Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại việt nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tương thích vật liệu động cơ diesel

Luận án có sử dụngmột phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài độc lập cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng cho động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Hữu Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM TỚI TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT, PHÁT THẢI VÀ TƯƠNG THÍCH VẬT LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Hữu Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM TỚI TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT, PHÁT THẢI VÀ TƯƠNG THÍCH VẬT LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS PHẠM HỮU TUYẾN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện Luận án có sử dụngmột phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài độc lập cấp Nhà

nước “Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng cho

động cơ diesel“, mã số ĐTĐLCN.03/16, do GS.TS Vũ Thị Thu Hà là chủ nhiệm đề

tài, Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ lọc hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệpViệt Nam chủ trì, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội phốihợp thực hiện Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quảnghiên cứu của đề tài độc lập cấp Nhà nước vào việc viết luận án

Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từngđược ai công bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2020

Giảng viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh

i

GIẤY XÁC NHẬN CỦA CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo

-Bộ phận đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và -Bộ môn Động cơ đốt trong,Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải đã cho phép tôi thực hiệnluận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như luôn hỗ trợ, giúp đỡ vàdành cho tôi những điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến đã hướng dẫn tôi hết sứctận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài ĐTĐLCN.03/16, Phòng thínghiệm trọng điểm công nghệ lọc hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam đãluôn giúp đỡ và đồng ý cho tôi sử dụng một số kết quả nghiên cứu của đề tài để thựchiện luận án

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy Lợi, Ban chủ nhiệm Khoa

Cơ khí, Bộ môn Kỹ thuật hệ thống công nghiệp và các thầy trong Khoa đã hậuthuẫn 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 hộiđồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thểhoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương 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 nghiên cứu và thực hiện côngtrình này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hữu Tuấn

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

GIẤY XÁC NHẬN CỦA CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xiii

MỞ ĐẦU 1

i Lý do chọn đề tài 1

ii Mục đích nghiên cứu 2

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iv Phương pháp nghiên cứu 3

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 3

vi Tính mới của đề tài 3

vii Các nội dung chính luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU DIESEL 5

1.1 Đặc điểm tính chất nhiên liệu diesel 5

1.1.1 Giới thiệu chung 5

1.1.2 Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel 6

1.1.3 Ảnh hưởng của một số thông số chính của nhiên liệu diesel tới chất lượng hoạt động của động cơ 7

1.2 Nhiên liệu diesel sinh học 8

1.2.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học 8

1.2.2 Chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu diesel sinh học 9

1.3 Phụ gia cho nhiên liệu diesel 11

1.3.1 Giới thiệu chung 11

1.3.2 Phụ gia vi nhũ nước trong dầu cho nhiên liệu diesel 13

1.3.3 Phụ gia nano oxit kim loại/ kim loại cho nhiên liệu diesel 15

1.3.4 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới 16

1.4 Các công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia vi nhũ 18

1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới 18

1.4.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam 24

1.5 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU PHA PHỤ GIA TỚI MỘT SỐ CHI TIẾT CỦA

ĐỘNG CƠ 28

2.1 Giới thiệu chung 28

2.2 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam 29

2.2.1 Chất hoạt động bề mặt 29

2.2.2 Phụ gia vi nhũ nước trong dầu 29

2.2.3 Phụ gia nano oxit kim loại 31

2.3 Đánh giá khả năng phù hợp khi kết hợp tạo phụ gia vi nhũ thế hệ mới 32

2.4 Lựa chọn tỷ lệ các thành phần trong phụ gia vi nhũ thế hệ mới 34

2.4.1 Chọn dầu diesel 34

2.4.2 Lựa chọn tỷ lệ các thành phần 34

2.4.3 Phương pháp và quy trình phối trộn 38

2.5 Đánh giá chất lượng phụ gia pha vào nhiên liệu diesel 39

2.5.1 Đánh giá chất lượng từng phụ gia 39

2.5.2 Đánh giá chất lượng diesel pha phụ gia 40

2.6 Đánh giá tương thích vật liệu 42

2.6.1 Phương pháp đánh giá 42

2.6.1.1 Các tiêu chuẩn đánh giá tương thích vật liệu 42 2.6.1.2 Xây dựng quy trình thử nghiệm tương thích vật liệu 43 2.6.2 Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm 44

2.6.2.1 Thiết bị phục vụ trong đánh giá 44 2.6.2.2 Các chi tiết sử dụng trong đánh giá 44 2.6.3 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới các chi tiết 46 2.6.3.1 Đánh giá ngoại quan và cấu trúc tế vi 46 2.6.3.2 Đánh giá sự thay đổi khối lượng 47 2.7 Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU PHA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI 50

3.1 Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost 50

3.1.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất 50

3.1.2 Mô hình cháy 51

3.1.3 Mô hình truyền nhiệt 55

3.1.3.1 Truyền nhiệt trong xy lanh55 3.1.3.2 Trao đổi nhiệt trên thành xy lanh 56 3.1.3.3 Trao đổi nhiệt tại cửa nạp và cửa thải 56 3.1.4 Mô hình tính chuyển vị piston 57

3.1.5 Mô hình nạp thải 58

3.1.6 Mô hình lọt khí 58

v

3.1.7 Mô hình tính toán hàm lượng các thành phần phát thải 58

3.1.7.1 Mô hình tính lượng phát thải NOx 59

3.1.7.2 Mô hình tính lượng phát thải bồ hóng (soot) 59

3.1.7.3 Phát thải CO 60

3.1.8 Mô hình nhiên liệu 60

3.2 Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu diesel pha phụ gia 61

3.2.1 Đối tượng mô phỏng 61

3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng 62

3.3 Kết quả tính toán mô phỏng 64

3.3.1 Đánh giá độ chính xác mô hình 65

3.3.1.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ 65

3.3.1.2 Áp suất xy lanh 67

3.3.1.3 Phát thải 68

3.3.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia 69

3.3.2.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu 70

3.3.2.2 Phát thải động cơ 71

3.3.2.3 Đặc tính của quá trình cháy 75

3.3.2.4 Tốc độ hình thành phát thải động cơ 79

3.4 Kết luận chương 3 80

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 82

4.1 Thử nghiệm động cơ trong PTN 82

4.1.1 Mục đích thử nghiệm 82

4.1.2 Trang thiết bị thử nghiệm 82

4.1.3 Đối tượng và quy trình thử nghiệm động cơ trong PTN 84

4.1.3.1 Động cơ và nhiên liệu thử nghiệm 84

4.1.3.2 Quy trình thử nghiệm 85

4.1.4 Kết quả thử nghiệm 85

4.1.4.1 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia với nhiên liệu DO 85

4.1.4.2 Kết quả diễn biến áp suất trong xy lanh và số hạt PM trong khí thải với nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 92

4.1.4.3 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 theo đặc tính tải 94

4.1.4.4 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia với nhiên liệu B5 96

4.1.4.5 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B5, B5-phụ gia 1/8000 theo đặc tính tải 100

4.2 Thử nghiệm hiện trường 102

4.2.1 Quy trình và trang thiết bị thử nghiệm 102

4.2.1.1 Quy trình thử nghiệm 102

4.2.1.2 Đối tượng thử nghiệm 104

4.2.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm 105

4.2.2 Kết quả thử nghiệm 105

4.2.2.1 Kết quả thử nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu hao 105

4.2.2.2 Kết quả thử nghiệm đo phát thải 106

4.3 Kết luận chương 4 108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110

Kết luận 110

Hướng nghiên cứu tiếp theo 111

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

PHỤ LỤC 1

Phụ lục 1 Các trang thiết bị thử nghiệm 1

Phụ lục 2 Kết quả mô phỏng động cơ 13

Phụ lục 3 Kết quả thử nghiệm động cơ 14

Phụ lục 4 Một số hình ảnh thử nghiệm 18

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Ký hiệu bằng chữ cái La tinh

NOx

CO2

PMSoot

2 Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp

Ký hiệu

αλρε

3 Các chữ viết tắt

Ký hiệu

DOTNMPĐCTĐCDPTNHĐBMHCCI

EGRCRT

CRSCRDOC

viii

LPGBKHCNBTNMTTCVNQCVNASTM

ENEPATUVmCERTs

W/OO/WppmA/FETB

CEBIIIDIECUHEUITEM

DLSLSUMCCDiSCmini

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của nhiên liệu diesel theo QCVN

01:2015/BKHCN [8] 6

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn diesel sinh học Châu Âu và Mỹ 9

Bảng 1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản cho nhiên liệu diesel B5 [8] 10

