Nghiên cứu cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ô tô bằng phương pháp sử dụng phụ gia nhiên liệu

PHẠM VĂN TRỌNG

/m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN
PhạmVĂN
Văn

Trọng

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HV. Nguyễn Văn Nhu

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT
CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHỤ
GIA NHIÊN LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

KHÓA – 2013B

1

Hà Nội - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Phạm Văn Trọng

NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT
CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ BẰNG PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHỤ
GIA NHIÊN LIỆU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. HOÀNG ĐÌNH LONG

2

Hà Nội – Năm 2015


MỤC LỤC

Lời cam đoan ............................................................................................................... 3
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt....................................................................... 6
Danh mục các bảng ..................................................................................................... 8
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ...................................................................................... 9
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 11
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................... 13
1.1 Động cơ đốt trong và vấn đề sử dụng nhiên liệu hóa thạch .......................13
1.1.1 Sự gia tăng nhanh về số lƣợng phƣơng tiện ............................................13
1.1.2 Sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch .......................................................15
1.1.3 Phát thải và vấn đề ô nhiễm môi trƣờng..................................................16
1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải .........................19
1.2.1 Tối ƣu hóa kết cấu ...................................................................................19
1.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng xử lý khí thải..........................................20
1.2.3 Sử dụng nhiên liệu thay thế ....................................................................21
1.2.4 Sử dụng phụ gia nhiên liệu ......................................................................24
1.3 Kết luận chƣơng 1 ......................................................................................24
CHƢƠNG 2: PHỤ GIA NHIÊN LIỆU..................................................................... 26
2.1 Mục đích của việc sử dụng phụ gia nhiên liệu ...........................................26
2.2 Các loại phụ gia nhiên liệu .........................................................................26
2.2.1 Phụ gia bảo quản .....................................................................................26
2.2.2 Phụ gia chống kích nổ .............................................................................27
2.2.3 Phụ gia cải thiện hiệu suất và phát thải của động cơ ...............................30
2.4 Phụ gia Maz- Nitro .....................................................................................33
2.4.1 Giới thiệu về phụ gia Maz- Nitro ............................................................33
2.4.2 Kết quả nghiên cứu ở một số nƣớc về hiệu quả của phụ gia Maz-Nitro .35
2.5 Kết luận chƣơng 2 ......................................................................................43
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ PHỤ GIA
MAZ- NITRO ........................................................................................................... 44
3

3.1 Mục đích và đối tƣợng nghiên cứu .............................................................44
3.1.1 Mục đích nghiên cứu ...............................................................................44
3.1.2 Đối tƣợng nghiên cứu ..............................................................................44
3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu và nội dung thực nghiệm ...................................44
3.2.1. Trang thiết bị thử nghiệm và nhiên liệu thử nghiệm ..............................44
3.2.2 Nghiên cứu tƣơng thích của phụ gia với hệ thống nhiên liệu .................50
3.2.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng của phụ gia đến tiêu hao nhiên liệu ...................50
3.2.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng của phụ gia đến phát thải ...................................57
3.2.5 Nghiên cứu ảnh hƣởng của phụ gia đến mài mòn ...................................59
3.3 Kết quả nghiên cứu .....................................................................................66
3.3.1 Tính tƣơng thích của phụ gia Maz- Nitro với hệ thống nhiên liệu..........66
3.3.2 Ảnh hƣởng của phụ gia Maz- Nitro đến phát thải ...................................66
3.3.3 Ảnh hƣởng của phụ gia Maz- Nitro đến tiêu hao nhiên liệu ...................68
3.3.4 Ảnh hƣởng của phụ gia Maz-Nitro đến độ mòn các chi tiết ...................72
3.4 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................75
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ........................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 79
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 80
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 81

4


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Văn Trọng

5


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Tên đầy đủ (nghĩa tiếng việt)

Stt

Tên viết tắt/Ký hiệu

1

OICA

Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô thế giới

2

GDP

Gross Domestic Product

3

EIA

Cơ quan thông tin về năng lƣợng

4

Cox

Các hợp chất cacbon xit

5

H2 O

Nƣớc

6

HC

Hydrocarbon

7

Nox

Các hợp chất nito oxit

8

NO2

Nitơ đioxít

9

NO

Nitơ oxit

10

N2 O

Đinitơ oxít

11

Sox

Các hợp chất lƣu huỳnh oxit

12

SO2

Lƣu huỳnh đioxit

13

Pb

Chì

14

EFI

Electronic fuel injection

15

VVT-i

16

VVT

Variable valve timing

17

CNG

Compressed natural gas

18

LPG

Liquified petroleum gas

19

EFI

Electronic fuel injection

20

ECM

Engine Control Module

21

ECU

Engine control unit

22

TBA

Tertiary-butyl alcohol

23

MTBE

24

A/F

Air/ Fuel

25

BP

Họ hợp chất cacboxylat

26

OP

Họ hợp chất sucxinimide

Variable Valve Timing with intelligence

Methyl tertiary-Buthyl ether

6


Tên đầy đủ (nghĩa tiếng việt)

Stt

Tên viết tắt/Ký hiệu

27

Mpa

28

RON98

Reseach Octane Number 98

29

RON92

Reseach Octane Number 92

30

TP

31

Rpm

Revolutions per minute (Vòng trên phút)

32

Nm

Newton metre

33

CVS

Constant Volume Sampling

34

NDIR

Bộ phân tích hồng ngoại không tán sắc

35

FID

Bộ phân tích ion hóa ngọn lửa

36

CLD

Bộ phân tích quang hóa

37

AVL

Hãng AVL (Áo)

