghệ và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch hoặc nhiên liệu thay thế để ứngphó với sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch vốn là nguyên liệu cho các loạiđộng cơ đốt trong dùng cho ô tô cũng như nhiều ngành công nghiệp khác vàhiện 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 thếđang là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụthuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảmtác 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: nôngnghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suấtcao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với conngười 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 phátsinh các thành phần độc hại trong khí xả Một trong số đó, nhiên liệu cồnEthanol (hay còn gọi là cồn Etylic) là một trong những nhiên liệu tiềm năngnhằm giảm phát thải và sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Ethanol là loạinhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, do bản chất nó là nhiênliệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao Trong các loại nhiên liệu Alcohols chứahàm lượng các bon thấp (chứa 3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) nhưMethanol và Ethanol hiện được coi là những nhiên liệu pha trộn với nhiên liệudiesel nhận được nhiều sự quan tâm do ưu điểm về công nghệ sản xuất và cóhàm lượng ô xi cao, do đó cải thiện đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phátthải

Hiện nay có 4 phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vậnhành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy donén, 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 hoặcchế 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 tạothành hỗn hợp đồng nhất và sau đó được phun trục tiếp vào xi lanh thông quacác 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 ngănchặn 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 vềảnh hưởng của của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thảicủa động cơ diesel [11  29], tuy nhiên các công trình này chỉ trình bàykết quả

-nghiên cứu thực nghiệm; một số ít trình bày về mô phỏng số nhưng các thuậttoán 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 cầnthiết để làm chủ công nghệ, cũng như ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Namnhằm giảm ô nhiễm môi trường từ các động cơ diesel đang lưu hành Tuynhiên, khi tiến hành phun hơi ethanol vào đường nạp, thì thông số phun có ảnhhưởng tới các chỉ tiêu công tác và phát thải của động cơ nhưng chưa được đềcập 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

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa khoa học:

Luận văn đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp vàcháy của nhiên liệu ethanol - diesel trong động cơ diesel thông qua các môhình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power Từ các mô hình môphỏng này, ảnh hưởng của 2 thông số là thời điểm phun và tốc độ phun khiphun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ lưỡngnhiên liệu diesel - ethanol được khảo sát và đánh giá để làm cơ sở cho việcđánh giá về sau khi nghiên cứu thực nghiệm

* Ý nghĩa thực tiễn:

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

- Luận văn đã đánh giá được ảnh hưởng của các thông số phun ethanoltrên đường nạp đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơdiesel 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 thựcnghiệm 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 phầnmềm 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 vàtốc độ phun ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác và phát thải củađộng 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 tôtrên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng Thế giới đangphải 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 thểđáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không pháthiện 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 vềnhiên liệu ngày càng tăng lên

Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượngdầu 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 thêmnhững nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 nămnữa Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượngdầu 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 dầutrên thế giới Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ởcác khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượngdầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giádầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang pháttriển như Việt Nam

Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từdầu 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 thânthiện 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thaythế 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 hìnhthành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật Ví dụ như nhiên liệu chếxuất 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 dùngcho 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 phếthải, 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 điểmchính 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 loạinhiên 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 vàonguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

- 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 cácloại nguyên liệu phù hợp để sản xuất Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyênliệu 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 tinhbột, 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 hệđầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứalignocellulose 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 sảnxuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 ÷ 2lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 ÷ 10 ngàytùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năngsuất 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 liệuhóa thạch

Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể

kể tên như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

- Bioethanol;

- Biodiesel;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

- Methane (biogas);

- Biohydrogen;

- Dimethyl ether (DME).