Bảng 1.4 So sánh nhiên liệu nhũ tương và phụ gia vi nhũ nước trong dầu 15

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng nước trong phụ gia với chất HĐBM lựa chọn 30 Bảng 2.2 Độ bền và kích thước phụ gia nano oxit sắt 31

Bảng 2.3 Các tính chất của phụ gia chứa nano oxit sắt 32

Bảng 2.4 Kết quả thử nghiệm độ bền nhiên liệu diesel khi phối trộn phụ gia nano oxit sắt vào dầu DO 32

Bảng 2.5 Đánh giá ngoại quan và kích thước hạt nhũ với các tỷ lệ khác nhau của các phụ gia trong phụ gia vi nhũ thế hệ mới 33

Bảng 2.6 Ngoại quan và kích thước hạt nhũ nhiên liệu pha phụ gia nano oxit sắt với các tỷ lệ phối trộn khác nhau 34

Bảng 2.7 Ngoại quan và kích thước hạt nhũ nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ nước trong dầu với các tỷ lệ phối trộn khác nhau 35

Bảng 2.8 Ngoại quan và kích thước hạt nhũ nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới với các tỷ lệ phối trộn khác nhau 36

Bảng 2.9 Yêu cầu về nguyên liệu phối trộn 38

Bảng 2.10 Tính chất mẫu phụ gia vi nhũ nước trong dầu 39

Bảng 2.11 Tính chất mẫu phụ gia vi nhũ thế hệ mới 39

Bảng 2.12 Chỉ tiêu chất lượng, tính chất nhiên liệu diesel và diesel pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới 40

Bảng 2.13 Hàm lượng Fe-Mn và hàm lượng nhựa thực tế của mẫu dầu DO có phụ gia và dầu DO 41

Bảng 2.14 Bảng tiến trình đo thử nghiệm 44

Bảng 2.15 Sự thay đổi khối lượng của các mẫu chi tiết thử nghiệm 48

Bảng 3.1 Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải [46] 57

Bảng 3.2 Phản ứng hình thành phát thải NOx [46] 59

Bảng 3.3 Thông số cơ bản của động cơ D4BB theo catalog [51] 61

Bảng 3.4 Các phần tử xây dựng mô hình động cơ D4BB 63

Bảng 3.5 Một số thông số định nghĩa nhiên liệu diesel [46] 63

Bảng 3.6 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình xác định từ thực nghiệm với nhiên liệu DO 65

Bảng 3.7 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình xác định từ thực nghiệm với nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 65

Bảng 3.8 Giá trị và sai lệch công suất của nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 66

Bảng 3.9 Giá trị và sai lệch suất tiêu hao nhiên liệu của nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 67

Bảng 3.10 Giá trị và sai lệch các phát thải của nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 68 Bảng 3.11 Thông số điều chỉnh khi mô phỏng đối với từng tỷ lệ pha phụ gia 69

Bảng 3.12 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình trong tính toán đánh giá đốichứng 70Bảng 3.13 Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia 70Bảng 3.14 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia 70Bảng 3.15 Phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia71

Bảng 3.16 Phát thải NO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ giax

72

Bảng 3.17 Phát thải độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụgia 73Bảng 4.1 Một số tính chất chính của diesel khoáng và diesel sinh học sử dụng trongnghiên cứu 84Bảng 4.2 Sự thay đổi giá trị công suất (Ne ) của động cơ khi sử dụng nhiên liệu vớicác tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 86Bảng 4.3 Sự thay đổi giá trị suất tiêu hao nhiên liệu (g ) của động cơ khi sử dụngenhiên liệu với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 86Bảng 4.4 Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệuvới các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 89Bảng 4.5 Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ khi sử dụng nhiên liệuvới các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 90Bảng 4.6 Sự thay đổi hàm lượng phát thải NO của động cơ khi sử dụng nhiên liệuxvới các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 90Bảng 4.7 Sự thay đổi độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu với các tỷ lệ phụgia khác nhau ở chế độ 100% tải 90Bảng 4.8 Kết quả cải thiện số hạt của DO và DO-phụ gia tỷ lệ 1/8000 theo đườngđặc tính ngoài 93Bảng 4.9 Suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải của các nhiên liệu thử nghiệmtheo chế độ tải 94Bảng 4.10 Sự thay đổi giá trị công suất (Ne ) của động cơ khi sử dụng nhiên liệuB5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 97Bảng 4.11 Sự thay đổi giá trị suất tiêu hao nhiên liệu (ge ) của động cơ khi sử dụngnhiên liệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 97Bảng 4.12 Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệuB5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 99Bảng 4.13 Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ khi sử dụng nhiên liệuB5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 99Bảng 4.14 Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiênliệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 99Bảng 4.15 Sự thay đổi hàm lượng độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B5với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải 100Bảng 4.16 Suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải của các nhiên liệu thử nghiệmtheo chế độ tải 101Bảng 4.17 Thông số cơ bản động cơ CAT 3408E [59] 104Bảng 4.18 Sự thay đổi lượng nhiên liệu tiêu hao khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 ở chế độ tĩnh 106

xi

Bảng 4.19 Sự thay đổi trung bình lượng nhiên liệu tiêu hao ở xe số 1 với nhiên liệu

DO và DO-phụ gia 1/8000 ở chế độ động 106Bảng 4.20 Sự thay đổi trung bình lượng nhiên liệu tiêu hao ở xe số 2 với nhiên liệu

DO và DO-Phụ gia 1/8000 ở chế độ động 106Bảng 4.21 Sự thay đổi trung bình lượng phát thải xe số 1 với nhiên liệu DO vàDO-Phụ gia 1/8000 107Bảng 4.22 Sự thay đổi trung bình lượng phát thải xe số 2 với nhiên liệu DO vàDO-Phụ gia 1/8000 108

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nhu cầu, dự báo sản phẩm dầu khu vực châu Á – Thái Bình Dương và

Việt Nam giai đoạn 2000 ÷ 2035 [4, 5]

Hình 1.2 Quá trình phun nhiên liệu và cấu tạo phụ gia nước trong dầu (W/O) [13, 14] 13

Hình 1.3 Cơ chế vi nổ của nhiên liệu diesel pha phụ gia nước trong dầu W/O [14] 14

Hình 1.4 Chuỗi phân tử nano CeO2 [18]

Hình 1.5 Cơ chế vi nổ của nhiên liệu vi nhũ nước trong dầu, chứa nano oxit kim loại [21]

Hình 1.6 Sơ đồ khối pha trộn nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới

Hình 1.7 Suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải NOx với các nhiên liệu thử nghiệm [24] 19

Hình 1.8 Kết quả phát thải đối với các nhiên liệu có hàm lượng nước khác nhau [22] 19

Hình 1.9 Suất tiêu hao năng lượng và áp suất trong xy lanh nhiên liệu thử nghiệm [25] 20

Hình 1.10 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo đường đặc tính ngoài [26] 21 Hình 1.11 Kết quả thử nghiệm ảnh hưởng của phụ gia trên cơ sở kim loại [27] 22 Hình 1.12 Suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx , CO tại tốc độ 2000 vòng/phút [28] 22

Hình 1.13 Ảnh hưởng của nồng độ phụ gia nano oxit sắt tới suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải động cơ ở tải trọng khác nhau [29]

Hình 1.14 Kết quả thử nghiệm ảnh hưởng của phụ gia CeO2 tới nhiên liệu W/O [21]

Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 2.1 Quy trình chế tạo, lựa chọn tỷ lệ các phụ gia thành phần và đánh giá chất lượng phụ gia vi nhũ thế hệ mới

Hình 2.2 Mô tả cấu tạo chất HĐBM và minh họa xu hướng tạo đám (mixen) trong phụ gia vi nhũ nước trong dầu

Hình 2.3 Ảnh TEM của mẫu phụ gia chứa oxit sắt và chai mẫu chứa phụ gia nano oxit sắt

Hình 2.4 Hàm lượng nước trong các mẫu nhiên liệu

Hình 2.5 Hàm lượng Fe-Mn trong các mẫu nhiên liệu pha phụ gia

Hình 2.6 Hàm lượng nhựa thực tế trong các mẫu nhiên liệu pha phụ gia

Hình 2.7 Hình ảnh các mẫu DO pha phụ gia

Hình 2.8 Dải phân bố kích thước hạt nhũ nước của mẫu nhiên liệu pha phụ gia 41 Hình 2.9 Các chi tiết thử nghiệm

Hình 2.10 Lọ đựng mẫu gioăng khi bắt đầu thử nghiệm và sau khi thử nghiệm 45Hình 2.11 Lọ đựng piston bơm cao áp khi bắt đầu thử nghiệm và sau khi thử nghiệm

