NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG/ETHANOL - BUTANOL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Về lựa chọn hỗn hợp phù hợp với động cơ DAEWOO- A16DMS khi sử dụng nhiên liệu sinh học đó là hỗn hợp E15+Bu5 xét theo tiêu chí ô nhiễm, đây là tỷ lệ hỗn hợp ở tất cả các chế độ vận hành

Trang 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

Trang 2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS TRẦN VĂN NAM

Đà Nẵng – Năm 2018

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả thực nghiệm đo đạc của luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước những lời cam đoan của mình

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Trành

Trang 4

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG/ ETHANOL –BUTANOL

Tóm tắt Song song với sự phát triển kinh tế - xã hội, thì năng lượng và môi trường cũng

là một vấn đề đang được quan tâm Chính sách năng lượng và môi trường luôn được đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến lược phát triển đất nước Việt Nam đang nằm trong bối cảnh chung của thế giới, đó là sự cạn kiệt dần về năng lượng

(xăng, dầu, khí đốt.vv ) và sự ô nhiễm môi trường

: “Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần khí thải của động cơ sử dụng xăng/ ethanol –butanol” Đây là vấn đề cần thiết phải nghiên cứu thực nghiệm

nhằm chứng minh được những cơ sở lý thuyết của việc ứng dụng ethanol, butanol cho động cơ xăng, góp phần nâng cao tỷ lệ phối trộn cồn trên 15 % đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho động cơ sử dụng xăng sinh học

Về lựa chọn hỗn hợp phù hợp với động cơ DAEWOO- A16DMS khi sử dụng nhiên liệu sinh học đó là hỗn hợp E15+Bu5 xét theo tiêu chí ô nhiễm, đây là tỷ lệ hỗn hợp ở tất cả các chế độ vận hành của băng thử động cơ đều có độ phát thải CO và

HC thấp hơn xăng E5 còn độ phát thải CO2 tương đương với xăng E5

In parallel with socio-economic development, energy and the environment are also a concern Energy and environment policy is always placed at the top of every country in the country's development strategy Vietnam is in the global context

of energy depletion (gasoline, oil, gas, etc.) and environmental pollution "Experimental study identifies exhaust gas composition of gasoline / ethanol-butanol engines." It is a matter of practical research to prove the theoretical basis for the use of ethanol, butanol for gasoline engines, contributing to an increase

in the mixing ratio of more than 15% for energy security , minimizing environmental pollution for engines using bio-fuel

The selection of suitable mixes with the DAEWOO-A16DMS engine when using biofuel is a mixture of E15 + Bu5 based on pollution criteria, which is the mixture ratio in all operating modes of the ice All engines have lower CO and HC emissions than E5 and CO2 emissions are equivalent to E5

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN 4

3 ĐỔI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

3.1 Đối tượng nghiên cứu 4

3.2 Phạm vi nghiên cứu: 4

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

5 CƠ SỞ VẬT CHẤT PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU 4

6 CẤU TRÖC CỦA LUẬN VĂN 5

Chương 1: TỔNG QUAN 6

1.1 VIỄN CẢNH VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH 6

1.1.1 Vấn đề môi trường và biến đổi khí hậu hiện nay 6

1.1.2 Tính cấp thiết của việc tìm nguồn năng lượng sạch 8

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 10

1.2.1 Sử dụng nhiên liệu sinh học của một số quốc gia trên thế giới 10

1.2.2 Tình hình sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam 12

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 15

Chương 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 16

2.1.1 Cơ chế hình thành CO 16

2.1.2 Sự hình thành hydrocarbure (HC) 18

2.1.3 Sự hình-thành NOx 21

2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ XẢ 23

2.2.1 Ảnh hưởng của đặc điểm kết cấu động cơ 23

2.2.2 Ảnh hưởng của hệ thống điều khiến động cơ 24

2.2.3 Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu xăng 25

2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng khác 27

2.3 CÁC TIÊU CHUẨN VỀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 27

2.3.1 Tiêu chuẩn khí thải là gì? 27

Trang 6

2.3.2 Tiêu chuẩn khí thải châu Âu (Theo nguồn tài liệu European Union) 27

2.3.3 Tiêu chuẩn khí thải của một số nước khác (Nhật Bản, Hoa kỳ ), 30

2.3.4 Tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam 33

2.3.5 Lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải của Việt Nam 35

2.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CHỈ TIÊU HOÁ LÝ CÁC MẪU XĂNG 38

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 42

3.1 MÔ TẢ THIẾT BỊ 42

3.1.1 Hệ thống phòng thử nghiệm động cơ và thiết bị hỗ trợ 42

3.1.2 Băng thử công suất APA 204/08 43

3.1.3 Thiết bị đo và phân tích thành phần khí thải KEG-500 động cơ xăng 43

3.1.4 Thiết bị đo cấp và đo tiêu hao nhiên liệu 733-753AVL 45

3.1.5 Đối tượng thử nghiệm Động cơ A16 DMN: 46

3.2 PHƯƠNG PHÁP PHỐI TRỘN NHIÊN LIỆU 46

3.3 QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 46

3.4 KẾT QUẢ SO SÁNH THỰC NGHIỆM ĐO THÀNH PHÀN KHÍ THẢI 51

3.4.1 Diễn biến phát thải của động cơ DAEWOO A16-DMS khi sử dụng nhiên liệu E5, (E10+Bu5) và E15 Error! Bookmark not defined 3.4.1.1 Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ không tải (tốc độ động cơ: 1200 v/p) 51

3.4.1.2 Diễn biến thành phần phát thải CO, CO2, HC ở chế độ tải không đổi (ct = costan) thay đổi tốc độ động cơ(n ) 53

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 72

4.1 PHÂN TÍCH SO SÁNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI CỦA BA HỖN HỢP E10+B5, E15+B5 VÀ E20+B5 SO VỚI XĂNG HIỆN HÀNH E5 73

