nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học sản xuất tại việt nam đến tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ

Ở Việt Nam, diesel sinh học được điều chế từ nhiều nguồn khác nhau như từ dầu dừa, dầu cọ, dầu cao su, dầu cây cọc rào còn gọi là cây Jatropha, mỡ cá… Trong đó, nguyên liệu từ mỡ cá là l

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các

số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng

được ai công bố trong các công trình nào khác!

Hà Nội, tháng 12 năm 2014

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Anh Tuấn đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Ô tô và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận

án này và định hướng nghiên cứu trong trương lai

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Tuấn Nghĩa

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

i Lý do chọn đề tài 1

ii Mục đích của đề tài 2

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

iv Phương pháp nghiên cứu 3

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

vi Bố cục luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 5

1.1.1 Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học 5

1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp 7

1.2 Nhiên liệu diesel sinh học và sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên động cơ diesel 8

1.2.1 Khái niệm 8

1.2.2 So sánh tính chất diesel sinh học và diesel khoáng 8

1.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của diesel sinh học 9

1.2.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học 11

1.2.5 Công nghệ chuyển hóa diesel sinh học 12

1.2.6 Tình hình sản xuất và sử dụng diesel sinh học 13

1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học trên động cơ 16

1.3.1 Vấn đề sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên động cơ 16

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học trên thế giới 17

1.3.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học tại Việt Nam 21

1.4 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ NĂNG LƯỢNG VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC 26

2.1 Lý thuyết về quá trình phun nhiên liệu và sự hình thành tia phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học 26

2.1.1 Lý thuyết về quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel 26

2.1.2 So sánh cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học 31

2.2 Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel 33

2.2.1 Khái niệm cơ bản 33

2.2.2 Cơ sở lý hóa của quá trình cháy 33

2.2.3 Diễn biến quá trình cháy của động cơ diesel sử dụng bơm cao áp – vòi phun kiểu cơ khí 35

2.2.4 Quy luật phun nhiên liệu trong động cơ trang bị hệ thống nhiên liệu commonrail 36

2.3 So sánh sự hình thành và cháy của nhiên liệu diesel và diesel sinh học 37

2.4 Cơ chế hình thành và cơ sở tính toán phát thải động cơ diesel 38

2.4.1 Phát thải NOx 38

2.4.2 Phát thải bồ hóng 40

2.4.3 Phát thải HC 43

2.4.4 Phát thải CO 45

2.5 Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost 46

2.5.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất 46

2.5.2 Mô hình cháy AVL-MCC 47

2.5.3 Truyền nhiệt 51

2.6 Kết luận chương 2 53

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HọC 55

3.1 Mục đích, đối tượng và phạm vi mô phỏng 55

3.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 55

3.2.1 Xây dựng mô hình 55

3.2.2 Các thông số nhập điều khiển mô hình 56

3.2.3 Chế độ mô phỏng 57

3.3 Kết quả tính toán mô phỏng 59

3.3.1 Đánh giá độ chính xác của mô hình 59

3.3.2 Đặc tính của quá trình cháy 60

3.3.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel sinh học 61

3.3.4 Ảnh hưởng của góc phun sớm 67

3.3.5 Ảnh hưởng của áp suất phun 71

3.4 Kết luận chương 3 76

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 77

4.1 Mục đích thử nghiệm 77

4.2 Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm 77

4.2.1 Đối tượng thử nghiệm 77

4.2.2 Nhiên liệu thử nghiệm 78

4.3 Quy trình và phạm vi thử nghiệm 78

4.4 Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính 80

4.4.1 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 80

4.4.2 Trang thiết bị thử nghiệm 82

4.5 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 84

4.5.1 Quan sát hình ảnh tia phun 84

4.5.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel sinh học 86

4.5.3 Ảnh hưởng của góc phun sớm 92

4.5.4 Ảnh hưởng của áp suất phun 96

4.5.5 Ảnh hưởng của diesel sinh học từ một số nguồn khác nhau 100

4.6 So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm 102

4.6.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu 103

4.6.2 Phát thải 104

4.7 Kết luận chương 4 106

KẾT LUẬN CHUNG 107

PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113

PHỤ LỤC 114

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

B50 50% Diesel sinh học và 50% Diesel về thể t ch

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh nhiên liệu sinh học với nhiên liệu dầu mỏ 6

Bảng 1.2 So sánh các chỉ tiêu của diesel sinh học và diesel khoáng 8

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn diesel sinh học Châu Âu và Mỹ 9

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717-07 cho diesel sinh học gốc (B100) 10

Bảng 1.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản cho nhiên liệu diesel và diesel B5 11

Bảng 1.6 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản cho riêng nhiên liệu diesel B5 11

Bảng 1.7 Thống kê sự ảnh hưởng của diesel sinh học đến tính năng và phát thải 17

Bảng 1.8 Các tính chất của nhiên liệu thử nghiệm 19

Bảng 2.1 Tính chất vật lý và hóa học của diesel và diesel sinh học 38

Bảng 2.2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx 40

Bảng 2.3 Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải 53

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của động cơ AVL-5402 55

Bảng 3.2 Các phần tử xây dựng mô hình động cơ AVL-5402 56

Bảng 3.3 Dữ liệu điều khiển chung mô hình động cơ AVL-5402 56

Bảng 3.4 Tính chất của nhiên liệu thử nghiệm 57

Bảng 3.5 Thành phần hóa học của nhiên liệu B100 57

Bảng 3.6 Lượng nhiên liệu cấp cho chu trình tương ứng với các giá trị tải 58

Bảng 3.7 So sánh các thông số của quá trình cháy của 6 loại nhiên liệu 60

Bảng 3.8 Công suất động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu 61

Bảng 3.9 Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ của các nhiên liệu 62

Bảng 3.10 Tỷ lệ A/F của động cơ đối với các nhiên liệu 63

Bảng 3.11 Kết quả về phát thải CO của các nhiên liệu 63

Bảng 3.12 Sự thay đổi phát thải CO so với nhiên liệu diesel 64

Bảng 3.13 Kết quả về phát thải NOx của các nhiên liệu 64

Bảng 3.14 Sự thay đổi phát thải NOx so với nhiên liệu diesel 65

Bảng 3.15 Kết quả về phát thải bồ hóng của các nhiên liệu 65

Bảng 3.16 Sự thay đổi độ khói so với nhiên liệu diesel 66

Bảng 3.17 Giá trị công suất theo góc phun sớm 67

Bảng 3.18 Sự thay góc phun sớm tối ưu so với nhiên liệu diesel 68

Bảng 3.19 Giá trị suất tiêu hao nhiên liệu theo góc phun sớm 68

Bảng 3.20 Phát thải CO theo góc phun sớm 69

Bảng 3.21 Phát thải NOx theo góc phun sớm 70

Bảng 3.22 Phát thải bồ hóng theo góc phun sớm 71

Bảng 3.23 Ảnh hưởng của áp suất đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu 72

Bảng 3.24 Phát thải CO theo áp suất phun 73

Bảng 3.25 Phát thải NOx theo áp suất phun 74

Bảng 3.26 Phát thải NOx theo áp suất phun 75

Bảng 4.1 Các tính chất của nhiên liệu thử nghiệm (PL6) 78

Bảng 4.2 Thời gian phun của nhiên liệu thử nghiệm 79

Bảng 4.3 Thời gian phun nhiên liệu tại mỗi vị trí thử nghiệm 80

Bảng 4.4 Thông số tia phun của các nhiên liệu thử nghiệm 85

Bảng 4.5 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của các nhiên liệu thử nghiệm 86

Bảng 4.6 Giá trị áp suất đỉnh của nhiên liệu thử nghiệm 88

Bảng 4.7 Giá trị tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất của nhiên liệu thử nghiệm 88

Bảng 4.8 Phát thải CO của nhiên liệu thử nghiệm 90

Bảng 4.9 Phát thải HC của nhiên liệu thử nghiệm 90

Bảng 4.10 Phát thải NOx của nhiên liệu thử nghiệm 91

Bảng 4.11 Độ khói của nhiên liệu thử nghiệm 91

Bảng 4.12 Công suất cực đại tại góc phun của các nhiên liệu 93

Bảng 4.13 Giá trị áp suất đỉnh và tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất theo áp suất phun 97

Bảng 4.14 Thay đổi về Ne và ge giữa mô phỏng và thực nghiệm 103

Bảng 4.15 Thay đổi về phát thải CO và NOx giữa mô phỏng và thực nghiệm 104

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ phản ứng este hóa chéo dầu thực vật với methanol 12

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu khác nhau 13

Hình 1.3 Sản lượng biodiesel ở châu Âu từ năm 1998 đến 2011 14

Hình 1.4 Tình hình sản xuất biodiesel của các nước trên thế giới năm 2010 14

Hình 1.5 So sánh tính năng động cơ của Diesel, B5, B20, B70 và B100 18

Hình 1.6 Phát thải của động cơ từ các nhiên liệu khác nhau 19

Hình 1.7 Phát thải của nhiên liệu Diesel, B5, B20, B70 và B100 20

Hình 1.8 Đặc tính cháy của nhiên liệu thử nghiệm 21

Hình 1.9 Kết quả thử nghiệm đối chứng về công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu theo đường đặc tính tốc độ ở 100% tải đối với động cơ D243 trướcthử nghiệm bền 22

Hình 1.10 Kết quả thử nghiệm đối chứng theo chu trình ECE R49 trên động cơ D243 23

Hình 2.1 Cơ chế phá vỡ tia phun 26

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả cơ chế phá vỡ tia phun 27

Hình 2.3 Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón 28

Hình 2.4 Sự phát triển tia phun của các loại nhiên liệu khác nhau 32

Hình 2.5 Quá trình cháy trong động cơ diesel 36

Hình 2.6 Đồ thị thể hiện áp suất phun khi có phunmồi 37

Hình 2.7 Sự phát triển ngọn lửa trong quá trình cháy của B0 và B100 38

Hình 2.8 Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ 39

Hình 3.1 Mô hình động cơ AVL-5402 56

Hình 3.2 So sánh kết quả về công suất của mô phỏng và thực nghiệm của các nhiên liệu B0, B10, B20 và B30 59

Hình 3.3 So sánh kết quả về suất tiêu hao nhiên liệu của mô phỏng và thực nghiệm của các nhiên liệu B0, B10, B20 và B30 59

Hình 3.4 Diễn biến áp suất xylanh của nhiên liệu B0, B10, B20, B30, B40 và B50 60

Hình 3.5 Tốc độ tỏa nhiệt của các loại nhiên liệu 61

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng xu hướng thay đổi công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn biodiesel 62

Hình 3.7 Xu hướng thay đổi phát thải theo tỷ lệ pha trộn biodiesel 66

Hình 3.8 Mối quan hệ giữa góc phun sớm và tỷ lệ pha trộn biodiesel 68

Hình 3.9 Phát thải CO khi thay đổi góc phun sớm 69

Hình 3.10 Phát thải NOx khi thay đổi góc phun sớm 70

Hình 3.11 Phát thải bồ hóng khi thay đổi góc phun sớm 71

Hình 3.12 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo áp suất phun 73

Hình 3.13 Phát thải CO theo áp suất phun 74

Hình 3.14 Phát thải NOx theo áp suất phun 75

Hình 3.15 Phát thải bồ hóng theo áp suất phun 76

Hình 4.1 Mặt cắt động cơ AVL 5402 77

Hình 4.2 Đặc tính ngoài thực tế của động cơ thử nghiệm 78

Hình 4.3 Sơ đồ băng thử động cơ 1 xylanh 81

Hình 4.4 Thiết bị tạo tia phun nhiên liệu 82

Hình 4.5 Hình ảnh tia phun của các nhiên liệu thử nghiệm 84

Hình 4.6 Chiều dài tia phun (S) 85

Hình 4.7 Góc nón tia phun () 85

Hình 4.8 Thay đổi Ne và ge theo tỷ lệ biodiesel 87

Hình 4.9 Diễn biến áp suất trong xylanh đối với các nhiên liệu thử nghiệm ở 1400(vg/ph) và 2200(vg/ph) tương ứng với các chế độ tải 87

Hình 4.10 Diễn biến tốc độ tỏa nhiệt đối với các nhiên liệu thử nghiệm ở 1400(vg/ph) và 2200(vg/ph) tương ứng với các chế độ tải 89

Bảng 4.11 Quan hệ giữa CO, HC và tỷ lệ pha trộn biodiesel 92

Hình 4.12 Quan hệ giữa NOx, độ khói và tỷ lệ pha trộn biodiesel 92

Hình 4.13 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo góc phun sớm 92

Hình 4.14 Mối quan hệ giữa góc phun sớm và tỷ lệ biodiesel pha trộn 93

Hình 4.15 Phát thải CO của các nhiên liệu theo góc phun sớm 94

Hình 4.16 Phát thải HC của các nhiên liệu theo góc phun sớm 94

Hình 4.17 Phát thải NOx của các nhiên liệu theo góc phun sớm 95

Hình 4.18 Độ khói của các nhiên liệu theo góc phun sớm 95

Hình 4.19 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo áp suất phun 96

Hình 4.20 Phát thải CO của các nhiên liệu thử nghiệm theo áp suất phun 97

Hình 4.21 Phát thải HC của các nhiên liệu thử nghiệm theo áp suất phun 98

Hình 4.22 Phát thải NOx của các nhiên liệu thử nghiệm theo áp suất phun 99

Hình 4.23 Độ khói của các nhiên liệu thử nghiệm theo áp suất phun 99

Hình 4.24 Công suất của các nhiên liệu thử nghiệm tại các giá trị tải 100

Hình 4.25 Suất tiêu hao nhiên liệu của các nhiên liệu thử nghiệm tải các giá trị tải 100

Hình 4.26 Phát thải CO của các nhiên liệu thử nghiệm tải các giá trị tả 101

Hình 4.27 Phát thải HC của các nhiên liệu thử nghiệm tải các giá trị tải 101

Hình 4.28 Phát thải NOx của các nhiên liệu thử nghiệm tải các giá trị tải 102

Hình 4.29 Độ khói của các nhiên liệu thử nghiệm tải các giá trị tải 102

Hình 4.30 So sánh công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm 104

Hình 4.31 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm 104

Hình 4.32 So sánh phát thải CO giữa mô phỏng và thực nghiệm 105

Hình 4.33 So sánh phát thải NOx giữa mô phỏng và thực nghiệm 105 Hình 4.34 So sánh độ khói giữa mô phỏng và thực nghiệm 105

MỞ ĐẦU

i Lý do chọn đề tài

Ngày nay, do nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển mạnh dẫn đến nhiều vấn đề cần được giải quyết như: nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường

do khí thải động cơ, các lò đốt công nghiệp, các cơ sở sản xuất và tồn chứa sản phẩm dầu

An ninh quốc gia luôn gắn liền với an ninh năng lượng, vì thế an ninh năng lượng luôn được đặt lên hàng đầu trong chiến lược phát triển của mỗi quốc gia Với mức sử dụng dầu

mỏ như hiện nay, nguồn cung dầu mỏ đáp có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng trong vòng

4050 năm nữa nếu không phát hiện thêm những nguồn dầu mỏ mới Chính vì thế, để đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển bền vững, nhiều quốc gia trong vòng vài thập kỷ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay, tiến tới xây dựng ngành nhiên liệu sạch ở quốc gia mình

Trong số các nguồn năng lượng thay thế đang sử dụng hiện nay (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân…) thì năng lượng sinh học đang được ưu tiên phát triển, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu Năng lượng sinh học có các lợi ích như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, ít thay đổi cấu trúc động cơ và giá thành cạnh tranh so với các nguồn năng lượng kể trên

Nhiên liệu sinh học cho động cơ nói chung và phương tiện giao thông nói riêng đang nhận được sự quan tâm lớn của thế giới Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng trong tương lai, mặt khác nhiên liệu sinh học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho người dân ở vùng sâu, vùng xa, những nơi có tiềm năng lớn đối với l nh vực nông, lâm, ngư nghiệp

Không nằm ngoài xu thế phát triển của thế giới, Việt Nam đã và đang bắt đầu quan tâm đến vấn đề nhiên liệu sạch Chính phủ Việt Nam đã thông qua Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025 vào năm 2007 Chủ trương này thể hiện tham vọng của Chính phủ và c ng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học

Trong l nh vực Nông - Lâm - Ngư và giao thông (xe tải và xe khách) ở Việt Nam, động

cơ diesel được sử dụng rất phổ biến Đến tháng 10/2011 cả nước có gần 500.000 máy kéo các loại sử dụng trong nông nghiệp, với tổng công suất trên 5 triệu mã lực (CV); 580.000 máy tuốt đập lúa; 17.992 máy gặt lúa các loại Đến cuối năm 2008, số lượng tàu cá Việt Nam lên đến 128.000 chiếc với tổng công suất trên 6.784.000 cv (bình quân 53 cv/chiếc) Ngoài ra, tàu giao thông vận tải đường sông, dịch vụ du lịch c ng có số lượng rất lớn Như vậy, nếu dùng nhiên liệu sinh học làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel, nhất là nhiên liệu sinh học được sản xuất tại Việt Nam sẽ tiết kiệm được một lượng ngoại tệ lớn cho quốc gia và hạn chế ô nhiễm môi trường

Diesel sinh học là một loại nhiên liệu sinh học có nhiều tiềm năng thay thế cho dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, đáp ứng được một phần các yêu cầu trên Diesel sinh học có thể được điều chế từ dầu thực vật tinh luyện, dầu thực vật thừa đã qua

sử dụng hoặc từ mỡ động vật Do đó, nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học có thể nói là

rất phong phú và dồi dào, nhất là đối với các nước nông nghiệp như Việt Nam

Ở Việt Nam, diesel sinh học được điều chế từ nhiều nguồn khác nhau như từ dầu dừa, dầu cọ, dầu cao su, dầu cây cọc rào (còn gọi là cây Jatropha), mỡ cá… Trong đó, nguyên liệu từ mỡ cá là loại nguyên liệu có thể ứng dụng tốt để sản xuất diesel sinh học, do chúng

ta đã có quy trình công nghệ sản xuất trên quy mô công nghiệp Điều này giúp giảm giá thành sản phẩm và tăng khả năng cạnh tranh so với các nguồn nguyên liệu khác Mặt khác, chúng ta đã phát triển những vùng nuôi trồng thủy sản có quy mô rất lớn để xuất khẩu tại một số tỉnh của vùng đồng bằng sông Cửu Long Phần mỡ cá rất lớn dư thừa còn lại sau quá trình chế biến thường bị bỏ đi, nếu không xử lý sẽ gây ô nhiếm môi trường

Mặc dù đã hoàn thiện công trình đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu B5 (5% diesel sinh học và 95% diesel) Tuy nhiên, theo đề án của Chính phủ thì tiến tới sử dụng nhiên liệu với

tỷ lệ pha trộn cao hơn

Để góp phần thúc đẩy việc sản xuất, sử dụng nhiên liệu diesel sinh học tại Việt Nam, góp phần giảm ô nhiễm môi trường, thực hiện mục tiêu đề án phát triển nhiên liệu sinh học, nâng cao chất lượng sử dụng động cơ đang lưu hành trong khi vẫn đáp ứng tiêu chuẩn

về khí thải ngày càng nâng cao, đặc biệt là trên các phương tiện giao thông vận tải Tác giả

đã chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hư ng của nhiên liệu diesel sinh học sản xuất tại Việt Nam đến tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ góp phần thực hiện các yêu

cầu của thực tiễn đưa ra

ii Mục đích của đề tài

Luận án có mục đích tổng thể là định hướng về mặt kỹ thuật cho động cơ diesel truyền thống khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học với các tỷ lệ lớn hơn 5% như 10% (B10), 20% (B20) và 30% (B30)

Mục đích cụ thể của luận án bao gồm:

- Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel sinh học đến tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ;

- Đánh giá khảo sát ảnh hưởng của các thông số cần điều chỉnh như góc phun sớm, áp suất phun khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học;

- Đánh giá được đặc điểm quá trình phun và phát triển tia phun nhiên liệu; quá trình hình thành hỗn hợp và cháy;

- Bước đầu đưa ra khuyến cáo cần thiết khi sử dụng diesel sinh học pha trộn được sản xuất tại Việt Nam cho động cơ diesel

iii Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Luận án lựa chọn động cơ AVL-5402 sử dụng hệ thống nhiên liệu Common Rail là động cơ nghiên cứu Đây là động cơ diesel phun nhiên liệu điện tử có nhiều ưu điểm so với động cơ diesel truyền thống Việc nghiên cứu trên động cơ diesel Common Rail với nhiên liệu có tỷ lệ pha trộn diesel sinh học cao hơn 5% nhằm mục đích từng bước thực hiện theo

đề án sử dụng nhiên liệu sinh học của Việt Nam Điều này phù hợp với lộ trình sử dụng nhiên liệu diesel sinh học với tỷ lệ dần tăng lên

Theo các kết quả nghiên cứu của các nước trên thế giới, tỷ lệ pha trộn diesel sinh học chỉ nên giới hạn ở một phạm vi nhất định để đảm bảo tính năng kinh tế, kỹ thuật của động

cơ Vì vậy, các nghiên cứu thực nghiệm của luận án được thực hiện với các loại nhiên liệu B0, B10, B20 và B30 Đối với thử nghiệm đánh giá về quá trình phun và phát triển tia phun nhiên liệu được thực hiện thêm cả nhiên liệu B100 nhằm đánh giá một cách toàn diện ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến sự phát triển tia phun

Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá Cụ thể, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên việc xây dựng mô hình và tính toán mô phỏng các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và phát thải của động cơ khi sử dụng diesel sinh học

- Thử nghiệm đối chứng đánh giá quá trình phun và sự phát triển tia phun nhiên liệu bằng kỹ thuật chụp hình ảnh tia phun Phân tích hình ảnh dựa trên kích thước, hình dạng tia phun của các nhiên liệu thử nghiệm Kết quả nghiên cứu có

ý ngh a trong việc đưa ra các khuyến cáo về sự điều chỉnh cần thiết đối với hệ thống nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

- Các thử nghiệm đánh giá đến tính năng làm việc của động cơ được tiến hành trong phòng thí nghiệm trên băng thử động cơ Kết quả phân tích dựa trên các chỉ tiêu về công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ

- Sử dụng kỹ thuật đo áp suất trong xylanh từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến đặc tính cháy của động cơ

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học

Luận án đã xác định được một số yếu tố cần điều chỉnh cho động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học đến B30 là góc phun sớm và áp suất phun thông qua các tính chất cơ bản của nhiên liệu như độ nhớt, trị số xêtan, nhiệt trị Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu từ B10 đến B30 đến tính năng của động cơ

Luận án đã xây dựng được các mối quan hệ giữa các thông số như: kích thước cơ bản của tia phun, góc phun sớm, công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu và các thành phần phát thải độc hại với tỷ lệ diesel sinh học trong hỗn hợp nhiên liệu diesel/diesel sinh học từ B10 đến B30 Đây là các đường đặc tính cơ sở nhằm hỗ trợ cho việc nâng cao tỷ lệ diesel sinh học trên thực tế

 Ý nghĩa thực tiễn

Luận án đã đưa ra những định hướng cụ thể (điều chỉnh góc phun sớm và áp suất phun) trong việc sử dụng diesel sinh học Góp phần xây dựng các tiêu chuẩn về nhiên liệu diesel

sinh học ở Việt Nam và tư vấn với các nhà hoạch định chính sách và người tiêu dùng nhằm sớm đưa quyết định 177/2007/QĐ-TTg vào hiện thực Qua đó góp phần giảm phát thải độc hại, phát thải gây hiệu ứng nhà kính và nâng cao giá trị của các sản phẩm nông nghiệp ở Việt Nam thông qua việc sử dụng diesel sinh học

 Chương 3 Tính toán mô phỏng động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

 Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

 Kết luận chung và phương hướng phát triển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1.1 Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học

1.1.1.1 Khái quát chung

Nhiên liệu sinh học (NLSH) được định ngh a là nhiên liệu nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật [1] Ví dụ như nhiên liệu chế suất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa ) ng cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương) các chất thải nông nghiệp (rơm rạ, phân ) sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải ) Chúng bao gồm bioethanol, diesel sinh học, biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl ether sinh học và dầu thực vật Nhiên liệu sinh học hiện nay sử dụng trong giao thông vận tải là ethanol sinh học, diesel sinh học

Tuy nhiên hiện nay vấn đề sử dụng NLSH vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạ được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, NLSH là nguồn thay thế có nhiều tiềm năng NLSH dùng cho động cơ đốt trong bao gồm hai loại chủ yếu sau:

- Nhiên liệu lỏng: Bao gồm xăng sinh học và diesel sinh học

Xăng sinh học: Bao gồm bio-metanol, bio-ethanol, bio-butanol… Trong số các dạng xăng sinh học này, bio-ethanol là loại nhiên liệu sinh học thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như ng cốc, khoai tây, sắn, v.v

Diesel sinh học (diesel sinh học): Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este (transesterification)

- Kh sinh học (Biogas)

Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh từ

sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Thành phần chính của Biogas

là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO … được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20-40ºC

1.1.1.2 Các thế hệ nhiên liệu sinh học

Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất Đồng thời c ng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành bốn thế hệ

* NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu có bản

chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ động vật, dầu

thực vật,…

* NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH thế hệ

đầu tiên Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho

phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường:

hóa sinh và nhiệt hóa

* NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo, được coi là nguồn năng lượng thay thế khả

thi Vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1  10 ngày) cho phép thu hoạch nhiều và

liên tục với năng suất đáng kể Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới,

nó đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm về

sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch

1.1.1.3 Ưu nhược điểm của nhiên liệu sinh học

 Ưu điểm

Sử dụng NLSH có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống, đó là:

- T nh 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

- Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp

và có thể tái sinh

Sử dụng NLSH là phương pháp có hiệu quả nhất Chúng ta có thể so sánh giữa nhiên liệu dầu mỏ với NLSH qua các tính chất của nhiên liệu như bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh nhiên liệu sinh học với nhiên liệu dầu mỏ [1]

Nhiên liệu dầu mỏ Nhiên liệu sinh học

Sản xuất từ dầu mỏ

Hàm lượng lưu huỳnh cao

Chứa hàm lượng chất thơm

Khó phân hủy sinh học

Không chứa hàm lượng oxy

Điểm chớp cháy thấp

Sản xuất từ nguyên liệu thực vật Hàm lượng lưu huỳnh cực thấp Không chứa hàm lượng chất thơm

Có khả năng phân hủy sinh học cao

Có 11% oxy Điểm chớp cháy cao Như vậy, việc phát triển NLSH có lợi về nhiều mặt như giảm đáng kể các khí độc hại như SO2, CO, CO2 (khí nhà kính), các hydrocacbon chưa cháy hết, giảm cặn buồng đốt

mở rộng nguồn năng lượng, đóng góp vào an ninh năng lượng: giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, đồng thời c ng đem lại lợi nhuận và việc làm cho người dân

 Nhược điểm

Việc phát triển NLSH (có nguồn gốc từ thực vật) sẽ làm giảm diện tích canh tác các cây lương thực khác do đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, đe dọa đến an ninh lương thực Công nghệ để đầu tư sản xuất NLSH yêu cầu khá cao, làm giá thành của nó cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch Một cản trở nữa cho việc sản xuất NLSH là phụ thuộc vào điều kiện nuôi trồng động thực vật như: điều kiện thời tiết, phong tục tập quán, vùng miền.v.v…

1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp

NLSH được sản xuất từ rất nhiều dạng khác nhau, có thể tổng hợp một số nguyên liệu chính như sau:

1.1.2.1 Cồn

Cồn thường tồn tại ở hai dạng: Methanol và Ethanol Trong đó, methanol là loại cồn đơn giản nhất chứa một nguyên tử C trong mỗi phân tử Phần lớn methanol được làm từ than đá và khí tự nhiên, c ng có thể làm từ nguồn tái sinh như gỗ hoặc giấy thải Để làm nhiên liệu động cơ có thể dùng M85 (hỗn hợp 85% methanol và 15% xăng), có chỉ số octan 102 Tuy nhiên, khi sử dụng M85 thì xe phải được thay đổi cho phù hợp (như tỷ số nén cao hơn, hệ thống hút thiết kế lại để lấy đủ khí và dầu bôi trơn chịu được sự tác động

tự nhiên của methanol)

Ethanol (công thức phân tử C2H5OH) được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu mà thường được pha trộn với xăng theo những tỷ lệ nhất định

1.1.2.2 Dầu thực vật

Dầu thực vật về tính chất lý hóa, phần lớn có số xêtan cao và số octan thấp, độ nhớt cao

và nhiệt độ tự cháy thấp nên chỉ có thể ứng dụng cho động cơ diesel Dầu thực vật có thể làm nhiên liệu bao gồm dầu hạt cây cải dầu, dầu ôliu, dầu hạt đậu tương, dầu cọ, dầu cây hướng dương, dầu ngô

1.1.2.3 Metyl ester

Đây là một loại diesel sinh học Diesel sinh học thường dùng có tên monoalkyl ester (methyl hoặc ethyl ester) của acid béo có chuỗi phân tử dài được lấy từ lipid như dầu thực vật hoặc mỡ động vật Nó là sản phẩm trong quá trình ester hóa từ dầu hạt cải, dầu đậu tương, dầu cây hướng dương, dầu conola, dầu cọ… Có thể sử dụng diesel sinh học nguyên chất hoặc pha với dầu diesel thông thường theo các tỷ lệ nhất định

1.1.2.5 Dimetyl ether (DME)

Ở nhiệt độ môi trường, áp suất khí quyển, DME là chất khí không màu, hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp (0,5 MPa ở 250

C) DME có thể được sản xuất từ khí tự nhiên thông qua 2 bước: chuyển đổi khí tự nhiên thành methanol sau đó khử nước (2CH3OH →

CH3OCH3 + H2O) sẽ thu được DME

DME có trị số xêtan khá cao (khoảng 55) trong khi trị số xêtan của diesel là 40 ÷ 53 Tuy nhiên nhiệt trị và độ nhớt của DME lại khá thấp, do vậy khi sử dụng trên động cơ cần phải cải tiến lại hệ thống nhiên liệu cho phù hợp

1.1.2.6 Dimetyl cacbonate (DMC)

DMC là một chất lỏng không màu, không độc và không gây ăn mòn Nó có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel theo một vài tỷ lệ DMC có thể thêm vào nhiên liệu diesel như một chất phụ gia, vì nó chứa 53% (về trọng lượng) Oxy DMC được sản xuất từ methanol, CO

và O2 với chất xúc tác HCl thêm 5% KCl vào:

học trên động cơ diesel

1.2.1 Khái niệm

Diesel sinh học được định ngh a là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel, có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Về phương diện hóa học thì diesel sinh học

là methyl, ethyl ester của những acid béo

Diesel sinh học gốc (B100), theo quy chuẩn của Việt Nam thì: nhiên liệu bao gồm các este mono-alkyl của các axit béo mạch dài được lấy từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, ký hiệu là B100

1.2.2 So sánh tính chất diesel sinh học và diesel khoáng

Diesel sinh học có các tính chất về vật lý và hóa học tương đối giống so với diesel Tuy nhiên, các tính chất này có sự chênh lệch nhất định, chính sự chênh lệch đó có ảnh hưởng rất lớn đến tính năng kinh tế c ng như kỹ thuật của động cơ Mặt khác, nó c ng ảnh hưởng đến vấn đề bảo quản, sức bền các chi tiết trên động cơ Một số chỉ tiêu quan trọng để so sánh giữa diesel sinh học và diesel gồm: tỷ trọng, độ nhớt, trị số xêtan, nhiệt trị…

Bảng 1.2 So sánh các chỉ tiêu của diesel sinh học và diesel khoáng[1]

Các chỉ tiêu Diesel sinh học Diesel

1.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của diesel sinh học

Việc sản xuất và sử dụng rộng rãi diesel sinh học đòi hỏi việc đưa ra những tiêu chuẩn chất lượng, dành riêng cho diesel sinh học: EN 14214 ở Châu Âu, ASTM D6751 ở Mỹ

Tổng lượng glyxerin, % khối lượng, không lớn hơn - 0,25 0,24 Khi đảm bảo được những tiêu chuẩn chất lượng này, diesel sinh học có thể được trộn với dầu diesel để sử dụng trong động cơ diesel Hiện tại, hỗn hợp diesel sinh học với dầu diesel trước khi sử dụng cho động cơ diesel phải đảm bảo được tiêu chuẩn chất lượng dành cho dầu diesel, thí dụ EN 590 ở Châu Âu

Tại Việt Nam c ng đã đưa được ra quy chuẩn quốc gia về diesel sinh học (B100) vào năm 2007 đã tạo ra hành lang pháp lý cho sự phát triển nhiên liệu sinh học tại Việt Nam (Bảng 1.4) Nói chung, việc xây dựng tiêu chuẩn và qui chuẩn Việt Nam cho nhiên liệu diesel sinh học được dựa trên việc tham khảo các tiêu chuẩn trên thế giới như tiêu chuẩn ASTM của Mỹ, EN của Châu Âu Mỗi chỉ tiêu và các phương pháp xác định sẽ được mô tả dưới đây

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717-07 cho diesel sinh học gốc (B100) [9]

Khối lượng riêng ở 15°C, kg/m3

860 - 900 TCVN 6594 (ASTM D 1298) Điểm chớp cháy, o

Độ nhớt động học tại 40o

C, mm2/s 1,9– 6,0 TCVN 3171 (ASTM D 445)

Lưu huỳnh, % khối lượng (ppm) max 500 ASTM D 5453 / TCVN 6701

Điểm vẩn đục, o

Độ ổn định oxy hoá ở 110o

Nhiệt độ cất, 90% thu hồi, o

lơ lửng

Quan sát bằng mắt thường

Ngoài ra, vào năm 2009, Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành QCVN 01: 2009/BKHCN nhằm thay thế cho QCVN 01: 2007/BKHCN QCVN 01: 2009/BKHCN do Ban soạn thảo Quy chuẩn quốc gia về xăng dầu và nhiên liệu sinh học biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng trình duyệt và được ban hành theo thông tư số 20/2009/TT-BKHCN ngày 30 tháng 9 năm 2009 của Bộ trưởng Khoa học và Công nghệ Trong đó, các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của nhiên liệu diesel và nhiên liệu diesel B5 phải phù hợp với các quy định trong bảng 1.5:

Bảng 1.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản cho nhiên liệu diesel và diesel B5 [10]

Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, không lớn

hơn:

- đối với loại 0,05S

- đối với loại 0,25S 1)

500

2500

TCVN 6701 (ASTM D 2622) hoặc TCVN 7760 (ASTM D

, 0C, không lớn hơn

Áp dụng đối với nhiên liệu diesel dung cho phương tiện giao thong cơ giới đường bộ

Đối với nhiên liệu diesel B5, ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật quy định như bảng 1.5 còn phải phù hợp với các quy định như trong bảng 1.6:

Bảng 1.6 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản cho riêng nhiên liệu diesel B5 [10]

Hàm lượng este metyl axit béo (FAME),

Hàm lượng nước, mg/kg, không lớn hơn 200 TCVN 3182 (ASTM D 6304)

1.2.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học

1.2.4.1 Dầu thực vật

Một số loại dầu thực vật dùng để sản xuất diesel sinh học như: Dầu dừa, dầu hạt cao su, dầu sở, dầu bong, dầu hướng dương, dầu thầu dầu, dầu lạc, dầu vừng, dầu ngô, dầu cọ, dầu hạt cải, dầu mè (Jatropha), dầu đậu nành

Nói chung, các hàm lượng chất béo của các dầu thực vật khác nhau, nhưng hầu hết tất

cả các loại dầu thực vật đều có thể là nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học hoặc pha trộn với nhiên liệu khoáng làm giảm đáng kể các khí độc hại trong khí thải như SOx, NOx, HC, CO, Ở nước ta rất thích hợp với các loại cây lấy dầu, vốn đầu tư lại ít nên việc trồng với một lượng lớn các cây dầu này sẽ là nguồn nguyên liệu tốt cho quá trình sản xuất diesel sinh học, và rất có ý ngh a về mặt bảo vệ môi trường

1.2.4.2 Mỡ động vật

Đây là nguồn nguyên liệu lấy từ mỡ các con vật, ví dụ như mỡ cá basa, cá tra, mỡ bò,

mỡ lợn, mỡ gà, Đối với nguyên liệu loại này, ngoài các tác nhân trao đổi este là methanol, có thể dùng tác nhân hỗn hợp là 65% methanol + 35% ethanol c ng thu được độ nhớt cần thiết của diesel sinh học

1.2.5 Công nghệ chuyển hóa diesel sinh học

Diesel sinh học có thể được điều chế từ dầu thực vật tinh luyện hoặc dầu phế thải (dầu dừa, dầu đậu nành, dầu hạt hướng dương, dầu lạc, dầu cọ, dầu hạt cây cải dầu…) hoặc mỡ động vật (mỡ lợn, mỡ bò) thông qua quá trình ester hóa chéo (transesterification) Sơ đồ phản ứng được chỉ ra trong hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ phản ứng este hóa chéo dầu thực vật với methanol

Công nghệ sản xuất diesel sinh học thay đổi tùy thuộc vào thành phần của nguyên liệu Khoảng 55% diesel sinh học công nghiệp trên thế giới có thể được sản xuất từ bất kỳ

nguồn nguyên liệu nào, kể cả dầu thực vật phế thải hoặc mỡ động vật Nửa còn lại sử dụng dầu thực vật tinh luyện, loại ít đắt tiền mà trong số đó có dầu đậu nành

Để làm cho phản ứng thuận nghịch diễn ra hoàn toàn hơn và cải thiện được hiệu suất phản ứng (tỷ lệ các chất phản ứng chuyển hóa thành sản phẩm), người ta có thể tác động đến 3 thông số: nhiệt độ, áp suất và nồng độ các chất phản ứng Trong phản ứng ester hóa, nhiệt độ không có hiệu ứng vì thực tế phản ứng là athermique (nhiệt hay entanpi của phản ứng bằng 0) Tác dụng duy nhất của việc tăng nhiệt độ là để đạt đến trạng thái cân bằng nhanh hơn chứ thành phần phản ứng thì không thay đổi Trong phản ứng ester hóa của axit béo với methanol, người ta thường tiến hành phản ứng ở khoảng nhiệt độ sôi của methanol (khoảng 60  650C)

Hình 1.2 mô tả quá trình công nghệ cơ bản để sản xuất diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau

1.2.6 Tình hình sản xuất và sử dụng diesel sinh học

1.2.6.1 Tình hình sản xuất và sử dụng diesel sinh học trên thế giới

Ở Châu Âu, diesel sinh học đã được sản xuất lần đầu tiên ở Áo và Đức Người ta đặc biệt quan tâm đến diesel sinh học từ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1980 Việc tổng hợp diesel sinh học trong phòng thí nghiệm bởi Mittelbach ở Đại học Graz diễn

ra lần đầu tiên năm 1983 Nhà máy công nghiệp đầu tiên sản xuất metyl ester dầu hạt cải

đã được xây dựng năm 1991 ở Áo Năm 1996 hai nhà máy qui mô lớn ở Rouen (Pháp) và Leer (Đức) đã chứng minh sự phát triển mạnh của ngành công nghiệp diesel sinh học [17].Hình 1.3 cho ta thấy sự tăng trưởng hàng năm sản lượng diesel sinh học ở châu Âu (từ năm 1998 đến năm 2011)

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau[1]

Vào cuối năm 2006, ở Đức có khoảng 50 nhà máy diesel sinh học qui mô từ 10.000 tấn/năm đến hơn 250.000 tấn/năm Hầu hết các nhà máy này có thể vận hành với dầu thực vật tương đối sạch với chỉ số iot trong khoảng 90 và 120 (như dầu hạt cải dầu, dầu đậu nành và dầu hạt hướng dương) [17]

Hình 1.3 Sản lượng diesel sinh học châu Âu từ năm 1998 đến 2011 [18]

Ngày nay, rất nhiều nhà máy khác của Pháp đã được xây dựng và đưa vào sử dụng, đưa sản lượng diesel sinh học của Pháp năm 2008 tăng đến khoảng 2,5 triệu tấn/năm

Italia là nước có sản lượng diesel sinh học đứng thứ 3 châu Âu sau Đức và Pháp Đến năm 2004, 320.000 tấn diesel sinh học đã được sản xuất từ 8 nhà máy phân bố trên toàn bộ lãnh thổ Italia Nguyên liệu chính để sản xuất diesel sinh học ở Italia là dầu hạt hướng dương trồng tại Italia hoặc dầu hạt cải nhập khẩu từ Đức và Pháp [17]

Tại Mỹ, sản lượng diesel sinh học c ng tăng mạnh trong những năm gần đây Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Mỹ là dầu đậu nành tinh khiết, dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ động vật Theo Hội Nhiên liệu Sinh học Mỹ, với sự ủng hộ của chính phủ, lượng diesel sinh học bán ra có thể đạt gần 2 tỷ gallon mỗi năm Tổng lượng diesel sinh học tiêu thụ ở Mỹ năm 2000 là gần 20 triệu gallon [17]

Nói chung, Châu Âu chiếm phần

lớn sản xuất dầu diesel sinh học của

thế giới Ở các nước như Brazil và

Hoa Kỳ, ethanol sản xuất là khoảng

10 lần lớn hơn so với dầu diesel sinh

học Hình 1.4 thể hiện tỷ lệ sản xuất

diesel sinh học của các nước trên thế

giới

Tại Brazil, không giống như

ngành sản xuất etanol, ngành sản xuất

diesel sinh học ở đây còn rất non trẻ

Hiện tại, chỉ mới có một số dây

chuyền sản xuất thử nghiệm công suất

từ 40  130 (m3/ngày) được vận hành

Hình 1.4 Tình hình sản xuất diesel sinh học của các nước trên thế giới năm 2010 [18]

ở đất nước này Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Brazil là dầu đậu nành, dầu hướng dương, dầu thầu dầu và dầu thực vật đã qua sử dụng

Trong những năm gần đây, sản lượng diesel sinh học của các nước Đông Nam Á c ng tăng rất mạnh, đặc biệt là từ năm 2006 đến 2007, sản lượng diesel sinh học tăng gần 6 lần Các nước sản xuất nhiều diesel sinh học ở Đông Nam Á là Malaysia, Indonexia và Thái Lan [19]

Indonesia đã trợ cấp khoảng 7 tỷ USD cho vấn đề năng lượng Nước này đặt mục tiêu đến năm 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng 10% cho ngành điện và giao thông Hiện nay ở Indonesia phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng dầu diesel sinh học (hỗn hợp dầu cọ với nhiên liệu hóa thạch [19]

Malaysia hiện có 3 nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học với công suất 276.000 tấn/năm Chính phủ nước này đặt mục tiêu sản xuất 1 triệu tấn dầu diesel sinh học xuất khẩu vào năm 2007 – 2008 Hiện nay Malaysia đã trồng được 10.000 cây jatropha để chiết xuất dầu diesel [19]

Bộ Năng lượng Thái Lan đã sẵn sàng hỗ trợ cho sử dụng dầu cọ trên phạm vi toàn quốc

để sản xuất Diesel sinh học và đưa ra mục tiêu sử dụng dầu Diesel pha 5% Diesel sinh học vào năm 2011 và pha 10% Diesel sinh học vào năm 2012.Thái Lan c ng là nước đầu tiên đưa ra chương trình quốc gia về Diesel sinh học Năm 2007, nhiều nhà máy sản suất Diesel sinh học từ dầu cọ và dầu thực vật phế phẩm được đưa vào hoạt động, với tổng sản lượng 1 triệu lít/ngày, dự kiến sẽ đạt 2 triệu lít/ngày vào đầu năm 2008 Tại Chiangmai và Bangkok, hiện có khoảng 400 trạm phân phối Diesel sinh học B5 [19]

1.2.6.2 Tình hình sản xuất và sử dụng diesel sinh học tại Việt Nam

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định 177/2007/QĐ-TTg phê

duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với

mục tiêu chủ yếu là phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được

để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường

Theo Đề án, mục tiêu đến giai đoạn 2011 - 2015, nước ta làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất nhiên liệu sinh học, ứng dụng thành công công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu sinh học Đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước Tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng ethanol

và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước [3].Thực tế, nhiều trường Đại học (ĐHBK Hà Nội, ĐH Đà Nẵng, ĐHBK Thành phố Hồ Chí Minh, ĐHKHTN – ĐH Quốc gia HN), Viện Nghiên cứu, công ty (Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, Tổng công ty Dầu khí Việt Nam, Công ty Phát triển Phụ gia và Sản phẩm Dầu mỏ (APP), ) đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau như: dầu bông, dầu cọ, dầu dừa, dầu hạt jatropha, dầu thải, mỡ động vật nhưng chỉ mới ở quy mô phòng thí nghiệm hoặc quy mô sản xuất nhỏ chưa có những

thử nghiệm bài bản trên động cơ và hiện trường

Năm 2005, Viện Hoá học công nghiệp Việt Nam đã được Tổng công ty Hoá chất giao

thực hiện đề tài KH&CN "Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau và đánh giá t nh chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel sinh

học/diesel" [32] Nội dung đề tài tập trung chủ yếu vào vấn đề hoàn thiện công nghệ điều

chế diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, đặc biệt là từ dầu dừa, ở qui mô phòng thí nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của diesel sinh học

Cùng thời gian đó, một đề tài Độc lập cấp Nhà nước [5] do Công ty cổ phần phụ gia và sản phẩm dầu mỏ chủ trì c ng được triển khai nghiên cứu nhưng nội dung chính là nghiên cứu công nghệ sản xuất xăng và dầu diesel pha cồn tuyệt đối Thực tế, đề tài chưa nghiên cứu công nghệ hoàn thiện để triển khai sản xuất ở qui mô công nghiệp, chưa nghiên cứu một cách hệ thống các vấn đề pha trộn, phân tích, thử nghiệm và đánh giá đặc tính nhiên liệu của diesel sinh học đối với các loại nguyên liệu khác, đặc biệt là mỡ cá

Ngành nghề nuôi trồng thủy sản rất phát triển tại vùng đồng bằng sông Cửu Long Năm

2007, riêng tại công ty Agifish – An Giang có sản lượng cá da trơn đạt 150.000 (tấn/năm), sản lượng mỡ cá thừa đến 30.000(tấn/năm) Lượng mỡ thừa này thường được chuyển cho những cơ sở quy mô nhỏ chế biến thành dầu chạy động cơ tàu song với chất lượng không đảm bảo và còn gây ô nhiễm môi trường trong quá trình xử lý Do vậy cần có một quy trình công nghệ chế biến mỡ cá thành nhiên liệu diesel sinh học đảm bảo tiêu chuẩn Hiện nay, tại đồng bằng sông Cửu Long có ba nơi đã sản xuất thành công diesel sinh học từ mỡ

cá tra và basa, cụ thể là công ty Agifish - An Giang với công suất 10.000(tấn/năm); công ty Minh Tú - Cần Thơ với công suất 300(lít/giờ) và cố gắng nâng công suất lên 3 triệu lít/năm; công ty thương mại thủy sản V nh Long với công suất 500.000(tấn/năm) Mặt khác, Viện hoá Công nghiệp Việt Nam đã hoàn thiện Công nghệ sản xuất diesel sinh học từ

1.3.1 Vấn đề sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên động cơ

Nhiên liệu diesel sinh học có một số chỉ tiêu như độ nhớt, nhiệt trị, số xêtan hay điểm chớp cháy khác biệt so với nhiên liệu diesel thông thường Do đó khi sử dụng 100% nhiên liệu diesel sinh học trên động cơ sẽ gây ra một số hậu quả chẳng hạn như độ bền của các chi tiết phi kim trên hệ thống nhiên liệu Hơn nữa, độ nhớt lớn dẫn đến vấn đề hình thành hỗn hợp sẽ khó khăn hơn do chất lượng phun sương sẽ kém đi Mặt khác, do tính tự phân hủy của nhiên liệu diesel sinh học nên vấn đề bảo quản, lưu trữ sẽ khó khăn hơn nếu không

có các chất phụ gia chống sự phân hủy

Theo các kết quả nghiên cứu trên thế giới thì việc sử dụng diesel sinh học trên động cơ chỉ nên dừng ở mức pha trộn nhiên liệu diesel sinh học với nhiên liệu diesel với tỷ lệ nhất

định Với việc giới hạn tỷ lệ pha trộn thì sự thay đổi đến tính năng của động cơ là không đáng kể và không phải tác động nhiều với kết cấu động cơ

Tuy nhiên, mỗi loại diesel sinh học được làm từ các nguồn khác nhau nên c ng có các tính chất vật lý và hóa học khác nhau, Do đó tỷ lệ pha trộn đối với mỗi loại diesel sinh học

c ng sẽ khác nhau Ngoài ra cần phải đưa thêm các chất phụ gia để chống phân lớp, chống kết tủa hoặc chống phân hủy là vấn đề cần thiết để có thể sử dụng diesel sinh học trên động

cơ diesel

Việt Nam có ưu thế về sự đa dạng đối với các nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học Mặt khác, số lượng phương tiện sử dụng động cơ diesel rất nhiều Việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên các động cơ này là cần thiết để giảm ô nhiễm môi trường, bớt sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học trên thế giới

Thống kê kết quả các công trình nghiên cứu được tổng hợp trong bảng 1.7

Bảng 1.7 Thống kê sự ảnh hư ng của diesel sinh học đến t nh năng và phát thải [22]

Tổng số tài liệu tham khảo

Số lƣợng

Tỷ lệ (%)

Số lƣợng

Tỷ lệ (%)

Số lƣợng

Tỷ lệ (%)

Từ bảng 1.7 cho thấy, 70,4% các công trình kết luận rằng công suất sẽ giảm xuống, 87,1% cho rằng tiêu thụ nhiên liệu sẽ tăng so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thường Kết quả này là do nhiệt trị của nhiên liệu diesel sinh học thấp hơn Kết quả về phát thải động cơ cho thấy: PM, HC và CO giảm còn NOx lại tăng Cụ thể, có thể thống kê một

số các công trình tiêu biểu như sau:

Hansen et al.[21] cho thấy sự mất mát mômen xoắn là 9,1% khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học B100 so với nhiên liệu diesel thông thường tại tốc độ 1900 (vòng/phút) như

là các kết quả của sự thay đổi nhiệt trị (13,3%), mật độ và độ nhớt

Thử nghiệm của B.Tesfa [23] trên động cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thường, B50 và B100 Thử nghiệm tiến hành đo suất tiêu thụ nhiên liệu (ge) trong dải tốc độ từ 800  1600 (vòng/phút) Kết quả suất tiêu thụ nhiên liệu tương ứng khi

sử dụng B50 và B100 là cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thường khoảng

từ 10% đến 15%

Ekrem Buyukkaya [42] tiến hành thử nghiệm trên động cơ diesel tăng áp, 6 xylanh cho nhiên liệu diesel thông thường và nhiên liệu diesel sinh học làm từ hạt cải với các tỷ lệ pha trộn 5%, 20%, 70% và 100% Chế độ thử nghiệm tại 100% tải với dải tốc độ từ 1000(vòng/phút) đến 2100(vòng/phút) Kết quả về công suất, mômen, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt được thể hiện trên hình 1.5

Hình 1.5 So sánh t nh năng động cơ của Diesel, B5, B20, B70 và B100 [42]

Từ hình 1.5 cho thấy, công suất và mômen của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel

và B5 không có sự sai khác Tuy nhiên, khi sử dụng B20, B70 và B100, công suất giảm từ 6,8kW đến 10kW tương ứng, mômen giảm 2,2%; 4% và 5% tương ứng Trong khi đó, khi

sử dụng nhiên liệu B5, B20, B70 và B100 thì suất tiêu hao nhiên liệu (ge) tăng lần lượt là 2,5%; 3%; 5,5% và 7,5% Trong khi đó, hiệu suất nhiệt của các nhiên liệu diesel, B5, B20, B70 và B100 lần lượt là: 0,423%; 0,425%; 0,427%; 0,425% và 0,424%

Wu F, Chen W [24] tiến hành thí nghiệm trên động cơ diesel tăng áp Cummin ISBe6 cho 5 loại nhiên liệu diesel sinh học làm từ 5 nguồn nguyên liệu khác nhau (dầu bông (CME), dầu đậu nành (SME), dầu hạt cải (RME), dầu cọ (PME) và dầu rán phế thải (WME)) Các tính chất của 5 loại nhiên liệu thử nghiệm được thể hiện trên bảng 1.6

Chế độ thử nghiệm tại 1500 (vòng/phút) tại 5 chế độ tải khác nhau tương ứng với các giá trị áp suất trung bình: 0,256 MPa; 0,512 MPa; 0,768 MPa; 1,024 MPa; 1,280 MPa Kết quả cho thấy phát thải PM, CO, HC giảm trong khi NOx tăng Tuy nhiên, sự tăng giảm về phát thải của động cơ khác nhau khi sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc khác nhau

Kết quả cụ thể, PM giảm trung bình từ 53% đến 69%, CO giảm trung bình từ 4% đến 16%, HC giảm trung bình từ 45% đến 67%, trong khi đó NOx tăng trung bình từ 10% đến 23% Rõ ràng, phát thải có sự khác nhau giữa các nhiên liệu có nguồn gốc khác nhau

Bảng 1.8 Các t nh chất của nhiên liệu thử nghiệm [24]

xêtan

Khối lƣợng riêng (kg/m 3 )

Nhiệt trị (MJ/kg)

Độ nhớt động học (mm 2 /s)

Thành phần Oxy(%)

Thành phần Cacbon (%)

Thành phần Hydro (%)

Hình 1.6 Phát thải của động cơ từ các nhiên liệu khác nhau [25]

Cụ thể, phát thải PM của Jatropha so với diesel thông thường tại ba giá trị 20%, 50% và 100% lần lượt giảm 28,57%; 40,9% và 64,28%, của Karanja là 28,96%; 44,15% và 68,83%

và của Polanga là 29,22%; 44,15% và 69,48% Trong khi đó phát thải NOx hầu hết tăng Phát thải HC giảm tương ứng 20,7%; 20,6% và 6,7% cho mỗi loại so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thường, còn phát thải CO tăng ở một số trường hợp

Nghiên cứu của Ekrem [42] khi so sánh nhiên liệu diesel và diesel sinh học từ dầu hạt cải với các tỷ lệ 5%, 20%, 70% và 100% Kết quả về các phát thải độc hại cho thấy CO,

HC và độ khói giảm xuống trong khi NOx lại tăng lên Các kết quả cụ thể đã được thể hiện trên hình 1.7

Kết quả cho thấy, độ khói giảm 45% đối với B70 và giảm tới 60% đối với B100, NOx tăng 12% đối với B100 và tăng từ 6% đến 9% trong trường hợp đối với B5 đến B70 Phát thải CO của B5, B20, B70 và B100 lần lượt giảm 12%, 25%, 31% và 35% so với nhiên liệu diesel

Rõ ràng phát thải của động cơ c ng phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ pha trộn diesel sinh học Khi tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên thì phát thải NOx tăng, trong khi phát thải CO,

HC và độ khói giảm

Ngoài ra, còn một số các nghiên cứu khác về phát thải độc hại của động cơ Krahl J [26] tiến hành đo lượng phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học làm từ hạt dầu cải và kết quả là đã giảm được khoảng 50% so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thường Sự giảm phát thải CO được nhìn nhận thấy ở nghiên cứu của Raheman và Phadatare [27] tương đối lớn Trong nghiên cứu này sử dụng nhiên liệu diesel sinh học pha trộn từ Karanja với các tỷ lệ 20%, 40%, 60%, 80% và 100% thì phát thải CO giảm trong khoảng từ 75% đến 94% so với nhiên liệu diesel

Lin B-F và Huang J-H [28] khảo sát đối với nhiên liệu diesel sinh học trên 8 nguồn khác nhau cho thấy phát thải HC giảm trung bình trong khoảng từ 22,5% đến 33,1% Trong khi đó, phát thải NOx gia tăng, khoảng gia tăng từ 5,58% đến 25,97% so với khi sử dụng nhiên liệu diesel

Các thông số của đặc tính cháy của động cơ như thời gian cháy trễ, nhiệt độ và áp suất buồng cháy, tốc độ tỏa nhiệt c ng đã được nghiên cứu trên nhiều loại nhiên liệu khác nhau Zhang và Van Gerpen [30] nghiên cứu so sánh khi sử dụng diesel sinh học và pha trộn của nó từ dầu đậu nành và nhiên liệu diesel trên động cơ diesel tăng áp, 4 xylanh Họ nhận

Hình 1.7 Phát thải của nhiên liệu Diesel, B5, B20, B70 và B100 [42]

thấy, khi sử dụng diesel sinh học và pha trộn của nó làm cho quá trình cháy trễ rút ngắn lại trong khi các đặc tính cháy khác gần tương tự như khi sử dụng nhiên liệu diesel

S.Sinha and A.K.Agarwal [39] nghiên cứu đặc tính cháy của động cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh, không tăng áp cho nhiên liệu diesel (B0) và nhiên liệu diesel sinh học nguồn gốc từ cám gạo với các tỷ lệ 10%, 20% và 100% Thực nghiệm được tiến hành ở chế độ 50% tải tại 1400 (vòng/phút) Kết quả về diễn biến áp suất và tốc độ tỏa nhiệt được thể hiện trên hình 1.8

Từ hình 1.8 cho thấy áp suất đỉnh và tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất của nhiên liệu diesel cao nhất, sau đó thấp dần khi tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên Trong khi đó, thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu diesel muộn nhất và sớm nhất là nhiên liệu B100

Hầu hết các nhà nghiên cứu trên thế giới về diesel sinh học đều có kết luận chung là tính chất và nguồn gốc của nhiên liệu có ảnh hưởng quyết định đến đặc tính c ng như phát thải của động cơ Bởi vì các tính chất nhiên liệu khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến quá trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel

Các nghiên cứu trên thế giới thường tập trung vào diesel sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật mà ít các nghiên cứu về nguồn gốc từ mỡ động vật Trong đó, các nước ở Châu

Âu chủ yếu nghiên cứu về dầu hạt cải, ở Mỹ là dầu đậu nành, các nước ở Châu Á hay Đông Nam Á lại thướng nghiên cứu về dầu cọ

Trong khi đó, Việt Nam có thế mạnh về diesel sinh học nguồn gốc mỡ động vật (mỡ cá) và một số nguồn từ dầu thực vật (dầu dừa, dầu mè) Mặt khác, với đặc thù có sự khác biệt về điều kiện sử dụng động cơ (khí hậu nóng ẩm) Từ đó, vấn đề nghiên cứu sử dụng diesel sinh học trên động cơ cần phải quan tâm nghiên cứu một cách toàn diện để thấy rõ được sự ảnh hưởng của diesel sinh học được sản xuất tại Việt Nam đến động cơ đang sử dụng

1.3.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học tại Việt Nam

Đề tài độc lập cấp nhà nước: Đánh giá hiện trạng công nghệ sản xuất và thử nghiệm hiện trường nhiên liệu sinh học (diesel sinh học) từ mỡ cá nhằm góp phần xây dựng tiêu

Hình 1.8 Đặc t nh cháy của nhiên liệu thử nghiệm [39]

chuẩn Việt Nam về Diesel sinh học Việt Nam

Công trình nghiên cứu có sự tham gia của các đơn vị như: Viện hóa học công nghiệp Việt Nam; Công ty CP Phát triển phụ gia và sản phẩm dầu mỏ; Viện Cơ khí động lực trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Trung tâm tiêu chuẩn chất lượng Việt Nam

Công trình đã hoàn thiện công nghệ sản xuất diesel sinh học từ mỡ cá basa và thử nghiệm công nghệ sản xuất trên quy mô công nghiệp; nghiên cứu công nghệ pha chế B5; phân tích đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật của B5; thử nghiệm trên băng thử, thử nghiệm hiện trường trên xe ô tô thí nghiệm và thử nghiệm đại trà

Sản phẩm B5 sau khi sản xuất thử nghiệm trên quy mô công nghiệp được tiến hành thử nghiệm đối chứng và thử nghiệm bền (sau 150 giờ và sau 300 giờ) trên động cơ D243 tại phòng thí nghiệm thuộc Viện Cơ khí động lực Ngoài ra, sản phẩm c ng được tiến hành thử nghiệm hiện trường đối với các xe Ford Transit, Hyundai Country và Hyundai Porter Các kết quả thử nghiệm thu về phản ánh đúng theo những kết quả đã được công bố trên thế giới về loại nhiên liệu B5 Cụ thể:

Kết quả trước khi chạy bền: Động cơ D243-Di khi chạy bằng nhiên liệu B5 so với khi chạy bằng nhiên liệu diesel thông thường ở 100% tải thì công suất tăng trung bình 1,33%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm trung bình là 1,39% và được thể hiện trên hình 1.9

Hình 1.9 Kết quả thử nghiệm đối chứng về công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu theo đường

đặc tính tốc độ 100% tải đối với động cơ D243 trước thử nghiệm bền

Các chất độc hại như CO, HC, PM khi thử nghiệm đối chứng theo quy trình thử của tiêu chuẩn ECE R49 lần lượt giảm 5,63%, 6,32%, 5,01% còn NOX tăng 3,29% và được thể hiện trên hình 1.10

Kết quả sau khi chạy bền 150h và 300h: Động cơ D243-Di khi chạy bằng nhiên liệu B5

so với khi chạy bằng nhiên liệu diesel thông thường ở 100% tải sau 150h và 300h, các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ lần lượt thay đổi như sau: Công suất động cơ sau 150h

255 260 265 270 275 280 285 290

20 25 30 35 40 45 50 55 60

tăng trung bình là 0,8% và sau 300h thì giảm trung bình là 1,62% Suất tiêu hao nhiên liệu tăng trung bình là 0,7% và 1,64% Các chất phát thải độc hại như CO, HC, PM khi thử nghiệm đối chứng theo quy trình thử của tiêu chuẩn ECE R49 lần lượt thay đổi như CO tăng 1,01% và 1,45%, HC giảm 6,41% và 3,24%, PM tăng 1,85% và 5,43%, NOX giảm 4,42% và 6,59%

Hình 1.10 Kết quả thử nghiệm đối chứng theo chu trình ECE R49 trên động cơ D243

Tổng hợp lại, ta thấy sự khác biệt nhỏ về chiều hướng thay đổi công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Theo đó, công suất động cơ tăng 3,01%, còn suất tiêu thụ nhiên liệu lại giảm 3,17% Sự không thống nhất về kết quả thử nghiệm này c ng đã được một số nghiên cứu trên thế giới đề cập đến khi vận hành với nhiên liệu diesel sinh học B5 Tức là, công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ khi vận hành với B5 thay đổi không theo quy luật và diễn biến trong một giới hạn bé

Đề tài chủ yếu nghiên cứu thực nghiệm với tỷ lệ pha trộn diesel sinh học ở mức thấp (5%) và c ng chưa được tính toán lý thuyết bằng mô hình mô phỏng Do đó, cần phải tiếp tục nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình mô phỏng và với tỷ lệ pha trộn diesel sinh học cao hơn nữa

Luận án tiến s của tác giả Phùng Minh Lộc [7], Nghiên cứu tỷ lệ pha trộn hợp lý giữa dầu dừa và dầu diesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel nhằm cải thiện các chỉ tiêu kinh tế và môi trường đã được hoàn thành vào năm 2013 Kết quả về chỉ tiêu kinh tế cho thấy, không thay đổi nhiều khi sử dụng hỗn hợp B15 Ở chế độ tải trên 70%, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt động cơ tương đương thậm chí tốt hơn khi sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống Kết quả phân tích khí thải cho thấy việc sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật giúp giảm sự phát thải NOx, độ mờ khói (K%) trong động cơ Tại chế độ tải 20% và 80%, hỗn hợp B15 giảm nồng độ phát thải NOx lần lượt là 22,5 và 21,4% so với nhiên liệu diesel Độ mờ khói động cơ giảm nhiều khi động cơ hoạt động tại chế độ tải trên 80% Kết quả thử nghiệm quá trình cháy cho thấy hỗn hợp B15 có đặc tính cháy tương tự nhiên liệu diesel truyền thống

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Luận án chưa đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào (áp suất phun, góc phun sớm), do đó vấn đề này cần tiếp tục nghiên cứu và với tỷ lệ pha trộn diesel sinh học cao hơn và từ nhiều nguồn khác nhau

Đề tài cấp bộ của tác giả Nguyễn Hoàng V và các cộng sự [8], “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự” c ng đã được

hoàn thành cuối năm 2013 Đề tài đã nghiên cứu một cách bài bản về tính tương thích, sự ảnh hưởng của diesel sinh học (cụ thể là B10 và B20) đến quá trình phun nhiên liệu, tạo hỗn hợp, cháy và hình thành các chất ô nhiễm đến động cơ Tuy nhiên, đối tượng nghiên cứu là động cơ lắp trên phương tiện cơ giới quân sự có những đặc thù riêng, nên chưa thể đánh giá chính xác đến các động cơ lắp trên các phương tiện khác nhau Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu trên các đối tượng khác và với tỷ lệ diesel sinh học cao hơn

Đề tài cấp bộ của tác giả Đặng Văn Uy và các cộng sự [11], “Nghiên cứu giải pháp công nghệ và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị chuyển đổi động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ sang sử dụng hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel” đã hoàn thành vào năm 2013

Đề tài đã nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ nguyên chất – nhiên liệu DO với các tỷ lệ khác nhau (B5, B10, B15, B20) cho động diesel thủy đặt tại phòng thí nghiệm và các động cơ diesel lai chân vịt đặt trên tàu thủy cho thấy sự cần thiết phải bổ sung thiết bị hòa trộn nhiên liệu vào hệ thống nhiên liệu và không cần đến bất kỳ sự thay đổi nào khác Mặt khác, kết quả cho thấy với tỷ lệ pha trộn 15% mà không gây bất kỳ trở ngại nào Tuy nhiên, với đặc thù động cơ diesel lắp trên tàu thủy là có công suất lớn và vòng quay trung bình hoặc thấp, vậy nên nhiên liệu được sử dụng có yêu cầu chất lượng không cao Đối với các động cơ lắp trên phương tiện giao thông đường bộ cần phải được tiếp tục nghiên cứu khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học với các nguồn gốc khác

C ng trong năm 2013, đề tài cấp bộ của tác giả Nguyễn Hồng Phúc và các công sự

được hoàn thành [12], “Nghiên cứu công nghệ và thiết bị để chuyển đổi nồi hơi tàu thủy sang sử dụng hỗn hợp dầu thực vật – dầu DO” Kết quả cho thấy, nhiên liệu hỗn hợp với

tỷ lệ trộn 7% đến 15% dầu thực vật trong dầu DO hoàn toàn đạt yêu cầu và sử dụng làm nhiên liệu cho nồi hơi tàu thủy Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu nâng cao tỷ lệ pha trộn Tóm lại, các nghiên cứu trong nước về diesel sinh học được sản xuất tại Việt Nam mới chỉ dừng ở tỷ lệ còn thấp và phân tán với một số nguồn nguyên liệu khác nhau Trong khi

đó, chúng ta có nguồn nguyên liệu với lợi thế rất lớn là mỡ cá do chúng ta đã có thể chủ động tất cả các khâu Vì vậy, nghiên cứu ảnh hưởng của diesel sinh học nguồn gốc từ mỡ

cá sẽ là trọng tâm trong luận án này Tuy nhiên, để có một sự đánh giá một cách khách quan giữa các nguồn nguyên liệu sản xuất trong nước, luận án c ng tiến hành khảo sát đánh giá ảnh hưởng từ một số nguồn nguyên liệu khác nhau đến động cơ diesel

Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh học có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Nó góp phần giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Vì có nguồn gốc từ sinh học nên nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học rất phong phú

Các nghiên cứu trong nước về nhiên liệu diesel sinh học đến động cơ còn hạn chế Mặc

dù đã có nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh về nhiên liệu diesel sinh học từ mỡ cá nhưng mới chỉ dừng ở mức 5% Một số nghiên cứu khác tập chung vào những nguồn nguyên liệu sẵn có khác ở Việt Nam nhưng tập trung vào những động cơ đặc thù lắp trên các phương tiện như quân sự, tàu thủy

Vấn đề đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn đến tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ cần được tập trung nghiên cứu Ngoài ra, sự hình thành tia phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháy khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học nguồn gốc từ mỡ

cá c ng cần được quan tâm nghiên cứu

Từ các phân tích trên, vấn đề ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học nguồn gốc từ

mỡ cá cần tiếp tục được nghiên cứu sâu hơn và với tỷ lệ pha trộn cao hơn

Việc nghiên cứu lý thuyết dựa trên việc xây dựng mô hình và tính toán mô phỏng c ng như kết hợp nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của diesel sinh học đến tính năng kinh tế, năng lượng và phát thải của động cơ là cần thiết Việc này có thể dễ dàng thực hiện trên trang thiết bị tại phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, viên Cơ khí Động lưc, Đại học Bách Khoa Hà Nội

Chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật và phát thải của động cơ sẽ thay đổi khi sử dụng diesel sinh học có nguồn gốc khác nhau Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của diesel sinh học có nguồn gốc khác nhau đến động cơ c ng cần được nghiên cứu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ NĂNG LƯỢNG VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG

CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC

phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học

2.1.1 Lý thuyết về quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel

2.1.1.1 Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng [41]

Cơ chế phá vỡ của tia phun chất lỏng phụ thuộc vào vận tốc tương đối và các thuộc tính của chất lỏng và khí bao quanh, sự phá vỡ của tia phun chất lỏng được quy định bởi các cơ chế phân rã khác nhau Các cơ chế này thường được đặc trưng bởi khoảng cách giữa miệng

lỗ phun tới điểm hình thành giọt nhỏ đầu tiên, gọi là độ dài phân rã và kích thước của các giọt nhỏ được tạo ra Có thể chia thành bốn giai đoạn phân rã tia phun, bao gồm các giai đoạn như: Rayleigh, nhiễu loạn sơ cấp, nhiễu loạn thứ cấp và tán nhỏ hạt (phun sương) Nhằm đưa ra một mô tả định lượng của quá trình phá vỡ tia phun, Ohnesorge đã thực hiện các phép đo chiều dài của tia phun còn nguyên vẹn và cho thấy rằng quá trình phân rã

có thể được mô tả bởi số Weber chất lỏng:

Trong đó bao gồm tất cả các tính chất có liên quan của chất lỏng (σ: sức căng bề mặt,

ρl: khối lượng riêng, μl: độ nhớt động) và đường kính lỗ phun D

Hình 2.1 là sơ đồ Ohnesorge, ở đó Z là hàm của của Re Với điều kiện ổn định, phân biệt được sự khác nhau giữa bốn cơ chế phân rã tia phun Tuy nhiên, chỉ mô tả các tính chất pha lỏng trong các cơ chế trên là không đủ, vì sự xé tơi hạt (phun sương) có thể được tăng cường bằng cách tăng mật độ khí

Hình 2.1 Cơ chế phá vỡ tia phun [41]

Hình 2.2 là sơ đồ mô tả các cơ chế phá vỡ các tia phun khác nhau, nếu thông số hình học vòi phun là cố định và chất lỏng thuần nhất, biến duy nhất là vận tốc chất lỏng u

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả cơ chế phá vỡ tia phun

Nếu vận tốc quá thấp, dòng chảy nhỏ giọt và không hình thành tia phun Sự gia tăng vận tốc u dẫn đến sự hình thành tia phun liên tục Giai đoạn này được gọi là phân rã Rayleigh Sự phân rã này xảy ra do sự gia tăng dao động của khối lượng qua trục đối xứng của tia phun bởi quán tính chất lỏng và sức căng bề mặt Những giọt chất lỏng bị chèn ép

ra khỏi tia phun, và kích thước của chúng lớn hơn đường kính lỗ vòi phun D

Trong cơ chế phân rã sơ cấp, lực tương tác của cơ chế Rayleigh được khuếch đại bởi các lực khí động Thông số có liên quan là số Weber pha khí (Weg)

Ở giai đoạn nhiễu loạn thứ cấp, các dòng chảy bên trong các lỗ phun là dòng chảy rối

Sự phá vỡ tia phun lúc này xảy ra do sự gia tăng dao động sóng của bề mặt tia phun và khuếch đại nhiễu loạn dưới tác dụng của lực khí động do vận tốc tương đối giữa khí và tia phun Kết quả là đường kính giọt nhỏ hơn đường kính lỗ phun, đường FG trong hình 2.3 Tại giai đoạn xé tơi hạt (phun sương), hình thành tia phun hình nón đỉnh của nón phun nằm bên trong các lỗ phun Sự phân tán bắt đầu ngay sau khi tia phun ra khỏi miệng phun Lõi tia phun còn nguyên vẹn hoặc có mật độ dày đặc bao gồm các hạt có kích thước lớn cỡ đường kính lỗ phun Ở vùng biên của tia, các giọt nhỏ hơn nhiều so với đường kính lỗ phun Mô tả lý thuyết của phân rã tia phun ở giai đoạn xé tơi hạt phức tạp hơn các giai đoạn khác, vì quá trình phân rã phụ thuộc nhiều vào điều kiện dòng chảy bên trong các lỗ phun, có tính chất hỗn loạn khó xác định Việc xác lập các mô hình c ng rất khó khăn, bởi

vì các thí nghiệm rất phức tạp do vận tốc phun cao, kích thước hạt nhỏ và dày đặc

2.1.1.2 Cơ chế phá vỡ giọt chất lỏng [41]

Sự phá vỡ giọt khi phun là do lực khí động (ma sát và áp suất) gây ra bởi vận tốc tương đối urel giữa các giọt nhỏ và khí xung quanh Các lực khí động này gây ra dao động sóng ngày càng tăng tại giao diện của 2 pha khí/lỏng, cuối cùng dẫn đến phân rã hình thành các giọt nhỏ hơn Những giọt này một lần nữa chịu khí động và tiếp tục phân rã Sức căng

bề mặt có xu hướng bảo toàn giọt chống biến dạng Nếu lực khí động thắng sức căng bề mặt sẽ làm biến dạng và phân rã giọt Nghiên cứu này được thể hiện qua số Weber của pha khí:

(2.4)

Ở đây: d là đường kính giọt trước khi phân rã, σ là sức căng bề mặt chất lỏng, urel là vận tốc tương đối giữa các giọt nhỏ và khí, và ρg là mật độ khí Số Weber là tỷ lệ của áp lực khí động và sức căng bề mặt

2.1.1.3 Cấu trúc của tia phun trong động cơ [41]

Biểu đồ mô tả một tia phun cao áp hình nón được cho trong hình 2.3 Hiện nay, áp lực phun trong động cơ diesel lên đến 200MPa Nhiên liệu phun vào trong buồng đốt với vận tốc 500m/s hoặc lớn hơn, tia phun bị phá vỡ theo cơ chế tán xạ hạt

Hình 2.3 Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón [41]

Ngay sau khi rời khỏi lỗ phun, tia phun bắt đầu tách ra thành hình nón phun Đây là sự phá vỡ đầu tiên của chất lỏng được gọi là phân rã sơ cấp và kết quả là các giọt lớn phân bố dày đặc gần các lỗ phun

Từ sơ đồ cấu trúc của tia phun nhiên liệu, có thể đưa ra một số thông số hình học đặc trưng như sau:

+ Chiều dài phân rã L b : Tia nhiên liệu lỏng phun ra không phân rã ngay sau khi ra khỏi

lỗ vòi phun, mà trải qua một phần nào đó của chùm tia mới phân rã thành hạt Chiều dài đó gọi là chiều dài phân rã Lb

+ Chiều dài chùm tia S: Chiều dài chùm tia được xác định từ khi hạt nhiên liệu ra khỏi

miệng vòi phun, bị xé nhỏ và cho đến khi bị hóa sương

+ Góc nón chùm tia : là góc được xác định bởi góc của 2 đường thẳng có điểm đầu

là giao điểm của 2 đường thẳng tại tâm miệng lỗ và có phương tiếp tuyến với biên dạng bên ngoài của tia phun

Thời gian phát triển chiều dài S của tia phun có thể được chia thành hai giai đoạn Giai đoạn đầu tiên bắt đầu tại đầu của lỗ phun (t = 0, kim bắt đầu mở) và kết thúc tại thời điểm chất lỏng từ các lỗ vòi phun bắt đầu phân rã (t = tbreak)

Do hành trình nâng kim nhỏ và khối lượng dòng chảy thấp khi bắt đầu phun, vận tốc phun nhỏ, và sự phân rã đầu tiên của tia phun không phải luôn luôn xảy ra ngay sau khi chất lỏng ra khỏi lỗ phun Trong thời gian này, sự tăng trưởng của S tuyến tính theo t (Công thức 2.5a)

Chiều dài tia càng lớn, năng lượng và vận tốc các hạt vùng biên càng nhỏ Nhìn chung, các tác giả [39] cung cấp cho các quan hệ sau đây:

( ) (2.5a) ( ) ( ) (2.5b)

Ở đó:

Trong công thức 2.5, p [Pa] là sự chênh lệch của áp lực phun và áp suất buồng cháy,

ρl và ρg là khối lượng riêng các chất lỏng và khí [kg/m3], t là thời gian [s], và D là đường kính lỗ phun [m] Kết quả là: nâng áp suất phun thì chiều dài tia tăng lên, trong khi tăng mật độ khí thì chiều dài tia giảm [m] Tăng đường kính lỗ phun làm tăng quán tính tia phun

và chiều dài tia tăng lên Hơn nữa, phương trình thực nghiệm c ng kể đến tác động của nhiệt độ khí Tg, tia phun ngắn nếu buồng đốt nóng (đơn vị SI):

( ) ( ) ( ) (2.6) Góc nón là thông số đặc trưng của tia phun hình nón Khi phun ổn định (kim phun nâng hết) có mối quan hệ sau [39]:

 ( ) ( ) ( ) (2.7) Trong công thức 2.7,  là góc nón phun [độ], Ds là đường kính khoang phun [m], và L

là chiều dài của lỗ phun [m] Trong trường hợp tỷ lệ L/D nhỏ cấu trúc bọt xâm thực không

vỡ bên trong các lỗ mà vỡ bên ngoài vòi phun và tăng góc nón phun

Với D/Ds lớn làm giảm diện tích mặt cắt ngang tại lối vào của lỗ phun, làm giảm áp lực

t nh và tạo điều kiện xuất hiện xâm thực Thông số ảnh hưởng quan trọng nhất là tỷ số khối lượng riêng Khối lượng riêng của khí càng cao thì góc nón càng lớn [41]

với A là một hằng số tùy thuộc vào kết cấu vòi phun và có thể được rút ra từ thực nghiệm hoặc công thức gần đúng A = 3,0 + 0,28 (L/D) Đại lượng cuối cùng ở vế phải của công thức 2.8 là một hàm số của các tính chất vật lý của chất lỏng và vận tốc phun [41]: