Đồ án tốt nghiệp DH Khảo sát ảnh hưởng của việc cung cấp dimethyl ether vào đường nạp đến các chỉ tiêu kinh tếkỹ thuật và môi trường của động cơ diesel ISUZU 4BD1T bằng phần mềm AVLBoost

MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU THAY THẾ DÙNG CHO ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG......................................................................................................5
1.1 Sự cần thiết phải dùng nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong..................5
1.2. Các nhiên liệu sạch thay thế nguồn nhiên liệu diesel truyền thống...............5
1.2.1. Nhiên liệu LPG........................................................................................6
1.2.2. Nhiên liệu diesel sinh học ( Biodiesel)....................................................8
1.2.3. Cồn ethanol............................................................................................11
1.2.4. Khí thiên nhiên (CNG ).........................................................................13
1.2.5. Nhiên liệu DME....................................................................................15
1.3. Tình hình sản xuất DME ở Việt Nam và Thế giới........................................17
1.3.1. Tình hình sản xuất DME ở Việt Nam....................................................17
1.3.2. Tình hình sản xuất DME trên thế giới...................................................19
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP DME CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG...................................................................................................................21
2.1. Các phương pháp cung cấp DME.................................................................21
2.1.1. Hệ thống trộn nhiên liệu diesel với DME ở dạng lỏng trước khi phun
vào buồng đốt..................................................................................................21
2.1.2. Hệ thống phun trực tiếp DME lỏng vào buồng đốt...............................22
2.1.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu common rail.........................24
2.1.4. Hệ thống phun DME vào đường ống nạp..............................................25
2.2. Lựa chọn giải pháp cung cấp DME vào đường nạp của động cơ diesel......26
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC CUNG CẤP DME VÀO
ĐƯỜNG NẠP ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL ISUZU 4BD1T
BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST.........................................................................29
3.1. Mô phỏng nhiệt động học và chu trình công tác của động cơ bằng phần
mềm AVL BOOST...............................................................................................29
3.1.1. Giới thiệu về phần mềm AVL – BOOST...............................................29
3.1.2. Tính năng và ứng dụng của phần mềm AVL – BOOST........................32

3.1.3. Cơ sở lý thuyết tính toán.......................................................................33
1


3.2. Xây dựng mô hình động cơ diesel khi cung cấp DME vào đường nạp trên
phần mềm AVL – BOOST...................................................................................43
3.2.1. Giới thiệu động cơ diesel ISUZU 4BD1T.............................................43
3.2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ diesel ISUZU 4BD1T..............44
3.2.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá sự chính xác của mô hình....................52
3.2.4. Nhập các thông số và chế độ làm việc cho động cơ diesel ISUZU
4BD1T.............................................................................................................53
3.3. Kết quả tính toán mô phỏng.........................................................................68
3.3.1. Đánh giá các thông số nhiệt động.........................................................68
3.3.2. Đánh giá chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật của động cơ....................................69
3.3.3. Đánh giá các chỉ tiêu môi trường của động cơ......................................72
KẾT LUẬN.............................................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................78

2


LỜI NÓI ĐẦU
Trước sự phát triển như vũ bảo của khoa học kỹ thuật trong thời đại cách mạng
Công nghiệp 4.0, sức lao động của con người dần dần được giải phóng. Hầu hết các công
việc bằng sức người được thay thế bằng các loại máy móc tinh vi được lập trình sẵn để
làm việc thay con người, không những thay thế lao động chân tay mà nó còn có thể thay
thế cả lao động trí óc. Có thể minh chứng cho điều này một cách rất cụ thể và trực quan,
đó là máy vi tính (computer). Một công cụ của thời kì kỹ thuật cao và nó ngày càng được
cải thiện. Thử hỏi nếu một ngày thiếu mày máy vi tính thì thế giới sẽ phải chịu một tổn
thất là bao nhiêu, tất nhiên là không thể nào có thể thống kê hết thiệt hại của nó gây ra về

cả tinh thần và cả vật chất.
Việt Nam cũng đang bước vào thời kì phát triển, việc ứng dụng máy vi tính cũng
đang phát triển mạnh. Máy tính dần dần len lõi vào tất cả các ngành, các lĩnh vực. Việc
ứng dụng nó trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết, nó giúp chúng ta giải quyết vô số các vấn
đề.
Nói riêng trong cơ sở nghiên cứu khoa học, trong ngành động cơ nói chung và động
cơ đốt trong nói riêng thì việc ứng dụng máy vi tính vào công việc là tất yếu. Với nhiều
phát minh khoa học về tất cả các lĩnh vực toán học, vật lý, tin học ... thì ngày càng có
nhiều công cụ hơn để có thể khảo sát các loại động cơ hơn. Một trong số các công cụ cần
thiết cho việc nghiên cứu các động cơ đó là có thể xây dựng được một mô hình mô phỏng
động cơ nhằm tăng tính trực quan của hệ thống cũng như rút ngắn thời gian nghiên cứu,
thời gian chế tạo thử, giảm chi phí trong thiết kế và nghiên cứu ... Qua các quá trình mô
hình hóa và mô phỏng có thể làm cho các nhà khoa học có thể tối ưu hóa các quá trình
công tác, các kết cấu mới phù hợp hơn cho người sử dụng.
Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện rất nhiều phần mềm có liên quan đến động cơ
nói chung và quá trình nhiệt động học của động cơ nói riêng như phần mềm đa phương
KIVA, phần mềm nhiệt động học quá trình công tác của động cơ PROMO của Đức dựa
trên lý thuyết tính toàn động lực học chất lỏng CFD (computational Fluit Dynamics), các
phần mềm BOOST, FIRE, HYDSIM, EXCITE, GLIDE, TYCON, BRICKS của hãng
AVL (cộng hòa Áo). Các phần mềm này có thể dùng để nghiên cứu một cách chuyên sâu
về các chu trình công tác làm việc của động cơ, có khả năng thiết kế mẫu, thử nghiệm
mẫu trên lý thuyết ... Ở Việt Nam các phầm mềm này mới được đưa vào sử dụng trong
vài năm gần đây nên đang ở giai đoạn nghiên cứu.
Phần mềm BOOST là một phần mềm chuyên về tính toán các quá trình nhiệt động
trong động cơ và dòng chảy. Phần mềm đã được ứng dung khá rộng rãi ở các nước công

3


nghiệp phát triển cũng như các hãng ô tô hiện đại. Tại Việt Nam phần mềm cũng đã được

một số cán bộ và sinh viên nghiên cứu và ứng dụng.
Được sự hướng dẫn tận tình của tiến sĩ Ngyễn Công Đoàn, em đã hoàn thành đồ án
tốt nghiệp: “Khảo sát ảnh hưởng của việc cung cấp dimethyl ether vào đường nạp đến các
chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật và môi trường của động cơ diesel ISUZU 4BD1T bằng phần
mềm AVL-Boost”. Nội dung đồ án trình bày các kết quả nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng
của việc bổ sung DME vào đường nạp đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường
của động cơ diesel ISUZU 4BD1T bằng phần mềm mô phỏng AVL- Boost. Lượng DME
được cung cấp vào đường nạp với tỷ lệ 5% và 10% về năng lượng khi động cơ làm việc
theo đặc tính ngoài và đặc tính tải. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi bổ sung DME vào
đường nạp công suất động cơ thay đổi không đáng kể, mức phát thải NOx và PM giảm.
Trong quá trình làm không thể tránh được những thiếu sót và hạn chế, em kính mong các
thầy chỉ dạy và góp ý thêm ạ. Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2019
Sinh viên thực hiện
Tăng Minh Quang

