Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ sử dụng xăng ethanol butanol

MỞ ĐẦU 1 1.1.3 Giải pháp tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch 7 1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam 8 1.3 Tìn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

Đà Nẵng, ngày 01 tháng 09 năm 2018 Tác giả luận văn

MỞ ĐẦU 1

1.1.3 Giải pháp tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch 7

1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam 8

1.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu hỗn hợp xăng/ ethanol-butanol trên thế giới 16

1.3.1 Giới thiệu nghiên cứu nhiên liệu sinh học ba thành phần

1.3.2 Phân tích tính năng kỹ thuật của nhiên liệu 2 thành phần xăng/butanol và

1.3.3 Đánh giá và so sánh tính năng kỹ thuật của hỗn hợp nhiên liệu ba thành

2.2.4 Phân tích các thành phần chính của hỗn hợp xăng/ethanol-butanol trong thực

3.1.3 Lắp đặt động cơ Daewoo A16 DMN lên cụm băng thử APA204/8 46

3.3 Kết quả thực nghiệm đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Deawoo-A16DMN

Đặc tính công suất và momen động cơ sử dụng xăng E5, vị trí mở 30%, 50%, 70%,

3.4 Kết quả thực nghiệm đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Deawoo-A16DMN

Đặc tính công suất và momen động cơ sử dụng xăng E15, vị trí mở 30%, 50% ,

3.5 Kết quả thực nghiệm đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Deawoo-A16DMN

Đặc tính công suất và momen động cơ sử dụng xăng E20, vị trí mở 30%, 50%,

3.6 Kết quả thực nghiệm đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Deawoo-A16DMN

Đặc tính công suất và momen động cơ sử dụng xăng E25, vị trí mở 30%, 50%,

3.7 Kết quả thực nghiệm đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Deawoo A16DMN

Đặc tính công suất và momen động cơ sử dụng xăng E10Bu5, vị trí mở 30%, 50%,

3.8 Kết quả thực nghiệm đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Deawoo A16DMN

Đặc tính công suất và momen động cơ sử dụng xăng E15Bu5, vị trí mở 30%, 50%,

3.9 Kết quả thực nghiệm đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Deawoo A16DMN

4.1.2 Đánh giá sơ bộ tác động của xăng/ ethanol - butanol về mặt kinh tế và tính thương mại

57

4.2 So sánh đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Daewoo A16DMN sử dụng

4.2.1 So sánh đánh giá công suất và mô men động cơ Daewoo A16-DMN sử dụng

4.2.2 So sánh đánh giá suất tiêu hao năng lượng động cơ Daewoo A16-DMN sử

4.3 So sánh đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Daewoo A16DMN sử dụng

4.3.1 So sánh đánh giá công suất và mô men động cơ Daewoo A16DMN sử dụng

4.3.2 So sánh đánh giá lượng tiêu thụ và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ

4.4 So sánh đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Daewoo A16DMN sử dụng

4.4.1 So sánh đánh giá công suất và mô men động cơ Daewoo A16-DMN sử dụng

4.4.2 So sánh đánh giá lượng tiêu thụ và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ

THUẬT ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG/ETHANOL-BUTANOL

Học viên: HỒ VĂN LUẬN Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Mã số: 805116 Khóa: 32 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Nhiên liệu sinh học và phối trộn nhiên liệu sinh học đã và đang được nghiên cứu

và sử dụng rộng rãi do có ưu điểm thân thiện với môi trường, góp phần đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động cơ đốt trong, đảm bảo an ninh năng lượng và giảm áp lực lên nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt Động cơ sử dụng nhiện liệu hóa thạch khí phát thải gây ô nhiễm môi trường Hiện nay nhiên liệu sinh học đang được sử dụng rộng rãi do góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và có khả năng tái tạo được Nghiên cứu này được đề xuất nhằm nâng cao tỉ lệ phối trộn cồn vào xăng khoáng và đánh giá tính năng kinh tế - kỹ thuật Bài báo khái quát quá trình so sánh, đánh giá tính năng kinh tế -

kỹ thuật khi sử dụng hỗn hợp xăng E10Bu5-E20Bu5 so với xăng E15-E25 Qua các phân tích, so sánh và đánh giá tính năng kinh tế-kỹ thuật của 3 cặp nhiên liệu nói trên Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt được, phân tích và lựa chọn được tỉ lệ cồn phối trộn tối ưu và đưa ra hướng phát triển

EXPERIMENTAL RESEARCH AND EVALUATE FEATURES TECHNICAL OF ENGINES USING PETROL/ ETHANOL- BUTANOL

ECNOMIC-Biofuels and biofuel combinations have studied and using extensively because their environmental friendliness, contributing to the diversification of fuel sources for internal combustion engines, ensure energy security and reduce pressure on fossil fuels are slowly depleting Engines use fossil fuels exhaust fumes to pollute the environment Currently, biofuels are being used extensively to reduce environmental pollution and to

be renewable This research has proposed to increase the rate of alcohol blending in mineral petrol and to evaluate the technical - economic This article summarizes the process of evaluating economic and technical feasibility of using blend E10Bu5-E20Bu5

in comparison with petrol E15-E25 Through analysis, comparison and evaluation of economic - technical features of the three pairs of fuels The author summarizes the results obtained, analyzes and selects rate optimum alcohol content and in the directions

of developing

1 Các ký hiệu mẫu tự La tinh

Ký

Ký

giải

Ký hiệu Diễn

liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ)

FAO

Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức lương thực và nông nghiệp Liên hiệp quốc)

Ký hiệu Diễn

IPCC

Intergovernmental Panel on Climate Change (Tổ chức liên chính phủ về biến đổi khí hậu toàn cầu)

ZEOLITE

Khoáng chất tự nhiên (Một thành phần của nhóm hỗn hợp Alumino-Silicat đã được hyđrat hoá)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.4 Tình hình sản xuất cồn-nguyên liệu pha chế xăng sinh học ở

nước ta,

13

Bảng 2.2 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng của xăng không chì Ron 92 và

Bảng 2.4 Giới thiệu các tính năng phù hợp của Butanol, có so sánh

Ethanol và xăng

30

Bảng 2.5 Chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu xăng A92,

Hình 3.1 Các trang thiết bị chính của PTN động cơ được mô tả trong

bảng

39

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.4 Tốp các nước có sản lượng và năng suất sắn cao nhất thế

giới

13

Hình 2.2 Ảnh hưởng của thành phần hòa trộn Ethanol/RON92

Hình 4.5 Đặc tính suất tiêu hao năng lượng, tiêu hao nhiên liệu vị trí

Hình 4.11 Đặc tính công suất và mô men vị trí bướm ga 70% 76

Hình 4.13 Đặc tính suất tiêu hao năng lượng, tiêu hao nhiên liệu

Hình 4.21 Đặc tính suất tiêu hao năng lượng, tiêu hao nhiên liệu

Việc tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo để thay thế một phần xăng, dầu đang là vấn đề thời sự trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần và hiện tượng ấm lên của trái đất đã thực sự trở thành mối lo âu của toàn nhân loại Một trong những hướng đi có khả thi cao là sử dụng Ethanol và Butanol để pha vào xăng, vừa làm tăng tỉ lệ phối trộn cồn vào xăng và có khả năng giảm thiểu ô nhiễm môi trường nên xăng pha cồn làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ngày càng phổ biến trên toàn thế giới