Trong đó bio-ethanol (gọi tắt là ethanol) được sản xuất và sử dụng rộngrãi 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 cơđánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiêntrong 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 từcác sản phẩm nông nghiệp Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và làđất nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơtrên toàn thế giới

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

Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanolđược 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 hơnnước (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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạothành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

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

CH2 = CH2 + H2O  CH3-CH2-OHChất 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

CH2 = CH2 + H2SO4  CH3

-CH2OSO3H

CH3-CH2OSO3H + H2O  CH3-CH2-OH +

H2SO4Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do cóchứa một số thành phần độc hại như: methanol, denatonium (C21H29N2O,

C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê Ethanol điều chế theo phương phápcông nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 ÷ 1987 [4]

ethanol

Ethanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu cóthể 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 phânhủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men Hạt ngũcốc 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 vàokhối 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 củadung dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 ÷ 5,0 Ethanol sinh ra trong quátrình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất vàtinh cất để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanolkhan)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

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 liệulicnoxenluloza tiền xử lý, sử dụng các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp đểtạo 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 hình1.2

- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặcrơm 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 (phứcpolyme 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 mentinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lênmen Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợpxenluloza 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 cácpolyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơnxenlulo Nói chung hỗn hợp xenluloza khó hòa tan trong nước Phức polymethơm có trong gỗ là lignin (10 ÷ 25%) không thể lên men vì khó phân hủysinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác [4]

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 phươngpháp 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

- 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 đượcchưng 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 vớiethanol 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 ethanolgây 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 viênhoặc bột yến mạch tuy nhiên zeolit có giá trị hơn do khả năng hấp phụ chọnlọc cao, lại tái sinh được Số lần sử dụng zeolit không hạn chế do có thể táitạo bằng cách làm khô với luồng khí CO2 nóng Ethanol tinh khiết sản xuấttheo phương pháp này sẽ không chứa benzen do vậy ethanol tinh khiết loạinày 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 đồngthời nó

ngăn ngừa sự tách pha của nước trong hỗn hợp cũng như ngăn cản quá trìnhhấp thụ hơi nước từ khí quyển trong quá trình bảo quản sử dụng Phụ giathường 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

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 vớikhi dùng dầu diesel Sở dĩ như vậy là do trong phần tử ethanol có thành phần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

cácbon ít hơn với dầu diesel và có sẵn oxy nên dễ đốt cháy cácbon hơn Tuynhiên, do tính chất của ethanol khác với tính chất của nhiên liệu dùng chođộng

vào năm 2005 Người tiêu dùng có thể chọn mua E10 với giá giảm đáng kể so

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

cơ diesel như: trị số xêtan và độ nhớt thấp, không thể đốt cháy ethanol bằngphương pháp tự bốc cháy trong động cơ diesel Vì vậy sử dụng ethanol trênđộng 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 thìmía 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 nhiênliệu lưỡng tnh (xe FFV - Flexible Fuel Vehicle) tức là chạy bằng xăng thôngthường hoặc bằng cồn hoặc bằng hỗn hợp xăng cồn đều được Trong số xebán 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 khẩuđường lớn nhất thế giới, đồng thời cũng là nước sản xuất, tiêu thụ và xuấtkhẩu cồn đứng thứ hai thế giới sau Mỹ Cả nước có khoảng 600000 đồn điềntrồng 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 táitạo (RFD) của EU quy định đến năm 2020, toàn bộ xăng dầu dùng cho giaothông vận tải phải được pha 10% nhiên liệu tái tạo

vào năm 2005 Người tiêu dùng có thể chọn mua E10 với giá giảm đáng kể so

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

Philippines là quốc gia tiên phong ở Châu Á trong việc thực hiệnchương 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

với xăng thông thường Tại thời điểm đó, hầu hết các phương tiện vận tảiđường 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 dụngxăng 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 làloại xăng thông dụng nhất tại Thái Lan vì tất cả các loại ô tô đời mới đều cóthể sử dụng loại xăng này, giá cả thấp hơn 5 Baht/lít so với xăng E10 Đối vớiE85, hiện Thái Lan có khoảng 150 điểm bán, chủ yếu tại Bangkok và đang sửdụng ngày một nhiều hơn Loại xăng này chỉ có thể sử dụng cho các loạiphương 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 xăngpha etanol nào với tỷ lệ etanol từ 0% ÷ 80%

Nam

Hiện nay tại Việt Nam, nhiên liệu xăng và diesel vẫn là hai loại nhiênliệu chính của ngành giao thông vận tải (GTVT) Việc sản xuất và sử dụngnhiên 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 nhiênliệu; 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 trợgiá, miễn thuế… cho các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnhvực năng lượng tái tạo Tuy nhiên, tình hình sản xuất etanol tại Việt Nam còn

có những thuận lợi và khó khăn như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

