Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học trong hỗn hợp diesel ethanol biodiesel tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel

Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài cấp cơ sở “Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên li

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài cấp cơ sở

“Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel”, mã số T2018-PC-041 do PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài cấp cơ sở vào việc viết luận án Tôi xin cam đoan 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, ngày tháng năm 2021

Tập thể giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh

GS.TS Phạm Minh Tuấn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến Nguyễn Văn Nhỉnh

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và khí thải đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Phạm Hữu Tuyến đã chu đáo, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài cấp

cơ sở mã số T2018-PC-041 đã đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài vào việc viết luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, Khoa Cơ khí Động lực cùng các thầy cô trong khoa đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và các nhà khoa học đã dành thời gian quý báu để đọc và góp ý giúp tôi hoàn thiện luận án

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người

đã luôn động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Nhỉnh

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẦU 1

i Sự cần thiết của đề tài 1

ii Mục đích nghiên cứu 2

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iv Phương pháp nghiên cứu 2

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

vi Tính mới của đề tài 3

vii Bố cục của luận án 3

1.1 Khái quát chung về nhiên liệu sinh học 4

1.2 Nhiên liệu ethanol và biodiesel 4

1.2.1 Nhiên liệu ethanol 4

1.2.2 Nhiên liệu biodiesel 8

1.3 Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel 12

1.3.1 Trên thế giới 12

1.3.2 Tại Việt Nam 13

1.4 Các kết quả nghiên cứu sử dụng ethanol và biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel 15

1.4.1 Nghiên cứu ngoài nước 15

1.4.2 Nghiên cứu trong nước 24

1.5 Hướng tiếp cận của luận án 27

1.6 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL-BIODIESEL 29

2.1 Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel 29

2.1.1 Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol 29

2.1.2 Tính chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel 32

2.2 Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel 34

2.2.1 Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng diesel khoáng 34

2.2.2 Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol 36

iv

2.2.3 Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp

diesel-ethanol-biodiesel 38

2.3 Nghiên cứu cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp 39

2.3.1 Cấu trúc của tia phun trong động cơ 39

2.3.2 Cấu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu 43

2.4 Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL Boost 44

2.4.1 Phương trình nhiệt động học 44

2.4.2 Lý thuyết tính toán quá trình cháy 46

2.4.3 Lý thuyết tính toán truyền nhiệt 50

2.4.4 Lý thuyết tính toán lượng phát thải trong động cơ diesel 51

2.4.5 Mô hình nhiên liệu 53

2.5 Cơ sở phương pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động cơ 53

2.5.1 Thành phần và phân bố hạt theo kích thước 54

2.5.2 Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lượng hạt 55

2.6 Kết luận chương 2 56

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH NĂNGKỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL-BIODIESEL 58

3.1 Xây dựng mô hình động cơ diesel và đánh giá độ tin cậy của mô hình 58

3.1.1 Mục đích và đối tượng mô phỏng 58

3.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 60

3.1.3 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng 64

3.2 Tính toán mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel 67

3.2.1 Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol 67

3.2.2 Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel 73

3.3 Kết luận chương 3 83

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 85

4.1 Mục đích thử nghiệm 85

4.2 Phương pháp, đối tượng và chế độ thử nghiệm 85

4.2.1 Phương pháp thử nghiệm 85

4.2.2 Đối tượng thử nghiệm 85

4.2.3 Chế độ thử nghiệm 86

4.3 Trang thiết bị thử nghiệm 86

4.3.1 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 86

4.3.2 Các thiết bị thử nghiệm chính 87

v

4.4 Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10,

DE5B5 và DE10B5 91

4.4.1 Các thiết bị sử dụng nghiên cứu 91

4.4.2 So sánh cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và DE10B5 92

4.5 Kết quả thử nghiệm động cơ trên băng thử 94

4.5.1 Tính năng kỹ thuật của động cơ và diễn biến áp suất trong xylanh 94

4.5.2 Ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu tới phát thải động cơ 98

4.6 So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với nhiên liệu DE10B5 109

4.7 Tính toán sơ bộ lượng ethanol thay thế diesel 111

4.8 Kết luận chương 4 112

KẾT LUẬN CHUNG 114

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 121

MỤC LỤC PHỤ LỤC 122

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3] 7

Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza [5] 8

Hình 1.3 Sơ đồ sản xuất biodiesel 12

Hình 1.4 Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015[12] 13

Hình 1.5 Phát thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21] 16

Hình 1.6 Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph và 1500 v/ph [21] 16

Hình 1.7 Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]17 Hình 1.8 Phát thải NOx, smoke khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24] 17

Hình 1.9 So sánh tính năng động cơ của diesel, B5, B20, B70 và B100 [26] 18

Hình 1.10 Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, B70 và B100 [26] 19

Hình 1.11 Đặc tính cháy của nhiên liệu thử nghiệm [35] 20

Hình 1.12 Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của nhiên liệu thử nghiệm [36] 21

Hình 1.13 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel, DB10, DE10B10, DE20B10[38] 22

Hình 1.14 Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, DE3B12 và DE4B16 tại 100% tải [39] 23

Hình 1.15 Phát thải của nhiên liệu diesel, DE15, DE10B10 và DE15B20 [40] 24

Hình 1.16 Thay đổi Ne và ge theo tỷ lệ diesel 25

Hình 1.17 Quan hệ giữa CO, HC, NOx, độ khói và tỷ lệ pha trộn diesel sinh học [43] 25

Hình 1.18 Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48] 26

Hình 1.19 Phát thải CO, HC, NOx khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48] 27 Hình 2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến độ nhớt nhiên liệu [49,50,51].30 Hình 2.2 Trị số xêtan của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] 30

Hình 2.3 Nhiệt trị của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] 31

Hình 2.4 Hàm lượng ô xy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] 31

Hình 2.5 Nhiệt độ tự cháy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] 32

Hình 2.6 Nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] 32

Hình 2.7 Đồ thị khai triển quá trình cháy ở động cơ diesel [56,57,58] 35

Hình 2.8 So sánh áp suất trong xylanh khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59] 36

Hình 2.9 So sánh tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59] 37

vii

Hình 2.10 Tốc độ cháy của nhiên liệu diesel-ethanol [59] 37

Hình 2.11 Diễn biến áp suất trong xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt (pinj = 1200 MPa, n = 1200 v/ph) [37] 39

Hình 2.12 Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón [60] 40

Hình 2.13 So sánh các tia phun với các tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên liệu khác nhau [62] 43

Hình 2.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tính phun [62] 44

Hình 2.15 Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ 45

Hình 2.16 Thành phần phát thải hạt được tạo ra trong quá trình cháy 54

Hình 2.17 Phân bố số lượng, khối lượng, diện tích bề mặt theo đường kính hạt 55

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý hệ thống lấy mẫu xác định số lượng hạt trong khí thải 56 Hình 3.1 Động cơ diesel Hyundai D4BB ……… 58

Hình 3.2 Đường đặc tính ngoài động cơ thực 59

Hình 3.3 Mô hình động cơ D4BB 61

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 65

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải CO 66

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx 66

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải NOx 67

Hình 3.8 Mômen (a) và suất tiêu hao nhiên liệu (b) theo đặc tính ngoài 68

Hình 3.9 Suất tiêu hao nhiên liệu, sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải 69

Hình 3.10 Hàm lượng CO theo đặc tính ngoài 70

Hình 3.11 Hàm lượng CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph 71

Hình 3.12 Hàm lượng NOx theo đường đặc tính ngoài 71

Hình 3.13 Hàm lượng NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph 72

Hình 3.14 Hàm lượng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đường đặc tính ngoài 73

Hình 3.15 Hàm lượng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đặc tính tải tại 2000v/ph 73

Hình 3.16 Mô men và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài 75

Hình 3.17 Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài 76 Hình 3.18 Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình tại 2000 v/ph 77

Hình 3.19 Hàm lượng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngoài 78

Hình 3.20 Hàm lượng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph 79

Hình 3.21 Hàm lượng NOx và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài 80