So với những hạn chế của ethanol, butanol có nhiều ưu điểm như: Nhiệt ẩn (nhiệt hóa hơi) của butanol 474.3 kj/kg thấp hơn so với ethanol 903 kj/kg làm tăng khả năng khởi động động cơ lạnh, và nhiệt trị của butanol 33.3 Mj/kg cao hơn ethanol 26.8 Mj/kg cũng là lợi thế của butanol Butanol có khả năng pha trộn với xăng ở bất kỳ tỉ lệ nào mà không cần sự sửa đổi hệ thống nhiên liệu động cơ Butanol ít gây ra ăn mòn và tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn do nhiệt trị cao hơn ethanol Chính vì những ưu điểm và nhược điểm trên của ethanol và butanol nên cần phối trộn chung giữa hai nhiên liệu này với xăng để tận dụng ưu điểm và khắc phục nhược điểm của mỗi loại Đồng thời có khả năng nâng cao tỉ lệ phối trộn cồn ethanol trong xăng lên trên 25-30% thể tích động cơ vẫn hoạt động tốt Điều mà khó đạt được khi phối trộn riêng ethanol với xăng

Với những lý do nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ sử dụng xăng/ ethanol - butanol” là hết sức cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng xăng/Ethanol-Butanol làm nhiên liệu Cụ thể là đánh giá tính năng kinh tế-kỹ thuật

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Sử dụng xăng/Ethanol-Butanol nghiên cứu trên động cơ Daewoo A16DMN, động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ xăng 4 kỳ - 4 xilanh bố trí thẳng hàng

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu phối trộn ethanol 10-20% và butanol 5% với xăng sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm; Nghiên cứu lý thuyết

để xác định mục tiêu và điều kiện cho nghiên cứu thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu một loại nhiên liệu sinh học mới có nhiều ưu điểm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, có thể pha trộn với xăng theo tỷ lệ lớn giảm chi phí nhiên liệu xăng và giảm áp lực lên nguồn nhiên liệu hóa thạch đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia Xác định các thông số động lực học, đánh giá chính xác lượng tiêu hao nhiên liệu và suất tiêu hao năng lượng thực tế của động cơ ở mọi chế độ làm việc, nhờ các thiết bị hiện đại được trang bị đồng bộ cùng với băng thử APA204/E/0943 nên đề tài bước đầu có ý nghĩa khoa học và phản ánh tính thực tiễn rõ nét

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, luận văn được trình bày trong 04 chương với cấu trúc như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 4 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ XĂNG E15, E20, E25

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Chương 1 TỔNG QUAN

Trong chương này tác giả trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong lĩnh vực liên quan của đề tài, tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam và trên thế giới Trong đó đặc biệt chú ý đến khả năng nghiên cứu và sử dụng hỗn hợp Xăng/ Ethanol - Butanol sinh học để ứng dụng làm nhiên liệu cho động

cơ đánh lửa cưỡng bức Chúng ta sẽ tìm hiểu các nội dung chi tiết này trong phần trình bày dưới đây

1.1 Viễn cảnh về nguồn nhiên liệu hóa thạch

1.1.1 Tình hình an ninh năng lượng trên thế giới

Năng lượng nói chung và nhiên liệu dùng cho giao thông vận tải nói riêng có vai trò quan trọng đối với sự phát triến kinh tế - xã hội của một quốc gia An ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôn gắn liền với an ninh năng lượng Vì vậy, chính sách năng lượng luôn được đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến lược phát triển kinh tế

- xã hội bền vững

Các chuyên gia kinh tế năng lượng cho rằng nếu không phát hiện thêm trữ lượng mới, nguồn dầu mỏ khai thác cũng chỉ đủ dùng trong vòng 40÷50 năm nữa Nhu cầu xăng dầu tăng chưa thấy điểm dừng là nguyên nhân làm giá dầu luôn tăng, khó có khả năng giảm xuống dưới mức 50 USD/thùng Nhu cầu dầu thô ngày càng lớn trong khi đó trữ lượng ngày càng hạn chế cộng với những bất ổn chính trị tại một số nước nước sản xuất dầu mỏ đang là những tác nhân đẩy giá dầu lên cao Để đối phó với tình hình đó, cần phải có một thứ nhiên liệu khác thay thế loại nhiên liệu dầu khoáng đang trên đà cạn kiệt

Trong những thập kỷ vừa qua, nhất là sau năm 1970 - những năm khủng hoảng dầu mỏ, công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo đã đạt nhiều tiến bộ đáng kể Đi đầu trong xu hướng này là các nước phát triển trong Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD), đặc biệt là các nước phát triển thuộc Liên minh châu Âu (EU) Hiện tại, các nguồn năng lượng này chưa làm thay đổi cơ bản cơ cấu cân bằng năng lượng của thế giới, nhưng trong tương lai cơ cấu này chắc chắn sẽ thay đổi khi vấn đề công nghệ và giá thành năng lượng tái tạo được giải quyết Tổng sản lượng điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo tăng với tỷ lệ 2,9% mỗi năm, và tỷ trọng năng lượng tái tạo

chiếm trong tổng sản lượng điện thế giới được dự báo tăng từ 19% năm 2006 lên 21% năm 2030 Theo giới phân tích, nhu cầu thế giới về năng lượng mặt trời, gió và các dạng năng lượng tái sinh khác sẽ tăng mạnh vào giữa thế kỷ này, do lo ngại ngày một tăng về tình trạng Trái đất nóng lên Năng lượng tái tạo được dự đoán sẽ có bước nhảy vọt và đến tầm

2050 sẽ bắt đầu thách thức sự thống trị hiện nay của các loại nhiên liệu hoá thạch

Sự thiếu hụt rõ ràng về cầu tương ứng với giá dầu cao ở các nước đang phát triển (đặc biệt, Trung Quốc và Ấn Độ) đã dẫn tới các dự đoán về giá dầu tiếp tục tăng cao Cầu tăng cao và nguồn cung đình trệ đã khiến một số nhà phân tích cho rằng giá dầu 200$/thùng sẽ diễn ra trong thời gian ngắn

Theo dự đoán IEO2009, sản lượng nhiên liệu lỏng thế giới của năm 2030 vượt mức của năm 2006 tới 22 triệu thùng/ngày Mức tăng sản lượng được dự đoán là diễn

ra ở cả các nhà sản xuất thuộc OPEC và không thuộc OPEC, tuy nhiên, 59% tổng lượng tăng được cho là sẽ nằm ở các vùng không thuộc OPEC, với 44% là của riêng sản lượng nhiên liệu lỏng không chiết xuất từ dầu mỏ của khu vực phi OPEC Vào năm 2030, sản lượng OPEC đạt 44 triệu thùng/ngày và sản lượng của khu vực không thuộc OPEC đạt 63 triệu thùng/ngày trong tổng quan nghiên cứu

