Nghiên cứu xác định thông số cơ bản của bộ gia nhiệt nhiên liệu cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu jatropha

ði cùng với nó là nhu cầu sử dụng nhiên liệu lỏng xăng, diesel ngày càng tăng, trong khi ñó những nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, các cuộc chiến tranh ở những nước có trữ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ðẶNG VIỆT DŨNG

“NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA

BỘ GIA NHIỆT NHIÊN LIỆU CHO ðỘNG CƠ DIESEL

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU JATROPHA”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ðẶNG VIỆT DŨNG

“NGHIÊN CỨU XÁC ðỊNH THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA

BỘ GIA NHIỆT NHIÊN LIỆU CHO ðỘNG CƠ DIESEL

SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU JATROPHA”

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 60520103

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ðẶNG TIẾN HÒA

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng các số liệu và kết quả trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm của luận văn là hoàn toàn trung thực, chưa ñược sử dụng trong bất

cứ tài liệu nào

Mọi sự giúp ñỡ cho việc hoàn thành luận văn ñều ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

ðặng Việt Dũng

LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành ñược ñề tài này, Tôi ñã nhận ñược rất nhiều sự giúp ñỡ, chỉ bảo tận tình của quý Thầy, Cô giáo trong bộ môn ðộng lực - khoa Cơ ñiện - trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội Nhân dịp này, cho phép Tôi ñược gởi lời cảm ơn, lời chúc sức khỏe chân thành nhất ñến quý Thầy, Cô giáo

Tôi xin cảm ơn Thầy PGS.TS ðặng Tiến Hòa, người ñã trực tiếp hướng

dẫn, giúp ñỡ Tôi trong suốt quá trình nghiên cứu viết luận văn cũng như trong quá trình thực hiện thí nghiệm cho ñến khi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể khoa Cơ khí ðộng lực trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Xây dựng Việt Xô cùng Ban Giám Hiệu nhà trường ñã tạo mọi ñiều kiện ñể Tôi hoàn thành khóa học này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất ñến bạn bè, người thân và gia ñình

ñã luôn ñộng viên, giúp ñỡ tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho Tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành ñề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

ðặng Việt Dũng

1.1 ðộng cơ sử dụng nhiêu liệu sinh học 3

1.1.3 ðộng cơ diesel sử dụng nhiên liệu sinh học 4

1.2.2 Tính chất cơ bản của nhiên liệu diesel 6

1.4.1.1 ðối với sức khỏe con người 18

1.4.2 Nhiên liệu thay thế nhằm giảm ô nhiễm khí thải 22 1.4.3 Phương pháp sử dụng dầu Jatropha làm nhiên liệu 23 1.4.3.1 ðiều chế thành biodiesel sinh học 23

1.4.4 Các phương pháp gia nhiệt nhiên liệu 24 1.4.4.1 Gia nhiệt cho nhiên liệu sử dụng khí xả 24 1.4.4.2 Gia nhiệt cho nhiên liệu sử dụng nước nóng từ hệ thống làm mát 25 1.4.4.3 Gia nhiệt cho nhiên liệu sử dụng nguồn ñiện ắc quy 26 1.4.4.4 Lựa chọn phương pháp gia nhiệt cho nhiên liệu 26

2.1.2 Phân loại thiết bị trao ñổi nhiệt 27 2.1.2.1 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu vách ngăn 27 2.1.2.2 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu hồi nhiệt 28 2.1.2.3 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu ống nhiệt 29 2.1.2.4 Thiết bị trao ñổi nhiệt kiểu hỗn hợp 32 2.2 Tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt vách ngăn hoạt ñộng liên tục 33 2.3 Các yêu cầu chung cho thiết bị trao ñổi nhiệt 44

3.3.2 Xác ñịnh các thông số của hỗn hợp dầu diesel - jatropha 20% 51

4.7.1 Kiểm tra hệ thống trước khi thí nghiệm 67

4.7.2.1 Phương án 1 Xác ñịnh nhiệt ñộ hỗn hợp dầu Diesel và Jatropha

4.7.2.2 Phương án 2 Xác ñịnh nhiệt ñộ hỗn hợp dầu Diesel và Jatropha

khi ñi qua bộ gia nhiệt với van ñiều chỉnh khí xả ñóng hoàn toàn 69 4.7.2.3 Phương án 3 Xác ñịnh vị trí của van ñiều chỉnh khí xả và thời gian

hỗn hợp dầu Diesel và Jatropha ñạt ñược nhiệt ñộ 80oC – 90oC 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1) CÁC KÝ HIỆU

Ký

Cp1 Nhiệt dung riêng ñẳng áp của khí xả kJ/kg.oK

Cp2 Nhiệt dung riêng ñẳng áp của hỗn hợp dầu kJ/kg.oK

d1 ðường kính ngoài của ống xoắn ruột gà mm

d2 ðường kính trong của ống xoắn ruột gà mm

d3 ðường kính ngoài của vỏ bộ gia nhiệt mm

d4 ðường kính trong của vỏ bộ gia nhiệt mm

d5 ðường kính ngoài của ống thép ñưa khí xả vào và ra khỏi bộ gia

d6 ðường kính trong của ống thép ñưa khí xả vào và ra khỏi bộ gia

d7 ðường kính ngoài của màng lưới bộ gia nhiệt mm

d8 ðường kính trong của màng lưới bộ gia nhiệt mm

ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích Kg/HP.h

2

G1 Lưu lượng khí xả ñi vào bộ gia nhiệt kg/s

G2 Lưu lượng hỗn hợp dầu ñi vào bộ gia nhiệt kg/s

Ký

o

k Hệ số truyền nhiệt của vách khi không có bám bụi trên bề mặt

ngoài và cặn ñóng bên trong ống w/m2.oK

L Chiều dài ống xoắn ruột gà trong bộ gia nhiệt mm

-q Mật ñộ dòng nhiệt truyền qua vách w/m2

1

Q2 Nhiệt lượng của hỗn hợp dầu nhận ñược KW

Q3 Nhiệt lượng của khí xả bị thất thoát ra ngoài môi trường qua vỏ

t2 Nhiệt ñộ trung bình của của hỗn hợp dầu oC

Ký

t1’ Nhiệt ñộ khí xả ñi vào bộ gia nhiệt oC

t1’’ Nhiệt ñộ khí xả ñi ra khỏi bộ gia nhiệt oC

t2’ Nhiệt ñộ hỗn hợp dầu ñi vào bộ gia nhiệt oC

t2’’ Nhiệt ñộ hỗn hợp dầu ñi ra khỏi bộ gia nhiệt oC

α Hệ số tỏa nhiệt của không khí W/m2.oK

β2 Hệ số giãn nở thể tích của hỗn hợp dầu 1/oK

λ2 Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp dầu W/m.oK

ρDo Khối lượng riêng của dầu diesel kg/m3

ρJ Khối lượng riêng của dầu Jatropha kg/m3

ρ2 Khối lượng riêng của hỗn hợp dầu kg/m3

NLSH Nhiên liệu sinh học

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel

Bảng 1-2 Mối quan hệ giữa tốc ñộ ñộng cơ và chỉ số cetane 7 Bảng 1-3 Tính chất nhiên liệu của một số dầu thực vật 12 Bảng 1-4 Kết quả phân tích mẫu dầu Jatropha 13 Bảng 1-5 So sánh một số tính chất của nhiên liệu diesel

Bảng 1-6 Thông số của dầu diesel sinh học 18 Bảng 3-1 Kích thước của bộ gia nhiệt 59 Bảng 4-1 Thông số kỹ thuật của ñộng cơ D12 65 Bảng 4-2 Thông số kỹ thuật của bơm thủy lực CBT-E550 66 Bảng 4-3 Kết quả nhiệt ñộ và thời gian các lần thí nghiệm

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-2 Chu trình phát triển và sử dụng cây Jatropha 13 Hình 1-3 Máy ép dầu kiểu trục vít KK40-2Standar 15 Hình 1-4 Phổ bức xạ từ mặt trời và mặt ñất 20

