Nghiên cứu đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn diesel theo các chu trình lái FTP, HW và NEDC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------------------------

HOÀNG TRUNG THÀNH

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI
CỦA ĐỘNG CƠ LƯỠNG NHIÊN LIỆU CỒN - DIESEL
THEO CÁC CHU TRÌNH LÁI FTP, HW VÀ NEDC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Thái Nguyên - Năm 2018

ii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô và Máy động lực đã cho phép
tôi thực hiện luận văn này. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Khoa kỹ thuật Ô tô
và Máy động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi học tập và
làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trung Kiên đã hướng dẫn tôi
hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn
thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Cơ quan nơi tôi công tác
đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy
trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu
để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè,
những
người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi học tập.
Tuy nhiên do còn có hạn chế về thời gian cũng như kiến thức của bản
thân nên đề tài của tôi có thể còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự
góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn.
Học viên

3


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài ....................................................................................... 3
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn....................................................................... 3
* Ý nghĩa khoa học: ....................................................................................... 3
* Ý nghĩa thực tiễn: ........................................................................................ 3
4. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................... 4
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 4
6. Phạm vi nghiên cứu....................................................................................... 4
7. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 5
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường ................................
5
1.2. Nhiên liệu thay thế ..................................................................................... 6
1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí ................................................................ 7

1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng .............................................................. 9
1.3. Đặc điểm nhiên liệu ethanol..................................................................... 11
1.3.1. Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol...................................... 11
1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam ....................... 13
1.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong.............................. 16
1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng .............................. 16
4


1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel............................. 19
1.5. Kết luận chương 1 .................................................................................... 25
CHƯƠNG 2. THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ................................... 26
VÀ CÁC CHU TRÌNH THỬ NGHIỆM......................................................... 26
2.1. Các thành phần độc hại chính trong khí thải động cơ.............................. 26
2.2. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí xả động cơ diesel ............. 28
2.3. Giới thiệu các chu trình thử nghiệm ........................................................ 31
1. Chu trình thử cho đường phố FTP – 75 .................................................. 32
2. Chu trình thử cho xa lộ HW (US-Highway-Cycle) .................................. 33
3. Chu trình thử Châu âu NEDC ................................................................. 34
2.4. Các tiêu chuẩn khí thải ............................................................................. 35
2.4.1. Tiêu chuẩn khí thải ở Mỹ ................................................................... 35
2.4.2. Tiêu chuẩn khí thải ở Châu âu........................................................... 39
2.5. Kết luận chương 2 .................................................................................... 40
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG Ô TÔ THEO CÁC CHU TRÌNH THỬ.............. 41
BẰNG PHẦN MỀM GT-SUITE .................................................................... 41
3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm GT-Suite ........................ 41
3.1.1. Giới thiệu phần mềm GT-Drive ......................................................... 41
3.1.2. Xây dựng mô hình mô phỏng ............................................................. 42
3.2. Nhiên liệu sử dụng khi mô phỏng ............................................................ 47
3.3. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 48

3.3.1. Tiêu hao nhiên liệu............................................................................. 48
3.3.2. Phát thải NOx ..................................................................................... 51
3.3.3. Phát thải CO ...................................................................................... 54
3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................... 56
KẾT LUẬN CHUNG...................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 59

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải

CNG

Khí nén thiên nhiên

LPG

Khí dầu mỏ hóa lỏng

GTL

Khí hóa lỏng

CTL

Than đá hóa lỏng

PM

Chất ô nhiễm dạng hạt

THC

Tổng phát thải hy đrô các bon chưa cháy

D80E20 Nhiên liệu pha trộn 80% diesel và 20% ethanol
D100
FTP-75
HW
NEDC

Nhiên liệu diesel khoáng
Chu trình thử cho xe con chạy trong thành phố
của Mỹ
Chu trình thử trên xa lộ của Mỹ
Chu trình thử của Châu Âu

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tính chất của ethanol...................................................................... 12
Bảng 2.1. Các thông số của chu trình thử xe con cho đường thành phố của
Mỹ ................................................................................................................... 33
Bảng 2.2. Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 1 .............................................. 36
Bảng 2.3. Bảng tiêu chuẩn khí thải EPA loại 2 .............................................. 37