Nguồn nhiên

Tỷ lệ tăng trung bình hàng năm, 2006-2030 (%) OPEC

và chiết xuất, sự chú trọng vào hiệu quả thu hồi dầu, sự nổi bật và mức tăng trưởng liên tiếp của sản lượng nguồn nhiên liệu không chiết xuất từ dầu mỏ là những nhân tố chính dẫn tới mức tăng trưởng của sản lượng nhiên liệu lỏng không thuộc OPEC trong tổng quan nghiên cứu

Bảng 1.3: Trữ lượng dầu của các nước trên thế giới tính đến 1/2009

1.1.2 Trữ lượng và nguồn dầu mỏ tại Việt Nam

Trữ lượng dầu của Việt Nam tính đến 31/12/2004 cho 24 mỏ có khả năng thương mại vào khoảng 402 triệu tấn Trữ lượng dầu được tăng hàng năm rất nhanh kể

từ năm 1988 sau khi phát hiện dầu trong móng nứt nẻ trước Đệ Tam ở mỏ Bạch Hổ Năm 1988, trữ lượng ước tính vào khoảng 113 triệu tấn (860 BSTB) dầu có khả năng thu hồi Sau thời gian trên 10 năm đã được bổ sung vào nguồn trữ lượng khoảng 289 triệu tấn nâng tổng số trữ lượng dầu đến 31/12/2004 đạt 402 triệu tấn

Theo quy mô mỏ, có 07 mỏ có trữ lượng trên 13 triệu tấn (>100MMSTB) chiếm 80% trữ lượng dầu thuộc mỏ dầu quy mô lớn – khổng lồ, trong đó mỏ dầu Bạch

Hổ có trữ lượng trên 190 triệu tấn (~ 56%) ở bể Cửu Long là mỏ lớn nhất ở thềm lục địa Việt Nam Theo phân loại của Hội nghị năng lượng thế giới (WEC), chất lượng dầu của các mỏ đang khai thác ở thềm lục địa Việt Nam chủ yếu thuộc loại nhẹ có tỉ trọng từ 380 đến 40,20 API, là loại dầu ngọt có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp (0,03 ÷

0,09% TL), sạch (hàm lượng các chất nhiễm như V, Ni, N thấp), có nhiều parafin (hàm lượng parafin rắn 15 ÷ 28%), có điểm chảy rất cao (22 ÷ 360)

Hình 1.1: Giàn khoan trên biển Đông

Sự thành công trong việc gia tăng trữ lượng là do Nhà nước đã có chính sách thu hút đầu tư nước ngoài nhằm mở rộng hoạt động thăm dò ra các vùng mới có tiềm năng và sự thành công trong thăm dò, thẩm lượng gia tăng trữ lượng trong thời gian qua từ các mỏ đã phát hiện chiếm khoảng 45% trữ lượng được bổ sung Đồng thời giải pháp tăng hệ số thu hồi dầu (bơm ép nước duy trì áp suất vỉa cũng đã được nghiên cứu

áp dụng lần đầu ở mỏ Bạch Hổ và sau đó được triển khai ở các mỏ khác như: Đại Hùng, Rồng, Rạng Đông, và Sư Tử Đen đã góp phần đáng kể tăng nguồn trữ lượng bổ sung

1.1.3 Giải pháp tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu hóa

thạch

Thế giới ngày nay đã bị lệ thuộc quá nhiều vào dầu mỏ, các nước sử dụng nhiều biện pháp khác nhau, trong đó rất nhiều nước có ngành nông nghiệp phát triển sử dụng nhiên liệu sinh học (NLSH) từ nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo được thay thế một phần cho xăng dầu trong giao thông vận tải Đây được xem là một trong những biện pháp mang tính chiến lược vì vừa giảm thiểu tác động tiêu cực của giá xăng dầu cao vừa góp phần đẩy mạnh sản xuất nông nghiệp, xóa đói giảm nghèo cho nông dân,

có thể sản xuất với khối lượng lớn và công nghệ sản xuất đơn giản hơn so với các dạng năng lượng khác Hơn nữa, nguồn nguyên liệu để sản xuất NLSH khá phong phú, có

thể cung cấp với số lượng lớn để thay thế khi giá xăng dầu khoáng ngày một cao Phát triển NLSH sẽ góp phần cân đối nhiên liệu, giảm lượng xăng dầu nhập, cải thiện cán cân thương mại, nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp theo hướng phát triển bền vững do việc thúc đẩy tăng năng suất các loại nguyên liệu mới thân thiện với môi trường

Đứng trước nạn khan hiếm xăng dầu mỗi ngày một tăng, giá cả leo thang, nhiều quốc gia nhập khẩu xăng dầu từ hơn 20 năm nay đã nghiên cứu, tìm kiếm những giải pháp mới như: sử dụng thêm những nhiên liệu hợp chất hữu cơ oxygenate có thể điều chế từ nguồn thực vật dồi dào trong nước, thay thế một phần lượng xăng dầu nhập khẩu Đây là hướng đi đã được nhiều nước thực hiện và đã thu được nhiều kết quả khả quan [4]

1.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới

Đi theo hướng này, trên thế giới đã ghi nhận được nhiều thành công và số nước ứng dụng ngày một tăng, trong đó có Mỹ, Bzazil, Thái Lan, Đức, Pháp, Nauy, Thụy Điển, Canada, Ấn Độ, Trung Quốc, Úc, Rumani

- Brazil là nước dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực này Brazil là quốc gia sản xuất và

sừ dụng cồn nhiên liệu lớn nhất thế giới hàng năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD chi cho việc nhập khẩu dầu Từ năm 1975, Chính phủ Brazil đã thực thi chương trình mang tên Pro-alcohol mà sau này trở thành mẫu hình được nhiều quốc gia học tập để phát triển nhiên liệu sinh học Chúng ta có thể học tập những kinh nghiệm của Brazil trong việc nghiên cứu các giống mía năng suất cao, công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu

và công nghệ cơ khí ô tô

- Tiếp theo là Mỹ, quốc gia tiêu thụ hàng năm 25% năng lượng trên thế giới (trong khi chỉ có 6% trữ lượng dầu mỏ), hơn 60% dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài Năm l998, Tổng thống Mỹ B.Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩm sinh học thay thế

liệu sinh học, Mỹ đã ban hành nhiều đạo luật về môi trường như cấm sử dụng phụ gia hoá học tăng trị số octan gây độc hại, bắt buộc sử dụng nhiên liệu chứa oxy ở các vùng đông dân cư, miễn thuế cho nhiên liệu pha cồn Gần ta nhất là Thái Lan cũng đã sử dụng xăng pha cồn sản xuất từ phế phẩm của sắn, hạt ngô, cây ngô, đường, bã mía

Năm 2004, nước này đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tư thêm 20 nhà máy để năm

2015 có trên 2,5 triệu m3 cồn dùng làm nhiên liệu

- Trung Quốc là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn thứ 3 sau Brazil và

Mỹ Năm 2004, họ đã đưa vào hoạt động nhà máy sản xuất cồn lớn nhất thế giới công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm (mỗi năm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô làm nguyên liệu), tăng sản lượng cồn Ethanol cả nước trên 3,5 triệu m3 Từ tháng 6 năm 2002, nước này đã quyết định sử dụng xăng pha 10% cồn khan (E10) ở 05 thành phố và đến cuối năm 2006 sẽ tăng thêm 27 thành phố đông dân khác