* Thuận lợi:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

+ Việt Nam tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối đáng kể là những sảnphẩm 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 nhiênliệu sinh khối từ gỗ khoảng 75 ÷ 80 triệu tấn năm, tương đương 26 ÷ 28 triệutấn 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 làcác 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 đồngbằng 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 chuyểnđổi vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp với tốc độ cao, năngsuất 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 nhàkhoa học, doanh nghiệp và người dân cùng thực hiện Các công trình nghiêncứu về nhiên liệu sinh học được công bố còn ít, các công trình đã công bố thìlại gặp khó khăn trong việc triển khai sản xuất và ứng dụng Các doanh nghiệpkhông mặn mà với việc sản xuất nhiên liệu sinh học

- Hiện nay, nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch để chạy động cơ domột số doanh nghiệp nắm giữ và mang tính độc quyền, để thuyết phục họchuyển dần sang kinh doanh nhiên liệu sinh học là rất khó Các doanh nghiệpkhác thì chưa đủ tiềm lực để có thể áp dụng và kinh doanh nhiên liệu sinhhọc Mặt khác để đầu tư cho dây chuyền sản xuất nhiên liệu sinh học theo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v nquy mô công nghiệp thì yêu cầu nguồn vốn lớn, điều này không phải doanhnghiệp nào ở Việt Nam cũng có thể đáp ứng được.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

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

- Một yếu tố quan trọng nữa là người tiêu dùng ở nước ta từ trướcđến nay vẫn quen dùng nhiên liệu truyền thống, chưa có những chiến dịchtuyên truyền người dân sử dụng nhiên liệu sinh học Mặt khác, giá thành củaxăng 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

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 cơdiesel khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanolthay thế lần lượt là 5% và 10% [32] Kết quả cho thấy mô men động cơ vàtiêu 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 phunethanol 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 kểđến công trình [1] Đề tài đã đưa ra được phương pháp và cơ sở khoa họcchuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol, cóthể áp dụng linh hoạt cho các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệtêu thụ nhiên liệu sinh học Cụ thể, đã chuyển đổi thành công một động cơdiesel D4BB sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol thông qua thiết kế cải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v ntiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu với điều kiện giữ nguyên mômen, tỷ lệ thay thế

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ Động cơ làm việc bìnhthường 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 đếncác 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 têu kinh tế kỹ thuật của động cơ" cho

thấy: Khi thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-D đến tínhnăng 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 khoảng2,5%, 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 dụngphụ gia Kết quả thử nghiệm mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu vànhiệt độ khí xả của động cơ tại các thời điểm 50 giờ và 100 giờ chạy ổn địnhkhông thay đổi nhiều so với thời điểm 0 giờ Sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổnđịnh với nhiên liệu D5 có phụ gia VPI-D, lượng phát thải được cải thiện Cụthể, sau 50 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn sovới thời điểm 0 giờ lần lượt là 3,9%, 14,7%, 3,6%, 1,2% và 4,3; sau 100 giờchạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0giờ 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 cómột vài công nghệ có thể ứng dụng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệuethanol sau:

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

+ Ethanol phun trực tiếp;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n+ Ethanol phun trên đường ống nạp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN h t t p : / / l r c t nu.edu v n

Sau đây sẽ giới thiệu các kết quả của một vài công trình điển hình về sử dụngethanol 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 trộnsẵn 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 củađộng cơ diesel nguyên bản đạt 10,71 [ml] tại tốc độ 1475 [vg/ph], công suấtlớn 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 côngsuất động cơ giảm không đáng kể khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòatrộn sẵn với tỷ lệ thay thế có thể đạt đến 20% so với động cơ diesel nguyênbản

Theo nghiên cứu của Eugene EE và các cộng sự [34] thì động cơ cầnmột 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 đếnquá trình

cháy

Theo nghiên cứu của Alan C Hansen và các cộng sự [35] thì ethanolkhan có thể hòa trộn với nhiên liệu diesel, tuy nhiên do ethanol có tính hútnước 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 lưutrữ Theo nghiên cứu của Murayama T và các cộng sự [36] cho biết, khả nănghòa 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