Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các tính chất, cách tồn chứa của nhiên liệu hyđrô trên phương tiện; nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm nhiên liệu hyđrô vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel thông qua mô phỏng; so sánh hiệu suất và tỷ lệ phát thải giữa động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống với động cơ diesel sử dụng thêm hyđrô; trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI HỮU HÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG HYĐRÔ THÊM VÀO ĐƯỜNG NẠP ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 8520116 Thái Nguyên - 2019 i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và làm luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn. Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập. Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản thân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn. Học viên Bùi Hữu Hùng ii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................. viii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 3 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 3 * Ý nghĩa khoa học: ....................................................................................... 3 * Ý nghĩa thực tiễn: ........................................................................................ 3 4. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 4 5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 4 6. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 4 7. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 6 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường ................................ 6 1.2. Nhiên liệu thay thế ..................................................................................... 7 1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí ................................................................ 8 1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng .............................................................. 9 1.3. Nhiên liệu hyđrô dùng cho động cơ đốt trong ......................................... 12 1.3.1. Khái niệm chung ................................................................................ 12 1.3.2. Tính chất của khí hyđrô ..................................................................... 14 1.3.3. Động cơ đốt trong dùng đơn nhiên liệu hyđrô .................................. 19 1.3.4. Động cơ đốt trong bổ sung hyđrô ...................................................... 23 1.3.5. Tồn chứa và vận chuyển hyđrô .......................................................... 25 1.4. Nghiên cứu sử dụng hyđrô cho động cơ đốt trong dưới dạng lưỡng nhiên liệu ................................................................................................................... 27 iii
1.4.1. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy do nén .......................... 27 1.4.2. Sử dụng nhiên liệu hyđrô cho động cơ cháy cưỡng bức.................... 29 1.5. Kết luận chương 1 .................................................................................... 30 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ... 31 SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU ................................................................ 31 2.1. Vấn đề kiểm soát phát thải độc hại trong động cơ đốt trong ................... 31 2.1.1. Đặc điểm phát thải độc hại của động cơ đốt trong ........................... 31 2.1.2. Các biện pháp giảm phát thải độc hại ............................................... 34 2.2. Các mô hình tính toán chu trình công tác động cơ đốt trong ................... 36 2.3. Mô hình cung cấp lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô .................................. 40 2.4. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình mô phỏng .......................................... 41 2.4.1. Mô hình nhiệt động bên trong xi lanh động cơ.................................. 41  Lựa chọn mô hình cháy ........................................................................ 42  Lựa chọn mô hình truyền nhiệt ............................................................ 45  Tính nhiệt lượng tỏa ra khi cháy trong xi lanh .................................... 47 2.4.2. Mô hình đường ống thải..................................................................... 49 2.4.3. Mô hình đường ống nạp ..................................................................... 49 2.5. Xây dựng mô hình mô phỏng phần mềm GT-Power ............................... 50 2.5.1. Giới thiệu chung về phần mềm GT-Power ........................................ 50 2.5.2. Các phần tử chính của mô hình động cơ khảo sát............................. 51 2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................... 59 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU ................... 60 DIESEL - HYĐRÔ ......................................................................................... 60 3.1. Tính toán các thông số nhiệt động động cơ diesel V12 ........................... 60 3.1.1. Mô hình hóa động cơ V12 .................................................................. 60 3.1.2. Mô phỏng động cơ V12 nguyên bản .................................................. 65 3.1.3. Mô phỏng động cơ V12 khi chuyển sang vận hành lưỡng nhiên liệu 67 3.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 69 iv
