Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn ethanol diesel đến thành phần khí thải của động cơ diesel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐOÀN VIỆT BẮC

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG
TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL-DIESEL
ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA
ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐOÀN VIỆT BẮC

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG
TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL-DIESEL
ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA
ĐỘNG CƠ DIESEL
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 60.52.0116

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS: Dƣơng Việt Dũng

Đà Nẵng - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả được tôi trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Đoàn Việt Bắc


NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL – DIESEL
ĐẾN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL
Học viên: Đoàn Việt Bắc

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 60.52.01.16

Khóa: K30, Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Ethanol pha vào diesel DO0,05S để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là
một giải pháp sẽ làm phong phú thêm nguồn nhiên liệu cho tương lai, đồng thời giảm
thiểu được ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra. Tuy nhiên để có thể tổng quát hóa
việc áp dụng, thì việc nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Ethanol-diesel đến thành
phần khí thải của động cơ diesel cần được đánh giá bằng thực nghiệm. Các kết quả đạt
được của luận văn này chỉ ra sự cải thiện đánh kể về nồng độ các chất khí thải của
động cơ EV2600 dùng nhiên liệu diesel DO0,05S pha thêm 3%, 5%, 7%, và 10%
Ethanol. Động cơ được thử nghiệm trên băng thử công suất Froude. Kết quả thử

nghiệm cho thấy nồng độ khí thải CO2[%] và NOx[ppm] của hỗn hợp DOE7 là thấp
nhất và thấp hơn DO0,05S; Nồng độ khí thải giảm khi tăng phụ tải và đạt giá trị cực
tiểu ở gần với chế độ phụ tải toàn tải (100% phụ tải - bắt đầu nhả khói đen).
Từ khóa - Ethanol; Diesel; ô nhiễm môi trường; tỷ lệ phối trộn; nồng độ khí thải.
EXPERIMENTAL STUDY ON THE EFFECT OF MIXING RATIOS OF
ETHANOL - DIESEL TO EXHAUST GAS INGREDIENT OF DIESEL
ENGINES
Summary - Ethanol blends into diesel DO0,05S as a fuel for internal combustion
engines as a solution that will enrich the fuel supply for the future, while minimizing
the environmental pollution caused by emissions. However, in order to generalize the
application, the study on the effect of the mixing ratio of Ethanol-diesel on the exhaust
gas composition of the diesel engine should be evaluated experimentally. The results
of this thesis show an improvement in the emission levels of EV2600 diesel DO0.05S
diesel fuel by adding 3%, 5%, 7%, and 10% Ethanol. . The engine was tested on the
Froude test strip. Test results showed that the CO2 concentration [%] and NOx [ppm]
of the DOE7 mixture were lowest and lower than DO0.05S; The exhaust gas
concentration decreases as the load increases and reaches a minimum value close to
the full load mode (100% charge - starts to release the black smoke).
Key words - Ethanol; Diesel; Environmental pollution; mixing ratio; exhaust gas
concentration.


MỤC LỤC
Trang
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
3
1.1. VIỄN CẢNH VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH VÀ VẤN ĐỀ
Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG HIỆN NAY
1.1.1. Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay

3
1.1.2. Vấn đề ô nhiễm môi trường do nguồn năng lượng hóa thạch gây ra
4
1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC ETHANOL 5
NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel pha ethanol trên thế giới và các 5
nước trong khu vực
1.2.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu nhiên liệu sinh học diesel pha 6
ethanol ở Việt Nam
1.3. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ỨNG DỤNG 7
ETHANOL NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG CHO ĐỘNG
CƠ DIESEL
8
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
9
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
9
2.1. TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA DIESEL PHA ETHANOL
2.1.1. Giới thiệu chung về Ethanol
9
2.1.2. Thành phần hóa học và tính chất lý hóa
10
2.2. TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL PHA 11
ETHANOL
2.2.1. Nhiệt trị
11
2.2.2. Tính bay hơi của nhiên liệu dùng trong động cơ Diesel
12
2.2.3. Tính lưu động ở nhiệt độ thấp và tính phun sương
13

2.2.4. Nhiệt độ bén lửa và nhiệt độ tự bốc cháy
14
2.2.5. Đánh giá tính tự cháy của hỗn hợp nhiên liệu
15
2.2.6. Xác định tỉ lệ hòa trộn của hỗn hợp Diesel và Ethanol
17
2.2.7. Tính chất hỗn hợp nhiên liệu thực nhiệm
18
2.2.8. Đánh giá ưu nhược điểm của nhiên liệu hỗn hợp
19
2.3. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH CÁC CHẤT PHÁT THẢI Ô NHIỄM CỦA 19
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.3.1. Sự hình thành COx
19
2.3.2. Sự hình thành hydrocarbure (HC)
21
2.3.3. Sự hình thành NOx
24
2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HỖN HỢP NHIÊN LIỆU VÀ KHÔNG 26
KHÍ TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL
2.4.1. Hệ thống nhiên liệu động cơ diesel
26


2.4.2. Các phương pháp tạo hỗn hợp nhiên liệu Ethanol và Diesel
2.5. CÁC TIÊU CHUẨN VỀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL
2.5.1.Tiêu chuẩn khí thải châu Âu
2.5.2. Tiêu chuẩn khí thải của một số nước khác
2.5.3 Tiêu chuẩn về khí thải của Việt Nam
2.5.4. Lộ trình áp dụng các tiêu chuẩn khí thải của Việt Nam

2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
3.1.1. Mục tiêu, yêu cầu thực nghiệm
3.1.2. Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm
3.1.3. Hỗn hợp nhiên liệu thí nghiệm
3.2. QUI TRÌNH THỰC NGHIỆM
3.2.1. Cơ sở lý thuyết
3.2.2. Qui trình thực nghiệm
3.3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TRÊN BĂNG THỬ ĐỘNG CƠ
3.3.1. Nhiên liệu diesel(DO)
3.3.2. Nhiên liệu 3% ethanol pha diesel (DOE3)
3.3.3. Nhiên liệu 5% ethanol pha diesel (DOE5)
3.3.4. Nhiên liệu 7% ethanol pha diesel (DOE7)
3.3.5. Nhiên liệu 10% ethanol pha diesel (DOE10)
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. PHÂN TÍCH Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG
CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU DIESEL PHA ETHANOL 3%, 5%, 7%, 10%
4.1.1. Phân tích thành phần CO2 trong khí thải
4.1.2. Phân tích thành phần NOx trong khí thải
4.1.3 So sánh khí thải CO2 của các nhiên liệu DOE3, DOE5, DOE7,
DOE10 đối với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng
4.1.4. So sánh khí thải NOx của các nhiên liệu DOE3, DOE5,
DOE7, DOE10 đối với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng
4.1.5. Đánh giá ô nhiễm môi trường của động cơ khi sử dụng các loại
nhiên liệu DO, DOE3, DOE5, DOE7, DOE10
4.2. KẾT LUẬN CHƯƠNG
KẾT LUẬN CHUNG
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỂ TÀI

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

27
31
31
34
36
38
39
40
40
40
41
48
48
48
49
50
50
52
53
54
55
56
57
57
57
60
62
66

70
70
72
73
74


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

2.1.

