Chương 1. Tổng quan Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm Chương 4.
Nghiên cứu mô phỏng 8. Điểm mới của luận án - Xây dựng thành công mô hình 3D-CFD động cơ phun xăng, cho phép phân tích quá trình phun nhiên liệu, đặc điểm hòa khí và diễn biến quá trình cháy trong động cơ phun xăng cho cả trường hợp phun hỗn hợp xăng-ethanol và phun riêng rẽ xăng/ethanol. - Chứng minh giải pháp phun riêng rẽ xăng/ethanol áp dụng đối với động cơ phun xăng trên đường nạp hoặc động cơ phun xăng trực tiếp không những đảm bảo khả năng bay hơi hoàn toàn của ethanol ở tỷ lệ cao mà còn giúp động cơ thay đổi linh hoạt tỷ lệ ethanol theo điều kiện vận hành. Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ ôtô 1.
Những yêu cầu thực tiễn hướng đến sử dụng nhiên liệu sinh học 1. Sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch Số liệu thống kê của hãng phân tích dữ liệu ôtô Jato Dynamics cho thấy, lượng ôtô tiêu thụ trên thế giới trong năm 2016 đạt 84.000 xe, tăng 5,6% so với năm 2015. Trung Quốc dẫn đầu lượng tiêu thụ ôtô trên thị trường với 25.000 xe hơi và xe thương mại, tăng 14% so với năm 2015 [117]. Theo Hiệp hội các nhà sản xuất ôtô Việt Nam (VAMA), trong tháng 9/2016, doanh số bán hàng của toàn thị trường Việt Nam đạt 26.551 xe, tăng 13% so với tháng 8/2016 [118].1: Mức độ dự trữ nhiên liệu trên thế giới (Nguồn: BP)[44] Nếu không có những giải pháp tiết kiệm nhiên liệu và nguồn nhiên liệu thay thế thì lượng tiêu thụ xăng dầu sẽ tăng đồng cấp với tốc độ tăng lượng ôtô đưa vào sử dụng.
Điều này sẽ gây ra nhiều biến động trong sản lượng khai thác của các nước xuất khẩu dầu mỏ cũng như lượng dự trữ dầu của các quốc gia trên thế giới. BP (Bristish Petroleum) [44] cho biết trong “Đánh giá thống kê năng lượng thế giới thứ tư năm 2016” lượng dầu dự trữ giảm 2,4 tỷ thùng (0,1%) trong năm 2015, đánh dấu dự trữ lần thứ hai đã giảm trong 65 năm. Các nước OPEC tiếp tục nắm giữ -4- phần lớn nhất (71,5%) trữ lượng toàn cầu, trong đó khu vực Trung Đông chiếm 47,7% tổng trữ lượng dầu toàn cầu. Tỷ lệ dự trữ dầu của Bắc Mỹ đã tăng lên 13,3% trong năm 2016 từ 11,1% năm 1996, nhưng giảm 2,7% so với năm 2006 (Hình 1.2: Trữ lượng dầu mỏ các nước trong khối OPEC (Nguồn: BP)[44] Phân tích của BP cho thấy trữ lượng khí thiên nhiên cũng giảm 0,1% trong năm 2015, giảm 0,1 nghìn tỷ mét khối xuống còn 186,9 Tcm.
Lượng khí thiên nhiên này chỉ đủ để đáp ứng sản xuất cho toàn cầu trong vòng 52,8 năm. Khu vực Trung Đông có trữ lượng lớn nhất (chiếm 42,8% tổng trữ lượng toàn cầu) và có tỷ lệ dự trữ cao nhất ở mức cho 129,5 năm. Cắt giảm phát thải CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính Biến đổi khí hậu có thể do những quá trình tự nhiên và do ảnh hưởng của con người. Phần lớn các nhà khoa học đều khẳng định rằng hoạt động của con người đã và đang làm biến đổi khí hậu toàn cầu.
Nguyên nhân chủ yếu của sự biến đổi đó là sự gia tăng nồng độ khí CO2 trong khí quyển, dẫn đến tăng cường hiệu ứng nhà kính và là nguyên nhân chính làm tăng nhiệt độ bầu khí quyển. Báo cáo của Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) và nhiều trung tâm nghiên cứu có uy tín hàng đầu trên thế giới công bố trong thời gian gần đây đã cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin và dự báo quan trọng. Theo đó, nhiệt độ trung bình trên bề mặt Trái đất tăng lên gần 1°C trong vòng 85 năm (từ 1920 đến 2005). -5- Báo cáo cho rằng nếu không thực hiện được chương trình hành động giảm khí thải gây hiệu ứng nhà kính theo Nghị định thư Kyoto, đến năm 2035 nhiệt độ bề mặt Trái đất sẽ tăng thêm 2°C và về dài hạn có hơn 50% khả năng nhiệt độ tăng thêm 5°C [4].3: Kịch bản nhiệt độ Trái đất theo mức cacbon sử dụng từ nhiên liệu hóa thạch đến năm 2100 (Nguồn: IPCC 2013) [33] Hội nghị Liên Hiệp Quốc về Biến đổi Khí hậu năm 2015 được tổ chức tại Paris, Pháp, từ ngày 30 tháng 11 đến 12 tháng 12 năm 2015 đã ban hành thỏa thuận chung Paris (COP 21) [33].
Thỏa thuận chung Paris là một thỏa thuận tại Hội nghị về Biến đổi khí hậu của Liên Hiệp Quốc 2015 trong khuôn khổ Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC), chi phối các biện pháp giảm CO2 từ năm 2020. Nội dung chính COP21 là đạt mức phát thải lớn nhất càng sớm càng tốt và hạ thấp mức phát thải vào nửa sau của thế kỷ này để giữ nhiệt độ toàn cầu không tăng quá 2oC và nỗ lực giới hạn mức tăng không quá 1,5oC. Theo kịch bản nhiệt độ Trái đất đến năm 2100, để giữ nhiệt độ toàn cầu không tăng quá 2oC vào năm 2080 thì lượng cacbon sử dụng chỉ dừng ở mức 0,64 nghìn tỷ tấn/năm; để giữ nhiệt độ toàn cầu không tăng quá 1,5oC vào năm 2060 thì thì lượng cacbon sử dụng ở mức 0,53 nghìn tỷ tấn/năm (Hình 1. Các giải pháp công nghệ truyền thống không làm giảm mức độ phát thải ô nhiễm theo yêu cầu tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt Ô nhiễm không khí do khí thải của phương tiện giao thông đã và đang gây tác -6- động xấu đến sức khoẻ con người và môi trường sinh thái (Hình 1.
Mức độ ô nhiễm do khí thải từ động cơ đốt trong ngày càng nghiêm trọng và trở thành gánh nặng cho các nhà sản xuất ôtô. Sử dụng cộng nghệ hybrid chạy bằng động cơ xăng kết hợp điện, hoặc khí thiên nhiên kết hợp điện đã góp phần giảm phát thải ô nhiễm (Hình 1. Tuy nhiên, trên ôtô truyền thống hay ôtô hybrid, động cơ đốt trong vẫn là nguồn động lực Hình 1.4: Phát thải ô nhiễm từ phương tiện giao thông [116] chủ yếu, cùng với số lượng ôtô tăng đột biến khiến các quốc gia đã ban hành tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt. Ngoài giảm phát thải khí CO và HC thì cần chú trọng đến công nghệ để giảm phát thải CO2, NOx và phát thải hạt PM.
Lượng phát thải NOx và phát thải hạt buộc phải giảm lần lượt 50 và 80% từ Euro III lên Euro IV, mức phát thải NOx và phát thải hạt là rất nhỏ ở Euro VI (Hình 1.5: Công nghệ ôtô sạch sử dụng động cơ đốt trong truyền thống (Nguồn: toyota.6: Mức phát thải NOx và phát thải hạt (PM) theo tiêu chuẩn khí thải châu Âu [91] Như vậy, ngành công nghiệp ôtô ngoài phải đối mặt với nguy cơ thiếu hụt nguồn nhiên liệu, còn phải đối mặt với tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe. Điều này buộc thế giới phải tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế cũng như giải pháp tổ chức quá -7- trình cháy để giảm sự phụ vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải ô nhiễm. Sử dụng nhiên liệu sinh học là giải pháp được nhiều nước trên thế giới lựa chọn. Công nghệ cháy sử dụng hai nhiên liệu là giải pháp phù hợp hướng đến sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ đốt trong Những nghiên cứu gần đây đã đề cập đến các khái niệm đốt cháy tiên tiến kết hợp với các nhiên liệu thay thế nhằm đạt hiệu suất cao hơn và phát thải thấp hơn so với các động cơ xăng và diesel truyền thống [97].
Cộng đồng khoa học đang hướng tới khái niệm đốt cháy tiên tiến, bao gồm nén cháy với hỗn hợp đồng nhất (HCCI) [40, 64, 90], nén cháy kiểm soát phản ứng (RCCI) [24, 36, 69, 74] và đốt cháy một phần (PPC) [26, 38, 88, 87]. Các nguyên lý cháy này chú trọng đến vai trò của nhiên liệu thay thế như ethanol, methanol, khí thiên nhiên, .7: Sơ đồ quá trình cháy kết hợp động cơ xăng và động cơ diesel truyền thống [91] Cháy theo nguyên lý HCCI [91]: HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) là nén cháy với hỗn hợp đồng nhất, là một khái niệm tương đối mới và đang nỗ lực tìm thấy thành công thương mại. Quá trình cháy của động cơ HCCI có nhiệt độ thấp nên giảm phát thải NOx nhưng lại gia tăng HC và CO so với động cơ đánh lửa cưỡng bức thông thường. Bằng cách điều chỉnh hợp lý tỷ số nén và nhiệt độ khí nạp, hầu như bất kỳ nhiên liệu nào cũng có thể được sử dụng với HCCI.
Nhiên liệu sinh học như ethanol có nhiều lợi thế khi sử dụng trên động cơ HCCI vì khả năng dễ cháy ở nhiệt độ thấp và có thể giảm phát thải CO và HC nhờ hòa khí nghèo. Cháy theo nguyên lý RCCI [91]: RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) sử dụng hai loại nhiên liệu có khả năng tự cháy khác nhau theo các tỷ lệ -8- khác nhau để tối ưu hóa quá trình đốt cháy ở các điều kiện vận hành khác nhau. RCCI tương tự như khái niệm nhiên liệu kép bằng cách sử dụng nhiên liệu với khả năng tự cháy cao trộn sẵn với không khí và nhiên liệu với khả năng khó tự cháy được phun trực tiếp. Không giống như khái niệm nhiên liệu kép, RCCI sử dụng hòa khí nghèo và đốt cháy ở nhiệt độ thấp, theo cách tương tự như HCCI.
Khả năng cháy tốt hơn so với HCCI nhưng mức phát thải ô nhiễm thì gần như HCCI. Cháy theo nguyên lý PPC [91]: PPC (Partially Premixed Combustion) có thể được xem như một khái niệm kết hợp DICI (nén cháy phun trực tiếp) và HCCI. Bằng cách phun nhiên liệu dễ tự cháy vào cuối quá trình nén kết hợp với không khí pha loãng nhiên liệu có khả năng chống cháy tự động. Điều này dẫn đến lượng khí thải thấp cho cả NOx, HC và CO cùng với hiệu suất cháy cao.
Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới và ở Việt Nam Nhiên liệu sinh học (NLSH) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (metanol, 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 trong tương lai mặc dù có những hạn chế nhất định. Ethanol là nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu tái tạo như mía, ngô, sắn, thậm chí là sinh khối từ phế phẩm nông nghiệp [9, 10, 21, 49, 52, 78, 81, 96, 102].
Ethanol được sử dụng rộng rãi như một tác nhân pha trộn cho nhiên liệu xăng thương mại [98, 105].