- Ấn Độ đã sử dụng xăng pha 5% cồn ở 09 bang và 04 tiểu vùng từ ngày 1/1/2003, các bang còn lại sử dụng ở giai đoạn 2, giai đoạn 3 sẽ tăng 10% cồn pha trong xăng

- Các nước EU năm 2010 sẽ sừ dụng 5,75% nhiên liệu sinh học trong tổng số xăng dầu cho giao thông vận tải, nấm 2020 sẽ tăng lên 20% Năm 2003, toàn thế giới đã sản

trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu ở trên 43 quốc gia Dự báo đến năm 2012 (thời hạn kết thúc Nghi định thư Kyoto) sản lượng Ethanol toàn cầu sẽ tăng lên 79,3

cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới

Trên đây là bức tranh năng lượng toàn cầu được phát họa từ tình hình sản xuất

và tiêu thụ nhiên liệu sinh học của các nước trên thế giới và trong khu vực Ý tưởng của việc thêm thành phần thấp ethanol hoặc methanol vào xăng không phải là mới, ít nhất là từ năm 1970, khi nguồn cung xăng dầu giảm và tìm kiếm nhà cung cấp năng lượng thay thế bắt đầu Ban đầu, methanol được xem là phù hợp nhất sẽ được thêm vào xăng, nó có thể được sản xuất từ khí thiên nhiên với chi phí không lớn và là khá dễ dàng để pha trộn với xăng, rượu này được xem như là một phụ gia hấp dẫn Tuy nhiên, khi sử dụng methanol trong thực tế methanol là nguy hại đối với một số vật liệu, chẳng hạn như nhựa tổng hợp và thậm chí cả kim loại trong hệ thống nhiên liệu Một bài học kinh nghiệm là thay đổi vật liệu chịu mòn bởi các tác nhân từ cồn đã được sử dụng trong hệ thống nhiên liệu của xe cũng như trong hệ thống phân phối khí Những kinh nghiệm này cũng có giá trị lớn khi ethanol được sử dụng như một nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu thương mại Sự quan tâm trong sản xuất nhiên liệu thay thế dựa trên sinh khối cũng là một yếu tố quan trọng trong sự lựa chọn đầu tiên giữa methanol và ethanol, [3]

Năm

Hình 1.2 Triển vọng sản lượng ethanol toàn thế giới Nguồn:[3]

Thế giới ngày nay nhiều nước đã phát triển sử dụng nhiên liệu sinh học từ

nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo được, thay thế một phần xăng dầu cho

ngành giao thông vận tải và được xem là một trong những biện pháp mang tính

chiến lược Nhiều quốc gia từ hơn 20 năm qua đã nghiên cứu, tìm kiếm những giải

pháp mới như: sử dụng thêm những nhiên liệu hợp chất hữu cơ oxygenate có thể

điều chế từ nguồn thực vật dồi dào trong nước, thay thế một phần lượng xăng dầu

nhập khẩu Theo hướng đi này, thế giới đã ghi nhận được nhiều thành công và số

nước ứng dụng ngày một tăng, trong đó có Mỹ, Bzazil, Thái Lan, Đức, Pháp, Nauy,

Thụy Điển, Canada, Ấn Độ, Trung Quốc,

Brazil là nước dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực này, sản xuất và sử dụng cồn

nhiên liệu lớn nhất thế giới với 14.7 triệu mét khối Ngành công nghiệp mía - đường

- cồn của Brazil hàng năm có doanh thu khoảng 8,3 tỷ USD, giải quyết việc làm cho

trên một triệu lao động Dù với diện tích rộng rộng lớn, kinh nghiệm tích lũy nhiều

năm, song Brazil vẫn sản xuất không đủ ethanol cho nhu cầu trong nước

Nguồn: [3]

Hình 1.3 Sản xuất và tiêu thụ Ethanol ở Braxin Nguồn:[3]

Tiếp theo là Mỹ, quốc gia tiêu thụ hàng năm 25% năng lượng trên thế giới (trong khi chỉ có 6% trữ lượng dầu mỏ), hơn 60% dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài Lượng ethanol sản xuất ra hiện còn quá khiêm tốn, mục tiêu của Chính phủ Mỹ sau năm 2017 mỗi năm Mỹ sản xuất 132 tỷ lít nhiên liệu sinh học để đáp ứng 20% lượng xăng dầu tiêu thụ Năm 2005 nước Mỹ sản xuất được 3,9 tỉ gallons ethanol từ bắp, song chỉ tương ứng với khoảng 3% số lượng xăng tiêu thụ trong năm đó

Việc sử dụng E85 một hỗn hợp của 85% Ethanol và 15% xăng cho các xe chạy nhiên liệu hỗn hợp FFV (Flex Fuel Vehicle) đã trở nên phổ biến Phối trộn với

tỷ lệ khác của ethanol trong xăng thường được sử dụng ở các nước khác nhau trên toàn thế giới, đặc biệt là Úc (chính thức 10%), Brazil (25%), Canada (10%), Thụy Điển (5%) và Mỹ (lên đến 10%)

Khu vực Đông nam Á, Thái Lan cũng đã sử dụng xăng pha cồn, từ năm 2004 nước này đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn và mục tiêu đến năm 2015 có trên 2,5 triệu m3 cồn dùng làm nhiên liệu Trung Quốc là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn thứ 3 sau Brazil và Mỹ Năm 2004, họ đã đưa vào hoạt động nhà máy sản xuất cồn lớn nhất thế giới công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm tăng sản lượng cồn ethanol cả nước trên 3,5 triệu m3 Từ tháng 6 năm 2002, nước này đã quyết định sử dụng xăng pha 10% cồn khan (E10)

Hình 1.4 Tốp các nước có sản lượng và năng suất sắn cao nhất thế giới

Nguồn: [3]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

Ở Việt Nam, hiện tượng thiếu điện và bất ổn giá xăng dầu vừa qua đã cảnh báo

sự xuất hiện của nguy cơ mất an ninh năng lượng Thiếu năng lượng ảnh hưởng đến tăng trưởng kinh tế - xã hội và nước ta sẽ rất khó trở thành nước công nghiệp vào năm

2020 Để đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia trước những biến động trên thị trường dầu mỏ, giảm dần sự phụ thuộc vào bên ngoài đồng thời góp phần bảo vệ môi trường; nước ta đang triển khai các chương trình Quốc gia tìm kiếm các dạng năng lượng mới, sạch và tái tạo được như năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, nhiên liệu sinh học…Các dạng năng lượng mới này cũng góp phần quan trọng trong việc tìm ra giải pháp hiệu quả nhằm ứng phó với xu hướng biến đổi khí hậu đang gây

ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự phát triển bền vững của đất nước

Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã phối hợp với một số trường đại học lớn như Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu sinh học, trong đó đã chứng minh việc sử dụng xăng pha Ethanol thay thế xăng thông thường tốt hơn cho động cơ xăng

Đi tiên phong trong việc xây dựng và phân phối nhiên liệu sinh học là Tổng Công ty Dầu Việt Nam (PV OIL) PV OIL đã tiến hành đầu tư hai nhà máy Ethanol với tổng công suất 200 triệu lít/năm, trong đó dự án đầu tư xây dựng Nhà máy Ethanol

