Nghiên cứu mô phỏng tính năng động cơ xăng lắp trên ô tô sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5%

LỜI MỞ ĐẦU Động cơ đốt trong có một vai trò quan trọng đối với sự phát triển nền kinh tế thế giới, nó là nguồn động lực chủ yếu cho phát triển giao thông, xây dựng, khai khoáng… Nhiên li

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập không sao chép của người khác Các nguồn tài liệu trích dẫn, các số liệu sử dụng và nội dung chuyên đề đều trung thực Đồng thời tôi xin cam đoan rằng kết quả quá trình nghiên cứu này chưa từng được công bố trong bất kỳ chương trình nghiên cứu khác

Tác giả luận văn

TRẦN KIM VIỆT

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU 4

DANH MỤC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 9

1.1 Đặt vấn đề 9

1.2 Mục đích nghiên cứu 12

1.3 Giới hạn nghiên cứu 12

1.4 Những nghiên cứu về xăng sinh học với tỷ lệ pha > 5% 13

1.4.1.Tình hình sản xuất và sử dụng bioethanol trên thế giới 13

1.4.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trong khu vực 15

1.4.3 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol ở Việt Nam 15

1.5 Phương pháp nghiên cứu 19

1.6 Nội dung thực hiện 19

1.7 Kết luận chương I 20

CHƯƠNG II: NHIÊN LIỆU SINH HỌC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ 21

ĐỐT TRONG 21

2.1 Các loại nhiên liệu sinh học 21

2.1.1 Giới thiệu chung về các nhiên liệu cồn sinh học 21

2.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp 21

2.2.3 Metyl este 25

2.2 Nhiên liệu sinh học xăng pha cồn 28

2.2.1 Cấu tạo 28

2.2.2 Tính chất 29

2.3 Thực trạng sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam 33

2.3.1 Thực trạng và tính kinh tế 33

2.3.2 Chiến lược phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học ở nước ta 34

2.4 Kết luận chương II 35

CHƯƠNG III: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ AVL BOOST 37

3.1 Giới thiệu chung 37

3.1.1 Giới thiệu phần mềm AVL Boost 37

3.1.2 Tính năng cơ bản 38

3.1.3 Tính năng áp dụng 38

3.1.4 Giao diện của phần mềm AVL Boost 39

3.1.5 Các phần tử của chương trình 40

3.1.6 Trình tự mô phỏng trên Boost 44

3.2 Cơ sở lý thuyết 45

3.2.1 Mô hình hỗn hợp nhiên liệu 45

3.2.2 Mô hình cháy 47

3.2.3 Mô hình truyền nhiệt 53

3.2.4 Quá trình hình thành phát thải 57

3.3 Qui trình áp dụng 64

3.3.1 Xây dựng mô hình 64

3.3.2 Nhập dữ liệu cho mô hình 65

3.3.3 Chạy mô hình 66

3.4 Kết luận chương III 68

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC 69

E > 5% BẰNG PHẦN MỀM BOOST 69

4.1 Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học hiện nay 69

4.1.1 Giới thiệu chung 69

4.1.2 Sử dụng ethanol cho phương tiện giao thông 69

4.2.Giải pháp cải tiến động cơ khi nâng tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu 73

4.2.1 Động cơ ô tô 73

4.2.1.1 Đặc tính của quá trình cháy 73

4.2.1.2 Công suất động cơ 74

4.2.1.3 Suất tiêu hao nhiên liệu 75

4.2.1.4 Khí thải ô nhiễm 75

4.3 Kết luận chương IV 76

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC PHỤ LỤC 82

PHỤ LỤC 83

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU

VOC: Là hàm lượng hỗ hợp các chất hữ cơ độc hại bay nên trong không khí làm ô nhiễm môi trường

mC: Khối lượng môi chất bên trong xylanh

Cm:Tốc độ trung bình của piston

M: Là khối lượng mol phân tử khí chưa cháy [kg/kmol]

R: Là hằng số khí [J/(kmol K]

Tpiston : Là nhiệt độ piston [K]

wF : Là tỷ lệ khối lượng của nhiên liệu trong lớp dầu [-]

t: Là thời gian [s]

r: Là vị trí tâm lớp dầu (tính từ thành xylanh) [m]

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số nhà máy sản xuất ethanol tại Việt Nam 16

Bảng 1.2 Các thông số cơ bản của động cơ ô tô Toyota – 5A 19

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của cồn ethanol 30

Bảng 2.2 So sánh nhiên liệu sinh học với nhiên liệu dầu mỏ 33

Bảng 3.1 Các lệnh cơ bản trong phần mềm AVL BOOST 40

Bảng 3.2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx Hệ số tốc độ của mô hình 63

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật động cơ Toyota – 5A 64

Bảng 3.4 Số lượng các phần tử để hoàn thiện mô hình 65

Bảng 3.5.Các thông số điều khiển chung 66

Bảng 3.6 Kết quả so sánh về công suất khi chạy mô phỏng mô hình 67

Bảng 3.7 Công suất không thay đổi khi cấp nhiên liệu xăng pha ethanol 67

Bảng 3.8 Thay đổi công suất với từng loại hỗ hợp xăng pha ethanol 68

Bảng 4.1 Những yêu cầu cải tiến động cơ cần thiết khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol [16] 72

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam 9

Hình 1.2 Tỷ lệ phát thải các khí gây ô nhiễm theo các nguồn phát thải chính của Việt Nam năm 2008 10

Hình 1.3 Lượng khí thải CO do các 10

Hình 1.4 Tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm phương tiện cơ giới đường bộ 10 Hình 1.5 Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử dụng tại Hà Nội năm 2009 11

Hình 1.6 Biểu đồ sản xuất ethanol trên thế giới năm 2006 13

Hình 1.7 Sản lượng ethanol nhiên liệu thế giới năm 2008 14

Hình 1.8 Biểu đồ sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới đến năm 2007, [3]14 Hình 1.9 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới (triệu gallons), [4] 15

Hình1 10 Nhà máy sản xuất ethanol tại Quảng Ngãi 16

Hình 1.11 Cây xăng bán xăng ethanol tại Việt Nam 17

Hình 2.1 Quy trình sản xuât methanol trong công nghiệp [3] 22

Hình 2.2 Lượng ethanol sản xuất trên toàn thế giới, [4] 23

Hình 2.3 Quy trình sản xuất ethanol 24

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống cải tiến động cơ diesel để dùng nhiên liệu dầu thực vật 25

Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL Boost 39

Hình 3.2 Giao diện các thông số điều khiển ban đầu 45

Hình 3.3 Giao diện mô tả sự thiết lập mô hình hỗn hợp nhiên liệu 46

Hình 3.4 Màng lửa tới thành xylanh và sự bắt đầu của hiện tượng cháy sát vách 52

Hình 3.5 Sự hình thành hỗn hợp khí bên trong và bên ngoài xi lanh 53

Hình 3.6 Xupap 57

Hình 3.7 Tỷ lệ mol CO dự đoán: hàm lượng CO cân bằng và CO động học (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải, A/F = 12,6) 58

Hình 3.8 Tỷ lệ mol dự đoán của CO theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số

dư lượng không khí (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải) 59

Hình 3.9 Tỷ lệ mol dự đoán của HC theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải) 62