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU THAY THẾ DÙNG
CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Sự cần thiết phải dùng nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong
Từ những năm 1970, trước áp lực của các cuộc khủng hoảng dầu mỏ và vấn đề
giảm thải các chất gây ô nhiễm môi trường, nhiều nước trên thế giới đã hoạch định những
chính sách nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế cho nguồn nhiên liệu gốc dầu mỏ trên
các động cơ đốt trong nói chung, động cơ diesel nói riêng. Đây cũng là hướng nghiên cứu
được các nhà khoa học và chính phủ Việt Nam quan tâm trong thời gian gần đây.
Nhiên liệu thay thế được dùng phổ biến hiện nay gồm các loại nhiên liệu sinh học
(xăng sinh học, diesel sinh học, khí sinh học...), hydro, khí thiên nhiên, khí hóa lỏng…
Ở Việt Nam, với số lượng phương tiện xe máy khoảng 40 triệu chiếc, ô tô khoảng 2

triệu chiếc hàng năm tiêu tốn lượng nhiên liệu lớn cũng như phát ra lượng khí thải độc
hại đáng kể ra môi trường. Theo số liệu thống kê của Bộ Giao thông Vận tải năm 2010, ô
nhiễm không khí ở đô thị do các hoạt động giao thông vận tải chiếm tỷ lệ khoảng 70%.
Để khắc phục dần các vấn đề về ô nhiễm, năm 2007 Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết
định số 177/2007 / QĐ-TTg về việc phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến
năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025. Theo đó, nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 1% nhu cầu
xăng dầu quốc gia vào năm 2015 và là 5% vào năm 2025. Song song với nhiên liệu sinh
học, các chính sách khuyến khích nhằm phát triển và ứng dụng khí LPG, CNG cho
phương tiện giao thông cũng đang được xây dựng nhằm đa dạng hóa nguồn nhiên liệu
thay thế.
1.2. Các nhiên liệu sạch thay thế nguồn nhiên liệu diesel truyền thống
Hiện nay các nước trên thế giớ đang nghiên cứu những nguồn nhiên liệu thay thế
cho nhiên liệu diesel truyền thống với mức giá thành thấp, nguôn nhiên liệu có thể tái tạo,
nguồn cung cấp từ những sản phẩm nông nghiệp cũng như chất thải và điều quan trọng là
nhiên liệu thay thế có mức phát thải thấp.
Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm:
- Nhóm các nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch gồm: Etanol từ nguồn hóa
thạch, khí thiên nhiên (NG – Natural Gas), khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG – Liquefied
Petroleum Gas), methanol, hyđrô, khí hóa lỏng (GTL – Gas To Liquid), than đá
hóa lỏng (CTL – Coal To Liquid) và Dimethyl Ether (DME).
- Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: Khí sinh học (biogas),
etanol sinh học (bio-etanol)/methanol sinh học (bio-metanol), hyđrô, dầu thực vật

5


(vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME – Fatty Acid Methyl Ester),
dầu thực vật/ mỡ động vật qua xử lý hyđrô (HVO – Hydrotreating Vegetable Oil),
sinh khối hóa lỏng (BTL – Biomass To Liquid) và DME.
Các loại nhiên liệu khí có nguồn gốc hóa thạch như khí thiên nhiên và khí dầu mỏ

hiện đang được sử dụng rất rộng rãi làm nhiên liệu thay thế cho xăng trên động cơ dùng
cho phương tiện giao thông. Tuy nhiên, do mật độ năng lượng thấp nên để sử dụng được
cho phương tiện vận tải cần thiết phải nén (ví dụ khí thiên nhiên nén CNG) hoặc hóa lỏng
(khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên hóa lỏng LNG). Khí hyđrô hiện cũng đang
được sử dụng thí điểm trên các phương tiện giao thông ở các dạng như hyđrô nén, hyđrô
hóa lỏng hoặc pin nhiên liệu. Etanol và methanol sinh học hiện là hai loại nhiên liệu lỏng
phù hợp nhất để thay thế cho xăng.
Nhiên liệu diesel sinh học ( bio – diesel ) đang là một nhiên liệu có tính ứng dụng
thực tế cao nhằm thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống. Bio – diesel có những
tương đồng với nhiên liệu diesel nên có thể sử dụng dạng nguyên chất (B100) cũng như
thay thế một phần nhiên liêu với một tỷ lệ nhất định.
Ngoài ra, DME cũng được sử dụng cho động cơ với mục đích thay thế một phần
nhiên liệu và giảm lượng phát thải sinh ra do quá trình cháy. Nhược điểm của nhiên liệu
DME là có mật độ năng lượng thấp nên cần phải dùng một lượng lớn dạng khí hoặc dùng
dạng lỏng và các chi tiết cần đảm bảo kín rất cao. Tuy có nhiều mặt hạn chế nhưng cung
không thể phủ nhận những ưu điểm rất khả quan do nhiên liệu DME mang lại như nhiên
liệu DME có thể được tổng hộp từ những nguyên liệu sẵn có cũng như những sản phẩm
phụ nông nghiệp và điều quan trọng nhất trong quá trình thử nghiệm cho thấy kết quả
phát thải giảm hẳn so với chỉ dùng nhiên liệu diesel truyền thống.
Đề tài mang đến một giải pháp giảm phát thải sử dung DME là nguồn nhiên liệu
thay thế một phần nhiên liệu diesel truyền thống nhằm tạo tiền đề cho việc thay thế hoàn
toàn các nhiên liệu diesel trong tương lai cũng như giảm ô nhiễm môi trường toàn cầu.
1.2.1. Nhiên liệu LPG
Khí dầu mỏ hóa lỏng – LPG ( Liquefied Petroleum Gas ), ( chủ yếu là phần C3 và
C4), có thể dùng nhiên liệu cho động cơ. Cho đến giữa những năm 1950, nhiên liệu LPG
được sử dụng tại một số quốc gia. Nhiên liệu LPG có trạng thái tương đối căn bằng giữa
ưu nhược điểm. Tuy nhiên, quá trình cháy LPG sản sinh rất ít chất gây ô nhiễm, nên còn
gọi là nhiên liệu sạch.
Việt Nam có trữ lượng khoảng 3000 tỷ m3 khí tập trung chủ yếu ở thềm lục địa
nước ta. Năm 2009 Nhà máy chế biến khí Dinh Cố bắt đầu sản xuất LPG (sản lượng

khoảng 29.000 tấn/tháng) phục vụ cho công nghiệp và dân dụng. Từ qúy II năm 2009,

6


nhà máy lọc dầu Dung Quất cũng chính thức đi vào hoạt động, đã cho ra sản phẩm LPG
thương mại đầu tiên.
Tổng lượng tiêu thụ LPG toàn cầu năm 1997 là trên 177 triệu tấn, chiếm 2% tổng
lượng tiêu thị năng lượng. Các khu vực tiêu thị chủ yếu là Liên Bang Mỹ( 52 triệu tấn),
Tây Âu ( 28 triệu tấn), Nhật Bản ( 20 triệu tấn). Dự báo năm 2000, mức tiêu thụ LPG
toàn cầu đạt 200 triệu tấn/năm.
Phần LPG dùng cho động cơ đốt trong thường chiếm 1 phần nhỏ trong tổng lượng
tiêu thụ LPG. Tuy nhiên, một số quốc gia như Hà Lan và Ý, lượng LPG dùng cho ô tô
chiếm 1/3 lượng LPG sản xuất ra. Việc thiết lập các đoàn xe chạy bằng LPG thường là
kết quả cố gắng của chính quyền địa phương nhằm bảo vệ môi trường ( hình 1.1). Ý và
Hà Lan có chính sách hỗ trợ lắp đặt các thiết bị bổ xung sử dụng LPG trên các xe con
( trước đó dùng nhiên liệu xăng). Do vậy, lái xe lựa chọn một trong hai loại nhiên liệu
( tuy nhiên, LPG có giá thành rẻ hơn do chúng bị đánh thuế thấp hơn).
Hà Lan

8.70%

Ý

4.40%

Pháp 0.10%

Mỹ

Nhật Bản

0.40%

0.70%

Hàn Quốc

7.60%

0.00% 1.00% 2.00% 3.00% 4.00% 5.00% 6.00% 7.00% 8.00% 9.00% 10.00%

Hình 1.1. Tỷ lệ PTCGĐB dùng LPG tại một số quốc gia
Tại Châu á, mặc dù đặc tính LPG của mỗi quốc gia là khác nhau, nhưng thành phần
chủ yếu của LPG được duy trì tương đối ổn định (chủ yếu C4).
Tại Liên Bang Mỹ, nhất là bang California, C3 được sử dụng làm thành phần chủ
yếu của nhiên liệu LPG( LPG phải đáp ứng yêu cầu về thành phần hóa học được thông
qua bởi Ủy ban Tài Nguyên Không Khí California – CARB). Nhiên liệu LPG phải chứa
ít nhất 85% (thể tích) propane và mức protylene lớn nhất cho phép là 5% (thể tích).
LPG có nhiệt trị khối (NHVm) cao hơn so với nhiên liệu xăng hoặc Diesel. Tỷ trọng
LPG tương đối thấp và nhiệt trị theo thể tích(NHVv) là thấp hơn so với nhiên liệu lỏng.