4.1.1 Trường hợp động cơ chạy không tải

4.1.2 Trường hợp động cơ chạy ở chế độ tải 30% vị trí bướm ga

4.1.3 Trường hợp động cơ chạy ở chế độ tải 50% vị trí bướm ga

4.1.5 Trường hợp động cơ chạy ở chế độ tải 90% vị trí bướm ga 80

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 84

I- KẾT LUẬN 84

II- HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 85

III- KIẾN NGHỊ 86

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Các ký hiệu mẫu tự La tinh:

a, b Các hằng số phụ thuộc vào cấu tạo động cơ

Cm [m/s] Tốc độ trung bình piston

Gnl [kg/h] Lƣợng tiêu hao nhiên liệu giờ

gi [kg/kW/h] Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

ge [kg/kW/h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

Me [N/m] Mô men ở đầu ra trục khuỷu

Memax [N/m] Mô men cực đại

M0 [Kmol/kg] Lƣợng không khí lý thuyết

M1 [Kmol/kg] Lƣợng môi chất thực tế đi vào xi lanh

Ne [kW] Công suất có ích động cơ

Nedm [kW] Công suất định mức

Nemax [kW] Công suất có ích cực đại

N [v/ph] Số vòng quay động cơ

ndm [v/ph] Số vòng quay định mức

ngemin [v/ph] Số vòng quay ứng với ge nhỏ nhất

nmax [v/ph] Số vòng quay cực đại

nM [v/ph] Số vòng quay ứng với Me cực đại

pe [N/m2] Áp suất có ích trung bình

Trang 8

Ký hiệu Thứ nguyên Diễn giải

pi [N/m2] Áp suất chỉ thị trung bình

pk [N/m2] Áp suất trước xupáp nạp

pm [N/m2] Áp suất tổn hao cơ giới

pmmin [N/m2] Áp suất tổn hao cơ giới nhỏ nhất

QH [J/kg] Nhiệt trị thấp của 1 kg nhiên liệu

Trang 9

3 Các chữ viết tắt:

AFR Air Fuel Ratio (Tỉ lệ không khí/nhiên liệu)

ASTM American Society for Testing and Materials (Hiệp hội

vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ)

ATDC After Top Dead Center (Trước điểm chết trên)

AVL Hãng sản xuất các trang thiết bị thí nghiệm động cơ của

Áo APA Asynchron Pendelmaschi Nen Anlage (Băng thử công

suất) B5 Butanol 5% (Nhiên liệu sinh học B5)

BP Bristish Petroleum (Tập đoàn dầu khí Anh Quốc)

CFC Chlorofluorocacbons (Chất khí hóa học gây suy giảm

ESA Electronic Spark Advance (Hệ thống đánh lửa điện tử)

EU European Union (Liên minh Châu Âu)

ETBE Ethyl Tertiary-Butyl Ether (Chất phụ gia ôxy hóa)

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

quốc) FVI Fuel Volatility Index (Chỉ số hóa hơi nhiên liệu)

FBP Final Boiling Point (Điểm sối cuối)

GC Gas Chromatography (Sắc khí)

Trang 10

Ký hiệu Diễn giải

Gasohol Hỗn hợp xăng pha cồn

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change (Tổ chức liên

chính phủ về biến đổi khí hậu toàn cầu)

LHV Low Heating Value (Nhiệt trị thấp của nhiên liệu)

MTBE Methyl Tertiary-Butyl Ether (Hỗn hợp giữa metanol và iso

Buthens)

ppm Parts Per Million (phần triệu)

PONA Paraffins-Olefins-NaphtheNes Analysis

(Tính toán nhóm ankan, anken và naptalen) RON Research Octane Number (Chỉ số octan nghiên cứu)

rpm Revoletion Per Minute (Tốc độ vòng trên phút)

RVP Reid Vapor pressure (Áp suất hóa hơi)

USD United States Dollar (Đồng tiền đôla Mỹ)

TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam

WTO World Trade Organization (Tổ chức thương mại thế giới)

ZEOLITE Khoáng chất tự nhiên (Một thành phần của nhóm hỗn hợp

Alumino-Silicat đã được hyđrat hoá)

Trang 11

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Dự đoán lượng tiêu thụ năng lượng dến năm 2030 1 Bảng 1.1 Sản lượng cồn của các vùng kinh tế năm 2000 15 Bảng 1.2 Tình hình sản xuất cồn - nguyên liệu pha chế xăng sinh

học ở nước ta

17 Bảng 2.1 Tổng hợp ảnh hưởng của một số yếu tố đến thải khí độc 30 Bảng 2.2 Thống kê về sự phát sinh các chất ô nhiễm liên quan đế

quá trình phát triên công nghệ của hệ thống nhiên liệu

31

Bảng 2.3 Tiêu chuẩn phát thải cho xe khách, g/km 35 Bảng 2.4 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe thương mại hạng nhẹ 28 Bảng 2.5 Tiêu chuẩn khí thải đôi với xe tải và xe buýt (Động cơ

Bảng 2.8 Tiêu chuẩn Nhật Bản đối vói ô tô du lịch sử dụng động cơ

xăng

31

Bảng 2.9 Tiêu chuẩn Nhật Bản đối với ôtô vận tải nhẹ sử dụng động

cơ xăng hay GPL

32 Bảng 2.10 Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải 32 Bảng 2.11 Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khi

xả của các phương tiện vận tải

Bảng 2.15 Kết quả phân tích chỉ tiêu hoá lý các mẫu xăng:

RON92; E5; E20 và (15E+Bu5)

37

Bảng 4.1 Diễn biến phát thải của các hỗn hợp nhiên liệu E10+ B5,

E15+B5, E20+B5 và E5 ở chế độ không tải

72

Trang 12

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Biểu đồ lượng tiêu thụ và dự đoán theo nguồn năng

lượng thế giới

2

Hình 1.1 Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất 6

Hình 1.2 Đồ thị tương quan giữa mức phát thải thực tế và các

dự đoán về mức phát thải CO2 và gia tăng nhiệt độ của IPCC đến năm 2100

7

Hình 1.3 Tình hình khai thác dầu trên thế giới 8

Hình 1.4 Tiêu thụ xăng và khí hóa lỏng của các quốc gia trên thế

giới

8

Hình 1.6 Triển vọng sản lượng ethanol toàn thế giới 10

Hình 1.7 Sản xuất và tiêu thụ Ethanol ở Braxin 11

Hình 1.8 Tốp các nước có sản lượng và năng suất sắn cao nhất thế

Hình 2.8 Biến thiên nồng độ NO theo hệ số dư lượng không khí 22

Hình 3.1 Bố trí hệ thống các trang thiết bị phòng thử nghiệm động

cơ đốt trong

39

Hình 3.3 Đặc tính công suất và mô men băng thử APA204/08 41

Trang 13

Hình 3.4 Thiết bị phân tích khí thải KEG-500, KOREA 42

Hình 3.5 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 733AVL 42

Hình 3.6 Biểu đồ phát thải khí CO ở chế độ không tải của [E5,

Hình 3.9 Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 30% khi thay đổi số vòng

quay động cơ của [E5, (E10+BU5) VÀ E15]