Bảng 2.4. Tiêu chuẩn liên bang Mỹ cho xe tải nặng....................................... 38
Bảng 2.5. Tiêu chuẩn EPA cho động cơ diesel chạy trên xa lộ ...................... 39
Bảng 2.6. Tiêu chuẩn khí thải Châu Âu cho xe con và xe tải nhẹ. Áp dụng cho
xe con với số chỗ ≤ 6 và xe tải hạng nhẹ có trọng lượng ≤ 2,5 tấn ................ 39
Bảng 2.7. Tiêu chuẩn khí thải châu âu cho xe tải nặng, đơn vị tính g/km...... 40
Bảng 3.1. Các thông số chính trong mô hình ô tô “Vihicle - TC”.................. 44
Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của nhiên liệu diesel khoáng và D80E20...... 48

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015 ............. 14
Hình 2.1. Cơ chế hình thành các chất thải độc hại ở động cơ diesel .............. 29
Hình 2.2. Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ diesel theo λ ........... 29
Hình 2.3. Chu trình thử FTP 75 ...................................................................... 32
Hình 2.4. Chu trình thử xe con trên xa lộ của Mỹ, HW.................................. 33
Hình 2.5. Chu trình thử Châu Âu NEDC ........................................................ 34
Hình 3.1. Cửa sổ giao diện GT-Drive ............................................................. 42
Hình 3.2. Mô hình mô phỏng ô tô theo các chu trình thử............................... 43
ứng với các loại nhiên liệu khác nhau............................................................. 43
Hình 3.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử động cơ ....................... 43
Hình 3.4. Mô hình hệ thống truyền lực ô tô “Vihicle - TC”........................... 44
Hình 3.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử Vehicle_Controller..... 45
Hình 3.6. Chu trình thử FTP-75 thiết lập trong mô hình mô phỏng ............... 46
Hình 3.7. Chu trình thử HW thiết lập trong mô hình mô phỏng..................... 46
Hình 3.8. Chu trình thử NEDC thiết lập trong mô hình mô phỏng ................ 47
Hình 3.9. Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử NEDC.................. 49
Hình 3.10. Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử FTP-75 .............. 49
Hình 3.11. Tiêu hao nhiên liệu trong toàn bộ chu trình thử HW .................... 50

Hình 3.12. Lượng nhiên liệu tiêu thụ, [lít/100 km]......................................... 50
Hình 3.13. Tiêu hao nhiên liệu tổng cộng ứng với các chu trình thử ............. 51
khác nhau, [kg/h]............................................................................................. 51
Hình 3.14. Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình NEDC ... 52
Hình 3.15. Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75 .. 52
Hình 3.16. Phát thải NOx khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình HW........ 53
Hình 3.17. Phát thải NOx trên toàn bộ chu trình thử khi sử dụng 2 loại nhiên
liệu D100 và D80E20, [g/h] ............................................................................ 53

8


Hình 3.18. Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình NEDC ..... 54
Hình 3.19. Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình FTP-75.... 55
Hình 3.20. Phát thải CO khi chạy 2 loại nhiên liệu theo chu trình HW ......... 55
Hình 3.21. Phát thải CO trên toàn bộ chu trình thử khi sử dụng 2 loại nhiên
liệu D100 và D80E20, [g/h] ............................................................................ 56

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng
ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện.
Nguồn ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con
người, đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật độ xe cơ giới và mật độ dân cư
cao. Ô nhiễm môi trường là vấn đế cấp bách mà thế giới đang quan tâm, trong
đó động cơ đốt trong là một trong những nguồn gây ra ô nhiễm nhiều nhất.
Hơn nữa nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong đang dần cạn kiệt. Vì vậy,

thực tiễn phát triển động cơ phải gắn liền tiêu hao ít nhiên liệu và giảm phát
thải gây ô nhiễm môi trường đến mức nhỏ nhất. Từ yêu cầu cấp bách của thực
tiễn, các nhà nghiên cứu phải tìm ra biện pháp tối ưu để cải tiến động cơ và
nghiên cứu tìm ra nguồn nhiên liệu mới thay thế cho nhiên liệu truyền thống.
Vì vậy, hướng nghiên cứu sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên
liệu truyền thống có ý nghĩa thực tiễn cao, phù hợp với xu hướng phát triển
công nghệ động cơ trong tương lai.
Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế
đang là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới nhằm làm giảm sự phụ
thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm
tác động tới môi trường đặc biệt là khí gây hiệu ứng nhà kính. Động cơ cháy
do nén (động cơ diesel) được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nông
nghiệp, giao thông vận tải, máy phát điện… do ưu điểm nổi bật là hiệu suất
cao; tuy nhiên trong sản phẩm cháy lại chứa nhiều thành phần độc hại với con
người và môi trường đặc biệt là ô xít ni tơ (NOx) và chất ô nhiễm dạng hạt
(PM - Particulate Matter). Sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (biobased fuels) trong động cơ diesel là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm phát
sinh các thành phần độc hại trong khí xả. Một trong số đó, nhiên liệu cồn
(alcohol) là một trong những nhiên liệu tiềm năng nhằm giảm phát thải và
sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa
1


