Tài liệu Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động cơ xăng

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Hà Nội, tháng 7 năm 2014 Nghiên cứu sinh Phạm Hữu Truyền -i- LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Anh Tuấn và TS Phạm Hữu Tuyến 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 án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực và các thầy cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong trương lai. 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 tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Phạm Hữu Truyền -ii- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................. ii MỤC LỤC .................................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................... ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................1 i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.................................................................. 2 ii. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................................ 3 iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................................................ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................................5 1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học ................................................................................................... 5 1.2. Nhiên liệu etanol và xăng sinh học.................................................................................................. 6 1.2.1. Nhiên liệu etanol ...................................................................................................................... 6 1.2.2. Xăng sinh học......................................................................................................................... 10 1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol....................................................................................... 13 1.2.4. Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ trên thế giới........................................... 18 1.2.5. Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ ở Việt Nam............................................ 24 1.3. Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn ......................................................................... 26 1.4. Kết luận chương 1......................................................................................................................... 27 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TƯƠNG THÍCH CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG TRUYỀN THỐNG KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC .... 28 2.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức ...................................................................... 28 2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức ................................................................... 28 2.1.2. Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng xăng sinh học ................. 31 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác động cơ sử dụng xăng sinh học .............................. 33 2.2.1. Trạng thái nhiệt động học........................................................................................................ 33 2.2.2. Lý thuyết tính toán quá trình cháy ........................................................................................... 34 2.2.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt .............................................................................................. 39 2.2.4. Lý thuyết tính toán hàm lượng phát thải .................................................................................. 41 2.2.5. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu xăng và etanol E100 .................................................................... 46 2.3. Phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học 47 2.3.1. Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu .............................................................................. 47 2.3.2. Phương pháp đánh giá tính năng động cơ ô tô ......................................................................... 49 2.3.3. Phương pháp đánh giá độ bền và tuổi thọ động cơ ................................................................... 50 2.4. Kết luận chương 2......................................................................................................................... 54 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ ETANOL LỚN ..................................................................................................................... 55 3.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi mô phỏng .................................................................................. 55 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ .......................................................................................... 55 3.2.1. Giới thiệu về phần mềm AVL Boost ....................................................................................... 55 -iii- 3.2.2. Xây dựng mô hình và các thông số nhập cho mô hình ............................................................. 56 3.2.3. Các bước nghiên cứu trên mô hình mô phỏng.......................................................................... 57 3.3. Kết quả tính toán mô phỏng ......................................................................................................... 58 3.3.1. Đánh giá độ chính xác của mô hình ......................................................................................... 58 3.3.2. Động cơ xe máy...................................................................................................................... 59 3.3.3. Động cơ ô tô xe Lanos ............................................................................................................ 64 3.4. Giải pháp cải tiến động cơ xăng thông thường khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn nhằm đảm bảo tính năng kỹ thuật .......................................................................................................... 69 3.4.1. Giải pháp cải tiến động cơ sử dụng bộ chế hoà khí .................................................................. 69 3.4.2. Giải pháp cải tiến động cơ ô tô phun xăng điện tử ................................................................... 73 3.5. Kết luận chương 3......................................................................................................................... 74 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ....................................................................... 75 4.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm ................................................................................................. 75 4.2. Nhiên liệu ...................................................................................................................................... 75 4.3. Nghiên cứu đánh giá khả năng tương thích vật liệu..................................................................... 76 4.3.1. Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm.................................................................................... 76 4.3.2. Kết quả đánh giá khả năng tương thích vật liệu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ xe máy..... 77 4.3.3. Kết quả đánh giá khả năng tương thích vật liệu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ ô tô .......... 82 4.4. Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử........................................................................................ 89 4.4.1. Phương pháp, quy trình đánh giá tính năng và độ bền .............................................................. 89 4.4.2. Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm.................................................................................... 89 4.4.3. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền động cơ xe máy ............................. 92 4.4.4. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến động cơ ô tô ............................................. 99 4.5. So sánh kết quả nghiên cứu mô phỏng với thực nghiệm ............................................................ 109 4.6. Kết luận chương 4....................................................................................................................... 112 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 113 Kết luận chung ................................................................................................................................... 113 Phương hướng phát triển ................................................................................................................... 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................................... 119 PHỤ LỤC ................................................................................................................................. 120 -iv- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị E5 Xăng sinh học bao gồm 5% etanol và 95% xăng truyền thống - E10 Xăng sinh học bao gồm 10% etanol và 90% xăng truyền thống - E15 Xăng sinh học bao gồm 15% etanol và 85% xăng truyền thống - E20 Xăng sinh học bao gồm 20% etanol và 80% xăng truyền thống - E85 Xăng sinh học bao gồm 85% etanol và 15% xăng truyền thống - E100 Etanol gốc - CO Mônôxit cácbon - HC Hyđrô cácbon - NOx Ôxit nitơ - CO2 Cácboníc - Hỗn hợp nhiên liệu diesel-etanol - Hội kỹ sư ô tô thế giới - NLBT Nhiên liệu biến tính - TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam - NLSH Nhiên liệu sinh học - HDPE High Density Polyethylene (Nhựa polyethylene đặc biệt) - CD20” Chassis Dynamometer 20” (Băng thử xe máy) - CD48” Chassis Dynamometer 48” (Băng thử ô tô con và xe tải hạng nhẹ) - ECE R40 Chu trình thử châu Âu cho xe máy theo tiêu chuẩn Euro II - ECE15-05 Chu trình thử châu Âu cho xe con và xe tải hạng nhẹ - E-Diesel SAE FC Tiêu thụ nhiên liệu (Fuel comsumption) l/100km Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) - Điểm chết trên -  Hệ số dư lượng không khí - A/F Tỷ lệ không khí/nhiên liệu - Tủ phân tích khí thải - ETB High Dynamic Engine Testbed (Băng thử tính năng động lực học cao) - TCB Trước chạy bền - STB Sau chạy bền - AVL-Boost ĐCT CEBII Ne Công suất kW Me Mômen Nm ge Suất tiêu thụ nhiên liệu g/kW.h -v- DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tính chất của etanol [1] ..................................................................................................7 Bảng 1.2. Quy chuẩn về etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì [3] .......................7 Bảng 1.3. Tính chất lý hóa của xăng sinh học [18] ........................................................................ 10 Bảng 1.4. Những cải tiến cần thiết khi sử dụng xăng sinh học [36]. .............................................. 22 Bảng 2.1. Hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải .............................................. 41 Bảng 2.2. Chuỗi phản ứng hình thành NOx ................................................................................... 45 Bảng 2.3. Các hằng số đa thức ..................................................................................................... 46 Bảng 2.4. Bảng tiến trình đo......................................................................................................... 49 Bảng 2.5. Các điểm thử nghiệm tại các tay số IV và V của ô tô..................................................... 49 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ ..................................................................................... 56 Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của mô hình ................................................................................. 57 Bảng 3.3. Thời gian cháy trễ và thời gian cháy nhanh của các loại nhiên liệu ................................ 60 Bảng 3.4. Công suất động cơ khi chạy các loại nhiên liệu khác nhau (kW) ................................... 61 Bảng 3.5. Nồng độ CO khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) ........................ 62 Bảng 3.6. Nồng độ HC khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) ........................ 63 Bảng 3.7. Nồng độ NOx khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) ...................... 63 Bảng 3.8. Mức độ thay đổi công suất động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda............................................................. 66 Bảng 3.9. Mức độ thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda .............................................. 67 Bảng 3.10. Mức độ thay đổi phát thải CO động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda............................................................. 67 Bảng 3.11. Mức độ thay đổi phát thải HC động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda............................................................. 68 Bảng 3.12. Mức độ thay đổi phát thải NOx động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda..................................................... 69 Bảng 3.13. Lượng nhiên liệu cần dùng để công suất động cơ xe máy không đổi khi tăng tỉ lệ etanol trong nhiên liệu (g/chu trình) ........................................................................................................ 70 Bảng 3.14. Sự thay đổi đường kính lỗ gic-lơ để công suất động cơ xe máy không đổi ................... 71 Bảng 4.1. Chỉ tiêu chất lượng của xăng RON92 ........................................................................... 75 Bảng 4.2. Tính chất nhiên liệu của xăng sinh học E10, E15 và E20 .............................................. 75 Bảng 4.3. Hình ảnh chụp giclơ nhiên liệu chính trước và sau 2000h ngâm .................................... 77 Bảng 4.4. Hình ảnh chụp bề mặt lỗ giclơ chính (vật liệu đồng) trên kính hiển vi điện tử với độ phóng đại 2000 lần....................................................................................................................... 77 Bảng 4.5. Hình vít điều chỉnh lượng không khí ở chế độ chạy không tải và vít xả xăng................. 78 Bảng 4.6. Hình ảnh ngoại quan của kim ba cạnh trước và sau khi ngâm........................................ 78 Bảng 4.7. Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử (phóng đại 500 lần) bề mặt chi tiết lọc tinh nhiên liệu ...................................................................................................... 79 Bảng 4.8. Hình ảnh ngoại quan của vỏ nhựa lọc tinh trước và sau 2000h ngâm trong các dung dịch khác nhau .................................................................................................................................... 79 Bảng 4.9. Kết quả phân tích nhiên liệu trước khi ngâm chi tiết .................................................... 80 Bảng 4.10. Kết quả phân tích nhiên liệu RON92 sau khi ngâm chi tiết .......................................... 81 Bảng 4.11. Kết quả phân tích nhiên liệu E10 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 81 Bảng 4.12. Kết quả phân tích nhiên liệu E15 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 81 -vi- Bảng 4.13. Kết quả phân tích nhiên liệu E20 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 81 Bảng 4.14. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết kim loại ........................................ 82 Bảng 4.15. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết phi kim ......................................... 82 Bảng 4.16. Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử giclơ nhiên liệu chính82 Bảng 4.17. Hình ảnh ngoại quan kết quả ngâm van điện từ cắt nhiên liệu (làm bằng đồng hợp kim) .................................................................................................................................................... 83 Bảng 4.18. Kết quả phân tích nhiên liệu trước khi ngâm chi tiết................................................... 87 Bảng 4.19. Kết quả phân tích nhiên liệu RON92 sau khi ngâm chi tiết .......................................... 87 Bảng 4.20. Kết quả phân tích nhiên liệu E10 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 88 Bảng 4.21. Kết quả phân tích nhiên liệu E15 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 88 Bảng 4.22. Kết quả phân tích nhiên liệu E20 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 88 Bảng 4.23. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết kim loại ........................................ 88 Bảng 4.24. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết phi kim ......................................... 88 Bảng 4.25. Thông số kỹ thuật xe Daewoo Lanos .......................................................................... 90 Bảng 4.26. Thông số kỹ thuật xe Toyota Corolla .......................................................................... 91 Bảng 4.27. Thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm ................................................................. 91 Bảng 4.28. Đường kính xilanh của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km ....................................................................................................................... 92 Bảng 4.29. Đường kính xilanh của động cơ xe chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km ....................................................................................................................... 92 Bảng 4.30. Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km ....................................................................................................................... 93 Bảng 4.31. Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km ......................................................................................................... 93 Bảng 4.32. Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với RON92. ....................................................................................................................................... 94 Bảng 4.33. Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với E10. ............................................................................................................................................. 94 Bảng 4.34. Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với RON92. ........................................................................................................................ 95 Bảng 4.35. Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với E10. .............................................................................................................................. 95 Bảng 4.36. Áp suất nén đo trước và sau khi chạy bền ................................................................... 96 Bảng 4.37. Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 trước và sau khi chạy bền của 2 xe Honda SuperDream với 2 loại nhiên liệu RON 92 và xăng sinh học E10 ...................................... 97 Bảng 4.38. Kết quả phân tích dầu bôi trơn khi xe chạy bằng E10 .................................................. 98 Bảng 4.39. Kết quả phân tích dầu bôi trơn khi xe chạy bằng RON92 ............................................ 98 Bảng 4.40. Kết quả đo công suất xe Lanos tại tay số IV................................................................ 99 Bảng 4.41. Thay đổi công suất xe Lanos ở tay số V .................................................................... 100 Bảng 4.42. Phát thải xe Lanos tại tay số V ................................................................................. 101 Bảng 4.43. Phát thải xe Lanos khi chạy với các loại nhiên liệu theo chu trình thử ECE1505 ....... 101 Bảng 4.44. Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số IV ........................................................... 103 Bảng 4.45. Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số V............................................................. 103 Bảng 4.46. Phát thải xe Corolla khi chạy với các loại nhiên liệu theo chu trình thử ECE1505 ..... 104 Bảng 4.47. Kết quả phân tích dầu trước và sau chạy bền............................................................. 108 Bảng 4.48. Thay đổi công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu ... 109 -vii- Bảng 4.49. Thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu ................................................................................................................................... 109 Bảng 4.50. Thay đổi phát thải CO giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu .................................................................................................................................................. 110 Bảng 4.51. Thay đổi phát thải HC giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu .................................................................................................................................................. 110 Bảng 4.52. Thay đổi phát thải NOx giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu .................................................................................................................................................. 111 -viii- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường................................................................8 Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza ..................................................................................9 Hình 1.3. Áp suất hơi bão hòa tại 37,80C ...................................................................................... 11 Hình 1.4. Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol ......................................................................... 12 Hình 1.5. Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017 .......................................................... 13 Hình 1.6. Công suất (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) khi sử dụng RON92 và E10 [20] ............... 18 Hình 1.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương (a) và hệ số nạp (b) [21] ........................................................................................................................................ 18 Hình 1.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới mômen động cơ (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) [21] .. 19 Hình 1.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải CO, HC và CO2 [21] ....................................... 20 Hình 1.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải NOx [22] ....................................................... 21 Hình 1.11. Thay đổi về phát thải đối với mẫu xe năm 2001 theo chu trình thử ADR37/01 khi sử dụng E20 [33] .............................................................................................................................. 21 Hình 1.12. Hàm lượng phát thải khi giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp [34] ........................... 21 Hình 1.13. Sự thay đổi hàm lượng NOx khi sử dụng xăng sinh học so với xăng thông thường [31] 21 Hình 1.14. So sánh hàm lượng benzen và toluene trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng thông thường, E3 và E10 [35] ................................................................................................................ 22 Hình 1.15. Vỏ bơm nhiên liệu (đặt trong thùng nhiên liệu) trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39] .................................................................................... 23 Hình 1.16. Vít điều chỉnh không tải (bằng đồng) của bộ chế hòa khí trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39] ................................................................... 23 Hình 1.17. Lõi bơm nhiên liệu trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39] ............................................................................................................................... 24 Hình 1.18. Màng van bơm nhiên liệu trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 550C [38, 39] .............................................................................................................. 24 Hình 1.19. Van thông khí cácte trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 550C [38, 39]............................................................................................................................ 24 Hình 1.20. So sánh các thông số của động cơ xe máy khi sử dụng E5 và E10 với RON92 [6] ....... 25 Hình 2.1. Diễn biến áp suất trong xylanh động cơ đốt cháy cưỡng bức ......................................... 28 Hình 2.2. Hình ảnh quá trình cháy trong xylanh nghiên cứu, diễn biến áp suất và lượng khí cháy ở tốc độ 1400v/p, áp suất nạp 0,5atm [56] ....................................................................................... 29 Hình 2.3. Hình dạng bề mặt màng lửa .......................................................................................... 29 Hình 2.4. Quan hệ giữa xb và yb.................................................................................................... 30 Hình 2.5. Biến thiên tỷ số nhiên liệu/không khí tương đương theo nồng độ cồn etanol trong xăng sinh học [44] ................................................................................................................................ 31 Hình 2.6. Bán kính màng lửa khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 ................................................................................................................................ 32 Hình 2.7. Diện tích màng lửa khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 ................................................................................................................................ 32 Hình 2.8. Tỷ lệ hỗn hợp cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 ................................................................................................................................ 32 Hình 2.9. Thời gian cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 ...................................................................................................................................... 32 Hình 2.10. Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ ................................................................ 33 Hình 2.11. Ngọn lửa tiến gần đến thành xylanh và bắt đầu quá trình cháy sát vách ....................... 38 -ix- Hình 2.12. Tỷ lệ mol CO tính toán theo góc quay trục khuỷu (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) .................................................................................................................................... 42 Hình 2.13. Tỷ lệ mol CO tính toán theo giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) ......................................................................................... 42 Hình 2.14. Nồng độ HC theo góc quay trục khuỷu và độ dày màng dầu (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) ....................................................................................................................... 44 Hình 2.15. Chu trình thử Châu Âu ECE 15-05.............................................................................. 50 Hình 2.16. Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng xe máy .......................................... 51 Hình 2.17. Vị trí và phương pháp đo mài mòn xy lanh.................................................................. 52 Hình 2.18. Vị trí đo đường kính piston ......................................................................................... 52 Hình 2.19. Đo khe hở miệng xéc măng......................................................................................... 52 Hình 2.20. Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng ô tô................................................ 53 Hình 2.21. Các vị trí đo mòn cổ trục khuỷu .................................................................................. 53 Hình 3.1. Mô hình mô phỏng động cơ xe máy và động cơ ô tô ..................................................... 57 Hình 3.2. So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ xe máy với hai loại nhiên liệu xăng (E0) và xăng pha cồn E10 .......................................................... 58 Hình 3.3. So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ ôtô Lanos với hai loại nhiên liệu RON92 và E10 ................................................................................ 59 Hình 3.4. Diễn biến áp suất, nhiệt độ trong xylanh động cơ tại 7500 v/ph ..................................... 59 Hình 3.5. Tốc độ toả nhiệt của động cơ sử dụng các loại nhiên liệu ở 7500 v/phút ........................ 60 Hình 3.6. Độ giảm công suất trung bình khi sử dụng E5, E10, E20, E85 (so với RON92) ............. 61 Hình 3.7. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ sử dụng xăng pha cồn ........................................... 61 Hình 3.8. Phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với RON92) ............................... 62 Hình 3.9. Phát thải HC khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với E0) ....................................... 62 Hình 3.10. Phát thải NOx khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với E0) ................................... 63 Hình 3.11. Sự thay đổi công suất động cơ so với khi sử dụng xăng ............................................... 64 Hình 3.12. Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để công suất động cơ không đổi ....................... 64 Hình 3.13. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ so với khi sử dụng xăng ...................................... 64 Hình 3.14. Thay đổi phát thải CO khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng ................... 65 Hình 3.15. Thay đổi phát thải HC khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng ................... 65 Hình 3.16. Thay đổi phát thải NOx khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng ................. 65 Hình 3.17. Mức độ thay đổi công suất động cơ so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda ..... 66 Hình 3.18. Mức độ tăng suất tiêu thụ nhiên liệu so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda .... 66 Hình 3.19. Mức độ thay đổi các thành phần phát thải so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda .................................................................................................................................................... 68 Hình 3.20. Tỷ lệ lượng nhiên liệu cần bổ sung để công suất động cơ không đổi ............................ 70 Hình 4.1. Màng cao su của bơm tăng tốc phụ của bộ chế hòa khí trước và sau ngâm..................... 83 Hình 4.2. Các chi tiết của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm 2000h .................................... 84 Hình 4.3. Hình ảnh chụp bảng mạch báo mức xăng của bơm xăng điện tử .................................... 84 Hình 4.4. Lưới lọc thô của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm trong xăng RON92 và E10 ... 84 Hình 4.5. Hình ảnh giắc cắm bơm xăng tử trước và sau khi ngâm ................................................. 85 Hình 4.6. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết gioăng làm kín bơm xăng so với 0h ............................... 86 Hình 4.7. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết màng cao su tăng tốc phụ so với 0h ............................... 86 Hình 4.8. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h ............................... 86 Hình 4.9. Đồ thị khối lượng giảm chi tiết quả phao chế hòa khí so với 0h ..................................... 86 Hình 4.10. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết lọc tinh bơm xăng điện so với 0h ................................. 86 -x- Hình 4.11. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết bộ báo mức nhiên liệu bơm xăng điện so với 0h.......... 87 Hình 4.12. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h ............................. 87 Hình 4.13. Ô tô thử nghiệm .......................................................................................................... 90 Hình 4.14. Hình ảnh hai xe máy tham gia chạy thử nghiệm .......................................................... 91 Hình 4.15. Tổng hợp sự thay đổi kích thước trung bình của piston và xilanh xe máy trước và sau chạy bền ...................................................................................................................................... 93 Hình 4.16. Công suất xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền ................................ 95 Hình 4.17. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền ............ 96 Hình 4.18. Phát thải HC và NOx của xe máy trước và sau chạy bền .............................................. 97 Hình 4.19. Phát thải CO và CO2 của xe máy trước và sau chạy bền .............................................. 97 Hình 4.20. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số IV so với RON92 ....................... 100 Hình 4.21. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số V so với RON92 ........................ 100 Hình 4.22. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xe Lanos ........................................................... 100 Hình 4.23. Thời gian tăng tốc 20 km/h đến 80 km/h đối với xe Lanos......................................... 102 Hình 4.24. Tỷ lệ cải thiện công suất động cơ xe Corrola sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 .................................................................................................................................................. 103 Hình 4.25. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola tại tay số IV......................................................... 104 Hình 4.26. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola tại tay số V .......................................................... 104 Hình 4.27. Thời gian tăng tốc 20 km/h đến 80 km/h đối với xe Corolla ...................................... 105 Hình 4.28. Thay đổi kích thước xilanh trước và sau chạy bền tại vị trí của xéc măng hơi thứ nhất .................................................................................................................................................. 105 Hình 4.29. Thay đổi kích thước phần dẫn hướng piston trước và sau chạy bền ............................ 105 Hình 4.30. So sánh lượng mòn trung bình trước và sau chạy bền của chi tiết xilanh và piston ..... 106 Hình 4.31. So sánh lượng mòn trung bình trước và sau chạy bền của các cổ biên ........................ 106 Hình 4.32. Mômen và công suất động cơ chạy RON92 trước chạy bền và sau chạy bền .............. 107 Hình 4.33. Suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ chạy RON92 trước chạy bền và sau chạy bền .......... 107 Hình 4.34. Mômen và công suất động cơ chạy nhiên liệu E10 trước chạy bền và sau chạy bền .. 107 Hình 4.35. Suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ chạy E10 trước chạy bền và sau chạy bền ................ 107 Hình 4.36. Áp suất nén động cơ chạy nhiên liệu xăng RON92 và E10 trước và sau chạy bền ...... 107 -xi- MỞ ĐẦU Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự báo của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa. Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường, hệ sinh thái và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống. Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết. Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều…Năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm. Nhiên liệu sinh học cho động cơ nói chung và phương tiện giao thông nói riêng đang nhận được sự quan tâm lớn của thế giới. Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường. Mặt khác nhiên liệu sinh học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho người dân ở vùng sâu, vùng xa. Một khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trường có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lượng xanh, năng lượng có phát thải cácbon thấp nhận được sự ưu tiên phát triển. Trong các loại nhiên liệu sinh học thì etanol là loại nhiên liệu có tiềm năng lớn ở Việt Nam nhờ nguồn nguyên liệu phong phú và sự tham gia mạnh mẽ của nhiều thành phần kinh tế vào quá trình sản xuất. Nguyên liệu để sản xuất etanol rất phong phú có thể kể đến như nguồn nguyên liệu từ các sản phẩm nông nghiệp là ngô, khoai, sắn, mía... Ngoài ra nguồn nguyên liệu sản xuất etanol còn có thể được tận dụng từ rác thải, phế phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, bã mía, cỏ khô hay phế phẩm lâm nghiệp như củi, rễ, cành cây, lá khô... đây là những nguồn nguyên liệu dồi dào không liên quan đến lương thực trong khi giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất. Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương đúng đắn thể hiện qua Đề án Phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025. Chủ trương này thể hiện sự tham vọng của chính phủ và cũng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học. Etanol sinh học ở Việt Nam hiện đang được các doanh nghiệp đầu tư phát triển mạnh mẽ. Nhà máy sản xuất etanol Đồng Xanh, Đại Lộc, Quảng Nam với công suất 130 triệu lít/năm, đưa vào hoạt động vào cuối năm 2010 và 5 nhà máy đã đi vào hoạt động khác với tổng công suất thiết kế cả nước hiện nay vào khoảng 535 triệu lít/năm. Xăng sinh học E5 đã chính thức được giới thiệu trên thị trường từ năm 2010 sau khi các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học E5 (hỗn hợp của 5% etanol biến tính với 95% xăng) cho phương tiện đã -1- được thực hiện khá hoàn chỉnh, tuy nhiên do tác động của nhiều yếu tố khách quan và chủ quan, tốc độ phát triển các điểm bán xăng sinh học E5 cũng như sản lượng E5 tiêu thụ còn rất khiêm tốn. Một trong những nguyên nhân chính của vấn đề này đó là chính sách khuyến khích sản xuất, sử dụng thiếu đồng bộ và đặc biệt là lo ngại của người sử dụng về những ảnh hưởng không mong muốn của xăng sinh học đến phương tiện. Mặc dù vậy, lộ trình sử dụng đại trà xăng sinh học E5 và tiến tới xăng sinh học E10 đã được Chính phủ phê duyệt trong Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012. Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5% cho các phương tiện đang lưu hành trên thị trường có ý nghĩa khoa học và thiết thực trong việc đón trước lộ trình sử dụng thí điểm và đại trà xăng sinh học, đặc biệt là xăng E10 trên thị trường. Đề tài “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động cơ xăng” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên của thực tiễn. i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài *) Mục đích nghiên cứu Mục đích tổng thể của luận án là đưa ra được các định hướng về mặt kỹ thuật nhằm đảm bảo tính tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha etanol E100 cao trên 5% như 10% (E10), 15% (E15), 20% (E20) và 85% (E85). Cụ thể, luận án hướng tới xây dựng phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha trên 5% etanol E100 và đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ xăng truyền thống; đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền, tuổi thọ của động cơ; đưa ra định hướng về mặt kỹ thuật, đề xuất giải pháp cải tiến và điều chỉnh động cơ; và đưa ra khuyến cáo cần thiết khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5% cho động cơ xăng truyền thống. *) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu về lý thuyết liên quan đến đặc tính của động cơ xe máy và ô tô khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học E10, E15, E20 và E85 trên phần mềm mô phỏng một chiều nhiệt động học và chu trình công tác của động cơ. Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các loại nhiên liệu RON92, E10, E15 và E20. Riêng nghiên cứu đánh giá đối chứng về độ bền và tuổi thọ của động cơ được thực hiện với nhiên liệu RON92 và E10. Đối với ô tô gồm 02 xe: 01 xe sử dụng động cơ phun xăng điện tử đại diện cho thế hệ ô tô gần đây và 01 xe có động cơ sử dụng bộ chế hòa khí đại diện cho ô tô thế hệ cũ. Ngoài ra còn có 02 động cơ ô tô dùng chế hòa khí phục vụ cho mục đích thử nghiệm bền trên băng thử. Trong đó 01 động cơ chạy RON92, 01 động cơ chạy E10. Đối với xe máy là 02 xe có động cơ sử dụng bộ chế hòa khí: 01 xe chạy nhiên liệu xăng RON92 và 01 xe sử dụng nhiên liệu E10. Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. -2- ii. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống. Kết hợp giữa lý thuyết thông qua tổng hợp các nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học trên thế giới, và tập hợp, kế thừa các kết quả trước đây của các đề tài liên quan và tính toán lý thuyết trên các phần mềm mô phỏng hiện đại về động cơ đốt trong với thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá. Tăng cường trao đổi và tiếp thu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện phương pháp nghiên cứu, cũng như mở rộng hợp tác với các tổ chức trong nước để thực hiện tốt việc nghiên cứu và triển khai thử nghiệm. Tính tương thích trong sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng truyền thống được thể hiện thông qua những nghiên cứu quy mô về tác động của xăng sinh học đến vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu, các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, cũng như độ bền và tuổi thọ của động cơ. Giải pháp tương thích hóa động cơ với xăng sinh học ở các tỷ lệ khác nhau cũng được đưa ra nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam. Luận án sử dụng các phương pháp và kỹ thuật sau đây: - Ngâm các chi tiết của hệ thống cung cấp nhiên liệu trong xăng truyền thống và xăng sinh học ở các tỷ lệ khác nhau trong môi trường kín, ổn định nhiệt độ bằng tủ sấy theo tiêu chuẩn của Hội kỹ sư ô tô thế giới SAE J1747 và SAE J1748. Các chỉ tiêu đánh giá so sánh bao gồm: ngoại quan, kích thước, trọng lượng, chụp ảnh hiển vi điện tử bề mặt, phân tích nhiên liệu trước và sau ngâm. Kết quả nghiên cứu tương thích vật liệu có ý nghĩa trong việc khuyến cáo điều chỉnh vật liệu (nếu cần) của một số chi tiết khi động cơ sử dụng xăng sinh học, - Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng hiện đại và thử nghiệm đối chứng trên băng thử xe máy và ô tô nhằm đánh giá tác động của xăng sinh học đến đặc tính cháy, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải, khả năng tăng tốc, khởi động lạnh của động cơ, - Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ bền, tuổi thọ của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E10 nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học E10 một cách đại trà ở Việt Nam. Thời gian chạy bền đối với các động cơ ô tô là 300 giờ. Các chỉ tiêu đánh giá độ bền, tuổi thọ bao gồm: độ mòn các chi tiết, tính chất dầu bôi trơn, công suất, tiêu thụ nhiên liệu, áp suất nén và phát thải. iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn *) Ý nghĩa khoa học: Luận án đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu xăng sinh học E10, E15, E20 và E85 trong động cơ xăng xe máy và ô tô thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm AVL Boost. Từ các mô hình mô phỏng này, ảnh hưởng của nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ etanol khác nhau đến các đặc tính cháy, các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ được khảo sát và đánh giá để làm cơ sở cho việc đánh giá các kết quả thực nghiệm trên động cơ thực và kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành của động cơ một cách phù hợp khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học. -3- Luận án cũng đã xây dựng thành công các quy trình đánh giá tương thích của động cơ xăng đối với nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ etanol bất kỳ, bao gồm quy trình đánh giá tương thích vật liệu, quy trình đánh giá đối chứng tính năng và quy trình chạy bền động cơ. Các quy trình này được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành cũng như hệ thống thiết bị đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam. *) Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã đánh giá được tương thích vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xe máy và ô tô với các loại xăng sinh học E10, E15 và E20, qua đó khuyến cáo các loại vật liệu thay thế nhằm đảm bảo khả năng làm việc của các chi tiết trước một số thuộc tính không có lợi của xăng sinh học dẫn tới hiện tượng ăn mòn, rỉ sét ở vật liệu kim loại, trương nở ở vật liệu phi kim. Ảnh hưởng của xăng sinh học E10, E15 và E20 tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng xe máy và ô tô đã được đánh giá. Ngoài ra, độ bền và tuổi thọ của động cơ xăng xe máy vận hành ổn định trong 200 giờ trên bằng thử và 5500km vận hành trên đường (tương đương với 20.000km vận hành trên đường), và động cơ ô tô vận hành ổn định trên băng thử trong 300 giờ cũng đã được đánh giá. Từ đó, đưa ra các nhận định cũng như giải pháp kỹ thuật đối với động cơ nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 cao hơn 5% trên động cơ xăng xe máy và ô tô. Luận án góp phần tư vấn cho các cơ quan chức năng trong việc thực hiện mục tiêu của lộ trình sử dụng xăng sinh học E10 theo quyết định 53/2012/QĐ-TTg của Thủ Tướng Chính phủ và cung cấp kiến thức, cũng như tư vấn cho người sử dụng phương tiện trong việc sử dụng, vận hành đúng cách phương tiện nhằm tận dụng được tối đa ưu điểm và hạn chế ảnh hưởng trái chiều của xăng sinh học đến phương tiện và môi trường. Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau:  Mở đầu  Chương 1. Tổng quan  Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán và phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học  Chương 3. Tính toán mô phỏng động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn  Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm  Kết luận chung và phương hướng phát triển -4- CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [1]. NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Metanol, Etanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau: Ưu điểm: - Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống, Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…). Nhược điểm: - - - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọa tới an ninh lương thực, Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được, Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose – có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao, NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ bị biến tính phân hủy theo thời gian). Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ: - - NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ động vật, dầu thực vật,… NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose. Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa, -5- - NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 15 -300 lần để sản xuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 - 2 lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 - 10 ngày tùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể.Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch. Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể tên như sau: - Bioetanol [13] Biodiesel [13] Methane (biogas) [2,13] Biohydrogen [13, 15, 16, 17] Dimethyl ether (DME) [13] Trong đó bio-etanol (gọi tắt là etanol) được sản xuất và sử dụng rỗng rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc. Etanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy etanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng etanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp. Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng etanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới. Etanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như ngô, khoai tây, củ cải đường... Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu để chế tạo ra cồn etanol. Ở Brazil thì etanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì etanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm. Ngoài ra etanol còn có thể được sản xuất từ gỗ. Etanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường etanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Là đối tượng nghiên cứu của luận án nên các tính chất của etanol cũng như tác động của etanol đến động cơ sẽ được trình bày tỉ mỉ trong các phần sau. 1.2. Nhiên liệu etanol và xăng sinh học 1.2.1. Nhiên liệu etanol 1.2.1.1. Tính chất vật lý của etanol Etanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan vô hạn trong nước. Sở dĩ etanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có -6- cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước. Một số tính chất vật lý thể hiện trên Bảng 1.1 Bảng 1.1. Tính chất của etanol [1] TT Tính chất 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Công thức phân tử Phân tử gam Cảm quan Tỷ trọng Độ nhớt Độ tan trong nước Số UN Nhiệt độ sôi Nhiệt độ tan Điểm tới hạn pH Cp Tác động cấp tính 14 15 16 Tác động kinh niên Nhiệt độ tự cháy Mật độ giới hạn nổ Giá trị C2H5OH hay C2H6O 46,07 g/mol Chất lỏng trong suốt dễ cháy 0,789 1,2 cP ở 20oC Tan hoàn toàn 1170 78,4oC (351,6K) 158,8 K (-114,3oC; -173,83oF) 514 K (241oC; 465,53oF) ở P = 63 bar 7,0 (trung tính) 65,21 J/mol.K Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, ngừng thở trong trường hợp nặng Nghiện, xơ gan 425oC (797oF) 3,5 ÷ 15% Ở Việt Nam, etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì được quy định trong quy chuẩn Việt Nam QCVN 1: 2009/BKHCN [3] thể hiện ở Bảng 1.2. Bảng 1.2. Quy chuẩn về etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì [3] Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử 1. Hàm lượng etanol, % thể tích, không nhỏ hơn 92,1 TCVN 7864 (ASTM D 5501) 2. Hàm lượng metanol, % thể tích, không lớn hơn 0,5 TCVN 7894 (EN 14110) 3. Hàm lượng nước, % thể tích, không lớn hơn 1,0 TCVN 7893 (ASTM E 1064) 0,007 TCVN 7892 (ASTM D 1613) 40 TCVN 7716 (ASTM D 4806) 4. Độ axit (tính theo axit axetic CH3COOH), % khối lượng, không lớn hơn 5. Hàm lượng clorua vô cơ, mg/kg, không lớn hơn 1.2.1.2. Công nghệ sản xuất etanol a) Phương pháp hydrat hóa etylen Cho etylen hợp nước ở 3000C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit: CH2 = CH2 + H2O → CH3 - CH2-OH Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất có độ xốp cao như diatomit hay than củi. Chất xúc tác này được công ty Shell sử dụng để sản xuất etanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. -7- Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành etanol và tái tạo lại axit: CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3-CH2OSO3H CH3-CH2OSO3H + H2O → CH3-CH2-OH + H2SO4 Etanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại như: metanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê. Etanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 – 1987 [1]. b) Công nghệ lên men sản xuất etanol Etanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.1). Tinh bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân hủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men. Hạt ngũ cốc được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân bằng enzym (ví dụ amylaza) để tạo đường. Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men ancol. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất để tạo etanol nguyên chất (có thể đạt mức etanol tuyệt đối- etanol khan). Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường c) Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ nguyên liệu xenluloza Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ xenluloza thể hiện qua quy trình xử lý thủy phân xenluloza trong đó bao gồm thủy phân nguyên liệu licnoxenluloza tiền xử lý, sử dụng các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp để tạo thành đường đơn giản và tiếp theo là quá trình lên men và chưng cất. Có 6 giai đoạn để sản xuất etanol từ xenluloza (Hình 1.2): - Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc rơm rạ để thủy phân, -8- - Thủy phân xenluloza (cellulolysis), để bẻ gãy các phân tử để tạo đường, Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (phức polyme thơm), Lên men đường, Chưng cất để tạo ra etanol nguyên chất, Khử nước để tạo ra etanol khan với nồng độ lên đến 99,7%. Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza Quá trình sản xuất etanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men. Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40 - 60% xenluloza và 20 - 40% hemixenluloza, có cấu trúc tinh thể bền. Hemixenluloza chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo. Nói chung hỗn hợp xenluloza khó hòa tan trong nước. Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác [4]. d) Các phương pháp làm khan etanol Thông thường etanol sản xuất theo các phương pháp nêu trên thường có nồng độ ≤ 96% vì vậy để tạo ra etanol có nồng độ lớn hơn 99% thì chúng ta phải sử dụng các biện pháp loại nước, hay còn gọi là làm khan. Các phương pháp làm khan: - - Làm khan bằng các chất hút nước: Có thể dùng các chất hút nước như: Clorua canxi khan, vôi … Tuy nhiên biện pháp này ít hiệu quả, Chưng cất phân đoạn: Đó là phương pháp cho thêm một cấu tử vào hỗn hợp để phá vỡ điểm sôi. Cấu tử thêm là benzen và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và etanol nhằm loại bỏ etanol ra khỏi nước và điểm sôi hỗn hợp cấp 2 với etanol để loại bỏ phần lớn benzen. Phương pháp này có thể tạo ra etanol có độ khan rất cao tuy nhiên vẫn còn một lượng nhỏ benzen còn lại trong etanol gây độc hại. Do vậy phương này chỉ ứng dụng để tạo etanol làm nhiên liệu (ví dụ như pha vào xăng) mà không được sử dụng cho thực phẩm, Sử dụng rây phân tử: Rây phân tử là vật liệu xốp, sử dụng để hấp thụ chọn lọc nước từ dung dịch 96% etanol. Có thể sử dụng zeolit dạng viên hoặc bột yến mạch tuy nhiên -9-