XU HƯỚNG SỬ DỤNG PHỤ GIA NHIÊN LIỆU
CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
Nguyễn Hữu Tuấn
NCS Viện cơ khí động lực – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Khoa cơ khí - Trường ĐH Thủy Lợi
Phạm Hữu Tuyến
Viện cơ khí động lực - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
TÓM TẮT
Động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị máy móc phục vụ phát triển
nền kinh tế do những ưu điểm nổi bật như: Kết cấu chắc chắn, làm việc tin cậy, hiệu suất
tương đối cao, thuận lợi trong bảo dưỡng sửa chữa và tiết kiệm nhiên liệu. Do có hiệu suất
chuyển đổi năng lượng cao hơn và sử dụng nhiên liệu rẻ hơn xăng nên động cơ diesel luôn
được ưu tiên sử dụng là nguồn động lực trên các máy phát điện, máy cơng trình, máy móc
nơng nghiệp, trong ngành công nghiệp nặng, và đặc biệt trên các phương tiện vận tải đường
bộ, đường biển. Tuy nhiên phát thải từ các loại phương tiện này cũng chiếm một tỷ trọng
lớn gây ơ nhiễm mơi trường. Chính vì vậy, để giải quyết cấp bách cho động cơ đang lưu
hành hiện nay đã thôi thúc các nhà khoa học nghiên cứu phát triển động cơ nói chung, đặc
biệt là sử dụng phụ gia nhiên liệu ứng dụng công nghệ nano nhằm tiết kiệm nhiên liệu và
giảm phát thải thải các chất gây ô nhiễm để đảm bảo các quy định ngày càng nghiêm ngặt
về mơi trường. Trong bài báo này nhóm tác giả đề cập đến các nghiên cứu, ứng dụng, thử
nghiệm các biện pháp tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải trên động cơ diesel. Trong đó
chú trọng đến biện pháp cải tiến hiệu quả sử dụng nhiên liệu (bao gồm sử dụng nhiên liệu
nhũ tương và sử dụng nhiên liệu chứa phụ gia ứng dụng công nghệ nano và đặc biệt là tổ
hợp của 2 loại trên) nhằm kiểm sốt q trình đốt cháy theo hướng tăng cơng suất, tiết kiệm
nhiên liệu và giảm phát thải. Biện pháp này có những ưu điểm như: sử dụng được trên các
động cơ đang lưu hành mà không cần can thiệp vào “phần cứng” động cơ.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị máy móc phục vụ phát triển nền
kinh tế do những ưu điểm nổi bật như: Kết cấu chắc chắn, làm việc tin cậy, hiệu suất tương đối
cao, thuận lợi trong bảo dưỡng sửa chữa và tiết kiệm nhiên liệu. Do có hiệu suất chuyển đổi
năng lượng cao hơn và sử dụng nhiên liệu rẻ hơn xăng nên động cơ diesel luôn được ưu tiên

sử dụng là nguồn động lực trên các máy phát điện, máy cơng trình, máy móc nơng nghiệp,
trong ngành công nghiệp nặng, và đặc biệt trên các phương tiện vận tải đường bộ, đường biển.
Tuy nhiên phát thải từ các loại phương tiện này cũng chiếm một tỷ trọng lớn gây ô nhiễm
môi trường [1].
Sự phát triển nhanh chóng của các ngành cơng nghiệp nói chung, ngành giao thơng vận tải
nói riêng dẫn đến nhu cầu về nhiên liệu diesel ngày càng tăng cao. Theo khảo sát, nhiên liệu
5


hóa thạch chiếm tới 80% năng lượng tiêu thụ chính trên thế giới, trong đó 58 - 66% được tiêu
thụ bởi các phương tiện vận tải [2-3]. Ở Châu Á – Thái Bình Dương, theo dự báo của Wood
Mackenzie, tổng nhu cầu sản phẩm dầu sẽ tăng trung bình 1,6%/năm từ năm 2015-2035. Năm
2015, mức độ sử dụng diesel chiếm 30% so với các loại nhiên liệu hóa thạch khác, và duy trì
ổn định đến năm 2035. Ở Việt Nam tỷ lệ này lần lượt là 38% và 42% (hình 1) [4-5].

Hình 1. Nhu cầu, dự báo sản phẩm dầu khu vực châu Á – Thái Bình Dương và Việt Nam
giai đoạn 2000 – 2035
Từ nhu cầu sử dụng nhiên liệu lớn như trên, cùng với giá nhiên liệu thường xuyên biến
động mạnh, nguồn cung cạn kiệt và phát thải ô nhiễm không khí do các phương tiện vận tải
ngày càng trầm trọng có hại cho sức khỏe con người và mơi trường sinh thái. Có nhiều biện
pháp để nâng cao hiệu suất, tính kinh tế nhiên liệu, giảm phát thải cho động cơ diesel như: Sử
dụng nhiên liệu thay thế hay tối ưu hóa về kết cấu (cơ cấu phối khí thơng minh, ln hồi khí
thải, tăng áp động cơ, công nghệ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất, hệ thống cung cấp nhiên
liệu điều khiển điện tử…). Tuy nhiên, các công nghệ cải tiến trên đi kèm với giá thành cao và
chỉ phù hợp với các thiết kế động cơ mới, khó can thiệp vào các động cơ hiện có.
Chính vì vậy, để giải quyết cấp bách cho động cơ đang lưu hành hiện nay đã thôi thúc
các nhà khoa học nghiên cứu phát triển động cơ nói chung, đặc biệt là sử dụng phụ gia nhiên
liệu ứng dụng công nghệ nano nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải thải các chất gây ô
nhiễm để đảm bảo các quy định ngày càng nghiêm ngặt về môi trường.
Về ứng dụng công nghệ nano, công nghệ vật liệu tiên tiến để tổng hợp các chất phụ gia

tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường thu hút ngày càng nhiều đầu tư của các chính
phủ và các cơng ty ở nhiều nước trên thế giới vì đây là hướng nghiên cứu và ứng dụng có tiềm
năng rất lớn. Trong giai đoạn 2008-2010, đầu tư nhà nước của các quốc gia trên thế giới cho
nghiên cứu, triển khai cho công nghệ nano ước đạt 50 tỉ USD, đứng đầu là Mỹ, kế đến là Nhật,
Nga, Đức… Ở khối doanh nghiệp, Mỹ cũng là nước đi tiên phong (hình 2) [6].
6


Hình 2. Mức đầu tư cho hoạt động nghiên cứu chuyển giao công nghệ nano
Ở Việt nam, tuy khá khiêm tốn, nhưng từ năm1998 đã có những đầu tư nghiên cứu công
nghệ nano. Đến nay, nhiều kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano đã được công bố lý
thuyết và thực nghiệm. Cùng với các đơn vị nghiên cứu, khối doanh nghiệp cũng mạnh dạn
ứng dụng công nghệ nano trong sản xuất.
Trong bài báo này nhóm tác giả đề cập đến các nghiên cứu, ứng dụng, thử nghiệm các
biện pháp tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải trên động cơ diesel. Trong đó chú trọng đến
biện pháp cải tiến hiệu quả sử dụng nhiên liệu (bao gồm sử dụng nhiên liệu nhũ tương và sử
dụng nhiên liệu chứa phụ gia ứng dụng công nghệ nano và đặc biệt là tổ hợp của 2 loại trên)
nhằm kiểm soát quá trình đốt cháy theo hướng tăng cơng suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm
phát thải. Biện pháp này có những ưu điểm như: sử dụng được trên các động cơ đang lưu hành
mà không cần can thiệp vào “phần cứng” động cơ.
2. NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG DIESEL
Nhiên liệu nhũ tương diesel là nhiên liệu trong đó nước được phân tán dưới dạng các hạt
nhũ có kích thước cỡ từ micro đến nano mét. Nhũ tương này được cấu tạo bởi 1 pha liên tục
(pha dầu) và 1 pha phân tán (pha nước). Hai chất lỏng này là những chất không tự trộn lẫn với
nhau, để tạo nhũ tương dùng các chất hoạt động bề mặt. Nhiên liệu nhũ tương có thể là dạng
nhũ tương thuận – dầu trong nước (Oil/Water – O/W) hoặc dạng nhũ tương đảo nước trong
dầu (W/O) (hình 3) [7].

Hình 3. Nhiên liệu nhũ tương nước trong dầu (W/O) và dầu trong nước (O/W)
Cơ chế vi nổ của nhiên liệu nhũ tương nước trong dầu (W/O): Do có điểm sơi thấp hơn

diesel, những giọt nước tồn tại ở dạng nhũ tương nhỏ bọc trong nhiên liệu diesel sẽ hóa hơi
7


dưới điều kiện quá nhiệt trong động cơ. Sự hóa hơi như vậy tạo ra sự nổ của các giọt diesel
và cải thiện q trình ngun tử hóa nhiên liệu, tốc độ bay hơi và cuối cùng là nâng cao q
trình hịa trộn khơng khí-nhiên liệu. Những q trình vi nổ như vậy cải thiện quá trình cháy
và hiệu quả động cơ đồng thời ngăn chặn sự hình thành cặn cacbon [8-9] (hình 4).

Hình 4. Cơ chế vi nổ của nhiên liệu diesel và nhũ tương nước trong dầu W/O
Kannan và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của khả năng cháy của nhiên liệu nhũ tương
nước trong diesel đến hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx và HC. Thực
nghiệm trên động cơ 4 kỳ 1 xilanh, phun nhiên liệu trực tiếp, tốc độ 1500vòng/phút, áp
suất phun 200bar, nhiên liệu diesel nhũ tương tỷ lệ 10,20% thể tích nước cho thấy: Nhiên
liệu nhũ tương có khả năng cải tiến hiệu suất nhiệt hãm và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ.
Phát thải NOx giảm 10% và 25% tương ứng với hàm lượng nước 10% và 20%. Phát thải
HC cũng có xu hướng giảm khi tăng hàm lượng nước [9].
Năm 2011, nhóm nghiên cứu thuộc Sở khoa học cơng nghệ thành phố Hồ Chí Minh
đã nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống biodiesel nhũ tương DO15 (Dầu DO có pha 15%
nước). Kết quả thử nghiệm chỉ ra: Trên động cơ công suất lớn, nhũ tương DO tiết kiệm
đáng kể nhiên liệu, giảm hầu hết khí thải độc hại nhưng chưa phù hợp với động cơ công
suất nhỏ (như động cơ phát điện tiêu hao nhiên liệu hơn 20%, chỉ giảm phát thải NOx và
muội). Nghiên cứu được thực nghiệm trên 1 công ty vận tải ở thành phố Hồ Chí Minh với
quy mơ 50 xe container, chạy 250km/ngày thì có thể tiết kiệm khoảng 5 tỷ đồng/năm [19].
3. PHỤ GIA NHIÊN LIỆU
Phụ gia là những chất cho thêm vào nhiên liệu với một lượng nhỏ, nhưng lại làm tăng
tính chất sẵn có và có thể tạo ra những tính chất mới cho sản phẩm. Phụ gia có thể pha vào
8



