Sử dụng phương pháp mô hình hóa nghiên cứu đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy nhiên liệu dimethyl ether (DME)

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

NGUYỄN QUANG ĐẠO

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA NGHIÊN CỨU
ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ
CHẠY NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER (DME)

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN THỊ THU HƯƠNG

Hà Nội – Năm 2014


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài của riêng tôi và các kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực.
Hà Nội, tháng

năm 2014

Học viên

Nguyễn Quang Đạo

HV: Nguyễn Quang Đạo

0

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................0
MỤC LỤC ..................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................4
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................6
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ............................................................8
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER .................10
1.1 Tổng quan. .........................................................................................................10

1.1.1 Khí xả động cơ và lý thuyết hình thành các chất gây ô nhiễm trong khí
xả động cơ ....................................................................................................... 11
1.1.2 Tác hại của các chất độc hại từ khí xả động cơ ..................................... 13
1.1.3 Giải pháp ô tô sạch ................................................................................ 16
1.1.4 Mục đích và ý nghĩa nghiên cứu nhiên liệu thay thế ............................ 19
1.2 Nhiên liệu Dimethyl ether (DME) ............................................................ 20
1.2.1 Tính chất của DME ................................................................................ 21
1.2.2 Sản xuất DME ........................................................................................ 23
1.2.3 Tình hình sử dụng DME hiện nay .......................................................... 25

Chƣơng II. CÁC PHƢƠNG ÁN SỬ DỤNG DME TRÊN ĐỘNG CƠ...............28
ĐỐT TRONG ..........................................................................................................28

2.1 Một số nghiên cứu về nhiên liệu DME trên thế giới ................................ 28
2.2 Các khả năng sử dụng DME ..................................................................... 31
2.2.1 Khả năng thay thế hoàn toàn nhiên liệu Diesel..................................... 31
2.2.2 Khả năng dùng lưỡng nhiên liệu trên cùng một hệ thống nhiên liệu..... 34
2.2.3 Khả năng dùng lưỡng nhiên liệu diesel + DME với hai hệ thống nhiên
liệu song song .................................................................................................. 35
2.2.4 Đánh giá các khả năng sử dụng DME.................................................... 36
Chƣơng 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DME ..............37

HV: Nguyễn Quang Đạo

1

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
3.1 Tổng quan về phần mềm AVL Boost ....................................................... 37
3.1.1 Giới thiệu chung ..................................................................................... 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
3.2 Động cơ AVL 5402 ................................................................................... 40
3.3 Thiết lập mô phỏng ................................................................................... 42
3.3.1 Xây dựng mô hình .................................................................................. 42
3.3.2 Mô hình cháy.......................................................................................... 43
3.3.3 Mô hình truyền nhiệt .............................................................................. 44

3.3.4 Quá trình hình thành phát thải................................................................ 48
3.3.5 Kiểm chứng mô hình .............................................................................. 51
3.3.6 Nhập dữ liệu cho mô hình ...................................................................... 52
3.3.7 Các chế độ mô phỏng .......................................................................... 52
Chƣơng 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................53

4.1 Tính năng làm việc của động cơ ............................................................... 53
4.2 Các thành phần phát thải độc hại .............................................................. 55
4.3 Điều chỉnh góc phun sớm tối ưu ............................................................... 57
4.3.1 Điều chỉnh góc phun sớm ...................................................................... 57
4.3.2 Tốc độ tỏa nhiệt và áp suất trong xy lanh. ............................................. 59
...................................................................................................................................60
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.....................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................62

HV: Nguyễn Quang Đạo

2

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển ..............................10
Bảng 1.2 Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (%) .......................................11
Bảng 1.3 Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mỹ (%)...........................................11
Bảng 1.4 Tính chất của DME so sánh với diesel ..................................................21
Bảng 1.5 Các bộ phận quy trình sản xuất DME .................................................24

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ AVL5402...................................................42
Bảng 3.2 Các phần tử để hoàn thiện mô hình ......................................................42
Bảng 3.3. Các thông số điều khiển chung của động cơ AVL 5402 .....................52
Bảng 4.1 Các thông số tính năng của động cơ ......................................................53
Bảng 4.2 Các thành phần phát thải độc hại ..........................................................55
Bảng 4.3 Công suất động cơ thay đổi theo góc phun sớm ...................................57

HV: Nguyễn Quang Đạo

3

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Ô tô chạy bằng nhiên liệu dầu thực vật ở Pháp ...................................18
Hình 1.2 Sơ đồ quy trình sản xuất DME...............................................................24
Hình 1.3. Bếp đun dùng nhiên liệu DME ..............................................................26
Hình 1.4 Một số ôtô dùng động cơ nhiên liệu DME .............................................26
Hình 1.5 Xe chở nhiên liệu DME ...........................................................................27
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ diesel sử dụng nhiên liệu DME ....32
Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu DME hiện đại của hãng Volvo ..................33
Hình 2.3 Động cơ sử dụng hệ thống common rail của Ford Motor ...................34
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu .......................................................................35
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu ........................................................................36
Hình 3.1 Giao diện phần mềm AVL Boost ...........................................................39
Hình 3.2 Mặt cắt dọc, mặt cắt ngang động cơ AVL 5402 ....................................41
Hình 3.3 Mô hình động cơ AVL-5402 trên AVL Boost ......................................43
Hình 3.4: Tỷ lệ mol CO dự đoán: hàm lƣợng CO cân bằng và CO động học

(tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải, A/F = 12,6) ....................................................49
Hình 3.5: Tỷ lệ mol dự đoán của CO theo hàm giữa góc đánh lửa sớm và hệ số
dƣ lƣợng không khí (tốc độ động cơ 3000rpm, toàn tải) .....................................50
Hình 3.6. Kiểm chuẩn áp suất buồng cháy ...........................................................51
...................................................................................................................................54
Hình 4.1 Công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu DME và diesel ..................54
Hình 4.2 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ .....................................................54
Hình 4.3 Phát thải CO của động cơ chạy nhiên liệu DME và diesel ..................55
Hình 4.4 So sánh phát thải NOx của nhiên liệu DME với diesel ........................56
Hình 4.5 So sánh phát thải PM của nhiên liệu DME với diesel ..........................56
Hình 4.6 Đồ thị góc phun sớm tối ƣu tại tốc độ 1000 vòng/ phút .......................58
Hình 4.7 Đồ thị góc phun sớm tối ƣu tại tốc độ 1400 vòng/ phút .......................58
Hình 4.8 Đồ thị góc phun sớm tối ƣu tại tốc độ 1800 vòng/phút ........................59

HV: Nguyễn Quang Đạo

4

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Hình 4.9 Đồ thị tốc độ tỏa nhiệt tại góc phun sớm 12 độ và tốc độ n=1400v/ph ..60
Hình 4.10 Đồ thị đỉnh áp suất trong xy lanh ........................................................60

HV: Nguyễn Quang Đạo

5

MSHV: CA120118

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, cùng với sự triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội, thế
giới cũng đang đối mặt với nhiều khó khăn thức thách. Nguồn nhiên liệu hoá thạch
vốn có hạn, đang ngày càng cạn kiệt. Giá dầu mỏ ngày càng tăng cao, ảnh hưởng
đến đời sống và nền kinh tế toàn thế giới. Bên cạnh đó cả thế giới cũng đang đối
mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường sống do phát thải gây ra ngày càng báo động.
Các loại khí độc hại như NOx, CO2, SO2...phát thải từ các phương tiện giao thông,
các khu công nghiệp, các nhà máy, cơ sở dịch vụ đang làm ô nhiễm không khí và
bầu khí quyển. Chính vì điều này đã đặt ra vấn đề cho các nhà khoa học, là phải nỗ
lực tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế, nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường.
Nhiên liệu thay thế từ lâu đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của nhiều nhà
khoa học trên thế giới, bởi những lợi ích cũng như bảo đảm an ninh năng lượng và
đáp ứng được các yêu cầu về môi trường. Trong số các nhiên liệu thay thế, thì DME
cũng rất được quan tâm vì sạch và có nhiều ứng dụng quan trọng như sử dụng làm
chất đốt trong dân dụng và công nghiệp thay thế cho LPG hay khí thiên nhiên NG,
làm nhiên liệu thay thế cho diesel và một số ứng dụng khác. Hơn nữa, DME có khả
năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ trị số cetane cao. DME có
thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như nhiên liệu gốc hoá thạch, than đá,
khí thiên nhiên và sinh khối.
Cải thiện khả năng sử dụng các nguồn năng lượng mới và giảm các phát thải
độc hại là mục tiêu chính của các nhà khoa học. Ở Việt Nam đã có nhiều nghiên
cứu về nhiên liệu thay thế. Tuy nhiên để đưa được các nhiên liệu thay thế vào trong
thực tế cần phái có những nghiên cứu để đánh giá các đặc tính công suất, tiêu hao
nhiên liệu, và phát thải của động cơ. Chính vì những ý nghĩa thực tiễn trên mà tôi
chọn đề tài “Sử dụng phương pháp mô hình hoá nghiên cứu đặc tính làm việc và
phát thải của động cơ chạy nhiên liệu dimethyl ether (DME)”.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Trần Thị Thu Hƣơng cùng với sự giúp

đỡ của các thầy cô bộ môn Động cơ đốt trong và Phòng thí nghiệm động cơ đốt
trong em đã hoàn thành luận văn này. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức

HV: Nguyễn Quang Đạo

6

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
và trình độ hiểu biết có hạn nên khó có thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong sự chỉ
bảo dóng góp của các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày…..tháng 4 năm 2014
Học viên thực hiện

Nguyễn Quang Đạo

HV: Nguyễn Quang Đạo

7

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1. Mục đích của đề tài.
Nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong của Việt Nam và các nước

