MỤC LỤC

1


DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập không sao chép của người
khác. Các nguồn tài liệu trích dẫn, các số liệu sử dụng và nội dung chuyên đề đều
trung thực. Đồng thời tôi xin cam đoan rằng kết quả quá trình nghiên cứu này chưa
từng được công bố trong bất kỳ chương trình nghiên cứu khác.
Tác giả luận văn

TRẦN KIM VIỆT

3


LỜI MỞ ĐẦU
Động cơ đốt trong có một vai trò quan trọng đối với sự phát triển nền
kinh tế thế giới, nó là nguồn động lực chủ yếu cho phát triển giao thông, xây
dựng, khai khoáng… Nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong là xăng và
diesel, tuy nhiên đây là những loại nhiên liệu có xuất xứ từ dầu mỏ hay nói cách
khác là nhiên liệu hóa thạch và được dự báo là sẽ cạn kiệt trong vòng vài chục
năm tới do nhu cầu khai thác và sử dụng đang ngày càng gia tăng của con người.

Do đó, nhiều nước trên thế giới đang tìm cách phát triển các nguồn nhiên
liệu thay thế khác, trong đó phải kể đến nhiên liệu sinh học.
Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn
gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động vật (mỡ
động vật ) ngũ cốc (lúa mì, ngô…) chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…),
sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…). Nhiên liệu sinh
học được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là nhiên liệu sinh học dùng
cho động cơ xăng. Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ xăng có thể kể đến như
bioethanol và biomethanol, trong đó đặc biệt là bioethanol, đây là loại nhiên liệu
sinh học được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới.
Do vậy, trong luận văn này, tôi sẽ chình bày về nhiên liệu sinh học dùng cho
động cơ xăng như bioethanol, trong đó tập trung chủ yếu vào bioethanol để hiểu rõ
về các vấn đề liên quan đến các loại nhiên liệu này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy GS Phạm Minh Tuấn, cảm ơn
các bạn trong lớp Cao học 2011B- lớp Kỹ thuật động cơ nhiệt đã giúp đỡ tôi
hoàn thành bài viết này. Vì thời gian và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên bài
viết không tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp để luận văn
được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!

4


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề.
Theo số liệu thống kê cuối năm 2010, số xe ô tô trên thế giới có khoảng trên
1,015 tỷ xe đang lưu hành, tăng 3,6% so với con số 980 triệu xe vào cuối năm 2009
và chủ yếu tập trung ở các nước phát triển như Mỹ (239,8 triệu xe), Trung Quốc (78
triệu xe), Nhật Bản (73,9 triệu xe). Tính trung bình, cứ 6,75 người lại có một người
đang sở hữu ô tô. Ở Việt Nam, số lượng ô tô đang tăng rất mạnh. Tính tới tháng 3

năm 2009 thì số lượng ô tô tại Việt Nam là khoảng 990 nghìn chiếc và tập trung chủ
yếu ở hai thành phố lớn là TP Hồ Chí Minh và Thủ đô Hà Nội (hình 1.1). Theo
thống kê mới nhất của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng xe ô tô tính đến tháng 6
năm 2011 là 1,344 triệu xe.

Hình 1.1. Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam

5


Với tốc độ tăng trung bình khoảng
10% số lượng xe ô tô như hiện nay chính
là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường
cũng như lượng tiêu thụ nhiên liệu. Theo
báo cáo môi trường quốc gia năm 2010,
hoạt động giao thông đóng góp gần 85%
lượng khí CO, 95% lượng VOCs trên toàn
quốc và chiếm khoảng 70% nguồn gây ô

Hình 1.2. Tỷ lệ phát thải các khí gây ô

nhiễm không khí ở các khu đô thị lớn (hình nhiễm theo các nguồn phát thải chính của
Việt Nam năm 2008
1.2).
Ở các đô thị, giao thông vận tải là
nguồn gây ô nhiễm lớn nhất đối với không
khí, đặc biệt là sự phát thải các khí CO,
VOC, và NO2. Lượng khí thải này tăng
lên hàng năm cùng với sự phát triển về số
lượng và các phương tiện giao thông

đường bộ (hình 1.3).
Xét trên từng phương diện tham gia
giao thông thì lượng khí thải từ xe máy là
tương đối nhỏ, trung bình một xe máy xả

Hình 1.3. Lượng khí thải CO do các
phương tiện cơ giới đường bộ gây ra

ra lượng khí thải chỉ bằng 1/4 so với xe ô
tô con. Tuy nhiên do số lượng xe máy
tham gia giao thông chiếm tỷ lệ lớn hơn và
chất lượng nhiều loại xe đã xuống cấp nên
xe máy vẫn là nguồn đóng góp chính các
loại khí ô nhiễm, đặc biệt đối với các khí
thải như CO và VOCs. Trong khi đó, xe tải
và xe khách các loại lại thải nhiều SO2 và
NO2 (hình 1.4).

