-i- LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các
số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong các công trình nào khác!

Hà Nội, tháng 7 năm 2014
Nghiên cứu sinh
Phạm Hữu Truyền

-ii-

LỜI CẢM ƠN

LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix
MỞ ĐẦU 1
i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2
ii. Phương pháp nghiên cứu 3
iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học 5
1.2. Nhiên liệu etanol và xăng sinh học 6
1.2.1. Nhiên liệu etanol 6
1.2.2. Xăng sinh học 10
1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol 13
1.2.4. Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ trên thế giới 18
1.2.5. Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ ở Việt Nam 24
1.3. Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn 26
1.4. Kết luận chương 1 27
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TƯƠNG
THÍCH CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG TRUYỀN THỐNG KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC 28
2.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức 28
2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức 28
2.1.2. Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng xăng sinh học 31
2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác động cơ sử dụng xăng sinh học 33
2.2.1. Trạng thái nhiệt động học 33
2.2.2. Lý thuyết tính toán quá trình cháy 34
2.2.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt 39
2.2.4. Lý thuyết tính toán hàm lượng phát thải 41
2.2.5. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu xăng và etanol E100 46

4.4. Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử 89
4.4.1. Phương pháp, quy trình đánh giá tính năng và độ bền 89
4.4.2. Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm 89
4.4.3. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền động cơ xe máy 92
4.4.4. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến động cơ ô tô 99
4.5. So sánh kết quả nghiên cứu mô phỏng với thực nghiệm 109
4.6. Kết luận chương 4 112
KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 113
Kết luận chung 113
Phương hướng phát triển 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO 115
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 119
PHỤ LỤC 120 -v-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Diễn giải Đơn vị
E5 Xăng sinh học bao gồm 5% etanol và 95% xăng truyền thống -
E10 Xăng sinh học bao gồm 10% etanol và 90% xăng truyền thống -
E15 Xăng sinh học bao gồm 15% etanol và 85% xăng truyền thống -
E20 Xăng sinh học bao gồm 20% etanol và 80% xăng truyền thống -
E85 Xăng sinh học bao gồm 85% etanol và 15% xăng truyền thống -
E100 Etanol gốc -
CO Mônôxit cácbon -
HC Hyđrô cácbon -
NO
x
Ôxit nitơ -

Suất tiêu thụ nhiên liệu g/kW.h

-vi-

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tính chất của etanol [1] 7
Bảng 1.2. Quy chuẩn về etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì [3] 7
Bảng 1.3. Tính chất lý hóa của xăng sinh học [18] 10
Bảng 1.4. Những cải tiến cần thiết khi sử dụng xăng sinh học [36]. 22
Bảng 2.1. Hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải 41
Bảng 2.2. Chuỗi phản ứng hình thành NO
x
45
Bảng 2.3. Các hằng số đa thức 46
Bảng 2.4. Bảng tiến trình đo 49
Bảng 2.5. Các điểm thử nghiệm tại các tay số IV và V của ô tô 49
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ 56
Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của mô hình 57
Bảng 3.3. Thời gian cháy trễ và thời gian cháy nhanh của các loại nhiên liệu 60
Bảng 3.4. Công suất động cơ khi chạy các loại nhiên liệu khác nhau (kW) 61
Bảng 3.5. Nồng độ CO khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) 62
Bảng 3.6. Nồng độ HC khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) 63
Bảng 3.7. Nồng độ NO
x
khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) 63
Bảng 3.8. Mức độ thay đổi công suất động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10%
trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda 66
Bảng 3.9. Mức độ thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn
trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda 67
Bảng 3.10. Mức độ thay đổi phát thải CO động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10%