Hình 3.22 Hàm lượng NOx và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 81

viii

Hình 3.23 Hàm lượng soot và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài 82

Hình 3.24 Hàm lượng soot và sự thay đổi trung bình đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 83

Hình 4.1 Khuấy hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu………86

Hình 4.2 Sơ đồ thử nghiệm động cơ D4BB 86

Hình 4.3 Băng thử động lực cao động cơ 87

Hình 4.4 Phanh điện APA 100 87

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của cảm biến tốc độ động cơ 88

Hình 4.6 Thiết bị đo độ đen Smoke Meter AVL 415 89

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S 89

Hình 4.8 Sơ đồ của hệ thống phân tích khí xả AVL CEBII 90

Hình 4.9 Sơ đồ khối hệ thống lấy mẫu xác định số hạt trong khí thải 91

Hình 4.10 Thiết bị cân chỉnh vòi phun 92

Hình 4.11 Máy quay Photron Fastcam SA3 tốc độ 3000 FPS 92

Hình 4.12 Quá trình chụp tia nhiên liệu 92

Hình 4.13 Cấu trúc tia phun nhiên liệu diesel, DE5, ED10, DE5B5 và DE10B5 93

Hình 4.14 Mômen và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài 95

Hình 4.15 Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài 96

Hình 4.16 Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 97

Hình 4 17 Diễn biến áp suất trong xylanh theo đường đặc tính ngoài 98

Hình 4.18 Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài 99

Hình 4.19 Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 100

Hình 4 20 Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài 101

Hình 4.21 Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 102

Hình 4.22 Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài 103

Hình 4.23 Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph 104

Hình 4.24 Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài 105

Hình 4.25 Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 106

Hình 4.26 Giá trị Lambda theo đường đặc tính ngoài 107

Hình 4.27 Giá trị Lambda theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 108

Hình 4.28 Số hạt và sự thay đổi trung bình theo đường đặc tính ngoài 109

Hình 4.29 Số hạt trung bình trong khí thải theo đường đặc tính ngoài 109

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của ethanol [2] 5

Bảng 2.1 Một số tính chất nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] ………29

Bảng 2.2.Một số tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel [49,50,53,54] 33

Bảng 2.3 Chuỗi phản ứng hình thành NOx 51

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của động cơ D4BB theo catalog [73] ………59

Bảng 3.2 Thông số đặc tính ngoài động cơ nghiên cứu 59

Bảng 3.3 Tính chất của nhiên liệu mô phỏng [2,6] 60

Bảng 3.4 Các phần tử để xây dựng mô hình động cơ D4BB 61

Bảng 3.5 Thành phần hóa học của nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu cọ [63] 62 Bảng 3.6 Thông số của mô hình nhiên liệu gốc [63] 63

Bảng 3.7 So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) công suất, suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng diesel 64

Bảng 3.8 So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) thành phần phát thải CO 65

Bảng 3.9 So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) thành phần phát thải NOx 66

Bảng 3.10 So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) thành phần phát thải soot khi sử dụng diesel 67

Bảng 3.11 So sánh mômen của động cơ khi sử dụng diesel, DE5, DE10 68

Bảng 3.12 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5, DE10 68

Bảng 3.13 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải tại 2000v/ph 69

Bảng 3.14 Phát thải CO theo đường đặc tính ngoài 70

Bảng 3.15 Phát thải CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph 70

Bảng 3.16 Phát thải NOx theo đường đặc tính ngoài 71

Bảng 3.17 Phát thải NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph 72

Bảng 3.18 Phát thải soot theo đường đặc tính ngoài 72

Bảng 3.19 Hàm lượng soot theo đặc tính tải tại 2000v/ph 73

Bảng 3.20 Mômen của động cơ khi sử dụng diesel, DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 tại đặc tính ngoài 74

Bảng 3.21 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5B5, DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 theo đặc tính ngoài 75

Bảng 3.22 Suất tiêu hao nhiên liệu tại 2000 v/ph theo đặc tính tải 76

Bảng 3.23 Phát thải CO theo đường đặc tính ngoài 77

Bảng 3.24 Phát thải CO khi sử dụng diesel, DE5B5,DE10B5, DE15B5, DE20B5 DE30B5, DE50B5 theo đặc tính tải tại 2000 v/ph 78

x

Bảng 3.25 Phát thải NOx theo đường đặc tính ngoài 79

Bảng 3.26 Phát thải NOx theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 80

Bảng 3.27 Phát thải soot theo đường đặc tính ngoài 81

Bảng 3.28 Phát thải soot theo đặc tính tải tại 2000 v/ph 82

Bảng 4.1 Chiều dài và góc của tia phun………93

Bảng 4.2 Mô men của động cơ với các mẫu nhiên liệu theo đường đặc tính ngoài 95 Bảng 4.3 Suất tiêu hao nhiên liệu với các mẫu nhiên liệu theo đường đặc tính ngoài 96

Bảng 4.4 Suất tiêu hao nhiên liệu với các nhiên liệu thử nghiệm theo đặc tính tải tại 2000v/ph 96

Bảng 4.5 Phát thải CO theo đường đặc tính ngoài 99

Bảng 4.6 Phát thải CO theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 99

Bảng 4.7 Phát thải HC theo đường đặc tính ngoài 100

Bảng 4 8 Phát thải theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 101

Bảng 4.9 Phát thải NOx theo đường đặc tính ngoài 102

Bảng 4.10 Phát thải NOx theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 103

Bảng 4.11 Smoke theo đường đặc tính ngoài 104

Bảng 4.12 Smoke khi theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 105

Bảng 4.13 Giá trị lambda theo đường đặc tính ngoài 106

Bảng 4.14 Giá trị Lambda theo đường đặc tính tải tại 2000 v/ph 107

Bảng 4.15 Số hạt theo đường đặc tính ngoài 108

Bảng 4 16 So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) mô men, suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng DE10B5 109

Bảng 4 17 So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát thải CO khi sử dụng DE10B5 110

Bảng 4 18 So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát thải NOx khi sử dụng DE10B5 110

Bảng 4 19 So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát thải soot khi sử dụng DE10B5 111

xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu/viết

tắt

Tiếng Anh/tiếng Việt Diễn giải

bmep Brake Mean Effective

Pressure

Áp suất có ích trung bình

HFRR High-Frequency

Receiprocating Rig

Khả năng bôi trơn

DE5B5 - Nhiên liệu 90% diesel và 5% ethanol

và 5%biodiesel DE10B5 - Nhiên liệu 85% diesel và 10% ethanol

và 5%biodiesel DE15B5 - Nhiên liệu 80% diesel và 15% ethanol

và 5%biodiesel DE20B5 - Nhiên liệu 75% diesel và 20% ethanol

và 5%biodiesel DE30B5 - Nhiên liệu 65% diesel và 30% ethanol

và 5%biodiesel CME Cottonseed Methyl

Ester

Dầu hạt bông SME Soybean Methyl Ester Dầu đậu nành

xii

RME Rapeseed Methyl Ester Dầu hạt cải

PME Palm Oil Methyl Ester Dầu cọ

WME Waste Cooking Oil

Methyl Ester

Dầu ăn phế thải

NLSH Nhiên liệu sinh học Nhiên liệu từ nguồn sinh học

Nam

FPS FramePer Second Tốc độ khung hình

MỞ ĐẦU

i Sự cần thiết của đề tài

Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn Trong khi

đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Theo như dự báo của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa Mặt khác, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường, hệ sinh thái và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống

Vì vậy việc tìm ra các nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết Năng lượng tái tạo nói chung và nhiên liệu sinh học cho phương tiện giao thông nói riêng đã và đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng mạnh mẽ Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường 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 Một khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố

xã hội và môi trường có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lượng xanh, năng lượng phát thải cácbon thấp luôn nhận được sự ưu tiên hàng đầu