49

Hình 3.10 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 30% khi thay đổi số vòng

50

Hình 3.11 Biểu đồ phát thải khí HC ở tải 30% khi thay đổi số vòng

50

Hình 3.12 Biểu đồ phát thải khí CO ở tải 50% khi thay đổi số vòng

51

Hình 3.13 Biểu đồ phát thải khí CO2 ở tải 50% khi thay đổi số vòng

51

52

53

54

55

Trang 14

Hình 3.21 Biểu đồ phát thải khí CO ở chế độ không tải của [E5,

57

58

59

60

61

62

Trang 15

Hình 3.38 Biểu đồ phát thải khí HC ở chế độ không tải của [E5,

(E20+BU5) VÀ E25]

64

65

66

67

68

69

70

Hình 4.1 Diễn biến phát thải của các mẫu nhiên liệu E10+B5;

E15+B5; E20+B5 và E5 ở chế độ không tải

Trang 16

Hình 4.6 Diễn biến phát thải CO2 của các mẫu nhiên liệu E10+B5;

Trang 17

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Song song với sự phát triển kinh tế - xã hội, thì năng lượng và môi trường cũng

là một vấn đề đang được quan tâm Chính sách năng lượng và môi trường luôn được đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến lược phát triển đất nước Việt Nam đang nằm trong bối cảnh chung của thế giới, đó là sự cạn kiệt dần về năng lượng (xăng, dầu, khí đốt.vv ) và sự ô nhiễm môi trường

Trong tương lai những nguồn nhiên liệu hoá thạch (xăng, dầu, khí đốt vv ) sẽ dần dần bị cạn kiệt và đây đang là một trong những vấn đề nóng bỏng của cả thế giới Với mức độ tiêu thụ hiện tại, khối lượng này sẽ chỉ đủ dùng trong khoảng 40 đến 50 năm nữa

Bảng 1: Dự đoán lượng tiêu thụ năng lượng dến năm 2030 [20]

Trang 18

Hình 1: Biểu đồ lượng tiêu thụ và dự đoán theo nguồn năng lượng thế giới

Theo công bố của Cục Đăng kiểm Việt Nam kết quả về khảo sát và nghiên cứu

về môi trường đô thị thì hầu hết các loại khí độc hại như HC, CO, CO2, SO2, NOxtrong môi trường không khí tại các đô thị Việt Nam đều vượt tiêu chuẩn cho phép Ở những nơi mật độ giao thông cao, những điểm thường có tình trạng ùn tắc giao thông thường xuyên thì mức độ ô nhiễm và các chất độc hại trên tăng gấp hơn hai lần so với tiêu chuẩn cho phép

Một trong những tác nhân gây ra ô nhiễm không khí chính là khí xả của động

cơ bao gồm: khí thải do đốt cháy nhiên liệu, bụi và tiếng ồn Trong đó, khí thải do đốt nhiên liệu có mức độ gây ô nhiễm môi trường lớn nhất

Trang 19

Hình 2: Thực trạng ô nhiễm môỉ trường hiện nay [37]

Môi trường không khí bị ô nhiễm đã và đang gây hại đến sức khỏe con người đồng thời gây thiệt hại cho nền kinh tế Trước thực trạng lượng xe cơ giới ngày một tăng, trong một vài năm tới Việt Nam muốn giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí thì cách tốt nhất là phải kiểm soát được việc phát thải của các phương tiện cơ giới tham gia giao thông mà trong đó việc thử nghiệm sử dụng nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học cũng là một vấn đề góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Lộ trình và đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ

Ngày 22 tháng 11 năm 2012, Thủ tướng Chính phủ đã có quyết định số 53/2012/QĐ-TTg “Về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống” Theo đó từ ngày 01 tháng 12 năm 2015 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E5 và từ ngày 01 tháng 12 năm 2017 là xăng E10 Trước đó

theo “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”

thì đến năm 2025 sản lượng nhiên liệu sinh học (ethanol và biodiesel) đạt khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước, nghĩa là cần phải sử dụng “xăng E30” làm nhiên liệu cho các phương tiện cơ giới

Lộ trình sử dụng xăng sinh học E5 và E10 là cơ sở thực tế để tiến tới nâng cao

tỷ lệ phối trộn ethanol trong xăng sinh học Tuy nhiên ethanol với tính chất có nhiệt ẩn hóa hơi lớn và có nhiệt trị thấp hơn xăng nên khi tăng cao (trên 15%) tỷ lệ phối trộn của ethanol trong xăng sinh học cần giải quyết một số vấn đề như tăng lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo công suất động cơ, giảm nguy cơ ngưng tụ của ethanol trên

Trang 20

và tăng tốc của động cơ Những thay đổi trên làm cho nhiên liệu không còn phù hợp với động cơ, nên cần có một số thay đổi về kết cấu động cơ như thay đổi góc đánh lửa sớm, góc phun sớm nhiên liệu v.v Hoặc cần phải có một dung môi để cải thiện những nhược điểm trên của nhiên liệu mà không cần thay đổi kết cấu của động cơ, và dung môi đó chính là Butanol Một trong những dung môi phù hợp nhất vì các ưu điểm của nó khắc phục được nhược điểm trên làm cho tỷ lệ % phối trộn cồn trong xăng được nâng cao góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Đó chính

là lí do tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần khí thải của động cơ sử dụng xăng/ ethanol –butanol” Đây là vấn đề cần thiết phải nghiên cứu

thực nghiệm nhằm chứng minh được những cơ sở lý thuyết của việc ứng dụng ethanol, butanol cho động cơ xăng, góp phần nâng cao tỷ lệ phối trộn cồn trên 15 % đảm bảo

an ninh năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho động cơ sử dụng xăng sinh học

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Xác định độ phát thải của động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu Xăng / Ethanol - Butanol so với xăng E5

3 ĐỔI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là động cơ thực nghiệm Daewoo A16-DMS

sử dụng nhiên liệu Xăng/Ethanol –Butanol và xăng E5 chạy trên băng thử APA204/E

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Chỉ tập trung nghiên cứu thực nghiệm tính khả dụng nhiên liệu Xăng / Ethanol

