Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn ethanol diesel đến thành phần khí thải của động cơ diesel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐOÀN VIỆT BẮC TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL-DIESEL ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐOÀN VIỆT BẮC TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL-DIESEL ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 60.52.0116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS: Dƣơng Việt Dũng Đà Nẵng - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được tôi trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Đoàn Việt Bắc NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL – DIESEL ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL Học viên: Đoàn Việt Bắc Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 60.52.01.16 Khóa: K30, Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Ethanol pha vào diesel DO0,05S để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là một giải pháp sẽ làm phong phú thêm nguồn nhiên liệu cho tương lai, đồng thời giảm thiểu được ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra. Tuy nhiên để có thể tổng quát hóa việc áp dụng, thì việc nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Ethanol-diesel đến thành phần khí thải của động cơ diesel cần được đánh giá bằng thực nghiệm. Các kết quả đạt được của luận văn này chỉ ra sự cải thiện đánh kể về nồng độ các chất khí thải của động cơ EV2600 dùng nhiên liệu diesel DO0,05S pha thêm 3%, 5%, 7%, và 10% Ethanol. Động cơ được thử nghiệm trên băng thử công suất Froude. Kết quả thử nghiệm cho thấy nồng độ khí thải CO2[%] và NOx[ppm] của hỗn hợp DOE7 là thấp nhất và thấp hơn DO0,05S; Nồng độ khí thải giảm khi tăng phụ tải và đạt giá trị cực tiểu ở gần với chế độ phụ tải toàn tải (100% phụ tải - bắt đầu nhả khói đen). Từ khóa - Ethanol; Diesel; ô nhiễm môi trường; tỷ lệ phối trộn; nồng độ khí thải. EXPERIMENTAL STUDY ON THE EFFECT OF MIXING RATIOS OF ETHANOL - DIESEL TO EXHAUST GAS INGREDIENT OF DIESEL ENGINES Summary - Ethanol blends into diesel DO0,05S as a fuel for internal combustion engines as a solution that will enrich the fuel supply for the future, while minimizing the environmental pollution caused by emissions. However, in order to generalize the application, the study on the effect of the mixing ratio of Ethanol-diesel on the exhaust gas composition of the diesel engine should be evaluated experimentally. The results of this thesis show an improvement in the emission levels of EV2600 diesel DO0.05S diesel fuel by adding 3%, 5%, 7%, and 10% Ethanol. . The engine was tested on the Froude test strip. Test results showed that the CO2 concentration [%] and NOx [ppm] of the DOE7 mixture were lowest and lower than DO0.05S; The exhaust gas concentration decreases as the load increases and reaches a minimum value close to the full load mode (100% charge - starts to release the black smoke). Key words - Ethanol; Diesel; Environmental pollution; mixing ratio; exhaust gas concentration. MỤC LỤC Trang 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. VIỄN CẢNH VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG HIỆN NAY 1.1.1. Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay 3 1.1.2. Vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra 4 1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC ETHANOL 5 NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel pha ethanol trên thế giới và các 5 nước trong khu vực 1.2.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu nhiên liệu sinh học diesel pha 6 ethanol ở Việt Nam 1.3. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ỨNG DỤNG 7 ETHANOL NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 8 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 2.1. TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA DIESEL PHA ETHANOL 2.1.1. Giới thiệu chung về Ethanol 9 2.1.2. Thành phần hóa học và tính chất lý hóa 10 2.2. TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL PHA 11 ETHANOL 2.2.1. Nhiệt trị 11 2.2.2. Tính bay hơi của nhiên liệu dùng trong động cơ Diesel 12 2.2.3. Tính lưu động ở nhiệt độ thấp và tính phun sương 13 2.2.4. Nhiệt độ bén lửa và nhiệt độ tự bốc cháy 14 2.2.5. Đánh giá tính tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu 15 2.2.6. Xác định tỉ lệ hòa trộn của hỗn hợp Diesel và Ethanol 17 2.2.7. Tính chất hỗn hợp nhiên liệu thực nhiệm 18 2.2.8. Đánh giá ưu nhược điểm của nhiên liệu hỗn hợp 19 2.3. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA 19 ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.3.1. Sự hình thành COx 19 2.3.2. Sự hình thành hydrocarbure (HC) 21 2.3.3. Sự hình thành NOx 24 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HỖN HỢP NHIÊN LIỆU VÀ KHÔNG 26 KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL 2.4.1. Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel 26 2.4.2. Các phương pháp tạo hỗn hợp nhiên liệu Ethanol và Diesel 2.5. CÁC TIÊU CHUẨN VỀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL 2.5.1.Tiêu chuẩn khí thải châu Âu 2.5.2. Tiêu chuẩn khí thải của một số nước khác 2.5.3 Tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam 2.5.4. Lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải của Việt Nam 2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1.1. Mục tiêu, yêu cầu thực nghiệm 3.1.2. Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 3.1.3. Hỗn hợp nhiên liệu thí nghiệm 3.2. QUI TRÌNH THỰC NGHIỆM 3.2.1. Cơ sở lý thuyết 3.2.2. Qui trình thực nghiệm 3.3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TRÊN BĂNG THỬ ĐỘNG CƠ 3.3.1. Nhiên liệu diesel(DO) 3.3.2. Nhiên liệu 3% ethanol pha diesel (DOE3) 3.3.3. Nhiên liệu 5% ethanol pha diesel (DOE5) 3.3.4. Nhiên liệu 7% ethanol pha diesel (DOE7) 3.3.5. Nhiên liệu 10% ethanol pha diesel (DOE10) 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1. PHÂN TÍCH Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU DIESEL PHA ETHANOL 3%, 5%, 7%, 10% 4.1.1. Phân tích thành phần CO2 trong khí thải 4.1.2. Phân tích thành phần NOx trong khí thải 4.1.3 So sánh khí thải CO2 của các nhiên liệu DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 đối với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 4.1.4. So sánh khí thải NOx của các nhiên liệu DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 đối với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 4.1.5. Đánh giá ô nhiễm môi trường của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 4.2. KẾT LUẬN CHƯƠNG KẾT LUẬN CHUNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỂ TÀI DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 31 31 34 36 38 39 40 40 40 41 48 48 48 49 50 50 52 53 54 55 56 57 57 57 60 62 66 70 70 72 73 74 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với Ethanol nhiên liệu biến tính, [3],[22] 9 2.2. So sánh các đặc tính lý hoá cơ bản của Ethanol và Diesel 11 2.3. Các thông số về độ nhớt 14 2.4. Bảng tính chỉ số cetane của hỗn hợp nhiên liệu 17 2.5. Tiêu chuẩn khí thải cho xe khách, g/km [24] 31 2.6. Tiêu chuẩn khí thải đối với xe thương mại hạng nhẹ [24] 32 2.7. Tiêu chuẩn khí thải đối với xe tải và xe buýt (Động cơ Diesel, g/kWh) [27] 34 2.8. Tiêu chuẩn liên bang về giới hạn độc hại động cơ diesel xe tải 34 2.9. Tiêu chuẩn khí thải cho xe con 35 2.10. Tiêu chuẩn khí thải đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ Diezen 35 2.11. Tiêu chuẩn khí thải ôtô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL 35 2.12. Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải 35 2.13. Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khi xả của các phương tiện vận tải.[25] 37 2.14. Quy định thành phần khí thải cho phép theo TCVN 6438 – 2001 37 2.15. Quy định thành phần khí thải cho phép cho động cơ xăng 38 3.1. Đặc điểm kỹ thuật máy phân tích khí thải KGENG 46 3.2. Số liệu thực nghiệm nhiên liệu DO 50 4.1. Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE3 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 63 4.2. Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE5 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 64 4.3. Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE7 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 65 4.4. Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE10 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 66 4.5. Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE3 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 67 4.6. Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải Nox của nhiên liệu DOE5 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 68 4.7. Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải Nox của nhiên liệu DOE7 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 68 4.8. Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE10 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng 69 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ 1.1. 1.2. 1.3. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8 2.9 2.10 2.11 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12 3.13. 3.14. Tên hình vẽ Trang Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất Ô nhiễm do khí thải từ các loại phương tiện giao thông đến môi trường và sức khỏe con người Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới Cấu trúc phân tử của Ethanol Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ CO So sánh nồng độ CO trên đường thải cho bởi mô hình và thực nghiệm So sánh nồng độ CO theo góc đánh lửa sớm Biến thiên nồng độ một số hydrocarbure theo góc quay trục khuỷa Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức Biến thiên nông độ NO theo hệ số dư lượng không khí Phương án 1: Hòa trộn tự nhiên qua đường nạp Phương án 2: Hòa trộn cưỡng bức trong buồng cháy Phương án 3: Hòa trộn trực tiếp Bố trí lắp đặt băng thử Froude và động cơ Lắp đặt băng thử Froude và động cơ Băng thử thủy lực Froude DPX3 và các thông số trên băng thử lực Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của encoder tương đối Cảm biến biến dạng Hình dạng của loadcell Kết nối các strain gage trong loadcell Mạch khuếch đại tín hiệu loadcell Card NI-6009 Thiết bị AVL733S Thiết bị đo khí xả KGENG Đặc tính tải Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DO ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DO ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 3 5 6 10 20 20 21 21 22 23 26 27 28 29 40 40 41 42 43 43 44 44 45 45 46 49 51 52 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. 3.22. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE3 ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE3 ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE5 ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE5 ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE7 ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE7 ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE10 ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE10 ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 tại 10% vị trí thanh răng Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 tại 30% vị trí thanh răng Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 tại 50% vị trí thanh răng Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 tại 70% vị trí thanh răng Diễn biến nồng độ khí thải NOx của DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 tại 10% vị trí thanh răng Diễn biến nồng độ khí thải NOx của DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 tại 30% vị trí thanh răng Diễn biến nồng độ khí thải NOx của DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 tại 50% vị trí thanh răng Diễn biến nồng độ khí thải NOx của DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10 tại 70% vị trí thanh răng Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE3 với DO ở các vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 52 53 53 54 54 55 55 56 57 58 58 59 60 61 61 62 63 4.10. 4.11. 4.12. 4.13. 4.14. 4.15. 4.16. Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE5 với DO ở các vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE7 với DO ở các vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE10 với DO ở các vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE3 với DO ở các vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE5 với DO ở các vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE7 với DO ở các vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE10 với DO ở các vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70% 64 65 66 67 68 69 70 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục các ký hiệu La Tinh : ge [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích Me [N/m] Mô men đầu ra trục khuỷu Ne [kW] Công suất có ích động cơ n [vòng / phút] Tốc độ động cơ 0 tn [ C] Nhiệt độ nước làm mát 0 tk [ C] Nhiệt độ không khí trên đường nạp 0 td [ C] Nhiệt độ dầu trong cácte pd [MPa] Áp suất dầu pph [MPa] Áp suất nâng kim phun Qnl [ml / phút] Lưu lượng nhiên liệu 2. Danh mục các ký hiệu Hy lạp :  [độ] [mm] Góc quay trục khủyu Khe hở xupáp Hệ số nạp Tỷ số nén δ v ε 3. Các chữ viết tắt : NLSH Nhiên liệu sinh học NLBT Nhiên liệu biến tính DOE3 Hỗn hợp diesel – ethanol với 97% diesel và 3% ethanol DOE5 Hỗn hợp diesel – ethanol với 95% diesel và 5% ethanol DOE7 Hỗn hợp diesel – ethanol với 93% diesel và 7% ethanol DOE10 Hỗn hợp diesel – ethanol với 90% diesel và 10% Ethanol ĐCT Điểm chết trên 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ và ô tô. Trong tình hình dầu mỏ đang cạn kiệt và sự biến đổi khí hậu trái đất đang trở thành hiểm họa đối với loài người thì vấn đề nêu trên càng trở thành mối quan tâm hàng đầu của cả thế giới. Song song với việc hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt trong để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường thì các dự án, các chương trình nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu. Trong các nguồn nhiên liệu thay thế thì nhiên liệu sinh học được quan tâm hàng đầu đặc biệt là Ethanol với sản lượng lớn và sản xuất với giá thành tương đối thấp và phân bố rộng khắp các quốc gia. Với lý do đó đề tài “ Nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ lệ phối trộn Ethanol – Diesel đến thành phần khí thải của động cơ Diesel” của luận văn có ý nghĩa to lớn và hết sức cấp thiết; nó không những góp phần làm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sạch dùng cho động cơ đốt trong khi dầu mỏ đang cạn kiệt, mà còn góp phần nghiên cứu tìm ra các giải pháp sử dụng hiệu quả và phát triển lên mức cao hơn, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong tình hình mới. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: Xác định tỷ lệ phối trộn tốt nhất ứng với các chế độ vận hành của động cơ để các chỉ tiêu ô nhiễm thấp nhất. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ diesel của máy phát điện EV2600NB với các tỷ lệ 3%, 5%, 7%, 10%. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn Ethanol – Diesel. Từ đó xác định được các chỉ tiêu ô nhiễm thấp nhất: phát thải CO2, NOx. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại Phòng Thí nghiệm, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng. Trong đó chú trọng đến việc thực nghiệm nhiều hơn để đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ trộn dầu diesel với Ethanol đến mức độ phát thải ô nhiễm môi trường. 5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Ethanol – Diesel đến thành phần khí thải của động cơ Diesel” của luận văn được trình bày trong 4 chương với cấu trúc như sau: 2 Chƣơng 1: Tổng quan về nguồn nhiên liệu hóa thạch và giải pháp tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới và Việt Nam. Kết luận chương. Chƣơng 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính chất lý hoá của hỗn hợp nhiên liệu Diesel – Ethanol với các tỷ lệ pha trộn về thể tích. Qua đó tính toán nhiệt theo lý thuyết trên động cơ thực nghiệm. Từ đó tạo cơ sở cho chương trình thực nghiệm có tính khoa học. Kết luận chương. Chƣơng 3: Tìm hiểu các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm và phương án lắp đặt động cơ lên cụm băng thử công suất Froude. Thiết kế nội dung và quy trình thực nghiệm có tính khoa học phù hợp với chế độ vận hành thực tế của động cơ trên đường nhằm đưa ra được các kết quả có tính thực tiễn cao. Kết luận chương. Chƣơng 4: Phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm theo quy trình thử nhằm rút ra các kết luận có tính thuyết phục cao. Qua đó phân tích các nguyên nhân và đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ trộn dầu diesel với ethanol đến mức độ phát thải ô nhiễm môi trường. Kết luận chương. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. VIỄN CẢNH VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG HIỆN NAY 1.1.1. Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay Trong hàng thập kỷ qua, nhân loại đã và đang trải qua các biến động khôn lường của khí hậu toàn cầu. Bề mặt Trái đất, khí quyển và thủy quyển không ngừng nóng lên làm xáo trộn môi trường sinh thái, đã và đang gây ra nhiều hệ lụy đến đời sống loài người. Các công trình nghiên cứu quy mô toàn cầu về hiện tượng này đã được các nhà khoa học ở những trung tâm nổi tiếng trên thế giới tiến hành từ đầu thập kỷ 90 thế kỷ XX. Hội nghị quốc tế do Liên hiệp quốc triệu tập tại Rio de Janeiro năm 1992 đã thông qua Hiệp định khung và Chương trình hành động quốc tế nhằm cứu vãn tình trạng “xấu đi” nhanh chóng của bầu khí quyển Trái đất, vốn được coi là nguyên nhân chủ yếu của sự gia tăng hiểm họa. Tổ chức nghiên cứu liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên hiệp quốc (IPCC) đã được thành lập, thu hút sự tham gia của hàng ngàn nhà khoa học quốc tế. Tại Hội nghị Kyoto năm 1997, Nghị định thư Kyoto đã được thông qua và đầu tháng 2/2005 đã được nguyên thủ 165 quốc gia phê chuẩn. Nghị định thư này bắt đầu có hiệu lực từ 10/2/2005. Việt Nam đã phê chuẩn Nghị định thư Kyoto ngày 25/9/2005. Gần đây nhất, hội nghị lần thứ 21 Công ước Khung LHQ về biến đổi khí hậu (COP-21) tổ chức tại thủ đô Paris của Pháp cam kết giảm lượng khí thải nhằm hạn chế tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu ở mức 20C vào cuối thế kỷ XXI so với thời kỳ tiền công nghiệp.[18] Nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ trái đất: Các báo cáo của IPCC và nhiều trung tâm nghiên cứu có uy tín hàng đầu trên thế giới công bố trong thời gian gần đây cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin và dự báo quan trọng. Theo đó, nhiệt độ trung bình trên bề mặt địa cầu ấm lên gần 1°C trong vòng 80 năm (từ 1920 đến 2005) và tăng rất nhanh trong khoảng 25 năm nay (từ 1980 đến 2005). Báo cáo cho rằng nếu không thực hiện được chương trình hành động giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính theo Nghị định thư Kyoto, đến năm 2035 nhiệt độ bề mặt địa cầu sẽ tăng thêm 2°C. Về dài hạn, có hơn 50% khả năng nhiệt độ tăng thêm 5°C. Hình 1.1. Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất 4 Hiện tại, Trái đất đang từng ngày từng giờ nóng lên, với tốc độ như vậy thì chiều hướng có thể còn nhanh hơn nữa trong tương lai, [6].  Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam Như chúng ta đã biết một trong những tác hại của biến đổi khí hậu đó là sự gia tăng của mực nước biển, khiến cho nhiều vùng đất sẽ bị ngập sâu trong nước. Việt Nam là một nước có bờ biển dài, nằm ngay sát biển Đông một trong những biển lớn của thế giới, vì vậy, Việt Nam được xếp vào một trong những nước có nguy cơ chịu tác động rất nhiều của việc biến đổi khí hậu, cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển. Theo dự báo của Tổ chức Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IPCC thì khu vực Đông Dương nhiệt độ sẽ gia tăng 1°C vào giai đoạn 2010-2039, và 3° đến 4°C vào 2070-2099; lượng mưa sẽ giảm 20 mm vào 2010-2039, rồi sau đó tăng 60 mm vào 2070-2099; mực nước biển dâng cao 6 cm/năm, đạt mức 20 cm vào 2030, và 88 cm vào 2100. Tại Việt Nam, nhiệt độ sẽ tăng từ 0,3 - 0,5 độ C năm 2010, từ 1- 2 độ C vào năm 2020, từ 1,5 - 2 độ C vào năm 2070. Những khu vực có nhiệt độ tăng cao nhất là Tây Bắc và Việt Bắc. Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ thì trong những năm gần đây hiện tượng bão lũ cũng xảy ra với tần suất và cường độ mạnh hơn ở Việt Nam. Hiện tượng bão lũ này xảy ra đặc biệt nghiêm trọng ở hai vùng miền là miền Trung và đồng bằng sông Cửu Long. Sự tác động của biến đổi khí hậu mà cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển đang có xu hướng làm thu hẹp dần diện tích đất nông nghiệp của nước ta, đặc biệt là các vùng đất ven biển. Với trên 3.000km bờ biển, Việt Nam được coi là quốc gia có mức độ dễ bị tổn thương cao hơn trước sự biến đổi khí hậu, [6]. 1.1.2. Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do nguồn năng lƣợng hóa thạch gây ra Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không của một quốc gia nào. Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật. Việc khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: rác thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng. Nó còn tạo ra các cơn mưa axít làm huỷ diệt các khu rừng và các cánh đồng. Điều đáng lo ngại nhất là con người thải vào không khí các loại khí độc như: CO2 đã gây hiệu ứng nhà kính. Theo nghiên cứu thì chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2 nó đóng góp 50% vào việc gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, Nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu là 3%. Có nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau. Điều này sẽ thúc đẩy quá trình nóng lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng. Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái đất tăng 0.4 °C. Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái đất sẽ tăng 5 thêm 1.5 4.5 °C nếu như con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Nguồn: Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ Hình 1.2. Ô nhiễm do khí thải từ các loại phương tiện giao thông đến môi trường và sức khỏe con người. Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng lỗ thủng tầng ôzôn. Khí CFC là "kẻ phá hoại" chính của tầng ôzôn. Sau khi chịu tác động của khí CFC và một số loại chất độc hại khác thì tầng ôzôn sẽ bị mỏng dần rồi thủng, [2]. 1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC ETHANOL NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƢỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel pha ethanol trên thế giới và các nƣớc trong khu vực Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch và để ổn định nguồn cung ứng, các quốc gia thuộc khối EU đã đặt ra mục tiêu là nhiên liệu sinh học chiếm 25% trong lĩnh vực giao thông vào năm 2010, và đạt con số 50% vào năm 2020. Trong các loại nhiên liệu sinh học ở EU thì biodiesel là nhiên liệu được sản xuất nhiều nhất, chiếm 82% tổng số nhiên liệu sinh học. Hiện nay, các thị trường dẫn đầu về biodiesel là EU và Hoa Kỳ đã đạt được năng suất cực lớn trong những năm qua. Trong đó, EU đứng đầu với tổng sản lượng biodiesel của năm 2008 là 7,8 triệu tấn (trong đó Đức sản xuất nhiều nhất, chiếm 2,8 triệu tấn), tăng 35,7% so với năm 2007 là 5,7 triệu tấn. Hình 1.3 trình bày sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới trong các năm 2002 đến 2008. Qua đó cho thấy sản lượng tăng đều đặn trong những năm gần đây, tăng từ 7,1 triệu tấn năm 2006 lên 9,0 triệu tấn năm 2007 và 11,1 triệu tấn năm 2008. Còn tiềm năng sản xuất biodiesel thì tăng vọt, trữ lượng biodiesel tăng từ 2,2 triệu tấn năm 2006 lên 23,1 triệu tấn năm 2007 và đạt 32,6 triệu tấn năm 2008. 6 Hình 1.3: Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới Và hơn thế nữa, thị trường biodiesel của thế giới ước tính sẽ đạt con số 37 tỷ gallon-tương đương 140 tỷ lít vào năm 2016, tốc độ tăng trưởng hàng năm đạt 42%. EU sẽ tiếp tục là thị trường biodiesel lớn nhất trong thập kỹ này, theo sau đó là thị trường của Hoa Kỳ. 1.2.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu nhiên liệu sinh học diesel pha ethanol ở Việt Nam Ở Việt Nam, một số cơ quan thuộc các ngành giao thông vận tải, công nghiệp, năng lượng nghiên cứu về nhiên liệu sinh học. Một số Công ty, Viện và Trường Đại học đã nghiên cứu thử nghiệm xăng pha ethanol và diesel sinh học. Công ty mía đường Lam Sơn (Thanh Hoá), Sài Gòn Petro, Công ty Rượu Bình Tây, Công ty Chí Hùng cũng đã có dự án sản xuất ethanol làm nhiên liệu. Gần đây, một số công ty tại An Giang, Cần Thơ, Long An đã đầu tư xưởng sản xuất diesel sinh học từ mỡ cá basa với tổng công suất khoảng 40.000 tấn/năm nhưng do chưa có tiêu chuẩn chất lượng cho sản phẩm nên chưa thương mại được. Nhìn chung, hoạt động nghiên cứu, sản xuất và đầu tư về nhiên liệu sinh học ở nước ta còn chưa tiến triển do chưa có chính sách năng lượng, chưa có cơ chế chính sách rõ ràng để các doanh nghiệp an tâm đầu tư đối với lĩnh vực kinh doanh có điều kiện như xăng dầu. Nhóm nghiên cứu do PGS.TS Hồ Sơn Lâm đã tiến hành nghiên cứu hàm lượng các chất độc hại có trong khí thải khi sử dụng biodiesel trên động cơ máy phát điện. Loại nhiên liệu BIO-2/IAMS (nhiên liệu dùng cho máy phát điện) cho hàm lượng Hydrocacbon trong khí thải (khi sử dụng 10% bio-2 /IAMS để pha với diesel) thấp nhất (25ppm). Khi pha 5 hay 15%, hàm lượng hydrocacbon trong khí thải cũng ít hơn khi sử dụng 100% diesel [7]. Tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về công nghệ lọc - hóa dầu các nhà khoa học thử nghiệm loại biodiesel pha 5% và diesel thông thường trên một số loại xe 7 chổ và xe tải trọng 1,25 tấn, mỗi xe chạy 10.000 km. Kết quả thử nghiệm cho thấy, 7 nếu biodiesel đạt tiêu chuẩn Việt Nam khi pha với tỷ lệ 5% sẽ không ảnh hưởng đến chất lượng vận hành động cơ. Nhóm các nhà khoa học gồm TS. Nguyễn Đình Thành, Th.s Phạm Hữu Thiện, KS Võ Thanh Thọ và Lê Trần Duy Quang cũng đã có công trình tổng hợp biodiesel từ nguồn dầu mỡ phế thải. Qua thử nghiệm trên động cơ xe ô tô Mercedes 16 chỗ với quảng đường 1.000 km, B20 đảm bảo độ khí thải trong mức cho phép và không ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ. 1.3. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ỨNG DỤNG ETHANOL NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƢỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL Trong những năm đầu của thập niên 1980 [8], việc ứng dụng cồn trên động cơ diesel đã được các nhà khoa học và các hãng chế tạo động cơ và ô tô để ý tới với mục đích tìm cách thay thế cồn cho diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Quá trình nghiên cứu bắt đầu từ việc hòa trộn trực tiếp cồn vào trong nhiên liệu diesel tạo nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol, tiếp theo là cung cấp cồn trên đường nạp bằng bộ chế hòa khí, sau đó là cung cấp cồn trên đường nạp bằng vòi phun và gần đây đã có nghiên cứu đề cập đến phun trực tiếp cồn vào buồng cháy. Điểm giống nhau cơ bản là chuyển động cơ diesel thành động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu, trong đó diesel đóng vai trò là nhiên liệu chính và là “đuốc lửa” để đốt cháy cồn. Với việc sử dụng lưỡng nhiên liệu ethanol-diesel thì lượng ethanol thay thế được công bố trong khoảng 20-50% nhiên liệu khi cung cấp ethanol trên đường nạp và khoảng 20-30% thể tích khi hòa trộn trực tiếp ethanol vào diesel. Tuy nhiên, bên cạnh đó một số nghiên cứu đã sử dụng nguyên lý HCCI để sử dụng cồn (ethanol) là nhiên liệu duy nhất cho động cơ diesel tuy nhiên phải dùng hỗn hợp ethanol-nước với nước chiếm đến 50% [9]. Năm 2010, Thạc sĩ Nguyễn Quang Trung thuộc Trường Đại học Bách khoa- Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu thành công động cơ diesel sử dụng hỗn hợp Ethanolkhông khí hòa trộn trước. Tác giả đánh giá ảnh hưởng của ethanol đến tính kinh tế và ô nhiễm của động cơ trong điều kiện cùng tính năng kỹ thuật khi so sánh với động cơ sử dụng diesel [4]. Trong nghiên cứu của mình [10] nhóm tác giả Andrzej Kowalewicz, Grzegorz Pawlak tiến hành thí nghiệm trên động cơ một xylanh 1HC102, sử dụng vòi phun ethanol trên đường nạp kết hợp với bộ sấy nóng khí nạp nhằm đảm bảo ethanol bay hơi tốt. Với mô hình thí nghiệm này bài báo kết luận rằng: động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu ethanol-diesel cho phép tăng hiệu suất của động cơ, giảm ô nhiễm môi trường (trừ NOx). Cụ thể khi tốc độ động cơ 1800v/p ở chế độ tải nhỏ (năng lượng diesel cung cấp 1,174KJ/ct) thì tỷ lệ năng lượng ethanol/diesel là 0,39 tương đương với suất tham dự của ethanol về năng lượng là 28% và ở chế độ tải lớn (năng lượng ethanol cung cấp 1,789KJ/ct) thì tỷ lệ năng lượng ethanol/diesel là 0,34 tương đương với suất tham dự của ethanol về năng lượng là 25%. Hiệu suất của động cơ ở chế độ tải nhỏ nhỏ hơn so với khi sử dụng diesel còn ở chế độ tải trung bình và tải lớn thì có hiệu suất lớn hơn. 8 Nghiên cứu thực nghiệm tương tự được tác giả Wendel Goezt, Chris Baringer, David Thurston tiến hành trên động cơ Perkins hoạt động lưỡng nhiên liệu ethanoldiesel, ethanol cung cấp trên đường nạp và hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp hơi ethanol-không khí sau đó nạp vào động cơ [11]. Mục tiêu của nghiên cứu này là tìm ra mức thay thế về năng lượng lớn nhất của ethanol cho diesel khi không thay đổi hệ thống cung cấp diesel. Mô hình sử dụng vòi phun ethanol đa điểm điều khiển điện tử phun ethanol trước ống nạp của từng xilanh. Lượng ethanol thay thế cho diesel được xác định thông qua phân tích tỷ lệ tăng áp suất trong buồng cháy, áp suất buồng cháy nhỏ hơn mức cho phép và hiệu suất nhiệt không giảm quá 2% khi so sánh với diesel. Như vậy, kết luận rút ra được từ mô hình thí nghiệm sử dụng phun ethanol đa điểm khi tổng năng lượng cung cấp cho chu trình không đổi: - Tăng lượng thay thế ethanol làm tăng thời gian trễ; - Mức tăng áp suất ban đầu tăng, rồi giảm khi tăng năng lượng ethanol thay thế; - Áp suất cực đại của chu trình giảm khi tăng năng lượng ethanol thay thế; - Ở tải lớn (75% đến 100% tải) tốc độ 2600v/p, hiệu suất nhiệt tăng khi tăng năng lượng ethanol thay thế; mức thay thế năng lượng không vượt quá 35% ở 100% tải. 1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG Như vậy thông qua tình hình sản xuất, nghiên cứu và ứng dụng ethanol từ trước đến nay cho thấy tiềm năng phát triển của nhiên liệu sinh học này là rất lớn, vì thế cần có những nghiên cứu sâu hơn để đưa ra các biện pháp công nghệ nhằm tăng lượng ethanol sử dụng cho động cơ đốt trong mà trước mắt là sử dụng cho động cơ diesel với vai trò là nhiên liệu thứ hai trong lưỡng nhiên liệu ethanol- diesel.