83
Bảng 4.18. Kết quả phân tích nhiên liệu trước khi ngâm chi tiết 87
Bảng 4.19. Kết quả phân tích nhiên liệu RON92 sau khi ngâm chi tiết 87
Bảng 4.20. Kết quả phân tích nhiên liệu E10 sau khi ngâm chi tiết 88
Bảng 4.21. Kết quả phân tích nhiên liệu E15 sau khi ngâm chi tiết 88
Bảng 4.22. Kết quả phân tích nhiên liệu E20 sau khi ngâm chi tiết 88
Bảng 4.23. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết kim loại 88
Bảng 4.24. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết phi kim 88
Bảng 4.25. Thông số kỹ thuật xe Daewoo Lanos 90
Bảng 4.26. Thông số kỹ thuật xe Toyota Corolla 91
Bảng 4.27. Thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm 91
Bảng 4.28. Đường kính xilanh của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử
nghiệm 20.000 km 92
Bảng 4.29. Đường kính xilanh của động cơ xe chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy thử
nghiệm 20.000 km 92
Bảng 4.30. Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử
nghiệm 20.000 km 93
Bảng 4.31. Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi
chạy thử nghiệm 20.000 km 93
Bảng 4.32. Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với
RON92. 94
Bảng 4.33. Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với
E10. 94
Bảng 4.34. Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay
số IV với RON92. 95
Bảng 4.35. Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay
số IV với E10. 95
Bảng 4.36. Áp suất nén đo trước và sau khi chạy bền 96
Bảng 4.37. Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 trước và sau khi chạy bền của 2 xe
Honda SuperDream với 2 loại nhiên liệu RON 92 và xăng sinh học E10 97

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường 8
Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza 9
Hình 1.3. Áp suất hơi bão hòa tại 37,8
0
C 11
Hình 1.4. Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol 12
Hình 1.5. Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017 13
Hình 1.6. Công suất (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) khi sử dụng RON92 và E10 [20] 18
Hình 1.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương (a) và hệ số nạp
(b) [21] 18
Hình 1.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới mômen động cơ (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) [21] 19
Hình 1.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải CO, HC và CO
2
[21] 20
Hình 1.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải NO
x
[22] 21
Hình 1.11. Thay đổi về phát thải đối với mẫu xe năm 2001 theo chu trình thử ADR37/01 khi sử
dụng E20 [33] 21
Hình 1.12. Hàm lượng phát thải khi giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp [34] 21
Hình 1.13. Sự thay đổi hàm lượng NO
x
khi sử dụng xăng sinh học so với xăng thông thường [31] 21
Hình 1.14. So sánh hàm lượng benzen và toluene trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng thông
thường, E3 và E10 [35] 22
Hình 1.15. Vỏ bơm nhiên liệu (đặt trong thùng nhiên liệu) trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20,
thời gian 2000h, nhiệt độ là 45
0
C [38, 39] 23

, tại ĐCT và
sau ĐCT 10
0
32
Hình 2.7. Diện tích màng lửa khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 10
0
, tại ĐCT và
sau ĐCT 10
0
32
Hình 2.8. Tỷ lệ hỗn hợp cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 10
0
, tại ĐCT và
sau ĐCT 10
0
32
Hình 2.9. Thời gian cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 10
0
, tại ĐCT và sau
ĐCT 10
0
32
Hình 2.10. Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ 33
Hình 2.11. Ngọn lửa tiến gần đến thành xylanh và bắt đầu quá trình cháy sát vách 38
-x-

Hình 2.12. Tỷ lệ mol CO tính toán theo góc quay trục khuỷu (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải,
A/F=12,6) 42
Hình 2.13. Tỷ lệ mol CO tính toán theo giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí (tốc độ
động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) 42

khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng 65
Hình 3.17. Mức độ thay đổi công suất động cơ so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda 66
Hình 3.18. Mức độ tăng suất tiêu thụ nhiên liệu so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda 66
Hình 3.19. Mức độ thay đổi các thành phần phát thải so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda
68
Hình 3.20. Tỷ lệ lượng nhiên liệu cần bổ sung để công suất động cơ không đổi 70
Hình 4.1. Màng cao su của bơm tăng tốc phụ của bộ chế hòa khí trước và sau ngâm 83
Hình 4.2. Các chi tiết của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm 2000h 84
Hình 4.3. Hình ảnh chụp bảng mạch báo mức xăng của bơm xăng điện tử 84
Hình 4.4. Lưới lọc thô của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm trong xăng RON92 và E10 84
Hình 4.5. Hình ảnh giắc cắm bơm xăng tử trước và sau khi ngâm 85
Hình 4.6. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết gioăng làm kín bơm xăng so với 0h 86
Hình 4.7. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết màng cao su tăng tốc phụ so với 0h 86
Hình 4.8. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h 86
Hình 4.9. Đồ thị khối lượng giảm chi tiết quả phao chế hòa khí so với 0h 86
Hình 4.10. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết lọc tinh bơm xăng điện so với 0h 86
-xi-

Hình 4.11. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết bộ báo mức nhiên liệu bơm xăng điện so với 0h 87
Hình 4.12. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h 87
Hình 4.13. Ô tô thử nghiệm 90
Hình 4.14. Hình ảnh hai xe máy tham gia chạy thử nghiệm 91
Hình 4.15. Tổng hợp sự thay đổi kích thước trung bình của piston và xilanh xe máy trước và sau
chạy bền 93
Hình 4.16. Công suất xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền 95
Hình 4.17. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền 96
Hình 4.18. Phát thải HC và NO
x
của xe máy trước và sau chạy bền 97
Hình 4.19. Phát thải CO và CO

nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như CO
x
,
NO
x
, SO
x
, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường,
hệ sinh thái và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi
trường là điều rất quan trọng và cần thiết. Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng
như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió,
năng lượng thủy triều…Năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm.
Nhiên liệu sinh học cho động cơ nói chung và phương tiện giao thông nói riêng đang
nhận được sự quan tâm lớn của thế giới. Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết
vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường. Mặt khác nhiên liệu sinh học góp
phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho người dân ở vùng sâu, vùng xa. Một
khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trường
có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lượng xanh, năng
lượng có phát thải cácbon thấp nhận được sự ưu tiên phát triển.
Trong các loại nhiên liệu sinh học thì etanol là loại nhiên liệu có tiềm năng lớn ở Việt
Nam nhờ nguồn nguyên liệu phong phú và sự tham gia mạnh mẽ của nhiều thành phần
kinh tế vào quá trình sản xuất. Nguyên liệu để sản xuất etanol rất phong phú có thể kể đến
như nguồn nguyên liệu từ các sản phẩm nông nghiệp là ngô, khoai, sắn, mía Ngoài ra
nguồn nguyên liệu sản xuất etanol còn có thể được tận dụng từ rác thải, phế phẩm nông
nghiệp như rơm, rạ, bã mía, cỏ khô hay phế phẩm lâm nghiệp như củi, rễ, cành cây, lá
khô đây là những nguồn nguyên liệu dồi dào không liên quan đến lương thực trong khi
giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất.
Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu phục vụ cho
sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương đúng đắn thể hiện qua

được ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ xăng truyền thống;
đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền, tuổi thọ của động cơ; đưa ra định
hướng về mặt kỹ thuật, đề xuất giải pháp cải tiến và điều chỉnh động cơ; và đưa ra khuyến
cáo cần thiết khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5% cho động cơ xăng
truyền thống.
*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận án nghiên cứu về lý thuyết liên quan đến đặc tính của động cơ xe máy và ô tô
khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học E10, E15, E20 và E85 trên phần mềm mô phỏng một
chiều nhiệt động học và chu trình công tác của động cơ.
Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các loại nhiên liệu RON92, E10, E15
và E20. Riêng nghiên cứu đánh giá đối chứng về độ bền và tuổi thọ của động cơ được thực
hiện với nhiên liệu RON92 và E10.
Đối với ô tô gồm 02 xe: 01 xe sử dụng động cơ phun xăng điện tử đại diện cho thế hệ
ô tô gần đây và 01 xe có động cơ sử dụng bộ chế hòa khí đại diện cho ô tô thế hệ cũ. Ngoài
ra còn có 02 động cơ ô tô dùng chế hòa khí phục vụ cho mục đích thử nghiệm bền trên
băng thử. Trong đó 01 động cơ chạy RON92, 01 động cơ chạy E10.
Đối với xe máy là 02 xe có động cơ sử dụng bộ chế hòa khí: 01 xe chạy nhiên liệu
xăng RON92 và 01 xe sử dụng nhiên liệu E10.
Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ
đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
-3-