–Butanol qua các tỷ lệ (E10 + 5%B; E15 + 5%B; E20 + 5%B) trên động cơ

DAEWOO A16-DMS nhằm phân tích đánh giá so sánh mức độ phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu trên so với nhiên liệu E5 từ đó đưa ra tỷ lệ tối ưu nhất

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó:

Nghiên cứu lỷ thuyết: Về cơ chế hình thành của các chất phát thải ô nhiễm trong động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức

Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm đo đạc về các chỉ số ô nhiễm khí xả của động cơ DAEWOO A16-DMS sử dụng nhiên liệu sinh học (E10 + 5%B; E15 + 5%B; E20 + 5%B) và (E5; E15; E20; E25) Trên băng thử công suất APA 204/8, máy phân tích khí xả KEG-500 Phân tích, so sánh đánh giá kết quả thực nghiệm

5 CƠ SỞ VẬT CHẤT PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực nghiệm với các trang thiết bị hiện đại và có tính đồng bộ cao, bằng việc sử dụng hệ thống băng thử công suất APA 204/08tại phòng thí nghiệm động

cơ của khoa cơ khí giao thông trường Đại học bách khoa Đại học Đà Nẵng, đây là điều

Trang 21

kiện tốt nhất để có thể đánh giá một cách khoa học về những tác động ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học Xăng / Ethanol –Butanol đến mức độ phát thải của động cơ Còn phân tích thành phần các tính chất lý hóa của nhiên liệu xăng sinh học được thực nghiệm tại phòng thử nghiệm xăng dầu thuộc Công ty xăng dầu khu vực V

6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được trình bày trong 4 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

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Trang 22

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH

1.1.1 Vấn đề môi trường và biến đổi khí hậu hiện nay

a Vấn đề nóng lên của khí hậu toàn cầu hiện nay

Các thập kỷ qua, nhân loại đang chịu sự nóng khí hậu toàn cầu Nhiệt độ trái đất ngày càng tăng làm xáo trộn môi trường sinh thái, và gây ra nhiều hệ lụy đến đời sống loài người và sinh vật Các trung tâm khoa học nổi tiếng trên thế giới tiến đã hành nhiều công trình nghiên cứu quy mô toàn cầu về hiện tượng từ đầu thập kỷ 90 thế kỷ

XX Hội nghị quốc tế do Liên hiệp quốc triệu tập tại Rio de JaNeiro năm 1992 đã thông qua Hiệp định Khung và chương trình hành động quốc tế nhằm cứu vãn tình trạng xấu đi nhanh chóng của bầu khí quyển do trái đất ngày càng nóng lên Tại hội nghị Kyoto năm 1997, nghị định thư Kyoto đã được thông qua và đến đầu tháng 2/2005 đã được các nguyên thủ của 165 quốc gia phê chuẩn (trong đó có Việt Nam) Gần đây nhất, hội nghị lần thứ 18 Công ước khung Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (COP-18) tổ chức tại thủ đô Doha của Qatar cũng đã thông qua được việc tiếp tục gia hạn Nghị định thư Kyoto đến năm 2020, [14]

Hình 1 1 Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất

Thực trạng, Trái đất đang từng ngày từng giờ nóng lên, với tốc độ như vậy thì chiều hướng có thể còn nhanh hơn nữa trong tương lai Một trong những tác hại của biến đổi khí hậu đó là sự gia tăng của mực nước biển, khiến cho nhiều vùng đất sẽ bị ngập sâu trong nước Việt Nam là một nước có bờ biển dài, nằm ngay sát biển Đông một trong những biển lớn của thế giới Vì vậy, Việt Nam được xếp vào một trong những nước có nguy cơ chịu tác động rất nhiều của việc biến đổi khí hậu, cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển

Trang 23

Theo dự báo của IPCC thì tại Việt Nam, nhiệt độ sẽ tăng từ 0,3 - 0,5 độ C năm

2010, từ 1- 2 độ C vào năm 2020, từ 1,5 - 2 độ C vào năm 2070 Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ thì trong những năm gần đây hiện tượng bão lũ cũng xảy ra với tần suất

và cường độ mạnh hơn ở Việt Nam Sự tác động của biến đổi khí hậu mà cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển đang có xu hướng làm thu hẹp dần diện tích đất nông nghiệp của nước ta Với trên 3.000km bờ biển, Việt Nam được coi là quốc gia có mức

độ dễ bị tổn thương cao trước sự biến đổi khí hậu, [11]

b Vấn đề ô nhiễm môi trường từ nguồn năng lượng hóa thạch

Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không của một quốc gia nào Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt, có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật Việc khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: Rác thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng Nó còn tạo ra các cơn mưa axít làm hủy diệt các khu rừng và các cánh đồng Điều đáng lo ngại nhất là con người thải vào không khí các loại khí độc như: CO2 là chất khí đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, Nitơ 5%, CFC là 22% Có nhiều khả năng lượng

CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau, điều này sẽ thúc đẩy quá trình nóng lên của trái đất diễn ra nhanh chóng.[3]

năm

Hình 1 2 Đồ thị tương quan giữa mức phát thải thực tế và các dự đoán về mức phát

thải CO2 và gia tăng nhiệt độ của IPCC đến năm 2100 Nguồn:CDIAC

Trang 24

1.1.2 Tính cấp thiết của việc tìm nguồn năng lượng sạch

* Vấn đề an ninh năng lượng của thế giới

Năng lượng là vấn đề sống còn của toàn nhân loại, con người đang khai thác đến mức cao nhất các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá…), nhưng dự trữ của các nguồn nhiên liệu này ngày càng cạn kiệt với tốc độ rất nhanh Nguồn dữ liệu giai đoạn 1950-1914: Viện Worldwatch của Bộ Quốc phòng Mỹ

và cơ sở dữ liệu năng lượng; 1965-2014: dữ liệu từ BP, thống kê đánh giá của thế giới năng lượng tháng 6/2014 như hình 1 3 bên dưới, [3]

SẢN LƯỢNG KHAI THÁC DẦU MỎ THẾ GIỚI VÀ MỸ

Hình 1 3 Tình hình khai thác dầu trên thế giới [31]

Thời điểm 2014 này, mỗi ngày thế giới cần đến 95.5 triệu thùng dầu thô, nhưng trong vòng 20 năm nữa, nhu cầu này sẽ tăng lên 118 triệu thùng/ngày Như chúng ta