Yêu cầu kỹ thuật đối với Ethanol nhiên liệu biến tính, [3],[22]

9

2.2.

So sánh các đặc tính lý hoá cơ bản của Ethanol và Diesel

11

2.3.

Các thông số về độ nhớt

14

2.4.

Bảng tính chỉ số cetane của hỗn hợp nhiên liệu

17

2.5.

Tiêu chuẩn khí thải cho xe khách, g/km [24]

31

2.6.

Tiêu chuẩn khí thải đối với xe thương mại hạng nhẹ [24]

32

2.7.

Tiêu chuẩn khí thải đối với xe tải và xe buýt (Động cơ Diesel,
g/kWh) [27]

34

2.8.

Tiêu chuẩn liên bang về giới hạn độc hại động cơ diesel xe tải

34

2.9.

Tiêu chuẩn khí thải cho xe con

35

2.10.

Tiêu chuẩn khí thải đối với ô tô du lịch sử dụng động cơ Diezen

35

2.11.

Tiêu chuẩn khí thải ôtô vận tải nhẹ sử dụng động cơ xăng hay GPL

35

2.12.

Tiêu chuẩn ô nhiễm của ô tô ở chế độ không tải

35

2.13.

Giới hạn tối đa cho phép của thành phần ô nhiễm trong khi xả
của các phương tiện vận tải.[25]

37

2.14.

Quy định thành phần khí thải cho phép theo TCVN 6438 – 2001

37

2.15.

Quy định thành phần khí thải cho phép cho động cơ xăng

38

3.1.

Đặc điểm kỹ thuật máy phân tích khí thải KGENG

46

3.2.

Số liệu thực nghiệm nhiên liệu DO

50

4.1.

Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên
liệu DOE3 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

63

4.2.

Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên
liệu DOE5 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

64

4.3.

Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên
liệu DOE7 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

65

4.4.

Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải CO2 của nhiên
liệu DOE10 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

66

4.5.

Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải NOx của nhiên

liệu DOE3 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

67


4.6.

Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải Nox của nhiên
liệu DOE5 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

68

4.7.

Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải Nox của nhiên
liệu DOE7 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

68

4.8.

Bảng so sánh tỷ lệ tăng hoặc giảm nồng độ khí thải NOx của nhiên
liệu DOE10 so với nhiên liệu DO ở các vị trí thanh răng

69


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình vẽ

1.1.
1.2.
1.3.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8
2.9
2.10
2.11
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.
3.12
3.13.
3.14.

Tên hình vẽ

Trang

Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất
Ô nhiễm do khí thải từ các loại phương tiện giao thông đến môi
trường và sức khỏe con người
Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới
Cấu trúc phân tử của Ethanol
Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến nồng độ CO
So sánh nồng độ CO trên đường thải cho bởi mô hình và thực nghiệm
So sánh nồng độ CO theo góc đánh lửa sớm
Biến thiên nồng độ một số hydrocarbure theo góc quay trục khuỷa
Sự hình thành HC do tôi màng lửa trên thành buồng cháy
Nguồn phát sinh HC trong động cơ đánh lửa cưỡng bức
Biến thiên nông độ NO theo hệ số dư lượng không khí
Phương án 1: Hòa trộn tự nhiên qua đường nạp
Phương án 2: Hòa trộn cưỡng bức trong buồng cháy
Phương án 3: Hòa trộn trực tiếp
Bố trí lắp đặt băng thử Froude và động cơ
Lắp đặt băng thử Froude và động cơ
Băng thử thủy lực Froude DPX3 và các thông số trên băng thử lực
Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của encoder tương đối
Cảm biến biến dạng
Hình dạng của loadcell
Kết nối các strain gage trong loadcell
Mạch khuếch đại tín hiệu loadcell
Card NI-6009
Thiết bị AVL733S
Thiết bị đo khí xả KGENG
Đặc tính tải

Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DO ở các
điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DO ở các
điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%

3
5
6
10
20
20
21
21
22
23
26
27
28
29
40
40
41
42
43
43
44
44
45
45
46

49
51
52


3.15.
3.16.
3.17.
3.18.
3.19.
3.20.
3.21.
3.22.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.

Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE3 ở các
điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE3 ở các
điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE5 ở các
điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE5 ở các

điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE7 ở các
điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE7
ở các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải NOx của nhiên liệu DOE10 ở
các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị diễn biến nồng độ khí thải CO2 của nhiên liệu DOE10 ở
các điểm đo tại vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7,
DOE10 tại 10% vị trí thanh răng
Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7,
DOE10 tại 30% vị trí thanh răng
Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7,
DOE10 tại 50% vị trí thanh răng
Diễn biến nồng độ khí thải CO2 của DO, DOE3, DOE5, DOE7,
DOE10 tại 70% vị trí thanh răng
Diễn biến nồng độ khí thải NOx của DO, DOE3, DOE5, DOE7,
DOE10 tại 10% vị trí thanh răng
Diễn biến nồng độ khí thải NOx của DO, DOE3, DOE5, DOE7,
DOE10 tại 30% vị trí thanh răng
Diễn biến nồng độ khí thải NOx của DO, DOE3, DOE5, DOE7,
DOE10 tại 50% vị trí thanh răng
Diễn biến nồng độ khí thải NOx của DO, DOE3, DOE5, DOE7,
DOE10 tại 70% vị trí thanh răng
Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE3 với DO ở các vị
trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%

52
53

53
54
54
55
55
56
57
58
58
59
60
61
61
62
63


4.10.
4.11.
4.12.
4.13.
4.14.
4.15.
4.16.

Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE5 với DO ở các vị
trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE7 với DO ở các vị
trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị so sánh khí thải CO2 của nhiên liệu DOE10 với DO ở các

vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE3 với DO ở các vị
trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE5 với DO ở các vị
trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE7 với DO ở các vị
trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%
Đồ thị so sánh khí thải NOx của nhiên liệu DOE10 với DO ở các
vị trí thanh răng 10%, 30%, 50%, 70%

64
65
66
67
68
69
70


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các ký hiệu La Tinh :
ge
[kg/kW.h]
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
Me
[N/m]
Mô men đầu ra trục khuỷu
Ne
[kW]
Công suất có ích động cơ

n
[vòng / phút]
Tốc độ động cơ
0
tn
[ C]
Nhiệt độ nước làm mát
0
tk
[ C]
Nhiệt độ không khí trên đường nạp
0
td
[ C]
Nhiệt độ dầu trong cácte
pd
[MPa]
Áp suất dầu
pph
[MPa]
Áp suất nâng kim phun
Qnl
[ml / phút]
Lưu lượng nhiên liệu
2. Danh mục các ký hiệu Hy lạp :



[độ]
[mm]

Góc quay trục khủyu
Khe hở xupáp
Hệ số nạp
Tỷ số nén

δ
v
ε
3. Các chữ viết tắt :
NLSH Nhiên liệu sinh học
NLBT Nhiên liệu biến tính
DOE3
Hỗn hợp diesel – ethanol với 97% diesel và 3% ethanol
DOE5
Hỗn hợp diesel – ethanol với 95% diesel và 5% ethanol
DOE7
Hỗn hợp diesel – ethanol với 93% diesel và 7% ethanol
DOE10
Hỗn hợp diesel – ethanol với 90% diesel và 10% Ethanol
ĐCT
Điểm chết trên


1
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường luôn là mục tiêu
nghiên cứu của ngành động cơ và ô tô. Trong tình hình dầu mỏ đang cạn kiệt và sự
biến đổi khí hậu trái đất đang trở thành hiểm họa đối với loài người thì vấn đề nêu trên

càng trở thành mối quan tâm hàng đầu của cả thế giới.
Song song với việc hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt trong để nâng cao
hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường thì các dự án,
các chương trình nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và sử dụng hiệu quả
nguồn năng lượng này cũng đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu.
Trong các nguồn nhiên liệu thay thế thì nhiên liệu sinh học được quan tâm hàng đầu
đặc biệt là Ethanol với sản lượng lớn và sản xuất với giá thành tương đối thấp và phân
bố rộng khắp các quốc gia. Với lý do đó đề tài “ Nghiên cứu ảnh hƣởng tỷ lệ phối
trộn Ethanol – Diesel đến thành phần khí thải của động cơ Diesel” của luận văn có
ý nghĩa to lớn và hết sức cấp thiết; nó không những góp phần làm đa dạng hóa nguồn
nhiên liệu sạch dùng cho động cơ đốt trong khi dầu mỏ đang cạn kiệt, mà còn góp
phần nghiên cứu tìm ra các giải pháp sử dụng hiệu quả và phát triển lên mức cao hơn,
nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong tình hình mới.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:
Xác định tỷ lệ phối trộn tốt nhất ứng với các chế độ vận hành của động cơ để các
chỉ tiêu ô nhiễm thấp nhất.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ diesel của máy phát điện EV2600NB
với các tỷ lệ 3%, 5%, 7%, 10%.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn Ethanol – Diesel. Từ đó xác định được
các chỉ tiêu ô nhiễm thấp nhất: phát thải CO2, NOx.
4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm tại Phòng Thí nghiệm, Trường Đại
học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng. Trong đó chú trọng đến việc thực nghiệm nhiều
hơn để đánh giá ảnh hưởng của các tỷ lệ trộn dầu diesel với Ethanol đến mức độ phát
thải ô nhiễm môi trường.
5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ phối trộn Ethanol – Diesel đến thành

phần khí thải của động cơ Diesel” của luận văn được trình bày trong 4 chương với
cấu trúc như sau:


2
Chƣơng 1: Tổng quan về nguồn nhiên liệu hóa thạch và giải pháp tìm ra các
nguồn năng lượng mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Tình hình sử dụng nhiên liệu
sinh học trên thế giới và Việt Nam. Kết luận chương.
Chƣơng 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính chất lý hoá của hỗn hợp nhiên liệu
Diesel – Ethanol với các tỷ lệ pha trộn về thể tích. Qua đó tính toán nhiệt theo lý
thuyết trên động cơ thực nghiệm. Từ đó tạo cơ sở cho chương trình thực nghiệm có
tính khoa học. Kết luận chương.
Chƣơng 3: Tìm hiểu các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm và phương án lắp đặt
động cơ lên cụm băng thử công suất Froude. Thiết kế nội dung và quy trình thực
nghiệm có tính khoa học phù hợp với chế độ vận hành thực tế của động cơ trên đường
nhằm đưa ra được các kết quả có tính thực tiễn cao. Kết luận chương.
Chƣơng 4: Phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm theo quy trình thử nhằm rút ra
các kết luận có tính thuyết phục cao. Qua đó phân tích các nguyên nhân và đánh giá
ảnh hưởng của các tỷ lệ trộn dầu diesel với ethanol đến mức độ phát thải ô nhiễm môi
trường. Kết luận chương.


3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. VIỄN CẢNH VỀ NGUỒN NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH VÀ VẤN ĐỀ Ô
NHIỄM MÔI TRƢỜNG HIỆN NAY
1.1.1. Sự bùng nổ khí hậu toàn cầu hiện nay
Trong hàng thập kỷ qua, nhân loại đã và đang trải qua các biến động
khôn lường của khí hậu toàn cầu. Bề mặt Trái đất, khí quyển và thủy quyển không

