Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu tối ưu tỉ lệ hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu Diesel với Biodiesel từ mỡ cá basa và dầu ăn phế thải cho động cơ phát điện Diesel

Mục đích chính của nghiên cứu này phối trộn ba loại biodiesel sản xuất từ mỡ cá, dầu thải từ nấu ăn waste-cooking oil và dầu Jatrophas Curcas và thử nghiệm trên động cơ diesel phun nhiên

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại Học Bách Khoa PTN Trọng Điểm Động Cơ Đốt Trong

Báo Cáo Tổng Kết Kết Quả Đề Tài NCKH Cấp Trường

Nghiên Cứu Tối Ưu Tỉ Lệ Hòa Trộn Hỗn Hợp Nhiên Liệu Diesel với Biodiesel từ Mỡ Cá Basa và Dầu Ăn Phế Thải

cho Động Cơ Phát Điện Diesel

Mã số đề tài: T – KTGT – 2010 – 08 Thời gian thực hiện: 12 tháng

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Ngọc Dũng Cán bộ tham gia đề tài: Ths Trần Đăng Long

Ks Phan Thế Anh Ks Võ Tấn Châu

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 3/2012

Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài

1 Ts Nguyễn Ngọc Dũng Bộ môn Ô tô – Máy Động Lực, khoa KTGT 2 Ths.Trần Đăng Long Bộ môn Ô tô – Máy Động Lực, khoa KTGT 3 Ths Đinh Quốc Trí Bộ môn Ô tô – Máy Động Lực, khoa KTGT 4 Ks Phan Thế Anh PTN Trọng Điểm Động cơ Đốt Trong, khoa KTGT 5 Ks Võ Tấn Châu PTN Trọng Điểm Động cơ Đốt Trong, khoa KTGT

TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Nhiên liệu dầu sinh học (biodiesel) đang được xem là một trong những nguồn nhiên liệu quan trọng thay thế cho nhiên liệu truyền thống nhằm giải quyết các vấn đề về an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường Mục đích chính của nghiên cứu này phối trộn ba loại biodiesel sản xuất từ mỡ cá, dầu thải từ nấu ăn (waste-cooking oil) và dầu Jatrophas Curcas và thử nghiệm trên động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp nhằm đánh giá các tính năng về công suất và khí thải động cơ khi sử dụng với nhiên liệu hỗn hợp.Quá trình nghiên cứu đầu tiên tập trung vào phân tích và phối trộn nhiên liệu, sau đó tập trung vào việc thử nghiệm so sánh đặc tính công suất, đặc tính khí thải của các nhiên liệu biodiesel kể trên và nhiên liệu diesel truyền thống.Các mẫu biodiesel phối trộn mới được thử nghiệm và chứng tỏ sự cải thiện về về đặc tính công suất và đặc tính phát phải so với nhiên liệu biodiesel tinh khiết Kết quả nghiên cứu của đề tài giúp đóng góp cho quá trình phát triển ứng dụng nhiên liệu sinh học, tối ưu hóa quá trình điều khiển và làm việc của động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp khi sử dụng nhiên liệu biodiesel tại Việt Nam

Đề tài đã hỗ trợ đào tạo 02 học viên cao học thực hiện luận văn Ngoài ra, kết quả đề tài đã được đăng trong kỷ yếu của 02hội nghị quốc tế, 01 bài báo đăng trên tạp chí cơ khí Việt Nam

Nội dung nghiên cứu

1.1.Vấn đề năng lượng và ô nhiễm môi trường 11.2.Tình hình sử dụng nhiên liệu 21.3.Nhiên liệu Diesel và biodiesel 31.4.Mục tiêu nghiên cứu đề tài 8

2.1.Tính chất nhiên liệu biodiesel nguyên chất 92.2.Phối trộn nhiên liệu biodiesel 112.3.1.Cơ sở phối trộn các loại dầu diesel 11

3.1.5.Thiết bị phân tích khí thải (Hesbon) 21

3.4.1.Đặc Tính Công Suất Động Cơ 23

4.2.Định hướng nghiên cứu và khiến nghị 29

Chương 1: Tổng Quan

1.1 Vấn đề năng lượng và ô nhiễm môi trường

Trong cân bằng năng lượng thế giới, than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên là ba dạng năng lượng sơ cấp đóng vai trò chủ yếu phục vụ thế giới hiện đại.Trong năm 2006, việc đốt cháy các nguồn năng lượng có nguồn gốc hóa thạch đóng góp hơn 85% tổng số nguồn năng lượng của thế giới [1] Tại các thành phố lớn, nơi tập trung mật độ dân số, mật độ phát triển kinh tế cao thường gắn liền với mật độ giao thông dày đặc của các thiết bị vận tải đường bộ, đường sắt, đường thủy và đường hàng không Các phương tiện giao thông đường bộ sử dụng nhiên liệu lỏng như xăng, diesel đóng góp tỉ lệ rất quan trọng trong việc duy trì và phát triển của nền kinh tế.Với sự phát triển của các nền kinh tế lớn, đặc biệt là Trung Quốc và Ấn Độ, nhu cầu về năng lượng có nguồn gốc hóa thạch ngày càng tăng cao

Các nguồn năng lượng hoá thạch là các nguồn năng lượng hữu hạn và không thể tái tạo.Theo dự đoán của tổ chức năng lượng thế giới, tính từ năm 2006 đến 2030, nhu cầu năng lượng thế giới sẽ tăng khoảng 44% Trong đó, nhu cầu từ các nước đang phát triển tăng 73%, các nước phát triển tăng 15% [2] Mặc dù đóng góp to lớn vào sự phát triển của nhân loại, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch này hiện đang gây ra các vấn đề rất lớn về kinh tế, xã hội, tự nhiên, môi trường Việc đốt nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch thải ra môi trường một lượng lớn các chất gây ô nhiễm, đang phá hủy trầm trọng môi trường sống, gây biến đổi khí hậu, và là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến các thảm họa thiên tai trong những năm gần đây Ngoài ra, nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch là các loại nhiên liệu không tái sinh, việc sử dụng cạn kiệt nguồn nhiên liệu này cũng dẫn đến các vấn đề rất lớn về kinh tế, chính trị trong việc đảm bảo sự phát triển bền vững của các quốc gia Vấn đề đảm bảo an ninh năng lượng cũng như giảm ô nhiễm môi trường đang là các thách thức hàng đầu cho các quốc gia, các chuyên gia nghiên cứu trong ngành năng lượng, ngành nhiên liệu, và ngành động cơ.Bên cạnh nguồn năng lượng có nguồn gốc hoá thạch, một số nguồn năng lượng khác như thủy điện, năng lượng nguyên tử, các dạng năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều,…) cũng đang góp phần phát triển kinh tế nhân loại.Tuy nhiên, các nguồn này chỉ chiếm một phần nhỏ trong cân bằng năng lượng toàn cầu

Rất nhiều các biện pháp, giải pháp đã được đề xuất, triển khai ứng dụng.Trong đó, có các nghiên cứu và phát triển các loại năng lượng mới, năng lượng tái tạo (new/renewable energy) thay thế nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch.Trong đó, các nghiên cứu về việc ứng dụng nhiên liệu mới/ nhiên liệu thay thế như nhiên liệu dầu sinh học (biodiesel), nhiên liệu cồn (ethanol/methanol, bioethano), nhiên liệu khí sinh học (biogas), thiên nhiên (NG), khí hóa lỏng (LPG) là một trong những hướng nghiên cứu nổi bật trong việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới bổ sung và thay thế từng phần nhiên liệu có xăng và diesel truyền thống trên động cơ đốt trong

1.2 Tình hình sử dụng nhiên liệu

Theo dự báo của Tổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ (OPEC), nhu cầu dầu thô của nền kinh tế thế giới có xu hướng tăng một cách ổn định Nhận định này được công bố ngày 11/11 trong báo cáo hàng tháng của OPEC Trong báo cáo này, nhu cầu về dầu thô của thế giới trong năm nay so với năm 2009 tăng 1,32 triệu thùng/ngày và đạt mức trung bình 85,78 triệu thùng/ngày Với mức tăng đều đặn như vậy, sang năm 2011, con số trên có thể đạt tới gần 87triệu thùng/ngày Các quốc gia xuất khẩu dầu mỏ không thuộc OPEC trong năm nay đã tăng sản lượng khai thác thêm hơn 1 triệu thùng/ngày so với năm ngoái, lên 52,16 triệu thùng/ngày Theo các nhà nghiên cứu thuộc Đại học California, thế giới sẽ cạn kiệt dầu mỏ khoảng 100 năm trước khi có đủ các nguồn năng lượng thay thế nếu việc sử dụng dầu mỏ và phát triển các nhiên liệu mới tiếp tục với tốc độ như hiện nay Với trữ lượng dầu mỏ toàn cầu là 1.332 tỷ thùng theo ước tính vào năm 2008, mức tiêu thụ 85,22 triệu thùng/ngày và tăng 1,3% mỗi năm, dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào năm 2041 hoặc lạc quan hơn là vào năm 2054 Trong khi đó, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, các nguồn năng lượng mới chỉ có thể thế chỗ của dầu mỏ sớm nhất là vào năm 2140 [3]

Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn tài nguyên dầu mỏ và khí phong phú Hiện nay, nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm lọc dầu của Việt Nam tăng lên nhanh chóng trong những năm qua do sự phát triển kinh tế của Việt Nam ngày càng cao Tiêu thụ năng lượng của nước ta tăng mạnh hơn tỷ lệ tăng trưởng kinh tế Trong giai đoạn 2001-2006, chứng kiến mức tăng trưởng trung bình hàng năm về nhu cầu tiêu thụ xăng dầu (xăng, DO, FO, kerosene, JetA1, LPG, nhựa đường) trong nước là 4%/năm Năm 2006, tổng sản lượng tiêu thụ các sản phẩm lọc dầu của Việt Nam là 12,3 triệu tấn/năm Trong các sản phẩm xăng dầu của Việt Nam thì dầu diesel chiếm tỷ trọng lớn nhất và có mức tăng trưởng trung bình hàng năm là 5,3%/năm cho giai đoạn 2001-2006, đạt mức 5,1 triệu tấn/năm cho năm 2006 Xăng là sản phẩm chiếm vị trí thứ 2 trong cơ cấu sản phẩm lọc dầu được tiêu thụ tại Việt Nam với mức tăng trưởng hàng năm cho giai đoạn 2001-2006 là 11,9%/năm, sản lượng tiêu thụ xăng cho năm 2006 là 3,3 triệu tấn/năm [4]

Theo báo cáo của nhiều chuyên gia, trong thời gian tới nếu Việt Nam không phát hiện thêm các mỏ dầu mới có trữ lượng lớn thì với sản lượng khai thác hiện tại, dự báo đến 2025 Việt Nam về cơ bản cạn kiệt tài nguyên dầu khí Việt Nam từ chỗ xuất khẩu năng lượng (dầu thô, than), trong vòng 15 năm tới sẽ phải nhập năng lượng, trong đó xăng dầu dùng cho giao thông vận tải chiếm khoảng 30% tổng nhu cầu năng lượng của cả nước