thạch. Alcohol là loại nhiên liệu phù hợp để pha trộn với nhiên liệu diesel, do
bản chất nó là nhiên liệu lỏng và chứa hàm lượng ô xi cao. Trong các loại
nhiên liệu alcohol, các nhiện liệu alcohol chứa hàm lượng các bon thấp (chứa
3 hoặc ít hơn 2 nguyên tố cacbon) như methanol và ethanol hiện được coi là
những nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu diesel nhận được nhiều sự quan tâm
do ưu điểm về công nghệ sản xuất và có hàm lượng ô xi cao, do đó cải thiện
đáng kể đặc tính cháy và đặc tính phát thải. Tuy nhiên, do số cetane thấp và
nhiệt ẩn bay hơi cao cũng như vấn đề hòa trộn làm cản trở việc sử dụng các

alcohol có hàm lượng các bon thấp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel.
Nhiên liệu alcohol có hàm lượng các bon cao (chứa từ 4 nguyên tố các bon
trở lên) có nhiều triển vọng làm nhiên liệu thay thế hơn so với nhiên liệu
alcohol hàm lượng các bon thấp do chúng có số cetane và nhiệt trị cao hơn
cũng như khả năng hòa trộn tốt hơn.
Nghiên cứu sử dụng cồn trên động cơ diesel là một hướng nghiên cứu
mới đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Vì cồn có một số
tính chất có lợi cho sự cháy động cơ diesel như: cồn có nhiệt ẩn hóa hơi cao,
trong phân tử cồn có chứa ô xy, không có lưu huỳnh và tốc độ cháy nhanh.
Trong các phương pháp phổ biến nhất để hình thành lên chế độ vận
hành lưỡng nhiên liệu cồn - diesel (alcohol - diesel) trong động cơ cháy do
nén, thì phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp và pha trộn cồn - diesel
được sử dụng phổ biến hơn cả [5]. Trên thế giới, đã có một vài công trình
nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ cồn đến hiệu suất, đặc tính cháy và đặc
tính phát thải của động cơ diesel, tuy nhiên các công trình này chỉ trình bày
kết quả nghiên cứu trong khi các thuật toán cũng như mô phỏng số không
được giới thiệu chi tiết [6 ÷ 20]; chính vì vậy, mô phỏng đặc tính của loại
động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel là cần thiết để làm chủ công nghệ; mặt
khác, đánh giá đặc tính phát thải của phương tiện trang bị động cơ lưỡng nhiên
liệu cồn - diesel theo các chu


trình lái hiện nay là thực sự cần thiết, vấn đề này chưa thấy đề cập trong các
công trình nghiên cứu gần đây. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên
cứu đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các
chu trình lái FTP, HW và NEDC” làm đề tài luận văn cao học của mình.
2. Mục đích của đề tài
- Thiết lập mô hình mô phỏng ô tô trang bị động cơ lưỡng nhiễn liệu cồn
- diesel theo các chu trình lái.
- Khai thác và sử dụng phần mềm chuyên dụng GT-SUITE của hãng

Gama Technology trong mô phỏng động lực học của ô tô.
- Thông qua mô hình xây dựng được, đánh giá đặc tính phát thải của ô
tô khi sử dụng nhiên liệu diesel khoáng và nhiên liệu D80E20 (80% diesel và
20% ethanol) theo các chu trình lái phổ biến hiện nay.
- Trên cơ sở kết quả mô phỏng số đưa ra một số kết luận và kiến nghị.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Luận văn đã góp phần đánh giá đặc tính phát thải của động cơ lưỡng
nhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái FTP, HW và NEDC. Từ kết quả
của đề tài đánh giá được đặc điểm phát thải của động cơ diesel khi sử dụng
cồn và khả năng ứng dụng của alcohol trên động cơ diesel.
Từ mô hình này, có thể khảo sát ảnh hưởng của hỗn hợp diesel alcohol ở các tỷ lệ pha trộn khác nhau đến đặc tính cháy, tính kinh tế nhiên
liệu và phát thải của phương tiện theo các chu trình lái. Đây là cơ sở lý thuyết
giúp cho việc so sánh với thực nghiệm, để từ đó có thể đề xuất kiến nghị sử
dụng nhiên liệu cồn - diesel cho động cơ ở tỷ lệ thích hợp.
* Ý nghĩa thực tiễn:
- Mô hình xây dựng trong luận văn có thể tham khảo cho quá trình đào
tạo chuyên sâu liên quan đến động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel;