38

ECE1505

39

ECE15

Chu trình thử xe con và xe tải trong thành phố

40

EUDC

Chu trình thử xe con và xe tải trên xa lộ

41

TK

Tiết kiệm nhiên liệu

42

Ppm

Parts per million

43

NL

Nhiên liệu

44

PTN

Phòng thí nghiệm

45

EURO

46

S

Mega Pascal

Throttle position (Vị trí bƣớm ga)

Chu trình thử xe con và xe tải

Khu vực các nƣớc dùng đồng tiền chung Euro
Second (giây)

-

7

Danh mục các bảng
Stt

Tên bảng

Trang

1

Bảng 2.1. Tính chất vật lý của các phụ gia oxygen

28

2

Bảng 3.1. Thông số của Chu trình ECE- EUDC

57

3

Bảng 3.2. So sánh mức phát thải khi chạy phụ gia và không phụ

67

gia của ô tô Toyota Land Cruiser 4500 theo chu trình thử châu Âu
4

Bảng 3.3. So sánh mức phát thải khi chạy phụ gia và không phụ

67

gia của ô tô Ford Transit theo chu trình thử Châu Âu
5

Bảng 3.4. So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô xăng Land

68

Cruiser giữa chạy phụ gia và chạy không phụ gia
6

Bảng 3.5. So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu của ô tô diesel Ford

70

Transit giữa chạy phụ gia và chạy không phụ gia
7

Bảng 3.6. So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu khi chạy phụ gia và
không phụ gia của các phƣơng tiện theo chu trình thử Châu Âu

8

71


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Tên hình vẽ, đồ thị

Stt

Trang

1

Hình 1.1. Động cơ diesel

13

2

Hình 1.2. Động cơ xăng

13

3

Hình 1.3. Xe ô tô lƣu thông trên đƣờng phố

13

4

Hình 1.4. Minh họa về số lƣợng ô tô trên thế giới

14

5

Hình 1.5. Hình ảnh về giao thông tại đƣờng phố Hà Nội

14

6

Hình 1.6. Mức năng lƣợng tieu thụ của thế giới 1970 đến 2025

15

7

Hình 1.7. Tiêu thụ năng lƣợng phân theo khu vực 1970 đến 2025

15

8

Hình 1.8. Biểu đồ sản lƣợng khai thác dầu mỏ của Mỹ và thế giới

16

9

Hình 1.9. Biểu đồ sản xuất và tiêu thụ dầu mỏ tại Việt Nam qua các

18

năm

10 Hình 1.10. Ô nhiễm không khí do ô tô gây ra tại Việt Nam ngày càng

18

trầm trọng
11 Hình 1.11. Bộ xúc tác trên xe con

21

12 Hình 1.12. Cánh đồng trồng sắn để sản xuất nhiên liệu sinh học ở

22

Quảng Ngãi
13 Hình 2.1. Công thức hóa học của Methanol

29

14 Hình 2.2. Công thức hóa học của Ethanol

29

15 Hình 2.3. Công thức hóa học của TBA

29

16 Hình 2.4. Công thức hóa học của MTBE

30

17 Hình 2.5. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu

32

18 Hình 2.6. So sánh thành phần CO

32

19 Hình 2.7. So sánh thành phần NOx

32

20 Hình 2.8. So sánh thành phần độ khói

32

21 Hình 2.9. Quy trình sản xuất phụ gia Maz- Nitro

34

22 Hình 3.1. Ô tô Toyota Land Cruiser chạy xăng phục vụ thử nghiệm

46

23 Hình 3.2. Ô tô diesel Ford Transit phục vụ thử nghiệm

47

9

Stt

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

24 Hình 3.3. Bơm nhiên liệu Fill Rite

48

25 Hình 3.4. Dụng cụ đo độ mòn kích thƣớc

49

26 Hình 3.5. Băng thử dụng cho ô tô

54

27 Hình 3.6. Chu trình thử ECE15

56

28 Hình 3.7. Chu trình thử EUDC

56

29 Hình 3.8. So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu ở các giai đoạn thử nghiệm

69

có Maz và không có Maz của ô tô Land Cruiser 4500
30 Hình 3.9. So sánh mức tiêu thụ nhiên liệu ở các giai đoạn thử nghiệm

70

có Maz và không có Maz của ô tô diesel Ford Transit
31 Hình 3.10. So sánh độ mòn giữa ô tô chạy xăng pha Maz và ô tô

72

chạy xăng không pha Maz
32 Hình 3.9. Chênh lệch độ mòn giữa ô tô chạy xăng pha Maz và ô tô

73

chạy xăng không pha Maz
33 Hình 3.10. So sánh độ mòn giữa ô tô chạy diesel pha Maz và ô tô

74

chạy diessel không pha Maz
34 Hình 3.11. Chênh lệch độ mòn giữa ô tô chạy diesel không pha Maz
và ô tô chạy diessel pha Maz

10

74

MỞ ĐẦU
Ngày nay, dân số thế giới đang tăng nhanh do vậy nhu cầu đi lại, vận chuyển
càng ngày càng tăng cao. Các loại phƣơng tiện giao thông ngày càng đa dạng về
chủng loại cũng nhƣ số lƣợng và chất lƣợng. Ô tô là phƣơng tiện giao thông chủ
đạo trong tình hình hiện nay. Do đó ngành công nghiệp ô tô đang phát triển không
ngừng trên thế giới và trong nƣớc. Hàng loạt các mẫu xe mới, dòng xe hiện đại
đƣợc đƣa ra thị trƣờng và góp phần thay đổi, nâng cao chất lƣợng của cuộc sống
của chúng ta. Đi kèm với sự phát triển ấy thì nhu cầu về nhiên liệu, áp lực về ô
nhiễm môi trƣờng cũng đang là vấn đề nhức nhối ngày nay. Khi nguồn hóa thạch
đang cạn kiệt, môi trƣờng đang bị ô nhiễm một các nghiêm trọng thì nhu cầu bức
thiết là tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và giảm mức độ phát thải do ô tô
gây ra cũng là vấn đề đang đƣợc quan tâm hàng đầu. Nƣớc ta còn là nƣớc đang phát
triển, nguồn tài nguyên hóa thạch đang cạn dần thì nhu cầu đó lại càng trở lên cấp
bách hơn. Chính vì vậy tìm ra biện pháp để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của
ô tô nhằm nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải vào môi
trƣờng là hƣớng nghiên cứu đúng đắn của các nhà khoa học trong hiện tại cũng nhƣ
tƣơng lai.
Thực tế có rất nhiều cách để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của ô tô.
Mỗi phƣơng pháp đều có những ƣu nhƣợc điểm khác nhau và đƣợc áp dụng tùy vào
điều kiện của mỗi quốc gia. Một trong những phƣơng pháp đó là sử dụng phụ gia
nhiên liệu để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ô tô.
Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của
động cơ ô tô bằng phƣơng pháp sử dụng phụ gia nhiên liệu Maz-Nitro
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của việc pha 2 phụ
gia nhiên liệu Maz 100 và Maz 200 vào nhiên liệu để cho ô tô vận hành.
- Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá, phân tích,
tổng hợp số liệu để so sánh mức tiêu hao nhiên liệu, lƣợng phát thải, mức độ mài
mòn các chi tiết chính của 2 ô tô sử dụng nhiên liệu thông thƣờng và 2 ô tô cùng
loại sử dụng nhiên liệu có pha phụ gia Maz-Nitro.
11

- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Luận văn là cơ sở để đánh giá loại phụ gia
nhiên liệu Maz-Nitro khi pha vào trong nhiên liệu sử dụng cho ô tô.
- Nội dung nghiên cứu:
+ Nghiên cứu tổng quan về các phƣơng pháp giảm tiêu hao nhiên liệu,
giảm phát thải của động cơ xăng và diesel.
+ Tìm hiểu về các loại phụ gia thƣờng dùng và đặc điểm phụ gia MazNitro
+ Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng phụ gia nhiên liệu Maz-Nitro 100
cho ô tô chạy xăng, Maz-Nitro 200 cho xe chạy diesel trong phòng thí nghiệm
và tại hiện trƣờng.
+ Phân tích số liệu thực nghiệm, kết luận về hiệu quả của phụ gia MazNitro về ảnh hƣởng của phụ gia tới hệ thống cung cấp nhiên liệu, mức giảm
tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải, mức độ mài mòn các chi tiết chính của
động cơ ô tô.

12


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Động cơ đốt trong và vấn đề sử dụng nhiên liệu hóa thạch
1.1.1 Sự gia tăng nhanh về số lƣợng phƣơng tiện
Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt biến đổi nhiệt năng thành cơ năng.
Khi động cơ đốt trong làm việc thì quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu đƣợc diễn
ra bên trong xi lanh động cơ. Động cơ đốt trong đƣợc phân loại thành nhiều loại
theo các tiêu chí khác nhau. Ví dụ: Động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ 1 xi lanh,
động cơ nhiều xi lanh…

Hình 1.1. Động cơ diesel

Hình 1.2. Động cơ xăng

Động cơ đốt trong đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế và trang bị trên nhiều
loại máy móc, phƣơng tiện vận tải. Ô tô chiếm đại đa số trong các phƣơng tiện vận
tải. Mỗi ô tô đƣợc trang bị một loại động cơ sao cho phù hợp với mục đích và nhu
cầu sử dụng. Sự gia tăng nhanh dân số và phát triển kinh tế của các quốc gia dẫn
đến sự gia tăng chóng mặt của ô tô trên thế giới.Từ đó các chủng loại ô tô phát triển
mạnh mẽ và đồng thời số lƣợng
các phƣơng tiện cũng tăng lên
không ngừng. Theo Hiệp hội Các
nhà sản xuất ô tô thế giới (OICA),
năm 2012, toàn thế giới có khoảng
1,143 tỷ xe ô tô các loại đang lƣu
hành, trong đó riêng Mỹ gần 251
triệu xe, toàn châu Âu hiện có 368
Hình 1.3. Xe ô tô lưu thông trên đường phố

13


triệu xe, riêng 27 quốc gia thuộc Liên minh châu Âu và các nƣớc thuộc Hiệp hội
mậu dịch tự do châu Âu chiếm 291 triệu xe. Với 1,143 tỷ xe đang lƣu thông, cũng
tính trung bình mỗi xe chỉ dài 5m, khi toàn bộ xe trên thế giới xếp thành một hàng
thì ƣớc tính chiều dài của đoàn xe này là khoảng 5,7 triệu km, tức hơn 140 lần chu
vi trái đất.