đã biết, 2/3 lượng dầu mỏ thế giới tập trung ở vùng Trung Cận Đông, nhu cầu tiêu thụ dầu tăng, có nghĩa sẽ phải đẩy mạnh sự cung cấp dầu từ khu vực này Bốn nước sở hữu dầu mỏ nhiều nhất là Arab Saudi, Iran, Iraq và Kuweit, [28]

Indiasia Oceania Brazil

Japan Russia United States

Trang 25

Hình 1.4 Tiêu thụ xăng và khí hóa lỏng của các quốc gia trên thế giới [28]

* Nguy cơ về cuộc khủng hoảng dầu mỏ mới

Sự biến động giá dầu trên thế giới hơn một thập kỷ qua khiến thế giới lo ngại sắp tới sẽ có thể xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng lần thứ ba kéo dài hơn, trầm trọng hơn 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 hóa thạch đang trên đà cạn kiệt, [30]

GIÁ DẦU THÔ THẾ GIỚI, 1861 ÷ 2012

Hình 1.5 Biến động giá dầu thô thế giới [30]

Tài nguyên dầu khí của nước ta phong phú có trữ lượng dầu mỏ xếp thứ 28 của thế giới với 44 triệu thùng với thời gian khai thác 40 năm Nhà máy lọc dầu Dung Quất đã đi vào hoạt động giai đoạn 2009 ÷ 2010 với công suất dầu thô khoảng 7 triệu tấn/ năm, sản lượng xăng dầu sản xuất được trong nước chỉ được khoảng 5 triệu tấn/năm, như vậy vẫn chưa đủ thoả mãn cho nhu cầu của nền kinh tế, vì hiện nay nhu cầu xăng dầu đã là 12 triệu tấn/năm, giai đoạn 2050 con số này sẽ lên đến 90 ÷ 98 triệu tấn/năm

Hầu như toàn bộ xăng dầu tiêu thụ trong nước phải nhập ngoại, tính đến hết tháng 5/2014, cả nước nhập khẩu 3,59 triệu tấn, tăng 13,7% Xăng dầu các loại nhập khẩu vào Việt Nam trong 5 tháng qua chủ yếu có xuất xứ từ: Singapore với gần 1,24 triệu tấn, tăng 33,2%; Đài Loan: 669 nghìn tấn, tăng 37,3%; Trung Quốc: 612 nghìn tấn, tăng 21,7%; Hàn Quốc: 344 nghìn tấn, tăng 26,1% so với 5 tháng/2013, [27] Tuy vậy, nước ta chưa có một chiến lược chủ động và toàn diện các giải pháp bảo đảm an ninh cung ứng xăng dầu, một mảng rất quan trọng về an ninh năng lượng quốc gia Vấn đề đáng quan tâm là ở chỗ, toàn bộ sản phẩm xăng dầu cho nền kinh tế

và cho hoạt động các phương tiện giao thông vận tải đường bộ, đường thủy, đường không lại lệ thuộc vào nhập khẩu với giá cao và bị động theo giá thị trường xăng dầu thế giới, [24]

Trang 26

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ

Ở VIỆT NAM

1.2.1 Sử dụng nhiên liệu sinh học của một số quốc gia trên thế giới

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, [25]

năm

Hình 1.6 Triển vọng sản lượng Ethanol toàn thế giới Nguồn: [25]

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

Trang 27

một tăng như hình 1.6 , 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

Hình 1.7 Sản xuất và tiêu thụ Ethanol ở Braxin [26]

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 Pha 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 Öc (chính thức 10%), Brazil (25%), Canada (10%), Thụy Điển (5%) và

Mỹ (lên đến 10%)

Trang 28

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 1.8 Tốp các nước có sản lượng và năng suất sắn cao nhất thế giới [36]

1.2.2 Tình hình sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam

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

TP Hồ Chí Minh và Đông Nam Bộ 19,5

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 bước đầu cho ra các mẻ sản phẩm đầu tiên Nguồn cung cấp cồn trong tương lai phụ thuộc vào sản lượng cồn của các công ty hiện có sau khi nâng cấp, mở

Trang 29

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

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 Cụ thể:

Theo Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg, tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống bao gồm các mức sau đây: hỗn hợp xăng không chì và ethanol nhiên liệu biến tính với hàm lượng ethanol từ 4% - 5% (hoặc 9% - 10%) theo thể tích

và được gọi là xăng E5( hoặc E10).Theo đó lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn Xăng E5

Từ ngày 1/12/2014, xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh, thành phố: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa - Vũng Tàu

Từ ngày 1/12/2015 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E5

Từ ngày 1/12/2016, xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh, thành phố: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa - Vũng Tàu là xăng E10

Từ 1/12/2017 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E10

Trong thời gian chưa thực hiện áp dụng tỷ lệ phối trộn theo lộ trình, khuyến khích các

tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế và kinh doanh xăng E5, E10 bên cạnh Diesel sinh học B5 và B10

Trang 30

Nhà

máy

Công suất thiết kế

(m3/năm)

Tổng vốn đầu

tư

nghệ

Nguyên liệu

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 (BSR)

Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), Công ty TNHH Motor N.A Việt Nam, Ngân

hàng TMCP Đông Nam Á (SeaBank)

Công ty Cổ phần Đồng

Xanh

Trung Quốc Sắn

Công ty TNHH Tùng

Lâm

Trung Quốc Sắn

Thế giới đã ghi nhận nhiều công trình khoa học nghiên cứu ứng dụng các giải

pháp sử dụng sao cho 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, [20]

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

Trang 31

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, [10]

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

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trước tình hình nguồn nhiên liệu hóa ngày càng cạn kiệt giá xăng dầu tăng, ô

nhiễm môi trường do khí thải ô tô và nhiệt độ trái đất ngày càng tăng, các nhà khoa

học trên thế giới đã và đang tìm các giải pháp để cứu vãn tình hình trên Một trong

những giải pháp đó, là tìm kiếm nguồn nhiên liệu tái tạo được để thay thế một phần

nhiên liệu hóa thạch Trong thời gian qua trên thế giới cũng như Việt Nam đã nghiên

và đưa ethanol, butanol pha vào xăng để dùng làm nhiên liệu Nhưng việc pha chỉ đơn

thuần giữa (ethanol với xăng hoặc butanol với xăng) Nhằm đa dạng hơn nguồn nhiên

liệu sinh học, việc nghiên cứu xăng/ Ethanol-Butanol làm nhiên liệu mang lại một số

kết quả ban đầu, nhất là trong lĩnh vực giảm thiểu ô nhiễm môi trường do sự phát thải

của động cơ đánh lửa cưởng bức gây ra

Trang 32

Chương 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA

1000 ppm Khoảng 70% CO trong khí quyển là do khí xả động cơ gây ra CO sinh ra

do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do phân giải sản phẩm của quá trình cháy, được hình thành tại khu vực cháy có nhiệt độ cao Nồng độ CO phụ thuộc mạnh vào thành phần hỗn hợp tức hệ số dư lượng không khí ( ), trong sản phẩm cháy của nhiên liệu C8H18 Ở nhiệt độ cao ngay cả hỗn hợp nghèo, phản ứng phân giải sản phẩm cháy cũng làm tăng nồng độ CO Hình 2.1 biểu diễn hệ số dư lượng không khí đến nồng độ CO trong sản phẩm cháy của nhiên liệu C8H18