- Mô hình xây dựng được trong luận văn có thể phục vụ khảo sát ảnh
hưởng của các nhiên liệu thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và đặc tính
phát thải của phương tiện theo các chu trình lái.
- Kết quả của luận văn là cơ sở lý thuyết trong việc so sánh với kết quả
thực nghiệm.
- Là tài liệu tham khảo cần thiết cho các mục đích tương tự.
4. Đối tượng nghiên cứu
Ô tô con
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết thông qua việc xây dựng mô hình mô phỏng ô tô

trang bị động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - diesel theo các chu trình lái bằng phần
mềm GT-Suite.
6. Phạm vi nghiên cứu
Đánh giá đặc tính phát thải của ô tô khi sử dụng nhiên liệu diesel
khoáng và nhiên liệu D80E20 (80% diesel và 20% ethanol) theo các chu trình
lái phổ biến hiện nay FTP-75, HW và NEDC.
7. Nội dung nghiên cứu
Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần chính sau:
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
- Chương 2. Thành phần khí thải động cơ và các chu trình thử nghiệm
- Chương 3. Mô phỏng ô tô theo các chu trình thử bằng phần mềm GT-SUITE
- Kết luận và kiến nghị


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường
Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô
trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang
phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Theo
dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể
đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát
hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển,
nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về
nhiên liệu ngày càng tăng lên.
Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng
dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu
mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm
những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm
nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng

dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu
về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu
trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở
các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng
dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá
dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát
triển như Việt Nam.
Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ
dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường,
phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân
thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc


sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và
ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay
thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong.
1.2. Nhiên liệu thay thế
Theo nguồn gốc nhiên liệu có thể chia thành hai nhóm là nhiên liệu hóa
thạch và nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu có thể thay thế nhiên liệu truyền thống
từ dầu mỏ như xăng và diesel gọi là nhiên liệu thay thế. Hiện nay dầu mỏ
chiếm hơn 35% tổng mức tiêu thụ nhiên liệu thương mại chủ yếu của toàn thế
giới. Xếp thứ hai là than đá (chiếm khoảng 23%) và khí thiên nhiên đứng thứ
3 (chiếm 21%). Những loại nhiên liệu hóa thạch này là nguồn phát thải khí
nhà kính chủ yếu gây nóng lên toàn cầu và làm biến đổi khí hậu.
Các loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học gọi là nhiên liệu sinh học
(NLSH) là một dạng nhiên liệu thay thế, chiếm 10% tổng mức tiêu thụ năng
lượng chủ yếu trên toàn cầu, NLSH gồm nhiên liệu rắn như gỗ, củi, khí sinh
học, nhiên liệu lỏng như ethanol sinh học và các diesel sinh học chế biến từ
các loại cây trồng như cây mía đường, các loại cỏ năng lượng hoặc từ gỗ

nhiêu liệu, than củi, chất thải nông nghiệp và các sản phẩm phụ, những phế
thải rừng, phân vật nuôi và các sản phẩm khác. NLSH có nhiều ưu điểm nổi
bật so với các loại nhiên liệu hóa thạch (dầu khí, than đá...) [2]:
+ Tính chất thân thiện với môi trường: sinh ra ít khí gây hiệu ứng nhà
kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít khí gây ô nhiễm môi
trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống.
+ Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này chế biến từ hoạt động
sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào
nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống (than đá, dầu mỏ).
NLSH đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp
và nhập khẩu nhiên liệu, do có các ưu điểm vượt trội khác: nguyên liệu để sản


