Nghiên cứu mô phỏng tính năng động cơ xăng lắp trên ô tô sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5%

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

TRẦN KIM VIỆT

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ
XĂNG LẮP TRÊN Ô TÔ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC
CÓ TỶ LỆ ETHANOL LỚN HƠN 5%

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS. PHẠM MINH TUẤN

Hà Nội - 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập không sao chép của người
khác. Các nguồn tài liệu trích dẫn, các số liệu sử dụng và nội dung chuyên đề đều
trung thực. Đồng thời tôi xin cam đoan rằng kết quả quá trình nghiên cứu này chưa
từng được công bố trong bất kỳ chương trình nghiên cứu khác.
Tác giả luận văn

TRẦN KIM VIỆT

1

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU .................................................... 4
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. 5
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... 6
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................. 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ........................................................................... 9
1.1 Đặt vấn đề. ...................................................................................................... 9
1.2 Mục đích nghiên cứu .................................................................................... 12
1.3 Giới hạn nghiên cứu ..................................................................................... 12
1.4 Những nghiên cứu về xăng sinh học với tỷ lệ pha > 5% ............................. 13
1.4.1.Tình hình sản xuất và sử dụng bioethanol trên thế giới ......................... 13
1.4.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trong khu vực .......................... 15
1.4.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol ở Việt Nam ............................. 15
1.5 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 19
1.6 Nội dung thực hiện ....................................................................................... 19
1.7 Kết luận chương I ......................................................................................... 20
CHƯƠNG II: NHIÊN LIỆU SINH HỌC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ..............21
ĐỐT TRONG ................................................................................................21
2.1 Các loại nhiên liệu sinh học ......................................................................... 21
2.1.1. Giới thiệu chung về các nhiên liệu cồn sinh học ................................... 21
2.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp ........................ 21
2.2.3. Metyl este .............................................................................................. 25
2.2. Nhiên liệu sinh học xăng pha cồn ............................................................... 28
2.2.1. Cấu tạo .................................................................................................. 28
2.2.2. Tính chất ............................................................................................... 29
2.3 Thực trạng sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam ................ 33
2.3.1. Thực trạng và tính kinh tế ..................................................................... 33
2.3.2. Chiến lược phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học ở nước ta........... 34
2.4. Kết luận chương II ....................................................................................... 35

CHƯƠNG III: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ AVL BOOST ..........37
3.1 Giới thiệu chung ........................................................................................... 37
3.1.1. Giới thiệu phần mềm AVL Boost ......................................................... 37
3.1.2. Tính năng cơ bản................................................................................... 38
3.1.3. Tính năng áp dụng ................................................................................ 38
3.1.4. Giao diện của phần mềm AVL Boost ................................................... 39
3.1.5. Các phần tử của chương trình ............................................................... 40

2


3.1.6. Trình tự mô phỏng trên Boost ............................................................... 44
3.2. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 45
3.2.1. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu .................................................................. 45
3.2.2. Mô hình cháy ........................................................................................ 47
3.2.3. Mô hình truyền nhiệt ............................................................................. 53
3.2.4. Quá trình hình thành phát thải .............................................................. 57
3.3. Qui trình áp dụng ......................................................................................... 64
3.3.1. Xây dựng mô hình................................................................................. 64
3.3.2. Nhập dữ liệu cho mô hình ..................................................................... 65
3.3.3. Chạy mô hình ........................................................................................ 66
3.4. Kết luận chương III ..................................................................................... 68
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC .....69
E > 5% BẰNG PHẦN MỀM BOOST ...........................................................69
4.1. Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học hiện nay .................. 69
4.1.1. Giới thiệu chung .................................................................................... 69
4.1.2. Sử dụng ethanol cho phương tiện giao thông ....................................... 69
4.2.Giải pháp cải tiến động cơ khi nâng tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu ....... 73
4.2.1. Động cơ ô tô .......................................................................................... 73
4.2.1.1. Đặc tính của quá trình cháy ............................................................... 73

4.2.1.2. Công suất động cơ.............................................................................. 74
4.2.1.3. Suất tiêu hao nhiên liệu ...................................................................... 75
4.2.1.4. Khí thải ô nhiễm................................................................................. 75
4.3. Kết luận chương IV ..................................................................................... 76
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................80
DANH MỤC PHỤ LỤC ................................................................................82
PHỤ LỤC ......................................................................................................83

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU
VOC: Là hàm lượng hỗ hợp các chất hữ cơ độc hại bay nên trong không khí làm ô
nhiễm môi trường
mC: Khối lượng môi chất bên trong xylanh
u: Nội năng
pcyl: Áp suất bên trong xylanh
V: Thể tích xylanh
QF : Nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp
α : Góc quay trục khuỷu
hBB: Trị số enthalpy
D: Đường kính xylanh
Cm:Tốc độ trung bình của piston
M: Là khối lượng mol phân tử khí chưa cháy [kg/kmol]
R: Là hằng số khí [J/(kmol K]
Tpiston : Là nhiệt độ piston [K]
wF : Là tỷ lệ khối lượng của nhiên liệu trong lớp dầu [-]
t: Là thời gian [s]
r: Là vị trí tâm lớp dầu (tính từ thành xylanh) [m]

