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

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

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.

iii

Học viên

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

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

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

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

vii

Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của nhiên liệu diesel khoáng và D80E20 ...... 48

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

viii

liệu D100 và D80E20, [g/h] ............................................................................ 53

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

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

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

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;

- 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

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

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

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,

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].

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

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

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].

Bảng 1.1. Tính chất của ethanol

TT Tính chất Giá trị

1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O

2 Phân tử gam 46,07 [g/mol]

3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt, dễ cháy

4 Khối lượng riêng tại 20oC 0,789 [g/cm3]

5 Độ nhớt tại 20oC 1,2cP

6 Độ tan trong nước Tan hoàn toàn

78,4 [oC] (351,6 [K]) 7 Nhiệt độ sôi

8 Nhiệt độ tan 158,8 [K]

9 Nhiệt độ tự cháy 665 [K]

10 Số xê tan 8

11 Số octane 129

12 Nhiệt trị thấp 26,9 [MJ/kg]

13 Nhiệt hóa hơi 840 [kJ/kg]

14 Hàm lượng các bon 52,2%

15 Hàm lượng hy đrô 13%

16 Hàm lượng ô xy 34,8%

 Tính chất hóa học

Phản ứng oxy hóa, trong đó rượu bị oxy hóa theo 3 mức: Oxy hóa không

hoàn toàn (hữu hạn) tạo ra aldehyde, acid hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn (đốt

cháy) tạo thành CO2 và H2O.

Mức 1: Oxy hóa không hoàn toàn trong môi trường nhiệt độ cao

CH3-CH2-OH + CuO  CH3-CHO + Cu + H2O

Mức 2: Oxy hóa bằng oxy không khí có xúc tác tạo axit hữu cơ

CH3-CH2-OH + O2  CH3-COOH + H2O

Mức 3: Oxy hóa hoàn toàn

C2H5OH + 3O2  2CO2 + 3H2O

1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam

 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới

Dùng ethanol thay dầu diesel sẽ góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường

từ khí thải động cơ diesel: các chỉ số HC, CO, độ khói đen đều thấp hơn so với

khi dùng dầu diesel. Sở dĩ như vậy là do trong phần tử ethanol có thành phần

cácbon ít hơn với dầu diesel và có sẵn oxy nên nên dễ đốt cháy cácbon hơn.

Tuy nhiên, do tính chất của ethanol khác với tính chất của nhiên liệu dùng cho

động cơ diesel như: trị số xêtan và độ nhớt thấp, không thể đốt cháy ethanol

bằng phương pháp tự bốc cháy trong động cơ diesel. Vì vậy sử dụng ethanol

trên động cơ diesel gặp nhiều khó khăn hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng bức

[2].

Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn nhất thế giới, chiếm

khoảng 86,25% toàn bộ lượng ethanol sản xuất toàn cầu (Hình 1.1). Nguyên

liệu chính để sản xuất ethanol tại Mỹ là ngô, trong khi tại Brazil thì mía là

nguồn cung cấp chính [1], [2].

Hình 1.1. Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015

 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam

Hiện nay tại Việt Nam, nhiên liệu xăng và diesel vẫn là hai loại nhiên

liệu chính của ngành giao thông vận tải (GTVT). Việc sản xuất và sử dụng

nhiên liệu thay thế là chưa nhiều, hầu hết ở quy mô nhỏ lẻ. Năm 2007, thủ

tướng chính phủ ra quyết định số 177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát triển nhiên

liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”. Mục tiêu đến năm 2015, sản xuất

được 250 nghìn tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng 1% nhu cầu nhiên liệu; và

tầm nhìn 2025 là 1,8 triệu tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng được 5% nhu cầu

nhiên liệu. Cùng với đó là những khuyến khích về tài chính như trợ giá, miễn

thuế... cho các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnh vực năng

lượng tái tạo [1], [2].

Việt Nam là một nước nông nghiệp, có tiềm năng lớn để phát triển nhiên

liệu sinh học, đặc biệt là ethanol. Một số nhà máy sản xuất ethanol đã đi vào

hoạt động như nhà máy cồn Đại Lộc (Quảng Nam) với sản lượng khoảng 125

triệu lít/năm; nhà máy cồn Cát Lái (TP Hồ Chí Minh) với sản lượng 40 triệu

lít/năm. Ba nhà máy cồn của công ty dầu Việt Nam (PV Oil) đang được xây

dựng với sản lượng ước tính là 125 triệu lít/năm. Nhà máy bắt đầu vào hoạt

động vào cuối năm 2012, đầu năm 2013. Nguyên liệu chính được sử dụng là

sắn. Tuy nhiên, do nhu cầu ở Việt Nam chưa lớn, nên hầu hết các nhà máy

không hoạt động hết công suất. Trong năm 2010, tổng sản lượng ethanol sản

xuất được của cả nước ước tính khoảng 150 triệu lít [2].

Bắt đầu từ tháng 8 năm 2010, xăng sinh học E5 đã bắt đầu được bán ở

22 cây xăng (12 cây xăng của PV Oil và 10 cây xăng do PETEC quản lý) ở các

địa phương như TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, Bà Rịa-Vũng Tàu, Hải Phòng, Hải

Dương.

Lộ trình thực hiện tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền

thống được thể hiện theo quyết định số 53/2012/QĐ-TTg cụ thể như sau: từ

ngày 01 tháng 12 năm 2014 xăng E5 được sản xuất, phối chế, kinh doanh, từ

ngày 01 tháng 12 năm 2016, xăng E10 được sản xuất, phối chế, kinh doanh.

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

khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế và kinh doanh xăng E5, E10 và

diesel B5 và B10

Hiện tại, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500

triệu USD, tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm, tập trung chủ yếu tại Miền

Trung - Tây Nguyên và Miền Nam Việt Nam. Thiết bị của các nhà máy này

đều được xây dựng sau năm 2007 và được đầu tư thiết bị mới 100%, xuất xứ

Châu Á và G7. Trình độ tự động hóa đạt trên 85%. Hiện tại, chỉ có 04/07 Nhà

máy có khả năng sản xuất được E100. Nếu bốn nhà máy này hoạt động đạt 80%

công suất thiết kế sẽ cung cấp ra thị trường 320000 m3 E100/năm, dư đủ cho

nhu cầu pha xăng E5 - E10 theo lộ trình của Chính phủ.

1.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong

1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng

 Tình hình nghiên cứu trong nước

Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ xăng,

trong đó có thể kể đến nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu xăng

pha ethanol E5 và E10 đến tính năng và phát thải độc hại của xe máy và xe con

đang lưu hành ở Việt Nam” với nhiên liệu E5 (5% ethanol, 95% xăng Mogas92)

và E10 (10% ethanol, 90% xăng Mogas92) đối chứng với xăng Mogas92. Động

cơ ô tô thực nghiệm là Ford Laser Ghia 1.8 và động cơ xe máy là HonDa Super

Dream 100cc. Theo nghiên cứu này hỗn hợp xăng-ethanol được hòa trộn sẵn và

có ưu điểm là không phải thay đổi về kết cấu động cơ.

Kết quả cho thấy công suất động cơ ô tô tăng khi tỷ lệ ethanol thay thế

tăng. Suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ ô tô tại tốc độ bình thường trong

trường hợp có ethanol ít hơn khi dùng xăng Mogas92.

Về các thành phần phát thải, nghiên cứu cũng cho thấy phát thải CO giảm

khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế. Phát thải HC cũng ít hơn khi tăng tỷ lệ ethanol

thay thế, đặc biệt tại tốc độ cao. Phát thải NOx tăng khi tăng tỷ lệ ethanol thay

thế còn phát thải CO2 tăng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế, đặc biệt tại tốc độ

cao.

Cụ thể khi sử dụng xăng E5 và E10 cho động cơ xe máy và động cơ ô tô,

công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu được cải thiện tương ứng 6,5% và

6,37% cho động cơ xe máy, cải thiện tương ứng 6,36% và 5,18% cho động cơ ô

tô khi so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92.

Phát thải CO và HC giảm đáng kể lần lượt là 33,74% và 18,62% đối với

động cơ ô tô, 16,06% và 21% đối với động cơ xe máy. Trong khí đó, phát thải

NOx và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 đều tăng lên 21,58% và 3,79% đối với

động cơ ô tô, tăng 31,67% và 11,64% đối với động cơ xe máy.

Bên cạnh đó trong nội dung luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Hữu Truyền

(2014) với đề tài “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-ethanol

sử dụng trên động cơ xăng”, theo nghiên cứu này hỗn hợp xăng- ethanol cũng

được hòa trộn sẵn và có ưu điểm là không phải thay đổi về kết cấu động cơ.