xuất NLSH rất phong phú, có khả năng sản xuất và cung cấp với số lượng lớn
để thay thế khi giá xăng dầu khoáng ngày càng tăng. NLSH không chứa các
chất gây độc hại như dầu mỏ, khả năng phân hủy sinh học cao. Sử dụng
NLSH thuận tiện đơn giản bên cạnh các dạng nhiên liệu khác, ví dụ có thể sử
dụng xăng pha ethanol, mà không cần thay đổi, hoán cải các động cơ và mạng
lưới phân phối hiện có.
Công nghệ sản xuất ethanol, dầu mỡ động thực vật và pha chế NLSH
không phức tạp như công nghệ lọc hoá dầu với đầu tư thấp hơn nhiều, có thể
sản xuất với các quy mô khác nhau. Chính vì vậy, hiện nay, NLSH đang được
các quốc gia nói trên định hướng sử dụng rộng rãi.
Tuy nhiên hiện nay NLSH mới chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong cán
cân năng lượng thế giới do giá thành cao và gây ra những nguy cơ đến vấn đề
an ninh lương thực, nhất là đối với những nước đang phát triển. Chính vì thế,
các nhà khoa học vẫn không ngừng nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp khắc
phục những hạn chế của NLSH.
Như trên đã trình bày, NLSH là một dạng nhiên liệu thay thế bên cạnh
các nhiên liệu thay thế khác. Theo trạng thái, nhiên liệu thay thế cho động cơ

đốt trong tồn tại ở hai dạng:
- Nhiên liệu thay thế dạng khí;
- Nhiên liệu thay thế dạng lỏng.
1.2.1. Nhiên liệu thay thế dạng khí
Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng khí tương đối phổ
biến dùng cho động cơ đốt trong

Khí nén thiên nhiên (CNG - Compressed
Natural Gas)
CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng
1950ºC
và nhẹ hơn không khí. Thành phần chủ yếu của CNG gồm các hydrocarbon,


trong đó metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10% cùng một
lượng nhỏ propan, butan và các khí khác.
Theo [1] “Đặc điểm cháy của động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu
Diesel-CNG (Trong trường hợp sử dụng Acid béo methyl esters phun mồi)”
cho thấy, khi tỷ lệ CNG thay thế tới 75% thì hiệu suất nhiệt là tương tự như
động cơ sử dụng diesel gốc. Khi tỷ lệ CNG thay thế lớn hơn 75% thì hỗn hợp
công tác khó cháy hơn và hiệu suất nhiệt giảm đáng kể, cũng như phát thải HC
và NOx tăng lên nhiều.

 Hyđrô và khí giàu hyđrô
Hyđrô có thể được sản xuất từ nguồn hyđrôcacbon hóa thạch, từ nước
và từ sinh khối bằng các phương pháp như reforming hơi nước, oxy hóa
không hoàn toàn, nhiệt phân khí thiên nhiên, thu hồi H2 từ quá trình reforming
và điện phân nước [2].
Hyđrô có thể được sử dụng trực tiếp trên động cơ đốt trong ở dạng
hyđrô lỏng (nhiệt độ hóa lỏng là -253oC ở điều kiện khí quyển) hoặc ở dạng

nén (áp suất bình chứa lên tới 700 bar). Vấn đề tồn chứa hyđrô một cách hiệu
quả, an toàn vẫn đang nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu và
doanh nghiệp. Hyđrô hiện được cho là nguồn tiềm năng làm pin nhiên liệu để
sản sinh điện năng. Mặc dù còn có những vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ
và giá thành, nhưng với nhiệt trị lớn (theo khối lượng) và nguồn nguyên liệu
được xem như là vô hạn nên hiện tại hyđrô được xem là “nhiên liệu của
tương lai”
[2].
Khí giàu hyđrô là hỗn hợp của khí hyđrô và một số khí khác như oxy
(trong khí HHO), CO (trong khí tổng hợp) cùng một số tạp chất khác. Khí
giàu hyđrô thường được sử dụng trên động cơ như là một phụ gia nhiên liệu
bằng cách bổ sung khí vào đường nạp nhằm cải thiện quá trình cháy và giảm
phát thải ô nhiễm [2].


1.2.2. Nhiên liệu thay thế dạng lỏng
Dưới đây giới thiệu một số nhiên liệu thay thế dạng lỏng tương đối phổ
biến dùng cho động cơ đốt trong.
 Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG - Liquefied Petroleum Gas)
LPG là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí đồng hành thu được trong
quá trình chưng cất dầu mỏ bao gồm hai thành phần chính là propan, C3H8 và
butan, C4H10 [2]. LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ
đánh lửa cưỡng bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ cháy do nén như là
một phụ gia nhiên liệu.
Giá trị áp suất hóa lỏng LPG phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp:
khoảng 2,2 bar đối với C4H10 tại 20oC, và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 55oC
[2]. Thông thường LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ
propan/butan khoảng 60%/40%.
Khi sử dụng LPG cho động cơ đốt trong nhận thấy [2]:
- Phát thải HC giảm hơn ba lần và phát thải NOx ít hơn khi phun trực

