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

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

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

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


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 (CO 2)... 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. Quá 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.


1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tình hình sản xuất 2,5-dimethylfuran
1.1.1 Quy trình sản xuất 2,5-dimethylfuran từ sinh khối
Hơn 75% sinh khối như ngô, cây cối và cỏ, đều có chứa thành phần
cacbohydrat (chẳng hạn như tinh bột và xenlulôzơ). Các cacbohydrat thường tồn tại
dưới dạng các chuỗi polyme bao gồm hàng ngàn đơn vị (glucôzơ hoặc fructơzơ).
Mỗi đơn vị có sáu ngun tử cacbon và một ngun tử ơxy, có nghĩa là các phân tử
sinh khối chứa hơn 100 nguyên tử cacbon. Ngược lại, nhiên liệu chung cho động cơ
đốt trong thường có các phân tử gồm 5 đến 15 nguyên tử cacbon. Do đó, những
thách thức chính trong việc biến đổi sinh khối sang nhiên liệu sinh học là chia nhỏ
các phân tử và loại bỏ nguyên tử ôxy [1]. Cho đến nay, các phương pháp chính sử
dụng sinh khối để điều chế DMF bao gồm hai cách, như thể hiện trong Hình 1.1 [2].

Hình 1.1 Sơ đồ các bước điều chế DMF từ sinh khối [2]

2

Phương pháp đầu tiên là tiền xử lý sinh khối và làm giảm nó xuống glucơzơ
hoặc fructơzơ trước khi ba nguyên tử ôxy được lấy ra khỏi glucôzơ hoặc fructôzơ
bằng cách tách nước chọn lọc để tạo thành HMF. Cuối cùng, HMF có thể được
chuyển đổi thành DMF bằng quá trình thủy phân. Con đường thứ hai là để sinh
khối, bao gồm xenlulơzơ hoặc glucơzơ, chuyển hóa thành 5-chloromethylfurfural
(CMF) bằng cách tách nước đầu tiên. Sau đó, chuyển CMF thành DMF bằng quá
trình thủy phân [3].
1.1.1.1 Chuyển đổi sinh khối sang DMF với chất trung gian là HMF
Là một chất trung gian quan trọng trong quá trình chuyển đổi sinh khối sang
DMF, HMF đã được nghiên cứu rộng rãi về hiệu quả chuyển đổi. Những thành tựu
gần đây của các nghiên cứu mở rộng được liệt kê trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các giải pháp điều chế HMF
Dung dịch

DMA-10wt%
NaBR
[EMIM][CI]
DMSO
DMSO

DMSO

[BMIM][CI]


3

[BMIM][BF4]
[BMIM][CI]

CPL-LiCl
[BMIM][CI]

[BMIM][CI]

[OMIM][CI]HCL

a) Chuyển đổi glucôzơ và fructôzơ thành DMF
Năm 2007, Yuriy và cộng sự [14] đề xuất một phương pháp đầy triển vọng để
sản xuất DMF từ fructôzơ. Sơ đồ quá trình sản xuất được thể hiện trong Hình 1.2.
Fructơzơ được chuyển thành HMF với HCl như là chất xúc tác trong dung dịch
NaCl 35%. Sau đó, HMF được chiết xuất từ dung dịch bằng 1-butanol. Cuối cùng,
HMF được chuyển đổi thành DMF bằng cách sử dụng chất xúc tác là đồng-ruteni
(CuRu/C). Phương pháp này có hiệu quả chuyển đổi khá cao (62-70%) và khơng có
sản phẩm phụ. Ngồi ra, chất xúc tác có thể tái sử dụng lại được. Nhưng butanol
(chất chiết xuất) vẫn cần được nghiên cứu để sản xuất ở quy mô lớn.


4

Hình 1.2 Sơ đồ của q trình chuyển đổi fructơzơ thành DMF [14]
Zhao [5] đã nghiên cứu về tính hiệu quả của một loạt các chất xúc tác để biến
đổi đường thành HMF và tìm ra phương pháp tốn ít năng lượng nhất. Trong số các
loại halogen kim loại khác nhau trong clorua 1-alkyl-3-metylimidazolium, clorua
crom (II) là chất xúc tác cho hiệu suất cao nhất, khoảng 70% khi chuyển đổi HMF
từ glucôzơ. Chidambaram và các cộng sự [15] phát hiện ra rằng axit phosphormolybdic có thể giúp nâng cao hiệu quả chuyển đổi glucôzơ sang HMF lên đến hơn

99% trong chất lỏng ion với cách tiếp cận hai bước. Sau bước này, 44-47% HMF
được chuyển đổi thành DMF bằng phản ứng hydro hóa với chất xúc tác Pd/C và
acetonitril làm chất phụ gia. Shimizu và cộng sự [6] đã thay đổi áp suất bên trong lị
phản ứng và trình bày hai cách tăng năng suất HMF nhờ quá trình tách nước
fructơzơ với sự có mặt của các chất xúc tác axit rắn khác nhau.
Yong và cộng sự [7] đã tóm tắt cách thức chuyển đổi chọn lọc đường thành
HMF trong hệ thống NHC-Cr/ionic, như thể hiện trong Hình 1.3. Hiệu quả chuyển
đổi từ fructơzơ thành HMF có thể đạt được ít nhất 96%, đối với glucôzơ là 81%.