Hình 1.4. Minh họa về số lượng ô tô trên thế giới
Hòa chung với sự phát triển mạnh mẽ của ô tô thế giới thì số lƣợng của ô tô
tại nƣớc ta cũng đang tăng lên một cách nhanh chóng. Cụ thể với tốc độ tăng trƣởng
GDP năm 2014 lần lƣợt là 5,98%, mức tăng trƣởng năm 2014 cao hơn mức tăng
trƣởng 5,25% của năm 2012 và 5,42% của năm 2013 thì số lƣợng ô tô đang lƣu

hành khoảng 1,5 triệu xe. Theo đề án 356/QĐ-TTg của Thủ tƣớng chính phủ thì đến
năm 2020, thì định hƣớng phát triển phƣơng tiện vận tải gồm ô tô các loại có
khoảng 3,2 - 3,5 triệu xe, trong đó xe con 57%, xe khách 14% và xe tải 29%. Do
lƣợng ô tô trong nƣớc cũng nhƣ số lƣợng ô tô trên thế giới đang tăng nhanh dẫn đến
yêu cầu sử dụng về nhiên liệu cho lƣợng ô tô đó rất lớn. Điều đó sẽ gây ra tình trạng
cạn kiệt thiếu hụt xăng dầu trong tƣơng lai.

Hình 1.5. Hình ảnh về giao thông tại đường phố Hà Nội
14


1.1.2 Sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch
Thế kỷ thứ 21, thế giới đang đứng trƣớc nhiều vấn đề cần phải đối mặt.
Trong đó, vấn đề đƣợc xem là nóng bỏng nhất và thu hút sự quan tâm của tất cả các
nhà khoa học cũng nhƣ Chính Phủ các quốc gia hiện là hiện tƣợng ấm lên toàn cầu
do tác động của hiệu ứng nhà kính và sự khủng hoảng về năng lƣợng. Theo dự báo
của Cơ quan thông tin về năng lƣợng (EIA) vào năm 2004, trong vòng 24 năm kể từ
năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lƣợng trên toàn thế giới có thể tăng
thêm 54% (ƣớc tính khoảng 404 nghìn tỷ thùng năm 2001 tới 623 nghìn tỷ thùng
vào năm 2025) mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia có nền kinh tế đang phát
triển mạnh mẽ, nhƣ Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á.

Hình 1.6. Mức năng lượng tiêu thụ của thế

Hình 1.7. Mức tiêu thụ năng lượng

giới từ 1970 đến 2025 đơn vị nghìn

phân theo khu vực, 1970- 2025 đơn vị

tỷ thùng

nghìn tỷ thùng

Các quốc gia trên thế giới
đều có nhu cầu năng lƣợng tăng
lên do vậy sản lƣợng khai thác
dầu mỏ của thế giới và đặc biệt
là Mỹ đang tăng lên nhanh
chóng.
Hình 1.8. Biểu đồ sản lượng khai thác dầu mỏ
của Mỹ và thế giới

15


Tại nƣớc ta những năm gần đây thì sản lƣợng khai thác và tiêu thụ dầu mỏ
cũng tăng lên đáng kể

Hình 1.9. Biểu đồ sản xuất và tiêu thụ dầu mỏ tại Việt Nam qua các năm
Đứng trƣớc nhu cầu lớn về năng lƣợng nhƣ vậy thì nhà nƣớc ta đã có những
chính sách khuyến khích khai thác và chế biến dầu mỏ tại chỗ. Các dự án lọc dầu
đƣợc đầu tƣ và xây dựng. Thực trạng khai thác và tiêu thụ lớn của thế giới cũng nhƣ
trong nƣớc sẽ làm cạn kiệt dần trữ lƣợng dầu mỏ trên thế giới. Đi kèm với sự cạn
kiệt của dầu mỏ thì môi trƣờng trên thế giới cũng đang bị ảnh hƣởng nặng nề bởi ô
nhiễm mà một trong những nguyên chính gây ra sự ô nhiễm đó là sự phát thải của ô
tô.
1.1.3 Phát thải và vấn đề ô nhiễm môi trƣờng
Quá trình làm việc của động cơ đốt trong bao gồm các quá trình nạp nhiên
liệu, hòa trộn nhiên liệu và không khí, đốt cháy nhiên liệu và thải khí thải ra ngoài.

Các sản phẩm cháy cơ bản của quá trình cháy bao gồm COx, H2O ( hơi nƣớc), HC,
NOx, SOx, Pb...Các sản phẩm cháy này khi thải vào môi trƣờng sẽ gây ra những ảnh
hƣởng tới môi trƣờng và tới sức khỏe con ngƣời.
- CO: ô-xýt-các-bon hay còn gọi là mô-nô-xít-các-bon là sản phẩm cháy của
các bon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ô xy. Mô-nô-xít-các-bon ở dạng khí
không màu, không mùi. Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành
một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ ô xy của hê-mô-glô-bin trong máu, làm
16