Hình 1-6 Bộ gia nhiệt nhiên liệu sử dụng khí xả 24 Hình 1-7 Bộ gia nhiệt sử dụng nước làm mát 25 Hình 1-8 Bộ gia nhiệt nhiên liệu sử dụng nguồn ñiện ắc quy 26 Hình 2-1 Bộ gia nhiệt nước cấp cho lò hơi 27 Hình 2-2 Bộ gia nhiệt tận dụng nhiệt thải kiểu quay 28 Hình 2-3 Bộ gia nhiệt tận dụng nhiệt thải kiểu ống nhiệt 29

Hình 2-5 Sơ ñồ hoạt ñộng của ống nhiệt 30

Hình 2-8 Truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp 33 Hình 2-9 Thiết bị vách ngăn cùng chiều 36 Hình 2-10 Thiết bị vách ngăn ngược chiều 37

Hình 2-13 ðồ thị xác ñịnh hệ số hiệu chỉnh εϕ 43 Hình 3-1 Sơ ñồ khối thiết bị trao ñổi nhiệt 45

Hình 3-4 Kích thước ống xoắn ruột gà 60

Hình 3-6 Kích thước bộ gia nhiệt 61 Hình 4-1 Sơ ñồ hệ thống khảo nghiệm ñộng cơ 63 Hình 4-2 Thiết bị ño PA-100 với bộ ño nhiệt ñộ MGT – 300

do hãng brainbee CHLB ðức sản xuất 64 Hình 4-3 Vị trí lắp thiết bị ño nhiệt ñộ hỗn hợp nhiên liệu

Hình 4-4 Vị trí van ñiều chỉnh khí thải 67 Hình 4-5 Ảnh màn hình một lần thí nghiệm theo phương án 1 69 Hình 4-6 Ảnh màn hình một lần thí nghiệm theo phương án 2 70 Hình 4-7 Ảnh màn hình một lần thí nghiệm theo phương án 3 71

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Ngày nay, nền kinh tế nước ta ñã ñạt ñược những thành tựu vô cùng to lớn, cùng với sự phát triển ñó ñời sống người dân ngày càng ñược nâng cao, nhu cầu sử dụng ñộng cơ ñốt trong vào cuộc sống sinh hoạt hàng ngày ñang ngày càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn năng lượng ñiện ñang thiếu hụt nghiêm trọng, phương tiện giao thông cá nhân cũng tăng chóng mặt, nhất là ôtô và xe máy ði cùng với nó là nhu cầu sử dụng nhiên liệu lỏng (xăng, diesel) ngày càng tăng, trong khi ñó những nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, các cuộc chiến tranh ở những nước có trữ lượng dầu lớn nhất trên thế giới như vùng Vịnh

ñã gây nên những biến ñộng và khủng hoảng về nhiên liệu làm cho giá xăng dầu tăng vọt, làm cho những nước không chủ ñộng ñược về nhiên liệu phải có những quyết sách mới Việc hợp tác nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo thay thế dần cho năng lượng truyền thống ñang là một giải pháp cấp bách, nó có ý nghĩa hết sức quan trọng ñối với vấn ñề an ninh năng lượng quốc gia không những ở nước ta mà còn trên toàn thế giới

Nguy cơ khủng hoảng năng lượng sẽ ñẩy giá dầu lên rất cao, trong khi ñó tiềm năng ñể phát triển nhiên liện sinh học (NLSH) ở nước ta hiện nay là rất lớn với nhiều loại cây trồng có thể làm nguyên liệu như mía, sắn, cây cọc rào (Jatropha) Ngoài ra, còn một lượng khá lớn phụ phẩm có thể sản xuất nhiên liệu thay thế xăng dầu như hạt cao su, mỡ cá, dầu mỡ ñã qua sử dụng Trong

số này, cây cọc rào (Jatropha) có nguồn gốc từ Nam Mỹ ñã ñược di thực vào Việt Nam khá lâu, hàm lượng dầu sinh học cao, thích ứng với nhiều vùng sinh thái ở Việt Nam Dầu ép từ hạt Jatropha có ưu ñiểm tính chất hoá - lý rất thích hợp ñể làm nhiên liệu dùng cho các loại ñộng cơ

Tuy nhiên ñộ nhớt ña số các loại dầu thực vật cao hơn ñáng kể so với nhiên liệu diesel, dầu Jatropha có ñộ nhớt 34,35mm2/s trong khi ñó ñộ nhớt của nhiên liệu diesel hóa thạch nằm trong khoảng (2÷4,5)mm2/s ðộ nhớt cao gây khó khăn cho quá trình cung cấp nhiên liệu trong bình lọc và vòi phun, ñộ nhớt là

một ñại lượng quyết ñịnh ñến chất lượng phun tơi của nhiên liệu do ñó ảnh hưởng ñến chất lượng quá trình cháy

Có thể giảm bớt ñộ nhớt bằng cách hâm nóng trước khi khởi ñộng Phương pháp này dựa trên ñặc tính thay ñổi của ñộ nhớt theo nhiệt ñộ, nhiệt ñộ trong khoảng 30÷80oC sẽ làm ñộ nhớt thay ñổi nhiều ðộ nhớt của dầu thực vật

sẽ giảm khi nhiệt ñộ tăng lên, vì vậy sấy nóng ñược coi là một phương pháp hữu hiệu làm giảm ñộ nhớt của dầu thực vật

Từ các phân tích trên ñây, tác giả ñề xuất ñề tài:

“Nghiên cứu xác ñịnh thông số cơ bản của bộ gia nhiệt nhiên liệu cho ñộng cơ Diezen sử dụng nhiên liệu jatropha”

2 Mục ñích nghiên cứu

Chế tạo ñược bộ gia nhiệt, làm giảm ñộ nhớt của dầu Jatropha sử dụng cho ñộng cơ Máy nông nghiệp

Chương 1

TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

1.1 ðộng cơ sử dụng nhiêu liệu sinh học

1.1.1 ðộng cơ ñốt trong

Trong các loại ñộng cơ nhiệt, nhiệt lượng do ñộng cơ cháy tạo ra ñược trở thành công có ích thì ñộng cơ ñốt trong ñược sử dụng rộng rãi nhất với số lượng lớn nhất trong mọi lĩnh vực: Giao thông vận tải (ñường bộ, ñường sắt, ñường thủy, hàng không), nông nghiệp, xây dựng, công nghiệp, quốc phòng

Tổng công suất do ñộng cơ ñốt trong tạo ra chiếm khoảng 90% công suất thiết bị ñộng lực do mọi nguồn năng lượng tạo ra (nhiệt năng, ñộng năng, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời….)

Trong ñộng cơ ñốt trong, các quá trình ñốt cháy nhiên liệu và chuyển biến nhiệt năng thành cơ năng ñược thực hiện bên trong ñộng cơ

ðộng cơ ñốt trong gồm có: ðộng cơ ñốt trong kiểu pittông, tuabin khí và ñộng cơ phản lực

Các chi tiết chính của ñộng cơ pittông gồm: Xylanh, nắp xylanh, các te, pittông, thanh truyền và trục khuỷu Nhiên liệu và không khí cần cho quá trình cháy ñược ñưa vào thể tích xylanh ñộng cơ, giới hạn bởi nắp xylanh, thành xylanh và ñỉnh pittông Khí thể ñược tạo ra sau khi cháy có nhiệt ñộ lớn tạo nên

áp suất ñẩy pittông chuyển dịch trong xylanh Chuyển ñộng tịnh tiến của pittông thông qua thanh truyền chuyển tới trục khuỷu, tạo thành chuyển ñộng quay của trục khuỷu

ðộng cơ ñốt trong pittông có hiệu quả cao nhất vì nhiệt ñộ cực ñại trong quá trình cháy có thể tới 1800oK÷2800oK Tuy nhiên nhiệt ñộ cao như vậy nhưng

do quá trình hoạt ñộng của ñộng cơ có tính chu kỳ và các chi tiết tiếp xúc với khí nóng luôn ñược làm mát nên không ảnh hưởng tới ñộ tin cậy trong hoạt ñộng của ñộng cơ Nhược ñiểm chính của ñộng cơ pittông là cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền Cơ cấu này làm cho cấu tạo ñộng cơ phức tạp và còn hạn chế khả năng tăng tốc của ñộng cơ

