MỤC LỤC

MỤC LỤC .......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................. iv
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ ........................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................... xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................... xiv
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
i. Sự cần thiết của đề tài ..................................................................................................... 1
ii. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................... 2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
iv. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................. 2
v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ......................................................................... 3
vi. Tính mới của đề tài ....................................................................................................... 3
vii. Các nội dung chính của đề tài ..................................................................................... 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học .............................................................................. 4
1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học ............................ 4
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện................................ 5
1.2. Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học ................................................................... 6
1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol ............................................................................................. 6
1.2.2. Xăng sinh học ........................................................................................................... 9
1.2.3. Sản xuất và sử dụng cồn ethanol và xăng sinh học trên phương tiện ................ 10
1.3. Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng
............................................................................................................................................ 13
1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới ................................................................................. 13
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam................................................................................. 25
1.4. Kết luận Chương 1 .................................................................................................... 28


3.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tham số của
mô hình cháy Fractal ....................................................................................................... 80
3.2.3. Xác định hệ số dư lượng không khí  của hỗn hợp cháy với các tỷ lệ cồn ethanol
khác nhau ......................................................................................................................... 81
3.3. Nghiên cứu mô phỏng xây dựng bộ thông số chuẩn với xăng sinh học................ 82
3.3.1. Tính toán mô phỏng lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng không khí
 = 1 .................................................................................................................................. 82
3.3.2. Tính toán góc đánh lửa sớm để mô men động cơ đạt Memax khi sử dụng xăng sinh
học ..................................................................................................................................... 87
3.4. Kết luận chương 3....................................................................................................... 92

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................ 94
4.1. Đối tượng, nhiên liệu và trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm ........... 93
4.1.1. Đối tượng thử nghiệm ............................................................................................ 93
4.1.2. Nhiên liệu thử nghiệm ........................................................................................... 93
ii


4.1.3. Trang thiết bị thử nghiệm ...................................................................................... 94
4.2. Thử nghiệm hiệu chuẩn mô hình mô phỏng và bộ thông số chuẩn động cơ khi sử
dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% ........................................................ 96
4.2.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ..................................................... 96
4.2.2. Kết quả thử nghiệm ................................................................................................ 98
4.3. Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol tới 100% ............................................................................................................ 102
4.3.1. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE ............ 102
4.3.2. Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ.............................................. 109
4.4. Thử nghiệm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ xăng khi
được lắp thêm ECU phụ trên băng thử động cơ ......................................................... 110
4.4.1. Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm ................................................... 110

ai công bố trong các công trình nào khác.
Hà Nội, ngày
Tập thể giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Phạm Hữu Tuyến

tháng

năm 2018

Nghiên cứu sinh

PGS.TS Phạm Văn Thể

iv

Nguyễn Khánh Tùng


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện
Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã cho
phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Hữu Tuyến và PGS.TS. Phạm
Văn Thể đã chu đáo, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Cục Ứng dụng và Phát triển công nghệ - Bộ Khoa
học và Công nghệ, Ban điều hành đề án Phát triển nhiên liệu sinh học - Bộ Công thương và
các đồng nghiệp đã ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và các nhà khoa học đã

Hình 1.13. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô
............................................................................................................................................. 16
Hình 1.14. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới lượng phát thải khí CO, CO2,
HC và NH3 ........................................................................................................................... 16
Hình 1.15. Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp và hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng
các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường ........... 17
Hình 1.16. Tỷ lệ suy giảm phát thải HC và NOx khi động cơ sử dụng các loại xăng sinh học
E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường ............................................... 18
Hình 1.17. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của
động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học tại tốc độ động cơ 5000v/ph .......................... 18
Hình 1.18. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao
nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của động cơ tại tốc độ động cơ 2800 v/ph ............................. 19
Hình 1.19. Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới tính năng động cơ tại
tốc độ động cơ 2800 v/ph .................................................................................................... 20
Hình 1.20. Bộ chuyển đổi U.S. Ethanol Conversion Kits ................................................... 21
Hình 1.21. Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh cho E85.............................................. 22
vi


