Tổng quan luận án

Giao thông vận tải toàn cầu đang chịu tác động kép từ sự suy giảm nguồn nhiên liệu hóa thạch và yêu cầu giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường. Thống kê từ văn bản cho thấy toàn thế giới tiêu thụ khoảng 86 triệu thùng dầu thô mỗi ngày, trong đó 70% phục vụ cho động cơ đốt trong. Quá trình vận hành động cơ phát thải các chất ô nhiễm chính gồm ôxít nitơ ($\text{NO}_x$), phát thải hạt ($\text{PM}$), cacbon mônôxít ($\text{CO}$), hydrocacbon ($\text{HC}$) và cacbon điôxít ($\text{CO}_2$). Tại Việt Nam, nguồn sinh khối lignoxenluloza từ phế phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào; riêng sản lượng lúa đạt khoảng 34–37,6 triệu tấn/năm (chiếm 5,6% sản lượng lúa toàn cầu năm 2008), thải ra khoảng 55 triệu tấn rơm rạ mỗi năm cùng nhiều phụ phẩm như trấu, mùn cưa, bã mía, xơ dừa. Việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai như 2,5-dimethylfuran (DMF) nhằm thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch mà không ảnh hưởng đến an ninh lương thực là yêu cầu cấp thiết.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra bao gồm: các nghiên cứu quốc tế về DMF chủ yếu tập trung vào DMF nguyên chất hoặc hỗn hợp DMF–điêzen trên động cơ cháy nén, trong khi các công trình về hỗn hợp DMF–xăng trên động cơ cháy cưỡng bức thương mại còn hạn chế. Tại Việt Nam, chưa có công bố nào nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng chuyên sâu về việc sử dụng hỗn hợp DMF–xăng thương phẩm trên dòng động cơ ô tô con phổ biến.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được chia thành hai nhóm:

  1. Mục tiêu lý thuyết:
    • Nghiên cứu tổng quan quy trình sản xuất, tính chất lý hóa và khả năng ứng dụng của DMF trên động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ cháy cưỡng bức (SI), làm cơ sở xác định khoảng trống và định hướng nghiên cứu.
    • Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ SI sử dụng DMF nhằm tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật và phát thải khi sử dụng hỗn hợp DMF–xăng RON95.
  2. Mục tiêu thực nghiệm:
    • Nghiên cứu tính toán mô phỏng với sự hỗ trợ của phần mềm AVL-Boost nhằm đánh giá 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 để so sánh với kết quả mô phỏng và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kỹ thuật, phát thải khi sử dụng các hỗn hợp nhiên liệu DMF.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu xăng thương phẩm RON95 và 2,5-dimethylfuran (DMF); động cơ cháy cưỡng bức (động cơ xăng Toyota 1NZ-FE).
  • Phạm vi nghiên cứu: Động cơ xăng điển hình lắp trên xe ô tô con thương mại công suất 50–100 kW. Các loại nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng RON95 nguyên chất và các hỗn hợp phối trộn 10DMF, 20DMF, 30DMF (tương ứng 10%, 20% và 30% thể tích DMF pha trong xăng RON95). Khảo sát đặc tính công suất ($N_e$), suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$, $\text{BSFC}$), và phát thải ($\text{NO}_x$, $\text{HC}$, $\text{CO}$) theo đặc tính ngoài (100% tải) và đặc tính tải tại tốc độ 3000 vg/ph.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế theo ba nhóm vấn đề chính:

  1. Công nghệ sản xuất DMF từ sinh khối: Các phương pháp điều chế DMF từ đường và sinh khối qua các hợp chất trung gian 5-hydroxymethylfurfural (HMF) và 5-chloromethylfurfural (CMF):
  • Yuriy và cộng sự (2007) [14]: Điều chế DMF từ fructôzơ qua trung gian HMF sử dụng xúc tác $\text{HCl}$ trong dung dịch $\text{NaCl}$ 35%, chiết xuất bằng 1-butanol, sau đó hydro hóa bằng xúc tác $\text{CuRu/C}$ đạt hiệu suất chuyển đổi 62–70%.
  • Zhao (2007) [5]: Nghiên cứu xúc tác $\text{CrCl}_2$ trong chất lỏng ion $[\text{EMIM}][\text{Cl}]$, chuyển đổi glucôzơ thành HMF đạt hiệu suất khoảng 70%.
  • Shimizu và cộng sự (2009) [6]: Tách nước fructôzơ trong dung môi $\text{DMSO}$ với các xúc tác axit rắn $\text{FePW}{12}\text{O}{40}$, H-BEA zeolite, và Amberlyst-15-P ở 120°C trong 2 giờ, đạt hiệu suất HMF từ 97% đến 100%.
  • Yong và cộng sự (2008) [7]: Ứng dụng hệ thống $\text{NHC-CrCl}_2/[\text{BMIM}][\text{Cl}]$, đạt hiệu suất chuyển đổi HMF 96% từ fructôzơ và 81% từ glucôzơ ở 100°C trong 6 giờ.
  • Binder và cộng sự (2009) [4]: Chuyển đổi sinh khối lignoxenluloza (rơm ngô, xenlulôzơ) thành HMF đạt hiệu suất 48–92%, hydro hóa HMF thành DMF bằng $\text{Cu:Ru/C}$ trong 1-butanol đạt 49%, và chuyển hóa trực tiếp rơm rạ thành DMF trong một bước đạt hiệu suất 9%.
  • Li và cộng sự (2009) [11]: Chuyển đổi xenlulôzơ thành HMF dưới bức xạ vi sóng với xúc tác $\text{CrCl}_3$ trong $[\text{BMIM}][\text{Cl}]$ đạt hiệu suất 91% trong 1 phút.
  • Su và cộng sự (2009) [16]: Phân đoạn xenlulôzơ bằng cặp xúc tác $\text{CuCl}_2$ và $\text{CrCl}_2$ trong $[\text{EMIM}][\text{Cl}]$ ở 80–120°C, thu hồi HMF đạt hiệu suất 51–59% với độ tinh khiết 96%.
  • Chun và cộng sự (2010) [13]: Sản xuất HMF từ tinh bột sắn sử dụng $[\text{OMIM}][\text{Cl}]$ và xúc tác $\text{CrCl}_2$ kết hợp $\text{HCl}$ 0,5M ở 120°C trong 2 giờ, đạt hiệu suất 73% khối lượng.
  • Mascal và cộng sự (2008) [18]: Tách CMF từ xenlulôzơ và glucôzơ qua $\text{HCl}$ đặc và 1,2-dichloroethane, sau đó hydro hóa CMF bằng xúc tác $\text{Pd/C}$ để tạo thành DMF.
  1. Nghiên cứu sử dụng DMF trên động cơ đốt trong:
  • Sử dụng DMF nguyên chất trên động cơ xăng: Guohong Tian và cộng sự (2010) [26] dùng hệ thống phân tích hạt pha Doppler (PDPA) chỉ ra cấu trúc tia phun của DMF tương đồng với xăng, chiều dài tia phun của xăng ngắn hơn khoảng 10% so với DMF và D50; Guohong Tian và cộng sự [27, 28] khảo sát tốc độ lan truyền màng lửa ở 0,1 MPa và 50–100°C cho thấy tốc độ lan truyền màng lửa của DMF tương đương xăng; Shaohua Zhong và cộng sự (2010) [29] trên động cơ DISI xác định để cung cấp năng lượng tương đương 1 lít xăng cần 1,073 lít DMF (so với 1,512 lít etanol), xu hướng kích nổ của DMF xuất hiện ở tải $\text{IMEP} > 5,5\text{ bar}$; Ritchie Daniel và cộng sự (2011) [30] đánh giá góc đánh lửa và năng suất tỏa nhiệt của DMF cao hơn etanol khoảng 25% (6,8 MJ/kg).
  • Sử dụng hỗn hợp DMF–điêzen trên động cơ điêzen: Zhang và cộng sự (2014) [31] thử nghiệm D0, D20, D40 và G40 với hệ thống luân hồi khí xả EGR, kết luận thời gian cháy trễ của D40 dài hơn đáng kể so với G40 và điêzen do chỉ số octan cao; Helin Xiao và cộng sự (2014, 2015) [22, 32] trên động cơ DICI chỉ ra D30 giúp tăng hiệu suất nhiệt phanh (BTE) thêm 6,4% ở mức tải $\text{BMEP} = 0,88\text{ MPa}$, giảm phát thải hạt về gần bằng 0 ở mức phối trộn D40, giảm phát thải benzen và 1,3-butadien nhưng làm tăng phát thải axetandehit; Wei và cộng sự (2014) [33] chứng minh DMF làm tăng hiệu suất tỏa nhiệt và giảm phát thải hạt; Guisheng Chen và cộng sự (2012) [23] so sánh D30, B30 và G30 trên động cơ CI nhiều xi lanh.
  • Sử dụng hỗn hợp DMF–xăng trên động cơ xăng: Christensen và cộng sự (2011) [35] khảo sát tính chất vật lý của hỗn hợp DMF–xăng; David A. Rothamer và cộng sự (2012) [24] nghiên cứu đặc tính chống kích nổ của các hỗn hợp DMF5, DMF10, DMF15 và E10 tại góc đánh lửa sớm $-20^\circ\text{ CAD ATDC}$, ghi nhận DMF10 và DMF15 có khả năng chống kích nổ tương tự nhau và tốt hơn xăng nguyên chất.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Thiết lập quy trình tính toán nhiệt động học mô phỏng 1D trên phần mềm AVL-Boost và xây dựng hệ thống thực nghiệm trên động cơ ô tô con thương mại (Toyota 1NZ-FE) nhằm định lượng cụ thể sự biến thiên của công suất ($N_e$), mômen ($M_e$), suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$) và nồng độ phát thải ($\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$) theo các tỷ lệ phối trộn 10%, 20%, 30% DMF trong xăng thương phẩm RON95 tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Lý thuyết quá trình cháy của DMF: Cơ chế phân hủy nhiệt, động học phản ứng oxy hóa và nhiệt phân của DMF. Luận án phân tích cấu trúc vòng furan $C_6H_8O$ với liên kết đôi $C=C$ và nhóm thế methyl.
  • Cơ chế hình thành phát thải: Quá trình hình thành $\text{NO}_x$ nhiệt được mô tả theo cơ chế Zeldovich mở rộng với hệ ba phương trình phản ứng thuận nghịch:
STT Phương trình phản ứng hình thành $\text{NO}_x$
1 $\text{O} + \text{N}_2 \rightleftharpoons \text{NO} + \text{N}$
2 $\text{N} + \text{O}_2 \rightleftharpoons \text{NO} + \text{O}$
3 $\text{N} + \text{OH} \rightleftharpoons \text{NO} + \text{H}$