tiếp vào buồng cháy.
-Tổng lượng tiêu hao nhiên liệu giảm khi tăng tỷ lệ LPG thay thế khi
tốc độ động cơ lớn hơn 2000 vg/ph, khi tốc độ động cơ lớn hơn 2400 vg/ph
suất tiêu hao năng lượng giảm rõ rệt, đồng thời phát thải HC và NOx tăng
nhiều trong khí phát thải CO và soot giảm. Bên cạnh đó các nghiên cứu về sử
dụng LPG cho động cơ đốt trong, cũng cho thấy cần phải giảm góc phun sớm
để đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải.

 Than hóa lỏng (CTL-Coal To Liquid) và khí hóa lỏng (GTL -Gas To
Liquid)
Than sau quá trình khí hoá, tạo ra syngas và thực hiện quá trình FischerTropsch (FT) để tạo thành FT diesel (CTL). Trong khi đó, GTL được điều chế
từ khí methane, CH4 (có thể từ nguồn gốc tái tạo như biogas hoặc từ nguồn
gốc


hoá thạch như khí thiên nhiên). Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ khí
methane gồm methanol, DME hoặc FT diesel [2].



Dimethyl Ether (DME)

Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên
liệu có thể làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy
do nén nhờ có trị số xêtan 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
[2].

 Biodiesel
Trong những năm gần đây, việc quan tâm sử dụng biodiesel thay thế

cho diesel khoáng ngày càng được quan tâm. Vấn đề ảnh hưởng của việc sử
dụng trực tiếp biodiesel đến quá trình phun nhiên liệu, quá trình cháy, cũng
như đặc tính động cơ, ô nhiễm môi trường và tính kinh tế nhiên liệu đang
được các nhà khoa học quan tâm, và các kết quả đã chỉ ra rằng sự ảnh hưởng
này phụ thuộc vào tính chất hóa học, tính chất vật lý của biodiesel và thông số
động cơ, cũng như điều kiện làm việc của động cơ, …
Theo hầu hết các nghiên cứu cho thấy công suất động cơ, mô men động
cơ, phát thải dạng hạt PM, phát thải CO và phát thải HC chưa cháy nhìn chung
đều giảm khi sử dụng biodiesel thay thế diesel khoáng. Tuy nhiên phát thải
NOx lại tăng.
Biodiesel có nhiệt trị thấp hơn diesel khoáng. Do đó, nếu hiệu suất cháy
như nhau thì tiêu hao nhiên liệu sẽ cao hơn khi sử dụng biodiesel thay thế
diesel khoáng.

 Ethanol
Cồn là nhiên liệu sinh học được chế biến từ bã mía, than củi, giấy vụn,
thân và lá bắp, rơm rạ, mùn cưa, phế phẩm lâm nghiệp, phế phẩm bông sợi …
có thể tái sinh được, vừa giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường,
vừa hạn chế dùng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch. Cồn có công thức hoá


học chung là CnH2n+1OH được xem là nhiên liệu phù hợp nhất để sử dụng cho
động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane cao và tính chất vật lý, hoá
học tương tự như xăng. Hiện nay, cồn tồn tại ở bốn thể là ethanol (C2H5OH),
methanol (CH3OH), butanol (C4H9OH) và propanol (C3H7OH), tất cả đều là
chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol và butanol đều rất độc, đặc biệt là
butanol. Hơn nữa, giá thành sản xuất butanol khá cao so với giá thành sản xuất
ethanol và methanol. Vì vậy hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho
các phương tiện giao thông vận tải [2].
1.3. Đặc điểm nhiên liệu ethanol

Với các đặc tính là nguồn nhiên liệu cháy sạch, dễ lưu trữ và vận
chuyển, có ưu thế trong tiềm năng sản xuất và cung cấp, việc sử dụng ethanol
làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ cho tính kinh tế và tính hiệu quả cao,
góp phần thay thế một phần nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt
và giảm phát thải ô nhiễm môi trường. Do đó, sau đây sẽ tìm hiểu và nghiên
cứu kỹ hơn về ethanol và việc sử dụng ethanol trên động cơ diesel.
1.3.1. Các tính chất vật lý và hóa học của ethanol
 Tính chất vật lý của
ethanol
Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và
đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), dễ bay
hơi (sôi ở nhiệt độ 78,39 oC), hóa rắn ở -114,15 oC, tan trong nước vô hạn, tan
trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có
màu xanh da trời (Bảng 1.1 [9], [10]). Sở dĩ ethanol tan vô hạn trong nước và
có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có cùng số cácbon là
do có sự tạo thành liên kết hyđrô giữa các phân tử với nhau và với nước [2].