Cho thấy, khi sử dụng nhiên liệu E10, E15 và E20 kết quả đo công suất và tỷ

lệ cải thiện công suất xe Lanos so với trường hợp sử dụng xăng RON92 tại tay

số IV và V cho thấy xét trên toàn dải tốc độ, xe chạy với nhiên liệu E10 cho

công suất tương đương nhiên liệu RON92, tuy nhiên ở tốc độ thấp công suất

E10 nhỏ hơn RON92, nhưng ở tốc độ cao E10 cho công suất lớn hơn. Suất tiêu

thụ nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E10, E15, E20 lớn hơn so với trường hợp

sử dụng xăng RON92. Phát thải xe Lanos tại tay số V cho thấy đối với xe sử

dụng hệ thống phun xăng điện tử, tính trung bình trên toàn dải tốc độ thử

nghiệm, phát thải CO, HC được cải thiện đối với nhiên liệu E10, tương ứng với

nó là mức phát thải NOx và CO2 tăng lên. Tuy nhiên với xăng E15 và E20, CO

vẫn giảm nhưng HC có xu hướng tăng lên.

Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số IV và tay số V đối với động cơ

ô tô sử dụng bộ chế hòa khí, công suất của động cơ tăng lên khi sử dụng xăng

sinh học E10, E15 và E20. Công suất cao nhất của động cơ đạt được đối với

nhiên liệu E15, tiếp sau đó là E10. Suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng xăng

sinh học E10, E15 và E20 được cải thiện đáng kể so với xăng RON92. Phát thải

CO, HC cải thiện, sự cải thiện các thành phần phát thải CO và HC càng lớn khi

tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học.

 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Hsieh và các cộng sự [21] đã nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính động

cơ và phát thải của động cơ xăng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol

hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5%, 10%, 20% và 30%. Kết

quả chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế thì nhiệt trị của hỗn hợp giảm và

trị số octane của hỗn hợp nhiên liệu tăng. Động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu

gasoline-ethanol hòa trộn sẵn thì mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng

không đáng kể.

Abdel-Rahman và các cộng sự [22] đã thực nghiệm trên động cơ có tỷ số

nén thay đổi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn có tỷ lệ

ethanol thay thế tới 40%. Công suất động cơ tăng lên khi tăng tỷ lệ ethanol thay

thế đến 10% tại tỷ số nén động cơ bằng 10:1. Tỷ số nén tốt nhất là 10, 11, 12

tương ứng với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 20%, 30% và 40%, đồng thời

công suất chỉ thị của động cơ đạt lớn nhất.

Nghiên cứu thực nghiệm của Al-Hasan [23] về ảnh hưởng của việc sử

dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn đến tính năng kỹ thuật

và phát thải của động cơ xăng. Kết quả chỉ ra rằng khi có ethanol thì làm tăng

công suất có ích, hiệu suất nhiệt có ích, hiệu suất nạp và tiêu hao nhiên liệu

tương ứng lần lượt là 8,3%; 9,0%; 7,0% và 5,7%. Kết quả tốt nhất của tính năng

kỹ thuật và phát thải của động cơ đạt được tương ứng với tỷ lệ ethanol thay thế

bằng 20%.

Wu và các công sự [24] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ không khí -

nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ xăng sử dụng

lưỡng nhiên liệu gasoline- ethanol hòa trộn sẵn. Kết quả cho thấy mô men tăng

không đáng kể khi độ mở bướm ga nhỏ và phát thải CO, HC giảm khi tăng tỷ

lệ ethanol thay thế. Đồng thời phát thải CO2 trên một đơn vị công suất động cơ

là tương tự hoặc ít hơn so với khi sử dụng nhiên liệu gốc.

Yucesu và các cộng sự [25] đã nghiên cứu so sánh giữa tính toán và phân

tích thực nghiệm về đặc tính kỹ thuật của động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp

lưỡng nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn. Nhóm tác giả đã thực nghiệm

động cơ sử dụng hỗn hợp gasoline - ethanol với các tỷ lệ ethanol thay thế là

10%, 20%, 40% và 60% trên động cơ xăng bốn kỳ, một xy lanh. Khi thực

nghiệm được tiến hành bằng cách thay đổi góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng đến

tỷ lệ A/F và tỷ số nén tại tốc độ động cơ bằng 2000 [vg/ph] khi bướm ga mở

hoàn toàn. Kết quả cho thấy mô men động cơ lớn hơn so với trường hợp sử dụng

gasoline nguyên bản trong toàn dải tốc độ động cơ, phát thải HC giảm đáng kể,

đồng thời động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn

có thể dùng tỷ số nén lớn hơn mà không bị kích nổ.

Mustafa Koç và các cộng sự [26] đã nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của

hỗn hợp nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn đến tính năng kỹ thuật và

phát thải của động cơ xăng. Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp gasoline - ethanol hòa

trộn sẵn với các tỷ lệ ethanol thay thế là 0%, 50% và 85%. Động cơ thực nghiệm

là động cơ xăng, một xy lanh, bốn kỳ với hai tỷ số nén lần lượt là 10 và 11. Tốc

độ động cơ thay đổi trong khoảng 1500 ÷ 5000 [vg/ph]. Kết quả nghiên cứu cho

thấy mô men, công suất động cơ tăng, các thành phần phát thải CO, NOx và HC

đều giảm, đồng thời khi sử dụng lưỡng nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn

nên tăng tỷ số nén của động cơ để không xảy ra kích nổ.

Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy khi sử dụng nhiên liệu

gasoline - ethanol ở dạng hòa trộn trước đều cho thấy cải thiện được công suất

và mô men động cơ, đồng thời giảm các thành phần phải thải như CO, HC và

NOx.

1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel

 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế tiềm năng cho cả động cơ xăng và

động cơ diesel, đồng thời có khả năng cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và

phát thải của động cơ. Điển hình gồm các nghiên cứu sau:

Nghiên cứu đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel

khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần

lượt là 5% và 10% [27]. Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên

liệu thay đổi không đáng kể, phát thải HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx

tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc.

Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các

chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ được tác giả Lê Danh Quang thực hiện

trong luận án tiến sĩ (2014) "Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh

học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ" cho thấy: Khi thử

nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-D đến tính năng kinh tế,

kỹ thuật của động cơ diesel D243, kết quả là ở thời điểm 0 giờ mô men động

cơ tăng trung bình 5,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 2,5%, các thành

phần phát thải đều giảm, cụ thể: CO: 3,5%; HC: 6,6%; NOx: 5,5%; CO2: 0,86%

và PM: 3,3% khi so sánh với trường hợp không sử dụng phụ gia. Kết quả thử

nghiệm mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả của động

cơ tại các thời điểm 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định không thay đổi nhiều so

với thời điểm 0 giờ. Sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với nhiên liệu D5 có

phụ gia VPI-D, lượng phát thải được cải thiện. Cụ thể, sau 50 giờ chạy ổn định

phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt

là 3,9%, 14,7%, 3,6%, 1,2% và 4,3; sau 100 giờ chạy ổn định phát thải HC,

NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 5%, 16,3%,

8,4%, 2,2% và 6%.

 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Có một vài công nghệ có thể ứng dụng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu

ethanol:

+ Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn;

+ Ethanol phun trực tiếp;

+ Ethanol phun trên đường ống nạp.

* Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn

E.A. Ajav và các cộng sự [28] đã nghiên cứu thực nghiệm một số thông

số hiệu suất của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn

tại tốc độ động cơ không đổi. Trong nghiên cứu sử dụng động cơ TV110, một

xy lanh, làm mát bằng dung dịch. Kết quả cho thấy công suất lớn nhất của động

cơ diesel nguyên bản đạt 10,71 [ml] tại tốc độ 1475 [vg/ph], công suất lớn nhất

đạt lần lượt là 10,66; 10,63; 10,51; 10,39 [ml] tương ứng với các tỷ lệ ethanol

thay thế lần lượt là 5%; 10%; 15% và 20%. Như vậy, có thể coi công suất động

cơ giảm không đáng kể khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với

tỷ lệ thay thế có thể đạt đến 20% so với động cơ diesel nguyên bản.

Theo nghiên cứu của Eugene EE và các cộng sự [29] thì động cơ cần một

số điều chỉnh nhỏ như thay đổi thời điểm phun và lượng phun để động cơ giữ

được công suất cực đại, mức độ điều chỉnh nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ

ethanol trong nhiên liệu và phụ thuộc vào ảnh hưởng của ethanol đến quá trình

cháy.

Theo nghiên cứu của Alan C. Hansen và các cộng sự [30] thì ethanol

khan có thể hòa trộn với nhiên liệu diesel, tuy nhiên do ethanol có tính hút nước

mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân

tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ. Theo

nghiên cứu của Murayama T và các cộng sự [31] cho biết, khả năng hòa tan

của hỗn hợp diesel - ethanol phụ thuộc vào tỷ lệ hòa trộn, nhiệt độ, hàm lượng

nước, nồng độ chất phụ gia và trọng lượng riêng của nhiên liệu diesel. So với

các loại nhiên liệu diesel thông thường, các loại nhiên liệu pha trộn cho hiệu

suất nhiệt tốt hơn, độ khói giảm, và phát thải HC, NOx, CO giảm.

