Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái FTP, HW và NEDC

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài thiết lập mô hình mô phỏng ô tô trang bị động cơ lưỡng nhiễn liệu cồn - diesel theo các chu trình lái; khai thác và sử dụng phần mềm chuyên dụng GT-SUITE của hãng Gama Technology trong mô phỏng động lực học của ô tô; thông qua mô hình xây dựng được, đánh giá đặc tính phát thải của ô tô khi sử dụng nhiên liệu diesel khoáng và nhiên liệu D80E20 (80% diesel và 20% ethanol) theo các chu trình lái phổ biến hiện nay,... 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 đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái FTP, HW và NEDC

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------------------------- HOÀNG TRUNG THÀNH NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL THEO CÁC CHU TRÌNH LÁI FTP, HW VÀ NEDC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Thái Nguyên - Năm 2018 ii
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 iii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... vii 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 ..................................................................................... 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 5 1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường ................................ 5 1.2. Nhiên liệu thay thế ..................................................................................... 6 1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí ................................................................ 7 1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng .............................................................. 9 1.3. Đặc điểm nhiên liệu ethanol..................................................................... 11 1.3.1. Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol ...................................... 11 1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam ....................... 13 1.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong .............................. 16 1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng .............................. 16 iv
1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel............................. 19 1.5. Kết luận chương 1 .................................................................................... 25 CHƯƠNG 2. THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ................................... 26 VÀ CÁC CHU TRÌNH THỬ NGHIỆM......................................................... 26 2.1. Các thành phần độc hại chính trong khí thải động cơ.............................. 26 2.2. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí xả động cơ diesel ............. 28 2.3. Giới thiệu các chu trình thử nghiệm ........................................................ 31 1. Chu trình thử cho đường phố FTP – 75 .................................................. 32 2. Chu trình thử cho xa lộ HW (US-Highway-Cycle) .................................. 33 3. Chu trình thử Châu âu NEDC ................................................................. 34 2.4. Các tiêu chuẩn khí thải ............................................................................. 35 2.4.1. Tiêu chuẩn khí thải ở Mỹ ................................................................... 35 2.4.2. Tiêu chuẩn khí thải ở Châu âu ........................................................... 39 2.5. Kết luận chương 2 .................................................................................... 40 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG Ô TÔ THEO CÁC CHU TRÌNH THỬ.............. 41 BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE .................................................................... 41 3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm GT-Suite ........................ 41 3.1.1. Giới thiệu phần mềm GT-Drive ......................................................... 41 3.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng ............................................................. 42 3.2. Nhiên liệu sử dụng khi mô phỏng ............................................................ 47 3.3. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 48 3.3.1. Tiêu hao nhiên liệu............................................................................. 48 3.3.2. Phát thải NOx ..................................................................................... 51 3.3.3. Phát thải CO ...................................................................................... 54 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................... 56 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 59 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 hy đrô 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 vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tính chất của ethanol ...................................................................... 12 Bảng 2.1. Các thông số của chu trình thử xe con cho đường thành phố của Mỹ ................................................................................................................... 33 Bảng 2.2. Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 1 .............................................. 36 Bảng 2.3. Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 2 .............................................. 37 Bảng 2.4. Tiêu chuẩn liên bang Mỹ cho xe tải nặng....................................... 38 Bảng 2.5. Tiêu chuẩn EPA cho động cơ diesel chạy trên xa lộ ...................... 39 Bảng 2.6. Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu cho xe con và xe tải nhẹ. Áp dụng cho xe con với số chỗ ≤ 6 và xe tải hạng nhẹ có trọng lượng ≤ 2,5 tấn ................ 39 Bảng 2.7. Tiêu chuẩn khí thải châu âu cho xe tải nặng, đơn vị tính g/km...... 40 Bảng 3.1. Các thông số chính trong mô hình ô tô “Vihicle - TC”.................. 44 Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của nhiên liệu diesel khoáng và D80E20 ...... 48 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015 ............. 14 Hình 2.1. Cơ chế hình thành các chất thải độc hại ở động cơ diesel .............. 29 Hình 2.2. Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ ........... 29 Hình 2.3. Chu trình thử FTP 75 ...................................................................... 32 Hình 2.4. Chu trình thử xe con trên xa lộ của Mỹ, HW.................................. 33 Hình 2.5. Chu trình thử Châu Âu NEDC ........................................................ 34 Hình 3.1. Cửa sổ giao diện GT-Drive ............................................................. 42 Hình 3.2. Mô hình mô phỏng ô tô theo các chu trình thử ............................... 43 ứng với các loại nhiên liệu khác nhau ............................................................. 43 Hình 3.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử động cơ ....................... 43 Hình 3.4. Mô hình hệ thống truyền lực ô tô “Vihicle - TC” ........................... 44 Hình 3.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử Vehicle_Controller ..... 45 Hình 3.6. Chu trình thử FTP-75 thiết lập trong mô hình mô phỏng ............... 46 Hình 3.7. Chu trình thử HW thiết lập trong mô hình mô phỏng..................... 46 Hình 3.8. Chu trình thử NEDC thiết lập trong mô hình mô phỏng ................ 47 Hình 3.9. Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử NEDC.................. 49 Hình 3.10. Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử FTP-75 .............. 49 Hình 3.11. Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử HW .................... 50 Hình 3.12. Lượng nhiên liệu tiêu thụ, [lít/100 km]......................................... 50 Hình 3.13. Tiêu hao nhiên liệu tổng cộng ứng với các chu trình thử ............. 51 khác nhau, [kg/h] ............................................................................................. 51 Hình 3.14. Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình NEDC ... 52 Hình 3.15. Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75 .. 52 Hình 3.16. Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình HW ........ 53 Hình 3.17. Phát thải NOx trên toàn bộ chu trình thử khi sử dụng 2 loại nhiên liệu D100 và D80E20, [g/h] ............................................................................ 53 viii
Hình 3.18. Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình NEDC ..... 54 Hình 3.19. Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75.... 55 Hình 3.20. Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình HW ......... 55 Hình 3.21. Phát thải CO trên toàn bộ chu trình thử khi sử dụng 2 loại nhiên liệu D100 và D80E20, [g/h] ............................................................................ 56 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 có mật độ xe cơ giới và mật độ dân cư cao. Ô nhiễm môi trường là vấn đế cấp bách mà thế giới đang quan tâm, trong đó động cơ đốt trong là một trong những nguồn gây ra ô nhiễm nhiều nhất. Hơn nữa nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong đang dần cạn kiệt. Vì vậy, thực tiễn phát triển động cơ phải gắn liền tiêu hao ít nhiên liệu và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường đến mức nhỏ nhất. Từ yêu cầu cấp bách của thực tiễn, các nhà nghiên cứu phải tìm ra biện pháp tối ưu để cải tiến động cơ và nghiên cứu tìm ra nguồn nhiên liệu mới thay thế cho nhiên liệu truyền thống. Vì vậy, hướng nghiên cứu sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu truyền thống có ý nghĩa thực tiễn cao, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ động cơ trong tương lai. 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 chất ô nhiễm dạng hạt (PM - Particulate Matter). Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (bio-based fuels) trong động cơ diesel là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm phát sinh các thành phần độc hại trong khí xả. Một trong số đó, nhiên liệu cồn (alcohol) là một trong những nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm phát thải và sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa 1
thạch. Alcohol là loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, do bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao. Trong các loại nhiên liệu alcohol, các nhiện liệu alcohol chứa hàm lượng các bon thấp (chứa 3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như methanol và ethanol hiện được coi là những nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel nhận được nhiều sự quan tâm do ưu điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng ô xi cao, do đó cải thiện đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải. Tuy nhiên, do số cetane thấp và nhiệt ẩn bay hơi cao cũng như vấn đề hòa trộn làm cản trở việc sử dụng các alcohol có hàm lượng các bon thấp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel. Nhiên liệu alcohol có hàm lượng các bon cao (chứa từ 4 nguyên tố các bon trở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so với nhiên liệu alcohol hàm lượng các bon thấp do chúng có số cetane và nhiệt trị cao hơn cũng như khả năng hòa trộn tốt hơn. Nghiên cứu sử dụng cồn trên động cơ diesel là một hướng nghiên cứu mới đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Vì cồn có một số tính chất có lợi cho sự cháy động cơ diesel như: cồn có nhiệt ẩn hóa hơi cao, trong phân tử cồn có chứa ô xy, không có lưu huỳnh và tốc độ cháy nhanh. Trong các phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy do nén, thì phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - diesel được sử dụng phổ biến hơn cả [5]. Trên thế giới, đã có một vài công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ diesel, tuy nhiên các công trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu trong khi các thuật toán cũng như mô phỏng số không được giới thiệu chi tiết [6 ÷ 20]; chính vì vậy, mô phỏng đặc tính của loại động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ; mặt khác, đánh giá đặc tính phát thải của phương tiện trang bị động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các chu 2
