Mô phòng bằng phần mềm kiva sự thay đổi quá trình công tác của động cơ diesel avl 5402 khi chuyển đổi nhiên liệu từ d o sang biodiesel

Các phế phẩm từ cá trong quá trình chế biến như đầu, ruột, xương, mỡ…được tận dụng để sản xuất dầu bidiesel sinh học, làm nguyên liệu cunh ấp cho máy phát điện phục vụ cho hệ thống đông

- oOo -

LƯU VIỆT HÙNG

MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM KIVA SỰ THAY ĐỔI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA

ĐỘNG CƠ DIESEL AVL5402 KHI

CHUYỂN ĐỔI NHIÊN LIỆU TỪ D.O

SANG BIODIESEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP HCM 11- 2018

- oOo -

LƯU VIỆT HÙNG

MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM KIVA SỰ THAY ĐỔI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA

ĐỘNG CƠ DIESEL AVL5402 KHI

CHUYỂN ĐỔI NHIÊN LIỆU TỪ D.O

SANG BIODIESEL

CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ TÀU THỦY

MÃ SỐ: 62.84.01.06

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS PHAN VĂN QUÂN

TP HCM 11- 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Phan Văn Quân

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa được ai công

bố trong bất cứ công trình nào khác

Học viên

Lưu Việt Hùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về sử dụng nhiên liệu biodiesel 1

1.2 Tổng quan về nhiên liệu biodiesel dầu mỡ cá 4

1.2.1 Khả năng sử dụng dầu mỡ cá 4

1.2.2 Nguồn nguyên liệu mỡ cá da trơn và các dự án sản xuất dầu mỡ cá ở ĐBSMK 5

1.2.3 Nhiên liệu dầu mỡ cá 10

1.3 Tổng quan về phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu phát triển động cơ 12

1.3.1 Ưu điểm phương pháp mô phỏng 12

1.3.2 Các mô hình mô phỏng quá trình cháy động cơ đốt trong 12

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY VÀ NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG 15

2.1 Phương trình cháy trong động cơ diesel 15

2.2 Khí thải động cơ diesel 16

2.2.1 Thành phần khí thải động cơ diesel 16

2.2.2 Cơ chế hình thành bồ hóng 19

2.2.3 Cơ chế hình thành NO x 20

2.3 Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel 23

2.3.1 Độ nhớt 23

2.3.2 Nhiệt trị 23

2.3.3 Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy 24

2.3.4 Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc 24

2.3.5 Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu 24

2.3.6 Khối lượng riêng 25

2.3.7 Tính bay hơi 25

2.3.8 Sức căng bề mặt 26

2.4 Phân tích đặc điểm của biodiesel và đặc tính của biodiesel làm từ dầu mỡ cá, đi sâu phân tích các đặc tính của hỗn hợp biodiesel và dầu DO: B5, B10 28

2.4.1 Ảnh hưởng của các chỉ tiêu chất lượng dầu biodiesel B100 khi sử dụng cho động cơ 30

2.4.2 Phân tích mức độ ảnh hưởng của các chỉ số nhiên liệu 34

2.5 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Kiva – 3V 36

2.5.1 Tổng quan về tính toán động lực học lưu chất (CFD) 36

2.5.2 Giới thiệu phần mềm KIVA 37

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM KIVA SỰ THAY ĐỔI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL AVL5402 KHI CHUYỂN ĐỔI NHIÊN LIỆU TỪ D.O SANG BIODIESEL 40

3.1 Phần mềm mô phỏng KIVA 40

3.1.1 Cấu trúc phần mềm Kiva 40

3.1.2 Các mô hình số mô phỏng quá trình cháy của KIVA – 3V 41

3.2 Xây dựng mô hình tính toán 52

3.2.1 Thông số động cơ nghiên cứu 52

3.2.2 Xây dựng mô hình lưới mô phỏng 54

3.3 Phân tích quá trình cháy và đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp đến chỉ tiêu kinh tế, môi trường bằng phần mềm mô phỏng KIVA-3V 58

3.3.1 Các chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ Diesel 58

3.3.2 Kết quả mô phỏng và bàn luận 61

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, chữ viết tắt Ý nghĩa

ge (g/kWh) Suất tiêu hao nhiên liệu

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Nhiên liệu diesel (Tiêu chuẩn PETROLIMEX) 26

Bảng 2.2 Nhiên liệu diesel (Tiêu chuẩn ASTM D975) 27

Bảng 2.3 Chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu diesel sinh học gốc theo qui chuẩn Việt Nam QCVN 1: 2015/BKHCN 29

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu chất lượng dầu B100 và các ảnh hưởng khi sử dụng cho động cơ 30

Bảng 2.5 Các chỉ tiêu của dầu mỡ cá B100 31

Bảng 2.6 Các chỉ tiêu dầu DO sử dụng thử nghiệm 33

Bảng 2.7 Kết quả phân tích dầu B5 33

Bảng 2.8 Kết quả phân tích dầu B10 34

Bảng 2.9 So sánh các giá trị tham số liên quan quá trình phun nhiên liệu 35

Bảng 3.1 Các hằng số trong mô hình Shell 46

Bảng 3.2 Tốc độ phản ứng của cơ chế hình thành NO 49

Bảng 3.3 Tốc độ phản ứng các bước hình thành bồ hóng 52

Bảng 3.4 Thông số động cơ 1 xylanh AVL 5402 53

Bảng 3.5 Các điều kiện biên khi mô phỏng 56

Bảng 3.6 Các chỉ tiêu cơ bản của nhiên liệu hỗn hợp dầu mỡ cá và dầu diesel 56

Bảng 3.7 Các thông số chính được điều chỉnh 58

Bảng 3.8 Giá trị nhiệt độ cực đại trung bình (K) 64

Bảng 3.9 Khối lượng NOx phát thải tại thời điểm mở van xả (g) 66

Bảng 3.10 Khối lượng bồ hóng phát thải tại thời điểm mở van xả (g) 69

Bảng 3.11 Công suất động cơ (kW) 71

Bảng 3.12 Suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kWh) 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phân bố vùng nuôi cá Basa 6

Hình 1.2 Sử dụng phụ phẩm trong chế biến cá tra để nấu lấy mỡ 7

Hình 1.3 Dây chuyền sản xuất phụ phẩm bột cá xuất khẩu 9

Hình 1.4 Thu mua mỡ cá từ cơ sở sản xuất 10

Hình 1.5 So sánh thời gian tính toán cho các mô hình mô phỏng khác nhau 14

Hình 2.1 Cấu trúc chuỗi bồ hóng và dạng những hạt sơ cấp 20

Hình 2.2 Cấu trúc tinh thể graphit và mô hình cấu trúc hạt sơ cấp 20

Hình 2.3 Biến thiên tỷ lệ NO2/NOx theo tải và tốc độ quay của động cơ diesel 22

Hình 2.4 Quy trình sản xuất dầu biodiesel gốc B100 29

Hình 2.5 Lưu đồ tính toán trong Kiva 39

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc phần mềm Kiva 41

Hình 3.2 Sơ đồ hình thành bồ hóng 50

Hình 3.3 Động cơ diesel AVL 5402 54

Hình 3.4 Bản vẽ thiết kế piston AVL 54

Hình 3.5 Phân vùng và lập tọa độ điểm vị trí biên của piston 55

Hình 3.6 Mô hình lưới buồng đốt piston AVL với góc mô phỏng 720 55

Hình 3.7 Biến thiên áp suất trong xylanh với các mẫu thử 62

Hình 3.8 Đường cong tốc độ tỏa nhiệt với các mẫu thử 63

Hình 3.9 Biến thiên nhiệt độ trung bình trong xylanh với các mẫu thử 64

Hình 3.10 Biến thiên NOx với các mẫu thử 65

Hình 3.11 Phân bố nhiệt độ và nồng độ NOx trong buồng cháy động cơ mẫu B0 67

Hình 3.12 Bồ hóng hình thành, oxy hóa và phát thải với mẫu thử B0 68

Hình 3.13 Bồ hóng hình thành, oxy hóa và phát thải với các mẫu thử 69

Hình 3.14 Phân bố nhiệt độ, tốc độ hình thành và oxy hóa bồ hóng trên mặt cắt ngang tia phun nhiên liệu với các mẫu thử 71