7


Đây là một điểm hạn chế của nhiên liệu LPG vì giá nhiên liệu tính theo lít không kể đến
thực tế này.
Tại châu âu, áp suất hơi tuyệt đối lớn nhất cho phép của LPG là 15,5 Bar tại 40 0C .
giá trị này không được phép vượt quá, vì áp suất cao có thể xuất hiên trong két vào mùa
hè. Trái lại, vào mùa đông, áp suất LPG cần đạt ngưỡng tối thiểu để đảm bảo điều kiện

khởi hành lạnh.
Bảng 1.1. Các thông số của LPG

Đặc tính

Eurosuper

Nhiên
liệu
Diesel

Tỷ trọng ( dạng

0,725
0,780

0,820
0,860

42,7

42,6

46,0

45,6

45,8

32,0

35,8

23,5

26,4

25,0

3,46

-

3.34

3,39

3,38

lỏng), [Kg/dm3]
Nhiệt trị khối
lượng, [Mj/kg]
Nhiệt trị thể tích
[Mj/dm3]
ECVN,[kj/dm3]

Propane
thương mại

Butane

thương
mại

LPG

0,51 0,58

Chú thích : ECVN (energy content of the vaporrized mixture ) – là lượng năng lượng
trong hỗn hợp hơi
1.2.2. Nhiên liệu diesel sinh học ( Biodiesel)
Biodiesel là nhiên liệu dùng cho động cơ diesel được sản xuất từ nguyên liệu sinh
học với thành phần hóa học chủ yếu là methyl ester của các axit béo. Tùy theo nguồn
nguyên liệu khác nhau mà mỗi nước sản xuất nhiều loại diesel sinh học khác nhau rồi
đem trộn với diesel truyền thống theo tỷ lệ quy định trong các tiêu chuẩn sản phẩm như
B5 (5%diesel sinh học,95% diesel dầu mỏ), B10 (10%diesel sinh học, 90% diesel dầu
mỏ), B20( 20% diesel sinh học, 80% diesel dầu mỏ) …
Biodiesel đã manh nha từ rất sớm vào năm 1853 nhờ công trình nghiên cứu của
E.Dufy và J.Patrick về chuyển hóa este của dầu thực vật, nhưng biodiesel chỉ được chính
thức ghi nhận vào ngày 10/08/1893, ngày mà kỹ sư người Đức Rudolf Christian Karl
Diesel cho ra mắt động cơ Diesel chạy bằng dầu lạc, sau đó ngày 10/08 được chọn là
ngày biodiesel quốc tế. Đến năm 1907 Herry Ford, người sáng lập công ty đa quốc gia
Ford Motor Company, cho ra đời chiếc xe bằng Etanol. Nhưng do xăng dầu có nguồn gốc
từ nhiên liệu hóa thạch có giá rẻ hơn nên nhiên liệu sinh học chưa được coi trọng. Nhưng

8


trong thời gian gần đây, do giá xăng dầu tăng nhanh, nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu hóa
thạch đe dọa và yêu cầu bức thiết về chống sự biến đổi khí hậu toàn cầu mà nhiên liệu
sinh học trở thành một nhu cầu thiết thực của nhân loại.

Tóm lại, có thể hiểu một cách tổng quát diesel là loại nhiên liệu bất kì dùng cho
động cơ diesel. Dựa theo nguồn gốc, có thể chia diesel thành 2 loại:
-

Petrodiesel (thường được gọi tắt là diesel) là một loại nhiên liệu lỏng thu được khi
chưng cất dầu mỏ ở phân đoạn có nhiệt độ từ 175 0C đến 370 0C thành phần chủ
yếu là hidrocacbon từ C16 ÷ C21.

-

Biodiesel: có nguồn gốc từ dầu thực vật (cỏ, tảo, cây Jatropha, cây cao su…) hay
mỡ động vật. Các loại dầu mỡ động thực vật, dầu mỡ thải tuy rằng có thể cháy ở
điều kiện thường nhưng vì có độ nhớt cao, một số loại có chỉ số axit lớn nên chúng
không thể dùng trực tiếp cho các động cơ mà chúng cần phải được chuyển hóa
thành Monoankyl – Este rồi mới đem đi sử dụng. Theo phương diện hóa học,
biodiesel là metyl este của những axit béo (trong đó, thành phần tạo năng lượng
chủ yếu là gốc hidrocacbon.

Nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel bao gồm các loại dầu thực vật và mỡ động
vật: Các loại dầu thực vật phục vụ cho việc sản xuất biodiesel ở Việt Nam được trình bày
trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Các nguồn để sản xuất BIODIESEL

Dầu Cọ

Từ hơn 10 năm trước đã trồng tại Long An, đạt 4 tấn dầu /ha. Tuy nhiên
có 1 số khó khăn: trồng qui mô lớn mới hiệu quả vì cần đầu tư dây
chuyền xử lý ngay sau thu hoạch do trong hạt chứa men lipase phân hủy
dầu trong vòng 24 giờ thành este và glycerin nên cần diệt men lipase
(bằng nồi hơi); dầu cọ không khó trồng nhưng cần mưa quanh năm –

khó đạt được ở Việt Nam. Hiện nay hầu như không phát triển được.

Vừng

Cây ngắn ngày, nhạy cảm thời tiết, hiện đang trồng đại trà tại Nghệ An,
Thanh Hóa, Gia Lai, An Giang. Vừng chủ yếu được xuất khẩu sang
Nhật (cả hạt và dầu).

Dừa

Diện tích trên 180000 ha, nhưng năng suất dầu thấp, tối đa đạt 1 tấn
dầu/ha, bằng 1/4 so với dầu cọ. Sản lượng dầu ép không cao vì cây dừa
rất hiệu quả đối với nông dân do các sản phẩm khác như cơm dừa sấy,
xơ dừa, than gáo dừa, thủ công mỹ nghệ từ gỗ dừa…

Đậu nành

Được trồng rất phổ biến ở miềm bác, hạt thu mua trong dân 5000 đ/kg,
đậu nành nhập khẩu từ Mỹ 3500 đ/kg ( kể cả thuế nhập khẩu).

9


Hướng
dương

Trồng thử nghiệm ở Củ Chi (đạt khoảng 2,5 tấn /ha), Lâm Đồng ( đạt
3,5 – 5 tấn/ha). Khi trồng thử nghiệm các thế hệ lai, năng suất đã tăng
đáng kể. Do đó hướng dương trở thành nguồn nguyên liệu có triển
vọng.

Bông vải

Theo chính sách Nhà nước về tự túc 70% nguyên liệu dệt may, diện tích
trồng cây bông sẽ phát triển nhanh chóng. Diện tích 2003, 2005, 2010
tương ứng là 33000 ha, 60000ha và 120000ha. Dầu hạt bông cải có thể
là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất biodiesel và ta chưa loại được độc
tố gossypol nên không thể dùng để sản xuất dầu ăn.

Cây
Jatropha

Theo mục tiêu của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn (NN-PTNT)
trong giai đoạn 2008-2010 trồng thử nghiệm, khảo nghiệm khoảng
30.000 ha Jatropha, năm 2015 mở rộng khoảng 300.000 ha và năm 2025
đạt tới 500.000 ha.

Nước ta tuy là nước nông nghiệp nhưng hàng năm chúng ta vẫn phải nhập một
lượng rất lớn dầu thực vật để tinh luyện phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu. Sở dĩ
như vậy vì giá mua nguyên liệu hạt, quả có dầu ở nước ta đôi khi bằng hoặc cao hơn so
với giá nhập dầu thực vật thô từ những nước có tiềm năng như Malayxia, Mỹ…Do đó ta
nên định hướng nghiên cứu sản xuất biodiesel từ các loại dầu thực vật không có giá trị
thực phẩm có giá thành thấp như dầu bông, dầu hạt cao su, dầu hạt Jatropha…
Mỡ động vật được chia ra làm 2 nhóm : mỡ động vật trên cạn và mỡ động vật dưới
nước:
-

Mỡ động vật trên cạn chứa nhiều axit béo no, chủ yếu là palmaitic và axit stearic.
Mỡ động vật trên cạn chứa nhiều axit béo thuộc nhóm omega - 6 hơn, hầu như
không có omêga-3 nên thường ở trạng thái rắn trong điều kiện nhiệt độ thường.