giảm khả năng cung cấp ô xy cho các tế bào trong cơ thể. Mô-nô-xít-các-bon rất
độc, chỉ với một hàm lƣợng nhỏ trong không khí có thể gây cho con ngƣời tử vong.
Hàm lƣợng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3.
- CmHn: (còn đƣợc ký hiệu là HC - Hydrocarbon) là các loại các-bua-hy-đrô
có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải (đôi
khi .Các-bua-hy-đrô có rất nhiều loại. Mỗi loại có ảnh hƣởng (mức độ độc hại) khác
nhau nên không thể đánh giá chung một cách trực tiếp. Ví dụ, pa-ra-phin và naphta-nin có thể coi là vô hại. Trái lại, các loại các-bua-hy-đrô thơm thƣờng rất độc, ví
dụ nhƣ các-bua-hy-đrô có nhân ben-zen (3 hoặc 4 nhân) có thể gây ung thƣ. Để đơn
giản khi đƣa ra các tiêu chuẩn về môi trƣờng, ngƣời ta chỉ đƣa ra thành phần cácbua-hy-đrô tổng cộng trong khí thải (Total Hydrocarbon viết tắt là TH). Các-buahy-đrô tồn tại trong khí quyển còn gây ra sƣơng mù, gây tác hại cho mắt và niêm
mặc đƣờng hô hấp.
- NOx: ô-xýt-ni-tơ là sản phẩm ô xy hoá ni-tơ có trong không khí đƣợc đƣa
vào buồng cháy động cơ trong điều kiện nhiệt độ cao. Do ni-tơ có nhiều hoá trị nên
ô-xýt-ni-tơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, đƣợc gọi chung là NOx. Trong khí thải
của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO.
+ NO2: pe-ô-xýt-ni-tơ là một khí có mùi gắt và mầu nâu đỏ. Với một hàm
lƣợng nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc. Khi tác dụng với hơi nƣớc
sẽ tạo thành a-xit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật. [NO2] = 9mg/m3.
+ NO: NO là thành phần chủ yếu của NOx trong khí thải. NO là một khí
không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thƣơng niêm mạc. Trong
khí quyển, NO không ổn định nên bị ô-xy hoá tiếp thành NO2 và kết hợp với hơi

nƣớc tạo thành a-xit ni-tơ-ríc. [NO] = 9 mg/m3.
- An-đê-hýt: có nhiều dạng khác nhau nhƣng có chung một công thức tổng
quát là C-H-O. Khi ở dạng khí an-đê-hýt có mùi gắt và có tác dụng gây tê. Một số
loại có thể gây ung thƣ. Đối với fooc-môl-đê-hýt hàm lƣợng cực đại cho phép là
0,6mg/m3.

17


- Chì: Đối với tế bào sống, chì rất độc, làm giảm khả năng hấp thụ ô-xy trong
máu. [Pb] = 0,1 mg/m3
- SO2: là một khí không màu, có mùi gắt và gây tác hại đối với niêm mạc.
Khi kết hợp với nƣớc tạo thành a-xít yếu H2SO3 . [SO2] = 2ml/m3.
- CO2: là sản phẩm cháy hoàn toàn của các-bon với ô-xy. Tuy CO2 không
độc đối với sức khoẻ con ngƣòi nhƣng với nồng độ quá lớn sẽ gây ngạt, [CO2] =
9000 mg/m3. Ngoài ra, CO2 là thủ phạm chính gây ra hiệu ứng nhà kính. Tìm hiểu
cách hình thành cũng nhƣ thành phần hóa lý, tính chất hóa học của khí thải giúp ta
lựa chọn, thiết kế đƣợc các phƣơng pháp xử lý hạn chế khí thải, giúp giảm thiểu ô
nhiễm môi trƣờng. Khi nồng độ các chất thải ngày càng tăng lên thì ảnh hƣởng của
chúng tới môi trƣờng ngày càng nhiều. Và con ngƣời đang dần cảm nhận và thấy
đƣợc hậu quả của việc biến đổi khí hậu ngày càng rõ nét. Cụ thể là:

Hình 1.10. Ô nhiễm không khí do ô tô gây ra tại Việt Nam ngày càng trầm trọng
Môi trƣờng đang xấu đi trầm trọng, các hiện tƣợng tiêu cực của thời tiết đang
xuất hiện ngày một nhiều. Hiện tƣợng trái đất nóng lên, băng tan làm xuất hiện các
siêu bão trên các đại dƣơng, hạn hán ở nhiều khu vực. Hiện tƣợng Enino làm cho
khu vực các quốc gia Ấn Độ, nam Á, trong đó có Việt Nam trải qua đợt nắng nóng
kỷ lục trong hơn 10 năm vừa qua đã gây ra nhiều xáo trộn trong cuộc sống. Ô
nhiễm môi trƣờng, biến đổi khí hậu đang là mối đe dọa rất lớn đến điều kiện sống
hiện nay. Chính vì vậy cải thiện môi trƣờng sống, giảm thiều ô nhiễm môi trƣờng

chính là xu hƣớng tất yếu của thế kỷ 21. Là một trong những nguyên nhân chính
gây ra ô nhiễm môi trƣờng không khí thì vấn đề giảm phát thải của ô tô cũng đang
đƣợc quan tâm nhiều hơn. Nhà nƣớc ta cũng đang có những biện pháp để làm giảm
ô nhiễm môi trƣờng do ô tô gây ra nhƣ đƣa vào sử dụng nhiên liệu sinh học, cải tiến
18