MỞ ĐẦU

Những nghiên cứu về tính toán động lực học lưu chất đã bắt đầu từ những năm 60 và đến nay thì việc phát triển dịch vụ và ứng dụng phương pháp này để xây dựng mô hình ảo tính toán cho một hệ thống hay thiết bị cần nghiên cứu được ứng dụng rộng rãi Các định luật hóa học và vật lý được áp dụng cho mô hình ảo này và phần mềm sẽ đưa ra các kết quả dự đoán về động lực học lưu chất và các hiện tượng vật lý có liên quan

Ứng dụng phần mềm mô phỏng vào nghiên cứu bởi các ưu điểm sau:

- Việc sử dụng phần mềm mô phỏng tạo tiền đề cho việc ứng dụng công nghệ mới vào công tác nghiên cứu, giảng dạy và học tập trong ngành kỹ thuật được thuận lợi và sinh động hơn

- Ứng dụng phần mềm mô phỏng vào việc thiết kế, phân tích, vận hành và điều khiển tối ưu hóa hệ thống được thuận lợi và tiết kiệm hơn do việc tiến hành thực nghiệm chứng minh ít hơn, thay đổi các thông số đầu vào phần mềm đơn giản hơn

Việc lựa chọn hướng nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy của diesel tàu thủy bằng phần mềm mô phỏng để xác định tỷ lệ nhiên liệu biodiesel dầu mỡ cá hợp lý nhất cũng xuất phát từ những nguyên nhân trên

Luận văn được bố cục thành 4 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Chương 4: Kết luận

Mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu vấn đề, tuy nhiên đây là lần đầu độc lập thực hiện một công trình khoa học mang tính tổng hợp, với kiến thực bản thân còn hạn chế, tài liệu kham khảo chưa đầy đủ nên khó tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự góp ý của Quý Thầy, Cô giáo và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Nhân dịp này, cho phép tôi được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đối với PGS.TS Phan Văn Quân, quý Thầy trong khoa Máy tàu thủy, Viện Sau Đại học, cùng các bạn và gia đình đã động viên và hỗ trợ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018

Học viên

Lưu Việt Hùng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về sử dụng nhiên liệu biodiesel

Nghiên cứu sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới mà đặc biệt

là ngành giao thông vận tải có xu hướng tăng nhanh Ở Châu Âu, đây là một phần của chính sách môi trường quốc gia và mục đích giảm phát thải CO2, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu và tạo ra việc làm thông qua phát triển nông thôn

Hiện nay có nhiều ứng dụng nhiên liệu thay thế cho các động cơ ô tô, ví dụ Brazin là nước đi đầu trong sự phát triển các loại nhiên liệu sạch từ mía, Brazin hiện

có tới 90% ô tô sử dụng nhiên liệu sạch và nhiên liệu sạch pha với nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ, với 5 nhà máy cung cấp sản lượng khoảng 49 triệu lít/ năm Một số quốc gia ở Châu Âu cũng góp phần không nhỏ trong việc ứng dụng nhiên liệu thay thế nhất là khi Nghị định thư Kyoto được đưa vào thực hiện, các quy chế ngặt nghèo về khí thải, mới đây nhất là chỉ thị 2003/30/EC, theo đó từ ngày 31/12/2005 có ít nhất 2% và đến 31/12/2010 ít nhất 5,75% nhiên liệu dùng trong vận tải phải có nguồn gốc tái tạo Tại Đức chỉ thị trên đã được thực hiện sớm hơn, tiếp theo là Áo và Pháp với nhiên liệu chứa 5% có nguồn gốc tái tạo đã được bán Ở

Mỹ, Áo đã cho động cơ diesel ô tô chạy bằng dầu thực vật từ nhiên liệu là dầu ăn thải ra từ trong các nhà hàng Achentina đã tìm cách phát triển công nghệ sản xuất năng lượng thay thế từ đậu nành với chi phí sản xuất chỉ bằng ½ so với diesel truyền thống (DO) Nước Anh cũng đã sản xuất nhiên liệu thay thế từ hạt hướng dương, hạt thầu dầu, hạt cọ Gần đây đã có một số công trình bắt đầu nghiên cứu và công bố sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong tảo Kết quả công trình nghiên cứu của hai sinh viên tại đại học Auckland (New Zealand), họ đã chứng minh được động cơ chạy bằng dầu diesel của tàu, xe có thể hoạt động được nhờ vào hỗn hợp diesel với dầu dừa hoặc chỉ đơn thuần bằng dầu dừa Trong bài viết trên tạp chí Journal Science, giáo sư James Steenbock Dumesic trường đại học Wisconsin Madison, Hoa Kỳ (UW – Madison) và các đồng nghiệp đã công bố: Hạt ngũ cốc và các nguyên liệu nguồn gốc chứa nhiều cacbonhydrate có thể được biến đổi sang dạng

chất lỏng hóa học alkanes không chứa lưu huỳnh tạo nên chất phụ gia lý tưởng cho phương tiện vận chuyển chạy dầu diesel Kết quả, chất dầu diesel từ thực vật này có thể cung cấp cho ta nguồn năng lượng gấp đôi nguồn năng lượng cần thiết để tạo ra nó…Lợi điểm nữa là có thể sử dụng nguồn nguyên liệu rộng rãi từ thực vật

Tại Mỹ với mục tiêu giảm 70% dầu nhập khẩu từ Trung Đông, các nền kinh

tế đầu tàu như Trung Quốc, EU, Mỹ, Nhật và ngay cả các nước có nguồn nguyên nhiên liệu để phát triển nhiên liệu sạch dồi dào như Brazin, Thái Lan, Indonesia, Malaysia, Ấn Độ,…cũng đang ra sức phát triển những loại nhiên liệu sạch, để trong tương lai gần nền kinh tế không phải phụ thuộc vào nguồn cung cấp dầu mỏ

Hiện nay, Trung Quốc là một quốc gia đông dân nhất và cũng là một quốc gia có tốc độ phát triển kinh tế nhanh nhất, tuy nhiên nguồn dầu mỏ nước này cũng không đủ cung cấp ngay trong thời điểm hiện tại Nên phương án đưa ra của nước này là phát triển mạnh các loại nhiên liệu sạch và các nguồn khác để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong tương lai gần Hiện tại Trung Quốc đã có nhiều nhà máy sản xuất nhiên liệu sạch lớn nhất thế giới ở tỉnh Cát Lâm có sản lượng 600.000 tấn/ năm Và tổng sản lượng nhiên liệu diesel sinh học của Trung Quốc hiện vào khoảng 1,5 triệu tấn/ năm

Ấn Độ cũng đang cố gắng sản xuất nhiên liệu thay thế từ nguồn dầu cọ để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong nước

