Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn ETHANOL DIESEL đến thành phần khí thải của động cơ DIESEL

ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Học viên: Đoàn Việt Bắc Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 60.52.01.16 Khóa: K30, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Ethanol

Trang 1

ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

Trang 3

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả được tôi trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Đoàn Việt Bắc

Trang 4

ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

Học viên: Đoàn Việt Bắc Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16 Khóa: K30, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Ethanol pha vào diesel DO0,05S để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là

một giải pháp sẽ làm phong phú thêm nguồn nhiên liệu cho tương lai, đồng thời giảm thiểu được ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra Tuy nhiên để có thể tổng quát hóa việc áp dụng, thì việc nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Ethanol-diesel đến thành phần khí thải của động cơ diesel cần được đánh giá bằng thực nghiệm Các kết quả đạt được của luận văn này chỉ ra sự cải thiện đánh kể về nồng độ các chất khí thải của động cơ EV2600 dùng nhiên liệu diesel DO0,05S pha thêm 3%, 5%, 7%, và 10% Ethanol Động cơ được thử nghiệm trên băng thử công suất Froude Kết quả thử nghiệm cho thấy nồng độ khí thải CO2[%] và NOx[ppm] của hỗn hợp DOE7 là thấp nhất và thấp hơn DO0,05S; Nồng độ khí thải giảm khi tăng phụ tải và đạt giá trị cực tiểu ở gần với chế độ phụ tải toàn tải (100% phụ tải - bắt đầu nhả khói đen)

Từ khóa - Ethanol; Diesel; ô nhiễm môi trường; tỷ lệ phối trộn; nồng độ khí thải EXPERIMENTAL STUDY ON THE EFFECT OF MIXING RATIOS OF ETHANOL - DIESEL TO EXHAUST GAS INGREDIENT OF DIESEL

ENGINES Summary - Ethanol blends into diesel DO0,05S as a fuel for internal combustion

engines as a solution that will enrich the fuel supply for the future, while minimizing the environmental pollution caused by emissions However, in order to generalize the application, the study on the effect of the mixing ratio of Ethanol-diesel on the exhaust gas composition of the diesel engine should be evaluated experimentally The results

of this thesis show an improvement in the emission levels of EV2600 diesel DO0.05S diesel fuel by adding 3%, 5%, 7%, and 10% Ethanol The engine was tested on the Froude test strip Test results showed that the CO2 concentration [%] and NOx [ppm]

of the DOE7 mixture were lowest and lower than DO0.05S; The exhaust gas concentration decreases as the load increases and reaches a minimum value close to the full load mode (100% charge - starts to release the black smoke)

Key words - Ethanol; Diesel; Environmental pollution; mixing ratio; exhaust gas

concentration

Trang 5

Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 VIỄN CẢNH VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH VÀ VẤN ĐỀ

Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG HIỆN NAY

1.1.1 Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay

1.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC ETHANOL NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel pha ethanol trên thế giới và các

nước trong khu vực

1.2.2 Tình hình sử dụng và nghiên cứu nhiên liệu sinh học diesel pha

ethanol ở Việt Nam

1.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ỨNG DỤNG ETHANOL NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG CHO ĐỘNG

CƠ DIESEL

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA DIESEL PHA ETHANOL

2.1.1 Giới thiệu chung về Ethanol

2.1.2 Thành phần hóa học và tính chất lý hóa

2.2 TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL PHA ETHANOL

2.2.1 Nhiệt trị

2.2.2 Tính bay hơi của nhiên liệu dùng trong động cơ Diesel

2.2.3 Tính lưu động ở nhiệt độ thấp và tính phun sương

2.2.4 Nhiệt độ bén lửa và nhiệt độ tự bốc cháy

2.2.5 Đánh giá tính tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu

2.2.6 Xác định tỉ lệ hòa trộn của hỗn hợp Diesel và Ethanol

2.2.7 Tính chất hỗn hợp nhiên liệu thực nhiệm

2.2.8 Đánh giá ưu nhược điểm của nhiên liệu hỗn hợp

2.3 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Trang 6

2.5 CÁC TIÊU CHUẨN VỀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL

2.5.1.Tiêu chuẩn khí thải châu Âu

2.5.2 Tiêu chuẩn khí thải của một số nước khác

2.5.3 Tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam

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

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

3.1.1 Mục tiêu, yêu cầu thực nghiệm

3.1.2 Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm

3.1.3 Hỗn hợp nhiên liệu thí nghiệm

3.2 QUI TRÌNH THỰC NGHIỆM

3.2.1 Cơ sở lý thuyết

3.2.2 Qui trình thực nghiệm

3.3 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TRÊN BĂNG THỬ ĐỘNG CƠ

3.3.1 Nhiên liệu diesel(DO)

3.3.2 Nhiên liệu 3% ethanol pha diesel (DOE3)

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

4.1 PHÂN TÍCH Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU DIESEL PHA ETHANOL 3%, 5%, 7%, 10%

4.1.1 Phân tích thành phần CO2 trong khí thải

4.1.2 Phân tích thành phần NOx trong khí thải

4.1.3 So sánh khí thải CO2 của các nhiên liệu DOE3, DOE5, DOE7,

DOE10 đối với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 4.1.4 So sánh khí thải NOx của các nhiên liệu DOE3, DOE5,

DOE7, DOE10 đối với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

4.1.5 Đánh giá ô nhiễm môi trường của động cơ khi sử dụng các loại

nhiên liệu DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10

KẾT LUẬN CHUNG

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỂ TÀI

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 7

Số hiệu

bảng Tên bảng Trang

2.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với Ethanol nhiên liệu biến tính, [3],[22] 9 2.2 So sánh các đặc tính lý hoá cơ bản của Ethanol và Diesel 11 2.3 Các thông số về độ nhớt 14 2.4 Bảng tính chỉ số cetane của hỗn hợp nhiên liệu 17 2.5 Tiêu chuẩn khí thải cho xe khách, g/km [24] 31 2.6 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe thương mại hạng nhẹ [24] 32

2.7 Tiêu chuẩn khí thải đối với xe tải và xe buýt (Động cơ Diesel,

2.8 Tiêu chuẩn liên bang về giới hạn độc hại động cơ diesel xe tải 34 2.9 Tiêu chuẩn khí thải cho xe con 35 2.10 Tiêu chuẩn khí thải đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ Diezen 35 2.11 Tiêu chuẩn khí thải ôtô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL 35 2.12 Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải 35