Hình 3.10 Mô hình mô phỏng 65

Hình 4.2 Diễn biến áp suất và nhiệt độ trong xylanh động cơ 73

Hình 4.3 Diễn biến tốc độ toả nhiệt trong xylanh động cơ 73

Hình 4.4 Sự thay đổi công suất động cơ so với khi sử dụng xăng 74

Hình 4.5 Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để công suất động cơ không đổi 74

Hình 4.6 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ so với khi sử dụng xăng 75

Hình 4.7 Thay đổi phát thải CO khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng 76

Hình 4.8 Thay đổi phát thải HC khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng 76

Hình 4.9 Thay đổi phát thải NOx khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng 76

LỜI MỞ ĐẦU

Động cơ đốt trong có một vai trò quan trọng đối với sự phát triển nền kinh tế thế giới, nó là nguồn động lực chủ yếu cho phát triển giao thông, xây dựng, khai khoáng… Nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong là xăng và diesel, tuy nhiên đây là những loại nhiên liệu có xuất xứ từ dầu mỏ hay nói cách khác là nhiên liệu hóa thạch và được dự báo là sẽ cạn kiệt trong vòng vài chục năm tới do nhu cầu khai thác và sử dụng đang ngày càng gia tăng của con người

Do đó, nhiều nước trên thế giới đang tìm cách phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế khác, trong đó phải kể đến 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 Ví

dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động vật (mỡ động vật ) ngũ cốc (lúa

mì, ngô…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…), Nhiên liệu sinh học được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ xăng Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ xăng có thể kể đến như bioethanol và biomethanol, trong đó đặc biệt là bioethanol, đây là loại nhiên liệu sinh học được

sử dụng rất rộng rãi trên thế giới

Do vậy, trong luận văn này, tôi sẽ trình bày về nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ xăng như bioethanol, trong đó tập trung chủ yếu vào bioethanol để hiểu rõ

về các vấn đề liên quan đến các loại nhiên liệu này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy GS Phạm Minh Tuấn, cảm ơn

các bạn trong lớp Cao học 2011B- lớp Kỹ thuật động cơ nhiệt đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Vì thời gian và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Hình 1.1 Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam

yếu ở hai thành phố lớn là TP Hồ Chí Minh và Thủ đô Hà Nội (hình 1.1) Theo

thống kê mới nhất của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng xe ô tô tính đến tháng 6 năm 2011 là 1,344 triệu xe

Với tốc độ tăng trung bình khoảng

10% số lượng xe ô tô như hiện nay chính

là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường

cũng như lượng tiêu thụ nhiên liệu Theo

báo cáo môi trường quốc gia năm 2010,

hoạt động giao thông đóng góp gần 85%

lượng khí CO, 95% lượng VOC trên toàn

quốc và chiếm khoảng 70% nguồn gây ô

nhiễm không khí ở các khu đô thị lớn

(hình 1.2)

Ở các đô thị, giao thông vận tải là

nguồn gây ô nhiễm lớn nhất đối với

không khí, đặc biệt là sự phát thải các khí

CO, VOC, và NO2 Lượng khí thải này

tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển

về số lượng và các phương tiện giao

thông đường bộ (hình 1.3)

Xét trên từng phương diện tham gia

giao thông thì lượng khí thải từ xe máy là

tương đối nhỏ, trung bình một xe máy xả

ra lượng khí thải chỉ bằng 1/4 so với xe ô

tô con Tuy nhiên do số lượng xe máy

tham gia giao thông chiếm tỷ lệ lớn hơn

và chất lượng nhiều loại xe đã xuống cấp

nên xe máy vẫn là nguồn đóng góp chính

các loại khí ô nhiễm, đặc biệt đối với các

khí thải như CO và VOCs Trong khi đó,

Hình 1.2 Tỷ lệ phát thải các khí gây ô nhiễm theo các nguồn phát thải chính của

Việt Nam năm 2008

Hình 1.3 Lượng khí thải CO do các phương tiện cơ giới đường bộ gây ra

Hình 1.4 Tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm phương tiện cơ giới đường bộ

xe tải và xe khách các loại lại thải

nhiều SO2 và NO2 (hình 1.4)

Với mật độ các loại phương tiện

giao thông lớn, chất thải các loại

phương tiện giao thông kém và hệ

thống giao thông chưa tốt thì lượng khí

thải gây ô nhiễm môi trường không khí

từ giao thông vận tải đang có xu hướng

gia tăng Xe ô tô, xe máy ở Việt Nam

bao gồm nhiều chủng loại Nhiều xe đã

qua nhiều năm sử dụng nên có chất

lượng kỹ thuật thấp, có mức tiêu thụ nhiên liệu và nồng độ chất độc hại trong khí xả cao, tiếng ồn lớn Ngay tại các thành phố lớn, tỷ lệ những xe đã qua sử dụng nhiều

năm vẫn cao (hình 1.5)

Vì vậy với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông, số lượng, chất lượng các phương tiện giao thông như ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung thì vấn đề tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra vẫn đang là một trong những vấn đề được nhà nước, các tổ chức quan tâm nhất để cải thiện môi trường cũng như năng lượng

Nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học ngày càng được tăng cường trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng nhằm góp phần giảm dần sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường

Ngày 20/11/2007 Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020,

[1] Theo đó, đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước và đến năm 2025 những số liệu tương ứng là 1,8 triệu tấn và 5% Để thực hiện Đề án, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành đã đi đến kết luận rằng sử dụng xăng E5 (95% A92 + 5% ethanol) không ảnh hưởng đến tính năng kinh tế kỹ thuật, tuổi thọ của

Hình 1.5 Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử

dụng tại Hà Nội năm 2009

động cơ và không phải thực hiện bất cứ điều chỉnh hay thay đổi gì Vì vậy, xăng E5

đã được chính thức bán trên thị trường với giá rẻ hơn A92 khoảng 500đ/lít Ngoài

ra, nhiều đề tài nghiên cứu đang được tiến hành nhằm tăng tỷ lệ pha ethanol lớn hơn 5% để tận dụng những ưu việt của xăng pha ethanol và tạo thị trường để tăng cường sản xuất ethanol, đồng thời thực hiện lộ trình tăng tỷ lệ nhiên liệu sinh học như đã nêu ra trong Đề án nói trên

Khi tăng tỷ lệ pha ethanol, cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ pha đến tính năng kinh kế, kỹ thuật, phát thải và tuổi thọ của động cơ cũng như đến tính cần thiết phải điều chỉnh hoặc thay đổi kết cấu động cơ và vật liệu các chi tiết

Đề tài “Nghiên cứu mô phỏng tính năng động cơ xăng lắp trên ô tô sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5%” nhằm thực hiện một trong những nội dung nói trên

1.2 Mục đích nghiên cứu

Đánh giá được tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi dùng nhiên liệu xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5% bằng phương pháp mô phỏng

1.3 Giới hạn nghiên cứu

Việc thực hiện đề tài này nhằm mục đích thông qua phần mềm mô phỏng hiện đại AVL BOOST đánh giá việc sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn ethanol đến đặc tính của động cơ ô tô Qua đó cũng có thể đánh giá khả năng tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu

Vì Việt Nam mới chỉ bắt đầu sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn với tỷ lệ thấp (5%) nên muốn nâng tỷ lệ ethanol lên cao hơn từ 10 – 20% thì phải có quá trình nghiên cứu, xác định ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu đó đến tính năng làm việc, phát thải, tuổi thọ của động cơ ở nhiều chế độ làm việc, các dải tốc độ khác nhau