5

Hình 1.3 Sơ đồ chuyển hóa glucơzơ và fructơzơ thành HMF
[5] b) Chuyển đổi xenlulôzơ thành DMF
Năm 2009, Binder và cộng sự [4] đã nghiên cứu chuyển đổi sinh khối
lignoxenluloza (rơm ngô, xenlulôzơ), glucôzơ và fructôzơ thành HMF với các chất xúc
tác và dung dịch ion khác nhau. Hiệu suất chuyển đổi trong từng trường hợp khác nhau
có thể đạt 48%, 54%, 81% và 92% (Hình 1.4). Sau đó, HMF có độ tinh khiết thấp được
chuyển đổi thành DMF bằng phản ứng hydro hóa trong dung mơi 1-butanol với chất
xúc tác Cu:Ru/C có hiệu suất 49%. Ngồi ra, rơm rạ chưa xử lý làm nguyên liệu thô đã
được các tác giả sử dụng để chuyển sang DMF chỉ trong một bước, đạt hiệu suất 9%.
Bất chấp hiệu quả chuyển đổi thấp, tầm quan trọng của việc Binder và cộng sự đã làm
là mở rộng nguồn nguyên liệu để sản xuất DMF. Rơm rạ làm nguyên liệu thô sẽ làm
giảm sự phụ thuộc của nhiên liệu sinh học vào thực phẩm.
Để cải thiện hiệu quả chuyển đổi từ xenlulôzơ sang DMF, Li và cộng sự [11] đề
xuất một cách để chuyển đổi xenlulôzơ thành HMF mà không cần tách đường. Phương
pháp này cung cấp một cách làm hoàn toàn mới để biến đổi sinh khối xenlulôzơ dồi
dào và rẻ tiền thông qua một quá trình lên men thành nhiên liệu sinh học và các sản
phẩm dựa trên sinh học. HMF thu được nhờ chuyển đổi xenlulôzơ (hiệu suất 91% và
61%) bị cô lập trong dung dịch ion dưới bức xạ vi sóng và xúc tác CrCl 3. Để đơn giản

hóa hơn nữa quy trình trên, Su và cộng sự [16] dùng một quy trình xúc tác đơn bước,
trong đó xenlulơzơ được sử dụng làm thức ăn bị phân đoạn nhanh và glucôzơ thu được
chuyển thành HMF. Dung dịch đã dùng là cặp clorua


6

đồng (CuCl2 và CrCl2) hòa tan trong 1-ethyl-3-methylimidazolium Cl (nhiệt độ 80120°C). Sản phẩm thu hồi được (với hiệu suất chuyển đổi HMF từ 51-59%) có độ
tinh khiết 96%.

Hình 1.4 So sánh hiệu suất của quá trình điều chế DMF thông qua các chất xúc tác
khác nhau [4]
c) Chuyển đổi tinh bột thành DMF
Được xem như một nguồn tài nguyên dồi dào, tinh bột có thể được sử dụng
trong sản xuất lâu dài các chất trung gian hóa học đa dạng như HMF. Chun và cộng
sự [13] trình bày một quá trình đơn giản để sản xuất HMF từ tinh bột trong dung
dịch ion bằng cách sử dụng clorua 1-octyl-3-methylimidazolium (OMIM) và xúc
tác CrCl2. Việc bổ sung HCl và CrCl 2 ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của HMF.
Tám loại nguồn tinh bột (ngơ, lúa mì, gạo, khoai tây, khoai lang, khoai mì, acor và
tinh bột kudzu) đã được thử nghiệm để tổng hợp HMF. Khi hòa tan tinh bột sắn với
HCl 0,5M, hiệu suất chuyển đổi HMF đạt cao nhất (73% trọng lượng).
Trong một nghiên cứu khác, Bredihhin và cộng sự [17] đã nghiên cứu ảnh
hưởng của các thông số khác nhau về chuyển đổi cacbohydrat và sinh khối thành nhiên
liệu sinh học có trị số trung hịa BMF. Phương pháp này có tính kinh tế và thân


7

thiện với môi trường hơn so với các phương pháp trước đây nhờ không sử dụng
muối lithium.