Nhiên liệu sinh học sử dụng cho động cơ đốt trong phổ biến nhất hiện nay là ethanol và diesel sinh học Việt Nam là nước nông nghiệp nên có nhiều tiềm năng

về sản xuất nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu khoáng Nhận biết được lợi ích của việc sử dụng nhiên liệu sinh học cũng như lợi thế to lớn, từ năm 2007 Chính phủ đã ban hành quyết định số 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, 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 [16] Đề

án này cũng đưa ra mục tiêu cụ thể là đến năm 2015, nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% và đến năm 2025 đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước Nhằm thực hiện các mục tiêu này, năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số 53/2012/QĐ-TTg về

lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17] Theo quyết định này, xăng E5 và E10 được sử dụng tại 7 thành phố lớn vào cuối

2014 và 2016, tiếp theo sẽ sử dụng rộng rãi trên toàn quốc vào cuối 2015 và 2017, trong khi đó diesel sinh học B5 và B10 được khuyến khích sản xuất, phối chế và sử dụng Đối với ethanol sinh học, nước ta có khá nhiều nguồn nguyên liệu để chế biến như sắn, rơm rạ, trấu, vỏ cà phê, bã mía Đến nay cả nước đã có bảy nhà máy sản

2

xuất ethanol đi vào hoạt động với công suất thiết kế đạt khoảng 600.000 m3/năm Lượng ethanol để pha xăng E5 bán trên thị trường cho ô tô, xe máy chạy xăng khoảng 177.900 m3/năm chỉ chiếm 44% sản lượng Do đó lượng ethanol thừa còn rất nhiều trong khi rất khó xuất khẩu do hạn chế về công nghệ và qui mô sản xuất nên giá thành cao Nhằm duy trì và phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học còn non trẻ, góp phần phát triển kinh tế- xã hội và bảo vệ môi trường cần phải tìm giải pháp tăng lượng tiêu thụ ethanol trong nước Một hướng khả thi nhất là nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ diesel (là động cơ phổ biến trên xe tải, xe bus từ

cỡ nhỏ đến cỡ lớn) bằng cách pha ethanol vào diesel Tuy nhiên, do ethanol có những tính chất vật lý khác xa so với của diesel như trị số xetan thấp và độ nhớt thấp… nên ảnh hưởng xấu đến tính năng của động cơ Để khắc phục một phần ảnh hưởng này có thể pha thêm một lượng biodiesel như là chất phụ gia Do đó việc nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel cho động cơ diesel và ảnh hưởng đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ là cần thiết

ii Mục đích nghiên cứu

- Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel, làm cơ sở tăng lượng tiêu thụ ethanol

- Lựa chọn được tỷ lệ hợp lý để tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ D4BB, 4 xylanh thẳng hàng, hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu cơ khí, được sử dụng trên xe tải Hyundai 1,25 tấn đang lưu hành tại Việt Nam Nhiên liệu nghiên cứu trong mô phỏng là diesel thông thường và hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel trong đó biodiesel có tỷ lệ 5%, tỷ lệ ethanol thay đổi từ 5% đến 30%, còn lại là diesel thông thường Nhiên liệu nghiên cứu trong thử nghiệm gồm diesel thông thường, hỗn hợp nhiên DE5, DE10, DE5B5

và DE10B5 (hỗn hợp được pha trộn theo phần trăm về thể tích) Nhiên liệu diesel

có sẵn trên thị trường Việt Nam theo TCVN 5689-2018

- Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phòng thí nghiệm với các chế độ làm việc

ổn định theo đường đặc tính ngoài, đường đặc tính tải

iv Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là phương pháp tổng hợp và phân tích, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm cụ thể như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết: Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ D4BB sử dụng nhiên liệu diesel thông thường và hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel theo tỷ lệ về thể tích nhằm thực hiện nhiệm vụ:

- Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện trong phòng thí nghiệm đánh giá định lượng và phân tích được ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tới các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ diesel thông thường

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Luận án đã đưa ra giải pháp khoa học phù hợp nhằm lựa chọn được tỷ lệ phối trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel (DE10B5) hợp lý, đảm bảo tính năng kỹ thuật

và giảm phát thải cho động cơ diesel đang lưu hành

- Kết quả của luận án là cơ sở cho việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ diesel, giúp nâng cao tiêu thụ nhiên liệu ethanol, góp phần hoàn thành mục tiêu của của đề án phát triển NLSH của Chính phủ

vi Tính mới của đề tài

Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel trên động cơ diesel Trong đó động cơ nghiên cứu là loại được sử dụng phổ biến ở Việt Nam, nhiên liệu ethanol và biodiesel được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sắn và dầu cọ ở Việt Nam

vii Bố cục của luận án

Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về nhiên liệu ethanol và biodiesel

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel

Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ

BIODIESEL 1.1 Khái quát chung về nhiên liệu sinh học

Trước thực trạng ô nhiễm môi trường từ khí thải động cơ đốt trong, sự suy giảm nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự thiếu hụt về nguồn năng lượng nên việc tìm

ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều quan trọng và cần thiết Các nguồn năng lượng tái tạo có thể kể đến như thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, gió, thủy triều, năng lượng sinh học… trong đó sử dụng năng lượng có nguồn gốc sinh học đang là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới Năng lượng sinh học nói chung và nhiên liệu sinh học cho phương tiện giao thông nói riêng đã và đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng NLSH được định nghĩa là nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động vật, thực vật [1] Ví dụ như nhiên liệu chế suất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa ), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương ), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân ), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải ) Sử dụng (NLSH) có nhiều ưu điểm như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, có khả năng tái tạo, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, có thể

sử dụng trên động cơ thông thường mà ít phải thay đổi kết cấu NLSH dùng cho động cơ đốt trong gồm hai dạng chủ yếu là nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng Nhiên liệu dạng khí gồm biogas hay khí sinh học là hỗn hợp của khí methane CH4 (50÷60%) và CO2 (>30%) và một số khí khác như hơi nước, N2, O2, H2S, CO sinh

ra từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong môi trường yếm khí, xúc tác ở nhiệt độ

từ 200C÷400C Nhiên liệu dạng lỏng gồm xăng sinh học và diesel sinh học Hiện nay trên thế giới xăng sinh học thông dụng nhất là ethanol Do ethanol có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa tinh bột như ngũ cốc, ngô, khoai, sắn và nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường Diesel sinh học được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este, và

có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel

1.2 Nhiên liệu ethanol và biodiesel

1.2.1 Nhiên liệu ethanol

5

Trị số octan của ethanol cao Vì vậy, việc pha ethanol vào xăng thông dụng cũng sẽ có tác dụng nhất định trong việc hạn chế hiện tượng kích nổ Thực tế cho thấy, xăng pha ethanol có trị số ốc tan cao hơn so với xăng gốc ban đầu Nhiệt lượng của ethanol chỉ bằng khoảng 0,6 lần so với nhiệt lượng của xăng thông dụng nên về nguyên tắc, để có thể sản sinh ra một lượng nhiệt năng như nhau thì phải cần một lượng ethanol gấp khoảng 1,67 lần so với xăng Vì vậy, để duy trì công suất cho động cơ khi chuyển từ xăng sang ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp

có thành phần ethanol cao thì cần phải có các biện pháp để tăng lượng nhiên liệu cung cấp tương ứng với hàm lượng ethanol có trong đó Áp suất bay hơi của ethanol cao hơn nhiều so với xăng Tính chất này sẽ gây ra khó khăn cho động cơ sử dụng ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao trong việc khởi động xe ở nhiệt độ thấp và trong việc hòa trộn giữa nhiên liệu với không khí Cũng do khả năng bay hơi kém nên ở loại động cơ nhiều xy lanh sử dụng chế hòa khí hoặc phun nhiên liệu tập trung, một lượng lớn ethanol dạng lỏng đã tạo thành lớp màng mỏng bám trên đường ống nạp và dẫn tới sự phân bổ nhiên liệu không đồng đều giữa các xy lanh [1] Một số tính chất lý hóa của ethanol được thể hiện trên Bảng 1.1