-

Mỡ động vật dưới nước chứa hàm lượng axit béo không no thuộc nhóm omêga-3
tương đối lớn, ở thể lỏng trong điều kiện nhiệt độ thường.

Dầu diesel truyền thống còn được biết dưới tên gọi là dầu DO, chứa các
hydrocacbon nằm trong phân đoạn kerosen và phân đoạn trung bình trong quá trình lọc
dầu, tức là ở khoảng nhiệt độ sôi từ 200oC đến 350oC. Công dụng chính của diesel là làm
nhiên liệu cho động cơ đốt trong với tính chất cháy được đặc trưng bằng khả năng tự
cháy, biểu thị bằng trị số cetan. Hydrocacbon có mạch n-parafin càng dài thì trị số cetan
càng cao, ngược lại, các hydrocacbon thơm, nhiều vòng có trị số cetan thấp. Hexadecan
n-C16H34 có trị số cetan bằng 100 và alpha-methylnapthalen C11H10 có trị số cetan bằng 0.
Xu thế diesel hóa các động cơ đốt trong dựa trên các ưu điểm của diesel so với xăng như

10


công suất lớn hơn khi sử dụng cùng một lượng nhiên liệu, động cơ diesel tăng tốc nhanh
hơn, giá diesel có thể rẻ hơn khi giá dầu thô quá cao và có thể giảm hàm lượng các chất
độc hại trong khí thải.
Diesel sinh học là nhiên liệu diesel được sản xuất từ nguyên liệu sinh học với thành
phần hóa học chủ yếu là methyl ester của các axit béo. So với diesel truyền thống, sản
xuất từ dầu mỏ, thì diesel sinh học có nhiều ưu điểm về mặt bảo vệ môi trường như chứa
ít lưu huỳnh (2-11ppm S), dễ phân hủy bằng vi sinh, giảm ô nhiễm không khí. Ngoài ra
chúng có tính bôi trơn cao hơn diesel dầu mỏ nên tuổi thọ của động cơ sẽ dài hơn và
nguồn nguyên liệu lấy từ sản phẩm hoặc phế thải nông nghiệp, thủy sản nên có thể tái
sinh nhanh, góp phần tăng giá trị nông nghiệp,sử dụng được lao động dôi dư, đất cằn cỗi,
giảm nhập khẩu tốn kém ngoại tệ. Ngày nay, tùy theo nguồn nguyên liệu khác nhau mà
mỗi nước sản xuất nhiều loại diesel sinh học khác nhau rồi đem trộn với diesel truyền

thống theo tỷ lệ quy định trong các tiêu chuẩn sản phẩm như B5 (5%diesel sinh học,95%
diesel dầu mỏ), B10 (10%diesel sinh học, 90% diesel dầu mỏ), B20( 20% diesel sinh học,
80% diesel dầu mỏ) …
Bảng 1.3. Các thông số của Biodiesel.
STT Đặc tính nhiên liệu

Diesel

Biodiesel

129,05

118,17

1,3 – 4,1

4,0 – 6,0

1

Nhiệt trị (Btu/gal)

2

Độ nhớt động học ở 400C (mm2/s)

3

Tỉ trọng ở 150C

7,079

7,328

4

Hàm lượng nước và cặn cơ học, max

0,05

0,05

5

Điểm chớp cháy, 0C

60 - 80

100 – 170

7

Điểm đông đặc, 0C

-15 ÷ - 5

-3 ÷ -12

Chỉ số cetane

40

- 55

48 ÷ 65

1.2.3. Cồn ethanol
Ethanol là nhiên liệu cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất
các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mạch, lúa
mỳ, củ cải đường, củ sắn... Ethanol còn được sản xuất từ các loại cây có chứa cellulose.
Nhiên liệu này có thể làm giảm lượng khí phát thải của xăng và là chất phụ gia để tăng trị
số ốc-tan. Ethanol là ethyl alcohol, được chế tạo từ phương pháp tổng hợp hay lên men
các chất hữu cơ như nước ép trái cây, rỉ đường, bã mía, tinh bột sắn, tinh bột ngô,...
Ethanol có thể được sản xuất dưới hai dạng hydro (có nước) hoặc anhydro (tính chất

11


không có nước). Ethanol sản xuất trong công nghiệp thường là anhydro, chứa 93% đến
96% ethanol và 4% đến 7% nước (theo thành phần thể tích). Ethanol (hoặc ethyl alcohol)
có công thức hóa học là CH3CH2OH.
Cồn ethanol có chỉ số ốc-tan cao, loại bỏ hoàn toàn các chất phụ gia có chứa chỉ
trong xăng, nhiệt lượng xấp xỉ với xăng dầu nhưng cũng có nhược điểm là phát thải nhiều
khí NOx và tác dụng ăn mòn kim loại, ăn mòn các loại nhựa lớn hơn xăng thông thượng.
Về mặt kỹ thuật, tăng thêm 10% Ethanol vào xăng thì chỉ số ốc-tan tăng thêm 3
đơn vị, hiệu suất nhiên liệu tăng và khi hàm lượng oxy tăng trong ethanol đảm bảo xăng
được đốt sạch hơn, giảm thải khí CO 2, CO góp phần bảo vệ môi trường không khí trong
sạch. Về mặt kinh tế, ngoài việc không phải chi một lượng lớn ngoại tệ để nhập khẩu, còn
giúp giảm giá xăng xuống một tí, giá trị hóa được những phế thải nông nghiệp, phát triển
công nghiệp sản xuất cồn tạo thêm công an việc làm cho xã hội và tăng thu nhập cho

nông dân.
 Ưu điểm của cồn:
-

Cồn có chỉ số ốc-tan cao hơn xăng, cháy sạch hơn, phát thải ít CO hơn và giảm
đáng kể lượng muội than, SOx, chất PM.

-

Cồn có nhiệt ẩn hóa hơi cao nên có hiện tượng làm mát bên trong và điều này cho
phép xy lanh nạp đầy hơn.

-

Không cần thay đổi nhiều kết cấu của phương tiện khi dùng nhiên liệu cồn .

-

Động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp xăng _cồn với hàm lượng nhỏ hơn 20%, thì
không cần thiết cải tạo lại động cơ cũ.

-

Cồn có thể sử dụng làm nhiên liệu chủ yếu trong động cơ kết hợp với phun 10%
nhiên liệu diesel. Mức độ phát thải ô nhiễm NOx, HC và các chất giảm ô nhiễm
đáng kể khi sử dụng nhiên liệu diesel pha cồn.

 Nhược điểm của cồn:
-

Cồn có chứa axit acetic gây ăn mòn kim loại, ăn mòn các chi tiết máy, động cơ
làm giảm thời gian sử dụng động cơ.

-

Nhiệt trị cồn thấp, thùng nhiên liệu lớn.

-

Đầu tư ban đầu cao.

-

Ngọn lửa của nhiên liệu cồn cháy không có màu, điều này sẽ gây khó khăn trong
việc nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu cồn.
Các độc chất tiềm ẩn trong nhiên liệu cồn vẫn đang trong quá trình nghiên cứu.

12


Bảng 1.4. Các thông số ethanol
Đặc tinh

Diesel

Ethanol

CH19

C2H6O

825÷760

794

180÷360

78,3

-

0,16

180

854

-

8,95

NHVm [kJ/kg]

42600

26805

NHVv [kJ/kg]

35570

21285

Chỉ số RON

-

120

Chỉ số MON

-

99

Chỉ số xetan

50

5

Công thức chung
Tỷ trọng tại 15,5oC, [kg/m3]
Điểm sôi/ Khoảng nhiệt độ chưng
cất [oC]
RVP tại 3,78oC; [Bar]
Nhiệt độ hóa hơi [kJ/kg]
Tỷ số stoichiometry

1.2.4. Khí thiên nhiên (CNG )

Khí thiên nhiên CNG (Compressed Natural Gas) là nguồn năng lượng sơ cấp rất
quan trọng. Trong những năm gần đây, sản lượng CNG hằng năm trên thế giới đạt xấp xỉ
2 tỷ Tep (1000m3 = 0,85 Tep), tương đương khoảng 60% sản lượng dầu thô. Người ta ước
tính đến năm 2020, sản lượng CNG trên thế giới sẽ là 2,6 tỷ Tep/ năm so với sản lượng
dầu thô là 3,5 tỷ Tep.
Trữ lượng CNG hiện nay khoảng 150 tỷ Tep, xấp xỉ với trữ lượng dầu thô. Mặt
khác, CNG có ưu điểm là phân bố gần như hầu khắp trên địa cầu nên đảm bảo được sử
cung cấp an toàn và thuận tiện hơn dầu thô.
CNG hiện nay chủ yếu được sử dụng để sinh nhiệt gia dụng và công nghiệp (sưởi,
tạo nhiệt, công nghệ hóa học,..). Tỷ lệ CNG sử dụng trong lĩnh vực GTVT còn rất nhiều
khiêm tốn.