1.1.1.2 Chuyển đổi xenlulôzơ và tinh bột thành DMF với chất trung gian
là CMF

Hình 1.5 Sơ đồ mơ tả q trình chuyển đổi xenlulơzơ thành HMF [18]
Năm 2008, Mascal và cộng sự [18] đã hịa tan xenlulơzơ và glucơzơ trong
HCl cơ đặc trước khi sử dụng 1,2-2etylchloride để trích xuất CMF. Sau đó, CMF
được chuyển đổi thành DMF với xúc tác Pd/C (Hình 1.5). Gần đây, nhóm này đã
trình bày một phương pháp mới nhưng có tính khả thi để trở thành một sinh khối
nền tảng, đó chính là CMF [18]. Các tác giả cho rằng khơng chỉ đường glucơzơ,
sucrơzơ và xenlulơzơ mà cịn sinh khối thô (bông, gỗ, ngô, rơm và phế liệu) có thể
chuyển thành CMF với hiệu suất cao. Họ dự đốn rằng CMF có thể nổi lên như là
một chất trung gian trong việc chuyển đổi vật liệu có thành phần cacbohydrat thành
vật liệu hữu cơ hữu ích.
So với etanol, DMF là một nhiên liệu tái tạo tốt hơn để thay thế xăng trong
tương lai. Các phương pháp hóa học để chuyển đổi thành DMF từ sinh khối bao gồm
glucôzơ, fructôzơ, tinh bột, xenlulôzơ với hiệu suất cao đã được công bố. Việc điều


8

chế hai chất trung gian chính HMF và CMF cũng đã được thảo luận tỉ mỉ. Tuy
nhiên, các công nghệ nêu trên vẫn còn một số hạn chế. Mặc dù, hiệu suất chuyển
đổi HMF có thể cao hơn 90% ở 120 C trong vòng 10 phút, nhưng việc chuẩn bị các
chất xúc tác axit rắn rất phức tạp. Thậm chí, phương pháp do Gen Yong và cộng sự
[7] đề xuất có thể chuyển đổi fructơzơ thành HMF với hiệu suất trên 95% và 80%
với glucơzơ nhưng lại địi hỏi phản ứng được giữ ở 100°C trong 6 giờ và HMF phải
được chiết xuất ba lần.
Tóm lại, vẫn cần có những nghiên cứu sâu hơn để tìm ra phương pháp cho hiệu
suất cao với mức tiêu thụ năng lượng hợp lý. Ngoài ra, nguồn nguyên liệu đầu vào để
sản xuất DMF nên là sinh khối phi thực phẩm nhằm tránh các vấn đề về an ninh lương

thực và đất đai. Các vấn đề kỹ thuật khác cũng cần được nghiên cứu thêm, bao gồm các
chất xúc tác và dung môi mới hiệu quả hơn, công nghệ tách và lọc…

1.1.2 Tiềm năng sản xuất DMF ở Việt Nam
Việt Nam là nước xuất khẩu lúa gạo đứng thứ hai trên thế giới. Từ năm 2002
đến nay, trung bình nước ta sản xuất và xuất khẩu khoảng 34 triệu tấn thóc mỗi
năm. Năm 2008, sản lượng lúa của nước ta đạt 37,6 triệu tấn, chiếm 5,6% sản lượng
lúa gạo tồn cầu. Do đó, hàng năm nước ta sẽ thải ra khoảng 55 triệu tấn rơm rạ
[19]. Số rơm rạ này một phần làm phân bón sinh học, cịn chủ yếu được đốt bỏ ngay
trên cánh đồng gây lãng phí lớn và ảnh hưởng khơng nhỏ đến môi trường. Nếu tận
dụng được nguồn rơm rạ này để sản xuất nhiên liệu sinh học sẽ có ý nghĩa hết sức
to lớn về nhiều mặt.
Ngoài rơm rạ, các loại phế phẩm, phụ phẩm nông nghiệp khác như tro, trấu,
gỗ vụn, mùn cưa, xơ dừa… ở nước ta cũng vơ cùng phong phú về chủng loại và có
trữ lượng cực lớn. Và đây cũng chính là nguồn nguyên liệu dồi dào để có thể sản
xuất ra nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai, loại nhiên liệu sinh học có thể tái tạo
được và khơng ảnh hưởng đến an ninh lương thực.
Như vậy, có thể thấy tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học nói chung và
DMF nói riêng ở Việt Nam là vô cùng to lớn.


