NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL – DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ DUY MẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN
ETHANOL – DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ
THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL.

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ DUY MẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN
ETHANOL – DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ
THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL.
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 60.52.01.16
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. DƯƠNG VIỆT DŨNG

Đà Nẵng – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

HỒ DUY MẠNH


NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL – DIESEL ĐẾN
TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL.
Học viên: Hồ Duy Mạnh
Mã số: 60.52.01.16

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Khóa: K30 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Nhiên liệu phối trộn đang được quan tâm, góp phần tiết kiệm năng lượng,
giảm bớt khí thải từ động cơ. Ethanol- diesel được chú trọng, khi pha ethanol vào diesel thì
tính chất, chất lượng nhiên liệu thay đổi. Điều đó địi hỏi phải kiểm nghiệm lại tính năng kinh
tế kỹ thuật động cơ. Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ phối trộn ethanol- diesel đến tính
năng kinh tế kỹ thuật của động cơ diesel”. Đã thu được một số thành tựu: hỗn hợp nhiên liệu
ethanol-diesel có thể sử dụng như một loại nhiên liệu thay thế diesel khoáng khi tỉ lệ pha trộn
từ 5% trở lại. Hỗn hợp nhiên liệu DE5 có tính kinh tế nhất trong các nhiên liệu phối trộn từ
DE3 đến DE10. Vị trí vận hành tối ưu: Tại vị trí thanh răng 48,3% cho tiêu hao nhiên liệu
trung bình nhỏ nhất 275,91 [g/kWh] đối với nhiên liệu DE5 và động cơ thử nghiệm EV2600

– NB. Phương pháp hòa trộn trực tiếp Ethanol và Diesel là phù hợp cho yêu cầu của động cơ
Diesel vì khơng thay đổi kết cấu, khơng cần thiết kế thêm chi tiết bổ sung.
Từ khóa – Nhiên liệu phối trộn; ethanol- diesel; tính năng kinh tế kỹ thuật; DE3, DE5,
DE7, DE10; EV2600-NB.

ETHANOL - DIESEL EFFECTS ON THE DIESEL ENGINEERING
ECONOMY FEATURES.
Summary - Blended fuel is of interest, contributing to energy savings and reducing
emissions from the engine. Ethanol-diesel is focused, when the mixture of ethanol into
diesel, the nature, quality of fuel change. That requires a re-testing of engine economics.
Topic: "Study on the effect of blends of ethanol-diesel on the economics of diesel
engines". Some achievements have been made: A mixture of ethanol-diesel fuel can be
used as a substitute for mineral diesel when the mixing ratio is 5%. The most economical
DE5 fuel blend in blends DE3 to DE10. Optimum operating position: At 48.3% of the
rack, the minimum fuel consumption is 275.91 [g/kWh] for the DE5 fuel and the EV2600
- NB test engine. Direct blending of Ethanol and Diesel is suitable for diesel engine
requirements because it does not change the structure, without the need for additional
design details.
Key words - Mixed fuel; ethanol-diesel; technical and economic features; DE3, DE5,
DE7, DE10; EV2600-NB.


1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................................... 12
1.1. NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC
TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL. ....................................................................................... 12
1.1.1. Nhiên liệu sinh học............................................................................................. 12
1.1.2. Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel ............................................ 15

1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ VIỆC SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ DIESEL ............................................ 19
1.2.1. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt
trong trên thế giới. ....................................................................................................... 19
1.2.2. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt
trong ở trong nước. ...................................................................................................... 21
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 24
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 25
2.1. TÍNH CHẤT LÝ HĨA NHIÊN LIỆU DIESEL - ETHANOL......................... 25
2.1.1. Ethanol nhiên liệu biến tính.............................................................................. 25
2.1.2. Chỉ tiêu chất lượng diesel thông dụng ............................................................. 28
2.1.3. Diesel pha ethanol, Khả năng thích ứng khi pha diesel với ethanol ............. 29
2.2. CƠ SỞ, ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL ..... 32
2.2.1. Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel ............................................... 33
2.2.2. Các thông số kinh tế kỹ thuật trong động cơ .................................................. 36
2.2.3. Các loại đặc tính động cơ. ................................................................................. 41
2.3. TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘNG CƠ THEO NHIÊN LIỆU DO, DE3, DE5,
DE7, DE10 .................................................................................................................... 44
2.3.1. Quá trình nạp ..................................................................................................... 45
2.3.2. Quá trình nén ..................................................................................................... 46
2.3.3. Quá trình cháy ................................................................................................... 48
2.3.4. Quá trình thải .................................................................................................... 50
2.3.5. Các thông số chỉ thị ........................................................................................... 52