- Phản ứng với kim loại kiềm: ethanol tác dụng với Na và NaNH2

- Phản ứng với axit halogen

- Phản ứng tách nước (dehyđrat hóa) tạo ankan và ete

- Phản ứng dehydro hóa (tách hydro)

6

- Phản ứng với oxi hóa: ethanol dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa

có màu xanh da trời, tỏa nhiều nhiệt

- Phản ứng este hóa

- Phản ứng thế -OH bởi halogen trong photpho clorua PCl3, PCl5 và tionin clorua SOCl2 khi có pyridine C5H5N

1.2.1.3 Công nghệ sản xuất ethanol

Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà ethanol được sản xuất theo các phương pháp và quy trình khác nhau Hiện nay có hai phương pháp được dùng phổ biến để sản xuất ethanol như sau:

a) Phương pháp hydrat hóa ethylen

Ethanol dùng trong công nghiệp thường được sản xuất từ các nguyên liệu dầu

mỏ thông qua phương pháp hydrat hóa ethylen với xúc tác axit

- Với xúc tác là axit photphoric: Cho ethylen hợp nước ở 3000C áp suất 70 ÷

80 atm thì phản ứng hóa học như sau

b) Phương pháp lên men

Nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol bằng công nghệ lên men chủ yếu sử dụng các loại cây trồng chứa đường đơn giản (xenlulozo) hoặc ngũ cốc chứa tinh bột Ethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối - ethanol khan)

Trong số các nguyên liệu thế hệ thứ nhất chứa tinh bột và đường, sắn là sản phẩm có tỷ suất thu hồi ethanol cao nhất Vì vậy, sắn được sử dụng để sản xuất ethanol trong nước và xuất khẩu Quá trình sản xuất ethanol từ sắn qua các giai đoạn sau (Hình 1.1) [3]:

- Giai đoạn xử lý nguyên liệu sắn đem thái lát, phơi khô và nghiền

- Giai đoạn hồ hóa-đường hóa:

+ Mặc dù tồn tại song song 02 công nghệ hồ hóa - đường hóa bằng axít và bằng chế phẩm enzyme amylaza Tuy nhiên, hầu hết các nhà cung cấp công nghệ sản xuất ethanol hiện nay đều lựa chọn công nghệ hồ hóa - đường hóa bằng chế phẩm enzyme amylaza

7

+ Tinh bột có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylaza không thể tác động trực tiếp được Khi nghiền nguyên liệu, chỉ một phần rất ít tế bào tinh bột bị phá vỡ Mặt khác ở nhiệt độ môi trường tinh bột không hòa tan trong nước, khi đường hóa, enzyme amylaza tác dụng rất chậm

+ Quá trình hồ hóa tiếp tục phá vỡ tế bào tinh bột, biến tinh bột ở trạng thái không hòa tan trong nước thành trạng thái hoà tan, giúp cho quá trình đường hóa thuận lợi hơn

+ Quá trình đường hóa sử dụng enzyme amylaza chuyển hóa tinh bột hòa tan thành đường có thể lên men được Trên cơ sở phát triển của công nghệ enzyme chủ yếu do các nhà sản xuất enzyme hàng đầu thế giới như NOVO ENZYME (Đan Mạch), GENENCOR (Mỹ)…

- Lên men

- Chưng cất để tạo ethanol nguyên chất

- Tách nước để tạo ethanol khan với nồng độ trên 99,5%

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3]

Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai bao gồm phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ,

bã mía, vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ cà phê, thân ngô…chất thải rừng gồm những nguyên liệu chứa gỗ như vỏ cây, thân cây Theo khảo sát và đánh giá của Viện Nghiên cứu chiến lược, chính sách Công nghiệp - Bộ Công Thương cho thấy, trữ lượng cồn nhiên liệu tiềm năng đi từ nguyên liệu thế hệ thứ hai của Việt Nam rất lớn, ước tính khoảng 10,9 tỷ lít Trong đó chiếm tỷ trọng lớn nhất là nguyên liệu từ phụ phế phẩm

8

nông nghiệp Tuy nhiên, do chi phí công nghệ chế biến còn cao, đặc biệt là khâu xử

lý nguyên liệu ban đầu khá phức tạp, nguyên liệu khó thu gom, phân loại ở quy mô lớn nên khó ứng dụng để sản xuất cồn trong điều kiện hiện nay của Việt Nam [4] Quá trình sản xuất ethanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột

ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40÷60% xenluloza và 20÷40% hemixenluloza, cấu trúc tinh thể bền Hemixenluloza chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo Nói chung hỗn hợp xeluloza khó hòa tan trong nước Phức polyme thơm có trong gỗ lignin (10÷25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác [5] Để sản xuất ethanol từ xenluloza cần qua 6 giai đoạn Hình 1.2:

- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc rơm rạ

để thủy phân

- Thủy phân xenluloza (cellulolysis) để bẻ gãy các phân tử để tạo đường

- Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (chất polyme thơm)

- Lên men

- Chưng cất để tạo ra ethanol nguyên chất

- Khử nước để tạo ra ethanol khan với nồng độ lên đến 99,7%

Hình 1.2 Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza [5]

1.2.2 Nhiên liệu biodiesel

Diesel sinh học (Biodiesel) là loại nhiên liệu có những tính chất tương đương với diesel khoáng nhưng được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật Về phương diện hoá học, biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ khi được ester hoá bởi các methanol hoặc ethanol [6]

1.2.2.1 Tính chất vật lý

9

Nhiệt độ đông đặc: do thành phần hóa học của các dầu khác nhau nên nhiệt

độ đông đặc khác nhau Các giá trị này không ổn định và thường trong một khoảng nào đó

Hàm lượng este: Là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng của nhiên liệu

diesel sinh học gốc B100 Hàm lượng este cao thể hiện sự chuyển hóa của phản ứng este hóa chéo tốt, đảm bảo chất lượng của biodiesel

Trị số xetan: Dùng để đo khả năng tự cháy của nhiên liệu thu được bằng cách

so sánh nó với nhiên liệu chuẩn trong thử nghiệm trên động cơ đã được tiêu chuẩn hóa

Độ nhớt động học: Là tỷ số giữa độ nhớt động lực và khối lượng riêng của

nhiên liệu Độ nhớt động học là một thông số quan trọng của nhiên liệu đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ diesel

Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của biodiesel thường nhỏ hơn của nước,

ở điều kiện thường (200C), ρ = 0,907÷0,971 (g/cm3) Biodiesel có càng nhiều thành phần hydrocacbon no thì tỷ trọng càng cao

Đặc điểm tính chất của biodiesel so với nhiên liệu diesel được thể hiện như sau:

Trị số xetan cao: Biodiesel có các alkyl este mạch thẳng do vậy nhiên liệu

này có trị số xetan cao hơn diesel khoáng Với trị số xetan cao như vậy, biodiesel hoàn toàn có thể đáp ứng dễ dàng yêu cầu của những động cơ đòi hỏi nhiên liệu chất lượng cao với khả năng tự bắt cháy cao mà không cần phụ gia tăng trị số xetan

Hàm lượng lưu huỳnh thấp: Trong biodiesel hàm lượng lưu huỳnh rất thấp,

khoảng 0,001% Ðặc tính này của biodiesel rất tốt cho quá trình sử dụng làm nhiên liệu, vì nó làm giảm đáng kể khí thải SO gây ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường

Quá trình cháy sạch: Do nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy nên quá

trình cháy nhiên liệu xảy ra triệt để Vì vậy, với những động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel thì sự tạo muội, đóng cặn trong động cơ giảm đáng kể

Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn: Biodiesel có khả năng bôi trơn

rất tốt, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, biodiesel có khả năng bôi trơn tốt hơn diesel khoáng Khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trưng bởi giá trị HFRR (highfrequency receiprocating rig), nói chung giá trị HFRR đạt 500 khi không có phụ gia, nhưng giới hạn đặc trưng của diesel là 450 Vì vậy diesel khoáng yêu cầu phải có phụ gia để tăng cường khả năng bôi trơn Do HFRR cao nên biodiesel còn được coi như là một phụ gia tốt đối với nhiên liệu diesel thông thường Khi thêm vào một tỷ lệ thích hợp biodiesel, sự mài mòn của động cơ được giảm mạnh Thực nghiệm đã chứng minh sau khoảng 15000 giờ làm việc vẫn không nhận thấy mài mòn [7]