Do ethanol có tính chất cơ lý khác với nhiên liệu diesel nên khi thêm

ethanol vào diesel sẽ làm thay đổi tính chất cơ lý của nhiên liệu gốc như làm

giảm mạnh trị số cetan cũng như độ nhớt và nhiệt trị của hỗn hợp. Với lý do

này động cơ sẽ khó khởi động lạnh, hiện tượng rò rỉ nhiên liệu tăng lên đồng

thời chiều dày màng dập lửa tăng do nhiệt hóa hơi của ethanol cao.

Weidmann và các cộng sự [32] đã tiến hành đo đặc tính của động cơ

diesel bốn xy lanh Volkswagen sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha ethanol,

kết quả cho thấy HC, CO và andehit trong khí thải tăng lên, tuy nhiên NOx và

độ khói giảm so với chạy nhiên liệu diesel.

Czerwinski và các cộng sự [33] đã xây dựng đặc tính của động cơ diesel

bốn xy lanh phun trực tiếp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30% thể tích

ethanol và 15% thể tích dầu hạt cải. Kết quả cho thấy khi thêm ethanol sẽ làm

cho nhiệt độ cháy giảm, tất cả chất độc hại trong khí thải giảm ở toàn tải, tuy

nhiên lượng CO và HC tăng tại tải nhỏ và tốc độ thấp.

Qua việc phân tích các công trình đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel-

ethanol hòa trộn sẵn cho thấy ưu điểm của phương pháp này là không phải thay

đổi kết cấu động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho

phù hợp với tỷ lệ ethanol thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất

động cơ. Tuy nhiên phương pháp này không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế

theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol có tính hút nước mạnh nên

lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng

nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn trong

quá trình sử dụng.

* Ethanol phun trực tiếp

Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng một

động cơ, trong đó ethanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy bằng

nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun của

ethanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất. Theo

nghiên cứu của Savage LD [34], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên

tới 90% trong điều kiện lý tưởng. Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm

dịu, độ mờ khói và khí thải rất thấp. Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực

tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol

cao áp.

* Ethanol phun trên đường ống nạp

Phương pháp thứ ba là ethanol hòa trộn với không khí nạp trước khi đi

vào xy lanh động cơ. Theo phương pháp này M.Abu-Qudais và các cộng sự

[35] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai trường hợp phun ethanol trên đường ống

nạp và diesel - ethanol hòa trộn sẵn đến đặc tính và phát thải của động cơ diesel

một xy lanh, bốn kỳ, làm mát bằng dung dịch.

Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% và 5,4%

trên toàn dải tốc độ lần lượt trong hai trường hợp: phun ethanol trên đường ống

nạp và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn. Về phát thải cho thấy CO, HC đều

tăng trong khi độ khói và soot giảm so với khi sử dụng nhiên liệu diesel nguyên

bản. Tỷ lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20% và 15% trong lần lượt

hai trường hợp phun ethanol và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn.

Từ các kết quả trên, cho thấy khi sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế

với tỷ lệ thay thế 20% trong các trường hợp thì phát thải CO, HC tăng và phát

thải độ khói và soot đều giảm. Phát thải CO và HC tăng dẫn đến tỷ lệ ethanol

có thể sử dụng bị giới hạn. Ngoài ra, sử dụng phương pháp phun ethanol gián

tiếp trên đường ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên

phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp

nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó.

Ogawa H và cộng sự [36] đã tiến hành thiết lập đặc tính của động cơ diesel một xy lanh 0,83 dm3 phun trực tiếp sử dụng hai hệ thống nhiên liệu, bao

gồm hệ thống phun diesel Common - Rail (CR) và hệ thống phun ethanol trên

đường ống nạp, đồng thời sử dụng phương pháp luân hồi khí thải EGR. Kết quả

cho thấy với 20% ethanol và lượng oxy trong khí nạp giảm 15%, độ khói và

NOx đều giảm trên toàn bộ dải làm việc của động cơ. Nếu kết hợp tốt giữa việc

phối trộn ethanol và EGR thì có thể cho phép độ khói bằng không đồng thời

hàm lượng NOx giảm mạnh. Kết quả còn cho thấy cần phải giảm tỷ số nén

nhằm đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol đồng thời loại bỏ hiện

tượng mất lửa và gõ trong xy lanh.

Ngoài ra có thể kể đến Volpato và cộng sự [37] đã nghiên cứu điều khiển

động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ nông

nghiệp MWM MS-4001P sử dụng bơm phân phối piston hướng kính, ethanol

được phun vào đường ống nạp, trong đó nhiên liệu diesel được phun vào buồng

cháy của động cơ ở dạng phun mồi nhằm kích hoạt nhiên liệu ethanol cháy

chính. Kết quả cho thấy công suất và mô men động cơ vẫn đảm bảo mặc dù tỷ

lệ ethanol thay thế từ 60 ÷ 85% tại chế độ tải 100%.

Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun

ethanol trên đường ống nạp có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hòa khí

hoặc sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp phun trước xupáp nạp. Mặc dù

phương pháp này phải cần hai hệ thống nhiên liệu và điều khiển độc lập, làm

tăng mức độ phức tạp trong quá trình điều khiển, tuy nhiên phương pháp này

giải quyết được các nhược điểm của hai phương pháp trên, và có các ưu điểm

như sau:

- Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được

đặt ở trên đường ống nạp.

- Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp;

- Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ

dàng;

- Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp

giúp tăng mật độ không khí nạp nạp vào động cơ;

- Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc

của động cơ.

1.5. Kết luận chương 1

Qua nghiên cứu tổng quan ở trên rút ra một số nhận xét sau:

- Việc sử dụng nhiên liệu ethanol nói riêng và nhiên liệu alcohol nói

chung cho động cơ đánh lửa cưỡng bức đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ, chi tiết

và thu được nhiều kết quả triển vọng khi sử dụng nhiên liệu cồn thay thế cho

xăng khoáng.

- Sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn có thể nâng cao hiệu

suất động cơ, giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường, góp phần đảm bảo an

ninh năng lượng và nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp.

- Việc nghiên cứu sử dụng alcohol cho động cơ diesel đang ngày càng

được quan tâm, trong đó việc hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu

có 2 phương pháp nổi bật là hòa trộn diesel - alcohol sẵn trước khi phun vào xi

lanh và phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp của động cơ.

- Trên cơ sở phân tích các phương pháp hình thành lên chế độ vận hành

động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol, trong nội dung luận văn tác giả sử

dụng phương pháp hòa trộn diesel - alcohol trước trước khi phun vào xi lanh

do đơn giản, không phải thay đổi kết cấu động cơ và quan trọng là thuận tiện

xây dựng mô hình mô phỏng động cơ theo các chu trình lái bằng phần mềm

GT-Suite.

CHƯƠNG 2. THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ

VÀ CÁC CHU TRÌNH THỬ NGHIỆM

2.1. Các thành phần độc hại chính trong khí thải động cơ

Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ôxy hóa nhiên liệu,

giải phóng nhiệt năng, diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết

sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số. Trong quá trình cháy sinh

ra các hợp chất trung gian rất phức tạp. Sản phẩm cuối cùng của quá trình cháy

gọi là sản phẩm cháy.

Quá trình ôxy hóa nhiên liệu sẽ tạo ra các hợp chất khác nhau trong khí

thải động cơ. Các thành phần chính trong khí thải động cơ là: CO, CO2, NOx,

THC, Anđêhít, thành phần dạng hạt (PM), hợp chất chứa lưu huỳnh.

 Ôxít cacbon (Monoxide carbon - CO)

Monoxide carbon (CO) là sản phẩm cháy của nhiên liệu sinh ra do ôxy

hóa không hoàn toàn hyđrô cácbon trong điều kiện thiếu ôxy, CO ở dạng khí

không màu, không mùi, không vị.

CO khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thàmh một hợp

chất ngăn cản quá trình hấp thụ ôxy của Hemoglobin trong máu và làm cho các

bộ phận của cơ thể bị thiếu ôxy.

Theo các nghiên cứu nếu:

- 20% lượng hemoglobin bị khống chế thì sẽ gây nhức đầu, chóng mặt,

buồn nôn;

- 50% lượng hemoglobin bị khống chế thì não bắt đầu bị ảnh hưởng;

- 70% lượng hemoglobin bị khống chế có thể dẫn đến tử vong.

Hàm lượng CO cho phép trong không khí là: [CO] = 33 mg/m3, [2].