9

1.2 Tính chất lý hóa của dimethylfuran
Về tính chất lý hóa: DMF là một chất lỏng trong suốt màu vàng và có tính
nhớt như dầu, có mùi thơm. DMF rất dễ cháy, có thể nhạy cảm khi tiếp xúc với
khơng khí (nhưng khơng mạnh), khơng tan trong nước. Về phản ứng: DMF có thể
phản ứng rất mạnh với các chất ôxy hóa, nhưng chúng hầu như không phản ứng với
các axit và bazơ mạnh.
Cơng thức hóa học của DMF: C6H8O

Hình 1.6 Cấu trúc phân tử của DMF
Trên thực tế, DMF từ lâu đã được sử dụng làm dung môi trong ngành nước
hoa và dược phẩm. Ngồi ra, DMF có tính chất hóa lý thích hợp để trở thành một
loại nhiên liệu thay thế tối ưu. Các tính chất hóa lý của DMF, etanol, n-butanol,
xăng và dầu điêzen được liệt kê trong Bảng 1.2. Các tính chất này đã chỉ ra rằng
DMF đã khắc phục được những hạn chế của etanol và n-butanol.
Bảng 1.2 So sánh tính chất hóa lý của DMF, cồn và nhiên liệu hóa thạch [20]
Tính chất
Cơng thức phân tử
Khối lượng phân tử
(g/mol)
Hàm lượng ôxy (%)


10

Hàm lượng hydro (%)
Hàm lượng cacbon (%)
Tỷ số A/F
Mật

độ
3

o

(kg/m , 20 C )
Ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg
o

từ 25 C )
Nhiệt trị thấp (MJ/kg)
o

Điểm sôi ( C )
Độ tan nước (wt%, 20
o

C)

Trị số ốctan
Trị số xêtan
Ứng

suất

(mN/m)
Độ nhớt động học (cSt,
o

20 C )

Từ Bảng 1.2, có thể thấy rằng DMF có nhiệt trị thấp cao hơn dẫn đến việc tiêu
thụ ít nhiên liệu so với etanol và n-butanol. Điểm sôi cao hơn của DMF so với etanol có
thể giúp hạn chế hiện tượng tắc hơi ở đường nạp. Mặt khác, điểm sôi thấp hơn của
DMF so với n-butanol sẽ mang lại lợi ích cho việc khởi động nguội khi nhiệt độ môi
trường thấp. So với etanol và n-butanol, DMF ít hấp thụ nước từ khơng khí dẫn đến
chất lượng ít bị suy giảm khi lưu trữ. Do độ nhớt của DMF và xăng khá tương đồng

c


11

với nhau nên việc thiết lập áp suất phun của DMF trong hệ thống nhiên liệu của
động cơ xăng được thực hiện một cách dễ dàng, đồng thời cũng có tác dụng bảo vệ
các thành phần của hệ thống nhiên liệu động cơ. Trị số ốctan nghiên cứu (RON) của
DMF là khoảng 119 [14] cao hơn xăng.
Bảng 1.3 Tính chất hóa lý của DMF tương ứng với các cơng trình nghiên cứu khác
nhau
Tính chất
Cơng thức phân tử
Hàm lượng ơxy (%)
Tỷ lệ A/F
Khối

lượng
3

o

(kg/m , 20 C )
Ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg
o

từ 25 C )
Nhiệt trị thấp (MJ/kg)
o

Điểm sôi ( C )
Độ tan

nước

o

20 C )
Trị số ốctan
o

Nhiệt độ tự cháy ( C)

So với etanol và n-butanol, DMF có rất nhiều ưu điểm. Tuy nhiên, việc sử
dụng DMF trực tiếp trong động cơ vẫn tồn tại một số vấn đề hạn chế như sau:
-

DMF có mật độ năng lượng cao hơn etanol và butanol, nhưng thấp hơn

xăng và điêzen. Để đạt được hiệu suất động cơ giống nhau, việc sử dụng DMF


12

làm nhiên liệu cho động cơ xăng hoặc điêzen đòi hỏi phải tăng lượng nhiên
liệu tiêu thụ, dẫn đến việc hệ thống cung cấp nhiên liệu phải hoạt động với
cường độ cao hơn.
-

Cấu tạo phân tử của DMF, bao gồm liên kết đơi C=C và vịng enol, có

khả năng sẽ tạo ra một lượng lớn phát thải hạt trong quá trình cháy.
-

Cần tiếp tục nghiên cứu độc tính và tác động của DMF đối với môi

trường và các sản phẩm cháy của nó [25].
Do DMF là một hợp chất vừa mới được tìm thấy gần đây, nên các tính chất
hóa lý của nó vẫn cịn đang được các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu. Tương
ứng với mỗi cơng trình nghiên cứu, do có sự khác biệt về phương pháp nghiên cứu,
sự khác biệt về trang thiết bị đo đạc và thử nghiệm, điều kiện thực nghiệm không
đồng nhất… dẫn đến sự sai khác về tính chất hóa lý của DMF. Các khác biệt này
được mô tả trong Bảng 1.3.