nhiên liệu từ vài phần triệu (ppm) đến trên 10%. Mỗi loại phụ gia có tính năng khác nhau
như: Nhóm phụ gia cải thiện tính chất của nhiên liệu; nhóm phụ gia cải thiện tính ổn định
khi bảo quản, tồn chứa, vận chuyển; nhóm phụ gia làm giảm ảnh hưởng có hại của nhiên
liệu đối với thiết bị động cơ; nhóm phụ gia đảm bảo sử dụng nhiên liệu dùng ở nhiệt độ
thấp… Trong các nhóm trên thì nhóm phụ gia cải thiện tính chất của nhiên liệu được quan
tâm nghiên cứu do những đòi hỏi bức thiết của thế giới hiện nay là nâng cao hiệu quả sử
dụng năng lượng và giảm phát thải. Trong số các loại phụ gia tiết kiệm nhiên liệu đã được
khảo sát cho xăng và dầu diesel, nhóm thứ nhất gồm các phụ gia không chứa kim loại như các
hợp chất chứa oxy - alcohol, ester và ether, hợp chất chứa nitơ - một số amin, nitrile hoặc hợp
chất chứa nitơ, oxy - các nitrat, amid. Nhóm thứ hai gồm các phụ gia chứa hợp chất của kim
loại như ferrocene và hợp chất chứa Ce, Ca, Ba, Ni, naphthenate, sulphate, cacbonate. Nghiên
cứu phụ gia Ca, Ba, Fe, Ni naphthenate cho thấy Ca và Ba có hiệu quả nhất trong việc giảm sự
hình thành muội và tăng cường oxy hóa muội. Hệ phụ gia nano nhằm cải thiện khả năng cháy
của nhiên liệu trên cơ sở nano kim loại và /hoặc nano oxit kim loại là một trong những hệ phụ
gia có hiệu quả nhất hiện nay [10-11] (Hình 5-6).

Hình 5. Một số vật thể qua kích thước nano [12]

Hình 6. Chuỗi phân tử nano CeO2 [13]
9


Cơ chế hoạt động của hệ phụ gia nano kim loại hoặc nano oxit kim loại: Khi hòa trộn
vào nhiên liệu, các phân tử của hệ phụ gia có khả năng xúc tác cho q trình oxy hóa các
hydrocacbon có mặt trong nhiên liệu trong quá trình đốt cháy nhiên liệu dẫn tới suất tiêu thụ
nhiên liệu sẽ giảm đi. Mặt khác, các hạt nano khi có mặt trong nhiên liệu lỏng tạo ra một bề
mặt xúc tác có khả năng cung cấp oxy cho quá trình đốt. Nano kim loại hoặc nano oxit kim
loại hoặc kết hợp cả 2 loại khi đưa vào nhiên liệu hydrocacbon làm tăng nhiệt cháy. Q
trình đốt cháy (q trình oxy hóa nhiên liệu hydrocacbon) có thể xảy ra nhanh hơn nhờ
phản ứng dị thể trên bề mặt xúc tác rắn so với các q trình oxy hóa tương tự trong các

phản ứng pha khí đồng thể mang phần tử kim loại và các hạt oxit kim loại. Phần tử kim loại
hoặc oxit kim loại có kích thước nano phối hợp làm chất xúc tác cho phản ứng đốt cháy các
nhiên liệu, có khả năng đi qua bộ lọc nhiên liệu và tự đốt cháy, hoặc thăng hoa, hoặc được
tiêu thụ sao cho sự phát thải được giảm thiểu hoặc loại bỏ. Để đạt được điều đó, đường kính
của hạt nano phải nhỏ hơn 10nm.
Shafii và cộng sự tổng hợp phụ gia nhiên liệu diesel cho động cơ 4 kỳ gồm các hạt nano
Fe3O4 trong nước. Kết quả cho thấy hệ phụ gia này làm giảm hiệu suất tiêu hao nhiên liệu
khoảng 11%, giảm phát thải NOx (nhưng lại tăng CO) [14].
Năm 2010, TS Cù Huy Thành, học viện kỹ thuật quân sự, đã cơng bố nghiên cứu sử
dụng phụ gia nano xêri điơxít (CeO2) làm phụ gia cho nhiên liệu diesel. Nghiên cứu đã chỉ
ra CeO2 là chất xúc tác và xúc tiến quá trình cháy của nhiên liệu. Kết quả thử nghiệm cho
thấy, với các thành phần CeO2 từ 4-6ppm cho phép giảm tiêu hao nhiên liệu và thành phần
phát thải độc hại của động cơ diesel. Cụ thể: Với phụ gia nano điều chế, cho phép suất tiêu
hao nhiên liệu giảm tới 7%, NOx giảm tới 22,26%, HC giảm tới 34,61%, CO giảm tới 28%,
CO2 giảm tới 5,5%, độ khói giảm tới 25%. Những chỉ tiêu đánh giá này có thể cải thiện
nhiều hơn nếu động cơ sử dụng nhiên liệu có phụ gia nanơ xêri điơxít làm việc trong thời
gian dài (Hình 7). Ngồi ra, hạt nano CeO2 cũng đã được nghiên cứu để làm bộ xử lý khí
thải cho lị nung gốm sứ sử dụng nhiên liệu LPG [20].