6

Hình 1.4. Tỷ lệ phát thải các chất gây ô
nhiễm phương tiện cơ giới đường bộ


Với mật độ các loại phương tiện
giao thông lớn, chất thải các loại
phương tiện giao thông kém và hệ
thống giao thông chưa tốt thì lượng khí
thải gây ô nhiễm môi trường không khí
từ giao thông vận tải đang có xu hướng

gia tăng. Xe ô tô, xe máy ở Việt Nam
bao gồm nhiều chủng loại. Nhiều xe đã
qua nhiều năm sử dụng nên có chất
lượng kỹ thuật thấp, có mức tiêu thụ

Hình 1.5. Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử
dụng tại Hà Nội năm 2009

nhiên liệu và nồng độ chất độc hại trong khí xả cao, tiếng ồn lớn. Ngay tại các thành
phố lớn, tỷ lệ những xe đã qua sử dụng nhiều năm vẫn cao (hình 1.5).
Vì vậy với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông, số lượng, chất lượng các
phương tiện giao thông như ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung thì vấn đề
tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra vẫn đang là một trong
những vấn đề được nhà nước, các tổ chức quan tâm nhất để cải thiện môi trường
cũng như năng lượng.
Nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học ngày càng được tăng cường trên
thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng nhằm góp phần giảm dần sự phụ thuộc
vào nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường.
Ngày 20/11/2007 Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định 177/2007/QĐ-TTg phê
duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020,
[1]. Theo đó, đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn
(pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước và đến
năm 2025 những số liệu tương ứng là 1,8 triệu tấn và 5%. Để thực hiện Đề án,
nhiều nghiên cứu đã được tiến hành đã đi đến kết luận rằng sử dụng xăng E5 (95%
A92 + 5% ethanol) không ảnh hưởng đến tính năng kinh tế kỹ thuật, tuổi thọ của
động cơ và không phải thực hiện bất cứ điều chỉnh hay thay đổi gì. Vì vậy, xăng E5
đã được chính thức bán trên thị trường với giá rẻ hơn A92 khoảng 500đ/lít. Ngoài

7



ra, nhiều đề tài nghiên cứu đang được tiến hành nhằm tăng tỷ lệ pha ethanol lớn hơn
5% để tận dụng những ưu việt của xăng pha ethanol và tạo thị trường để tăng cường
sản xuất ethanol, đồng thời thực hiện lộ trình tăng tỷ lệ nhiên liệu sinh học như đã
nêu ra trong Đề án nói trên.
Khi tăng tỷ lệ pha ethanol, cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ pha đến
tính năng kinh kế, kỹ thuật, phát thải và tuổi thọ của động cơ cũng như đến tính cần
thiết phải điều chỉnh hoặc thay đổi kết cấu động cơ và vật liệu các chi tiết.
Đề tài “Nghiên cứu mô phỏng tính năng động cơ xăng lắp trên ô tô sử dụng
xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5%” nhằm thực hiện một trong những nội
dung nói trên.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Đánh giá được tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi
dùng nhiên liệu xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn hơn 5% bằng phương pháp mô
phỏng.
1.3 Giới hạn nghiên cứu
Việc thực hiện đề tài này nhằm mục đích thông qua phần mềm mô phỏng hiện
đại AVL BOOST đánh giá việc sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn ethanol đến đặc
tính của động cơ ô tô. Qua đó cũng có thể đánh giá khả năng tăng tỷ lệ ethanol
trong nhiên liệu.
Vì Việt Nam mới chỉ bắt đầu sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn với tỷ lệ thấp
(5%) nên muốn nâng tỷ lệ ethanol lên cao hơn từ 10 – 20% thì phải có quá trình
nghiên cứu, xác định ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu đó đến tính năng làm việc,
phát thải, tuổi thọ... của động cơ ở nhiều chế độ làm việc, các dải tốc độ khác nhau.
Vì vậy em đã tiến hành mô phỏng động cơ chạy ở nhiều dải tốc độ khác nhau ở chế
độ toàn tải – chế độ làm việc khắc nghiệt nhất của động cơ. Kết quả cũng cho thấy
được sự thay đổi về công suất, phát thải, suất tiêu hao nhiên liệu cũng như đặc tính
cháy của động cơ khi sử dụng hai loại nhiên liệu trên. Từ đó có thể đánh giá được
phần nào những ưu việt của việc sử dụng nhiên liệu mới trên động cơ xăng hiện nay


8


cũng như những thay đổi về kết cấu của động cơ để đảm bảo những tính năng kĩ
thuật mà mình mong muốn khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu.
Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên em chưa thể tìm hiểu hết tất cả những ảnh
hưởng của việc sử dụng hỗn hợp xăng – nhiên liệu thay thế đến các yếu tố khác của
động cơ như pha phối khí phù hợp... Mặc dù AVL Boost là một trong những phần
mềm một chiều mô phỏng quá trình nhiệt động học của động cơ đốt trong hiện đại
nhất nhưng chắc chắn quá trình mô phỏng vẫn còn có rất nhiều điểm khác so với
quá trình trong thực tế. Vì vậy để đảm bảo tính chính xác của mô hình thì cần phải
có quá trình thử nghiệm thực tế giống với điều kiện mô phỏng.
1.4 Những nghiên cứu về xăng sinh học với tỷ lệ pha > 5%
1.4.1.Tình hình sản xuất và sử dụng bioethanol trên thế giới
Hiện nay, ethanol nhiên liệu trên thế giới được sản xuất chủ yếu từ mía
đường và các nguyên liệu chứa tinh bột. Năm 2003 toàn thế giới đã sản xuất được
38,5 tỷ lít ethanol nhiên liệu (trong đó châu Mỹ chiếm khoảng 70%, châu Á 17%,
châu Âu 10%), trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu, 30% được sử dụng
trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hoá chất hình (1.6).

