Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu LPG- ethanol cho động cơ đốt trong. Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết quá trình cháy. Chương 3: Mô phỏng quá trình nạp, cháy và phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy chạy bằng LPG-ethanol. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả mô phỏng.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Xe gắn máy là phương tiện giao thông cá nhân chính ở nước ta, là nguyên nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí và phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Vì vậy việc nghiên cứu phát triển công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm của xe gắn máy có ý nghĩa thực tiễn rất thiết thực. Cùng với sự phát triển các loại phương tiện chạy điện hay hydrogen, việc sử 5 luan an dụng nhiên liệu thay thế, tái tạo trên ô tô, xe gắn máy là giải pháp phù hợp để thay thế xăng dầu truyền thống. Ethanol, nhiên liệu tái tạo, đã được pha vào xăng thành hỗn hợp nhiên liệu sử dụng trên động cơ đốt trong.
LPG, nhiên liệu thay thế, từ lâu đã được sử dụng trên phương tiện giao thông và đã chứng minh tính ưu việt về mặt kinh tế và giảm phát thải ô nhiễm. Việc phối hợp sử dụng LPG và ethanol sẽ tận dụng được thế mạnh của cả hai loại nhiên liệu này để cải thiện quá trình cháy và nâng cao tính năng của động cơ. Do LPG và ethanol ở hai trạng thái khác nhau trong điều kiện môi trường nên việc ứng dụng chúng trên xe gắn máy cần xử lý những vấn đề liên quan đến cung cấp nhiên liệu và tổ chức quá trình cháy phức tạp hơn khi sử dụng hỗn hợp xăng-ethanol. Cho đến nay hầu như rất hiếm các kết quả nghiên cứu được công bố về vấn đề này.
Việc sử dụng công cụ mô phỏng kết hợp với kiểm chứng thực nghiệm ở một số chế độ vận hành xác định của động cơ để nghiên cứu là phương pháp phù hợp nhằm khắc phục những khó khăn về thực nghiệm trong môi trường cháy rối phức tạp. Nhờ đó, chúng ta có thể rút ra được những kết luận mang tính tổng quát nhằm định hướng cho việc phát triển công nghệ ứng dụng LPG-ethanol trên xe gắn máy. Các điểm mới chủ yếu của luận án Đặt nền tảng cho nghiên cứu phát triển việc ứng dụng nhiên liệu không cùng trạng thái trên xe gắn máy nói riêng và trên phương tiện cơ giới nói chung. Thiết lập được chương trình tính toán mô phỏng quá trình nạp nhiên liệu LPG-ethanol và quá trình cháy động cơ sử dụng nhiên liệu khí/lỏng nói chung.
Cải tạo hệ thống phun xăng của xe gắn máy thành hệ thống phun đa nhiên liệu lỏng/khí bằng cách bổ sung thêm vi mạch điều khiển kết nối với ECU của động cơ. Hệ thống này cho phép điều chỉnh được tỷ lệ các loại nhiên liệu cung cấp cho động cơ một cách linh hoạt, phù hợp với các chế độ vận hành của động cơ. Rút ra được các qui luật ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến tính năng kỹ thuật và mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ xe gắn máy để định hướng việc thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu và hệ thống điều khiển động cơ sử dụng LPG-ethanol. 6 luan an CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU LPG-ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.
Nhiên liệu sạch Năng lượng là vấn đề sống còn của toàn nhân loại. Con người đang khai thác đến mức cao nhất các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá…), làm cho chúng cạn kiệt với tốc độ phi mã. Theo hiệp hội các nhà sản xuất ô tô thế giới (OICA), đến năm 2015 toàn thế giới có khoảng 1,282 tỷ xe ô tô các loại đang lưu hành với tốc độ gia tăng liên tục qua các năm. Trung tâm nghiên cứu năng lượng Anh (UKERC), hội đồng năng lượng thế giới (WEC) và ngân hàng HSBC đều dự báo nguồn dầu mỏ sẽ cạn kiệt sau khoảng 40 năm nữa (2060) với mức khai thác như hiện nay [15].
Hiện nay mỗi ngày thế giới cần đến 100 triệu thùng dầu thô, nhưng trong vòng 20 năm nữa, nhu cầu này sẽ tăng lên 118 triệu thùng/ngày.1: Tổng lượng nhiên liệu lỏng thế giới sản xuất và tiêu thụ giai đoạn 2016÷2022 (triệu thùng/ ngày) [80] Hiện nay, nhu cầu xăng dầu nước ta đã 12 triệu tấn/năm, đến năm 2050 con số này sẽ lên đến 9098 triệu tấn/năm. Điều này đòi hỏi chúng ta phải có chiến lược về an ninh năng lượng, giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính theo lộ trình COP21 mà nước ta đã cam kết tham gia. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học 1. Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới Nhiều quốc gia trên thế giới ngày nay đã phát triển sử dụng nhiên liệu sinh học từ nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo được, thay thế một phần xăng dầu cho ngành giao thông vận tải như Brazil, Hoa Kỳ, Thái Lan, Đức, Pháp, Thụy Điển, Canada, Ấn Độ, Trung Quốc,.