Hình 1.22. Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh cho E85 ..................................................... 22
Hình 1.23. Điều chỉnh lại quá trình phun nhiên liệu khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn ...... 23
Hình 1.24. Điều chỉnh lại góc đóng muộn xu páp khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn .......... 24
Hình 1.25. Điều chỉnh lại cấu tạo buồng cháy bằng cách điều chỉnh lại cấu tạo của piston24
Hình 1.26. Tỷ lệ cải thiện công suất của động cơ khi sử dụng xăng sinh học .................... 26
Hình 1.27. So sánh phát thải của động cơ khi sử dụng A95 và E10 ................................... 26
Hình 2.1. Quá trình cháy trong động cơ xăng ..................................................................... 29
Hình 2.2. Quá trình phát triển của màng lửa trong quá trình cháy ...................................... 30
Hình 2.3. Hình ảnh lan tràn màng lửa trong động cơ xăng ................................................. 30
Hình 2.4. Ảnh hưởng của cháy lốc tới quá trình cháy trong động cơ xăng ......................... 31
Hình 2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới sự lan tràn màng lửa trong

ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50......................................... 68
Hình 3.6. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa
mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% ...................... 69
Hình 3.7. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa
mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 3000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100%.................... 69
Hình 3.8. So sánh phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 70
Hình 3.9. So sánh phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 71
Hình 3.10. So sánh phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô
phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% .......................................... 71
Hình 3.11. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo
tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 ............................ 73
Hình 3.12. So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên
bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 ............................................. 73
Hình 3.13. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và
thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85, E100 ................ 74
Hình 3.14. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng
ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 ........................ 74
Hình 3.15. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100
giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% ............. 75
Hình 3.16. So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100
giữa mô phỏng và thực nghiệm ở từ tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% ............. 76
Hình 3.17. So sánh phát thải NOx của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 78
Hình 3.18. So sánh phát thải CO của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 79
Hình 3.19. So sánh phát thải HC của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 ........................ 79
Hình 3.20. Sự thay đổi của tốc độ ngọn lửa tầng trong mô hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ

100% tải ............................................................................................................................... 91
Hình 4.1. Sơ đồ băng thử động cơ ....................................................................................... 94
Hình 4.2. Hệ thống điều khiển và lập trình ECU của hãng Woodward .............................. 95
Hình 4.3. Hệ thống đo đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải ô tô ....................................... 95
Hình 4.4. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E30 ........................ 100
Hình 4.5. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E50 ........................ 100
Hình 4.6. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E85 ........................ 100
Hình 4.7. Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E100 ...................... 100
Hình 4.8. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E30 ........................................................ 101
ix


Hình 4.9. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E50 ........................................................ 101
Hình 4.10. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E85 ...................................................... 102
Hình 4.11. Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E100 .................................................... 102
Hình 4.12. Sơ đồ và mô phỏng mạch khi đã lắp linh kiện ................................................ 102
Hình 4.13. Mạch điều khiển của ECU phụ ô tô sau khi hoàn thiện .................................. 103
Hình 4.14. Hoạt động của ngắt 1 và bộ đếm timer2 .......................................................... 104
Hình 4.15. Điều khiển thời gian phun ............................................................................... 104
Hình 4.16. Hoạt động của ngắt INT0 và bộ đếm timer0 ................................................... 105
Hình 4.17. Nguyên lý điều khiển thời điểm đánh lửa của ECU phụ ................................. 106
Hình 4.18. Phép nội suy tuyến tính để tính toán các thông số làm việc của động cơ tại các
chế độ làm việc khác ......................................................................................................... 107
Hình 4.19. Hình ảnh chip và bo mạch nạp ATxmega128A .............................................. 119
Hình 4.20. Giao diện phần mềm Codevision .................................................................... 110
Hình 4.21. Công suất và sự thay đổi công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga ..... 111
Hình 4.22. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi
lắp ECU phụ ở 100% ga .................................................................................................... 112
Hình 4.23. Hiệu suất có ích của động cơ và sự thay đổi hiệu suất có ích của động cơ khi lắp
ECU phụ ở 100% ga .......................................................................................................... 112

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh các đặc tính nhiên liệu của xăng và cồn Ethanol ..................................... 8
Bảng 1.2. Tính chất của một số loại xăng sinh học ............................................................. 10
Bảng 2.1. Phản ứng hình thành phát thải NOx..................................................................... 45
Bảng 2.2. Phản ứng hình thành phát thải CO ...................................................................... 46
Bảng 2.3. Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải ............................ 48
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE ............................................................. 62
Bảng 3.2. Tỉ lệ của xăng và cồn trong các loại nhiên liệu ................................................... 64
Bảng 3.3. Lượng nhiên liệu và góc đánh lửa sớm được sử dụng trong quá trình chuẩn hóa
mô hình mô phỏng động cơ ................................................................................................. 65
Bảng 3.4. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30 và E50 ..................................... 66
Bảng 3.5. Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng
và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30, E50 ............... 67
Bảng 3.6. So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92,
E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% tại
một số vị trí .......................................................................................................................... 68
Bảng 3.7. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng
xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% ................................................... 70
Bảng 3.8. Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm
theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 .................... 72
Bảng 3.9. Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng
và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100
............................................................................................................................................. 72
Bảng 3.10. So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92,
E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga
mở 40% tại một số vị trí ...................................................................................................... 75
Bảng 3.11. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng
xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% ................................................... 77
Bảng 3.12. Hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tính toán ......................................... 81

Bảng 4.15. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô được lắp thêm ECU phụ ở 100%
ga, tay số 3 và tay số 4 ....................................................................................................... 120
Bảng 4.16. Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx và CO2 của ô tô Toyota Vios được lắp thêm
ECU phụ khi hoạt động với xăng RON92, E30, E50, E85 và E100 ở vị trí 100% ga, tay số 3
và tay số 4. ......................................................................................................................... 121
Bảng 4.17. Kết quả đo gia tốc từ 20 km/h đến 100 km/h của ô tô được lắp thêm ECU phụ
khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn Ethanol tới 100% ................................................ 122

xiii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký
hiệu/viết tắt
A/F

Tiếng Anh
Air/Fuel

AVL-Boost

Diễn giải

Đơn vị

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu

-

Phần mềm mô phỏng AVL-Boost

DIS

Direct Ignition System

Hệ thống đánh lửa trực tiếp

-

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

-

ĐCD

Điểm chết dưới

-

ĐCT

Điểm chết trên

-

ĐLTT

Đánh lửa trực tiếp


E50

Xăng sinh học gồm 50% ethanol và
50% xăng truyền thống về thể tích

-

E85

Xăng sinh học gồm 85% ethanol và
15% xăng truyền thống về thể tích

-

E100

Xăng sinh học gồm 100% ethanol
về thể tích

-

ECU

Electronic Control Unit

Bộ điều khiển điện tử

-

EFI

-

ge

Suất tiêu thụ nhiên liệu

gct

Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

GDI

Gasoline Direct Injection

GTVT

-

g/kW.h
g/ct

Động cơ phun xăng trực tiếp

-

Giao thông vận tải

-

LNG

băng thử động cơ và là công suất ô
tô trên băng thử ô tô

kW

NLSH

Nhiên liệu sinh học

-

OT

Open throttle

Độ mở bướm ga

-

ppm

Part per million

Một phần triệu

-

PC

Personal Computer


Góc đánh lửa sớm



Tỷ số nén

RON
TCVN
TK
WOT

Wide open throttle

xv

GQTK
-


MỞ ĐẦU
i. Sự cần thiết của đề tài
Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô nhiễm môi
trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện. Nguồn ô nhiễm này gây ảnh
hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật
độ xe cơ giới và mật độ dân cư cao. Một trong những giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này
là sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện
với môi trường.
Ethanol (C2H5OH) là loại nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các loại nguyên liệu
nông nghiệp như mía, sắn, ngô... cũng như từ các sản phẩm của quá trình chế biến gỗ và từ



thuộc vào nhiên liệu khoáng mà hiện nay phần lớn đang phải nhập khẩu, đảm bảo an ninh
năng lượng, giảm thiểu phát thải gây ô nhiễm môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông
nghiệp vốn là thế mạnh của nước ta.
Xuất phát từ những lý do nêu trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sử
dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng” làm đề tài luận án
nghiên cứu sinh của mình.

ii. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử
đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đảm
bảo tính năng kỹ thuật của động cơ.
- Đánh giá hiệu quả cũng như tác động của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol lớn tới động cơ xăng đang lưu hành.

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ Toyota 1NZ-FE lắp trên xe ô tô Toyota
Vios. Đây là động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp hiện đang được lưu hành
phổ biến tại Việt Nam. Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng khoáng RON92 thương phẩm, các
hỗn hợp của xăng khoáng RON92 và 30%, 50%, 85% và 100% cồn ethanol về thể tích (tương
ứng là E0, E30, E50, E85 và E100).
- Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phòng thí nghiệm với ở các chế độ làm việc ổn
định của động cơ từ 1000  6000 vòng/phút, chế độ chuyển tiếp theo chu trình ECE 15 và
các chế độ khởi động, tăng tốc.

iv. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm, cụ thể như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.

- Kết quả luận án góp phần thúc đẩy việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, giảm
phụ thuộc nhiên liệu khoáng, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông
nghiệp tại Việt Nam.

vi. Tính mới của đề tài
Đề tài là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện chuyển đổi thành công
động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn
ethanol tới 100%. ECU phụ được lắp thêm trên động cơ có khả năng tự động nhận biết tỷ lệ
ethanol trong xăng sinh học, tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và
góc đánh lửa sớm phù hợp với tỷ lệ ethanol, đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ.

vii. Các nội dung chính của đề tài
- Mở đầu
- Chương 1. Tổng quan
- Chương 2. Cơ sở lý thuyết
- Chương 3. Mô phỏng động cơ phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ
cồn ethanol tới 100%
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
- Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học
1.1.1. Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học
Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, mức độ tăng trưởng dân số và
quá trình đô thị hóa nhanh chóng khiến nhu cầu về giao thông, vận tải trên toàn thế giới và
đặc biệt là tại các nước đang phát triển tăng lên nhanh chóng. Số lượng phương tiện vận tải
liên tục gia tăng khiến cho nhu cầu sử dụng và tiêu thụ nhiên liệu tương ứng tăng theo. Tốc

Tại Việt Nam, trong thời gian qua số lượng phương tiện cơ giới đường bộ đã tăng lên
nhanh chóng, giai đoạn 2002 - 2012 tăng 13,59 %, trong đó, ô tô tăng 12,66 % còn mô tô,
xe gắn máy tăng 13,64 % (Hình 1.3) [1]. Tính đến thời điểm 15/9/2015, tổng số phương tiện
cơ giới đường bộ đã đăng ký trong cả nước là 46065091 xe (trong đó: ô tô là 2579675 xe;
mô tô là 43485416 xe) [2]. Cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô
nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện này thải ra vào không
khí [10,18, 22, 89].

Hình 1.3. Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ [1]
Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giảm thiểu ô nhiễm không khí do khí thải từ
các phương tiện. Một trong những giải pháp đó là sử dụng nhiên liệu sinh học có khả năng
tái tạo, thân thiện với môi trường và phù hợp với thế mạnh về sản xuất nông nghiệp của Việt
Nam. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học nói chung, xăng sinh học nói
riêng trên phương tiện giao thông trong giai đoạn hiện nay là điều cần thiết.
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện
1.1.2.1. Định nghĩa, phân loại
Nhiên liệu sinh học thuộc loại nhiên liệu tái tạo, được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên
liệu nào nhận được từ sinh khối hoặc có nguồn gốc từ độngthực vật, bao gồm bioethanol,
biodiesel, biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu
thực vật [4]. Nhiên liệu sinh học (NLSH) được phân thành hai nhóm, nhóm dùng cho động
cơ xăng bao gồm các dạng cồn nhưng phổ biến là bioethanol và nhóm dùng cho động cơ
diesel là các este của dầu béo (biodiesel). Cồn ethanol được sản xuất với nguyên liệu là tinh
bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật. Sau đó ethanol được tách nước và bổ
sung các chất phụ gia và chất biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu.
Còn diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ động vật. Nhiều nước trên thế giới
đã tiến hành nghiên cứu tận dụng và trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên
liệu sinh học cho chế biến loại nhiên liệu này.
1.1.2.2. Một số loại nhiên liệu sinh học thường dùng
* Diesel sinh học
Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể

Ngoài ra còn có một số loại nhiên liệu sinh học khác như: nguyên liệu sinh khối
(biomas); Bioether bao gồm sáu loại ether: dimetyl ether (DME), diethyl ether (DEE),
methyl teritiary-butyl ether (MTBE), etyl ter-butyl ether (ETBE), ter-amyl methyl ether
(TAME), ete ter-amyl ethyl (TAEE); Khí tổng hợp (syngas)... cũng đã được nghiên cứu tại
nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên hiện vẫn chưa có các phương tiện sử dụng các loại
nhiên liệu sinh học này được thương mại hoá [4].

1.2. Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học
1.2.1. Nhiên liệu cồn ethanol
Ethanol còn được biết đến với tên rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là
một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là
một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn [15].
Trong cách gọi thông thường, ethanol thường được gọi một cách đơn giản là rượu.
Công thức hóa học của ethanol là C2H5OH, hay CH3CH2OH, viết tóm tắt là C2H6O [15].
6


1.2.1.1. Nguồn gốc, phương pháp sản xuất cồn ethanol
* Nguồn gốc
Nhiên liệu ethanol có thể được sản xuất từ rất nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, bao
gồm:
- Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, thốt nốt…
- Các loại nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì…
- Các loại nguyên liệu chứa cellulose.
Tuy nhiên, tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta chọn loại
nguyên liệu có lợi thế nhất để sản xuất nhiên liệu ethanol phù hợp. Ở Việt Nam, các nguồn
nguyên liệu thích hợp có thể sản xuất nhiên liệu ethanol là mía, sắn, gạo, ngô và rỉ đường.
Trong đó sắn hiện đang được coi là nguồn nguyên liệu chính.
* Phương pháp
Tùy thuộc vào các loại nguyên liệu mà nhiêu liệu ethanol sẽ được sản xuất theo các

Phương trình hóa học khi đó tương ứng là:
(C6H10O5)n +nH2O → nC6H12O6
C6H12O6→ 2C2H5OH + CO2
1.2.1.2. Tính chất của cồn ethanol
Cồn ethanol không có màu, có mùi thơm và có ngọn lửa không màu, bay hơi ở nhiệt
độ khá thấp (78°C), có tính háo nước rất lớn, có thể tan vô hạn trong nước và trong nhiều
chất hữu cơ, vô cơ khác. So sánh tính chất của cồn ethanol và xăng thông thường (Bảng 1.1)
cho thấy sự khác nhau giữa hai loại nhiên liệu này [16]:
Bảng 1.1. So sánh tính chất nhiên liệu xăng và cồn ethanol
Đặc tính
Nhiệt trị thể tích

Đơn vị

Cồn Ethanol

Xăng

MJ/L

21,1 – 21,7

32,2 – 32,9

9,0

14,7

°C


100,0

< 0,01

Nhiệt độ tự cháy

°C

392

280/430

* Ưu điểm
- Vì cồn ethanol là hợp chất hydrocacbon có chứa nhiều ô xy nên lượng không khí cần
để đốt cháy hoàn toàn 1kg cồn ethanol là 9kg không khí ít hơn nhiều so với xăng (14,7kg
không khí để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu).
- Ethanol có trị số octan cao, tức là khả năng chống kích nổ tốt, do vậy cho phép tăng
tỷ số nén, tăng hiệu suất động cơ.
- Trong phân tử cồn ethanol (C2H5OH) có sẵn ô xy tức là phân tử ethanol tự có một
phần ô xy để đốt cháy hydro và cacbon. Do đó làm cho quá trình đốt cháy nhiên liệu được
hoàn toàn hơn và giảm sự phát thải khí CO và HC.

8


- Nhiệt ẩn hóa hơi của cồn ethanol cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp. Do
đó,động cơ khi sử dụng cồn nạp được đầy hỗn hợp hơn vào trong xy lanh.
* Nhược điểm
- Do có ô xy trong nhiên liệu cồn ethanol (khoảng 34,7% khối lượng) dẫn đến nhiệt trị
của cồn ethanol thấp hơn xăng. Do vậy tiêu hao nhiên liệu tính trên cùng một quãng đường

Xăng sinh học là hỗn hợp của cồn ethanol và xăng khoáng nên tính chất phụ thuộc vào
tỷ lệ của cồn ethanol trong xăng sinh học. Xăng sinh học có những ưu nhược điểm của cồn
ethanol khi so sánh với xăng khoáng. Tính chất của xăng sinh học với một số tỷ lệ cồn khác
nhau thể hiện ở Bảng 1.2.
9


Bảng 1.2. Tính chất của một số loại xăng sinh học [4]
Xăng
sinh học

Tỷ lệ % ethanol
theo thể tích

Nhiệt trị
(kJ/g)

Tỷ trọng
(g/cc)

Tỷ lệ %
nước

RON

E0

0

43,397


E50

49,7

34,38

0,7666

0,4947

104

E85

82,2

29,2

0,7854

0,7653

106

E100

96,6

26,7


Các nước khác
Canada
China
Châu Âu
Brazil
USA

Hình 1.5. Tổng sản lượng ethanol hàng năm của các quốc gia/vùng lãnh thổ [94]
Đến năm 2015, tổng sản lượng ethanol của toàn thế giới đã đạt 25682 tỷ gallon. Hiện
nay, ethanol là loại nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sản xuất với sản lượng lớn nhất.
Trong số các quốc gia trên thế giới thì Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol
10