ii. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống. Kết hợp giữa lý thuyết thông qua
tổng hợp các nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học trên thế giới, và tập hợp, kế thừa các kết
quả trước đây của các đề tài liên quan và tính toán lý thuyết trên các phần mềm mô phỏng
hiện đại về động cơ đốt trong với thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá. Tăng cường trao
đổi và tiếp thu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để
hoàn thiện phương pháp nghiên cứu, cũng như mở rộng hợp tác với các tổ chức trong nước
để thực hiện tốt việc nghiên cứu và triển khai thử nghiệm.

sinh học.

-4-

Luận án cũng đã xây dựng thành công các quy trình đánh giá tương thích của động cơ
xăng đối với nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ etanol bất kỳ, bao gồm quy trình đánh giá
tương thích vật liệu, quy trình đánh giá đối chứng tính năng và quy trình chạy bền động cơ.
Các quy trình này được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành cũng
như hệ thống thiết bị đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam.
*) Ý nghĩa thực tiễn:
Luận án đã đánh giá được tương thích vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu động
cơ xe máy và ô tô với các loại xăng sinh học E10, E15 và E20, qua đó khuyến cáo các loại
vật liệu thay thế nhằm đảm bảo khả năng làm việc của các chi tiết trước một số thuộc tính
không có lợi của xăng sinh học dẫn tới hiện tượng ăn mòn, rỉ sét ở vật liệu kim loại, trương
nở ở vật liệu phi kim.
Ảnh hưởng của xăng sinh học E10, E15 và E20 tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát
thải của động cơ xăng xe máy và ô tô đã được đánh giá. Ngoài ra, độ bền và tuổi thọ của
động cơ xăng xe máy vận hành ổn định trong 200 giờ trên bằng thử và 5500km vận hành
trên đường (tương đương với 20.000km vận hành trên đường), và động cơ ô tô vận hành
ổn định trên băng thử trong 300 giờ cũng đã được đánh giá. Từ đó, đưa ra các nhận định
cũng như giải pháp kỹ thuật đối với động cơ nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học có
tỷ lệ etanol E100 cao hơn 5% trên động cơ xăng xe máy và ô tô.
Luận án góp phần tư vấn cho các cơ quan chức năng trong việc thực hiện mục tiêu của
lộ trình sử dụng xăng sinh học E10 theo quyết định 53/2012/QĐ-TTg của Thủ Tướng
Chính phủ và cung cấp kiến thức, cũng như tư vấn cho người sử dụng phương tiện trong
việc sử dụng, vận hành đúng cách phương tiện nhằm tận dụng được tối đa ưu điểm và hạn
chế ảnh hưởng trái chiều của xăng sinh học đến phương tiện và môi trường.
Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau:
 Mở đầu
 Chương 1. Tổng quan

- 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,
- 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:
- 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,
-6-

- 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 15 -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

riêng 0,7936 g/ml ở 15
o
C), sôi ở 78,39
o
C, hóa rắn ở - 114,15
o
C, tan vô hạn trong nước. Sở
dĩ etanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có
-7-

cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước.
Một số tính chất vật lý thể hiện trên Bảng 1.1
Bảng 1.1. Tính chất của etanol [1]
TT Tính chất Giá trị
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

