Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng cả B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - Diesel (Luận văn thạc sĩ)

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------------------------- NGUYỄN TRỌNG QUÝ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA B10, E10 VÀ M10 TỚI TRẠNG THÁI NHIỆT CỦA ỐNG LÓT XI LANH ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL 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 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: ................................................................................................. 4 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. Các nguồn năng lượng toàn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại .................... 5 1.2. Yêu cầu cơ bản của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong ............................... 6 1.3. Nhiên liệu thay thế .............................................................................................. 7 1.3.1. Phân loại ....................................................................................................... 7 1.3.2. Giới thiệu về nhiên liệu sinh học .................................................................. 9 1.3.3. Các loại nhiên liệu khác.............................................................................. 12 1.4. Viễn cảnh sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong ....................................... 14 1.5. Tổng quan về truyền nhiệt trong động cơ đốt trong ......................................... 15 1.5.1. Truyền nhiệt trong động cơ ......................................................................... 15 1.5.2. Các mô hình truyền nhiệt ............................................................................ 16 1.5.2.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt........................................................................ 16 1.5.2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu ........................................................................... 18 iv 1.5.2.3. Trao đổi nhiệt bức xạ ............................................................................ 19 1.5.2.4. Quá trình trao đổi nhiệt tổng quát trong động cơ ................................ 20 1.6. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung đề tài ................. 21 1.7. Kết luận chương 1 ............................................................................................. 23 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ............................................. 24 BẰNG PHẦN MỀM GT-POWER .......................................................................... 24 2.1. Giới thiệu phần mềm GT-Power ....................................................................... 24 2.1.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 24 2.1.2. Cửa sổ giao diện chính ............................................................................... 25 2.2. Thư viện các phần tử của GT-Power ................................................................ 26 2.3. Mô hình động cơ V12 ....................................................................................... 33 2.3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ................................................. 33 2.3.2. Xây dựng mô hình ....................................................................................... 36 2.3.3. Nhập dữ liệu cho mô hình ........................................................................... 37 2.4. Chạy mô hình (Run Simulation) ....................................................................... 41 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 41 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ V12 ................. 42 VÀ TRẠNG THÁI NHIỆT ỐNG LÓT XILANH ................................................... 42 THEO CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU KHẢO SÁT....................................................... 42 3.1. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 ................................. 42 3.2. Hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ của môi chất công tác khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10........................................................................................... 47 3.3. Tính toán trường nhiệt độ ống lót xi lanh động cơ V12 khi sử dụng D100, B10, E10 và M10 .............................................................................................................. 49 3.3.1. Mô hình hình học ống lót xi lanh động cơ V12 .......................................... 49 3.3.2. Các giả thiết và điều kiện biên của mô hình tính toán ............................... 50 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 62 v KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 65 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 68 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải B10 Nhiên liệu pha trộn 10% butanol và 90% diesel khoáng E10 Nhiên liệu pha trộn 10% ethanol và 90% diesel khoáng M10 Nhiên liệu pha trộn 10% methanol và 90% diesel khoáng CNG Khí nén thiên nhiên LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng GTL Khí hóa lỏng CTL Than đá hóa lỏng P Áp suất môi chất công tác T Nhiệt độ môi chất công tác  Hệ số truyền nhiệt BSFC Suất tiêu hao nhiên liệu có ích  Hệ số dư lượng không khí IMEP Áp suất chỉ thị trung bình BSAC Suất tiêu hao không khí có ích vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong................................. 8 Bảng 2.1. Các phần tử chính của mô hình động cơ V12, [30] ............................... 37 Bảng 2.2. Các thông số đầu vào động cơ V12 sử dụng trong mô hình, [30] .......... 39 Bảng 3.1. Kết quả tính toán các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 ....................... 43 Bảng 3.2. Kết quả tính toán và so sánh với số liệu của nhà sản xuất ...................... 44 theo đặc tính ngoài động cơ V12 [30] ..................................................................... 44 Bảng 3.3. Một số tính chất cơ bản của D100, B10, E10 và M10 [25], [29] ........... 45 Bảng 3.4. Các chỉ tiêu công tác của động cơ V12 ................................................... 46 khi sử dụng nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 ..................................................... 46 Bảng 3.5. Thuộc tính vật liệu chế tạo ống lót xi lanh động cơ V12, [30] ............... 52 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8]......................................... 6 Hình 1.2. Các loại nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong [8] ................... 14 Hình 1.3. Sơ đồ phân bố nhiệt độ và dòng nhiệt ...................................................... 20 ngang thành vách buồng cháy .................................................................................. 20 Hình 1.4. Sơ đồ truyền nhiệt đối lưu tới thành buồng cháy, [2] .............................. 20 Hình 2.1. Cửa sổ giao diện GT-Power ..................................................................... 26 Hình 2.2. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xy lanh ................................. 27 Hình 2.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân phối khí ........... 28 Hình 2.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun ............................... 29 Hình 2.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số động cơ ........... 30 Hình 2.6. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống ........................... 31 Hình 2.7. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử dòng phân chia .................... 32 Hình 2.8. Các vùng của tia phun và quy luật đánh số các vùng, [2], [9] ................. 34 Hình 2.9. Hệ số trao đổi nhiệt theo góc quay trục khuỷu tính toán ......................... 36 theo phương trình của Woschni và Hohenberg, [2] ................................................. 36 Hình 2.10. Mô hình động cơ V12 ............................................................................ 37 Hình 3.1. Kết quả tính toán Me, Gnl và so sánh với số liệu của nhà sản xuất .......... 44 theo đặc tính ngoài của động cơ V12, [30] .............................................................. 44 Hình 3.2. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ.................................. 48 khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 ............................................... 48 Hình 3.3. Hệ số truyền nhiệt từ môi chất tới thành vách buồng cháy...................... 48 khi sử dụng các nhiên liệu D100, B10, E10 và M10 ............................................... 48 Hình 3.4. Mô hình hình học của ống lót xi lanh động cơ V12 ................................ 50 Hình 3.5. Mô hình 2 miền xi lanh động cơ V12 ...................................................... 53 Hình 3.6. Mô hình trao đổi nhiệt của ống lót xi lanh động cơ V12 ......................... 57 Hình 3.7. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu D100 ................ 60 Hình 3.8. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu E10 ................... 60 Hình 3.9. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu B10 ................... 61 Hình 3.10. Trường nhiệt độ ống lót xi lanh khi sử dụng nhiên liệu M10 ................ 61 1 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. Một trong các giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này là sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học trên các loại phương tiện trong giai đoạn hiện nay là điều cần thiết. 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 khoáng 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 2 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. Hiện nay có 4 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, đó là: 1. Phun hơi cồn (Alcohol Fumigation): trong phương pháp này, nhiên liệu alcohol được đưa vào đường ống nạp của động cơ thông qua vòi phun hoặc chế hòa khí. 2. Pha trộn cồn - diesel (alcohol - diesel blend): trong phương pháp này, nhiên liệu alcohol và diesel được hòa trộn theo tỷ lệ nhất định trước để tạo thành hỗn hợp đồng nhất và sau đó được phun trục tiếp vào xi lanh thông qua các vòi phun. 3. Nhũ tương cồn - diesel (Alcohol - diesel emulsification): theo phương pháp này, sử dụng chất chuyển thể sữa để hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu nhằm ngăn chặn sự phân ly. 4. Phun kép (Dual injection): theo đó, sử dụng 2 hệ thống phun riêng rẽ để phun nhiên liệu cồn và diesel vào xi lanh. Trong đó phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - diesel được sử dụng phổ biến hơn cả. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc tính phát thải của động cơ diesel [11  29], tuy nhiên các công trình này chỉ trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm; một số ít trình bày về mô phỏng số nhưng các thuật toán và chương trình mô phỏng không được giới thiệu chi tiết; chính vì vậy, mô phỏng đặc tính của loại động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ, cũng như ứng dụng vào thực tiễn tại Việt Nam nhằm giảm ô nhiễm môi trường từ các động cơ diesel đang lưu hành. Như ta đã biết, do tốc độ tỏa nhiệt của hỗn hợp cồn - diesel lớn hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống do thời gian cháy trễ kéo dài hơn và do nhiên liệu alcohol có chứa hàm lượng ô xi cao; tuy nhiên vấn đề 3 này chưa thấy đề cập trong các công trình nghiên cứu gần đây, do đó nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu cồn - diesel tới trạng thái nhiệt của các chi tiết bao quanh buồng cháy là cần thiết. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của B10, E10 và M10 tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel” làm đề tài luận văn cao học của mình. 2. Mục đích của đề tài - Mục đích của luận văn là đưa ra được “bức tranh” về ảnh hưởng của của 3 loại nhiên liệu diesel sinh học có tỷ lệ pha trộn cồn 10% như (B10 - 10% Butanol; E10 - 10% Ethanol và M10 - 10% Methanol) đến trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel. - Xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng phần mềm GT-Power) và mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm ANSYS; - Trên cơ sở mô hình, tác giả đánh giá ảnh hưởng của 3 loại nhiên liệu diesel sinh học B10, E10 và M10 đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ, cũng như đánh giá sự ảnh hưởng của chúng tới trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh. - 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 được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu diesel sinh học B10, E10 và M10 trong động cơ cháy do nén thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm GT-Power. Từ các mô hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của diesel sinh học ở các tỷ lệ khác nhau đến đặc tính cháy, các thông số kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ được khảo sát. Đây là cơ sở lý thuyết 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 cũng như kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành một cách phù hợp khi sử dụng các loại nhiên liệu alcohol với các tỷ lệ khác nhau. 4 * Ý nghĩa thực tiễn: - Các mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình đào tạo chuyên sâu liên quan đến vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ cháy do nén; - Chương trình khảo sát trạng thái nhiệt ống lót xi lanh có thể sử dụng làm cơ sở cho các mục đích tương tự; - Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết cho việc so sánh với kết quả thực nghiệm khi nghiên cứu về động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel. 4. Đối tượng nghiên cứu Động cơ V12, diesel 4 kỳ, 12 xi lanh bố trí chữ V. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình động cơ lưỡng nhiên liệu (bằng phần mềm GT-Power) và mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (ANSYS), mô phỏng và phân tích kết quả; 6. Phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu về lý thuyết đến đặc tính cháy (tốc độ tỏa nhiệt, hệ số truyền nhiệt…) khi sử dụng D100, B10, E10 và M10 trên phần mềm mô phỏng một chiều nhiệt động GT-Power của hãng Gama Technology - Mỹ; trên cơ sở đặc tính cháy thu được từ phần mềm GT-Power sẽ là thông số đầu vào cho mô hình tính toán trạng thái nhiệt ống lót xi lanh bằng phần mềm ANSYS. Chế độ tính toán: chế độ công suất định mức. 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. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm GT-Power - Chương 3. Kết quả tính toán mô phỏng động cơ V12 và trạng thái nhiệt của ống lót xi lanh theo các loại nhiên liệu khảo sát - Kết luận và kiến nghị 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Các nguồn năng lượng toàn cầu và tình trạng năng lượng hiện tại Các nguồn năng lượng có thể được chia thành 3 nhóm: năng lượng hóa thạch, năng lượng tái tạo và năng lượng nguyên tử. Năng lượng hóa thạch được hình thành hàng triệu năm trước nên không được gọi là nguồn tái tạo. 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 [8]. 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 6 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. Nhằm đối phó với nguy cơ cạn kiệt năng lượng hóa thạch và ô nhiễm môi trường, các quốc gia trên thế giới đều đưa ra các chính sách đa dạng hóa nguồn năng lượng hướng tới mục tiêu giảm dần sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch. Cộng đồng châu Âu là khu vực dẫn đầu về vấn đề này. Hình 1.1 thể hiện rõ nét nỗ lực của cộng đồng châu Âu trong mục tiêu đa dạng hóa năng lượng sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải. Hình 1.1. Kịch bản đa dạng hóa nhiên liệu ở châu Âu [8] Theo kịch bản đa dạng hóa này, các quốc gia châu Âu đưa ra mục tiêu dần thay thế nhiên liệu hóa thạch (xăng và diesel) bằng các nhiên liệu có nguồn gốc sinh học như SunFuel, SunGas, nhiên liệu tổng hợp (SynFuel), khí nén thiên nhiên (CNG) và sử dụng ô tô điện, pin nhiên liệu. Với kịch bản này, đến năm 2030, lượng nhiên liệu hóa thạch sử dụng cho lĩnh vực giao thông vận tải chỉ còn chiếm chưa đến 50% tổng năng lượng sử dụng cho lĩnh vực này. 1.2. Yêu cầu cơ bản của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong Do đặc điểm đốt cháy hỗn hợp trong không gian kín (buồng cháy của động cơ) nên nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong đòi hỏi phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe sau đây [8]: 7 - Dễ dàng hình thành hỗn hợp không khí - nhiên liệu; dễ cháy và cháy không tạo tro; - Trọng lượng nhẹ và có mật độ năng lượng lớn; - Dễ cung cấp cho phương tiện; - Có thể hoạt động tức thì; - An toàn trong tiêu thụ và tiện lợi trong vận chuyển. Với các yêu cầu ở trên, nhiên liệu lỏng được cho là loại nhiên liệu phù hợp nhất nhờ trọng lượng nhẹ, mật độ năng lượng lớn, dễ hình thành hỗn hợp với không khí và hỗn hợp không khí - nhiên liệu lỏng khi cháy hầu như không tạo ra tro. Nhiên liệu lỏng được sử dụng cho động cơ đốt trong bao gồm các hợp chất hydrocacbon (H-C), chủ yếu được chế biến từ dầu thô như xăng và diesel. Nhiên liệu khí do có mật độ năng lượng tính theo thể tích thấp nên ít được sử dụng cho các động cơ đốt trong lắp trên phương tiện di động. Hiện nay, nhiên liệu khí đang được dùng làm nhiên liệu thay thế ở dạng nén hoặc hóa lỏng. Các loại khí được dùng cho động cơ đốt trong ở dạng nén hoặc hóa lỏng để tăng mật độ năng lượng, bao gồm khí thiên nhiên (NG), khí mêtan, êtan, prôpan, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí tổng hợp (syngas), khí hyđrô... Nhiên liệu rắn không được sử dụng trực tiếp cho động cơ đốt trong do quá trình đốt cháy sinh ra nhiều tro, tuy nhiên nó có thể sử dụng gián tiếp thông qua biện pháp khí hóa để tạo thành khí tổng hợp hoặc hóa lỏng thông qua quá trình khí hóa kết hợp với quá trình tổng hợp Fisher Tropsch (tổng hợp FT) [8]. 1.3. Nhiên liệu thay thế 1.3.1. Phân loại Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm. Nhóm các nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch gồm: Ethanol từ nguồn hóa thạch, khí thiên nhiên (NG Natural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas), methanol, hy đrô, khí hóa lỏng (GTL - Gas To Liquid), than đá hóa lỏng (CTL - Coal To Liquid) và Dimethyl Ether (DME). Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: Khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol), methanol sinh học 8 (bio-methanol), hy đrô, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME - Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật qua xử lý hy đrô (HVO - Hydrotreating Vegetable Oil), sinh khối hóa lỏng (BTL - Biomass To Liquid) và DME. Tóm lược về các loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong được thể hiện trên bảng 1.1 [8]. Bảng 1.1. Phân loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong Nguồn gốc Động cơ đánh lửa cưỡng bức Động cơ cháy do nén Ethanol Than đá hóa lỏng (CTL) Methanol Khí hóa lỏng (GTL) Hóa thạch Khí thiên nhiên (NG) Dimethyl Ether (DME) Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) Hyđrô Tái tạo Bio-ethanol/ bio-methanol Diesel sinh học (bio-diesel/FAME) Khí sinh học (biogas) Dầu sinh học (bio-oil) Hyđrô Dầu thực vật qua xử lý hyđrô (HVO) Sinh khối hóa lỏng (BTL) Dimethyl Ether (DME) Các loại nhiên liệu khí có nguồn gốc hóa thạch như khí thiên nhiên và khí dầu mỏ hiện đang được sử dụng rất rộng rãi làm nhiên liệu thay thế cho xăng trên động cơ dùng cho phương tiện giao thông. Tuy nhiên, do mật độ năng lượng thấp nên để sử dụng được cho phương tiện vận tải cần thiết phải nén (ví dụ khí nén thiên nhiên CNG) hoặc hóa lỏng (khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên hóa lỏng LNG). Khí hyđrô hiện cũng đang được sử dụng thí điểm trên phương tiện giao thông ở các dạng như hyđrô nén, hyđrô hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu. Ethanol và mêthanol sinh học hiện là hai loại nhiên liệu lỏng phù hợp nhất để thay thế cho xăng. Với tính chất tương đồng với nhiên liệu diesel và khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu đối với nhiên liệu cho động cơ cháy do nén, diesel sinh học (bio-diesel) 9 hiện đang là loại nhiên liệu được sử dụng nhiều nhất để thay thế cho nhiên liệu diesel. Bio-diesel có thể sử dụng ở dạng nguyên chất (B100) hoặc trộn với nhiên liệu diesel với một tỷ lệ nhất định. Ngoài ra, dầu thực vật và DME cũng được nhiều nước sử dụng cho động cơ cháy do nén. Dầu thực vật có độ nhớt lớn nên cần phải lưu ý cải thiện (cách đơn giản nhất là sấy nóng nhiên liệu để giảm độ nhớt) đồng thời người sử dụng còn phải quan tâm đến vấn đề kết cặn trong buồng cháy và trong hệ thống cung cấp nhiên liệu, vấn đề độ bền ô xy hóa của nhiên liệu dầu thực vật... Nhiên liệu DME hiện chưa thực sự phổ biến, tuy nhiên triển vọng sản xuất DME từ nguồn tái tạo là rất lớn. Độ nhớt nhỏ của DME cũng là một yếu tố cần lưu tâm nhằm đảm bảo được tính năng bôi trơn cho động cơ. Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel và một loại nhiên liệu khí cũng đang nhận được quan tâm của nhiều nước [9]. Các loại động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG, diesel/CNG hay các loại động cơ đa nhiên liệu hiện nay đã được sản xuất, hoán cải và sử dụng khá nhiều. 1.3.2. Giới thiệu về nhiên liệu sinh học Các loại nhiên liệu sinh học (nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo) được chia thành các thế hệ như: nhiên liệu sinh học thế hệ I, II và III. Các loại nhiên liệu sinh học có thể trộn với nhiên liệu khoáng và đốt cháy trong động cơ đốt trong và phân phối qua hệ thống hạ tầng sẵn có hoặc được sử dụng trên các phương tiện có điều chỉnh thích nghi nhỏ đối với động cơ đốt trong. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ I là loại nhiên liệu đang được thương mại phổ biến trên thị trường thế giới hiện nay như ethanol làm từ cây mía hay từ tinh bột (ngô, sắn...), diesel sinh học (bio-diesel) và dầu thực vật nguyên chất (PPO pure plant oil). Nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất là cây mía, tinh bột, các loại hạt chứa dầu (cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ...) hoặc mỡ động vật. Các loại nhiên liệu này thường là thực phẩm hoặc phụ phẩm của ngành thực phẩm. 10 Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ II là nhiên liệu được sản xuất từ xenlulo và hemixenluloza (có trong sinh khối). Ethanol làm từ xenlulo và nhiên liệu FT (Fischer - Tropsch) là những ví dụ điển hình về loại nhiên liệu này. Một số tài liệu còn định nghĩa loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ III với nguồn nguyên liệu sản xuất là thực phẩm không ăn được như hạt jatropha (cây cọc rào hay cây dầu mè), hạt pongamia pinata (cây đậu dầu hay cây bánh dày) hoặc từ vi tảo. Nhiên liệu sinh học thế hệ I hiện đang chiếm sản lượng chính mặc dù vấn đề an ninh lương thực đang được đặc biệt quan tâm; nhiên liệu sinh học thế hệ II và III đang trong giai đoạn hoàn thiện công nghệ và bắt đầu được sản xuất ở quy mô thử nghiệm để tiến tới quy mô thương mại.  Cồn sinh học Cồn sinh học có công thức hóa học 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, hóa học tương tự như xăng. Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn dạng là methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), propanol (C3H7OH) và butanol (C4H9OH), tất cả đều là chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol, propanol và butanol hiện ít được sử dụng cho phương tiện vận tải do giá thành sản xuất cao. Ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện vận tải nhờ nguồn nguyên liệu dễ phát triển, giá thành sản xuất thấp và khả năng tương thích tốt với động cơ. Ethanol chủ yếu được sản xuất từ quá trình lên men các sản phẩm có đường như mía, củ cải đường..., các sản phẩm ngũ cố như ngô, khoai, sắn... (thế hệ I); từ phế phẩm nông, lâm nghiệp (thế hệ II) và từ vi tảo (thế hệ III). Đối với thế hệ II, phế phẩm nông, lâm nghiệp cần phải trải qua quá trình tiền chế, lên men thủy phân để loại bỏ chất gỗ (lignin) trong nguyên liệu, sản phẩm tạo thành là glucose. Sau đó quy trình sản xuất tạo thành ethanol tương tự với quá trình sản xuất ethanol thế hệ I. Đối với ethanol thế hệ III, vi tảo sau khi thu hoạch được nghiền trước khi 11 thực hiện quá trình phân rã tế bào, sản phẩm là tinh bột và protein, thông qua quá trình lên men thủy phân tạo thành ethanol. Methanol hiện tại chủ yếu sản xuất từ khí thiên nhiên thông qua quá trình khí hóa và tổng hợp, trong thời gian gần đây, methanol cũng đã bắt đầu được sử sản xuất từ sinh khối nhằm giảm gánh nặng đối với nguồn nhiên liệu hóa thạch.  Dầu thực vật và bio-diesel Dầu thực vật là dầu thu trực tiếp từ quá trình ép các hạt có dầu như hạt cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ, dừa, jatropha... có thể được sử dụng trực tiếp cho động cơ cháy do nén hoặc dùng trong lĩnh vực chế biến thực phẩm. Bio-diesel thế hệ I là sản phẩm của quá trình este hóa dầu thực vật hoặc mỡ động vật (ví dụ như dầu cọ, dầu hạt cải dầu, dầu hạt hướng dương... hay mỡ cá basa). Bio-diesel thế hệ II được sản xuất từ sinh khối theo quy trình khí hóa (gasification) và sau đó là tổng hợp theo quá trình Fischer - Tropsch. BTL (biomass to liquid, còn được gọi là diesel tổng hợp) là một ví dụ điển hình của bio-diesel thế hệ II. Bio-diesel làm từ dầu ăn đã qua sử dụng, từ dầu của các hạt có dầu không ăn được như hạt jatropha và từ vi tảo được gọi là diesel sinh học thế hệ III.  Dầu nhiệt phân và dầu thực vật qua xử lý hy đrô (HVO) Dầu thực vật qua xử lý hy đrô (HVO) có thể nói là một trong những loại nhiên liệu nguồn gốc sinh học tiềm năng hiện nay. HVO là hỗn hợp của các hydrocacbon dạng parafin, không chứa lưu huỳnh và các chất thơm. Thuộc tính của HVO có thể điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu của từng vùng bằng cách thay đổi trong quy trình sản xuất như bổ sung quy trình xử lý xúc tác. HVO có trị số xetan rất cao, trong khi các thuộc tính khác thì tương tự như đối với FT - diesel tổng hợp, GTL và BTL bằng quy trình Fischer - Tropsch. Ngoài ra, HVO là nhiên liệu hydrocacbon nên đáp ứng được tất cả các yêu cầu đối với nhiên liệu truyền thống (EN 590, ASTM D 975) ngoại trừ chỉ tiêu giới hạn dưới của tỷ trọng. 12 1.3.3. Các loại nhiên liệu khác Ngoài các loại nhiên liệu sinh học được mô tả ở trên, các loại nhiên liệu khí, khí tổng hợp và nhiên liệu lỏng tổng hợp cũng đã và đang được sử dụng hoặc đang trong quá trình nghiên cứu sử dụng cho động cơ đốt trong [8].  Khí thiên nhiên và khí sinh học biogas Khí thiên nhiên thường được sử dụng làm chất đốt để sưởi ấm, sản xuất điện năng và phục vụ cho công nghiệp. Thành phần chính của khí thiên nhiên là mêtan, CH4 (80 ÷ 90%), còn lại là các thành phần khác như C2H6, C3H8, C4H10... Khí thiên nhiên có tính chất phù hợp để sử dụng trên động cơ, đặc biệt là động cơ đánh lửa cưỡng bức. Nhằm nâng cao mật độ năng lượng, khí thiên nhiên thường được nén (CNG, với áp suất nén 200 ÷ 250 bar trong điều kiện nhiệt độ môi trường) hoặc hóa lỏng (LNG, ở nhiệt độ -1270C trong điều kiện áp suất môi trường và ở nhiệt độ -1610C khi áp suất là 6 ÷ 8 bar). Khí sinh học biogas là hỗn hợp khí mêtan và một số khí khác phát sinh từ sự phân hủy các vật chất hữu cơ. Thành phần chính của biogas là CH4 (50 ÷ 60%) và CO2 ( 30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO... được thủy phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20 ÷ 400C. Biogas có thể sử dụng cho động cơ đốt trong nếu được làm sạch các thành phần có ảnh hưởng lớn dến động cơ như H2S và hơi nước, cũng như nâng cao hàm lượng mêtan trong hỗn hợp nhằm nâng cao nhiệt trị của nhiên liệu. Việc sử dụng khí biogas cho phương tiện vận tải gặp phải không ít khó khăn do hàm lượng của thành phần mêtan khá thấp và thấp hơn nhiều so với khí thiên nhiên.  Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG là sản phẩm của quá trình hóa 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. 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. Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp: khoảng 2,2 bar đối với C4H10 tại 200C, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 550C. Thông