Luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol

Nghiên cứu chuyên sâu ảnh hưởng của các thông số phun ethanol vào đường nạp đến hiệu suất động cơ diesel lưỡng nhiên liệu. Phân tích chi tiết các chỉ tiêu công

• Tác giả: Hoàng Tuấn Hải
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trung Kiên
• Trường học: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun Ethanol vào đường nạp đến các chỉ tiêu công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel - Ethanol
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan Khám phá ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol là gì

Việc sử dụng nhiên liệu thay thế đang trở thành một ưu tiên hàng đầu trong ngành công nghiệp ô tô và năng lượng. Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và vấn đề ô nhiễm môi trường trở nên cấp bách, ethanol đã nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, đặc biệt là khi tích hợp vào động cơ diesel. Phương pháp phun ethanol vào đường nạp cho động cơ diesel ethanol không chỉ tối ưu hóa quá trình đốt cháy mà còn góp phần đáng kể vào việc giảm thiểu phát thải độc hại. Nghiên cứu sâu rộng về ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol giúp hiểu rõ cơ chế hoạt động, từ đó mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Mục tiêu chính là đánh giá các chỉ tiêu công tác của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol, bao gồm công suất, mô-men xoắn, hiệu suất nhiệt và mức tiêu thụ nhiên liệu. Ngoài ra, việc phân tích ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp còn tập trung vào việc cải thiện chất lượng khí thải, giảm thiểu các chất độc hại như NOx và PM. Nỗ lực này không chỉ mang lại lợi ích về môi trường mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững cho ngành giao thông vận tải và năng lượng. Động cơ diesel ethanol sử dụng chiến lược phun ethanol đường nạp hứa hẹn một tương lai hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn.

1.1. Vấn đề năng lượng và môi trường Tại sao nhiên liệu sinh học ethanol là giải pháp tối ưu

Sự thiếu hụt năng lượng và tình trạng ô nhiễm môi trường đang là hai thách thức lớn nhất của nhân loại trong thế kỷ 21. Nguồn nhiên liệu hóa thạch, như dầu mỏ và than đá, đang dần cạn kiệt, đồng thời quá trình đốt cháy chúng thải ra lượng lớn khí nhà kính và các chất độc hại, gây biến đổi khí hậu và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Trong bối cảnh này, việc tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và nhiên liệu thay thế trở nên cấp thiết. Nhiên liệu sinh học ethanol là một trong những ứng cử viên sáng giá. Ethanol, được sản xuất từ sinh khối, có khả năng tái tạo và quá trình sản xuất ít gây ô nhiễm hơn so với nhiên liệu hóa thạch. Khi sử dụng ethanol trong động cơ, đặc biệt là động cơ diesel ethanol, không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu diesel mà còn cải thiện đáng kể chất lượng khí thải. Việc phun ethanol đường nạp vào động cơ diesel còn tối ưu hóa quá trình cháy, mang lại hiệu quả cao hơn và giảm phát thải. Đây là giải pháp chiến lược để giải quyết đồng thời cả hai vấn đề năng lượng và môi trường, hướng tới một tương lai bền vững.

1.2. Tổng quan nghiên cứu Tình hình ứng dụng ethanol cho động cơ diesel hiện nay ra sao

Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel đã và đang được triển khai rộng rãi trên toàn thế giới và tại Việt Nam. Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc pha trộn ethanol với diesel (biodiesel) hoặc sử dụng ethanol trong động cơ lưỡng nhiên liệu. Trong nước, các đề tài nghiên cứu đã đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol ở các tỷ lệ khác nhau. Điển hình, các nhà khoa học đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc phun ethanol trực tiếp vào buồng đốt hoặc phun ethanol vào đường nạp để cải thiện hiệu suất và giảm phát thải NOx, PM. Trên thế giới, các công trình khoa học đã đi sâu vào tối ưu hóa các thông số phun, thiết kế hệ thống điều khiển điện tử để đạt được hiệu quả tối đa cho động cơ diesel ethanol. Đặc biệt, phương pháp phun ethanol đường nạp đã chứng minh tiềm năng lớn trong việc tăng công suất, giảm tiêu thụ nhiên liệu riêng và cải thiện đặc tính phát thải. Các kết quả này cho thấy ethanol là một nhiên liệu thay thế tiềm năng, góp phần vào sự phát triển của công nghệ động cơ diesel hiện đại.