2.13 Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khi xả

của các phương tiện vận tải.[25] 37 2.14 Quy định thành phần khí thải cho phép theo TCVN 6438 – 2001 37 2.15 Quy định thành phần khí thải cho phép cho động cơ xăng 38 3.1 Đặc điểm kỹ thuật máy phân tích khí thải KGENG 46 3.2 Số liệu thực nghiệm nhiên liệu DO 50 4.1 Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên

liệu DOE3 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 63 4.2 Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên

liệu DOE10 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 66 4.5 Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải NOx của nhiên

liệu DOE3 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 67

Trang 8

liệu DOE5 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

4.7 Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải Nox của nhiên

liệu DOE7 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 68 4.8 Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải NOx của nhiên

liệu DOE10 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 69

Trang 9

điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 51 3.14 Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DO ở các

điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 52

Trang 10

điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%

3.16 Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE3 ở các

điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 53 3.17 Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE5 ở các

điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 53 3.18 Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE5 ở các

điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 54 3.19 Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE7 ở các

điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 54 3.20 Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE7

ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 55 3.21 Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE10 ở

các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 55 3.22 Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE10 ở

các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 56 4.1 Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7,

DOE10 tại 10% vị trí thanh răng 57 4.2 Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7,

DOE10 tại 70% vị trí thanh răng 59 4.5 Diễn biến nồng độ khí thải NOx của DO, DOE3, DOE5, DOE7,

DOE10 tại 70% vị trí thanh răng 62 4.9 Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE3 với DO ở các vị

trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 63

Trang 11

trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%

4.11 Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE7 với DO ở các vị

trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 65 4.12 Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE10 với DO ở các

vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 66 4.13 Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE3 với DO ở các vị

trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 67 4.14 Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE5 với DO ở các vị

trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 68 4.15 Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE7 với DO ở các vị

trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 69 4.16 Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE10 với DO ở các

vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 70

Trang 12

1 Danh mục các ký hiệu La Tinh :

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

Me [N/m] Mô men đầu ra trục khuỷu

Ne [kW] Công suất có ích động cơ

n [vòng / phút] Tốc độ động cơ

tn [0C] Nhiệt độ nước làm mát

tk [0C] Nhiệt độ không khí trên đường nạp

td [0C] Nhiệt độ dầu trong cácte

pd [MPa] Áp suất dầu

pph [MPa] Áp suất nâng kim phun

Qnl [ml / phút] Lưu lượng nhiên liệu

NLSH Nhiên liệu sinh học

NLBT Nhiên liệu biến tính

DOE3 Hỗn hợp diesel – ethanol với 97% diesel và 3% ethanol DOE5 Hỗn hợp diesel – ethanol với 95% diesel và 5% ethanol DOE7 Hỗn hợp diesel – ethanol với 93% diesel và 7% ethanol DOE10 Hỗn hợp diesel – ethanol với 90% diesel và 10% Ethanol ĐCT Điểm chết trên

Trang 13

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ và ô tô Trong tình hình dầu mỏ đang cạn kiệt và sự biến đổi khí hậu trái đất đang trở thành hiểm họa đối với loài người thì vấn đề nêu trên càng trở thành mối quan tâm hàng đầu của cả thế giới

Song song với việc hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt trong để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường thì các dự án, các chương trình nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu Trong các nguồn nhiên liệu thay thế thì nhiên liệu sinh học được quan tâm hàng đầu đặc biệt là Ethanol với sản lượng lớn và sản xuất với giá thành tương đối thấp và phân

bố rộng khắp các quốc gia Với lý do đó đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối

trộn Ethanol – Diesel đến thành phần khí thải của động cơ Diesel” của luận văn có

ý nghĩa to lớn và hết sức cấp thiết; nó không những góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch dùng cho động cơ đốt trong khi dầu mỏ đang cạn kiệt, mà còn góp phần nghiên cứu tìm ra các giải pháp sử dụng hiệu quả và phát triển lên mức cao hơn, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong tình hình mới

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:

Xác định tỷ lệ phối trộn tốt nhất ứng với các chế độ vận hành của động cơ để các chỉ tiêu ô nhiễm thấp nhất

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ diesel của máy phát điện EV2600NB

với các tỷ lệ 3%, 5%, 7%, 10%

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn Ethanol – Diesel Từ đó xác định được các chỉ tiêu ô nhiễm thấp nhất: phát thải CO2, NOx

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại Phòng Thí nghiệm, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Trong đó chú trọng đến việc thực nghiệm nhiều hơn để đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ trộn dầu diesel với Ethanol đến mức độ phát thải ô nhiễm môi trường

5 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Ethanol – Diesel đến thành

phần khí thải của động cơ Diesel” của luận văn được trình bày trong 4 chương với

cấu trúc như sau:

Trang 14

Chương 1: Tổng quan về nguồn nhiên liệu hóa thạch và giải pháp tìm ra các

nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và Việt Nam Kết luận chương

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính chất lý hoá của hỗn hợp nhiên liệu

Diesel – Ethanol với các tỷ lệ pha trộn về thể tích Qua đó tính toán nhiệt theo lý thuyết trên động cơ thực nghiệm Từ đó tạo cơ sở cho chương trình thực nghiệm có tính khoa học Kết luận chương

Chương 3: Tìm hiểu các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm và phương án lắp đặt

động cơ lên cụm băng thử công suất Froude Thiết kế nội dung và quy trình thực nghiệm có tính khoa học phù hợp với chế độ vận hành thực tế của động cơ trên đường nhằm đưa ra được các kết quả có tính thực tiễn cao Kết luận chương

Chương 4: Phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm theo quy trình thử nhằm rút ra

các kết luận có tính thuyết phục cao Qua đó phân tích các nguyên nhân và đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ trộn dầu diesel với ethanol đến mức độ phát thải ô nhiễm môi trường Kết luận chương

Trang 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 VIỄN CẢNH VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG HIỆN NAY

1.1.1 Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay

Trong hàng thập kỷ qua, nhân loại đã và đang trải qua các biến động khôn lường của khí hậu toàn cầu Bề mặt Trái đất, khí quyển và thủy quyển không ngừng nóng lên làm xáo trộn môi trường sinh thái, đã và đang gây ra nhiều hệ lụy đến đời sống loài người

Các công trình nghiên cứu quy mô toàn cầu về hiện tượng này đã được các nhà khoa học ở những trung tâm nổi tiếng trên thế giới tiến hành 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 Trái đất, vốn được coi là nguyên nhân chủ yếu của sự gia tăng hiểm họa Tổ chức nghiên cứu liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên hiệp quốc (IPCC) đã được thành lập, thu hút sự tham gia của hàng ngàn nhà khoa học quốc tế Tại Hội nghị Kyoto năm 1997, Nghị định thư Kyoto đã được thông qua và đầu tháng 2/2005 đã được nguyên thủ 165 quốc gia phê chuẩn Nghị định thư này bắt đầu có hiệu lực từ 10/2/2005 Việt Nam đã phê chuẩn Nghị định thư Kyoto ngày 25/9/2005 Gần đây nhất, hội nghị lần thứ 21 Công ước Khung LHQ về biến đổi khí hậu (COP-21) tổ chức tại thủ đô Paris của Pháp cam kết giảm lượng khí thải nhằm hạn chế tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu ở mức 20C vào cuối thế kỷ XXI so với thời

kỳ tiền công nghiệp.[18]

Nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ trái đất: Các báo cáo của IPCC và nhiều

trung tâm nghiên cứu có uy tín hàng đầu trên thế giới công bố trong thời gian gần đây cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin và dự báo quan trọng Theo đó, nhiệt độ trung bình trên bề mặt địa cầu ấm lên gần 1°C trong vòng 80 năm (từ 1920 đến 2005) và tăng rất nhanh trong khoảng 25 năm nay (từ 1980 đến 2005) Báo cáo cho rằng nếu không thực hiện được chương trình hành động giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính theo Nghị định thư Kyoto, đến năm 2035 nhiệt độ bề mặt địa cầu sẽ tăng thêm 2°C Về dài hạn, có hơn 50% khả năng nhiệt độ tăng thêm 5°C

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

Trang 16

Hiện tại, 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, [6]

 Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam

Như chúng ta đã biết 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 Theo dự báo của Tổ chức Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IPCC thì khu vực Đông Dương nhiệt độ sẽ gia tăng 1°C vào giai đoạn 2010-2039, và 3° đến 4°C vào 2070-2099; lượng mưa sẽ giảm 20 mm vào 2010-2039, rồi sau đó tăng 60 mm vào 2070-2099; mực nước biển dâng cao 6 cm/năm, đạt mức 20 cm vào 2030, và 88 cm vào 2100 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 Những khu vực có nhiệt độ tăng cao nhất là Tây Bắc và Việt Bắc

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 Hiện tượng bão lũ này xảy ra đặc biệt nghiêm trọng ở hai vùng miền là miền Trung và đồng bằng sông Cửu Long 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, đặc biệt là các vùng đất ven biển Với trên 3.000km bờ biển, Việt Nam được coi là quốc gia có mức độ dễ bị tổn thương cao hơn trước sự biến đổi khí hậu, [6]

1.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra

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 và 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 huỷ 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 đã gây hiệu ứng nhà kính Theo nghiên cứu thì chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2 nó đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, Nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu là 3% 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

Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái đất tăng 0.4 °C Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái đất sẽ tăng

Trang 17

thêm 1.5 4.5 °C nếu như con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện tượng hiệu ứng nhà kính

Nguồn: Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ

Hình 1.2 Ô nhiễm do khí thải từ các loại phương tiện giao thông

đến môi trường và sức khỏe con người

Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng lỗ thủng tầng ôzôn Khí CFC là "kẻ phá hoại" chính của tầng ôzôn Sau khi chịu tác động của khí CFC và một

số loại chất độc hại khác thì tầng ôzôn sẽ bị mỏng dần rồi thủng, [2]

1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC ETHANOL NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel pha ethanol trên thế giới và các nước trong khu vực

Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch và để ổn định nguồn cung ứng, các quốc gia thuộc khối EU đã đặt ra mục tiêu là nhiên liệu sinh học chiếm 25% trong lĩnh vực giao thông vào năm 2010, và đạt con số 50% vào năm 2020 Trong các loại nhiên liệu sinh học ở EU thì biodiesel là nhiên liệu được sản xuất nhiều nhất, chiếm 82% tổng số nhiên liệu sinh học Hiện nay, các thị trường dẫn đầu về biodiesel là EU

và Hoa Kỳ đã đạt được năng suất cực lớn trong những năm qua Trong đó, EU đứng đầu với tổng sản lượng biodiesel của năm 2008 là 7,8 triệu tấn (trong đó Đức sản xuất nhiều nhất, chiếm 2,8 triệu tấn), tăng 35,7% so với năm 2007 là 5,7 triệu tấn

Hình 1.3 trình bày sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới trong các năm 2002 đến 2008 Qua đó cho thấy sản lượng tăng đều đặn trong những năm gần đây, tăng từ 7,1 triệu tấn năm 2006 lên 9,0 triệu tấn năm 2007 và 11,1 triệu tấn năm

2008 Còn tiềm năng sản xuất biodiesel thì tăng vọt, trữ lượng biodiesel tăng từ 2,2 triệu tấn năm 2006 lên 23,1 triệu tấn năm 2007 và đạt 32,6 triệu tấn năm 2008

Trang 18

Và hơn thế nữa, thị trường biodiesel của thế giới ước tính sẽ đạt con số 37 tỷ gallon-tương đương 140 tỷ lít vào năm 2016, tốc độ tăng trưởng hàng năm đạt 42%

EU sẽ tiếp tục là thị trường biodiesel lớn nhất trong thập kỹ này, theo sau đó là thị trường của Hoa Kỳ

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

Ở Việt Nam, một số cơ quan thuộc các ngành giao thông vận tải, công nghiệp, năng lượng nghiên cứu về nhiên liệu sinh học Một số Công ty, Viện và Trường Đại học đã nghiên cứu thử nghiệm xăng pha ethanol và diesel sinh học Công ty mía đường Lam Sơn (Thanh Hoá), Sài Gòn Petro, Công ty Rượu Bình Tây, Công ty Chí Hùng cũng đã có dự án sản xuất ethanol làm nhiên liệu Gần đây, một số công ty tại An Giang, Cần Thơ, Long An đã đầu tư xưởng sản xuất diesel sinh học từ mỡ cá basa với tổng công suất khoảng 40.000 tấn/năm nhưng do chưa có tiêu chuẩn chất lượng cho sản phẩm nên chưa thương mại được Nhìn chung, hoạt động nghiên cứu, sản xuất và đầu tư về nhiên liệu sinh học ở nước ta còn chưa tiến triển do chưa có chính sách năng lượng, chưa có cơ chế chính sách rõ ràng để các doanh nghiệp an tâm đầu tư đối với lĩnh vực kinh doanh có điều kiện như xăng dầu

Nhóm nghiên cứu do PGS.TS Hồ Sơn Lâm đã tiến hành nghiên cứu hàm lượng các chất độc hại có trong khí thải khi sử dụng biodiesel trên động cơ máy phát điện Loại nhiên liệu BIO-2/IAMS (nhiên liệu dùng cho máy phát điện) cho hàm lượng Hydrocacbon trong khí thải (khi sử dụng 10% bio-2 /IAMS để pha với diesel) thấp nhất (25ppm) Khi pha 5 hay 15%, hàm lượng hydrocacbon trong khí thải cũng ít hơn khi sử dụng 100% diesel [7]

Tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về công nghệ lọc - hóa dầu các nhà khoa học thử nghiệm loại biodiesel pha 5% và diesel thông thường trên một số loại xe

7 chổ và xe tải trọng 1,25 tấn, mỗi xe chạy 10.000 km Kết quả thử nghiệm cho thấy,

Hình 1.3: Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới

Trang 19

nếu biodiesel đạt tiêu chuẩn Việt Nam khi pha với tỷ lệ 5% sẽ không ảnh hưởng đến chất lượng vận hành động cơ

Nhóm các nhà khoa học gồm TS Nguyễn Đình Thành, Th.s Phạm Hữu Thiện,

KS Võ Thanh Thọ và Lê Trần Duy Quang cũng đã có công trình tổng hợp biodiesel từ nguồn dầu mỡ phế thải Qua thử nghiệm trên động cơ xe ô tô Mercedes 16 chỗ với quảng đường 1.000 km, B20 đảm bảo độ khí thải trong mức cho phép và không ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ

1.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ỨNG DỤNG ETHANOL NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL

Trong những năm đầu của thập niên 1980 [8], việc ứng dụng cồn trên động cơ diesel đã được các nhà khoa học và các hãng chế tạo động cơ và ô tô để ý tới với mục đích tìm cách thay thế cồn cho diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel Quá trình nghiên cứu bắt đầu từ việc hòa trộn trực tiếp cồn vào trong nhiên liệu diesel tạo nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol, tiếp theo là cung cấp cồn trên đường nạp bằng bộ chế hòa khí, sau đó là cung cấp cồn trên đường nạp bằng vòi phun và gần đây đã có nghiên cứu

đề cập đến phun trực tiếp cồn vào buồng cháy Điểm giống nhau cơ bản là chuyển động cơ diesel thành động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu, trong đó diesel đóng vai trò là nhiên liệu chính và là “đuốc lửa” để đốt cháy cồn Với việc sử dụng lưỡng nhiên liệu ethanol-diesel thì lượng ethanol thay thế được công bố trong khoảng 20-50% nhiên liệu khi cung cấp ethanol trên đường nạp và khoảng 20-30% thể tích khi hòa trộn trực tiếp ethanol vào diesel Tuy nhiên, bên cạnh đó một số nghiên cứu đã sử dụng nguyên

lý HCCI để sử dụng cồn (ethanol) là nhiên liệu duy nhất cho động cơ diesel tuy nhiên phải dùng hỗn hợp ethanol-nước với nước chiếm đến 50% [9]

Năm 2010, Thạc sĩ Nguyễn Quang Trung thuộc Trường Đại học Bách khoa- Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu thành công động cơ diesel sử dụng hỗn hợp Ethanol-không khí hòa trộn trước Tác giả đánh giá ảnh hưởng của ethanol đến tính kinh tế và ô nhiễm của động cơ trong điều kiện cùng tính năng kỹ thuật khi so sánh với động cơ sử dụng diesel [4]

Trong nghiên cứu của mình [10] nhóm tác giả Andrzej Kowalewicz, Grzegorz Pawlak tiến hành thí nghiệm trên động cơ một xylanh 1HC102, sử dụng vòi phun ethanol trên đường nạp kết hợp với bộ sấy nóng khí nạp nhằm đảm bảo ethanol bay hơi tốt Với mô hình thí nghiệm này bài báo kết luận rằng: động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu ethanol-diesel cho phép tăng hiệu suất của động cơ, giảm ô nhiễm môi trường (trừ NOx) Cụ thể khi tốc độ động cơ 1800v/p ở chế độ tải nhỏ (năng lượng diesel cung cấp 1,174KJ/ct) thì tỷ lệ năng lượng ethanol/diesel là 0,39 tương đương với suất tham dự của ethanol về năng lượng là 28% và ở chế độ tải lớn (năng lượng ethanol cung cấp 1,789KJ/ct) thì tỷ lệ năng lượng ethanol/diesel là 0,34 tương đương với suất tham dự của ethanol về năng lượng là 25% Hiệu suất của động cơ ở chế độ tải nhỏ nhỏ hơn so với khi sử dụng diesel còn ở chế độ tải trung bình và tải lớn thì có hiệu suất lớn hơn

Trang 20

Nghiên cứu thực nghiệm tương tự được tác giả Wendel Goezt, Chris Baringer, David Thurston tiến hành trên động cơ Perkins hoạt động lưỡng nhiên liệu ethanol-diesel, ethanol cung cấp trên đường nạp và hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp hơi ethanol-không khí sau đó nạp vào động cơ [11] Mục tiêu của nghiên cứu này là tìm ra mức thay thế về năng lượng lớn nhất của ethanol cho diesel khi không thay đổi

hệ thống cung cấp diesel Mô hình sử dụng vòi phun ethanol đa điểm điều khiển điện

tử phun ethanol trước ống nạp của từng xilanh Lượng ethanol thay thế cho diesel được xác định thông qua phân tích tỷ lệ tăng áp suất trong buồng cháy, áp suất buồng cháy nhỏ hơn mức cho phép và hiệu suất nhiệt không giảm quá 2% khi so sánh với diesel Như vậy, kết luận rút ra được từ mô hình thí nghiệm sử dụng phun ethanol đa điểm khi tổng năng lượng cung cấp cho chu trình không đổi:

- Tăng lượng thay thế ethanol làm tăng thời gian trễ;

- Mức tăng áp suất ban đầu tăng, rồi giảm khi tăng năng lượng ethanol thay thế;

- Áp suất cực đại của chu trình giảm khi tăng năng lượng ethanol thay thế;

- Ở tải lớn (75% đến 100% tải) tốc độ 2600v/p, hiệu suất nhiệt tăng khi tăng năng lượng ethanol thay thế; mức thay thế năng lượng không vượt quá 35% ở 100% tải

Trang 21

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA DIESEL PHA ETHANOL

2.1.1 Giới thiệu chung về Ethanol

Ethanol là nhiên liệu dạng cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn… Ethanol còn được sản xuất từ các loại cây cỏ

có chứa cellulose…

Ethanol đã được các nước công nghiệp phát triển sử dụng như một loại nhiên liệu độc lập hoặc pha vào xăng để làm tăng chỉ số octane và giảm lượng khí thải CO2 Brazil hiện đang là nước đứng đầu trong sản xuất và xuất khẩu ethanol từ mía đường

Tỷ lệ pha trộn cồn vào xăng ở Brazil thông dụng ở khoảng 25 30 % Ở Mỹ, Ethanol được sản xuất từ ngô, chiếm 37% tổng sản lượng toàn cầu [7]