1.3 Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đốt trong
Mặc dù có nhiều tính chất hóa lý tương đồng với các nhiên liệu truyền thống,
nhưng do DMF là một loại nhiên liệu mới và quy trình sản xuất của nó mới được
cải thiện trong thời gian gần đây nên để ứng dụng trong thực tế, nhiều cơng trình
nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đánh giá ảnh hưởng của DMF đến các tính
năng kỹ thuật và phát thải khi sử dụng trên các loại động cơ đốt trong.
1.3.1 Sử dụng DMF nguyên chất trong động cơ xăng
1.3.1.1 Đặc điểm quá trình cháy của động cơ khi sử dụng DMF
Để có thể sử dụng trên các loại động cơ đốt trong, các nhà khoa học tập trung
nghiên cứu đặc điểm quá trình cháy của DMF. Các vấn đề liên quan bao gồm: đặc
tính phun, tốc độ lan truyền màng lửa, ảnh hưởng của pha cháy, ảnh hưởng của thời
gian phun, ảnh hưởng của tỷ lệ hịa trộn khơng khí-nhiên liệu… đã được nghiên cứu
và thảo luận.


13

Trong số những vấn đề trên, đặc tính phun của nhiên liệu ảnh hưởng rất lớn
đến hiệu suất của động cơ và q trình phát thải của nó, đặc biệt đối với các loại
động cơ phun trực tiếp (DI: direct injection). Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính
phun bao gồm áp suất phun, kết cấu kim phun và tính chất của nhiên liệu trong quá
trình phun đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và đánh giá. Những yếu tố này
ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo ra hỗn hợp khơng khí-nhiên liệu và qua đó ảnh
hưởng đến q trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu trong động cơ. Guohong Tian và
các cộng sự [26] đã tiến hành nghiên cứu đặc tính phun của DMF và các hỗn hợp
của nó với xăng. Hỗn hợp DMF với xăng được phun bởi một vịi phun cao áp và sau
đó được phân tích bởi Hệ thống phân tích hạt pha Doppler (PPDA: Phase Doppler
Particle Analyzer). Các vấn đề như chiều dài tia phun, vận tốc hạt và phân bố kích
thước hạt của các hỗn hợp nhiên liệu khác nhau được tiến hành phân tích và đánh
giá, sau đó các kết quả nghiên cứu được so sánh với xăng và etanol.
Nhóm tác giả cho biết, xăng có chiều dài tia phun ngắn hơn khoảng 10% so
với etanol, DMF và D50 (D50 là hỗn hợp bao gồm 50% DMF pha trộn với 50%
xăng). Cấu trúc tia phun của tất cả các loại nhiên liệu tương tự như nhau; vận tốc
phun của DMF nguyên chất và các hỗn hợp của nó hơi thấp hơn so với xăng, trong
đó etanol có vận tốc phun thấp nhất; áp suất phun ảnh hưởng rất lớn đến sự phân bố
kích thước hạt trong q trình phun. Khi tăng áp suất phun thì quá trình phun của
DMF cũng được cải thiện nhiều hơn so với etanol. Kết quả nghiên cứu cũng đưa ra
kết luận rằng, quá trình phun của DMF và các hỗn hợp của nó cho thấy DMF hồn
tồn có thể sử dụng trên các loại động cơ đốt trong mà hầu như không cần phải thay
đổi hay điều chỉnh kết cấu động cơ.
Tốc độ lan truyền màng lửa là một đặc tính quan trọng khác của nhiên liệu. Nó
rất quan trọng trong việc nghiên cứu q trình cháy của động cơ, và đặc biệt quan trọng
trong việc mô phỏng q trình cháy. Đối với các mơ hình nghiên cứu hiện tượng của
quá trình cháy, việc xác định đầy đủ các yếu tố động học - hóa học và phản ứng của
ngọn lửa là vô cùng cần thiết. Tuy nhiên, do sự phức tạp và bản chất không ổn định của
chuyển động rối bên trong buồng cháy, hầu hết các mơ hình mơ phỏng số

14

đều dựa vào vận tốc lan truyền màng lửa để mơ tả, giải thích thay cho các thành
phần rối. Trong thực tế, tốc độ lan truyền màng lửa ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ
cháy và qua đó ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ. Guohong Tian và các cộng sự
[27] cũng đã nghiên cứu về tốc độ lan truyền màng lửa của DMF và so sánh nó với
tốc độ lan truyền màng lửa của xăng và etanol. Các thử nghiệm được tiến hành dưới
o

o

o

áp suất ban đầu là 0,1MPa và các mức nhiệt độ khác nhau (50 C, 75 C và 100 C).

Hình 1.7 Tốc độ lan truyền màng lửa của các nhiên liệu thử nghiệm (DMF, etanol
o
và xăng) với hệ số dư lượng khơng khí λ = 1, nhiệt độ ban đầu 75 C [28] Trên
Hình 1.7, có thể thấy tốc độ lan truyền màng lửa của etanol là cao nhất.
Ngọn lửa hình thành và đo được sau 3ms, và tốc độ tăng tương đối của màng lửa
ln được duy trì trong suốt q trình mở rộng. Trong khi đó, ta thấy tốc độ lan
truyền màng lửa của DMF và xăng ít có sự khác biệt.
1.3.1.2 Đặc tính làm việc của động cơ
Các nghiên cứu ở trên đã cho thấy DMF có những tính chất tương đồng với
xăng và hồn tồn có khả năng thay thế xăng khi sử dụng trên động cơ đốt trong. Tuy
nhiên, các thí nghiệm trên được thực hiện trong mơi trường được kiểm sốt, nhưng khi
ứng dụng trên động cơ thì chưa phù hợp do nhiệt độ và áp suất cục bộ của nó thay đổi
theo chu kỳ. Chính vì thế, bước tiếp theo là phải phân tích các đặc tính của động cơ để

tìm hiểu ảnh hưởng sự kết hợp phức tạp của các thông số khác nhau này.

Shaohua Zhong và các cộng sự [29] đã tiến hành nghiên cứu các đặc tính của
động cơ như: lượng nhiên liệu tiêu thụ, pha cháy, hiệu suất nhiệt, hiện tượng kích


15

nổ… khi sử dụng nhiên liệu DMF trên động cơ đánh lửa, phun nhiên liệu trực tiếp
(DISI: Direct Injection Spark Ignition). Kết quả thử nghiệm cho thấy, để cung cấp
năng lượng tương đương với 1 lít xăng thì cần đến 1,512 lít etanol và 1,073 lít
DMF. Vì tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu của các loại nhiên liệu khơng giống nhau, nên vị
trí bướm ga cần phải được điều chỉnh để đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí λ = 1
tại các mức tải khác nhau. Khi tăng ga thì lượng nhiên liệu qua đường nạp tăng và
lượng nhiên liệu cần thiết để duy trì hệ số dư lượng khơng khí λ = 1 cũng tăng.
Trong 3 loại nhiên liệu tham gia thử nghiệm, etanol có giá trị nhiệt lượng thấp nhất
nên mức tiêu hao nhiên liệu cao nhất, trong khi đó mức tiêu hao nhiên liệu của
DMF khơng có nhiều khác biệt so với xăng.
Hiệu suất nhiệt chỉ thị của DMF tương tự như xăng, trong khi đó etanol có
hiệu suất nhiệt đặc biệt cao. Điều này là do hiệu suất cháy của etanol cao và do
thành phần ôxy phân tử (ôxy chiếm 35% khối lượng etanol, cao hơn 18% so với
DMF). Hiệu suất nhiệt của etanol không giảm một cách đột ngột như DMF và xăng
mà vẫn duy trì ở mức trên 37%.
Hiện tượng kích nổ bắt đầu xuất hiện ở mức tải tương ứng với áp suất chỉ thị
trung bình IMEP 5,5 bar (IMEP: Indicated mean effective pressure). DMF cho thấy
nó có xu hướng kích nổ ít hơn xăng do chỉ số RON cao hơn. Tuy nhiên, xu hướng
kích nổ tăng theo tải, và ở mức tải tương ứng với áp suất chỉ thị trung bình trên 6,5
bar, động cơ bắt đầu mất ổn định. Các thử nghiệm ở mức tải cao hơn khơng được
tiến hành vì sẽ gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho động cơ. Trong số các nhiên
liệu thử nghiệm thì etanol khơng xảy ra hiện tượng kích nổ ở bất kỳ mức tải nào.

Ritchie Daniel và các cộng sự [30] cũng đã trình bày cơng trình nghiên cứu về
ảnh hưởng của thời điểm đánh lửa đến quá trình cháy và phát thải của động cơ khi sử
dụng nhiên liệu DMF. Kết quả nghiên cứu cho thấy DMF và etanol đều cần nhiều
nhiên liệu hơn xăng để duy trì mức cơng suất cần thiết trên toàn bộ phạm vi tải. Điều
này sở dĩ là do xăng có mật độ năng lượng vượt trội so với 2 nhiên liệu còn lại. Tuy
nhiên, so với etanol thì DMF tiêu thụ ít nhiên liệu hơn do nhiệt trị thấp của DMF cao


