Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
-----------------------------------

NCS. NGUYỄN DANH CHẤN

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI
KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYLFURAN TRÊN
ĐỘNG CƠ XĂNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Tp.HCM – 2021


BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
-----------------------------------

NCS. NGUYỄN DANH CHẤN

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI
KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIMETHYLFURAN TRÊN
ĐỘNG CƠ XĂNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Ngành

:

Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số ngành

:

9520116

Người hướng dẫn khoa học

:

1. PGS.TS Hoàng Anh Tuấn

2. PGS.TS Trần Quang Vinh

Tp.HCM - 2021


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu
trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong các cơng trình khác.
Các tài liệu và dữ liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ!

Tp.HCM, ngày 17 tháng 9 năm 2021
TM TT HƯỚNG DẪN

PGS.TS Hoàng Anh Tuấn

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Danh Chấn


ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM, Viện
Đào tạo Sau Đại học và Viện Cơ khí đã cho phép tơi thực hiện luận án tại Trường
Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau Đại học và Viện
Cơ khí về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt q trình tơi làm luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Anh Tuấn và PGS.TS Trần Quang
Vinh đã hướng dẫn tơi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chun mơn để tơi có thể
thực hiện và hồn thành luận án.
Tơi xin chân thành biết ơn Q thầy, cơ Khoa Cơ khí và Phịng thí nghiệm
động cơ, Trung tâm Cơng nghệ cơ khí – Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận
tải đã luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hồn thành
luận án này.
Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM,
Lãnh đạo Viện Cơ khí và các thầy cơ trong Viện đã hậu thuẫn và động viên tôi trong
suốt quá trình nghiên cứu học tập.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hoàn
chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những
người đã động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian tơi tham gia nghiên cứu và

thực hiện cơng trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Danh Chấn


iii

TĨM TẮT

Giao thơng vận tải hiện đang phải đối mặt với hai thách thức lớn là sự cạn kiệt
của nguồn nhiên liệu hóa thạch và vấn đề ơ nhiễm mơi trường. Nhiên liệu hóa thạch
vẫn sẽ là nguồn năng lượng chính cho ngành giao thơng trong nhiều thập kỷ tới, tuy
nhiên xu hướng này không thể kéo dài mãi. Mặt khác, áp lực từ vấn đề ô nhiễm môi
trường khiến các nhà chức trách trên khắp thế giới đưa ra các điều luật buộc ngành
cơng nghiệp ơ tơ và hóa dầu phải phát triển các công nghệ mới nhằm giảm phát thải
và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu.
Nhằm đạt các mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đa dạng hóa nguồn
nhiên liệu, đồng thời tận dụng các phế phẩm, phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất ra
các nguồn năng lượng tái tạo, nhiên liệu sinh học được xem như một ứng viên sáng
giá cho việc thay thế một phần hoặc hồn tồn các loại nhiên liệu hóa thạch truyền
thống. Trong số những loại nhiên liệu được tìm kiếm và nghiên cứu thì 2,5dimethylfuran (DMF) đang nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trên
khắp thế giới. DMF có các tính chất tương đồng với xăng, đồng thời tốt hơn xăng ở
một số đặc tính như chỉ số octan cao, bên cạnh đó DMF là loại nhiên liệu sinh học
thế hệ thứ 2 nên không ảnh hưởng đến an ninh lương thực.
Trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam hiện nay, khi xăng pha cồn etanol đã được
đưa vào sử dụng hơn 10 năm nay, tuy nhiên hiệu quả kinh tế xã hội còn chưa rõ rệt
và tiến triển chậm thì việc nghiên cứu để tìm ra một loại nhiên liệu thay thế mới, có
hiệu quả tốt hơn là điều hết sức cần thiết và cấp bách.
Xuất phát từ lý do trên, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật

và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng” nhằm mục
đích đánh giá khả năng ứng dụng 2,5-dimethylfuran làm nhiên liệu cho động cơ xăng
tại Việt Nam, giúp hạn chế sự phụ thuộc vào các loại nhiên liệu truyền thống và giảm
ô nhiễm môi trường. Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án đã giải quyết các vấn đề
theo trình tự sau:


iv

- Nghiên cứu tổng quan quy trình sản xuất, tính chất lý hóa và khả năng ứng
dụng của DMF trên các loại động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ cháy cưỡng bức
(SI) làm cơ sở để xác định khoảng trống và định hướng cho quá trình nghiên cứu.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy và hình thành phát thải của động
cơ SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính tốn các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động
cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 trên động cơ xăng.
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phỏng q trình làm việc của động cơ xăng
với sự hỗ trợ của phần mềm AVL-Boost nhằm đánh giá các đặc tính làm việc và phát
thải của động cơ SI khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF.
- Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng trên động cơ SI nhằm so sánh với kết quả
mô phỏng cũng như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật và phát thải
khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF.
Từ kết quả của q trình nghiên cứu mơ phỏng và thực nghiệm cho thấy việc sử
dụng xăng có pha DMF trên các phương tiện giao thơng mang lại rất nhiều lợi ích về
kỹ thuật, kinh tế và môi trường. Sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng có pha tỷ lệ DMF
lớn giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống và giảm phát thải gây ô nhiễm
môi trường. Việc điều chế DMF cũng tận dụng được các nguồn sinh khối truyền
thống, đa dạng và dồi dào ở nước ta.
Từ khóa- 2,5-dimethylfuran, sinh khối, động cơ xăng, đặc tính kỹ thuật của
động cơ, đặc tính phát thải.

v

ABSTRACT

Transportation is currently facing two major challenges: the depletion of fossil
fuels and environmental pollution. Over the next decades, fossil fuels will still be the
main source of energy for the transportation industry, but this trend cannot last
forever. On the other hand, environmental pollution has led authorities around the
world to introduce laws that forced the automotive and petrochemical industries to
develop new technologies to reduce emissions and improve fuel economy.
In order to achieve these goals, the 2nd and 3rd generation biofuels are
considered as a good candidate for partial or complete replacement of traditional
fossil fuels.
Among the searched and studied fuels, 2.5-dimethylfuran (DMF) is receiving
great attention from scientists around the world. The properties of DMF are similar
to gasoline and maybe better in some characteristics such as high octane. Besides,
DMF is a 2nd generation biofuel, so it does not affect food security.
In Vietnam today, although gasoline mixed with alcohol has been used, but the
efficiency is not high enough. Therefore, finding a new and more efficient alternative
fuel is very necessary and urgent.
From the reasons mentioned above, the author chose the topic of this thesis: "A
study on the engine performance and emission characteristics of gasoline engine
using dimethylfuran-based blends" with the aim of evaluating the applicability of
2,5-dimethylfuran as fuel for gasoline engines in Vietnam, helping to reduce the
dependence on traditional fuels and environmental pollution. To achieve the set
objectives, the thesis has solved the following problems:
- An overview study of the production process, physicochemical properties and
applicability of 2.5-dimethylfuran on on internal combustion engines (especially SI
engines) to determine the reasearch gap, scope and plan.

vi

- The theoretical basis study of combustion and emission of SI engines using
DMF as fuel to examine the technical parameters and emissions of the engine when
using DMF-gasoline blends on a gasoline engine.
- Using AVL Boost software to build a simulation model of the SI engine's
working process when using DMF blends to evaluate its performance parameters and
emission characteristics.
- Experimental study on SI engines to compare with simulation results as well
as evaluate factors affecting technical characteristics and emissions when using DMF
blends.
The results of simulation and experimental research show that the use of
gasoline mixed with DMF in vehicles gives a lot of technical, economic and
environmental benefits. Using DMF-gasoline blends as fuel with a high ratio of DMF
helps to reduce the dependence on traditional fuels and reduce emissions that are
harmful to the environment. The preparation of DMF also takes advantage of
traditional, diverse and abundant biomass sources in our country.
Keywords- 2.5-dimethylfuran, biomass, gasoline engine, engine performance,
emission characteristics.


vii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
TÓM TẮT ................................................................................................................ iii