Hình 2.1 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ CO

Động cơ làm việc ở chế độ thấp tải, do điều kiện cháy của hỗn hợp không thuận lợi từ đó hình thành những vùng cháy không hoàn toàn cục bộ, nên nồng độ CO trong khí xả cao cho dù λ khi nạp ở giá trị lý thuyết Do đó, ô tô xe máy chạy trong thành phố, thì sự phát sinh CO nhiều, do động cơ thường xuyên làm việc ở chế độ tải thấp

b Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO

Ảnh hưởng của áp suất nạp: Áp suất nạp càng nhỏ thì tốc độ cháy càng thấp, kéo theo sự giảm áp suất và nhiệt độ cực đại trong xy lanh, sẽ làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn, do đó làm tăng nồng độ CO trong sản phẩm cháy So sánh nồng độ

CO đo được trên đường xả và nồng độ CO cho bởi tính toán trình bày như trên hình 2.2

Trang 33

%CO

Hình 2.3 So sánh nồng độ CO trên đường xả cho bởi mô hình và thực nghiệm

Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm: Góc đánh lửa sớm cũng gây ảnh hưởng đến nồng độ CO trên đường xả Nếu đánh lửa trễ, quá trình cháy kéo dài, điều kiện cháy trở nên xấu đi sẽ làm khả năng cháy không hoàn toàn do đó làm tăng nồng độ CO

%CO

Trang 34

CO Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tăng quá lớn, động cơ sẽ làm việc không ổn định làm giảm tính kinh tế và tăng nồng độ HC Trên một số động cơ hiện đại lắp hệ thống hồi lưu khí xả EGR để khống chế NOx

2.1.2 Sự hình thành hydrocarbure (HC)

a Cơ chế hình thành HC

Sự phát sình hydrocarbure chưa cháy trong khí xả động cơ:

0 100 200 300 400

(Góc quay trục khuỷu sau ĐCT)

Hình 2.5 Biến thiên nồng độ các hyđrocarbure theo góc quay trục khuỷu

Trang 35

19

Sự phát sinh hydrocarbon chưa cháy gọi là HC HC bao gồm các thành phần hydrocarbure rất khác biệt, có hại đối vói sức khỏe Con người cũng như và môi trường HC hình thành do sự không đồng nhất của hỗn hợp và đặc biệt là ở khu vực gần vách buồng cháy (khu vực có nhiệt độ thấp)

Hình 2.5 biểu diễn sự biến thiên nồng độ các thành phần hydrocarbure theo góc quay trục khuỷu đo được trên thành buồng cháy của động cơ một xy lanh

Cơ chế tôi màng lửa: Tôi màng lửa diễn ra khi khí cháy tiếp xúc với thành buồng cháy, quá trình này xảy ra trong những điều kiện khác nhau: màng lửa bị làm lạnh khi tiếp xúc với thành trong quá trình dịch chuyển hoặc màng lửa bị dập tắt trong những không gian nhỏ liên thông với buồng cháy, như khe hở giữa piston và thành xy lanh (hình 2.6) Khi màng lửa bị tôi, nó giải phóng một lớp mỏng hỗn hợp chưa cháy hay cháy không hoàn toàn trên các bề mặt tiếp xúc (như: nắp xy lanh, xy lanh, piston,

xu páp ) hay ở những không gian chết

Bề dày của vùng bị tôi phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau như: nhiệt độ và

áp suất của hỗn hợp khí, tốc độ lan tràn màng lửa, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tình trạng bề mặt của thành buồng cháy, lớp muội than, nhiệt độ thành buồng cháy

Hình 2.6 sự hình thành HC do tôi màng lửa trên buồng cháy

Quá trình tôi màng lửa diễn ra theo hai giai đoạn: Trong giai đoạn đầu, màng lửa bị tắt khi nhiệt lượng hấp thụ vào thành buồng cháy cân bằng với nhiệt lượng do màng lửa tỏa ra sau đó diễn ra sự khuếch tán hay sự ô xy hóa nên nồng độ HC tại khu vực này nhỏ hơn nồng độ đo được khi tôi Mặt khác, những hydrocarbure thoát ra trong quá trình ô xy hóa ban đầu do màng lửa bị dập tắt có thế bị ô xy hóa trong quá trình giãn nở hay thải

Cuối cùng lớp dầu bôi trơn trên mặt gương xy lanh có thể hấp thụ hydrocarbure nhất là các hydrocarbure trước khi bén lửa và thải HC ra hỗn hợp cháy trong kỳ giãn

nở Quá trình hấp thụ và thải HC như vừa nêu đôi khi là nguồn phát sinh HC quan

Trang 36

trọng trong khí xả động cơ đốt trong

b Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC

Sự tôi màng lửa trên thành buồng cháy: Bề dày của lớp bị tôi thay đối từ 0,05

mm đến 0,4 mm phụ thuộc vào chế độ tải của động cơ Khi tải càng thấp thi lớp tôi càng dày Sau khi màng lửa bị dập tắt, những phần từ HC có mặt trong lớp tôi khuếch tán vào khối khí nhiệt độ cao trong buồng cháy và đại bộ phận bị ô xy hóa

Trạng thái bề mặt của thành buồng cháy cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh

HC như: nồng độ HC có thể giảm đi 14% trong trường hợp thành buồng cháy được đánh bóng so với buồng cháy ở dạng đúc thô Lớp muội than gây ảnh hưởng đến nồng