trình lái hiện nay là thực sự cần thiết, vấn đề này chưa thấy đề cập trong các công trình nghiên cứu gần đây. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái FTP, HW và NEDC” làm đề tài luận văn cao học của mình. 2. Mục đích của đề tài - Thiết lập mô hình mô phỏng ô tô trang bị động cơ lưỡng nhiễn liệu cồn - diesel theo các chu trình lái. - Khai thác và sử dụng phần mềm chuyên dụng GT-SUITE của hãng Gama Technology trong mô phỏng động lực học của ô tô. - Thông qua mô hình xây dựng được, đánh giá đặc tính phát thải của ô tô khi sử dụng nhiên liệu diesel khoáng và nhiên liệu D80E20 (80% diesel và 20% ethanol) theo các chu trình lái phổ biến hiện nay. - 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 đánh giá đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái FTP, HW và NEDC. Từ kết quả của đề tài đánh giá được đặc điểm phát thải của động cơ diesel khi sử dụng cồn và khả năng ứng dụng của alcohol trên động cơ diesel. Từ mô hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp diesel - alcohol ở các tỷ lệ pha trộn khác nhau đến đặc tính cháy, tính kinh tế nhiên liệu và phát thải của phương tiện theo các chu trình lái. Đây là cơ sở lý thuyết giúp cho việc so sánh với thực nghiệm, để từ đó có thể đề xuất kiến nghị sử dụng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ ở tỷ lệ thích hợp. * Ý nghĩa thực tiễn: - Mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình đào tạo chuyên sâu liên quan đến động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel; 3
- Mô hình xây dựng được trong luận văn có thể phục vụ khảo sát ảnh hưởng của các nhiên liệu thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và đặc tính phát thải của phương tiện theo các chu trình lái. - Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết trong việc so sánh với kết quả thực nghiệm. - Là tài liệu tham khảo cần thiết cho các mục đích tương tự. 4. Đối tượng nghiên cứu Ô tô con 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết thông qua việc xây dựng mô hình mô phỏng ô tô trang bị động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái bằng phần mềm GT-Suite. 6. Phạm vi nghiên cứu Đánh giá đặc tính phát thải của ô tô khi sử dụng nhiên liệu diesel khoáng và nhiên liệu D80E20 (80% diesel và 20% ethanol) theo các chu trình lái phổ biến hiện nay FTP-75, HW và NEDC. 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. Thành phần khí thải động cơ và các chu trình thử nghiệm - Chương 3. Mô phỏng ô tô theo các chu trình thử bằng phần mềm GT-SUITE - Kết luận và kiến nghị 4
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 5
sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và 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...) [2]: + 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 6
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 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 hydrocarbon, 7
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)” 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 [2]. 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” [2]. 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 [2]. 8
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) 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 [2]. 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 [2]: - 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 9
hoá thạch như khí thiên nhiên). Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ khí methane gồm methanol, DME hoặc FT diesel [2].  Dimethyl Ether (DME) 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 [2].  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 10
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 chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol và butanol đều rất độc, đặc biệt là butanol. Hơn nữa, giá thành sản xuất butanol khá cao so với giá thành sản xuất ethanol và methanol. Vì vậy hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện giao thông vận tải [2]. 1.3. Đặc điểm nhiên liệu ethanol Với các đặc tính là nguồn nhiên liệu cháy sạch, dễ lưu trữ và vận chuyển, có ưu thế trong tiềm năng sản xuất và cung cấp, việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ cho tính kinh tế và tính hiệu quả cao, góp phần thay thế một phần nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt và giảm phát thải ô nhiễm môi trường. Do đó, sau đây sẽ tìm hiểu và nghiên cứu kỹ hơn về ethanol và việc sử dụng ethanol trên động cơ diesel. 1.3.1. Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol  Tính chất vật lý của ethanol Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ 78,39 oC), hóa rắn ở -114,15 oC, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời (Bảng 1.1 [9], [10]). Sở dĩ ethanol tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có cùng số cácbon là do có sự tạo thành liên kết hyđrô giữa các phân tử với nhau và với nước [2]. 11