ngừng nóng lên làm xáo trộn môi trường sinh thái, đã và đang gây ra nhiều hệ lụy đến
đời sống loài người.
Các công trình nghiên cứu quy mô toàn cầu về hiện tượng này đã được
các nhà khoa học ở những trung tâm nổi tiếng trên thế giới tiến hành từ đầu thập kỷ 90
thế kỷ XX. Hội nghị quốc tế do Liên hiệp quốc triệu tập tại Rio de Janeiro năm 1992
đã thông qua Hiệp định khung và Chương trình hành động quốc tế nhằm cứu vãn tình
trạng “xấu đi” nhanh chóng của bầu khí quyển Trái đất, vốn được coi là nguyên nhân
chủ yếu của sự gia tăng hiểm họa. Tổ chức nghiên cứu liên chính phủ về biến đổi khí
hậu của Liên hiệp quốc (IPCC) đã được thành lập, thu hút sự tham gia của hàng ngàn
nhà khoa học quốc tế. Tại Hội nghị Kyoto năm 1997, Nghị định thư Kyoto đã được
thông qua và đầu tháng 2/2005 đã được nguyên thủ 165 quốc gia phê chuẩn. Nghị định
thư này bắt đầu có hiệu lực từ 10/2/2005. Việt Nam đã phê chuẩn Nghị định thư Kyoto
ngày 25/9/2005. Gần đây nhất, hội nghị lần thứ 21 Công ước Khung LHQ về biến đổi
khí hậu (COP-21) tổ chức tại thủ đô Paris của Pháp cam kết giảm lượng khí thải nhằm
hạn chế tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu ở mức 20C vào cuối thế kỷ XXI so với thời
kỳ tiền công nghiệp.[18]
Nguyên nhân làm gia tăng nhiệt độ trái đất: Các báo cáo của IPCC và nhiều
trung tâm nghiên cứu có uy tín hàng đầu trên thế giới công bố trong thời gian gần đây
cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin và dự báo quan trọng. Theo đó, nhiệt độ trung
bình trên bề mặt địa cầu ấm lên gần 1°C trong vòng 80 năm (từ 1920 đến 2005) và
tăng rất nhanh trong khoảng 25 năm nay (từ 1980 đến 2005). Báo cáo cho rằng nếu
không thực hiện được chương trình hành động giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính
theo Nghị định thư Kyoto, đến năm 2035 nhiệt độ bề mặt địa cầu sẽ tăng thêm 2°C. Về
dài hạn, có hơn 50% khả năng nhiệt độ tăng thêm 5°C.

Hình 1.1. Hiểm họa của sự gia tăng nhiệt độ của trái đất


4
Hiện tại, Trái đất đang từng ngày từng giờ nóng lên, với tốc độ như vậy thì chiều

hướng có thể còn nhanh hơn nữa trong tương lai, [6].
 Hiểm họa đã và đang xảy ra tại Việt Nam
Như chúng ta đã biết một trong những tác hại của biến đổi khí hậu đó là sự gia
tăng của mực nước biển, khiến cho nhiều vùng đất sẽ bị ngập sâu trong nước. Việt
Nam là một nước có bờ biển dài, nằm ngay sát biển Đông một trong những biển lớn
của thế giới, vì vậy, Việt Nam được xếp vào một trong những nước có nguy cơ chịu
tác động rất nhiều của việc biến đổi khí hậu, cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển.
Theo dự báo của Tổ chức Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IPCC thì khu vực
Đông Dương nhiệt độ sẽ gia tăng 1°C vào giai đoạn 2010-2039, và 3° đến 4°C vào
2070-2099; lượng mưa sẽ giảm 20 mm vào 2010-2039, rồi sau đó tăng 60 mm vào
2070-2099; mực nước biển dâng cao 6 cm/năm, đạt mức 20 cm vào 2030, và 88 cm
vào 2100. Tại Việt Nam, nhiệt độ sẽ tăng từ 0,3 - 0,5 độ C năm 2010, từ 1- 2 độ C vào
năm 2020, từ 1,5 - 2 độ C vào năm 2070. Những khu vực có nhiệt độ tăng cao nhất là
Tây Bắc và Việt Bắc.
Cùng với sự gia tăng của nhiệt độ thì trong những năm gần đây hiện tượng bão lũ
cũng xảy ra với tần suất và cường độ mạnh hơn ở Việt Nam. Hiện tượng bão lũ này
xảy ra đặc biệt nghiêm trọng ở hai vùng miền là miền Trung và đồng bằng sông Cửu
Long. Sự tác động của biến đổi khí hậu mà cụ thể là sự gia tăng của mực nước biển
đang có xu hướng làm thu hẹp dần diện tích đất nông nghiệp của nước ta, đặc biệt là
các vùng đất ven biển. Với trên 3.000km bờ biển, Việt Nam được coi là quốc gia có
mức độ dễ bị tổn thương cao hơn trước sự biến đổi khí hậu, [6].
1.1.2. Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do nguồn năng lƣợng hóa thạch gây ra
Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ
không của một quốc gia nào. Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có
ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật. Việc khai thác và sử dụng hàng tỉ tấn
than đá, dầu mỏ, khí đốt đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớn các
chất thải khác nhau như: rác thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm
cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng. Nó còn tạo ra các cơn mưa
axít làm huỷ diệt các khu rừng và các cánh đồng. Điều đáng lo ngại nhất là con người
thải vào không khí các loại khí độc như: CO2 đã gây hiệu ứng nhà kính. Theo nghiên

cứu thì chất khí quan trọng gây hiệu ứng nhà kính là CO2 nó đóng góp 50% vào việc
gây hiệu ứng nhà kính, CH4 là 13%, Nitơ 5%, CFC là 22%, hơi nước ở tầng bình lưu là
3%. Có nhiều khả năng lượng CO2 sẽ tăng gấp đôi vào nửa đầu thế kỷ sau. Điều này sẽ
thúc đẩy quá trình nóng lên của Trái Đất diễn ra nhanh chóng.
Theo các tài liệu khí hậu quốc tế, trong vòng hơn 130 năm qua nhiệt độ Trái đất
tăng 0.4 °C. Tại hội nghị khí hậu tại Châu Âu được tổ chức gần đây, các nhà khí hậu
học trên thế giới đã đưa ra dự báo rằng đến năm 2050 nhiệt độ của Trái đất sẽ tăng


5
thêm 1.5 4.5 °C nếu như con người không có biện pháp hữu hiệu để khắc phục hiện
tượng hiệu ứng nhà kính.

Nguồn: Cơ quan Quản lý Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ
Hình 1.2. Ô nhiễm do khí thải từ các loại phương tiện giao thông
đến môi trường và sức khỏe con người.
Một hậu quả nữa của ô nhiễm khí quyển là hiện tượng lỗ thủng tầng ôzôn. Khí
CFC là "kẻ phá hoại" chính của tầng ôzôn. Sau khi chịu tác động của khí CFC và một
số loại chất độc hại khác thì tầng ôzôn sẽ bị mỏng dần rồi thủng, [2].
1.2. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC ETHANOL NHẰM
GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƢỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
1.2.1. Tình hình sử dụng nhiên liệu diesel pha ethanol trên thế giới và các
nƣớc trong khu vực
Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch và để ổn định nguồn cung ứng,
các quốc gia thuộc khối EU đã đặt ra mục tiêu là nhiên liệu sinh học chiếm 25% trong
lĩnh vực giao thông vào năm 2010, và đạt con số 50% vào năm 2020. Trong các loại
nhiên liệu sinh học ở EU thì biodiesel là nhiên liệu được sản xuất nhiều nhất, chiếm
82% tổng số nhiên liệu sinh học. Hiện nay, các thị trường dẫn đầu về biodiesel là EU
và Hoa Kỳ đã đạt được năng suất cực lớn trong những năm qua. Trong đó, EU đứng
đầu với tổng sản lượng biodiesel của năm 2008 là 7,8 triệu tấn (trong đó Đức sản xuất

nhiều nhất, chiếm 2,8 triệu tấn), tăng 35,7% so với năm 2007 là 5,7 triệu tấn.
Hình 1.3 trình bày sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới trong các
năm 2002 đến 2008. Qua đó cho thấy sản lượng tăng đều đặn trong những năm gần
đây, tăng từ 7,1 triệu tấn năm 2006 lên 9,0 triệu tấn năm 2007 và 11,1 triệu tấn năm
2008. Còn tiềm năng sản xuất biodiesel thì tăng vọt, trữ lượng biodiesel tăng từ 2,2
triệu tấn năm 2006 lên 23,1 triệu tấn năm 2007 và đạt 32,6 triệu tấn năm 2008.


6

Hình 1.3: Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới
Và hơn thế nữa, thị trường biodiesel của thế giới ước tính sẽ đạt con số 37 tỷ
gallon-tương đương 140 tỷ lít vào năm 2016, tốc độ tăng trưởng hàng năm đạt 42%.
EU sẽ tiếp tục là thị trường biodiesel lớn nhất trong thập kỹ này, theo sau đó là thị
trường của Hoa Kỳ.
1.2.2. Tình hình sử dụng và nghiên cứu nhiên liệu sinh học diesel pha
ethanol ở Việt Nam
Ở Việt Nam, một số cơ quan thuộc các ngành giao thông vận tải, công nghiệp,
năng lượng nghiên cứu về nhiên liệu sinh học. Một số Công ty, Viện và Trường Đại
học đã nghiên cứu thử nghiệm xăng pha ethanol và diesel sinh học. Công ty mía đường
Lam Sơn (Thanh Hoá), Sài Gòn Petro, Công ty Rượu Bình Tây, Công ty Chí Hùng
cũng đã có dự án sản xuất ethanol làm nhiên liệu. Gần đây, một số công ty tại An
Giang, Cần Thơ, Long An đã đầu tư xưởng sản xuất diesel sinh học từ mỡ cá basa với
tổng công suất khoảng 40.000 tấn/năm nhưng do chưa có tiêu chuẩn chất lượng cho
sản phẩm nên chưa thương mại được. Nhìn chung, hoạt động nghiên cứu, sản xuất và
đầu tư về nhiên liệu sinh học ở nước ta còn chưa tiến triển do chưa có chính sách năng
lượng, chưa có cơ chế chính sách rõ ràng để các doanh nghiệp an tâm đầu tư đối với
lĩnh vực kinh doanh có điều kiện như xăng dầu.
Nhóm nghiên cứu do PGS.TS Hồ Sơn Lâm đã tiến hành nghiên cứu hàm lượng
các chất độc hại có trong khí thải khi sử dụng biodiesel trên động cơ máy phát điện.

Loại nhiên liệu BIO-2/IAMS (nhiên liệu dùng cho máy phát điện) cho hàm lượng
Hydrocacbon trong khí thải (khi sử dụng 10% bio-2 /IAMS để pha với diesel) thấp
nhất (25ppm). Khi pha 5 hay 15%, hàm lượng hydrocacbon trong khí thải cũng ít hơn
khi sử dụng 100% diesel [7].
Tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia về công nghệ lọc - hóa dầu các nhà
khoa học thử nghiệm loại biodiesel pha 5% và diesel thông thường trên một số loại xe
7 chổ và xe tải trọng 1,25 tấn, mỗi xe chạy 10.000 km. Kết quả thử nghiệm cho thấy,


7
nếu biodiesel đạt tiêu chuẩn Việt Nam khi pha với tỷ lệ 5% sẽ không ảnh hưởng đến
chất lượng vận hành động cơ.
Nhóm các nhà khoa học gồm TS. Nguyễn Đình Thành, Th.s Phạm Hữu Thiện,
KS Võ Thanh Thọ và Lê Trần Duy Quang cũng đã có công trình tổng hợp biodiesel từ
nguồn dầu mỡ phế thải. Qua thử nghiệm trên động cơ xe ô tô Mercedes 16 chỗ với
quảng đường 1.000 km, B20 đảm bảo độ khí thải trong mức cho phép và không ảnh
hưởng đến hoạt động của động cơ.
1.3. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ỨNG DỤNG
ETHANOL NHẰM GIẢM Ô NHIỂM MÔI TRƢỜNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
Trong những năm đầu của thập niên 1980 [8], việc ứng dụng cồn trên động cơ
diesel đã được các nhà khoa học và các hãng chế tạo động cơ và ô tô để ý tới với mục
đích tìm cách thay thế cồn cho diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Quá trình
nghiên cứu bắt đầu từ việc hòa trộn trực tiếp cồn vào trong nhiên liệu diesel tạo nhiên
liệu hỗn hợp diesel-ethanol, tiếp theo là cung cấp cồn trên đường nạp bằng bộ chế hòa
khí, sau đó là cung cấp cồn trên đường nạp bằng vòi phun và gần đây đã có nghiên cứu
đề cập đến phun trực tiếp cồn vào buồng cháy. Điểm giống nhau cơ bản là chuyển
động cơ diesel thành động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu, trong đó diesel đóng vai trò là
nhiên liệu chính và là “đuốc lửa” để đốt cháy cồn. Với việc sử dụng lưỡng nhiên liệu
ethanol-diesel thì lượng ethanol thay thế được công bố trong khoảng 20-50% nhiên
liệu khi cung cấp ethanol trên đường nạp và khoảng 20-30% thể tích khi hòa trộn trực

tiếp ethanol vào diesel. Tuy nhiên, bên cạnh đó một số nghiên cứu đã sử dụng nguyên
lý HCCI để sử dụng cồn (ethanol) là nhiên liệu duy nhất cho động cơ diesel tuy nhiên
phải dùng hỗn hợp ethanol-nước với nước chiếm đến 50% [9].
Năm 2010, Thạc sĩ Nguyễn Quang Trung thuộc Trường Đại học Bách khoa- Đại
học Đà Nẵng đã nghiên cứu thành công động cơ diesel sử dụng hỗn hợp Ethanolkhông khí hòa trộn trước. Tác giả đánh giá ảnh hưởng của ethanol đến tính kinh tế và ô
nhiễm của động cơ trong điều kiện cùng tính năng kỹ thuật khi so sánh với động cơ sử
dụng diesel [4].
Trong nghiên cứu của mình [10] nhóm tác giả Andrzej Kowalewicz, Grzegorz
Pawlak tiến hành thí nghiệm trên động cơ một xylanh 1HC102, sử dụng vòi phun
ethanol trên đường nạp kết hợp với bộ sấy nóng khí nạp nhằm đảm bảo ethanol bay hơi
tốt. Với mô hình thí nghiệm này bài báo kết luận rằng: động cơ sử dụng lưỡng nhiên
liệu ethanol-diesel cho phép tăng hiệu suất của động cơ, giảm ô nhiễm môi trường (trừ
NOx). Cụ thể khi tốc độ động cơ 1800v/p ở chế độ tải nhỏ (năng lượng diesel cung cấp
1,174KJ/ct) thì tỷ lệ năng lượng ethanol/diesel là 0,39 tương đương với suất tham dự
của ethanol về năng lượng là 28% và ở chế độ tải lớn (năng lượng ethanol cung cấp
1,789KJ/ct) thì tỷ lệ năng lượng ethanol/diesel là 0,34 tương đương với suất tham dự
của ethanol về năng lượng là 25%. Hiệu suất của động cơ ở chế độ tải nhỏ nhỏ hơn so
với khi sử dụng diesel còn ở chế độ tải trung bình và tải lớn thì có hiệu suất lớn hơn.


8
Nghiên cứu thực nghiệm tương tự được tác giả Wendel Goezt, Chris Baringer,
David Thurston tiến hành trên động cơ Perkins hoạt động lưỡng nhiên liệu ethanoldiesel, ethanol cung cấp trên đường nạp và hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp
hơi ethanol-không khí sau đó nạp vào động cơ [11]. Mục tiêu của nghiên cứu này là
tìm ra mức thay thế về năng lượng lớn nhất của ethanol cho diesel khi không thay đổi
hệ thống cung cấp diesel. Mô hình sử dụng vòi phun ethanol đa điểm điều khiển điện
tử phun ethanol trước ống nạp của từng xilanh. Lượng ethanol thay thế cho diesel được
xác định thông qua phân tích tỷ lệ tăng áp suất trong buồng cháy, áp suất buồng cháy
nhỏ hơn mức cho phép và hiệu suất nhiệt không giảm quá 2% khi so sánh với diesel.
Như vậy, kết luận rút ra được từ mô hình thí nghiệm sử dụng phun ethanol đa điểm khi

tổng năng lượng cung cấp cho chu trình không đổi:
- Tăng lượng thay thế ethanol làm tăng thời gian trễ;
- Mức tăng áp suất ban đầu tăng, rồi giảm khi tăng năng lượng ethanol thay thế;
- Áp suất cực đại của chu trình giảm khi tăng năng lượng ethanol thay thế;
- Ở tải lớn (75% đến 100% tải) tốc độ 2600v/p, hiệu suất nhiệt tăng khi tăng năng
lượng ethanol thay thế; mức thay thế năng lượng không vượt quá 35% ở 100% tải.
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG
Như vậy thông qua tình hình sản xuất, nghiên cứu và ứng dụng ethanol từ trước
đến nay cho thấy tiềm năng phát triển của nhiên liệu sinh học này là rất lớn, vì thế cần
có những nghiên cứu sâu hơn để đưa ra các biện pháp công nghệ nhằm tăng lượng
ethanol sử dụng cho động cơ đốt trong mà trước mắt là sử dụng cho động cơ diesel với
vai trò là nhiên liệu thứ hai trong lưỡng nhiên liệu ethanol- diesel.


9

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA DIESEL PHA ETHANOL
2.1.1. Giới thiệu chung về Ethanol
Ethanol là nhiên liệu dạng 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 mì, củ cải đường, củ sắn… Ethanol còn được sản xuất từ các loại cây cỏ
có chứa cellulose…
Ethanol đã được các nước công nghiệp phát triển sử dụng như một loại nhiên
liệu độc lập hoặc pha vào xăng để làm tăng chỉ số octane và giảm lượng khí thải CO2.
Brazil hiện đang là nước đứng đầu trong sản xuất và xuất khẩu ethanol từ mía đường.
Tỷ lệ pha trộn cồn vào xăng ở Brazil thông dụng ở khoảng 25 30 %. Ở Mỹ, Ethanol
được sản xuất từ ngô, chiếm 37% tổng sản lượng toàn cầu. [7]
 Các chủng loại, chất lượng sản phẩm cồn
Do nhu cầu sử dụng cồn làm nhiên liệu tại Việt Nam chưa phổ biến nên cồn

sản xuất chủ yếu để xuất khẩu và sử dụng vào các mục đích khác như:
- Cồn thực phẩm: dùng trong chế biến thực phẩm, cồn bia...
- Cồn y tế (nồng độ 90 - 96% thể tích) : dùng trong ngành y để sát trùng, rửa
dụng cụ, diệt khuẩn...
- Cồn công nghiệp (nồng độ 94 - 96% thể tích) : trong công nghiệp dùng làm
dung môi, sản xuất cồn khô ...
- Cồn tuyệt đối (nồng độ 99,5% thể tích): dùng nghiên cứu pha chế thử nghiệm.
- Cồn nhiên liệu: Ethanol nhiên liệu biến tính dùng trực tiếp cho động cơ hoặc
pha trộn với diesel hay xăng truyền thống.
Bảng 2.1: Yêu cầu kỹ thuật đối với Ethanol nhiên liệu biến tính, [3],[22]
TT
TÊN CHỈ TIÊU
GIỚI HẠN
1 Ethanol, % thể tích, min
92,1
2 Methanol, % thể tích, max
0,5
3 Hàm lượng nhựa và rửa qua dung môi, mg/100ml, max
5,0
4 Hàm lượng nước, % thể tích, max
1,0
5 Hàm lượng chất biến tính (xăng, naphta), % thể tích
1,96 ÷5,0
6 Hàm lượng clorua vô cơ, mg/L (ppm khối lượng), max
32 (40)
7 Hàm lượng đồng, mg/kg, max
0,1
8 Độ axit (axit axêtic CH3COOH), % khối lượng (mg/L), max
0,007 (56)
9 Độ pHe, min ÷ max

6,5 ÷9,0
10 Lưu huỳnh, mg/kg (ppm khối lượng), max
30
11 Sulfat, mg/kg (ppm khối lượng), max
4
0
12 Khối lượng riêng ở 15 C, kg/m3
Báo cáo
13 Ngoại quan
Trong, sạch