II. Phương pháp nghiên cứu Cách phân tích ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến hiệu suất động cơ diesel ethanol

Để đánh giá chính xác ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol, các nhà khoa học thường áp dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng. Việc này giúp thu thập dữ liệu toàn diện về các chỉ tiêu công tác của động cơ và đặc tính phát thải. Quá trình này bao gồm việc thiết lập các điều kiện vận hành cụ thể, đo lường các thông số như công suất, mô-men xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu riêng, nhiệt độ khí xả, và nồng độ các chất gây ô nhiễm trong khí thải. Mục tiêu là xác định rõ mức độ cải thiện hoặc thay đổi của động cơ khi phun ethanol đường nạp với các tỷ lệ và áp suất khác nhau. Phân tích này cũng xem xét các yếu tố như thời điểm phun, lượng phun, và áp suất phun ethanol để tìm ra điều kiện vận hành tối ưu nhất. Sự kết hợp giữa các phương pháp này đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao và mang tính ứng dụng thực tiễn, góp phần vào sự phát triển của động cơ lưỡng nhiên liệu thế hệ mới.

2.1. Mô hình hóa động cơ Ứng dụng mô phỏng để dự đoán tính năng động cơ diesel ethanol

Mô hình hóa động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các loại nhiên liệu mới, đặc biệt là đối với động cơ diesel ethanol. Sử dụng các phần mềm mô phỏng tiên tiến, như AVL BOOST hoặc GT-Power, giúp các kỹ sư dự đoán và phân tích các quá trình công tác bên trong động cơ mà không cần tốn kém chi phí cho các thí nghiệm thực tế ban đầu. Các mô hình này cho phép người nghiên cứu thay đổi các thông số phun ethanol vào đường nạp, từ áp suất, thời điểm đến lưu lượng, để quan sát ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến hiệu suất nhiệt, công suất, mô-men xoắn và đặc biệt là đặc tính phát thải. Ví dụ, việc áp dụng các mô hình như Grinhevesky-Mading hoặc Vibe mở rộng giúp tính toán quá trình cháy và trao đổi nhiệt trong xi lanh [3]. Điều này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách ethanol tương tác với quá trình đốt cháy diesel, từ đó tối ưu hóa chiến lược phun ethanol đường nạp để cải thiện hiệu suất động cơ và giảm phát thải động cơ.

2.2. Tính toán trao đổi nhiệt Tầm quan trọng của mô hình Woschni trong phân tích động cơ

Trao đổi nhiệt là một yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của động cơ. Trong nghiên cứu ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol, việc tính toán chính xác lượng nhiệt trao đổi giữa khí cháy và thành vách xi lanh là cực kỳ cần thiết. Mô hình Woschni là một trong những phương pháp phổ biến và hiệu quả để xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu (αp) trong xi lanh động cơ [3]. Phương trình đặc tính của mô hình này (Nu = 0,035 * Re^0,8) giúp biểu diễn mối quan hệ giữa các hệ số tỏa nhiệt và tiêu chuẩn Reynolds, một đại lượng đặc trưng cho cường độ rối của dòng khí. Bằng cách áp dụng mô hình Woschni, các nhà nghiên cứu có thể định lượng được lượng nhiệt thất thoát ra môi trường, từ đó đánh giá hiệu suất nhiệt của động cơ. Thông tin này rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế động cơ và điều chỉnh các thông số vận hành khi sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol, đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và hiệu quả, giảm thiểu phát thải động cơ.

III. Phân tích kết quả Đánh giá lợi ích và thách thức khi phun ethanol vào đường nạp cho động cơ diesel

Việc phân tích kết quả từ các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã cung cấp những cái nhìn sâu sắc về ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol. Một trong những lợi ích nổi bật là khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất công tác của động cơ. Cụ thể, việc đưa ethanol vào đường nạp giúp tăng cường hiệu ứng làm mát khí nạp, dẫn đến tăng mật độ khối lượng khí nạp và cải thiện quá trình cháy. Điều này thường dẫn đến sự gia tăng công suất và mô-men xoắn của động cơ, đồng thời giảm suất tiêu hao nhiên liệu riêng. Tuy nhiên, việc phun ethanol đường nạp cũng đặt ra một số thách thức nhất định, bao gồm nguy cơ kích nổ sớm nếu tỷ lệ ethanol quá cao hoặc không được kiểm soát chặt chẽ. Ngoài ra, việc điều chỉnh hệ thống điều khiển động cơ để phù hợp với đặc tính của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol cũng là một yếu tố quan trọng. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số phun như thời điểm phun, áp suất phun và lượng phun ethanol là cực kỳ quan trọng để đạt được lợi ích tối đa và giảm thiểu các rủi ro tiềm ẩn. Những phát hiện này là nền tảng để phát triển các giải pháp kỹ thuật tiên tiến cho công nghệ động cơ diesel sử dụng nhiên liệu sạch hơn.