các kết cấu, sử dụng các tiêu chuẩn để kiểm soát khí thải giúp cải thiện hàm lƣợng
khí xả. Chính vì vậy tìm ra các biện pháp để làm giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng
chính là là nhiệm vụ của các kỹ sƣ, nhà khoa học để giúp bảo vệ hành tinh xanh của
chúng ta.
1.2 Các biện pháp giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải
1.2.1 Tối ƣu hóa kết cấu
Để giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải thì các kết cấu hệ thống của
động cơ đốt trong đƣợc cải tiến nhiều so với khi động cơ mới đƣợc trang bị trên ô tô.
Hệ thống thông tin, các cơ cấu cơ điện tử, tự động hóa đƣợc sử dụng trên động cơ
trên ô tô ngày một nhiều hơn. Các cơ cấu đó giúp cải thiện các đặc tính làm việc và
nâng cao chất lƣợng của ô tô. Điển hình trong số đó là sử dụng các hệ thống, kết
cấu sau:
- Hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ xăng: Khi động cơ xăng mới đƣợc
sử dụng thì chế hòa khí chính là bộ phận đƣợc sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho
động cơ xăng. Ngày nay các hệ thống cung cấp nhiên liệu hiện đại và có tính năng
ƣu việt hơn đƣợc sử dụng: Hệ thống phun xăng điện tử EFI, hệ thống nạp xả thông
minh VVT-I (Toyota), hệ thống VVT (Mazda). Hệ thống phun xăng điện tử đƣợc
trang bị trên động cơ nhằm cung cấp nhiên liệu và không khí phù hợp với các chế
độ làm việc của động cơ. Qua đó giúp cho quá trình hòa trộn xăng với không khí tốt
hơn, dẫn đến quá trình cháy của động cơ đƣợc cải thiện. Động cơ thƣờng làm việc ở
chế độ nghèo nhiên liệu giúp cho quá trình đốt nhiên liệu kiệt hơn, giảm hàm lƣợng
HC và CO hình thành sau quá trình cháy. Ngày nay hệ thống phun xăng điện tử
đƣợc trang bị trên nhiều loại động cơ ô tô của các hãng xe ô tô khác nhau. Ô tô có

hệ thống phun xăng điện tử đƣợc sử dụng phổ biến do có những tính năng ƣu việt
của nó so với ô tô có động cơ dùng chế hòa khí.
- Hệ thống phun dầu điện tử trên động cơ diesel: Hệ thống phun dầu điện tử
đƣợc trang bị trên các động cơ diesel nhằm cải thiện quá trình cháy của động cơ
diesel nhằm tăng hiệu suất, giảm hàm lƣợng phát thải. Giúp cung cấp nhiên liệu tốt
hơn so với hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel kiểu cũ.
19


- Hệ thống thay đổi pha phân phối khí: nhằm cung cấp lƣợng khí nạp phù
hợp hơn với các chế độ làm việc của động cơ ở tốc độ cao.
- Hệ thống tăng áp trên động cơ diesel: Hệ thống tăng áp đƣợc trang bị chủ
yếu trên động cơ diesel hiện đại. Mục đích làm tăng lƣợng khí nạp mới, giúp cho
quá trình hình thành xoáy lốc trong buồng đốt động cơ diesel tăng lên. Giúp cho quá
trình đốt nhiên liệu diesel tốt hơn qua đó làm tăng hiệu suất, công suất của động cơ,
góp phần tiết kiệm nhiên liệu.
- Hệ thống luân hồi khí xả: Luân hồi khí xả trên động cơ là biện pháp đƣa,
trích một phần khí xả đƣa vào đƣờng nạp và từ đó hòa trộn với khí nạp mới, góp
phần sấy nóng khí nạp mới để tăng hiệu quả làm việc, giảm phát thải khí độc hại ra
môi trƣờng, góp phần tiết kiệm nhiên liệu. Ngày nay các xe ô tô đều có hệ thống
luân hồi khí xả vì những lợi ích của hệ thống này.
Ngày nay khi khoa học kỹ thuật ứng dụng trên ô tô nói chung và động cơ nói
riêng đã đạt tới mức gần nhƣ hoàn thiện về công nghệ thì việc tối ƣu hóa kết cấu
không còn khả thi nữa, áp dụng phƣơng pháp giảm thành phần độc hại bằng xử lý
khí thải đã đƣợc sử dụng trên nhiều phƣơng tiện và đã góp phần làm giảm đáng kể
các thành phần độc hại của khí xả.
1.2.2 Giảm thành phần độc hại bằng xử lý khí thải
Giảm thành phần độc hại khí thải thì xử lý khí thải trên hệ thống thải là biện
pháp hiệu quả để giảm thành phần độc hại của quá trình cháy. Phƣơng pháp xử lý
đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các bộ xúc tác trên đƣờng thải, phổ biến nhất là

dùng bộ xúc tác 3 tác dụng trong động cơ xăng. Bộ xử lý chứa một hàm lƣợng nhỏ
các chất xúc tác (Pt, Ni, Rd) có tác dụng tăng cƣờng các quá trình ô xy hóa và khử
các thành phần độc hại. Các bộ xử lý xúc tác thƣờng chỉ hoạt động hiệu quả khi
nhiệt độ bộ xúc tác đạt trên 350oC nên ở thời kỳ khởi động lạnh và chạy ấm máy,
các phƣơng tiện vận tải trang bị động cơ đốt trong thƣờng phát thải lớn. Do vậy,
việc tìm biện pháp giảm thành phần độc hại trong sản vật cháy từ ngay trong quá
trình cháy vẫn rất cần phòng khi bộ xúc tác chƣa tác dụng hoặc mất tác dụng, nếu
không thì phải sấy nóng bộ xúc tác trong các trƣờng hợp khí thải chƣa đủ nhiệt.
20