1.1.2 ðộng cơ diesel

ðộng cơ diesel là một loại ñộng cơ ñốt trong, quá trình ñốt cháy hỗn hợp ñược thực hiện bên trong xylanh Khi pittông gần tới ñiểm chết trên cuối kỳ nén, nhiên liệu diesel ñược phun tơi sương gặp không khí bị nén với áp suất và nhiệt

ñộ cao và bốc cháy trong xylanh ðộng cơ diesel do ông Rudolf Diesel, kỹ sư người ðức phát minh vào năm 1892, do những ưu ñiểm của nó so với ñộng cơ xăng như: hiệu suất cao, với công suất như nhau thì nhiên liệu tiêu thụ trong ñộng

cơ diesel ít hơn ñộng cơ xăng khoảng 20÷25% nên ñộng cơ diesel ñược sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành như nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải Trong ñời sống hàng ngày, việc sử dụng ñộng cơ diesel công suất nhỏ có vai trò rất quan trọng và góp phần nâng cao tỷ trọng trong nền kinh tế quốc dân, ñặc biệt trong các lĩnh vực sản xuất, chế biến nông lâm sản trong nông - lâm nghiệp, trong giao thông vận tải

Xu hướng sử dụng ôtô ñộng cơ diesel phát triển rất mạnh trong tương lai bởi có công suất lớn, tiết kiệm nhiên liệu và ít gây ô nhiễm môi trường Nhiều hãng ñang tập trung phát triển các loại ñộng cơ diesel thế hệ mới có tính thân thiện môi trường ñáp ứng ñiều kiện khắt khe về tiêu chuẩn khí thải

1.1.3 ðộng cơ diesel sử dụng nhiên liệu sinh học

ðộng cơ ñốt trong diesel có kết cấu buồng ñốt ở 2 dạng, buồng ñốt không phân chia và buồng ñốt phân chia Theo một số kết quả nghiên cứu ñã công bố cho thấy ñộng cơ diesel sử dụng nhiên liệu sinh học phù hợp là loại ñộng cơ diesel có buồng ñốt phân chia

ðộng cơ diesel có buồng ñốt phân chia gồm 2 buồng cháy: buồng cháy chính và buồng cháy xoáy lốc, có thể sử dụng trực tiếp nhiên liệu dầu thực vật

ðể tạo ra hỗn hợp nhiên liệu - không khí ñồng ñều cần phải tạo ra chuyển ñộng xoáy lốc không khí nén trong buồng cháy ðiều ñó ñảm bảo cháy hoàn toàn nhiên liệu trong ñộng cơ có ñường kính xylanh không lớn khi áp suất phun thấp

và hệ số dư lượng không khí nhỏ Buồng cháy xoáy lốc có dạng hình cầu hay hình trụ bố trí trên nắp xylanh 3 (hình 1-1) Buồng cháy chính nằm giữa nắp xylanh và ñỉnh pittông 4 (chủ yếu nằm trên ñỉnh pittông) có lỗ nối hướng tiếp

tuyến với ñường tròn buồng cháy xoáy lốc Trong quá trình nén, không khí bị dồn nén từ buồng cháy chính qua lỗ thông vào buồng cháy xoáy lốc tạo vận ñộng xoáy lốc ở ñó

Kết cấu của buồng cháy xoáy lốc ñược chỉ ra trên hình 1-1

Hình 1-1 Kết cấu buồng cháy xoáy lốc:

1 vòi phun; 2 ñế giữ nhiệt; 3 nắp xylanh; 4 pittông; 5 bugi sấy;

A buồng cháy xoáy lốc; B ống phun khí; C buồng cháy chính

1.2 Nhiên liệu diesel

1.2.1 Khái niệm

Nhiên liệu diesel là nhiên liệu ñược sản xuất từ quá trình chưng cất cracking dầu mỏ, ñó là hỗn hợp phức tạp của các nhóm hydrocacbon khác nhau, các nhiên liệu phổ biến ñược chưng cất trung bình gồm các cấp 1D, 2D và 4D

1.2.2 Tính chất cơ bản của nhiên liệu diesel

Bảng 1-1 Các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel (TCVN 5689:2005)

1 Hàm lượng lưu huỳnh

TCVN 6701:2002 ASTM D2662/ASTM D5453

2 Chỉ số cetane, min 46 ASTM D4737

3 Nhiệt ñộ chưng cất,

oC, 90% thể tích, max 360

TCVN 2698:2002 ASTM D86

4 ðiểm chớp cháy (cốc kín),

oC,

TCVN 6608:2002 ASTM D3828/ASTM D93

5 ðộ nhớt ñộng học, 40oC, mm2/s 2÷4,5 TCVN 3171:2003,

ASTM D445

6 Cặn cacbon của 10% cặn chưng

cất, % khối lượng, max 0,3

TCVN 6324:1997 ASTM D189/ ASTM D4530

7 ðiểm ñông ñặc, oC, max +6 TCVN 3753:1995, ASTM D97

8 Hàm lượng tro, % khối lượng,

- Hàm lượng lưu huỳnh

Lưu huỳnh (S) là một trong những thành phần quan trọng cần lưu ý trong nhiên liệu, nếu hàm lượng S vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ra quá trình ăn mòn cho các chi tiết, ñặc biệt là sự có mặt của H2S khi không cháy hết thải ra không khí sẽ gây ô nhiễm môi trường

Trong nhiên liệu diesel, lưu huỳnh chủ yếu tồn tại dưới dạng sulfur (S), disulfur (S2) không có khả năng ăn mòn trực tiếp mà chúng chỉ gây ăn mòn khi bị cháy trong ñộng cơ diesel ñể tạo ra SO2, sau ñó nó có thể chuyển một phần thành

SO3 Phần lớn lượng khí này thốt ra cùng khí cháy, nĩ sẽ phản ứng với hơi nước trong khí quyển để tạo ra axít sulfuric (H2SO4), đây là nguyên nhân của các trận mưa axít và làm giảm PH của đất, tạo ra những tổn thất đáng kể cho mơi trường

tự nhiên Nhưng cĩ thể một phần nhỏ lượng khí SO3 lọt qua xéc măng xuống cácte dầu bơi trơn và khi nhiệt độ cácte này xuống thấp thì chúng kết hợp với hơi nước để tạo thành các axít tương ứng gây ăn mịn các bề mặt chi tiết khi dầu được bơm trở lại các bề mặt bơi trơn Chỉ tiêu này cho phép ta theo dõi được hàm lượng lưu huỳnh của các sản phẩm dầu mỏ khác nhau và các phụ gia cĩ lưu huỳnh, từ đĩ cĩ thể dự đốn các tính chất sử dụng và bảo quản

- Chỉ số cetane

Chỉ số cetane của nhiên liệu diesel xác định chất lượng cháy của nhiên liệu Chỉ số này càng cao, thời gian chờ để bốc cháy càng ngắn Chỉ số cetane được định nghĩa theo số phần trăm thể tích cetane bình thường pha với alphamethylnapthalene tương hợp với chất lượng cháy của nhiên liệu thử nghiệm Chỉ số cetane ảnh hưởng tới sự khởi động lạnh, quá trình cháy, sưởi nĩng, cặn lắng trong điều kiện tải nhẹ Tuy nhiên, yêu cầu bốc cháy của nhiên liệu diesel thay đổi theo thiết kế của buồng đốt, tốc độ động cơ, điều kiện vận hành và nhiệt độ mơi trường

Các động cơ tốc độ cao địi hỏi chỉ số cetane cao nhưng thời gian chờ bốc cháy cĩ thể làm tăng tỷ trọng khĩi xả trong điều kiện mơ men xoắn cực đại do nhiên liệu được phun vào buồng đốt sẽ bốc cháy sớm Khoảng chờ bốc cháy được coi là thời gian khi phun nhiên liệu và bắt đầu quá trình cháy