Tính ổn dịnh của biodiesel: biodiesel có khả năng phân huỷ rất nhanh (phân

huỷ đến 98% trong 21 ngày) đây chính là ưu điểm lớn về mặt môi trường Do biodiesel kém ổn định nên cần có sự chú ý đặc biệt về quá trình bảo quản [8]

10

Giảm lượng khí thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư: Theo các

nghiên cứu của Bộ năng lượng Mỹ đã hoàn thành ở một trường đại học ở California, sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho diesel khoáng có thể giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải của động cơ Lý do là biodiesel chứa ít các hợp chất thơm, chứa rất ít lưu huỳnh, quá trình cháy triệt để hơn nên giảm được nhiều thành phần hydrocacbon trong khí thải [7,9]

An toàn về cháy nổ tốt hơn: Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao, trên 1100C, cao hơn nhiều so với diesel khoáng (khoảng 600C), vì vậy tính chất nguy hiểm của

nó thấp hơn, an toàn hơn trong tồn chứa và vận chuyển

Nguồn nhiên liệu cho tổng hợp hoá học: Ngoài việc được sử dụng làm nhiên

liệu, các ankyl este axit béo còn là nguồn nguyên liệu quan trọng cho ngành công nghệ hoá học, sản xuất các rượu béo, ứng dụng trong dược phẩm và mỹ phẩm, các ankanolamin, isopropylic este, các polyeste được ứng dụng như chất nhựa, chất hoạt động bề mặt

Có khả năng nuôi trồng được: Tạo nguồn năng lượng độc lập với dầu mỏ,

không làm suy yếu các nguồn năng lượng tự nhiên, không gây ảnh hưởng tới sức khoẻ con người và môi trường Một số tính chất lý hóa của nhiên liệu biodiesel được thể hiện trên Bảng 1.2 [6]

Bảng 1.2 Tính chất vật lý của nhiên liệu biodiesel [6]

1.2.2.2 Tính chất hóa học

Biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ khi được ester hoá bởi các ancol methanol hoặc ethanol Do vậy, tính chất của biodiesel thể hiện qua các phản ứng giống như một este như sau:

Phản ứng xà phòng hóa: với các điều kiện như nhiệt độ, áp suất, xúc tác

thích hợp dầu có thể bị thủy phân:

C3H5(OCOR)3 + 3H2O → 3RCOOH + C3H5(OH)3

Phản ứng cộng hợp: Trong điều kiện thích hợp, các axit béo không no sẽ

cộng hợp với các chất khác

Phản ứng hidro hóa: Là phản ứng được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ, áp

suất thấp và sự có mặt của xúc tác Ni

Phản ứng este hóa: Các glyxerin trong điều kiện có mặt của xúc tác vô cơ

(H2SO4, HCl hoặc NaOH, KOH) có thể tiến hành este hóa trao đổi với các rượu bậc một (như metylic, etylic) thành các alkyl este của axit và glyxerin:

C3H5(OCOR)3 + 3CH3OH → 3RCOOCH3 + C3H5(OH)3Phản ứng này có ý nghĩa thực tế rất quan trọng vì người ta có thể sử dụng các alkyl este béo làm nhiên liệu do giảm một cách đáng kể lượng khí thải độc hại ra môi truờng Ðồng thời, cũng thu được một lượng glyxerin sử dụng trong các ngành công nghiệp mỹ phẩm, hàng tiêu dùng, sản xuất nitro glyxerin làm thuốc nổ

Phản ứng oxy hóa: Tùy thuộc vào bản chất của chất oxy hóa và điều kiện

phản ứng mà tạo ra các chất oxy hóa không hoàn toàn như peroxyt, xetoaxit hoặc các sản phẩm đứt mạch có phân tử lượng bé

Phản ứng trùng hợp: Các axit không no dễ xảy ra phản ứng trùng hợp tạo ra

các hợp chất cao phân tử

1.2.2.3 Nguyên liệu và quy trình sản xuất biodiesel

Nguyên liệu sản xuất biodiesel bao gồm: Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ nhất là dầu thực vật ăn được (dầu hướng dương, dầu lạc, dầu dừa, dầu thầu dầu, dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hạt bông…) và mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, mỡ lợn…) Tuy nhiên, các nguyên liệu này ảnh hưởng tới an ninh lương thực nên việc sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu trên bị Tổ chức Nông Lương thế giới phản đối Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai là các dạng phế thải như mỡ động vật và axit béo phế thải Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ ba bao gồm các loại tảo và dầu jatropha Các nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai và ba là các nguồn nguyên liệu không cạnh tranh với các nguồn lương thực của con người nên đang được quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất biodiesel [8]

Quy trình sản xuất biodiesel được mô tả trên Hình 1.3:

12

Hình 1.3 Sơ đồ sản xuất biodiesel

1.3 Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel

1.3.1 Trên thế giới

Mỹ là nước sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới Sản lượng sản xuất ra chiếm khoảng 43% trên toàn thế giới Tại Mỹ, ethanol sản xuất chủ yếu từ ngô Năm 2008 đạt đến 32 tỉ lít và chỉ tiêu đề ra cho năm 2022 là 137 tỉ lít [10] Ngoài ra, sản lượng diesel sinh học cũng 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 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

2016 là gần 2060 triệu gallon [11]

Brazil sản xuất ethanol (từ mía đường) với sản lượng gần 25 tỉ lít năm, từ năm

2005 đến năm 2012 đã có hơn 116 nhà máy sản xuất ethanol mới được đầu tư xây dựng tại Brazil ngành sản xuất diesel sinh học chỉ mới có một số dây chuyền sản xuất thử nghiệm công suất từ 40 ÷130 (m3/ngày) được vận hành Nguồn nguyên liệu

để sản xuất diesel sinh học ở Brazil là dầu đậu nành, dầu hướng đương, dầu thầu dầu và dầu thực vật đã qua sử dụng

Sản lượng ethanol của Mỹ và Brazil chiếm khoảng 86,25% ethanol sản xuất toàn cầu Theo số liệu năm 2015, Mỹ sản xuất được 14.806 triệu gallons; Brazil 7.093 triệu gallons Sau Mỹ và Brazil là Trung Quốc có sản lượng ethanol là 813 triệu gallons Tổng sản lượng ethanol của toàn thế giới trong năm 2015 ước tính khoảng 25.682 triệu gallons [12] Thống kê sản lượng ethanol và biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến năm 2015 được thể hiện trên Hình 1.4

13

Hình 1.4 Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015[12]

Khối EU sản xuất ethanol chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đường Tiêu thụ NLSH cũng tăng nhanh khoảng 23% mỗi năm, do ngoài việc áp dụng E5, E10 và B7 lên các động cơ truyền thống thì loại động cơ cải tiến dùng E85 đang được áp dụng ngày càng rộng rãi Ngoài ra, do sự thay đổi về chính sách đối với NLSH nên lượng tiêu thụ biodiesel tại khu vực này đang tăng dần (năm 2018 ước tính tăng lên 12.650 triệu lít), [13]

Thái Lan phát triển năng lượng tái tạo trong 10 năm (2012 - 2021) nhằm tăng lượng sử dụng NLSH trên toàn quốc từ 1,1 triệu lít ngày lên 9 triệu lít ngày vào năm

2021 Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường Thái Lan (tháng 6/2017), tổng lượng tiêu thụ biodiesel trong năm 2014, 2015 và 2017 lần lượt là 1,18, 1,23

và 1,3 tỷ lít, ước tính trong năm 2017 và 2018 lượng tiêu thụ biodiesel sẽ đạt khoảng 1,42 và 1,48 tỷ lít Nhu cầu sử dụng diesel sinh học được dự báo sẽ duy trì tăng trưởng hàng năm từ 2,5 ÷ 2,7% từ năm 2018 ÷ 2022, và sau đó dự báo sẽ giảm xuống còn 1,5 ÷ 2,0% sau năm 2022, [14]