Bình Phước được thực hiện với sự hợp tác đầu tư cùng Tập đoàn ITOCHU Nhật Bản tại tỉnh Bình Phước [4] Xăng sinh học hàm lượng cao là một hướng nghiên cứu cần được ưu tiên ở nước ta Tuy nhiên cần tránh việc xây dựng một lúc nhiều nhà máy sản xuất cồn sinh học từ sắn Việc trồng sắn theo kiểu quảng canh (không bón phân, không tưới nước) là con đường ngắn nhất khiến cho đất đai nhanh chóng bạc màu và sau này rất khó khăn để khắc phục, [4]

Bảng 1.3: Sản lượng cồn của các vùng kinh tế năm 2000, [4]

Vai trò của nhiên liệu sinh học trong phát triển bền vững, trong đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 do Thủ tướng phê duyệt nhằm phát triển nhiên liệu sinh học đã nêu rõ: nhiên liệu sinh học là một dạng năng lượng mới, tái tạo cần được phát triển để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, cũng như góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường, phù hợp với xu thế phát triển chung trên thế giới

Thế giới đã ghi nhận nhiều công trình khoa học nghiên cứu ứng dụng các giải pháp sử dụng gasohol hiệu quả trên động cơ Với hạng mức hòa trộn 5÷25%,

đã có hơn 40 đề tài của các tổ chức, cá nhân được xuất bản và ứng dụng vào thực tiễn Sản phẩm của đề tài khá đa dạng từ báo cáo chuyên ngành, xuất bản sách đến các ứng dụng vào sản xuất góp phần vào đẩy mạnh tiêu thụ nhiên liệu sinh học với tỉ lệ hòa trộn cao, [3] Hòa chung với xu hướng thế giới các nhà khoa học Việt Nam đã và đang quan tâm nghiên cứu nhiên liệu sinh học hơn một thập kỷ qua, đã có khá nhiều kết quả nghiên cứu, ứng dụng khả quan được công bố

Điển hình từ năm 2003, Trung tâm nghiên cứu và phát triển chế biến dầu khí (thuộc Viện dầu khí Việt Nam) đã thực hiện đề tài "Nghiên cứu dùng cồn etylic sản xuất trong nước pha chế xăng thương phẩm có trị số octane cao" (giai đoạn I) Kết quả đánh giá các thông số hoạt động của động cơ và thành phần khí xả khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn là tương đương với xăng thị trường có cùng trị số octane

Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, Bách khoa Đà Nẵng đã pha chế, thử nghiệm trên động cơ chứng minh ethanol có thể thay thế xăng thương mại dầu khoáng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong với hàm lượng thấp, [3]

Viện Khoa học vật liệu ứng dụng thành phố Hồ Chí Minh đã có đề tài nghiên cứu về xăng pha cồn vào năm 2005.Viện Công nghiệp thực phẩm đã được giao chủ trì

đề tài cấp nhà nước nghiên cứu sản xuất Ethanol nhiên liệu từ phế thải nông nghiệp bằng công nghệ enzyme và vi sinh vật Tất cả các nghiên cứu trên về mặt kỹ thuật không có rào cản lớn, nhưng để sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở quy mô đại trà thì cần phải có chủ trương, chính sách và biện pháp mạnh mẽ của Chính phủ [3]

Thấy rõ tầm quan trọng của việc sử dụng loại nhiên liệu sạch từ nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo thay thế nguồn nhiên liệu gốc khoáng và phù hợp với xu hướng phát triển toàn cầu về nhiên liệu sinh học, tác giả đã phát triển theo hướng này, vấn đề đặt ra là: "Nghiên cứu khả năng ứng dụng hỗn hợp Xăng/ Ethanol - Butanol làm nhiên liệu trên động cơ ô tô” nhắm tới mục tiêu chính sau:

- Đánh giá tính chất lý hóa của xăng pha Ethanol & Butanol so với các tiêu chuẩn của xăng thương phẩm

- Đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ khi xăng pha Ethanol & Butanol và

so sánh với xăng thương phẩm, chạy trên băng thử băng thử động cơ tại Phòng Thí nghiệm AVL

1.2.3 Khả năng sản xuất Ethanol

Nhu cầu "xăng pha ethanol" trên thế giới không ngừng tăng lên, nước ta cũng không đứng ngoài xu hướng đó Nhiều dự án và nhà máy sản xuất ethanol đã đi vào xây dựng và sản xuất ethanol cung cấp cho thị trường Nguồn cung cấp cồn hiện nay

và trong tương lai chủ yếu phụ thuộc vào sản lượng cồn của các công ty hiện có sau khi nâng cấp, mở rộng đầu tư thêm các nhà máy có công nghệ hiện đại, quy mô lớn sẽ góp phần làm giảm giá cồn nhiên liệu, tăng sức cạnh tranh của sản phẩm xăng sinh học Nếu thiếu chúng ta co thể nhập khẩu của nước ngoài, như Trung Quốc, Ấn Độ,…

Bảng 1.4: Tình hình sản xuất cồn-nguyên liệu pha chế xăng sinh học ở nước ta, [4]

nghệ

Nguyên liệu

Ethanol

Bình

101,4 triệu đô

la Mỹ

Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), Cty Toyo Thai New Energy LTE LTD

(TTNE) và Cty Cổ phần Licogi 16

Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), Tổng Công ty CP DVTH Dầu Khí (Petrosetco)

và Công ty TNHH Lọc-Hóa dầu Bình Sơn

Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), Công

ty TNHH Motor N.A Việt Nam, Ngân hàng TMCP Đông Nam Á

Sắn

1.2.4 Khả năng sản xuất Butanol

Quy trình hóa dầu oxo mang tính khả thi cao nhất để sản xuất butanol rẻ tiền hơn từ

các nguồn sinh khối khác nhau Lên men tạo butanol khác với lên men tạo ethanol chủ yếu là tác nhân Quá trình lên men tạo butanol dùng vi khuẩn, còn quá trình lên men tạo ethanol chủ yếu là nấm men Lên men butanol tốn ít năng lượng hơn nhưng sơ đồ phân tích sản phẩm phức tạp hơn Hiện trên thế giới có rất nhiều cơ sở hạ tầng và nhiều nhà máy sản xuất ethanol đi từ đường mía và cỏ… Cải tiến khu vực chưng cất của nhà máy (chủ yếu liên quan đến cụm nạp liệu, lên men, phân tích ban đầu, xử lý sản phẩm phụ, và ngoài nhà máy) để có thể sản xuất butanol Do vậy, các nhà máy sản xuất ethanol có thể nhanh chóng chuyển đổi và đáp ứng yêu cầu sản xuất butanol trước khi gặp có nhu cầu phối trộn nhiên liệu butanol

1.3 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu hỗn hợp xăng/ ethanol-butanol trên thế giới

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm về nhiên liệu hỗn hợp xăng/ethanol-butanol với các tỉ lệ phối trộn khác nhau Trong đó có công trình nghiên cứu thực nghiệm được chạy thực nghiệm trên động cơ đánh lửa cưỡng bức kiểu hai van, xilanh đơn, thể tích 147cc, tỉ số nén 7:1, bốn thì và được làm mát bằng không khí