14
15

Chất lỏng trong suốt dễ cháy
0,789
1,2 cP ở 20
o
C
Tan hoàn toàn
1170
78,4
o
C (351,6K)
158,8 K (-114,3
o
C; -173,83
o
F)
514 K (241
o
C; 465,53
o
F) ở P = 63 bar
7,0 (trung tính)
65,21 J/mol.K
Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, ngừng thở trong
trường hợp nặng
Nghiện, xơ gan
425
o
C (797
o
F)

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 etanol
ở mức độ công nghiệp năm 1947.
-8-

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 etanol và tái tạo
lại axit:
CH
2
= CH
2
+ H
2
SO
4
→ CH
3
-CH
2
OSO
3
H
CH
3
-CH
2
OSO
3
H + H

trình thủy phân trước khi lên men. Hạt ngũ cốc được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão,
sau đó được nấu và thủy phân bằng enzym (ví dụ amylaza) để tạo đường. Trong trường
hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu. Quá
trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men ancol. Để thuận lợi cho
quá trình lên men, pH của dung dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Etanol sinh
ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và
tinh cất để tạo etanol nguyên chất (có thể đạt mức etanol tuyệt đối- etanol khan).

Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường
c) Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ nguyên liệu xenluloza
Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ xenluloza thể hiện qua quy trình xử lý thủy
phân xenluloza trong đó bao gồm thủy phân nguyên liệu licnoxenluloza tiền xử lý, sử dụng
các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp để tạo thành đường đơn giản và tiếp theo là quá
trình lên men và chưng cất.
Có 6 giai đoạn để sản xuất etanol từ xenluloza (Hình 1.2):
- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc rơm rạ để thủy
phân,
-9-

- Thủy phân xenluloza (cellulolysis), để bẻ gãy các phân tử để tạo đường,
- Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (phức polyme thơm),
- Lên men đường,
- Chưng cất để tạo ra etanol nguyên chất,
- Khử nước để tạo ra etanol khan với nồng độ lên đến 99,7%.

Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza
Quá trình sản xuất etanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ
xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men. Thủy phân hỗn hợp
xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là tập hợp các phân tử đường
liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40 - 60% xenluloza

92%
làm nhiên liệu. Đối với etanol dạng này yêu cầu phải có phụ gia có vai trò xúc tiến quá
trình hòa trộn giữa xăng và etanol đồng thời nó ngăn ngừa sự tách pha của nước trong
hỗn hợp cũng như ngăn cản quá trình hấp thụ hơi nước từ khí quyển trong quá trình
bảo quản sử dụng. Phụ gia thường dùng là các loại ancol có phân tử lớn như ancol
isopropylic, isobutyric.
1.2.2. Xăng sinh học
1.2.2.1. Tính chất lý hóa của xăng sinh học
Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng truyền thống và etanol theo một tỷ lệ nhất định.
Sau khi phối trộn, xăng sinh học có những thay đổi nhất định về tính chất so với xăng gốc,
ví dụ về tính chất một số loại xăng sinh học thể hiện ở Bảng 1.3.
Tỷ lệ phối trộn các loại nhiên liệu etanol – xăng (E0; E5; E10; E20; E30) ở đây E chỉ
etanol và số tiếp theo chỉ phần trăm etanol (E5 có nghĩa là 5% etanol được pha trộn với
95% xăng).
Bảng 1.3 cho thấy khi thay đổi tỷ lệ phối trộn etanol – xăng thì áp suất hơi bảo hòa
(RVP); trị số octan, nhiệt trị của nhiên liệu thay đổi. Khi tăng hàm lượng etanol thì áp suất
hơi bảo hòa (RVP) tăng, đạt giá trị lớn nhất ở E10 và sau đó giảm, trị số octan tăng, nhiệt
trị của nhiên liệu giảm vì nhiệt trị của etanol thấp hơn xăng.
Bảng 1.3. Tính chất lý hóa của xăng sinh học [18]
So sánh thuộc tính của xăng sinh học và xăng truyền thống
Đặc tính Nhiên liệu
E0 E5 E10 E20 E30
Trọng lượng riêng(kg/l ở 15,5
0
C) 0,7575 0,7591 0,7608 0,7645 0,7682
Chỉ số octan(RON) 95,4 96,7 98,1 100,7 102,4
RVP(kPa ở 37,8
0
C) 53,7 59,3 59,6 58,3 56,8
Hàmlượng lưu huỳnh(wt%) 0,0061 0,0059 0,0055 0,0049 0,0045