Vì vậy em đã tiến hành mô phỏng động cơ chạy ở nhiều dải tốc độ khác nhau ở chế

độ toàn tải – chế độ làm việc khắc nghiệt nhất của động cơ Kết quả cũng cho thấy được sự thay đổi về công suất, phát thải, suất tiêu hao nhiên liệu cũng như đặc tính cháy của động cơ khi sử dụng hai loại nhiên liệu trên Từ đó có thể đánh giá được

phần nào những ưu việt của việc sử dụng nhiên liệu mới trên động cơ xăng hiện nay cũng như những thay đổi về kết cấu của động cơ để đảm bảo những tính năng kĩ thuật mà mình mong muốn khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu

Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên em chưa thể tìm hiểu hết tất cả những ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp xăng – nhiên liệu thay thế đến các yếu tố khác của động cơ như pha phối khí phù hợp Mặc dù AVL Boost là một trong những phần mềm một chiều mô phỏng quá trình nhiệt động học của động cơ đốt trong hiện đại nhất nhưng chắc chắn quá trình mô phỏng vẫn còn có rất nhiều điểm khác so với quá trình trong thực tế Vì vậy để đảm bảo tính chính xác của mô hình thì cần phải

có quá trình thử nghiệm thực tế giống với điều kiện mô phỏng

1.4 Những nghiên cứu về xăng sinh học với tỷ lệ pha > 5%

1.4.1.Tình hình sản xuất và sử dụng bioethanol trên thế giới

Hiện nay, ethanol nhiên liệu trên thế giới được sản xuất chủ yếu từ mía đường và các nguyên liệu chứa tinh bột Năm 2006 toàn thế giới đã sản xuất được 38,5 tỷ lít ethanol nhiên liệu (trong đó châu Mỹ chiếm khoảng 70%, châu Á 17%, châu Âu 10%), trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu, 30% được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hoá chất (hình 1.6) [2]

Hình 1.6 Biểu đồ sản xuất ethanol trên thế giới năm 2006

Hình 1.7 Sản lượng ethanol nhiên liệu thế giới năm 2008

Theo biểu đồ hình 1.6 cho thấy vào năm 2006 Brasil, Mỹ và Trung Quốc là

3 quốc gia đứng đầu về sản xuất và sử dụng ethanol nhiên liệu Đến năm 2008, trên thế giới đã sản xuất được trên 17,3 tỷ gallons ethanol nhiên liệu, trong đó Mỹ vẫn là quốc gia đứng đầu về sản lượng ethanol so với các nước khác trên thế giới, đặc biệt độ chênh lệch về sản lượng ethanol của nước này so với quốc gia đứng thứ thứ hai là Brazil đã vượt xa hơn nhiều so với năm 2006 (hình 1.7) [2]

Xét về mức độ phát triển của nhiên liệu sinh học trên thế giới trong những năm

qua được thể hiện trên hình 1.8 Qua hình 1.8 chúng ta nhận thấy kể từ năm 2000 đến năm 2007 lượng nhiên liệu sinh học đã tăng từ 17 tỷ lít vào năm 2000 lên tới hơn 52 tỷ lít vào năm 2007 Trong đó ethanol tăng từ 16 tỷ lít (năm 2000) lên hơn

41 tỷ lít (năm 2007) nhiên liệu sinh học đã đóng góp tới hơn 2% tổng lượng nhiên liệu sinh học cho các phương tiện vận tải trên thế giới

Hình 1.8 Biểu đồ sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới đến năm 2007, [3]

1.4.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trong khu vực

Trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia phát triển rất nhanh về sản xuất và sử dụng xăng pha cồn sản xuất từ sắn, ngô, gỉ đường, bã mía Năm 2004, Thái Lan đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tư 20 nhà máy để năm 2015 có trên 2,5 tỷ lít cồn dùng làm nhiên liệu

Hình 1.9 Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới (triệu gallons), [4]

1.4.3 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol ở Việt Nam

1.4.3.1.Tình hình sản xuất

Cồn ở Việt Nam trước kia được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu gỉ

đường Mỗi năm tổng công suất sản xuất cồn trên cả nước đều tăng tập trung ở 3 nhà máy lớn có công suất từ 15.000 – 30.000 lít/ngày là nhà máy đường Hiệp Hoà, Lam với công suất từ 3.000 – 5.000 lít/ngày Sản lượng cồn Việt Nam hiện nay còn rất nhỏ, công suất sản xuất của mỗi nhà máy cũng nhỏ, các đơn vị sản xuất cồn đang gặp nhiều khó khăn do nguồn nguyên liệu không ổn định, công nghệ sản xuất lạc hậu, tốn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm không có sức cạnh tranh cao

Do nhu cầu thị trường tiêu thụ cồn trong nước ngày càng tăng, gần đây các đơn vị sản xuất cồn trong nước đẩy mạnh sản xuất, đồng thời mở rộng thêm

Hình1 10 Nhà máy sản xuất ethanol tại Quảng Ngãi

Công ty cổ phần mía đường Biên Hoà đầu tư xây dựng nhà máy công suất 50.000 tấn/năm, Công ty Đồng Xanh đầu tư xây dựng nhà máy công suất 60.000 lít/ngày, Công ty CP Cồn sinh học Việt Nam đầu tư nhà máy 66.000 m3/năm tại Đắc Lắc, BIDV đầu tư nhà máy công suất 100.000 tấn/năm tại Quảng Nam, Công ty CP Hoá dầu và Nhiên liệu Sinh học Dầu khí xây dựng nhà máy công suất 100.000 tấn/năm tại Phú Thọ…

Bảng 1.1 Một số nhà máy sản xuất ethanol tại Việt Nam

Nhà máy Đại

Lộc, Quảng Nam

100 triệu lít/năm

Tháng 3/2009 Công ty Đồng

Xanh

Đang hoàn thành lắp đặt máy

Nhà máy

Cư-Dút, Đắc Nông

50 triệu lít/năm

Tháng 12/2008

Công ty Đại Việt Đang chạy thử Nhà máy Tam

Nông, Phú Thọ

100 triệu lít/năm

Tháng 6/2011 Công ty PVB,

thuộc PV OIL

Đã động thổ khởi công Nhà máy

Dung Quất

100 triệu lít/năm

Tháng 7/2011 Petrosetco,

NMLD Bình Sơn

Petrovietnam

Đã động thổ khởi công ký hợp đồng EPC Nhà máy

Bình Phước

100 triệu lít/năm

Tháng 7/2011 Liên doanh

ITOCHU Nhật bản và PV OIL

Dự kiến quý I năm 2010 ký hợp đồng EPC

1.4.3.2.Tình hình sử dụng

Hình 1.11 Cây xăng bán xăng ethanol tại Việt Nam

Ngày 15/9/2008 Công ty cổ phần kinh doanh hóa dầu và nhiên liệu sinh học (PVB), một đơn vị thành viên của Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOIL) đã lần đầu tiên giới thiệu và bán thí điểm xăng E5 tại hai trạm bán lẻ xăng dầu ở Hà Nội thuộc hệ thống phân phối xăng dầu của PVOIL PVB nhập khẩu ethanol tuyệt đối 99,6 % thể tích từ Trung Quốc, sau đó pha với xăng A95 và A92 với tỷ lệ 5

% ethanol theo thể tích để thành xăng ethanol E5 Xăng vẫn bảo đảm an toàn cho động cơ đồng thời giảm ô nhiễm môi trường