Hình 1.6. Biểu đồ sản xuất ethanol trên thế giới năm 2006, [2]

9


Hình 1.7. Sản lượng ethanol nhiên liệu thế giới năm 2008, [2]

Theo biểu đồ hình 1.6 cho thấy vào năm 2006 Brasil, Mỹ và Trung Quốc là
3 quốc gia đứng đầu về sản xuất và sử dụng ethanol nhiên liệu. Đến năm 2008,
trên thế giới đã sản xuất được trên 17,3 tỷ gallons ethanol nhiên liệu, trong đó Mỹ

vẫn là quốc gia đứng đầu về sản lượng ethanol so với các nước khác trên thế giới,
đặc biệt độ chênh lệch về sản lượng ethanol của nước này so với quốc gia đứng thứ
thứ hai là Brazil đã vượt xa hơn nhiều so với năm 2006 (hình 1.7).
Xét về mức độ phát triển của nhiên liệu sinh học trên thế giới trong những năm
qua được thể hiện trên hình 1.8. Qua hình 1.8 chúng ta nhận thấy kể từ năm 2000
đến năm 2007 lượng nhiên liệu sinh học đã tăng từ 17 tỷ lít vào năm 2000 lên tới
hơn 52 tỷ lít vào năm 2007. Trong đó ethanol tăng từ 16 tỷ lít (năm 2000) lên hơn
41 tỷ lít (năm 2007) nhiên liệu sinh học đã đóng góp tới hơn 2% tổng lượng nhiên
liệu sinh học cho các phương tiện vận tải trên thế giới.

Hình 1.8. Biểu đồ sản xuất biofuel trên thế giới đến năm 2007, [3]

10


1.4.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trong khu vực
Trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia phát triển rất nhanh về sản
xuất và sử dụng xăng pha cồn sản xuất từ sắn, ngô, gỉ đường, bã mía. Năm 2004,
Thái Lan đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tư 20 nhà máy để năm 2015 có trên
2,5 tỷ lít cồn dùng làm nhiên liệu.

Hình 1.9. Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới(triệu Gallons), [4]
1.4.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol ở Việt Nam
a) Tình hình sản xuất
Cồn ở Việt Nam trước kia được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu gỉ
đường. Mỗi năm tổng công suất sản xuất cồn trên cả nước đều tăng tập trung ở 3
nhà máy lớn có công suất từ 15.000 – 30.000 lít/ngày là nhà máy đường Hiệp
Hoà, Lam với công suất từ 3.000 – 5.000 lít/ngày. Sản lượng cồn Việt Nam hiện
nay còn rất nhỏ, công suất sản xuất của mỗi nhà máy cũng nhỏ, các đơn vị sản
xuất cồn đang gặp nhiều khó khăn do nguồn nguyên liệu không ổn định, công

nghệ sản xuất lạc hậu, tốn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm không có sức cạnh
tranh cao.
Do nhu cầu thị trường tiêu thụ cồn trong nước ngày càng tăng, gần đây các
đơn vị sản xuất cồn trong nước đẩy mạnh sản xuất, đồng thời mở rộng thêm
nhiều nhà máy mới.

11


Hình1. 10. Nhà máy sản xuất ethanol tại Quảng Ngãi

Công ty cổ phần mía đường Biên Hoà đầu tư xây dựng nhà máy công
suất 50.000 tấn/năm, Công ty Đồng Xanh đầu tư xây dựng nhà máy công suất
60.000 lít/ngày, Công ty CP Cồn sinh học Việt Nam đầu tư nhà máy 66.000
m3/năm tại Đắc Lắc, BIDV đầu tư nhà máy công suất 100.000 tấn/năm tại Quảng
Nam, Công ty CP Hoá dầu và Nhiên liệu Sinh học Dầu khí xây dựng nhà máy
công suất 100.000 tấn/năm tại Phú Thọ…
Bảng 1.1. Một số nhà máy sản xuất ethanol tại Việt Nam
Tên nhà máy

Công suất

Nhà máy Đại

100 triệu

Lộc, Quảng Nam

lít/năm


Nhà máy Cư-

50 triệu

Dút, Đắc Nông
Nhà máy Tam

lít/năm
100 triệu

Nông, Phú Thọ

lít/năm

Nhà máy

100 triệu

Dung Quất

lít/năm

Nhà máy

100 triệu

Bình Phước

lít/năm


Ngày hoạt
động dự kiến
Tháng 3/2009

Chủ đầu tư

Tiến độ

Công ty Đồng

Đang hoàn

Xanh

thành lắp đặt

Tháng

Công ty Đại Việt

Đang chạy thử
máy

12/2008
Tháng 6/2011

Công ty PVB,

Đã


thuộc PV OIL

khởi công ký

Petrosetco,

Đã
độngEPC
thổ
hợp đồng

NMLD Bình

khởi công ký

Sơn
Liên doanh

hợp đồng EPC
Dự kiến quý I

ITOCHU Nhật

năm 2010 ký

bản và PV OIL

hợp đồng EPC

Tháng 7/2011


Tháng 7/2011

12

động

thổ


b) Tình hình sử dụng

Hình 1.11. Cây xăng bán xăng ethanol tại Việt Nam

Ngày 15/9/2008 Công ty cổ phần kinh doanh hóa dầu và nhiên liệu sinh
học (PVB), một đơn vị thành viên của Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOIL) đã
lần đầu tiên giới thiệu và bán thí điểm xăng E5 tại hai trạm bán lẻ xăng dầu ở Hà
Nội thuộc hệ thống phân phối xăng dầu của PVOIL. PVB nhập khẩu ethanol tuyệt
đối 99,6 % thể tích từ Trung Quốc, sau đó pha với xăng A95 và A92 với tỷ lệ 5
% ethanol theo thể tích để thành xăng ethanol E5. Xăng vẫn bảo đảm an toàn cho
động cơ đồng thời giảm ô nhiễm môi trường.
Xăng E5 ban đầu được bán thử nghiệm cho 50 xe tắc xi gồm hai loại: loại 4
chỗ và 7 chỗ ngồi, thuộc hiệp hội taxi thành phố Hà Nội. Thời gian bán thử
nghiệm là 6 tháng, PVB đã thu thập các ý kiến phản hồi từ khách hàng để trình kết
quả thử nghiệp với Bộ Công thương.
Sự giới thiệu và sử dụng xăng E5 đã được công chúng tiếp nhận nhiệt tình
trong điều kiện hoàn cảnh giá xăng dầu trong nước và lạm phát tăng cao. Hàng
nghìn người đã xếp hàng chờ mua và háo hức sử dụng loại nhiên liệu mới này.

13



Tuy nhiên Bộ Công thương đã yêu cầu dừng bán xăng E5 rộng rãi ra công
chúng vì đến thời điểm năm 2008, Việt Nam chưa có quy chuẩn quy định về xăng
pha ethanol, trong khi đó xăng dầu là mặt hàng phải tuân theo quy chuẩn của Nhà
nước nên không thể bán ra thị trường nếu không có quy chuẩn. Công ty PVB chỉ
được phép bán thử nghiệm cho các xe taxi một thời gian để đánh giá tác động của
loại xăng mới đối với động cơ xe đang lưu hành tại Việt Nam, sau đó phải có quy
chuẩn Nhà nước về loại xăng này mới được bán rộng rãi ra công chúng.
Nhiều công ty và các tổ chức khoa học cũng đã chủ động phối hợp nghiên cứu
và thực hiện việc đánh giá ảnh hưởng của việc xăng pha ethanol đối với động cơ
và việc phân phối thử nghiệm xăng E5 thương mại như trung tâm nghiên cứu dầu
khí (PVPRO), Công ty taxi Đà Nẵng, Công ty xăng dầu Petrolimex miền trung,
Công ty cổ phần sản xuất ethanol Đồng Xanh,... Viện Nghiên cứu rượu bia và
nước giải khát cũng đã nghiên cứu và đưa ra các kết quả về sử dụng ethanol làm
nhiên liệu thay thế cho một số loại động cơ. Viện Công nghệ thực phẩm đã và
đang nghiên cứu sản xuất ethanol từ phế thải nông nghiệp. Nhiều đơn vị trong đó
có APP, Sài Gòn Petro, Công ty Mía đường Lam Sơn đã lên kế hoạch pha chế thử
nghiệm và tiến tới sản xuất ở ethanol quy mô phù hợp và đưa vào sử dụng.
Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã phối hợp với một số trường
đại học lớn như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh
tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu sinh học, trong đó đã chứng
minh việc sử dụng xăng pha ethanol thay thế xăng thông thường tốt hơn cho động
cơ xăng.
Đi tiên phong trong việc xây dựng và phân phối nhiên liệu sinh học là Tổng
Công ty Dầu Việt Nam (PV OIL). PV OIL đã tiến hành đầu tư hai nhà máy ethanol
với tổng công suất 200 triệu lít/năm, trong đó dự án đầu tư xây dựng Nhà máy
ethanol Bình Phước được thực hiện với sự hợp tác đầu tư cùng Tập đoàn
ITOCHU Nhật Bản tại tỉnh Bình Phước.
Sau khi Bộ Công thương đã chấp thuận kết quả thử nghiệm xăng E5 của

công ty PVB và trên cơ sở các tiêu chuẩn về nhiên liệu E5, B5 mới được ban hành

14


trong tháng 5/2009, Tổng công ty Dầu Việt Nam đã thành Ban chuyên trách (task
force) gồm các lãnh đạo và các nhân sự chủ chốt của PV OIL để tiến hành triển
khai bán thí điểm xăng E5, B5 trên phạm vi 6 tỉnh thành lớn nhất Việt Nam là thành
phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, Cần Thơ, Đà Nẵng, Vũng Tầu, Nha Trang, [5].
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Như đã trình bày ở trên với tốc độ tăng trung bình khoảng 10% số lượng xe ô
tô như hiện nay thì tình trạng ô nhiễm môi trường, lượng tiêu thụ nhiên liệu cũng sẽ
tăng tỷ lệ thuận với tốc độ tăng số lượng xe ô tô. Việc nghiên cứu các giải pháp về
mặt kỹ thuật cũng như nhiên liệu để giảm được phát thải từ động cơ, giảm lượng
nhiên liệu tiêu thụ là vô cùng cấp bách. Ngoài các hướng nghiên cứu cải tiến động
cơ như chuyển từ động cơ dùng chế hoà khí sang phun xăng điện tử, sử dụng
nguyên lý HCCI, động cơ hybrid thì cải thiện chất lượng nhiên liệu cũng là một
hướng đi rất được quan tâm hiện nay. Với số lượng ô tô ngày một tăng nhanh, nước
ta đã bước đầu tập trung vào nghiên cứu vào việc ứng dụng sử dụng nhiên liệu sinh
học E5, E10… Vì vậy, trong nội dung của luận văn, em xin trình bày về việc nghiên
cứu sử dụng nhiên liệu mới trên động cơ ô tô Toyota – 5A sử dụng chế hòa khí trên
phầm mềm AVL Boost. Dưới đây là bảng thông số cơ bản của động cơ Toyota – 5A:
Bảng 1.2. Các thông số cơ bản của động cơ ô tô Toyota – 5A
Thông số

Nội dung, giá trị

Loại động cơ

Động cơ 4 xy lanh, đánh lửa cưỡng bức


Dung tích xylanh

1498 cm3

Đường kính xylanh

78,7 mm

Hành trình piston

77 mm

Tỷ số nén

10,5 : 1

Công suất cực đại

58,2 kW/4800 vòng/phút

Hệ thống nhiên liệu

Bộ chế hòa khí

1.6 Nội dung thực hiện

15



- Nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu xăng sinh học nói chung và xăng pha
cồn nói riêng.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán trong phần mềm BOOST.
- Xây dựng mô hình động cơ TOYOTA 5AC trên phần mềm BOOST (nhập dữ
liệu đầu vào, chạy mô hình và đánh giá độ tin cậy của mô hình).
- Sử dụng mô hình để khảo sát:
+ Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu E5, E10, E20 và E85 đến đặc tính
công suất, tiêu hao nhiên liệu và mức phát thải của động cơ bằng phần mềm
BOOST.
+ Lựa chọn lượng nhiên liệu cung cấp (Gnl tăng) và góc đánh lửa sớm
(ϕ S giảm) phù hợp để đảm bảo cho động cơ làm việc với nhiên liệu E5, E10, E20 và
E85 có đặc tính kỹ thuật như động cơ sử dụng nhiên liệu xăng thông thường.
+ Giảm phát thải NOx bằng luân hồi khí thải (nếu có thể).
1.7 Kết luận chương I
Như trên đã trình bày, ta thấy được ảnh hưởng của ô tô đến giao thông, ô
nhiễm tại Việt Nam là rất lớn và ngày một tăng mạnh. Việc nghiên cứu các giải
pháp để giảm thiểu những ảnh hưởng không tốt của ô tô đến vấn đề an ninh năng
lượng và ô nhiễm môi trường là điều vô cùng cấp bách. Sử dụng nhiên liệu thay thế
để dần thay thế cho xăng và diesel là một trong những hướng đi đang được quan
tâm hiện nay. Để ứng dụng được vào thực tế thì cần phải có quá trình nghiên cứu kỹ
lưỡng cả lý thuyết lẫn thực nghiệm. Để quá trình thực nghiệm trở nên đơn giản hơn
thì ta có thể tiến hành nghiên cứu trên lý thuyết trước đó thông qua các phần mềm
mô phỏng hiện đại. Vì vậy với nội dung của luận văn, em hy vọng nó có thể giúp
ích phần nào trong việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol.

CHƯƠNG II: NHIÊN LIỆU SINH HỌC DÙNG CHO ĐỘNG CƠ

16



ĐỐT TRONG
2.1 Các loại nhiên liệu sinh học
2.1.1. Giới thiệu chung về các nhiên liệu cồn sinh học
Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có
nguồn gốc động thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động
thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương...), chất thải
trong nông nghiệp (rơm rạ, phân, ...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa,
sản phẩm gỗ thải...),...Chúng bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, ethanol pha
trộn (ethanol – blended fuels), dimetyl este 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 và
xăng pha ethanol. Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên
liệu truyền thống (dầu khí, than đá…).
2.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp
Như khái niệm ở trên về nhiên liệu sinh học thì nhiên liệu sinh học được sản
xuất từ rất nhiều dạng khác nhau. Tuy nhiên, chúng ta có thể tổng hợp một số
nguyên liệu chính để sản xuất ra nhiên liệu sinh học.
2.1.2.1. Cồn
a) Methanol

Đây là loại cồn đơn giản nhất chỉ chứa một nguyên tử C trong mỗi phân tử.
Nó không có màu, là chất lỏng nhạt với mùi gầy chóng mặt, độc và gây ăn mòn.
Chất lỏng methanol có thể hấp thụ qua da. Phần lớn methanol được làm từ than đá
và khí tự nhiên, cũng có thể được làm từ nguồn tái sinh như gỗ hoặc giấy thải.
methanol thường được biết tới như “cồn gỗ”. Để làm nguyên liệu động cơ chúng ta
có thể dùng methanol nguyên chất (M100), thực tế chỉ dùng M85 là hỗn hợp chứa
85% methanol và 15% xăng, có chỉ số octan 102. Do M85 là chất lỏng, nó có thể
được tích trữ và phân phối trong hệ thống phân phối chất lỏng như xăng. Để dùng
M85, động cơ phải được thay đổi cho phù hợp như: tỷ số nén cao hơn, hệ thống nạp
phải thiết kế lại để đảm bảo lấy đủ khí và dầu bôi trơn chịu được sự tấn công tự
nhiên của methanol. Do vậy, hầu hết trên động cơ dùng nhiên liệu thay thế đều được


17


trang bị một cảm biến đặc biệt để nhận biết tỷ lệ cồn và xăng rồi đưa ra tín hiệu
phản hồi tới ECU để điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu phù hợp cũng như quyết định tới
thời điểm đánh lửa. Động cơ dùng nhiên liệu methanol yêu cầu loại dầu bôi trơn
riêng, đắt hơn dầu thường vì được sản xuất với số lượng hạn chế.
Methanol được sản xuất nhờ quá trình hóa hơi khí thiên nhiên, trong quá
trình này thì thành phần lưu huỳnh trong khí thiên nhiên sẽ được lọc sạch. Tiếp đó,
khí thiên nhiên sẽ được phản ứng với hơi nước trong điều kiện áp suất, nhiệt độ cao
để tạo nên CO và H2. Những thành phần này được đưa vào bộ xúc tác để điều chế
methanol.

Hình 2.1. Quy trình sản xuất methanol trong công nghiệp
b) Ethanol

Ethanol có thể được sản xuất từ nguồn nhiên liệu sinh học như khoai tây,
ngô, củ cải đường, mía đường, gỗ, chất thải nhà máy bia và nhiều sản phẩm nông
nghiệp khác, thực phẩm hỏng trong quá trình nên men và cũng có thể sản xuất từ
khí thiên nhiên và dầu thô. Ethanol hầu như không độc, hòa tan được trong nước, có
thể bị phân hủy và dễ cháy hơn xăng. Ethanol nguyên chất ít được dung làm nhiên
liệu, nhưng thường được trộn với xăng để tạo ra nhiên liệu sạch. Theo thống kê cuối
năm 2012, sản lượng ethanol trên toàn thế giới đạt 21,653 triệu gallons (81,965 triệu
lít) tăng 25% so với năm 2008. Điều đó chứng minh thế giới đang rất quan tâm tới

18


nguồn năng lượng thay thế này và đồng thời ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu

sinh học, nhiên liệu ethanol sẽ rất phát triển trong những năm tới. Tiên phong trong
việc ứng dụng và sản xuất ethanol là Mỹ (33,455 triệu lít) và Brazil (22,674 triệu
lít).
Nhiều năm qua ở Mỹ, người ta pha 10% thể tích ethanol vào xăng và gọi là
xăng pha cồn hoặc E10. Brazil là nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên
liệu sử dụng động cơ trên toàn thế giới và họ sử dụng chủ yếu là ethanol sinh học
được làm từ mía đường.

Hình 2.2 Lượng ethanol sản xuất trên toàn thế giới, [4]

19


Hình 2.3 Quy trình sản xuất ethanol

2.1.2.2. Dầu thực vật
Nhiên liệu thực vật về tính chất lý hóa, phần lớn có trị số Xetan cao và trị số
Octan thấp, độ nhớt và nhiệt độ tự cháy thấp chỉ có thể sử dụng cho động cơ diesel.
Dầu thực vật có thể là nhiên liệu bao gồm hạt cây cải dầu, dầu oliu, dầu hạt đậu
tương, dầu cọ, dầu cây hướng dương, dầu ngô. Tính chất của chúng là loại nhiên
liệu tiềm năng dùng cho động cơ diesel. Lần đầu tiên, vào đầu thập kỷ 70 của thế kỷ
trước, dầu thực vật thô được thử làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Kết quả thử
nghiệm cho thấy, những loại dầu này so với nhiên liệu diesel có thời gian phun dài
hơn, thời gian cháy trễ ngắn hơn, thời gian cháy dài hơn. Còn các cuộc thử nghiệm
bền cho thấy có sự thoái hóa động cơ nhanh hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu
diesel, có sự mài mòn của bơm cao áp, đóng muội than ở đế xupap, vòi phun, than
xupap, và tích tụ trong buồng cháy, đỉnh piston, hiệu suất động cơ giảm đáng kể,
công suất động cơ giảm, dễ kẹt xéc măng, tắc hệ thống nhiên liệu, đóng muội than
trong buồng cháy. Dầu thực vật thô cũng có nhiệt độ khởi động lạnh rất cao, vì vậy
cần phải sấy nóng nhiên liệu trước khi khởi động.


20


Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống cải tiến động cơ Diesel để dùng nhiên liệu dầu thực vật

2.2.3. Metyl este
Đây là một loại biodiesel. Biodiesel thường dùng có tên là monoankyl este
(methyl hoặc ethyl este) của axit béo có chuỗi phân tử dài được lấy từ lipit như dầu
thực vật hoặc mỡ thực vật. Nó là sản phẩm trong quá trình este hóa từ dầu nho, dầu
đậu tương, dầu cây hướng dương, dầu conola, dầu cọ được sử dụng như dầu ăn và
nhiều chất béo khác. Dầu đậu được dùng nhiều ở Mỹ, trong khi dầu nho được sử
dụng khá nhiều ở Châu Âu. Quá trình este hóa dễ dàng thực hiện được khi methanol
được dùng làm chất phản ứng để thu được methyl este. Phản ứng này có thể thực
hiện trong điều kiện nhiệt độ khoảng 50 0C và áp suất khí quyển với glyxerin là sản
phẩm phụ.

21


Quá trình Este hóa sản xuất biodiesel, như sau

Diesel sinh học dùng trong động cơ được phân loại trên cơ sở thành phần axit
béo tự do (FFA) của chúng như sau:
-

Dầu tinh chế (FFA < 1,5%)
Mỡ động vật và dầu mỡ có thành phần FFA thấp (FFA < 4%)
Quá trình Este hóa sản xuất biodiesel.
Mỡ động vật và dầu mỡ có thành phần FFA cao (FFA < 20%)


Diesel sinh học không độc, có thể bị vi khuẩn phân hủy, đặc biệt không tan
trong nước, cơ bản không chứa sunphua hoặc gốc thơm. Nó làm mềm và thoái hóa
các tạp chất cao su tự nhiên và có thể ảnh hưởng tới các thành phần của hệ thống
nhiên liệu. Có thể sử dụng nhiên liệu diesel sinh học nguyên chất hoặc pha với dầu
diesel thông thường. Vì biodiesel có tính chất bôi trơn đặc biệt nên thường được
dùng như chất phụ gia nhờn cho nhiên liệu diesel có hàm lượng sunphua thấp. Mặt
hạn chế khi sử dụng diesel sinh học tinh khiết làm nhiên liệu là nhiệt độ của nó thấp
và tính ổn định sinh học. Hòa trộn với nhiên liệu diesel cơ bản chứa 20% diesel sinh
học làm nâng cao độ nhớt động học ở nhiệt độ thấp.
2.1.2.4. Hợp chất chứa oxy
Hợp chất hữu cơ chứa oxy với một lượng nhỏ có thể được them vào nhiên
liệu để đẩy mạnh việc đốt cháy hỗn hợp. Hợp chất chứa oxy có khác nhau đáng kể
về lý tính so với các hydrocacbon, vì vậy mức độ của chúng trong nhiên liệu bị giới
hạn. Hợp chất hữu cơ chứa oxy có chỉ số octan cao. Động cơ chạy bằng nhiên liệu
chứa oxy có phát thải độc hại ít hơn, đặc biệt là CO. Hầu hết, các hợp chất chứa oxy
pha vào xăng là cồn (methanol, ethanol, tertiary butyl alcohol [TBA]) và các chất
khác methyl tertiary butyl ether (MTBE), ethyl tertiary butyl ether (ETBE), và

22


tertiary amyl methyl ether (TAME). Chúng chứa từ 1 tới 6 nguyên tử cacbon trong
mỗi phân tử. Nhờ thể hiện tính chống kích nổ tốt, chúng có thể thay thế tốt cho các
chất có gốc thơm. Cồn đã được sử dụng trong xăng từ những năm 30 và MTBE
được sử dụng lần đầu tiên trong các sản phẩm xăng thương mại ở Ý và năm 1973.
2.1.2.5. Dimetyl ether (DME)
DME là hợp chất có công thức hóa học đơn giản nhất và được sử dụng một
cách rộng rãi như là chất đẩy dùng trong các bình xịt. DME là chất khí ở nhiệt độ
môi trường và áp suất khí quyển, nhưng có thể hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp

(0,5 MPa tại 250C). Nó có thể được sản xuất từ gas tự nhiên (khử H 2 của methanol)
hoặc từ sinh vật. DME không độc, không ăn mòn và không có chất gây ung thư,
trong trường hợp bị rò rỉ thì nó phân hủy nhanh trong khí quyển. Về mặt sinh thái,
DME cũng được coi là một loại nhiên liệu tốt cho động cơ, bởi nó rất dễ cháy và
phát thải it. DME có chỉ số Octan cao khoảng 60. Tính bôi trơn của DME thấp vì độ
nhớt của nó thấp (khoảng 1/30 so với nhiên liệu diesel). Vì vậy, để tránh mài mòn
vòi phun cần được cho thêm chất bôi trơn. Trước đây, DME nguyên chất là nhiên
liệu tốt cho động cơ diesel vì động cơ sử dụng nhiên liệu đó có đặc điểm cháy rất
tốt, lượng phát thải thấp, đặc biệt giảm phát thải NO x và khói. Sử dụng DME trên
phương tiện vận tải có ưu điểm hơn là dùng methanol do sử dụng nhiên liệu
methanol có quá trình cháy xấu, tuy nhiên có thể khắc phục nhược điểm này bằng
cách chuyển hóa methanol thành DME theo phản ứng:
2 CH3OH → CH3OCH3 + H2O
Phản ứng này cần có mặt chất xúc tác α – Al 2O3, lựa chọn theo tính toán về
hiệu quả và giá thành của nó. Ở nhiệt độ thấp và áp suất môi trường, DME là một
chất khí, vì vậy nó được đưa vào xylanh động cơ dạng hơi sương. Tuy nhiên, việc
sử dụng nhiên liệu DME có thể xuất hiện hơi nước, đó là nhược điểm chính của loại
nhiên liệu này.
2.1.2.6. Dimetyl cacbonate (DMC)
DMC là một chất lỏng ở nhiệt độ thấp và áp suất môi trường. Nó không màu,
không độc và không gây ăn mòn. Nó có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel theo một

23


vài tỷ lệ nhất định. DMC chắc chắn có thể thêm vào nhiên liệu diesel như một chất
phụ gia vì nó chứa 53% (về trọng lượng) oxy. Hiện tại, DMC được sản xuất từ
phosgene và methanol vơi HCl là phụ phẩm. Vì phosgene là một hợp chất hóa học
cực kỳ độc và nguy hiểm, nhiều công ty đang tìm kiếm và phát triển chất thay thế
thân thiện với môi trường nhằm loại bỏ phosgene và cho phụ phẩm nhỏ nhất. Một

chất thay thế có thể là sản xuất DME từ methanol, CO và O 2 với chất xúc tác HCl
thêm 5% KCl vào theo phản ứng sau:
2 CH3OH + CO + ½ O2 = CH3OCO-CH3 + H2O
Theo nhiều thực nghiệm cho thấy mức độ khói của động cơ phụ thuộc vào tỷ
lệ DMC. Với 10% DMC thêm vào nhiên liệu thì độ khói sẽ giảm 20%. Vì vậy,
lượng khí thải CO giảm tuyến tính với DMC thêm vào, cải thiện chút ít hiệu suất
của động cơ và đồng thời làm tăng lượng NOx thải ra.
2.1.2.7. Hydrogen
Hydrogen không phải là nhiên liệu hóa thạch tìm thấy trong tự nhiên, nhưng
nó có thể được sản xuất từ các nguyên liệu khác như là khí tự nhiên, methanol, than
đá, sinh vật và nước. Hiện tại, Hydro được sản xuất bằng cách reforming
hydrocacbon. Cách khác để sản xuất khí này là biến đổi hơi của khí CH 4, khí hóa
than đá, khí sinh vật và điện phân. Nó được tích trữ bằng cách nén thành chất lỏng
(VD: Metal hydrides). Phần lớn đặc tính mong muốn của Hydro phù hợp làm nhiên
liệu ô tô, quá trình cháy sạch. Nếu Hydro tinh khiết được sử dụng làm nhiên liệu thì
sản phẩm cháy duy nhất là nước.
2.2. Nhiên liệu sinh học xăng pha cồn
2.2.1. Cấu tao
Ethanol còn được gọi là rượu etylic, rượu ngũ cốc hay cồn. Nó là một hợp
chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của rượu etylic, dễ cháy, không màu, là một
trong các thành phần của đồ uống chứa cồn. Trong đời sống, nó thường được gọi tắt
là rượu. Công thức hóa học C2H5OH, viết tắt là C2H6O.
Ethanol được con người sử dụng từ thời tiền sử (từ thời đồ đá mới) như là
một thành phần gây cảm giác say. Việc sản xuất ethanol tương đối nguyên chất với

24


nồng độ 96% được thực hiện vào thời kỳ Abbasid Hồi giáo (năm 721 – 815).
ethanol tinh khiết lần đầu tiên được Johann Tobias Lowits thu hồi vào năm 1796

bằng phương pháp chưng cất qua than củi.
Ethanol dễ dàng hòa tan vào nước theo mọi tỷ lệ, với sự giảm nhẹ tổng thể
tích về thể tích do hai chất này được trộn lẫn với nhau. Ethanol tinh khiết hay
ethanol 95% là các dung môi tốt, sử dụng trong các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc.
Các tỷ lệ khác của ethanol với nước cũng có thể làm dung môi. Các loại đồ uống
chứa cồn có hương vị khác nhau do có các chất tạo mùi khác nhau được hòa tan
trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu. Khi ethanol được sản xuất như là đồ uống
hỗn hợp thì nó là rượu ngũ cốc tinh khiết.
Dung dịch ethanol 70% chủ yếu sử dụng như chất tẩy uế. Ethanol cũng được
sử dụng trong các gel vệ sinh kháng khuẩn, phổ biến nhất có nồng độ 62%. ethanol
giết chết các vi sinh vật theo cơ chế biến tính protein và hòa tan lipit của chúng. Do
khả năng kháng khuẩn của ethanol nên các đồ uống chưa trên 18% ethanol có khả
năng bảo quản lâu dài.
Ethanol sử dụng trong các sản phảm chống đông lạnh vì điểm đóng băng của
nó thấp.
Ethanol có thể sử dụng làm nguyên liệu trong công nghệ hóa học, nguyên
liệu cho tổng hợp hữu cơ hóa dầu.
Ngày nay, ethanol được sử dụng rộng rãi để pha vào xăng tạo nhiên liệu sinh
học thân thiện với môi trường. Tại Hoa Kỳ, Iowa là băng sản xuất ethanol cho ô tô
với sản lượng lớn nhất.
2.2.2. Tính chất
2.2.2.1.Tính chất vật lý
Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút ẩm, có độ phân
cực mạnh. Ethanol có thể hòa tan nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ nên được sử
dụng làm dung môi rất tốt. Ethanol dễ cháy và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí.
ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 89,4% mol, nhiệt độ sôi của hỗn hợp này ở
1 atm là 78,40C.

25