2
2.3.6. Các thơng số có ích ............................................................................................ 52
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 54
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM....................................................... 55
3.1. TRANG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM ................................................................ 55

3.1.1. Giới thiệu về động cơ EV2600-NB ................................................................... 55
3.1.2. Giới thiệu về băng thử công suất Froude ........................................................ 56
3.1.3. Giới thiệu về thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S ............................................................................................................................... 58
3.1.4. Giới thiệu về cảm biến lực Loadcell ................................................................. 60
3.2. MƠ HÌNH BỐ TRÍ THỰC NGHIỆM ................................................................ 61
3.3. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM .......................................................................... 63
3.4. THU NHẬN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ..................................................................... 64
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 72
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................. 73
4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN CÔNG SUẤT
ĐỘNG CƠ .................................................................................................................... 73
4.1.1. Công suất tổng quát........................................................................................... 73
4.1.2. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 10% thanh răng ................................. 75
4.1.3. Diễn biến cơng suất động cơ tại vị trí 30% thanh răng ................................. 76
4.1.4. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 50% thanh răng ................................. 77
4.1.5. Diễn biến cơng suất động cơ tại vị trí 70% thanh răng ................................. 78
4.2. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔ MEN
ĐỘNG CƠ .................................................................................................................... 79
4.2.1. Mô men tổng quát .............................................................................................. 79
4.2.2. Diễn biến mơ men của động cơ tại vị trí 10% thanh răng ............................. 80
4.2.3. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 30% thanh răng ............................. 81
4.2.4. Diễn biến mơ men của động cơ tại vị trí 50% thanh răng ............................. 82
4.2.5. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 70% thanh răng ............................. 83
4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN SUẤT TIÊU
HAO NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ ....................................................................... 84


3
4.3.1. Suất tiêu hao nhiên liệu tổng quát ................................................................... 84
4.3.2. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh răng,

ge [g/kWh] .................................................................................................................... 85
4.3.3. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 30% thanh răng,
ge [g/kWh] .................................................................................................................... 86
4.3.4. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 50% thanh răng,
ge [g/kWh] .................................................................................................................... 87
4.3.5. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 70% thanh răng
[g/kWh] ......................................................................................................................... 88
4.4. ĐẶC TÍNH TẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG CÁC NHIÊN LIỆU DO,
DE3, DE5, DE7, DE10 ................................................................................................. 89
4.4.1. Đặc tính tải tổng quát ........................................................................................ 89
4.4.2. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh răng ............. 90
4.4.3. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 30% thanh răng ............. 92
4.4.4. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 50% thanh răng ............. 93
4.4.5. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 70% thanh răng ............. 95
4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ..................................................................................... 97
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI................................................... 98
1.KẾT LUẬN ............................................................................................................... 98
2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 99
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 102
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)
QUYẾT ĐỊNH GIA HẠN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN(bản sao)
KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN(bản sao)


4

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]

Mơ men đầu ra trục khuỷu

Ne

[kW]

Cơng suất có ích động cơ

pk

[N/m2]

Áp suất khí nạp

pi

[N/m2]

Áp suất chỉ thị trung bình

pm

[N/m2]

Áp suất tổn thất cơ khí

gct

[kg/chu trình]

Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

M

[kmol/kg]

Lượng thay đổi phân tử mơi

M0

[kmol/kg]

Số mol khơng khí

M1

[kmol/kg]

Số mol khí nạp mới

M2

[kmol/kg]

Số mol sản phẩm cháy

 QH

[kJ/kg]
-

Tổn thất nhiệt do cháy khơng hồn tồn
Chỉ số nén đa biến

n1
m

-

Chỉ số giản nỡ nhiệt khí sót

2. Danh mục các ký hiệu Hy lạp :
o

-

Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết



-

Hệ số biến đổi phân tử thực tế

Z

-

Hệ số biến đổi phân tử tại z

z

-

Hệ số lợi dụng nhiệt tại z

b

-

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b



-

Tỉ số tăng áp

1

-

Hệ số nạp thêm


5
2

-

Hệ số quét buồng cháy

đ

-

Hệ số điền đầy đồ thị

3. Các chữ viết tắt :
NLSH

Nhiên liệu sinh học

NLBT

Nhiên liệu biến tính

HHNL

Hỗn hợp nhiên liệu

DE3

Hỗn hợp diesel – ethanol với 97% diesel và 3% ethanol

DE5

Hỗn hợp diesel – ethanol với 95% diesel và 5% ethanol

DE7

Hỗn hợp diesel – ethanol với 93% diesel và 7% ethanol

DE10

Hỗn hợp diesel – ethanol với 90% diesel và 10% ethanol

ĐCT

Điểm chết trên


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
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
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10

Tên bảng
Tính chất vật lý ethanol
Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol NLBT
Đặc tính cơ bản của Ethanol NLBT
Chỉ tiêu chất lượng diesel thông dụng
Các thông số chọn động cơ
Các thơng số tính tốn cho q trình nạp
Các thơng số tính tốn cho q trình nén
Các thơng số tính tốn cho q trình cháy
Các thơng số tính tốn cho q trình giản nở
Các thơng số chỉ thị

Các thơng số có ích
Thơng số kỹ thuật động cơ EV2600-NB
Một số thông số kỹ thuật của AVL 733
Công suất động cơ (KW)
Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên
liệu
Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên
liệu tại vị trí 10% thanh răng.
Hệ số của các đường cong tìm gemin của các nhiên liệu tại
vị trí 10% thanh răng.
Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên
liệu tại vị trí 30% thanh răng.
Hệ số của các đường cong tìm gemin của các nhiên liệu tại
vị trí 30% thanh răng.
Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên
liệu tại vị trí 50% thanh răng.
Hệ số của các đường cong tìm gemin của các nhiên liệu tại
vị trí 50% thanh răng.
Giá trị xác định điểm bắt đầu nhả khói đen của các nhiên
liệu tại vị trí 70% thanh răng.
Hệ số của các đường cong tìm gemin của các nhiên liệu tại
vị trí 70% thanh răng.

Trang
25
27
27
28
44
45

47
49
50
52
54
55
59
73
89
90
91
92
93
93
94
95
96


7

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
hiệu
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
2.4

Tên hình
Sản lượng diesel sinh học châu Âu từ năm 1998 đến năm
2011
Tình hình sản xuất diesel sinh học của các nước trên thế giới
năm 2010
Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE15, DE12, DE10,
E7, DE5, DE3
Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE3, DE5, DE7,
DE10
Thí nghiệm Diesel pha ethanol theo tỉ lệ DE15, DE12 và sau
khi gia nhiệt
Quá trình cháy trong động cơ diesel, biểu diễn trên đồ thị
cơng P-

Trang
16
17
30
31
31
33

2.5

Đặc tính tải động cơ diesel

43

2.6

Đường đặc tính ngồi của động cơ.

43

3.1

Mặt cắt dọc động cơ EV2600-NB

56

3.2

Cấu tạo băng thử thủy lực Froude

57

3.3

Hệ thống đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance - 733S

58

3.4

Nguyên lý thiết bị đo tiêu hao nhiên lệu AVL 733

59

3.5

Hình dạng cảm biến lực Loadcel

60

3.6
3.7

Sơ đồ bố trí thực nghiệm động cơ diesel EV2600-NB và băng
thử cơng suất Froude
Phịng đo cơng suất, mơ men, tiêu hao nhiên liệu, khí thải
động cơ diesel.

61
62

3.8

Giao diện chương trình hiển thị kết quả đo cơng st, mơ men

62

3.9

Giao diện chương trình hiển thị kết quả đo tiêu hao nhiên liệu

63

3.10 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel

65

3.11 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE3

65


8
Số
hiệu

Tên hình

Trang

3.12 Diễn biến cơng suất động cơ khi sử dụng HHNL DE5

66

3.13 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE7

66

3.14 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE10

67

3.15 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel

67

3.16 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng HHNL DE3

68

3.17 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng HHNL DE5

68

3.18 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng HHNL DE7

69

3.19 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng HHNL DE10

69

3.20

Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu
Diesel

70

3.21 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE3

70

3.22 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE5

71

3.23 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE7

71

3.24 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE10

72

4.1

Diễn biến so sánh công suất động cơ của các nhiên liệu
Ne[Kw]

74

4.2

Đồ thị cơng suất động cơ tại vị trí 10% thanh răng

75

4.3

Diễn biến cơng suất động cơ tại vị trí 30% thanh răng

76

4.4

Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 50% thanh răng

77

4.5

Diễn biến cơng suất động cơ tại vị trí 70% thanh răng

78

4.6

Diễn biến mơ men động cơ Me[Nm]

79

4.7

Diễn biến mơ men của động cơ tại vị trí 10% thanh răng

80

4.8

Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 30% thanh răng

81

9
Số
hiệu

Tên hình

Trang

Diễn biến mơ men của động cơ tại vị trí 50% thanh răng

82

4.10 Diễn biến mơ men của động cơ tại vị trí 70% thanh răng

83

4.11 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ

84

4.9

4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19

4.20

Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ tại vị trí 10% thanh
răng
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ tại vị trí 30% thanh
răng
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ tại vị trí 50% thanh
răng
Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ tại vị trí 70% thanh
răng
Đặc tính tải của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu DO, DE3,
DE5, DE7, DE10
Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh
răng
Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 30% thanh
răng
Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 50% thanh
răng
Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 70% thanh
răng

4.21 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu gemin theo các chế độ phụ tải

85
86
87
88
90
91
92

94
95
97


10

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết đề tài
Ngày nay do nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển
mạnh dẫn đến nhiều vấn đề cần được giải quyết như: Nhiên liệu hóa thạch dầu
mỏ sắp cạn kiệt, ô nhiễm môi trường từ khí thải do động cơ tạo ra cũng trở nên
đáng báo động. Các chuyên gia kinh tế năng lượng cho rằng nếu không phát
hiện thêm trữ lượng mới thì nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ không đáp ứng đủ và
cạn kiệt trong tương lai không xa. Xu hướng của thế giới là tìm kiếm nhiên liệu
mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch.
Trong các nguồn năng lượng thay thế đang sử dụng hiện nay như: (năng
lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân…), thì nhiên liệu sinh học
đang được ưu tiên phát triển. Nhiên liệu sinh học có lợi thế như: tận dụng nguồn
nguyên liệu tại chổ, tăng hiệu quả kinh tế, công nghệ sản xuất ít phức tạp, cấu
trúc động cơ ít thay đổi.
Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và
giảm khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng nhiên liệu sinh học phối trộn cùng
nhiên liệu hóa thạch, trong đó ethanol sinh học đang được quan tâm vì nguồn
cung khá dồi dào và có khả năng pha trộn cho diesel và xăng. Tuy nhiên khi pha
ethanol vào nhiên liệu khống thì tính chất, chất lượng của nhiên liệu sẽ thay đổi
so với ban đầu. Sự thay đổi ít hay nhiều phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với nhiên
liệu khoáng. Khi pha ethanol vào nhiên liệu khống thì sẽ có ảnh hưởng nhất
định đến tính bền vững của hỗn hợp, tính đồng pha, tính ăn mịn, điều đó địi hỏi
phải kiểm nghiệm lại tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ.

Do đó tơi chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn
Ethanol- Diesel đến tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ Diesel”.


11

2. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định tỷ lệ phối trộn tốt nhất ứng với các chế độ vận hành của động cơ
để đạt được tính năng kỹ thuật tốt nhất.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a.

Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ một xy lanh EV2600 –NB với các

tỷ lệ phối trộn: 3%ethanol – 97% diesel; 5%ethanol – 95% diesel; 7%ethanol 93% diesel; 10%ethanol - 90% diesel.
b.

Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn ethanol – diesel. Từ đó xác định

được các tính năng kinh tế kỹ thuật tối ưu nhất: Mô men động cơ, công suất
động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu động cơ.
4. Cách tiếp cận và phạm vi nghiên cứu
a.

Cách tiếp cận luận văn
Tìm kiếm tài liệu, thu thập thơng tin dựa trên các cơng trình đã được công

bố về nhiên liệu sinh học (ethanol - diesel), nghiên cứu thực nghiệm, phân tích

số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo.
b.

Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên băng thử công suất

Froude – tại Khoa Cơ Khí Giao Thơng – Đại học Bách Khoa – Đại học Đà
Nẵng.
5. Bố cục luận văn
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI


12

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC
TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL.
1.1.1. Nhiên liệu sinh học
a. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là nhiên liệu nhận được từ sinh khối,
được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật [4]. Như nhiên
liệu chế suất từ chất béo của động thực vật ngủ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương) các
chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải...).
Chúng bao gồm bio ethanol, diesel sinh học, biogas, ethanol pha trộn (ethanol –
diesel, ethanol - xăng), dimetyl ether sinh học và dầu thực vật. Nhiên liệu sinh

học hiện nay sử dụng trong giao thông vận tải là ethanol sinh học, diesel sinh
học.
Tuy nhiên hiện nay vấn đề sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống còn
nhiều hạn chế do giá thành sản xuất cao hơn so với nhiên liệu truyền thống.
Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh học
là nguồn thay thế có nhiều tiềm năng lớn.
Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ đốt trong bao gồm hai loại chủ yếu
sau:
Nhiên liệu lỏng: Bao gồm xăng sinh học và diesel sinhhọc.
Xăng sinh học: Bao gồm bio-metanol, bio-ethanol, bio-butanol… Trong
số các dạng xăng sinh học này, bio-ethanol là loại nhiên liệu sinh học thơng
dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp
từ nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột
như, sắn,…
Diesel sinh học (diesel sinh học): Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có
tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất


13
từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng
chuyển hóa este.
Khí Biogas
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác
phát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí. Thành
phần chính của Biogas là CH4(50-60%) và CO2(>30%) cịn lại là các chất khác
như hơi nước N2, O2, H2S, CO… được thuỷ phân trong mơi trường yếm khí, xúc
tác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho
động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước
khi sử dụng tạo nên hỗn hợp nổ với khơng khí. Khí H2S có thể ăn mịn các chi
tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc. Hơi nước có

hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy,
nhiệt trị thấp và tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu của Biogas.
Nhiên liệu rắn
Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đang phát triển sử dụng
hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ. Nguyên liệu để sản
xuất nhiên liệu sinh học rất đa dạng, phong phú, bao gồm: sắn, ngơ, mía, củ cải
đường, rơm rạ…
Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta lại chọn
những loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH. Ví dụ như Brasil sản xuất
ethanol chủ yếu từ mía, ở Mỹ là từ ngô.
b. Các loại nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học được sản suất từ nhiều dạng khác nhau, có thể tổng
hợp một số nyên liệu chính như sau:
Metyl ester


14
Đây là một loại diesel sinh học. Diesel sinh học thường dùng có tên
monoalkyl ester (methyl hoặc ethyl ester) của acid béo có chuỗi phân tử dài
được lấy từ lipid như dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Nó là sản phẩm trong q
trình ester hóa từ dầu hạt cải, dầu đậu tương, dầu cây hướng dương, dầu cọ… Có
thể sử dụng diesel sinh học nguyên chất hoặc pha với dầu diesel thông thường
theo các tỷ lệ nhất định.
Dimetyl ether (DME)
Ở nhiệt độ mơi trường, áp suất khí quyển, DME là chất khí khơng màu,
hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp. DME có thể được sản xuất từ khí tự nhiên
thơng qua 2 bước: chuyển đổi khí tự nhiên thành methanol sau đó khử nước
(2CH3OH → CH3OCH3+ H2O) sẽ thu được DME.
DME có trị số xêtan khá cao (khoảng 55) trong khi trị số xêtan của diesel
là 40 ÷ 53. Tuy nhiên nhiệt trị và độ nhớt của DME lại khá thấp, do vậy khi sử

dụng trên động cơ cần phải cải tiến lại hệ thống nhiên liệu cho phù hợp.
Dimetyl cacbonate (DMC)
DMC là một chất lỏng không màu, khơng độc và khơng gây ăn mịn. Nó
có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel theo một vài tỷ lệ. DMC có thể thêm vào
nhiên liệu diesel như một chất phụ gia, vì nó chứa 53% (về trọng lượng) Oxy.
DMC được sản xuất từ methanol, CO và O2với chất xúc tác HCl thêm 5% KCl
vào:
2CH3OH + CO + 1/2O2= CH3OCOO-CH3+ H2O
Hydrogen
Hydrogen khơng phải là nhiên liệu hóa thạch tìm thấy trong tự nhiên,
nhưng nó có thể được sản xuất từ các nguyên liệu khác nhau như là khí tự nhiên,
methanol, than đá, sinh vật và nước. Hydro thường được tích trữ bằng cách nén
thành chất lỏng. Đặc tính mong muốn của hydro phần lớn phù hợp làm nhiên
liệu ơtơ, nó cháy sạch.
Cồn


15
Cồn thường tồn tại ở hai dạng: Methanol và Ethanol. Trong đó, methanol
là loại cồn đơn giản nhất chứa một nguyên tử C trong mỗi phân tử. Phần lớn
methanol được làm từ than đá và khí tự nhiên, và có thể làm từ nguồn tái sinh
như gỗ hoặc giấy thải. Để làm nhiên liệu động cơ có thể dùng M85 (hỗn hợp
85% methanol và 15% xăng), có chỉ số octan 102. Tuy nhiên, khi sử dụng M85
thì xe phải được thay đổi cho phù hợp (như tỷ số nén cao hơn, hệ thống hút thiết
kế lại để lấy đủ khí và dầu bôi trơn chịu được sự tác động tự nhiên của
methanol).
Ethanol (công thức phân tử C2H5OH) được chế biến thơng qua q trình
lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose. Ethanol
nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu mà thường được pha trộn với xăng hay
diesel theo những tỷ lệ nhất định.

1.1.2. Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel
a. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới
Ở Châu Âu, diesel sinh học đã được sản xuất lần đầu tiên ở Áo và Đức.
Người ta đặc biệt quan tâm đến diesel sinh học từ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ
vào những năm 1980. Việc tổng hợp diesel sinh học trong phịng thí nghiệm bởi
Mittelbach ở Đại học Graz diễn ra lần đầu tiên năm 1983. Nhà máy công nghiệp
đầu tiên sản xuất metyl ester dầu hạt cải đã được xây dựng năm 1991 ở Áo. Năm
1996 hai nhà máy qui mô lớn ở Rouen - Pháp và Leer- Đức đã chứng minh sự
phát triển mạnh của ngành cơng nghiệp diesel sinh học[11].
Hình 1.1 cho ta thấy sự tăng trưởng hàng năm sản lượng diesel sinh học ở
châu Âu (từ năm 1998 đến năm 2011).
Vào cuối năm 2006, ở Đức có khoảng 50 nhà máy diesel sinh học qui mô
từ 10.000 tấn/năm đến 250.000 tấn/năm [11].


16

Hình 1.1 Sản lượng nhiên liệu sinh học châu Âu từ năm 1998 đến 2011 [12]
Ngày nay, rất nhiều nhà máy khác của Pháp đã được xây dựng và đưa vào
sử dụng, đưa sản lượng diesel sinh học của Pháp năm 2008 tăng đến khoảng 2,5
triệu tấn/năm.
Italia là nước có sản lượng diesel sinh học đứng thứ 3 châu Âu sau Đức và
Pháp. Đến năm 2004, 320.000 tấn diesel sinh học đã được sản xuất từ 8 nhà máy
phân bố trên tồn bộ lãnh thổ Italia. Ngun liệu chính để sản xuất diesel sinh
học ở Italia là dầu hạt hướng dương trồng tại Italia hoặc dầu hạt cải nhập khẩu từ
Đức và Pháp [11].
Tại Mỹ, sản lượng diesel sinh học tăng mạnh trong những năm gần đây.
Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Mỹ là dầu đậu nành tinh khiết,
dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ động vật. Theo Hội Nhiên liệu sinh học Mỹ,
với sự ủng hộ của chính phủ, lượng diesel sinh học bán ra có thể đạt gần 2 tỷ

gallon mỗi năm. Tổng lượng diesel sinh học tiêu thụ ở Mỹ năm 2000 là gần 20
triệu gallon [11].
Nhìn chung, châu Âu chiếm phần lớn sản xuất dầu diesel sinh học của thế
giới. Ở các nước như Brazil và Hoa Kỳ, ethanol sản xuất gấp 10 lần so với dầu
diesel sinh học. Hình 1.3 thể hiện tỷ lệ sản xuất nhiên liệu sinh học của các nước
trên thế giới.


17
Tại Brazil, không giống như ngành sản xuất ethanol, ngành sản xuất
diesel sinh học ở đây còn rất non trẻ. Hiện tại chỉ có mơt số dây chuyền sản xuất
thử nghiệm (cơng suất 40-130m3/ngày).

Hình 1.2 Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học của các nước trên thế
giới năm 2010 [12]
Trong những năm gần đây, sản lượng diesel sinh học của các nước Đông
Nam Á cũng tăng rất mạnh, đặc biệt là từ năm 2006 đến 2007, sản lượng diesel
sinh học tăng gần 6 lần. Các nước sản xuất nhiều diesel sinh học ở Đông Nam Á
là Malaysia, Indonexia và Thái Lan[12];[13].
Indonesia đã trợ cấp khoảng 7 tỷ USD cho vấn đề năng lượng. Nước này
đặt mục tiêu đến năm 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng 10% cho ngành điện và
giao thông. Hiện nay ở Indonesia phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng dầu
diesel sinh học (hỗn hợp dầu cọ với nhiên liệu hóa thạch).
Malaysia hiện có 3 nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học với cơng suất
276.000 tấn/năm. Chính phủ nước này đặt mục tiêu sản xuất 1 triệu tấn dầu
diesel sinh học xuất khẩu vào năm 2007 – 2008. Hiện nay Malaysia đã trồng
được 10.000 cây jatropha để chiết xuất dầu diesel.


18

b. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học tại ViệtNam
Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định 177/2007/QĐTTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn
đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu là phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng
năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền
thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môitrường.
Theo Đề án, mục tiêu đến giai đoạn 2011 - 2015, nước ta làm chủ và sản
xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất NLSH, ứng dụng thành công
công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn ngun liệu cho q trình
chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu sinh học. Đến năm 2015, sản lượng
ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả
nước. Tầm nhìn đến năm 2025, cơng nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta
đạt trình độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 1,8
triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước[5].
Các trường Đại học (ĐHBK Hà Nội, ĐHBK -ĐH Đà Nẵng, ĐHBK Thành
phố Hồ Chí Minh, ĐHKHTN – ĐH Quốc gia HN),Viện Hóa học Cơng nghiệp
Việt Nam, Tổng cơng ty Dầu khí Việt Nam, Cơng ty Phát triển Phụ gia và Sản
phẩm Dầu mỏ (APP),... đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp diesel sinh học từ các
nguồn nguyên liệu khác nhau như: dầu bông, dầu cọ, dầu dừa, dầu thải, mỡ động
vật.... nhưng mới ở quy mô phịng thí nghiệm hoặc quy mơ sản xuất nhỏ.
Tính đến năm 2010, nước ta đã làm chủ công nghệ sản xuất diesel sinh
học từ một số nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước (methanol, ethanol, butanol)
và bước đầu tiến hành pha trộn B5.


19
1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ VIỆC SỬ
DỤNG NHIÊN LIỆU ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
1.2.1. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt
trong trên thế giới.
a. Tình hình sản xuất, sử dụng nhiên liệu sinh học pha trộn với nhiên liệu

khoáng trên thế giới
Tại Mỹ, lượng bio-diesel được tiêu thụ đạt trên 2 tỷ gallon mỗi năm, mục
tiêu đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học [9]
Tại Áo, phải sử dụng nhiên liệu diesel khoáng pha 5% nhiên liệu sinh học
[10].
Tại Đức, bắt buộc phải sử dụng nhiên liệu diesel-B5 và đến cuối năm
2010 có khoảng 10% nhiên liệu sử dụng có nguồn gốc tái tạo[9].
Tại Pháp, đã có hàng vạn phương tiện tham gia giao thơng sử dụng nhiên liệu
diesel-B30 [9].
Tại Thái Lan, đã có chương trình sử dụng nhiên liệu diesel-B5 vào năm
2011 và diesel-B10 vào năm 2012. Chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu
sinh học ở Thái Lan đang phát triển với tốc độ nhanh[9].
Tại Indonesia, phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng nhiên liệu diesel sinh
học và đến cuối năm 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng khoảng 10% cho ngành
điện và giao thơng [16].
Ngồi những nước như đã nói trên, còn nhiều nước khác đã nghiên cứu
đưa ra chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học vào nước của họ.
Qua đó cho thấy, nhiên liệu sinh học được sản xuất và tiêu thụ trên thế giới ngày
một gia tăng.


20
b. Tình hình nghiên cứu, sử dụng ethanol trong động cơ trên thế giới
Hiện nay, toàn bộ xăng, diesel sử dụng trên ôtô của Brazin đều pha 2025% ethanol sinh học. Luật pháp Brazin quy định tất cả các loại xe sử dụng xăng
pha 22% ethanol và nước này đã có 20% số lượng xe chỉ sử dụng ethanol 100%
[4].
Trong khối EU, nhiên liệu sinh học là một ưu tiên trong chính sách mơi
trường và giao thơng. Từ đầu năm 2004 các trạm xăng Aral và Shell ở Đức bắt
đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà theo đó từ 31/12/2005 ít nhất 2% và từ
31/12/2010 ít nhất 5,75% nhiên liệu dùng cho giao thơng vận tải phải có nguồn

gốc tái tạo. EU còn quy định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất 10%
nhiên liệu sinh học từ nay đến 2020.
Mỹ đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học trong giao thông,
Iowa là bang sản xuất ethanol cho nhiên liệu ôtô với sản lượng lớn nhất.
Nhiên liệu Ethanol- diesel dùng ở Mỹ qui định thành phần ethanol chứa
trong nhiên liệu này không vượt quá 15% về thể tích và 5% chất phụ gia riêng
để ổn định các tính chất của nhiên liệu tương đương với diesel. Theo Robert
E.Reynolds nguyên nhân của giới hạn này là do: các số liệu kiểm tra trên hỗn
hợp nhiên liệu ở mức cao hơn đều bị hạn chế, ở hỗn hợp có thành phần ethanol
cao sẽ bất lợi nhiều hơn về mặt kinh tế; [15].
Trong nghiên cứu của T.K.Bhattacharya và T.N. Mishra [14] về khả năng
hòa trộn của ethanol trong Diesel họ đã rút ra các nhận xét sau:
Ethanol có nồng độ 2000có thể pha vào Diesel với tỷ lệ đến 20% thể tích
hoặc hơn nữa vì khơng có nước nên sẽ hồ tan triệt để và có tính đồng nhất.
Ethanol có nồng độ 1900 và 1800 có thể pha vào Diesel với tỷ lệ đến 20%
Khi đó hỗn hợp sẽ hồ tan khơng triệt để và có pha phân cách khơng rõ rệt
nhưng có thể sử dụng được trong động cơ Diesel. Tỷ lệ tốt nhất là dưới 15%.


21
Ethanol có nồng độ 1700 chỉ có thể dùng như là nhiên liệu trong động cơ
diesel khi pha với tỷ lệ nhỏ hơn 15%.
Các hỗn hợp cịn lại khơng thể sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ
Diesel vì lượng nước chứa trong ethanol quá lớn (20% đến 25%), sự hồ tan sẽ
khơng tốt và tạo ra các pha phân cách rõ rệt.
Ở Trung Quốc, tại phịng thí nghiệm về An Tồn Ơ tơ và Năng Lượng –
Đại Học Thanh Hoa, 2003; nhóm tác giả Bang-Quan Hea, Shi-Jin Shuaia, JianXin Wanga, đã nghiên cứu: ảnh hưởng của ethanol pha trộn diesel đến thành
phần khí thải, khi pha trộn tư 10% đến 15% ethanol trong HHNL. Kết quả thu
được: Trị số cetan giảm, nhiệt trị cao giảm, NOX, CO2, HC đều giảm;[9].
1.2.2. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt

trong ở trong nước.
a. Tình hình sản xuất, sử dụng nhiên liệu sinh học pha trộn với nhiên liệu
khoáng ở Việt Nam
Ở Việt Nam, trước khi có Quyết định số 177/2007QĐ-TTg ngày
20/11/2007 của Chính phủ, một số cơ sở đã nghiên cứu sản xuất bio-diesel và
thử nghiệm loại nhiên liệu này. Như ở đồng bằng Nam bộ, đã có doanh nghiệp
sản xuất thành cơng bio-diesel từ mỡ cá basa và cá tra. Một số người dân đã tự ý
sử dụng thử loại nhiên liệu này mặc dù chưa có qui định của Nhà nước.
Sau khi có sự phê duyệt 177/2007QĐ-TTg của Chính phủ, các tổ chức
trong nước đã tích cực đầu tư nghiên cứu, sản xuất thử, sản xuất ở qui mô công
nghiệp và sẽ làm chủ công nghệ sản xuất bio-diesel từ các nguồn nguyên liệu
sẵn có trong nước.
Các thử nghiệm chiết xuất dầu diesel sinh học từ cây dầu mè của TS Thái
Xuân Du, từ cây diesel của TS Lê Võ Định Tường, từ mỡ cá basa của công ty
AGIFISH... gần đây đều cho kết quả khả quan[16].