Xăng E5 ban đầu được bán thử nghiệm cho 50 xe tắc xi gồm hai loại: loại 4 chỗ và 7 chỗ ngồi, thuộc hiệp hội taxi thành phố Hà Nội Thời gian bán thử nghiệm là 6 tháng, PVB đã thu thập các ý kiến phản hồi từ khách hàng để trình kết quả thử nghiệp với Bộ Công thương

Sự giới thiệu và sử dụng xăng E5 đã được công chúng tiếp nhận nhiệt tình trong điều kiện hoàn cảnh giá xăng dầu trong nước và lạm phát tăng cao Hàng nghìn người đã xếp hàng chờ mua và háo hức sử dụng loại nhiên liệu mới này Tuy nhiên Bộ Công thương đã yêu cầu dừng bán xăng E5 rộng rãi ra công

pha ethanol, trong khi đó xăng dầu là mặt hàng phải tuân theo quy chuẩn của Nhà nước nên không thể bán ra thị trường nếu không có quy chuẩn Công ty PVB chỉ được phép bán thử nghiệm cho các xe taxi một thời gian để đánh giá tác động của loại xăng mới đối với động cơ xe đang lưu hành tại Việt Nam, sau đó phải có quy chuẩn Nhà nước về loại xăng này mới được bán rộng rãi ra công chúng

Nhiều công ty và các tổ chức khoa học cũng đã chủ động phối hợp nghiên cứu

và thực hiện việc đánh giá ảnh hưởng của việc xăng pha ethanol đối với động cơ

và việc phân phối thử nghiệm xăng E5 thương mại như trung tâm nghiên cứu dầu khí (PVPRO), Công ty taxi Đà Nẵng, Công ty xăng dầu Petrolimex miền trung, Công ty cổ phần sản xuất ethanol Đồng Xanh, Viện Nghiên cứu rượu bia và nước giải khát cũng đã nghiên cứu và đưa ra các kết quả về sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế cho một số loại động cơ Viện Công nghệ thực phẩm đã và đang nghiên cứu sản xuất ethanol từ phế thải nông nghiệp Nhiều đơn vị trong đó

có APP, Sài Gòn Petro, Công ty Mía đường Lam Sơn đã lên kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sản xuất ở ethanol quy mô phù hợp và đưa vào sử dụng

Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã phối hợp với một số trường đại học lớn như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa TP 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

Sau khi Bộ Công thương đã chấp thuận kết quả thử nghiệm xăng E5 của công ty PVB và trên cơ sở các tiêu chuẩn về nhiên liệu E5, B5 mới được ban hành trong tháng 5/2009, Tổng công ty Dầu Việt Nam đã thành Ban chuyên trách (task force) gồm các lãnh đạo và các nhân sự chủ chốt của PV OIL để tiến hành triển

khai bán thí điểm xăng E5, B5 trên phạm vi 6 tỉnh thành lớn nhất Việt Nam là thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, Cần Thơ, Đà Nẵng, Vũng Tầu, Nha Trang, [5].

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Như đã trình bày ở trên với tốc độ tăng trung bình khoảng 10% số lượng xe ô

tô như hiện nay thì tình trạng ô nhiễm môi trường, lượng tiêu thụ nhiên liệu cũng sẽ tăng tỷ lệ thuận với tốc độ tăng số lượng xe ô tô Việc nghiên cứu các giải pháp về mặt kỹ thuật cũng như nhiên liệu để giảm được phát thải từ động cơ, giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ là vô cùng cấp bách Ngoài các hướng nghiên cứu cải tiến động

cơ như chuyển từ động cơ dùng chế hoà khí sang phun xăng điện tử, sử dụng nguyên lý HCCI, động cơ hybrid thì cải thiện chất lượng nhiên liệu cũng là một hướng đi rất được quan tâm hiện nay Với số lượng ô tô ngày một tăng nhanh, nước

ta đã bước đầu tập trung vào nghiên cứu vào việc ứng dụng sử dụng nhiên liệu sinh học E5, E10… Vì vậy, trong nội dung của luận văn, em xin trình bày về việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu mới trên động cơ ô tô Toyota – 5A sử dụng chế hòa khí trên phầm mềm AVL Boost Dưới đây là bảng thông số cơ bản của động cơ Toyota – 5A:

Bảng 1.2 Các thông số cơ bản của động cơ ô tô Toyota – 5A

1.6 Nội dung thực hiện

- Nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu xăng sinh học nói chung và xăng pha

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán trong phần mềm BOOST

- Xây dựng mô hình động cơ TOYOTA 5A trên phần mềm BOOST (nhập dữ liệu đầu vào, chạy mô hình và đánh giá độ tin cậy của mô hình)

- Sử dụng mô hình để khảo sát:

+ Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu E5, E10, E20 và E85 đến đặc tính công suất, tiêu hao nhiên liệu và mức phát thải của động cơ bằng phần mềm BOOST

+ Lựa chọn lượng nhiên liệu cung cấp (gnl tăng) và góc đánh lửa sớm (S giảm) phù hợp để đảm bảo cho động cơ làm việc với nhiên liệu E5, E10, E20 và E85 có đặc tính kỹ thuật như động cơ sử dụng nhiên liệu xăng thông thường

1.7 Kết luận chương I

Như trên đã trình bày, ta thấy được ảnh hưởng của ô tô đến giao thông, ô nhiễm tại Việt Nam là rất lớn và ngày một tăng mạnh Việc nghiên cứu các giải pháp để giảm thiểu những ảnh hưởng không tốt của ô tô đến vấn đề an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường là điều vô cùng cấp bách Sử dụng nhiên liệu thay thế

để dần thay thế cho xăng và diesel là một trong những hướng đi đang được quan tâm hiện nay Để ứng dụng được vào thực tế thì cần phải có quá trình nghiên cứu kỹ lưỡng cả lý thuyết lẫn thực nghiệm Để quá trình thực nghiệm trở nên đơn giản hơn thì ta có thể tiến hành nghiên cứu trên lý thuyết trước đó thông qua các phần mềm

mô phỏng hiện đại Vì vậy với nội dung của luận văn, em hy vọng nó có thể giúp ích phần nào trong việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol

CHƯƠNG II: NHIÊN LIỆU SINH HỌC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ

ĐỐT TRONG 2.1 Các loại nhiên liệu sinh học

2.1.1 Giới thiệu chung về các nhiên liệu cồn 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, .), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải ), Chúng bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, ethanol pha trộn (ethanol – blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật Nhiên liệu sinh học hiện nay sử dụng trong giao thông vận tải là ethanol sinh học, diesel sinh học và xăng pha ethanol Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá…)

2.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp

Như khái niệm ở trên về nhiên liệu sinh học thì nhiên liệu sinh học được sản xuất từ rất nhiều dạng khác nhau Tuy nhiên, chúng ta có thể tổng hợp một số nguyên liệu chính để sản xuất ra nhiên liệu sinh học