Hình 7. Mức độ cải thiện các thông số khảo sát với phụ gia CeO2
10


Năm 2011, Trần Thị Như Mai và cộng sự đã tổng hợp hạt nano CeO2 (kích thước 5nm)
dùng làm phụ gia nhiên liệu diesel. Kết quả cho thấy: Các chỉ tiêu CO, HC, độ khói và mức
tiêu hao nhiên liệu đều giảm. Tuy nhiên hàm lượng phát thải NOx lại tăng do hiệu quả cháy
tăng [21].
4. NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG CHỨA PHỤ GIA
Mặc dù nhiên liệu nhũ tương và nhiên liệu sử dụng phụ gia đã được nghiên cứu ít nhiều
đều có tác dụng tăng hiệu suất cho nhiên liệu, yêu cầu về cải tiến nhiên liệu có hiệu quả cao

hơn vẫn luôn được đặt ra. Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu khảo sát hệ phụ
gia vi nhũ (sự tổ hợp giữa hạt nano và nước) nhằm mục đích kết hợp và tăng cường được
những ưu điểm của 2 loại trên đã được quan tâm nghiên cứu.
Cơ chế vi nổ của nhiên liệu nhũ tương nước trong dầu, chứa kim loại được mơ tả trong
hình 8 [15].

Hình 8. Cơ chế vi nổ của nhiên liệu nhũ tương nước trong dầu, chứa kim loại
Khi phối trộn phụ gia vi nhũ nước trong dầu chứa nano oxit kim loại, các hạt vi nhũ lập tức
được phân tán đồng đều trong toàn bộ khối nhiên liệu, tạo nên các hạt vi nhũ chứa nano oxit
kim loại có kích cỡ chỉ vài nm. Các hạt này có khả năng xúc tác cho q trình oxy hóa hồn
tồn các hydrocacbon có mặt trong nhiên liệu trong quá trình đốt cháy nhiên liệu. Bên cạnh
đó, các hạt nano oxit kim loại có mặt trong nhiên liệu lỏng sẽ tạo ra một bề mặt xúc tác có khả
năng cung cấp oxy cho q trình đốt cháy, làm cho quá trình cháy diễn ra thuận lợi và triệt để
hơn. Nhờ vậy hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu sẽ giảm, các chất ô nhiễm sinh ra từ q trình đốt
cháy khơng hồn tồn nhiên liệu (muội, CO, HC chưa cháy hết) sẽ giảm đáng kể. Sơ đồ khối
sự pha trộn nhiên liệu vi nhũ như hình 9.
11


Hình 9. Sơ đồ khối sự pha trộn nhiên liệu vi nhũ
Bidita và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu CeO2 tới sự hình thành
và các tính chất cháy của nhiên liệu nhũ tương W/O. Hàm lượng CeO2 được duy trì khoảng
80ppm. Kết quả thử nghiệm trên động cơ công suất 2,2 KW, tốc độ 2600 vịng/phút ở 50%
cơng suất cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu, dịng khí thải và nhiệt độ khí thải thấp hơn trong
khi hiệu suất nhiệt cao hơn. Các thành phần khí thải CO2, NH3 và NO cũng thấp hơn so với
khí thải động cơ sử dụng nhiên liệu khơng có phụ gia. Điều này có thể giải thích là ngồi
hiệu ứng vi nổ làm hạ nhiệt độ khí thải (tức nhiệt độ đốt cháy giảm xuống), còn xuất hiện
vai trò của CeO2 tích trữ oxy, hỗ trợ q trình oxy hóa hồn tồn các hydrocacbon thành
CO2. Kết quả là muội đen cũng được giảm đáng kể [15].
Báo cáo kết quả nhiệm vụ thuộc chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng phụ gia

nhiên liệu nano, Tổng công ty xi măng Việt Nam - Bộ công thương, hầu hết các chỉ tiêu về
công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải được cải thiện. Mức độ cải thiện thể hiện rõ
nhất ở các chế độ tốc độ 1400vòng/phút và 1600vịng/phút. Ở các tốc độ này cơng suất của
động cơ tăng tương ứng 2,29% và 3,27%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 2,24% và 3,17%.
Hàm lượng CO giảm 7,49% và 12,23%, độ khói của khí xả giảm 6,5% và 2,14%. Tuy nhiên
cũng có sự tăng hàm lượng HC và hàm lượng CO ở tốc độ 1000vòng/phút và 1200 vòng/
phút [22]
5. KẾT LUẬN
Từ những nghiên cứu ở trên, việc sử dụng nhiên liệu nhũ tương với chất hoạt động bề mặt,
phụ gia nano oxit kim loại hay phụ gia vi nhũ đã cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm
phát thải trên động cơ diesel. Hầu hết các nghiên cứu, thực nghiệm cho thấy động cơ hoạt
động với nhiên liệu pha phụ gia này phát thải giảm đồng thời cả NOx và phát thải dạng hạt
(PM). Tỷ lệ giảm giữa các báo cáo là khác nhau do nhiều yếu tố như tỷ lệ phụ gia, hàm
lượng nước, vùng địa lý thử nghiệm… Lượng giảm cao nhất của NOx là 37%; phát thải hạt
(PM) lên tới 90%. Với hiệu quả đó, việc nghiên cứu làm chủ cơng nghệ chế tạo các loại
phụ gia nhiên liệu đã đề cập và đánh giá tác động của nhiên liệu pha phụ gia phù hợp với
12


điều kiện Việt Nam là rất cần thiết. Ngoài nghiên cứu thử nghiệm thì các nghiên cứu về tác
dụng, cơ chế hoạt động bên trong buồng đốt cần được quan tâm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] B.L.Salvi, K.A.Subramanian, N.L.Panwar, Alternative fuels for transportation
vehicles: A technical review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 25 (2013)-404.
[2] Escobar JC, Lora ES, Venturini OJ, Yanez EE, Castillo EF, Almazan O.
Biofuels: environment, technology and food security. Renewable and Sustainable
Energy Reviews 2009;13:1275–87.
[3] Gill SS, Tsolakis A, Dearn KD, Rodríguez-Fernández J. Combustion
characteristics and emissions of Fischer–Tropsch diesel fuels in IC engines. Progress in
Energy and Combustion Science 2011;37:503–23.