độ khối lượng” xăng sinh học vào động cơ lớn hơn so với xăng. Nhiệt ẩn hóa hơi của xăng
sinh học cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp, do đó nạp được nhiều hỗn hợp hơn
vào trong xy lanh của động cơ, kết hợp với nhiệt trị thể tích của hỗn hợp của etanol gần
bằng của xăng, cho nên công suất của động cơ dùng etanol có thể lớn hơn khi dùng xăng.
Điều này dẫn tới sự tăng hiệu quả về nhiên liệu của etanol so với xăng.
b) Ảnh hưởng của etanol lên độ bay hơi của nhiên liệu
Độ bay hơi của nhiên liệu thể hiện qua áp suất hơi Reid (RVP). RVP của etanol thấp
hơn RVP của xăng nhiều. Tuy nhiên, RVP của xăng sinh học không tuân theo quan hệ
tuyến tính với tỷ lệ etanol trong nhiên liệu. Hàm lượng etanol thấp trong xăng sẽ gây ra sự
tăng RVP. Áp suất hơi tăng đến giá trị
cực đại khi hàm lượng etanol trong
nhiên liệu khoảng 10% thể tích và bắt
đầu giảm khi tiếp tục tăng hàm lượng
etanol (Hình 1.3). Như vậy hỗn hợp
nhiên liệu có hàm lượng etanol lớn
hơn 10% sẽ có sự tăng nhẹ hơn về
RVP. Theo các nghiên cứu, khi thêm
etanol, xăng có áp suất hơi bản thân
thấp sẽ có độ tăng áp suất hơi cao hơn
so với xăng có áp suất hơi cao.
c) Trị số Octan
Khi tỷ số nén trong một động cơ càng lớn có nghĩa là hiệu suất chu trình tăng lên và
hiệu quả đạt được lớn hơn, tuy nhiên khi tăng tỷ số nén cao có thể dẫn đến kích nổ. Etanol
có trị số octan tương đối cao và làm tăng đáng kể trị số octan của xăng thông thường sau
khi phối trộn với nhau. Hiệu quả của việc trộn này đạt giá trị cao nhất đối với chủng loại
xăng cấp thấp. Như vậy phối trộn etanol với xăng thông thường có thể loại bỏ việc sử dụng

Hình 1.3. Áp suất hơi bão hòa tại 37,8
0
C

cơ. Tuy nhiên nếu lượng nước quá cao, nước và phần lớn etanol sẽ phân tách và lắng
xuống phía dưới thùng nhiên liệu. Lượng nước có thể được hấp thụ trong nhiên liệu xăng
sinh học mà không xảy ra sự phân tách pha trong thay đổi từ 0,3 - 0,5% thể tích, tuỳ thuộc
vào nhiệt độ.
1.2.2.3. Ảnh hưởng của xăng sinh học đến môi trường
Động cơ sử dụng etanol giảm phát thải khí nhà kính, giảm được khí CO
2
và khí độc
hại. Thêm vào đó, phát thải CO
2
lại được cây hấp thụ lại để tái tạo etanol, như vậy coi như
không làm gia tăng khí CO
2
trong khí quyển. Do etanol có chứa tới 34,7% khối lượng ôxy
nên xăng sinh học cũng chứa một tỷ lệ ôxy nhất định giúp cải thiện quá trình cháy, qua đó
phần lớn các phát thải độc hại trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng được
giảm. Xăng sinh học chứa ít lưu huỳnh và các hydrocacbon thơm nên giảm các sản phẩm
cháy có chứa lưu huỳnh trong khí thải, hạn chế sự hình thành mưa axit. Tuy nhiên do xăng
sinh học dễ bay hơi hơn xăng thông thường nên có xu hướng làm tăng phát thải HC do bay
hơi. Thêm vào đó, hàm lượng acetaldehyde trong khí thải động cơ sử dụng xăng sinh học
có thể tăng lên.