1.3.1 Giới thiệu nghiên cứu nhiên liệu sinh học ba thành phần

(xăng/ethanol-butanol) tỉ lệ phối trộn iBE10,iBE7, iBE3

Thí nghiệm được bằng hỗn hợp phối trộn ba thành phần xăng/ethanol-butanol ở trạng thái ổn định và điều kiện hoạt động đầy tải Hỗn hợp ba thành phần phối trộn theo ba tỉ lệ khác nhau về thể tích: iBE10 (5% butanol, 5% ethanol và 90% xăng), iBE7 (3,5% butanol, etanol 3,5% và xăng 93%), và iBE3 (1,5% butanol, 1,5% etanol

và 97% xăng) Độ tinh khiết của cả ethanol và butanol khoảng 99,96% và 99,91% Các tính chất nhiên liệu của ethanol, butanol và xăng được liệt kê trong Bảng 1.5

Bảng 1.5: Đặc tính của Xăng – Ethanol - Butanol

Tính chất Xăng Butanol Ethanol

Tỉ lệ không khí nhiên liệu A/F

(stoichiometric A/F ratio)

nhiên liệu ba thành phần xăng/ethanol-butanol

Từ các kết quả đã nghiên cứu, hỗn hợp nhiên liệu ba thành phần được nghiên cứu với ba tỉ lệ khác nhau (3÷7 và 10% butanol và ethanol) so sánh với hỗn hợp nhiên liệu hai thành phần (butanol-xăng) tỉ lệ (3÷10%) và xăng so sánh hiệu suất và phát thải chất gây ô nhiễm của động cơ

Từ kết quả nghiên cứu cho thấy thêm ethanol/ butanol vào xăng dẫn đến sụt giảm hệ số nạp so với xăng Tuy nhiên, khi tăng tỉ lệ ethanol/butanol thì hệ số nạp tăng lên Trong khi nhiên liệu iBE10 đã được chứng minh cho thấy hệ số nạp cao hơn trong

cả ba tỉ lệ phối trộn nhiên liệu lên tới 1,4% và 0,7% so với iBE3 và iBE7 Hệ số nạp của iBE3, iBE7 và iBE10 được đo trung bình thấp hơn so với xăng là 3,4%, 2,7% và 2% Áp suất bão hòa của butanol/ethanol rất thấp (2,3 và 13,8 kPa) so với xăng (31 kPa) dẫn đến sự bay hơi nhiên liệu cao và do đó hiệu suất thấp hơn của nhiên liệu được phối trộn Mặt khác, nhiệt độ bay hơi của cồn butanol 474,3 kJ/kg, ethanol 904 kJ/kg và 223,2 kJ/kg, như thể hiện trong Bảng 1.5 dẫn đến bay hơi ít và do đó hiệu suất của nhiên liệu phối trộn cao Như đã trình bày, khi tăng tỉ lệ ethanol/ butanol trong hỗn hợp nhiên liệu lên, nhiệt ẩn hóa hơi vượt trội hơn và, do đó, hệ số nạp tăng nhưng ở tỉ lệ thấp, áp suất bão hòa vượt trội hơn Xem kết hợp hình 1.5 phụ lục 1

Từ kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ khí thải của hỗn hợp thấp hơn so với xăng Điều này có thể do butanol/ ethanol có tác dụng làm mát sự bay hơi tốt hơn

xăng Do ảnh hưởng làm mát này đã làm tăng nhiệt độ hóa hơi của hỗn hợp

Mặt khác, nhiệt độ khí thải tăng lên khi tỉ lệ phối trộn hỗn hợp nhiên liệu tăng lên, điều này nói đến nhiệt độ khí thải cũng bị ảnh hưởng bởi hệ số nạp; sự gia tăng hệ số nạp của hỗn hợp nhiên liệu lên dẫn đến cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu, và tiếp theo

đó nhiệt độ khí thải của iBE10 vượt quá cả hai hỗn hợp nhiên liệu iBE3 và iBE7 Xem kết hợp hình 1.6 phụ lục 1

Do nhiệt độ của nhiên liệu hỗn hợp trong xilanh giảm nên giảm áp suất trong xi lanh và ngược lại Mặt khác, iBE10 tăng áp suất trong xi lanh là do tốc độ đốt cháy nhanh hơn so với iBE3 hoặc iBE7 Ngoài ra, tỉ lệ nhiên liệu không khí cao hơn (AF-air fuel), so với iBE7 và iBE3 Một lý do khác khi tăng tỉ lệ nhiên liệu không khí AF thì

áp suất trong xi lanh tăng, sự tăng áp suất khí trong xi lanh của iEB10 Ngoài ra, có liên quan đến hàm lượng oxy hoá cao hơn các hỗn hợp khác (iBE7 và iBE3) Xem kết hợp hình 1.7 phụ lục 1

Công suất có ích của động cơ, có liên quan nhiều đến áp suất không khí trong xi lanh và ảnh hưởng bởi nhiệt trị của butanol 33.3MJ/kg, ethanol 26.8MJ/kg và xăng 43.5MJ/kg Công suất có ích của iBE3, iBE7 và iBE10 thấp hơn so với xăng là 6,4%, 5,5% và 3,8% Bên cạnh đó, mômen động cơ tăng lên khi tỉ lệ phối trộn hỗn hợp nhiên liệu tăng lên Mômen động cơ của iBE3, iBE7 và iBE10 giảm nhẹ so với xăng là 3,5%, 2,8% và 1,7% Do năng lượng của hỗn hợp nhiên liệu thấp nên nhiệt lượng tỏa

ra khi đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu thấp hơn so với cùng một lượng xăng tương tự, dẫn đến giảm mômen Nhiệt ẩn hóa hơi cao hơn của hỗn hợp nhiên liệu là một lý do khác

để giảm momen Nhưng mômen của iBE10 cao hơn iBE7 và iBE3 là do hệ số nạp cao hơn và sự đốt cháy nhanh hơn Xem kết hợp hình 1.8 & 1.9 phụ lục 1

Tóm lại, hiệu suất của động cơ chạy bằng hỗn hợp ethanol/ xăng- butanol/ xăng, nói chung thấp hơn so với xăng Khi nhiên liệu hỗn hợp được sử dụng cho động

cơ xăng, thời điểm đánh lửa của động cơ tương ứng với xăng nhưng hiệu suất động cơ của hỗn hợp nhiên liệu thấp hơn Hơn nữa, ethanol/ butanol có tỉ lệ không khí/ nhiên liệu A/F thấp (11,1, 9,02 và 14,6 đối với ethanol, butanol và xăng) Chỉ số octane của cồn cao làm cho nó hoạt động trong chế độ nghèo hỗn hợp mà động cơ vẫn cung cấp năng lượng hiệu quả và kinh tế hơn Mặt khác, bằng cách tăng tỉ lệ phối trộn (> 10% thể tích), có thể hiệu suất của động cơ sẽ cao hơn xăng mà không cần sự chỉnh sửa/ điều chỉnh động cơ