Khi nhà máy lọc dầu Dung Quất hoạt động hết công suất, Việt Nam cũng mới tự cung cấp được khoảng 5,3 triệu tấn xăng dầu dùng cho giao thông vận tải trong tổng

nhu cầu 15,5 - 16 triệu tăng tấn xăng dầu Do vậy Việt Nam hiện tại vẫn phải nhập khẩu ít nhất 2/3 nhu cầu xăng dầu từ nước ngoài để phục vụ nhu cầu trong nước Trong khi nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt, chi phí khai thác ngày càng tăng thì nhu cầu sử dụng của con người vẫn không ngừng tăng lên làm cho giá của các loại nhiên liệu hóa thạch tăng cao, điển hình là giá dầu thô trên thế giới Điều này đã tác động trực tiếp lên giá thành xăng dầu thành phẩm Việt Nam đang phải sử dụng một số lượng lớn ngoại tệ để nhập khẩu xăng dầu phục vụ cho nhu cầu trong nước [5]

1.3 Nhiên liệu Diesel và biodiesel Nhiên liệu diesel là một loại nhiên liệu lỏng, được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn

gas-oil nhẹ, là sản phẩm của quá trình chưng cất dầu mỏ (còn gọi là petrodiesel) với khoảng nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển từ 250 đến 3500C, với số nguyên tử carbon khác nhau từ C16 đến C20 Phân đoạn gasoil cũng có thể được trộn chung với các sản phẩm của quá trình như: cracking nhiệt, cracking xúc tác…để tăng sản lượng và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật Phần lớn trong phân đoạn này chứa các n-parafin, iso-parafin, naphthene, olefin và các aromatic, còn hydrocarbon thơm rất ít Ở cuối phân đoạn có những n-parafin có nhiệt độ kết tinh cao, chúng là những thành phần gây mất tính linh động của phân đoạn ở nhiệt độ thấp

Nhiên liệu diesel được sử dụng chủ yếu cho động cơ diesel (đường bộ, đường sắt, đường thủy…) và cũng được sử dụng trong các tuabin khí (công nghiệp xây dựng, phát điện…) do những ưu điểm của động cơ diesel như độ bền, hiệu suất cao hơn so với động cơ xăng

Để đáp ứng các yêu cầu của động cơ cũng như tiểu chuẩn của môi trường, nhiên liệu diesel phải thỏa mãn một số chỉ tiêu về chất lượng sản phẩm quy định, tùy theo điều kiện cụ thể mà mỗi quốc gia, vị trí có những tiêu chuẩn khác nhau, như Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), ASTM… Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về nhiên liệu Diesel được trình bày trong Bảng 1 Nhiên liệu diesel được đánh giá qua một số tiêu chuẩn sau:

- Trị số xêtan: Trị số xêtan là đơn vị đo quy ước, đặc trưng cho khả năng tự cháy của nhiên liệu diesel, có giá trị đúng bằng giá trị của hỗn hợp chuẩn có cùng khả năng tự bắt cháy Trị số xêtan của động cơ diesel tốc độ chậm (dưới 500 vòng/phút) nằm trong khoảng 45 đến 50 Trong khi đó, đối với động cơ diesel cao tốc, (tốc độ lớn hơn 1000 vòng/phút), trị số xêtan thông thường lớn hơn 50 Trị số xetan cao quá sẽ lãng phí nhiên liệu vì một số thành phần ở nhiệt độ cao trong xilanh sẽ phân hủy thành cacbon tự do (tạo muội) trước khi cháy Trị số xetan thấp quá sẽ xảy ra cháy kích nổ, do có nhiều thành phần khó bị oxy hóa đòi hỏi phải phun rất nhiều nhiên liệu vào xilanh mới xảy ra quá trình tự cháy, dẫn đến lượng nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn yêu cầu, nhiệt lượng sinh ra rất lớn gây tăng mạnh áp suất, động cơ bị rung giật, nếu kích nổ lâu có thể phá huỷ một số chi tiết bên trong động cơ

- Độ nhớt: Độ nhớt là tính chất của một chất lỏng, được xem là ma sát nội của chất lỏng và cản trở sự chảy của chất lỏng Nguyên nhân có độ nhớt là do ái lực cơ học giữa các hạt cấu tạo nên chất lỏng Đặc biệt ở những vùng có nhiệt độ môi trường thấp, nhiên liệu phải lưu động một cách dễ dàng trong hệ thống nhiên liệu, nhiên liệu sẳn sàng cung cấp đủ và liên tục Độ nhớt phù hợp, đảm bảo tính chất bôi trơn và bao kín các bộ đôi bơm cao áp và kim phun Tuy nhiên, nếu độ nhớt quá cao thì nhiên liệu khó phun tơi và bốc hơi hoàn toàn, gây chất lượng xấu tới chất lượng hỗn hợp và cháy của nhiên liệu Độ nhớt động học của nhiên liệu Diesel tối thiểu là tại 20oC là 1.5÷2.0 cSt - Độ đông đặc: Đông đặc là một tính chất của dầu mỏ, chúng bị mất linh động khi nhiệt độ hạ xuống thấp Tính linh động là do sự tạo thành những mạng tinh thể parafin hoặc độ nhớt tăng mạnh

- Thành phần chưng cất: Nhiên liệu có thành phần chưng cất ổn định được đặc trưng bởi nhiệt độ bốc hơi của nhiên liệu từ 155÷375oC Trong đó 50% nhiên liệu bốc hơi ở to =270÷280oC, 96% nhiên liệu bốc hơi ở to =340÷360oC Nhiên liệu có tính bốc hơi tốt thì động cơ càng dễ khởi động, thời gian chạy hâm nóng máy giảm và nồng độ khói đen trong khí thải càng ít

- Hàm lượng lưu huỳnh: Nhiên liệu diesel cũng yêu cầu không ăn mòn, mài mòn và kết muội than trước, sau khi cháy, điều này tùy thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh (S), tro và các hợp chất hữu cơ, vô cơ, nước Vì vậy nhiên liệu trước khi sử dụng phải được lọc thật sạch và bảo quản tốt

Bảng 1.Một số chỉ tiêu kỹ thuật về thành phần nhiên liệu diesel tại Việt Nam

1 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max 500 - 2500 ASTM D - 2622/5453 2 Chỉ số xêtan, không nhỏ hơn >46 ASTM D 4737

3 Nhiệt độ cất oC, 90% thể tích, max 360 ASTM D 86 4 Điểm cớp cháy cốc kín, oC, min 55 ASTM D 83/3828 5 Độ nhớt động học ở 40oC, cSt 2 ÷ 4,5 ASTM D 445 6 Cặn cacbon của 10% cặn chưng

cất, max mmmã % khối lượng, max

0,3 ASTM D 4530/189

7 Điểm đông đặc, oC, max +6 ASTM D 97 8 Hàm lượng tro, % khối lượng, max 0,01 ASTM D 482 9 Hàm lượng nước, mg/kg, max 200 ASTM E 203 10 Tạp chất dạng hạt, mg/l, max 10 ASTM D 2276 11 Ăn mòn mảnh đồng ở 50oC, 3giờ,

max

Lọai 1 ASTM D 130 12 Khối lượng riêng ở 15oC, kg/l 820-860 ASTMD 1298/4052

13 Độ bôi trơn, µm, max 460 ASTM D 6079 14 Ngọai quan Sạch, trong ASTM D 4176

Động cơ sử dụng nhiên liệu diesel khi hoạt động gây ra các vấn đề lớn về môi trường do thải ra các chất độc hại như CO2, CO, HC, NOx và PM Khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu diesel truyền thống sẽ thải ra khoảng 3,2 kg CO2 Đây là khí nhà kính, sẽ góp phần thúc đẩy nguy cơ biến đổi khí hậu do trái đất nóng dần lên Việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới thay thế nguồn nhiên liệu diesel truyền thống để giảm lượng phát thải CO2, cũng như đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia đang được xem là các ưu tiên hàng đầu tại các nước phát triển cũng như đang phát triển Trong các giải pháp đưa ra, việc ứng dụng nhiên liệu sinh học đang được xem là một trong những ưu tiên hàng đầu

Nhiên liệu biodiesellà hỗn hợp các acid béo được tạo ra từ các loại dầu thực vật

(dầu dừa, dầu Jatropha curcas, dầu đậu nành, dầu cọ, dầu cải [6-10], các nguồn dầu tái chế trong quá trình chế biến thực phẩm từ các nhà hàng (recycled cooking oils) [11,12] hoặc dầu từ mỡ động vật [13-15] Dầu biodiesel được oxy hóa và chứa khoảng 11% oxy [16].Ưu điểm của dầu biodiesel là giảm đáng kể khí thải (Cacbon monoxide - CO, Hydrocacbon - HC, Particulate matter - PM) của động cơ góp phần giảm hiệu ứng nhà kính [16], [17], có thể sử dụng trực tiếp cho động cơ diesel mà không cần phải cải tạo [17-20], có độ nhờn cao hơn dầu diesel, tăng tính an toàn trong bảo quản và vận chuyển (có điểm chớp cháy cao hơn)… Vì những ưu điểm trên, dầu biodiesel được xem là nguồn nhiên liệu thay thế phù hợp, tối ưu và đáp ứng được yêu cầu cấp thiết cho sự phát triển ngành năng lượng của nhân loại trong tương lai

Bản chất của Biodiesel là sản phẩm Ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và axit béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật Tùy thuộc vào loại dầu và loại rượu sử dụng mà alkyl Ester có tên khác nhau Nếu đi từ dầu cây đậu nành (soybean) và Methanol thì ta thu được SME (Soy methyl Esters), đây là loại Esters thông dụng nhất được sử dụng tại Mỹ Nếu đi từ dầu cây cải dầu (rapeseed) và Methanol thì ta thu được RME (rapeseed methyl Esters), đây là loại Esters thông dụng nhất được sử dụng ở châu Âu

Biodiesel có tiềm năng lớn nhất để làm nhiên liệu tái tạo trong các động cơ diesel Hiện nay, công nghệ sản suất Biodiesel từ các cây có dầu đang được sử dụng rộng rãi ở châu Âu, Hoa Kỳ để thay thế một phần nhiên liệu DO (Diesel Oil) Có được điều này chủ yếu là do các đặc tính thuận lợi của Biodiesel về khả năng pha trộn với nhiên liệu diesel thông thường và chỉ cần điều chỉnh nhỏ động cơ diesel và hệ thống nhiên liệu Ngoài ra, biodiesel có thể thay thế nhiên liệu diesel do những ưu việt của nó như: khả năng cháy sạch hơn, được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo như dầu mỡ động thực vật: mỡ cá tra, cá basa, các loại dầu thực vật dầu lạc, dầu dừa, dầu đậu nành, dầu jatropha, dầu ăn phế thả Biodiesel có khả năng phân hủy sinh học rất nhanh, không gây hại đến môi trường nếu như rò rỉ ra

bên ngoài.Tuy nhiên, biodiesel cũng có những nhược điểm như nhiệt trị thấp.làm tăng hàm lượng NOx trong khí thải, nhiệt độ đông đặc cao hơn gây khó khăn trong quá trình sử dụng khi nhiệt độ môi trường thấp, giá thành cao