4


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Một số nhà máy sản xuất ethanol tại Việt Nam ................................... 16
Bảng 1.2. Các thông số cơ bản của động cơ ô tô Toyota – 5A............................. 19
Bảng 2.1. Tính chất vật lý của cồn ethanol ........................................................... 30
Bảng 2.2. So sánh nhiên liệu sinh học với nhiên liệu dầu mỏ .............................. 33
Bảng 3.1. Các lệnh cơ bản trong phần mềm AVL BOOST ................................. 40
Bảng 3.2. Chuỗi phản ứng hình thành NOx. Hệ số tốc độ của mô hình ............ 63
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật động cơ Toyota – 5A .............................................. 64
Bảng 3.4. Số lượng các phần tử để hoàn thiện mô hình ...................................... 65
Bảng 3.5.Các thông số điều khiển chung .............................................................. 66
Bảng 3.6. Kết quả so sánh về công suất khi chạy mô phỏng mô hình ................ 67
Bảng 3.7. Công suất không thay đổi khi cấp nhiên liệu xăng pha ethanol ........ 67
Bảng 3.8. Thay đổi công suất với từng loại hỗ hợp xăng pha ethanol ................ 68
Bảng 4.1. Những yêu cầu cải tiến động cơ cần thiết khi tăng tỷ lệ ethanol trong
hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol [16] ................................................................... 72

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam ............... 9
Hình 1.2. Tỷ lệ phát thải các khí gây ô nhiễm theo các nguồn phát thải chính
của Việt Nam năm 2008 .......................................................................................... 10
Hình 1.3. Lượng khí thải CO do các...................................................................... 10
Hình 1.4. Tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm phương tiện cơ giới đường bộ . 10
Hình 1.5. Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử dụng tại Hà Nội năm 2009 ............ 11

Hình 1.6. Biểu đồ sản xuất ethanol trên thế giới năm 2006 ................................. 13
Hình 1.7. Sản lượng ethanol nhiên liệu thế giới năm 2008 .................................. 14
Hình 1.8. Biểu đồ sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới đến năm 2007, [3]14
Hình 1.9. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới (triệu gallons), [4]............... 15
Hình1. 10. Nhà máy sản xuất ethanol tại Quảng Ngãi ......................................... 16
Hình 1.11. Cây xăng bán xăng ethanol tại Việt Nam ........................................... 17
Hình 2.1. Quy trình sản xuât methanol trong công nghiệp [3] .......................... 22
Hình 2.2 Lượng ethanol sản xuất trên toàn thế giới, [4] .................................... 23
Hình 2.3 Quy trình sản xuất ethanol ..................................................................... 24
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống cải tiến động cơ diesel để dùng nhiên liệu dầu thực
vật.............................................................................................................................. 25
Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL Boost ........................................................... 39
Hình 3.2. Giao diện các thông số điều khiển ban đầu .......................................... 45
Hình 3.3. Giao diện mô tả sự thiết lập mô hình hỗn hợp nhiên liệu ................... 46
Hình 3.4. Màng lửa tới thành xylanh và sự bắt đầu của hiện tượng cháy sát
vách ........................................................................................................................... 52
Hình 3.5. Sự hình thành hỗn hợp khí bên trong và bên ngoài xi lanh ............... 53
Hình 3.6. Xupap....................................................................................................... 57
Hình 3.7. Tỷ lệ mol CO dự đoán: hàm lượng CO cân bằng và CO động học
(tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải, A/F = 12,6) .................................................... 58

6


Hình 3.8. Tỷ lệ mol dự đoán của CO theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số
dư lượng không khí (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải) ..................................... 59
Hình 3.9. Tỷ lệ mol dự đoán của HC theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số
dư

lượng không khí (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải) ................................ 62

Hình 3.10. Mô hình mô phỏng................................................................................ 65
Hình 4.2. Diễn biến áp suất và nhiệt độ trong xylanh động cơ ........................... 73
Hình 4.3. Diễn biến tốc độ toả nhiệt trong xylanh động cơ ................................. 73
Hình 4.4. Sự thay đổi công suất động cơ so với khi sử dụng xăng...................... 74
Hình 4.5. Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để công suất động cơ không
đổi.............................................................................................................................. 74
Hình 4.6. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ so với khi sử dụng xăng ........... 75
Hình 4.7. Thay đổi phát thải CO khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng
xăng........................................................................................................................... 76
Hình 4.8. Thay đổi phát thải HC khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng
xăng........................................................................................................................... 76
Hình 4.9. Thay đổi phát thải NOx khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng
xăng........................................................................................................................... 76

7


LỜI MỞ ĐẦU
Động cơ đốt trong có một vai trò quan trọng đối với sự phát triển nền
kinh tế thế giới, nó là nguồn động lực chủ yếu cho phát triển giao thông, xây
dựng, khai khoáng… Nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong là xăng và
diesel, tuy nhiên đây là những loại nhiên liệu có xuất xứ từ dầu mỏ hay nói cách
khác là nhiên liệu hóa thạch và được dự báo là sẽ cạn kiệt trong vòng vài chục
năm tới do nhu cầu khai thác và sử dụng đang ngày càng gia tăng của con người.
Do đó, nhiều nước trên thế giới đang tìm cách phát triển các nguồn nhiên
liệu thay thế khác, trong đó phải kể đến nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu sinh học 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 vật (mỡ động vật ) ngũ cốc (lúa
mì, ngô…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm thải trong

công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…), Nhiên liệu sinh học được sử dụng
phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ xăng.
Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ xăng có thể kể đến như bioethanol và
biomethanol, trong đó đặc biệt là bioethanol, đây là loại nhiên liệu sinh học được
sử dụng rất rộng rãi trên thế giới.
Do vậy, trong luận văn này, tôi sẽ trình bày về nhiên liệu sinh học dùng cho
động cơ xăng như bioethanol, trong đó tập trung chủ yếu vào bioethanol để hiểu rõ
về các vấn đề liên quan đến các loại nhiên liệu này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy GS Phạm Minh Tuấn, cảm ơn
các bạn trong lớp Cao học 2011B- lớp Kỹ thuật động cơ nhiệt đã giúp đỡ tôi
hoàn thành luận văn này. Vì thời gian và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên
luận văn không tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp để luận
văn được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!

8


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề.
Theo số liệu thống kê cuối năm 2010, số xe ô tô trên thế giới có khoảng trên
1,015 tỷ xe đang lưu hành, tăng 3,6% so với con số 980 triệu xe vào cuối năm 2009
và chủ yếu tập trung ở các nước phát triển như Mỹ (239,8 triệu xe), Trung Quốc (78
triệu xe), Nhật Bản (73,9 triệu xe). Tính trung bình, cứ 6,75 người lại có một người
đang sở hữu ô tô. Ở Việt Nam, số lượng ô tô đang tăng rất mạnh. Tính tới tháng 3
năm 2009 thì số lượng ô tô tại Việt Nam là khoảng 990 nghìn chiếc và tập trung chủ
yếu ở hai thành phố lớn là TP Hồ Chí Minh và Thủ đô Hà Nội (hình 1.1). Theo
thống kê mới nhất của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng xe ô tô tính đến tháng 6
năm 2011 là 1,344 triệu xe.

Hình 1.1. Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam

9


Với tốc độ tăng trung bình khoảng
10% số lượng xe ô tô như hiện nay chính
là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường
cũng như lượng tiêu thụ nhiên liệu. Theo
báo cáo môi trường quốc gia năm 2010,
hoạt động giao thông đóng góp gần 85%
lượng khí CO, 95% lượng VOC trên toàn
quốc và chiếm khoảng 70% nguồn gây ô

Hình 1.2. Tỷ lệ phát thải các khí gây ô

nhiễm không khí ở các khu đô thị lớn nhiễm theo các nguồn phát thải chính của
Việt Nam năm 2008

(hình 1.2).
Ở các đô thị, giao thông vận tải là
nguồn gây ô nhiễm lớn nhất đối với
không khí, đặc biệt là sự phát thải các khí
CO, VOC, và NO2. Lượng khí thải này
tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển
về số lượng và các phương tiện giao
thông đường bộ (hình 1.3).
Xét trên từng phương diện tham gia
giao thông thì lượng khí thải từ xe máy là

Hình 1.3. Lượng khí thải CO do các
phương tiện cơ giới đường bộ gây ra

tương đối nhỏ, trung bình một xe máy xả
ra lượng khí thải chỉ bằng 1/4 so với xe ô
tô con. Tuy nhiên do số lượng xe máy
tham gia giao thông chiếm tỷ lệ lớn hơn
và chất lượng nhiều loại xe đã xuống cấp
nên xe máy vẫn là nguồn đóng góp chính
các loại khí ô nhiễm, đặc biệt đối với các
khí thải như CO và VOCs. Trong khi đó,
Hình 1.4. Tỷ lệ phát thải các chất gây ô
nhiễm phương tiện cơ giới đường bộ

10


xe tải và xe khách các loại lại thải
nhiều SO2 và NO2 (hình 1.4).
Với mật độ các loại phương tiện
giao thông lớn, chất thải các loại
phương tiện giao thông kém và hệ
thống giao thông chưa tốt thì lượng khí
thải gây ô nhiễm môi trường không khí
từ giao thông vận tải đang có xu hướng
gia tăng. Xe ô tô, xe máy ở Việt Nam
bao gồm nhiều chủng loại. Nhiều xe đã
qua nhiều năm sử dụng nên có chất

Hình 1.5. Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử

dụng tại Hà Nội năm 2009

lượng kỹ thuật thấp, có mức tiêu thụ nhiên liệu và nồng độ chất độc hại trong khí xả
cao, tiếng ồn lớn. Ngay tại các thành phố lớn, tỷ lệ những xe đã qua sử dụng nhiều
năm vẫn cao (hình 1.5).
Vì vậy với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông, số lượng, chất lượng các
phương tiện giao thông như ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung thì vấn đề
tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra vẫn đang là một trong
những vấn đề được nhà nước, các tổ chức quan tâm nhất để cải thiện môi trường
cũng như năng lượng.
Nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học ngày càng được tăng cường trên
thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng nhằm góp phần giảm dần sự phụ thuộc
vào nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường.
Ngày 20/11/2007 Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định 177/2007/QĐ-TTg phê
duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020,
[1]. Theo đó, đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn
(pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước và đến
năm 2025 những số liệu tương ứng là 1,8 triệu tấn và 5%. Để thực hiện Đề án,
nhiều nghiên cứu đã được tiến hành đã đi đến kết luận rằng sử dụng xăng E5 (95%
A92 + 5% ethanol) không ảnh hưởng đến tính năng kinh tế kỹ thuật, tuổi thọ của

11


động cơ và không phải thực hiện bất cứ điều chỉnh hay thay đổi gì. Vì vậy, xăng E5
đã được chính thức bán trên thị trường với giá rẻ hơn A92 khoảng 500đ/lít. Ngoài
ra, nhiều đề tài nghiên cứu đang được tiến hành nhằm tăng tỷ lệ pha ethanol lớn hơn
5% để tận dụng những ưu việt của xăng pha ethanol và tạo thị trường để tăng cường
sản xuất ethanol, đồng thời thực hiện lộ trình tăng tỷ lệ nhiên liệu sinh học như đã
nêu ra trong Đề án nói trên.

Khi tăng tỷ lệ pha ethanol, cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ pha đến
tính năng kinh kế, kỹ thuật, phát thải và tuổi thọ của động cơ cũng như đến tính cần
thiết phải điều chỉnh hoặc thay đổi kết cấu động cơ và vật liệu các chi tiết.
Đề tài “Nghiên cứu mô phỏng tính năng động cơ xăng lắp trên ô tô sử dụng
xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5%” nhằm thực hiện một trong những nội
dung nói trên.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Đánh giá được tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi
dùng nhiên liệu xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5% bằng phương pháp mô
phỏng.
1.3 Giới hạn nghiên cứu
Việc thực hiện đề tài này nhằm mục đích thông qua phần mềm mô phỏng hiện
đại AVL BOOST đánh giá việc sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn ethanol đến đặc
tính của động cơ ô tô. Qua đó cũng có thể đánh giá khả năng tăng tỷ lệ ethanol trong
nhiên liệu.
Vì Việt Nam mới chỉ bắt đầu sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn với tỷ lệ thấp
(5%) nên muốn nâng tỷ lệ ethanol lên cao hơn từ 10 – 20% thì phải có quá trình
nghiên cứu, xác định ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu đó đến tính năng làm việc,
phát thải, tuổi thọ... của động cơ ở nhiều chế độ làm việc, các dải tốc độ khác nhau.
Vì vậy em đã tiến hành mô phỏng động cơ chạy ở nhiều dải tốc độ khác nhau ở chế
độ toàn tải – chế độ làm việc khắc nghiệt nhất của động cơ. Kết quả cũng cho thấy
được sự thay đổi về công suất, phát thải, suất tiêu hao nhiên liệu cũng như đặc tính
cháy của động cơ khi sử dụng hai loại nhiên liệu trên. Từ đó có thể đánh giá được

12


phần nào những ưu việt của việc sử dụng nhiên liệu mới trên động cơ xăng hiện nay
cũng như những thay đổi về kết cấu của động cơ để đảm bảo những tính năng kĩ
thuật mà mình mong muốn khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu.

Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên em chưa thể tìm hiểu hết tất cả những ảnh
hưởng của việc sử dụng hỗn hợp xăng – nhiên liệu thay thế đến các yếu tố khác của
động cơ như pha phối khí phù hợp... Mặc dù AVL Boost là một trong những phần
mềm một chiều mô phỏng quá trình nhiệt động học của động cơ đốt trong hiện đại
nhất nhưng chắc chắn quá trình mô phỏng vẫn còn có rất nhiều điểm khác so với
quá trình trong thực tế. Vì vậy để đảm bảo tính chính xác của mô hình thì cần phải
có quá trình thử nghiệm thực tế giống với điều kiện mô phỏng.
1.4 Những nghiên cứu về xăng sinh học với tỷ lệ pha > 5%
1.4.1.Tình hình sản xuất và sử dụng bioethanol trên thế giới
Hiện nay, ethanol nhiên liệu trên thế giới được sản xuất chủ yếu từ mía
đường và các nguyên liệu chứa tinh bột. Năm 2006 toàn thế giới đã sản xuất được
38,5 tỷ lít ethanol nhiên liệu (trong đó châu Mỹ chiếm khoảng 70%, châu Á 17%,
châu Âu 10%), trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu, 30% được sử dụng
trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hoá chất (hình 1.6) [2].