Bảng 1-2 Mối quan hệ giữa tốc độ động cơ và chỉ số cetane Tốc độ động cơ (v/ph) Chỉ số cetane thích hợp

- Khoảng chưng cất

Khoảng chưng cất ảnh hưởng ñến nhiệt trị của nhiên liệu (tính theo ñơn vị nhiệt Anh - Btu), tỷ trọng và ñộ nhớt của nhiên liệu Do ñó, ảnh hưởng ñến công suất, khởi ñộng, ñộ khói và mùi khí xả Khoảng chưng cất càng cao thì ảnh hưởng ñến chỉ số cetane càng lớn

- Nhiệt trị

Nhiệt trị (H) là lượng nhiệt năng tỏa ra khi ñốt cháy hoàn toàn một ñơn vị khối lượng hoặc một ñơn 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

Mỹ, nhiệt trị ñược tính bằng ñơn vị (Btu/lb) (British thermal unit/pound) hoặc (Btu/ft3 British thermal unit/foot 3) Nhiệt trị là một chỉ tiêu chất lượng cơ bản của tất cả các loại nhiên liệu Nhiệt trị có thể ñược xác ñịnh bằng nhiệt lượng kế ñẳng tích (nhiệt lượng kế kiểu bơm) hoặc nhiệt lượng kế ñẳng áp bằng cách ñốt cháy một lượng xác ñịnh mẫu thử rồi ño nhiệt lượng tỏa ra và tính toán nhiệt trị Khi tính toán, chúng ta thường lấy nhiệt trị từ các bảng số liệu có sẵn

- ðiểm chớp cháy (cốc kín)

Nhiệt ñộ chớp cháy cốc kín hay còn gọi là Flash point PMCC (Pensky – Martens Closed Cup) là nhiệt ñộ thấp nhất ở ñiều kiện áp suất không khí, mẫu nhiên liệu thử nghiệm hầu như bắt cháy khi ngọn lửa xuất hiện và tự lan truyền một cách nhanh chóng trên bề mặt của mẫu Nhiệt ñộ chớp cháy ñược xác ñịnh theo tiêu chuẩn ASTM D93 Nếu thiết bị ño nhiệt ñộ chớp cháy dùng cốc hở thì

sẽ ñược gọi là ñiểm chớp cháy cốc hở Flash Point COC (Clevland Open Cup) Nhiệt ñộ chớp cháy cốc kín sẽ thấp hơn nhiệt ñộ chớp cháy cốc hở và sự chênh lệch giữa hai nhiệt ñộ này càng lớn nếu nhiệt ñộ chớp cháy nói chung của phân ñoạn càng cao

Nhiệt ñộ chớp cháy xác ñịnh xu hướng hình thành hỗn hợp có thể cháy với không khí dưới ñiều kiện thí nghiệm, ñây là một trong những chỉ tiêu ñể ñánh giá mức ñộ dễ bắt cháy của nhiên liệu cũng như thời gian cảm ứng trong ñộng cơ diesel Nhiệt ñộ chớp cháy có ý nghĩa quan trọng ñối với quá trình vận chuyển và bảo quản nhiên liệu Nhiệt ñộ chớp cháy quá thấp rất dễ gây cháy nổ, nó cũng là

dấu hiệu cho thấy nhiên liệu ñã bị lẫn với nhiên liệu khác có ñộ bay hơi cao hơn Nhiệt ñộ chớp cháy hầu như không có ý nghĩa ñối với chất lượng của nhiên liệu khi ñánh giá trên góc ñộ tính năng kỹ thuật của các thiết bị sử dụng nó

- ðộ nhớt

ðộ nhớt còn gọi là ma sát nội, là một tính chất của chất lỏng ñặc trưng cho lực ma sát chống lại sự chuyển dịch tương ñối của các lớp chất lỏng cạnh nhau dưới tác dụng của ngoại lực ðộ nhớt của nhiên liệu diesel có ảnh hưởng chủ yếu ñến chất lượng quá trình phun nhiên liệu ðộ nhớt quá cao làm cho các tia nhiên liệu khó phân tán thành các hạt nhỏ và có thể bám trên thành xylanh Ngược lại, ñộ nhớt quá thấp lại làm cho các tia nhiên liệu quá ngắn, không bao trùm hết không gian của buồng ñốt

Cả hai trường hợp trên ñều dẫn ñến chất lượng quá trình tạo hỗn hợp cháy không cao, làm tăng lượng nhiên liệu cháy rớt và cháy không hoàn toàn Ngoài

ra, ñộ nhớt của nhiên liệu quá thấp có thể ảnh hưởng xấu ñến chất lượng ñịnh lượng của hệ thống phun do làm tăng mức ñộ rò rỉ tại các cặp siêu chính xác của bơm cao áp và vòi phun, ñồng thời tăng mức ñộ mài mòn của các chi tiết chuyển ñộng thuộc hệ thống nhiên liệu

- ðiểm ñông ñặc

ðiểm ñông ñặc của nhiên liệu là nhiệt ñộ thấp nhất mà nhiên liệu vẫn giữ ñược các tính chất của chất lỏng, hay nói cách khác là nhiệt ñộ thấp nhất mà ta có thể bơm nhiên liệu

Cặn carbon: là cặn còn lại trong buồng ñốt do quá trình cháy không hiệu

quả hoặc sử dụng nhiên liệu không thích hợp

Tro: có nguồn gốc từ các chất phụ gia hoặc từ dầu thô, chúng làm mòn nhanh

chóng hệ thống phun nhiên liệu như pittông, xylanh bơm cao áp, …

Tạp chất cơ học: Tạp chất cơ học trong nhiên liệu có ảnh hưởng ñến hệ thống

phun nhiên liệu của ñộng cơ diesel một cách trực tiếp và nghiêm trọng hơn so với trường hợp của ñộng cơ xăng Trong hệ thống phun nhiên liệu của ñộng cơ diesel có những chi tiết ñược chế tạo với ñộ chính xác rất cao, như cặp pittông - xylanh của bơm cao áp và ñầu phun của vòi phun Khe hở giữa các cặp chi tiết nói trên có trị số trung bình khoảng 0,003 mm và sự có mặt của vật cứng với kích thước vài phần ngàn

mm cũng có thể làm hệ thống phun nhiên liệu bị hư hỏng rất nhanh Chính vì vậy, hệ thống lọc nhiên liệu của ñộng cơ diesel thường phức tạp hơn ñồng thời việc bảo trì chúng cũng có những yêu cầu khắt khe hơn

1.3 Nhiên liệu sinh học

1.3.1 Khái niệm

Nhiên liệu sinh học là các dạng nhiên liệu có nguồn gốc thực vật và mỡ ñộng vật Khác với các dạng nhiên liệu hóa thạch ñược hình thành do quá trình phân hủy xác sinh vật trong hàng triệu năm Hiện nay trên thế giới phổ biến nhất

là dầu diesel sinh học và ethanol Ngoài ra còn sử dụng trực tiếp dầu thô (ép từ hạt, cây) làm nhiên liệu cho ñộng cơ ñốt trong

1.3.2 Ethanol sinh học

Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế dạng cồn, ñược sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành ñường ñơn, như bắp, lúa mì, lúa mạch Ngoài ra, ethanol còn ñược sản xuất từ cây, cỏ có chứa cellulose Với nguyên liệu là tinh bột và ñường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật có thể sản xuất ra ethanol, sau ñó tách nước bổ sung các chất phụ gia thành ethanol biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu Ethanol là chất phụ gia ñể tăng trị số Octane (trị số ño khả năng kích nổ) và giảm khí thải ñộc hại của xăng Trong chính sách năng lượng của mình, từ

khối EU ựến Mỹ, Trung Quốc, Ôxtrâylia, Nhật BảnẦ ựều chú trọng ựến ứng dụng ethanol