ABSTRACT .............................................................................................................. v
MỤC LỤC ............................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. xvii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. xix
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ xix
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ......................................................................... xx
a) Mục tiêu lý thuyết: ........................................................................................... xx
b) Mục tiêu thực nghiệm: .................................................................................... xxi
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... xxi
a) Đối tượng nghiên cứu: .................................................................................... xxi
b) Phạm vi nghiên cứu: ....................................................................................... xxi
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .......................................................................... xxi
a) Về khoa học .................................................................................................... xxi
b) Về thực tiễn .................................................................................................... xxii
5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. xxii
a) Nghiên cứu lý thuyết ...................................................................................... xxii
b) Nghiên cứu mô phỏng.................................................................................... xxii
c) Nghiên cứu thực nghiệm ................................................................................ xxii
6. Nội dung nghiên cứu........................................................................................ xxiii


viii

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................. 1
1.1 Tình hình sản xuất 2,5-dimethylfuran .............................................................. 1
1.1.1 Quy trình sản xuất 2,5-dimethylfuran từ sinh khối ....................................... 1
1.1.2 Tiềm năng sản xuất DMF ở Việt Nam .......................................................... 8
1.2 Tính chất lý hóa của dimethylfuran ................................................................. 9

1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đốt trong ...................... 12
1.3.1 Sử dụng DMF nguyên chất trong động cơ xăng ......................................... 12
1.3.2 Sử dụng hỗn hợp DMF-điêzen trên động cơ điêzen ................................... 18
1.3.3 Sử dụng hỗn hợp DMF-xăng trong động cơ xăng ...................................... 24
1.4 Kết luận Chương 1 ........................................................................................... 32
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT
VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DMF ........ 34
2.1 Lý thuyết về quá trình cháy của DMF trong động cơ đốt trong .................. 34
2.1.1 Cơ chế phân hủy .......................................................................................... 34
2.1.2 Đặc tính đánh lửa ........................................................................................ 36
2.1.3 Cơ chế ơxy hóa và nhiệt phân của DMF ..................................................... 37
2.2 Cơ sở lý thuyết mơ phỏng q trình công tác của động cơ sử dụng xăng và
DMF ......................................................................................................................... 44
2.2.1 Giới thiệu về phần mềm AVL Boost .......................................................... 44
2.2.2 Hệ phương trình mơ tả hệ nhiệt động ......................................................... 45
2.2.3 Điều kiện biên ............................................................................................. 47
2.3 Kết luận Chương 2 ........................................................................................... 53
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ XĂNG SỬ DỤNG CÁC
HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DMF ............................................................................ 54
3.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 54
3.2 Đối tượng nghiên cứu và nhiên liệu thử nghiệm ........................................... 54
3.2.1 Động cơ nghiên cứu .................................................................................... 54


ix

3.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................. 55
3.3 Xây dựng mô hình mơ phỏng .......................................................................... 58
3.4 Kết quả và đánh giá .......................................................................................... 60
3.4.1 Kết quả tính tốn mơ phỏng ở chế độ 100% tải .......................................... 60

3.4.3 Kết quả tính tốn ở 50% tải ......................................................................... 66
3.5 Kết luận Chương 3 ........................................................................................... 70
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.................................................. 73
4.1 Đặt vấn đề và các mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm .................................... 73
4.1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................... 73
4.1.2 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm .............................................................. 73
4.2 Phạm vi và điều kiện thực nghiệm .................................................................. 73
4.3 Quy trình, chế độ và trang thiết bị thử nghiệm ............................................. 74
4.3.1 Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................. 74
4.3.2 Trang thiết bị thử nghiệm ............................................................................ 76
4.3.3 Quy trình thử nghiệm .................................................................................. 82
4.3.4 Chế độ thử nghiệm ...................................................................................... 83
4.4 Kết quả thực nghiệm và thảo luận .................................................................. 84
4.4.1 Kết quả thực nghiệm đánh giá công suất động cơ ...................................... 84
4.4.2 Kết quả thực nghiệm đánh giá tính kinh tế nhiên liệu ................................ 87
4.4.3 Kết quả thực nghiệm đánh giá mức độ phát thải ........................................ 91
4.5 So sánh kết quả tính tốn mô phỏng với kết quả thực nghiệm .................. 100
4.6 Kết luận Chương 4 ......................................................................................... 102
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 105
Kết luận chung ...................................................................................................... 105
Hướng phát triển .................................................................................................. 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 108


x

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN ..................................................................................................... 119
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 1

xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu, chữ

Diễn giải

Đơn vị

viết tắt
DMF

2,5-dimethylfuran

-

2-methylfuran

-

HMF

5-hydroxymethylfurfural

-

CMF

5-chloromethylfurfural

-

BMF

5-bromomethylfurfural

-

EMF

5-ethoxymethylfurfural

-

THF

Tetrahydrofuran

MF

HMMF

2-hydroxymethyl-5-methylfuran

SI

Spark Ignition (động cơ cháy đánh lửa điện)

