MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Giao thông vận tải hiện đang phải đối mặt với hai thách thức lớn là sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch và vấn đề ô nhiễm môi trường. Nhiên liệu hóa thạch vẫn sẽ là nguồn năng lượng chính cho ngành giao thông trong nhiều thập kỷ tới, tuy nhiên xu hướng này không thể kéo dài mãi. Mặt khác, áp lực từ vấn đề ô nhiễm môi trường khiến các nhà chức trách trên khắp thế giới đưa ra các điều luật buộc ngành công nghiệp ô tô và hóa dầu phải phát triển các công nghệ mới nhằm giảm phát thải và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu.
Hiện nay, tính chung mỗi ngày thế giới tiêu thụ khoảng 86 triệu thùng dầu thô, trong đó 70% dùng cho động cơ đốt trong. Kèm theo đó là vấn đề về ô nhiễm môi trường bởi các chất thải từ động cơ như ôxít nitơ (NOx), phát thải hạt (PM), cacbon mônôxít (CO), hydrocacbon (HC), cacbon điôxít (CO2). Vấn đề ô nhiễm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống, sức khỏe con người và sinh vật trên Trái đất. Do đó các nước trên thế giới hầu hết đều áp dụng các quy định ngày càng nghiêm ngặt hơn về phát thải ô nhiễm từ phương tiện giao thông.
Nhằm đạt các mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, đồng thời tận dụng các phế phẩm, phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất ra các nguồn năng lượng tái tạo, nhiên liệu sinh học được xem như một ứng viên sáng giá cho việc thay thế một phần hoặc hoàn toàn các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Trong số những loại nhiên liệu được tìm kiếm và nghiên cứu thì sinh khối lignoxenluloza, có thể được chiết xuất từ các phế phẩm và phụ phẩm nông nghiệp như gỗ vụn, trấu, rơm rạ hoặc các loài cỏ dại. Đây là nguồn nguyên liệu phong phú, thích hợp cho sản xuất ở quy mô công nghiệp để trở thành nguồn năng lượng thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống. Từ sinh khối lignoxenluloza có thể thu nhận được một loạt các hóa chất cơ bản hoặc hợp chất trung gian tạo ra năng lượng như etanol, butanol, lacton hay methylfuran và dimethylfuran.
Trong đó các hợp chất xx furan được xem là phụ gia triển vọng của nhiên liệu động cơ. Một trong những dẫn xuất furan được quan tâm nghiên cứu là 2,5-dimethylfuran (DMF), là chất không tan trong nước được sử dụng làm phụ gia phối trộn với nhiên liệu truyền thống. DMF có nhiệt độ sôi khoảng 94C, với năng suất tỏa nhiệt khoảng 31,5 MJ/l gần tương đương với xăng (khoảng 35 MJ/l), và cao hơn hẳn so với etanol (khoảng 23 MJ/l). Trên thế giới đã có một số nghiên cứu về việc tổng hợp, thu nhận dimethylfuran từ sinh khối lignoxenluloza ứng dụng làm phụ gia cho nhiên liệu.
Quá trình thực hiện chủ yếu từ việc hydro hóa chọn lọc hydroxymethylfurfural (HMF) thành DMF sử dụng xúc tác kim loại trong dung môi hữu cơ. Năm 2007, các phương pháp cải tiến sản xuất 2-methlyfuran (MF) và DMF từ nguồn đường fructôzơ đã được công bố. Cả hai sản phẩm được sản xuất theo phương pháp này đều được xem là các loại nhiên liệu sinh học tái tạo được. Chúng có thể được sử dụng rộng rãi để thay thế cho xăng hóa thạch.
Trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam hiện nay, khi xăng pha cồn etanol đã được đưa vào sử dụng hơn 10 năm nay, tuy nhiên hiệu quả kinh tế xã hội còn chưa rõ rệt và tiến triển chậm (do giá thành sản xuất etanol kém cạnh tranh và vấn đề ảnh hưởng đến an ninh lương thực) thì việc nghiên cứu để tìm ra một loại nhiên liệu thay thế mới, có hiệu quả tốt hơn là điều hết sức cần thiết và cấp bách. Từ những luận cứ trên, có thể thấy rằng: “Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng” là một vấn đề rất cấp thiết trong bối cảnh hiện nay. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài a) Mục tiêu lý thuyết: - Nghiên cứu tổng quan quy trình sản xuất, tính chất lý hóa và khả năng ứng dụng của DMF trên các loại động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ cháy cưỡng bức (SI) làm cơ sở để xác định khoảng trống và định hướng cho quá trình nghiên cứu. xxi - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ SI sử dụng nhiên liệu DMF để tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 trên động cơ xăng.