trên thế giới ngày càng tăng, trong khi nguồn nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn
kiệt. Vấn đề về ô nhiễm môi trường do phát thải gây ra ngày càng báo động ảnh
hưởng trực tiếp tới đời sống, sức khoẻ của mọi người trong xã hội. Vì vậy con
người cần tìm ra nguồn năng lượng mới thay thế nhiên liệu hoá thạch. Xuất phát từ
nhu cầu thực tiễn và cấp bách đó, các nhà khoa học, các công ty, tập đoàn, chính
phủ các nước đẩy mạnh nghiên cứu và đưa vào sử dụng các loại nhiên liệu thay thế
cho động cơ đốt trong nhằm giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch, giảm
sự ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc giữa các nước với nhau trong việc cung
cấp nhiên liệu hoá thạch phục vụ sinh hoạt và sản xuất. Tuy nhiên, để những nhiên
liệu thay thế được đưa vào thực tế cần có những nghiên cứu cụ thể đánh giá được
các công suất, mức tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ chạy bằng nhiên
liệu thay thế đó. Dimethyl ether (DME) là một trong những loại nhiên liệu có khả
năng thay thế cho nhiên liệu diesel và có thể sản xuất từ các nguồn sinh khối. Mục
đích của đề tài là nghiên cứu mô phỏng các đặc tính của động cơ khi sử dụng nhiên
liệu DME, với mục đích rút ngắn quá trình, thời gian và chi phí cho việc nghiên cứu
thực nghiệm trên động cơ thực, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của loại nhiên
liệu thay thế này.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Nghiên cứu về cơ chế hình thành, tác hại của các thành phần độc hại có trong
khí xả của động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Đánh giá quá trình cháy, hình thành phát thải, cũng như công suất của động
cơ AVL 5402 qua mô phỏng động cơ sử sụng nhiên liệu DME trên phần mềm AVL
BOOST.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Nhiên liệu thay thế là một vấn đề cấp bách và cần thiết tại nhiều quốc gia
trên thế giới hiện nay. Tại một số quốc gia trên thế giới việc nghiên cứu, ứng dụng

HV: Nguyễn Quang Đạo

8

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
nhiên liệu thay thế đã có từ lâu và đã phần nào giải quyết được vấn đề năng lượng
của quốc gia đó. Còn ở Việt Nam đây là vấn đề vẫn còn nhiều mới mẻ, việc nghiên
cứu sử dụng nhiên liệu thay thế vẫn còn nhiều việc cần làm, do điều kiện về kinh tế,
khoa học công nghệ, môi trường sản xuất cũng như chất lượng phương tiện giao
thông khác nhiều so với các nước trên thế giới. Chính phủ Việt Nam hiện nay cũng
đã rất quan tâm đến vấn đề này, các trường đại học, các trung tâm và viện nghiên
cứu chuyên ngành cũng đã được chính phủ quan tâm đầu tư cơ sở vật chất, đào tạo
nguồn nhân lực đáp ứng bước đầu nhu cầu phát triển nhiên liệu thay thế.
Đề tài nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn đối với việc định hướng sản xuất
và sử dụng nhiên liệu DME thông qua các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiên liệu
này tới tính năng làm việc và đặc tính phát thải của động cơ. Đồng thời giúp người
tiêu dùng hiểu rõ hơn về một loại nhiên liệu thay thế có tính khả thi cho động cơ và
cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho những nghiên cứu sau này.
4. Các nội dung của luận văn.
- Tổng quan về nhiên liệu dimethyl ether
+ Tổng quan về nhiên liệu DME
+ Nhiên liệu DME
- Các phương án sử dụng DME trên động cơ đốt trong
+ Một số nghiên cứu về nhiên liệu DME
+ Các khả năng sử dụng DME
- Mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu DME
+ Tổng quan về phần mềm AVL Boost
+ Động cơ AVL 5402
+ Thiết lập mô phỏng
- Kết quả và thảo luận

+ Tính năng làm việc của động cơ
+ Các thành phần phát thải độc hại
- Kết luận và hướng phát triển của đề tài

HV: Nguyễn Quang Đạo

9

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DIMETHYL ETHER
1.1 Tổng quan.
Ô nhiễm môi trường - một trong những vấn đề hết sức nghiêm trọng mà
chúng ta đang phải đối mặt. Thật vậy, trong sản xuất và đời sống, trong quá trình
phát triển của nền kinh tế công nghiệp cùng với những thói quen sinh hoạt, con
người đã thải vào bầu khí quyển hàng triệu tấn các chất thải độc hại, ảnh hưởng trực
tiếp đến sức khoẻ của con người. Điều đó đã thôi thúc các nhà khoa học nghiên cứu
để tìm rõ nguồn phát sinh ô nhiễm chủ yếu và từ đó tìm các biện pháp khắc phục,
nhằm hạn chế đến mức thấp nhất mức độ phát sinh ô nhiễm. Một trong các nguồn
phát sinh ô nhiễm môi trường không khí đã được các nhà khoa học tìm ra và được
họ quan tâm nhất đó là: khí xả động cơ đốt trong.
Nồng độ của câc chất gây ô nhiễm môi trường không khí có mặt trong khí xả
động cơ như : NOx, CO, HC, bồ hóng...có xu hướng gia tăng mạnh mẽ cùng với sự
gia tăng của câc loại phương tiện giao thông vận tải. Các số liệu cho trong bảng
dưới đây cho thấy sự gia tăng một cách đáng ngại nồng độ của một số chất ô nhiễm
trong bầu khí quyển [1].
Bảng 1.1 Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển
Chất ô

Thời kỳ tiền công Hiện nay

Tốc độ tăng

nhiễm

nghiệp (ppm)

(ppm)

(%/năm)

CO2

270

340

0,4

N2 O

0,28

0,3

0,25

CO

0,05

0,13

3

SO2

0,001

0,002

2

HV: Nguyễn Quang Đạo

10

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Bảng 1.2 Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (%)
Nguồn phát ô nhiễm

CO

HC

NOx

Ôtô

93,0

57,3

39

Sản xuất điện năng

0,1

0,1

21,5

Quá trình cháy trong công nghiệp

0,0

26,4

31,3

Các quá trình cháy khác

6,3

0,7

0,8

Công nghiệp dầu mỏ

-

14,8

5,1

Các hoạt động khác

0,6

0,7

2,6

Tổng cộng

100

100

100

Bảng 1.3 Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mỹ (%)
Nguồn phát ô nhiễm