3.2.1. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến áp suất môi chất................... 69 3.2.2. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến nhiệt độ môi chất ................. 71 3.2.3. Ảnh hưởng của lượng hyđrô đến dòng nhiệt ..................................... 72 3.2.4. Ảnh hưởng của lượng phun hyđrô đến đặc tính phát ........................ 73 3.3. Kết luận chương 3 .................................................................................... 76 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 77 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải CNG Khí nén thiên nhiên LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng GTL Khí hóa lỏng CTL Than đá hóa lỏng PM Chất ô nhiễm dạng hạt THC Tổng phát thải hyđrô các bon chưa cháy D80E20 Nhiên liệu pha trộn 80% diesel và 20% ethanol D100 Nhiên liệu diesel khoáng Chu trình thử cho xe con chạy trong thành phố FTP-75 của Mỹ HW Chu trình thử trên xa lộ của Mỹ NEDC Chu trình thử của Châu Âu DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi
Bảng 1.1. Một số tính chất của hyđrô ............................................................. 14 Bảng 3.1. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình, [52] .. 61 Bảng 3.2. Độ nâng xu páp theo góc quay trục khuỷu, [19] ............................ 63 Bảng 3.3. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 .............. 65 Bảng 3.4. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất ............. 66 theo đặc tính ngoài động cơ V12 .................................................................... 66 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các phương án cung cấp hyđrô cho ĐCĐT .................................... 20 Hình 2.1. Sự lựa chọn nhiên liệu thay thế ....................................................... 36 Hình 2.2. Sơ đồ động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô, [17] ...................... 41 Hình 2.3. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán ................ 47 theo phương trình của Woschni và Hohenberg............................................... 47 Hình 2.4. Hình dáng quy luật tỏa nhiệt khi cháy theo Vibe ........................... 48 Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh ........................ 52 Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu ......................................................... 54 cho phần tử cơ cấu phân phối khí ................................................................... 54 Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun...................... 55 Hình 2.8. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ .. 56 Hình 2.9. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống .................. 57 Hình 2.10. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia ......... 58 Hình 3.1. Sơ đồ khối các bước thực hiện mô hình hóa động cơ ..................... 60 Hình 3.2. Độ nâng xu páp nạp, thải theo góc quay trục khuỷu, [19] .............. 64 Hình 3.3. Mô hình động cơ V12 ..................................................................... 65 Hình 3.4. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu ............................. 67 của nhà sản xuất theo đặc tính ngoài của động cơ V12 .................................. 67 Hình 3.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun hyđrô ........... 68 vào đường nạp của động cơ ............................................................................ 68 Hình 3.6. Khoảng thời gian phun hyđrô theo góc quay trục khuỷu................ 69 Hình 3.7. Mô hình 1 nhánh cụm đường ống nạp động cơ V12 ...................... 69 khi bố trí vòi phun hyđrô vào đường nạp ........................................................ 69 Hình 3.8. Diễn biến áp suất môi chất công tác trong xi lanh của động cơ khi thay đổi lượng phun hy đrrô vào đường nạp ................................................... 70 Hình 3.9. Áp suất cực đại (a) và tốc độ tăng áp suất trung bình (b) ............... 71 của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô ................................................... 71 Hình 3.10. Diễn biến nhiệt độ môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........ 72 lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô ....................................................................... 72 viii
Hình 3.11. Nhiệt độ cực đại môi chất công tác trong xi lanh động cơ ........... 72 lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô ....................................................................... 72 Hình 3.12. Dòng nhiệt từ môi chất truyền cho thành vách buồng cháy ......... 73 của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô ................................................... 73 Hình 3.13. Phát thải CO2 của động cơ diesel V12 .......................................... 74 khi bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp ......................................................... 74 Hình 3.14. Phát thải NOx của động cơ diesel V12 .......................................... 74 khi bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp ......................................................... 74 Hình 3.15. Phát thải PM của động cơ diesel V12 ........................................... 75 khi bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp ......................................................... 75 Hình 3.16. Phát thải CO của động cơ diesel V12 ........................................... 75 khi bổ sung thêm hy đrô vào đường nạp ......................................................... 75 ix