Hình 2.12 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử piston bơm cao áp

xiii

Hình 2.13 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử gioăng

làm kín 47

Hình 2.14 Đồ thị tăng khối lượng chi tiết so với 0h 49

Hình 3.1 Cân bằng năng lượng trong xy lanh 50

Hình 3.2 Các giai đoạn quá trình cháy [47] 52

Hình 3.3 Sơ đồ tính chuyển vị piston 57

Hình 3.4 Kết quả thử nghiệm Ne , Me theo đường đặc tính ngoài động cơ D4BB 62 Hình 3.5 Mô hình động cơ D4BB 62

Hình 3.6 Sơ đồ khối tính toán mô phỏng 64

Hình 3.7 So sánh kết quả công suất của mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 66

Hình 3.8 So sánh kết quả suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 67

Hình 3.9 So sánh kết quả áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 tại tốc độ 2000 vòng/phút 68

Hình 3.10 So sánh kết quả các phát thải của mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 tại tốc độ 2000 vòng/phút 68

Hình 3.11 Các thông số điều chỉnh khi mô phỏng với các tỷ lệ khác nhau 69

Hình 3.12 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu DO và DO-phụ gia theo đường đặc tính ngoài 71

Hình 3.13 Phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia 72 Hình 3.14 Phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia 73 Hình 3.15 Phát thải độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia 74

Hình 3.16 Mức độ cải thiện hiệu quả khi tính toán mô phỏng động cơ sử dụng nhiên liệu diesel pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 74

Hình 3.17 Diễn biến áp suất xy lanh của nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/ phút và 3500 vòng/phút 75

Hình 3.18 Diễn biến phần nhiên liệu đã cháy của DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút 75

Hình 3.19 Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút 76

Hình 3.20 Nhiệt độ cháy trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút 76

Hình 3.21 Tốc độ thay đổi nhiệt độ trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút 77

Hình 3.22 Diễn biến hệ số truyền nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút 77

Hình 3.23 Tốc độ truyền nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vòng/phút 78

Hình 3.24 Tốc độ hình thành phát thải CO trong xy lanh 79

Hình 3.25 Tốc độ hình thành phát thải NOx trong xy lanh 79

Hình 3.26 Tốc độ hình thành phát thải Soot trong xy lanh 80

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm 83

Hình 4.2 Diễn biến Ne và ge của động cơ theo đường đặc tính ngoài 85

Hình 4.3 Sự thay đổi trung bình công suất và suất tiêu hao nhiên liệu với các tỷ lệ

khác nhau ở chế độ 100% tải 86

Hình 4.4 Diễn biến phát thải CO, HC, NOx , độ khói của động cơ trên đường đặc tính ngoài 87

Hình 4.5 Vùng hình thành phát thải [54] 88

Hình 4.6 Sơ đồ vi nổ của nhiên liệu diesel và diesel pha phụ gia vi nhũ nước trong dầu [57] 89

Hình 4.7 Sự thay đổi trung bình các phát thải CO, HC, NOx và độ khói với các tỷ lệ khác nhau ở chế độ 100% tải 91

Hình 4.8 Mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 91 Hình 4.9 Diễn biến áp suất xy lanh đối với các nhiên liệu thử nghiệm theo đường đặc tính ngoài 92

Hình 4.10 Kết quả số hạt và mức độ cải thiện của nhiên liệu DO-phụ gia so với DO theo đường đặc tính ngoài 93

Hình 4.11 Sự cải thiện hiệu quả ge , các phát thải CO, HC, NOx , độ khói, số hạt theo đặc tính tải 95

Hình 4.12 Diễn biến Ne , g e của động cơ nhiên liệu B5 và B5-phụ gia với các tỷ lệ trên đường đặc tính ngoài 96

Hình 4.13 Diễn biến phát thải CO, HC, NOx , độ khói của động cơ nhiên liệu B5 trên đường đặc tính ngoài 98

Hình 4.14 Mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm nhiên liệu B5-phụ gia 1/8000 100 Hình 4.15 Sự thay đổi trung bình ge, các phát thải CO, HC, NOx và độ khói theo đặc tính tải 101

Hình 4.16 Quy trình thử nghiệm đo tiêu hao nhiên liệu 102

Hình 4.17 Tuyến đường thực hiện thử nghiệm ở chế độ động 103

Hình 4.18 Quy trình thử nghiệm đo phát thải 104

Hình 4.19 Ô tô tải CAT 769D tại hiện trường thử nghiệm 104

Hình 4.20 Kết quả thử nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu hao 105

Hình 4.21 Kết quả thử nghiệm đo phát thải trên ô tô tải CAT 769D 107

Hình 4.22 Mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm tại hiện trường của nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 108

xv

MỞ ĐẦU

i Lý do chọn đề tài

Động cơ diesel là nguồn động lực có hiệu suất cao được ứng dụng trong nhiềulĩnh vực của nền kinh tế như xây dựng, công nghiệp, nông nghiệp và đặc biệt làgiao thông vận tải Đến nay hầu hết các động cơ diesel vẫn đang sử dụng nhiên liệudiesel (dầu DO) có nguồn gốc hóa thạch Với mức độ phát triển nhanh chóng củacác ngành kinh tế ở hầu hết các châu lục trên thế giới, nhu cầu tiêu thụ năng lượngnói chung, nhiên liệu diesel nói riêng ngày càng lớn dẫn tới khả năng thiếu hụtnguồn năng lượng hóa thạch Bên cạnh đó, khí thải từ động cơ diesel có chứa nhiềuchất độc hại gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người Vì vậy,tìm kiếm giải pháp để sử dụng nhiên liệu một cách hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễmmôi trường từ động cơ diesel là vấn đề đã và đang được quan tâm nghiên cứu

Hiện nay có ba hướng nghiên cứu để giải quyết vấn đề này gồm hướng liên quanđến kết cấu động cơ, xử lý khí thải và nhiên liệu Hướng liên quan đến kết cấu động

cơ gồm công nghệ luân hồi khí xả (Exhaust Gas Recirculation - EGR), công nghệtăng áp động cơ, hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail (CR), công nghệ điềukhiển điện tử, công nghệ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous ChargeCompression Ignition - HCCI) Hướng liên quan đến xử lý khí thải là sử dụng các

bộ xúc tác để xử lý các phát thải CO, HC, NOx, muội như các bộ xử lý oxy hóa(Diesel Oxidation Catalyst - DOC), lọc muội than (Diesel Particulate Filter - DPF),khử NOx có chọn lọc (Selective Catalytic Reduction – SCR) Hai hướng trên đikèm với giá thành cao và thường phù hợp với các thiết kế động cơ mới, khó canthiệp vào các động cơ có thiết kế cũ, đang vận hành Hướng nghiên cứu liên quanđến nhiên liệu gồm sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như cồn ethanol, biodiesel,khí sinh học, CNG, DME hoặc sử dụng phụ gia để cải thiện quá trình cháy củanhiên liệu truyền thống Việc sản xuất các loại nhiên liệu thay thế thường yêu cầucông nghệ cao, quy mô lớn để đáp ứng nhu cầu sử dụng dẫn tới chi phí đầu tư và giáthành nhiên liệu cao Đồng thời, động cơ đốt trong truyền thống khi sử dụng cácloại nhiên liệu thay thế nói chung cũng cần có những thay đổi nhất định Trong khi

đó, phụ gia nhiên liệu được phối trộn với tỷ lệ nhỏ trong nhiên liệu, quy mô sản xuấtkhông cần lớn Bên cạnh đó, nhiên liệu pha phụ gia có thể sử dụng trên động cơtruyền thống mà không cần phải thay đổi kết cấu hoặc điều chỉnh thông số làm việccủa động cơ Cho đến nay, đã có một số loại phụ gia nhiên liệu được ứng dụng trongthực tế nhưng hầu hết được sản xuất ở nước ngoài Do vậy, nghiên cứu phát triểnloại phụ gia nhiên liệu có tính hiệu quả và tính kinh tế cao, có thể sản xuất trongđiều kiện Việt Nam là cần thiết

Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là đơn vị phối thực hiện

đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng cho động cơ diesel“, mã số ĐTĐLCN.03/16 do GS.TS Vũ Thị Thu Hà chủ nhiệm,

Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam chủ trì Mục tiêu của đề tài (1) nghiên cứu pháttriển phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên cơ sở nước, chất hoạt động bề mặt (HĐBM) nguồngốc tự nhiên và nano oxit kim loại dùng trên động cơ diesel nhằm giảm tiêu

1

thụ nhiên liệu và phát thải độc hại; (2) Xây dựng và làm chủ công nghệ chế tạo phụ gia; (3) Thử nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng sử dụng của phụ gia.