Hình 1.6. Biểu đồ sản xuất ethanol trên thế giới năm 2006

13


Hình 1.7. Sản lượng ethanol nhiên liệu thế giới năm 2008

Theo biểu đồ hình 1.6 cho thấy vào năm 2006 Brasil, Mỹ và Trung Quốc là
3 quốc gia đứng đầu về sản xuất và sử dụng ethanol nhiên liệu. Đến năm 2008,
trên thế giới đã sản xuất được trên 17,3 tỷ gallons ethanol nhiên liệu, trong đó Mỹ
vẫn là quốc gia đứng đầu về sản lượng ethanol so với các nước khác trên thế giới,
đặc biệt độ chênh lệch về sản lượng ethanol của nước này so với quốc gia đứng thứ
thứ hai là Brazil đã vượt xa hơn nhiều so với năm 2006 (hình 1.7) [2].
Xét về mức độ phát triển của nhiên liệu sinh học trên thế giới trong những năm
qua được thể hiện trên hình 1.8. Qua hình 1.8 chúng ta nhận thấy kể từ năm 2000

đến năm 2007 lượng nhiên liệu sinh học đã tăng từ 17 tỷ lít vào năm 2000 lên tới
hơn 52 tỷ lít vào năm 2007. Trong đó ethanol tăng từ 16 tỷ lít (năm 2000) lên hơn
41 tỷ lít (năm 2007) nhiên liệu sinh học đã đóng góp tới hơn 2% tổng lượng nhiên
liệu sinh học cho các phương tiện vận tải trên thế giới.

Hình 1.8. Biểu đồ sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới đến năm 2007, [3]

14


1.4.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trong khu vực
Trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia phát triển rất nhanh về sản
xuất và sử dụng xăng pha cồn sản xuất từ sắn, ngô, gỉ đường, bã mía. Năm 2004,
Thái Lan đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tư 20 nhà máy để năm 2015 có trên
2,5 tỷ lít cồn dùng làm nhiên liệu.

Hình 1.9. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới (triệu gallons), [4]
1.4.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol ở Việt Nam
1.4.3.1.Tình hình sản xuất
Cồn ở Việt Nam trước kia được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu gỉ
đường. Mỗi năm tổng công suất sản xuất cồn trên cả nước đều tăng tập trung ở 3
nhà máy lớn có công suất từ 15.000 – 30.000 lít/ngày là nhà máy đường Hiệp
Hoà, Lam với công suất từ 3.000 – 5.000 lít/ngày. Sản lượng cồn Việt Nam hiện
nay còn rất nhỏ, công suất sản xuất của mỗi nhà máy cũng nhỏ, các đơn vị sản
xuất cồn đang gặp nhiều khó khăn do nguồn nguyên liệu không ổn định, công
nghệ sản xuất lạc hậu, tốn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm không có sức cạnh
tranh cao.
Do nhu cầu thị trường tiêu thụ cồn trong nước ngày càng tăng, gần đây các
đơn vị sản xuất cồn trong nước đẩy mạnh sản xuất, đồng thời mở rộng thêm
nhiều nhà máy mới.

15


Hình1. 10. Nhà máy sản xuất ethanol tại Quảng Ngãi

Công ty cổ phần mía đường Biên Hoà đầu tư xây dựng nhà máy công
suất 50.000 tấn/năm, Công ty Đồng Xanh đầu tư xây dựng nhà máy công suất
60.000 lít/ngày, Công ty CP Cồn sinh học Việt Nam đầu tư nhà máy 66.000
m3/năm tại Đắc Lắc, BIDV đầu tư nhà máy công suất 100.000 tấn/năm tại Quảng
Nam, Công ty CP Hoá dầu và Nhiên liệu Sinh học Dầu khí xây dựng nhà máy
công suất 100.000 tấn/năm tại Phú Thọ…
Bảng 1.1. Một số nhà máy sản xuất ethanol tại Việt Nam
Tên nhà máy