Indonesia, theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường Indonesia (2017), lượng tiêu thụ biodiesel của nước này đã tăng từ 860 triệu lít (năm 2015) lên 3.008

tỷ lít (năm 2016) và dự kiến giảm nhẹ vào năm 2017 còn 2,8 tỷ lít Ngoài ra, mức pha trộn cũng đã tăng từ 10% lên 20% vào tháng 6 năm 2017, [15]

1.3.2 Tại Việt Nam

Từ năm 2007 Chính phủ đã ký quyết định số 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 NLSH, 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 [16] Đề án này cũng đưa ra mục tiêu cụ thể là đến năm 2015, nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% và đến năm 2025 đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước Nhằm thực hiện các mục tiêu này, năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số

14

53/2012/QĐ-TTg về lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17] Theo quyết định này, xăng E5 và E10 được sử dụng tại 7 thành phố lớn vào cuối 2014 và 2016, tiếp theo sẽ sử dụng rộng rãi trên toàn quốc vào cuối 2015 và 2017, trong khi đó diesel sinh học B5 và B10 được khuyến khích sản xuất, phối chế và sử dụng Thực tế lộ trình trên bị chậm hơn dự kiến, đầu năm

2018 việc sử dụng xăng sinh học E5 trên toàn quốc mới được thực hiện Đến nay,

cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500 triệu USD, tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm [18], tập trung chủ yếu tại Miền Trung-Tây Nguyên và Miền Nam Thiết bị của các nhà máy này đều được xây dựng sau năm 2007 và được đầu tư thiết bị mới 100%, xuất xứ Châu Á và G7, trình độ tự động hóa đạt trên 85% Cuối năm 2017, nhà máy ethanol Bình Phước và Dung Quất đã được khởi động trở lại Năng lực sản xuất ethanol của các nhà máy tại Việt Nam đã lên tới 400.000

m3/năm (gồm: 200.000 m3 từ hai nhà máy của Công ty TNHH Tùng Lâm; 100.000

m3 của nhà máy ethanol Bình Phước; 100.000 m3 của nhà máy ethanol Dung Quất) Trong khi đó, cả nước tiêu thụ 593.000 m3 xăng E5 RON 92 trong hai tháng đầu năm 2018 Lượng E100 cần thiết để pha chế số xăng này là khoảng 29.650 m3 Nếu việc tiêu thụ xăng E5 RON 92 trong cả năm 2018 tiếp tục diễn biến như hai tháng đầu năm, lượng xăng E5 RON 92 bán ra sẽ đạt mức 3.558.000 m3 Lượng E100 để pha chế là khoảng 177.900 m3 chỉ bằng 44% mức công suất tối đa mà 4 nhà máy có thể cung cấp (400.000 m3/năm) [18]

Ngoài ra, hiện còn có một số dự án đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu đang trong giai đoạn hoàn tất chuẩn bị đưa vào vận hành như Nhà máy sản xuất ethanol sinh học Phú Thọ, Nhà máy cồn sinh học Việt-Nhật cùng với một

số dự án khác đang triển khai Như vậy, nguồn ethanol nhiên liệu rất lớn, hoàn toàn

có thể đáp ứng nhu cầu thể hiện trong Đề án của Chính phủ và xuất khẩu

Trong khi đó, nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động cơ diesel gặp phải nhiều khó khăn do chưa có nguồn nguyên liệu đủ lớn cho sản xuất quy mô công nghiệp Điều này dẫn tới khó đạt được mục tiêu thay thế diesel khoáng bằng diesel sinh học

Tính đến năm 2010, nước ta đã làm chủ công nghệ sản xuất diesel sinh học từ một số nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước và bước đầu tiến hành pha trộn B5 Các nghiên cứu và sản xuất dầu diesel sinh học của Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã có nhiều thành công, hiện đã và đang chuyển giao công nghệ sản xuất cho nhiều doanh nghiệp [19]

Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã chuyển giao công nghệ sản xuất biodiesel

từ dầu thực vật (chiết xuất biodiesel từ hơn mười loại dầu thực vật như dầu cọ, dầu cao su, dầu lai, dầu gòn ) quy mô pilot có công suất 100 kg/ngày cho tập đoàn Trường Thịnh, một đơn vị chuyên sản xuất biodiesel và trồng cây Jatropha tại tỉnh Bình Phước với tổng giá trị 300 triệu đồng đến thời điểm ngày 07/4/2009 Ngoài ra, năm 2010 Viện cũng ký ghi nhớ với hai tỉnh là Ðà Nẵng và Bình Dương dự án sản xuất biodiesel có công suất 1 tấn/ngày với tổng trị giá 4 tỷ đồng [19]

15

Theo đề án Phát triển NLSH của Bộ Công nghiệp đến năm 2015, tầm nhìn

2020 Theo đó đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 500 triệu lít dầu diesel sinh học B10/năm [20] Thực tế nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động cơ diesel còn thiếu do chưa có nguồn nguyên liệu đủ lớn cho sản xuất quy mô công nghiệp Trong khi sản lượng ethanol lại nhiều cho nên cần nghiên cứu sử dụng bổ sung ethanol thay thế cho diesel nhiên liệu cho động cơ diesel

1.4 Các kết quả nghiên cứu sử dụng ethanol và biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel

1.4.1 Nghiên cứu ngoài nước

1.4.1.1 Nhiên liệu diesel- ethanol

Mặc dầu tính chất của ethanol và diesel khá khác nhau nhưng để tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học đã có nhiều nghiên cứu về sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol nhằm đánh giá ảnh hưởng cũng như tìm giới hạn sử dụng… Dưới đây trình bày một

số nghiên cứu theo hướng này

D.C Rakopoulos, C.D Rakopoulos, E.C Kakaras, E.G Giakoumis [21] nghiên cứu với hỗn hợp DE5, DE10 trên động cơ tăng áp 6 xylanh, phun trực tiếp ở các chế độ tốc độ và tải khác nhau Kết quả cho thấy độ khói giảm đáng kể, tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu càng tăng thì mức độ giảm càng lớn Thành phần phát thải

NOx hầu như không thay đổi, trong khi CO giảm, HC tăng và suất tiêu hao tăng nhẹ khi sử dụng diesel-ethanol Các kết quả này cũng chỉ ra hỗn hợp DE5, DE10 có thể

sử dụng an toàn trên động cơ diesel và cải thiện được một số tính năng động cơ

G Venkata Subbaiah [23] nghiên cứu so sánh khi sử dụng diesel, biodiesel B20, B100 và hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol DE10 và DE20 và DE30 Kết quả

17

cho thấy, khi sử dụng DE10 và DE20 và DE30, phát thải HC giảm so với diesel thông thường lần lượt là 35,35%, 29.29% , 24,24%, phát thải NOx tăng lần lượt là 30,22%, 35,82%, 48,88%; phát thải CO2 tăng lần lượt là 3,75%, 5,56%, 6,76%, muội than tăng lần lượt là 10,23%, 11,72% và 14,5%

Bang-Quan He [24] nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 10% và 30% ethanol, thử nghiệm trên động cơ diesel hai xylanh, phun trực tiếp Kết quả cho thấy công suất động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng dần theo tỷ lệ ethanol thay thế (Hình 1.7), phát thải NOx tăng, hàm lượng soot giảm (Hình 1.8)

Hình 1.7 Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]

Hình 1.8 Phát thải NO x , smoke khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]

18

1.4.1.2 Nhiên liệu diesel-biodiesel

Biodiesel đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi cho động cơ diesel nhằm tăng tỷ lệ nhiên liệu sinh học, dưới dạng hỗn hợp phối trộn với diesel khoáng theo

tỷ lệ nhất định (B5, B10…) Nhiên liệu với tỷ lệ phối trộn biodiesel thấp dưới 5%,

có thể sử dụng trên động cơ diesel thông thường mà không phải thay đổi kết cấu và thông số điều chỉnh của động cơ [25] Với tỷ lệ phối trộn cao hơn, động cơ có thể phải điều chỉnh để đảm bảo tính năng kỹ thuật và độ bền của động cơ