Trên cơ sở đó, NCS lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia

vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải

và tương thích vật liệu động cơ diesel” nhằm nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn

và đánh giá hiệu quả của phụ gia nhiên liệu được chế tạo trong đề tài nghiên cứunêu trên đối với động cơ diesel đang lưu hành ở Việt Nam

ii. Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu đề xuất tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới phù hợp với nhiên liệu diesel đang lưu hành và nghiên cứu bước đầu với nhiên liệu biodiesel B5

- Đánh giá khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel với nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới tính năng kinh tế, kỹthuật, phát thải của động cơ diesel đang lưu hành Qua đó đánh giá hiệu quả và khảnăng sử dụng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

Phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới do Viện Hóa học công nghiệp Việt Nam chếtạo, đây là loại phụ gia vi nhũ nước trong dầu (W/O), thành phần gồm chất HĐBM10,3%, nước 20% và nano oxit sắt 220ppm

Nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm diesel thông thường và nhiên liệu B5(hỗn hợp 5% biodiesel và 95% diesel)

Động cơ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm (PTN) là động cơ diesel D4BB củahãng Hyundai

Thử nghiệm hiện trường thực hiện trên xe ô tô CAT 769D của hãng Caterpillar(Mỹ), sử dụng động cơ CAT 3408E, 4 kỳ, 8 xy lanh, công suất 386kW

- Phạm vi nghiên cứu của luận án:

+ Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới tới tính năng kinh tế, kỹthuật và phát thải được thực hiện trong phòng thí nghiệm (mô phỏng và thực nghiệm)

iv. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết vớinghiên cứu thực nghiệm Cụ thể:

Nghiên cứu lý thuyết thực hiện qua việc ứng dụng phần mềm AVL – Boostnghiên cứu mô phỏng động cơ diesel D4BB sử dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu

DO pha phụ gia

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các nội dung đánh giá khả năngtương thích vật liệu của một số chi tiết trong hệ thống nhiên liệu diesel với nhiênliệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới, đánh giá đối chứng ảnh hưởng của nhiên liệupha phụ gia tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ ô tô trong PTN vàtrên hiện trường

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Luận án đã đề xuất được tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới hợp lý 1/8000cho nhiên liệu diesel đảm bảo chất lượng nhiên liệu, cải thiện tính năng kỹ thuật vàphát thải động cơ diesel và bước đầu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodieselB5 pha phụ gia trên động cơ

- Đánh giá được hiệu quả của phụ gia vi nhũ thế hệ mới sản xuất tại Việt Nam tớitính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel đang lưu hành

- Kết quả của luận án là cơ sở để ứng dụng phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên các phương tiện vận tải đang lưu hành tại Việt Nam

vi. Tính mới của đề tài

Luận án đã đánh giá tương đối toàn diện ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệmới được nghiên cứu phát triển ở Việt Nam tới động cơ diesel đang lưu hành, baogồm đầy đủ các bước nghiên cứu mô phỏng, nghiên cứu trong PTN và nghiên cứungoài hiện trường

vii. Các nội dung chính luận án

Thuyết minh của luận án gồm các phần chính sau:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về phụ gia cho nhiên liệu diesel

Chương 2 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam và ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới một số chi tiết của động cơ

Chương 3 Nghiên cứu mô phỏng động cơ khi sử dụng nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung và hướng phát triển

3

Với các nội dung nghiên cứu ở trên, luận án vừa kế thừa, vừa phối hợp và pháttriển thêm từ nghiên cứu hợp tác với Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam Cụ thểnhư sau:

- Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam thực hiện chế tạo phụ gia vi nhũ thế hệmới, đánh giá chất lượng nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới đảm bảo chấtlượng trong bảo quản, tồn chứa và quy chuẩn Việt Nam (QCVN)

- Luận án phối hợp với Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam nghiên cứu đánhgiá khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết trong hệ thống nhiên liệu dieselvới nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới và thử nghiệm hiện trường

- Luận án thực hiện nghiên cứu đánh giá đối chứng ảnh hưởng của nhiên liệu phaphụ gia vi nhũ thế hệ mới tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ ô tôbằng mô phỏng và thử nghiệm trong PTN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA CHO

NHIÊN LIỆU DIESEL 1.1 Đặc điểm tính chất nhiên liệu diesel

1.1.1 Giới thiệu chung

Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa, đến thế kỷ XVIII, dầu mỏ được

sử dụng làm nhiên liệu đốt cháy, thắp sáng Sang thế kỷ XIX, dầu mỏ được coi như

là nguồn nhiên liệu chính cho mọi phương tiện giao thông và cho nền kinh tế quốcdân Hiện nay dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốcgia trên thế giới Khoảng 65 ÷ 70% năng lượng sử dụng từ dầu mỏ, chỉ có 20 ÷ 25%năng lượng từ than, 5 ÷ 6% từ năng lượng nước và 8 ÷ 12% từ năng lượng hạt nhân[1]

Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành giao thôngvận tải dẫn đến nhu cầu về nhiên liệu nói chung và nhiên liệu diesel nói riêng ngàycàng tăng cao Theo khảo sát, nhiên liệu hóa thạch chiếm tới 80% năng lượng tiêu thụchính trên thế giới, trong đó 58 ÷ 66% được tiêu thụ bởi các phương tiện vận tải [2, 3]

Ở Châu Á – Thái Bình Dương, theo dự báo của Wood Mackenzie, tổng nhu cầu sảnphẩm dầu sẽ tăng trung bình 1,6%/năm từ năm 2015 ÷ 2035 Năm 2015, mức độ sửdụng diesel chiếm 30% so với các loại nhiên liệu hóa thạch khác, và duy trì ổn định đếnnăm 2035 Ở Việt Nam tỷ lệ này lần lượt là 38% và 42% (Hình 1.1) [4, 5]

Châu Á – Thái Bình Dương

Hình 1.1 Nhu cầu, dự báo sản phẩm dầu khu vực châu Á – Thái Bình Dương

và Việt Nam giai đoạn 2000 ÷ 2035 [4, 5]

Động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị máy móc phục vụ pháttriển nền kinh tế do những ưu điểm nổi bật như: kết cấu chắc chắn, làm việc tin cậy,hiệu suất tương đối cao, thuận lợi trong bảo dưỡng sửa chữa và tiết kiệm nhiên liệu

Do có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn và sử dụng nhiên liệu rẻ hơn xăngnên động cơ diesel luôn được ưu tiên sử dụng là nguồn động lực trên các máy phátđiện, máy công trình, máy móc nông nghiệp, trong ngành công nghiệp nặng, và nhất

là trên các phương tiện vận tải đường bộ, đường biển Tuy nhiên phát thải từ cácloại phương tiện này cũng chiếm một tỷ trọng lớn gây ô nhiễm môi trường [6]

5

1.1.2 Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel

Nhiên liệu diesel bao gồm hỗn hợp của các hydrocacbon có điểm sôi nằm trongdải từ 1800C đến 3600C, cao hơn so với nhiên liệu xăng Ước tính có khoảng hơn

10000 chất đồng phân trong nhiên liệu diesel Giống như xăng, nhiên liệu diesel làhỗn hợp của các hydrocacbon dạng parafin, ôlefin, naptin và hydrocacbon thơmnhưng có tỷ lệ tương đối khác nhau Khối lượng phân tử của nhiên liệu diesel thayđổi trong khoảng từ 170 đến 200 Nhiên liệu diesel có mật độ năng lượng lớn hơnkhoảng 8% theo thể tích so với xăng, nhưng khả năng bắt cháy kém hơn rất nhiều

và được sử dụng chủ yếu trong các loại ô tô tải hạng nặng [7]

Các chỉ tiêu chất lượng và phương pháp thử tương ứng của nhiên liệu diesel đượcquy định trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của nhiên liệu diesel theo

Bên cạnh nhiên liệu diesel khoáng, hiện nay nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel)hiện cũng đang được sử dụng khá phổ biến cho động cơ diesel trên thế giới.