10
2.1.2. Thành phần hóa học và tính chất lý hóa
Nhiên liệu dùng cho các động cơ Diesel là dầu diesel. Vì vậy động cơ hiện nay
đã được thiết kế một cánh phù hợp nhất cho việc sử dụng nhiên liệu Diesel. Khi dùng
nhiên liệu hỗn hợp làm nhiên liệu thay thế, cụ thể ở đây là hỗn hợp giữa cồn và Diesel
đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu các tính chất lý hoá của các nhiên liệu thành phần để
từ đó so sánh các tính chất của nhiên liệu hỗn hợp thay thế với nhiên liệu cơ bản của
động cơ và rút ra các nhận xét, kết luận, đánh giá sự hoạt động của động cơ khi dùng
nhiên liệu thay thế này.
Hỗn hợp nhiên liệu gồm diesel và cồn ethanol được gọi chung là diesohol và
tuỳ theo tiêu chuẩn đề ra của từng quốc gia mà thành phần và ký hiệu tên gọi có thể
khác nhau. Ở đây, tôi tạm ký hiệu cho loại diesohol đang nghiên cứu là DOE3, DOE5,
DOE7, DOE10… (các số sau chỉ thành phần ethanol trong hỗn hợp).
Diesel truyền thống dùng trong động cơ là một loại nhiên liệu từ nguồn hoá
thạch, là sản phẩm được tạo ra từ dầu mỏ. Còn ethanol là loại nhiên liệu có thể tái tạo
được từ nguồn thực vật, phế phẩm sinh học, …Hai loại nhiên liệu này đếu là các chất
có thành phần hoá học chủ yếu là hydro và cacbon nhưng là hỗn hợp của nhiều loại
hydrocacbon có cấu tạo hoá học rất khác nhau do các qui trình sản xuất khác nhau của

chúng. Chính sự khác nhau về cấu tạo này gây ảnh hưởng lớn tới các tính chất lý hóa
cơ bản, đặc biệt là quá trình bay hơi, tạo hoà khí và bốc cháy của nhiên liệu trong động
cơ.

Hình 2.1. Cấu trúc phân tử của Ethanol
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 hydrous (có nước) hoặc anhydrous (tinh
chất không có nước). Ethanol sản xuất trong công nghiệp thường là anhydrous, chứa
93% đến 96% ethanol và 4% đến 7% nước (theo thành phần thể tích). Ethanol (hoặc
ethyl alcohol) có công thức hoá học là CH3 CH2OH.


11
Bảng 2.2: So sánh các đặc tính lý hoá cơ bản của Ethanol và Diesel
Các chỉ tiêu/Loại nhiên liệu
Ethanol 95%
Diesel
Thành phần khối lượng, kg/kg
0,496C; 0,124 H2;
0,87C; 0,126 H2;
0,33 O2; 0,05 H2O
0,004 O2
Thành phần khối lượng, kg/lít
Khối lượng riêng ở 150C (kg/dm3)
Nhiệt ẩm (kJ/kg ở 250C)
Nhiệt trị thấp Qt (MJ/kg)


Nhiệt trị hoà khí Qt (MJ/m3 TC)

Lượng không khí cần thiết để đốt cháy
1 kg nhiên liệu:
- Theo khối lượng, (kg/kg)
-Theo thể tích, (m3/kg)
Trị số octan (RON)
Trị số CETAN
Độ nhớt động học (m2 s-1.106)*
Sức căng bề mặt (Nm-1.103)

0,397 C; 0,099 H2;
0,264 O2; 0,04 H2O
0,80
840
25,898*
3,736*

8,4
6,5
106
5
1,4
22

0,748C; 0,108 H2;
0,03 O2
0,84-0,88
230
42,5
3,789

14,4
11,2
20
50
4,3
30

* các giá trị tính toán theo các công thức (2-2), (2-3)
* 1m2/s = 104 cm2/s = 104 S (Stoke)
2.2. TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL PHA ETHANOL
2.2.1. Nhiệt trị
Nhiệt trị là lượng nhiệt thu được khi đốt cháy 1 kg (hoặc 1 m3 tiêu chuẩn) nhiên
liệu ở điều kiện chuẩn(p =700 mmHg và t=0oC).
Nhiệt trị cao Qc: là toàn bộ số nhiệt lượng thu được sau khi đốt cháy kiệt 1kg
(hoặc 1m3 tiêu chuẩn) nhiên liệu, trong đó có cả số nhiệt lượng do hơi nước được tạo
ra trong sản vật cháy ngưng tụ lại thành nước nhả ra khi sản vật cháy được làm lạnh tới
bằng nhiệt độ trước khi cháy và được gọi là nhiệt ẩm trong hơi nước Qhn.
Nhiệt trị thấp Qt: là nhiệt trị được xác định không tính đến Qhn. Trên thực tế,
khí xả từ động cơ thải ra ngoài trời ở nhiệt độ rất cao, lượng hơi nước trong khí xả
chưa kịp ngưng tụ đã bị thải ra ngoài vì vậy chu trình của động cơ không thể sử dụng
số nhiệt ẩm này để sinh công được. Do đó, trong các tính toán cho chu trình công tác
của động cơ người ta dùng nhiệt trị thấp Qt.
Trên thực tế gây ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của động cơ lại là nhiệt trị
hòa khí
là nhiệt trị của 1m3 hoà khí trong điều kiện đốt hết O2 (hệ số dư lượng
không khí   1).


12
2.2.2. Tính bay hơi của nhiên liệu dùng trong động cơ Diesel

Tính bay hơi (thành phần chưng cất) của nhiên liệu gây ảnh hưởng lớn đến tính
năng hoạt động của động cơ. Để đánh giá tính bay hơi của nhiên liệu, người ta dựa vào
các đường cong chưng cất.
Nhiên liệu phun vào buồng cháy động cơ Diesel được bốc cháy sau khi hình
thành hoà khí. Trong thời gian cháy trễ (từ lúc phun nhiên liệu vào buồng cháy động
cơ đến lúc bắt đầu cháy) tốc độ và số lượng bay hơi của nhiên liệu phụ thuộc nhiều
vào tính bay hơi của nhiên liệu phun vào động cơ.
Tốc độ bay hơi của nhiên liệu có ảnh hưởng lớn tới tốc độ hình thành hoà khí
trong buồng cháy. Thời gian hình thành hoà khí của động cơ Diesel cao tốc rất ngắn,
do đó cần đòi hỏi tính bay hơi cao của nhiên liệu.
Nhiên liệu có nhiều thành phần chưng cất nặng khó bay hơi hết nên không thể
hình thành hoà khí kịp thời, làm tăng hiện tượng cháy rớt. Ngoài ra, phần nhiên liệu
chưa kịp bay hơi khi hoà khí đã cháy, do tác dụng của nhiệt độ cao dễ bị phân giải
(cracking) tạo nên các hạt C khó cháy. Kết quả là làm tăng nhiệt độ khí xả, tăng tổn
thất nhiệt, tăng muội than trong buồng cháy và trong khí xả làm giảm hiệu suất và độ
hoạt động tin cậy của động cơ.
Nhưng nếu thành phần chưng cất nhẹ quá sẽ khiến hoà khí khó tự cháy, làm
tăng thời gian cháy trễ và khi hoà khí đã bắt đầu tự cháy thì hầu như toàn bộ thành
phần chưng cất nhẹ của nhiên liệu đã phun vào động cơ sẽ bốc cháy tức thời tạo sự
tăng áp suất lớn và đột ngột, động cơ sẽ phát sinh tiếng nổ thô bạo, không êm.
Ngoài ra, mỗi loại buồng cháy của động cơ Diesel có đòi hỏi khác nhau về tính
bay hơi của nhiên liệu. Các buồng cháy dự bị và xoáy lốc có thể dùng nhiên liệu với
thành phần chưng cất nhẹ. Thực nghiệm chỉ ra rằng: các buồng cháy thống nhất dùng
nhiên liệu có thành phần chưng cất trong khoảng 2000C đến 3300C; các buồng cháy
ngăn cách có thể dùng nhiên liệu có thành phần chưng cất khá rộng từ 1500C đến
4000C.
Nhiên liệu Diesel được chưng cất trong khoảng nhiệt độ từ 1850 C đến 3500 C
còn cồn ethanol có điểm sôi ở nhiệt độ 790 C. Như vậy có thể thấy cồn có tính bay hơi
cao hơn Diesel. Khi pha cồn vào Diesel rõ ràng sẽ làm tăng tính bay hơi của nhiên liệu
hỗn hợp và sự hình thành hoà khí sẽ nhanh hơn, tốc độ cháy nhanh làm cho động cơ

hoạt động có xu hướng tăng được hiệu suất, giảm muội than, giảm nhiệt độ khí xả.
Nhưng mặt khác cũng nên chú ý rằng khi tỷ lệ của cồn pha vào quá cao hoà khí sẽ khó
tự cháy, thời gian cháy trễ tăng, có thể sẽ phát sinh tiếng nổ, động cơ hoạt động không
êm và lúc này hiệu suất động cơ sẽ giảm rõ rệt.
Theo các nghiên cứu của các chuyên gia Bộ Môi trường và Tài nguyên
Australia, tỷ lệ phù hợp sẽ trong khoảng 10% đến 15% ethanol, với động cơ có buồng
cháy ngăn cách tỷ lệ có thể cao hơn một ít so với động cơ có buồng cháy thống nhất.


13
2.2.3. Tính lƣu động ở nhiệt độ thấp và tính phun sƣơng
a. Điểm kết tủa
Ở nhiệt độ thấp, hàm lượng paraphin (chất ankan cao phân tử) và nước lẫn
trong hỗn hợp nhiên liệu sẽ kết tinh tạo ra những tinh thể nhỏ khiến nhiên liệu trở
thành những dịch thể dạng đục. Lúc đó tính lưu động của nhiên liệu tuy chưa mất hẳn
nhưng các tinh thể trên có thể gây tắc bình lọc và đường ống nhiên liệu. Nhiệt độ
khiến nhiên liệu bắt đầu xuất hiện các tinh thể trên được gọi là điểm đục.
Tiếp tục hạ thấp nhiệt độ nhiên liệu sẽ hình thành các tinh thể dạng lưới, tính
lưu động sẽ mất dần do bị kết tủa và nhiệt độ của thời điểm này được gọi là điểm kết
tủa.
Khi chọn hỗn hợp nhiên liệu cần phải bảo đảm cho điểm kết tủa thấp hơn nhiệt
độ cực tiểu của môi trường khoảng 3-50C, ngoài ra điểm đục và điểm kết tủa phải sát
nhau (thường không quá 70C).
Điểm kết tủa của nhiên liệu Diesel phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hoá học
của nó. Càng nhiều thành phần ankan chính điểm kết tủa càng cao, càng dễ tự cháy,
izôankan có điểm kết tủa thấp, khó tự cháy, các loại hydrocacbon mạch thẳng không
bão hoà có điểm kết tủa thấp nhưng rất không ổn định, dễ kết keo, tích than. Thành
phần lý tưởng của nhiên liệu Diesel là izôankan phân tử lớn dài có mạch ngang.
Các nhiên liệu có gốc paraphin thường có điểm kết tủa cao và có thể hạ được
bằng cách xử lý khử paraphin để khử bớt các phân tử lớn của ankan, nhưng như vậy sẽ

làm giảm tính tự cháy của nhiên liệu, cách tốt nhất là pha thêm chất phụ gia.
b. Độ nhớt
Lực cản giữa các phân tử khi chất lỏng chuyển động dưới tác dụng của ngoại
lực được gọi là độ nhớt. Thường có hai đơn vị để xác định độ nhớt: độ nhớt vận động
Poa và độ nhớt tương đối 0E. Độ nhớt tương đối là tỷ số giữa thời gian cần thiết để
200cm3 nhiên liệu ở nhiệt độ t chảy qua độ nhớt kế và thời gian cần thiết để 200cm3
nước ở 200C chảy qua thiết bị đó (nhiên liệu chảy thành dòng). Độ nhớt là yếu tố quyết
định cho tính phun sương của nhiên liệu trong động cơ Diesel.
Trong động cơ Diesel, nếu độ nhớt của nhiên liệu quá lớn sẽ gây khó khăn cho
lưu động của dòng nhiên liệu từ thùng chứa đến bơm, giảm độ tin cậy cho hoạt động
của bơm, gây khó khăn cho việc xả khí của hệ thống và việc xé tơi, phun sương nhiên
liệu qua vòi phun sẽ kém làm cho nhiên liệu và không khí sẽ hoà trộn không đều, công
suất và hiệu suất của động cơ sẽ giảm.
Nhưng nếu độ nhớt của nhiên liệu quá nhỏ sẽ gây khó khăn cho việc bôi trơn
các mặt ma sát của bơm cao áp và vòi phun, tăng nhiên liệu rò, ngoài ra còn làm giảm
hành trình của tia nhiên liệu trong buồng cháy.
Vì vậy, khi dùng nhiên liệu thay thế cho Diesel cần phải đảm bảo độ nhớt tương
đương với độ nhớt của Diesel thì mới đảm bảo được các tinh chất của tia nhiên liệu và
sự làm việc ổn định của hệ thống phun. Dầu Diesel có độ nhớt vận động là 2,5-8,0