CO

HC

NOx

Ô tô

64,7

45,7

36,6

Các phương tiện giao thông khác

9,0

7,2

10,5

Quá trình cháy trong công nghiệp

9,1

16,8

42,8

Công nghiệp dầu mỏ

5,2

5,3

1,7

Các hoạt động khác

12,5

25,0

8,4

Tổng cộng

100

100

100

1.1.1 Khí xả động cơ và lý thuyết hình thành các chất gây ô nhiễm trong khí
xả động cơ
1.1.1.1. Cơ chế hình thành CO

CO sinh ra do quá trình cháy không hoàn toàn của hỗn hợp giàu hay do

phân giải sản phẩm của quá trình cháy. Nồng độ CO phụ thuộc vào thành
phần hỗn hợp, hay nói cách khác, phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí

.

Ở điều kiện hỗn hợp giàu, lượng ôxi có mặt trong hỗn hợp không đủ để ôxi
hoá hoàn toàn cacbon của nhiên liệu thành khí CO2. Mặt khác ở điều kiện
nhiệt độ cao, phản ứng phân giải sản phẩm cháy cũng làm tăng nồng độ CO
ngay cả khi hỗn hợp nghèo.
HV: Nguyễn Quang Đạo

11

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Khi động cơ làm việc ở chế độ non tải, do điều kiện cháy của hỗn hợp không
thuận lợi, tạo ra các vùng cháy không hoàn toàn cục bộ, nên nồng độ CO trong khí
xả cao cho dù hệ số dư lượng không khí

được bộ tạo hỗn hợp điều chỉnh dao

động chung quanh giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết. Chính vì lẽ đó, khi ôtô hoạt
động trong thành phố thì sự phát sinh CO đáng quan tâm nhất, do động cơ thường
xuyên làm việc ở chế độ tải thấp.
1.1.1.2. Cơ chế hình thành NOx
+ Cơ chế hình thành monoxyde nitơ (NO)
Sự hình thành NO do ôxy hoá nitơ trong không khí có thể được mô tả bằng cơ
chế Zeldovich. Trong điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, những phản ứng

chính tạo thành và phân huỷ NO là:
O + N2

NO + N

(1.1)

N + O2

NO + O

(1.2)

N + OH

NO + H

(1.3)

Phản ứng (1.3) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu. NO tạo thành trong màng lửa và
trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa. Trong động cơ, quá trình cháy diễn ra
trong điều kiện âp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1mm) và thời gian
chây rất ngắn, thêm vào đó áp suất trong xylanh tăng trong quá trình cháy, điều này
làm cho bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu
vực màng lửa nên đại bộ phận NO hình thành trong khu vực sau màng lửa.
+ Cơ chế hình thành dioxyde nitơ (NO2)
Dioxyde nitơ NO2 được hình thành từ monoxyde nitơ NO và các chất trung
gian của sản vật cháy theo phản ứng :
NO + H2O

NO2 + OH

(1.4)

Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 có thể bị phân giải theo phản ứng :

HV: Nguyễn Quang Đạo

12

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

NO2 + O

NO + O2

(1.5)

Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có
nhiệt độ thấp thì phản ứng (1.5) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản
vật cháy. NO2 cũng hình thành trên đường xả khi tốc độ thải thấp và có sự hiện
diện của ôxy.
+ Cơ chế hình thành protoxyde nitơ (N2O)
Protoxyde nitơ N2O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO
khi chúng tác dụng với NO.
NH + NO

N2 O + H

NCO + NO

(1.6)

N2O + CO

(1.7)

N2O chủ yếu được hình thành ở vùng ôxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao,
mà hyđrô là chất tạo ra sự phân huỷ mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng :
N2 O + H

NH + NO

(1.8)

N2 O + H

N2 + OH

(1.9)

Chính vì vậy N2O chỉ chiếm tỷ lệ rất thấp trong khí xả của động cơ đốt trong
(khoảng 3

8 ppmV ).

1.1.1.3. Cơ chế hình thành HC

Hydrocarbure chưa cháy HC do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một
bộ phận hỗn hợp nằm ngoài khu vực lan tràn màng lửa. Điều này xảy ra do sự
không đồng nhất của hỗn hợp hoặc do sự dập tắt màng lửa ở khu vực gần thành hay
trong các không gian chết, nghĩa là ở khu vực có nhiệt độ thấp.
1.1.2 Tác hại của các chất độc hại từ khí xả động cơ
1.1.2.1 Đối với sức khỏe con ngƣời
Tác hại của CO: CO ngăn cản sự dịch chuyển hồng cầu trong máu làm cho các
bộ phận của cơ thể bị thiếu ôxy. Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống

HV: Nguyễn Quang Đạo

13

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
chế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm). Ở nồng độ thấp hơn, CO
cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người : khi 20% hồng cầu bị khống
chế nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não
bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh.
Tác hại của NOx: NOx là họ các oxyde nitơ. NO không nguy hiểm mấy, nhưng
nó là cơ sở để tạo ra NO2. NO2 là một chất khí có màu hơi hồng, có mùi, khứu giác
có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12ppm. NO2 là
chất khó hoà tan nên nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm
huỷ hoại các tế bào của cơ quan hô hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở.
Tác hại của HC: HC gây tác hại đến sức khoẻ con người chủ yếu là do các
hydrocarbure thơm. Từ lâu người ta đã xác định được vai trò của benzen trong căn
bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần
kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan.

Tác hại của SO2 : Oxyde lưu huỳnh là một chất háo nước, vì vậy nó rất dể hoà
tan vào nước mũi, bị ôxy hoá thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô
hấp đi sâu vào trong phổi. Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và
làm tăng cường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân.
Tác hại của bồ hóng: Bồ hóng tồn tại dưới dạng các hạt rắn có đường kính
trung bình khoảng 0,3 m nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi. Ngoài việc gây trở ngại
cho cơ quan hô hấp như bất kỳ một hợp chất cơ học nào khác có mặt trong không
khí, bồ hóng còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm
mạch vòng hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành.
Tác hại của chì (Pb): Chì có mặt trong khí xả do Thétráetyl chì Pb(C2H5)4
được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu. Sự pha trộn chất phụ
gia này vào xăng hiện nay vẫn còn đề tài bàn cãi của giới khoa học. Chì trong khí xả
động cơ tồn tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên rất dễ xâm nhập vào
cơ thể qua da hoặc đường hô hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30% đến
40% lượng chì này đi vào máu. Sự hiện diện của chì gây xáo trộn ion ở não, gây trở
ngại cho sự tổng hợp enzyme để hình thành hồng cầu, và đặc biệt hơn nữa có tác

HV: Nguyễn Quang Đạo

14

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ. Chì bắt đầu gây nguy hiểm
đối với con người khi nồng độ của chì trong máu không vượt quá 200 đến 250
g/lít.
1.1.2.2. Đối với môi trƣờng
+ Thay đổi nhiệt độ khí quyển

Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất gây hiệu ứng nhà
kính, trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí
quyển. Trong số những chất gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khí
carbonic CO2, vì là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa
thành phần carbon.
Sự gia tăng nhiệt độ của bầu khí quyển do sự hiện diện của các chất khí gây
hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau: Trái đất nhận được năng lượng từ
mặt trời và bức xạ ra không gian một phần năng lượng mà nó nhận được. Bức xạ
mặt trời đạt cực đại trong vùng ánh sáng thấy được (Có bước sóng trong khoảng
0,4

0,73 m) còn bức xạ cực đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7

15 m).
Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ khác nhau. Do đó, thành phần các chất
khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả
đất và không gian. Carbonic là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước
sóng 15 m. Vì vậy nó được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là
chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất. Một phần tia bức
xạ hồng ngoại từ mặt đất do lớp khí CO2 giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất làm
nóng lên bầu khí quyển theo hiệu ứng nhà kính.
Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay,
người ta dự đoán vào giữa thế kỷ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lên gấp đôi.
Khi đó theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với
sự cân bằng nhiệt trên trái đất: nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3oC. Một
phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước biển,
làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hoá thêm bề mặt trái đất.

HV: Nguyễn Quang Đạo

15

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
+ Ảnh hưởng đến sinh thái
Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxyde nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng
sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím
phát xạ từ mặt trời. Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là
đột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn đến huỷ hoại
sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa.
Mặt khác các chất khí có tính acide như: SO2, NO2, bị oxy hoá thành acide
sulfuric, acide nitric hoà tan trong nước, trong tuyết, trong sương mù...làm huỷ hoại
thảm thực vật trên trái đất (mưa acide) và gây ăn mòn các công trình kim loại.
Như vậy, chúng ta đã thấy rõ sự nguy hại của các chất gây ô nhiễm môi trường
do các phương tiện giao thông vận tải gây ta, đặc biệt là các phương tiện sử dụng
các lại nhiên liệu truyền thống như xăng, dầu diesel. Mặc dù với sự phát triển của
khoa học kỹ thuật, hiện nay các phương tiện đã được trang bị những thiết bị ứng
dụng kỹ thuật công nghệ điện tử, tin học...Điều đó đã góp phần nâng cao tính năng
kinh tế và kỹ thuật cho các phương tiện, giảm ô nhiễm môi trường. Nhưng với tốc
độ gia tăng của các loại phương tiện như hiện nay, để giảm ô nhiễm môi trường thì
ngoài các giải pháp kỹ thuật công nghệ chúng ta cần nghiên cứu và sử dụng các
nguồn năng lượng mới, nhiên liệu mới không gây ô nhiễm môi trường hay gây ô
nhiễm môi trường rất ít để thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống.
1.1.3 Giải pháp ô tô sạch
Ôtô sạch là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu chế tạo ôtô hiện nay.
Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, tập trung là hoàn
thiện quá trình cháy của động cơ diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền
thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pin

nhiên liệu, năng lượng mặt trời. Xu hướng phát triển ôtô sạch có thể tổng hợp như
sau:
1.1.3.1 Hoàn thiện động cơ diesel
Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ diesel đã cho phép nâng cao rõ rệt
tính năng của động cơ bao gồm áp dụng hệ thống phun common rail điều khiển điện

HV: Nguyễn Quang Đạo

16

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
tử, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xử lý ba chức năng, hoặc nâng
cao chất lượng nhiên liệu. Việc dùng động cơ diesel sử dụng đồng thời nhiên liệu
khí và nhiên liệu lỏng cũng là một giải pháp nâng cao tính năng của động cơ diesel.
1.1.3.2. Ôtô dùng điện
Ôtô dùng điện là một trong những giải pháp tối ưu nhất của các loại phương
tiện không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật thì hiện nay ôtô
chạy điện có hai nhược điểm quan trọng đó là: năng lượng dự trữ thấp (khoảng 100
lần thấp hơn ôtô dùng động cơ nhiệt truyền thống) và giá thành ban đầu cao hơn (30
40% cao hơn so với ôtô dùng động cơ nhiệt truyền thống).
1.1.3.3. Ôtô đa động lực
Ôtô đa động lực sử dụng ít nhất hai nguồn sức kéo bổ sung cho nhau, các
nguồn sức kéo này có thể là :
- Động cơ điện và động cơ nhiệt
- Động cơ điện và hệ thống ắc-qui động năng
Động cơ điện ở đây có thể chạy bằng acqui thông thường hay pin nhiên liệu.
Động cơ nhiệt ở đây có thể là động cơ diesel, xăng hiện đại với hệ thống lọc bồ

hóng và xử lý khí xả hay động cơ sử dụng nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí dầu
mỏ hoá lỏng LPG).
1.1.3.4. Ôtô sử dụng pin nhiên liệu
Một trong những giải pháp của nguồn năng lượng sạch cung cấp cho ôtô trong
tương lai là pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu là hệ thống điện hoá biến đổi trực tiếp hoá
năng trong nhiên liệu thành điện năng. Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản
phẩm hoạt động của pin nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước. Vì vậy có thể nói ôtô
hoạt động bằng pin nhiên liệu là loại ôtô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải ô nhiễm
trong khí xả. Ôtô chạy bằng pin nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu
hydro, vì vậy khó khăn trong việc lưu trữ hydro dưới áp suất cao.
1.1.3.5. Ôtô sử dụng các loại nhiên liệu lỏng thay thế
Các loại nhiên liệu lỏng thay thế hiện nay như cồn có nguồn gốc tự dầu thực
vật. Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên trong quá trình cháy sinh ra ít chất ô

HV: Nguyễn Quang Đạo

17

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Ngày
nay việc ứng dụng các nguồn nhiên liệu lỏng thay thế trên các phương tiện giao
thông vận tải vẫn còn rất hạn chế do giá thành của nhiên liệu còn cao.

Hình 1.1 Ô tô chạy bằng nhiên liệu dầu thực vật ở Pháp
1.1.3.6. Ôtô sử dụng khí thiên nhiên
Sử dụng ôtô chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách hữu ích về năng
lượng thay thế trong tương lai. Cho tới nay có hai giải pháp sử dụng khí thiên nhiên

trên ôtô, đó là khí thiên nhiên dưới dạng khí và khí thiên nhiên dưới dạng lỏng. Ôtô
chạy bằng khí thiên nhiên thoả mãn dễ dàng các qui định khắt khe nhất về ô nhiễm
môi trường đối với ôtô. Mặc dù ngày nay người ta đã có nhiều giải pháp công nghệ
làm giảm ô nhiễm trong khí xả động cơ, nhưng các giải pháp này không thật bề
vững, tính hiệu quả của nó giảm theo thời gian. Trong khi đó khí xả động cơ sử
dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chứa ít chất độc hại ngay từ nguồn nên sự giảm tính
năng của các hệ thống xử lý trên đường xả không gây ảnh hưởng lớn đến mức độ
phát ô nhiễm như đối với các loại động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống. Ưu
điểm của loại nhiên liệu này, ngoài mức độ phát ô nhiễm thấp, nó còn là nguồn
nhiên liệu dồi dào, phân bố đều trên khắp trái đất.
Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng lượng này chưa được áp
dụng rộng rãi trên phương tiện giao thông vận tải là vấn đề lưu trữ khí thiên nhiên
trên ôtô. Ngày nay việc chế tạo bình chứa khí thiên nhiên đã được cải thiện nhiều cả
về mặt công nghệ lẫn vật liệu, chẳng hạn sử dụng bình chứa composite gia cố bằng

HV: Nguyễn Quang Đạo

18

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
sợi carbon. Bình chứa được kiểm tra an toàn tuyệt đối theo các tiêu chuẩn khắt khe
nên không thể xảy ra sự cố nổ bình. Mặt khác trên ôtô sử dụng khí thiên nhiên có hệ
thống phát hiện rò khí để tránh hoả hoạn mặc dù nó không có mùi và không độc
như diesel hay xăng.
1.1.3.7. Ôtô sử dụng nhiên liệu khí hoá lỏng LPG
Sử dụng nhiên liệu khí để chạy động cơ ngoài việc đa dạng hoá nguồn năng
lượng còn góp phần đáng kể vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do