Nhiên liệu diesel sinh học được định nghĩa là một dạng nhiên liệu dùng để thaythế diesel có nguồn gốc từ dầu thực vật (đậu nành, dừa, cọ, hạt cao su ) hoặc mỡđộng vật (ví dụ mỡ cá basa, cá tra, mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà ), được sử dụng rấtthông dụng trên thị trường Châu Âu, Châu Mỹ và hiện nay bắt đầu xuất hiện ở Châu

Á Nhiên liệu diesel sinh học là các ankyl este của axit béo

Với nhiên liệu B5, tính chất và chỉ tiêu chất lượng cơ bản tương tự nhiên liệudiesel khoáng theo QCVN 01:2015/BKHCN Hai chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệuB5 được bổ sung thêm so với nhiên liệu diesel là hàm lượng metyl este axit béo(FAME) từ 4 ÷ 5% thể tích và độ ổn định oxy hóa lớn nhất là 25mg/100ml

1.1.3 Ảnh hưởng của một số thông số chính của nhiên liệu diesel tới chất lượng hoạt động của động cơ

Trị số cetan: Trị số cetan là thông số đánh giá khả năng tự bắt cháy của nhiên

liệu diesel, trị số cetan của diesel càng cao thì khả năng bắt cháy càng cao Nhiên

liệu diesel thông thường có trị số cetan từ 50 đến 52 và 53 đến 54 đối với động cơcao tốc Nhiên liệu diesel sinh học là các alkyl este mạch thẳng do vậy nhiên liệunày có trị số cetan cao hơn diesel khoáng, trị số cetan của nhiên liệu diesel sinh họcthường từ 56 đến 58

Hàm lượng lưu huỳnh: Tùy theo hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu sẽ ảnh

hưởng đến khí thải SOx gây ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường Hàm lượnglưu huỳnh càng thấp thì lượng phát thải SOx càng giảm Hiện nay hàm lượng lưuhuỳnh trong nhiên liệu DO trên thị trường từ 0,001 đến 0,05% Nhiên liệu diesel táicấu trúc (RFD) có hàm lượng lưu huỳnh dưới 0,01% [7]

Thành phần oxy: Thành phần oxy trong nhiên liệu ảnh hưởng đến hiệu quả của

quá trình cháy Lượng oxy càng cao thì quá trình cháy nhiên liệu xảy ra càng tốt làmmuội, cặn trong động cơ giảm đáng kể

Khả năng bôi trơn: Khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trưng bởi giá trị

HFRR (High-Frequency Receiprocating Rig), với diesel giá trị HFRR là 450 Khảnăng bôi trơn tốt sẽ giảm sự mài mòn của động cơ

Tính ổn định: Nhiên liệu diesel có tính ổn định cao nên thuận lợi về quá trình vận

chuyển, bảo quản

Nhiệt độ chớp cháy: Nhiệt độ chớp cháy của nhiên liệu diesel khoáng thấp (khoảng

600C) nên nhiên liệu dễ cháy giúp quá trình cháy triệt để, hiệu quả sinh nhiệt tốt,công suất cao Tuy nhiên cần chú ý trong vận chuyển, tồn chứa để đảm bảo an toàn

7

1.2 Nhiên liệu diesel sinh học

Nhiên liệu diesel sinh học (còn gọi là biodiesel) được định nghĩa là một dạngnhiên liệu dùng để thay thế diesel có nguồn gốc từ dầu thực vật (đậu nành, dừa, cọ,hạt caosu ) hoặc mỡ động vật (ví dụ mỡ cá basa, cá tra, mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà ),được sử dụng khá phổ biến trên thị trường Châu Âu, Châu Mỹ và hiện nay bắt đầuxuất hiện ở Châu Á Nhiên liệu diesel sinh học là các ankyl este của axit béo Cũnggiống như diesel, nhiên liệu diesel sinh học có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động

cơ diesel

1.2.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học

Trước đây, kể từ khi động cơ diesel được phát minh ra thì nhiên liệu mà người ta

sử dụng đầu tiên chính là dầu thực vật Nhưng nguyên liệu dầu thực vật đã khôngđược lựa chọn làm nhiên liệu cho động cơ diesel vì giá của dầu thực vật đắt hơn giácủa diesel khoáng Gần đây, với sự tăng giá của nhiên liệu khoáng và sự hạn chế sốlượng của nó, nên nhiên liệu dầu thực vật ngày càng được quan tâm và có khả năngthay thế cho nhiên liệu dầu khoáng trong tương lai gần, vì những lợi ích về môitrường và khả năng tái sinh của dầu thực vật

Dầu thực vật sử dụng cho quá trình tổng hợp nhiên liệu diesel sinh học phải cóchỉ số axit thấp hơn 0,5 mg KOH/g dầu Đối với dầu đã tinh chế thì có thể sử dụngngay để tiến hành phản ứng Nhưng đối với dầu thực vật thô hay dầu thải có chỉ sốaxit cao và nhiều tạp chất hữu cơ khác thì phải tiến hành tinh chế để loại bớt thànhphần axit béo và các tạp chất bằng cách trung hòa bằng kiềm

Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiên liệu thay thế để cạnh tranh với dầu mỏ

đã được bắt đầu từ những năm 1980 Do những thuận lợi của các loại dầu thực vật

so với nhiên liệu diesel là chúng có thể nuôi trồng, sẵn có, có khả năng tái sinhđược, nhiệt trị tương đối cao, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn, hàm lượng chất thơm

ít hơn, tuy nhiên khả năng dễ bị vi khuẩn phân hủy, độ nhớt cao hơn, khả năng bayhơi thấp hơn Vấn đề chính liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thựcvật là độ nhớt quá cao, do vậy cần phải có quá trình chế biến, tổng hợp

Các nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học bao gồm:

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, dầuvừng, dầu ngô, dầu cọ, dầu hạt cải, dầu mè (Jatropha), dầu đậu nành Nói chung, cáchàm lượng chất béo của các dầu thực vật khác nhau, nhưng hầu hết tất cả các loại dầuthực vật đều có thể là nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học hoặc pha trộn với nhiênliệu 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 vớimột lượng lớn các cây dầu này sẽ là nguồn nguyên liệu tốt cho quá trình sản xuấtdiesel sinh học và rất có ý nghĩa về mặt bảo vệ môi trường

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 tácnhân trao đổi este là methanol, có thể dùng tác nhân hỗn hợp là 65% methanol +35% ethanol cũng thu được độ nhớt cần thiết của diesel sinh học

Dầu phế thải: Đây chính là dầu cặn của các nhà máy chế biến thực phẩm, chúng

có đặc điểm là đã qua gia nhiệt nhiều lần, có màu sẫm Kết quả phân tích loại nàycho thấy ngoài lượng dầu mỡ còn có nhiều các chất khác kể cả các chất rắn, nguyênliệu này được xử lý trước tiên là lọc sau đó tách nước

Tảo: Việc dùng tảo để sản xuất nhiên liệu diesel sinh học thay thế dầu mỏ được

đánh giá là tiềm năng do tảo có chứa hàm lượng dầu cao sử dụng làm năng lượng

và thân thiện với môi trường Sau giai đoạn nuôi trồng, các tế bào tảo được làm khôtrước khi thực hiện phản ứng chuyển hóa Hiện nay thường có hai phương phápchuyển hóa: phương pháp hai giai đoạn và một giai đoạn Đối với phương pháp haigiai đoạn, dầu tảo sau khi tách chiết được cho phản ứng với methanol có mặt chấtxúc tác, khi đó quá trình sản xuất biodiesel tương tự như đối với dầu thực vật Đốivới phương pháp một giai đoạn (methyl hóa trực tiếp) thì dung môi có tác dụngchiết lipid (chloroform, hexan, ether…), methanol để methyl hóa acid béo và chấtxúc tác được bổ sung cùng một lúc và hiệu suất của quá trình ester hóa cũng caohơn so với phương pháp hai giai đoạn Các động cơ diesel có thể đốt cháy trực tiếpdầu tảo Các nhà khoa học cũng có tinh chế thứ dầu này thành diesel sinh học.Diesel sinh học có các tính chất về vật lý và hóa học tương đối giống so vớidiesel 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 cũng như kỹ thuật của động cơ Mặtkhác, nó cũng 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 cetan, nhiệt trị…

1.2.2 Chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu diesel sinh học

Việc sản xuất và sử dụng rộng rãi diesel sinh học đòi hỏi việc đưa ra những tiêuchuẩn chất lượng, dành riêng cho diesel sinh học: EN 14214 ở Châu Âu, ASTMD6751 ở Mỹ và TCVN 7717-07 (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn diesel sinh học Châu Âu và Mỹ

Chỉ tiêu

Khối lượng riêng ở 150C, kg/m3

Độ nhớt ở 400C, mm2/s

Điểm chớp cháy, 0C, không thấp hơn

Lưu huỳnh, mg/kg, không lớn hơn

Chỉ số cetan, không thấp hơn

Nước, mg/kg, không lớn hơn

Este, % khối lượng, không nhỏ hơn

Metanol, % khối lượng, không lớn hơn

Monoglyxerit, % khối lượng, không lớn

hơn

Diglyxerit, % khối lượng, không lớn hơn

Triglyxerit, % khối lượng, không lớn hơn

Glyxerin tự do, % khối lượng, không lớn

hơn

Tổng lượng glyxerin, % khối lượng,

không lớn hơn

Khi đảm bảo được những tiêu chuẩn chất lượng này, diesel sinh học có thể đượctrộn với dầu diesel để sử dụng trong động cơ diesel Hiện tại, hỗn hợp diesel sinhhọc với dầu diesel trước khi sử dụng cho động cơ diesel phải đảm bảo được tiêuchuẩn chất lượng dành cho dầu diesel.