Từ kết quả cho thấy có giảm khí thải UHC và CO khi thêm ethanol/ butanol Đặc biệt, phát thải UHC của iBE3, iBE7 và iBE10 đo được với mức thấp hơn so với

20% và 26% đối với iBE3, iBE7 và iBE10 Việc giảm phát thải CO và (UHC - unburnt hydrocarbons), so với xăng là do có mặt oxy trong các phân tử sinh học góp phần làm

lượng đối với butanol và ethanol so với 0% khối lượng đối với xăng, như thể hiện trong Bảng 1.5 Khi thêm ethanol/ butanol, CO2 tăng cải thiện được đốt nhiên liệu Điều quan trọng đáng chú ý việc thêm ethanol/ butanol vào xăng cải thiện quá trình

iBE7 và iBE10 được đo trung bình thấp hơn so với xăng là 37%, 35% và 32% Từ kết quả nghiên cứu có thể lưu ý khi tăng tốc độ động cơ, phát thải CO và UHC phát sinh

từ quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu, nó tăng đến một mức nhất định và sau đó giảm Tuy nhiên, phát thải CO và UHC giảm ở tốc độ cao (> 3000r/phút) do giảm diện tích bề mặt của ngọn lửa, bởi vì giảm đột ngột tỉ lệ đốt cháy do đó phát thải ít hơn Xem kết hợp hình 1.10; 1.11; 1.12 phụ lục 1

1.3.3 Đánh giá và so sánh tính năng kỹ thuật của hỗn hợp nhiên liệu ba thành

phần và hỗn hợp nhiên liệu hai thành phần phối trộn cùng tỉ lệ so với xăng Hỗn hợp nhiên liệu ba thành phần ethanol-butanol-xăng được so sánh với hỗn hợp butanol-xăng ở cùng tỉ lệ và những điều kiện động cơ để chứng minh tiềm năng tốt nhất của nhiên liệu hỗn hợp để có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch Kết quả cho thấy có những lợi ích về phát thải khí thải với việc thêm ethanol vào hỗn hợp butanol-xăng, như phối trộn hỗn hợp ba thành phần Xem két hợp hình 1.13 phụ lục 1

Điều quan trọng cần chú ý là việc thêm ethanol vào hỗn hợp butanol-xăng kết quả công suất có ích cao hơn so với hỗn hợp butanol-xăng mặc dù ethanol có nhiệt nhiệt trị thấp hơn butanol (nhiệt trị của butanol 33,3 MJ/kg và ethanol 26,8 MJ/kg), xem bảng 1.5 Xem kết hợp hình 1.14 phụ lục 1

Việc thêm ethanol vào hỗn hợp xăng-butanol giúp cải thiện hiệu suất của động

cơ và lượng khí thải ô nhiễm so với hỗn hợp butanol-xăng Nó cho thấy butanol có nhiệt ẩn 474,3 kJ/kg thấp hơn so với ethanol 904 kJ/kg do đó không tăng hệ số nạp của hỗn hợp ba thành phần so với hỗn hợp kép Ngoài ra, áp suất bão hòa của ethanol 13,8 kPa cao hơn so với butanol 2,3 kPa làm tăng hệ số nạp của hỗn hợp ba thành phần Hơn nữa, hàm lượng oxy của ethanol 34,8% cao hơn so với butanol 21,6% khối lượng

đã dẫn tới việc đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp ba thành phần Kết quả là, hệ số nạp, công

suất, mô men và nhiệt độ khí thải vượt quá hỗn hợp hai thành phần Khi nhìn vào cấu trúc phân tử của ethanol và butanol, như thể hiện trong hình 1.15, nó biểu thị rằng butanol có cấu trúc 4 carbon và một cồn phức tạp hơn ethanol chỉ có cấu trúc 1 và 2-carbon Bên cạnh đó, nguyên tử oxy trong ethanol có thể tạo ra ba liên kết hydro, làm tăng tốc độ ngọn lửa bằng cách thêm ethanol vào hỗn hợp butanol-xăng Do đó, việc đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu hầu như hoàn thiện hơn khi sử dụng ethanol sinh học Tuy nhiên, bằng cách thêm ethanol, quá trình đốt cháy hoàn chỉnh hơn diễn ra ở các kết quả trên như một bằng chứng Nó cung cấp hai lợi thế chính so với hỗn hợp kép, ví

dụ, ethanol-xăng hoặc butanol-xăng; nó cung cấp hiệu suất cao và phát thải chất thải nhỏ hơn các hỗn hợp butanol-xăng Bên cạnh đó, những hạn chế của ethanol sẽ được hạn chế và thay thế bởi hỗn hợp ethanol-xăng bằng hỗn hợp ba thành phần, như sử dụng tỉ lệ ethanol thấp

Hình 1.5 Cấu trúc phân tử (a) của ethanol và (b) của butanol [5]

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tính chất lý hóa xăng sinh học

2.1.1 Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học là: loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương ), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân, )

 Xăng sinh học (biogasoline): là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì

 Diesel sinh học (Biodiesel): là nhiên liệu được điều chế bằng cách dẫn xuất

từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật)

 Khí sinh học (Biogas): là khí hữu cơ, Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose (chất sơ), tạo thành sản phẩm ở dạng khí Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ

Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xen-lu-lô, lignocellulose Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống Ethanol đã được các nước công nghiệp phát triển sử dụng như một loại nhiên liệu độc lập hoặc pha vào xăng để làm tăng chỉ số octane và giảm lượng khí thải CO2 Do nhu cầu sử dụng cồn làm nhiên liệu tại Việt Nam chưa phổ biến nên cồn sản xuất chủ yếu để xuất khẩu và sử dụng vào các mục đích khác nhau tùy thuộc vào độ cồn như: cồn thực phẩm, cồn y tế, cồn công nghiệp, cồn tuyệt đối (nồng độ 99,5% thể tích): dùng trong nghiên cứu pha chế thử nghiệm Cồn nhiên liệu: Ethanol nhiên liệu biến tính dùng trực tiếp cho động cơ hoặc pha trộn với xăng truyền thống Cồn để pha vào xăng ngày nay đã được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ASTM hoặc tiêu chuẩn quốc gia các nước và về cơ bản vẫn phải tuân theo các chỉ tiêu cụ thể như sau:

Bảng 2.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với Ethanol nhiên liệu biến tính, [3]

nguyên

3 Hàm lượng nhựa và rửa qua dung môi lớn nhất

6 Hàm lượng clorua vô cơ phần triệu khối lượng lớn

8 Độ axit (Axit axetic CH3COOH) lớn nhất không

vượt quá

lượng (mg/l)

khối lượng)

2.1.2 Thành phần hóa học và tính chất lý hóa

Ethanol là hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của cồn etylic, dễ cháy, không màu, là một trong các cồn thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn Công thức hoá học là C2H5OH, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7917 g/ml ở 20oC) sôi ở nhiệt độ 78,39oC, hóa rắn ở -114,15oC, tan trong nước vô hạn Sở dĩ cồn etylic tan trong nước vô hạn và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có phân tử lượng tương đương là do sự tạo hành liên kết hydro giữa các phân tử cồn với nhau và với nước