Nhiên liệu biodiesel đã phát triển từ khá lâu, với lịch sử hơn 100 năm.Rudolf Diesel đã sử dụng dầu lạc để chạy động cơ diesel dầu tiên vào năm 1895.Những năm 1930 và 1940, dầu thực vật được sử dụng như là nhiên liệu diesel nhưng trong những tình trạng khẩn cấp.Bắt đầu năm 1980, có nhiều cuộc tranh cãi lớn về việc sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu Brazil đa sử dụng hỗn hợp 10% dầu thực vật cho vào động cơ diesel mà không có sự thay thế gì, người ta đã bắt đầu pha trộn 20% dầu thực vật vào 80% dầu diesel và đã có những thành công nhất định Tháng 8 năm 1982, Hội nghị đầu tiên của thế giới về việc sử dụng dầu thực vật như là nhiên liệu được diễn ra tại Fargo, phía nam Dakota.Năm 1985, tại Áo thí nghiệm đầu tiên về sản xuất methyl ester dầu hạt cải được thực hiện.Năm 1987, thử nghiệm trên động cơ đo hàm lượng khói thải của methyl ester dầu ăn phế thải tại Áo.Ngày 30/04/2001, Mỹ tiếp tục sử dụng biodiesel để nhằm vào mục đích cải thiện môi trường và đa dạng hóa các nguồn năng lượng đang sử dụng

Biodiesel có tiềm năng rất lớn dùng làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu diesel truyền thống sử dụng cho động cơ.Có hai tiêu chuẩn phát triển dầu diesel sinh học chính là ASTM-D 6751 ở Hoa Kỳ và EN14214 ở Liên minh Châu Âu.Theo đó, quá trình sản xuất diesel sinh học bắt đầu từ dầu thực vật nguyên chất hoặc các chất béo đã qua sử dụng Các cấu trúc phân tử phân nhánh lớn của dầu thực vật được chuyển sang các cấu trúc phân tử mạch thẳng ngắn hơn gọi là các ester methyl- hoặc ethyl giống như các thành phần của dầu diesel hoá thạch Quá trình biến đổi ester hoá này cần có cồn (thường là methanol hoặc ethanol) để loại bỏ glycerol ra khỏi dầu thực vật Hai sản phẩm chính của phản ứng này là glycerol và ester a-xít béo – FAME (Fatty Acid Methyl Ester, biodiesel), là hai chất có các pha tách biệt với pha ester Cả glycerol và lượng methanol còn dư quá trình ester hoá có thể được thu hồi và sử dụng lại trong các ngành công nghiệp mỹ phẩm và dược phẩm

Vì dầu Biodiesel FAME hoạt động như một chất hoà tan, nên dầu diesel sinh học với tỷ lệ trên 20% không tương thích với một số loại hợp chất nhựa tổng hợp và cao su tự nhiên và chúng bị hỏng sau một thời gian Do đó, việc sử dụng dầu diesel sinh học có thể đòi hỏi phải thay các ống cao su, gioăng và vòng đệm, bằng các vật liệu khác, như vòng đệm phi cao su, hoặc các nhựa khác tương thích với dầu diesel sinh học Dầu FAME diesel sinh học có tốc độ lão hoá cao, nó bắt đầu xuống cấp và tạo thành các chất lắng đọng có thể làm hư hệ thống phun nhiên liệu Nhìn chung, lưu kho một năm được coi là có thể chấp nhận được với chất lượng nhiên liệu, phải đảm bảo và phải hạn chế tối đa sự tiếp xúc với ánh sáng, không khí và nước Chất lượng dầu diesel sinh học được coi là một yếu tố quan trọng trong đặc tính lão hoá và nó ảnh hưởng đến hệ thống nhiên liệu của động cơ Sự tiêu chuẩn hoá các yêu cầu về chất lượng nhiên liệu được coi là một bước quan trọng để phát triển ứng dụng biodiesel

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của việc ứng dụng nhiên liệu sinh học như địa lý của từng quốc gia-khu vực, khí hậu, nguồn nguyên vật liệu phục vụ cho nhu cầu sản xuất thực phẩm của con người… Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa là quốc gia có tiềm năng lớn trong việc sản xuất, ứng dụng biodiesel Các nguồn nhiên liệu chủ yếu tại thời điểm này để sản xuất ra biodiesel là mỡ cá ba-sa (catfish), dầu ăn phế thải (waste-cooking oils), dầu dừa và các loại thực vật khác Hàng năm, Việt Nam xuất khẩu cá ba-sa đến hơn 110 quốc gia trên thế giới Khối lượng xuất khẩu lên đến 172,871 tấn trong năm 2007 Lượng mỡ cá thu được trong quá trình chế biến tương đương với với khối lượng thành phẩm Hiện nay, nguồn dầu thải từ các nhà hàng, khu công nghiệp với số lượng rất lớn đang bị lãng phí về nguyên liệu và chi phí xử lý ô nhiễm môi trường Nghiên cứu này tập trung chủ yếu vào đánh giá tác động của một số loại biodiesel được sản xuất tại Việt Nam lên động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp [21]

Việc sản xuất và ứng dụng nhiên liệu biodiesel trên động cơ gặp phải một số vấn đề khó khăn về chất lượng cũng như chi phí sản xuất, cần phải được giải quyết trước khi sử dụng rộng rãi loại nhiên liệu này ra thị trường Việt Nam Dầu Biodiesel từ mỡ cá ba-sa, dầu thải từ nấu ăn, dầu Jatropha có chỉ số cetan thấp, độ nhớt động học cao, thời gian lưu trữ ngắn… Vì những đặc điểm trên, việc sử dụng biodiesel hiện nay vẫn đang bị giới hạn so với dầu diesel thương phẩm Đã có nhiều nghiên cứu tập trung giải quyết những vấn đề trên, những vấn đề liên quan đến việc cải tiến chất lượng cũng như chi phí sản xuất nhiên liệu [21-25] Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ chứng minh những phát triển mới trên khía cạnh thay đổi chất lượng hỗn hợp biodiesel đến quá trình oxy hóa, nhiệt độ đông đặc cũng như các đặc tính của nhiên liệu Về khía cạnh đánh giá ảnh hưởng của biodiesel trên động cơ vẫn chưa được nghiên cứu nhiều

Nguồn nguyên liệu cho sản xuất dầu diesel sinh học hiện nay ở các nước đi tiên phong chủ yếu là bốn loại dầu thực vật: dầu hạt cải chiếm gần 85%, dầu hạt hướng dương, dầu đậu tương, và dầu cọ.Các nguyên liệu còn lại được sản xuất từ dầu hạt lanh, mỡ bò, và mỡ rán tái chế Tuy nhiên, bốn loại dầu thực vật chính sử dụng để sản xuất dầu diesel sinh học đang được trồng chủ yếu cho nhu cầu thực phẩm của con người và góp phần dán tiếp đến khủng hoảng lương thực thế giới

Viện Kỹ Thuật Bandung là một trong những trung tâm đầu tiên ứng dụng dầu cây Jatropha vào nghiên cứu sản xuất biodiesel với mục tiêu giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nguyên liệu cạnh tranh với thực phẩm con người.Dầu của cây Jatropha chứa toxalbumine, còn gọi là “curcine” là chất độc, không thể dùng cho thực phẩm Sự khảo sát về các đặc tính nhiên liệu của ester-methyl và ester-ethyl từ Jatropha đã cho nhiều kết quả hứa hẹn và việc áp dụng nhiên liệu biodiesel sản xuất từ dầu cây Jatropha khá tốt, đáp ứng tốt cho việc ứng dụng trên động cơ diesel truyền thống Ngoài ra, các chất béo động vật và dầu cá là sản phẩm phụ từ các ngành công nghiệp đánh bắt và chế biến thuỷ sản đây là nguyên liệu hứa hẹn cho sản xuất Biodiesel vì giá của chúng thấp.Các chất béo và dầu có nguồn gốc động vật đã được thử nghiệm làm nguyên liệu sản xuất alkyl ester, bao gồm mỡ bò, mỡ heo,

dầu cá Tuy nhiên, dầu diesel sinh học sản xuất từ các chất béo động vật có một số nhược điểm nhất định là do thành phần a-xít béo và độ bão hoà cao dẫn đến dễ đông đặc, làm tăng sự cản trở nhiên liệu khi nhiệt độ xuống thấp và tính ổn định ô-xy hóa thấp

1.4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Như các phân tích ở phần trên, vấn đề nghiên cứu ứng dụng biodiesel còn rất hạn chế.Hiện tại, một số cơ sở, viện nghiên cứu đã sản xuất được nhiên liệu biodiesel từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau.Tuy nhiên, mỗi loại biodiesel sản xuất tại Việt Nam đều có những ưu và nhược điểm riêng và cần phải cải thiện trước khi áp dụng nó trên động cơ đốt trong.Một trong những giải pháp có thể thực hiện để có thể nâng cao tính chất nhiên liệu là phối trộn các nguồn biodiesel tại Việt Nam để tìm được loại nhiên liệu thích hợp ứng dụng trên động cơ

Do đó, mục tiêu chính (tổng quát) của đề tài này là phối trộn một số loại biodiesel sản xuất tại Việt Nam và thử nghiệm trên động cơ để xác định nhiên liệu thích hợp Đề tài thực hiện với các loại nhiên liệu biodiesel sản xuất từ mỡ cá basa, từ

dầu ăn phế thài và dầu cây jatropha Phần đầu tiên của nghiên cứu sẽ dựa vào các phân tích hoá học để lựa chọn loại nhiên liệu tốt.Phần này được thực hiện với sự hỗ trợ của Trung Tâm Công Nghệ Lọc – Hoá Dầu, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Phần thứ hai của nghiên cứu tập trung thử nghiệm và đánh giá tác động của các loại nhiên liệu thử nghiệm trên động cơ.Từ việc phân tích các đường đặc tính động cơ, tỉ lệ nhiên liệu phối trộn thích hợp được đề xuất

Chương 2: Tính Chất Nhiên Liệu Thử Nghiệm

Trong nghiên cứu này, tổng cộng có ba loại nhiên liệu biodiesel sản suất tại Việt Nam được dùng làm nhiên liệu cơ sở để phân tích và phối trộn Trong đó, nhiên liệu thứ nhất là biodiesesl sản xuất từ mỡ cá ba sa được sản xuất bởi Công ty TNHH Minh Tú (Cần Thơ) Hai mẫu nhiên liệu biodiesel còn lại là biodiesel được điều chế tại Viện khoa học Vật Liệu Việt Nam, xưởng điều chế đặt tại Thủ Đức.Trong chương này, phần đầu ta sẽ tập trung phân tích các tính chất lý hoá cơ bản của 3 loại biodiesel cơ bản Phần cuối của chương sẽ trình bày các phân tích về việc phối trộn nhiên liệu

2.1 Tính chất nhiên liệu biodiesel nguyên chất

Như đã nói ở trên, ba loại biodiesel có tiềm năng sản xuất nhất tại Việt Nam là biodiesel sản xuất từ mỡ cá ba sa, từ dầu ăn phế thải và từ dầu cây jatropha

Sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa là hướng phát triển đầy tiềm năng của khu vực đồng bằng Sông Cửu Long và có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp vì ở đây có trữ lượng nguyên liệu dồi dào, ổn định và giá rẻ Hiện tại, mỡ cá tra, cá ba sa sau khi chế biến được cho thẳng xuống các hầm ủ để giảm ô nhiễm môi trường cũng như để làm nguồn nguyên liệu sản xuất biogas Việc đầu tư sản xuất biodiesel từ nguồn mỡ cá này sẽ tạo ra một nguồn nhiên liệu mới có khả năng thay thế nhiên liệu truyền thống và giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại khu vực.Ngoài ra, việc tận dụng nguồn nguyên liệu phế tải để tái sử dụng cho mục đích thương mại sẽ giúp cải thiện kinh tế tại khu vực sản suất, góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường

Kết quả thử nghiệm tính chất nhiên liệu trong bảng 1 cho ta thấy, biodiesel sản xuất từ mỡ cá ba sa (FO-B100) có tỉ trọng, độ nhớt lớn hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống Độ nhớt của FO-B100 lớn gấp đôi so với DO gây cản trở lưu động, làm tăng ma sát dòng chất lỏng trong đường ống nhiên liệu Ngoài ra, độ nhớt cao trong nhiên liệu dầu sinh học gây cho nhiên liệu dễ bị đóng cặn, dính cốc trên đỉnh kim phun, làm kim phun dễ bị nghẹt, phun không tơi nhiên liệu Điểm động đặc của loại biodiesel này cao hơn so với điểm đông đặc nhiên liệu diesel, trong khi đó lại có độ ổn định ô xy hoá cao Liên quan đến đặc tính quá trình cháy, biodiesel sản xuất từ mỡ cá ba sa có trị số xêtan thấp hơn 10 đơn vị so với diesel thương phẩm Trị số xêtan này chỉ thích hợp cho các động cơ diesel tốc độ thấp

Nhiên liệu biodiesel thứ 2 trong nghiên cứu là biodiesel sản xuất từ dầu ăn phế thải (chủ yếu lấy từ dầu sau khi chiên từ các nhà hàng KFC) Với sự phát triển kinh tế xã hội, lượng dầu ăn phế thải thải ra từ các cửa hiệu, nhà hàng trên các thành phố lớn là rất nhiều Nếu nguồn phế thải này đổ trực tiếp xuống đường ống thải dễ gây các vấn đề với đường tiêu thoát nước vì bản chất dầu thực vật, mỡ động vật dễ dàng kết tủa tại nhiệt độ thấp (khoảng 15-160C) Bên cạnh nguồn dầu từ các nhà hàng,

dầu ăn phế thải còn có một lượng lớn thải ra từ các nhà máy chế biến, sản xuất mì ăn liền Theo khảo sát của nhóm nghiên cứu, nhiều nhà máy sản xuất mì ăn liền mỗi ngày thải ra 3 – 4 tấn dầu sau khi dùng để chiên mì Có thể nói, việc tận dụng nguồn dầu này rất có ý nghĩa trong các vấn đề về môi trường hiện nay

Một số tính chất cơ bản của dầu biodiesel sản xuất từ dầu ăn phế thải (WO-B100) được trình bày trong bảng 1 So với dầu diesel, WO-B100 có đọ nhớt, điểm chớp cháy và độ ổn định ô xy hoá lớn hơn Nhiệt độ điểm chớp cháy cao đảm bảo nhiên liệu này có tính an toàn cao hơn trong quá trình sử dụng Tương tự như FO-B100, WO-B100 có nhiệt trị, trị số xêtan và điểm đông đặc cao hơn so với dầu DO Điểm đông đặc cao sẽ là điểm bất lợi rất lớn đối với nhiên liệu này khi ứng dụng ở những vùng có nhiệt độ thấp như khu vực miền Bắc vào mùa đông Nhiệt độ đư đặc cao của WO-B100 phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu để sản xuất ra nó Nguồn nguyên liệu này có thể là mỡ gia súc, gia cầm, hoặc từ các loại dầu thực vật như dầu dừa, dầu cọ, dầu lạc So với nhiên liệu diesel truyền thống, hàm lượng lưu huỳnh trong WC-B100 khá thấp, giúp giảm ô nhiễm môi trường (mưa axit) nếu nhiên liệu này được đưa vào ứng dụng rộng rãi

Nhiên liệu biodiesel cuối cùng trong nghiên cứu này là nhiên liệu biodiesel sản xuất từ dầu cây Jatropha So với hai nguồn nhiên liệu ở trên, dầu Jatropha là dầu thực vật, đây là loại dầu có chất độc, không thể làm thực phẩm cho con người Do đó, Jatropha đang được xem là 1 trong những nguồn nguyên liệu quan trọng nhất dùng

Bảng 1: Bảng so sánh một số tính chất cơ bản giữa nhiên liệu diesel truyền thống và 3 loại biodiesel sản xuất tại Việt Nam

1 Khối lượng riêng ở 15 oC, kg/l 0.8282 0.8747 0.8780 0.8853 2 Độ nhớt động học ở 40 oC, cSt 2,754 5.113 4.879 5.072 3 Chỉ số xêtan, không nhỏ hơn 55.3 46.2 47.3 48.1 4 Nhiệt trị, MJ/kg 45.07 39.71 39.71 39.69

6 Điểm cớp cháy cốc kín, oC, min 69 56 >178 >148 7 Độổn định oxi hóa tại 1100C 6 10.67 10.69 6.02 8 Hàm lượng nước, max, (mg/kg) 68 1048 1555 1063 9 Nhiệt độ cất oC, 90% thể tích, max 342 Phân hủy

ở 90% 339 Không cất

được 10 Cặn cacbon của 10% cặn chưng

cất, % khối lượng, max 0.02 96.4 2.52 2.18 11 Ăn mòn mảnh đồng ở 50 oC, 3giờ,

12 Tạp chất dạng hạt, mg/l, max 0.8 5.1 4.2 3.4 13 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max 195 29 8 15 14 Độ bôi trơn, mm, max 330 374 366 310

trong sản xuất biodiesel không chỉ ở Việt Nam mà còn ở các nước trong khu vực Biodiesel sản xuất từ dầu cây Jatropha (JO-B100) có các tính chất khá tốt so với 2 loại nhiên liệu được đề cập ở trên do nhiệt độ đông đặc thấp So sánh với nhiên liệu diesel truyền thống, nhiên liệu này có tỉ trọng, độ nhớt, điểm chớp cháy cao hơn Trong việc so sánh tính chất giữa các loại nhiên liệu biodiesel trong nghiên cứu này với nhiên liệu diesel truyền thống, nhìn chung, các nhiên liệu biodiesel có tỉ trọng, độ nhớt, nhiệt độ chớp cháy (trừ FO-B100) cao hơn so với nhiên liệu DO Nhiệt trị của các loại nhiên liệu biodiesel thông thường thấp hơn khoảng 10% so với diesel.Có thể nói, thành phần ôxy trong nhiên liệu biodiesel là nguyên nhân làm giảm nhiệt trị này.Tuy nhiên, chính thành phần ô xy này lại có tác dụng tốt trong việc kích thích quá trình cháy, làm tăng hiệu suất quá trình cháy, giảm ô nhiễm môi trường.Ngoài ra, hàm lượng lưu huỳnh thấp là một trong những ưu điểm rất lớn của các loại dầu nhiên liệu sinh học.Tính chất của các loại biodiesel trong bảng 1 gần như tương đồng với nhiên liệu diesel, đảm bảo các loại nhiên liệu này có thể hoạt động trực tiếp trên động cơ diesel nguyên thuỷ mà không cần phải thay đổi về kết cấu động cơ Tuy nhiên, hàm lượng nước trong các loại nhiên liệu biodiesel (>1000 mg/kg) có thể gây ảnh hưởng đến quá trình cháy của nhiên liệu.Hàm lượng nước cao trong nhiên liệu có thể dẫn đến việc hấp thụ nhiệt của quá trình cháy, làm tăng thời gian cháy trễ, dẫn đến việc kích nổ trong động cơ

Trong việc so sánh tính chất giữa các loại biodiesel, nhiên liệu biodiesel sản xuất từ dầu Jatropha có ưu điểm là nhiệt độ đông đặc thấp, có thể áp dụng tại những nơi có nhiệt độ thấp Điều này được giải thích là do hàm lượng axit béo bão hòa của JO-B100 nhỏ nhất (24.96%), tiếp đến là BD- mỡ cá basa (47.87%) và cuối cùng là biodiesel KFC (50.57%) (xem bảng 2) Hàm lượng axit béo bão hòa càng lớn thì nhiệt độ đông đặc càng tăng, dẫn đến độ đông đặc của JO-B100 (+30C) <FO-B100 (+90C) <WO-B100 (+120C).Tuy nhiên, độ ổn định ô xy hoá của nhiên liệu này thấp dẫn đến tính chất của nhiên liệu có thể bị ảnh hưởng nếu bảo quản trong thời gian dài Việc biến tính nhiên liệu có thể gây ra các vấn đề lớn trong vấn đề sử dụng.Do đó, việc tận dụng các ưu điểm của các loại biodiesel này là cần thiết Phần tiếp theo sẽ mô tả việc phối trối giữa các loại nhiên liệu này dựa theo các thành phần hoá học

2.2 Phối trộn nhiên liệu biodiesel

2.3.1 Cơ sở phối trộn các loại dầu diesel

Theo công trình nghiên cứu được công bố, “Blending effects of biodiesel on oxidation stability and low temperature flow properties” của Ji-Yeon Park et all, Korea Institute of Energy Research, Republic of Korea, 2007, ScienceDirect, các tác giả đã đưa ra công thức thể hiện mối liên quan giữa thành phần các axit béo đến độ ổn định oxy hóa và điểm CFPP

Thành phần các axit béo trong các loại dầu mỡ động thực vật khác nhau ảnh hưởng rất nhiều đến độ ổn định oxy hóa, cũng như khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp của

nhiên liệu.Thành phần axit béo đóng vai trò quan trọng nhất là axit oleic, linoleic và linolenic.Dựa vào kết quả nghiên cứu trên, chúng tôi thực hiện trên ba loại dầu biodiesel phổ biến tại Việt Nam gồm FO-B100, WO-B100 và JO-B100.Các hỗn hợp được pha trộn tiêu biểu sẽ được tiến hành thử nghiệm trên động cơ nhằm đánh giá cụ thể sự ảnh hưởng của thành phần các axit béo đến các các tính chất cũng sự phát thải của nhiên liệu…

+ Độ ổn định oxy hóa (Oxidation Stability - OS):

Y = 117.9295/X + 2.5905 (0<X<100)

Y: độ ổn định oxy hóa (h) X: hàm lượng của axit linoleic và linolenic (wt%) + CFPP (Cold filter plugging point – Điểm nghẽn lọc):

Y = -0.4880X + 36.0548 (0<X=<88) Y = -2.7043X + 232.0036 (88<X<100) Y: CFPP (oC)

X: tổng hàm lượng axit béo không bão hòa (wt%) Nếu xác định được thành phần axit béo của biodiesel được phối trộn, có thể dự đoán độ ổn định oxy hóa và CFPP Do đó, việc phối trộn biodiesel với thành phần axit béo khác nhau được mong đợi là sẽ cải thiện được độ ổn định oxy hóa và khả năng làm việc ở nhiệt độ lạnh của biodiesel Bảng 2 trình bày thành phần axit béo của 3 loại nhiên liệu biodiesel

Độ ổn định oxi hóa của nhiên liệu lỏng được định nghĩa là khả năng chịu đựng với

những biến đổi hóa học và vật lý do tác động của môi trường.Nhiên liệu sẽ giảm phẩm chất trong suốt quá trình lưu trữ bởi các lý do như: Tự oxi hóa do tiếp xúc với không khí; Nhiệt phân; Thủy phân do tiếp xúc với nước hoặc hơi ẩm trong bòn chứa hoặc ống dẫn; Nhiễm khuẩn do sự xâm nhập của vi khuẩn từ bụi và những giọt nước bẩn

Đối với nhiên liệu sinh học từ hợp chất béo như biodiesel, vai trò của sự ổn định oxy hóa của nhiên liệu trong suốt quá trình tàng trữ được được coi là mối quan tâm hàng đầu của các nhà phân phối, nhà cung cấp và người tiêu thụ Độ ổn định oxy hóa của biodiesel phụ thuộc vào thành phần axit béo, như những chất oxy hóa tự nhiên Đặc biệt, các axit béo không bão hòa rất nhạy cảm với sự biến chất do sự oxy hóa, hàm lượng axit béo cao sẽ dẫn đến những giá trị rất thấp ở thời gian cảm ứng

Bảng 2: Bảng kết quả phân tích thành phần axit béo của 3 loại biodiesel

Thành phần (%) STT Tên axit béo Kí hiệu

FO-B100 WO-B100 JO-B100

17 A Lignoceric (C24:0) 0.38 0.00 0.00

Quá trình oxy hóa có thể tạo ra các axit gây ăn mòn, cũng như tạo nhựa và cặn nguyên nhân cho các vấn đề vận hành và tuổi thọ động cơ, lò đốt.Biodiesel chứa sản phẩm polyme hóa các mạch axit béo không no, các hợp chất này rất dễ bị oxy hóa trong quá trình tồn trữ, bảo quản hơn so với dầu diesel thông thường từ dầu mỏ (petroleum diesel).Tính axit đã được giới hạn trong ASTM D 6751 thông qua trị số axit

Độ ổn định oxy hóa cũng được giới hạn tối thiểu 6 giờ bằng phương pháp EN 14112 (Fat and Oils Derivatives – Fatty axit methyl esters (FAME) – Determination of oxidation stability (accelerated oxidation test)).Các mẫu biodiesel thương mại có một khoảng rộng độ ổn định oxy hóa bởi vì khác nhau tổng hàm lượng polyme hóa các mạch axit béo không no

Bên cạnh đó, sự chuyển hóa một phần các glyceride, nguyên liệu sản xuất biodiesel (dầu thực vật, dầu ăn thải, hoặc mỡ động vật) cũng là nguyên nhân làm tắt nghẽn

đầu phun nhiên liệu và tạo cặn bẩn đọng trên xy lanh của động cơ diesel.Chính những thành phần này là nguyên nhân làm giảm tuổi thọ cho cả động cơ và lò đốt.Về cấu trúc hóa học, đây là các hợp chất mono-, di-, và triglycerides Cấu trúc này gồm phần “cột sống” là thành phần glycerin nối với một, hai hay ba gốc axit béo bởi liên kết ester Để bảo vệ động cơ, lò đốt gây ra bởi các thành phần này, ASTM D6751 giới hạn tổng hàm lượng glycerin tối đa là 0,24 % khối lượng Tổng hàm lượng glycerin này chính là tổng hàm lượng glycerin tự do và hàm lượng glycerin liên kết trong các phân tử mono-, di- và triglycerides

Khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp: Để đánh giá khả năng hoạt động của nhiên liệu ở nhiệt độ thấp, có một số khái niệm như sau:

- Điểm vẩn đục (Cloud point - CP): nhiệt độ mà tại đó những tinh thể tạo thành trong nhiên liệu có thể nhìn thấy được (d >= 0.5um) CP được xác định theo ASTM D 2500

- Điểm chảy/Điểm đông đặc (Pour point - PP): nhiệt độ mà tại đó sự kết tụ sẽ làm cản trở chuyển động tự do của chất lỏng PP được xác định theo ASTM D97

- Điểm nghẽn lọc (Cold filter plugging point - CFPP): là nhiệt độ mà ở đó nhiên liệu gây bít đầu lọc do sự kết tinh hoặc đông đặc CFPP được xác định theo ASTM D 6371, được áp dụng ở các nước Châu Âu

- Phương pháp thử nghiệm dòng ở nhiệt độ thấp (Low- Temperature Flow Test – LTFT): được xác định theo ASTM D 4539, sử dụng khá phổ biến ở Bắc Mỹ.CFPP phụ thuộc vào thành phần axit béo Giá trị của CFPP cao của biodiesel được giải thích là do hàm lượng axit béo bão hòa cao bởi vì hợp chất béo bão hòa có điểm nóng chảy cao hơn so với hợp chất béo không bão hòa

2.3.2 Phối trộn nhiên liệu

Theo bảng 1 và bảng 2, mỗi loại biodiesel có những ưu nhược điểm khác nhau, do đó chúng ta phối trộn 3 loại biodiesel để làm thay đổi thành phần axit béo của chúng, trên cơ sở độ ổn định oxy hóa và CFPP, từ đó sẽ khảo sát lại các tính chất của nhiên liệu phối trộn

Ba loại biodiesel FO-B100, WO-B100 và JO-B100 được phối trộn theo 21 tỷ lệ khác nhau, theo tương quan giữa thành phần axit béo và độ ổn định oxy hóa và CFPP mà nghiên cứu “Blending effects of biodiesel on oxidation stability and low temperature flow properties” đưa ra, có được kết quả như bảng 3 Hỗn hợp sau khi phối trộn theo các công thức trên được đem đi kiểm chứng độ ổn định oxy hóa ở Viện vật liệu, các kết quả đo thực tế cũng tương đương với kết quả tính toán

Bảng 3: Kết quả sự thay đổi độ ổn định oxy hóa và CFPP của hỗn hợp biodiesel theo các tỷ lệ phối trộn khác nhau

STT B100 b100 WO-B100 JO-

FO-Linoleic Linolenic Linoleic+Li

nolenic OS Axit không bão béo

6 40 0 60 23.75 0.22 23.96 7.51 65.42 4.13 7 20 0 80 28.93 0.17 29.10 6.64 70.17 1.81

8 80 20 0 8.75 0.35 9.11 15.54 50.76 11.28 9 60 20 20 13.93 0.31 14.24 10.87 55.51 8.97 10 40 20 40 19.12 0.26 19.37 8.68 60.25 6.65

11 20 20 60 24.30 0.21 24.51 7.40 64.99 4.34

13 60 40 0 9.30 0.35 9.65 14.81 50.33 11.49 14 40 40 20 14.49 0.30 14.79 10.57 55.08 9.18 15 20 40 40 19.67 0.25 19.92 8.51 59.82 6.86

17 40 60 0 9.86 0.34 10.20 14.15 49.91 11.70 18 20 60 20 15.04 0.29 15.33 10.28 54.65 9.39 19 0 60 40 20.22 0.25 20.47 8.35 59.39 7.07 20 20 80 0 10.41 0.34 10.74 13.57 49.48 11.91 21 0 80 20 15.59 0.29 15.88 10.02 54.22 9.59

Trên cơ sở kết hợp 2 điều kiện, OS>=6h và CFPP -20/+50C, nhận thấy có 6 tỷ lệ biodiesel phối trộn thỏa mãn nhất về độ ổn định oxy hóa và CFPP (bảng 4)

Bảng 4: Kết quả sự thay đổi độ ổn định oxy hóa và CFPP của hỗn hợp biodiesel thỏa mãn theo yêu cầu

STT

FO-B100 b100 WO-B100

JO-Linoleic Linolenic JO-Linoleic+

Linolenic OS Axit không béo

bão hòa

CFPP

1 0 20 80 29.48 0.16 29.64 6.57 69.74 2.02 2 20 0 80 28.93 0.17 29.10 6.64 70.17 1.81 3 20 20 60 24.30 0.21 24.51 7.40 64.99 4.34 4 0 0 100 34.11 0.12 34.23 6.04 74.91 -0.50 5 40 0 60 23.75 0.22 23.96 7.51 65.42 4.13 6 0 40 60 24.85 0.20 25.05 7.30 64.57 4.55

Theo % phối trộn ở bảng 4, nhận thấy khi phối trộn 3 loại biodiesel từ dầu ăn phế thải, dầu jatropha và mỡ cá basa với hàm lượng biodiesel jatropha lớn hơn hoặc

bằng 60% thì độ ổn định oxy hóa và CFPP thỏa mãn nhất.Tuy nhiên, nhằm tận dụng các nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam, cũng như chi phí giá thành, cân đối sự ổn định oxy hóa và CFPP, đề xuất lựa chọn 3 loại BD có tỷ lệ phối trộn như bảng 5 Hỗn hợp 2 có hàm lượng axit Linoleic+Linolenic 29.1%nên độ ổn định oxy hóa (6.64h) lớn hơn so với hỗn hợp 1 (6.57h) và nhỏ hơn so với hỗn hợp 3 (7.4h).Tuy nhiên, ưu điểm của hỗn hợp 2 là hàm lượng axit béo không bão hòa lớn nhất (axit béo bão hòa nhỏ nhất) nên CFPP nhỏ nhất.Từ thành phần các hỗn hợp này, nhiên liệu được pha với diesel theo tỉ lệ 20% nhiên liệu biodiesel hỗn hợp và 80% biodiesel (B20) Từ đây ta được 3 loại nhiên liệu HH1, HH2 và HH3 có các tính chất được trình bày trong bảng 6

Bảng 5: Tỷ lệ hỗn hợp biodiesel lựa chọn để phối trộn STT FO-

B100 b100 WO-B100 JO- Linoleic Linolenic Linoleic+Linolenic OS Axit không béo

bão hòa

CFPP 1 0 20 80 29.48 0.16 29.64 6.57 69.74 2.02 2 20 0 80 28.93 0.17 29.10 6.64 70.17 1.81 3 20 20 60 24.30 0.21 24.51 7.40 64.99 4.34 Bảng 6: trình bày tính chất cơ bản của các hỗn hợp 1, hỗn hợp 2, và hỗn hợp 3

1 Khối lượng riêng ở 15 oC, kg/l ASTM D 1298 0.8282 0.8389 0.8391 0.8392 2 Độ nhớt động học ở 40 oC, cSt ASTM D 445 2,754 3.063 3.081 3089 3 Chỉ số xêtan, không nhỏ hơn ASTM D 4737 55.3 54.7 55.4 55.6 4 Nhiệt trị , kcal/kg D-4809 10065 10679 10642 10666 5 Điểm đông đặc, oC, max ASTM D 97 6 6 6 6

3giờ, max ASTM D 130 1a 1a 1a 1a 12 Tạp chất dạng hạt, mg/l, max ASTM D 2276 0.8 0.6 1.0 1.2 13 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg,

14 Độ bôi trơn, mm, max ASTM D 6079 330 351 351 364

Một số nhận xét được rút ra từ thành phần các nhiên liệu HH1, HH2 và HH3:

- Hàm lượng lưu huỳnh: Do 3 loại biodiesel có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp

nên hàm lượng lưu huỳnh của 3 hỗn hợp phối trộn đều nhỏ hơn hàm lượng lưu huỳnh của nhiên liệu diesel Hàm lượng lưu huỳnh của W0-B100 nhỏ hơn FO-B100 nên khi phối trộn với DO, hàm lượng lưu huỳnh của B20-HH1 nhỏ hơn B20-HH2

- Chỉ số xêtan: chỉ số xêtan của 3 hỗn hợp B20 được cải thiện rất nhiều so

với biodiesel B100 Chỉ số xêtan của hỗn hợp 3 lớn hơn so với HH1 và HH2

- Độ nhớt động học: sau khi phối trộn, độ nhớt của 3 hồn hợp biodiesel đã

giảm rất nhiều, ở khoảng 3 cSt , giá trị này nằm trong khoảng cho phép của diesel, do hàm lượng của các axit béo bão hòa trong nhiên liệu đã được giảm khá nhiều

- Cặn cacbon: So với 2 loại biodiesel còn lại, hàm lượng thành phần không

xác định trong mỡ cá basa khá lớn (0.94%) nên hàm lượng cặn cacbon của BD-mỡ cá basa cao nhất Do hàm lượng cặn cacbon của biodiesel mỡ cá basa khá lớn nên dù phối trộn với hàm lượng rất bé, chỉ 4% cũng làm ảnh hưởng đến chất lượng B20-hỗn hợp 3, hàm lượng cặn cacbon của BD-HH3 không đạt theo TCVN (>0.3%), điều này sẽ gây sự tạo muội ở động cơ trong quá trình cháy

- Nhiệt độ đông đặc: nhiệt độ đông đặc của WO-B100 và FO-B100 khá cao

và không đạt theo tiêu chuẩn Việt Nam do hàm lượng thành phần axit béo bão hòa trong WO-B100 và FO-B100lớn nhất nên có nhiệt độ đông đặc khá cao Tuy nhiên, sau khi phối trộn hàm lượng axit béo bão hòa đã giảm đi đáng kể, làm giảm nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ đông đặc của 3 loại hỗn hợp B20 đã đạt yêu cầu

- Nhiệt trị: nhiệt trị của 3 loại biodiesel B100 khá thấp, nhưng đã cải thiện rất

nhiều khi phối trộn với DO Nhiệt trị của HH1 10679 Kcal/kg, nhiệt trị HH2 10642 Kcal/kg, nhiệt trị HH3 10666 Kcal/kg Nhiệt trị của HH2 thấp nhất do hàm lượng cặn cacbon trong biodiesel mỡ cá basa khá lớn, làm giảm khả năng bốc cháy và tỏa nhiệt của nhiên liệu HH1 có nhiệt trị lớn nhất do thành phần axit béo Linoleic và Linolenic lớn nhất (29.64%), độ ổn định oxy hóa nhỏ nhất (6.57 h), dẫn đến nhiên liệu dễ bị oxy hóa

Chương 3: Thử Nghiệm Đối Chứng Đánh Giá Ảnh Hưởng

Nhiên Liệu Lên Các Đường Đặc Tính Động Cơ

Chương này tập trung mô tả thiết bị, quá trình thử nghiệm và các kết quả đo đạt, phân tích, so sánh đánh giá đặc tính công suất và đặc tính khí thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel tinh khiết, hỗn hợp biodesel và dầu diesel truyền thống

3.1 Thiết bị thí nghiệm

3.1.1 Thiết lập thí nghiệm

Toàn bộ các thí nghiệm được thực hiện trên động cơ 1 xy lanh, phun dầu trực tiếp Hình 1 là trình bày sơ đồ kết nối các thiết bị thử nghiệm Động cơ được gắn cảm biến đo nhiệt độ dầu bôi trơn, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ khí thải nhằm xác định điều kiện thí nghiệm ổn định, tăng cường độ tin cậy của kết quả thử nghiệm Động cơ được gắn trên bệ máy kết nối với máy phát điện 5 kVA thông qua bộ truyền đai Khi hoạt động, động cơ kéo quay máy phát điện xoay chiều Máy phát điện được kết nối với bộ tạo tải điện 5 kVA, có khả năng điều khiển các mức tải với các bước tăng 0,5 kVA và khả năng điều khiển tốc độ động cơ Các thiết bị Hesbon 820, Opacimeter 285 Herman được dùng để phân tích khí thải từ động cơ: NOx, độ mờ khói (smoke opacy-OPA) Thiết bị đo tốc độ (dispeed) được kết nối với động cơ để xác định tốc độ động cơ, giúp người vận hành điều khiển và giám sát chế độ thử nghiệm Cân điện tử TE6001 với độ chính xác cao (0.01g) được dùng để xác định lượng tiêu hao nhiên liệu

Hình 1: Sơ đồ lắp đặt thiết bị thử nghiệm

3.1.2 Động cơ thử nghiệm (Vikyno RV125-2)

Động cơ Vikyno RV 125 – 2 được sản xuất bởi Tổng công ty máy nông nghiệp Miền Nam (hình 2), là loại động cơ sử dụng nhiên liệu diesel, phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt với áp suất phun tối thiểu 220 bar giúp động cơ đạt hiệu suất cao, mức tiêu hao nhiên liệu thấp Ngoài ra động cơ còn có các ưu điểm khác như gọn nhẹ, dễ sử dụng, tính cơ động cao Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ Vikyno RV 125 – 2 được trình bày trong bảng 7

Hình 1: Động cơ Vikyno RV 125-2

Bảng 7: thông số kỹ thuật động cơ Vikyno RV125 – 2

Đường kính xylanh (mm) x Hành trình piston

Hệ thống nhiên liệu Phun nhiên liệu trực tiếp

3.1.3 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu

Cân điện tửTE6100 dùng để đo khối lượng nhiên liệu tiêu thụ và tính toán suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Đây là cân điện tử với độ chính xác cao lên đến ±0,1g, tầm đo 6100g.Trong thử nghiệm biodiesel, cân TE6100 được dùng để đo tổng khối lượng của bình chứa và nhiên liệu trong bình còn lại

Các thông số cơ bản của cân TE6100 được thể hiện qua hình 3 và bảng 8

Bảng 8:Thông số kỹ thuật cân điện tử TE6100

Hình 3: Cân điện tử TE6100 và bình đo nhiên liệu

3.1.4 Thiết bị đo độ mờ khói

Opacimeter (OPA) dùng để đo độ mờ khói của khí thải động cơ Diesel (hình 4) OPA 439 hoạt động dựa trên việc đo độ mờ ánh sáng do nguồn ánh sáng phát đến đầu thu Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý Beer – Lambert Tầm đo 0÷100%

Hình 4: Ống đo và cấu tạo chung Opacimeter

Thiết bị OPA có 3 vị trí lắp ống đo: ống đo chính, ống không khí, ống hồi lưu khí thải Trong OPA còn có bộ giảm áp và công tắc để điều khiển lưu lượng khí nén nạp vào

3.1.5 Thiết bị phân tích khí thải (Hesbon)

Đây là thiết bị phân tích khí thải dạng cầm tay Hesbon HG 520 (hình 5) có thể giao tiếp với máy tính thống qua cổng kết nối RS 232 Thiết bị này có thể đo và phân tích các loại khí thải như CO, HC, CO2, O2, NOx Ngoài việc kết nối với máy tính để hiển thị kết quả đo, thiết bị này có thể giao tiếp trực tiếp với người sử dụng thông qua màn hình điều khiển nhỏ trên máy

Hình 5:Thiết bị phân tích khí thải Hesbol

Giới hạn đo các thông số như sau:

o Hydrocarbon HC: 0÷9999 ppm sai số 1 ppm

o Carbonmonoxide CO: 0÷9.999 % sai số 0.01%

o Carbondioxide CO2: 0÷20% sai số 0.01%

o Oxygen O2: 0÷25% sai số 0.01% o Nhiệt độ môi trường: 0÷400C

3.2 Quy trình thử nghiệm

Trước khi tiến hành đo, động cơ được chạy hâm nóng đến các giá trị nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ dầu bôi trơn ổn định Trong nghiên cứu này, nhiệt độ nước làm mát (Tnước) và dầu bôi trơn (Tdầu) được giữ cố định tại nhiệt độ 700C

Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm được tiến hành tại chế độ tốc độ không đổi, tải trọng thay đổi để so sánh, đánh giá đặc tính công suất và đặc tính khí thải động cơ Tốc độ động cơ được giữ cố định tại 2200 vòng/phút, tải trọng động cơ thay đổi (áp suất trung bình chỉ thị, BMEP) từ 90 kPa đến 360kPa Chế độ tốc độ 2200 vòng/phút tương ứng với giá trị cực đại của công suất Lượng tiêu hao nhiên liệu được đo bằng cân nhiên liệu trong thời gian 60 giây và dùng để tính toán suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Các thiết bị phân tích khí thải động cơ được hiệu chỉnh với mẫu khí tiêu chuẩn trước khi tiến hành thử nghiệm Ở mỗi chế độ tải, số lần đo được lặp lại 03 lần nhằm giảm sai số các giá trị đo được Kết quả trình bày trong báo cáo này là trung bình của 3 lần đo

3.3 Nhiên liệu thử nghiệm

Tổng cộng 9 mẫu nhiên liệu thử nghiệm được chuẩn bị và pha trộn tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Động cơ Đốt trong Tp.HCM Các mẫu nhiên liệu thử nghiệm bao gồm: Nhiên liệu diesel truyền thống (B00); Biodiesel từ mỡ cá (FO-B20 và FO-B100); biodiesel từ dầu ăn phế thải (WO-B20 và WO-B 100), biodiesel từ dầu jatrophas curcas (JO-B20 và JO-B100); HH1-Hỗn hợp 20% biodiesel của (20% biodiesel WO+80% biodiesel JO)+ 80% diesel; HH2-Hỗn hợp 20% biodiesel (20% biodiesel FO+80% biodiesel JO)+ 80% diesel; HH3-Hỗn hợp 20% biodiesel (20% biodiesel FO+20% biodiesel WO+60% biodiesel JO)+ 80% diesel Việc phối trộn các nhiên liệu HH1, HH2, HH3 được thực hiện và giải thích ở phần trên Một số các đặc tính cơ bản của nhiên liệu thử nghiệm được trình bày trong bảng 1 và bảng 6 Nhìn chung, các loại nhiên liệu biodiesel tinh khiết và hỗn hợp có nhiệt trị thấp (LHV), trị số xê-tan thấp hơn và độ nhớt cao hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống

3.4 Kết quả và thảo luận

Các giá trị suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt, khí thải động cơ được xác định tại tốc độ 2200 vòng/phút với thay đổi của BMEP từ 90 đến 360 kPa Kết quả phân

tích tập trung vào hai phần Phần thứ nhất là các thông số về đặc tính công suất của suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) và hiệu suất nhiệt (η) Phần thứ hai là thông số về đặc tính khí thải nitrogen oxides (NOx) và độ mờ khó (Opaci) của động cơ

3.4.1 Đặc Tính Công Suất Động Cơ a Suất Tiêu Hao Nhiên Liệu

Tại tốc độ động cơ không đổi, tải động cơ được thay đổi từ 90kPa đến 360 kPa để nghiên cứu ảnh hưởng của dầu diesel và các hỗn hợp biodiesel trên phương diện hiệu suất và khí thải Hình 6 trình bày kết quả suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) động cơ ứng các mức tải 90 kPa đến 360 kPa tại số vòng quay 2200 vòng/phút Ở các mức tải khác nhau, động cơ có BSFC nhỏ nhất khi chạy với mẫu nhiên liệu B00 Điều này được giải thích là do nhiên liệu diesel truyền thống (B00) có tỉ trọng nhỏ hơn và nhiệt trị cao hơn so với các hỗn hợp nhiên liệu biodiesel Trung bình phần trăm (%) suất tiêu hao nhiên liệu của các mẫu WO-B100, FO-B100 và JO-B100 tăng so với nhiên liệu B00 là 15.6%, 16.5%, 16.45% Suất tiêu hao nhiên liệu tăng có thể giải thích do các nhiên liệu này có tỉ trọng lớn hơn và nhiệt trị thấp thấp hơn so với nhiên liệu B00 (bảng 2 và bảng 6) Nhiên liệu với giá trị nhiệt trị thấp thông thường cho suất tiêu hao nhiên liệu cao khi so sánh tại cùng một chế độ tải trọng và số vòng quay của động cơ.Ba mẫu nhiên liệu biodiesel WO-B100, FO-B100, JO-B100 có giá trị nhiệt trị nhiên liệu tương đương nhau nên suất tiêu hao nhiên liệu không khác nhau nhiều

Hình 6: Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ với các mức tải khác nhau

Quan sát các đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu của từng nhiên liệu biodiesel và các mẫu hỗn hợp hòa trộn của chúng, ta thấy nhiên liệu diesel (B00) vẫn có suất tiêu hao nhiên liệu thấp nhất Các mẫu nhiên liệu B20 gồm HH1, HH2, HH3, JO-B20; WO-B20, FO-B20 có suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn các biodiesel nguyên chất B100 và cao hơn so với nhiên liệu diesel, cụ thể lần lượt là 5.9%, 4.1%, 4.1%, 4.1%, 4.7%, 8.6% Kết quả này là do nhiệt trị của các HH1, HH2, HH3, JO-B20, WO-B20 nhỏ hơn nhiên liệu diesel và độ nhớt động học lớn hơn nên ảnh hưởng đến quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ Nhìn chung, các hỗn hợp hòa trộn B20 của JO-B20, WO-B20, HH2, HH3 có suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn so với các biodiesel còn lại và tăng nhẹ so với nhiên liệu diesel (B00)

b Hiệu Suất Nhiệt Động Cơ

Hiệu suất nhiệt động cơ là một đại lượng tỉ lệ nghịch với suất tiêu hao nhiên liệu Theo đồ thị hình 7, hiệu suất nhiệt động cơ tăng theo quá trình tăng tải cho động cơ đối với tất cả các mẫu nhiên liệu Hiệu suất nhiệt cao nhất khi chạy với mẫu nhiên liệu diesel truyền thống, điều này phù hợp với kết quả của BSFC.Tại các giá trị tải thấp (dưới 300 kPa), hiệu suất nhiệt của các hỗn hợp nhiên liệu biodiesel và B00 ít thay đổi.Riêng đối với biodiesel tinh khiết sản xuất từ dầu ăn phế thải (WO-B100), tại giá trị tải cao (360kPa) hiệu suất nhiệt có xu hướng tăng so với nhiên liệu B00 (2.45%)

Các hỗn hợp HH1, HH2 và HH3 cho ta kết quả hiệu suất nhiệt thấp hơn so với các loại biodiesel truyền thống Điều này có thể được giải thích là do các loại biodiesel tinh khiết chứa hàm lượng oxy trong nhiên liệu cao (khoảng 11%) Thành phần oxy này là tác nhân kích thích quá trình cháy, giảm thời gian cháy trễ của hỗn hợp nhiên liệu-không khí trong buồng đốt động cơ Khi so sánh giữa các loại nhiên liệu hỗn hợp, hỗn hợp HH3 – hỗn hợp 20% biodiesel (20% biodiesel FO+20% biodiesel WO+60% biodiesel JO) + 80% diesel cho kết quả tốt hơn, tối ưu hơn về tính hiệu suất của động cơ Tuy nhiên, sự thay đổi về hiệu suất của động cơ là khá nhỏ khi đổi các loại hỗn hợp nhiên liệu thử nghiệm Hiệu suất tương đồng phản ánh quá trình cháy, làm việc và hoạt động của động cơ ổn định cũng như các sự biến đổi hóa tính, lý tính của nhiên liệu không tác động nhiều lên đặc tính hiệu suất công suất động cơ

3.4.2 Đặc Tính Khí Thải Động Cơ a Khí Thải NOx

Đồ thị 8 trình bày kết quả nồng độ NOx của động cơ ứng với các chế độ tải khác nhau.Theo đồ thị này, nồng độ NOx của JO-B100 tăng nhiều nhất so với dầu diesel là 10,8% Điều này là do trị số xetan của nhiên liệu này thấp hơn dầu diesel nên thời gian cháy trễ kéo dài và hàm lượng oxy nhiều kích thích sự cháy khi nhiên liệu bắt đầu bùng cháy Sự gia tăng thời gian cháy trễ làm nhiên liệu tích tụ nhiều trong buồng cháy, sự hoà trộn giữa nhiên liệu và không khí tốt hơn Khi hỗn hợp nhiên liệu không khí hoà trộn tốt và đủ điều kiện để nhiên liệu có thể tự cháy, hỗn hợp nhiên liệu này sẽ bùng cháy nhanh, dữ dội sinh ra nhiệt lượng, áp suất và nhiệt độ

Hình 7: Hiệu suất nhiệt động cơ với các mức tải khác nhau Hình 8: Phát thải NOx động cơ với các mức tải khác nhau

lớn Sự bùng cháy làm gia tăng áp suất và nhiệt độ đột ngột dẫn đến sự kích nổ, gia tăng tiếng ồn và gia tăng thành phần khí thải NOx trong động cơ

Trong khi đó hỗn hợp FO-B100 có lượng phát thải NOx thấp so với dầu diesel (17.58%).Sự giảm NOx của FO-B100 là điều bất thường trong quá trình cháy động cơ trong khi các tính chất về lý, hóa tính của nhiên liệu này so với các loại biodiesel khác là không nhiều.Sau thời gian kiểm tra, đo đạt, nhóm nghiên cứu phát hiện hàm lượng nước trong nhiên liệu biodiesel này cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn Do đó, việc giảm NOx khi sử dụng FO-B100 có thể được giải thích là do thành phần biodiesel từ mỡ cá ba sa có hàm lượng nước khá cao Lượng nước trong nhiên liệu sẽ làm giảm nhiệt độ quá trình cháy, giảm hiệu suất nhiệt động cơ và giảm lượng NOx.Các mẫu hỗn hợp B20 đều có lượng phát thải NOx thấp hơn nhiên liệu diesel.Ở các mức tải nhỏ WO-B100 có lượng khí thải NOx tăng hơn so với dầu diesel là 6.8%, tuy nhiên ở tải lớn (360 kPa) nhiên liệu này có lượng phát thải NOx giảm 5% Mức phát thải NOx của các loại hỗn hợp nhiên liệu biodiesel không thay đổi nhiều so với nhiên liệu diesel truyền thống và có xu hướng giảm so với B00 khi ta tăng tải động cơ Thành phần NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu HH1 và HH3 giảm 1.5% và 7.4% và ổn định Nhìn chung, việc sử dụng hỗn hợp hòa trộn của biodiesel có thể giúp không làm tăng lượng NOx trong khí thải động cơ Việc giảm NOx trong việc sử dụng các loại nhiên liệu biodiesel cũng là một trong những mục tiêu quan

b Độ Mờ Khói Động Cơ (Smoke Opacity)

Hình 9 trình bày kết quả độ mờ khói động cơ ứng với các mức tải khác nhau.Tại các mức tải lớn, độ mờ khói của biodiesel JO-B100, FO-B100, WO-B100 giảm đáng kể so với dầu diesel là 13%, 50.5%, 25.4%.Phần trăm biodiesel càng cao thì giảm độ mờ khói càng nhiều.Khói đen hay soot là những hạt hữu cơ không hòa tan.Nó tồn tại sau khi đã phân hủy các thành phần hữu cơ hòa tan.Bởi vì biodiesel được tạo ra từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật nên nó có hàm lượng chất hữu cơ cao dẫn đến hệ số hấp thụ cao Một nguyên nhân nữa là trong biodiesel, hàm lượng oxy cao đã oxy hóa các soot này trong buồng đốt động cơ làm độ mờ khói của khí thải giảm đáng kể Đây cũng chính là ưu điểm vượt trội của biodiesel.Tương tự, hỗn hợp hòa trộn B20 tại các mức tải tăng từ 180 kPa cũng cho độ mờ khói giảm.Hỗn hợp HH-1 và HH-3 cho kết quả giảm độ mờ khói tương đối ổn định tại các giá trị tải từ 180kPa là 7.3% và 4.3%.Như đã giải thích ở phần trên, việc giảm độ mờ khói là một trong những ưu điểm rất lớn khi sử dụng nhiên liệu sinh học và các loại nhiên liệu phối trộn đã phát huy được các ưu điểm này

Hình 9: Độ mờ khói động cơ với các mức tải khác nhau

3.5 Tóm tắt chương 3

Chương này đã trình bày các kết quả thực nghiệm về đặc tính công suất và đặc tính khí thải động cơ khi sử dụng với các loại nhiên liệu biodiesel, hỗn hợp của chúng.Đặc tính khí thải động cơ được cải thiện nhiều khi động cơ sử dụng với các loại hỗn hợp biodiesel

Do đó, thành phần nhiên liệu biodiesel hỗn hợp sau khi pha trộn đã cải thiện tính năng, khắc phục được của từng loại biodiesel riêng biệt

Chương 4: Kết Luận và Kiến Nghị

4.1 Kết luận

Đề tài thực hiện việc nghiên cứu phối trộn 3 loại biodiesel phổ biến trên thị trường Việt Nam hiện nay nhằm tìm ra loại hỗn hợp nhiên liệu thích hợp để khắc phục các nhược điểm của nhiên liệu biodiesel truyền thống Qua các kết quả thu được, một số kết luận về sự cải thiện tính chất của nhiên liệu biodiesel từ các loại dầu mỡ động thực vật tại Việt Nam như sau:

1 Ảnh hưởng của thành phần axit béo trong nhiên liệu biodiesel

- Tổng hàm lượng axit linoleic và linolenic của biodiesel tăng sẽ làm giảm độ ổn định oxy hóa, dễ tạo sản phẩm như gum không hòa tan, axit hữu cơ và những aldehyt… sẽ làm giảm chất lượng biodiesel, làm tắt nghẽn đầu phun nhiên liệu và tạo cặn bẩn đọng trên xy lanh của động cơ diesel

- Tổng hàm lượng axit béo không bão hòa tăng sẽ làm giảm CFPP, điều này sẽ làm nhiên liệu sẽ trở nên linh động hơn, tăng khả năng hoạt động của nhiên liệu ở nhiệt độ thấp

- Suất tiêu hao nhiên liệu của biodiesel nói chung lớn hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống, do có chứa nhóm –COOH của các axit béo bão hòa và không bão hòa, axit linoleic và linolenic càng tăng, độ ổn định oxy hóa càng thấp, khả năng tạo muội than, gum… trong động cơ tăng, cũng dẫn đến sự gia tăng của suất nhiên liệu Thành phần axit béo Linoleic và Linolenic của HH1 (29.64%) > HH2 (29.1%) > HH3 (24.51%) nên độ ổn định oxy hóa của HH1 (6.57h) < HH2 (6.64h) < HH3 (7.4h) do đó HH1 có khuynh hướng tăng suất tiêu hao nhiên liệu - Hàm lượng axit béo bão hòa càng tăng thì độ nhớt động học càng cao Nếu độ nhớt quá cao thì nhiên liệu khó phun tơi và bốc hơi hoàn toàn, gây chất lượng xấu tới chất lượng hỗn hợp và cháy của nhiên liệu, dẫn đến suất tiêu hao nhiên liệu của biodiesel lớn hơn diesel

- Axit béo không bão hòa càng lớn, mạch có chứa nối đôi càng nhiều, khả năng bị oxy hóa tăng, thời gian cảm ứng ngắn, dẫn đến nhiệt trị của hỗn hợp sẽ tăng do khả năng bốc cháy nhanh hơn, toả nhiệt lớn

2 Cải thiện chất lượng hỗn hợp biodiesel và B20 sau phối trộn

- Hàm lượng lưu huỳnh của diesel giảm đáng kể - Độ nhớt và nhiệt độ đông đặc của hỗn hợp biodiesel được cải thiện

nhiều - Điểm chớp cháy cốc kín cũng giảm so với biodiesel gốc Điểm chớp

cháy càng thấp, tính bùng cháy càng mạnh, thời gian cháy trễ giảm, áp suất tăng vọt giảm, động cơ cháy êm, công suất động cơ giảm - Tạp chất dạng hạt, nhiệt trị, tỷ trọng… của hỗn hợp biodiesel tốt hơn

so với biodiesel gốc 3 Công suất động cơ và khí thải

- Hiệu suất động cơ không thay đổi nhiều khi động cơ được chạy với các loại biodiesel nguyên chất hoặc hỗn hợp sản xuất từ dầu jatropha curcas, dầu ăn phế thải và mỡ cá

- Suất tiêu hao nhiên liệu tăng khi sử dụng các loại nhiên liệu biodiesel - Hàm lượng nước trong nhiên liệu ảnh hưởng đến thành phần NOx

trong khí thải động cơ - Chỉ số xetan, khối lượng riêng và giá trị nhiệt trị thấp đóng vai trò quan

trọng trong việc đánh giá hiệu suất và khí thải của động cơ - Kết quả thử nghiệm cho thấy HH-1 và HH-3 cho hiệu suất và khí thải

của động cơ tốt hơn các mẫu hỗn hợp nhiên liệu còn lại - Các loại hỗn hợp nhiên liệu được phối trộn đảm bảo các đặc tính về

công suất và khí thải so với nhiên liệu diesel truyền thống khi được thử nghiệm trong nghiên cứu này

4 Đề tài đã sử dụng các nguồn nguyên liệu sẵn có ở Việt Nam như biodiesel mỡ cá basa, dầu ăn phế thải và nguồn nguyên liệu tiềm năng là jatropha Với những ưu điểm của mỗi loại biodiesel, phối trộn và sử dụng chúng cho động cơ diesel là việc làm cần thiết trong xu hướng nhiên liệu hóa thạch đang giảm dần, yêu cầu tăng chất lượng môi trường sống

4.2 Định hướng nghiên cứu và khiến nghị

Đề tài mới là những nghiên cứu ban đầu, cung cấp những thông tin làm cơ sở nền tảng cho những nghiên cứu về sử dụng biodiesel làm nhiên liệu cho động cơ đốt

trong sau này tại Việt Nam Tuy nhiên, các nghiên cứu về cải thiện tính chất nhiên liệu như pha trộn phụ gia, phối trộn với các biodiesel khác (dầu mè, dầu nành, dầu dừa…) nhằm tối ưu hơn đặc tính nhiên liệu (độ nhớt, điểm đông đặc, độ ổn định oxi hóa, các thành phần acid béo, nhiệt trị nhiên liệu…) và ảnh hưởng của chúng lên hoạt động của động cơ cần phải được nghiên cứu thêm ở các đề tài sau Có như vậy, nhiên liệu biodiesel mới có thể trở thành nhiên liệu thay thế, đáp ứng được các tiêu chuẩn hiện nay của dầu diesel và khi đó mới có thể áp dụng rộng rãi ra thị trường

Hàm lượng cặn cacbon trong biodiesel mỡ cá basa quá cao, cần có công nghệ xử lý hoặc lọc tách thích hợp.Ngoài ra, hàm lượng nước cao trong nhiên liệu có thể gây ra các vấn đề về giảm hiệu suất quá trình cháy

Độ nhớt các loại biodiesel dầu ăn phế thải, biodiesel jatropha và biodiesel mỡ cá basa khá lớn, vượt tiêu chuẩn của nhiên liệu diesel thông thường, điều này có thể gây ảnh hưởng đến quá trình phun của nhiên liệu Do đó, nếu tiến đến việc sử dụng B100 cần đề xuất hướng nghiên cứu nhằm giảm độ nhớt của biodiesel hoặc cần có sự cải tiến động cơ diesel cho phù hợp

Nguồn nguyên liệu cho sản xuẩt biodiesel ở Việt Nam khá dồi dào như dầu dừa, dầu lạc, dầu nành… do đó, cần tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm, có những tính toán cụ thể nhằm làm phong phú nguồn nhiên liệu, giảm giá thành sản phẩm, đáp ứng tốt các tiêu chuẩn kỹ thuật

PGS.TS Nguyễn Hoàng Dũng

Tài liệu tham khảo

1 “Fossil fuels: http://en.wikipedia.org/wiki/Fossil_fuel.” [Online] Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Fossil_fuel

2 EIA, “Energy Information Administration - EIA - Official Energy Statistics from the U.S Government,” 17-May-2009 [Online] Available: http://www.eia.doe.gov/ [Accessed: 17-May-2009]

3 http://trituedaukhi.com 4 Khảo sát của Trung tâm nghiên cứu và phát triển Chế biến dầu khí (PVPro) 5 Chính sách của nhà nước Việt Nam về phát triển nhiên liệu sinh học, Công nghệ dầu khí Việt

Nam, 29/07/2010 6 Liu X, He H, Wang Y, Zhu S, Piao X Transesterification of soybean oil to biodiesel using CaO as a

solid base catalyst Fuel 2008;87(2):216-21 7 Nwafor OMI, Rice G, Ogbonna AI Effect of advanced injection timing on the performance of

rapeseed oil in diesel engines Renew Energ 2000;21(3-4):433-44 8 Yosof MZM, Aziz AA, Mukti MAA Performance of palm oil methyl esters as alternative fuel for

diesel engines SAE paper no 871151; 1998 9 Hashimoto N, Ozawa Y, Mori N, Yuri I, Hisamatsu T Fundamental combustion characteristics of

palm methyl ester (PME) as alternative fuel for gas turbines Fuel 2008;87(15-16):3373-78 10 Iman KR, Ichsan HL, Wishnu M, et al Performance and exhaust gas emissions of using biodiesel

fuel from Physic nut (Jatropha curcas l.) oil on a direct injection diesel engine (DI) SAE paper no 2007-01-2025; 2007

11 Om Tapanes NC, Gomes Aranda DA, de Mesquita Carneiro JW, Ceva Antunes OA Transesterification of Jatropha curcas oil glycerides: Theoretical and experimental studies of biodiesel reaction Fuel 2008;87(10-11):2286-95

12 Nakamura K, Shioji M, Ikegami M, Hanada Y, Matsushita M Influence of the biodiesel "tempura oil" in diesel vehicles Proceedings of the 2nd joint international conference on "Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)", Thailand;Nov 21-23 2006

13 Meng X, Chen G, Wang Y Biodiesel production from waste cooking oil via alkali catalyst and its engine test Fuel Proc Technol 2008;89(9):851-7

14 Graboski MS, McCormick RL Combustion of fat and vegetable oil derived fuels in diesel engines Prog Energy and Combust Sci 1998;24(2):125-64

15 Bhatti HN, Hanif MA, Qasim M, Ata-ur-Rehman Biodiesel production from waste tallow Fuel 2008;87(13-14):2961-66

16 “The Performance, Exhaust Gas Emissions and Combustion of a Direct Injection Diesel Engine Using Biodiesel Fuel from Physic Nut Oil (Jatropha Curcas L Oil)”; Nguyen Ngoc Dung, Thesis for the degree of Master of Science, The Bandung Institute of Technology, June 2006

17 Scholl KW, Sorenson SC Combustion of soybean oil methyl ester in a direct injection diesel engine SAE paper no 930934 ; 1993

18 Han M, Cho K, Sluder CS, Wagner R Soybean and coconut biodiesel fuel effects on combustion characteristics in a light-duty diesel engine SAE paper no 2008-01-2501; 2008

19 Zheng M, Mulenga MC, Reader GT, et al Biodiesel engine performance and emissions in low temperature combustion Fuel 2008;87(6):714-22

20 Staat F, Gateau P The effects of rapeseed oil methyl ester on diesel engine performance, exhaust emissions and long-term behavior SAE paper no 950053; 1995

21 http://www.vietfish.com/vn/ 22 Rakesh Sarin, Meeta Sharma, S Sinharay, R.K Malhotra, Jatropha – Palm Biodiesel Blends: An

Optimum Mix for Asia, ScienceDirect, Fuel 86 (2007) 1365-1371 23 “Performance, Exhaust Gas Emissions and Combustion Characreristics of Mixed Biodiesel Fuels

on a Direct Injection Diesel Engine”; Iman Kartolaksono, Anh Tuan Pham, Hung Ngoc Bui; APAC 15

24 “Blending effects of biodiesels on oxidation stability and low temperature flow properties”; Ji-Yeon Park, Deog-keun Kim

25 Nguyen Ngoc Dũng, Vo Tan Chau, Tran Dang Long, Nguyen Huu Huong, Performance and Emissions of a Direct-Injection Compression Ignition Engine by Using Mixed Biodiesel, 3rd Regional Conference on Mechanical and Aerospace Technology, Philippine, Mar 4-5, 2011

Phụ Lục

Phụ lục 1: Hợp đồng triển khai nhiệm vụ nghiên cứu khoa học cấp trường năm 2010 số

35/HĐ – ĐHBK – KHCN & DA ngày 22/04/2010

Phụ lục 2: Phiếu đăng kí đề tài

Phụ lục 3: Thuyết minh đề tài

Phụ lục 4: Dự toán kinh phí đề tài

- Bài báo đăng trên tạp chí Cơ Khí Việt Nam