 Cácbua hydro (Total Hydrocacbon – THC)

Total hydrocacbon (THC) là các loại HC có trong nhiên liệu hoặc dầu

bôi trơn không cháy hết có trong khí thải động cơ. HC có nhiều loại và mỗi loại

có mức độ độc hại khác nhau. Các HC có nguồn gốc paraphin hoặc naphtanin

có thể coi là vô hại, trong khi đó các HC thơm (có nhân benzen) thường rất độc,

chúng có thể gây ra căn bệnh ung thư. HC tồn tại trong khí quyển còn gây ra

sương mù gây tác hại cho mắt, niêm mạc và đường hô hấp. Thông thường để

đánh giá tiêu chuẩn môi trường thì thường xét tổng lượng HC mà động cơ phát

ra (THC).

 Ôxít nitơ (NOx)

Ôxítnitơ là sản phẩm ôxy hóa N2 có trong không khí (khí nạp mới) ở điều

kiện nhiệt độ cao trên 11000C. NOx tồn tại chủ yếu là NO và NO2 trong đó NO

chiếm đại bộ phận. NO là khí không mùi và không nguy hiểm nhưng nó không

bền và dễ biến thành NO2 trong điều kiện tự nhiên. NO2 là khí có màu nâu đỏ,

có mùi gắt, gây nguy hiểm cho phổi, niêm mạc. Khi tác dụng với nước tạo ra

axít, gây ra mưa axít làm ăn mòn chi tiết máy và đồ vật.

Hàm lượng cho phép [NO] = 9 mg/m3, [NO2] = 9 mg/m3, [2].

 Anđêhít (C-H-O)

Anđêhít có công thức chung là C-H-O, là một chất khí gây tê và có mùi

gắt, một số loại có thể gây ung thư như Foocmondehit.

Hàm lượng cho phép [CHO] = 0,6 mg/m3, [2].

 Chất thải dạng hạt (PM)

PM là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí thải động cơ diezel, nó

tồn tại dưới dạng hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3 μm, nên dễ xâm

nhập vào phổi gây tổn thương tới cơ quan hô hấp và còn có thể gây ung thư do

các hydrocacbon thơm bám dính lên nó. PM sinh ra do quá trình phân hủy nhiên

liệu và dầu bôi trơn, chúng chính là C chưa cháy hết bị bón thành các hạt nhỏ.

Trong không khí PM là tác nhân gây sương mù, bụi bẩn làm ảnh hưởng đến

giao thông và sinh hoạt con người.

 Hợp chất chứa lưu huỳnh

Sản phẩm chính là khí SO2, chất khí không màu có mùi gắt, khi tác dụng

với nước tạo thành axít yếu (H2SO3) gây hư hại cho mắt và đường hô hấp, SO2

làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và tăng cường độ tác dụng của các chất

ô nhiễm khác đối với cơ thể. Ngày nay, các loại nhiên liệu được khống chế hàm

lượng S có trong đó. Hàm lượng cho phép [SO2] = 3 ml/m3, [2].

 Cácbonđiôxít (Carbondioxide - CO2)

Cácbonđiôxít là sản phẩm cháy hoàn toàn của C trong O2, là sản phẩm

cháy chủ yếu của quá trình cháy. CO2 tuy không độc với sức khỏe của con

người nhưng với nồng độ quá lớn có thể gây ngạt. CO2 là nguyên nhân chính

gây hiệu ứng nhà kính dẫn đến sự nóng lên của nhiệt độ trái đất.

Hàm lượng cho phép [CO2] = 2 ml/m3, [2].

2.2. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí xả động cơ diesel

Đặc điểm của động cơ diesel là hình thành hỗn hợp bên trong xi lanh nên

hệ số dư lượng không khí λ, so với ở động cơ xăng, nằm trong một giới hạn rất

rộng, cụ thể từ 1,2 ÷ 10 từ toàn tải đến không tải. Chính vì giới hạn λ rộng nên

điều chỉnh tải bằng phương pháp điều chỉnh λ còn gọi là điều chỉnh chất. Do

đó khác với điều chỉnh lượng ở động cơ xăng, trên đường nạp không có tiết

lưu.

Trên hình 2.1 thể hiện cơ chế hình thành chất thải độc hại ở động cơ

diesel và hình 2.2 trình bày đặc tính của các thành phần độc hại chủ yếu trong

động cơ diesel theo hệ số dư lượng không khí .

Hình 2.1. Cơ chế hình thành các chất thải độc hại ở động cơ diesel

Qua hình 2.1 ta thấy lượng NOx hình thành nhiều nhất ở vùng cháy hoàn

toàn λ = 1 do nhiệt độ cao. HC tồn tại nhiều ở vùng hỗn hợp nhạt do không đủ

không khí để nhiên liệu tự cháy. Ở khu vực giữa tia phun, chất thải dạng hạt

hình thành nhiều nhất, đây chính là vùng bị ôxy hóa trong lòng ngọn lửa khuếch

tán.

Hình 2.2. Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ

 Thành phần CO

Trong khí thải của động cơ diesel, tuy λ > 1 và khá lớn (thừa ô-xy) nhưng

vẫn có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do vẫn có những vùng với λ < 1 (thiếu

ô-xy). Khi λ tăng, ban đầu CO giảm do nồng độ ô-xy tăng và đạt cực tiểu tại λ

≈ 2. Tiếp tục tăng λ, CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO với ô-xy trong quá trình

giãn nở giảm đi nên lượng CO còn lại trong khí thải tăng lên.

 Thành phần Hydro cacbon chưa cháy (CmHn)

Do λ lớn nên CmHn trong động cơ diesel so với ở động cơ xăng cũng nhỏ

hơn. Khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy được CmHn

sẽ tăng lên. Đối với phương pháp hình thành hỗn hợp dạng màng, do hiệu ứng

sát vách ảnh hưởng mạnh nên CmHn lớn hơn so với trường hợp hình thành hỗn

hợp theo phương pháp thể tích. Nếu tổ chức xoáy lốc và hoà trộn tốt trong quá

trình hình thành hỗn hợp, thành phần CmHn sẽ giảm.

 Thành phần NOx

Khi λ tăng, nhiệt độ cháy giảm nên thành phần NOx giảm (hình 2.1 và

hình 2.2). So với ở động cơ xăng thì thành phần NO2 trong NOx cao hơn, cụ thể

chiếm từ 5 ÷ 15%.

Phương pháp hình thành hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến hình thành NOx.

Đối với buồng cháy ngăn cách, quá trình cháy diễn ra ở buồng cháy phụ (hạn

chế không khí) rất thiếu ô-xy nên mặc dù nhiệt độ lớn nhưng NOx vẫn nhỏ. Khi

cháy ở buồng cháy chính, mặc dù λ rất lớn, ô-xy nhiều nhưng nhiệt độ quá trình

cháy không lớn nên NOx cũng nhỏ. Tổng hợp lại, NOx của động cơ buồng cháy

ngăn cách chỉ bằng khoảng 1/2 so với ở động cơ buồng cháy thống nhất.

 Chất thải dạng hạt (PM)

Theo định nghĩa của Tổ chức bảo vệ môi trường bang California - Mỹ

thì PM là những thực thể (trừ nước) của khí thải sau khi được hoà trộn với

không khí (làm loãng) đạt nhiệt độ nhỏ hơn 51,70C và được tách ra bằng một

bộ lọc qui định.

Với định nghĩa như vậy, PM gồm các hạt rắn và các chất lỏng bám theo.

Các hạt rắn gồm: cac-bon tự do và tro còn gọi là bồ hóng (soot), các chất phụ

gia dầu bôi trơn, các hạt và vảy tróc do mài mòn... Chất lỏng bám theo gồm có

các thành phần trong nhiên liệu và dầu bôi trơn.

Các hạt (PM) có kích thước từ 0,01 đến 1 μm. Phần lớn hạt có kích thước

< 0,3 μm nên rất dễ bị hít vào và gây tổn thương cho đường hô hấp và phổi.

Thành phần PM trong khí xả phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc

của động cơ và phương pháp hình thành khí hỗn hợp.