Đông Nam Á là khu vực có điều kiện thiên nhiên ưu đãi nên có nguồn dầu thực vật được lấy từ nhiều loại cây trong đó chủ yếu là dầu cọ và dầu dừa Thái Lan

là một trong những nước trong khu vực đi tiên phong trong việc sản xuất nhiên liệu sạch, theo đó là Malaysia, một nước có sản lượng dầu cọ lớn nhất thế giới, đã quyết định lấy đó làm nguồn nguyên liệu để sản xuất dầu diesel sinh học

Thêm vào đó, các chất béo động vật và dầu cá là sản phẩm phụ từ các ngành công nghiệp đánh bắt và chế biến thủy sản là nguyên liệu hứa hẹn cho sản xuất bidiesel vì giá của chúng thấp Các chất béo và dầu có nguồn gốc động vật đã được thử nghiệm làm nguyên liệu sản xuất alkyl ester, bao gồm mỡ bò, mỡ heo, dầu cá Tuy nhiên, dầu diesel sinh học sản xuất từ các chất béo động vật có một số tồn tại

Nhược điểm chính là do thành phần axit béo và đặc biệt là độ bão hòa Các mỡ động vật thường có độ bão hòa cao dẫn tới ester-methyl có nhiều tính chất xấu ở nhiệt độ thấp

Ưu điểm chính của biodiesel là có thể sử dụng trong các động cơ diesel

thông dụng mà không cần cải tạo lớn Diesel sinh học hòa trộn tốt với nhiên liệu

DO và hỗn hợp này có tính ổn định lâu dài Các hỗn hợp có hàm lượng dầu diesel sinh học thấp có thể dùng thay thế trực tiếp nhiên liệu diesel trong hầu hết các động

cơ diesel mà không cần điều chỉnh

Nhược điểm chính của biodiesel là:

- Phải xử lý hóa học, đầu tư dây truyền công nghệ làm gia tăng giá thành nhiên liệu

- Biodiesel hoạt động như một chất hòa tan, nên pha vào dầu diesel (DO) với

tỷ lệ cao không tương thích với một số loại hợp chất nhựa tổng hợp và cao su thiên nhiên và chúng bị hỏng sau một thời gian

- Dầu diesel sinh học có tốc độ lão hóa cao, nó bắt đầu xuống cấp và tạo thành các chất lắng đọng có thể làm hỏng hệ thống phun nhiên liệu Nhìn chung, lưu kho một năm được coi là có thể chấp nhận được nhưng phải đảm bảo hạn chế tối đa sự tiếp xúc với ánh sáng, không khí và nước

Đi sau các nước trong việc phát triển nhiên liệu sạch nhưng Việt Nam cũng

đã đạt được những thành tựu bước đầu trong việc nghiên cứu chế biến dầu thực vật,

mỡ động vật thành dầu diesel sinh học Các nhà khoa học Việt Nam đã nghiên cứu chiết suất thành công dầu diesel sinh học từ dầu mè, mỡ cá basa, cá tra,… nó đã mở

ra một hướng mới cho các nhà đầu tư trong một lĩnh vực mới Đối với cây mè có thể dùng phụ phẩm của nó làm thuốc, làm phân bón, làm than, … còn đối với mỡ cá basa, cá tra ta tận dụng được nguồn mỡ thải lâu nay phải vứt bỏ Mỡ cá tra, cá basa

ở vùng sông nước Cửu Long không tiêu thụ được vẫn có thể tái tạo thành dầu diesel sinh học Đó là công trình nghiên cứu của các cán bộ công tác tại phân viện khoa học vật liệu tại Thành phố Hồ Chí Minh thuộc viện khoa học và công nghệ Việt Nam

Theo đề nghị của Bộ Công nghiệp và văn phòng Công ty Sojitz tại Hà nội, ngày 03 tháng 8 năm 2005, Bộ Tài nguyên và môi trường, với tư cách là cơ quan đại diện Chính phủ Việt Nam tham gia và thực hiện Nghị định thư Kyoto đã xác nhận dự án PIN phát triển dầu dừa diesel sinh học theo cơ chế phát triển sạch (CDM) tại tỉnh Bình Định

Nhóm nghiên cứu do PGS.TS Hồ Sơn Lâm – Phân viện trưởng Phân viện Khoa học vật liệu TP.HCM thuộc viện khoa học và công nghệ Việt Nam – chủ trì khẳng định có đủ khả năng nghiên cứu sản xuất dầu diesel sinh học (biodiesel) từ dầu thực vật của Việt Nam PGS.TS Hồ Sơn Lâm cho biết nhóm nghiên cứu đã hợp tác với Viện Hóa Kỹ thuật ĐH tổng hợp Jena (Đức) phân tích thành phần, tính chất các mẫu dầu diesel sinh học do nhóm điều chế Kêt quả cho thấy các mẫu dầu diesel sinh học từ dầu thực vật Việt Nam đạt tiêu chuẩn Châu Âu về biodiesel

Từ tháng 8/2006, hệ thống thiết bị sản xuất nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) từ dầu ăn phế thải với công suất 2 tấn/ ngày đã được triển khai từ công ty Phú Xương – Quận Thủ Đức, TP.HCM Dự án sản xuất dầu biodiesel từ dầu ăn phế thải tại TP.HCM có nguồn vốn đầu tư khoảng 9,69 tỷ đồng, trong đó có 1,5 tỷ đồng

o Có khả năng phát nhiệt lớn và có thể đưa vào sử dụng tập trung

o Ít bị biến chất trong quá trình bảo quản

o Ít gây độc hại cho môi trường sống của con người và đối với động thực vật

o Dễ bảo quản và vận chuyển

o Đảm bảo tuổi thọ động cơ, trong nhiên liệu không được có hoặc rất ít chất gây ăn mòn như lưu huỳnh, các loại axit…đặc biệt sản phẩm cháy không được có tro (muội than giảm tối đa) vì đó là chất gây mài mòn và làm vòng găng bị kẹt

Dầu mỡ cá thỏa mãn được phần lớn các yêu cầu về nhiên liệu dùng trong động cơ đốt trong, đứng về mặt kỹ thuật thì nó có thể là một nguồn nhiên liệu tốt cho động cơ đốt trong

Nhiên liệu quặng thường bị áp nhiều loại thuế làm cho giá thị trường của nó tăng lên nên đây là một yếu tố thuận lợi để cho dầu sinh học cạnh tranh với diesel

Diesel là nhiên liệu được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam Nó được nhập từ các nước láng giềng Do đó giá cả thay đổi theo giá thị trường quốc tế Nếu sản xuất được dầu dầu sinh học chúng ta có thể chủ động được nguồn nhiên liệu, không phụ thuộc vào giá cả, khả năng cung cấp dầu diesel

Ở vùng nông thôn Việt Nam, các loại động cơ nhỏ được sử dụng rất phổ biến trên cánh đồng lúa và nông trại Mặt khác khoảng 95% các động cơ đó sử dụng diesel Từ đó ta thấy nếu sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế cho diesel sẽ tiết kiện được một lượng ngoại tệ lớn cho quốc gia

Khu vực nông thôn có một lượng lao động dồi dào, tỷ lệ thất nghiệp cao, việc sản xuất dầu sinh học (biodiesel) sẽ giải quyết được nhiều việc làm cho nông dân

Lượng CO2 ( tác nhân chính gây hiệu ứng nhà kính) do nhiên liệu sinh học (biodiesel) thải ra giảm đáng kể so với diesel

Tóm lại việc sử dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ đốt trong không những không có hại cho môi trường mà còn có lợi cho con người và cho bầu khí quyển