độ HC tương tự như trường hợp buồng cháy nhám

Các không gian chết trong buồng cháy: Các không gian chết như khe hở giữa piston với xéc măng và xy lanh, không gian quanh cực giữa của bugi, không gian quanh nấm và đế xu páp, không gian giữa thân máy, đệm và nắp xy lanh (hình 2.7), được xem là nguyên nhân chủ yếu phát sinh HC Ở thời điểm tăng áp suất nén, hòa khí được đẩy vào các không gian chết Trong giai đoạn cháy, màng lửa lan đến các khu vực này để đốt cháy hỗn hợp hoặc nó có thể bị tôi ngay trước khi vào trong không gian chết Sau khi màng lửa đến và bị tôi, khí cháy lại chui vào không gian chết cho đến khi

áp suất giảm chúng quay ngược lại xy lanh

4

Hình 2.7 nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lữa cưỡng bức

Các không gian chết có thể chứa từ 5 đến 10% hỗn họp trong xy lanh, lượng hỗn hợp này không cháy được trong quá trình cháy chính Trong giai đoạn giãn nở, khi quay ngược lại xy lanh một phần lượng khí trong không gian chết bị ô xy hóa, phần còn lại (hơn 50%) thoát ra ngoài theo khí xả

Vị trí của bugi cũng ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC; nếu bugi đặt gần không gian chết thì trong không gian đó có chứa một bộ phận sản phẩm cháy; ngược lại, nếu bugi đặt xa thì không gian chết chứa chủ yếu hỗn hợp khí chưa cháy

Trang 37

21 Lượng khí lọt xuống cate trong quá trình nén và cháy cũng là nguồn phát sinh

HC nếu nó được thải trực tiếp ra ngoài Nếu buồng cháy thiết kế hợp lý thì sẽ góp phần giảm đáng kể nồng độ HC trong khí xả

Sự hấp thụ và giải phóng HC ở màng dầu bôi trơn: Khi dầu bôi trơn được hòa

lẫn với nhiên liệu, như trường hợp động cơ xăng 2 kỳ, hay do dầu bôi trơn từ cate chui qua khe hở giữa pistom và xy lanh lên buồng cháy

Trong giai đoạn nạp, màng dầu bôi trơn được tráng lên mặt gương xy lanh ở trạng thái bão hòa hơi hydrocarbon ở áp suất nạp Khi cháy hết nhiên liệu, sự giải phóng hơi nhiên liệu từ màng dầu bôi trơn vào khí cháy bắt đầu và đồng thời quá trình này tiếp tục trong kỳ giãn nở và thải Trong quá trình, đó, một bộ phận hơi này sẽ hòa trộn với khí cháy nhiệt độ thấp, không bị ô xy hóa, góp phần làm tăng HC Lượng HC này tăng theo độ hòa tan của nhiên liệu trong dầu bôi trơn

Chất lượng quá trình cháy: Sự dập tắt màng lửa khi nó lan đến gần thành buồng

cháy là một trong những nguyên nhân làm tăng HC trong khí xả động cơ Màng lửa có thể bị tắt khi nhiệt độ và áp suất giảm nhanh Hiện tượng này diễn ra ở chế độ không tải hay tải nhỏ và tốc độ thấp với thành phần khí sót cao Ngay cả khi động cơ được điều chỉnh, tốt ở chế độ làm việc bình thường, sự dập tắt màng lửa cũng diễn ra ở chế

độ quá độ (gia tốc hay giảm tốc)

Sự ồ xy hóa HC trong kỳ giãn nở và thải: Sau khi thoát ra khỏi các không gian

chết, nhiên liệu chưa cháy khuếch tán vào khối sản phẩm cháy ở nhiệt độ cao và bị ô

xy hóa một cách nhanh chóng Sự ô xy hóa này càng thuận lợi khi lượng ô xy trong sản phẩm cháy càng nhiều (hỗn hợp nghèo) Lượng HC thải ra bao gồm nhiên liệu chưa cháy hết và các sản phẩm cháy không hoàn toàn Mặt khác, quá trình ô xy hóa cũng tiếp tục diễn ra trên đường xả làm giảm thêm nồng độ HC Vì vậy những điều kiện vận hành của động cơ làm gia tăng nhiệt độ khí xả và thời gian tồn tại của hỗn hợp trong buồng cháy dài sẽ làm tăng tỉ lệ HC bị ô xy hóa, tức làm giảm nồng độ HC khi thải ra ngoài

2.1.3 Sự hình thành NOx

a Cơ chế hình thành NOx

Cơ chế hình thành monoxyde nito (NO): Trong họ NOx thì NO chiếm tỉ lệ lớn nhất NOx chủ yếu do N2 trong không khí nạp vào động cơ tạo ra Sự hình, thành NO

do ô xy hóa ni tơ trong không khí có thể mô tả theo cơ chế Zeldovich Trong điều kiện

hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng chính tạo thành và phân hủy NO là:

O + N2 NO + N (2.1)

N + O2 NO + O (2.2)

N + OH N O + H (2.3) Phản ứng (2.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu NO tạo thành trong màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1 mm) và thời gian cháy rất ngắn Thêm vào đó, áp suất trong xy lanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt

Trang 38

độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên đa số NO hình thành trong khu vực sau màng lửa

Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ, nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ ô xy Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng tăng

N2 + O2 2NO (2.4)

Sự hình thành dioxyde nitơ: Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng:

NO2 + O NO + O2 (2.5) Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng (2.5) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy Vì vậy khi động cơ xăng làm việc kéo dài ở chế độ không tải thì nồng độ

NO2 trong khí xả sẽ tăng NO2 cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ tải thấp và có

sự hiện diện của ô xy

Sự hình thành protoxyde nitơ: N2O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian

NH và NCO khi chúng tác dụng với NO:

N2O chủ yếu được hình thành, ở vùng ô xy hóa có nồng độ nguyên tử H cao,

mà hydrogen là chất tạo ra sự phân hủy mạnh N2O theo phản ứng:

N2O + H NH + NO (2.8)

N2O + H N2 + OH (2.9) Chính vì vậy N2O chiếm tỉ lệ rất thấp trong khí xả của động cơ đốt trong

b Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành Oxyde nitơ

Ảnh hưởng của hệ so dư lượng không khí: Theo lý thuyết nhiệt độ cháy đạt cực

đại ứng với = 0,9, nghĩa là khi hỗn hợp giàu Tuy nhiên trong điều kiện đó nồng độ

O2 thấp nên nồng độ NO không đạt giá trị lớn nhất Khi λ tăng, ảnh hưởng của sự gia tăng áp suất riêng ô xy nên nồng độ NO lớn hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ cháy nên NO đạt giá trị cực đại ứng với λ 1,1 (hỗn hợp nghèo) Nếu λ tiếp tục tăng thi tốc

độ phản ứng tạo thành NO cũng giảm do nhiệt độ cháy thấp (hình 2.8)

Trang 39

23 0,8 1 1,2 1,4 λ

Hình 2.8 Biến thiên nồng độ NO theo hệ số dư lượng không khí

Ảnh hưởng của hệ số khí sót: Trước khi cháy, hỗn hợp trong xy lanh gồm

không khí, hơi nhiên liệu và khí sót Khí sót do khí cháy của chu trình trước còn sót lại Lượng khí sót phụ thuộc vào tải, góc phối khí và khoảng trùng điệp Mặt khác lượng khí sót còn phụ thuộc vào chế độ động cơ, thành phần hỗn hợp và tỉ số nén Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn tới giảm NOx Tuy nhiên, nếu hệ số khí sót quá lớn động cơ sẽ làm việc không ổn định làm giảm tính kinh

tế và tăng lượng HC

Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm: Góc đánh, lửa sớm có ảnh hưởng mạnh đến

sự phát sinh NOx Khi tăng góc đánh lửa sớm, điểm bắt đầu cháy xuất hiện sớm hơn trong chu trình công tác, áp suất cực đại xuất hiện gần điểm chết trên hơn do đó giá ừị của nó tăng lên, nên nhiệt độ cực đại cũng tăng lên và thời gian tồn tại nhiệt độ cao kéo dài Hai yếu tố này tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành NO

Tóm lại, tăng góc đánh lửa sớm làm tăng nồng độ NO trong khí xả Trong điều kiện vận hành bình thường nếu giảm góc đánh lửa sớm 10 độ, nồng độ NO có thể giảm 20% đến 30% ở cùng áp suất cực đại của động cơ

2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ XẢ

2.2.1 Ảnh hưởng của đặc điểm kết cấu động cơ

a Đặc điểm cấu tạo động cơ:

Đối với động cơ hai kỳ, chỉ thực hiện hai hành trình, trong hành trình nén, khi piston vừa đóng kín cửa nạp nhưng cửa thải chưa đóng kín hoàn toàn đã làm một phần hỗn hơp nhiên liệu thất thoát ra ngoài theo đường ống xả Ống xả có nhiệt độ cao do vậy hỗn hợp nhiên liệu này bị bốc cháy và cháy không hoàn toàn tạo ra sản phẩm cháy

có chứa CH, CO gây ô nhiễm môi trường Đặc điểm bôi trơn một số chi tiết của động

cơ xăng hai kì là dùng một lượng dầu bôi trơn pha chung với nhiên liệu do vậy mà trong quá trình cháy một phần dâu bôi trơn trong nhiên liệu cháy không hoàn toàn và sản phẩm của quá trình cháy có nồng độ HC tăng

Mặt khác, thời gian nén của động cơ hai kì ngắn hơn động cơ bốn kì vì vậy cần phải cung cấp một lượng phun nhiên liệu áp suất cao và thời gian ngắn đã làm phát sinh một lượng nhiên liệu bám trên vách xi lanh và thành buồng cháy không được bốc hơi tốt nên quá trình cháy không hoàn toàn làm tăng nồng độ HC trong khí xả

b Kết cấu buồng đốt

Quá trình cháy xảy ra phụ thuộc vào kết cấu của buồng cháy Buồng cháy có khả năng tạo xoáy lốc để hỗn hợp chuyển động trong buồng cháy dạng chảy rối thì sẽ tăng sự đồng nhất của hỗn hợp giúp cho quá trình cháy xảy ra hoàn thiện hơn Tuy nhiên nếu quá trình rối vượt quá giới hạn thì làm quá nhiệt lan truyền trong buồng cháy và làm quá trình cháy diễn ra quá nhanh động cơ sẽ bị gõ Đảm bảo quá trình cháy diễn ra nhanh giảm thời gian cháy xảy ra trong buồng đốt và sẽ giảm nhiệt độ của quá trình cháy giúp hạn chế sự phát sinh NOx

Trang 40

c Ảnh hưởng của tham số kết cấu:

Các tham số kết cấu ảnh hưởng đến việc thải khí độc bao gồm: Tỷ lệ diện tích

bề mặt buồng cháy và thể tích buồng cầáy (F/V), tỷ số S/D, thể tích xy lanh, tỷ số nén v.v

Bảng 2.1 Tổng hợp ảnh hưởng của một số yếu tố đến thải khí độc

d Ảnh hưởng của cơ cấu phân phối khí:

Ứng với mỗi động cơ nhất định, thời kỳ trùng điệp đã được tính toán hợp lý, nếu trong quá trình sử dụng, do điều chỉnh dẫn đến thời kỳ trùng điệp kéo dài sẽ có một lượng khí mới nạp vào sẽ thoát ra ngoài cửa thải do xu pap thải chưa đóng lại Khi đó một lượng hỗn hợp thất thoát trên đường ống xả vì vậy nồng độ HC gia tăng và gây ô nhiễm môi trường

Đối với các động cơ cũ, thời kỳ trùng điệp đã được tính toán và không thay đổi trong quá trình làm việc của động cơ ở các chế độ công tác Việc điều chỉnh góc độ phối khí cũng làm hài hòa giữa tính năng động cơ và mức độ phát ô nhiễm HC và NOx Gia tăng góc trùng điệp sẽ làm tăng lượng khí xả hồi lưu, do đó làm giảm NOx

Sự thay đổi quy luật phối khí cũng gây ảnh hưởng đến sự phát sinh HC

Động cơ mới ngày nay có khuynh hướng dùng nhiều xupáp với trục cam có thể điểu chỉnh được góc phối khí Giải pháp này cho phép giảm nồng độ HC và NOx từ 20% - 25% so với động cơ kiểu cũ có cùng tính năng kinh tế - kỹ thuật

2.2.2 Ảnh hưởng của hệ thống điều khiến động cơ

a Ảnh hưởng của hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu

Hệ thống cung cấp nhiên liệu có vai trò rất quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ và phát sinh ô nhiễm môi trường Việc hòa trộn tỉ lệ không khí /nhiên liệu thích hợp do nhiều tín hiệu liên quan cung cấp để đưa ra điều khiển lượng

Định dạng
Số trang	127
Dung lượng	6,86 MB