-

CI

Compression Ignition (động cơ cháy nén)

-

DI

Direct injection (động cơ phun nhiên liệu trực tiếp)

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

-

PDPA

Phase Doppler Particle Analyzer (Hệ thống phân tích hạt

-

pha Doppler)
GDI

Gasoline Direct Injection (động cơ phun xăng trực tiếp)

-

DISI

Direct-Injection Spark-Ignition (động cơ đánh lửa, phun

-

nhiên liệu trực tiếp)
DICI

Direct-Injection Compression-Ignition (động cơ phun

-

nhiên liệu trực tiếp, cháy do nén)
PM

Particulate matter (phát thải hạt)

-

EGR

Exhaust Gas Recirculation (hệ thống tuần hồn khí xả)

-

Brake mean effective pressure (áp suất có ích trung bình)

-

BMEP


xii

IMEP

Indicated mean effective pressure (áp suất chỉ thị trung

-

bình)
ĐCT

Điểm chết trên

-

ĐCD

Điểm chết dưới

-

BTE

Brake thermal efficiency (hiệu suất nhiệt)

-

BSFC

Brake specific fuel consumption (suất tiêu hao nhiên liệu)

-

CAD

Crank angle degree (góc quay trục khuỷu)

-

ATDC

After top dead center (sau điểm chết trên)

-

PFI

Port fuel injection (phun ở cửa nạp)

-

A/F

Air/Fuel ratio (tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu)

-

ETB

High Dynamic Engine Test Bed (Băng thử tính năng động

-

lực học cao)
FTIR

Fourrier Transformation InfraRed (Hệ thống phân tích khí

-

xả)
MFS
GQTK
AVL-Boost

Mole fractions of species (phân tử mol)
Góc quay trục khuỷu
Phần mềm mơ phỏng động cơ của hãng AVL (Áo)

độ
-

Ne

Cơng suất có ích

kW

Me

Mơmen có ích

Nm

ge

Suất tiêu thụ nhiên liệu

λ

Hệ số dư lượng khơng khí

α

Góc quay trục khuỷu

DMA

Dimethylacetamide

DMSO

Dimethylsulfoxide

g/kW.h
độ

xiii

AMIM

1-alkyl-3-methylimidazolium

EMIM

1-ethyl-3-methylimidazolium

BMIM

1-butyl-3-methylimidazolium

OMIM

1-octyl-3-methylimidazolium

CPL

Caprolactam


xiv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ các bước điều chế DMF từ sinh khối [2] .......................................... 1
Hình 1.2 Sơ đồ của q trình chuyển đổi fructơzơ thành DMF [14] ......................... 4
Hình 1.3 Sơ đồ chuyển hóa glucơzơ và fructơzơ thành HMF [5] .............................. 5