Bảng 1.1. Tính chất của ethanol
TT

Tính chất

Giá trị

1

Công thức phân tử

C2H5OH hay C2H6O

2

Phân tử gam

46,07 [g/mol]

3

Cảm quan

Chất lỏng trong suốt, dễ cháy

4

Khối lượng riêng tại 20oC

0,789 [g/cm3]

5

Độ nhớt tại 20oC

1,2cP

6

Độ tan trong nước

Tan hoàn toàn

7

Nhiệt độ sôi

78,4 [oC] (351,6 [K])

8

Nhiệt độ tan

158,8 [K]

9

Nhiệt độ tự cháy

665 [K]

10 Số xê tan

8

11 Số octane

129

12 Nhiệt trị thấp

26,9 [MJ/kg]

13 Nhiệt hóa hơi

840 [kJ/kg]

14 Hàm lượng các bon

52,2%

15 Hàm lượng hy đrô

13%

16 Hàm lượng ô xy

34,8%

 Tính chất hóa học
Phản ứng oxy hóa, trong đó rượu bị oxy hóa theo 3 mức: Oxy hóa
không hoàn toàn (hữu hạn) tạo ra aldehyde, acid hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn
(đốt cháy) tạo thành CO2 và H2O.
Mức 1: Oxy hóa không hoàn toàn trong môi trường nhiệt độ cao
CH3-CH2-OH + CuO  CH3-CHO + Cu + H2O
Mức 2: Oxy hóa bằng oxy không khí có xúc tác tạo axit hữu cơ
CH3-CH2-OH + O2  CH3-COOH +
H2O Mức 3: Oxy hóa hoàn toàn


C2H5OH + 3O2  2CO2 + 3H2O
1.3.2. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới và Việt Nam

 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới
Dùng ethanol thay dầu diesel sẽ góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường
từ khí thải động cơ diesel: các chỉ số HC, CO, độ khói đen đều thấp hơn so với
khi dùng dầu diesel. Sở dĩ như vậy là do trong phần tử ethanol có thành phần
cácbon ít hơn với dầu diesel và có sẵn oxy nên nên dễ đốt cháy cácbon hơn.
Tuy nhiên, do tính chất của ethanol khác với tính chất của nhiên liệu dùng cho
động cơ diesel như: trị số xêtan và độ nhớt thấp, không thể đốt cháy ethanol
bằng phương pháp tự bốc cháy trong động cơ diesel. Vì vậy sử dụng ethanol
trên động cơ diesel gặp nhiều khó khăn hơn so với động cơ đánh lửa cưỡng
bức
[2].
Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol lớn nhất thế giới,
chiếm khoảng 86,25% toàn bộ lượng ethanol sản xuất toàn cầu (Hình 1.1).
Nguyên liệu chính để sản xuất ethanol tại Mỹ là ngô, trong khi tại Brazil thì
mía là nguồn cung cấp chính [1], [2].


Hình 1.1. Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến 2015
 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol tại Việt Nam
Hiện nay tại Việt Nam, nhiên liệu xăng và diesel vẫn là hai loại nhiên
liệu chính của ngành giao thông vận tải (GTVT). Việc sản xuất và sử dụng
nhiên liệu thay thế là chưa nhiều, hầu hết ở quy mô nhỏ lẻ. Năm 2007, thủ
tướng chính phủ ra quyết định số 177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát triển
nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”. Mục tiêu đến năm 2015,
sản xuất được 250 nghìn tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng 1% nhu cầu nhiên
liệu; và tầm nhìn 2025 là 1,8 triệu tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng được 5%
nhu cầu nhiên liệu. Cùng với đó là những khuyến khích về tài chính như trợ
giá, miễn thuế... cho các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnh
vực năng lượng tái tạo [1], [2].
Việt Nam là một nước nông nghiệp, có tiềm năng lớn để phát triển

nhiên liệu sinh học, đặc biệt là ethanol. Một số nhà máy sản xuất ethanol đã đi
vào hoạt động như nhà máy cồn Đại Lộc (Quảng Nam) với sản lượng khoảng
125


triệu lít/năm; nhà máy cồn Cát Lái (TP Hồ Chí Minh) với sản lượng 40 triệu
lít/năm. Ba nhà máy cồn của công ty dầu Việt Nam (PV Oil) đang được xây
dựng với sản lượng ước tính là 125 triệu lít/năm. Nhà máy bắt đầu vào hoạt
động vào cuối năm 2012, đầu năm 2013. Nguyên liệu chính được sử dụng là
sắn. Tuy nhiên, do nhu cầu ở Việt Nam chưa lớn, nên hầu hết các nhà máy
không hoạt động hết công suất. Trong năm 2010, tổng sản lượng ethanol sản
xuất được của cả nước ước tính khoảng 150 triệu lít [2].
Bắt đầu từ tháng 8 năm 2010, xăng sinh học E5 đã bắt đầu được bán ở
22 cây xăng (12 cây xăng của PV Oil và 10 cây xăng do PETEC quản lý) ở
các địa phương như TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, Bà Rịa-Vũng Tàu, Hải Phòng,
Hải Dương.
Lộ trình thực hiện tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu
truyền thống được thể hiện theo quyết định số 53/2012/QĐ-TTg cụ thể như
sau: từ ngày 01 tháng 12 năm 2014 xăng E5 được sản xuất, phối chế, kinh
doanh, từ ngày 01 tháng 12 năm 2016, xăng E10 được sản xuất, phối chế,
kinh doanh. Trong thời gian chưa thực hiện áp dụng tỷ lệ phối trộn theo lộ
trình, khuyến khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế và kinh doanh
xăng E5, E10 và diesel B5 và B10
Hiện tại, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500
triệu USD, tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm, tập trung chủ yếu tại Miền
Trung - Tây Nguyên và Miền Nam Việt Nam. Thiết bị của các nhà máy này
đều được xây dựng sau năm 2007 và được đầu tư thiết bị mới 100%, xuất xứ
Châu Á và G7. Trình độ tự động hóa đạt trên 85%. Hiện tại, chỉ có 04/07 Nhà
máy có khả năng sản xuất được E100. Nếu bốn nhà máy này hoạt động đạt
80% công suất thiết kế sẽ cung cấp ra thị trường 320000 m3 E100/năm, dư đủ

cho nhu cầu pha xăng E5 - E10 theo lộ trình của Chính phủ.


1.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong
1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng
 Tình hình nghiên cứu trong nước
Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ xăng,
trong đó có thể kể đến nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu
xăng pha ethanol E5 và E10 đến tính năng và phát thải độc hại của xe máy và
xe con đang lưu hành ở Việt Nam” với nhiên liệu E5 (5% ethanol, 95% xăng
Mogas92) và E10 (10% ethanol, 90% xăng Mogas92) đối chứng với xăng
Mogas92. Động cơ ô tô thực nghiệm là Ford Laser Ghia 1.8 và động cơ xe
máy là HonDa Super Dream 100cc. Theo nghiên cứu này hỗn hợp xăngethanol được hòa trộn sẵn và có ưu điểm là không phải thay đổi về kết cấu
động cơ.
Kết quả cho thấy công suất động cơ ô tô tăng khi tỷ lệ ethanol thay thế
tăng. Suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ ô tô tại tốc độ bình thường trong
trường hợp có ethanol ít hơn khi dùng xăng Mogas92.
Về các thành phần phát thải, nghiên cứu cũng cho thấy phát thải CO
giảm khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế. Phát thải HC cũng ít hơn khi tăng tỷ lệ
ethanol thay thế, đặc biệt tại tốc độ cao. Phát thải NOx tăng khi tăng tỷ lệ
ethanol thay thế còn phát thải CO2 tăng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế, đặc
biệt tại tốc độ
cao.
Cụ thể khi sử dụng xăng E5 và E10 cho động cơ xe máy và động cơ ô
tô, công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu được cải thiện tương ứng
6,5% và
6,37% cho động cơ xe máy, cải thiện tương ứng 6,36% và 5,18% cho động cơ
ô tô khi so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92.
Phát thải CO và HC giảm đáng kể lần lượt là 33,74% và 18,62% đối với
động cơ ô tô, 16,06% và 21% đối với động cơ xe máy. Trong khí đó, phát thải

NOx và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 đều tăng lên 21,58% và 3,79% đối với
động cơ ô tô, tăng 31,67% và 11,64% đối với động cơ xe máy.