1.2.2 Nguồn nguyên liệu mỡ cá da trơn và các dự án sản xuất dầu mỡ

Hình 1.1 Phân bố vùng nuôi cá Basa

Hiện toàn vùng ĐBSCL có trên 70 doanh nghiệp (DN) chế biến cá tra phục

vụ xuất khẩu Một số doanh nghiệp chế biến cá tra lớn như: Hùng Vương, Vĩnh Hoàn, Hiệp Thành, Bình An,

Trong chế biến cá tra và cá basa, sau khi lấy hai thớ thịt để làm những miếng phi lê dành xuất khẩu, phần còn lại gọi là phế phẩm hay phụ phẩm Do đó, lượng

phụ phẩm cá tra thải ra từ các xí nghiệp chế biến phi lê xuất khẩu là rất lớn, ước tính lượng phụ phẩm này lên đến 60 – 65% khối lượng nguyên con cá tra (gồm thịt vụn, đầu, xương cá) Khối lượng này khoảng 700000 tấn Trong quá trình chế biến cá da trơn, phụ phẩm (chủ yếu là mỡ cá) thu hối chiếm 10% trọng lượng Lượng dầu mỡ

cá tra thô thu được hằng năm trên 100.000 tấn Mỡ cá được tận dụng bán cho cơ sở sản xuất mỡ bôi trơn, thức ăn chăn nuôi nhưng lượng mỡ dư thừa không được tận dụng hết thường gây ra tình trạng ô nhiễm

Hình 1.2 Sử dụng phụ phẩm trong chế biến cá tra để nấu lấy mỡ

Hiện nay, việc chế biến (chủ yếu là tách chiết mỡ cá và chế biến thức ăn chăn nuôi), tiêu thụ phụ phẩm cá tra được thực hiện theo các phương thức sau:

Cơ sở chế biến cá tra đông lạnh với quy mô lớn cũng đã đầu tư, xây dựng thêm các phân xưởng chế biến tận dụng phụ phẩm với dây chuyền công nghệ tương đối hiện đại, khép kín nhằm tạo thêm nguồn thu và hạn chế ô nhiễm do phế phụ phẩm gây ra

Công ty CP Chế biến Thủy hải sản Hiệp Thành (Cần Thơ), cho biết đã vận hành thành công dây chuyền sản xuất dầu diesel từ mỡ cá basa Đây là dự án thuộc Trung tâm Nghiên cứu công nghệ VTT (Phần Lan) trong chương trình Enerfish, do

Ủy ban Châu Âu tài trợ, nhằm tận dụng phụ phẩm trong quá trình chế biến cá tra xuất khẩu để sản xuất ra dầu diesel sinh học Các phế phẩm từ cá trong quá trình chế biến như đầu, ruột, xương, mỡ…được tận dụng để sản xuất dầu bidiesel sinh học, làm nguyên liệu cunh ấp cho máy phát điện phục vụ cho hệ thống đông lạnh và

hệ thống nhiệt của nhà máy

Công ty Cổ phần Vĩnh Hoàn (Đồng Tháp) còn 7 mặt hàng phụ phẩm tận dụng các phần của cá chế biến xuất khẩu như: bột cá, thịt bụng cá, da cá, dè cá, dầu

cá, bong bóng cá và bao tử cá Đặc biệt, hiện nay Công ty đã hoàn tất và thành công giai đoạn sản xuất tại phòng thí nghiệm các loại phụ phẩm của cá để chế biến dầu diesel sinh học (hay còn gọi là dự án collagen) Dự án được triển khai tại nhà máy chế biến mỡ cá và bột cá, Công ty Cổ phần Thức ăn Thủy sản Vĩnh Hoàn 1, cụm Công nghiệp Thanh Bình, tỉnh Đồng Tháp, do Công ty Success Nexus, Malaysia liên doanh với Công ty Cổ phần Vĩnh Hoàn thực hiện

Tập đoàn Sao Mai An Giang đã xây dựng nhà máy tinh luyện dầu ăn và thực phẩm dinh dưỡng từ mỡ cá tra tại cụm công nghiệp Vàm Cống, xã Bình Thạnh, huyện Lấp Vò, tỉnh Đồng Tháp) với tổng diện tích 23.450 m2, nhà máy sử dụng công nghệ chế biến của tập đoàn Desmet Ballestra (Bỉ), công suất năm đầu tiên của nhà máy là 100 tấn nguyên liệu/ ngày (31.200 tấn/ năm) và nâng lên 200 tấn/ ngày (62.400 tấn/ năm) từ năm thứ 3 Nhà máy tinh luyện dầu cá để sản xuất các sản phẩm như: dầu trộn salad, nước xốt, dầu viên cá…

Hình 1.3 Dây chuyền sản xuất phụ phẩm bột cá xuất khẩu

Các cơ sở chuyên thu mua, chế biến phụ phẩm cá tra để chế biến thành bột

cá hoặc mỡ cá với cơ sở vật chất, dây chuyền công nghệ cũng đã được cơ giới hóa

và chuyên nghiệp hóa, tạo ra sản phẩm có chất lượng cao và hạn chế được ô nhiễm môi trường

Các lò “luyện” mỡ cá quy mô nhỏ và vừa với công nghệ thô sơ, thủ công nên chất lượng không cao Đặc biệt, các lò “luyện” mỡ cá này gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng cho các khu vực xung quanh

Điển hình là hằng tram hộ dân ở 2 khu vực Thới Hòa B và C, phường Long Hưng, quận Ô Môn, TP Cần Thơ đang phải sống trong điều kiện ô nhiễm khủng khiếp khi 2 dòng kênh Nhà Lầu, Xáng Múc rơi vào tình cảnh bị bức tử Do tác động trực tiếp từ các công ty doanh nghiệp chế biến phụ phẩm cá tra

Hình 1.4 Thu mua mỡ cá từ cơ sở sản xuất

1.2.3 Nhiên liệu dầu mỡ cá

Chúng ta biết rằng Biodiesel là hỗn hợp các ester của axit béo được tạo ra từ phản ứng transester hóa của dầu thực vật hoặc mỡ động vất với rượu (ethanol hoặc methanol), trong đó methanol được sử dụng phổ biến nhất Biodiesel có màu giữa vàng hay nâu tối phụ thuộc vào nguyên liệu để chế biến Methyl ester điển hình có điểm chớp cháy khoảng 150oC, tỷ trọng thấp hơn nước (d = 0,88 g/cm3), có độ nhớt tương tự diesel từ dầu mỏ

Diesel sinh học là loại nhiên liệu có những tính chất tương đương với dầu diesel Nó là loại năng lượng tái tạo và về phương diện hóa học thì biodiesel là methylester (hay ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ khi được ester hóa bởi các ancol methanol hoặc ethanol Nhiều nước trên thế giới dùng chữ B với

ý nghĩa là biodiesel, chữ BA hay E để cho biết hóa hợp với ethanol Biodiesel có thể sản xuất từ các loại dầu khác nhau như: dầu thực vật, mỡ động vật hay từ từ dầu của tảo, hoặc cả dầu mỡ phế thải sau khi đã được làm sạch Tại khu vực ĐBSMK, nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất dầu diesel sinh học là mỡ cá da trơn

Phản ứng tổng hợp methyl ester dùng các chất methanol và xúc tác bazo Về phương diện hóa học, quá trình trao đổi ester còn gọi là quá trình rượu hóa, có nghĩa

là một phần tử triglyxerit trao đổi ester với 3 phần tử rượu mạch thẳng, tách ra glycerin và tạo ra các ankyl ester, theo phản ứng:

Thực chất quá trình chuyển hóa này bao gồm một loạt các phản ứng thuận nghịch nối tiếp nhau Tức là triglyxerit chuyển hóa tứng bước thành diglyxerit, rồi

từ diglyxerit chuyển hóa tiếp thành monoglixerit và cuối cùng là glycerin

Cơ chế của phản ứng trao đổi ester sử dụng xúc tác bazo được mô tả như sau:

Sau đó, gốc RO- tấn công vào nhóm các dầu diesel sinh học nyl của phân tử triglyxerit tạo thành hợp chất trung gian:

Hợp chất trung gian này không bền, tiếp tục tạo một anion và một alkyl ester tương ứng:

Cuối cùng là sự hoàn nguyên lại xúc tác theo phương trình:

Xúc tác B lại tiếp tục phản ứng với các diglyxerit và monoglyxerit giống như

cơ chế trên, cuối cùng tạo ra các alkyl este và glyxerin

1.3 Tổng quan về phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu phát triển động cơ

1.3.1 Ưu điểm phương pháp mô phỏng

Cải thiện tính năng động cơ đốt trong ngày càng tốt hơn là nhiệm vụ không đơn giản, chỉ có thể đạt được bằng kết hợp đồng thời thực nghiệm và mô phỏng Mặc dù các thông số mô phỏng có thể không chính xác như thực nghiệm, phương pháp này vẫn có những ưu điểm nổi trội và hữu ích cho việc phát triển động cơ Trên quan điểm này, rõ ràng đây là một phương pháp “không thể thiếu” hiện nay tại các trung tâm nghiên cứu về biến đổi thông số, vì hiệu quả cao hơn hẳn việc thay đổi kết cấu động cơ và có thể nghiên cứu trên nhiều mẫu động cơ khác nhau

Các ưu điểm chính của phương pháp mô phỏng là:

o Có thể thay đổi dễ dàng tất cả các thông số cần nghiên cứu

o Có thể áp đặt các điều kiện ban đầu trên một dải rộng

o Có thể nghiên cứu tách biệt từng quá trình con trong tổng thể quá trình cháy

o Có thể trích xuất thông tin liên quan một cách chi tiết và mọi lúc

o Hiệu quả cao về thời gian và chi phí

1.3.2 Các mô hình mô phỏng quá trình cháy động cơ đốt trong

Tùy thuộc vào phương pháp áp dụng, mô phỏng quá trình cháy động cơ đốt trong có nhiều mô hình khác nhau [1] Thông thường hiện nay chúng được chia làm

3 dạng chính, theo mức độ phức tạp của mô hình và yêu cầu cấu hình máy tính Đó

là mô hình nhiệt động lực học, mô hình hình thái và mô hình tính toán động lực học chất lỏng

a Mô hình nhiệt động lực học (Thermodynamics models):

Được xây dựng dựa trên định luật thứ nhất của Nhiệt động lực học và định luật cân bằng khối lượng, còn định luật bảo toàn động lượng không được tính đến Toàn bộ buồng cháy được xem như một vùng duy nhất, với hỗn hợp không khí/ nhiên liệu đồng nhất như nhau, bỏ qua sự khác biệt về thành phần và các đặc tính nhiệt động lực học khác trong xy lanh Do giả thiết đơn giản như vậy, mô hình này rất dễ quản lý và thời gian tính toán nhanh, không yêu cầu máy tính cấu hình mạnh

Tuy nhiên độ chính xác kém hơn các mô hình khác Các quá trình con chủ yếu của quá trình cháy (phun, xé tơi, bay hơi, ) không được mô phỏng hoặc chỉ dùng các hệ

số hiệu chỉnh Giả thiết buồng cháy đồng nhất không thể dự đoán được lượng chất thải như NOx, bồ hóng hình thành trong khí cháy, vốn phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt

độ khu vực và thành phần hỗn hợp khí cháy

b Mô hình hình thái học (Phenomenological models):

Khắc phục nhược điểm của mô hình trên, trong mô hình này buồng cháy được chia làm nhiều vùng dựa trên nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí cháy Số lượng vùng tùy vào lựa chọn của người mô phỏng, có thể từ 2 đến vài trăm Nhờ vậy tốc độ tỏa nhiệt có thể dự đoán được thông qua các mô hình con về vật lý và hóa Ưu điểm của mô hình này, ngoài phần trình bày trên, còn liên quan đến thời gian chạy mô phỏng khá nhanh, vì các phương trình toán sử dụng ở đây là phương trình vi phân toàn phần với một biến là thời gian mà thôi Giới hạn của mô hình là chưa tính đến sự chảy rối của không khí/ nhiên liệu và ảnh hưởng hình dạng hình học của buồng cháy

c Mô hình tính toán động lực học chất lỏng (Multidimensional CFD models):

Đây là mô hình phức tạp nhất và tiên tiến nhất, dựa trên các phương trình cân bằng khối lượng, năng lượng, động lượng, có bao gồm các mô hình con cho việc phun nhiên liệu (phun, xé tơi, bay hơi, hòa trộn) và quá trình cháy (cháy trễ, cháy chính, tạo khí thải) Mô hình này đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức sâu về các quá trình lý – hóa trong khí cháy để giải thích được kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng có độ tin cậy cao, tuy nhiên đòi hỏi máy tính đủ mạnh và thời gian chạy lâu hơn các mô hình khác

Hình 1.5 So sánh thời gian tính toán cho các mô hình mô phỏng khác nhau

Hiện nay có rất nhiều phần mềm tính toán động lực học chất lỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) trên thị trường như FLUENT, KIVA (Mỹ), AVL-FIRE (Áo), STAR-CD (Anh), …Các phần mềm này đã tính toán quá trình cháy bên trong động cơ cho kết quả rất phù hợp với số liệu đo bằng thực nghiệm Một trong những phần mềm mô phỏng động lực học đa chiều mạnh là KIVA, được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (LANL) của nước Mỹ Sự thành công của phần mềm mô phỏng KIVA đã dẫn đến sự sử dụng rộng rãi KIVA trên thế giới Một khảo sát trên cơ sở dữ liệu của Tạp chí SAE International trong các thập kỷ qua cho thấy số lượng bài báo có sử dụng phần mềm mô phỏng CFD theo thứ tự là KIVA, kế tiếp là ba phần mềm STAR-CD, AVL-FIRE và FLUENT [2]

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY VÀ NHIÊN

LIỆU SỬ DỤNG

2.1 Phương trình cháy trong động cơ diesel

Cháy ở ĐCĐT là một quá trình hóa học có kèm theo tỏa nhiệt Phương trình phản ứng hóa học biểu diễn quá trình cháy nhiên liệu ở ĐCĐT có thể được viết như sau:

Nếu sử dụng lượng không khí nhiều hơn lượng không khí lý thuyết để có thể đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu trong điều kiện thực tế thì trong khí thải sẽ có oxygen

dư Ví dụ: phương trình hóa học của quá trình cháy octane với hệ số dư lượng không khí λ =1,2 sẽ có dạng:

Nếu lượng không khí nạp vào động cơ ít hơn lượng không khí lý thuyết thì nhiên liệu sẽ cháy không hoàn toàn và trong khí thải sẽ có thêm các sản phẩm khác, như: CO, H2, CnHm, C,… Ví dụ: phương trình cháy octane với hệ số

dư lượng không khí λ = 0,8 sẽ có dạng:

(2.4) Trong đó: a.b,c,d và e là số kmol của mỗi loại sản phẩm cháy

2.2 Khí thải động cơ diesel

2.2.1 Thành phần khí thải động cơ diesel

Nhiên liệu chủ yếu dùng cho các loại động cơ đốt trong (ĐCĐT) hiện nay là sản phẩm dầu mỏ với thành phần bao gồm các loại hydrocarbon (CnHm), chất phụ gia và tạp chất Quá trình cháy ở ĐCĐT là quá trình oxy hóa nhiên liệu diễn ra theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố Trong số sản phẩm cháy nhiên liệu ở ĐCĐT có nhiều chất có tác hại trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe con người và môi trường ở những mức độ khác nhau Các chất độc hại cơ bản có trong khí thải của ĐCĐT bao gồm: monoxide carbon (CO), dioxide carbon (CO2), hydrocarbon (HC), oxit nito (NOx), oxit lưu huỳnh (SOx), các hợp chất chứa chì (Pb), bồ hóng,…

 Monoxide carbon (CO)

Monoxide carbon (CO) là chất khí không màu, không mùi, không vị, được hình thành do oxy hóa không hoàn toàn hydrocarbon trong điều kiện thiếu oxy:

Khi xâm nhập cơ thể, CO kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu để tạo thành một hợp chất có tác dụng ngăn cản quá trình hấp thụ oxy của hemoglobin trong máu Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: nếu 20% lượng hemoglobin trong máu bị khống chế thì sẽ gây nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn; nếu 50% lượng hemoglobin

bị khống chế thì não bắt đầu bị ảnh hưởng; nếu 70% lượng hemoglobin bị khống chế thì có thể gây tử vong Ảnh hưởng của CO sẽ mạnh lên đối với người có tiền sử

về bệnh tim mạch Nếu hít quá 0,02mg/lít không khí liên tục sau 15 phút sẽ bị chết ngạt Nồng độ cho phép đối với CO ở khu vực thành thị là khoảng 2ppm

 Dioxide carbon (CO2)

Dioxide carbon (CO2) là chất khí không màu, không vị CO2 là một trong những thành phần cơ hữu của khí quyển trái đất Trong không khí sạch, CO2 chiếm khoảng 0,03% thể tích, tương đương 598 mg/m3

Nồng độ CO2 trong bầu khí quyển toàn cầu hiện nay là khoảng 350 ppm Với nồng độ này, CO2 chưa có ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và rất cần cho sự quang hợp của thực vật Hàm lượng CO2trong bầu khí quyển gia tăng dẫn đến sự

ấm lên của trái đất và làm thay đổi khí hậu toàn cầu Sự gia tăng CO2 trong không khí cũng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến một số quá trình sinh lý trong tế bào cây trồng

và sự sinh trưởng của thực vật

 Hydrocarbon (HC)

Hydrocarbon (HC) hiện diện trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn hoặc do một số hiện tượng cháy không bình thường khác Hydrocarbon thơm (CnH2n-6) là nhóm hydrocarbon gây tác hại mạnh nhất đến sức khỏe con người Từ lâu người ta đã phát hiện được vai trò của hydrocarbon thơm đa vòng (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques – HAP) trong bệnh ung thư máu khi nồng độ của nó lớn hơn 40 ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng độ lớn hơn 1g/m3 Hydrocarbon thơm còn có thể là nguyên nhân gây ra các bệnh về gan

 Oxit lưu huỳnh (SOx)

Lưu huỳnh (S) là một trong những tạp chất có hàm lượng đáng kể nhất trong nhiên liệu gốc dầu mỏ, đặc biệt là trong nhiên liệu nặng dùng cho động cơ diesel thấp tốc Trong quá trình cháy, lưu huỳnh được oxy hóa thành SO2 Một phần SO2

bị oxy hóa tiếp thành SO3 dưới tác dụng xúc tác của oxyt sắt (Fe2O3) và một số chất khác có trong nhiên liệu theo các phản ứng:

2SO2 + O2 → 2SO3 (2.7)

SO3 là chất rất háu nước, rất dễ hòa tan vào nước mũi, dễ bị oxy hóa thành axit

và muối rồi di theo đường hô hấp vào sâu trong phổi

SO2 là khí không màu, có mùi vị hang cay khi có nồng độ trong không khí vượt quá 1 ppm và gây kích thích mạnh khi nồng độ của nó khoảng 3 ppm Chúng có thể

đi vào đường hô hấp và hòa tan với nước mũi tạo thành axit và muối ammoniac gây tổn hại cho phổi, làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể

 Oxit nitơ (NOx)

Oxit nitơ (NOx) là sản phẩm oxy hóa nitơ (N2) ở điều kiện nhiệt độ cao trên

11000C Oxit nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng NO và NO2, trong đó NO chiếm tỷ lệ lớn nhất NO là khí không màu, không mùi, không gây hại nhưng nó dễ biến đổi thành NO2 trong điều kiện tự nhiên NO2 là khí có màu nâu đỏ, mùi gắt, khứu giác

có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12 ppm NO2 là chất khó hòa tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hư hại các tế bào của cơ quan hô hấp Hàm lượng cho phép [NO] = 9 mg/m3, [NO2] = 9 mg/m3

 Hợp chất chì

Chì (Pb) có mặt trong khí thải do sử dụng một số hợp chất của chì làm phụ gia,

ví dụ: tetraethyllead (Pb(C2H5)4) hoặc tetramethyllead ((CH3)4Pb) được pha vào xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu Chì trong khí thải của động cơ tồn tại dưới dạng hạt có đường kính rất nhỏ nên dễ xâm nhập vào cơ thể qua da hoặc qua đường hô hấp Chì có khả năng tích tụ trong cơ thể con người và động vật Sự nhiễm độc chì dẫn đến bệnh thần kinh, thiếu máu, mù lòa, giảm trí nhớ

 Chất thải dạng hạt

Chất thải dạng hạt (Particle Matter – PM), thường gọi là bồ hóng gay muội than,

là chất gây ô nhiễm được quan tâm đặc biệt trong động cơ diesel PM tồn tại chủ yếu dưới dạng hạt có đường kính trung bình khoảng 0,3 μm, nên dễ xâm nhập vào phổi, gây tổn hại cho cơ quan hô hấp và có thể gây ung thư do các hydrocarbon thơm bám dính trên nó Ngoài ra, PM còn gay trở ngại cho sự hô hấp, gây bệnh hen suyễn, viêm cuống phổi, làm sung tấy màng nhầy của phổi, làm thu hẹp cuống phổi, các hạt bồ hóng có khả năng làm rối loạn hệ thống hô hấp và tạo điều kiện thuận lợi cho tác động ung thư từ các hợp chất khác Bồ hóng còn gây tổn thương mắt, gây dị ứng mũi,… và cũng có khả năng gây ung thư da khi tiếp xúc liên tục Một số nghiên cứu còn cho thấy các hạt bồ hóng qua đường mũi, miệng làm tăng khả năng tích tụ máu và do vậy dễ dàng tác động đến các hoạt động tim mạch gây tắc nghẽn động mạch Trong không khí, PM còn là tác nhân gây sương mù, bụi bẩn làm ảnh hưởng đến giao thông và sinh hoạt con người

2.2.2 Cơ chế hình thành bồ hóng

Trong thành phần của bồ hóng có thể bao gồm: carbon, dầu bôi trơn, nhiên liệu chưa cháy hoặc cháy không hoàn toàn, những phần tử chất rắn như sunfat, lưu huỳnh, canxi, photpho,…

Thành phần hạt bồ hóng còn phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, đặc điểm của quá trình cháy, tình trạng kỹ thuật của động cơ,…