Ngoài ra, vào năm 2015, Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành QCVN 01:2015/BKHCN nhằm thay thế cho QCVN 01: 2009/BKHCN QCVN 01:2015/BKHCN do Ban soạn thảo Quy chuẩn quốc gia về xăng dầu và nhiên liệu sinhhọc biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng trình duyệt và được banhành theo thông tư số 22/2015/TT-BKHCN ngày 11 tháng 11 năm 2015 của Bộtrưởng Khoa học và Công nghệ Trong đó, các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của nhiênliệu diesel và nhiên liệu diesel B5 phải phù hợp với các quy định trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản cho nhiên liệu diesel B5 [8]

10

1.3 Phụ gia cho nhiên liệu diesel

1.3.1 Giới thiệu chung

Một trong các hướng nâng cao chất lượng sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốttrong là phải tìm ra các loại phụ gia phù hợp để thúc đẩy quá trình cháy tốt hơn,hoàn toàn hơn, cải thiện công suất, tiết kiệm nhiên liệu, an toàn cho người, cho môitrường và bảo vệ động cơ Do vậy phụ gia rất quan trọng đối với nhiên liệu vì quyếtđịnh tới đặc tính nhiên liệu, tính kinh tế, kỹ thuật và tuổi thọ của động cơ… Phụ gia

là những chất cho thêm vào nhiên liệu với một lượng nhỏ, nhưng lại làm tăng tínhchất sẵn có và có thể tạo ra những tính chất mới cho sản phẩm Phụ gia có thể phavào nhiên liệu từ vài ppm đến trên 10% Mỗi loại phụ gia có tính năng khác nhau,nhưng cần có những yêu cầu sau: phải tan trong nhiên liệu, phải tăng được các tínhnăng cần thiết, phải có tính tương hợp với các loại phụ gia khác và với các cấu tửtrong sản phẩm, phải có độ bay hơi thấp, với hàm lượng pha trộn nhỏ nhưng hiệuquả phải cao, không làm thay đổi tính chất nhiên liệu gốc

Ngoài ra, các loại phụ gia sử dụng để pha nhiên liệu diesel phải đảm bảo phù hợpvới các quy định về an toàn, sức khỏe, môi trường và không được gây hư hỏng chođộng cơ và hệ thống tồn trữ, vận chuyển và phân phối nhiên liệu [8]

Các chất phụ gia đưa vào nhiên liệu hóa thạch có thể xếp thành các nhóm sau:

- Nhóm phụ gia cải thiện tính chất của nhiên liệu: các phụ gia này thường được

sử dụng cho nhiên liệu diesel, nhiên liệu phản lực, xăng ôtô Đó là các phụ gia làm

tăng tính chất cháy của nhiên liệu, làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn và giảmthiểu các khí thải độc hại sinh ra khi cháy

- Nhóm phụ gia cải thiện tính ổn định khi bảo quản, tồn chứa, vận chuyển: điển

hình là các phụ gia chống ôxy hoá (các ankyl, amin, phenol, các dẫn xuất cơ kim);các phụ gia tạo lớp màng thụ động bảo vệ bề mặt kim loại; các chất phụ gia làm ổnđịnh độ phân tán, tăng độ tẩy rửa

- Nhóm phụ gia làm giảm ảnh hưởng có hại của nhiên liệu đối với thiết bị động cơ: đó là phụ gia chống ăn mòn, phụ gia nhằm giảm tạo muội, phụ gia có tính tẩy

rửa hệ thống nhiên liệu (thường dùng với nhiên liệu DO).

- Nhóm phụ gia đảm bảo sử dụng nhiên liệu dùng ở nhiệt độ thấp: nhóm này gồm

naphten, parafin clo hoá Các phụ gia này có tính chất làm giảm nhiệt độ kết tinh củanhiên liệu, phụ gia chống sự bay hơi của xăng, phụ gia chống kết tinh của nhiên liệu

ở nhiệt độ thấp

- Nhóm phụ gia khác: như phụ gia chống tích điện, phụ gia chống vi sinh vật,

phụ gia tạo màu (thường sử dụng để đánh dấu nhằm quản lý chất lượng của sản

phẩm) Đặc biệt có phụ gia tạo mùi, giúp cho con người có thể phát hiện được sự rò

rỉ của sản phẩm mà phòng ngừa

Với các nhóm phụ gia trên, phụ gia cải thiện tính chất của nhiên liệu được nhiềuquan tâm nghiên cứu để phù hợp với các động cơ cũ đang lưu hành hiện nay màkhông phải can thiệp vào “phần cứng“ động cơ nhằm kiểm soát quá trình đốt cháytheo hướng tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễmmôi trường

11

Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây thường đề cập đến các loại phụ gia đơn chứcnăng (phụ gia thêm vào thường nâng cao hiệu quả của một chức năng nhất định) Cụthể như: Để tăng cường thêm chất lượng của nhiên liệu diesel, người ta thường pha chếthêm các phụ gia như: phụ gia tăng trị số cetan, phụ gia chống tạo cặn, phụ gia giảmkhí thải đen, phụ gia tẩy rửa…; Để nâng cao trị số cetan, thường thêm vào các chất thúcđẩy quá trình oxy hoá như: isopropyl nitrat, n-butyl nitrat, amyl nitrat… với lượng1,5% thể tích, khi đó làm tăng trị số cetan lên từ 15 đến 20 đơn vị [9] Để giảm khóiđen, giảm ô nhiễm môi trường, tăng tuổi thọ động cơ, có thể đưa thêm vào nhiên liệucác chất chứa oxy nhằm tăng cường quá trình cháy hoàn toàn của nhiên liệu Gần đây,nhiên liệu diesel sinh học được thêm vào nhiên liệu diesel khoáng với hàm lượng phachế 5%, 10%, 15% và 20% đã làm giảm đáng kể tất cả các khí độc hại trong khí thảinhư CO, CO2, NOx và hydrocacbon chưa cháy hết Ngoài ra còn nhiều phụ gia kháclàm tăng chất lượng cho nhiên liệu DO như phụ gia chống oxy hóa, phụ gia giảm nhiệt

độ đông đặc, phụ gia chống ăn mòn

Một số phụ gia điển hình như:

2-Ethylhexyl Nitrate (EHN): cũng được gọi với tên Octyl Nitrate là một phụ gia

làm tăng chỉ số cetan cho nhiên liệu diesel và được sử dụng rộng rãi nhất EHNkhông ổn định do nhiệt và phân hủy một cách nhanh chóng ở nhiệt độ cao trongbuồng cháy Sản phẩm của sự phân hủy giúp quá trình cháy nhiên liệu bắt đầu sớmhơn và do đó rút ngắn giai đoạn cháy trễ EHN được sử dụng trong dải từ 0,05 đến0,4% khối lượng và có thể làm tăng thêm chỉ số cetan từ 3 đến 8 đơn vị Một nhượcđiểm của EHN là làm giảm độ ổn định nhiệt của nhiên liệu diesel Điều này có thểđược khắc phục bằng việc sử dụng thêm các phụ gia ổn định nhiệt [10]

Di-tertiary butyl peroxide (DTBP): là một phụ gia khác được sử dụng làm tăng

chỉ số cetan cho nhiên liệu diesel nhưng kém hiệu quả hơn so với EHN Tuy nhiên

DTBP không làm giảm độ ổn định nhiệt của nhiên liệu diesel và không chứa nitơ(góp phần giảm phát thải NOx ) [10]

Phụ gia ôxít xeri CeO 2 : là chất xúc tác có lợi cho quá trình cháy, CeO2 thường được

chuẩn bị ở dạng hạt rất bé và được hòa trộn với nhiên liệu diesel ở dạng phụ gia vớinồng độ rất thấp Thông qua thuộc tính xúc tác của nó, CeO2 có thể ôxy hóa ở nhiệt độthấp muội than và các CO có trong khí thải của động cơ được cháy hết và chuyển thành

CO2 và H2O, làm giảm mức độ ảnh hưởng của khí thải độc hại đến con người và môitrường Bên cạnh đó, CeO2 còn có tác dụng giữ sạch muội than bám ở trên thành củabuồng cháy, làm cho buồng cháy của động cơ sạch hơn và tạo điều kiện hiệu suất cháycao hơn Qua đó cho phép động cơ tiết kiệm nhiên liệu hơn [11]

Từ trên có thể nhận thấy với mỗi lại phụ gia chỉ hiệu quả ở một chức năng nhấtđịnh Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ, các loại phụ gia công nghệnano thực hiện đa chức năng được quan tâm nghiên cứu Có hai hướng chính đểnghiên cứu phát triển phụ gia nhiên liệu thực hiện đa chức năng là sử dụng phụ gia

vi nhũ và phụ gia tiết kiệm nhiên liệu Các phụ gia này được bổ sung vào nhiên liệuvừa làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, vừa giảm phát thải gây ô nhiễm môitrường và sức khỏe con người

Mặc dù các phụ gia đã được khảo sát ít nhiều đều có tác dụng đối với việc tăng hiệusuất cho nhiên liệu, yêu cầu nghiên cứu phát triển các phụ gia nhiên liệu có hiệu quảcao vẫn luôn được đặt ra [12] Trong những năm gần đây, khái niệm sử dụng

nước và chất hoạt động bề mặt (HĐBM) để tạo phụ gia vi nhũ nước trong dầu có tác

dụng giảm phát thải độc hại, giảm tiêu thụ nhiên liệu và tăng công suất động cơ đã

thu hút nhiều nghiên cứu Các nghiên cứu trước đây thường đề cập đến kích thước

nhũ nước trong dầu lớn và hòa trộn với tỷ lệ cao nên thường gọi là nhiên liệu nhũ

tương Ngày nay với công nghệ nano phát triển mạnh, việc chế tạo nhũ có kích

thước nhỏ, tỷ lệ pha trộn ít mà vẫn đem lại hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm

phát thải đang được quan tâm Với tỷ lệ pha trộn ít nên được bổ sung vào dưới dạng

phụ gia pha trong nhiên liệu Cấu tạo và cơ chế hoạt động của phụ gia vi nhũ nước

trong dầu tương tự nhiên liệu nhũ tương Ngoài ra, một số nghiên cứu khảo sát phụ

gia vi nhũ thế hệ mới (kết hợp giữa phụ gia vi nhũ nước trong dầu và nano oxit kim

loại), nhằm mục đích kết hợp và tăng cường được những ưu điểm của cả 2 loại phụ

gia nêu trên đã được nhiều quan tâm và là hướng nghiên cứu của đề tài này Chi tiết

về các phụ gia đa chức năng này được trình bày chi tiết trong phần dưới

1.3.2 Phụ gia vi nhũ nước trong dầu cho nhiên liệu diesel

Cấu tạo của phụ gia vi nhũ nước trong dầu gồm nước được phân tán dưới dạng các

hạt nhũ có kích thước cỡ từ micro đến nano mét trong dầu Phụ gia này được cấu tạo

bởi 1 pha liên tục (pha dầu) và 1 pha phân tán (pha nước) Hai chất lỏng này là những

chất không tự trộn lẫn với nhau, để tạo phụ gia vi nhũ dùng các chất HĐBM Phụ gia

vi nhũ có thể là dạng vi nhũ thuận dầu trong nước (Oil/Water – O/W) hoặc dạng vi

nhũ đảo nước trong dầu (W/O) Quá trình phun và cấu tạo phụ gia nước trong dầu

Hình 1.2 Quá trình phun nhiên liệu và cấu tạo phụ gia nước trong dầu (W/O) [13, 14]

Chất HĐBM có vai trò tăng cường độ bền nhiệt động của phụ gia nước trong

dầu, ngăn cản quá trình phá vỡ, kết tụ, sa lắng hoặc tách pha của phụ gia

Cơ chế vi nổ của nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ nước trong dầu (W/O) tương tự nhiên

liệu nhũ tương: Do có điểm sôi thấp hơn diesel, những giọt nước tồn tại ở dạng nhũ

tương nhỏ bọc trong nhiên liệu diesel sẽ hóa hơi dưới điều kiện quá nhiệt trong động

cơ Sự hóa hơi như vậy tạo ra sự nổ của các giọt diesel và cải thiện quá trình nguyên tử

hóa nhiên liệu, tốc độ bay hơi và cuối cùng là nâng cao quá trình hòa trộn

13

không khí - nhiên liệu Những quá trình vi nổ như vậy cải thiện quá trình cháy vàhiệu quả động cơ đồng thời ngăn chặn sự hình thành cặn cacbon Cơ chế vi nổ củanhiên liệu diesel pha phụ gia vi nhũ W/O thể hiện trên Hình 1.3 [14, 15].

Có thể nhận thấy, một trong những hiệu ứng quan trọng nhất được quan sát đốivới dạng phụ gia này là sự nguyên tử hóa thứ cấp khác thường của các giọt chấtlỏng khi được phun vào trong môi trường nhiệt độ cao, dẫn đến tăng cường hiệu quảcháy Tuy nhiên, với nhiên liệu nhũ tương hoặc các loại phụ gia nước trong dầu cókích thước hạt nhũ lớn, độ bền động học kém… dẫn đến sản xuất và ứng dụng kháphức tạp, đòi hỏi thay đổi kết cấu cơ sở hạ tầng của hệ thống pha chế và cung cấpnhiên liệu, làm tăng đáng kể chi phí nhiên liệu Hơn nữa, phụ gia này thêm vàonhiên liệu thường kém bền mà để tăng tính bền đòi hỏi phải sử dụng hệ chất HĐBM

có đặc tính tốt, dẫn đến chi phí cao nên hiệu quả kinh tế do việc sử dụng nhiên liệunày không hấp dẫn

Nhiên liệu diesel

Buồng cháy sạch hơn

Hình 1.3 Cơ chế vi nổ của nhiên liệu diesel pha phụ gia nước trong dầu

W/O [14]

Sự giống và khác nhau giữa nhiên liệu nhũ tương và phụ gia vi nhũ nước trong dầu được thể hiện theo Bảng 1.4 dưới đây:

Bảng 1.4 So sánh nhiên liệu nhũ tương và phụ gia vi nhũ nước trong dầu

giatrong dầu

Phụ gia vi nhũ nước trong dầu có ưu điểm nổi bật là có kích cỡ ở cấp độ nanomét nên thể hiện được đầy đủ các đặc tính đặc biệt ưu việt của vật liệu nano

1.3.3 Phụ gia nano oxit kim loại/ kim loại cho nhiên liệu diesel

Phụ gia nano nhằm cải thiện khả năng cháy của nhiên liệu trên cơ sở nano kimloại và/hoặc nano oxit kim loại là một trong những hệ phụ gia có hiệu quả nhất hiệnnay Các phân tử của hệ phụ gia có khả năng xúc tác cho quá trình oxy hóa cáchydrocarbon có mặt trong nhiên liệu, trong quá trình đốt cháy nhiên liệu Nhờ vậy,suất tiêu thụ nhiên liệu sẽ giảm đi Mặt khác, các hạt nano khi có mặt trong nhiênliệu lỏng làm tăng diện tích bề mặt phản ứng, cung cấp thêm oxy cho quá trình cháytốt hơn [16,17]

Nano kim loại hoặc nano oxit kim loại, hoặc kết hợp cả 2 loại, khi được thêm vàonhiên liệu làm tăng nhiệt cháy Quá trình đốt cháy (oxy hóa các hydrocarbon) có thểxảy ra nhanh hơn nhờ phản ứng dị thể (phản ứng xảy ra trên bề mặt phân chia haipha lỏng, khí) trên bề mặt xúc tác rắn của các hạt nano, so với các quá trình oxy hóatương tự trong các phản ứng đồng thể (phản ứng xảy ra trong pha khí hoặc phalỏng) không có hạt nano kim loại hoặc nano oxit kim loại

15

Cụm nano

Cụm nano

Phân ly

Tạo

HìnhPhân1ly.4 vàChuỗisắp phânxếplạtửi nano CeOth2 [18] nh à chuỗi

Phụ gia nano oxit kim loại/kim loại gồm các phụ gia chứa hợp chất của kim loạinhư ferrocene và hợp chất chứa Ce, Ca, Ba, Ni, naphthenate, sulphate, cacbonate.Nghiên cứu phụ gia Ca, Ba, Fe, Ni naphthenate cho thấy Ca và Ba có hiệu quả nhấttrong việc giảm sự hình thành muội và tăng cường oxy hóa muội Chuỗi phân tửnano CeO2 được sử dụng làm phụ gia được thể hiện trên Hình 1.4 [19, 20]

Cơ chế hoạt động của phụ gia nano kim loại hoặc nano oxit kim loại như sau: Khihòa trộn vào nhiên liệu, các phân tử của hệ phụ gia có khả năng xúc tác cho quá trìnhoxy hóa các hydrocacbon có mặt trong nhiên liệu trong quá trình đốt cháy nhiên liệudẫn tới suất tiêu thụ nhiên liệu giảm đi Mặt khác, các hạt nano khi có mặt trong nhiênliệu lỏng làm tăng diện tích bề mặt phản ứng, cung cấp thêm oxy cho quá trình đốt làmtăng nhiệt cháy Phần tử kim loại hoặc oxit kim loại có kích thước nano phối hợp làmchất xúc tác cho phản ứng đốt cháy các nhiên liệu, phụ gia này có khả năng đi qua bộlọc nhiên liệu và tự đốt cháy, hoặc được đốt cháy sao cho phát thải được giảm thiểu Đểđạt được điều đó, đường kính của hạt nano phải nhỏ hơn 10nm

Để thuận tiện trong trình bày, luận án phân loại phụ gia vi nhũ thành hai loại:

- Phụ gia vi nhũ thế hệ cũ: là phụ gia chỉ gồm vi nhũ nước trong dầu (đã trình bày

ở mục 1.3.2)

- Phụ gia vi nhũ thế hệ mới: là loại phụ gia kết hợp phụ gia vi nhũ nước trong dầu (đã trình bày ở mục 1.3.2) và phụ gia nano oxit kim loại (đã trình bày ở mục 1.3.3).Phụ gia vi nhũ thế hệ mới được trình bày cụ thể hơn ở mục 1.3.4 dưới đây

1.3.4 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới

Mặc dù nhiên liệu sử dụng phụ gia đã được nghiên cứu ít nhiều đều có tác dụng tănghiệu suất cháy, yêu cầu về nghiên cứu phát triển phụ gia nhiên liệu có hiệu quả cao hơnvẫn luôn được đặt ra Trong những năm gần đây, một số nghiên cứu khảo sát phụ gia vinhũ thế hệ mới, kết hợp phụ gia vi nhũ nước trong dầu và phụ gia nano oxit kimloại/kim loại, nhằm đồng thời phát huy ưu điểm của hai loại trên đã được quan tâm.Phụ gia này sẽ đảm nhiệm chức năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải

khí ô nhiễm theo hai cơ chế khác nhau gồm cơ chế vi nổ của các phụ gia vi nhũ nướctrong dầu và cơ chế xúc tác cho quá trình cháy hoàn toàn nhờ các hạt nano oxit kimloại Ưu điểm nổi bật của phụ gia là các thành phần đều có kích cỡ ở cấp độ phân tử(nm) nên thể hiện được đầy đủ các đặc tính đặc biệt ưu việt của vật liệu nano Nhờ thế,chỉ cần sử dụng một lượng phụ gia rất nhỏ nhưng có thể mang lại hiệu quả tiết kiệmnhiên liệu và giảm phát thải đáng kể Việc chỉ sử dụng một lượng nhỏ phụ gia còn có ýnghĩa đặc biệt quan trọng vì nó không đủ nhiều về mặt khối lượng để có thể làm ảnhhưởng tới các tính chất của nhiên liệu, khả năng pha trộn dễ dàng, chi phí bổ sung rất ít,mang lại hiệu quả kinh tế - xã hội cao và đặc biệt không ảnh hưởng tới sự an toàn trongvận hành động cơ, an toàn trong bảo quản, vận chuyển nhiên liệu.

Cơ chế vi nổ của nhiên liệu vi nhũ nước trong dầu, chứa nano oxit kim loại được

mô tả trong Hình 1.5 [21]

Nổ bung nước Cháy

Nước

Chất HĐBM Nano oxit kim loại

Hình 1.5 Cơ chế vi nổ của nhiên liệu vi nhũ nước trong dầu, chứa nano

oxit kim loại [21]

Khi phối trộn phụ gia vi nhũ nước trong dầu chứa nano oxit kim loại, các hạt vinhũ lập tức được phân tán đồng đều trong toàn bộ khối nhiên liệu, tạo nên các hạtphụ gia chứa nano oxit kim loại có kích cỡ chỉ vài nm Các hạt này có khả năng xúctác cho quá trình oxy hóa hoàn toàn các hydrocacbon có mặt trong nhiên liệu trongquá trình đốt cháy nhiên liệu Đồng thời, các hạt nano oxit kim loại có mặt trongnhiên liệu lỏng sẽ làm tăng diện tích bề mặt phản ứng, cung cấp thêm oxy cho quátrình đốt cháy, làm cho quá trình cháy diễn ra thuận lợi và triệt để hơn Nhờ vậyhiệu suất tiêu thụ nhiên liệu sẽ giảm, các chất ô nhiễm sinh ra từ quá trình đốt cháykhông hoàn toàn nhiên liệu (muội, CO, HC chưa cháy hết) sẽ giảm đáng kể Sơ đồkhối sự pha trộn nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới như Hình 1.6

17

PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI

Phụ gia vi nhũ nước trong dầu

[Nước + Chất HĐBM + dầu thực vật]

DIESEL NHIÊN LIỆU PHA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI

Hình 1.6 Sơ đồ khối pha trộn nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới

1.4 Các công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia vi nhũ

1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Nhiên liệu nhũ tương W/O sử dụng như là nhiên liệu được nghiên cứu lần đầutiên vào năm 1976 bởi Gillberg và Friberd Các tác động tích cực của việc sử dụngnhiên liệu nhũ tương thay cho các nhiên liệu truyền thống trong vấn đề phát thảichất ô nhiễm và hiệu quả cháy của nhiên liệu đã được đề cập đến trong nhiều tài liệu[15,22]

Theo B.S.Bidita [15] vi nhũ nước trong dầu có thể điều chế một cách trực tiếpbằng phương pháp nhũ tương hóa năng lượng cao, sử dụng chất hoạt động bề mặtTriton X-100 Khoảng nồng độ chất hoạt động bề mặt thay đổi 0,25% ÷ 0,4% thểtích so với diesel, còn hàm lượng nước thay đổi từ 0,50% ÷ 0,90% thể tích so vớidiesel Kết quả nghiên cứu cho thấy, kích thước giọt vi nhũ được tạo thành, daođộng trong khoảng 17nm ÷ 400nm tại các tỷ lệ chất hoạt động bề mặt - nước khácnhau, hệ vi nhũ bền trong 16 ngày

Abu-Zaid và cộng sự [23] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của sự nhũ hóa nướctrong nhiên liệu diesel đến hiệu suất động cơ và nhiệt độ khí thải Thực nghiệm đượctiến hành trên động cơ diesel PETTER PHIW một xy lanh, phun nhiên liệu trực tiếp

ởdải tốc độ thử nghiệm 1200 ÷ 3300 vòng/phút Nhiên liệu với các tỷ lệ thể tích khácnhau của nước/diesel, lần lượt là 0%, 5%, 10%, 15% và 20%, đã được phun trực tiếpvào động cơ Các kết quả đã chỉ ra rằng việc thêm nước vào nhiên liệu giúp tăng cườnghiệu quả cháy cho động cơ diesel, do đó tăng hiệu suất động cơ Mômen xoắn, côngsuất và hiệu suất nhiệt tăng khi tỷ lệ nước trong hệ nhiên liệu nhũ tương tăng Đồngthời, suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí thải giảm khi tỷ lệ nước trong

nhiên liệu nhũ tương tăng lên Hiệu suất nhiệt tăng trung bình khoảng 3,5% và suất

tiêu hao nhiên liệu giảm tối đa 15% trên toàn dải tốc độ thử nghiệm, khi sử dụng

nhiên liệu nhũ tương chứa 20% nước Độ giảm của suất tiêu hao nhiên liệu được

tính toán trên cơ sở lượng diesel sử dụng, không bao gồm lượng nước trong nhiên

liệu Nếu lượng nhiên liệu tiêu thụ là tổng lượng diesel và nước trong nhiên liệu thì

kết quả suất tiêu hao nhiên liệu tăng theo chiều tăng hàm lượng nước

Kannan và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của khả năng cháy của nhiên liệu nhũ

tương nước trong diesel đến hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx

và HC Thử nghiệm trên động cơ 4 kỳ 1 xy lanh, phun nhiên liệu trực tiếp, tốc độ

1500 vòng/phút, áp suất phun 200 bar, nhiên liệu diesel nhũ tương tỷ lệ 10% và

20% thể tích nước cho thấy: Nhiên liệu nhũ tương có khả năng cải thiện hiệu suất

nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Phát thải NOx giảm 10% và 25% tương

ứng với hàm lượng nước 10% và 20% Phát thải HC cũng có xu hướng giảm khi

tăng hàm lượng nước Suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải NOx với các nhiên liệu

thử nghiệm thể hiện trên Hình 1.7 [24]

19