- Cồn công nghiệp (nồng độ 94 - 96% thể tích) : trong công nghiệp dùng làm dung môi, sản xuất cồn khô

- Cồn tuyệt đối (nồng độ 99,5% thể tích): dùng nghiên cứu pha chế thử nghiệm

- Cồn nhiên liệu: Ethanol nhiên liệu biến tính dùng trực tiếp cho động cơ hoặc pha trộn với diesel hay xăng truyền thống

Bảng 2.1: Yêu cầu kỹ thuật đối với Ethanol nhiên liệu biến tính, [3],[22]

TT TÊN CHỈ TIÊU GIỚI HẠN

1 Ethanol, % thể tích, min 92,1

2 Methanol, % thể tích, max 0,5

3 Hàm lượng nhựa và rửa qua dung môi, mg/100ml, max 5,0

4 Hàm lượng nước, % thể tích, max 1,0

5 Hàm lượng chất biến tính (xăng, naphta), % thể tích 1,96 ÷5,0

6 Hàm lượng clorua vô cơ, mg/L (ppm khối lượng), max 32 (40)

7 Hàm lượng đồng, mg/kg, max 0,1

8 Độ axit (axit axêtic CH3COOH), % khối lượng (mg/L), max 0,007 (56)

9 Độ pHe, min ÷ max 6,5 ÷9,0

10 Lưu huỳnh, mg/kg (ppm khối lượng), max 30

11 Sulfat, mg/kg (ppm khối lượng), max 4

12 Khối lượng riêng ở 150C, kg/m3 Báo cáo

13 Ngoại quan Trong, sạch

Trang 22

2.1.2 Thành phần hóa học và tính chất lý hóa

Nhiên liệu dùng cho các động cơ Diesel là dầu diesel Vì vậy động cơ hiện nay

đã được thiết kế một cánh phù hợp nhất cho việc sử dụng nhiên liệu Diesel Khi dùng nhiên liệu hỗn hợp làm nhiên liệu thay thế, cụ thể ở đây là hỗn hợp giữa cồn và Diesel đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu các tính chất lý hoá của các nhiên liệu thành phần để

từ đó so sánh các tính chất của nhiên liệu hỗn hợp thay thế với nhiên liệu cơ bản của động cơ và rút ra các nhận xét, kết luận, đánh giá sự hoạt động của động cơ khi dùng nhiên liệu thay thế này

Hỗn hợp nhiên liệu gồm diesel và cồn ethanol được gọi chung là diesohol và tuỳ theo tiêu chuẩn đề ra của từng quốc gia mà thành phần và ký hiệu tên gọi có thể khác nhau Ở đây, tôi tạm ký hiệu cho loại diesohol đang nghiên cứu là DOE3, DOE5, DOE7, DOE10… (các số sau chỉ thành phần ethanol trong hỗn hợp)

Diesel truyền thống dùng trong động cơ là một loại nhiên liệu từ nguồn hoá thạch, là sản phẩm được tạo ra từ dầu mỏ Còn ethanol là loại nhiên liệu có thể tái tạo được từ nguồn thực vật, phế phẩm sinh học, …Hai loại nhiên liệu này đếu là các chất

có thành phần hoá học chủ yếu là hydro và cacbon nhưng là hỗn hợp của nhiều loại hydrocacbon có cấu tạo hoá học rất khác nhau do các qui trình sản xuất khác nhau của chúng Chính sự khác nhau về cấu tạo này gây ảnh hưởng lớn tới các tính chất lý hóa

cơ bản, đặc biệt là quá trình bay hơi, tạo hoà khí và bốc cháy của nhiên liệu trong động cơ

Hình 2.1 Cấu trúc phân tử của Ethanol Ethanol là ethyl alcohol, được chế tạo từ phương pháp tổng hợp hay lên men các chất hữu cơ như: nước ép trái cây, rỉ đường, bã mía, tinh bột sắn, tinh bột ngô, … Ethanol có thể được sản xuất dưới hai dạng hydrous (có nước) hoặc anhydrous (tinh chất không có nước) Ethanol sản xuất trong công nghiệp thường là anhydrous, chứa 93% đến 96% ethanol và 4% đến 7% nước (theo thành phần thể tích) Ethanol (hoặc ethyl alcohol) có công thức hoá học là CH3 CH2OH

Trang 23

Bảng 2.2: So sánh các đặc tính lý hoá cơ bản của Ethanol và Diesel

Các chỉ tiêu/Loại nhiên liệu Ethanol 95% Diesel

Thành phần khối lượng, kg/kg 0,496C; 0,124 H2;

0,33 O2; 0,05 H2O

0,87C; 0,126 H2; 0,004 O2 Thành phần khối lượng, kg/lít 0,397 C; 0,099 H2;

0,264 O2; 0,04 H2O

0,748C; 0,108 H2; 0,03 O2 Khối lượng riêng ở 150C (kg/dm3) 0,80 0,84-0,88 Nhiệt ẩm (kJ/kg ở 250C) 840 230 Nhiệt trị thấp Qt (MJ/kg) 25,898* 42,5 Nhiệt trị hoà khí Q t(MJ/m3 TC) 3,736* 3,789 Lượng không khí cần thiết để đốt cháy

1 kg nhiên liệu:

- Theo khối lượng, (kg/kg)

-Theo thể tích, (m3/kg)

8,4 6,5

14,4 11,2 Trị số octan (RON) 106 20 Trị số CETAN 5 50

Độ nhớt động học (m2

s-1.106)* 1,4 4,3 Sức căng bề mặt (Nm-1.103) 22 30

* các giá trị tính toán theo các công thức (2-2), (2-3)

số nhiệt ẩm này để sinh công được Do đó, trong các tính toán cho chu trình công tác của động cơ người ta dùng nhiệt trị thấp Qt

Trên thực tế gây ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của động cơ lại là nhiệt trị hòa khí là nhiệt trị của 1m3 hoà khí trong điều kiện đốt hết O 2 (hệ số dư lượng không khí   1)

Trang 24

2.2.2 Tính bay hơi của nhiên liệu dùng trong động cơ Diesel

Tính bay hơi (thành phần chưng cất) của nhiên liệu gây ảnh hưởng lớn đến tính năng hoạt động của động cơ Để đánh giá tính bay hơi của nhiên liệu, người ta dựa vào các đường cong chưng cất

Nhiên liệu phun vào buồng cháy động cơ Diesel được bốc cháy sau khi hình thành hoà khí Trong thời gian cháy trễ (từ lúc phun nhiên liệu vào buồng cháy động

cơ đến lúc bắt đầu cháy) tốc độ và số lượng bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc nhiều vào tính bay hơi của nhiên liệu phun vào động cơ