13


Cũng như đối với các loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động cơ
dùng CNG liên quan đến thành phần hydrocarbure của nhiên liệu, (CNG chứa ít nhất
90% methane). Khác với động cơ xăng, trong khí xả động cơ CNG hầu như không có
hydrocarbon nào có hơn 4 nguyên tử carbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện
của thành phần hydrocarbon thơm.
Liên quan đến vấn đề tạo ozone ở hạ tầng khí quyển, khí thải của động cơ CNG có
hoạt tính thấp hơn động cơ xăng tới 2 lần. Tính chất này chủ yếu là do nhiên liệu CNG
chứa phần lớn methane, còn thành phần các chất hoạt tính (butane, buta-1,3-dien, xylene)
là rất thấp.
Mặt khác, nhiên liệu CNG không bao giời gây trở ngại với bộ xúc tác ba chức năng
do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp nhiên liệu truyền thống. Tuy nhiên, sự
oxy hóa methane còn lại trong khí xả rất khó khăn. Muốn loại trừ chất khí này triệt để cần
sử dụng một bộ xúc tác đặc biệt.
Mức độ CO và bồ hóng rất thấp, mức độ HC đôi lúc gần với giá trị cho phép bởi
luật môi trường, nhưng chỉ chứa phần lớn methane (khoảng 90%), còn lại các thành phần

khác rất thấp. Khí xả động cơ CNG có nồng độ NO x rất thấp nếu động cơ làm việc với
f=1 và có lắp bộ xúc tác 3 chức năng. Nồng độ này cao hơn 1 chút nhưng vẫn nằm trong
giới hạn cho phép nếu dùng hỗn hợp nghèo. Những ô nhiễm đặc trưng của động cơ diesel
(ồn, hôi, khói đen...) được cải thiện rất nhiều đối với động cơ CNG. Mức độ ồn giảm
được khoảng 3 db khi động cơ hoạt động không tải đối với oto bus thành phố. Về mùi hôi
chất phụ gia chưa lưu huỳnh để phát hiện sự rò rỉ được thêm vào khí thiên nhiên với
thành phần rất thấp nên bị đốt cháy hoàn toàn. Vì vậy khí xả động cơ CNG rất ít bị hôi so
với khí xả động cơ diesel.
Methane cũng như CO2 và N20 là những khí gây hiệu ứng nhà kính một cách trực
tiếp, vì vậy người ta rất quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc phát triển
động cơ CNG đến việc nóng lên của bầu khí quyển. Trong thực tế động cơ CNG phát
sinh nhiều methane nhưng ít CO2 so với động cơ nhiên liệu truyền thống. Vì vậy lượng
chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ CNG thấp hơn khoảng 25% so với
động cơ xăng và 5% so với động cơ diesel. Do đó, việc sử dụng CNG sẽ làm giảm đi
đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính trên phạm vi toàn cầu.

14


1.2.5. Nhiên liệu DME
a. DME
DME không phải là sản phẩm khí sẵn có trong tự nhiên mà là sản phẩm tổng hợp từ
khí tự nhiên, dầu mỏ, than đá hoặc chất hữu cơ vi sinh, than bùn, nguồn nguyên liệu sinh
khối, khí thải công nghiệp, dầu nặng phế thải, khí mêtan tận thu từ các quá trình xử lý
chất thải… thông qua quá trình khí hóa.
DME được coi là nguồn nhiên liệu cho tương lai do thuộc tính lý hóa cũng như khả
năng tồn chứa phù hợp, nhất là trong điều kiện nguồn nhiên liệu khoáng ngày càng cạn
kiệt cũng như vấn đề bảo vệ môi trường ngày càng trở nên cấp bách.
Bảng 1.5. Tính chất vật lý của DME
Cấu trúc phân tử

Đặc tính
- Hợp chất hữu cơ không màu.
- Tồn tại ở thể khí dưới áp suất và
nhiệt độ môi trường.
- Được tồn chứa dưới dạng lỏng
trong bình có áp suất từ 7 ÷ 10 bar.
- Áp suất hóa lỏng của nó ở 20 oC là
0,5 MPa, còn ở 38oC là 0,6 MPa.

Bảng 1.6. Các thông số của nhiên liệu diesel và DME
STT Thông số

Đơn vị

DME

Diesel

1

Trọng lượng phân tử

g/mol

46

204

2

Hàm lượng các bon

% khối lượng

52,2

86

3

Hàm lượng hydrô

% khối lượng

13

14

4

Hàm lượng ôxy

% khối lượng

34,8

0

5

Khối lượng riêng ở trạng thái lỏng

kg/m3

667

831

6

Khối lượng riêng ở trạng thái khí
kg/m3
(đktc)

1,59

-

7

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết

kg/kg

9,1

14,6

8

Nhiệt trị thấp

MJ/kg

28,43

42,5

9

Độ nhớt động học ở trạng thái lỏng

cSt

<1

3

10

Nhiệt dung riêng

kJ/(kg.K)

1,34

1,6

11

Chỉ số xê tan

-

55

47,3

15


STT Thông số

Đơn vị

DME

Diesel

12

Áp suất hơi bão hòa tại 20 oC

bar

5,1

0,003

13

Hệ số sức căng mặt ngoài

H/m

7,5.10-3

28.10-3

14

Nhiệt ẩn hóa hơi (đktc)

kJ/kg

425

220

15

Nhiệt độ tự bốc cháy

o

C

235

380

15

Nhiệt độ hóa hơi trung bình

o

C

- 24,9

280

16

Tốc độ âm thanh tại 20 oC

m/s

860

1260

17

Môđun đàn hồi

N/m2

6,37.108

14,86.10
8

 Ưu điểm cơ bản :
-

Tỷ lệ hàm lượng hydro/cacbon cao nên quá trình cháy tạo ra ít phát thải CO2.

-

Nhiệt độ sôi thấp giúp DME bay hơi nhanh khi được phun vào trong xylanh động
cơ.

-

Hàm lượng ôxy cao cùng với không có mối liên kết C-C trong phân tử dẫn đến
quá trình cháy ít hình thành muội than.

-

Trị số xêtan cao do nhiệt độ tự cháy thấp và khả năng bay hơi nhanh, dẫn đến chất
lượng quá trình cháy được cải thiện.

-

Không chứa lưu huỳnh nên không hình thành H 2SO4 và các thành phần hạt sulfate
trong khí thải, giúp giảm ô nhiễm môi trường và tăng tuổi thọ của các bộ xử lý xúc
tác.

-

DME có chỉ số xê tan cao nên là rút ngắn thời gian cháy trễ. Theo đó, tốc độ tăng
áp suất dp/dφ khi cháy của DME nhỏ hơn 1,8 ÷ 1,9 lần so với nhiên liệu diesel nên
làm giảm độ ồn, động cơ hoạt động êm dịu hơn.

-

Nhiệt trị thấp hơn so với diesel do có chứa ôxy trong phân tử, vì vậy để đảm bảo
công suất động cơ không thay đổi cần cung cấp một lượng nhiên liệu lớn hơn.

* Nhược điểm:
-

Độ nhớt thấp và tính bôi trơn kém dẫn đến tăng khả năng lọt nhiên liệu, gây mòn
bề mặt của các chi tiết chuyển động trong hệ thống phun nhiên liệu.

-

Mô đun đàn hồi thấp dẫn đến công tiêu hao cho bơm nhiên liệu cao hơn (khoảng
10%);

-

Không tương thích với hầu hết các vật liệu đàn hồi, do vậy các chi tiết bao kín
phải được làm từ vật liệu polytetrafluoroethylene (PTFE).