Sự hình thành $\text{CO}$ và $\text{HC}$ được mô tả qua các phản ứng oxy hóa chưa hoàn toàn phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí $\lambda$, hàm lượng oxy liên kết trong phân tử DMF (16,67% khối lượng) và nhiệt độ cực đại trong buồng cháy.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng:
  • Sử dụng phần mềm mô phỏng nhiệt động một chiều AVL-Boost của hãng AVL (Cộng hòa Áo) để thiết lập mô hình buồng cháy, hệ thống nạp, xả và cơ chế truyền nhiệt động cơ.
  • Thiết lập hệ phương trình bảo toàn khối lượng, bảo toàn năng lượng và phương trình trạng thái khí thực đối với hệ nhiệt động hở trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu ($\alpha$).
  1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
  • Động cơ thử nghiệm: Động cơ xăng 4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng Toyota 1NZ-FE, phun xăng điện tử đa điểm (PFI), trang bị hệ thống điều khiển van biến thiên thông minh VVT-i.
  • Hệ thống thiết bị đo đạc: Băng thử động lực học cao (High Dynamic Engine Test Bed - ETB) để đo mômen, công suất và tốc độ động cơ; hệ thống đo tiêu hao nhiên liệu tự động; tủ phân tích khí xả công nghệ biến đổi Fourier hồng ngoại (FTIR - Fourier Transform Infrared) để đo nồng độ các thành phần phát thải $\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$.
  • Chế độ thử nghiệm: Khảo sát ở hai chế độ chính:
    • Chế độ đặc tính ngoài (toàn tải 100%, bướm ga mở hoàn toàn) với dải tốc độ trục khuỷu từ 1500 vg/ph đến 6000 vg/ph, bước chuyển 500 vg/ph, duy trì $\lambda = 1$.
    • Chế độ đặc tính tải tại tốc độ định mức 3000 vg/ph với các mức tải từ thấp đến toàn tải.
  1. Nguồn tư liệu và dữ liệu nhiên liệu: Dữ liệu tính chất hóa lý của các loại nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu được tổng hợp và đối chiếu từ các công trình chuẩn:
Tính chất DMF Xăng RON95 Etanol 1-butanol Điêzen
Công thức hóa học $\text{C}_6\text{H}_8\text{O}$ $\text{C}n\text{H}{1,87n}$ $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$ $\text{C}4\text{H}{10}\text{O}$ $\text{C}n\text{H}{1,8n}$
Khối lượng phân tử (g/mol) 96,13 100–105 46,07 74,12 ~170
Hàm lượng oxy (% khối lượng) 16,67 0 34,78 21,6 0
Hàm lượng hydro (% khối lượng) 8,32 ~14 13,02 13,49 ~13
Hàm lượng cacbon (% khối lượng) 75,01 ~86 52,2 64,91 ~87
Tỷ lệ A/F lý thuyết (kg không khí/kg nhiên liệu) 10,72 14,7 8,95 11,2 14,3
Khối lượng riêng ở 20°C ($\text{kg/m}^3$) 889,7 744,6 790,9 810 820
Ẩn nhiệt hóa hơi ở 25°C (kJ/kg) 389,1 351 919,6 707,9 270–301
Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 33,7 42,9 26,9 33,2 42,5
Điểm sôi (°C) 93 27–225 77,3 117,25 180–370
Độ tan trong nước ở 20°C (% khối lượng) 0,26 Không tan Hòa tan hoàn toàn 7,7 Không đáng kể
Chỉ số octan nghiên cứu (RON) 119 95 110 98 –
Độ nhớt động học ở 20°C (cSt) 0,57 0,37–0,44 1,5 3,6 2,0–4,5

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học về nguồn gốc, công nghệ sản xuất, tính chất hóa lý của 2,5-dimethylfuran (DMF) và tình hình ứng dụng DMF trên động cơ đốt trong trên thế giới và tại Việt Nam.

Nội dung trọng tâm của chương:

  • Quy trình sản xuất DMF từ sinh khối: Phân tích hai lộ trình hóa học chính gồm: (1) Sinh khối chuyển hóa thành HMF qua phản ứng tách nước có xúc tác axit, sau đó hydro hóa chọn lọc thành DMF; (2) Sinh khối chuyển hóa thành CMF, sau đó hydro hóa xúc tác $\text{Pd/C}$ thành DMF.
  • Tổng hợp các hệ xúc tác điều chế HMF: Xúc tác axit vô cơ ($\text{HCl}$, $\text{H}_2\text{SO}_4$), muối kim loại chuyển tiếp ($\text{CrCl}_2$, $\text{CrCl}_3$, $\text{CuCl}2$, $\text{SnCl}4$), axit dị đa ($\text{FePW}{12}\text{O}{40}$), zeolit (H-BEA), nhựa trao đổi ion (Amberlyst-15-P) kết hợp các dung môi hữu cơ ($\text{DMSO}$, $\text{DMA}$) và chất lỏng ion ($[\text{EMIM}][\text{Cl}]$, $[\text{BMIM}][\text{Cl}]$, $[\text{OMIM}][\text{Cl}]$). Hiệu suất thu hồi HMF đạt từ 55,4% đến 100% tùy điều kiện phản ứng.
  • Đánh giá tiềm năng sản xuất DMF tại Việt Nam: Nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp khổng lồ với 55 triệu tấn rơm rạ mỗi năm, cùng trấu và mùn cưa là nguồn nguyên liệu lignoxenluloza bền vững, không cạnh tranh với lương thực.
  • Đánh giá các nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích các đặc tính phun tơi, tốc độ lan truyền ngọn lửa tầng, sự biến thiên hiệu suất nhiệt chỉ thị, giới hạn kích nổ và các phát thải độc hại ($\text{NO}_x$, $\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{PM}$, benzen, 1,3-butadien, axetandehit) khi sử dụng DMF nguyên chất trên động cơ SI, DMF–điêzen trên động cơ CI và DMF–xăng trên động cơ SI. Từ đó, xác định hướng nghiên cứu khả thi tại Việt Nam là khảo sát hỗn hợp DMF phối trộn với xăng RON95 ở các tỷ lệ 10%, 20% và 30% trên động cơ xăng thương mại.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DMF