Hình 1.4 So sánh hiệu suất của q trình điều chế DMF thơng qua các chất xúc tác
khác nhau [4] .............................................................................................................. 6
Hình 1.5 Sơ đồ mơ tả q trình chuyển đổi xenlulơzơ thành HMF [18] ................... 7
Hình 1.6 Cấu trúc phân tử của DMF .......................................................................... 9
Hình 1.7 Tốc độ lan truyền màng lửa của các nhiên liệu thử nghiệm (DMF, etanol và
xăng) với hệ số dư lượng khơng khí λ = 1, nhiệt độ ban đầu 75oC [28] .................. 14
Hình 1.8 Thời gian cháy trễ (a) và Thời gian cháy (b) tương ứng với các mức tải khác
nhau [32] ................................................................................................................... 19
Hình 1.9 Hiệu suất tỏa nhiệt (a) và suất tiêu hao nhiên liệu (b) của các nhiên liệu
tương ứng với thời gian phun [33] ........................................................................... 21
Hình 1.10 Suất tiêu hao nhiên liệu (a) và Hiệu suất nhiệt (b) của các nhiên liệu tương
ứng với tải động cơ [32] ........................................................................................... 22
Hình 1.11 So sánh hiệu suất nhiệt chỉ thị tương ứng với các mức tải khác nhau giữa
D25 trong DI (D25DI) và phun kép (G-D25DI) [36] .............................................. 25
Hình 1.12 So sánh mức tiêu hao nhiên liệu chỉ thị tương ứng với các mức tải trọng
khác nhau giữa D25 trong DI (D25DI) và phun kép (G-D25DI), DMF nguyên chất
trong DI (DDI) và xăng trong PFI và GDI [36] ....................................................... 26
Hình 1.13 So sánh phát thải khi khởi động nguội của các nhiên liệu [37]............... 27
Hình 1.14 So sánh công suất cực đại của các nhiên liệu thử nghiệm [37] ............... 28
Hình 2.1 Sơ đồ phản ứng của quá trình phân hủy DMF [48] ................................... 35
Hình 2.2 Phân tích độ nhạy của vận tốc q trình cháy của DMF ở các tỷ lệ tương
đương khác nhau, p = 1 atm, và T = 298K [51] ....................................................... 36
Hình 2.3 Cơ chế phản ứng chính của DMF .............................................................. 41


xv

Hình 2.4 MFS tối đa của các thành phần khơng mong muốn/nguy hiểm được chọn từ
quá trình nhiệt phân và ơxy hóa DMF thu được từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng
của [61], và khả năng gây ô nhiễm của các thành phần ........................................... 43

Hình 3.1 Mơ hình mơ phỏng động cơ 1NZ-FE trên AVL Boost ............................. 59
Hình 3.2 Đồ thị công suất của động cơ ở chế độ 100% tải, λ=1 .............................. 60
Hình 3.3 Đồ thị mơmen của động cơ ở chế độ 100% tải, λ=1 ................................. 61
Hình 3.4 Đồ thị hiệu suất nhiệt của động cơ ở chế độ 100% tải, λ=1 ...................... 62
Hình 3.5 Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ 100% tải, λ=1 ........ 63
Hình 3.6 Sự thay đổi của phát thải NOx ở chế độ 100% tải, λ=1 ............................. 64
Hình 3.7 Sự thay đổi của phát thải HC ở chế độ 100% tải, λ=1 .............................. 65
Hình 3.8 Sự thay đổi của phát thải CO ở chế độ 100% tải, λ=1 .............................. 66
Hình 3.9 Đồ thị cơng suất của động cơ ở chế độ 50% tải, λ =1 ............................... 66
Hình 3.10 Đồ thị mơmen của động cơ ở chế độ 50% tải, λ =1 ............................... 67
Hình 3.11 Đồ thị hiệu suất nhiệt của động cơ ở chế độ 50% tải, λ =1 ..................... 68
Hình 3.12 Đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ 50% tải, λ =1 ....... 68
Hình 3.13 Đồ thị phát thải NOx của động cơ ở 50% tải, λ =1 .................................. 69
Hình 3.14 Đồ thị phát thải HC của động cơ ở 50% tải, λ =1 ................................... 69
Hình 3.15 Đồ thị phát thải CO của động cơ ở 50% tải, λ =1 ................................... 70
Hình 4.1 So sánh ngoại quan các hỗn hợp nhiên liệu 10DMF, 20DMF và 30DMF sau
hoà trộn với xăng RON95 ........................................................................................ 76
Hình 4.2 Động cơ 1NZ-FE ....................................................................................... 77
Hình 4.3 Sơ đồ bố trí băng thử động cơ ................................................................... 80
Hình 4.4 Bố trí băng thử tại phịng thí nghiệm......................................................... 81
Hình 4.5 Mơđun tủ phân tích khí thải FTIR ............................................................. 82
Hình 4.6 Cơng suất động cơ theo đặc tính ngồi khi sử dụng xăng RON 95, 10DMF,
20DMF và 30DMF ................................................................................................... 87


xvi

Hình 4.7 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo đặc tính ngồi khi sử dụng xăng
RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ..................................................................... 89
Hình 4.8 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo đặc tính tải ở 3000 vg/ph khi sử

dụng xăng RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ................................................... 90
Hình 4.9 Phát thải CO của động cơ theo đặc tính ngồi khi sử dụng xăng RON 95,
10DMF, 20DMF và 30DMF .................................................................................... 92
Hình 4.10 Phát thải CO của động cơ theo đặc tính tải ở vịng quay 3000 vg/ph khi sử
dụng xăng RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ................................................... 93
Hình 4.11 Phát thải HC của động cơ theo đặc tính ngồi khi sử dụng xăng RON 95,
10DMF, 20DMF và 30DMF .................................................................................... 95
Hình 4.12 Phát thải HC của động cơ theo đặc tính tải ở vịng quay 3000 vg/ph khi sử
dụng xăng RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ................................................... 97
Hình 4.13 Phát thải NOx của động cơ theo đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 95,
10DMF, 20DMF và 30DMF .................................................................................... 98
Hình 4.14 Phát thải NOx của động cơ theo đặc tính tải ở vịng quay 3000 vg/ph khi
sử dụng xăng RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF .............................................. 99
Hình 4.15 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm công suất và suất tiêu hao nhiên
liệu của động cơ khi sử dụng hỗn hợp 10DMF ở đặc tính ngồi ........................... 101
Hình 4.16 So sánh kết quả mơ phỏng và thực nghiệm các phát thải CO, HC và NOx
của động cơ khi sử dụng hỗn hợp 10DMF ở đặc tính ngồi .................................. 101


xvii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các giải pháp điều chế HMF....................................................................... 2
Bảng 1.2 So sánh tính chất hóa lý của DMF, cồn và nhiên liệu hóa thạch [20] ........ 9
Bảng 1.3 Tính chất hóa lý của DMF tương ứng với các cơng trình nghiên cứu khác
nhau .......................................................................................................................... 11
Bảng 2.1 Phương trình phản ứng hình thành NOx theo cơ chế Zeldovich [79] ...... 50
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE ................................................... 54
Bảng 3.2 Tỉ lệ A/F và nhiệt trị của nhiên liệu hỗn hợp DMF-xăng RON95 [24] .... 57
Bảng 3.3 Tính chất của xăng RON95 và DMF dùng trong mô phỏng .................... 57

Bảng 3.4 Lượng nhiệt tỏa ra theo lý thuyết của nhiên liệu/1 chu trình .................... 62
Bảng 4.1 So sánh chỉ tiêu chất lượng cơ bản của các hỗn hợp 10DMF, 20DMF và
30DMF với xăng RON95 ......................................................................................... 74
Bảng 4. 2 Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE .................................................. 77
Bảng 4.3 Công suất động cơ ở đặc tính ngồi khi sử dụng RON95, 10DMF, 20DMF
và 30DMF ................................................................................................................. 84
Bảng 4.4 Tỷ lệ thay đổi công suất của động cơ ở đặc tính ngồi khi sử dụng 10DMF,
20DMF và 30DMF so với RON95 ........................................................................... 85
Bảng 4.5 Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ở đặc tính ngồi khi sử dụng xăng RON
95 và các hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn 10DMF, 20DMF và 30DMF. ...................... 88
Bảng 4.6 Tỷ lệ thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ở đặc tính ngồi khi sử dụng
10DMF, 20DMF và 30DMF so với xăng RON 95 .................................................. 88
Bảng 4.7 Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải ở 3000 vg/ph khi động cơ sử dụng
xăng RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ............................................................ 89
Bảng 4.8 Phát thải CO theo đặc tính ngồi ở chế độ tải 100% của động cơ sử dụng
xăng RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ............................................................ 91
Bảng 4.9 Phát thải CO theo đặc tính tải ở 3000 vg/ph khi động cơ sử dụng xăng RON
95, 10DMF, 20DMF và 30DMF .............................................................................. 93


xviii

Bảng 4.10 Phát thải HC theo đặc tính ngồi ở 100% tải khi động cơ sử dụng xăng
RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ..................................................................... 94
Bảng 4.11 Phát thải HC theo đặc tính tải ở 3000 vg/ph khi động cơ sử dụng xăng
RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ..................................................................... 96
Bảng 4.12 Phát thải NOx theo đặc tính ngồi ở 100% tải khi động cơ sử dụng xăng
RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ..................................................................... 97
Bảng 4.13 Phát thải NOx theo đặc tính tải ở 3000 vg/ph khi động cơ sử dụng xăng
RON 95, 10DMF, 20DMF và 30DMF ..................................................................... 98

xix

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Giao thông vận tải hiện đang phải đối mặt với hai thách thức lớn là sự cạn kiệt
của nguồn nhiên liệu hóa thạch và vấn đề ơ nhiễm mơi trường. Nhiên liệu hóa thạch
vẫn sẽ là nguồn năng lượng chính cho ngành giao thơng trong nhiều thập kỷ tới, tuy
nhiên xu hướng này không thể kéo dài mãi. Mặt khác, áp lực từ vấn đề ô nhiễm môi
trường khiến các nhà chức trách trên khắp thế giới đưa ra các điều luật buộc ngành
công nghiệp ơ tơ và hóa dầu phải phát triển các cơng nghệ mới nhằm giảm phát thải
và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu.
Hiện nay, tính chung mỗi ngày thế giới tiêu thụ khoảng 86 triệu thùng dầu thơ,
trong đó 70% dùng cho động cơ đốt trong. Kèm theo đó là vấn đề về ô nhiễm môi
trường bởi các chất thải từ động cơ như ơxít nitơ (NOx), phát thải hạt (PM), cacbon
mơnơxít (CO), hydrocacbon (HC), cacbon điơxít (CO2)... Vấn đề ô nhiễm ảnh hưởng
nghiêm trọng đến môi trường sống, sức khỏe con người và sinh vật trên Trái đất. Do
đó các nước trên thế giới hầu hết đều áp dụng các quy định ngày càng nghiêm ngặt
hơn về phát thải ô nhiễm từ phương tiện giao thông.
Nhằm đạt các mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đa dạng hóa nguồn
nhiên liệu, đồng thời tận dụng các phế phẩm, phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất ra
các nguồn năng lượng tái tạo, nhiên liệu sinh học được xem như một ứng viên sáng
giá cho việc thay thế một phần hoặc hồn tồn các loại nhiên liệu hóa thạch truyền
thống.
Trong số những loại nhiên liệu được tìm kiếm và nghiên cứu thì sinh khối
lignoxenluloza, có thể được chiết xuất từ các phế phẩm và phụ phẩm nông nghiệp
như gỗ vụn, trấu, rơm rạ hoặc các loài cỏ dại... Đây là nguồn nguyên liệu phong phú,
thích hợp cho sản xuất ở quy mô công nghiệp để trở thành nguồn năng lượng thay thế
cho các dạng năng lượng truyền thống. Từ sinh khối lignoxenluloza có thể thu nhận

được một loạt các hóa chất cơ bản hoặc hợp chất trung gian tạo ra năng lượng như
etanol, butanol, lacton hay methylfuran và dimethylfuran. Trong đó các hợp chất


xx

furan được xem là phụ gia triển vọng của nhiên liệu động cơ. Một trong những dẫn
xuất furan được quan tâm nghiên cứu là 2,5-dimethylfuran (DMF), là chất không tan
trong nước được sử dụng làm phụ gia phối trộn với nhiên liệu truyền thống. DMF có
nhiệt độ sơi khoảng 94C, với năng suất tỏa nhiệt khoảng 31,5 MJ/l gần tương đương
với xăng (khoảng 35 MJ/l), và cao hơn hẳn so với etanol (khoảng 23 MJ/l).
Trên thế giới đã có một số nghiên cứu về việc tổng hợp, thu nhận
dimethylfuran từ sinh khối lignoxenluloza ứng dụng làm phụ gia cho nhiên liệu. Q
trình thực hiện chủ yếu từ việc hydro hóa chọn lọc hydroxymethylfurfural (HMF)
thành DMF sử dụng xúc tác kim loại trong dung môi hữu cơ. Năm 2007, các phương
pháp cải tiến sản xuất 2-methlyfuran (MF) và DMF từ nguồn đường fructôzơ đã được
công bố. Cả hai sản phẩm được sản xuất theo phương pháp này đều được xem là các
loại nhiên liệu sinh học tái tạo được. Chúng có thể được sử dụng rộng rãi để thay thế
cho xăng hóa thạch. Trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam hiện nay, khi xăng pha cồn
etanol đã được đưa vào sử dụng hơn 10 năm nay, tuy nhiên hiệu quả kinh tế xã hội
còn chưa rõ rệt và tiến triển chậm (do giá thành sản xuất etanol kém cạnh tranh và
vấn đề ảnh hưởng đến an ninh lương thực) thì việc nghiên cứu để tìm ra một loại
nhiên liệu thay thế mới, có hiệu quả tốt hơn là điều hết sức cần thiết và cấp bách.
Từ những luận cứ trên, có thể thấy rằng: “Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và
phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng” là một vấn đề
rất cấp thiết trong bối cảnh hiện nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
a) Mục tiêu lý thuyết:
- Nghiên cứu tổng quan quy trình sản xuất, tính chất lý hóa và khả năng ứng
dụng của DMF trên các loại động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ cháy cưỡng bức

(SI) làm cơ sở để xác định khoảng trống và định hướng cho quá trình nghiên cứu.


xxi

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy và hình thành phát thải của
động cơ SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính tốn các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của
động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 trên động cơ xăng.
b) Mục tiêu thực nghiệm:
- Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng với sự hỗ trợ của phần mềm AVL-Boost
nhằm đánh giá các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ SI khi sử dụng các hỗn
hợp nhiên liệu DMF.
- Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng trên động cơ SI nhằm so sánh với kết
quả mô phỏng cũng như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật và phát
thải khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu:
- Về nhiên liệu: xăng thương phẩm RON95 và DMF.
- Về động cơ: động cơ cháy cưỡng bức.
b) Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thế hệ động cơ xăng điển hình được lắp đặt
trên các xe ô tô con thông dụng với dải công suất từ 50 đến 100 kW. Các nghiên cứu
mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành với các nhiên liệu: xăng RON95 và hỗn
hợp phối trộn như 10DMF, 20DMF và 30DMF (tương ứng với thành phần DMF
trong hỗn hợp lần lượt là 10%, 20% và 30% theo thể tích với xăng thương phẩm
RON95) nhằm đánh giá các đặc tính công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải
(NOx, HC và CO) theo đặc tính tải và đặc tính ngoài của động cơ.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a) Về khoa học
Luận án có ý nghĩa trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết và chuyển đổi động cơ

xăng truyền thống sang sử dụng nhiên liệu DMF. Đây là cơ sở cho việc cải thiện tính


xxii

năng kỹ thuật và phát thải cho động cơ xăng truyền thống khi sử dụng các nguồn
nhiên liệu tái tạo có tiềm năng ở nước ta.
Nghiên cứu sẽ góp phần đưa ra đánh giá về mặt kỹ thuật khi sử dụng DMF
làm nhiên liệu thay thế cho xăng, một phương án hiện đang được các nhà nghiên cứu
trên thế giới nghiên cứu và phát triển.
b) Về thực tiễn
Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho
động cơ xăng.
Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chuyển
sang sử dụng nhiên liệu xăng pha trộn với DMF theo một tỷ lệ phối trộn hợp lý.
5. Phương pháp nghiên cứu
a) Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu tổng quan các nghiên cứu gần đây làm cơ sở cho việc đưa ra định
hướng và nội dung chi tiết của nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở chuyển đổi động cơ sử dụng xăng truyền
thống sang sử dụng nhiên liệu DMF và thiết lập các chế độ vận hành cho động cơ
b) Nghiên cứu mô phỏng
Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phỏng và tính tốn mơ phỏng quá trình làm
việc của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 bằng phần mềm
AVL-Boost.
c) Nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của
động cơ xăng khi sử dụng nhiên liệu DMF, qua đó xây dựng phương án tối ưu các
thông số làm việc của động cơ khi chuyển sang dùng loại nhiên liệu mới này.

xxiii

6. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu DMF.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của
động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF.
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phỏng q trình làm việc của động cơ để
xác định các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF
bằng phần mềm AVL-Boost.
- Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến
đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu DMF.