3.1. Cải thiện công suất và mô men xoắn Làm thế nào phun ethanol tăng hiệu suất động cơ

Một trong những lợi ích quan trọng nhất của việc phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol là khả năng cải thiện đáng kể công suất và mô-men xoắn của động cơ. Ethanol, với nhiệt hóa hơi cao, khi được phun vào đường nạp sẽ bay hơi và làm mát khí nạp. Nhiệt độ khí nạp thấp hơn giúp tăng mật độ khối lượng khí nạp đi vào xi lanh, từ đó tăng lượng oxy có sẵn cho quá trình đốt cháy. Lượng oxy dồi dào hơn cho phép đốt cháy nhiều nhiên liệu diesel hơn trong mỗi chu trình, dẫn đến sự gia tăng áp suất cháy đỉnh và áp suất trung bình có ích. Kết quả là, động cơ sản sinh ra công suất và mô-men xoắn cao hơn. Ngoài ra, sự hiện diện của ethanol có thể cải thiện quá trình hòa trộn nhiên liệu-không khí, tối ưu hóa quá trình cháy và giúp đạt được hiệu suất cao hơn. Việc phun ethanol đường nạp cũng có thể giảm thời gian cháy trễ của nhiên liệu diesel, làm cho quá trình cháy mượt mà và hiệu quả hơn, đóng góp vào việc cải thiện hiệu suất động cơ.

3.2. Giảm phát thải độc hại Ethanol giúp động cơ diesel thân thiện môi trường hơn như thế nào

Việc phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol mang lại lợi ích môi trường đáng kể thông qua việc giảm phát thải động cơ độc hại. Ethanol chứa oxy, và khi được đưa vào quá trình cháy của động cơ diesel, nó cung cấp thêm oxy cho quá trình đốt cháy. Điều này giúp đốt cháy hoàn toàn hơn các hạt muội than (PM) và hydrocarbon chưa cháy (HC), vốn là những chất gây ô nhiễm chính trong khí thải diesel. Sự hiện diện của ethanol cũng có thể làm giảm nhiệt độ cháy cục bộ, từ đó hạn chế sự hình thành oxit nitơ (NOx), một chất gây ô nhiễm không khí nguy hiểm. Hơn nữa, ethanol không chứa lưu huỳnh, góp phần giảm phát thải SOx. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng với các thông số phun ethanol tối ưu, động cơ diesel có thể đạt được sự cân bằng tốt giữa hiệu suất và phát thải, trở nên thân thiện hơn với môi trường. Phương pháp phun ethanol đường nạp là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển động cơ diesel ethanol sạch hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn Những kết quả nghiên cứu ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp mang lại giá trị gì

Những kết quả thu được từ việc nghiên cứu ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol có ý nghĩa ứng dụng thực tiễn rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh toàn cầu đang hướng tới năng lượng sạch và giảm thiểu biến đổi khí hậu. Các phát hiện về việc cải thiện hiệu suất động cơ và giảm phát thải động cơ đã mở ra những hướng đi mới cho ngành công nghiệp ô tô và các nhà sản xuất động cơ. Việc tối ưu hóa hệ thống phun ethanol đường nạp có thể dẫn đến việc phát triển các động cơ diesel hiện có thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol với chi phí hợp lý. Điều này không chỉ giúp các doanh nghiệp giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt. Ngoài ra, việc sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cũng góp phần vào việc đa dạng hóa nguồn năng lượng, tăng cường an ninh năng lượng quốc gia. Những tiến bộ này là bằng chứng cho thấy tiềm năng to lớn của việc tích hợp ethanol vào động cơ diesel, mang lại lợi ích kép về kinh tế và môi trường. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc thương mại hóa các công nghệ này.