Công suất

Nhà máy Đại

100 triệu

Lộc, Quảng Nam

lít/năm

Nhà máy Cư-

50 triệu

Dút, Đắc Nông

Nhà máy Tam

lít/năm
100 triệu

Nông, Phú Thọ

lít/năm

Nhà máy

100 triệu

Dung Quất

Ngày hoạt
động dự kiến

Chủ đầu tư

Tiến độ

Công ty Đồng

Đang hoàn

Xanh

thành lắp đặt

Tháng

Công ty Đại Việt

Đang chạy thử
máy

12/2008
Tháng 6/2011

Công ty PVB,

Đã động thổ

thuộc PV OIL

khởi công

Petrosetco,

Đã động thổ

lít/năm

NMLD Bình

khởi công ký

Nhà máy

100 triệu

hợp đồng EPC
Dự kiến quý I

Bình Phước

lít/năm

Sơn
Liên doanh
Petrovietnam
ITOCHU Nhật
bản và PV OIL

hợp đồng EPC

Tháng 3/2009

Tháng 7/2011

Tháng 7/2011

năm 2010 ký

và khởi công

16

1.4.3.2.Tình hình sử dụng

Hình 1.11. Cây xăng bán xăng ethanol tại Việt Nam

Ngày 15/9/2008 Công ty cổ phần kinh doanh hóa dầu và nhiên liệu sinh
học (PVB), một đơn vị thành viên của Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOIL) đã
lần đầu tiên giới thiệu và bán thí điểm xăng E5 tại hai trạm bán lẻ xăng dầu ở Hà
Nội thuộc hệ thống phân phối xăng dầu của PVOIL. PVB nhập khẩu ethanol tuyệt
đối 99,6 % thể tích từ Trung Quốc, sau đó pha với xăng A95 và A92 với tỷ lệ 5
% ethanol theo thể tích để thành xăng ethanol E5. Xăng vẫn bảo đảm an toàn cho
động cơ đồng thời giảm ô nhiễm môi trường.
Xăng E5 ban đầu được bán thử nghiệm cho 50 xe tắc xi gồm hai loại: loại 4
chỗ và 7 chỗ ngồi, thuộc hiệp hội taxi thành phố Hà Nội. Thời gian bán thử
nghiệm là 6 tháng, PVB đã thu thập các ý kiến phản hồi từ khách hàng để trình kết
quả thử nghiệp với Bộ Công thương.
Sự giới thiệu và sử dụng xăng E5 đã được công chúng tiếp nhận nhiệt tình
trong điều kiện hoàn cảnh giá xăng dầu trong nước và lạm phát tăng cao. Hàng
nghìn người đã xếp hàng chờ mua và háo hức sử dụng loại nhiên liệu mới này.
Tuy nhiên Bộ Công thương đã yêu cầu dừng bán xăng E5 rộng rãi ra công
chúng vì đến thời điểm năm 2008, Việt Nam chưa có quy chuẩn quy định về xăng

17


pha ethanol, trong khi đó xăng dầu là mặt hàng phải tuân theo quy chuẩn của Nhà
nước nên không thể bán ra thị trường nếu không có quy chuẩn. Công ty PVB chỉ
được phép bán thử nghiệm cho các xe taxi một thời gian để đánh giá tác động của
loại xăng mới đối với động cơ xe đang lưu hành tại Việt Nam, sau đó phải có quy
chuẩn Nhà nước về loại xăng này mới được bán rộng rãi ra công chúng.
Nhiều công ty và các tổ chức khoa học cũng đã chủ động phối hợp nghiên cứu

và thực hiện việc đánh giá ảnh hưởng của việc xăng pha ethanol đối với động cơ
và việc phân phối thử nghiệm xăng E5 thương mại như trung tâm nghiên cứu dầu
khí (PVPRO), Công ty taxi Đà Nẵng, Công ty xăng dầu Petrolimex miền trung,
Công ty cổ phần sản xuất ethanol Đồng Xanh,... Viện Nghiên cứu rượu bia và
nước giải khát cũng đã nghiên cứu và đưa ra các kết quả về sử dụng ethanol làm
nhiên liệu thay thế cho một số loại động cơ. Viện Công nghệ thực phẩm đã và
đang nghiên cứu sản xuất ethanol từ phế thải nông nghiệp. Nhiều đơn vị trong đó
có APP, Sài Gòn Petro, Công ty Mía đường Lam Sơn đã lên kế hoạch pha chế thử
nghiệm và tiến tới sản xuất ở ethanol quy mô phù hợp và đưa vào sử dụng.
Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã phối hợp với một số trường
đại học lớn như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh
tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu sinh học, trong đó đã chứng
minh việc sử dụng xăng pha ethanol thay thế xăng thông thường tốt hơn cho động
cơ xăng.
Đi tiên phong trong việc xây dựng và phân phối nhiên liệu sinh học là Tổng
Công ty Dầu Việt Nam (PV OIL). PV OIL đã tiến hành đầu tư hai nhà máy ethanol
với tổng công suất 200 triệu lít/năm, trong đó dự án đầu tư xây dựng Nhà máy
ethanol Bình Phước được thực hiện với sự hợp tác đầu tư cùng Tập đoàn
ITOCHU Nhật Bản tại tỉnh Bình Phước.
Sau khi Bộ Công thương đã chấp thuận kết quả thử nghiệm xăng E5 của
công ty PVB và trên cơ sở các tiêu chuẩn về nhiên liệu E5, B5 mới được ban hành
trong tháng 5/2009, Tổng công ty Dầu Việt Nam đã thành Ban chuyên trách (task
force) gồm các lãnh đạo và các nhân sự chủ chốt của PV OIL để tiến hành triển

18


khai bán thí điểm xăng E5, B5 trên phạm vi 6 tỉnh thành lớn nhất Việt Nam là thành
phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, Cần Thơ, Đà Nẵng, Vũng Tầu, Nha Trang, [5].
1.5 Phương pháp nghiên cứu

Như đã trình bày ở trên với tốc độ tăng trung bình khoảng 10% số lượng xe ô
tô như hiện nay thì tình trạng ô nhiễm môi trường, lượng tiêu thụ nhiên liệu cũng sẽ
tăng tỷ lệ thuận với tốc độ tăng số lượng xe ô tô. Việc nghiên cứu các giải pháp về
mặt kỹ thuật cũng như nhiên liệu để giảm được phát thải từ động cơ, giảm lượng
nhiên liệu tiêu thụ là vô cùng cấp bách. Ngoài các hướng nghiên cứu cải tiến động
cơ như chuyển từ động cơ dùng chế hoà khí sang phun xăng điện tử, sử dụng
nguyên lý HCCI, động cơ hybrid thì cải thiện chất lượng nhiên liệu cũng là một
hướng đi rất được quan tâm hiện nay. Với số lượng ô tô ngày một tăng nhanh, nước
ta đã bước đầu tập trung vào nghiên cứu vào việc ứng dụng sử dụng nhiên liệu sinh
học E5, E10… Vì vậy, trong nội dung của luận văn, em xin trình bày về việc nghiên
cứu sử dụng nhiên liệu mới trên động cơ ô tô Toyota – 5A sử dụng chế hòa khí trên
phầm mềm AVL Boost. Dưới đây là bảng thông số cơ bản của động cơ Toyota –
5A:
Bảng 1.2. Các thông số cơ bản của động cơ ô tô Toyota – 5A
Thông số

Nội dung, giá trị

Loại động cơ

Động cơ 4 xy lanh, đánh lửa cưỡng bức

Dung tích xylanh

1498 cm3

Đường kính xylanh

78,7 mm

Hành trình piston

77 mm

Tỷ số nén

10,5 : 1

Công suất cực đại

58,2 kW/4800 vòng/phút

Hệ thống nhiên liệu

Bộ chế hòa khí

1.6 Nội dung thực hiện
- Nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu xăng sinh học nói chung và xăng pha
cồn nói riêng.

19


- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán trong phần mềm BOOST.
- Xây dựng mô hình động cơ TOYOTA 5A trên phần mềm BOOST (nhập dữ
liệu đầu vào, chạy mô hình và đánh giá độ tin cậy của mô hình).
- Sử dụng mô hình để khảo sát:
+ Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu E5, E10, E20 và E85 đến đặc tính
công suất, tiêu hao nhiên liệu và mức phát thải của động cơ bằng phần mềm
BOOST.

+ Lựa chọn lượng nhiên liệu cung cấp (gnl tăng) và góc đánh lửa sớm
(S giảm) phù hợp để đảm bảo cho động cơ làm việc với nhiên liệu E5, E10, E20 và
E85 có đặc tính kỹ thuật như động cơ sử dụng nhiên liệu xăng thông thường.
1.7 Kết luận chương I
Như trên đã trình bày, ta thấy được ảnh hưởng của ô tô đến giao thông, ô
nhiễm tại Việt Nam là rất lớn và ngày một tăng mạnh. Việc nghiên cứu các giải
pháp để giảm thiểu những ảnh hưởng không tốt của ô tô đến vấn đề an ninh năng
lượng và ô nhiễm môi trường là điều vô cùng cấp bách. Sử dụng nhiên liệu thay thế
để dần thay thế cho xăng và diesel là một trong những hướng đi đang được quan
tâm hiện nay. Để ứng dụng được vào thực tế thì cần phải có quá trình nghiên cứu kỹ
lưỡng cả lý thuyết lẫn thực nghiệm. Để quá trình thực nghiệm trở nên đơn giản hơn
thì ta có thể tiến hành nghiên cứu trên lý thuyết trước đó thông qua các phần mềm
mô phỏng hiện đại. Vì vậy với nội dung của luận văn, em hy vọng nó có thể giúp
ích phần nào trong việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol.

20


CHƯƠNG II: NHIÊN LIỆU SINH HỌC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ
ĐỐT TRONG
2.1 Các loại nhiên liệu sinh học
2.1.1. Giới thiệu chung về các nhiên liệu cồn sinh học
Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có
nguồn gốc động thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động
thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương...), chất thải
trong nông nghiệp (rơm rạ, phân, ...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa,
sản phẩm gỗ thải...),...Chúng bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, ethanol pha
trộn (ethanol – blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật. Nhiên liệu sinh
học hiện nay sử dụng trong giao thông vận tải là ethanol sinh học, diesel sinh học và
xăng pha ethanol. Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên

liệu truyền thống (dầu khí, than đá…).
2.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp
Như khái niệm ở trên về nhiên liệu sinh học thì nhiên liệu sinh học được sản
xuất từ rất nhiều dạng khác nhau. Tuy nhiên, chúng ta có thể tổng hợp một số
nguyên liệu chính để sản xuất ra nhiên liệu sinh học.
2.1.2.1. Cồn
a) Methanol
Đây là loại cồn đơn giản nhất chỉ chứa một nguyên tử C trong mỗi phân tử.
Nó không có màu, là chất lỏng nhạt với mùi gây chóng mặt, độc và gây ăn mòn.
Chất lỏng methanol có thể hấp thụ qua da. Phần lớn methanol được làm từ than đá
và khí tự nhiên, cũng có thể được làm từ nguồn tái sinh như gỗ hoặc giấy thải.
methanol thường được biết tới như “cồn gỗ”. Để làm nguyên liệu động cơ chúng ta
có thể dùng methanol nguyên chất (M100), thực tế chỉ dùng M85 là hỗn hợp chứa
85% methanol và 15% xăng, có chỉ số octan 102. Do M85 là chất lỏng, nó có thể
được tích trữ và phân phối trong hệ thống phân phối chất lỏng như xăng. Để dùng
M85, động cơ phải được thay đổi cho phù hợp như: tỷ số nén cao hơn, hệ thống nạp

21


phải thiết kế lại để đảm bảo lấy đủ khí và dầu bôi trơn chịu được sự tấn công tự
nhiên của methanol. Do vậy, hầu hết trên động cơ dùng nhiên liệu thay thế đều
được trang bị một cảm biến đặc biệt để nhận biết tỷ lệ cồn và xăng rồi đưa ra tín
hiệu phản hồi tới ECU để điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu phù hợp cũng như quyết định
tới thời điểm đánh lửa. Động cơ dùng nhiên liệu methanol yêu cầu loại dầu bôi trơn
riêng, đắt hơn dầu thường vì được sản xuất với số lượng hạn chế.
Methanol được sản xuất nhờ quá trình hóa hơi khí thiên nhiên, trong quá
trình này thì thành phần lưu huỳnh trong khí thiên nhiên sẽ được lọc sạch. Tiếp đó,
khí thiên nhiên sẽ được phản ứng với hơi nước trong điều kiện áp suất, nhiệt độ cao
để tạo nên CO và H2. Những thành phần này được đưa vào bộ xúc tác để điều chế

methanol.

Hình 2.1. Quy trình sản xuât methanol trong công nghiệp [3]

b) Ethanol
Ethanol có thể được sản xuất từ nguồn nhiên liệu sinh học như khoai tây,
ngô, củ cải đường, mía đường, gỗ, chất thải nhà máy bia và nhiều sản phẩm nông
nghiệp khác, thực phẩm hỏng trong quá trình nên men và cũng có thể sản xuất từ
khí thiên nhiên và dầu thô. Ethanol hầu như không độc, hòa tan được trong nước, có
thể bị phân hủy và dễ cháy hơn xăng. Ethanol nguyên chất ít được dung làm nhiên

22


liệu, nhưng thường được trộn với xăng để tạo ra nhiên liệu sạch. Theo thống kê cuối
năm 2012, sản lượng ethanol trên toàn thế giới đạt 21,653 triệu gallons (81,965 triệu
lít) tăng 25% so với năm 2008 [4]. Điều đó chứng minh thế giới đang rất quan tâm
tới nguồn năng lượng thay thế này và đồng thời ngành công nghiệp sản xuất nhiên
liệu sinh học, nhiên liệu ethanol sẽ rất phát triển trong những năm tới. Tiên phong
trong việc ứng dụng và sản xuất ethanol là Mỹ (33,455 triệu lít) và Brazil (22,674
triệu lít).
Nhiều năm qua ở Mỹ, người ta pha 10% thể tích ethanol vào xăng và gọi là
xăng pha cồn hoặc E10. Brazil là nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên
liệu sử dụng động cơ trên toàn thế giới và họ sử dụng chủ yếu là ethanol sinh học
được làm từ mía đường.

Hình 2.2 Lượng ethanol sản xuất trên toàn thế giới, [4]

23

Hình 2.3 Quy trình sản xuất ethanol

2.1.2.2. Dầu thực vật
Nhiên liệu thực vật về tính chất lý hóa, phần lớn có trị số Xetan cao và trị số
Octan thấp, độ nhớt và nhiệt độ tự cháy thấp chỉ có thể sử dụng cho động cơ diesel.
Dầu thực vật có thể là nhiên liệu bao gồm hạt cây cải dầu, dầu oliu, dầu hạt đậu
tương, dầu cọ, dầu cây hướng dương, dầu ngô. Tính chất của chúng là loại nhiên
liệu tiềm năng dùng cho động cơ diesel. Lần đầu tiên, vào đầu thập kỷ 70 của thế kỷ
trước, dầu thực vật thô được thử làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Kết quả thử
nghiệm cho thấy, những loại dầu này so với nhiên liệu diesel có thời gian phun dài
hơn, thời gian cháy trễ ngắn hơn, thời gian cháy dài hơn. Còn các cuộc thử nghiệm
bền cho thấy có sự thoái hóa động cơ nhanh hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu
diesel, có sự mài mòn của bơm cao áp, đóng muội than ở đế xupap, vòi phun, than
xupap, và tích tụ trong buồng cháy, đỉnh piston, hiệu suất động cơ giảm đáng kể,

24