ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ DUY MẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN
ETHANOL – DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ
THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL.

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ DUY MẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ PHỐI TRỘN
ETHANOL – DIESEL ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ
THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL.
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 60.52.01.16
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. DƯƠNG VIỆT DŨNG

Đà Nẵng – Năm 2017


– NB. Phương pháp hòa trộn trực tiếp Ethanol và Diesel là phù hợp cho yêu cầu của động cơ
Diesel vì không thay đổi kết cấu, không cần thiết kế thêm chi tiết bổ sung.
Từ khóa – Nhiên liệu phối trộn; ethanol- diesel; tính năng kinh tế kỹ thuật; DE3, DE5,
DE7, DE10; EV2600-NB.

ETHANOL - DIESEL EFFECTS ON THE DIESEL ENGINEERING
ECONOMY FEATURES.
Summary - Blended fuel is of interest, contributing to energy savings and reducing
emissions from the engine. Ethanol-diesel is focused, when the mixture of ethanol into
diesel, the nature, quality of fuel change. That requires a re-testing of engine economics.
Topic: "Study on the effect of blends of ethanol-diesel on the economics of diesel
engines". Some achievements have been made: A mixture of ethanol-diesel fuel can be
used as a substitute for mineral diesel when the mixing ratio is 5%. The most economical
DE5 fuel blend in blends DE3 to DE10. Optimum operating position: At 48.3% of the
rack, the minimum fuel consumption is 275.91 [g/kWh] for the DE5 fuel and the EV2600
- NB test engine. Direct blending of Ethanol and Diesel is suitable for diesel engine
requirements because it does not change the structure, without the need for additional
design details.
Key words - Mixed fuel; ethanol-diesel; technical and economic features; DE3, DE5,
DE7, DE10; EV2600-NB.


1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................................... 12
1.1. NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC
TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL. ....................................................................................... 12
1.1.1. Nhiên liệu sinh học............................................................................................. 12
1.1.2. Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel ............................................ 15

3.1.1. Giới thiệu về động cơ EV2600-NB ................................................................... 55
3.1.2. Giới thiệu về băng thử công suất Froude ........................................................ 56
3.1.3. Giới thiệu về thiết bị cấp và đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S ............................................................................................................................... 58
3.1.4. Giới thiệu về cảm biến lực Loadcell ................................................................. 60
3.2. MÔ HÌNH BỐ TRÍ THỰC NGHIỆM ................................................................ 61
3.3. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM .......................................................................... 63
3.4. THU NHẬN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU ..................................................................... 64
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 72
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................. 73
4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN CÔNG SUẤT
ĐỘNG CƠ .................................................................................................................... 73
4.1.1. Công suất tổng quát........................................................................................... 73
4.1.2. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 10% thanh răng ................................. 75
4.1.3. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 30% thanh răng ................................. 76
4.1.4. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 50% thanh răng ................................. 77
4.1.5. Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 70% thanh răng ................................. 78
4.2. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔ MEN
ĐỘNG CƠ .................................................................................................................... 79
4.2.1. Mô men tổng quát .............................................................................................. 79
4.2.2. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 10% thanh răng ............................. 80
4.2.3. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 30% thanh răng ............................. 81
4.2.4. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 50% thanh răng ............................. 82
4.2.5. Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 70% thanh răng ............................. 83
4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU ĐẾN SUẤT TIÊU
HAO NHIÊN LIỆU CỦA ĐỘNG CƠ ....................................................................... 84


3
4.3.1. Suất tiêu hao nhiên liệu tổng quát ................................................................... 84
4.3.2. Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại vị trí 10% thanh răng,


[kg/kW.h]

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

Me

[N/m]

Mô men đầu ra trục khuỷu

Ne

[kW]

Công suất có ích động cơ

pk

[N/m2]

Áp suất khí nạp

pi

[N/m2]

Áp suất chỉ thị trung bình

pm


[kmol/kg]

Số mol sản phẩm cháy

 QH

[kJ/kg]
-

Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn toàn
Chỉ số nén đa biến

n1
m

-

Chỉ số giản nỡ nhiệt khí sót

2. Danh mục các ký hiệu Hy lạp :
o

-

Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết



-


Hệ số nạp thêm


5
2

-

Hệ số quét buồng cháy

đ

-

Hệ số điền đầy đồ thị

3. Các chữ viết tắt :
NLSH

Nhiên liệu sinh học

NLBT

Nhiên liệu biến tính

HHNL

Hỗn hợp nhiên liệu


2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
3.1
3.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10

Tên bảng
Tính chất vật lý ethanol
Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol NLBT
Đặc tính cơ bản của Ethanol NLBT
Chỉ tiêu chất lượng diesel thông dụng
Các thông số chọn động cơ
Các thông số tính toán cho quá trình nạp
Các thông số tính toán cho quá trình nén
Các thông số tính toán cho quá trình cháy
Các thông số tính toán cho quá trình giản nở
Các thông số chỉ thị

47
49
50
52
54
55
59
73
89
90
91
92
93
93
94
95
96


7

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
hiệu
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
2.4


Đường đặc tính ngoài của động cơ.

43

3.1

Mặt cắt dọc động cơ EV2600-NB

56

3.2

Cấu tạo băng thử thủy lực Froude

57

3.3

Hệ thống đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance - 733S

58

3.4

Nguyên lý thiết bị đo tiêu hao nhiên lệu AVL 733

59

3.5

65

3.11 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE3

65


8
Số
hiệu

Tên hình

Trang

3.12 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE5

66

3.13 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE7

66

3.14 Diễn biến công suất động cơ khi sử dụng HHNL DE10

67

3.15 Diễn biến mô men động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel

67

71

3.23 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE7

71

3.24 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng HHNL DE10

72

4.1

Diễn biến so sánh công suất động cơ của các nhiên liệu
Ne[Kw]

74

4.2

Đồ thị công suất động cơ tại vị trí 10% thanh răng

75

4.3

Diễn biến công suất động cơ tại vị trí 30% thanh răng

76

4.4

9
Số
hiệu

Tên hình

Trang

Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 50% thanh răng

82

4.10 Diễn biến mô men của động cơ tại vị trí 70% thanh răng

83

4.11 Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu động cơ

84

4.9

4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19

94
95
97


10

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết đề tài
Ngày nay do nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển
mạnh dẫn đến nhiều vấn đề cần được giải quyết như: Nhiên liệu hóa thạch dầu
mỏ sắp cạn kiệt, ô nhiễm môi trường từ khí thải do động cơ tạo ra cũng trở nên
đáng báo động. Các chuyên gia kinh tế năng lượng cho rằng nếu không phát
hiện thêm trữ lượng mới thì nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ không đáp ứng đủ và
cạn kiệt trong tương lai không xa. Xu hướng của thế giới là tìm kiếm nhiên liệu
mới thay thế cho nhiên liệu hóa thạch.
Trong các nguồn năng lượng thay thế đang sử dụng hiện nay như: (năng
lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân…), thì nhiên liệu sinh học
đang được ưu tiên phát triển. Nhiên liệu sinh học có lợi thế như: tận dụng nguồn
nguyên liệu tại chổ, tăng hiệu quả kinh tế, công nghệ sản xuất ít phức tạp, cấu
trúc động cơ ít thay đổi.
Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và
giảm khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng nhiên liệu sinh học phối trộn cùng
nhiên liệu hóa thạch, trong đó ethanol sinh học đang được quan tâm vì nguồn
cung khá dồi dào và có khả năng pha trộn cho diesel và xăng. Tuy nhiên khi pha
ethanol vào nhiên liệu khoáng thì tính chất, chất lượng của nhiên liệu sẽ thay đổi
so với ban đầu. Sự thay đổi ít hay nhiều phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với nhiên
liệu khoáng. Khi pha ethanol vào nhiên liệu khoáng thì sẽ có ảnh hưởng nhất
định đến tính bền vững của hỗn hợp, tính đồng pha, tính ăn mòn, điều đó đòi hỏi
phải kiểm nghiệm lại tính năng kinh tế kỹ thuật động cơ.

số liệu, viết báo cáo, trình bày báo cáo.
b.

Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên băng thử công suất

Froude – tại Khoa Cơ Khí Giao Thông – Đại học Bách Khoa – Đại học Đà
Nẵng.
5. Bố cục luận văn
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI


12

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC
TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL.
1.1.1. Nhiên liệu sinh học
a. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là nhiên liệu nhận được từ sinh khối,
được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật [4]. Như nhiên
liệu chế suất từ chất béo của động thực vật ngủ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương) các
chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải...).
Chúng bao gồm bio ethanol, diesel sinh học, biogas, ethanol pha trộn (ethanol –
diesel, ethanol - xăng), dimetyl ether sinh học và dầu thực vật. Nhiên liệu sinh

hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy,
nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của Biogas.
Nhiên liệu rắn
Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đang phát triển sử dụng
hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ. Nguyên liệu để sản
xuất nhiên liệu sinh học rất đa dạng, phong phú, bao gồm: sắn, ngô, mía, củ cải
đường, rơm rạ…
Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta lại chọn
những loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH. Ví dụ như Brasil sản xuất
ethanol chủ yếu từ mía, ở Mỹ là từ ngô.
b. Các loại nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học được sản suất từ nhiều dạng khác nhau, có thể tổng
hợp một số nyên liệu chính như sau:
Metyl ester


14
Đây là một loại diesel sinh học. Diesel sinh học thường dùng có tên
monoalkyl ester (methyl hoặc ethyl ester) của acid béo có chuỗi phân tử dài
được lấy từ lipid như dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Nó là sản phẩm trong quá
trình ester hóa từ dầu hạt cải, dầu đậu tương, dầu cây hướng dương, dầu cọ… Có
thể sử dụng diesel sinh học nguyên chất hoặc pha với dầu diesel thông thường
theo các tỷ lệ nhất định.
Dimetyl ether (DME)
Ở nhiệt độ môi trường, áp suất khí quyển, DME là chất khí không màu,
hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp. DME có thể được sản xuất từ khí tự nhiên
thông qua 2 bước: chuyển đổi khí tự nhiên thành methanol sau đó khử nước
(2CH3OH → CH3OCH3+ H2O) sẽ thu được DME.
DME có trị số xêtan khá cao (khoảng 55) trong khi trị số xêtan của diesel
là 40 ÷ 53. Tuy nhiên nhiệt trị và độ nhớt của DME lại khá thấp, do vậy khi sử

1.1.2. Sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel
a. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới
Ở Châu Âu, diesel sinh học đã được sản xuất lần đầu tiên ở Áo và Đức.
Người ta đặc biệt quan tâm đến diesel sinh học từ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ
vào những năm 1980. Việc tổng hợp diesel sinh học trong phòng thí nghiệm bởi
Mittelbach ở Đại học Graz diễn ra lần đầu tiên năm 1983. Nhà máy công nghiệp
đầu tiên sản xuất metyl ester dầu hạt cải đã được xây dựng năm 1991 ở Áo. Năm
1996 hai nhà máy qui mô lớn ở Rouen - Pháp và Leer- Đức đã chứng minh sự
phát triển mạnh của ngành công nghiệp diesel sinh học[11].
Hình 1.1 cho ta thấy sự tăng trưởng hàng năm sản lượng diesel sinh học ở
châu Âu (từ năm 1998 đến năm 2011).
Vào cuối năm 2006, ở Đức có khoảng 50 nhà máy diesel sinh học qui mô
từ 10.000 tấn/năm đến 250.000 tấn/năm [11].


16

Hình 1.1 Sản lượng nhiên liệu sinh học châu Âu từ năm 1998 đến 2011 [12]
Ngày nay, rất nhiều nhà máy khác của Pháp đã được xây dựng và đưa vào
sử dụng, đưa sản lượng diesel sinh học của Pháp năm 2008 tăng đến khoảng 2,5
triệu tấn/năm.
Italia là nước có sản lượng diesel sinh học đứng thứ 3 châu Âu sau Đức và
Pháp. Đến năm 2004, 320.000 tấn diesel sinh học đã được sản xuất từ 8 nhà máy
phân bố trên toàn bộ lãnh thổ Italia. Nguyên liệu chính để sản xuất diesel sinh
học ở Italia là dầu hạt hướng dương trồng tại Italia hoặc dầu hạt cải nhập khẩu từ
Đức và Pháp [11].
Tại Mỹ, sản lượng diesel sinh học tăng mạnh trong những năm gần đây.
Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Mỹ là dầu đậu nành tinh khiết,
dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ động vật. Theo Hội Nhiên liệu sinh học Mỹ,
với sự ủng hộ của chính phủ, lượng diesel sinh học bán ra có thể đạt gần 2 tỷ

b. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học tại ViệtNam
Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định 177/2007/QĐTTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn
đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu là phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng
năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền
thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môitrường.
Theo Đề án, mục tiêu đến giai đoạn 2011 - 2015, nước ta làm chủ và sản
xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất NLSH, ứng dụng thành công
công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn nguyên liệu cho quá trình
chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu sinh học. Đến năm 2015, sản lượng
ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả
nước. Tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta
đạt trình độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 1,8
triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước[5].
Các trường Đại học (ĐHBK Hà Nội, ĐHBK -ĐH Đà Nẵng, ĐHBK Thành
phố Hồ Chí Minh, ĐHKHTN – ĐH Quốc gia HN),Viện Hóa học Công nghiệp
Việt Nam, Tổng công ty Dầu khí Việt Nam, Công ty Phát triển Phụ gia và Sản
phẩm Dầu mỏ (APP),... đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp diesel sinh học từ các
nguồn nguyên liệu khác nhau như: dầu bông, dầu cọ, dầu dừa, dầu thải, mỡ động
vật.... nhưng mới ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc quy mô sản xuất nhỏ.
Tính đến năm 2010, nước ta đã làm chủ công nghệ sản xuất diesel sinh
học từ một số nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước (methanol, ethanol, butanol)
và bước đầu tiến hành pha trộn B5.


19
1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VỀ VIỆC SỬ
DỤNG NHIÊN LIỆU ETHANOL CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
1.2.1. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt
trong trên thế giới.
a. Tình hình sản xuất, sử dụng nhiên liệu sinh học pha trộn với nhiên liệu

gốc tái tạo. EU còn quy định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất 10%
nhiên liệu sinh học từ nay đến 2020.
Mỹ đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học trong giao thông,
Iowa là bang sản xuất ethanol cho nhiên liệu ôtô với sản lượng lớn nhất.
Nhiên liệu Ethanol- diesel dùng ở Mỹ qui định thành phần ethanol chứa
trong nhiên liệu này không vượt quá 15% về thể tích và 5% chất phụ gia riêng
để ổn định các tính chất của nhiên liệu tương đương với diesel. Theo Robert
E.Reynolds nguyên nhân của giới hạn này là do: các số liệu kiểm tra trên hỗn
hợp nhiên liệu ở mức cao hơn đều bị hạn chế, ở hỗn hợp có thành phần ethanol
cao sẽ bất lợi nhiều hơn về mặt kinh tế; [15].
Trong nghiên cứu của T.K.Bhattacharya và T.N. Mishra [14] về khả năng
hòa trộn của ethanol trong Diesel họ đã rút ra các nhận xét sau:
Ethanol có nồng độ 2000có thể pha vào Diesel với tỷ lệ đến 20% thể tích
hoặc hơn nữa vì không có nước nên sẽ hoà tan triệt để và có tính đồng nhất.
Ethanol có nồng độ 1900 và 1800 có thể pha vào Diesel với tỷ lệ đến 20%
Khi đó hỗn hợp sẽ hoà tan không triệt để và có pha phân cách không rõ rệt
nhưng có thể sử dụng được trong động cơ Diesel. Tỷ lệ tốt nhất là dưới 15%.


21
Ethanol có nồng độ 1700 chỉ có thể dùng như là nhiên liệu trong động cơ
diesel khi pha với tỷ lệ nhỏ hơn 15%.
Các hỗn hợp còn lại không thể sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ
Diesel vì lượng nước chứa trong ethanol quá lớn (20% đến 25%), sự hoà tan sẽ
không tốt và tạo ra các pha phân cách rõ rệt.
Ở Trung Quốc, tại phòng thí nghiệm về An Toàn Ô tô và Năng Lượng –
Đại Học Thanh Hoa, 2003; nhóm tác giả Bang-Quan Hea, Shi-Jin Shuaia, JianXin Wanga, đã nghiên cứu: ảnh hưởng của ethanol pha trộn diesel đến thành
phần khí thải, khi pha trộn tư 10% đến 15% ethanol trong HHNL. Kết quả thu
được: Trị số cetan giảm, nhiệt trị cao giảm, NOX, CO2, HC đều giảm;[9].
1.2.2. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol cho động cơ đốt