b) Mục tiêu thực nghiệm: - Nghiên cứu tính toán mô phỏng với sự hỗ trợ của phần mềm AVL-Boost nhằm đánh giá các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ SI khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF. - Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng trên động cơ SI nhằm so sánh với kết quả mô phỏng cũng như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: - Về nhiên liệu: xăng thương phẩm RON95 và DMF. - Về động cơ: động cơ cháy cưỡng bức.
b) Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của đề tài là thế hệ động cơ xăng điển hình được lắp đặt trên các xe ô tô con thông dụng với dải công suất từ 50 đến 100 kW. Các nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành với các nhiên liệu: xăng RON95 và hỗn hợp phối trộn như 10DMF, 20DMF và 30DMF (tương ứng với thành phần DMF trong hỗn hợp lần lượt là 10%, 20% và 30% theo thể tích với xăng thương phẩm RON95) nhằm đánh giá các đặc tính công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải (NOx, HC và CO) theo đặc tính tải và đặc tính ngoài của động cơ. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Về khoa học Luận án có ý nghĩa trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết và chuyển đổi động cơ xăng truyền thống sang sử dụng nhiên liệu DMF. Đây là cơ sở cho việc cải thiện tính xxii năng kỹ thuật và phát thải cho động cơ xăng truyền thống khi sử dụng các nguồn nhiên liệu tái tạo có tiềm năng ở nước ta.
Nghiên cứu sẽ góp phần đưa ra đánh giá về mặt kỹ thuật khi sử dụng DMF làm nhiên liệu thay thế cho xăng, một phương án hiện đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu và phát triển. b) Về thực tiễn Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ xăng. Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu xăng pha trộn với DMF theo một tỷ lệ phối trộn hợp lý. Phương pháp nghiên cứu a) Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu tổng quan các nghiên cứu gần đây làm cơ sở cho việc đưa ra định hướng và nội dung chi tiết của nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở chuyển đổi động cơ sử dụng xăng truyền thống sang sử dụng nhiên liệu DMF và thiết lập các chế độ vận hành cho động cơ b) Nghiên cứu mô phỏng Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng và tính toán mô phỏng quá trình làm việc của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DMF-xăng RON95 bằng phần mềm AVL-Boost.
c) Nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi sử dụng nhiên liệu DMF, qua đó xây dựng phương án tối ưu các thông số làm việc của động cơ khi chuyển sang dùng loại nhiên liệu mới này. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu DMF. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF. - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng quá trình làm việc của động cơ để xác định các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DMF bằng phần mềm AVL-Boost.
- Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu DMF. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình sản xuất 2,5-dimethylfuran 1.1 Quy trình sản xuất 2,5-dimethylfuran từ sinh khối Hơn 75% sinh khối như ngô, cây cối và cỏ, đều có chứa thành phần cacbohydrat (chẳng hạn như tinh bột và xenlulôzơ). Các cacbohydrat thường tồn tại dưới dạng các chuỗi polyme bao gồm hàng ngàn đơn vị (glucôzơ hoặc fructôzơ). Mỗi đơn vị có sáu nguyên tử cacbon và một nguyên tử ôxy, có nghĩa là các phân tử sinh khối chứa hơn 100 nguyên tử cacbon.
Ngược lại, nhiên liệu chung cho động cơ đốt trong thường có các phân tử gồm 5 đến 15 nguyên tử cacbon. Do đó, những thách thức chính trong việc biến đổi sinh khối sang nhiên liệu sinh học là chia nhỏ các phân tử và loại bỏ nguyên tử ôxy [1]. Cho đến nay, các phương pháp chính sử dụng sinh khối để điều chế DMF bao gồm hai cách, như thể hiện trong Hình 1.1 Sơ đồ các bước điều chế DMF từ sinh khối [2] 2 Phương pháp đầu tiên là tiền xử lý sinh khối và làm giảm nó xuống glucôzơ hoặc fructôzơ trước khi ba nguyên tử ôxy được lấy ra khỏi glucôzơ hoặc fructôzơ bằng cách tách nước chọn lọc để tạo thành HMF. Cuối cùng, HMF có thể được chuyển đổi thành DMF bằng quá trình thủy phân.
Con đường thứ hai là để sinh khối, bao gồm xenlulôzơ hoặc glucôzơ, chuyển hóa thành 5-chloromethylfurfural (CMF) bằng cách tách nước đầu tiên. Sau đó, chuyển CMF thành DMF bằng quá trình thủy phân [3].1 Chuyển đổi sinh khối sang DMF với chất trung gian là HMF Là một chất trung gian quan trọng trong quá trình chuyển đổi sinh khối sang DMF, HMF đã được nghiên cứu rộng rãi về hiệu quả chuyển đổi. Những thành tựu gần đây của các nghiên cứu mở rộng được liệt kê trong Bảng 1.