2.3. Giới thiệu các chu trình thử nghiệm

Hiện nay với mức độ phát triển ngày càng nhanh của các phương tiện

giao thông ở hầu hết các quốc gia trên thế giới, vì vậy vấn đề ô nhiễm môi

trường do khí thải động cơ trực tiếp gây ra là hết sức cấp bách, liên quan đến

sức khỏe con người. Chính vì vậy, xây dựng tiêu chuẩn khí thải từ động cơ là

vấn đề cấp thiết của mỗi quốc gia. Các tiêu chuẩn thử là quy phạm của mỗi

quốc gia, có liên quan trực tiếp tới điều kiện giao thông như: chất lượng, số

lượng và tiêu chuẩn đường sá, số lượng các loại phương tiện và chủng loại

phương tiện giao thông đang lưu hành, mức độ phát triển của các phương tiện

và mức thu nhập của người dân (điều kiện kinh tế của mỗi nước)... Dựa trên cơ

sở đó mà mỗi quốc gia đưa ra các tiêu chuẩn cho phù hợp và các tiêu chuẩn này

phải được nâng cấp, cập nhật và phát triển theo thời gian để hướng tới mục tiêu

môi trường tốt hơn. Khi ban hành các tiêu chuẩn thử nghiệm thì các chu trình

thử nghiệm tương ứng cũng phải được đưa ra. Các chu trình thử nghiệm là thói

quen đi lại của người dân khi sử dụng phương tiện giao thông, liên quan đến

việc tổ chức và cơ sở hạ tầng giao thông. Hệ thống tiêu chuẩn khí thải phải

được xây dựng cho các loại động cơ khác nhau như: động cơ xăng, động cơ

diesel, động cơ nhiên liệu hóa lỏng. Trên các loại phương tiện khác nhau như:

xe con, xe tải, xe máy... Và trên các điều kiện vận hành khác nhau như trên xa

lộ hoặc trong thành phố... Hiện nay trên thế giới có nhiều chu trình thử được sử

dụng cho hai loại xe (xe con và xe tải) như chu trình thử của Mỹ, Châu Âu và

Nhật bản. Mỗi chu trình thử gắn với một tiêu chuẩn khí thải.

Trong nội dung luận văn này chỉ giới thiệu 3 chu trình thử nghiệm sau:

1. Chu trình thử cho đường phố FTP - 75

2. Chu trình thử cho xa lộ HW (US-Highway-Cycle)

3. Chu trình thử Châu Âu NEDC.

1. Chu trình thử cho đường phố FTP – 75

Chu trình thử của Mỹ FTP-75 (Federal-Test-Procedure) áp dụng cho xe

con chạy trên đường phố. Chu trình thử FTP-75 bao gồm ba giai đoạn: giai

đoạn khởi động lạnh, giai đoạn ổn định, giai đoạn khởi động nóng. Nhưng giai

đoạn ba bắt đầu sau khi động cơ ngừng hoạt động 10 phút. Các thông số cơ bản

của chu trình thử như sau:

+ Quãng đường tổng cộng: 11,04 mile (17,77 km)

+ Thời gian thử nghiệm : 1874 s

+ Vận tốc trung bình : 21,2 mph (34,1 km/h)

Chu trình FPT-75 được trình bày trong hình 2.3 và các thông số nêu trong

bảng 2.1 như sau:

Hình 2.3. Chu trình thử FTP 75

Bảng 2.1. Các thông số của chu trình thử xe con cho đường thành phố của Mỹ

Giai đoạn Chế độ làm việc Thời gian (s) Hệ số quy đổi

1 Khởi động lạnh 505 0,43

2 Ổn định 864 1,00

3 Khởi động nóng 505 0,57

Khí thải của mỗi giai đoạn được gom riêng vào các túi chứa, được phân

tích và nhân với hệ số quy đổi, tổng hợp lại được kết quả tổng cộng. Đơn vị

tính, [g/mile].

Ví dụ: Tính lượng CO phát thải trong quá trình thử

[CO]Tổng = 0,43.[CO]GĐ1 + [CO]GĐ2 + 0,57.[CO]GĐ3

2. Chu trình thử cho xa lộ HW (US-Highway-Cycle)

Chu trình thử được trình bày trên hình 2.4 áp dụng cho xe con chạy trên

xa lộ với các thông số sau:

+ Quãng đường thử tổng cộng: 10,22 mile (16,44 km);

+ Vận tốc trung bình: 48,1 mph (mile per hour) (77,4 km/h);

+ Vận tốc cực đại: 59,9 mph (96,4 km/h);

+ Thời gian thử tổng cộng: 765 s.

Hình 2.4. Chu trình thử xe con trên xa lộ của Mỹ, HW

3. Chu trình thử Châu âu NEDC

Chu trình thử Châu Âu NEDC (New European Driving Cycle) áp dụng

cho xe con và xe tải nhỏ, bao gồm hai giai đoạn: Giai đoạn 1: dùng cho xe chạy

trong thành phố, gồm 4 chu trình ECE 15 được tiến hành liên tiếp nhau. Mỗi

chu trình ECE15 có thời gian thử nghiệm 195 giây, vận tốc trung bình 19 km/h,

quãng đường thử nghiệm 1,013 km. Tổng quãng đường thử nghiệm trong giai

đoạn 1 là 4,052 km. Giai đoạn 2: dùng cho xe chạy trên xa lộ. Thời gian chạy

thử nghiệm là 400 giây, vận tốc trung bình 62,6 km/h, vận tốc cực đại 120 km/h,

quãng đường thử nghiệm 6,966 km, gia tốc tăng tốc 0,833 m/s2, gia tốc giảm

tốc - 1,389 m/s2. Tổng thời gian chạy thử nghiệm là 1180 giây, quãng đường

thử 11 km, vận tốc trung bình 32,5 km/h và vận tốc cực đại 120 km/h. Chu trình

thử Châu Âu NEDC được trình bày trong hình 2.5.

Hình 2.5. Chu trình thử Châu Âu NEDC

Nhận xét:

+ Để tạo ra một chu trình thử mới rất phức tạp và tốn kém đòi hỏi sự lỗ

lực của các nhà khoa học, của chính phủ các nước. Do đó trên thế giới hiện nay

chỉ có ba chu trình thử điển hình là của Châu Âu, Mỹ và Nhật. Các nước không

có điều kiện xây dựng chu trình thử riêng thì có thể áp dụng một trong ba chu

trình thử của các nước trên sao cho phù hợp với hoàn cảnh là một xu hướng của

các nước trên thế giới hiện nay. Việt Nam đã lựa chọn chu trình thử của Châu

Âu theo xu hướng đó.

+ Qua việc tìm hiểu các chu trình thử, có thể thấy rằng chu trình thử của

Mỹ có tính phức tạp hơn rất nhiều so với chu trình thử của Châu Âu, do chu

trình thử của Mỹ xe ô tô phải liên tục thay đổi tốc độ sao cho phù hợp các chế

độ làm việc của chu trình vì vậy, để điều khiển xe theo đúng chu trình thử thì

cần phải có người điều khiển xe giỏi hoặc phải có robot điều khiển, còn chu

trình thử của Châu Âu tốc độ của xe ít thay đổi hơn, do đó sẽ dễ dàng hơn cho

việc điều khiển xe. Ngoài ra tiêu chuẩn của Mỹ các thành phần độc hại yêu cầu

khắt khe hơn ở tiêu chuẩn Châu Âu. Do đó chu trình thử Châu Âu dễ thực hiện

hơn.

+ Việc tìm hiểu và phân tích tỉ mỉ về chu trình thử có ý nghĩa thực tiễn

rất lớn cho việc áp dụng chu trình thử này vào điều kiện Việt Nam. Nó có tác

dụng định hướng và tham khảo rất quan trọng cho người thực hiện chu trình

thử trên băng thử cũng như giúp cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu phát triển

các chu trình thử mới phù hợp hơn với điều kiện Việt Nam.

2.4. Các tiêu chuẩn khí thải

2.4.1. Tiêu chuẩn khí thải ở Mỹ

 Tiêu chuẩn liên bang ở Mỹ cho xe con và xe tải nhỏ

Bao gồm hai tiêu chuẩn: chuẩn loại một và loại hai. Chuẩn loại 1 được

công bố vào năm 1991 và bắt đầu thực hiện trên toàn nước Mỹ vào năm 1997,

chuẩn loại 2 được đề xướng vào năm 1999 và bắt đầu áp dụng vào năm 2004.

* Chuẩn loại 1:

Chuẩn loại 1 áp dụng cho các phương tiện vận tải hạng nhẹ (LDV - Light

driving vehicle), xe con, xe chở khách, xe minivans và xe pick-up. Trong đó

phương tiện vận tải hạng nhẹ là tất cả các xe có khối lượng nhỏ hơn 8500 lb (1

lb = 0,454 kg).

Chuẩn loại một được thực hiện trong giai đoạn 1994 ÷ 1997 với tất cả

các loại xe sử dụng tới 100000 mile, và được điều chỉnh xuống cho các loại xe

đi trên 50000 mile trong giai đoạn 1997 ÷ 2003. Giới hạn NOx cũng được điều

chỉnh giũa xe sử dụng động cơ xăng và động cơ diesel (xe diesel có giới hạn

NOx lớn hơn).

Lượng phát thải độc hại của xe ôtô con và xe tải nhẹ được thực hiện theo

chu trình thử FTP-75 được trình bày trên bảng 2.2, đơn vị tính [g/mile].