2.1.2.1 Cồn

a) Methanol

Đây là loại cồn đơn giản nhất chỉ chứa một nguyên tử C trong mỗi phân tử

Nó không có màu, là chất lỏng nhạt với mùi gây chóng mặt, độc và gây ăn mòn Chất lỏng methanol có thể hấp thụ qua da Phần lớn methanol được làm từ than đá

và khí tự nhiên, cũng có thể được làm từ nguồn tái sinh như gỗ hoặc giấy thải methanol thường được biết tới như “cồn gỗ” Để làm nguyên liệu động cơ chúng ta

có thể dùng methanol nguyên chất (M100), thực tế chỉ dùng M85 là hỗn hợp chứa 85% methanol và 15% xăng, có chỉ số octan 102 Do M85 là chất lỏng, nó có thể được tích trữ và phân phối trong hệ thống phân phối chất lỏng như xăng Để dùng M85, động cơ phải được thay đổi cho phù hợp như: tỷ số nén cao hơn, hệ thống nạp

phải thiết kế lại để đảm bảo lấy đủ khí và dầu bôi trơn chịu được sự tấn công tự nhiên của methanol Do vậy, hầu hết trên động cơ dùng nhiên liệu thay thế đều được trang bị một cảm biến đặc biệt để nhận biết tỷ lệ cồn và xăng rồi đưa ra tín hiệu phản hồi tới ECU để điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu phù hợp cũng như quyết định tới thời điểm đánh lửa Động cơ dùng nhiên liệu methanol yêu cầu loại dầu bôi trơn riêng, đắt hơn dầu thường vì được sản xuất với số lượng hạn chế

Methanol được sản xuất nhờ quá trình hóa hơi khí thiên nhiên, trong quá trình này thì thành phần lưu huỳnh trong khí thiên nhiên sẽ được lọc sạch Tiếp đó, khí thiên nhiên sẽ được phản ứng với hơi nước trong điều kiện áp suất, nhiệt độ cao

để tạo nên CO và H2 Những thành phần này được đưa vào bộ xúc tác để điều chế methanol

Hình 2.1 Quy trình sản xuât methanol trong công nghiệp [3]

b) Ethanol

Ethanol có thể được sản xuất từ nguồn nhiên liệu sinh học như khoai tây, ngô, củ cải đường, mía đường, gỗ, chất thải nhà máy bia và nhiều sản phẩm nông nghiệp khác, thực phẩm hỏng trong quá trình nên men và cũng có thể sản xuất từ khí thiên nhiên và dầu thô Ethanol hầu như không độc, hòa tan được trong nước, có thể bị phân hủy và dễ cháy hơn xăng Ethanol nguyên chất ít được dung làm nhiên

liệu, nhưng thường được trộn với xăng để tạo ra nhiên liệu sạch Theo thống kê cuối năm 2012, sản lượng ethanol trên toàn thế giới đạt 21,653 triệu gallons (81,965 triệu lít) tăng 25% so với năm 2008 [4] Điều đó chứng minh thế giới đang rất quan tâm tới nguồn năng lượng thay thế này và đồng thời ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học, nhiên liệu ethanol sẽ rất phát triển trong những năm tới Tiên phong trong việc ứng dụng và sản xuất ethanol là Mỹ (33,455 triệu lít) và Brazil (22,674 triệu lít)

Nhiều năm qua ở Mỹ, người ta pha 10% thể tích ethanol vào xăng và gọi là xăng pha cồn hoặc E10 Brazil là nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng động cơ trên toàn thế giới và họ sử dụng chủ yếu là ethanol sinh học được làm từ mía đường

Hình 2.2 Lượng ethanol sản xuất trên toàn thế giới, [4]

Hình 2.3 Quy trình sản xuất ethanol

2.1.2.2 Dầu thực vật

Nhiên liệu thực vật về tính chất lý hóa, phần lớn có trị số Xetan cao và trị số Octan thấp, độ nhớt và nhiệt độ tự cháy thấp chỉ có thể sử dụng cho động cơ diesel Dầu thực vật có thể là nhiên liệu bao gồm hạt cây cải dầu, dầu oliu, dầu hạt đậu tương, dầu cọ, dầu cây hướng dương, dầu ngô Tính chất của chúng là loại nhiên liệu tiềm năng dùng cho động cơ diesel Lần đầu tiên, vào đầu thập kỷ 70 của thế kỷ trước, dầu thực vật thô được thử làm nhiên liệu cho động cơ diesel Kết quả thử nghiệm cho thấy, những loại dầu này so với nhiên liệu diesel có thời gian phun dài hơn, thời gian cháy trễ ngắn hơn, thời gian cháy dài hơn Còn các cuộc thử nghiệm bền cho thấy có sự thoái hóa động cơ nhanh hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel, có sự mài mòn của bơm cao áp, đóng muội than ở đế xupap, vòi phun, than xupap, và tích tụ trong buồng cháy, đỉnh piston, hiệu suất động cơ giảm đáng kể,

công suất động cơ giảm, dễ kẹt xéc măng, tắc hệ thống nhiên liệu, đóng muội than trong buồng cháy Dầu thực vật thô cũng có nhiệt độ khởi động lạnh rất cao, vì vậy cần phải sấy nóng nhiên liệu trước khi khởi động

2.2.3 Metyl este

Đây là một loại biodiesel Biodiesel thường dùng có tên là monoankyl este (methyl hoặc ethyl este) của axit béo có chuỗi phân tử dài được lấy từ lipit như dầu thực vật hoặc mỡ thực vật Nó là sản phẩm trong quá trình este hóa từ dầu nho, dầu đậu tương, dầu cây hướng dương, dầu conola, dầu cọ được sử dụng như dầu ăn và nhiều chất béo khác Dầu đậu được dùng nhiều ở Mỹ, trong khi dầu nho được sử dụng khá nhiều ở Châu Âu Quá trình este hóa dễ dàng thực hiện được khi methanol được dùng làm chất phản ứng để thu được methyl este Phản ứng này có thể thực hiện trong điều kiện nhiệt độ khoảng 50oC và áp suất khí quyển với glyxerin là sản phẩm phụ

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống cải tiến động cơ diesel để dùng nhiên liệu dầu thực vật

Quá trình este hóa sản xuất biodiesel, như sau

Diesel sinh học dùng trong động cơ được phân loại trên cơ sở thành phần axit béo tự do (FFA) của chúng như sau:

- Dầu tinh chế (FFA < 1,5%)

- Mỡ động vật và dầu mỡ có thành phần FFA thấp (FFA < 4%)

- Quá trình este hóa sản xuất biodiesel

- Mỡ động vật và dầu mỡ có thành phần FFA cao (FFA < 20%)

Diesel sinh học không độc, có thể bị vi khuẩn phân hủy, đặc biệt không tan trong nước, cơ bản không chứa sunphua hoặc gốc thơm Nó làm mềm và thoái hóa các tạp chất cao su tự nhiên và có thể ảnh hưởng tới các thành phần của hệ thống nhiên liệu Có thể sử dụng nhiên liệu diesel sinh học nguyên chất hoặc pha với dầu diesel thông thường Vì biodiesel có tính chất bôi trơn đặc biệt nên thường được dùng như chất phụ gia nhờn cho nhiên liệu diesel có hàm lượng sunphua thấp Mặt hạn chế khi sử dụng diesel sinh học tinh khiết làm nhiên liệu là nhiệt độ của nó thấp

và tính ổn định sinh học Hòa trộn với nhiên liệu diesel cơ bản chứa 20% diesel sinh học làm nâng cao độ nhớt động học ở nhiệt độ thấp

khác methyl tertiary butyl ether (MTBE), ethyl tertiary butyl ether (ETBE), và tertiary amyl methyl ether (TAME) Chúng chứa từ 1 tới 6 nguyên tử cacbon trong mỗi phân tử Nhờ thể hiện tính chống kích nổ tốt, chúng có thể thay thế tốt cho các chất có gốc thơm Cồn đã được sử dụng trong xăng từ những năm 30 và MTBE được sử dụng lần đầu tiên trong các sản phẩm xăng thương mại ở Ý và năm 1973