Quá trình cháy khuếch tán trong động cơ diesel rất thuận lợi cho việc hình thành bồ hóng Quá trình cháy của hạt nhiên liệu lỏng trong khi chúng dịch chuyển trong buồng đốt cũng như sự tập trung cục bộ hơi nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là nguyên nhân chính sản sinh bồ hóng

Quá trình hình thành bồ hóng bắt đầu từ bộ phận nhiên liệu có chứa từ 12 ÷

22 nguyên tử carbon và kết thúc với những hạt tụ cầu tiêu biểu có đường kính khoảng vài tram nanomet kết tụ từ các hạt có kích thước 20 ÷ 30nm chứa khoảng

105 ÷ 106 nguyên tử carbon C Các nghiên cứu cơ bản về quá trình hình thành bồ hóng trong các ngọn lửa và trong buồng đốt của động cơ diesel được đề cập nhiều trong các tài liệu gần đây với 5 cơ chế hình thành hạt bồ hóng điển hình:

 Polime hóa qua acetylene và poliacetylen

 Khởi tạo các hydrocarbon thơm đa vòng (HAP)

 Ngưng tụ các graphit hóa các cấu trúc HAP

 Tạo hạt qua tác nhân ion hóa và hợp thành các phần tử nặng

 Tạo hạt qua các tác nhân trung tính và phát triển bề mặt hợp thành các thành phần nặng

Một cách tổng quát có thể nói hạt bồ hóng được hình thành do sự liên kết của nhiều hạt sơ cấp hình cầu thành khối hoặc chuỗi Mỗi hạt bồ hóng có thể chứa đến

4000 hạt hình cầu sơ cấp Các hạt sơ cấp có đường kính từ 10 ÷ 80nm và đại bộ phận hạt nằm trong khoảng 15 ÷ 30nm, đường kính trung bình của các hạt bồ hóng nằm trong khoảng 100 ÷ 150nm, có khi lên đến 500 ÷ 1000nm

Cấu trúc tinh thể của hạt bồ hóng trong khí thải động cơ diesel có dạng tương

tự như graphit nhưng ít đồng đều hơn Mỗi hạt sơ cấp hình cầu là một tập hợp khoảng 1000 mầm tinh thể, có dạng phiến mỏng được xếp đồng tâm quanh tâm của mỗi hạt cầu, tương tự như cấu trúc hạt carbon đen Những nguyên tử carbon kết nối với nhau theo các phiến lục giác phẳng cách nhau 0,34 ÷ 0,36 nm Các phiến này kết hợp với nhau tạo thành các mầm tinh thể có 2 ÷ 5 phiến cấu trúc giống như carbon đen Những mầm tinh thể này lại sắp xếp lại theo các hướng song song với mặt hạt cầu với kết cấu siêu tĩnh để tạo thành các hạt

2.2.3 Cơ chế hình thành NO x

Các loại oxit nitơ (NOx) có trong khí thải của ĐCĐT được hình thành trong quá trình cháy nhiên liệu với sự hiện diện của nitơ (N2) Dầu diesel nhẹ và xăng chứa rất ít N2 nên ảnh hưởng của chúng đến hàm lượng NOx trong khí thải là không đáng kể Hàm lượng N2 trong nhiên liệu nặng sử dụng cho động cơ diesel thấp tốc

khoảng vài phần nghìn khối lượng nên có thể phát sinh một lượng nhỏ NOx

NOxtrong khí thải ĐCĐT chủ yếu được hình thành do quá trình oxy hóa N2 có trong không khí nạp vào động cơ Trong khí thải của ĐCĐT, monoxide nitơ (NO) chiếm

tỷ lệ lớn nhất trong họ oxit nitơ (NOx)

 Cơ chế hình thành monoxide nitơ (NO)

Những phản ứng hóa học chính tạo ra NO là:

(2.8) (2.9) (2.10)

Quá trình cháy ở ĐCĐT diễn ra trong điều kiện áp suất cao, vùng phản ứng rất mỏng (khoảng 0,1 mm) và thời gian cháy rất ngắn; thêm vào đó, áp suất trong xy lanh tăng trong quá trình cháy, điều này làm nhiệt độ của bộ phận khí cháy trước cao hơn nhiệt độ đạt được ngay sau khi ra khỏi khu vực màng lửa nên đại bộ phận

NO hình thành trong khu vực sau màng lửa

Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy hydrocarbon Tốc độ phản ứng oxy hóa N2 và lượng NO được hình thành phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy tham gia phản ứng Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 lớn thì nồng độ

NO trong sản phẩm cháy cũng lớn

 Cơ chế hình thành dioxide nitơ (NO2)

Dioxide nitơ (NO2) là chất khí độc hại nhất trong họ oxit nitơ (NOx) Nồng

độ NO2 có thể bỏ qua so với NO nếu tính toán theo nhiệt động học cân bằng trong điều kiện nhiệt độ bình thường của ngọn lửa Kết quả này có thể áp dụng gần đúng trong trường hợp động cơ phát hỏa cưỡng bức Ngược lại, có thể có đến 30% NOxdưới dạng NO2 trong khí thải của động cơ diesel

NO2 được tạo thành từ NO và các chất trung gian của sản vật cháy theo phản ứng sau:

(2.12)

Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất

có nhiệt độ thấp thì phản ứng (2.10) bị khống chế, nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy Vì vậy khi động cơ xăng làm việc kéo dài ở chế độ không tải thì nồng độ NO2 trong khí thải sẽ gia tăng Tương tự như vậy, khi động cơ diesel làm việc ở chế độ tải thấp thì phản ứng ngược biến đổi NO2 thành NO cũng bị khống chế bởi các vùng không khí có nhiệt độ thấp Hình 2.4 cho thấy biên thiên của tỷ lệ

NO2/NOx trên đường xả động cơ diesel theo chế độ tải Tỷ lệ này càng cao khi tải càng thấp

Hình 2.3 Biến thiên tỷ lệ NO 2 /NO x theo tải và tốc độ quay của động cơ diesel

 Cơ chế hình thành protoxide nitơ (N2O)

N2O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO:

N2O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao,

mà hydrogen là chất tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng:

(2.16) (2.17)

N2O chỉ chiếm tỷ lệ rất thấp trong khí thải của ĐCĐT, khoảng 3 ÷ 8ppm 2.3 Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel

Dựa trên lý thuyết về nhên liệu, những chất cháy được và tỏa ra nhiều nhiệt thì được sử dụng làm nhiên liệu Tuy nhiên không phải chất nào cháy được và tỏa nhiều nhiệt cũng được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ, nó còn phải thỏa mãn một số điều kiện sau:

 Phải có số lượng nhiều trong tự nhiên để cung cấp lâu dài cho việc sử dụng

 Có năng suất tỏa nhiệt lớn

 Sản phẩm cháy ít gây ảnh hưởng tới môi trường và sinh vật sống đặc biệt là con người

Nhìn chung, độ nhớt của nhiên liệu diesel nằm trong khoảng = (1÷2)0E

2.3.2 Nhiệt trị

Nhiệt trị là lượng nhiệt tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng hoặc một đơn vị thể tích nhiên liệu Nhiệt trị của nhiên liệu lỏng và rắn thường tính bằng kJ/kg, của nhiên liệu khí kJ/m3, hoặc kJ/kmol Ở Anh và ở Mỹ, nhiệt trị được tính bằng đơn vị Btu/lb hoặc Btu/ft3

Trong động cơ diesel nhiệt độ khí xả của quá trình cháy lớn hơn nhiệt độ đọng sương, do vậy trong tính toán thực tế người ta chỉ quan tâm đến nhiệt trị thấp

của nhiên liệu Nhiệt trị cao không có ý nghĩa kỹ thuật nên để đơn giản, dưới đây sử dụng thuật ngữ nhiệt trị theo nghĩa là nhiệt trị thấp

2.3.3 Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy

Nhiệt độ chớp lửa (tf) – nhiệt độ tối thiểu của nhiên liệu lỏng tại đó hơi của

nó tạo được với không khí một hỗn hợp và bắt cháy khi đưa ngọn lửa tới gần

Nhiệt độ bắt cháy (tb) – nhiệt độ tối thiểu tại đó mẫu thử được đốt nóng trong những điều kiện quy ước bắt cháy khi đưa ngọn lửa tới gần và cháy trong thời gian không tới 5 giây

Nhiệt độ bắt cháy của sản phẩm dầu mỏ thường cao hơn nhiệt độ chớp lửa khoảng 30 ÷ 400C Xác định nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bắt cháy bằng cốc kín và cốc hở

2.3.4 Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc

Nhiệt độ vẩn đục là nhiệt độ mà tại đó sản phẩm dầu mỏ bắt đầu vẩn đục do

sự kết tinh của paraffin, nước và những chất khác

Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ tại đó sản phẩm dầu mỏ mất tính lưu động Đối với nhiên liệu có nhiệt độ vẩn đục và đông đặc cao, cần có biện pháp sấy nóng để tránh làm tắc các bộ phận lọc và khó bơm chuyển

2.3.5 Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu

Tính tự bốc cháy của nhiên liệu là tính chất liên quan đến khả năng tự phát hỏa khi hỗn hợp nhiên liệu – không khí chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ đủ lớn Để định lượng tính bốc cháy của nhiên liệu, có thể sử dụng các đại lượng sau:

2.3.5.1 Thời gian cháy trễ (τ i )

Nhiên liệu có tính bốc cháy càng cao thì thời gian cháy trễ (τi) càng ngắn, và ngược lại Đo trực tiếp một khoảng thời gian ngắn như vậy là một việc rất khó, cho nên trong thực tế người ta thường dùng một đại lượng khác để đánh giá tính tự bốc cháy trên cơ sở so sánh tính tự bốc cháy của mẫu thử và của nhiên liệu chuẩn

2.3.5.2 Chỉ số cetan

Là đại lượng đánh giá tính tự bốc cháy của nhiên liệu bằng cách so sánh nó với nhiên liệu chuẩn Về trị số, là số phần tram thể tích của chất n-Cetan (C16H34) có

trong hỗn hợp với chất α – methylnaphthalene (C10H7CH3) nếu hỗn hợp tương đương với nhiên liệu thí nghiệm về tính bốc cháy Nhiên liệu chuẩn là hỗn hợp với

tỷ lệ thể tích khác nhau của n – C16H34 và α – (C10H7CH3): n – C16H34 là một hydrocarbon loại paraffin thường có tính bốc cháy rất cao, người ta quy ước số cetan của nó bằng 100; còn α – (C10H7CH3) là một hydrocarbon thơm, chứa một nhóm methyl trộn lẫn với các nguyên tử hydrogen α, khó tự bốc cháy, số cetan quy ước bằng không

Tính tự bốc cháy của nhiên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy ở động cơ diesel và qua đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng của động cơ

2.3.6 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của một chất là đại lượng đặc trưng cho số lượng chất đó

có trong một đơn vị thể tích của nó

Thực nghiệm chỉ ra rằng: các buồng cháy ngăn cách có thể dùng nhiên liệu

có thành phần chưng cất khá rộng từ 150 ÷ 1800C đến 360 ÷ 4000C, buồng cháy thống nhất dùng nhiên liệu có thành phần chưng cất khoảng 200 ÷ 3300C

Ngoài việc đánh giá bằng đường cong chưng cất thì ta còn dùng áp suất hơi bão hòa để đánh giá tính bay hơi của nhiên liệu

Bảng 2.1 Trình bày một số tiêu chuẩn kỹ thuật của nhiên liệu diesel (DO)

Bảng 2.1 Nhiên liệu diesel (Tiêu chuẩn PETROLIMEX)

Nhiệt độ chớp lửa cốc kín [ 0 C], min 60 60

có chức năng tiêu chuẩn hóa hoặc các hãng chế tạo động cơ lớn Các chỉ tiêu kinh tế

kỹ thuật được thể hiện dưới hình thức một bảng các trị số của các tính chất đặc

trưng cho khả năng và hiệu quả sử dụng của một loại nhiên liệu cụ thể vào mục đích xác định

Bảng 2.2 Nhiên liệu diesel (Tiêu chuẩn ASTM D975)

No 1 – D No 2 – D No 4 – D

1,9 4,1

5,5 24,0 Thành phần chưng cất, t90, [0C]

- No 2 – D: nhiên liệu dùng cho động cơ diesel công nghiệp và động cơ xe

cơ giới có chế độ làm việc nặng Loại này thường chứa sản phẩm chưng cất trực tiếp và sản phẩm cracking

- No 4 – D: nhiên liệu dùng cho động cơ diesel thấp và trung tốc Loại nhiên liệu này thường là hỗn hợp của sản phẩm chưng cất trực tiếp hoặc của sản phẩm cracking dầu cặn

2.4 Phân tích đặc điểm của biodiesel và đặc tính của biodiesel làm từ dầu mỡ cá, đi sâu phân tích các đặc tính của hỗn hợp biodiesel và dầu DO: B5, B10

Dầu biodiesel là một sản phẩm được chế xuất từ các nguồn nhiên liệu mỡ động thực vật, với xu hướng hiện nay nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần, nhiều nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới đang ráo riết chạy đua để tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế và dầu biodiesel là một trong những lựa chọn hàng đầu

Ngày nay trên thế giới hàng loạt các quốc gia phát triển đang thử nghiệm thành công và ứng dụng dầu biodiesel thay thế một phần cho nguồn năng lượng hóa thạch Các quôc gia như Mỹ, Hà Lan và một số nước thuộc EU đã triển khai sử dụng xăng E5, E10 và dầu Biodiesel B5, B10 thậm chí đến B20 cho tất cả các loại động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống là xăng và dầu DO

Dầu biodiesel được chiết xuất từ nhiều nguồn khác nhau, hiện nay trên thế giới dầu biodiesel được điều chế từ các nguồn nhiên liệu chính sau: Dầu Ô Lui, dầu hoa Hướng dương, dầu Đậu nành, dầu Dừa, dầu Cọ, dầu mỡ động vật, dầu iều chế

từ Ngũ cốc…

Dầu biodiesel mỡ cá da trơn là dầu biodiesel được sản xuất từ nguồn gốc dầu

mỡ cá da trơn và các phụ phẩm thông qua quá trình este hóa Dầu biodiesel mỡ cá gốc B100 có tính năng, công dụng và các tiêu chuẩn kỹ thuật cơ bản tương tự dầu biodiesel có nguồn gốc từ thiên nhiên khác

Dầu biodiesel gốc B100 được sản xuất theo qui trình este hóa, nhà sản xuất

sẽ sử dụng một lượng methanol và chất xúc tác để tách dầu biodiesel, sau đó chưng cất thành sản phẩm biodiesel gốc B100 Lượng Methanol sẽ được thu hồi sau khi chưng cất và tách Glycerin Qui trình sản xuất dầu biodiesel đơn giản được mô tả như hình 2.4