16

-

Dựa vào các số liệu trên ta thấy DME có thể thay thế cho nguồn nhiên liệu khác
(methan, propan, methanol, gasoil), là nguồn nguyên liệu có chỉ số xê tan cao hơn
(55-60sovới40-45), nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (235oC so với 250oC) nên nhiên liệu
DME đang là nguồn nhiên liệu thay thế có nhiều triển vọng nhất hiện nay.

DME được tồn chứa và vận chuyển tương tự như LPG ở dạng khí hóa lỏng trong
các bình chứa chịu áp suất. Áp suất trong bình thường vào khoảng từ 7 đến 10 bar để duy
trì trạng thái lỏng của DME. Giống như LPG, DME chỉ chiếm tối đa 85% thể tích bình,
15% thể tích còn lại cho phép DME có thể giãn nở tồn tại ở thể khí khi nhiệt độ môi
trường tăng lên. DME ở dạng khí nặng hơn không khí nên nếu rò rỉ sẽ tồn tại phía trên
mặt nền có thể gây cháy nếu có nguồn lửa. Quá trình vận chuyển và phân phối DME
thường được thực hiện bằng xe bồn. Các chi tiết tiếp xúc với DME cần lưu ý về tính
tương thích vật liệu vì DME tác động mạnh tới cao su và các vật liệu đàn hồi.
1.3. Tình hình sản xuất DME ở Việt Nam và Thế giới
1.3.1. Tình hình sản xuất DME ở Việt Nam
Hiện nay, tại Việt Nam do nền kinh tế ngày càng phát triển nên nhu cầu tiêu thụ
các sản phẩm lọc dầu tăng lên nhanh chóng. Trong tổng sản lượng tiêu thụ các sản phẩm
lọc dầu thì dầu diesel là sản phẩm chiếm tỉ trọng lớn nhất, bên cạnh đó, nhu cầu tiêu thụ
LPG cũng khá cao. Tuy nhiên, sản lượng của LPG, diesel sản xuất trong nước chưa dáp
ứng được nhu cầu làm nhiên liệu trong sinh hoạt và sản xuất. Do đó, cần phải có kế
hoạch nâng cao sản lượng LPG và diesel hoặc tìm nguồn nhiên liệu mới thay thế.
Bên cạnh đó, Việt Nam cũng theo xu hướng chung của thế giới là tìm các nguồn
nhiên liệu sạch thay thế để tránh gây ô nhiễm môi trường. DME là nhiên liệu thay thế
sạch và kinh tế, có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế hoàn toàn hoặc một phần LPG,
diesel. Ngoài ra, nguyên liệu để sản xuất DME cũng phong phú, có thể sản xuất từ khí
thiên nhiên, than đá hoặc biomass. Quá trình sản xuất DME từ khí nhằm khai thác hết
được tiềm năng dầu khí của Việt Nam, góp phần nâng cao giá trị tài nguyên khí cũng như

mở rộng, đa dạng hóa thị trường khí và đáp ứng trong tương lai. Xuất phát từ những lí do
trên, ngày 07/08/2008, tập đoàn dầu khí Việt Nam đã kí hợp đồng số 5672/HĐ-DKVN
với Viện Dầu khí Việt Nam/ Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Chế biến Dầu khí
(PVPro) để thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng sản xuất và sử dụng DME từ khí”.
Bên cạnh nguồn nguyên liệu than đá, nước ta còn có nguồn khí thiên nhiên với trữ
lượng tương đối lớn, cho nên sự phát triển sản phẩm DME này thực sự có tiềm năng và
đáng quan tâm. Tuy nhiên, tại Việt Nam cho đến nay công nghệ sản xuất chế biến DME
còn rất mới mẻ. Mới đây tập đoàn Sao Nam (Hà Nội) đã trở thành doanh nghiệp tư nhân
đầu tiên triển khai xây dựng nhà máy sản xuất DME tại Việt Nam.

17


Hiện Sao Nam Group đã chọn vùng biển Tiền Hải (Thái Bình) là nơi gần mỏ khí
102, 106 để đặt nhà máy sản xuất DME. Hiện họ đang tìm kiếm nguồn nhiên liệu trong
tỉnh Thái Bình hoặc mua ở những mỏ quanh tỉnh này để khi dây chuyền sản xuất hoàn
thành sẽ có nguyên liệu để sản xuất ngay.
Theo tính toán của Sao Nam Group, nếu tận dụng được nguồn khí CO 2 từ các mỏ
mà không phải nhập khẩu thì giá thành sẽ giảm 50% so với LPG và dầu diesel. Trong
trường hợp phải nhập thêm nguồn khí CO 2 từ các nước khác thì giá thành cũng sẽ chỉ
bằng LPG và dầu diesel trên thị trường, “Khí này có thể dự trữ được trong thời gian lâu
dài, có ưu thế là vận chuyển dễ dàng, tiện lợi nên giá thành vận chuyển cũng sẽ giảm rất
nhiều. Việt Nam có đủ nguồn nguyên liệu cho công nghệ DME vì trước đay ở các mỏ dầu
khai thác dầu khí, CO2 thường bán đi hoặc phải chôn lại xuống đất nên giờ có thể tận
dụng. Ngoài ra, nếu mỏ khí 102, 106 được đưa vào khai thác, sẽ cung cấp đủ nguyên liệu.
Bên cạnh đó, Sao Nam Group còn tham gia vào lĩnh vực tìm kiếm thăm dò các mỏ dầu
khí mới trong nước và đầu tư tìm kiếm mỏ ở các nước khác rồi mang về Việt Nam phục
vụ cho công nghệ DME. Ở Việt Nam, dầu diesel được dùng rất nhiều trong vận tải và
công nghiệp, cũng như LPG dùng nhiều trong dân dụng. Hiện nhà máy Dinh Cố một năm
cũng chỉ sản xuất được 600 ngàn tấn LPG, còn phải nhập thêm 400 ngàn tấn nữa. “Nếu

có đủ nguồn khí CO2 thì một năm nhà máy DME có thể sản xuất được 700- 800 ngàn tấn
nhiên liệu sạch DME, không chỉ đáp ứng nhu cầu mà còn dư thừa. DME có thể được
chiết suất từ nhiều nguồn như các nguyên liệu tái chế (rác, các nông phẩm…), nhiên liệu
hóa thạch (khí đốt…), thanm các sản phẩm lâm sản- nông sản phụ, rác từ các đô thị và
cây trồng nhiên liệu… Công nghệ hiện nay cho phép tận thu nhiên liệu từ nguồn khí thiên
nhiên còn sót lại tại các mỏ đã khai thác, hoặc khí ở các mỏ có trữ lượng nhỏ, mỏ cận
biên bằng cách chuyển đổi hoặc tổng hợp tại chỗ nhiên liệu khí thành nhiên liệu lỏng có
hàm lượng năng lượng cao và mức phát tán CO2 thấp, từ đó giảm sự phụ thuộc vào nguồn
xăng dầu nhập khẩu và giảm khí thải CO2 từ các loại động cơ.
Con đường đơn giản nhất để sản xuất DME là từ methanol. Methanol có thể sản
xuất từ than hay từ khí thiên nhiên qua giai đoạn sản xuất khí tổng hợp.
Trên thế giới, methanol được sản xuất lượng lớn, cỡ hàng chục triệu tấn/năm. Nước ta
cũng đã có dự án xây dựng cơ sở sản xuất methanol cơ hơn 60 vạn tấn/ năm từ khí thiên
nhiên. Ngày nay, công nghệ sản xuát DME từ methanol đã được ứng dụng trong công
nghiệp. Xúc tác cho quá trình dehydrat hóa methanol thành DME là nhôm oxit. Viện Hóa
học Công nghiệp Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam đã nắm vững công nghệ chế tạo loại
oxit này.
Từ đầu những năm 80 của thế kỉ trước, DME đã bắt đầu được tổng hợp trực tiếp từ
khí tổng hợp bằng quá trình xúc tác dị thể trong pha khí. Cũng có thể tiến hành phản ứng