2.1.2.5 Dimetyl ether (DME)

DME là hợp chất có công thức hóa học đơn giản nhất và được sử dụng một cách rộng rãi như là chất đẩy dùng trong các bình xịt DME là chất khí ở nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển, nhưng có thể hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp (0,5 MPa tại 25oC) Nó có thể được sản xuất từ gas tự nhiên (khử H2 của methanol) hoặc từ sinh vật DME không độc, không ăn mòn và không có chất gây ung thư, trong trường hợp bị rò rỉ thì nó phân hủy nhanh trong khí quyển Về mặt sinh thái, DME cũng được coi là một loại nhiên liệu tốt cho động cơ, bởi nó rất dễ cháy và phát thải ít DME có chỉ số octan cao khoảng 60 Tính bôi trơn của DME thấp vì độ nhớt của nó thấp (khoảng 1/30 so với nhiên liệu diesel) Vì vậy, để tránh mài mòn vòi phun cần được cho thêm chất bôi trơn Trước đây, DME nguyên chất là nhiên liệu tốt cho động cơ diesel vì động cơ sử dụng nhiên liệu đó có đặc điểm cháy rất tốt, lượng phát thải thấp, đặc biệt giảm phát thải NOx và khói Sử dụng DME trên phương tiện vận tải có ưu điểm hơn là dùng methanol do sử dụng nhiên liệu methanol có quá trình cháy xấu, tuy nhiên có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách chuyển hóa methanol thành DME theo phản ứng:

2 CH3OH → CH3OCH3 + H2O

Phản ứng này cần có mặt chất xúc tác α – Al2O3, lựa chọn theo tính toán về hiệu quả và giá thành của nó Ở nhiệt độ thấp và áp suất môi trường, DME là một chất khí, vì vậy nó được đưa vào xylanh động cơ dạng hơi sương Tuy nhiên, việc

sử dụng nhiên liệu DME có thể xuất hiện hơi nước, đó là nhược điểm chính của loại nhiên liệu này

2.1.2.6 Dimetyl cacbonate (DMC)

DMC là một chất lỏng ở nhiệt độ thấp và áp suất môi trường Nó không màu, không độc và không gây ăn mòn Nó có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel theo một vài tỷ lệ nhất định DMC chắc chắn có thể thêm vào nhiên liệu diesel như một chất phụ gia vì nó chứa 53% (về trọng lượng) oxy Hiện tại, DMC được sản xuất từ phosgene và methanol, HCl là phụ phẩm Vì phosgene là một hợp chất hóa học cực

kỳ độc và nguy hiểm, nhiều công ty đang tìm kiếm và phát triển chất thay thế thân thiện với môi trường nhằm loại bỏ phosgene và cho phụ phẩm nhỏ nhất Một chất thay thế có thể là sản xuất DME từ methanol, CO và O2 với chất xúc tác HCl thêm 5% KCl vào theo phản ứng sau:

2 CH3OH + CO + ½ O2 = CH3OCO-CH3 + H2O Theo nhiều thực nghiệm cho thấy mức độ khói của động cơ phụ thuộc vào tỷ

lệ DMC Với 10% DMC thêm vào nhiên liệu thì độ khói sẽ giảm 20% Vì vậy, lượng khí thải CO giảm tuyến tính với DMC thêm vào, cải thiện chút ít hiệu suất của động cơ và đồng thời làm tăng lượng NOx thải ra

2.1.2.7 Hydrogen

Hydrogen không phải là nhiên liệu hóa thạch tìm thấy trong tự nhiên, nhưng

nó có thể được sản xuất từ các nguyên liệu khác như là khí tự nhiên, methanol, than

đá, sinh vật và nước Hiện tại, hydro được sản xuất bằng cách reforming hydrocacbon Cách khác để sản xuất khí này là biến đổi hơi của khí CH4, khí hóa than đá, khí sinh vật và điện phân Nó được tích trữ bằng cách nén thành chất lỏng (VD: metal hydrides) Phần lớn đặc tính mong muốn của hydro phù hợp làm nhiên liệu ô tô, quá trình cháy sạch Nếu hydro tinh khiết được sử dụng làm nhiên liệu thì sản phẩm cháy duy nhất là nước

2.2 Nhiên liệu sinh học xăng pha cồn

2.2.1 Cấu tạo

Ethanol còn được gọi là rượu etylic, rượu ngũ cốc hay cồn Nó là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của rượu etylic, dễ cháy, không màu, là một

trong các thành phần của đồ uống chứa cồn Trong đời sống, nó thường được gọi tắt

là rượu Công thức hóa học C2H5OH,

Ethanol được con người sử dụng từ thời tiền sử (từ thời đồ đá mới) như là một thành phần gây cảm giác say Việc sản xuất ethanol tương đối nguyên chất với nồng độ 96% được thực hiện vào thời kỳ Abbasid Hồi giáo (năm 721 – 815) ethanol tinh khiết lần đầu tiên được Johann Tobias Lowits thu hồi vào năm 1796 bằng phương pháp chưng cất qua than củi

Ethanol dễ dàng hòa tan vào nước theo mọi tỷ lệ, với sự giảm nhẹ tổng thể tích về thể tích do hai chất này được trộn lẫn với nhau Ethanol tinh khiết hay ethanol 95% là các dung môi tốt, sử dụng trong các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc Các tỷ lệ khác của ethanol với nước cũng có thể làm dung môi Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do có các chất tạo mùi khác nhau được hòa tan trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu Khi ethanol được sản xuất như là đồ uống hỗn hợp thì nó là rượu ngũ cốc tinh khiết

Dung dịch ethanol 70% chủ yếu sử dụng như chất tẩy uế Ethanol cũng được

sử dụng trong các gel vệ sinh kháng khuẩn, phổ biến nhất có nồng độ 62% ethanol giết chết các vi sinh vật theo cơ chế biến tính protein và hòa tan lipit của chúng Do khả năng kháng khuẩn của ethanol nên các đồ uống chứa trên 18% ethanol có khả năng bảo quản lâu dài

Ethanol sử dụng trong các sản phảm chống đông lạnh vì điểm đóng băng của

ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 89,4% mol, nhiệt độ sôi của hỗn hợp này ở

1 atm là 78,4oC

Nhiệt độ sôi của ethanol nguyên chất 78,39OC, nhiệt dung riêng đẳng áp

Cp(16oC -21oC) = 2,42 J.g-1.K-1, nhiệt trị 1370,82 kJ/mol Dưới đây là bảng thông số thể hiện tính chất vật lý của ethanol:

2.2.2.2 Tính chất hóa học

* Tính chất của một rượu đơn chức:

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

2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2

- Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và acid với môi trường là acid sulfuric đặc nóng tạo ra este Ví dụ:

CH3-CH2-OH + CuO → CH3-CHO + Cu + H2O

- Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví dụ

Cu + Al2O3 ở 380÷400ºC, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước:

2C2H5OH → CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2

- Phản ứng lên men giấm: oxy hóa rượu ethylic 10° bằng oxy không khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 25ºC

CH3-CH2-OH + O2→ CH3-COOH + H2O

* Khả năng cháy của nhiên liệu cồn:

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

2.2.2.3 Ưu nhược điểm của nhiên liệu sinh học

a) Ưu điểm

Hiện nay, khi kinh tế các nước trên thế giới ngày càng phát triển thì nhu cầu

sử dụng năng lượng cũng tăng theo Nguồn năng lượng mà con người sử dụng chủ yếu vẫn là dầu mỏ, trong khi nguồn dự trữ dầu mỏ có hạn Do đó, giá nhiên liệu từ dầu mỏ ngày càng tăng, tạo ra sức ép cho xã hội và nhu cầu người sử dụng Đó là nguyên nhân để con người tìm những nguồn năng lượng mới thay thế dần năng lượng từ dầu mỏ Chúng ta thấy rằng, hiện nay có rất nhiều loại nhiên liệu khác nhau được đưa vào sử dụng song song với nhiên liệu hóa thạch, một trong số đó là nhiên liệu sinh học

Sử dụng nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá…), đó là:

- Tính chất thân thiện với môi trường: Chúng sinh ra ít hàm lượng khí gây ra

hiệu ứng nhà kính (một hiện tượng vật lý làm Trái Đất nóng lên) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống

- Nguồn nhiên liệu tái sinh: Các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông

nghiệp và có thể tái sinh Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên nhiên liệu không tái sinh truyền thống

Thực tế, năng lượng dưới dạng biofuel đã được biết đến và sử dụng từ lâu Đốt củi, rơm để sinh nhiệt là hình thức dùng năng lượng sinh vật khô hiển nhiên nhất ở quy mô công nghiệp, đã có những lò hơi đạt công suất cả chục nghìn Kilowat Ở một số nước trên thế giới, người ta trồng rừng để có củi đốt lâu dài Các loại cây lớn nhanh như cây bạch dương và một số loại cây khác thường được dùng cho mục đích này

Sử dụng nhiên liệu sinh học là phương pháp mang tính hiệu quả nhất Chúng ta có thể so sánh giữa nhiên liệu dầu mỏ với nhiên liệu sinh học qua các tính chất cơ bản của nhiên liệu như bảng 2.2 sau:

Bảng 2.2 So sánh nhiên liệu sinh học với nhiên liệu dầu mỏ

Sản xuất từ dầu mỏ

Hàm lượng lưu huỳnh cao

Chứa hàm lượng chất thơm

Khó phân hủy sinh học

Không chứa hàm lượng oxy

Điểm chớp cháy thấp

Sản xuất từ nguyên liệu động, thực vật Hàm lượng lưu huỳnh cực thấp

Không chứa hàm lượng chất thơm

Có khả năng phân hủy sinh học cao

Có 11% Oxy Điểm chớp cháy cao Như vậy, việc phát triển nhiên liệu sinh học có lợi về nhiều mặt như giảm đáng kể các khí độc hại như SO2, CO, CO2 (khí nhà kính), các hydrocacbon chưa cháy hết, giảm cặn buồng đốt,… mở rộng nguồn năng lượng, đóng góp vào an ninh năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiêu liệu nhập khẩu, đồng thời cũng đem lại lợi nhuận và việc làm cho người dân

b) Nhược điểm

Như chúng ta đã biết, việc phát triển nhiên liệu sinh học (có nguồn gốc thực vật) sẽ làm giảm diện tích canh tác cây lương thực khác do đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, đe dọa đến an ninh lương thực

Công nghệ đầu tư sản xuất nhiên liệu sinh học yêu cầu khá cao, do đó làm giá thành của nó cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch Đặc biệt với những nước chậm phát triển hoặc đang phát triển như nước ta thì việc phát triển nhiên liệu sinh học là tương đối khó khăn

Một cản trở nữa cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học là phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện nuôi trồng động thực vật Việc nuôi trồng này chịu ảnh hưởng rất nhiều vào môi trường như: thời tiết, phong tục tập quán, vùng miền…, tất cả những điều trên làm cho việc sản xuất nhiên liệu không được diễn ra liên tục

2.3 Thực trạng sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

2.3.1 Thực trạng và tính kinh tế

Lên men đường và sản xuất ethanol là công nghệ cổ truyền, đang được áp

phẩm hơn nữa thì cần phải cải tiến công nghệ và tìm kiếm các nguồn sinh khối rẻ hơn (giá nguyên liệu chiếm 55 – 80% giá sản phẩm cuối)

Để dùng làm nhiên liệu, ethanol phải ở dạng cồn tuyệt đối (xấp xỉ 100%), hiện nay người ta đang tiếp tục cải tiến khâu loại bỏ triệt để nước từ sản phẩm bằng cách sử dụng phương pháp lọc màng phân tử

Còn một công nghệ sản xuất ethanol khác là thông qua con đường khí hóa nhiên liệu, song rất phức tạp và không kinh tế

Chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất ethanol từ hạt ngũ cốc tại châu Âu dự tính khoảng 290 euro/kW nhiệt (đối với nhà máy 400kW nhiệt) Nếu đầu tư dài hạn chi phí có thể giảm tới 40% Nếu nhà máy sản xuất ethanol từ nguồn

gỗ thì chi phí đầu tư ngắn hạn khoảng 350 euro/kW nhiệt, nếu đầu tư dài hạn thì chi phí giảm 50%

Chi phí sản xuất ethanol từ đường và ngũ cốc tại châu Âu và Mỹ hiện khá cao: 15 – 25 euro/GJ (1Giga Jun = 109 Jun) từ củ cải ngọt và 20 euro/ GJ từ ngô, tức

là ethanol có giá khoảng 0,32 – 0,54 euro/lít Nếu sản xuất từ nguồn xenlulo, giá ethanol chỉ cỏn 0,11 – 0,32 euro/lít Nếu nguyên liệu đầu vào có giá 42 euro/tấn thì giá thành 1 lít ethanol sẽ hạ xuống 0,28 euro Nếu nguyên liệu tận dụng không mất chi phí thì giá 1 lít ethanol còn 0,17 euro Vì nhiệt lượng của ethanol thấp hơn so với xăng nên thực tế chi phí sử dụng ethanol sẽ cao hơn xăng với thể tích tương đương

2.3.2 Chiến lược phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học ở nước ta

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định 177/2007/QĐ – TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu là phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường

Theo Đề án, mục tiêu đến giai đoạn 2011 – 2015, nước ta làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học, ứng dụng ngành công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn nguyên liệu cho quá trình

chuyển hóa sinh khối thành nhiêu liệu sinh học Đến năm 2015, sản lượng ethanol

và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước Tầm nhìn tới năm 2025, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước

Đề án có 4 nhiệm vụ chủ yếu và 6 giải pháp chính để phát triển nhiên liệu sinh học Bốn nhiệm vụ đó là:

- Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ (R – D)

- Triển khai sản xuất thử sản phẩm (P) phục vụ phát triển nhiên liệu sinh học

- Hình thành và phát triển ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học

- Xây dựng tiềm lực phục vụ phát triển nhiên liệu sinh học và hợp tác quốc tế trên cơ sở chủ động tiếp nhận, làm chủ và chuyển giao các tiến bộ kỹ thuật, công nghệ, thành tựu khoa học mới trên thế giới

Sáu giải pháp bao gồm:

- Đẩy mạnh việc triển khai ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất, khuyến khích thực hiện chuyển giao công nghệ và tạo lập môi trường đầu tư phát triển nhiên liệu sinh học