Bảng 2.2. Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 1

* Chuẩn loại 2:

Chuẩn loại 2 được áp dụng vào năm 2004 ÷ 2009, cho các xe chở khách

và xe tải hạng nhẹ, các giá trị của chuẩn loại 2 được trình bày trong bảng 2.3.

Năm 2008 chuẩn này còn được ứng dụng cho xe tải nặng và phương tiện vận

tải hạng trung (LDTs - Light Duty Trucks và MDPVs - Medium Duty Passenger

Vehicles). Trong năm 2004 ÷ 2007 tất cả các xe khách và xe tải nhẹ sẽ không

được cấp chứng chỉ môi trường loại 2 nếu phát thải NOx trung bình lớn hơn

0,30 g/mile. Trong năm 2004 ÷ 2008 các xe tải nặng và phương tiện vận tải

hạng trung (LDTs và MDPVs) sẽ không được cấp chứng chỉ môi trường nếu

lượng phát thải NOx vượt quá 0,60 g/mile (cho HLDT - Heavy Light Duty

Truck) và 0,90 g/mile (cho MDPV).

Chuẩn loại hai được cấu tạo bởi 8 mức chứng nhận khác nhau với độ

chính xác khác nhau. Mỗi giá trị trung bình phát thải NOx của một nhóm xe sẽ

có một chứng nhận lượng chất thải dạng hạt cho 8 mức khác nhau. Trong thời

gian này, lượng phát thải NOx của một loại xe do nhà máy sản xuất phải có giá

trị trung bình nhỏ hơn 0,07 g/mile.

Bảng 2.3. Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 2

*: Nồng độ NOx chuẩn là 0,07 g/mile.

MDPV (Medium Duty Passenger Vehicles): Phương tiện vận tải hạng trung

NMOG (Non - Methane Organic Compounds): Các hợp chất hữu cơ không kể

CH4.

 Tiêu chuẩn liên bang ở Mỹ cho xe tải nặng

* Tiêu chuẩn năm 1987 ÷ 2003

Bảng 2.4. Tiêu chuẩn liên bang Mỹ cho xe tải nặng

* Tiêu chuẩn năm 2004 và sau này

Từ năm 1997 EPA đưa ra các tiêu chuẩn cho động cơ diesel xe tải chạy

trên xa lộ va xe bus trong thành phố được áp dụng cho năm 2004 và sau này.

Với mục đích là giảm lượng NOx cho động cơ xe tải trên xa lộ xuống mức xấp

xỉ 2 g/bph.hr [g/mã lực.h].

Bảng 2.5. Tiêu chuẩn EPA cho động cơ diesel chạy trên xa lộ

2.4.2. Tiêu chuẩn khí thải ở Châu âu

 Tiêu chuẩn châu âu cho xe con và xe tải nhẹ

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

[Đơn vi tính g/km]

 Tiêu chuẩn châu âu cho xe tải hạng nặng

Bảng 2.7. Tiêu chuẩn khí thải châu âu cho xe tải nặng, đơn vị tính g/km

2.5. Kết luận chương 2

- Chương 2 đã phân tích về cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí

xả của động cơ đốt trong và tác hại của chúng tới sức khỏe con người và môi

trường.

- Đã phân tích và giới thiệu các chu trình thử FTP-75, HW và NEDC làm

cơ sở để nhập vào mô hình mô phỏng xây dựng ở chương 3.

- Đã nghiên cứu và giới thiệu các tiêu chuẩn khí thải của Mỹ và Châu âu.

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG Ô TÔ THEO CÁC CHU TRÌNH THỬ

BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE

Sử dụng phần mềm GT-Drive để tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng

động lực ô tô theo các chu trình thử. Thông qua mô hình, đề tài tiến hành mô

phỏng và đánh giá quá trình làm việc của ô tô khi sử dụng nhiên liệu diesel

khoáng gọi là D100 và nhiên liệu pha trộn diesel - ethanol với tỷ lệ pha trộn là

80% diesel, 20% ethanol gọi là nhiên liệu D80E20 theo các chu trình thử FTP-

75, HW và NEDC.

3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm GT-Suite

3.1.1. Giới thiệu phần mềm GT-Drive

 Giới thiệu chung

Phần mềm GT-Drive nằm trong bộ phần mềm GT-Suite do hãng Gama

Technologies của Mỹ xây dựng và phát triển. Hiện nay phần mềm GT-Drive

đã được thương mại hóa trên toàn cầu. Phần mềm này đang được các công ty

lớn trên thế giới trong lĩnh vực sản xuất ô tô, xe đua công thức 1, tàu thủy và

các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học sử dụng. GT-Drive là công cụ mô

phỏng hệ thống truyền lực sử dụng cho phương tiện vận tải đường bộ, tàu

thuyền, trạm phát điện, xe thể thao… GT-Drive cung cấp cho người sử dụng

nhiều phần tử để mô hình hóa bất kỳ bộ phận nào của ô tô, các yếu tố môi

trường, mô phỏng mặt đường, chu trình thử...

Phần mềm GT-Drive có cửa sổ giao diện dùng để xây dựng mô hình và

tính toán như cửa sổ giao diện của các phần mềm hiện đại khác như: SolidWork,

Inventor, AVL-BOOTS,…

Cửa sổ giao diện chính trên hình 3.1 bao gồm [3], [4]:

Các thanh công cụ File, Edit, View, Run, DOE, Assembly, Tools,

Window và Help. Công dụng của các thanh công cụ được diễn giải cụ thể trong

phần Help. Các biểu tượng chức năng được sắp xếp bên dưới của các thanh

công cụ. Các phần tử có sẵn của chương trình được sắp xếp bên trái màn hình.

Quá trình xây dựng mô hình được thực hiện bên phải màn hình. Các phần tử

tham gia quá trình xây dựng mô hình được đưa từ bên trái mành hình (danh

mục các phần tử) sang bên phải màn hình (trong vùng xây dựng mô hình) bằng

lệnh coppy. Việc thay đổi kích thước, khoảng cách và hướng của các phần tử

được thực hiện bởi các phím và biểu tượng chức năng khác nhau.

Sau khi thực hiện xong việc lựa chọn và định vị các phần tử trên vùng

xây dựng mô hình, tiếp tục việc nối các phần tử với nhau thông qua các phần

tử liên kết. Số lượng các phần tử được lựa chọn phù hợp với từng loại phương

tiện.

Hình 3.1. Cửa sổ giao diện GT-Drive

Các phần tử được nhập dữ liệu ngay trên giao diện cửa sổ phụ. Định

nghĩa các thuộc tính của các phần tử có trong thư viện GT-Suite.

3.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng

Trên cơ sở định nghĩa và lựa chọn các phần tử tương ứng, mô hình mô

phỏng ô tô con theo các chu trình thử ứng với các loại nhiên liệu khác nhau

được trình bày trên hình 3.2.

Hình 3.2. Mô hình mô phỏng ô tô theo các chu trình thử

ứng với các loại nhiên liệu khác nhau

Các phần tử chính của mô hình mô phỏng bao gồm:

 Phần tử động cơ (EngineState - Mapped Egine)

Hình 3.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử động cơ

Phần tử này dung để định nghĩa các đặc trưng của động cơ dựa trên các

bản đồ “Maps” hiệu suất của động cơ, suất tiêu thụ nhiên liệu, tốc độ tỏa nhiệt,

đặc tính phát thải và các đặc tính khác.

 Mô hình ô tô “Vihicle - TC”

Mô hình thể hiện hệ thống truyền lực của ô tô được thiết lập từ các phần

tử đơn lẻ như phần tử mô tả hộp số, phần tử mô tả truyền lực chính vi sai, cầu

xe… Mô hình hệ thống truyền lực được thể hiện trên hình 3.4.

Hình 3.4. Mô hình hệ thống truyền lực ô tô “Vihicle - TC”

Một vài thông số chính cần khai báo cho mô hình ô tô “Vihicle - TC” được giới

thiệu trên bảng 3.1.

Bảng 3.1. Các thông số chính trong mô hình ô tô “Vihicle - TC”

TT Thông số Giá trị

1 Tỷ số truyền các số tiến ih1 = 2,393; ih2 = 1,45; ih3 = 1; ih4 = 0,677

2 Tỷ số truyền lực chính ic = 3,2

3 Khối lượng không tải của ô tô 1500 kg

4 Diện tích cản chính diện 0,8 m2

5 Hệ số cản lăn f = 0,31

 Phần tử “ControllerVehicle - Vehicle Controller”

Phần tử này được dùng khi phân tích động lực ô tô theo các chu trình lái.

Ngoài ra phần tử này được sử dụng để mô tả các hoạt động của người lái như

điều khiển vị trí chân ga, vị trí bàn đạp phanh, vị trí bàn đạp côn, điều khiển

sang số.