4.1. Tiềm năng thương mại hóa Phát triển động cơ diesel ethanol trong tương lai

Với những lợi ích rõ ràng về hiệu suất và môi trường, công nghệ phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol có tiềm năng thương mại hóa rất lớn. Các nhà sản xuất động cơ có thể tích hợp hệ thống phun ethanol như một tùy chọn nâng cấp hoặc trang bị tiêu chuẩn trên các mẫu động cơ diesel mới. Điều này sẽ cho phép các phương tiện vận tải, máy móc nông nghiệp và các ứng dụng công nghiệp khác tận dụng tối đa lợi thế của nhiên liệu sinh học ethanol. Tuy nhiên, để đạt được sự chấp nhận rộng rãi, cần có sự đầu tư vào cơ sở hạ tầng phân phối ethanol và các chính sách khuyến khích từ chính phủ. Ngoài ra, việc nghiên cứu các giải pháp chuyển đổi cho động cơ diesel hiện có cũng là một hướng đi quan trọng để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang sử dụng động cơ diesel ethanol. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ động cơ diesel, tương lai của động cơ diesel ethanol là đầy hứa hẹn, mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường bền vững.

4.2. Thách thức và hướng phát triển Vượt qua rào cản để phổ biến công nghệ ethanol

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc phổ biến công nghệ phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol vẫn đối mặt với một số thách thức. Một trong số đó là việc thiết lập một chuỗi cung ứng nhiên liệu sinh học ethanol ổn định và đủ lớn để đáp ứng nhu cầu. Giá thành ethanol cũng là một yếu tố quan trọng, cần có các chính sách hỗ trợ để đảm bảo ethanol cạnh tranh về giá với diesel truyền thống. Về mặt kỹ thuật, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa hệ thống điều khiển động cơ, đảm bảo hoạt động hiệu quả và bền bỉ trong mọi điều kiện vận hành. Ngoài ra, việc đào tạo kỹ thuật viên và người sử dụng về cách vận hành và bảo dưỡng động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol cũng rất cần thiết. Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các hệ thống phun thông minh hơn, sử dụng AI và học máy để tự động điều chỉnh các thông số phun ethanol theo thời gian thực, nhằm tối đa hóa hiệu suất và giảm phát thải, đồng thời giảm thiểu chi phí chuyển đổi động cơ diesel sang ethanol.

V. Kết luận Tương lai của công nghệ phun ethanol đường nạp trong động cơ diesel ethanol

Tóm lại, việc nghiên cứu ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol đã khẳng định tiềm năng to lớn của phương pháp này trong việc cải thiện đáng kể hiệu suất công tác và giảm phát thải độc hại của động cơ. Từ việc tăng cường công suất, mô-men xoắn, đến giảm suất tiêu hao nhiên liệu riêng và đặc biệt là giảm nồng độ các chất gây ô nhiễm trong khí xả, phun ethanol đường nạp là một giải pháp kỹ thuật hiệu quả và bền vững. Những phát hiện này không chỉ mở ra cánh cửa cho sự phát triển của động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol thế hệ mới mà còn góp phần vào nỗ lực chung của toàn cầu trong việc chống lại biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường. Mặc dù còn tồn tại những thách thức về cơ sở hạ tầng và chi phí ban đầu, nhưng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật và sự hỗ trợ từ chính sách, công nghệ phun ethanol vào đường nạp chắc chắn sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong tương lai của ngành năng lượng và giao thông vận tải, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững và môi trường xanh sạch hơn. Đây là một bước tiến quan trọng trong hành trình chuyển đổi sang nhiên liệu sinh học ethanol.

5.1. Tầm quan trọng của việc tối ưu hóa Chìa khóa để mở khóa tiềm năng ethanol

Để phát huy tối đa ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol, việc tối ưu hóa các thông số vận hành là yếu tố then chốt. Điều này bao gồm việc tinh chỉnh thời điểm phun, áp suất phun, và tỷ lệ ethanol so với diesel. Mỗi thay đổi nhỏ trong các thông số này có thể dẫn đến những khác biệt đáng kể về hiệu suất, phát thải và độ bền của động cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng có một "điểm ngọt" để phun ethanol đường nạp mà tại đó động cơ hoạt động hiệu quả nhất. Việc tìm ra điểm này đòi hỏi sự kết hợp giữa mô phỏng tiên tiến, thí nghiệm thực tế và phân tích dữ liệu chuyên sâu. Chỉ khi các thông số này được tối ưu hóa một cách cẩn thận, động cơ diesel ethanol mới có thể đạt được hiệu suất vượt trội và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt. Đây là chìa khóa để khai thác toàn bộ tiềm năng của nhiên liệu sinh học ethanol.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo Nâng cao hiệu quả và tính khả thi của động cơ diesel ethanol

Hướng nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng phun ethanol vào đường nạp đến động cơ diesel ethanol sẽ tập trung vào việc nâng cao hơn nữa hiệu quả và tính khả thi của công nghệ này. Các lĩnh vực ưu tiên bao gồm phát triển vật liệu chống ăn mòn tốt hơn cho hệ thống nhiên liệu, nghiên cứu các chiến lược kiểm soát quá trình cháy tiên tiến hơn để ngăn chặn kích nổ và tối ưu hóa hiệu suất ở các tải trọng và tốc độ khác nhau. Ngoài ra, việc tích hợp các hệ thống cảm biến thông minh và điều khiển thích ứng (adaptive control) để tự động điều chỉnh thông số phun ethanol đường nạp theo thời kiện vận hành thực tế cũng là một hướng đi quan trọng. Nghiên cứu cũng cần mở rộng sang các loại động cơ diesel khác nhau, từ động cơ xe tải nặng đến động cơ hàng hải, để đánh giá tính ứng dụng phổ quát của nhiên liệu sinh học ethanol. Những nỗ lực này sẽ giúp đưa động cơ diesel ethanol trở thành một giải pháp bền vững và được chấp nhận rộng rãi trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt.

Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên. Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn.

Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam. Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 6 ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong. Tổng quan về nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) 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 thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [4].

NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Methanol, Ethanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau: * Ưu điểm: + Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. + Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…).

* Nhược điểm: - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọa tới an ninh lương thực. - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 7 - Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose - có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao. - NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ bị biến tính phân hủy theo thời gian).

Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ [4]: - NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ động vật, dầu thực vật,… - NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose. Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa.

- NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5 ÷ 300 lần để sản xuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 ÷ 2 lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 ÷ 10 ngày tùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể. Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch. Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể tên như sau: - Bioethanol; - Biodiesel; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.

Trong đó bio-ethanol (gọi tắt là ethanol) được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc. Ethanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng ethanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp. Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới.

Ethanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như ngô, khoai tây, củ cải đường… Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu để chế tạo ra cồn ethanol. Ở Brazil thì ethanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì ethanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm.

Ngoài ra ethanol còn có thể được sản xuất từ gỗ. Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Nhiên liệu ethanol 1. Tính chất vật lý của ethanol Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan vô hạn trong nước.

Sở dĩ ethanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 9 Một số tính chất vật lý thể hiện trong bảng 1. Tính chất vật lý của ethanol TT Tính chất Giá trị 1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O 2 Phân tử gam 46,07 g/mol 3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt dễ cháy 4 Tỷ trọng 0,789 5 Độ nhớt 1,2 cP ở 20oC 6 Độ tan trong nước Tan hoàn toàn 7 Nhiệt độ sôi 78,4oC (351,6 K) 8 Nhiệt độ tan 158,8 K (-114,3 oC) 9 Điểm tới hạn 514 K 10 pH 7,0 (trung tính) 11 Cp 65,21 J/mol.K Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, 12 Tác động cấp tính ngừng thở trong trường hợp nặng 13 Tác động kinh niên Nghiện, xơ gan 14 Nhiệt độ tự cháy 425 oC 15 Mật độ giới hạn nổ 3,5 ÷ 15% 1. Công nghệ sản xuất ethanol  Phương pháp hydrat hóa etylen Cho etylen hợp nước ở 300 0C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit: CH2 = CH2 + H2O  CH3-CH2-OH Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất có độ xốp cao như diatomit hay than củi.

Chất xúc tác này được công ty Shell sử dụng để sản xuất ethanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 10 Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại axit: CH2 = CH2 + H2SO4  CH3-CH2OSO3H CH3-CH2OSO3H + H2O  CH3-CH2-OH + H2SO4 Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại như: methanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê. Ethanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 ÷ 1987 [4].

 Công nghệ lên men sản xuất ethanol Ethanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.