Tốc độ bay hơi của nhiên liệu có ảnh hưởng lớn tới tốc độ hình thành hoà khí trong buồng cháy Thời gian hình thành hoà khí của động cơ Diesel cao tốc rất ngắn,

do đó cần đòi hỏi tính bay hơi cao của nhiên liệu

Nhiên liệu có nhiều thành phần chưng cất nặng khó bay hơi hết nên không thể hình thành hoà khí kịp thời, làm tăng hiện tượng cháy rớt Ngoài ra, phần nhiên liệu chưa kịp bay hơi khi hoà khí đã cháy, do tác dụng của nhiệt độ cao dễ bị phân giải (cracking) tạo nên các hạt C khó cháy Kết quả là làm tăng nhiệt độ khí xả, tăng tổn thất nhiệt, tăng muội than trong buồng cháy và trong khí xả làm giảm hiệu suất và độ hoạt động tin cậy của động cơ

Nhưng nếu thành phần chưng cất nhẹ quá sẽ khiến hoà khí khó tự cháy, làm tăng thời gian cháy trễ và khi hoà khí đã bắt đầu tự cháy thì hầu như toàn bộ thành phần chưng cất nhẹ của nhiên liệu đã phun vào động cơ sẽ bốc cháy tức thời tạo sự tăng áp suất lớn và đột ngột, động cơ sẽ phát sinh tiếng nổ thô bạo, không êm

Ngoài ra, mỗi loại buồng cháy của động cơ Diesel có đòi hỏi khác nhau về tính bay hơi của nhiên liệu Các buồng cháy dự bị và xoáy lốc có thể dùng nhiên liệu với thành phần chưng cất nhẹ Thực nghiệm chỉ ra rằng: các buồng cháy thống nhất dùng nhiên liệu có thành phần chưng cất trong khoảng 2000C đến 3300C; các buồng cháy ngăn cách có thể dùng nhiên liệu có thành phần chưng cất khá rộng từ 1500C đến

4000C

Nhiên liệu Diesel được chưng cất trong khoảng nhiệt độ từ 1850 C đến 3500 C còn cồn ethanol có điểm sôi ở nhiệt độ 790 C Như vậy có thể thấy cồn có tính bay hơi cao hơn Diesel Khi pha cồn vào Diesel rõ ràng sẽ làm tăng tính bay hơi của nhiên liệu hỗn hợp và sự hình thành hoà khí sẽ nhanh hơn, tốc độ cháy nhanh làm cho động cơ hoạt động có xu hướng tăng được hiệu suất, giảm muội than, giảm nhiệt độ khí xả Nhưng mặt khác cũng nên chú ý rằng khi tỷ lệ của cồn pha vào quá cao hoà khí sẽ khó

tự cháy, thời gian cháy trễ tăng, có thể sẽ phát sinh tiếng nổ, động cơ hoạt động không

êm và lúc này hiệu suất động cơ sẽ giảm rõ rệt

Theo các nghiên cứu của các chuyên gia Bộ Môi trường và Tài nguyên Australia, tỷ lệ phù hợp sẽ trong khoảng 10% đến 15% ethanol, với động cơ có buồng

cháy ngăn cách tỷ lệ có thể cao hơn một ít so với động cơ có buồng cháy thống nhất

Trang 25

2.2.3 Tính lưu động ở nhiệt độ thấp và tính phun sương

a Điểm kết tủa

Ở nhiệt độ thấp, hàm lượng paraphin (chất ankan cao phân tử) và nước lẫn trong hỗn hợp nhiên liệu sẽ kết tinh tạo ra những tinh thể nhỏ khiến nhiên liệu trở thành những dịch thể dạng đục Lúc đó tính lưu động của nhiên liệu tuy chưa mất hẳn nhưng các tinh thể trên có thể gây tắc bình lọc và đường ống nhiên liệu Nhiệt độ khiến nhiên liệu bắt đầu xuất hiện các tinh thể trên được gọi là điểm đục

Tiếp tục hạ thấp nhiệt độ nhiên liệu sẽ hình thành các tinh thể dạng lưới, tính lưu động sẽ mất dần do bị kết tủa và nhiệt độ của thời điểm này được gọi là điểm kết tủa

Khi chọn hỗn hợp nhiên liệu cần phải bảo đảm cho điểm kết tủa thấp hơn nhiệt

độ cực tiểu của môi trường khoảng 3-50

C, ngoài ra điểm đục và điểm kết tủa phải sát nhau (thường không quá 70C)

Điểm kết tủa của nhiên liệu Diesel phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hoá học của nó Càng nhiều thành phần ankan chính điểm kết tủa càng cao, càng dễ tự cháy, izôankan có điểm kết tủa thấp, khó tự cháy, các loại hydrocacbon mạch thẳng không bão hoà có điểm kết tủa thấp nhưng rất không ổn định, dễ kết keo, tích than Thành phần lý tưởng của nhiên liệu Diesel là izôankan phân tử lớn dài có mạch ngang

Các nhiên liệu có gốc paraphin thường có điểm kết tủa cao và có thể hạ được bằng cách xử lý khử paraphin để khử bớt các phân tử lớn của ankan, nhưng như vậy sẽ làm giảm tính tự cháy của nhiên liệu, cách tốt nhất là pha thêm chất phụ gia

b Độ nhớt

Lực cản giữa các phân tử khi chất lỏng chuyển động dưới tác dụng của ngoại lực được gọi là độ nhớt Thường có hai đơn vị để xác định độ nhớt: độ nhớt vận động Poa và độ nhớt tương đối 0E Độ nhớt tương đối là tỷ số giữa thời gian cần thiết để 200cm3 nhiên liệu ở nhiệt độ t chảy qua độ nhớt kế và thời gian cần thiết để 200cm3nước ở 200C chảy qua thiết bị đó (nhiên liệu chảy thành dòng) Độ nhớt là yếu tố quyết định cho tính phun sương của nhiên liệu trong động cơ Diesel

Trong động cơ Diesel, nếu độ nhớt của nhiên liệu quá lớn sẽ gây khó khăn cho lưu động của dòng nhiên liệu từ thùng chứa đến bơm, giảm độ tin cậy cho hoạt động của bơm, gây khó khăn cho việc xả khí của hệ thống và việc xé tơi, phun sương nhiên liệu qua vòi phun sẽ kém làm cho nhiên liệu và không khí sẽ hoà trộn không đều, công suất và hiệu suất của động cơ sẽ giảm

Nhưng nếu độ nhớt của nhiên liệu quá nhỏ sẽ gây khó khăn cho việc bôi trơn các mặt ma sát của bơm cao áp và vòi phun, tăng nhiên liệu rò, ngoài ra còn làm giảm hành trình của tia nhiên liệu trong buồng cháy

Vì vậy, khi dùng nhiên liệu thay thế cho Diesel cần phải đảm bảo độ nhớt tương đương với độ nhớt của Diesel thì mới đảm bảo được các tinh chất của tia nhiên liệu và

sự làm việc ổn định của hệ thống phun Dầu Diesel có độ nhớt vận động là 2,5-8,0

Trang 26

(miliPoa) ở 50 0 C và độ nhớt tương đối là 1,15-1,67 0 E, nhưng cồn ethanol độ nhớt thấp hơn nhiều so với Diesel

Trong nghiên cứu của T.K Bhattacharaya và T.N Mishra [14], nghiên cứu khả năng tương thích của hỗn hợp ethanol và Diesel khi dùng làm nhiên liệu thay thế cho Diesel Ở đây là ethanol 2000C (tinh khiết không có nước) và các ethanol có nồng độ

1900C, 1800C, 1700C, 1600C, 1500C (tương ứng với các thành phần nước là 5%, 10%,

sự xé nhỏ tia nhiên liệu trong hệ thống phun khi dùng chúng trong động cơ Diesel

Chính vì thế khi pha cồn vào Diesel sẽ làm giảm độ nhớt của nhiên liệu và khi

đó sẽ ảnh hưởng đến quá trình phun nhiên liệu, cho nên tỷ lệ pha không được cao quá, nếu pha nhiều thì cần có các chất phụ gia để tăng độ nhớt của nhiên liệu tương đương với độ nhớt của dầu Diesel Đây cũng là biện pháp của các nước đã sử dụng nhiên liệu diesohol, họ thường pha thêm khoảng 0.5-1% các chất phụ gia trong diesohol

2.2.4 Nhiệt độ bén lửa và nhiệt độ tự bốc cháy

a Nhiệt độ bén lửa

Nhiệt độ bén lửa là nhiệt độ thấp nhất để hoà khí nhiên liệu bén lửa Nhiệt độ bén lửa phản ảnh số lượng thành phần chưng cất nhẹ của nhiên liệu, nó được dùng làm chỉ tiêu phòng hoả đối với nhiên liệu dùng trên tàu thuỷ để tránh nổ vỡ buồng máy (không được thấp hơn 650C)

b Nhiệt độ tự bốc cháy

Trang 27

Nhiệt độ tự bốc cháy là nhiệt độ thấp nhất để hoà khí tự bốc cháy mà không cần nguồn nhiệt bên ngoài Nhiệt độ tự cháy của hoà khí phụ thuộc vào loại nhiên liệu Thông thường phân tử lượng nhiên liệu càng lớn thì nhiệt độ tự cháy càng thấp và ngược lại

Nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu còn phụ thuộc vào khối lượng riêng (mật độ) của hoà khí, mật độ càng lớn thì nhiệt độ tự cháy càng thấp (vì số lần va đập giữa các phân tử tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với mật độ)

Nhiên liệu dùng trong động cơ Diesel cần có nhiệt độ tự bốc cháy thấp, trong động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức thì ngược lại Trên thực tế còn rất nhiều yếu tố gây ảnh hưởng lớn tới nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu, vì vậy để đánh giá tính tự cháy của nhiên liệu dùng trong các loại động cơ khác nhau người ta không dùng nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu Đối với động cơ Diesel, người ta dùng tính tự cháy của nhiên liệu, còn đối với động cơ xăng hình thành hoà khí bên ngoài, đốt cháy cưỡng bức người ta dùng tính chống kích nổ của nhiên liệu làm chỉ tiêu đánh giá chất lượng cháy của nhiên liệu trong buồng cháy động cơ

2.2.5 Đánh giá tính tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu

Tính tự cháy của hoà khí (nhiên liệu) trong buồng cháy là một chỉ tiêu quan trọng của một loại nhiên liệu nào đó Trong động cơ Diesel, nhiên liệu được phun vào buồng cháy ở cuối kỳ nén, nó sẽ không bốc cháy ngay mà phải qua một thời gian chuẩn bị làm thay đổi các tính chất vật lý và hoá học (xé tơi tia nhiên liệu thành các hạt nhỏ, các hạt được sấy nóng, bay hơi và hoà trộn với không khí tạo nên hoà khí trong buồng cháy, các phần tử O2 và nhiên liệu trong hoà khí va đập với nhau tạo phản ứng chuẩn bị cháy v.v…) sau đó mới tự bốc cháy Thời gian tính từ lúc bắt đầu phun nhiên liệu tới lúc hoà khí bốc cháy được gọi là thời kỳ cháy trễ và được đo bằng thời gian i(giây) hoặc góc quay trục khuỷu i (độ)

Như vậy, giá trị i hoặc i ngắn hay dài sẽ thể hiện rõ tính tự cháy dễ hay khó của nhiên liệu trong buồng cháy động cơ Trên thực tế, người ta dùng các chỉ tiêu sau

để đánh giá tính tự cháy của một loại nhiên liệu:

Trang 28

Tỷ số nén tới hạn đáng giá tính tự cháy của nhiên liệu trong động cơ Tỷ số này được xác định trên động cơ thử nghiệm với các điều kiện như sau:

Tốc độ động cơ: n 900  1 vòng / phút;

Góc phun sớm: ps 130góc quay trục khuỷu, trước ĐCT;

Nhiệt độ nước làm mát: t n  100  2 0C;

Nhiệt độ không khí trên đường nạp: t k  65  10C;

Nhiệt độ dầu trong cácte: t d  50  650C;

Áp suất dầu: p d 0,170,21MPa;

Áp suất nâng kim phun: p ph 10 , 5  0 , 4MPa;

Lưu lượng nhiên liệu: Q nl 10ml / phút;

Khe hở xupáp lúc lạnh: nap  0 , 2 mm,xa 0,25 mm

Cho động cơ hoạt động bằng nhiên liệu thử nghiệm, thay đổi tỷ số nén  sao cho thời gian cháy trễ i  13 0 góc quay trục khuỷu (tức là thời điểm bắt đầu cháy tại ĐCT) Tỷ số nén thu được trong thời điểm đó chính là tỷ số nén tới hạn th

Như vậy, nhiên liệu nào có tỷ số nén tới hạn càng thấp, tính tự cháy của nó càng tốt (dễ tự cháy) Dầu Diesel sẽ có tỷ số nén tới hạn cao hơn của cồn ethanol cho nên khi pha cồn vào Diesel thì hỗn hợp nhiên liệu sẽ có tỷ số nén tới hạn nhỏ hơn, điều này cho thấy hỗn hợp nhiên liệu sẽ có tính tự cháy thấp hơn làm cho thời kỳ cháy trễ sẽ kéo dài (nếu các thông số động cơ không thay đổi)

Một trong những biện pháp để cho nhiên liệu hỗn hợp cháy tốt trong động cơ Diesel là giảm tỷ số nén hoặc giảm góc phun sớm

b Số cetane

Số cetane của nhiên liệu được xác định theo nhiên liệu mẫu do hỗn hợp của hai hydrôcacbon tạo nên: chất cetane chính (C16H34) và chất  -mêtylnaptalin (C10H7CH3) với tính tự cháy rất khác nhau Tính tự cháy của cetane được lấy là

100 đơn vị còn mêtylnaptalin là 0 đơn vị Khi pha trộn hai chất trên theo tỷ lệ thể tích khác nhau sẽ được nhiên liệu mẫu có tính tự cháy thay đổi từ 0 đến 100 đơn vị

Số cetane của nhiên liệu là số phần trăm thể tích của chất cetane chính (C16H34)

có trong hỗn hợp của nhiên liệu mẫu, hỗn hợp này có tính tự cháy bên trong xy lanh động cơ thử nghiệm với các điều kiện thử nghiệm quy định vừa bằng tính tự cháy của nhiên liệu thử nghiệm

Theo nghiên cứu của Bộ Năng lượng Mỹ, số cetane của cồn ethanol rất thấp (khoảng 8 đơn vị) trong khi đó số cetane của dầu Diesel là 45-52 đơn vị Vì thế khi pha cồn vào dầu Diesel nhiên liệu sẽ có số cetane tuỳ thuộc vào thành phần cồn, càng nhiều thì số cetane càng thấp Như vậy đây cũng là một một giới hạn cho việc tăng tỷ

lệ cồn trong dầu Diesel, khi đó ta cần phải có chất phụ gia để tăng chỉ số cetane trong hỗn hợp Ngoài ra để động cơ hoạt động ổn định và không phải thay đổi các thông số

Trang 29

kết cấu của động cơ phải khống chế số cetane của nhiên liệu không được thấp hơn 40 đơn vị

Với phương pháp xác định số cetane như trên ta có thể tính toán một cách tương đối số cetane của hỗn hợp nhiên liệu gồm Diesel và cồn theo Bảng 2.4 Dựa vào bảng này ta có thể thấy khi tỷ lệ cồn càng nhiều thì chỉ số cetane của hỗn hợp càng thấp Đó chính là lý do mà chúng ta không thể pha tỷ lệ cồn nhiều vào hỗn hợp khi chưa có chất phụ gia thích hợp để tăng chỉ số cetane của hỗn hợp

Bảng 2.4 Bảng tính chỉ số cetane của hỗn hợp nhiên liệu

TT Kí hiệu hỗn hợp nhiên liệu Chỉ số cetane

2.2.6 Xác định tỉ lệ hòa trộn của hỗn hợp Diesel và Ethanol

Nhiên liệu Ethanol - diesel dùng ở Mỹ qui định thành phần ethanol chứa trong nhiên liệu này không vượt quá 15% về thể tích và 5% chất phụ gia riêng để ổn định các tính chất của nhiên liệu tương đương với Diesel Theo Robert E.Reynolds [11] nguyên nhân của giới hạn này là: a) các số liệu kiểm tra trên hỗn hợp nhiên liệu ở mức cao hơn đều bị hạn chế, b) ở hỗn hợp có thành phần ethanol cao sẽ bất lợi nhiều hơn về mặt kinh tế

Nếu dùng methanol pha vào Diesel thì tỷ lệ giới hạn sẽ thấp hơn (<11%) do methanol chứa nhiều ôxy và nhiệt trị thấp hơn so với ethanol

Trong nghiên cứu của T.K.Bhattacharya và T.N Mishra [14] đã nghiên cứu khả năng hòa trộn của ethanol trong Diesel Tỷ lệ tạo hỗn hợp trong nghiên cứu này gồm

14 loại diesohol có các thành phần về thể tích như sau:

1 200/20/80 chứa: 80% Diesel 20% ethanol nồng độ 2000C,

Trang 30

 Các hỗn hợp còn lại không thể sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ Diesel

vì lượng nước chứa trong ethanol quá lớn (20% đến 25%), sự hoà tan sẽ không tốt và tạo ra các pha phân cách rõ rệt

Với tất cả các vấn đề được đề cập và phân tích ở trên ta thấy chỉ có thể pha trộn hỗn hợp nhiên liệu với tỷ lệ không quá 15%, vừa để đảm bảo sự hoà trộn đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu vừa để đảm bảo nhiệt trị thấp của hỗn hợp không giảm quá nhiều làm giảm công suất động cơ, đảm bảo chỉ số cetane của hỗn hợp nằm trong giới hạn cho phép, không gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống bôi trơn và các chỉ tiêu khác của động cơ

2.2.7 Tính chất hỗn hợp nhiên liệu thực nhiệm

Sau khi phối trộn nhiên liệu dầu diesel và Ethanol theo tỷ lệ 3%, 5%, 7%, 10% thể tích Ethanol và tương ứng 97%, 95%, 93%, 90% thể tích dầu diesel, mẫu dầu thử

nghiệm tại Phòng thử nghiệm xăng dầu thuộc Công ty xăng dầu Khu vực V-TNHH,

Tập đoàn xăng dầu Việt Nam Địa chỉ 77 Lê Văn Hiến- Quận Ngũ Hành Sơn- TP Đà

Nẵng Kết quả thử nghiệm mẫu: DOE5; DOE7; DOE10:

a Tính chất hỗn hợp 5% Ethanol – 95% Diesel (có mẫu thử nghiệm Mã số mẫu

06/019/06/17 của Công ty xăng dầu Khu vực V-TNHH MTV)

b Tính chất hỗn hợp 7% Ethanol – 93% Diesel (có mẫu thử nghiệm Mã số mẫu

06/020/06/17 của Công ty xăng dầu Khu vực V-TNHH MTV)

c Tính chất hỗn hợp 10% Ethanol – 90% Diesel (có mẫu thử nghiệm Mã số

mẫu 06/021/06/17 của Công ty xăng dầu Khu vực V-TNHH MTV)

Tiêu đề	Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Tỷ Lệ Phối Trộn Ethanol-Diesel Đến Thành Phần Khí Thải Của Động Cơ Diesel
Tác giả	Đoàn Việt Bắc
Người hướng dẫn	PGS.TS: Dương Việt Dũng
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Kỹ thuật cơ khí động lực
Thể loại	luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	60
Dung lượng	2,1 MB