Hình 3.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử Vehicle_Controller

Ngoài ra, còn có các phần tử thể hiện cảm biến, bộ điều khiển và ECU

điều khiển động cơ. Để thiết lập lên các chu trình thử, trong mô hình sử dụng

các phần tử tham chiếu, sau khi nhập các chu trình thử mong muốn ta thu được

các phần tử thể hiện các chu trình lái FTP-75, HW và NEDC lần lượt như trên

hình 3.6, 3.7 và 3.8.

Hình 3.6. Chu trình thử FTP-75 thiết lập trong mô hình mô phỏng

Hình 3.7. Chu trình thử HW thiết lập trong mô hình mô phỏng

Hình 3.8. Chu trình thử NEDC thiết lập trong mô hình mô phỏng

3.1.3. Chạy mô hình (Run Simulation)

Sau khi nhập xong dữ liệu cho các phần tử trong mô hình, bước tiếp theo

tiến hành chạy mô hình. Thời gian chạy mô hình tùy thuộc theo số phần tử có

trong mô hình, bước đặt ở phần điều khiển chung và các yêu cầu kết quả tính

toán cần quan tâm cũng như chu trình lái được lựa chọn. Sau khi chạy mô hình

xong kết quả có thể đưa ra ở dạng bảng hoặc đồ thị và được lưu lại trong tệp

kết quả có dạng *.gdx

3.2. Nhiên liệu sử dụng khi mô phỏng

Nhiên liệu sử dụng khi mô phỏng là nhiên liệu diesel khoáng và D80E20

(80% diesel, 20% ethanol) với các thông số cơ bản được giới thiệu trong bảng

3.2 [10], [15].

Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của nhiên liệu diesel khoáng và D80E20

TT Thông số Đơn vị Diesel D80E20

1 Diesel [%] 100 80

2 Ethanol [%] 0 20

3 Khối lượng riêng [kg/m3] 840 830

4 Nhiệt trị thấp [MJ/kg] 42,5 39,1

5 Nhiệt hóa hơi [kJ/kg] 260 407

6 Hàm lượng ô xy [%] 0 6,2

3.3. Kết quả mô phỏng

Sau khi kết nối các phần tử, thiết lập các thông số chạy mô phỏng ta thu

được mô hình hoàn chỉnh như trình bày trên hình 3.2. Chạy mô phỏng và khai

thác kết quả thông qua mô đun GT-Post trong bộ phần mềm ta thu được các kết

quả cụ thể như sau:

3.3.1. Tiêu hao nhiên liệu

Kết quả về tiêu hao nhiên liệu khi phương tiện sử dụng 2 loại nhiên liệu

diesel khoáng (D100) và nhiên liệu pha trộn diesel - ethanol (D80E20: 80%

diesel và 20% ethanol) theo các chu trình thử NEDC, FTP-75 và HW được trình

bày lần lượt trên các hình từ hình 3.9 đến hình 3.13. Trên các hình thể hiện tiêu

hao nhiên liệu tức thời theo giời gian của từng chu trình thử, nhận thấy tiêu hao

nhiên liệu khi sử dụng D80E20 đều cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel

khoáng. Lượng nhiên liệu tiêu hao tích lũy trong toàn bộ 1 chu trình thử được

chỉ rõ trên hình 3.13, thông qua hình 3.13 nhận thấy động cơ sử dụng nhiên liệu

D80E20 tiêu hao nhiên liệu lớn hơn so với khi sử dụng diesel lần lượt là: 2,78%

khi thử theo chu trình NEDC, 2,05% khi thử theo HW và 2,80% khi thử theo

FTP-75. Ngoài ra, lượng nhiên liệu tiêu thụ cho 100 km khi sử dụng 2 loại

nhiên liệu trên theo các chu trình lái cũng được trình bày chi tiết trên hình 3.12.

Trong cùng một chu trình thử nghiệm, lượng nhiên liệu tiêu thụ cho 100 km

khi sử dụng nhiên liệu D80E20 đều tăng cao hơn, cụ thể: NEDC tăng 3,9%;

HW tăng 2,22% và FTP-75 tăng: 4%.

Hình 3.9. Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử NEDC

Hình 3.10. Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử FTP-75

Hình 3.11. Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử HW

Hình 3.12. Lượng nhiên liệu tiêu thụ, [lít/100 km]

Hình 3.13. Tiêu hao nhiên liệu tổng cộng ứng với các chu trình thử

khác nhau, [kg/h]

3.3.2. Phát thải NOx

Phát thải NOx khi phương tiện sử dụng 2 loại nhiên liệu diesel khoáng

(D100) và nhiên liệu pha trộn diesel - ethanol (D80E20: 80% diesel và 20%

ethanol) theo các chu trình thử NEDC, FTP-75 và HW được trình bày lần lượt

trên các hình từ hình 3.14 đến hình 3.17. Xu hướng phát thải NOx tổng cộng

khi thử đối với 3 chu trình lái NEDC, FTP-75 và HW là giống nhau, đó là sự

phát thải NOx có sự tăng nhẹ khi ô tô sử dụng D80E20, với giá trị lần lượt là:

3,44%, 3,54% và 4,01%. Trong khi đó, sự phát thải NOx tức thời đối với mỗi

một chu trình thử lại có đôi chút khác biệt. Cụ thể, khi ô tô chạy theo chu trình

thử NEDC tại một số điểm sự phát thải NOx có sự tách biệt rõ rệt (đường màu

đỏ trên hình 3.14), điểm này không thấy rõ khi ô tô chạy theo 2 chu trình FTP-

75 và HW.

Hình 3.14. Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình NEDC

Hình 3.15. Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75

Hình 3.16. Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình HW

Hình 3.17. Phát thải NOx trên toàn bộ chu trình thử khi sử dụng 2 loại

nhiên liệu D100 và D80E20, [g/h]

3.3.3. Phát thải CO

Phát thải CO của ô tô sử dụng 2 loại nhiên liệu diesel và D80E20 khi

chạy theo các chu trình thử NEDC, FTP-75 và HW được trình bày chi tiết trên

các hình từ 3.18 tới hình 3.21. Thông qua các số liệu đó, nhận thấy sự phát thải

CO tổng trên toàn bộ chu trình khi sử dụng nhiên liệu D80E20 đều có xu hướng

giảm so với khi sử dụng diesel, với giá trị lần lượt là: -4,67% theo NEDC, -

2,85% theo FTP-75 và -5,27% theo HW. Phát thải CO tức thời theo mỗi chu

trình thử có xu hướng giống nhau, nghĩa là ứng với tốc độ phát thải lớn (>400

g/hr khi thử theo chu trình NEDC và FTP-75, >1200 g/hr khi thử theo HW) thì

sự phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu diesel đều lớn hơn so với sử dụng nhiên

liệu D80E20. Tuy nhiên, ở phía đối diện thì phát thải CO khi sử dụng D80E20

có chiều hướng gia tăng so với khi sử dụng nhiên liệu diesel.

Hình 3.18. Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình NEDC

Hình 3.19. Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75

Hình 3.20. Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình HW

Hình 3.21. Phát thải CO trên toàn bộ chu trình thử khi sử dụng 2 loại

nhiên liệu D100 và D80E20, [g/h]

3.4. Kết luận chương 3

- Chương 3 đã giới thiệu khái quát phần mềm GT-Drive nằm trong bộ

phần mềm GT-Suite, sản phẩm của hãng Gama Technologies. Giới thiệu thư

viện các phần tử của GT-Suite được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng ô

tô con theo các chu trình lái nhằm tính toán các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và

phát thải của ô tô theo các chu trình thử.

- Nhập dữ liệu, kết nối các phần tử thành mô hình mô phỏng và thiết lập

“Run Setup” để chạy mô hình mô phỏng thành công. Thông qua mô hình này,

có thể tiến hành mô phỏng động lực ô tô khi sử dụng các loại nhiên liệu thay

thế thế khác nhau theo các chu trình lái bất kì. Điều này cho phép giảm đáng

kể chi phí so với thực nghiệm.

- Thông qua các kết quả mô phỏng nhận thấy, phát thải CO giảm khi sử

dụng nhiên liệu D80E20 đặc biệt trong suốt giai đoạn đầu của mỗi chu trình

thử. Sự phát thải NOx và tiêu hao nhiên liệu có sự tăng nhẹ so với khi sử dụng

nhiên liệu diesel.

KẾT LUẬN CHUNG

Qua một thời gian nghiên cứu, luận văn đã thực hiện xong nội dung 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”, quá trình tính toán mô phỏng và

khảo sát đưa ra một số kết luận sau:

 Việc nghiên cứu sử dụng alcohol cho động cơ diesel đang ngày càng

được quan tâm, trong đó việc hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu

có 2 phương pháp nổi bật là hòa trộn diesel - alcohol sẵn trước khi phun vào xi

lanh và phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp của động cơ.