1.3.3 Dầu thực vật

Dầu thực vật (DTV) là loại dầu ựược chiết suất từ các loại hạt, các loại quả của cây cối Nói chung các loại hạt quả của cây cối ựều chứa dầu, nhưng từ

Ộdầu thực vậtỢ chỉ dùng ựể chỉ dầu của những cây có dầu với chiết suất lớn Dầu

từ hạt những cây có dầu như: đậu phụng, ựậu nành, cải dầu, hạt bông, hướng dương dầu từ quả của những cây có dầu như: cây dừa, cây Jatropha, cây cọ

1.3.3.1 Thành phần hóa học của dầu thực vật

Thành phần hóa học của chúng nói chung gồm 95% các triglyceride và 5% các axắt béo tự do Triglyceride là các triester tạo bởi phản ứng của các axắt béo trên ba chức rượu của glycerol Trong phân tử của chúng có chứa các nguyên tố H, C và O Người ta chia chúng thành ba nhóm :

Nhóm dầu không khô (dầu axắt béo bão hòa): đó là các loại dầu có chỉ số Iốt thấp dưới 95 như dầu dừa, dầu cọ, dầu phụng, dầu ôliu

Nhóm dầu nửa mau khô: Gồm các dầu có chỉ số Iốt từ 95 ựến khoảng

130 như dầu cao su, dầu Jatropha, dầu hướng dương, dầu ựậu nành, dầu cải dầu, dầu bông, dầu bắpẦ

Nhóm mau khô: Gồm các dầu có chỉ số Iốt trên 130 như dầu lanh, dầu trầu Về thành phần hóa học, ựối với dầu thực vật so với dầu diesel: lượng chứa Cacbon ắt hơn 10 ọ 12%, lượng chứa Hiựrô ắt hơn 5 ọ 13% còn lượng Ôxy thì lớn hơn rất nhiều (dầu diesel chỉ có vài phần ngàn Ôxy, còn dầu thực vật có 9ọ11% Ôxy, cho nên dầu thực vật là nhiên liệu có chứa nhiều Ôxy Chắnh vì ựiều này mà dầu thực vật có thể làm việc với lượng dư không khắ bé mà vẫn cháy hoàn toàn

hơn 7 lần, dầu hạt cải chỉ còn lớn hơn 8 lần so với dầu diesel Riêng ñối với dầu Jatropha, ñộ nhớt ở 20 oC lớn hơn dầu diesel 8÷16 lần

Chỉ số cetane của dầu thực vật nhỏ hơn so với dầu diesel, trong số các dầu thực vật nghiên cứu thì dầu Jatropha có chỉ số cetane tương ñương với dầu diesel Muốn tăng chỉ số cetane cho dầu thực vật có thể dùng biện pháp thêm chất phụ gia "procetane" hay chuyển chúng thành ester dầu thực vật

Bảng 1-3 Tính chất nhiên liệu của một số dầu thực vật

Loại dầu

Khối lượng riêng (kg/m 3 )

ðộ nhớt ở

20 o C

Chỉ số cetane

ðiểm chớp cháy ( o C)

Nhiệt trị (Kcal/kg)

Hình 1-2 cho ta thấy chu trình phát triển và các sản phẩm ñược chế biến từ hạt Jatropha Từ chu trình khép kín này cho ta thấy dầu Jatropha có thể chế biến thành sản phẩm tiêu dùng (xà phòng) hoặc sử dụng cho ñộng cơ diesel với giải

pháp hợp lý Bã ép sau khi lấy dầu qua chế biến và khử ñộc tố là nguồn thức ăn cho chăn nuôi gia súc (lợn) Phế thải của chăn nuôi sử dụng cho cây Jatropha phát triển ra hoa kết quả

Hình 1-2 Chu trình phát triển và sử dụng cây Jatropha

*Tính chất của dầu Jatropha

Dầu Jatropha có mầu vàng, ñược ép trực tiếp từ hạt cây Jatropha, các tính

chất ñặc trưng của dầu Jatropha ñược trình bày trong bảng 1-5 (theo kết quả phân tích của phòng thử nghiệm quốc gia dầu mỡ bôi trơn - VILAS 292 - PETROLEUM PRODUCTS ANALYSISABORATORY)

Bảng 1-4 Kết quả phân tích mẫu dầu Jatropha

* So sánh một số tính chất của nhiên liệu diesel và dầu Jatropha Bảng 1-5 So sánh một số tính chất của nhiên liệu diesel và dầu Jatropha

Chỉ tiêu Dầu Jatropha Nhiên liệu diesel

- Hàm lượng lưu huỳnh

Trong quá trình cháy, lưu huỳnh sẽ bị ôxy hóa thành SO2,SO3 Các ôxít lưu huỳnh này kết hợp với hơi nước sẽ tạo thành axít có tính ăn mòn lớn Do vậy, với hàm lượng lưu huỳnh rất thấp của dầu Jatropha (0,033%) so với nhiên liệu diesel (0,43%) là ưu ñiểm rất lớn trong việc sử dụng dầu Jatropha ñể hạn chế chất thải ñộc hại vào môi trường

- Chỉ số cetane

Chỉ số cetane của dầu Jatropha trong khoảng 40÷50, của dầu diesel 46 Như vậy chỉ số cetane của dầu Jatropha phù hợp khi sử dụng ñộng cơ diesel Tuy nhiên, ñối với nhiên liệu Jatropha, do ñặc ñiểm có khả năng tự phân hủy khi nhiệt

ñộ cao của những ester mạch dài thành các mạch cacbon ngắn hơn, làm tăng khả năng cháy kiệt của nhiên liệu cho ñộng cơ diesel giúp hoàn thiện khả năng cháy của nhiên liệu Như vậy với chỉ số cetan trong khoảng (40÷50) sẽ không ảnh hưởng nhiều về khả năng hoạt ñộng của ñộng cơ diesel

- ðộ nhớt

ðộ nhớt của dầu Jatropha cao hơn ñáng kể so với nhiên liệu diesel, dầu Jatropha có ñộ nhớt 34,35 mm2/s trong khi ñó ñộ nhớt của nhiên liệu diesel hóa thạch nằm trong khoảng (2÷4,5) mm2/s ðộ nhớt cao gây khó khăn cho quá trình cung cấp nhiên liệu trong bình lọc và vòi phun, ñộ nhớt là một ñại lượng quyết ñịnh ñến chất lượng phun tơi của nhiên liệu do ñó ảnh hưởng ñến chất lượng quá trình cháy

Có thể giảm bớt ñộ nhớt bằng cách hâm nóng trước hoặc trộn lẫn nhiên liệu diesel khi khởi ñộng Phương pháp này dựa trên ñặc tính thay ñổi của ñộ nhớt theo nhiệt ñộ, nhiệt ñộ trong khoảng 30÷80oC sẽ làm ñộ nhớt của dầu Jatropha thay ñổi nhiều, ngược lại khi nhiệt ñộ vượt trên 80oC thì ñộ nhớt thay ñổi rất ít ðộ nhớt của dầu Jatropha sẽ giảm khi nhiệt ñộ tăng lên, vì vậy sấy nóng ñược coi là một phương pháp hữu hiệu làm giảm ñộ nhớt của dầu Jatropha

Khi ñộng cơ hoạt ñộng ở chế ñộ ổn ñịnh thì nhiệt ñộ của nhiên liệu ở sau bơm cao áp thay ñổi trong phạm vi từ 35÷40oC Trong khoảng nhiệt ñộ này thì ñộ nhớt của dầu Jatropha thay ñổi từ 25÷35 mm2/s, cao hơn 10 lần so với ñộ nhớt của nhiên liệu diesel

- Nhiệt trị

Nhiệt trị của dầu Jatropha là 9432kcal/kg trong khi ñó của nhiên liệu diesel là 10478kcal/kg, nhỏ hơn khoảng 10% Khối lượng riêng của dầu Jatropha là 918kg/m3, của nhiên liệu diesel là 856kg/m3, cao hơn khoảng 10% Như vậy nhiệt trị tính theo thể tích là tương ñương, nếu không thay ñổi gì trong hệ thống cung cấp nhiện liệu thì có thể nhận ñược công suất ñộng cơ theo chi phí nhiên liệu thể tích là tương ñương

- Nhiệt ñộ chớp cháy (cốc kín)

Nhiệt ñộ chớp cháy cốc kín của dầu Jatropha (101oC) cao so với diesel (65oC), với nhiệt ñộ chớp cháy cao, dầu Jatropha an toàn về mặt tồn trữ và vận chuyển so với nhiên liệu diesel

* Qui trình ép dầu JATROPHA

Quá trình ép dầu từ hạt Jatropha ñược thực hiện trên máy ép dầu kiểu trục vít KK40-2Standar của CHLB ðức (hình 1-3)

Hình 1-3 Máy ép dầu kiểu trục vít KK40-2Standar

Máy sử dụng ñộng cơ 3 pha V451/8/32,4KW; 720/1480 v/ph Máy ép có 2 trục vít, năng suất ép 40kg/h Máy chuyên dùng ñể ép các loại hạt có dầu với kích thước nhỏ (hạt cải, vừng, ñậu .vv) Lần ñầu tiên thực hiện ñể ép hạt Jatropha tại Huyện Tam Nông tỉnh Phú Thọ

Qui trình ép dầu Jatropha trên máy ép KK40 Standar như sau:

- Chuẩn bị hạt

Làm sạch, phân loại và kiểm tra ñộ ẩm của hạt

- Chuẩn bị máy ép KK 40 Standar

Kiểm tra bộ phận cấp liệu

Lắp trục vít, sàng, ñầu ñùn bã

Lắp bộ phận ra nhiệt (cho hoạt ñộng trước khi cấp liệu 15 phút)

Lựa chọn tốc ñộ ñộng cơ ñiện

- Tiến hành ép

Cho ñộng cơ hoạt ñộng ở số truyền 1 (720 v/p)

ðiều chỉnh van cấp liệu cho máy: mở 1/3 hành trình van cho hạt xuống khoang ép từ từ và quan sát phần dầu chảy ra từ sàng: chảy ra ở giữa sàng là lượng cấp ñảm bảo, còn nếu không có dầu hoặc chảy ra phần cuối sàng chứng tỏ lượng hạt vào chưa ñúng cần tăng ñộ mở van lên một chút sau ñó cố ñịnh van cấp liệu

Quan sát sự thoát của bã dầu: Nếu bã dầu khô, mầu vàng óng, dạng phoi thì chất lượng dầu ñảm bảo Nếu bã không tạo dạng phoi hoặc gẫy vụn cần phải thay ñổi tiết diện lỗ ñùn (thay ống ñùn khác có tiết diện nhỏ hơn) Nếu bã dầu có mầu ñen và có mùi khét chứng tỏ bộ gia nhiệt có nhiệt ñộ quá cao, lúc này loại bỏ bộ gia nhiệt khoảng 5 phút sau ñó lại cấp ñiện bình thường

Khi thấy máy hoạt ñộng bình thường, dầu ép ra ñều từ vùng giữa sàng, bã dầu thoát qua ống ñùn ñều ñặn thì giữ nguyên cho máy hoạt ñộng lâu dài (sử dụng ñầu ñùn

có tiết diện 9÷12mm; tùy theo loại giống hạt Jatropha) Chú ý kiểm tra lượng hạt trong phễu cấp liệu khi hạt còn 1/4 phễu phải ñổ bổ sung ngay

- Thu gom dầu, lọc dầu và bảo quản

Chuẩn bị các xô ñựng dầu, nối với nhau theo nguyên lý bình thông nhau Dầu chảy ñầy thùng 1 qua lỗ sang thùng 2, thùng 3 và ñã ñược lọc sạch một phần

tạp chất

Cho dầu vào thùng có thể tích lớn hơn và ñợi cho lắng, lấy phần dầu sạch bên trên, ñóng chai bảo quản

- Kết thúc quá trình ép

Khi phễu hết hạt, ñóng van cấp liệu lại

ðể máy hoạt ñộng bình thường khoảng 6÷8 phút, quan sát khi nào thấy bã dầu thoát ra bị gãy thành ñoạn ngắn (không còn dạng phoi) thì cắt ñiện bộ gia nhiệt, tăng tốc ñộ ñộng cơ lên số 2 (1480v/p) cho ñến khi hết bã thì tắt máy ðợi sau 5 phút tháo các chi tiết máy làm sạch, lau khô (ñầu ñùn, ống ñùn, sàng, trục vít)

1.3.4 Biodiesel

Biodiesel còn ñược gọi Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải ñược sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ ñộng vật Biodiesel, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng sạch, phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl, ethyl ester của những axít béo Mặt khác chúng không ñộc và dễ phân giải trong tự nhiên Diesel sinh học nói riêng hay nhiên liệu sinh học nói chung là một loại năng lượng tái tạo Về phương diện hoá học diesel sinh học là methyl este của axít béo Dầu diesel sinh học ñược chế biến từ dầu thực vật và mỡ ñộng vật ðể sản xuất diesel sinh học người ta pha khoảng 10% mêtanol vào dầu thực vật và dùng nhiều chất xúc tác khác nhau (ñặc biệt là hiñrôxít kali, hiñrôxít natri và các ancolat) Ở áp suất thông thường và nhiệt ñộ vào khoảng 60°C liên kết este của glyxêrin trong dầu thực vật bị phá hủy và các axít béo sẽ ñược este hóa với mêtanol Chất glyxêrin hình thành phải ñược tách ra khỏi dầu diesel sinh học sau ñấy Thông qua việc chuyển ñổi este này dầu diesel sinh học có ñộ nhớt ít hơn dầu thực vật rất nhiều và có thể ñược dùng làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel

mà không cần phải cải biến ñộng cơ ñể phù hợp Trên bảng 1-6 là một số thông

số cơ bản của Biodiesel

Bảng 1-6 Thông số của dầu diesel sinh học

Trạng thái ñặc tính Hệ thống

ASTM Giới hạn ðơn vị

ðiểm bốc cháy D93 130 min oC Nước và tạp chất D2709 0,050 max % vol

ðộ nhớt ñộng học ở 40oC D445 1,9÷6,0 mm2/sec

Hàm lượng tro D874 0,020 max % mass

Sự ăn mòn lá ñồng D130 No, 3 max

Số cetan D613 47 min

Phần cacbon còn lại D4530 0,050 max % mass

Gơli xêrin tự do D6584 0,02 max % mass Gơli xêrin tổng cộng D6584 0,024 max % mass

Hiện tại trên thế giới thường sử dụng loại diesel sinh học có nguồn gốc sau:

- RME: Mêthyl este của cây cải dầu, (Brassica napus) theo DIN EN 14214 (có giá trị toàn châu Âu từ 2004) ;

- SME: Mêthyl este của dầu cây ñậu nành hay dầu hạt hướng dương;

- PME: Mêthyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau

Bên cạnh ñó còn có mêthyl este từ mỡ nhưng chỉ có những sản phẩm hoàn toàn từ dầu thực vật (PME và ñặc biệt là RME) là ñược dùng trong các loại xe diesel hiện ñại, khi ñược các nhà sản xuất cho phép

1.4 Ô nhiễm môi trường do khí thải ñộng cơ diesel

1.4.1 Các chất ñộc hại trong khí thải và tác hại của chúng

1.4.1.1 ðối với sức khỏe con người

* Monoxyde carbon CO

Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị, sinh

ra do ôxy hóa không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong ñiều kiện thiếu ôxy

CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu ôxy Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khống chế (khi

nồng ñộ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm) Ở nồng ñộ thấp hơn, CO cũng

có thể gây nguy hiểm lâu dài ñối với con người: Khi 20% hồng cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức ñầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên ñến 50%, não bộ con người bắt ñầu bị ảnh hưởng mạnh

* NO x

NOx là họ các ôxít nitơ, trong ñó NO chiếm ñại bộ phận NOx ñược hình thành do N2 tác dụng với O2 ở ñiều kiện nhiệt ñộ cao (vượt quá 1100oC) Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở ñể tạo ra dioxide nitơ (x=2) NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng ñộ của nó trong không khí ñạt khoảng 0,12ppm NO2 là chất khó hòa tan,

do ñó nó có thể theo ñường hô hấp ñi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các

tế bào của cơ quan hô hấp Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở Dioxide nitơ NO2

là chất cơ sở tạo ra ozone ở hạ tầng khí quyển

* Hydrocarbure

Hydrocarbure có mặt trong khí thải do quá trình cháy không hoàn toàn, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường Chúng gây tác hại ñến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm Từ lâu người ta ñã xác ñịnh ñược vai trò của benzene trong căn bệnh ưng thư máu khi nồng ñộ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khi nồng ñộ lớn hơn 1g/m3, ñôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan

* SO 2

Lưu huỳnh ñiôxít SO2 vào nước mũi, bị ôxy hóa thành H2SO4 và muối ammonium rồi ñi theo ñường hô hấp vào phổi Mặt khác, SO2 là một chất háo nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan làm giảm khả năng ñề kháng của cơ thể và làm tăng cường ñộ tác hại của các chất ô nhiễm khác ñối với nạn nhân

* Bồ hóng

Bồ hóng là chất ô nhiễm ñặc biệt quan trọng trong khí xả ñộng cơ Diesel

Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có ñường kính trung bình khoảng 0,3mm nên rất dễ xâm phạm sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việc gây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kì một tạp chất cơ học nào khác có mặt trong

không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarbure thơm mạch vòng (HAP) hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành

1.4.1.2 ðối với môi trường

Ngoài những tác hại nêu trên ñến sức khỏe con người, các chất khi có mặt trong khí thải ñộng cơ ñốt trong cũng gây ảnh hưởng tiêu cực ñến môi trường và sinh thái

* Thay ñổi nhiệt ñộ khí quyển

Sự thay ñổi của thành phần không khí ảnh hưởng ñến quá trình cân bằng nhiệt ñộ của trái ñất Trái ñất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ ra không gian một phần nhiệt của nó Bức xạ mặt trời ñạt cực ñại trong vùng ánh sáng thấy ñược (có bước sóng khoảng 0,4÷0,75 µm) còn bức xạ cực ñại từ vỏ trái ñất nằm trong vùng hồng ngoại có bước sóng 7÷15 µm Do thành phần của khí quyển thay ñổi vì vậy ảnh hưởng ñến sự trao ñổi nhiệt giữa mặt trời và trái ñất Phổ bức

xạ của mặt trời và trái ñất ñược trình bày ở hình 1-4

Hình 1-4 Phổ bức xạ từ mặt trời và mặt ñất

Bức xạ mặt trời ñạt cực ñại trong vùng ánh sáng thấy ñược (có bước sóng khoảng 0,4÷0,75µm) còn bức xạ cực ñại từ vỏ trái ñất nằm trong vùng hồng ngoại có bước sóng (7÷15µm) Do thành phần của khí quyển thay ñổi vì vậy ảnh hưởng ñến sự trao ñổi nhiệt giữa mặt trời và trái ñất

Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau Do ñó, thành phần các chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng ñến sự trao ñổi nhiệt giữa mặt trời, trái ñất và không gian Carbonic (thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu) là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực ñại ứng với bước sóng 15 µm, vì vậy nó ñược xem như trong suốt ñối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng ñối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt

đất Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO2 giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất (hình 1-5) làm nĩng thêm bầu khí quyển theo hiệu ứng nhà kính

Hình 1- 5 Hiệu ứng nhà kính

Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay, người ta dự đốn vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí carbonic cĩ thể tăng lên gấp đơi Khi đĩ, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọng đối với sự cân bằng nhiệt trên quả đất:

- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3oC;

- Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước biển;

- Làm thay đổi chế độ mưa giĩ và sa mạc hĩa thêm bề mặt trái đất

* Ảnh hưởng đến sinh thái

Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là dioxide nitơ NO2 cĩ nguy cơ làm gia tăng sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt là đột biến sinh ra các vi trùng cĩ khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sự sống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa

Mặt khác, các chất khí cĩ tính axít như SO2, NO2, bị ơxy hĩa thành axít sulfuric H2SO4, axít nitric H N O3 hịa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương

mù làm hủy hoại thảm thực vật trên mặt ñất (mưa axít) và gây ăn mòn các công trình kim loại

Các hạt bồ hóng trong không khí có thể hấp thụ và khuếch tán ánh sáng mặt trời làm giảm ñộ trong suốt của khí quyển Khi nồng ñộ hạt khoảng 0,1mg/m3 thì tầm nhìn xa chỉ còn 12 km, ñiều này gây nguy hiểm cho các phương tiện ñi lại

1.4.2 Nhiên liệu thay thế nhằm giảm ô nhiễm khí thải

Việt Nam chúng ta ñang gặp những khó khăn về nhiên liệu, giá dầu tăng liên tục và vấn ñề ô nhiễm môi trường do khí thải của các loại ñộng cơ diesel cũng ñến mức báo ñộng thì việc tìm kiếm và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch ngày càng ñược quan tâm Một trong những nguồn nhiên liệu có thể thay thế cho nhiên liệu diesel là nhiên liệu sinh học với nhiều ưu ñiểm nổi bật Tính chất thân thiện với môi trường chúng sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống Là nguồn nhiên liệu tái sinh lấy từ hoạt ñộng sản xuất nông nghiệp Ở nước ta tiềm năng ñể phát triển nhiên liện sinh học (NLSH) hiện nay là rất lớn với nhiều loại cây trồng có thể làm nguyên liệu như mía, sắn, cây cọc rào (Jatropha) Ngoài ra, còn một lượng khá lớn phụ phẩm có thể sản xuất nhiên liệu thay thế xăng dầu như hạt cao su, mỡ cá, dầu mỡ ñã qua sử dụng Trong số này, cây cọc rào (Jatropha) có nguồn gốc từ Nam Mỹ ñã ñược di thực vào Việt Nam khá lâu, hàm lượng dầu sinh học cao, thích ứng với nhiều vùng sinh thái ở Việt Nam Hạt của cây Jatropha ñược lấy làm nguyên liệu sản xuất dầu diesel sinh học (Jatropha Biodiesel, 2010) Hạt Jatropha có hàm lượng dầu từ 30% ÷ 45% Diesel sinh học ñược sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu: cải dầu, hướng dương, ñậu tương, dầu cọ, mỡ ñộng vật nhưng sản xuất từ hạt Jatropha vẫn có giá thành rẻ, chất lượng dầu tốt và không ảnh hưởng ñến an ninh lương thực thế giới Khi trồng 1 ha cây Jatropha trong ñiều kiện chăm sóc tốt sẽ ñạt năng suất

8 ÷ 10 tấn hạt/ha/năm, có thể sản xuất ñược 3 tấn diesel sinh học Loại dầu này sẽ thay thế ñược 1 phần dầu diesel truyền thống ñang cạn kiệt, giảm thiểu lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, là loại dầu cháy hết và hàm lượng lưu huỳnh nhỏ

ðặc biệt hạt Jatropha không dùng ñể ép dầu ăn và cây có thể mọc trên những vùng ñất khô cằn, cho nên giá thành sản xuất sẽ rẻ hơn so với các loại hạt có dầu truyền thống khác

1.4.3 Phương pháp sử dụng dầu Jatropha làm nhiên liệu

ðể sử dụng dầu Jatropha làm nhiên liệu, cần áp dụng những phương pháp xử lý dầu ñể tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel

1.4.3.1 ðiều chế thành biodiesel sinh học

Quy trình công nghệ ester hóa dầu Jatropha cũng giống như quy trình công nghệ ester hóa dầu thực vật ñã nêu trên, tuy nhiên với các quy trình phức tạp và giá thành của thiết bị còn quá cao nên ñây không phải là giải pháp tối ưu

1.4.3.2 Sử dụng trực tiếp dầu Jatropha

Vấn ñề sử dụng trực tiếp dầu Jatropha không qua quá trình este hóa mang lại nhiều lợi ích như: không phải ñầu tư trang thiết bị và công nghệ lớn, thúc ñẩy phát triển sản xuất nông nghiệp, phù hợp với mô hình phát triển kinh tế vừa và nhỏ Vì vậy, nghiên cứu sử dụng trực tiếp dầu Jatropha cho ñộng cơ ñốt trong là vấn ñề cần thiết và có ý nghĩa lớn góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, thân thiện với môi trường, tăng tính cạnh tranh trong nông nghiệp

Tuy nhiên ñộ nhớt của dầu Jatropha cao hơn ñáng kể so với ñộ nhớt nhiên liệu diesel Có thể giảm bớt ñộ nhớt bằng cách gia nhiệt Phương pháp này dựa trên ñặc tính thay ñổi của ñộ nhớt theo nhiệt ñộ, nhiệt ñộ trong khoảng 30÷80o

C

sẽ làm ñộ nhớt thay ñổi nhiều Tuy vậy, nếu chỉ gia tăng nhiệt ñộ thì dầu Jatropha vẫn còn ñộ nhớt cao hơn nhiều so với dầu diesel truyền thống Tăng nhiệt ñộ lên quá cao vượt trên 80oC thì ñộ nhớt thay ñổi rất ít, sẽ tạo bọt trong

hệ thống nhiên liệu, cản trở việc cung cấp liên tục nhiên liệu, gây chết máy Trên cơ sở phân tích ở trên, ta chọn phương pháp: pha dầu Jatropha vào dung môi là dầu diesel và gia nhiệt hỗn hợp

Trong các nghiên cứu gần ñây của bộ môn Cơ Khí ðộng lực khoa Cơ ñiện ðại học Nông nghiệp Hà nội, khi gia nhiệt và pha hỗn hợp nhiên liệu (20%

Jatropha và 80% diesel) sử dụng cho ñộng cơ cỡ nhỏ ta có ñường ñặc tính của ñộng cơ thay ñổi không ñáng kể so với sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống

1.4.4 Các phương pháp gia nhiệt nhiên liệu

1.4.4.1 Gia nhiệt cho nhiên liệu sử dụng khí xả

Hình 1-6 Bộ gia nhiệt nhiên liệu sử dụng khí xả:

1 khí xả từ ñộng cơ tới bộ gia nhiệt; 3 khí xả ra môi trường;

2 van ñiều chỉnh lưu lượng khí xả; 4 ống xoắn ruột gà;

5 vỏ bộ gia nhiệt; 6 lưới bộ gia nhiệt; 7 khí xả từ bộ

gia nhiệt ra; 8 nhiên liệu từ thùng nhiên liệu vào;

9 nhiên liệu ñến bơm cao áp

* Nguyên lý hoạt ñộng: Khí xả từ ñộng cơ tới bộ gia nhiệt, khí xả nhờ áp lực trực tiếp từ cổ ống xả qua lưới 6 cắt ngang qua ống xoắn ruột gà 4, tại ñây xẩy ra quá trình trao ñổi nhiệt của dòng khí xả nóng chạy ngoài ống và hỗn hợp dầu diesel-jatropha chạy trong ống, khí nóng sau khi cấp nhiệt cho nhiên liệu ñược ñưa ra ngoài theo ñường 7 Nhiên liệu sau khi sấy nóng ñược ñưa tới bơm cao áp theo ñường 9 Có thể ñiều chỉnh nhiệt ñộ của hỗn hợp dầu diesel-jatropha

ñi qua bộ gia nhiệt bằng cách ñiều khiển van ñiều chỉnh 2 khi ñó làm thay ñổi

lượng khí xả ra ngoài môi trường theo ñường 3 làm thay ñổi lưu lượng ñi vào bộ gia nhiệt

*Ưu ñiểm: Tận dụng nguồn nhiệt có sẵn của ñộng cơ ñể làm nóng nhiên liệu, thiết bị chế tạo ñơn giản, thời gian sấy nóng nhiên liệu ngắn

*Nhược ñiểm: Lưu lượng và nhiệt ñộ khí xả phụ thuộc tải trọng ñộng cơ nên nhiệt ñộ hỗn hợp dầu qua bộ gia nhiệt không ổn ñịnh, có thể ñiều chỉnh ñược nhiệt ñộ hỗn hợp dầu bằng van 2 tuy nhiên thao tác phức tạp

1.4.4.2 Gia nhiệt cho nhiên liệu sử dụng nước nóng từ hệ thống làm mát

Hình 1-7 Bộ gia nhiệt sử dụng nước làm mát:

1 ống xoắn ruột gà; 2 vỏ bộ gia nhiệt; 3 nhiệt kế

* Nguyên lý hoạt ñộng: Nước làm mát sau khi ñi làm mát cho ñộng cơ có nhiệt ñộ cao ñược ñưa tới bộ gia nhiệt, tại ñây nước cấp nhiệt và làm nóng hỗn hợp nhiên liệu Diesel - jatropha trong ống xoắn ruột gà 1 Nhiên liệu jatropha sau khi ñược nước nóng từ hệ thống làm mát sấy nóng ñược ñưa tới bơm cao áp

* Ưu ñiểm: Sơ ñồ nguyên lý bộ gia nhiệt sử dụng nước nóng từ hệ thống làm mát sấy nóng nhiên liệu có cấu tạo ñơn giản dễ chế tạo, tận dụng ñược nguồn nước nóng từ hệ thống làm mát ñộng cơ ñể làm nóng nhiên liệu

* Nhược ñiểm : Khi ñộng cơ mới khởi ñộng nước làm mát chưa ñạt ñược nhiệt ñộ cần thiết, mất một khoảng thời gian ban ñầu ñể ñộng cơ chạy làm nóng nước làm mát, vào những ngày mùa ñông nhiệt ñộ nước làm mát thấp

1.4.4.3 Gia nhiệt cho nhiên liệu sử dụng nguồn ñiện ắc quy

Hình 1-8 Bộ gia nhiệt nhiên liệu sử dụng nguồn ñiện ắc quy:

1 nhiên liệu từ thùng nhiên liệu vào; 2 dây mayso; 3 vỏ bộ gia nhiệt;

4 ắc quy; 5 biến trở; 6 công tắc thường mở; 7 nhiên liệu ñến bơm cao áp

* Nguyên lý hoạt ñộng: Khi ñóng khóa ñiện, dòng ñiện từ cực dương của

ắc quy 4 qua công tắc 6, qua biến trở 5, ñến dây mayso 2 làm dây mayso nóng lên và trở về cực âm ắc quy 4 Dây mayso truyền nhiệt cho hỗn hợp nhiên liệu Diesel và Jatropha ñi vào từ bình chứa vào bộ gia nhiệt theo ñường 1 và theo ñường 7 tới bơm cao áp Nhiệt ñộ hỗn hợp dầu ñược ñiều chỉnh bằng cách ñiều chỉnh biến trở 5

*Ưu ñiểm: Có thể ñiều chỉnh ñược nhiệt ñộ của hỗn hợp dầu diesel và Jatropha bằng cách ñiều chỉnh biến trở, thao tác thuận tiện, dễ dàng

*Nhược ñiểm: Phải lắp máy phát ñiện có công suất lớn ñể nạp ñiện cho ắc quy, làm tiêu hao công suất ñộng cơ và làm giảm hiệu suất ñộng cơ

1.4.4.4 Lựa chọn phương pháp gia nhiệt cho nhiên liệu

Qua trình bày ở trên ta thấy rõ ưu nhược ñiểm của từng phương pháp gia nhiệt nhiên liệu ðể cho kết cấu ñộng cơ không quá cồng kềnh, mang tính thẩm

mỹ và có hiệu suất cao Ta chọn phương pháp gia nhiệt nhiên liệu bằng bộ gia nhiệt sử dụng khí xả