18


này trong pha lỏng, nhưng trong pha khí, thiết bị đơn giản hơn. Đi tiên phong theo hướng
này là hãng Mobil. Khí tổng được sản xuất giống như các nhà máy sản xuất phân đạm, có
thể từ than hoặc từ khí thiên nhiên. Chẳng hạn, tại nhà máy Phân đạm và Hóa chất Hà
Bắc, khí tổng hợp được sản xuất bằng công nghệ khí hóa than antraxit, còn tại Nhà máy
Phân đạm Cà Mau đã khởi công xây dựng, khí tổng hợp dược sản xuất từ các khí thiên
nhiên. Methanol được tổng hợp từ khí tổng hợp, tức là từ hydro và cacbon oxit (hay
cacbon dioxit), còn ammoniac được tổng hợp từ phản ứng của H 2 trong khí tổng hợp với

N2 từ không khí. Để tổng hợp ammoniac, khí tổng hợp phải được xử lý để chuyển hóa hết
khí CO thành H2 qua phản ứng của CO với hơi nước và phải loại hết CO dư, vì nó là chất
độc đối với xúc tác tổng hợp ammoniac. Còn để tổng hợp methanol, thì chỉ cần điều
chỉnh tỉ số H2/CO bằng 2 là được. Cho đến nay, trong khoa học còn có những bằng chứng
cho thấy chính CO2 chứ không phải CO tham gia vào phản ứng tổng hợp methanol. Quá
trình tổng hợp methanol trong công nghiệp có hiệu quả nhất là được tiến hành trên xúc
tác oxit hôn hợp Cu-Zn-Al ở nhiệt độ khoảng 220-280 và áp suất 5-10 MPa. Khi trong
lớp xúc tác có mặt cả xúc tác có khả năng tổng hợp methanol và xúc tác dehydrat hóa, thì
methanol tạo thành có thể chuyển hóa tiếp theo thành DME. Như vậy là từ khí tổng hợp,
trong cùng một hệ thiết bị trên cùng một lớp xúc tác có thể tổng hợp trực tiếp DME.
Công nghệ tổng hợp DME trực tiếp từ khí tổng hợp gần tương tự như công nghệ tổng
hợp methanol, nhưng giá thành DME thấp hơn giá thành methanol khoảng 5-10%.
1.3.2. Tình hình sản xuất DME trên thế giới
Sản xuất DME của thế giới hiện nay khoảng 5 triệu tấn mỗi năm, chủ yếu từ
nguồn nguyên liệu methanol.
Hiện nay, Trung Quốc đang đẩy mạnh phát triển DME sản xuất từ than đá, thành
nhiên liệu chủ lực thay thế diesel. Dự tính Trung Quốc cho 20 triệu tấn DME vào năm
2020. Trung Quốc có trữ lượng than đá lớn thứ 3 thế giới và hơn 60% năng lượng của
nước này được tạo ra từ than đá. Các chuyên gia thị trường tiêu thụ nhiên liệu cho biết
nhiên liệu DME có thể sản xuất dùng thay thế dầu diesel và có thể giữ được giá dầu thô
trên thế giới ở mức trên 40 đo la Mỹ/thùng. Trong khi giá dầu thô hiện tại trên thế giới
khoảng trên 70 đo la Mỹ/thùng, tăng gấp 3 lần so với năm 2002. Nhiên liệu DME giá
khoảng 1000 nhân dân tệ/tấn (tương đương với 123 đô la Mỹ) rẻ hơn so với dầu diesel.
Nếu nhiên liệu DME này được đưa vào sử dụng thay thế dầu diesel cho toàn bộ xe bus
của thành phố Thượng Hải có thể tiết kiệm được khoảng hơn 300 triệu nhân dân tệ
(tương đương với 37 nghìn đo la Mỹ) mỗi năm. Chính quyền thành phố đã lên danh sách
ngành công nghiệp hóa nhiên liệu DME là một trong những nhiệm vụ quan trọng của
thành phố nhằm giảm bớt chi phí nhiên liệu đắt tiền, giảm bớt sự ô nhiễm môi trường và
tiếng ồn. Mặc dù vậy, động cơ xe bus cần phải chỉnh sửa lại một chút trước khi sử dụng
nhiên liệu mới này.

19


Nhật Bản cúng có các cơ sở sản xuất DME. Tháng 7 năm 2002, một nhà máy sản
xuất DME từ khí tự nhiên công suất 100 tấn/ngày – công suất lớn nhất thế giới ở thời
điểm đó đã được xây dựng tại thành phố Kushiro. Ngày 19/11/2002, nhà máy chính thức
chạy thử nghiệm. Sau hơn một tháng rưỡi hoạt động liên tục, người ta đã thu được 1240
tấn DME chất lượng khá tốt với độ tinh khiết khoảng 99,5% để chuẩn bị cho việc sử
dụng thử nghiệm. Phương pháp tổng hợp trực tiếp DME mới chỉ thực hiện được trong
những năm gần đây nhờ những thành tựu đạt được trong lĩnh vực về các chất xúc tác.
Phương pháp mới này cho phép giảm giá thành sản xuất DME và khả năng sử dụng DME
thay thế cho nhiên liệu truyền thống trở thành hiện thực. Nhật Bản đang gấp rút thực hiện
chương trình DME như là một trong những giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và
đa dạng hóa các nguồn năng lượng, góp phần tăng cường an ninh năng lượng. Tuy còn
tồn tại một số vấn đề cần giải quyết trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt, nhưng người ta
tin chắc rằng chương trình DME của Nhật sẽ thành công, nhất là trong giai đoạn hiện
naykhi giá dầu mỏ tăng rất cao và do áp lực của cơ chế phát triển sạch mà các nước công
nghiệp hang đầu trên thế giới sẽ phải thực hiện.
Chương trình DME không chỉ có riêng ở Nhật Bản, Trung Quốc mà còn được tiến
hành ở một số nước khác như Hàn Quốc, Đan Mạch, Mỹ, Hà Lan, Áo… Do nhận thức
được vai trò quan trọng của nhiên liệu DME trong tương lai, các nước này cũng đã triển
khai chương trình DME của riêng mình từ khoảng mười năm gần đây.
Ở Thụy Điển, tại đại học Vaexjoe, các nhà khoa học đang nghiên cứu chế tạo DME,
được xem là thế hệ thứ hai của nhiên liệu sinh học. Sử dụng nhiên liệu là chất thải lâm
nghiệp như cành, ngọn và gốc cây tạp thừa thãi trong rừng, hợp chất khí không mùi này
được đánh giá là “nhiên liệu thay thế hiệu quả nhất”. Dự kiến trong 10 năm nữa, DME sẽ
được đưa vào sản xuất trên diện rộng ở Vaexjoe với công suất 400.000 tấn/năm. Và khi
đó, toàn bộ hệ thống giao thông công cộng ở đây sẽ vận hành bằng DME.

20


CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CUNG CẤP DME CHO
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1. Các phương pháp cung cấp DME
2.1.1. Hệ thống trộn nhiên liệu diesel với DME ở dạng lỏng trước khi phun vào
buồng đốt
Hệ thống cung cấp nhiên liệu loại này gồm có bình chứa DME được hóa lỏng ở áp
suất cao, hệ thống van kết nối với bình chứa điều khiển lưu lượng DME, bộ trộn (Hình
2.1). Hệ thống van điều tiết, kiểm soát lưu lượng được điều khiển bằng mô đun điều
khiển trung tâm, căn cứ vào các tín hiệu từ các cảm biến theo nhu cầu nhiên liệu của
động cơ. Nhiên liệu DME được nén bằng bơm và chứa trong bình áp lực cao trước khi
đưa vào buồng trộn. Lượng DME cung cấp được điều khiển bằng van kiểm soát lưu
lượng và được điều khiển bởi bộ điều khiển điện tử.

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống trộn nhiên liệu diesel - DME ở dạng lỏng
Nhiên liệu DME ở dạng lỏng được đưa từ bình chứa qua các van điều khiển và
trộn với diesel tại buồng trộn thành một hỗn hợp nhiên liệu lỏng, hỗn hợp này vẫn được
duy trì áp suất và được bơm vào ống góp chung (common rail) rồi qua vòi phun, phun
vào buồng đốt.

 Ưu điểm:
- DME có thể trộn với diesel theo tỷ lệ khá cao, góp phần giảm lượng tiêu
thụ nhiên liệu diesel.

- Kết cấu động cơ diesel nguyên bản không bị thay đổi nhiều.
21



Nhược điểm:

- Khi tăng tốc độ vòng quay, động cơ làm việc không ổn định.
- Với tỷ lệ hòa trộn DME cao thì tính bôi trơn của nhiên liệu sẽ giảm đi, dẫn
đến những vấn đề liên quan đến mài mòn chi tiết, làm tăng chi phí bảo dưỡng sửa
chữa động cơ.
2.1.2. Hệ thống phun trực tiếp DME lỏng vào buồng đốt
a) Đặc trưng của hệ thống phun trực tiếp DME vào buồng đốt
Nhìn chung, hệ thống cung cấp DME cũng tương tự như hệ thống nhiên liệu
diesel, có thể sử dụng hệ thống nhiên liệu kiểu bơm cao áp vòi phun cơ khí thông thường
hoặc kiểu bình tích áp (common rail). Tuy nhiên do DME có những tính chất khác biệt
với diesel nên hệ thống cung cấp DME có những đặc trưng riêng:

-

Nhiên liệu được nén trong hệ thống kín: DME có nhiệt độ sôi thấp, khoảng

-25°C, tồn tại ở dạng khí trong điều kiện bình thường. Do vậy, để đảm bảo duy trì ở trạng
thái lỏng DME cần được nén tới áp suất hóa lỏng và hệ thống nhiên liệu phải kín.

-

Hình thành bọt khí trong hệ thống: DME có áp suất bay hơi cao nên dễ

hình thành các bọt khí trong thống nhiên liệu và làm cho quá trình phun nhiên liệu không
ổn định. Mặc dù ở nhiệt độ môi trường, với áp suất nén 5 bar trở lên, DME được duy tri
ở dạng lỏng nhưng áp suất do bơm thấp áp tạo ra thường phải khoảng 12 - 30 bar, để
tránh hình thành bọt khí trong đường ống nhiên liệu gây ra bởi nhiệt độ nhiên liệu tăng

trong quá trình làm việc dẫn tới áp suất bay hơi tăng và bởi hiệu ứng động lực học của
dòng chảy có thể tạo ra vùng khí trong đường ống.

-

Áp suất phun thấp: DME hóa khí ngay khi được phun vào xilanh do nhiệt

độ sôi thấp cho dù khi phun ở dạng lỏng. Do vậy, áp suất phun DME chi cần khoảng 200
– 300 bar với lượng DME cho chu trình ở các tốc độ đáp ứng yêu cầu đạt công suẩt động
cơ mà không cần áp suất phun cao như đối với các động cơ diesel hiện đại (khoảng 500 –
1500 bar).

-

Hệ thống đảm bảo kín khít, không có sự rò rỉ nhiên liệu: độ nhớt của DME

thấp nên các hệ thống nhiên liệu hiện nay không đảm bảo được yêu cầu kín khít để tránh
rò rỉ nhiên liệu. Ngay cả ở nhiệt độ môi trường, DME vẫn rò rỉ đáng kể qua vùng có khe
hở rất nhỏ như khe hở pittông - xilanh bơm cao áp. Để tránh hiện tượng này, cần thay thế
các chi tiết làm kín vật liệu đàn hồi thông thường bằng vật liệu có khả năng chống ăn
mòn cao như vòng làm kín phủ Teflon, nhựa Teflon...

-

Tính bôi trơn của DME thấp hơn diesel khoáng dễ làm các chỉ tiết bị mòn

nhanh. Cải thiện khả năng bôi trơn của DME bằng cách pha thêm phụ gia bôi trơn hoặc

22

thay đổi vật liệu các chi tiết được bôi trơn bằng nhiên liệu như bề mặt pittông - xilanh
bơm cao áp phù hợp với DME.

-

Thời gian phun dài: khối lượng riêng và nhiệt trị của DME thấp nên cần

lượng nhiên liệu cho chu trình lớn hơn, thường khoảng 1,8 lần, so vớỉ lượng diesel để
cung cấp cùng năng lượng tương đương, dẫn tới thời gian phun dài hơn và thời điểm
phun sớm hơn.

-

Công nén nhiên liệu lớn hơn: DME có khối lượng riêng thấp hơn và tính

chịu nén tốt hơn so với diesel khoáng nên công nén của bơm cao áp yêu cầu lớn hơn.

-

DME không tương thích với phần lớn các vật liệu đàn hồi thông dụng, gây

ảnh hưởng lý hóa đối vởỉ các chỉ tiết làm kín bằng nhựa và vật liệu đàn hồi thường dùng
của hệ thống nhiên liệu. Có thể sử dụng vật liệu Teflon cho các chi tiết làm kín, thường
xuyên tiếp xúc với DME.
b) Hệ thống cung cấp DME kiểu bơm cao áp và vòi phun cơ khí thông thường
Hệ thống nhiên liệu DME sử dụng bơm cao áp và vòi phun cơ khí thông thường
bao gồm bình chứa nhiên liệu, bơm thấp áp, két làm mát nhiên liệu, bộ hút khí, van tràn,
bơm cao áp, vòi phun như được thể hiện trên Hình 2.2. Bơm thấp áp tạo áp suất nhiên
liệu trong đường ống thấp áp lớn hơn 5bar, đưa DME từ thùng chứa nhiên liệu tới bơm

cao áp. Lượng nhiên liệu do bơm thấp áp cung cấp cần lớn hơn lượng nhiên liệu cần thiết
phun vào xilanh động cơ. Phần nhiên liệu thừa đi qua van tràn với áp suất mở 5bar, qua
két làm mát làm giảm nhiệt độ nhiên liệu và hồi về thùng chứa. Bộ phận hút khí trên
đường hồi nhằm loại bỏ phần bọt khí DME xuất hiện trong hệ thống đường ống. Bơm
thấp áp được đặt tại vị trí thấp hơn mức nhiên liệu trong thùng chứa vì trong điều kiện
bão hòa DME không thể được hút lên cao hơn. Như vậy, DME lỏng được dẫn đến bơm
thấp áp bằng trọng lực hoặc bằng áp suất nén trong thùng chứa. Với kiểu bơm cao áp cơ
khí thông thường, pittông tạo ra áp suất cao đẩy nhiên ỉiệu đến vòi phun để phun vào
trong xilanh. Nhiệt trị của DME thấp hơn khoảng 35% so với diesel, do đó để đảm bảo
được công suất động cơ cần cung cấp lượng DME trên chu trình gấp 1,55 lần so vói
diesel. Để tăng lượng nhiên liệu DME phun vào xilanh, về kết cấu có thể tăng hành trình
có ích, tăng đường kính pittông bơm cao áp. Ngoài ra, để thời gian phun không quá dài,
đường kính lỗ phun của vòi phun được tăng lên để tăng tiết diện lưu thông dòng chảy và
giảm cản.

23


Hình 2.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu bơm cao áp và vòi phun cơ khí
thông thường.
2.1.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu common rail
Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu common rail được thể hiện trên

24


Hình 2.3. DME được bơm thấp áp chuyển qua van điện từ, qua két làm mát làm giảm

nhiệt độ và đưa lên bơm cao áp, chứa trong ống tích áp với áp suất cao và ổn định. Hệ
thống điều khiển động cơ gửi tín hiệu về thời điểm và thời gian mở vòi phun để DME

phun vào trong xilanh. Bơm cao áp thường cung cấp DME nhiều hơn lượng phun vào
xilanh, do vậy để giữ áp suất trong ống tích áp ổn định, phần DME dư được đưa trở về
thùng chứa. Khi động cơ dừng hoạt động, DME còn tồn trong hệ thống được đưa về bình
xả và được nén để hóa lỏng trước khi hồi về thùng chứa. Để đảm bảo cung cấp đủ lượng
DME cho một chu trình, cần tăng thời gian phun hoặc tăng đường kính lỗ phun.

Hình 2.3. Hệ thống cung cấp nhiên liệu DME kiểu bơm cao áp và vòi phun cơ khí
thông thường.

 Ưu điểm:
-

Có thể điều khiển được thời điểm phun, thời gian phun, lượng nhiên

liệu và quy luật cung cấp nhiên liệu.

-

Đáp ứng kịp thời mọi chế độ tải.

 Nhược điểm:
-

Dễ đóng băng làm tắc ống dẫn nhiên liệu DME.

-

Bơm nhiên liệu DME dễ bị hóa hơi và ngưng tụ.

25