16

hơn khoảng 25% (6,8 MJ/kg). Kết quả nghiên cứu này cũng tương đồng với những
gì mà Shaohua Zhong và cộng sự đã cơng bố trước đó.
1.3.1.3 Đặc tính phát thải
Trong cơng trình nghiên cứu của mình, Guohong Tian và các cộng sự [28] đã
tổng hợp các nghiên cứu trước đó và trình bày những đánh giá khá chi tiết về quá trình
cháy và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF. Lượng khí thải của động cơ
được tiến hành đo đạc, phân tích và so sánh giữa 3 loại nhiên liệu là DMF, xăng và
etanol ở các mức tải khác nhau. Các phát thải thông dụng như NO x, HC, CO, CO2 và
phát thải không thông dụng cũng được tiến hành nghiên cứu và đánh giá.
NOx là phát thải được quan tâm hàng đầu trong động cơ. Nó có độc tính cao gấp
20 lần so với CO và là nhân tố chính gây nên hiện tượng sương mù quang hóa. Sự hình
thành phát thải NOx chủ yếu xảy ra khi nhiệt độ quá trình cháy cao hơn 1800K và hỗn
hợp giàu ôxy. Lượng phát thải chỉ thị của NO x được tính bằng khối lượng phát thải
tương ứng với năng lượng phát ra từ động cơ và có đơn vị là g/kWh. Phát thải NO x phụ
thuộc vào tải động cơ và thường tăng theo tải. Tương ứng với cùng thời điểm đánh lửa,
etanol có lượng phát thải NOx thấp hơn nhiều so với xăng. Nguyên nhân là do etanol có
tốc độ cháy tương đối cao hơn xăng và nhiệt độ quá trình cháy thấp hơn. Mặc dù DMF
dường như có tốc độ cháy nhanh hơn etanol một chút, nhưng lượng phát thải NO x lại
tương đương với xăng do nhiệt độ quá trình cháy của DMF rất cao. Lượng phát thải
NOx tương đối cũng có thể quy cho tỷ lệ H/C của nhiên liệu. Etanol có lượng phát thải

NOx thấp nhất là do nó có tỷ lệ H/C cao nhất, trong khi đó DMF có lượng phát thải
NOx rất cao vì tỷ lệ H/C của nó là thấp nhất. Do đó, ta thấy lượng phát thải NO x tỷ lệ
nghịch với tỷ lệ H/C của nhiên liệu.
Etanol có hàm lượng ơxy cao hơn DMF dẫn đến hiệu quả quá trình cháy cao
hơn, đồng thời hỗ trợ q trình ơxy hóa các hydrocacbon chưa cháy và vì thế, giúp
giảm lượng phát thải HC. Khi tải tăng lên tương ứng với áp suất chỉ thị trung bình từ
3,5 đến 8,5 bar, lượng phát thải HC giảm khoảng 30% đối với tất cả các nhiên liệu.
Nguyên nhân là do khi tăng tải, nhiệt độ quá trình cháy sẽ tăng lên và do đó giúp tăng


17

hiệu suất cháy. Lượng phát thải HC và CO phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng ôxy
trong công thức phân tử. Chính vì thế, mức phát thải HC của DMF nằm giữa xăng
và etanol.
Phát thải CO của các nhiên liệu được mô tả tương tự như phát thải HC, phát
thải CO thường giảm khi tăng tải. Xu hướng này ngược lại với quá trình tăng hiệu
suất chỉ thị, nghĩa là lượng phát thải CO thấp nhất khi đạt hiệu suất cao nhất. Giữa 2
loại nhiên liệu có chứa ơxy (DMF và etanol), etanol luôn tạo ra lượng phát thải CO
thấp nhất trong tất cả các điều kiện thử nghiệm. Điều này là do hiệu quả quá trình
cháy của etanol là cao nhất và lượng ơxy của nó cũng nhiều nhất.
Mặc dù CO2 là một loại khí khơng độc hại và khơng được phân vào loại khí
thải động cơ gây ơ nhiễm, nhưng nó là một trong những chất chịu trách nhiệm chính
cho sự nóng lên tồn cầu thơng qua hiệu ứng nhà kính. Do đó, việc đánh giá và so
sánh phát thải CO2 của các loại nhiên liệu là cần thiết. Lượng phát thải CO 2 giảm
khi tăng tải và khi động cơ hoạt động với góc đánh lửa tối ưu. Phát thải CO 2 là một
dấu hiệu cho thấy sự hồn thiện của q trình cháy. Khi tăng tải động cơ, q trình
cháy sẽ hồn thiện hơn, dẫn đến làm tăng hiệu suất của quá trình cháy và qua đó
làm giảm phát thải CO2.
Tóm lại, các cơng trình nghiên cứu trên đều cho thấy, khi sử dụng DMF

nguyên chất (100%) để làm nhiên liệu cho động cơ thì đặc điểm q trình cháy của
nó và đặc tính làm việc của động cơ khi sử dụng loại nhiên liệu này khá tương đồng
so với xăng, đồng thời đặc tính phát thải của DMF được cải thiện khá nhiều so với
khi sử dụng xăng, đặc biệt là các phát thải độc hại. Hiện nay, tại Việt Nam, chưa có
bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào cơng bố về việc sử dụng DMF nguyên chất trên
động cơ. Tuy nhiên, do DMF là một loại nhiên liệu mới nên quá trình sản xuất ra
nó cũng đang được các nhà nghiên cứu trên Thế giới tập trung cải thiện, và Việt
Nam vẫn chưa thể tự sản xuất ra loại nhiên liệu này, mặc dù Việt Nam có tiềm năng
rất lớn về nguồn nguyên liệu để sản xuất ra DMF. Chính vì thế, hướng nghiên cứu
sử dụng DMF nguyên chất sẽ không được tác giả lựa chọn.


18

1.3.2 Sử dụng hỗn hợp DMF-điêzen trên động cơ điêzen
1.3.2.1 Đặc điểm quá trình cháy của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên
liệu DMF-điêzen
Hiện nay, có rất ít các cơng trình nghiên cứu về đặc tính q trình cháy khi sử
dụng nhiên liệu DMF trên động cơ điêzen. Tương tự như xăng, DMF có trị số ốctan
cao (trong một số cơng trình nghiên cứu, trị số ốctan của DMF có thể lên đến 119)
o

o

và nhiệt độ tự bốc cháy rất cao (lên đến 333 C, so với 180 C của điêzen) nên rất
khó tự bốc cháy như điêzen khi được phun vào trong buồng đốt của động cơ điêzen
truyền thống. Chính vì vậy, các cơng trình nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc sử
dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-điêzen trên động cơ điêzen nhằm cải thiện quá trình
cháy của động cơ và giảm các phát thải độc hại.
Theo hướng này, Zhang và các cộng sự [31] đã tiến hành nghiên cứu đặc điểm

quá trình cháy của động cơ điêzen khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-điêzen với ứng
dụng cháy ở nhiệt độ thấp. Nghiên cứu được tiến hành với các loại nhiên liệu: D0
(100% điêzen), D20 (20% DMF + 80% điêzen), D40 (40% DMF + 60% điêzen) và
G40 (40% xăng + 60% điêzen). Tốc độ động cơ được giữ cố định ở 1400 vg/ph, thời
0

điểm phun cố định ở góc -6 góc quay trục khuỷu (GQTK) trước điểm chết trên. Tương
ứng với mỗi loại nhiên liệu, tỷ lệ tuần hồn khí xả EGR (EGR: Exhaust Gas
Recirculation) thay đổi từ 0% cho đến khi động cơ không thể đạt được sự ổn định.

Kết quả nghiên cứu đặc tính cháy của động cơ khi sử dụng các loại nhiên
liệu D0, D20, D40 và G40 cho thấy, tại cùng mức tỷ lệ luân hồi khí xả EGR, thời
gian cháy trễ tăng tương ứng khi tăng tỷ lệ DMF trong hỗn hợp. Thời gian cháy trễ
của G40 không dài hơn điêzen nhiều, trong khi đó, thời gian cháy trễ của D40 dài
hơn đáng kể so với G40, nguyên nhân là do chỉ số ốctan của DMF cao hơn so với
xăng. So sánh thời gian cháy của các loại nhiên liệu tương ứng với các mức tỷ lệ
luân hồi khí xả EGR khác nhau nhận thấy rằng: khi mức luân hồi khí xả tăng, thời
gian cháy của các loại nhiên liệu ban đầu tăng, nhưng sau đó sẽ giảm. Trong đó,
thời gian cháy của D40 là ngắn nhất khi so sánh với điêzen và G40.


19

Helin Xiao và các cộng sự [22] cũng đã nghiên cứu quá trình cháy và phát
thải của động cơ điêzen khi sử dụng hỗn hợp DMF-điêzen. Quá trình thực nghiệm
được tiến hành trên động cơ cháy nén phun trực tiếp DICI 4 kỳ (DICI: DirectInjection Compression-Ignition), làm mát bằng nước với áp suất có ích trung bình
(BMEP: Brake mean effective pressure) tương ứng từ 0,13 đến 1,13 MPa, tại tốc độ
động cơ không đổi 1800 vg/ph. Các nhiên liệu được sử dụng trong quá trình thực
nghiệm bao gồm điêzen nguyên chất, hỗn hợp với 10% và 30% DMF theo khối
lượng (tương ứng với D0, D10 và D30). Kết quả nghiên cứu cho thấy, với BMEP ở

0,38 MPa, khi tăng lượng DMF trong hỗn hợp thì áp suất cực đại trong xi lanh giảm
và tốc độ tỏa nhiệt tăng. Tuy nhiên, tại BMEP ở 0,63 MPa, áp suất cực đại trong xi
lanh và tốc độ tỏa nhiệt đều tăng khi tăng lượng DMF trong hỗn hợp.

Hình 1.8 Thời gian cháy trễ (a) và Thời gian cháy (b) tương ứng với các mức tải
khác nhau [32]