Hình 1.4. Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol
-13-

1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol
1.2.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol trên thế giới
Trong những năm vừa qua, ngành nhiên liệu sinh học trên thế giới đã có những bước
phát triển mãnh mẽ dựa trên 3 động lực chính là phát triển năng lượng tái tạo trước tình
trạng giá dầu tăng cao, hỗ trợ nông nghiệp qua việc gia tăng giá trị sản phẩm, và bảo vệ

đặc biệt trong việc nghiên cứu phát triển các loại phương tiện vận tải sử dụng etanol
nguyên chất. Những chiếc xe chạy etanol nguyên chất đã được Brazil giới thiệu từ những
năm 1970 của thế kỷ trước và sử dụng rộng rãi trong những năm 1980. Tại Brazil hiện nay
có tới hơn 80% phương tiện vận tải sử dụng NLSH các loại trong tổng số xe mới bán ra
góp phần nâng số lượng xe sử dụng NLSH tại Brazil lên hơn 50% trong tổng số gần 30
triệu xe tải nhẹ đang lưu hành.
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng NLSH ngày càng tăng ở trong nước, cùng với mức hỗ
trợ tín dụng ưu đãi từ Chính phủ, đã thúc đẩy việc đầu tư xây dựng thêm các nhà máy sản
xuất etanol trên toàn quốc. Đặc biệt là từ giữa các năm 2005 – 2012 đã có hơn 116 nhà
máy sản xuất etanol mới được đầu tư xây dựng tại Brazil.
b) Trong khối EU
EU chiếm vị trí thứ ba thế giới về sản lượng etanol. Sản xuất etanol tại EU chủ yếu sử
dụng ngũ cốc và củ cải đường. Chương trình năng lượng tái tạo (RFD) của EU quy định
đến năm 2020, toàn bộ xăng dầu dùng cho giao thông vận tải phải được pha 10% nhiên
liệu tái tạo. Ba quốc gia Pháp, Đức, Anh chiếm khoảng một nửa sản lượng etanol toàn EU.
Tiêu thụ nhiên liệu sinh học của EU luôn cao hơn sản xuất và được bù đắp bằng nguồn
nhập khẩu, chủ yếu từ Brazil. Tiêu thụ NLSH cũng tăng nhanh khoảng 23% mỗi năm, do
ngoài việc áp dụng E5, E10 và B7 lên các động cơ truyền thống, loại động cơ cải tiến dùng
E85 đang được áp dụng ngày càng rộng rãi.
Từ đầu năm 2004 các trạm xăng Aral và Shell ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị
2003/30/EU mà theo đó từ 31 - 12 - 2005 ít nhất 2% và đến 31 - 12 - 2010 ít nhất 5,75%
các nhiên liệu dùng để chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo.
c) Mỹ.
Mỹ là quốc gia sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới. Sản lượng
sản xuất ra chiếm khoảng 43% trên toàn thế giới. Tại Mỹ, Cục bảo vệ môi trường EPA là
cơ quan quản lý chương trình sử dụng NLSH. Chương trình Nhiên liệu tái tạo phiên bản 1
được triển khai đầu tiên từ năm 2005 đã yêu cầu 28,4 tỷ lít nhiên liệu tái tạo phải được pha
trộn với xăng đến năm 2012. Trong 2 năm sau đó, chương trình Nhiên liệu tái tạo phiên
bản 2 được triển khai đã yêu cầu tăng lượng cũng như chủng loại NLSH phải được sử dụng
nhằm giảm tối đa sự phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính.