Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel 3 xylanh theo hướng sử dụng nhiên liêu sinh học

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài nghiên cứu được đề xuất nhằm góp phần tìm ra cơ sở cho các ứng dụng các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học trên động cơ đốt trong nhằm góp phần gi

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS HUỲNH THANH CÔNG

(chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp.HCM

Ngày …… tháng …… năm……

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ ) 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

Tp HCM, ngày 02 tháng 0 7 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRƯƠNG VĂN NGỌC Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 30/08/1983 Nơi sinh: Quảng Ngãi

1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu mô phỏng động cơ Diesel 3 xy-lanh theo hướng sử

dụng nhiên liệu sinh học”

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

2.1 Nghiên cứu tổng quan khả năng ứng dụng nhiên liệu sinh học Biodiesel trên động

cơ Diesel 3 xy-lanh phục vụ trong nông lâm ngư nghiệp

2.2 Nghiên cứu mô hình hóa động cơ Diesel 3 xy-lanh dựa trên các mô hình lý thuyết

và các phần mềm mô phỏng chuyên sâu

2.3 Nghiên cứu đánh giá đặc tính động cơ và nồng độ khí thải của động cơ Diesel 3 lanh

xy-2.4 Dựa trên kết quả mô phỏng, đánh giá và so sánh với một số kết quả thực nghiệm nhằm tìm ra hướng đề xuất tỷ lệ pha trộn hỗn hợp Biodiesel hợp lý cho động cơ Diesel

3 xy-lanh phục vụ trong nông nghiệp và vận tải nông thôn

2.5 Đề xuất các hướng cải tiến phù hợp về kết cấu của động cơ nghiên cứu nhằm nâng cao công suất động cơ, giảm ô nhiễm môi trường

2.6 Tổng kết đánh giá kết quả thực hiện

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/7/2010

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/12/2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH THANH CÔNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Đề tài "Nghiên cứu mô phỏng động cơ Diesel 3 xylanh theo hướng sử dụng

nhiên liệu sinh học" đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ quí thầy cô, các anh chị

trong lớp và các bạn đồng nghiệp

Để luận văn hoàn thành và đạt kết quả tốt, ngoài sự cố gắng của bản thân, em

xin chân thành cám ơn tất cả các thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Trường

Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của

thầy ThS Nguyễn Đình Hùng, các bạn sinh viên trong Bộ môn, Phòng thí nghiệm

động cơ đốt trong đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em thực hiện luận văn này

Đặc biệt cảm ơn Thầy hướng dẫn, TS Huỳnh Thanh Công, đã chỉ đạo về ý tưởng,

phương hướng, nội dung và có những lời khuyên đúng lúc

Cảm ơn các anh chị trong lớp và các bạn đồng nghiệp đã đóng góp công sức và

những ý kiến quí giá

Xin cảm ơn ba mẹ đã động viên giúp đỡ vật chất và tinh thần để vượt qua bao

khó khăn hoàn thành luận văn

Mặc dù rất nổ lực, nhưng do kiến thức còn hạn chế, thời gian có hạn và thiết

bị còn giới hạn nên khó tránh khỏi những thiếu sót Kính mong Quý Thầy Cô và

các bạn góp ý thêm để đề tài nghiên cứu này có thể sớm được áp dụng vào thực tế

TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010

Học viên thực hiện

HV Trương Văn Ngọc

Luận văn này tập trung nghiên cứu khả năng ứng dụng Biodiesel từ mỡ cá Basa làm nhiên liệu cho động cơ Diesel 3 xy-lanh bằng phần mềm mô phỏng Phần mềm Ricardo – Wave đã được sử dụng để mô phỏng đặc tính động cơ và đặc tính khí thải của động cơ nghiên cứu, sử dụng ba tỷ lệ pha trộn nhiên liệu Biodiesel theo thể tích (B5, B10, B30) từ mỡ cá Basa so sánh với nhiên liệu Diesel truyền thống

Kết quả mô phỏng cho thấy khi động cơ sử dụng nhiên liệu pha trộn hỗn hợp Biodiesel-Diesel (B5, B10, B30) so với nhiên liệu Diesel truyền thống thì công suất, mô-men thấp hơn, suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên, nồng độ khí thải giảm Nhìn chung các kết quả mô phỏng đặc tính động cơ phù hợp với đặc tính động cơ mà nhà sản xuất cung cấp Cụ thể giá trị trung bình công suất các mẫu B5, B10, B30 đều thấp hơn so với mẫu Diesel tương ứng là 4,45%; 9,46%; 16,55% Còn giá trị mô-men động cơ các mẫu B5, B10, B30 giảm so với mẫu Diesel lần lượt: 2,19%; 3,92%; 6,61% Tuy nhiên, suất tiêu hao nhiên liệu của các mẫu B5, B10 và B30 so với mẫu Diesel lại tăng lên tương ứng là: 3,92%; 8,08%; 15,51% Nồng độ khí thải giảm, đặc biệt lượng NOx tăng theo từng mẫu nhiên liệu B5, B10, B30 so với mẫu Diesel cụ thể 1,59%, 3,39%, 8,47%

Trên cơ sở của kết quả mô phỏng, phân tích và so sánh với một số kết quả thực nghiệm, thì tỷ lệ pha trộn biodiesel – Diesel dưới 10% sử dụng cho động cơ Diesel 3 xy-lanh là hợp lý nhất đối với động cơ nghiên cứu Đồng thời luận văn là cơ sở ban đầu cho việc nghiên cứu phục vụ cho quá trình thiết kế chế tạo động cơ Diesel 3 xy-lanh tại Việt Nam

MỤC LỤC

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Trang CHƯƠNG I: DẪN NHẬP 1

1.1 Lý do chọn và tính cấp thiết của đề tài 2

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

1.4 Nội dung nghiên cứu và phương pháp tiếp cận 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 6

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 7

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 8

2.1 Giới thiệu chung 9

2.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước 10

2.3 Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong 13

2.4 Nhiên liệu Diesel và Biodiesel 15

2.5 Các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của Biodiesel lên động cơ 33

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL 3 XY-LANH 46

3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng nghiên cứu 47

3.2 Lý thuyết cơ bản 50

3.3 Phương pháp xây dựng mô hình và chu trình mô phỏng theo phần mềm 58

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, BÀN LUẬN VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM 66

4.1 Sơ lược quá trình mô phỏng 67

4.2 Trình tự mô phỏng 67

4.3 Kết quả mô phỏng và phân tích đánh giá kết quả mô phỏng 68

4.4 Phân tích và so sánh với một số kết quả thực nghiệm tại Bộ môn ô tô Khoa kỹ thuật giao thông-trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM 81

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 87

5.1 Kết luận 88

5.2 Những công việc kế tiếp cần triển khai 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

• BSFC [g/kWh] = ge Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Diesel

• Smoke emission [Bosch smoke number] Độ mờ khói của khí thải

n

N M

047 , 1

G

LHV G

Nnl

e e

.

=

CHƯƠNG I

DẪN NHẬP

1.1 Lý do chọn và tính cấp thiết của đề tài

1.1.1 Lý do chọn đề tài

Góp phần giải quyết bài toán 3-E Hiện nay, sự phát triển của ngành công

nghiệp thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đã tạo ra các bài toán hết sức khẩn cấp cần phải giải quyết về năng lượng (Energy), ô nhiễm môi trường sinh thái (Ecology), và sự gia tăng về giá nhiên liệu (Economy) Các tổ chức và các nhà khoa học đã và đang giải quyết bài toán 3-E này ở các mức độ khác nhau Tuy nhiên, mối quan hệ 3-E này chưa được giải quyết một cách toàn diện Nguồn năng lượng, nhiên liệu truyền thống có nguồn gốc dầu mỏ hóa thạch đang dần cạn kiệt và giá dầu trên thế giới ngày càng gia tăng Trong khi đó, lĩnh vực công nghiệp và giao thông vận tải có sử dụng nhiên liệu dầu khí này đã và đang tạo ra sự ô nhiễm cho bầu khí quyển và môi trường sống

Giảm ô nhiễm môi trường trong sản xuất thủy sản tại Việt Nam, đặc biệt từ

chất thải cá Basa Mỗi năm ĐBSCL thải ra khoảng hơn 30.000 tấn mỡ cá tra, cá

ba sa Mỡ cá này thường được tận dụng bán cho cơ sở sản xuất mỡ bôi trơn, thức

ăn chăn nuôi nhưng đầu ra, giá cả còn khá bấp bênh nên lượng mỡ dư thừa không

được tận dụng hết, gây ô nhiễm Trong khi đó, theo các nhà khoa học, mỡ cá basa,

cá tra có thể sản xuất thành dầu biodiesel - một dạng dầu diesel sạch, thân thiện

với môi trường Do đó, việc nghiên cứu dự báo cho tương lai nguồn năng lượng

vô tận đồng thời góp phần bảo vệ môi trường sống là vô cùng quan trọng trong

quá trình phát triển kinh tế xã hội ở nước ta

Nhu cầu sản xuất động cơ Diesel 3 xy-lanh phục vụ nông lâm ngư nghiệp trong tương lai của nước ta Động cơ một xy-lanh công suất nhỏ, nếu lắp lên máy

nông nghiệp thì không phù hợp, khi đó động cơ ba xy-lanh sẽ đáp ứng được công suất cần thiết, 20 30 mã lực Với động cơ 3 xy-lanh thì dây chuyền công nghệ chế tạo không thay đổi nhiều, phù hợp với thời điểm hiện nay và chiến lược kinh doanh Điều này làm tăng tính khả thi của đề tài khi áp dụng thực tế

÷

Ứng dụng sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm rút ngắn thời gian nghiên cứu

và phát triển động cơ Đồng thời với sự phát triển không ngừng của các phần mềm

máy tính, các phương pháp tính trợ giúp, đặc biệt là phương pháp mô hình hóa và

mô phỏng Việc ứng dụng các phương tiện và công nghệ thông tin trong nghiên cứu

sẽ rút ngắn thời gian thiết kế và kiểm tra nhằm giảm chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm mới vì không phải chế tạo nhiều vật mẫu thử nghiệm và dự báo trước các sai sót có thể khi triển khai theo phương pháp truyền thống

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài nghiên cứu được đề xuất nhằm góp phần tìm ra

cơ sở cho các ứng dụng các loại nhiên liệu mới, nhiên liệu sinh học trên động cơ đốt trong nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm chi phí việc sử dụng nhiên liệu cho các phương tiện giao thông trong tương lai Điều đó rất có ý nghĩa trong sự phát triển kinh tế - xã hội và công nghệ của đất nước

1.1.2 Phân tích tích cấp thiết của đề tài

Ứng dụng nhiên liệu mới bảo vệ môi trường Tính cấp bách trong tìm kiếm

nguồn nhiên liệu mới như biogas, biodiesel, CNG, nhằm thay thế nhiên liệu truyền thống có nguồn gốc hóa thạch góp phần cắt giảm ô nhiễm không khí từ động cơ đốt trong và ô tô Việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học (biodiesel) trên động

cơ Diesel góp phần tận dụng các nguồn nhiên liệu tái tạo và giảm đáng kể mức độ ô nhiễm môi trường so với các loại nhiên liệu truyền thống Đây là xu hướng ứng dụng nhiên liệu xanh và sạch nhằm góp phần thúc đẩy sản xuất nông nghiệp, dịch

vụ nông thôn, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và chủ động về nguồn nhiên liệu

Nghiên cứu cơ bản cho việc phát triển loại động cơ nhiều xy-lanh tại Việt Nam

Đề tài này là tiền đề để các nhà máy sản xuất động cơ có thể ứng dụng để chế tạo động cơ nhiều xy-lanh, trong đó có động cơ 3 xy-lanh sử dụng nhiên liệu sinh học lần đầu tiên ở Việt Nam Đề tài được thực hiện nhằm đánh giá bước đầu chuẩn bị các điều kiện cần thiết để có thể sản xuất các loại động cơ nhiều xy-lanh của Việt Nam phục vụ nông nghiệp, nông thôn, và giao thông vận tải

Rút ngắn quá trình nghiên cứu và phát triển động cơ nhiều xy-lanh tại Việt Nam Hiện nay, các công ty sản xuất động cơ tại Việt Nam (như Công ty SVEAM,

Công ty chế tạo động cơ Diesel Sông Công – DISOCO ) chỉ có thể sản xuất loại

động cơ 1 xy-lanh công suất nhỏ và phạm vi ứng dụng hẹp (như việc ứng dụng kéo máy bơm nước, máy phát điện cỡ nhỏ, tàu thuyền công suất nhỏ, ) Các nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ nhiều xy-lanh vẫn chưa được triển khai Bên cạnh đó nhu cầu về loại động cơ công suất lớn nhiều xy-lanh đang trở nên vấn

đề cần thiết trong quá trình phục vụ nông nghiệp và vận tải nông thôn

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu chung

Thiết lập mô phỏng một số đặc tính động cơ Diesel 3 xy-lanh nhằm tìm ra ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật lên đặc tính động cơ nghiên cứu góp phần hỗ trợ cho quá trình nghiên cứu và phát triển động cơ nhiều xy-lanh tại Việt Nam

Ngoài ra, đề tài đề xuất việc thực hiện ứng dụng nhiên liệu sinh học (Biodiesel) góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm chi phí sử dụng nhiên liệu và chứng minh tính khả thi trong việc thay thế một phần nhiên liệu Diesel trên động cơ Diesel nông nghiệp trong tương lai tại Việt Nam

(3) Nghiên cứu, đánh giá đặc tính và so sánh với kết quả thực nghiệm của động

cơ Diesel 3 xy-lanh nhằm tìm ra hướng đề xuất thông số động cơ Diesel 3 xy-lanh có công suất phù hợp có thể sử dụng loại nhiên liệu sinh học Biodiesel

(4) Đề xuất các hướng cải tiến phù hợp và tỷ lệ pha trộn biodiesel hợp lý cho động cơ nghiên cứu nhằm nâng cao công suất động cơ, giảm ô nhiễm môi trường và làm cơ sở để ứng dụng nguồn nhiên liệu mới sạch và sạch hơn cho

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

™ Động cơ Diesel 3 xy-lanh Kubota từ 20 đến 30 Mã lực

™ Sử dụng nhiên liệu Diesel và nhiên liệu Biodiesel từ mỡ cá Basa pha vào theo các tỷ lệ khác nhau để mô phỏng các quá trình chính động cơ Diesel

3 xy-lanh Kubota

™ Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên sâu Ricardo WAVE,

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi của luận văn tốt nghiệp này, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu:

™ Nghiên cứu mô phỏng đặc tính làm việc và đặc tính phát thải của động cơ Diesel 3 xy-lanh dựa trên phần mềm chuyên ngành theo hướng sử dụng nhiên liệu sinh học

™ Đánh giá, đề xuất các hướng cải tiến phù hợp từng loại hỗn hợp nhiên liệu cho loại động cơ Diesel trên

™ Đề tài chỉ tập trung đánh giá động cơ qua các chỉ tiêu về công suất,

mô-men, suất tiêu hao nhiên liệu, khói thải của động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu Diesel và các mẫu nhiên liệu Biodiesel pha trộn

1.4 Nội dung nghiên cứu và phương pháp tiếp cận

1.4.1 Nội dung nghiên cứu

Luận văn được thực hiện với các nội dung chính như sau:

1) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết mô hình hóa- mô phỏng của động cơ đốt trong

2) Nghiên cứu mô phỏng đặc tính động cơ Diesel 3 xy-lanh Kubota

3) Mô phỏng đặc tính của động cơ Diesel 3 xy-lanh theo hướng sử dụng nhiên liệu sinh học bằng phần mềm mô phỏng chuyên dùng sử dụng Ricardo Wave

4) Phân tích và đánh giá kết quả nghiên cứu Đề xuất tỷ lệ pha trộn biodiesel – Diesel hợp lý cho động cơ 3 xy-lanh

5) So sánh đánh giá với một số kết quả thực nghiệm về đặc tính làm việc của động cơ Diesel 3 xy-lanh

1.4.2 Phương pháp tiếp cận

(1) Phương pháp tiếp cận bằng lý thuyết: Dựa trên lý thuyết vận hành động cơ

đốt trong truyền thống và đặc tính của từng loại nhiên liệu sinh học, tham khảo thêm các tài liệu về thiết kế và mô phỏng động cơ Diesel của các hãng nước ngoài cũng như về nhiên liệu Biodiesel trên Internet, sách báo, luận văn trước đây

(2) Phương pháp tiếp cận bằng mô phỏng: Nghiên cứu phần mềm mô phỏng

chuyên sâu xác định các thông số đặc tính và động lực học của động cơ mẫu

sử dụng các loại nhiên liệu sinh học So sánh, đánh giá, đề xuất các hướng thiết kế và chế tạo loại động cơ nghiên cứu phù hợp

(3) Dựa trên các phần mềm mô phỏng chuyên dùng như: Ricardo Wave, AVL Boost,

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp bao gồm:

– Nghiên cứu lý thuyết: sử dụng các lý thuyết động cơ hiện đại vào nghiên cứu,

sử dụng các phương trình truyền nhiệt, nhiệt động học và cơ lưu chất trong quá trình hòa trộn và cháy

– Nghiên cứu mô phỏng: phân tích, đánh giá, so sánh dùng sự hỗ trợ của phần

mềm mô phỏng máy tính

– Nghiên cứu các thông số đặc tính trên động cơ mẫu có sử dụng các loại nhiên liệu sinh học

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

– Việc nghiên cứu có thể ứng dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ Diesel nông nghiệp nhiều xy-lanh có khả năng ứng dụng tại Việt Nam

– Kết hợp giữa nhiên liệu sinh học Biodiesel và nhiên liệu Diesel trên động

cơ nghiên cứu nhiều xy-lanh dựa trên nguồn nguyên liệu thô sẵn có nhằm chủ động nguồn nhiên liệu, năng lượng trong tương lai và phục vụ các mục đích nông nghiệp tại nông thôn Việt Nam

– Định hướng nghiên cứu ứng dụng động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu sinh học trên các xe ôtô du lịch và ôtô tải góp phần làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu năng lượng từ nước ngoài và đảm bảo an ninh năng lượng

CHƯƠNG II

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Giới thiệu chung

Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, số lượng xe tham gia lưu thông trên đường ngày một tăng lên Vấn đề ô nhiễm nảy sinh nghiêm trọng ở các thành phố lớn Theo dự báo của thế giới, nguồn nhiên liệu truyền thống sẽ cạn kiệt vào những năm 2050- 2060 [12] Khi xã hội ngày càng phát triển, thì động cơ đốt trong

có vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp Làm sao có thể kiểm soát được ô nhiễm, bảo vệ sức khỏe của cộng đồng? Một chiến lược tổng thể được đặt ra là: sử dụng xe sạch, sử dụng nhiên liệu sạch và qui hoạch chiến lược giao thông, sử dụng đất hợp lý

Những chiếc xe hiện nay đã sạch hơn rất nhiều Các công nghệ được ứng dụng trên xe đã giảm đi một lượng khí xả độc hại Quá trình cháy trong động cơ được cải thiện, sử dụng công nghệ điều khiển phun xăng, đánh lửa bằng máy tính, bộ xúc tác được gắn trên ống xả Hiện nay, ở các thành phố lớn đã có những qui hoạch tổng thể về giao thông nhằm giảm lượng xe tập trung vào thành phố Nhiều tiêu chuẩn về nhiên liệu sạch được đặt ra buộc các nhà sản xuất và nhập khẩu phải tuân theo Tuy nhiên, các giải pháp đó chỉ đáp ứng một phần trong việc kiểm soát khí thải và cần nhiều nỗ lực hơn nữa từ phía các nhà nghiên cứu, sản xuất và quản lý

Gần đây, những nghiên cứu xung quanh vấn đề sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng, Khí thiên nhiên, ứng dụng năng lượng mặt trời, sản xuất ô tô chạy bằng năng lượng điện, fuelcell và nhiên liệu sinh học (Biodiesel)… cho các phương tiện giao thông

đã có những kết quả khả quan Sử dụng nhiên liệu sinh học Biodiesel trên xe chạy Diesel, có thể giảm ô nhiễm khói thải mà vẫn duy trì được công suất của động cơ Việc ứng dụng nhiên liệu biodiesel trên xe chạy dầu Diesel cũng gặp những khó khăn riêng do kết cấu động cơ và bản chất quá trình cháy Nghiên cứu, mô phỏng và lắp đặt thành công hệ thống cung cấp nhiên liệu Biodiesel cho động cơ Diesel 3xy-

lanh có ý nghĩa lớn trong việc tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm khói thải từ xe Diesel và chi phí thấp

Nguyên liệu để điều chế nhiên liệu sinh học có từ nhiều nguồn gốc khác nhau như: dầu thực vật (dầu dừa, dầu cọ, ) hay mỡ động vật Ngoài yếu tố thân thiện với

môi trường, biodiesel còn là nguồn tài nguyên có thể tái tạo được và còn góp phần

thúc đẩy nền sản xuất nông nghiệp và kinh tế phát triển

2.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Ngày nay, trong xã hội hầu hết các nguồn năng lượng được cung cấp từ nhiên

liệu hóa thạch Xã hội càng phát triển nguồn nhiên liệu tiêu thụ càng nhiều kéo theo

các khí thải cacbon dioxide (CO2)càng tăng Trong xã hội phát triển ô tô đóng vai

trò chính trong sự phát triển công nghiệp và kinh tế cũng như thõa mãn các nhu cầu

của cuộc sống Vì vậy ô tô là nguồn gây ô nhiễm lớn đến môi trường

Ô tô sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch ngoài việc thải các chất độc hại như

NOx, CO, HC và PM còn có lượng khí thải khá lớn là CO2 không thể khống chế

được (vì đây là sản phẩm tất yếu của quá trình oxi hóa chất hữu cơ) Mà CO2 là chất

gây ra hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân làm tăng dần nhiệt độ trái đất

Theo tốc độ phát triển ô tô hiện nay cùng với sự khan hiếm về nguồn năng

lượng hoá thạch sử dụng, một vấn đề cấp bách không kém đang đặt ra là tình trạng

ô nhiễm môi trường do ô tô gây ra Để khắc phục điều này hàng loạt giải pháp đã

được thực hiện như: ứng dụng kỹ thuật đốt nghèo trong động cơ, tìm các nguồn

năng lượng mới, nguồn năng lượng sạch cho ô tô thay thế nguồn năng lượng hóa

thạch

Theo dự đoán, nếu với đà tiêu thụ này thì nguồn năng lượng chúng ta sẽ bị cạn

kiệt vào nửa sau thế kỷ 21 Vì vậy, chúng ta cần cải tiến hiệu suất của động cơ cũng

như tìm ra các nguồn năng lượng mới để thay thế chúng Việc kết hợp các loại

nhiên liệu thay thế và nhiên liệu truyền thống ứng dụng trên động cơ đốt trong đã và

đang được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Hiện nay, có khoảng hơn 50 nước ở

khắp các châu lục khai thác và sử dụng nhiên liệu sinh học (Biofuel) ở các mức độ

khác nhau

J S Lee (Hàn Quốc) [21] đã thử nghiệm loại nhiên liệu Diesel sinh học

(biodiesel BD5 và BD20) trên các phương tiện xe thương mại sử dụng Diesel Các

nhà nghiên cứu này đã đánh giá tính khả thi trong việc ứng dụng nhiên liệu sinh học

và mức độ ảnh hưởng của chúng đến tuổi thọ của các phương tiện giao thông công

cộng

K Maniatis (Biofuels & Industry, Cộng đồng Châu Âu) [20] báo cáo các hoạt

động thực nghiệm nhiên liệu sinh học trên các phương tiện giao thông Nghiên cứu

này đề cập đến các chính sách và mục tiêu, định hướng và kế hoạch, cũng như việc

nghiên cứu, phát triển và ứng dụng loại nhiên liệu sinh học trên các phương tiện

công cộng tại Châu Âu

T.C Huynh và đồng nghiệp tại ĐH Sungkyunkwan (Hàn Quốc) đã có những

nghiên cứu chuyên sâu theo hướng ứng dụng loại nhiên liệu thay thế (như

Hydrogen, LPG, CNG, biogas, ) trên động cơ ô tô nhằm giải quyết các vấn đề

nâng cao tính năng động cơ và giảm ô nhiễm môi trường

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Cho đến nay các nghiên cứu về nhiên liệu Biodiesel còn rất ít và hầu như còn

rất mới mẻ tại Việt Nam Tại trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM cũng có một số

đề tài nghiên cứu khả năng ứng dụng Biodiesel sản xuất từ mỡ cá basa hoặc từ cây

dầu dừa, từ cây dầu Jatropha… Tại Việt Nam, số xe động cơ diesel đang chiếm hơn

20% - 30% thị trường ôtô mới tại Việt Nam, khoảng gần 40.000 chiếc Năm 2001,

con số này còn ở mức dưới 10% Thông thường, máy dầu được ưa chuộng trong

lĩnh vực chuyên chở Sau Ford Transit, lần lượt xuất hiện Mercedes-Benz Sprinter

và Toyota Hiace mới làm tăng thêm lựa chọn cho khách hàng đối với loại xe chở

khách 16 chỗ trang bị động cơ dầu Nhưng với các xe 7 chỗ chở xuống, sự hiện diện

của loại động cơ này còn ở mức rất khiêm tốn

Gần như độc chiếm thị trường xe pickup trong nước, với sự cạnh tranh không

đáng kể từ Isuzu D-Max Ở dòng xe đa dụng hiện cũng chỉ có chiếc Isuzu

Hi-Lander và một phiên bản Everest là trang bị động cơ diesel Có thể đây vẫn sẽ là

mảnh đất tiềm năng nhất đối với xe máy dầu ở Việt Nam Theo Ford, xe máy dầu

chiếm tới 75% số Everest hãng sản xuất

Mặt khác đối với nước ta, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo động cơ nhiều

xy-lanh đã được thực hiện Ví dụ, Công ty SVEAM, Công ty chế tạo động cơ Diesel

Sông Công (DISOCO) đã nghiên cứu chế tạo động cơ Diesel lên đến 60 mã lực,

nhưng vì nhiều lý do đã không thành công Ngoài ra, việc nghiên cứu, sản xuất và

sử dụng nhiên liệu sinh học dùng trên động cơ đốt trong vẫn còn là vấn đề khá mới

mẽ Đã có một số cơ quan thuộc các ngành giao thông vận tải, công nghiệp, năng

lượng nghiên cứu về nhiên liệu sinh học như Công ty Mía đường Lam Sơn (Thanh

Hoá), Sài Gòn Petro, Công ty Rượu Bình Tây, Công ty Chí Hùng cũng đã có dự án

sản xuất ethanol làm nhiên liệu Gần đây, một số công ty tại An Giang, Cần Thơ,

Long An, công ty TNHH Minh Tú đã đầu tư xưởng sản xuất Diesel sinh học từ mỡ

cá basa với tổng công suất khoảng 60.000 tấn /năm, nhưng do chưa có tiêu chuẩn

chất lượng cho sản phẩm, nên chưa thương mại hóa được Một số nghiên cứu đã

được thực hiện việc ứng dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ đốt trong gần đây

như sau:

Năm 2004-2005, Bộ môn Ô tô – Máy động lực (trường ĐH Bách khoa TP HCM) và công ty Vikyno đã phối hợp thực hiện đề tài chuyển giao công nghệ

nghiên cứu thiết kế động cơ 1 xy-lanh làm mát bằng gió cho nông nghiệp

Năm 2005-2008, công ty TNHH MTV Động cơ và Máy nông nghiệp Miền nam

đã liên tục thực hiện và đã nghiệm thu hai đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo động cơ Diesel có công suất 22.5 HP có các chỉ tiêu

kinh tế kỹ thuật tiên tiến và kiểu dáng mới phục vụ Nông, Lâm, Ngư nghiệp” và

“Nghiên cứu, thiết kế, và chế tạo động cơ Diesel có tính năng kỹ thuật tiên tiến và

kiểu dáng hiện đại phục vụ Nông, Lâm, Ngư nghiệp”

Th.s Nguyễn Vương Chí, Khoa Kỹ thuật Giao thông(Đại Học Bách Khoa, TP.HCM) [14], Với phần mềm chuyên dụng BOOST, bài báo trình bày mô phỏng

chu trình công tác của động cơ diesel công suất 10HP và số vòng quay n=3600vòng/phút của hãng Vikyno Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu

diesel và biodiesel-dầu dừa sẽ cho biết áp suất, nhiệt, công có ích của chu trình làm

việc của từng lọai nhiên liệu Trên cơ sở đó, có thể so sánh đặc tính ngòai của động

cơ khi sử dụng hai lọai nhiên liệu này

T.S Nguyễn Hữu Hường [12], các nghiên cứu ứng dụng biodiesel từ mỡ cá basa

trên động cơ đốt trong được thực hiện tại Đại học Bách khoa Tp.HCM, bài báo cho

thấy kết quả nghiên cứu thử nghiệm biodiesel từ mỡ cá pha với dầu Diesel theo các

tỷ lệ khác nhau kết quả công suất, mô-men, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi

sử dụng mẫu B5 gần với kết quả động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel nhất

Các nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học cho động cơ nhiều xy-lanh đã

được triển khai nhưng đối với động cơ Diesel 3 xy-lanh phun gián tiếp ứng dụng

nhiên liệu sinh học thì chưa được nghiên cứu

2.3 Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong

Phương tiện giao thông là một vấn đề tồn tại song song của hai mặt (tích cực

và tiêu cực) Nó giúp cho sự phát triển nhanh chóng về kinh tế và các mặt khác của

xã hội Bên cạnh đó hoạt động của các phương tiện giao thông gây ảnh hưởng đến

sức khoẻ và môi trường một cách nghiêm trọng Sau đây là một số tác hại cơ bản

của khí thải phương tiện giao thông tới sức khoẻ và môi trường

2.3.1 Tác hại sức khỏe con người

Ô xit cácbon (CO): là chất khí không màu, không thấy được, được tạo ra khi

nhiên liệu chứa cácbon cháy không hết – đe doạ nghiêm trọng đến sức khoẻ con

người Đặc biệt nguy hại với thai nhi và người mắc bệnh tim Ở nồng độ thấp hơn,

CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người [2]

Ôxit nitơ (NO): là một dạng hợp chất, ôxit nitơ được người ta quan tâm đến

nhiều do tác hại của nó tới môi trường, sức khoẻ con người và cộng đồng Điôxit nitơ

(NO2) gắn liền với việc gia tăng ô nhiễm đường hô hấp [10]

không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không bình thường

Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm

SO2: Oxit lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dể hòa tan vào nước

mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vào sâu

trong phổi

Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặt biệt quan trọng trong khí xả động cơ

diesel Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3m

nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi

2.3.2 Tác hại môi trường

a Ảnh hưởng nhiệt độ khí quyển

carbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa

thành phần carbon Việc tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự có mặt của các chất khí

gây hiệu ứng nhà kính

Những chất khí khác nhau có dải hấp thụ bức xạ khác nhau Do đó, thành

phần các chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt

trời, quả đất và không gian CO2 là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với

bước sóng 15m, vì vậy được xem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là

chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất Một phần nhiệt

lượng do lớp khí CO2 giữ lại sẽ bức xạ ngược lại về trái đất, làm nóng thêm bầu khí

quyển theo hiệu ứng nhà kính

b Ảnh hưởng đến sinh thái

Việc tăng của NOx nguy cơ làm gia tăng sự huỷ hoại tầng ozone ở thượng

tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím

gây ung thư da và gây đột biến sinh học

Mặt khác, các chất khí có tính axit như SO2, NO2, bị oxy hoá thành axit sulfuric, axit nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù làm hủy hoại

thảm thực vật trên mặt đất và gây ăn mòn các công trình kim loại

2.4 Nhiên liệu Diesel và Biodiesel

2.4.1 Nhiên liệu Diesel

2.4.1.1 Định nghĩa

Nhiên liệu Diesel là sản phẩm tinh chế từ dầu mỏ có thành phần chưng cất nằm

giữa dầu hoả (kesosene) và dầu bôi trơn (lubricating oil), có nhiệt độ bốc hơi từ

1750C đến 3700C (đối với nhiên liệu Diesel nặng: 3150C ÷ 425C còn gọi là Mazut –

Fuel oil), hydrocacbon từ C14 đến C20

2.4.1.2 Tính chất vật lý của nhiên liệu diesel

• Nhiên liệu phải có độ nhớt phù hợp (2-6 cSt), có tính chống đông đặc và lưu

động tốt

• Có thành phần chưng cất ổn định đặc trưng bởi khoảng nhiệt độ bốc hơi của

nhiên liệu Diesel là 1750C đến 3700C

• Có mức độ phát ô nhiễm thấp (đánh giá bằng độ khói đen và nồng độ khí độc

của sản vật cháy gồm HC và NOx) Nhiên liệu Diesel có tính bốc hơi tốt,

cháy hoàn toàn, khí độc và khói giảm

• Không ăn mòn gỉ, mài mòn và kết muội than trước và sau khi cháy Yêu cầu

này phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh (S), tro và các tạp chất hữu cơ, vô

cơ, nước,…trong nhiên liệu Diesel

• Tính tự cháy tốt được đánh giá bằng chỉ số Cetane

Động cơ diesel làm việc ổn định, nhiên liệu diesel đảm bảo các tính chất như :

- Tính tự cháy phù hợp

- Độ bay hơi thích hợp

- Tính lưu chuyển tốt trong mọi điều kiện thời tiết

- Không gây ăn mòn và bào mòn máy

- Đảm bảo an toàn chống cháy nổ

2.4.1.3 Chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu Diesel

™ Đặc điểm tự bốc cháy của động cơ diesel ảnh hưởng lớn đến khả năng

làm việc của động cơ, do đó đòi hỏi nhiên liệu diesel có những tính chất thích

hợp [4]

– Tính cháy của nhiên liệu diesel biểu thị qua khả năng tự cháy bằng trị số

cêtan (TSXT) Nhà sản xuất phải đảm bảo các loại nhiên liệu có TSXT thích

hợp cho từng loại động cơ

– Tính bay hơi của nhiên liệu ảnh hưởng đến sự tạo thành hỗn hợp nhiên liệu

và không khí Để đánh giá độ bay hơi của nhiên liệu người ta xác định thành

phần điểm sôi, tỷ trọng và màu sắc nhiên liệu Thành phần điểm sôi phù hợp

đảm bảo nhiên liệu sẽ được cháy hoàn toàn trong động cơ, không xả khói đen

và bôi trơn hệ thống tiếp liệu

– Tính lưu chuyển của nhiên liệu thông qua độ nhớt động học và nhiệt độ đông

đặc Đối với nước ta khí hậu nhiệt đới chỉ dùng loại nhiên liệu dùng cho mùa

hè có nhiệt độ đông đặc không vượt quá +5oC hoặc +9oC

Bảng 2.1: Tiêu chuẩn nhiên liệu Diesel ở Việt Nam (TCVN 5689-2005) [4]

– Tính ăn mòn của nhiên liệu được đánh giá bằng các chỉ tiêu kiểm nghiệm ăn

mòn mảnh đồng, hàm lượng lưu huỳnh tổng số và độ axit của nhiên liệu

– Tính năng an toàn chống cháy nổ được đánh giá thông qua nhiệt độ mà tại đó

hơi nhiên liệu được đốt nóng tạo hỗn hợp với không khí, bén cháy khi có tia

lửa ở gần

– Số cetane thích hợp nằm trong khoảng 45 đến 60 vì:

™ Số cetane < 40 khó khởi động (ngay cả mùa hè), rốc máy do thời gian ủ

cháy dài, cùng lúc số lượng nhiên liệu tham gia cháy lớn nên áp suất Pz

cao, áp suất tăng vọt

™ Số cetane > 60 nhiên liệu rất dễ cháy, tuy nhiên chất lượng quá trình

cháy không cải thiện tốt hơn, mặt khác còn ảnh hưởng tới chất lượng

phun tơi nhiên liệu và độ bền của kim (béc) phun nhiên liệu

2.4.1.4 Các chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu ảnh hưởng đến hoạt động của

động cơ Diesel

Độ nhớt: Độ nhớt của nhiên liệu ảnh hưởng đáng kể đến khả năng lưu chuyển,

phun tơi và bốc hơi của nhiên liệu, kết quả ảnh hưởng tới việc hình thành hỗn hợp

và cháy trong động cơ Diesel Có các loại độ nhớt:

- Độ nhớt động lực học

Nhiên liệu Diesel phải có độ nhớt thích hợp Đối với động cơ Diesel cao tốc với

số vòng quay ≥ 1000 v/phút, độ nhớt động học ở nhiệt độ 400C trong khoảng 2,0 ÷

6,0 cSt trong đó giới hạn cao dùng ở vùng có nhiệt độ môi trường cao (vùng nhiệt

đới) gọi là nhiên liệu Diesel mùa hè, và giới hạn thấp sử dụng vào mùa đông gọi là

nhiên liệu Diesel mùa đông Độ nhớt động học nhiên liệu Diesel(2,0 ÷ 8,0) cSt

• Điểm đông đặc ( pour point) : Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ mà tại đó nhiên

liệu mất tính linh động và trở nên đông đặc lại Nhiệt độ đông đặc của nhiên liệu

ảnh hưởng đến việc phun tơi nhiên liệu

• Nhiệt độ vẩn đục (Cloud Point):Là nhiệt độ mà tại đó nhiên liệu bắt đầu tạo

thành các tinh thể rắn, các tinh thể Parafin hoặc Benzen nhỏ li ti xuất hiện khiến

năng lượng từ trong trở thành mờ đục

• Nhiệt độ bắt lửa: nhiệt độ thấp nhất để hoà khí bén lửa, nhiệt độ chớp cháy

và bắt lửa của nhiên liệu lỏng quy định nhiệt độ thấp nhất cho phép bảo quản và sử

dụng nó mà không bị nguy hiểm do hỏa hoạn Đặc biệt đối với nhiên liệu Diesel

dùng trên tàu thuỷ quy định nhiệt độ bén lửa ≥ 65oC

• Nhiệt độ chớp cháy: nhiệt độ nhỏ nhất mà tại đó Diesel có khả năng cháy

khi tiếp xúc với ngọn lửa sau đó tắt đi Ngọn lửa vừa xuất hiện có tiếng nổ nhẹ,

nhưng sau đó lại tắt đi ngay, vì ở nhiệt độ đó tốc độ bay hơi của nhiên liệu Diesel

nhỏ hơn tốc độ tiêu tốn nhiên liệu vào phản ứng cháy với không khí Hiện nay tuỳ

theo từng loại nhiên liệu Diesel mà nhiệt độ chớp cháy quy định không thấp hơn 50

÷ 60oC

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn nhiên liệu Diesel theo mùa ở các nước trên thế giới [10]

Các loại nhiên liệu Diesel Các thông số tiêu chuẩn chất

lượng của nhiên liệu Diesel Bắc cực Mùa đông Mùa hè Đặc biệt

Độ axit (mg KOH/100ml nhiên

Hàm lượng axit và kiềm hoà tan,

2.4.2 Nhiên liệu Biodiesel

2.4.2.1 Nguồn gốc – khái niệm

Biodiesel là những mono ankyl ester, nó là sản phẩm của quá trình ester hóa

của các axít hữu cơ có nhiều trong dầu mỡ động thực vật Nó là nhiên liệu có thể

thay thế cho dầu diesel truyền thống, sử dụng trong động cơ đốt trong Dưới tác

dụng của chất xúc tác, dầu thực vật + methanol hoặc ethanol cho sản phẩm ester +

glycerine + axit béo (ester hóa dầu thực vật bằng ethanol khó hơn bằng methanol)

Biodiesel còn được gọi Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất

giống với dầu Diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật

hay mỡ động vật Biodiesel hay nhiên liệu sinh học nói chung là một loại năng

lượng sạch

Ví dụ: 1.05 tấn dầu cải + 0.11 tấn methanol cho ra 1 tấn ester + 0.1 tấn

glycerine + 0.025 tấn axit béo

Thông thường biodiesel được sử dụng ở dạng nguyên chất hay dạng hỗn hợp

với dầu diesel Ví dụ như B20 là hỗn hợp gồm 20% biodiesel và 80% diesel có

nguồn gốc dầu mỏ

Biodiesel còn được gọi Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống

với dầu Diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay

mỡ động vật Biodiesel hay nhiên liệu sinh học nói chung là một loại năng lượng

sạch Mặt khác, chúng không độc và dễ phân giải trong tự nhiên

™ Tình hình sử dụng Biodiesel trên thế giới

Châu Âu có tốc độ phát triển biodiesel nhanh nhất với quy trình sản xuất từ hột

cải dầu Brassica napus Tận dụng ưu thế nhiệt đới, vùng Đông Nam Á nhận được

nhiều nguồn đầu tư vào nhiên liệu sinh học; trong đó 3 nước Thái Lan, Malaixia và

Inđônêxia sử dụng các loại dầu cọ, Philippin cũng như Trung Quốc và Ấn Độ chọn

loại dầu của cây đậu cọc rào (còn gọi cây dầu mè) Jatropha curcas Ngược lại, các

tập đoàn dầu khí không đầu tư sản xuất biodiesel từ cây trồng trên cạn mà nhắm vào

các loài rong tảo, đặc biệt vào nhóm tảo phù du - phytoplankton - vốn có cấu trúc tế

bào đơn giản, tốc độ sinh sản cực kỳ nhanh và hàm lượng chất béo lại rất lớn

Theo xu hướng thế giới, người ta sẽ trộn Biodiesel vào thành phần Diesel từ 5%

đến 30% Nhiều bang của Mỹ đã có luật quy định pha trộn tối thiểu ở mức 2%, tại

25 nước châu Âu là 5,75% trong năm 2010 và ở Ấn Độ dự kiến thay thế 50% nhiên

liệu dầu mỏ vào năm 2030 [29]

- Tại Áo, một phần của chỉ thị của EU đã được thực hiện sớm hơn và từ ngày 1

tháng 11 năm 2005 chỉ còn có dầu Diesel với 5% có nguồn gốc sinh học (B5) là

được phép bán [29]

- Tại Australia, đã sử dụng B20 và B50 vào tháng 2 năm 2005 [29]

- Tại Mỹ năm 2005, đã sử dụng B20

- Tại Thái Lan trong năm 2006, sử dụng B5 tại Chiangmai và Bangkok [29]

- Tại Việt Nam, Petro Việt Nam đã có kế hoạch đưa 10% Bio-Diesel (B10) vào

thành phần Diesel để lưu thông trên thị trường [29]

™ Nguồn tài nguyên và xu hướng sản xuất Biodiesel trên thế giới

Trên thực tế, người ta đã và đang nghiên cứu gần như tất cả những nguồn dầu,

mỡ có thể sử dụng để sản xuất Biodiesel Việc lựa chọn loại dầu thực vật hoặc mỡ

động vật nào phụ thuộc vào nguồn tài nguyên sẵn có và điều kiện khí hậu cụ thể của

từng vùng

Do chi phí cho việc trồng cây nhiên liệu lấy dầu rất thấp, hơn nữa chúng lại rất

sẵn trong tự nhiên nên trong tương lai Diesel sinh học có thể được sản xuất ra với

chi phí thấp hơn nhiều so với Diesel lấy từ dầu mỏ Tuy nhiên, bài toán nguyên liệu

đặt ra là: “Diesel sinh học cũng có thể làm thay đổi nhu cầu đối với đất nông nghiệp”, Diesel sinh học có thể giải quyết được bài toán hiệu ứng nhà kính và sự

cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch, nhưng dẫu sao nó vẫn cần rất nhiều đất Vì lý do

này mà ở nhiều quốc gia đã sử dụng nguồn nguyên liệu là mỡ các loại động vật ít có

giá trị về mặt kinh tế để sản xuất Biodiesel

Tại An Giang, đề tài nghiên cứu khoa học của ông Hồ Xuân Thiên cùng một số

cán bộ kỹ thuật thuộc Công ty Cổ phần Xuất Nhập khẩu Thủy sản An Giang

(AGIFISH) nghiên cứu công nghệ sản xuất Bio-Diesel từ mỡ cá tra, cá ba sa hiện

đang được áp dụng ở các công ty trong khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long như:

công ty AGIFISH, công ty MINH TÚ, và các cở sở sản xuất nhỏ lẻ khác…Nước ta

đặt mục tiêu đến năm 2020, 2025 phải sản xuất được 4,5 đến 5 triệu tấn chiếm 20%

nhu cầu xăng dầu cả nước [10]

2.4.2.2 Đặc tính của nhiên liệu biodiesel

Bảng 2.3: Tính chất lý hóa cơ bản của một số biodiesel [3], [4]

Nguồn: TCVN 7717 – 07: Vietnam standard on biodiesel B5, B10, B100

ESTER

Khối lượng

riêng

g/cm3

Độ nhớt

ở 200c (cSt)

Điểm đục (0C)

Điểm chớp lửa (0C)

Nhiệt trị (MJ/kg) (kCal/kg)

Tính chất vật lý biodiesel tương tự như diesel nhưng tốt hơn diesel về mặt chất

thải Biodiesel khắc phục được những nhược điểm của dầu thực vật như độ nhớt quá

lớn (cao gấp 6-14 lần diesel), chỉ số Cetan thấp, dễ bị trùng hợp Các loại biodiesel

đều có tỉ lệ % trọng lượng oxy khá lớn, đây là điều mà dầu diesel không có

Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800 [25], trong thời điểm đó

người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng và thu

được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là Biodiesel

Trong những năm của thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu

hạt cải, và được dùng ở dạng B5 (5% Biodiesel với 95% Diesel) và B30 (30%

Biodiesel trộn với 70% Diesel) [25]

So sánh một số tính chất của nhiên liệu Diesel, Biodiesel (Bio) và hỗn hợp

Biodiesel với tỉ lệ khác nhau (B20, B30… được hiểu là hỗn hợp

Diesel-Biodiesel có 20%, 30% Diesel-Biodiesel theo thể tích)

Sau đây là bảng so sánh một số tính chất vật lý của hỗn hợp nhiên liệu ester dầu

cải hòa với diesel ở các tỉ lệ % khác nhau:[10]

Bảng 2.4: Tính chất vật lý của hỗn hợp nhiên liệu ester dầu cải hòa với diesel

2.4.2.3 Ưu, nhược điểm của nhiên liệu Biodisel so với diesel truyền thống

• Về mặt môi trường

- Biodiesel giảm lượng khí CO2 do đó giảm được nhiều hiệu ứng nhà kính

- Khi cháy, biodiesel thải ra một lượng rất ít CO, hydrocacbon chưa cháy hết nên sử

dụng biodesel sẽ làm giảm sự ô nhiễm không khí và không gây ảnh hưởng đến sức

khoẻ con người

- Biodiesel là chất không độc, dễ phân hủy

- Biodiesel không chứa hợp chất lưu huỳnh, giảm mưa acid

- Biodiesel không chứa hợp chất vòng thơm

• Về mặt kỹ thuật

- Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn dầu truyền thống Vì vậy, biodiesel

an toàn hơn trong công tác phòng cháy nổ

- Khi sử dụng biodiesel làm nhiên liệu thì không cần cải tiến bất kỳ một bộ

phận nào về hệ thống nhiên liệu của động cơ Công suất, lực kéo, mã lực của xe

biodiesel và hỗn hợp ngang với dầu diesel truyền thống [10]

• Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn

Biodiesel có khả năng bôi trơn bên trong rất tốt Khả năng bôi trơn của nhiên

liệu được đặc trưng bởi giá trị HFRR ( high-frequency receiproating rig), nói chung

giá trị HFRR càng thấp thì khả năng bôi trơn của nhiên liệu càng tốt Dầu diesel đã

xử lý luu hùynh có giá trị HFRR ≥ 500 khi không có phụ gia , nhưng giới hạn đặc

trưng của diesel là 450 Vì vậy dầu diesel cần phải có phụ gia để tăng khả năng bôi

trơn Ngược lại giá trị HFRR của biodiesel khoảng 200 Vì vậy, biodiesel còn như là

một phụ gia rất tốt đối với nhiên liệu diesel thông thường Khi thêm vào với tỷ lệ

thích hợp biodiesel, sự mài mòn bơm, kim phun được giảm mạnh

Tuy nhiên, biodiesel cũng còn một số nhược điểm như có điểm đông đặc cao

hơn diesel gây khó khăn cho việc sử dụng ở các nước có nhiệt độ thấp vào mùa

đông

Khi sử dụng nhiên liệu chứa nhiều hơn 5% Biodiesel có thể gây nên những

vấn đề: ăn mòn các chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu do tính dễ

bị oxi hóa của Biodiesel; làm hư hại nhanh các vòng đệm cao su do sự không tương

thích của Biodiesel với chất liệu làm vòng đệm

Biodiesel rất háo nước nên cần những biện pháp bảo quản đặc biệt để tránh

tiếp xúc với nước Biodiesel không bền rất dễ bị oxi hóa nên gây nhiều khó khăn

trong việc bảo quản

2.4.2.4 Sơ lược đặc điểm mỡ cá basa

Cá basa là loại cá ăn tạp và lớn rất nhanh, sau 60 ngày chiều dài cá có thể đạt

từ 8-10,5 cm Một vụ nuôi 10-12 tháng trọng lượng cá có thể đạt 1,3-1,5 kg/con Cá

basa (tên tiếng Anh: Yellowtail catfish) là loài được nuôi truyền thống trong bè trên

sông Mekong ở Việt Nam, Lào, Thái Lan và Campuchia Cá tra (tên tiếng Anh:

Shutchi catfish) trước đây được nuôi nhiều trong ao, đồng bằng Nam bộ Việt Nam

Gần đây, PGS.TS Hoàng Đức Như đã công bố một số công trình nghiên cứu dùng các phương pháp tinh luyện phù hợp để khắc phục các nhược điểm vốn có của

mỡ cá như mùi tanh và chống hôi nhằm biến mỡ cá thành một chất béo có thể sử

dụng rộng rãi trong thực phẩm và đời sống

Hình 2.1: Phế phẩm từ cá basa để chế biến dầu Biodiesel

2.4.2.5 Công nghệ xử lý mỡ cá basa

Mỡ cá ( Mỡ phần hay mỡ bụng )

Rửa và làm sạch trong nước lạnh ( Cắt lát nhở từ 3 -5mm)

2.4.2.6 Thành phần hóa học của mỡ cá

™ Axit béo

Thành phần axit béo của mỡ động vật thủy sản khác với mỡ động vật trên cạn

Axit béo của động vật thủy sản thuộc loại mạch thẳng có một gốc carboxyl, chuỗi

cacbon trong chất béo kéo dài từ 12 đến 26 Chất béo động vật thủy sản chủ yếu là

axit béo không no, loại C14 – C16 rất ít, loại C18 – C20 không bão hòa rất nhiều, đặc

biệt là loại C18 không bão hòa [6]

Thành phần mỡ của các loại cá khác nhau cũng khác nhau Trong cá nước

ngọt: C16 – C18 tương đối nhiều Điều này có lẽ do ảnh hưởng của động vật phù du ở

vùng nước ngọt gây nên

Trong chất béo động vật thủy sản, đối với mỗi chuỗi của mạch cacbon thường

có vài axit béo tồn tại, có khi một axit béo no và một axit béo không no kết hợp với

nhau Chuỗi cacbon càng dài thì mức độ không no càng cao và các chất hỗn hợp lại

càng phức tạp Thành phần của chúng thường biến đổi theo mùa vụ, thời tiết, giống

loài, đực cái, hoàn cảnh sống

Thành phần axit béo của động vật thủy sản được tóm tắt như sau:

- Axit béo bão hòa: CnH2nO2 hoặc CnH2n+1COOH

- Axit béo không bão hòa:

Thuộc dãy axit oleic: CnH2n-2O2 (có 1 nối đôi)

Thuộc dãy axit linoleic: CnH2n-4O2 (có 2 nối đôi)

Thuộc dãy axit linolenic: CnH2n-6O2 (có 3 nối đôi)

- Axit không bão hòa cao độ: C18- C24

Thuộc dãy: CnH2n-8O2

CnH2n-10O2

CnH2n-12O2

Mùi tanh của dầu cá là do các chất tanh của cá (trimetylamin – TMA) hoặc

phần lớn do các axit béo không no cao phân tử có mùi tanh hôi, ure, amoniac, sản

phẩm oxy hóa, sản phẩm phân hủy trong quá trình bảo quản nguyên liệu và chế biến

gây nên Những loại axit béo không no có trong dầu động vật thủy sản thường ở

dạng kết hợp với glycerin, khi thối rữa hoặc tự phân giải thì nó bị phân ly ra làm

cho chỉ số axit của chất béo tăng cao đồng thời dễ bị oxy hóa làm cho sản phẩm bị

™ Sterol

Trong thành phần không xà phòng hóa của dầu cá có sterol, vitamin A,

D, sáp… Ngoài ra còn có phosphatid (có trong dầu trứng cá)

™ Cacbua hydro

Bình thường trong dầu động vật hàm lượng cacbua hydro tương đối ít nhưng trong một số gan cá nhám có nhiểu có thể đến 80% của chất béo

™ Sắc tố

Trong dầu động vật thủy sản phần lớn là carotenoit tức là astaxin (C4H48O4),

carotene, xanthophulls, fucoxanthin và các chất màu melanoidin, quinonamin tạo

nên Bên cạnh đó màu sắc của dầu cá còn phụ thuộc vào nguồn gốc nguyên liệu,

phương pháp và điều kiện chế biến, phương pháp bảo quản

™ Mỡ cá Basa [6]:

Bảng 2.5: Kết quả phân tích một số chỉ tiêu hoá học của mỡ cá basa[6]

– Chỉ số iod cho biết về mức độ bão hoà của các axit trong dầu Chỉ số iod cao

tức là dầu có axit béo không no nhiều

– Chỉ số peroxyt biểu thị mức độ oxy hoá của dầu Chỉ số peroxyt của dầu cao

thì dầu càng dễ bị oxy hoá

– Chỉ số axit là chỉ tiêu quan trọng về tính chất trạng thái của chất béo Khi bảo

quản mỡ cá không tốt thì chỉ số axit tăng lên nhanh chóng nghĩa là chất

lượng của mỡ cá bị giảm xuống rõ rệt

– Chỉ số xà phòng hoá cho biết số lượng axit béo tự do và kết hợp trong chất

béo nhiều hay ít Chỉ số xà phòng hoá càng cao dầu mỡ càng chứa càng

nhiều axit béo phân tử thấp và ngược lại

Thành phần chủ yếu của mỡ cá là triglycerid của axit béo no và không no với

glycerin Hàm lượng axit béo không bão hoà chứa nhiều nối đôi chiếm 84% vì vậy

mỡ cá có chỉ số iod cao hơn các loại dầu khác nên rất dễ bị oxy hoá và bị ôi

Quá trình oxy hoá sản sinh ra rất nhiều chất thuộc loại aldehyd, ceton, các axit béo

cấp thấp làm cho mỡ cá có mùi khó chịu

2.4.2.7 Thành phần mỡ cá basa ở Việt Nam

Kết quả nghiên của viện nghiên cứu và nuôi trồng thuỷ sản II cho biết [10], [26]:

Kết quả nghiên cứu của PGS.TS Hoàng Đức Như loại cá Basa từ 1-1,5 kg:

Tỷ lệ mỡ cá so với trọng lượng cá: 25%

Tỷ trọng 300C: 0,917 Chỉ số chiết quang ở 400C: 1,46 Chỉ số axit: 0,22 mg koh

Chỉ số iod: 78,72 ir/100 Trạng thái: mỡ cá ba sa thô gồm 2 phần:

Phần đặc: 10% ( tạm gọi là mỡ cá basa) Phần lỏng: 90% (tạm gọi là phần dầu cá Basa)

Bảng 2.6: Thành phần mỡ cá basa[10]

Thành phần mỡ cá Basa có axit béo 1 nối đôi 31,5%, nhiều nối đôi 12,72%

và axit béo bão hoà 44,35% gần tương đương với dầu cọ nhập ngoại

™ Thành phần mỡ cá basa được đo tại Trung Tâm Nghiên Cứu và Phát

triển Chế Biến Dầu Khí (RDCPP) [10]

8 Hàm lượng nước %TT ASTM D95 0,15

2.4.2.8 Hướng cải thiện các chỉ tiêu nhiên liệu cho phù hợp với động cơ

Diesel

Xét phương tiện nhiên liệu động cơ thì sự khác nhau cơ bản mỡ cá so với do là

độ nhớt Mỡ cá độ nhớt cao, ảnh hưởng xấu đến hệ thống cấp nhiệt, quá trình phun,

cháy Nên động cơ diesel hoạt động kém hiệu quả khi dùng mỡ cá làm nhiên liệu

Vì các lí do trên nên trong các giải pháp xử lý mỡ cá để tính chất của nó gần với

tính chất D0 là giải pháp làm giảm độ nhớt cần được quan tâm trước tiên, sau đây là

một trong các biện pháp làm giảm độ nhớt:

2.4.2.9 Quá trình điều chế biodiesel

Hình 2.2: Sơ đồ thu biodiesel từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau

Nhiên liệu biodiesel được làm từ dầu thực vật, mỡ động vật còn mới hay đã

qua sử dụng Nguyên tắc của quá trình: dầu mỡ tác dụng với cồn methanol hoặc

ethanol tạo ra ester Các ester này chính là biodiesel Sản phẩm phụ của quá trình

này là glycerin sử dụng trong ngành dược và mỹ phẩm

Hiện nay biodiesel được sản xuất từ quá trình chuyển hóa ester Dầu thực vật,

mỡ động vật sau khi lọc được thủy phân trong môi trường kiềm để tách axit béo tự

do Sau đó được trộn với cồn (thường là methanol) và chất xúc tác Natri hay Kali

Hidroxit để triglyceride phản ứng tạo ra ester và glycerin Cuối cùng là giai đoạn

tách và làm sạch