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện. Nguồn ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố lớn. Trong sự phát triển của bất kỳ quốc gia nào trên thế giới, động cơ đốt trong (ĐCĐT) luôn giữ một vai trò vô cùng quan trọng trong nền kinh tế xã hội và có mặt ở mọi lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải, quốc phòng và các lĩnh vực khác. Không một nước phát triển nào lại không có ngành ĐCĐT phát triển. Hiện nay, sự gia tăng nhanh về số lượng ĐCĐT đang khiến cho mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch truyền thống tăng cao gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu này và làm môi trường bị ô nhiễm ngày càng trầm trọng không chỉ ở các quốc gia phát triển trên thế giới mà cả ở Việt Nam. Do đó, cần phải có các giải pháp cấp bách để khắc phục vấn đề này. Việc nghiên cứu phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế có mức phát thải thấp và sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu sẵn có sẽ là giải pháp căn cơ có tầm ảnh hưởng toàn cầu, đảm bảo an ninh năng lượng của các quốc gia và sự phát triển bền vững cho nhân loại. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa phát triển được nguồn nhiên liệu mới sạch có tiềm năng đủ để thay thế hoàn toàn nhiên liệu truyền thống trên ĐCĐT nên trước mắt, việc nghiên cứu tối ưu hoá, nâng cao hiệu quả quá trình cháy của động cơ để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải độc hại vẫn luôn được quan tâm hàng đầu. Môi trường sống của nhân loại đang ngày càng bị ô nhiễm nặng do chính các chất thải từ các hoạt động của con người gây ra, mà một trong các nguồn chất thải đó là khí thải của các phương tiện giao thông cơ giới. Trong quá trình hoạt động các phương tiện giao thông phát thải vào không khí một khối lượng lớn các loại khói, khí độc như CO, CO2, hyđrôcacbon (HC), NOx, SO2, khói đen, chì và các chất thải dạng hạt khác. Các thành phần chất thải này không 1
những gây tác hại trực tiếp cho sức khỏe con người mà về lâu về dài còn phá hoại cả thế giới sinh vật đang phá hoại cả thế giới sinh vật đang nuôi sống con người. Tùy theo loại động cơ và loại nhiên liệu sử dụng mà khối lượng các thành phần chất thải độc hại chiếm các tỷ lệ khác nhau. Theo số liệu thống kê ở Mỹ, các chất ô nhiễm phát thải từ các phương tiện này chiếm 40 ÷ 50% tổng hàm lượng HC, 50% tổng hàm lượng NOx và 80 ÷ 90% tổng hàm lượng CO ở khu vực thành phố. Ở các nước phát triển khác như Châu âu và Nhật Bản cũng xảy ra vấn đề tương tự. Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy do nén (động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông nghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất cao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con người và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chấy ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter). Một trong những biện pháp hữu hiệu để nâng cao hiệu quả quá trình cháy trên các động cơ hiện hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu động cơ là bổ sung một lượng nhỏ khí hyđrô hoặc khí giàu hyđrô vào động cơ. Hyđrô có đặc điểm khuếch tán nhanh, dễ bắt cháy và cháy nhanh nên khi được bắt cháy trong hỗn hợp với nhiên liệu hóa thạch truyền thống trong xi lanh động cơ nó sẽ làm tăng tốc độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu và giúp nhiên liệu cháy kiệt, nhờ đó làm tăng hiệu quả quá trình cháy và giảm phát thải độc hại của động cơ. Với những ưu điểm vượt trội đặc biệt là phần giảm tải ô nhiễm khí thải nhiên liệu hyđrô còn có những nhược điểm như giá trị nhiệt thấp, việc lưu chứa nhiên liệu hyđrô hóa lỏng khá khó khăn cho nên nhiên liệu hyđrô chỉ được sử dụng nhiều như một phụ gia thêm vào nhiên liệu xăng hoặc diesel sử dụng trên động cơ đốt trong truyền thống. Với phương pháp này thì chỉ cần sử dụng một 2
lượng hyđrô nhất định để thêm vào đường nạp hòa trộn cùng hỗn hợp nhiên liệu chính để gia tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu, khiến quá trình cháy trong xylanh diễn ra đều do vậy sẽ làm giảm lượng khí độc thải ra ngoài môi trường. Chính vì vậy, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng hyđrô thêm vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel” làm đề tài luận văn cao học của mình. 2. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu các tính chất, cách tồn chứa của nhiên liệu hyđrô trên phương tiện. - Nghiên cứu ảnh hưởng của việc thêm nhiên liệu hyđrô vào đường nạp đến hiệu suất và phát thải của động cơ diesel thông qua mô phỏng. - So sánh hiệu suất và tỷ lệ phát thải giữa động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống với động cơ diesel sử dụng thêm hyđrô. - Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: Luận văn đã góp phần vào việc chỉ ra các ưu điểm nổi trội của việc thêm hyđrô vào đường nạp trong động cơ sử dụng nhiên liệu diesel. Với đặc tính làm tăng công suất của động cơ, tăng tính kinh tế nhiên liệu, tăng hiệu suất của động cơ đặc biệt là giảm sự phát thải các thành phần độc hại trong khí xả động cơ diesel truyền thống. Đã thiết lập được mô hình mô phỏng động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô có độ tin cậy và chính xác bằng phần mềm mô phỏng động cơ chuyên dụng GT-Power. Mô hình này có thể sử dụng để nghiên cứu về động cơ phun hyđrô vào đường nạp cho các mục đích khác nhau. * Ý nghĩa thực tiễn: 3
- Các mô hình xây dựng, tính toán trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình chế tạo động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel - hyđrô. - Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực nghiệm khi nghiên cứu hiệu suất và chỉ số phát thải giữa động cơ sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống và động cơ sử dụng thêm hyđrô vào đường nạp. - Trên cơ sở mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô đã thiết lập được, có thể khảo sát nghiên cứu thêm quy luật phun hyđrô trên toàn vùng làm việc từ đó làm cơ sở để thiết kế chế tạo ECU điều khiển phun hyđrô vào đường nạp. 4. Đối tượng nghiên cứu Động cơ diesel V12 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng thêm hyđrô vào đường nạp bằng phần mềm mô phỏng động cơ 1D chuyên dụng GT- Power. 6. Phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu về lý thuyết đến đặc tính cháy (tốc độ tỏa nhiệt, hệ số truyền nhiệt…), các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi phun thêm hyđrô trên đường nạp bằng phần mêm mô phỏng một chiều nhiệt động GT-Power (Gama Technology-Power của Mỹ); trên cơ sở kết quả thu được có thể đánh giá được ảnh hưởng của lượng phun hyđrô ở các chế độ khảo sát đến đặc tính cháy và phát thải của động cơ. Chế độ tính toán: chế độ công suất định mức. 4
7. Nội dung nghiên cứu Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau: - Mở đầu - Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu - Chương 3. Mô phỏng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - hyđrô - Kết luận và kiến nghị 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên. Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam. Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và 6
ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong. 1.2. Nhiên liệu thay thế Theo nguồn gốc nhiên liệu có thể chia thành hai nhóm là nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu có thể thay thế nhiên liệu truyền thống từ dầu mỏ như xăng và diesel gọi là nhiên liệu thay thế. Hiện nay dầu mỏ chiếm hơn 35% tổng mức tiêu thụ nhiên liệu thương mại chủ yếu của toàn thế giới. Xếp thứ hai là than đá (chiếm khoảng 23%) và khí thiên nhiên đứng thứ 3 (chiếm 21%). Những loại nhiên liệu hóa thạch này là nguồn phát thải khí nhà kính chủ yếu gây nóng lên toàn cầu và làm biến đổi khí hậu. Các loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học gọi là nhiên liệu sinh học (NLSH) là một dạng nhiên liệu thay thế, chiếm 10% tổng mức tiêu thụ năng lượng chủ yếu trên toàn cầu, NLSH gồm nhiên liệu rắn như gỗ, củi, khí sinh học, nhiên liệu lỏng như ethanol sinh học và các diesel sinh học chế biến từ các loại cây trồng như cây mía đường, các loại cỏ năng lượng hoặc từ gỗ nhiêu liệu, than củi, chất thải nông nghiệp và các sản phẩm phụ, những phế thải rừng, phân vật nuôi và các sản phẩm khác. NLSH có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu hóa thạch (dầu khí, than đá...) [3]: + Tính chất thân thiện với môi trường: sinh ra ít khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít khí gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. + Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này chế biến từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống (than đá, dầu mỏ). NLSH đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do có các ưu điểm vượt trội khác: nguyên liệu để sản xuất NLSH rất phong phú, có khả năng sản xuất và cung cấp với số lượng lớn để thay thế khi giá xăng dầu khoáng ngày càng tăng. NLSH không chứa các 7
chất gây độc hại như dầu mỏ, khả năng phân hủy sinh học cao. Sử dụng NLSH thuận tiện đơn giản bên cạnh các dạng nhiên liệu khác, ví dụ có thể sử dụng xăng pha ethanol, mà không cần thay đổi, hoán cải các động cơ và mạng lưới phân phối hiện có. Công nghệ sản xuất ethanol, dầu mỡ động thực vật và pha chế NLSH không phức tạp như công nghệ lọc hoá dầu với đầu tư thấp hơn nhiều, có thể sản xuất với các quy mô khác nhau. Chính vì vậy, hiện nay, NLSH đang được các quốc gia nói trên định hướng sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên hiện nay NLSH mới chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong cán cân năng lượng thế giới do giá thành cao và gây ra những nguy cơ đến vấn đề an ninh lương thực, nhất là đối với những nước đang phát triển. Chính vì thế, các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp khắc phục những hạn chế của NLSH. Như trên đã trình bày, NLSH là một dạng nhiên liệu thay thế bên cạnh các nhiên liệu thay thế khác. Theo trạng thái, nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong tồn tại ở hai dạng: - Nhiên liệu thay thế dạng khí; - Nhiên liệu thay thế dạng lỏng. 1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng khí tương đối phổ biến dùng cho động cơ đốt trong.  Khí nén thiên nhiên (CNG - Compressed Natural Gas) CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và nhẹ hơn không khí. Thành phần chủ yếu của CNG gồm các hyđrôcarbon, trong đó metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ propan, butan và các khí khác. Theo [1] “Đặc điểm cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG (Trong trường hợp sử dụng Acid béo methyl esters phun mồi)” 8
cho thấy, khi tỷ lệ CNG thay thế tới 75% thì hiệu suất nhiệt là tương tự như động cơ sử dụng diesel gốc. Khi tỷ lệ CNG thay thế lớn hơn 75% thì hỗn hợp công tác khó cháy hơn và hiệu suất nhiệt giảm đáng kể, cũng như phát thải HC và NOx tăng lên nhiều.  Hyđrô và khí giàu hyđrô Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước và từ sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóa không hoàn toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình reforming và điện phân nước [3]. Hyđrô có thể được sử dụng trực tiếp trên động cơ đốt trong ở dạng hyđrô lỏng (nhiệt độ hóa lỏng là -253oC ở điều kiện khí quyển) hoặc ở dạng nén (áp suất bình chứa lên tới 700 bar). Vấn đề tồn chứa hyđrô một cách hiệu quả, an toàn vẫn đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp. Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để sản sinh điện năng. Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ và giá thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu được xem như là vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là “nhiên liệu của tương lai” [3]. Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như oxy (trong khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác. Khí giàu hyđrô thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu bằng cách bổ sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm phát thải ô nhiễm [3]. 1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng lỏng tương đối phổ biến dùng cho động cơ đốt trong.  Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas) 9
LPG là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí đồng hành thu được trong quá trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C3H8 và butan, C4H10 [3]. LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén như là một phụ gia nhiên liệu. Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp: khoảng 2,2 bar đối với C4H10 tại 20oC, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 55oC [2]. Thông thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ propan/butan khoảng 60%/40%. Khi sử dụng LPG cho động cơ đốt trong nhận thấy [3]: - Phát thải HC giảm hơn ba lần và phát thải NOx ít hơn khi phun trực tiếp vào buồng cháy. -Tổng lượng tiêu hao nhiên liệu giảm khi tăng tỷ lệ LPG thay thế khi tốc độ động cơ lớn hơn 2000 vg/ph, khi tốc độ động cơ lớn hơn 2400 vg/ph suất tiêu hao năng lượng giảm rõ rệt, đồng thời phát thải HC và NOx tăng nhiều trong khí phát thải CO và soot giảm. Bên cạnh đó các nghiên cứu về sử dụng LPG cho động cơ đốt trong, cũng cho thấy cần phải giảm góc phun sớm để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải.  Than hóa lỏng (CTL - Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL - Gas To Liquid) Than sau quá trình khí hoá, tạo ra syngas và thực hiện quá trình Fischer- Tropsch (FT) để tạo thành FT diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế từ khí methane, CH4 (có thể từ nguồn gốc tái tạo như biogas hoặc từ nguồn gốc hoá thạch như khí thiên nhiên). Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ khí methane gồm methanol, DME hoặc FT diesel [3].  Dimethyl Ether (DME) 10
Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên liệu có thể làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ có trị số xêtan cao. DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như nhiên liệu gốc hoá thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối [3].  Biodiesel Trong những năm gần đây, việc quan tâm sử dụng biodiesel thay thế cho diesel khoáng ngày càng được quan tâm. Vấn đề ảnh hưởng của việc sử dụng trực tiếp biodiesel đến quá trình phun nhiên liệu, quá trình cháy, cũng như đặc tính động cơ, ô nhiễm môi trường và tính kinh tế nhiên liệu đang được các nhà khoa học quan tâm, và các kết quả đã chỉ ra rằng sự ảnh hưởng này phụ thuộc vào tính chất hóa học, tính chất vật lý của biodiesel và thông số động cơ, cũng như điều kiện làm việc của động cơ, … Theo hầu hết các nghiên cứu cho thấy công suất động cơ, mô men động cơ, phát thải dạng hạt PM, phát thải CO và phát thải HC chưa cháy nhìn chung đều giảm khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng. Tuy nhiên phát thải NOx lại tăng. Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng. Do đó, nếu hiệu suất cháy như nhau thì tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng.  Ethanol Cồn là nhiên liệu sinh học được chế biến từ bã mía, than củi, giấy vụn, thân và lá bắp, rơm rạ, mùn cưa, phế phẩm lâm nghiệp, phế phẩm bông sợi … có thể tái sinh được, vừa giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường, vừa hạn chế dùng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch. Cồn có công thức hoá học chung là CnH2n+1OH được xem là nhiên liệu phù hợp nhất để sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane cao và tính chất vật lý, hoá học tương tự như xăng. Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn thể là ethanol (C2H5OH), methanol (CH3OH), butanol (C4H9OH) và propanol (C3H7OH), tất cả đều là 11