- Tăng cường đầu tư và đa dạng hóa các nguồn vốn để thực hiện có hiệu quả các nội dung của Đề án

- Tăng cường xây dựng cơ sở vật chất kỹ thuật và đào tạo nguồn nhân lực phục

vụ nhu cầu phát triển nhiên liệu sinh học

- Hoàn thiện hệ thống cơ chế, chính xách, văn bản quy phạm pháp luật để phát triển nhiên liệu sinh học

- Mở rộng và tăng cường hợp tác quốc tế để học hỏi kinh nghiệm về phát triển nhiên liệu sinh học

- Nâng cao nhận thức cộng đồng về phát triển nhiên liệu sinh học

2.4 Kết luận chương II

Như đã trình bày ở trên, nhiên liệu sinh học có rất nhiều loại dùng trong động cơ đốt trong nhưng nhiên liêu ethanol thì có ưu điểm hơn hẳn Nhiên liệu sinh

học hiện nay sử dụng trong giao thông vận tải là ethanol sinh học, diesel sinh học và xăng pha ethanol Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá…)

Như vậy, việc phát triển nhiên liệu sinh học có lợi về nhiều mặt như giảm đáng kể các khí độc hại như SO2, CO, CO2 (khí nhà kính), các hydrocacbon chưa cháy hết, giảm cặn buồng đốt,… mở rộng nguồn năng lượng, đóng góp vào an ninh năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiêu liệu nhập khẩu, đồng thời cũng đem lại lợi nhuận và việc làm cho người dân

CHƯƠNG III: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ AVL BOOST

3.1 Giới thiệu chung

3.1.1 Giới thiệu phần mềm AVL Boost

Phần mềm AVL Boost bắt đầu được phát triển từ năm 1992, qua một giai đoạn phát triển từ đó đến nay, phần mềm này đã và đang ngày càng được phát triển hơn nữa Phiên bản mới nhất của phần mềm AVL Boost hiện nay là AVL Boost

2011 Gói phần mềm Boost bao gồm một bộ tiền xử lý tương tác sẽ hỗ trợ với bộ xử

lý dữ liệu đầu vào cho các chương trình tính toán chính Quá trình phân tích kết quả

sẽ được hỗ trợ bởi một bộ hậu vi xử lý tương tác Công cụ tiền xử lý trên AVL Workspace Graphical User Interface đặc trưng bởi một mô hình sắp xếp và một chỉ dẫn của dữ liệu đầu vào cần thiết Mô hình tính toán của động cơ được thiết kế bằng cách lựa chọn các phần tử cần thiết từ cây thư mục đã hiển thị bằng cách kích đúp chuột và kết nối chúng bằng các phần tử đường ống Theo cách này ngay cả những động cơ kết cấu rất phức tạp cũng có thể được mô hình hóa một cách đơn giản Chương trình chính cung cấp các thuật toán mô phỏng được tối ưu hóa cho tất cả các phần tử Dòng chảy trong ống được coi như là dòng một chiều Theo đó các áp suất, nhiệt độ và vận tốc dòng chảy thu được từ các phương trình khí động học biểu diễn giá trị trung bình qua mặt cắt của đường ống Tổn thất dòng chảy do hiệu ứng

ba chiều, tại các vị trí cụ thể trong động cơ, được xét đến bởi hệ số cản thích hợp Trong trường hợp hiệu ứng ba chiều cần xét đến chi tiết hơn, một liên kết nối với

mô hình dòng chảy 3 chiều của AVL mã hiệu FIRE sẽ tồn tại Điều này có nghĩa rằng một mô hình đa chiều của dòng trong những chi tiết quan trọng của động cơ

có thể được kết hợp với một mô hình một chiều của một chi tiết khác Đặc trưng này có lợi ích riêng cho mô phỏng chuyển động trong xylanh, quá trình quét khí của động cơ 2 kì hay mô phỏng chuyển động phức tạp trong các phần tử giảm thanh Công cụ hậu xử lý IMPRESS CHART và PP3 phân tích rất nhiều các kết quả dữ liệu khác nhau từ mô hình hóa Tất cả các kết quả có thể được đem so sánh với các điểm đo hoặc kết quả tính toán trước đó Ngoài ra, phần mềm còn cho phép trình

diễn kết quả dạng hình động Điều này góp phần cho việc phát triển các giải pháp tối ưu với các vấn đề của người dùng, [6]

3.1.2 Tính năng cơ bản

Phần mềm AVL Boost bao gồm những tính năng cơ bản sau :

- Mô phỏng động cơ 2 kỳ, 4 kỳ, động cơ không tăng áp, động cơ tăng áp

- Mô phỏng các chế độ làm việc, chế độ chuyển tiếp của động cơ

- Tính toán thiết kế và tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ như quá trình cháy, quá trình trao đổi khí, quá trình phát thải độc hại

- Có khả năng kết nối với các phần mềm khác (liên kết động) để mô phỏng với các dữ liệu động

3.1.3 Tính năng áp dụng

AVL Boost là một công cụ mô phỏng chu trình công tác và quá trình trao đổi khí của động cơ Boost cho phép xây dựng mô hình đầy đủ của toàn thể động cơ bằng cách lựa chọn các phần tử có trong hộp công cụ và nối chúng lại bằng các phần tử ống nối Giữa các đường ống, người ta sử dụng các phương trình động lực học, [6]

Đây là một công cụ mô phỏng tin cậy, nó cho phép giảm thời gian phát triển động cơ bằng công cụ mô phỏng và nghiên cứu động cơ chính xác, tối ưu hóa kết cấu và quá trình ngay ở giai đoạn tạo mẫu động cơ mà không cần đến mô hình cứng

AVL Boost cho phép tính toán các chế độ tĩnh và động Boost có thể dùng để tối ưu hóa ở chế độ tĩnh các hệ thống nạp và thải, đóng mở xupáp, phối hợp các bộ phận tăng áp và ước lượng tính năng của các động cơ mới Boost cũng là một công

cụ lý tưởng cho việc tối ưu hóa các đặc trưng chuyển tiếp của động cơ ở thời kỳ đầu, khi động cơ chưa được chế tạo, nhưng có tính đến cả hệ truyền động của phương tiện Ngoài ra Boost còn cho phép xây dựng mô hình điều khiển động cơ các chức năng quan trọng của hệ thống điều khiển động cơ mà không cần tới các phần mềm bên ngoài Boost có thể dễ dàng kết nối với Matlab, Simullink và phần mềm CFD 3D AVL Fire

Các ứng dụng điển hình của phần mềm AVL Boost bao gồm 8 ứng dụng sau :

- Xác định đặc tính mômen, tiêu hao nhiên liệu

- Thiết kế đường nạp, thải

- Tối ưu hóa thời điểm đóng mở xupáp

- Phối hợp với cụm tăng áp, van xả

- Phân tích về âm thanh (độ ồn trên đường nạp, thải)

- Phân tích quá trình cháy và hình thành khí thải

- Luân hồi khí thải

- Độ thích ứng của cụm tăng áp

3.1.4 Giao diện của phần mềm AVL Boost

Các phiên bản gần đây cũng đã chú ý tới vấn đề thuận lợi cho người sử dụng nhằm mục đích làm sao có thể khai thác và ứng dụng có hiệu quả các khả năng của phần mềm Để có được các thuận lợi đó, các nhà lập trình đã thiết kế cấu trúc giao diện của phần mềm như hình 3.1

Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL Boost