Chương 2 trình bày khung lý thuyết nhiệt động lực học và động học hóa học ứng dụng cho quá trình làm việc của động cơ xăng khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu hỗn hợp DMF–xăng.

Nội dung trọng tâm của chương:

  • Cơ chế hóa học quá trình phân hủy và oxy hóa DMF: Phân tích phản ứng bẻ gãy liên kết $C-H$ tại nhóm methyl và vòng furan, cơ chế tách gốc tự do, các phản ứng trung gian tạo thành phân tử vòng thơm và muội than trong điều kiện thiếu oxy cục bộ.
  • Phân tích độ nhạy của vận tốc cháy: Đánh giá ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ khí nạp ban đầu và hệ số đương lượng ($\phi$) đến vận tốc cháy tầng của hỗn hợp DMF–không khí.
  • Hệ phương trình mô tả hệ nhiệt động trong phần mềm AVL-Boost: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả tốc độ biến thiên khối lượng môi chất trong xi lanh ($\frac{dm_c}{d\alpha}$), tốc độ biến thiên nội năng ($\frac{dU}{d\alpha}$), công chỉ thị sinh ra ($\frac{dW}{d\alpha}$) và nhiệt lượng truyền qua thành buồng cháy ($\frac{dQ_w}{d\alpha}$) theo mô hình truyền nhiệt Woschni.
  • Mô hình hóa quá trình tạo phát thải: Mô hình hóa phản ứng oxy hóa không hoàn toàn của cacbon tạo thành $\text{CO}$, quá trình dập tắt màng lửa tại vách buồng cháy tạo ra $\text{HC}$, và cơ chế Zeldovich nhiệt độ cao hình thành $\text{NO}_x$.

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ XĂNG SỬ DỤNG CÁC HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DMF

Chương 3 trình bày việc xây dựng mô hình mô phỏng chu trình công tác của động cơ Toyota 1NZ-FE trên phần mềm AVL-Boost và tính toán đánh giá các thông số đầu ra ở hai chế độ tải: 100% tải và 50% tải.

Nội dung trọng tâm của chương:

  • Thông số kỹ thuật động cơ 1NZ-FE đưa vào mô hình mô phỏng: Động cơ xăng 4 kỳ, 4 xi lanh, đường kính xi lanh $75\text{ mm}$, hành trình piston $84,7\text{ mm}$, dung tích công tác $1497\text{ cm}^3$, tỷ số nén 10,5:1.
  • Thông số hòa trộn và năng lượng lý thuyết: Xác định tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết ($A/F$) và nhiệt trị thấp của từng loại hỗn hợp:
Loại nhiên liệu Tỷ lệ thể tích DMF (%) Tỷ lệ A/F lý thuyết Nhiệt trị thấp $Q_H$ (MJ/kg)
Xăng RON95 0 14,70 42,90
10DMF 10 14,24 41,83
20DMF 20 13,80 40,80
30DMF 30 13,38 39,81
  • Kết quả mô phỏng tại chế độ 100% tải ($\lambda = 1$):
    • Công suất ($N_e$) và mômen ($M_e$): Khi tăng tỷ lệ phối trộn DMF từ 10% đến 30%, công suất và mômen cực đại của động cơ có xu hướng tăng nhẹ so với xăng RON95 nguyên chất nhờ tốc độ cháy nhanh và nhiệt độ cháy cao.
    • Suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$): Tăng dần theo tỷ lệ pha DMF do nhiệt trị thấp của DMF (33,7 MJ/kg) nhỏ hơn xăng RON95 (42,9 MJ/kg).
    • Hiệu suất nhiệt: Đạt mức tương đương và có xu hướng tăng nhẹ khi phối trộn DMF nhờ thành phần oxy có sẵn trong phân tử DMF thúc đẩy quá trình cháy kiệt.
    • Đặc tính phát thải: Nồng độ phát thải $\text{CO}$ và $\text{HC}$ giảm dần khi tăng nồng độ DMF trong hỗn hợp; phát thải $\text{NO}_x$ tăng cục bộ ở dải tốc độ cao do nhiệt độ khí cháy cực đại trong xi lanh tăng.
  • Kết quả mô phỏng tại chế độ 50% tải ($\lambda = 1$): Xu hướng biến thiên của công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và các thành phần khí xả diễn ra tương tự như chế độ 100% tải, trong đó phát thải $\text{CO}$ và $\text{HC}$ giảm rõ rệt ở mức tải trung bình.

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thực nghiệm đối chứng trên băng thử động cơ tại phòng thí nghiệm, phân tích dữ liệu đo đạc thực tế và so sánh đối chứng với kết quả tính toán mô phỏng.

Nội dung trọng tâm của chương:

  • Chuẩn bị nhiên liệu: Pha trộn xăng thương phẩm RON95 với DMF nguyên chất theo các tỷ lệ thể tích 10%, 20%, 30% để tạo thành 10DMF, 20DMF và 30DMF. Kiểm tra độ ổn định pha và độ đồng nhất cơ bản của hỗn hợp.
  • Bố trí thí nghiệm: Lắp đặt động cơ 1NZ-FE trên băng thử High Dynamic Engine Test Bed, kết nối tủ phân tích khí xả FTIR, cảm biến áp suất buồng cháy, hệ thống đo tiêu hao nhiên liệu trọng lượng, và cảm biến nhiệt độ khí nạp/khí xả.
  • Kết quả thực nghiệm về công suất và tính kinh tế nhiên liệu:
Loại nhiên liệu Công suất cực đại $N_{e,\text{max}}$ (kW) Suất tiêu hao nhiên liệu $g_e$ (g/kWh) tại $N_{e,\text{max}}$
RON95 Cơ sở Cơ sở
10DMF Tăng nhẹ (khoảng 0,8–1,5%) Tăng 2,1–3,2%
20DMF Tăng 1,2–2,4% Tăng 4,5–5,8%
30DMF Tăng 1,8–3,1% Tăng 6,9–8,4%
  • Kết quả thực nghiệm về phát thải:
    • Phát thải $\text{CO}$: Giảm liên tục khi tăng tỷ lệ DMF theo cả đặc tính ngoài và đặc tính tải (ở 3000 vg/ph), mức giảm đạt từ 5% đến 18% so với xăng RON95 nhờ lượng oxy phân tử trong DMF hỗ trợ phản ứng oxy hóa cacbon.
    • Phát thải $\text{HC}$: Giảm rõ rệt trên toàn dải vận hành do quá trình cháy diễn ra hoàn thiện hơn và màng lửa dập tắt ở vách giảm.
    • Phát thải $\text{NO}_x$: Có xu hướng tăng từ 3% đến 12% so với khi chạy xăng RON95, đặc biệt ở vùng tải cao do nhiệt độ buồng cháy tăng.
  • So sánh đối chứng mô phỏng và thực nghiệm: Kết quả tính toán mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost đối với hỗn hợp 10DMF ở đặc tính ngoài cho thấy mức độ sai lệch về công suất ($N_e$) và suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$) nằm trong giới hạn cho phép ($< 5%$). Các đường đặc tính phát thải $\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$ mô phỏng phản ánh đúng quy luật biến thiên của số liệu thực nghiệm trên băng thử FTIR.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  • Xây dựng hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết nhiệt động và phương pháp mô phỏng quá trình công tác của động cơ cháy cưỡng bức thương mại khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng pha 2,5-dimethylfuran trên phần mềm AVL-Boost.
  • Làm sáng tỏ quy luật ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn DMF (10%, 20%, 30% theo thể tích) trong xăng RON95 đến diễn biến quá trình cháy, tốc độ tỏa nhiệt, áp suất cực đại trong xi lanh và cơ chế hình thành các chất phát thải ô nhiễm ($\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$).
  • Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn về đặc tính công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và thành phần khí thải của động cơ ô tô con 1NZ-FE vận hành bằng các hỗn hợp DMF–xăng, phục vụ làm cơ sở đối chứng cho các mô hình tính toán lý thuyết.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  • Chứng minh tính khả thi kỹ thuật của việc sử dụng hỗn hợp DMF–xăng (đặc biệt là 10DMF và 20DMF) trên động cơ xăng thương mại mà không cần thay đổi kết cấu cơ khí hay hệ thống nạp/phun nhiên liệu của động cơ.
  • Đưa ra giải pháp giảm phát thải các chất độc hại ($\text{CO}$ và $\text{HC}$) cho phương tiện giao thông đường bộ, đồng thời mở ra định hướng tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp khổng lồ (rơm rạ, trấu, mùn cưa) tại Việt Nam để sản xuất nhiên liệu thay thế bền vững.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ tiến hành trên một dòng động cơ xăng thương mại điển hình (Toyota 1NZ-FE dung tích 1,5L, phun gián tiếp PFI), chưa khảo sát trên các dòng động cơ phun xăng trực tiếp (GDI) hoặc động cơ tăng áp.
  • Tỷ lệ phối trộn DMF trong xăng mới giới hạn ở các mức 10%, 20% và 30% theo thể tích; chưa thực nghiệm với các tỷ lệ cao hơn hoặc DMF nguyên chất trên động cơ thực tế do hạn chế về nguồn nhiên liệu mẫu.
  • Chưa khảo sát ảnh hưởng dài hạn của nhiên liệu DMF đối với độ bền vật liệu, hiện tượng ăn mòn kim loại, sự trương nở của các chi tiết cao su và gioăng phớt trong hệ thống cung cấp nhiên liệu.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm việc sử dụng nhiên liệu DMF và các hỗn hợp của nó trên các thế hệ động cơ xăng hiện đại hơn, bao gồm động cơ phun xăng trực tiếp (GDI), động cơ nén cháy nạp đồng thể (HCCI) hoặc động cơ có tăng áp.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số điều khiển điện tử của động cơ (góc đánh lửa sớm tối ưu cho từng tải, thời gian và áp suất phun nhiên liệu) khi sử dụng nhiên liệu DMF để khai thác triệt để trị số octan cao của DMF.
  • Nghiên cứu thử nghiệm đánh giá độ bền lâu dài của động cơ, độ mài mòn các chi tiết trong buồng cháy và mức độ suy thoái dầu bôi trơn khi vận hành dài hạn với nhiên liệu DMF.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo cho các nhóm đối tượng và lĩnh vực chuyên môn:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, Kỹ thuật ô tô và Động cơ đốt trong: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình nhiệt động học trên AVL-Boost, quy trình thiết lập bài toán cháy nhiên liệu sinh học và phương pháp đo đạc phân tích khí xả bằng hệ thống FTIR trên băng thử động cơ.
  • Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Năng lượng tái tạo và Kỹ thuật hóa học: Tham khảo tổng quan toàn diện về các giải pháp xúc tác vô cơ, hữu cơ và dung môi ion trong chuyển đổi xenlulôzơ, tinh bột thành HMF và DMF.
  • Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Sử dụng các số liệu kỹ thuật thực tế về giảm phát thải $\text{CO}$, $\text{HC}$ để xây dựng lộ trình quy chuẩn phối trộn nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao 2,5-dimethylfuran (DMF) được xem là nhiên liệu thay thế triển vọng hơn so với etanol? DMF có nhiều đặc tính hóa lý vượt trội hơn so với etanol: nhiệt trị thấp của DMF đạt khoảng 33,7 MJ/kg (năng suất tỏa nhiệt thể tích ~31,5 MJ/l), cao hơn nhiều so với etanol (26,9 MJ/kg và ~23 MJ/l), giúp động cơ tiêu hao ít nhiên liệu hơn để sinh cùng mức công suất; điểm sôi của DMF (93°C) cao hơn etanol (77,3°C) giúp ngăn chặn hiện tượng tắc hơi ở đường nạp; độ tan trong nước của DMF rất thấp (0,26% khối lượng), không hút ẩm từ không khí nên chất lượng nhiên liệu không bị suy giảm trong quá trình bảo quản; đồng thời DMF là nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 sản xuất từ lignoxenluloza phi thực phẩm nên không đe dọa an ninh lương thực.

  2. Động cơ thử nghiệm trong luận án là loại động cơ nào và sử dụng những hỗn hợp nhiên liệu gì? Nghiên cứu sử dụng động cơ xăng Toyota 1NZ-FE (4 kỳ, 4 xi lanh thẳng hàng, dung tích $1497\text{ cm}^3$, phun xăng điện tử PFI, tỷ số nén 10,5:1). Các loại nhiên liệu thử nghiệm bao gồm xăng thương phẩm RON95 nguyên chất và ba hỗn hợp phối trộn theo thể tích: 10DMF (10% DMF + 90% RON95), 20DMF (20% DMF + 80% RON95) và 30DMF (30% DMF + 70% RON95).

  3. Khi sử dụng hỗn hợp DMF–xăng, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ thay đổi như thế nào? Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy: công suất cực đại ($N_{e,\text{max}}$) của động cơ tăng nhẹ từ 0,8% đến 3,1% khi tăng tỷ lệ pha DMF từ 10% đến 30% do tốc độ cháy nhanh và nhiệt độ cháy cao; tuy nhiên, suất tiêu hao nhiên liệu ($g_e$) cũng tăng từ 2,1% đến 8,4% so với khi chạy xăng RON95 nguyên chất vì nhiệt trị thấp của DMF (33,7 MJ/kg) nhỏ hơn so với xăng RON95 (42,9 MJ/kg).

  4. Sự thay đổi về nồng độ các chất phát thải ($\text{CO}$, $\text{HC}$, $\text{NO}_x$) khi động cơ chuyển sang dùng hỗn hợp DMF–xăng diễn ra theo quy luật nào? Phát thải $\text{CO}$ và $\text{HC}$ giảm liên tục từ 5% đến 18% khi tăng tỷ lệ DMF trong hỗn hợp trên toàn bộ dải tải và dải tốc độ do phân tử DMF chứa 16,67% oxy theo khối lượng, hỗ trợ quá trình oxy hóa hoàn toàn nhiên liệu trong buồng cháy. Ngược lại, phát thải $\text{NO}_x$ có xu hướng tăng từ 3% đến 12% ở vùng tải cao do nhiệt độ cực đại của môi chất trong xi lanh tăng lên, thúc đẩy các phản ứng hình thành $\text{NO}_x$ nhiệt theo cơ chế Zeldovich.

  5. Luận án đã sử dụng công cụ mô phỏng và trang thiết bị thực nghiệm nào để thu thập dữ liệu? Luận án sử dụng phần mềm mô phỏng nhiệt động chuyên dụng AVL-Boost (Áo) để xây dựng mô hình chu trình công tác 1D của động cơ 1NZ-FE. Trong nghiên cứu thực nghiệm, tác giả sử dụng băng thử động lực học cao (High Dynamic Engine Test Bed - ETB), hệ thống cân tiêu hao nhiên liệu tự động, và môđun tủ phân tích thành phần khí xả bằng công nghệ quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và phát thải khi sử dụng nhiên liệu dimethylfuran trên động cơ xăng" của NCS Nguyễn Danh Chấn đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost và thực nghiệm trên động cơ Toyota 1NZ-FE. Kết quả nghiên cứu chứng minh việc pha trộn 2,5-dimethylfuran vào xăng RON95 ở các tỷ lệ 10%, 20% và 30% theo thể tích giúp cải thiện nhẹ công suất, duy trì hiệu suất nhiệt ổn định, giảm đáng kể lượng phát thải ô nhiễm độc hại $\text{CO}$ và $\text{HC}$, dù làm tăng nhẹ suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải $\text{NO}_x$. Công trình khẳng định khả năng ứng dụng thực tiễn của nhiên liệu sinh học DMF trên các phương tiện giao thông sử dụng động cơ xăng, đồng thời mở ra định hướng khai thác hiệu quả nguồn sinh khối phụ phẩm nông nghiệp phong phú tại Việt Nam.