Ekrem Buyukkaya [26] tiến hành thử nghiệm trên động cơ diesel tăng áp, 6 xylanh (công suất lớn nhất động cơ 164 kW tại 2100 v/ph) 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 v/ph đến 2100 v/ph Kết quả cho thấy, công suất và mômen của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và B5 không có sự sai khác (Hình 1.9) Tuy nhiên, khi sử dụng B20, B70 và B100, công suất giảm tương ứng 6kW, 8kW và 10kW, 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 là2,5%, 3%, 5,5% và 7,5% Kết quả về các phát thải độc hại cho thấy CO, HC và độ khói giảm xuống trong khi NOx lại tăng lên (Hình 1.10) 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 cũng 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

Hình 1.9 So sánh tính năng động cơ của diesel, B5, B20, B70 và B100 [26]

19

Hình 1.10 Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, B70 và B100 [26]

Thử nghiệm của B.Tesfa [27] trên động cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh trong dải tốc

độ từ 800 ÷ 1600 v/ph khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thường, B50 và B100 cho thấy suất tiêu thụ nhiên liệu khisử dụng B50 và B100 cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel thông thường khoảngtừ 10% đến 15%

Kết quả nghiên cứu của Hansen et al [28] với diesel sinh học B100 trên động

cơ diesel tăng áp, 4 kỳ, 4 xylanh cho thấy mômen xoắn giảm 9,1% so với nhiên liệu chạy diesel thông thường tại tốc độ 1900 v/ph Nguyên nhân được giải thích là do nhiệt trị của B100 giảm 13,3%, ngoài ra còn do khối lượng riêng và độ nhớt tăng

Wu F, Chen W [29] tiến hành thí nghiệm trên động cơ diesel tăng áp Cummin ISBe6 cho 5 loại nhiên liệu diesel sinh học làm từ năm nguồn nguyên liệu khác nhau là dầu bông (CME), dầu đậu nành (SME), dầu hạt cải (RME), dầu cọ (PME)

và dầu rán phế thải (WME) Thử nghiệm tại tốc độ 1500 vòng/phút và năm 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 và 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%

Trong một nghiên cứu khác của Sahoo PK [30] khi so sánh tỷ lệ pha trộn diesel sinh học 20%, 50% và 100% cho nhiên liệu diesel sinh học làm từ ba nguồn khác nhau là Jatropha (JB20, TB50, JB100), Karanja (KB20, KB50, KB100) và Polanga (PB20, PB50, PB100) Thử nghiệm được thực hiện trên động cơ 3 xylanh

đã cho kết quả về phát thải PM của Jatropha so với diesel thông thường tại ba giá trị

20

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

Ngoài ra, còn một số các nghiên cứu khác về phát thải độc hại của động cơ Krahl J [31] 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 [32] 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 [33] khảo sát đối với nhiên liệu diesel sinh học cho thấy phát thải HC giảm trung bình trong khoảng từ 22,5% đến 33,1% Trong khi đó, phát thải NOx 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 cũng đã được nghiên cứu trên nhiều loại nhiên liệu khác nhau

Zhang và Van Gerpen [34] nghiên cứu so sánh khi sử dụng diesel sinh học và diesel tăng áp, 4 xylanh Họ nhận thấy, khi sử dụng diesel sinh học và hỗn hợp nhiên liệu pha nói trên 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 [35] 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 v/ph (Hình 1.11)

Hình 1.11 Đặc tính cháy của nhiên liệu thử nghiệm [35]

Kết quả 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 dầu 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 huởng quyết định đến đặc

21

tính cũng như phát thải của động cơ Lý do là 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

1.4.1.3 Nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel

Hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu về tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel cũng như khả năng sử dụng hỗn hợp này trên động cơ diesel M Al-Hassan thực hiện nghiên cứu về tính hòa tan của hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel và tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ diesel với hỗn hợp này [36] Nhiên liệu diesel-ethanol DE5, DE10, DE15, DE20 không bền và phân tách pha sau 80, 24, 5 và 2 giờ Tuy nhiên khi trộn thêm 10% biodiesel, hỗn hợp DE10B10, DE15B10, DE20B10 có thời gian tách pha tăng lên đáng kể, tới 9, 3 và 1 ngày tương ứng với hỗn hợp DE10, DE15, DE20 Đối với hỗn hợp DE5B10 thì hầu như không có sự phân tách pha Thử nghiệm các hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel trên động cơ diesel 1 xylanh có dung tích xylanh 1,433 lít, công suất 8 mã lực Kết quả cho thấy về công suất động cơ không thay đổi khi sử dụng DE5B10, và công suất giảm khi sử dụng DE10B10, DE15B10, DE20B10 Suất tiêu hao nhiên liệu có

xu hướng tăng khi tăng tỷ lệ ethanol và hiệu suất nhiệt tăng với DE5B10, DE10B10

và giảm với DE15B10, DE20B10 (Hình 1.12) Kết quả cho thấy hỗn hợp DE5B10, DE10B10 phù hợp để làm nhiên liệu cho động cơ diesel

Hình 1.12 Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của nhiên liệu thử

nghiệm [36]

Su Han Park [37] nghiên cứu thử nghiệm với các loại nhiên liệu diesel, DE10B5, DE20B5, DE30B5 trong đó biodiesel có nguồn gốc từ dầu cọ, thử nghiệm

22

trên động cơ diesel 1 xylanh, phun trực tiếp, sử dụng hệ thống luân hồi khí xả (EGR) Kết quả cho thấy khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu DE10B5, DE20B5, DE30B5 quá trình cháy tương tự so với sử dụng nhiên liệu diesel, hàm lượng muội than, CO và NOx đều giảm

Qiang Fang [38] nghiên cứu so sánh khi sử dụng diesel, diesel-biodiesel DB10, hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel DE10B10 và DE20B10 với biodiesel có nguồn gốc từ dầu ăn phế thải trên động cơ diesel 4 xylanh, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu kiểu common rail (Hình 1.13) Có thể thấy rằng áp suất phun của các hỗn hợp nhiên liệu có hình dạng tương tự nhau, áp suất đỉnh của DE10B10

và DE20B10 thấp hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống và DB10 có áp suất đỉnh cao hơn một chút Tốc độ tỏa nhiệt lớn nhất tăng cùng với sự tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu hỗn hợp và xuất hiện xa ĐCT hơn, thời điểm bắt đầu cháy của diesel và DB10 là sớm hơn DE10B10 và DE20B10 Do sự gia tăng về hàm lượng ô

xy trong nhiên liệu, sự gia tăng về trị số xê tan nên quá trình cháy trễ dài hơn, dẫn đến tốc độ giải phóng nhiệt tối đa cao hơn

Hình 1.13 So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel, DB10, DE10B10,

DE20B10[38]

X Shi [39] thử nghiệm với các loại nhiên liệu gồm B20, DE3B12, DE4B16, trong đó biodiesel có gốc từ dầu đậu nành, trên động cơ diesel 4 xylanh, phun trực tiếp, Euro II Các kết quả cụ thể đã được thể hiện trên Hình 1.14 Sự có mặt của ô

xy trong các nhiên liệu hỗn hợp đã cải thiện đáng kể chất lượng khí thải đặc biệt là phát thải PM, có thể giảm tới 48% với nhiên liệu DE4B16 NOx có xu hướng tăng với mức tăng lớn nhất lên đến 32% Thành phần CO giảm và HC tăng khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học, được cho là do ảnh hưởng của ethanol trong hỗn hợp

Dù vậy, sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel là giải pháp đáng quan tâm để giảm PM và có thể nghiên cứu các giải pháp khác để khắc phục các nhược điểm còn tồn tại, như xử lý khí thải để giảm NOx và HC