[4] Wood Mackenzie, Other Asia Pacific product markets long-term Outlook H1
2016.6/2016.
[5] Wood Mackenzie, Vietnam product markets long-term Outlook H1 2016.6/2016.
[6] Kirsten Rodine-Hardy Research Team, Nanotechnology in a Globalized
World: Strategic Assessments of an Emerging Technology, 2014
[7] Mohammed Yahaya Khan, Z. A. Abdul Karim, Ftwi Yohaness Hagos, A. Rashid A.
Aziz, and Isa M. Tan, Current Trends in Water-in-Diesel Emulsion as a Fuel, The Scientific
World Journal 2014(17):527472 · January 2014.
[8] B.S Bidata, A.R.Suraya, M.A.Shazed, A.Mohd Salleh, A. Idris, Preparation,
characterization and engine performance of water in diesel nanoemulsions, Journal of the
Energy Institute, vol, xxx,1-12,2015.
[9] K.Kannan and M.Udayakumar, NO and HC emission control using water emulsified
diesel in single cylinder diesel engine, Journal of Engineering and Applied Sciences, vol
4,59-62,2009.
[10] D.C.Kim, K.C.Song, R.D.Kaushik, Fuel Additives for Particulate Matter/Dust.
Reduction, Asian Journal of Chemistry, vol, 20, 5797-5817,2008.
[11] Miyamoto, H.Zhixin, A.Harada, H.Ogawa, T.Murayama, Characteristics of diesel
soot suppression with soluble fuel addtives, SAE Technical Paper, 1-10, 1987.
[12] Kai Savolainen, Ulrika Backman, Derk Brouwer, Bengt Fadeel,…; Nanosafety in
Europe 2015 - 2025: Towards Safe and Sustainable Nanomaterials and Nanotechnology;
Institute of Occupational Health, 2013.
13


[13] Sang Woo Kim1 & Jae-Pyoung Ahn, Polycrystalline nanowires of gadoliniumdoped ceria via random alignment mediated by supercritical carbon dioxide, 2013
[14] M.B.Shafii, F.Daneshvar, N.Jahani, K.Mobini, Hindawi Publishing Corporation,
Advances in Mechanical Engineering, vol,2011,1-5, 2011.
[15] B.S.Bidita, A.R.Suraya&nnk, Influence of Fuel Addtive in the Formulation and
Combustion Characteristics of water in diesel Nanoemulsion Fuel, Energy Fuels, vol
28,4149-4161, 2014.

[16]
Directives
and
regulations-motor
vehicles,
enterprise/sectors/automotive/documents/directives/motorvehicles/.

/>
[17] S. Ravi, R. Subramanian, Diesel fuel additives: An overview, International Review
of Mechanical Engineering 7(4):698-704 · January 2013
[18]. Thuyết minh đề tài cấp Nhà nước về nghiên cứu phát triển phụ gia vi nhũ thế hệ
mới… PGS.TS Vũ Thị Thu Hà, Viện hóa học cơng nghiệp Việt Nam, 2015.
[19] khoahoc_congnghe/2011/1/249350/.
[20] Cù Huy Thành, Nghiên cứu sử dụng hạt nano Xêri Điôxit (CeO2) làm phụ gia cho
nhiên liệu diesel, Tạp chí khoa học cơng nghệ hàng hải, số 24-11/2010.
[21] Trần Thị Như Mai và nnk, Tổng hợp nano CeO2 sử dụng làm phụ gia cho nhiên
liệu diesel, tạp chí hóa học, T.49 (5AB), 731-733, 2011.
[22] Cơng ty CP xi măng Hồng Mai, Tổng cơng ty cơng nghiệp xi măng Việt Nam, Bộ
công thương, Báo cáo kết quả nhiệm vụ chương trình mục tiêu quốc gia về “Sử dụng phụ
gia nhiên liệu nano để tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí phát thải độc hại của các xe gắn
động cơ diesel, 2010.
[23] fuel_diesel_add.html
[24] Lê Danh Quang, LATS Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10
và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
2014.