Brazil là nước dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực sử dụng nhiên liệu sinh học với sản lượng ethanol cao nhất thế giới, khoảng chừng 14,7 triệu mét khối/năm. Từ năm 2017 đến nay mỗi năm Hoa Kỳ sản xuất 132.000 triệu lít nhiên liệu sinh học để giảm 20% lượng xăng dầu tiêu thụ [80]. Việc sử dụng E85 một hỗn hợp của 85% ethanol và 15% xăng cho các xe chạy nhiên liệu tái tạo FFV đã trở nên phổ biến ở Brazil. Pha trộn với tỷ lệ khác của ethanol trong xăng thường được sử dụng ở các nước khác nhau trên toàn thế giới, đặc biệt là Thụy Điển (5%), Hoa Kỳ (10%), Úc (10%), Canada (10%), Brazil (25%), [14], [21].2: Sản lượng ethanol (triệu gallon) top các nước hàng đầu thế giới [87] 1.
Tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam Ở Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007 về việc phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu 8 luan an sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”. Theo đó lộ trình áp dụng từ ngày 01/12/2014, xăng sinh học E5 được sản xuất để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tại 7 địa phương: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa-Vũng Tàu và chính thức sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ 01/12/2015. Xăng sinh học E10 (với mức hòa trộn là 10%) đã được sản xuất để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc từ ngày 01/12/2017 tuy nhiên đến nay vẫn đang sử dụng rất hạn chế [5]. Vai trò của nhiên liệu sinh học trong phát triển bền vững, trong đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 đã nêu rõ: Nhiên liệu sinh học là một dạng năng lượng mới, tái tạo cần được phát triển để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, cũng như góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường, phù hợp với xu thế phát triển chung trên thế giới.1: Tình hình sản xuất ethanol - sắn nguyên liệu pha chế xăng sinh học ở nước ta, [19] Công suất Tổng vốn Đối Nhà máy thiết kế Chủ đầu tư đầu tư tác (m3/năm) Ethanol Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), 2.000 Bình 100,000 Cty Toyo Thai New Energy LTE.
Ấn Độ tỷ đồng Phước (TTNE) và Cty Cổ phần Licogi 16 Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), Ethanol 2.258 Tổng Công ty CP DVTH Dầu Khí 100,000 Hoa Kỳ Dung Quất tỷ đồng (Petrosetco) và Công ty TNHH Lọc- Hóa dầu Bình Sơn (BSR). Tổng Công ty dầu Việt Nam (PVOil), Ethanol 2.485 100,000 Công ty TNHH Motor N.A Việt Nam, Hoa Kỳ Phú Thọ tỷ đồng Ngân hàng TMCP Đông Nam Á Ethanol 575 Trung 100,000 Công ty Cổ phần Đồng Xanh Đồng Xanh tỷ đồng Quốc Ethanol 928 Trung 60,000 Công ty TNHH Tùng Lâm Tùng Lâm tỷ đồng Quốc 9 luan an Cùng với xu hướng thế giới, các nhà khoa học Việt Nam đã và đang quan tâm nghiên cứu nhiên liệu sinh học hơn một thập kỷ qua, đã có khá nhiều kết quả nghiên cứu, ứng dụng khả quan được công bố. Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ đốt trong 1. Những đặc tính cơ bản của nhiên liệu LPG LPG là viết tắt của cụm từ Liquefied Petroleum Gas để chỉ khí dầu mỏ hóa lỏng.
Thành phần chủ yếu của LPG là cả propane (C3H8) và butane (C4H10). LPG có trị số octane cao (105) hơn cả xăng (91÷97), cả hai được tồn trữ riêng biệt hoặc chung với nhau như một hỗn hợp. Trong thành phần của LPG, thông thường pha trộn propane/butane với nhiều tỷ lệ khác nhau (30/70, 40/60 hay 50/50). Propane có nhiệt độ sôi thấp, ở -42°C so với -0,4°C đối với butane, nên propane được pha trộn với butane trong LPG với các tỉ lệ khác nhau để đảm bảo nhiên liệu có thể hóa hơi ở nhiệt độ môi trường khác nhau.
Ở áp suất khí quyển LPG hóa hơi và tồn tại dưới dạng khí. Ở dạng lỏng khối lượng riêng của LPG là 0,5 kg/m3. Khi ở dạng hơi LPG nặng hơn không khí từ 1,5 đến 2 lần; tỷ lệ giãn nở gấp khoảng 20 lần so với nước khi nhiệt độ thay đổi. Để đảm bảo an toàn, LPG chỉ được chứa đầy 85% thể tích bình.
LPG không màu, không mùi, không vị; để dễ nhận biết LPG khi bị rò rỉ người ta pha thêm ethyl mercaptane có mùi trứng thối đặc trưng. Nghiên cứu sử dụng LPG trên động cơ ô tô Thông thường có ba phương án sử dụng LPG trên động cơ xe ô tô, đó là sử dụng hoàn toàn LPG, sử dụng phối hợp xăng-LPG hoặc sử dụng theo phương thức dual fuel diesel và LPG. Việc tạo hòa khí LPG-không khí có thể thực hiện bằng bộ chế hòa khí kiểu venturi thông thường hay phun LPG dạng khí hoặc phun LPG lỏng trên đường nạp. Những hệ thống phun mới đang được nghiên cứu phát triển là phun LPG dạng lỏng trực tiếp vào buồng cháy.
Cũng như các loại nhiên liệu khí khác, việc lưu trữ LPG trên ô tô là vấn đề gây nhiều khó khăn nhất mặc dù áp suất hóa lỏng của LPG thấp, chỉ khoảng 7 bar [11].