phương tiện giao thông vận tải gây ra. Nhiên liệu khí dầu mỏ hoá lỏng LPG được
xem như một loại nhiên liệu sạch thay thế các loại cho nhiên liệu truyền thống.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, kinh
tế và yêu cầu về môi trường, những ứng dụng của LPG cũng trở nên rộng rãi và
đang trở thành nhiên liệu có nhiều ưu điểm nhất hiện nay.
LPG là tên viết tắt của khí dầu mỏ hoá lỏng (Liquefied Petrolium Gas), là sản
phẩm phụ trong quá trình lọc. Thành phần chủ yếu là C3H8 (Propan) và C4H10
(Butan) được nén theo tỷ lệ phần trăm Propan trên phần trăm Butan.
LPG được hoá lỏng dưới áp suất cao để thuận lợi cho việc tồn chứa và vận
chuyển. Với nhiều đặc tính ưu việt, LPG đang được sử dụng và ứng dụng trong
nhiều ngành nhiều lĩnh vực đã và đang mang lại những hiệu quả thuyết phục.
1.1.4 Mục đích và ý nghĩa nghiên cứu nhiên liệu thay thế
Phương tiện giao thông ngày nay vẫn đang ứng dụng các công nghệ hiện đại
nhất nhằm giảm lượng khí thải, đáp ứng yêu cầu của chính phủ và người tiêu dùng.
Các phần mềm phức tạp được cài đặt để xe có thể vận hành êm và ổn định trong
hàng chục ngàn kilomet mà vẫn “sạch” hơn gấp hàng trăm lần so với xe của thập
niên 60 của thế kỷ XX.
Mặc dù vậy, từ nhiều năm nay, do những yêu cầu về giảm ô nhiễm môi
trường, giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính, đồng thời do nguồn năng
lượng từ dầu mỏ đứng trước nguy cơ cạn kiệt trong vài chục năm tới, ngành công
nghiệp xe hơi vẫn đang đứng trước sức ép cả về kinh tế và môi trường, vì vậy phải

HV: Nguyễn Quang Đạo

19

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nỗ lực tìm kiếm các nhiên liệu thay thế và kéo theo đó là công nghệ động cơ thay
thế.
Một thách thức lớn cho các nhà sản xuất là bất kỳ sản phẩm thay thế nào khi
có mặt trên thị trường cũng phải thỏa mãn người tiêu dùng về tính tiện lợi, an toàn
và kinh tế; nếu không sẽ không được thị trường chấp nhận.
Ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, đặc biệt là
công nghệ sinh học và công nghệ thông tin, việc nghiên cứu sản xuất các loại nhiên
liệu thay thế và cải tiến động cơ để sử dụng có hiệu quả các loại nhiên liệu này là
một việc làm trong tầm tay.
Đặc biệt hơn nữa là ở Việt Nam – một quốc gia có tốc độ phát triển cao
nhưng xuất phát điểm quá thấp so với các nước phát triển, nên cần có những bước
đi trước đón đầu trong lĩnh vực nhiên liệu thay thế này so với các quốc gia khác để
tránh tụt hậu. Và chúng ta sẽ luôn ấp ủ hy vọng rằng, khi ngành công nghiệp luyện
kim của Việt Nam phát triển đủ tầm trong tương lai không xa, thì ngành công
nghiệp ô tô của nước ta sẽ đứng ở một vị thế cao trên thế giới.
Hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế như LPG,
biogas, biodiesel…đã được thực hiện nhiều, tuy nhiên Dimetyl Ete (DME) – một
loại nhiên liệu có nhiều ưu điểm nổi trội về kinh tế, kỹ thuật và thân thiện với môi
trường lại ít được đầu tư nghiên cứu. Với những lý do như trên nên em chọn đề tài
này để tìm hiểu, nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp.
1.2 Nhiên liệu Dimethyl ether (DME)
Các hợp chất trong đó hai nhóm hydrocarbon dính liền với một trong oxy,
đại diện là ROR được gọi là ête, có thể có cấu trúc chuỗi mở hoặc vòng. Ete thường
quan sát thấy trong các cấu trúc chuỗi dài được gọi là ête tuyến tính. So với các
ankan của cấu trúc tương tự, ví dụ nếu nhóm CH2 thay thế các nguyên tử O, các
điểm sôi của ete là cao hơn.
Dimethyl ether là một ête với hai nhóm metyl trên mỗi bên của một nguyên
tử oxy, công thức hóa học CH3-O-CH3. DME không được gây hại cho tầng ozone

HV: Nguyễn Quang Đạo

20

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
trái ngược với các loại nhiên liệu khác được sử dụng trước đó, không độc hại và
phân hủy dễ dàng trong bầu khí quyển.
1.2.1 Tính chất của DME
Để đánh giá được những ưu điểm và nhược điểm của dimethyl ether, người
ta phải hiểu được các tính chất cần thiết của nhiên liệu diesel trong đánh lửa nén.
Các thông số tính chất hóa lý quan trọng ảnh hưởng đến việc sử dụng DME làm
nhiên liệu cho quá trình cháy là trị số xetan, điểm sôi, và nhiệt độ đánh lửa. Ngoài
ra còn các tính chất liên quan phải lưu ý đó là độ nhớt, nhiệt trị, và áp suất hơi.
Các tính chất của DME được thể hiện trong bảng sau [2]:
Bảng 1.4 Tính chất của DME so sánh với diesel
Tính chất

DME

Diesel

Công thức hóa học

C2H6O

C10.8H18.7

Phân tử lượng

46.07

148.6

Nhiệt độ tới hạn (oC)

127

-

Nhiệt độ sôi ở 1 atm (oC)

-24.9

71-193

Áp suất hơi ở 20oC (kg/m2)

5.1

<0.01

Áp suất tới hạn (bar)

53.7

-

Độ nhớt (cP)

0.15

2-4

Mật độ chất lỏng ở 200C (kg/m3)

668

800-840

Nhiệt trị (kJ/kg)

28430

42500

Nhiệt hóa hơi ở 200C (kJ/kg)

410

233

Giới hạn bốc cháy trong không khí 3.4-17

1.0-6.0

theo phần trăm thể tích (%)
Nhiệt độ đánh lửa ở 1 atm (0C)

235

250

Trị số xetan

55-60

40-55

Trị số xetan mô tả chất lượng bắt lửa của nhiên liệu. DME có chỉ số xetan cao
so với dầu diesel truyền thống, sẽ dễ dàng bắt lửa và cháy một cách triệt để hơn.

