Tài liệu Nghiên cứu xác định góc phun sớm tối ưu cho động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ethanol diesel

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ PHƯỢNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH GÓC PHUN SỚM TỐI ƯU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU ETHANOL - DIESEL LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng, Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ PHƯỢNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH GÓC PHUN SỚM TỐI ƯU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU ETHANOL - DIESEL Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 60.520.116 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. DƯƠNG 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 Nguyễn Thị Phượng NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH GÓC PHUN SỚM TỐI ƯU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU ETHANOL-DIESEL Học viên: Nguyễn Thị Phượng Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 60.52.01.16 Khóa: K30, Trường 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 của tỷ lệ phối trộn Ethanoldiesel đến mức độ phát thải ô nhiễm 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 phát thải của động cơ EV2600 dùng nhiên liệu diesel DO0,05S pha thêm 3%, 5% và 7% ethanol. Động cơ được thử nghiệm trên băng thử công suất Froude. Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiên liệu sinh học Ethanol- diesel có tính ổn định tốt, Ethanol gần như hòa tan hoàn toàn gần vào dầu diesel với hàm lương pha đến 7% thể tích. Nghiên cứu lý thuyết là nền tảng khoa học, định hướng tốt cho việc tiến hành thí nghiệm không vấp phải sai lầm, ít tốn thời gian và chi phí. Khi không thay đổi góc phun sớm hoặc thay đổi với một góc nhỏ (thay đổi 01 tấm đệm 0,1 [mm] ứng với +/- 1,5 độ) thì tính kinh tế kỹ thuật gần như không thay đổi; Tuy vậy, so với dầu diesel, khí xả CO2 và NOx đều có xu hướng giảm từ 2% đến 11%. Khi thay đổi góc phun sớm từ 3,0 độ trở lên (tương ứng 02 tấm đệm 0,1[mm] trở lên) thì tính kinh tế kỹ thuật đều giảm; Các chất khí xả NOx và CO2 do vậy cũng giảm mạnh do quá trình cháy diễn ra kém STUDY EARLY DETERMINATION OF CORNER INJECTION DIESEL ENGINE OPTIMIZATION FOR MIXED USE ETHANOL-DIESEL FUEL Abstract – 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 of the effect of the rate of blending of Ethanoldiesel to the level of pollutant emissions of diesel engines should be evaluated experimentally. The results of this master thesis show an improvement in the emission levels of EV2600 diesel DO0.05S diesel fuel by 3%, 5% and 7% ethanol. The engine was tested on the Froude test strip. Test results show Ethanol-diesel biofuels are very stable, and Ethanol is almost completely soluble in diesel oil with up to 7% wages. Theoretical research is a good foundation for conducting experiments without mistakes, less time and money. When the angle of injection is not changed or changed with a small angle (change 01 pad 0.1 [mm] +/- 1.5 degrees), the technical economics almost unchanged; However, compared to diesel, CO2 and NOx emissions tend to decrease from 2% to 11%. When the angle of injection is increased from 3.0 degrees or more (02 pads 0.1 [mm] or more), the technical economics are reduced; NOx and CO2 emissions are also significantly reduced due to poor combustion MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 4 1.1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC ................................... 4 1.1.1. Giới thiệu chung ............................................................................... 4 1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học .............................................................. 5 1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM .............................................................................. 8 1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới .......................... 8 1.2.2. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam ........................... 10 1.3. SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ETHANOL SINH HỌC TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ...................................................................................... 12 1.4. KẾT LUẬN .......................................................................................... 14 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................... 15 2.1. TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU SINH HỌC SỬ DỤNG TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ......................................................................... 15 2.1.1. Giới thiệu về Ethanol sinh học ....................................................... 15 2.1.2. Một số tính chất lý hóa của Ethanol ............................................... 17 2.2 QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL .............................. 19 2.2.1 Diễn biến quá trình cháy của động cơ Diesel. ................................. 19 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy. ...................................... 23 2.3. ĐIỀU CHỈNH GÓC PHUN SỚM CHO ĐỘNG CƠ DIESEL ....... 27 2.3.1 Điều chỉnh góc phun sớm cho động cơ Diesel ................................ 27 2.3.2 Các phương pháp điều chỉnh góc phun sớm động cơ Diesel. ......... 28 2.3.3 Cách điều chỉnh góc phun sớm ở động cơ thí nghiệm EV2600 ...... 29 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ .......... 31 2.4.1. Đặc tính tốc độ (đặc tính ngoài và đặc tính bộ phận ) .................... 33 2.4.2. Đặc tính tải ...................................................................................... 42 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG ...................................................................... 45 Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................ 46 3.1. PHƯƠNG PHÁP PHỐI TRỘN HỖN HỢP VÀ KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MẪU NHIÊN LIỆU TRONG THỰC NGHIỆM ......................... 46 3.1.1. Phương pháp phối trộn hỗn hợp Diesel và Ethanol theo tỷ lệ 3%, 5%, 7%, thể tích ........................................................................................ 46 3.1.2 Kết quả phân tích mẫu nhiên liệu trong thực nghiệm...................... 47 3.2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................................... 47 3.2.1. Mục tiêu, yêu cầu thực nghiệm ....................................................... 47 3.2.2. Sơ đồ bố trí thực nghiệm ................................................................ 47 3.2.3. Các thiết bị phục vụ thực nghiệm ................................................... 50 3.2.4. Động cơ thí nghiệm ........................................................................ 56 3.2.5. Lắp đặt băng thử và động cơ........................................................... 57 3.2.6. Quy trình thực nghiệm .................................................................... 58 3.2.7. Kết quả thực nghiệm ....................................................................... 64 3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ...................................................................... 72 Chương 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................. 73 4.1. ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU PHỐI TRỘN DIESEL – ETHANOL ............................................................................... 73 4.2. XÁC ĐỊNH GÓC PHUN SỚM TỐI ƯU CỦA ĐỘNG CƠ THỰC NGHIỆM KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DOE5 .................................... 73 4.2.1 Công suất có ích (Ne) ....................................................................... 73 4.2.2 Mô men có ích (Me) ......................................................................... 77 4.2.3 Suất tiêu hao nhiên liệu (ge) ............................................................. 80 4.3. ĐÁNH GIÁ PHÁT THẢI Ô NHIỂM ................................................ 83 4.3.1 Nồng độ NOx ................................................................................... 83 4.3.2 Nồng độ CO2 ................................................................................... 86 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ...................................................................... 88 KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................... 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 91 PHỤ LỤC 1 ..................................................................................................... 94 PHỤ LỤC 2 ..................................................................................................... 95 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 pk [N/m2] Áp suất khí nạp pi [N/m2] Áp suất chỉ thị trung bình pm [N/m2] Áp suất tổn thất cơ khí gct [kg/chu trình] Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình M [kmol/kg] Lượng thay đổi phân tử môi chất khi cháy M0 [kmol/kg] Số mol không khí M1 [kmol/kg] Số mol khí nạp mới M2 [kmol/kg] Số mol sản phẩm cháy  QH [kJ/kg] Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn n1 - Chỉ số nén đa biến m - Chỉ số giản nỡ nhiệt khí sót 2. Danh mục các ký hiệu Hy lạp : o - Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết  - Hệ số biến đổi phân tử thực tế Z - Hệ số biến đổi phân tử tại z z - Hệ số lợi dụng nhiệt tại z b - Hệ số lợi dụng nhiệt tại b  - Tỉ số tăng áp 1 - Hệ số nạp thêm 2 - Hệ số quét buồng cháy đ - Hệ số điền đầy đồ thị Θs - Góc phun sớm 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 ĐCT Điểm chết trên DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 1.1 Tổng sản lượng diezel sinh học ở một số nước trên thế giới 8 2.1 Yêu cầu kỹ thuật đối với Ethanol nhiên liệu biến tính 16 2.2 Kết quả thử nghiệm DOE5 và DOE7 18 2.3 Tổng hợp mối quan hệ giữa các lá đệm và góc phun sớm . 31 3.1 Đặc điểm kỹ thuật máy phân tích khí thải 53 3.2 Nội dung công việc thực hiện đo 54 3.3 Thông số động cơ. 56 3.4 Số liệu thí nghiệm khi động cơ sử dụng dầu diesel 64 3.5 Số liệu thí nghiệm khi động cơ sử dụng dầu DOE3 66 3.6 Số liệu thí nghiệm khi động cơ sử dụng dầu DOE5 67 3.7 Số liệu thí nghiệm khi động cơ sử dụng dầu DOE7 68 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang 2.1 Cấu trúc phân tử của Ethanol 17 2.2 Diễn biến quá trình cháy trong động cơ Diesel 20 2.3 Sơ đồ nguyên lý truyền động của bơm cao áp. 29 2.4 Bơm cao áp và các tấm đệm điều chỉnh góc phun sớm 30 2.5 Khuynh hướng biến thiên của v  v  v max theo tốc n n độ nn 34 2.6 Biến thiên % gct và a của động cơ diesel theo n đối với bơm Boschs 36 2.7 Biến thiên của ηm theo n của động cơ diesel 37 2.8 Biến thiên Pe và Me theo n của động cơ Diesel 38 2.9 Đặc tính tốc độ động cơ diesel 39 2.10 Đặc tính tốc độ động cơ Diesel 40 2.11 Xu hướng biến thiên của và ge theo n của động cơ diesel 42 2.12 Đặc tính tải của động cơ diesel 44 3.1 Mẫu nhiên liệu sinh học DO, DOE3, DOE5, DOE7 46 3.2 Sơ đồ bố trí chung hệ thống băng thử công suất Froude 49 3.3 Băng thử thủy lực Froude DPX3 50 3.4 Card NI-6009 51 3.5 Thiết bị AVL733S 51 3.6 Thiết bị đo khí xả KGENG 52 3.7 Thiết bị kiểm tra góc đánh lửa 56 3.8 Bố trí lắp đặt băng thử Froude và động cơEV2600NB 57 3.9a Màn hình theo dõi dữ liệu đo mô-men và tốc độ động cơ 60 3.9b Màn hình ghi nhận dữ liệu đo mô-men và tốc độ động cơ 61 Số hiệu Tên hình Trang 3.10 Màn hình hiển thị dữ liệu đo tiêu hao nhiên liệu động cơ. 62 3.11 Màn hình hiển thị dữ liệu đo các chất khí phát thải động cơ 63 3.12 Đặc tính thử nghiệm Me[Nm], Gh[kg/h] chạy dầu diesel DO ở các vị trí 10%, 30%, 50% và 70% theo đặc tính điều chỉnh của động cơ EV2600 71 3.13 Diễn biến công suất Ne[kW] và ge[g/kWh] theo phụ tải của động cơ chạy dầu diesel DO ở các vị trí 10%, 30%, 50% và 70% 71 3.14 Đặc tính thử nghiệm Me[Nm] và Ne[kW] chạy mẫu DOE5 ở các vị trí 10%, 30%, 50% và 70% theo đặc tính điều chỉnh của động cơ EV2600 72 4.1 Diễn biến công suất mẫu nhiên liệu DOE5 theo phụ tải tại vị trí 30% thanh răng khi thay đổi 05 góc phun sớm 74 4.2 Diễn biến công suất mẫu nhiên liệu DOE5 theo phụ tải tại vị trí 50% thanh răng khi thay đổi 05 góc phun sớm 75 4.3 Diễn biến công suất mẫu nhiên liệu DOE7 theo phụ tải tại vị trí 30% thanh răng khi thay đổi 05 góc phun sớm 76 4.4 Diễn biến mô men động cơ theo phụ tải (tính theo công suất) dùng nhiên liệu DOE5 tại vị trí 30% thanh răng ở 05 góc phun sớm khác nhau 78 4.5 Diễn biến mô men động cơ theo phụ tải (tính theo công suất) dùng nhiên liệu DOE5 tại vị trí 30% thanh răng ở 05 góc phun sớm khác nhau 78 4.6 Diễn biến mô men động cơ theo phụ tải (tính theo công suất) dùng nhiên liệu DOE7 tại vị trí 30% thanh răng ở 05 góc phun sớm khác nhau 79 4.7 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo phụ tải của mẫu DOE5 tại vị trí 30% thanh răng ở 05 góc phun sớm khác nhau 80 4.8 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo phụ tải của mẫu DOE5 tại vị trí 50% thanh răng ở 05 góc 81 Số hiệu Tên hình Trang phun sớm khác nhau 4.9 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo phụ tải của mẫu DOE7 tại vị trí 30% thanh răng ở 05 góc phun sớm khác nhau 82 4.10 Diễn biến phát thải NOx của mẫu nhiên liệu DOE5 theo phụ tải ở vị trí thanh răng 30% khi thay đổi 05 góc phun sớm khác nhau và so với DO 83 4.11 Diễn biến phát thải NOx của mẫu nhiên liệu DOE5 theo phụ tải ở vị trí thanh răng 50% khi thay đổi 05 góc phun sớm khác nhau và so với DO 84 4.12 Diễn biến phát thải NOx của mẫu nhiên liệu DOE7 theo phụ tải ở vị trí thanh răng 30% khi thay đổi 05 góc phun sớm khác nhau. 85 4.13 Diễn biến phát thải CO2 của DOE5 theo phụ tải ở 30% vị trí thanh răng khi thay đổi 05 góc phun sớm khác nhau & so với dầu DO 86 4.14 Diễn biến phát thải CO2 của DOE5 theo phụ tải ở 50% vị trí thanh răng khi thay đổi 05 góc phun sớm khác nhau & so với dầu DO 87 4.15 Diễn biến phát thải CO2 của DOE7 theo phụ tải ở 30% vị trí thanh răng khi thay đổi 05 góc phun sớm khác nhau & so với dầu DO 87 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. Tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ đốt trong nói chung và ô tô nói riêng. Trong tình hình dầu mỏ đang cạn kiệt và sự biến đổi khí hậu trái đất đang trở nên ngày một nghiêm trọng đối với loài người thì vấn đề năng lượng và môi trường càng trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học cũng như các giới quản lý trên toàn 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 nhằm tìm kiếm nguồn năng lượng mới, nhiên liệu thay thế và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu. Để giải quyết vấn đề giảm thiểu ô nhiễm môi trường, trên thế giới hiện nay đã và đang sử dụng các loại nhiên liệu thay thế sạch như khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, khí thiên nhiên nén/hoặc lỏng (CNG/LNG). Ngoài ra, các loại nhiên liệu sinh học như Biogas, Biomass, Ethanol, Butanol… cũng đã và đang được quan tâm nghiên cứu bởi tính chất sạch, ít gây ô nhiễm môi trường; hơn nữa nhiên liệu sinh học được hình thành từ các chất hữu cơ động thực vật nên sản lượng lớn và phân bố hầu khắp trái đất. Do đó, đây là nguồn 2 nhiên liệu thay thế bổ sung phong phú, mang tính bền vững; góp phần đáng kể vào việc duy trì an ninh năng lượng trên toàn thế giới nói chung. Ngày nay, nhiên liệu Ethanol đã và đang được nghiên cứu để thay thế một phần vào nhiên liệu truyền thống xăng/dầu nhằm làm giảm mức độ ô nhiễm không khí cũng như ảnh hưởng sức khỏe con người. Tuy nhiên, khi pha trộn vào nhiên liệu xăng/dầu thì sẽ làm cho quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ truyền thống bị thay đổi. Do hỗn hợp ethanol-diesel làm giảm chỉ số cetan, làm tăng thời gian cháy trễ nên phải tăng góc phun sớm. Vì vậy, cần thiết phải điều chỉnh góc phun sớm cho động cơ sử dụng nhiên liệu Diesel pha Ethanol. Với những lý do đó đề tài “Nghiên cứu xác định góc phun sớm tối ưu cho động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ethanol - diesel ” có tính cấp thiết. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: Nghiên cứu xác định góc phun sớm tối ưu cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu Diesel pha Ethanol với các tỷ lệ khác nhau để nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ Diesel một xylanh EV2600 với các tỷ lệ 3%, 5%, 7%. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu chỉ giới hạn đến vấn đề hiệu chỉnh góc phun sớm trong thực nghiệm đối với các mẫu nhiên liệu liệu Diesel pha Ethanol với các tỷ lệ khác nhau. 3 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận văn sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, trong đó chú trọng nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của góc phun sớm đến tính năng kinh tế kỹ thuật cũng như vấn đề ô nhiễm đối với động cơ nhiệt sử dụng nhiên liệu diesel pha ethanol với các tỷ lệ khác nhau. 5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của đề tài luận văn: “Nghiên cứu xác định góc phun sớm tối ưu cho động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ethanol - diesel”được trình bày trong 04 chương, chứa các nội dung tóm tắt với cấu trúc như sau Chương 1 – Tổng quan các vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng, tác hại của ô nhiễm môi trường do nhiên liệu hóa thạch, tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học trong và ngoài nước. Kết luận chương. Chương 2 – Cơ sở lý thuyết:phân tích tính chất nhiên liệu, diễn biến quá trình cháy của động cơ diesel, các thông số ảnh hưởng đến góc phun sớm, điều khiển phun sớm cho động cơ diesel. Kết luận chương. Chương 3 – Nghiên cứu thực nghiệm: giới thiệu trang thiết bị thí nghiệm, nghiên cứu thí nghiệm chạy nhiên liệu Diesel pha Ethanol với các tỷ lệ khác nhau và ứng với các góc phun sớm khác nhau trên băng thử công suất Froude, kết quả dữ liệu nhận được từ thí nghiệm. Kết luận chương. Chương 4 – Kết quả và bàn luận: phân tích đánh giá kết quả về ảnh hưởng của góc phun sớm đến tính năng kinh tế kỹ thuật và ô nhiễm môi trường đối với động cơ thí nghiệm sử dụng nhiên liệu diesel pha Ethanol với các tỷ lệ khác nhau. Kết luận chương. 4 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC 1.1.1. Giới thiệu chung Năng lượng có vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội. An ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôn gắn liền với an ninh năng lượng của một quốc gia. Vì vậy trong chính sách phát triển kinh tế, xã hội bền vững, chính sách năng lượng nên được đặt lên hàng đầu. Kể từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng 1970 đến nay, đặc biệt trong hơn thập niên đầu thế kỉ XXI, cấu trúc thị trường năng lượng thế giới có nhiều biến động lớn. Lịch sử giá cả năng lượng trên thị trường thế giới tăng liên tục. Cuộc khủng hoảng năm 70 thế kỉ trước, với giá dầu tăng từ 10 ÷ 11 USD/thùng lên 37 USD/thùng, năm 2005 ở mức 70 USD/thùng, năm 2006 gần 80 USD/thùng, năm 2007 dao động dưới mức 100 USD/thùng, nhưng đến tháng 7/2008, giá dầu lần đầu tiên đạt kỉ lục lịch sử với mức giá 150 USD/thùng. Theo Bộ Năng lượng Mỹ, nhu cầu dầu lửa thế giới đến năm 2025 tăng lên 35%, theo IEA, đến năm 2030 là 60% và nhu cầu dầu lửa thế giới sẽ tăng đến 116 triệu thùng/ngày so với 86 triệu thùng/ngày như hiện nay. Than đá và khí đốt cũng ở tình trạng tương tự [11] . Tuy nhiên, trong tương lai trữ lượng một số nguồn năng lượng có xu hướng giảm. Theo văn phòng Tổ chức kiểm soát năng lượng Anh (EWG), dưới lòng đất hiện còn khoảng 1.255 tỉ thùng dầu, đủ để cho con người sử dụng trong 42 năm. Với tốc độ khai thác như hiện nay, thế giới chỉ sản xuất được 39 triệu thùng/ngày vào năm 2030, so với 81 triệu thùng/ngày như hiện nay và trong vòng 50 ÷ 60 năm nữa, nguồn dầu lửa dưới lòng đất sẽ hoàn toàn cạn kiệt. Còn theo IEA, đến năm 2030, thế giới chỉ được cung cấp chưa đến 5 1/3 nhu cầu dầu lửa, trữ lượng than đá và khí đốt tự nhiên chỉ còn khoảng 909 tỉ tấn và sẽ cạn kiệt trong 155 năm nữa. Và hầu hết các khu vực chiến lược về năng lượng, nhất là dầu lửa (như Trung Đông, Trung Á, Mỹ Latinh, châu Phi, Biển Đông…) là mục tiêu tranh giành của các cường quốc và xu hướng bất ổn của nó. Sự kiện Mỹ phát động những cuộc chiến tranh những năm gần đây ở Trung Đông, mâu thuẫn Nga - Mỹ tại Trung Á, Nga - Châu Âu và sự bành trướng của Trung Quốc ở Biển Đông và các nước châu Phi [11] . Để đối phó với diễn biến phức tạp của giá xăng dầu gần đây và những bất ổn chính trị tại những nước sản xuất dầu mỏ, chúng ta cần tìm ra các nguồn năng lượng thay thế, ưu tiên hàng đầu cho các nguồn năng lượng tái sinh và thân thiện với môi trường. Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân), năng lượng sinh học đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, Do các lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so với xăng dầu . 1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học (NLSH) là những nhiên liệu có nguồn gốc từ các vật liệu sinh khối như củi, gỗ, rơm, trấu, phân và mỡ động vật... nhưng đây chỉ là những dạng nhiên liệu thô. NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm: Các loại cồn sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản xuất ra Gasohol (Methanol, Ethanol, Buthanol), các loại dầu sinh học để sản xuất diesel sinh học (dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Hay nói cách khác, NLSH là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học). Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực 6 vật (mỡ động vật, dầu dừa,...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...). Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá...): Tính chất thân thiện với môi trường: Chúng sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. Nguồn nhiên liệu tái sinh: Các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống. Tuy nhiên hiện nay vấn đề sử dụng NLSH vào đời sống còn nhiều hạn chế DO chưa hạ được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống. Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, NLSH có khả năng là nguồn thay thế. NLSH là khái niệm chung chỉ tất cả những dạng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học, bao gồm: Nhiên liệu lỏng: Bio-metanol, Bio-ethanol, Bio-butanol… Trong số các dạng NLSH này, Bio-ethanol là loại nhiên liệu thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như ngũ cốc, khoai tây, sắn…Có thông tin cho rằng xăng chứa ethanol có trị số octane cao hơn xăng thường nên động cơ mau nóng hơn, máy cũng mau hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su bị trương nở do ethanol. Cũng có ý kiến cho rằng bất lợi của Ethanol là tính hút ẩm của nó nên xăng pha ethanol có xu hướng hút ẩm làm cho gasohol bị nhiễm nước gây khó khởi động động cơ, làm rỉ sét kim loại, hư mòn chất nhựa (plastic), nên để sử dụng gasohol đòi hỏi phải thay đổi 7 vật liệu làm động cơ, phải bảo trì xe thường xuyên. Bồn chứa xăng pha ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn hơn xăng thường. Tuy nhiên, trong thực tế việc nhiệt độ động cơ cao hơn mức bình thường có nguyên nhân từ việc sử dụng xăng có trị số octane (RON) thấp hơn so với yêu cầu kỹ thuật của động cơ (tỷ số nén). Cả lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy khi pha thêm ethanol vào xăng thì trị số octane của xăng pha ethanol cao hơn xăng thường do vậy sẽ giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn . Ethanol hoặc xăng pha ethanol với hàm lượng cao cũng gây biến tính, làm hỏng các vật liệu cao su hoặc nhựa (plastic) thông thường. Tuy nhiên với xu thế hướng đến việc sử dụng các loại nhiên liệu thân thiện với môi trường, các nhà sản xuất xe đã có cải tiến vật liệu để phù hợp với nhiên liệu sinh học đặc biệt là xăng pha ethanol do tính ưu việt và phổ dụng của loại nhiên liệu này. Theo thống kê đã có 27 hãng xe trên thế giới khuyến cáo sản phẩm của mình tương thích với xăng pha ethanol có hàm lượng ethanol đến 10% thể tích (E10) . Tương tự các quốc giá khác như Thái lan, Philippines, tại Việt Nam, các loại xe máy sản xuất từ 1990 trở lại đây đều có thể sử dụng xăng pha ethanol đến 10% thể tích . Diesel sinh học (BioDiesel): Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este (transesterification). Các chất dầu trộn với sodium hydroxide và methanol (hay ethanol) tạo ra dầu diesel sinh học và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este. Khí sinh học (Biogas): Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí. 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 thuỷ 8 phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng. Khí H 2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ. Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas. Nhiên liệu sinh học rắn: Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đang phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ, và các loại phân thú khô. 1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.2.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng nhiên liệu sinh học ở các mức độ khác nhau . Nhiên liệu sinh học được dùng làm nhiên liệu bao gồm: dầu thực vật sạch, ethanol, diezel sinh học, dimetyl ether, ethy tertiary butyl ether và các sản phẩm từ chúng. Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít ethanol (75% dùng làm nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 lít, dự kiến năm 2012 là 80 tỷ lít, năm 2005 sản xuất 4 triệu tấn diezel sinh học, năm 2010 tăng lên khoảng trên 20 triệu tấn [10]. Sản lượng diezel sinh học ở một số nước đứng đầu trên thế giới được chỉ ra ở bảng 1.1. Bảng 1.1. Tổng sản lượng diezel sinh học ở một số nước trên thế giới Tổng sản lượng diezen sinh học hàng năm của 15 nước đứng đầu (2004-2006) (Triệu tấn gallon Mỹ) Tổng sản lượng diezen sinh học hàng năm của 15 nước đứng đầu (2007) (Triệu tấn gallon Mỹ)