24

Hình 1.15 Phát thải của nhiên liệu diesel, DE15, DE10B10 và DE15B20 [40]

Czerwinski [41] nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30% ethanol và 15% biodiesel từ dầu hạt cải, thử nghiệm trên động cơ diesel bốn xy lanh phun trực tiếp Kết quả cho thấy khi thêm ethanol sẽ làm cho nhiệt độ cháy giảm, phát thải NOx, HC, CO, PM giảm ở toàn tải, tuy nhiên lượng CO và HC tăng tại tải nhỏ và tốc độ thấp

Nadir Yilmaz [42] thử nghiệm với tỷ lệ phối trộn cao hơn, DE10B45 và DE20B40 với biodiesel có nguồn gốc từ dầu đậu nành trên động cơ diesel 2 xylanh, phun trực tiếp tại cùng chế độ tải cho thấy với hỗn hợp nhiên liệu suất tiêu hao nhiên liệu tăng, phát thải HC và CO tăng trong khi NOx giảm khi tăng nồng độ ethanol Như vậy hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel có thể là giải pháp tốt để giảm

NOx, tuy nhiên chất lượng khí thải nói chung phụ thuộc nhiều vào chế độ làm việc của động cơ và tỷ lệ trộn ethanol

Như vậy, các công trình nghiên cứu ở nước ngoài đã phần nào cho thấy khả năng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel làm nhiên liệu cho động

cơ diesel Nhìn chung hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel có độ nhớt tương

tự như diesel và có độ bền tách pha tốt hơn hỗn hợp diesel-ethanol Động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu này với tỷ lệ phối trộn biodiesel và ethanol nhỏ ít ảnh hưởng tới tính năng kỹ thuật động cơ Tuy nhiên, các nghiên cứu khác nhau đưa ra

xu hướng và mức độ ảnh hưởng tới chất lượng khí thải khác nhau, đặc biệt là muội than và PM Điều này cho thấy ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu tới chất lượng khí thải phụ thuộc vào nguồn gốc nhiên liệu sinh học, tỷ lệ phối trộn các nhiên liệu thành phần, kết cấu, chất lượng và điều kiện làm việc cụ thể của động cơ Ngoài ra, những công trình nói trên chưa đưa ra được phương pháp nhằm xác định tỷ lệ pha hợp lý ba thành phần trong nhiên liệu

1.4.2 Nghiên cứu trong nước

Một số công trình nghiên cứu trong nước đã được thực hiện nhằm ứng dụng NLSH thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống

Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Tuấn Nghĩa [43] đánh giá ảnh hưởng của biodiessel sản xuất tại Việt Nam đến tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel common rail, cho thấy công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu

25

B10, B20 và B30 giảm so với diesel lần lượt 1,08%, 2,16% và 3,00%, trong khi đó suất tiêu hao nhiên liệu tăng lần lượt 1,21%, 2,45% và 3,40% (Hình 1.16) Sự suy giảm công suất là do nhiệt trị của biodiesel thấp hơn, mặt khác do quá trình cháy trễ giảm nên xảy ra quá trình vừa cháy vừa nén Khi sử dụng nhiên liệu B10, B20 và B30 phát thải NOx tăng 2,0%, 3,7% và 5,1%, độ khói giảm 5,6%, 11,4%, 17,5% và

CO giảm 4,2%, 8,3% và 14,3% so với sử dụng nhiên liệu diesel (Hình 1.17) Nghiên cứu này chưa đề cập đến vấn đề phối trộn thêm ethanol vào hỗn hợp biodiesel

Hình 1.16 Thay đổi N e và g e theo tỷ lệ diesel

Hình 1.17 Quan hệ giữa CO, HC, NO x , độ khói và tỷ lệ pha trộn diesel sinh học

[43]

Nguyễn Hoàng Vũ và cộng sự [44] đã nghiên cứu về khả năng sử dụng biodiesel B10, B20 cho phương tiện cơ giới quân sự Kết quả đã đánh giá ảnh hưởng của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, mức độ tương thích vật liệu của B10 và B20; mức độ ổn định của B10, B20 khi lưu trữ dài hạn trên phương tiện; tác động của B10, B20 đến đặc tính của dầu bôi trơn động cơ; tác động của B10, B20 đến mức độ mài mòn các chi tiết chính của hệ thống phun nhiên liệu và động cơ diesel

Nghiên cứu của tác giả Phạm Hữu Truyền [45] nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-ethanol sử dụng trên động cơ xăng tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của xăng E10 đối với phương tiện ô tô con đang lưu hành bao gồm xe dùng chế hòa khí

và phun xăng điện tử với các thông số tính năng kỹ thuật, phát thải và độ bền Với các tỷ lệ cồn ethanol lớn hơn từ 10% tới 85%, nghiên cứu này chủ yếu thực hiện mô

Công trình nghiên cứu của Nguyễn Thành Bắc [47] về nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol, đã xây dựng mô hình điều khiển có xét đến ảnh hưởng của bộ điều tốc trên MHMP động cơ Tuy nhiên, chương trình điều khiển này chỉ tính toán lượng phun của diesel và ethanol trên đường nạp theo từng chế độ tải và tốc độ, chưa xét nghiên cứu về tỷ lệ phối trộn ethanol trong nhiên liệu

Nguyễn Thế Lương [48] nghiên cứu thử nghiệm phối trộn ethanol vào diesel với tỷ lệ 5% và 10% và đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu tới tính năng động cơ diesel 1 xylanh common rail Kết quả cho thấy hỗn hợp DE5,DE10 hầu như không ảnh hưởng tới công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ, tuy nhiên giúp giảm đáng kể phát thải HC và CO trong khi NOx tăng nhẹ so với khi sử dụng diesel khoáng (Hình 1.18, Hình 1.19)

Hình 1.18 Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5,

DE10 [48]

27

Hình 1.19 Phát thải CO, HC, NO x khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48]

Có thể thấy các nghiên cứu trong nước được thực hiện hầu hết đối với xăng sinh học và diesel sinh học, còn ít các nghiên cứu phối trộn ethanol với diesel và chưa có nghiên cứu nào thực hiện phối trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel cũng như đánh giá tính năng kỹ thuật động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp này

1.5 Hướng tiếp cận của luận án

Nhằm thực hiện mục tiêu tăng lượng tiêu thụ ethanol nêu ra ở phần Mở đầu của luận án bằng cách pha ethanol với diesel khoáng và bổ sung biodiesel như một phụ gia cải thiện tính chất nhiên liệu và trên cơ sở nghiên cứu tổng quan NCS đưa

ra phương pháp tiếp cận như sau Đầu tiên NCS chọn động cơ nghiên cứu là động

cơ diesel D4BB lắp trên xe tải nhẹ Hyundai 1,25 sử dụng nhiều ở Việt Nam đại diện cho các loại động cơ diesel đang lưu hành Tiếp theo, căn cứ vào những công trình

đã công bố, NCS chọn một số mẫu có tỷ lệ pha diesel-ethanol-bioethanol khác nhau, sau đó tiến hành nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm AVL-Boost để xác định các thông số tính năng và phát thải của động cơ làm cơ sở để xác định tỷ lệ pha diesel-ethanol-bioethanol hợp lý Cuối cùng, NCS tiến hành nghiên cứu thực nghiệm có đối chiếu với kết quả mô phỏng nhằm đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel đang lưu hành và rút ra những kết luận cần thiết

- Việt Nam có thế mạnh về sản xuất ethanol, trong khi sản xuất biodiesel gặp khó khăn do thiếu nguyên liệu Ethanol đã được phối trộn với xăng khoáng tạo

28

thành xăng E5 sử dụng trên cả nước Tuy nhiên lượng ethanol sản xuất trong nước còn dư thừa nhiều Do vậy, bên cạnh việc thúc đẩy phát triển xăng sinh học, cần nghiên cứu sử dụng ethanol với một lượng nhỏ biodiesel trên động cơ diesel nhằm cải thiện chất lượng môi trường, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và hướng tới hoàn thành mục tiêu của đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Chính phủ