HV: Nguyễn Quang Đạo

21

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Điểm sôi của DME là một lợi thế quan trọng đối với việc sử dụng làm nhiên
liệu. Một lần nữa, chứng minh có đặc tính tốt hơn trong điều kiện khởi động lạnh, là
một yếu tố quan trọng trong phát triển động cơ. Áp suất hơi của DME là một vấn đề
cần lưu ý khi nhiên liệu là chất khí ở áp suất khí quyển, chúng ta cần phải hòa trộn
nhiên liệu và phun nhiên liệu ở dạng lỏng, vì thế nhiên liệu cần được nén. Điều này
dẫn đến các vấn đề khác với trong việc cung cấp nhiên liệu, mặc dù công nghệ để
làm điều này là tương tự như với LPG (Liquid Propane Gas) bởi vì LPG cũng cần
dùng áp suất vừa phải để giữ nhiên liệu ở trạng thái lỏng.
Một vấn đề quan trọng của sự phát thải từ quá trình đốt cháy nhiên liệu động

cơ diesel với nhiên liệu diesel so với DME, là giảm và loại bỏ các phát thải dạng
hạt. Phát thải dạng hạt thường được gọi là muội hoặc khói đen. Để sự phát thải
không có khói thì hàm lượng oxy trong hỗn hợp nhiên liệu với DME là từ 40 đến
100% về khối lượng, với việc vận hành động cơ bằng nhiên liệu diesel thì hàm
lượng này vào khoảng 38%.
Độ nhớt của DME là thấp hơn nhiều so với nhiên liệu diesel, do đó việc cung
cấp nhiên liệu vào trong xi lanh động cơ sẽ dễ dàng hơn so với nhiên liệu diesel
trong điều kiện thời tiết lạnh. Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiên
liệu bị rò rỉ từ các kim phun. Ngoài ra, bằng cách sử dụng DME nguyên chất trong
động cơ gặp phải một số vấn đề về bôi trơn vì độ nhớt thấp. Với những gì các nhà
nghiên cứu hiện nay hiểu biết về các loại nhiên liệu được sử dụng trong các hệ
thống phun nhiên liệu ô tô, đặc điểm cố hữu về bôi trơn của nhiên liệu cũng là một
yếu tố rất quan trọng, đặc biệt là khi việc sử dụng phụ gia, nhiên liệu thay thế đang
được xem xét.
Nhiệt trị thấp của diesel lớn hơn 1,5 lần so với DME nên cần thiết phải tăng
thể tích nhiên liệu để tạo ra một giá trị nhiệt lượng tương đương từ quá trình đốt
cháy. Bằng cách tăng lượng DME phun vào xylanh động cơ để bù lại lượng nhiệt trị
giảm đi.

HV: Nguyễn Quang Đạo

22

MSHV: CA120118


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
1.2.2 Sản xuất DME
DME được tạo ra do sự mất nước của methanol với chất xúc tác axit zeolite.
DME được sử dụng chủ yếu như một chất nổ đẩy, có thể được trộn với hầu hết các

dung môi hữu cơ và có tính hòa tan cao trong nước. Thời gian gần đây, việc sử
dụng DME làm nhiên liệu hoặc phụ gia cho động cơ diesel đã được nghiên cứu do
có tính bay hơi và trị số xetan cao.
1.2.2.1. Cơ sở lý thuyết của việc sản xuất DME
DME được sản xuất qua sự khử nước methanol với chất xúc tác ôxit nhôm
vô định hình có 10.2% SiO2, thì sự chuyển đổi methanol đạt khoảng 80% trong lò
phản ứng. DME được tạo thành bởi phản ứng sau đây:
2CH3OH = CH3OCH3 + H2O
Trong phạm vi nhiệt độ hoạt động bình thường, phản ứng xảy ra không đáng
kể và việc chuyển đổi trạng thái cân bằng cho nguồn cấp methanol nguyên chất
vượt quá 92%. Vì thế, lò phản ứng được kiểm soát trong phạm vi nhiệt độ hoạt
động bình thường.
Với nhiệt độ trên 250oC, phương trình tỷ lệ được cho bởi Bondiera và
Naccache là:

rmethanol

k o . exp

Ea
. pmethanol
R.T

Trong đó: k0 = 1,21. 106
Ea = 80,48 (kJ/mol)
pmethanol là áp suất riêng phần của methanol (kPa)
Khi nhiệt độ trên 400oC xảy ra sự khử hoạt tính mạnh của chất xúc tác, vì
vậy lò phản ứng được thiết kế sao cho không được vượt quá nhiệt độ này tại bất cứ
nơi nào trong lò phản ứng. Từ đó, phản ứng DME không tỏa ra nhiệt lớn, nhiệt độ
thích hợp có thể được duy trì bởi bộ sấy cấp nhiệt không quá 250oC và diễn ra phản

ứng đoạn nhiệt.

HV: Nguyễn Quang Đạo

23

MSHV: CA120118