14


TỔNG HỢP MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG BUỒNG CHÁY

THỂ TÍCH KHƠNG ĐỔI (CVCC)
ThS. Nguyễn Phi Trường, T.S. Nguyễn Tuấn Nghĩa
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
PGS.TS. Lê Anh Tuấn, T.S. Trần Đăng Quốc
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Tóm tắt
Nhu cầu nâng cao hiệu suất, giảm ơ nhiễm mơi trường đối với động cơ nhiệt nói chung
và động cơ đốt trong nói riêng đang là mối quan tâm rất lớn của các nhà khoa học trên thế
giới. Giải pháp cơ bản đáp ứng được yêu cầu trên đó là nghiên cứu q trình cháy ở một
buồng cháy có thể tích khơng đổi (CVCC). Giới hạn của buồng cháy CVCC là thể tích gần
điểm chết trên so với động cơ đốt trong truyền thống, tuy nhiên nghiên cứu quá trình cháy ở
buồng cháy CVCC sẽ đem đến nhiều ưu điểm so với nghiên cứu trên động cơ truyền thống.
Các ưu điểm như: chi phí nghiên cứu rẻ, sử dụng được các loại nhiên liệu khác nhau, dễ
dàng phân tích ảnh hưởng của động lực học và nhiệt động học đến các chất tham gia phản
ứng và các chất sau phản ứng để đạt hiệu suất nhiệt cao cũng như giảm ô nhiễm môi trường.
Bài báo này giới thiệu một số nghiên cứu cơ bản về kết cấu, mô phỏng cũng như ứng dụng
của buồng cháy CVCC đối với các loại nhiên liệu khác nhau. Từ các kết quả đó có thể làm
cơ sở để định hướng thiết kế mơ phỏng cũng như chế tạo tại điều kiện ở Việt Nam.
Từ khóa: CVCC; RCEM; Nhiên liệu thay thế; Cửa sổ quang học.
1. Giới thiệu chung
Hiện nay nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho các động cơ đốt trong đang ngày càng tăng
không chỉ trên thế giới mà cả nước ta. Tuy nhiên trữ lượng nhiên liệu hóa thạch và tiêu
chuẩn khí thải ln tỷ lệ nghịch với nhau, vì vậy sử dụng nhiên liệu thay thế cho động cơ
đốt trong là một giải pháp tất yếu theo định hướng của Nghị quyết Trung ương số 26-NQ/
TW ban hành ngày 05 tháng 08 năm 2008. Sử dụng nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt
trong cần phải được tiến hành nghiên cứu một cách bài bản và tỷ mỷ để giảm được tối
đa các khí thải độc hại như Carbonmonoxide (CO), Hydrocarbon (HC), Nitrogen Oxide
(NOx), các chất thải dạng hạt (PM). Một trong những hướng nghiên cứu cơ bản có thể đáp
ứng được phần nào yêu cầu trên đó là nghiên cứu q trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu và
khơng khí ở một buồng cháy có thể tích khơng đổi.

Q trình đốt cháy hỗn hợp giữa nhiên liệu và khơng khí diễn ra hết sức phức tạp ở bên
trong xylanh động cơ, quá trình này được đặc trưng bởi hai yếu tố quan trọng là động lực
học và nhiệt động lực học. Có thể hiểu một cách đơn giản rằng động lực học nghiên cứu về
tốc độ và tỷ lệ phản ứng cháy, trong khi đó nhiệt động học là thực hiện nghiên cứu về tính
ổn định của sản phẩm sau khi cháy. Nghiên cứu về động lực học cần phải tiến hành nghiên
15


cứu cơ bản về động lực học vật lý và động lực học hóa học.Trong đó, động lực học vật lý
nghiên cứu về các chuyển động và nguyên nhân của phản ứng cháy, động lực học hóa học
nghiên cứu về cơ chế hình thành phản ứng hóa học. Để thực hiện được các nghiên cứu cơ
bản trên cần phải có các thiết bị chuyên dụng, hai hệ thống thiết bị được sử dụng nhiều
nhất trên thế giới hiện nay là: Buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC) sẽ xác định được
điều kiện để tốc độ và tỷ lệ phản ứng cháy nhanh nhất (nghiên cứu về động lực học vật lý).
Hệ thống thứ hai được biết đến như một máy nén và giãn nở nhanh (RCEM), sử dụng để
nghiên cứu về cơ chế phản ứng hóa học (nghiên cứu về động lực học hóa học).
Hai hệ thống CVCC và RCEM hiện nay ở Việt Nam vẫn chưa có, vì vậy tiến hành
nghiên cứu tổng quan về hệ thống CVCC sẽ là bước đi đầu tiên hướng đến một thế hệ động
cơ mới đạt được hiệu suất nhiệt cao và giảm tối thiểu khí thải độc hại đồng thời thỏa mãn
được những tiêu chuẩn ngặt nghèo của khí thải.
Hệ thống CVCC có thể thực hiện rất nhiều các nghiên cứu về cháy theo định hướng
khác nhau đối với nhiên liệu cháy cưỡng bức và tự bốc cháy. Các định hướng nghiên cứu
có thể kể đến như: tỷ lệ giữa nhiên liệu và khơng khí, điều kiện (nhiệt độ, áp suất, góc đánh
lửa) để xảy ra phản ứng ơ xi hóa nhiên liệu … v.v. Buồng cháy thể tích khơng đổi (CVCC)
có kết cấu đặc biệt kết hợp với hệ thống quang học chỉ giới hạn nghiên cứu các hiện tượng
ở gần điểm chết trên của động cơ. Do vậy, các kết quả thu được sẽ được xem xét và phân
tích ở ba vùng: (1) trước phản ứng ơ xi hóa khử gồm điều kiện thiết lập phản ứng và các
chất tham gia phản ứng, (2) trong quá trình phản ứng để xây dựng nên cơ chế phản ứng ơ
xi hóa giữa các chất tham gia phản ứng, (3) sản phẩm thu được sau phản ứng là các chất
được tạo thành sau phản ứng ơ xi hóa nhiên liệu, đồng thời có thể xem xét ảnh hưởng của

nhiệt động học đến độ bền các chất có trong sản phẩm cháy.
Về cơ bản hệ thống CVCC được cấu thành gồm tối thiểu các bộ phận như hình 1 bao
gồm: Bộ thu thập giữ liệu, Nguồn cấp điện áp cao, Bộ hòa trộn và cung cấp nhiên liệu, Cụm
thiết bị buồng cháy, Cụm khuếch đại tín hiệu. Tuy nhiên, buồng cháy thể tích khơng đổi có
thể thay đổi thiết kế tùy theo mục đích nghiên cứu và loại nhiên liệu sử dụng.

Hình 1. Sơ đồ hệ thống CVCC
16


2. Một số nghiên cứu cơ bản về hệ thống CVCC
Alireza Hajialimohammadi và các cộng sự đã sử dụng phần mềm Ansys 12.0 để thiết
kế một buồng cháy có thể tích khơng đổi nhưng có thêm hai cửa sổ gắn kính thạch anh có
thể chịu được áp suất lên đến 100 bar. Với hai cửa sổ này sẽ có một nguồn sáng laser chiếu
qua kết hợp hệ thống camera đặc biệt để quan sát sự phát triển của màng lửa [1].
Hình 2. Là một buồng cháy thể tích khơng đổi. nó bao gồm các bộ phận chính: mặt bích
phía ngồi; kính thạch anh chịu áp lực cao; mặt bích phía trong. Các bộ phận này được liên
kết với nhau bằng những bulông chịu lực. Trong buồng cháy CVCC cửa sổ thạch anh và
buồng cháy tiếp xúc trực tiếp với các hỗn hợp khí có áp suất cao. Q trình đốt cháy diễn
ra trong thời gian ngắn nên cửa sổ thạch anh và buồng cháy được xem xét để phân tích ứng
suất.

Hình 2. Buồng cháy CVCC
Do nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự gia tăng nhu cầu sử dụng nhiên
liệu cùng với đó là ơ nhiễm mơi trường ngày càng trầm trọng, giải pháp hiệu quả để giải
quết vấn đề trên đó là sử dụng nhiên liệu thay thế. Ronnachart Munsin và nhóm nghiên cứu
đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng đối với ba loại nhiên liệu được hịa trộn từ bên ngồi:
diesel, ethanol và diesel sinh học. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu làm cửa dẫn
ánh sáng laser có thể chịu được áp suất cao, hình dạng buồng cháy thể tích khơng đổi phù
hợp với thể tích buồng cháy động cơ tự bốc cháy có tỷ số nén thay đổi từ ε = 16 ÷ 28 [2].

Nhóm nghiên cứu của Prathan Srichai sử dụng phần mền mô phỏng Solidworks
Simulation và CAE tiến hành phân tích, thiết kế và chế tạo CVCC có cửa sổ quang học
được thiết kế với độ an toàn cao, hệ thống hịa trộn bên ngồi để giả lập thành khơng khí
(hịa trộn hỗn hợp khí O2 và N2) bao gồm: Common-rail điều chỉnh nhiệt độ và áp suất, hệ
thống van an tồn, hệ thống phun khí C2H2. Kết quả thu được đã xác định được giới hạn
nghèo của hỗn hợp và ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến khả năng bắt cháy của
17


hỗn hợp là mạnh hơn so với hỗn hợp được hịa trộn sẵn từ bên ngồi ở cùng điều kiện nhiệt
độ mơi trường [3].
Nghiên cứu của nhóm Choongsik Bae cũng được tiến hành đối với hỗn hợp nghèo
với hai nhiên liệu xăng vàn-butan. Điều kiện thí nghiệm để cháy ổn định đối với hai loại
nhiên liệu xăng và n-butan được thiết lập khác nhau về góc đánh lửa, áp suất phun và thời
gian phun. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng không giống như xăng, n-butan lập tức bốc
hơi ngay khi bắt đầu phun nhiên liệu và kết thúc bốc hơi khi kết thúc phun. So với xăng,
cấu trúc của n-butan đã bị bẻ gãy về phía đầu trục phun và sự bẻ gãy đó càng lớn khi áp
suất phun được tăng lên. Phun nhiên liệu n-butan cho thấy tỉ lệ bay hơi cao hơn vì áp suất
hơi nước cao hơn, nhưng cấu trúc phun đã bị phân rã. Sự phân rã này bị ảnh hưởng bởi áp
suất phun và nhiệt độ, ngược lại cấu trúc của xăng tương đối ổn định hơn và không chịu
ảnh hưởng nhiều bởi áp suất phun. Cấu trúc của n-butan có nhiều điểm giống với xăng khi
phun ở áp xuất thấp, chiều rộng đoạn cuối tia phun tăng lên khi n-butan được phun với áp
suất thấp hơn. Kết quả này cho thấy rằng với n-butan nên để áp suất phun nhỏ và thời gian
hòa trộn của n-butan là ngắn hơn và hẹp hơn so với của xăng bởi vì liên kết của n-butan là
liên kết đơn còn xăng là đa liên kết [4]. Nhược điểm của động cơ diesel ở quá trình khởi
động lạnh đó là thành phần khí thải H-C là rất lớn, nhằm cắt giảm được lượng khí thải
H-C nàyChoongsik Bae và các cộng sự đã nghiên cứu ảnhảnh hưởng của nhiệt độ đến sự
phun và cháy nhiên liệu. Các nghiên cứu được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng ở
điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất nhiên liệu đã được phun vào buồng cháy với áp suất 35
MPa. Kết quả cho thấykhi sử dụng hệ thống common-rail và buồng cháy thể tích khơng

đổi (CVCC) sẽ đánh giá được ảnh hưởng của nhiệt độ nhiên liệu diesel đến đặc tính của hệ
thống phun nhiên liệu và quá trình cháy ở điều kiện khởi động lạnh. Khi nhiệt độ nhiên liệu
diesel ở điều kiện lạnh thì thời gian phun sẽ dài hơn so với khi nhiệt độ nhiên liệu diesel
được sấy nóng lên, nguyên nhân làm cho thời gian phun kéo dài là do độ nhớt động học của
nhiên liệu cao khi nhiệt độ giảm. Q trình cháy đã được hồn thiện hơn khi nhiệt độ nhiên
liệu diesel được tăng lên vì vậy mà độ tăng của áp suất cao hơn và thời gian cháy chính là
ngắn hơn, xu hướng này giống như kết quả của đặc tính phun và bốc hơi của nhiên liệu ở
nhiệt độ cao. Tuy nhiên, ảnh hưởng của nhiệt độ nhiên liệu đã giảm hơn so với các điều
kiện của môi trường xung quanh. Số lần phun tăng kết hợp với áp suất phun cao cải thiện
được q trình hịa trộn khơng khí- nhiên liệu và được áp dụng để cải thiện khả năng với
điều kiện nhiên liệu lạnh ban đầu.
3. Kết luận
Sử dụng các phần mền mơ phỏng có thể thiết kế và chế tạo thành cơng buồng cháy thể
tích khơng đổi (CVCC), để phục vụ quá trình nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành
hỗn hợp và cháy của các loại nhiên liệu trong động cơ đốt trong.
Buồng cháy thể tích khơng đổi là một thiết bị rất cần thiết để nghiên cứu các hiện tượng
bên trong buồng cháy trong những điều kiện khác nhau như: Ảnh hưởng của nhiệt độ nhiên
liệu đến quá trình phun và cháy. So sánh đặc tính cháy của nhiên liệu n-butan và nhiên liệu
xăng. Nghiên cứu đặc điểm hình thành hỗn hợp và cháy của hỗn hợp hình thành bên trong
và bên ngoài buồng cháy…
18


Hiện nay, ở Việt Nam chưa có phịng thí nghiệm nào có buồng cháy thể tích khơng đổi.
Việc thiết kế và chế tạo ra buồng cháy này là rất cần thiết để phục vụ những nghiên cứu cơ
bản về quá trình hình thành và cháy của các loại nhiên liệu khác nhau ở Việt Nam. Nó là
tiền đề cho những nghiên cứu sau này về các quá trình vật lý, hóa học của các loại nhiên
liệu khác nhau ở Việt Nam.
Tài liệu tham khảo
[1] Alireza Hajialimohammadi. Design And Manufacturing of A Constant Volume Test

Combustion Chamber For Jet And Flame Visualization of CNG Direct Injection, Applied
Mechanics and Materials Vols. 217-2192543 (2012).
[2] Ronnachart Munsin. Design of Constant Volume Combustion Chamber (CVCC)
with Pre-Combustion Technique for Simulation of CI Engine Conditions, The 4th TSME
International Conference on Mechanical Engineering
16-18 October 2013.
[3] Prathan Srichai, Design Concept of Biodiesel Direct Injection Constant Volume
Combustion Chamber, The 3rd TSME International Conference on Mechanical Engineering
October 2012, Chiang Rai
[4] Stanton D, Lippert A, Reitz R, Rutland C. Influence of spray-wall interaction and
fuel films on cold starting in direct injection diesel engines. SAE International; 1998 [SAE
paper 982584].
[5] Payri R, Salvador FJ, Gimeno J, Bracho G. The effect of temperature and pressure
on thermodynamic properties of diesel and biodiesel fuels. Fuel 2011;90 (3):1172–80.
[6] H. Gen Fujimoto, K.H., T. Yamashita, J. Senda,(2006), Effects of Ambient
Temperature and Oxygen Concentration on Soot Behavior in Diesel Flame, SAE 2006-013371
[7] J.D. Naber and D. L. Siebers, (1994), Effects of Natural Gas Composition on
Ignition Delay Under Diesel Conditions, www.osti.gov access on 1 June 2012
[8]Cengel, Y.A.a.M.A.B.(2007),Thermodynamics An Engineering Approach. sixth
ed., McGraw- Hill.
[9] High pressure mixing gas, [Online] Available
access on 1 June 2012
[10] F. Parsinejad: Experimental and Theoretical Studies on Flame Propagation and
Burning Speeds of JP-8, JP-10 and Reformed Fuels at High Temperatures and Pressures,
PhD thesis, Northeastern University, US (2005)
[11] E. C. Chan : Spark Ignition Of Partially Stratified Gaseous Fuel-Air mixtures, PhD
thesis, The University of British Columbia,Canada (2010)
19



[12] X. Fei Tian, H. G. Zhang, X. L. Bai: Strength Analysis and Structure Optimization
of Constant Volume Combustion Bomb, Advanced Materials Research, Vol. 233-235
(2011), p. 821.
[13] www.matweb.com.
[14] www.mt-berlin.com.
[15] ANSYS 12.0, Theory Guide. 2009.
[16] Han Z, Henein N, Nitu B, Bryzik W. Diesel engine cold start combustion
instability and control strategy. SAE International; 2001 [SAE paper 2001-011237].
[17] Henein N, Zahdeh A, Yassine M, Bryzik W. Diesel engine cold starting:
combustion instability. SAE International; 1992 [SAE paper 920005].
[18] John D, Ghodke P, Gajarlawar N, Joseph lng J. Experiences in cold start
optimization of a multi-purpose vehicle equipped with 2.2L common rail
diesel engine. SAE International; 2011 [SAE paper 2011-01-0124].

20