Hình 2.1 Cấu trúc phân tử của Ethanol Đường cong chưng cất và áp suất hơi bão hoà và sự phát tán hơi hydrocácbua của xăng là những thông số ảnh hưởng đến tính năng vận hành quan trọng của động

cơ xăng

Áp suất hơi bão hoà là chỉ số nói lên tính bay hơi của nhiên liệu Người ta hay dùng đại lượng có tên là áp suất hơi bão hoà Reid (PVR) PVR thường nằm trong khoảng 35÷100 kPa (xăng thương mại) và với Ethanol là không

thấp hơn 65 kPa

Việc chọn lựa nhiên liệu theo đường cong bay hơi chịu ảnh hưởng: điều kiện khí hậu và chế độ làm việc của động cơ (yêu cầu bay hơi mạnh khi nhiệt độ lạnh và bay hơi ít khi nhiệt độ cao) Phải đảm bảo bay hơi ít để tránh sự phát tán hơi hydrocácbon (2g/giờ theo tiêu chuẩn châu Âu) Người ta chú ý các điểm bay hơi: điểm bắt đầu bay hơi (PI), điểm kết thúc bay hơi (PF), thành phần bay hơi ở 70oC, 100oC, 150oC (gọi là E70, E100, E150) Chỉ số bay hơi FVI (Fuel Volatility Index) được tính như sau: FVI=PVR+7.E70 FVI phải thỏa mãn điều kiện làm việc động cơ khi máy ấm [3]

Nguồn:[11]

Hình 2.2 Ảnh hưởng của thành phần hòa trộn Ethanol/RON92 đến áp suất

hóa hơi

2.1.3 Đặc trưng của hỗn hợp đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức

Trị số octane của ethanol cao hơn so với xăng, trị số này càng tăng khi tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp này tăng Có thể là không thực tế để nâng cao tỉ số nén , nhưng nếu so với giới hạn kích nổ động cơ dùng xăng thương mại, hỗn hợp gasohol cho phép cải thiện tia lửa từ việc cung cấp những cải tiến về hiệu suất tương tự như khi tăng được tỉ số nén một lượng nhỏ

Ưu điểm chính của ethanol về phương diện kỹ thuật và kinh tế là nâng cao được chỉ số octane cho xăng Theo các thực nghiệm ở Brazil, thì độ tăng của chỉ số octane phụ thuộc vào lượng pha ethanol vào xăng Ethanol có thể được sử dụng để nâng cao trị số octane và nguồn oxy bên trong để cải thiện hiệu quả của quá trình cháy trong động cơ đốt trong Ethanol có chỉ số octan cao hơn xăng thương mại (trường hợp này là RON92) Chỉ số octane cao, tức là khả năng chống kích nổ tốt, do vậy cho phép tối ưu hóa việc thiết kế và vận hành động cơ (ở tỉ số nén lớn) Nếu chế tạo động cơ chỉ sử dụng ethanol thì có thể tăng tỉ số nén của động cơ lên đến 13÷14 Nhờ vậy tăng đáng kể hiệu suất nhiệt của động cơ (người ta tính rằng cứ tăng tỉ số nén lên một đơn vị thì phải tăng tương ứng chỉ số RON của nhiên liệu lên 5 đơn vị) Trong phân tử ethanol có sẵn oxy trong nhóm -OH tức là tự có một phần oxy để đốt cháy các Hydrocacbon Điều này tránh được tình trạng thiếu cục bộ oxy trong hỗn hợp Do đó làm cho quá trính đốt cháy nhiên liệu được hoàn toàn hơn và giảm sự phát thải khí CO và HC Do ethanol là nhiên liệu giàu oxy nên nó cho phép cháy tốt hoàn toàn hơn trong buồng cháy

Nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp,

cho nên công suất của động cơ dùng cồn có thể lớn hơn khi dùng xăng Nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol cao hơn xăng và nhiệt độ bốc cháy của ethanol cao hơn xăng, do hai yếu tố này nên tăng thời gian cháy trễ Vì vậy, để cho động cơ khi pha cồn phát huy được hiệu suất và công suất cao cần tăng góc đánh lửa sớm, % ethanol càng tăng thì cần tăng thêm góc đánh lửa sớm

Phụ thuộc nhiều vào khả năng để làm bay hơi nhiên liệu hiệu quả ở nhiệt độ thấp và cung cấp một hỗn hợp các chất dễ cháy tại thời điểm đánh lửa

Đối với hỗn hợp gasohol, khởi động lạnh phụ thuộc vào sự bay hơi của nhiều biến động phần phân đoạn của xăng Do nhiệt độ bay hơi ethanol cao hơn so với xăng, cần nhiệt độ cao hơn là cần thiết để làm bay hơi hỗn hợp gasohol Hệ quả, hỗn hợp bị phân lớp do nồng độ cao hơn của cồn (vì tỉ lệ nhiên liệu/không khí theo thành phần hóa học chính xác cao hơn) Những yếu tố này cho thấy khởi động lạnh khó khăn trên động cơ nhỏ hoạt động với ethanol pha trộn lớn hơn 10%

Nâng cao tỉ số nén và tối ưu hóa thời gian đánh lửa được coi là phương pháp thực tế để cải thiện khởi động lạnh, nhưng các giải pháp này đòi hỏi động cơ thiết kế mới

Việc bổ sung thành phần oxygenates vào xăng cho phép đốt cháy hòa khí nghèo mà không được điều chỉnh để tối ưu hóa tỷ lệ này Đo các thành phần nhiên liệu có kích thước để cung cấp tỷ lệ nhiên liệu/ không khí hỗn hợp cung cấp một

sự cân bằng tối ưu giữa công suất đầu ra, tiết kiệm nhiên liệu và độ bền Các nhà sản

trường hợp, chúng ta nên thay đổi để mô hình động cơ khi sử dụng xăng có thành phần oxy hóa Nếu một động cơ hoạt động ở chế độ hòa khí nghèo đáng kể so với thiết kế nguyên bản ở nhiệt độ làm việc cao, có thể gây hư hại động cơ

2.1.3.4 Nút hơi

Mặc dù áp suất hơi bão hòa của cồn tinh khiết thấp, áp suất hơi bão hòa theo Reid (RVP) của hỗn hợp xăng ethanol tăng lên tùy thuộc vào tỷ lệ ethanol pha trộn RVP thấp có thể gây ra vấn đề lúc khởi động, nhưng RVP có thể gây ra hóa hơi trong thời tiết ấm Tùy theo mức độ, có thể gây ra tắc nghẽn hơi động cơ ảnh hưởng đến hiệu suất khác nhau

2.1.3.5 Hao mòn động cơ

Tác động của sự phối trộn xăng/ethanol-butanol lên 25% thể tích đến hao mòn động cơ không rõ ràng Chỉ các kết luận phù hợp có thể được rút ra là tiếp tục thử nghiệm là cần thiết để có được dữ liệu để cung cấp một dấu hiệu của các tác động tiềm năng của ternary xăng/ethanol-butanol đến hao mòn vào động cơ Khi sử dụng nhiên liệu xăng pha ethanol dẫn đến một số vấn đề cần can thiệp đối với động cơ truyền thống

Thứ nhất là, tính bôi trơn của nhiên liệu giảm xuống do độ nhớt của cồn thấp