 Trên cơ sở phân tích các phương pháp hình thành lên chế độ vận hành

động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol, trong nội dung luận văn tác giả đã sử

dụng phương pháp hòa trộn diesel - alcohol trước trước khi phun vào xi lanh

do đơn giản, không phải thay đổi kết cấu động cơ và quan trọng là thuận tiện

khi xây dựng mô hình mô phỏng ô tô theo các chu trình lái bằng phần mềm

GT-Suite.

 Thông qua mô hình thiết lập được, có thể tiến hành mô phỏng động

lực ô tô khi sử dụng các loại nhiên liệu thay thế thế khác nhau theo các chu

trình lái bất kì. Điều này cho phép giảm đáng kể chi phí so với thực nghiệm.

 Thông qua các kết quả mô phỏng nhận thấy, phát thải CO giảm khi sử

dụng nhiên liệu D80E20 đặc biệt trong suốt giai đoạn đầu của mỗi chu trình

thử. Sự phát thải NOx và tiêu hao nhiên liệu có sự tăng nhẹ so với khi sử dụng

nhiên liệu diesel.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

+ Xây dựng mô hình mô phỏng ô tô con sử dụng động cơ lưỡng nhiên

liệu diesel - alcohol bằng phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp theo các

chu trình lái.

Do khả năng và điều kiện kinh phí có hạn, trang thiết bị thực nghiệm

không đảm bảo nên kết quả luận văn còn có những sai sót, hạn chế nhất định,

rất mong sự giúp đỡ đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn đồng nghiệp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1]. Nguyễn Thành Bắc (2017), "Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành

động cơ lưỡng nhiên liệu", LATS Kỹ thuật Cơ khí động lực.

[2]. Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Văn Đình Sơn Thọ (2017), “Nhiên liệu

thay thế dùng cho động cơ đốt trong”, NXB ĐHBK Hà Nội.

Tiếng Anh

[3]. Gamma Technologies (2016), GT-SUITE Tutorial Ver 7.3

[4]. www.gtisoft.com

[5]. Ghazi A.Karim (2015), "Dual-Fuel diesel engines", CRC Press, Taylor &

Francis Group.

[6]. Nadir Yilmaz, Alpaslan Atmanli (2017), "Experimental evaluation of a

diesel engine running on the blends of diesel and pentanol as a next generation

higher alcohol", Elsevier.

[7]. T. Balamurugan, R. Nalini (2014), "Experimental investigation on

performance, combustion and emission characteristics of four stroke diesel

engine using diesel blended with alcohol as fuel", Elsevier.

[8]. H.K. Imdadul, H.H. Masjuki, etc (2015), "Higher alcohol–biodiesel–diesel

blends: An approach for improving the performance, emission, and combustion

of a light-duty diesel engine", Elsevier.

[9]. M.S.M. Zaharin, N.R. Abdullah, etc (2017), "Effects of physicochemical

properties of biodiesel fuel blends with alcohol on diesel engine performance

and exhaust emissions: A review", Elsevier.

[10]. Arkadiusz Jamrozik (2017), "The effect of the alcohol content in the fuel

mixture on the performance and emissions of a direct injection diesel engine

fueled with diesel-methanol and diesel-ethanol blends", Elsevier.

[11]. Wojciech Tutak, etc (2015), "Alcohol–diesel fuel combustion in the

compression ignition engine", Fuel, Elsevier.

[12]. Kevin Robinson, Shifei Ye, Yeow Yap, etc... (2013), "Application of a

methodology to assess the performance of a full-scale diesel oxidation catalyst

during cold and hot start NEDC drive cycles", Chemical Engineering Research

and Design, Elsevier.

[13]. Juwon Kim, Kwanhee Choi, Cha-Lee Myung (2012), "Comparative

investigation of regulated emissions and nano-particle characteristics of light

duty vehicles using various fuels for the FTP-75 and the NEDC mode", Fuel,

Elsevier.

[14]. Augusto F. Pacheco, Mario E.S. Martins, Hua Zhao (2013), "New

European Drive Cycle (NEDC) simulation of a passenger car with a HCCI

engine_ Emissions and fuel consumption results", Fuel, Elsevier.

[15]. Octavio Armas, Reyes Garcia-Contreras, Angel Ramos (2014), "Pollutant

emissions from New European Driving Cycle with ethanol and butanol diesel

blends", Fuel Processing Technology, Elsevier.

[16]. Octavio Armas, Reyes Garcia-Contreras, Angel Ramos (2013), "Impact

of alternative fuels on performance and pollutant emissions of a light duty

engine tested under the new European driving cycle", Applied Energy,

Elsevier.

[17]. Mirko Baratta, Daniela Misul (2015), "Development of a method for the

estimation of the behavior of a CNG engine over the NEDC cycle and its

application to quantify for the effect of hydrogen addition to methane

operations", Volume 140, 15 January 2015, Pages 237-249, Elsevier.

[18]. Louis Sileghem (2014), etc... "Analysis of vehicle emission measurements

on the new WLTC, the NEDC and the CADC", Transportation Research Part D,

Elsevier.

[19]. Xiongbo Duan (2016), etc... "Experimental study on the energy flow of a

gasoline-powered vehicle under the NEDC of cold starting". Applied Thermal

Engineering, Elsevier.

[20]. Jinyoung Ko (2016), etc..."Comparative investigation of NOx emission

characteristics from a Euro 6-compliant diesel passenger car over the NEDC

and WLTC at various ambient temperatures", Applied Elsevier.

[21]. Chen R.H. Hsieh W.D., Wu T.L., and Lin T.H, (2002), "Engine

performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol–gasoline

blended fuels", Applied Elsevier.

[22]. Osman M.M, Abdel-Rahman A.A., (1997) "Experimental investigation

on varying the compression ratio of SI engine working under different ethanol–

gasoline fuel blends", Int J Energy Res.

[23]. Al-Hasan M, (2003), "Effect of ethanol–unleaded gasoline blends on

engine performance and exhaust emissions", Energy Conversion and

Management.

[24]. Chen R-H. Wu C-W., Pu J-Y., and Lin T-H, (2004), "The influence of air

- fuel ratio on engine performance and pollutant emission of an SI engine using

ethanol - gasoline blended fuels", Atmospheric Environment.

[25]. Sozen A. Yucesu H.S., Topgu T., and Arcakliog E, (2006) "Comparative

study of mathematical and experimental analysis of spark ignition engine

performance used ethanol - gasoline blend fuel", Applied Thermal

Engineering.

[26]. Mustafa Koç và các cộng sự., (2009) "The effects of ethanol–unleaded

gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in a spark-

ignition engine", Elsevier Ltd.

[27]. Pham Huu Tuyen Nguyen The Luong, Vu Khac Thien, Luong Duc Nghia,

(2013) "An Experimental Study on the Performance and Emissions of Diesel

Engine Fuelled by Ethanol-Diesel Blends". (The 3rd International Conference

on Sustainable Energy).

[28]. E.A. Ajav, Bachchan Singh và T.K. Bhattacharya, (1999) "Experimental

study of some performance parameters of a constant speed stationary diesel

engine using ethanol-diesel blends as fuel", Biomass and Bioenergy(17(4):

357-365).

[29]. Eugene EE và các cộng sự., (1984) "State-of-the-art report on the use of

alcohols in diesel engines", SAE Paper 840118.

[30]. Alan C. Hansen, Qin Zhang và Peter W.L. Lyne, (2005) "Ethanol–diesel

fuel blends - a review" (Bioresource Technology 96 277 - 285).

[31]. Murayama T và các cộng sự., (1982), "A method to improve the solubility

and combustion characteristics of alcohol diesel fuel blends", SAE Paper

821113.

[32]. Weidmann K, Menard H và Fleet test, (1984) "Performance and

emissions of diesel engine using different alcohol fuel blends", SAE Paper

841331.

[33]. Czerwinski J, (1994), "Performance of HD-DI-diesel engine with addition

of ethanol and rapeseed oil", SAE Paper 940545.

[34]. Savage LD Hayes TK, White RA, Sorenson SC, (1988) "The effect of

fumigation of different ethanol proofs on a turbo-charged diesel engine", SAE

Paper 880497.

[35]. M. Abu-Qudais, O. Haddad và M. Qudaisat, (2000) "The effect of alcohol

fumigation on diesel engine performance and emissions"(Elsevier Science

Ltd).

[36]. Ogawa H, Setiapraja H và Nakamura T, (2010) "Improvements to

Premixed Diesel Combustion with Ignition Inhibitor Effects of Premixed

Ethanol by Intake Port Injection", SAE Technical Paper 01-0866.

[37]. Orlando Volpato và các cộng sự., (2010) "Control System for Diesel-

Ethanol Engines".

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

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

MỤC LỤC

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok

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

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

MỤC LỤC

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok