Nghiên Cứu Nâng Cao Tỷ Lệ Nhiên Liệu Sinh Học BioEtanol 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-


-

zeolit có giá trị hơn do khả năng hấp phụ chọn lọc cao, lại tái sinh được. Số lần sử dụng
zeolit không hạn chế do có thể tái tạo bằng cách làm khô với luồng khí CO2nóng.
Etanol tinh khiết sản xuất theo phương pháp này sẽ không chứa benzen do vậy etanol
tinh khiết loại này có thể sử dụng trong thực phẩm, y học và mỹ phẩm,
Sử dụng chất phụ gia: Hiện nay có một xu hướng sử dụng etanol nồng độ thấp  92%
làm nhiên liệu. Đối với etanol dạng này yêu cầu phải có phụ gia có vai trò xúc tiến quá
trình hòa trộn giữa xăng và etanol đồng thời nó ngăn ngừa sự tách pha của nước trong
hỗn hợp cũng như ngăn cản quá trình hấp thụ hơi nước từ khí quyển trong quá trình
bảo quản sử dụng. Phụ gia thường dùng là các loại ancol có phân tử lớn như ancol
isopropylic, isobutyric.

1.2.2. Xăng sinh học

1.2.2.1. Tính chất lý hóa của xăng sinh học
Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng truyền thống và etanol theo một tỷ lệ nhất định.
Sau khi phối trộn, xăng sinh học có những thay đổi nhất định về tính chất so với xăng gốc,
ví dụ về tính chất một số loại xăng sinh học thể hiện ở Bảng 1.3.
Tỷ lệ phối trộn các loại nhiên liệu etanol – xăng (E0; E5; E10; E20; E30) ở đây E chỉ
etanol và số tiếp theo chỉ phần trăm etanol (E5 có nghĩa là 5% etanol được pha trộn với
95% xăng).
Bảng 1.3 cho thấy khi thay đổi tỷ lệ phối trộn etanol – xăng thì áp suất hơi bảo hòa
(RVP); trị số octan, nhiệt trị của nhiên liệu thay đổi. Khi tăng hàm lượng etanol thì áp suất
hơi bảo hòa (RVP) tăng, đạt giá trị lớn nhất ở E10 và sau đó giảm, trị số octan tăng, nhiệt
trị của nhiên liệu giảm vì nhiệt trị của etanol thấp hơn xăng.
Bảng 1.3. Tính chất lý hóa của xăng sinh học [18]
So sánh thuộc tính của xăng sinh học và xăng truyền thống
Đặc tính
Nhiên liệu
E0
0,7575

E5
0,7591

E10
0,7608

E20
0,7645

E30
0,7682

95,4

96,7

98,1

100,7

102,4

53,7

59,3

59,6

58,3

56,8

0,0061

0,0059

0,0055

0,0049

0,0045

0,2

0,2

0,2

0,6

0,2

18,8
< 0,0025

18,6
< 0,0025

17,4
< 0,025

15
< 0,0025

14,4
< 0,0025

Nhiệt độ chưng cất(0C)
IBP

35,5

36,5

39,5

36,7

39,5

10% thể tích

54,5

49,7

54,8

52,8

54,8

50% thể tích

94,4

88,0

72,4

70,3

72,4

90% thể tích

167,3

167,7

159,3

163

159,3

0

Trọng lượng riêng(kg/l ở 15,5 C)
Chỉ số octan(RON)
0

RVP(kPa ở 37,8 C)
Hàmlượng lưu huỳnh(wt%)
Hàm lượng chất keo rửa trôi
(mg/100ml)
Hàm lượng chất keo không rửa
trôi (mg/100ml)
Hàm lượng chì(g/l)

-10-

Điểm kết thúc

197,0

202,5

198,3

198,6

198,3

Nhiệt trị(cal/g)

10176

9692

9511

9316

8680

Cacbon (wt%)

86,60

87,70

86,7

87,6

86

Hydrogen (wt%)

13,30

12,20

13,90

12,3

13,9

1,7

1,5

1,5

1,5

1,5

vàng

vàng

vàng

vàng

vàng

Hàm lượng cặn (vol%)
Màu sắc

(RVP- Reid Vapor Pressure)- : Áp suất hơi bão hòa
1.2.2.2. Ảnh hưởng của tính chất xăng sinh học đến động cơ xăng
a) Độ bay hơi của xăng sinh học
Xăng có ẩn nhiệt hóa hơi là khoảng 465,4 KJ/kg; etanol là 839,67 KJ/kg. Trong động
cơ, sự bay hơi của hỗn hợp xăng/không khí dẫn tới sự giảm nhiệt độ vào khoảng 4,40C. Ở
cùng một điều kiện, do nhiệt ẩn hóa hơi của etanol lớn hơn 2 lần so với xăng, nên sự giảm
nhiệt độ đối với etanol lớn hơn hai lần so với xăng. Sự giảm nhiệt độ này dẫn tới một “mật
độ khối lượng” xăng sinh học vào động cơ lớn hơn so với xăng. Nhiệt ẩn hóa hơi của xăng
sinh học cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp, do đó nạp được nhiều hỗn hợp hơn
vào trong xy lanh của động cơ, kết hợp với nhiệt trị thể tích của hỗn hợp của etanol gần
bằng của xăng, cho nên công suất của động cơ dùng etanol có thể lớn hơn khi dùng xăng.
Điều này dẫn tới sự tăng hiệu quả về nhiên liệu của etanol so với xăng.
b) Ảnh hưởng của etanol lên độ bay hơi của nhiên liệu
Độ bay hơi của nhiên liệu thể hiện qua áp suất hơi Reid (RVP). RVP của etanol thấp
hơn RVP của xăng nhiều. Tuy nhiên, RVP của xăng sinh học không tuân theo quan hệ
tuyến tính với tỷ lệ etanol trong nhiên liệu. Hàm lượng etanol thấp trong xăng sẽ gây ra sự
tăng RVP. Áp suất hơi tăng đến giá trị
cực đại khi hàm lượng etanol trong

nhiên liệu khoảng 10% thể tích và bắt
đầu giảm khi tiếp tục tăng hàm lượng
etanol (Hình 1.3). Như vậy hỗn hợp
nhiên liệu có hàm lượng etanol lớn
hơn 10% sẽ có sự tăng nhẹ hơn về
RVP. Theo các nghiên cứu, khi thêm
etanol, xăng có áp suất hơi bản thân
thấp sẽ có độ tăng áp suất hơi cao hơn
Hình 1.3. Áp suất hơi bão hòa tại 37,80C
so với xăng có áp suất hơi cao.
c) Trị số Octan
Khi tỷ số nén trong một động cơ càng lớn có nghĩa là hiệu suất chu trình tăng lên và
hiệu quả đạt được lớn hơn, tuy nhiên khi tăng tỷ số nén cao có thể dẫn đến kích nổ. Etanol
có trị số octan tương đối cao và làm tăng đáng kể trị số octan của xăng thông thường sau
khi phối trộn với nhau. Hiệu quả của việc trộn này đạt giá trị cao nhất đối với chủng loại
xăng cấp thấp. Như vậy phối trộn etanol với xăng thông thường có thể loại bỏ việc sử dụng
-11-


các phụ gia chống kích nổ truyền thống
gây ô nhiễm như tetra etyl chì. Việc pha
10 - 15% etanol vào xăng không chì làm
tăng trị số octan đến giá trị cho phép có
thể được sử dụng để đốt trong động cơ tỷ
số nén cao mà trước đây không thể sử
dụng cho nhiên liệu xăng không chì
truyền thống. Việc sử dụng etanol không
phải là mới do etanol đã từng được sử
dụng làm phụ gia tăng trị số octan [19].

Hình 1.4. Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol

d) Hiệu ứng làm giảm tỷ lệ không khí/nhiên liệu (tỷ lệ A/F)
Xăng là hỗn hợp của các hydrocacbon chỉ chứa H và C, etanol chứa H, C và O. Tỷ lệ
A/F cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu để tạo thành CO2 và nước gọi là tỷ lệ hỗn
hợp công tác A/F lý tưởng (stoichiometric ratio). Với xăng, tỷ lệ này vào khoảng 14,7:1
(theo khối lượng). Với xăng sinh học, không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu
cần ít hơn do trong bản thân etanol đã có ôxy và do một số hydrocacbon được thay thế.
Lấy ví dụ, một nhiên liệu chứa 10% etanol chỉ yêu cầu A/F từ 14:1 đến 14,1:1.
e) Phân tách pha do sự có mặt của nước
Sự phân tách pha xảy ra khi hàm lượng nước trong xăng quá cao. Nước có tỷ trọng
lớn hơn xăng nên lắng xuống phía dưới khi phân tách. Do nhiên liệu thường được lấy ở
gần đáy thùng chứa, nên nước trong nhiên liệu sẽ ảnh hưởng tới động cơ tính năng kỹ thuật
động cơ và tăng cường quá trình ăn mòn, lão hóa các chi tiết. Các loại xăng thông thường
chỉ có thể hấp thụ một lượng nhỏ nước trước khi sự phân tách pha xảy ra. Nhiên liệu xăng
sinh học có thể hấp thụ một lượng nước lớn hơn. Nhiên liệu xăng sinh học thực tế có chức
năng làm khô thùng chứa nhờ sự hấp thụ nước đáng kể mà không xảy ra sự phân tách pha
do khả năng hoà tan của nước trong etanol cao và cho phép sử dụng trực tiếp trong động
cơ. Tuy nhiên nếu lượng nước quá cao, nước và phần lớn etanol sẽ phân tách và lắng
xuống phía dưới thùng nhiên liệu. Lượng nước có thể được hấp thụ trong nhiên liệu xăng
sinh học mà không xảy ra sự phân tách pha trong thay đổi từ 0,3 - 0,5% thể tích, tuỳ thuộc
vào nhiệt độ.
1.2.2.3. Ảnh hưởng của xăng sinh học đến môi trường
Động cơ sử dụng etanol giảm phát thải khí nhà kính, giảm được khí CO2 và khí độc
hại. Thêm vào đó, phát thải CO2 lại được cây hấp thụ lại để tái tạo etanol, như vậy coi như
không làm gia tăng khí CO2 trong khí quyển. Do etanol có chứa tới 34,7% khối lượng ôxy
nên xăng sinh học cũng chứa một tỷ lệ ôxy nhất định giúp cải thiện quá trình cháy, qua đó
phần lớn các phát thải độc hại trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng được
giảm. Xăng sinh học chứa ít lưu huỳnh và các hydrocacbon thơm nên giảm các sản phẩm
cháy có chứa lưu huỳnh trong khí thải, hạn chế sự hình thành mưa axit. Tuy nhiên do xăng

sinh học dễ bay hơi hơn xăng thông thường nên có xu hướng làm tăng phát thải HC do bay
hơi. Thêm vào đó, hàm lượng acetaldehyde trong khí thải động cơ sử dụng xăng sinh học
có thể tăng lên.
-12-


1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol
1.2.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol trên thế giới
Trong những năm vừa qua, ngành nhiên liệu sinh học trên thế giới đã có những bước
phát triển mãnh mẽ dựa trên 3 động lực chính là phát triển năng lượng tái tạo trước tình
trạng giá dầu tăng cao, hỗ trợ nông nghiệp qua việc gia tăng giá trị sản phẩm, và bảo vệ
môi trường. Tổ chức Năng lượng Quốc tế IEA kêu gọi từ nay đến năm 2020 cần tăng gấp
đôi sản lượng NLSH nhằm góp phần giảm 20C nhiệt độ trái đất.
Chính phủ nhiều nước trên thế giới đã hỗ trợ ngành NLSH phát triển thông qua các
chính sách bắt buộc pha trộn NLSH vào nhiên liệu truyền thống và các chỉ tiêu về tỷ lệ
năng lượng tái tạo trong nền kinh tế. Trong ngành NLSH trên thế giới, etanol phát triển
mạnh nhất. Xét về giá trị kinh tế, ngành sản xuất etanol đến nay đã tạo được hơn 1,4 triệu
việc làm và đóng góp giá trị gia tăng hơn 277,3 tỷ USD cho kinh tế thế giới.
Về tốc độ phát triển, các thống kê khác nhau cho thấy, sản lượng etanol đến năm 2012
đã đạt xấp xỉ 115 tỷ lít, tăng gần gấp đôi trong vòng 5 năm qua. Trong đó, Mỹ, Braxin và
EU chiếm 87% sản lượng toàn cầu. OECD và FAO cũng đưa ra dự báo, đến năm 2021 sản
lượng etanol toàn cầu sẽ tăng lên đến 180 tỷ lít.

Hình 1.5. Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017

Việc nghiên cứu, phát triển sản xuất và sử dụng NLSH thu hút sự quan tâm rất lớn của
các quốc gia trên thế giới do các lợi ích của loại nhiên liệu này đối với an ninh năng lượng,
môi trường và xã hội. Với các lợi ích thiết thực như vậy, nhiều quốc gia trên thế giới đã
xây dựng và ban hành các chiến lược, chương trình, chính sách thúc đẩy phát triển sản xuất
và sử dụng NLSH theo hướng bền vững, trên cơ sở đảm bảo an ninh năng lượng, an ninh

lương thực, bảo vệ môi trường và giải quyết các vấn đề xã hội.
a) Brazil
Nước này có diện tích canh tác trồng mía cho sản xuất etanol lên đến gần 8 triệu ha.
450 nhà máy đường ở Brazil hầu hết đều sản xuất etanol. Ngành công nghiệp etanol ở
Brazil nhận được nguồn tài chính khổng lồ và những chính sách công phù hợp, ưu đãi
-13-