Hình 1.11. Bộ xúc tác được trang bị trên các xe con
Việc lắp đặt vận hành bộ xúc tác trên đƣờng thải cũng có một số nhƣợc điểm
nhƣ: giá thành đắt, thời gian khi xe chạy ấm máy và khởi động thì bộ xúc tác không
hoạt động, tuổi thọ của bộ xúc tác ngắn và lƣợng tiêu hao xăng dầu vẫn rất lớn. Vì
vậy sử dụng nhiên liệu mới, các nhiên liệu có sẵn, có thể điều chế trong tự nhiên sẽ
giúp giảm lƣợng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch.
1.2.3 Sử dụng nhiên liệu thay thế
Việc gia tăng một cách nhanh chóng số lƣợng phƣơng tiện giao thông sử
dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel theo cách truyền thống đã tác động ngày càng
xấu tới môi trƣờng. Cấm hoặc hạn chế số lƣợng các phƣơng tiện là biện pháp không
khả thi. Nhiều phƣơng pháp giảm hàm lƣợng khí xả độc hại đã đƣợc nghiên cứu và
áp dụng nhƣ đã giới thiệu ở trên. Chính vì vậy phƣơng pháp thay đổi cách thức sử
dụng nhiên liệu và dùng nguồn nhiên liệu mới thay thế, sạch, rẻ hơn cho các
phƣơng tiện có sử dụng động cơ đốt trong sẽ là phƣơng án hữu hiệu trong tƣơng lai.
Nhiên liệu thay thế đƣợc chia thành các nhóm nhiên liệu:
+ Nhiên liệu cồn Methanol và cồn Ethanol
+ Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và khí thiên nhiên hoá lỏng (LNG)
+ Khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG)
+ Nhiên liệu khí Hyđrô (H2)

+ Nhiên liệu giàu Hyđrô: hỗn hợp của nhiên liệu hóa thạch với hyđrô.
- Nhiên liệu khí có nguồn gốc hoá thạch có giá thành rẻ hơn xăng và có tỷ lệ
HC lớn hơn nên khi cháy thải ra ít CO và CO2 hơn. Thêm nữa, nhiên liệu này không
chứa benzen và các thành phần các bua hyđrô khác nên sạch hơn xăng. Nhiên liệu
21


này có khả năng tạo hoà khí tốt, có tính chống kích nổ cao, khả năng cháy với hỗn
hợp nghèo hơn hẳn nhiên liệu xăng cho nên lƣợng khí thải độc hại thấp hơn nhiều,
có thể giảm 20% lƣợng CO2 so với dùng nhiên liệu xăng.
- Hiện nay trên thế giới đang có hơn 1,2 triệu xe sử dụng nhiên liệu khí thiên
nhiên nén (CNG) và gần 1,4 triệu phƣơng tiện sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)
chủ yếu ở Achentina, Italy, Canada, Mỹ, Nhật bản. Không chỉ ở các nƣớc phát triển
mà các nƣớc đang phát triển cũng rất quan tâm tới nguồn nhiên liệu sạch này. Ở
Việt Nam, sử dụng nguồn nhiên liệu sạch cũng là một vấn đề đƣợc nhà nƣớc và
chính phủ quan tâm, nhất là khi ngành khí công nghiệp ở nƣớc ta rất phát triển và
đến nay đã có nhiều chƣơng trình chạy
thử xe dùng nhiên liệu khí. Tuy nhiên do
nhiệt trị mole thấp hơn xăng nên công
suất động cơ sẽ thấp hơn nếu cùng kích
thƣớc.
- Nhiên liệu cồn Methanol và cồn
Ethanol cũng đã đƣợc sử dụng làm nhiên
liệu thay thế và phụ gia nhiên liệu với
mục đích giảm chi phí, giảm thành phần

Hình 1.12. Cánh đồng trồng sắn để sản
xuất nhiên liệu sinh học ở Quảng Ngãi

độc hại khí xả và tăng trị số ốc tan nhiên

liệu trong động cơ xăng. Tuy nhiên khi chuyển động cơ xăng sang dùng loại nhiên
liệu này thì công suất giảm. Thêm nữa, loại nhiên liệu này thƣờng chỉ sẵn có với
mức giá chấp nhận đƣợc ở các nƣớc nông nghiệp và công nghiệp mía đƣờng phát
triển.
- Nhiên liệu hyđrô: Bên cạnh các loại nhiên liệu thay thế nói trên, hyđrô từ
lâu đã đƣợc xem nhƣ một loại nhiên liệu mong muốn cho động cơ đốt trong. Khác
với các loại nhiên liệu truyền thống, đây là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và có thể
đƣợc sản xuất từ nguồn nƣớc vô tận và có khả năng sử dụng cho cả động cơ xăng và
động cơ diesel. Hyđrô khi phản ứng với ô xy tạo ra sản phẩm sạch, chỉ có nƣớc và
không có thành phần ô nhiễm nào, kể cả CO2 nên không gây ô nhiễm môi trƣờng và
22


không gây hiệu ứng nhà kính nhƣ khi sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch. Thêm
nữa, nhiên liệu này có ƣu điểm là cháy nhanh, trị số ốc tan cao, chống kích nổ tốt,
nên cho phép động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ
dàng tăng công suất động cơ. Mặc dù vậy, nhiên liệu hydro cũng có một số nhƣợc
điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là nhiệt trị rất thấp nên nếu không thay đổi kết
cấu động cơ khi chuyển từ động cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn
toàn bằng hydro thì công suất động cơ sẽ bị giảm nhiều. Thêm nữa, việc sản xuất,
vận chuyển và tích trữ bảo quản nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn xăng
hoặc diesel khá khó khăn và tốn kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp.
- Nhiên liệu giàu hyđrô: Chính vì một số nhƣợc điểm của nhiên liệu hyđrô
trong việc thay thế hoàn toàn nhiên liệu xăng và diesel nhƣ đã nói trên nên nhiều
nhà nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hydro nhƣ một thành phần phụ gia cho
nhiên liệu truyền thống. Với phƣơng pháp này, hydro chỉ đƣợc cấp một tỷ lệ nào đó
vào trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng, diesel, hoặc khí thiên
nhiên, để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hyđrô (có hyđrô ở trạng thái tự do trong
hỗn hợp). Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu

chính tốt hơn nên giảm đƣợc thành phần độc hại khí thải, mở rộng giới hạn cháy và
tăng tính chống kích nổ cho động cơ trong khi không thay đổi kết cấu động cơ so
với khi dùng xăng hoặc diesel. Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hydro ổn
định và tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu
nói trên.
Sử dụng nhiên liệu thay thế là hƣớng đi đƣợc rất nhiều quốc gia lựa chọn.
Tuy nhiên việc sản xuất nhiên liệu thay thế số lƣợng lớn thƣờng gặp khó khăn, do
sản xuất mất nhiều công đoạn, vùng đòi hỏi vùng nguyên liệu và giá thành sản xuất
đắt, tình hình lƣơng thực trên thế giới. Một trong những phƣơng pháp đơn giản và
dễ áp dụng hơn để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ô tô là sử dụng
phụ gia nhiên liệu.

23


1.2.4 Sử dụng phụ gia nhiên liệu
Nhiên liệu của động cơ đốt trong không đơn thuần chỉ là sản phẩm của một
quá trình chƣng cất từ một công đoạn nào đó của dầu mỏ, nó là một sản phẩm hỗn
hợp đƣợc lựa chọn cẩn thận từ một số thành phần kết hợp với một số phụ gia nhằm
đảm bảo cho điều kiện vận hành thực tế và lƣu trữ bảo quản. Hơn nữa, ngoài mục
đích lƣu trữ và bảo quản, việc dùng phụ gia nhiên liệu còn nhằm mục đích giảm
thành phần khí thải độc hại một cách hiệu quả. Tuy nhiên, để đạt đƣợc mục đích
này, vấn đề đặt ra là cần lựa chọn loại phụ gia nào cho phù hợp, hàm lƣợng pha trộn
là bao nhiêu, vấn đề giá thành, công nghệ sản xuất cũng là một vấn đề cần xem xét.
Nguyên lý tác dụng chung của một số phụ gia nhiên liệu trong việc cải thiện đặc
tính cháy của nhiên liệu và giảm thành phần độc hại khí xả là tạo ra môi trƣờng ôxi
trong quá trình cháy, làm cho nhiên liệu cháy nhanh hơn, tiếp tục cháy một phần
sản phẩm CO, HC độc hại. Một số phụ gia còn hình thành môi trƣờng Hydro tạo ra
phản ứng xúc tác quá trình cháy làm cho quá trình cháy hoàn thành một cách tốt
nhất. Nhiều loại phụ gia đã đƣợc sử dụng, tuy nhiên chúng không phải hoàn toàn vì

mục đích giảm thành phần độc hại khí thải. Với nguyên tắc tác dụng nhƣ trên, có
thể thấy phƣơng pháp dùng phụ gia nhiên liệu, đặc biệt là khi lựa chọn đƣợc loại
phụ gia thích hợp là một phƣơng pháp hiệu quả và khả thi nhất trong việc cải thiện
quá trình cháy của nhiên liệu và giảm hơn nữa thành phần độc hại khí xả để đáp ứng
các tiêu chuẩn khí thải ngày càng ngặt nghèo.
1.3 Kết luận chƣơng 1
Có thể thấy để cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ ô tô có thể
tiến hành bằng nhiều biện pháp. Mỗi biện pháp đều có những ƣu nhƣợc điểm khác
nhau cụ thể: Tối ƣu hóa thiết kế động cơ là nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình
cháy, tăng chất lƣợng quá trình nạp xả, đảm bảo cháy kiệt, nhờ đó giảm đƣợc các
sản phẩm cháy có tính độc hại đƣợc giảm ngay từ trong xi lanh tuy nhiên ngày nay
các công nghệ về động cơ đã đạt ở trình độ rất cao do vậy việc áp dụng biện pháp
này để giảm độc hại khí thải là rất khó khăn. Biện pháp sử dụng bộ xúc tác 3 chức
năng thì chƣa giải quyết triệt vấn đề nguồn gốc phát thải và lƣợng tiêu thụ nhiên
24


liệu hầu nhƣ không giảm đi trong thời kỳ khởi động và các giai đoạn chuyển tiếp
chế độ. Biện pháp sử dụng nhiên liệu thay thế còn gặp phải các vấn đề về công nghệ,
nguồn nguyên liệu để chế biến, một số nhiên liệu mới có giá thành cao. Do vậy áp
dụng các biện pháp trên đều còn gặp nhiều trở ngại. Việc sử dụng phụ gia nhiên liệu
có nguồn gốc hữu cơ là biện pháp phù hợp với điều kiện và tình hình hiện tại. Biện
pháp có ƣu điểm là không can thiệp nhiều vào kết cấu của động cơ, không làm tăng
hàm lƣợng phát thải độc hại. Vì vậy việc sử dụng phụ gia nhiên liệu có nguồn gốc
hữu cơ nhằm cải thiện tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ, giảm phát thải nhiên
liệu là hƣớng đi phù hợp, có khả thi trong hiện tại và tƣơng lai.

25