Nghiên cứu xác định tỷ lệ hỗn hợp dầu diesel dầu dừa và chất phụ gia tối ưu theo chỉ tiêu kinh tế môi trường của động cơ diesel trên thiết bị AVL

i MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU THAY THẾ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 3 1.1. Tổng quan về nhiên liệu thay thế của động cơ diesel tàu thủy 3 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 3 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 7 1.1.3. Khả năng sử dụng dầu thực vật tinh khiết làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong ở Việt Nam 8 1.1.4. Tiềm năng dầu thực vật 10 1.1.5. Nhiên liệu dầu thực vật 11 1.2. Tổng quan về chất phụ gia trong nhiên liệu thay thế của động cơ diesel tàu thủy 17 1.2.1. Chất phụ gia 17 1.2.2. Phân loại chất phụ gia 17 1.2.3. Hoạt chất nâng cao nhiên liệu Nanotech / XXL Fuel Booster 18 1.2.4. Tạo hỗn hợp dầu diesel và chất phụ gia 20 1.3. Các phương pháp xử lý dầu để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong 20 1.3.1. Phương pháp sấy nóng nhiên liệu 20 1.3.2. Phương pháp pha loãng 21 1.3.3. Phương pháp craking 21 1.3.4. Phương pháp nhũ tương hóa dầu thực vật 21 1.3.5. Phương pháp ester hóa 22 1.4. Các chỉ tiêu kinh tế - môi trường của động cơ diesel tàu thủy trong sử dụng 23 1.4.1. Chỉ tiêu năng lượng (N e ) 23 1.4.2. Chỉ tiêu kinh tế (g e ) 23 1.4.3. Chỉ tiêu môi trường (K, CO, NO x , HC) [1] 23 1.5. Đối tượng nghiên cứu – phương pháp nghiên cứu 29 ii CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TỶ LỆ HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DẦU DO – DẦU DỪA VÀ PHỤ GIA LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 30 2.1. Cơ sở khoa học của phương pháp nghiên cứu 30 2.1.1. Cơ sở kỹ thuật 30 2.1.2. Đặc điểm thực tiễn 30 2.1.3. Các thông số nhiệt động và thành phần cơ bản của dầu diesel so với dầu dừa 31 2.2. Nội dung nghiên cứu cơ bản 37 2.2.1. Thực nghiệm, phân tích mẫu hỗn hợp nhiên liệu mới (M) thông qua các chỉ tiêu chất lượng của dầu diesel 37 2.2.2. Phân tích, xác định chọn mẫu hỗn hợp nhiên liệu mới (M) theo chỉ tiêu chất lượng của dầu diesel 42 CHƯƠNG III. THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MẪU HỖN HỢP NHIÊN LIỆU MỚI TỐI ƯU TRÊN ĐỘNG CƠ THỬ NGHIỆM (AVL 5402) 49 3.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 49 3.2. Thiết bị và quy trình thử nghiệm 50 3.1.1. Thiết bị thử nghiệm 50 3.1.2. Quy trình thử nghiệm 56 3.2. Kết quả và thảo luận 57 3.2.1. Thử nghiệm chỉ tiêu năng lượng và kinh tế (N e , g e ) 57 3.2.2. Thử nghiệm các chỉ tiêu môi trường (HC, CO, NO x , K, CO 2 , Texh) 60 3.2.3. Đánh giá chỉ tiêu kinh tế - môi trường 66 3.2.4. Tính giá thành của hỗn hợp nhiên liệu 68 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 70 KẾT LUẬN 70 ĐỀ XUẤT 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 iii BIỂU BẢNG TRONG LUẬN VĂN Bảng 1-1: Diện tích trồng dừa của các nước trên thế giới 10 Bảng 1-2: Thống kê sản lượng dầu thực vật 11 Bảng 1-3: Thành phần hóa học của các loại dầu [8] 12 Bảng 1-4: Thành phần các axit béo của các loại dầu [8] 12 Bảng 1-5: Tính chất lý hóa cơ bản của một số dầu thực vật [8] 14 Bảng 1-6: Thông số của dầu dừa [8] 14 Bảng 1-7: Tính chất lý hóa của dầu dừa so với dầu diesel 16 Bảng 1-8: Đặc tính của XXL Fuel Booster [13] 19 Bảng 2-1: Kết quả đo độ nhớt của hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa theo nhiệt độ 39 Bảng 2-2: Nhiệt trị của các mẫu hỗn hợp được thử nghiệm tại TTKTTCĐLCL3 40 Bảng 2-3: Cetane của các mẫu hỗn hợp được thử nghiệm tại TTKTTCĐLCL3 40 Bảng 2-4: Sức căng bề mặt của các mẫu hỗn hợp 41 Bảng 2-5: Khối lượng riêng của các mẫu hỗn hợp 41 Bảng 2-6: Điểm đục của các mẫu hỗn hợp 41 Bảng 2-7: Thành phần Carbon của các mẫu hỗn hợp 41 Bảng 2-8: Thành phần hydro của các mẫu hỗn hợp 42 Bảng 2-9: Thành phần oxy của các mẫu hỗn hợp 42 Bảng 2-10: Các chỉ tiêu chất lượng của các mẫu hỗn hợp 48 Bảng 3-1: Các chỉ tiêu chất lượng của các mẫu hỗn hợp được lựa chọn để thử nghiệm trên thiết bị AVL 49 Bảng 3-2: Các thông số cơ bản động cơ [16] 53 Bảng 3-3: Các thông số cơ bản của cân 54 Bảng 3-4: Chế độ thử nghiệm 57 Bảng 3-5: So sách công suất động cơ diesel (kW) 58 Bảng 3-6: So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ diesel 60 Bảng 3-7: Khí thải HC và CO của động cơ diesel 61 Bảng 3-8: So sánh phát thải NO x và K của động cơ diesel 63 Bảng 3-9: So sánh khí thải CO 2 và nhiệt độ khí thải ( 0 C) của động cơ diesel 64 iv Bảng 3-10: Giá trị trung bình của các chỉ tiêu môi trường thử nghiệm so với dầu diesel 66 Bảng 3-11: Giá trị trung bình của chỉ tiêu kinh tế - môi trường thử nghiệm 67 Bảng 3-12: Tính toán giá thành của các lọai nhiên liệu tính cho một lít hỗn hợp 68 Bảng 3-13: Giá trị trung bình BSFC của dầu diesel so với M15 69 v HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN Hình 1-1: Quá trình biến đổi đối với dầu thực vật tinh khiết [8] 5 Hình 1-2: Cơ chế tác dụng của XXL 18 Hình 1-3: Sơ đồ ester hóa dầu thực vật [4] 22 Hình 1-4: Cấu trúc chuỗi bồ hóng 26 Hình 1-5: Mô hình cấu trúc dạng hạt sơ cấp 26 Hình 2-1: Nghiên cứu thực nghiệm thiết bị trộn, phân tích hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa và chất phụ gia 38 Hình 2-2: Dụng cụ đo độ nhớt 38 Hình 2-3: Đường cong nhiệt – nhớt của các mẫu nhiên liệu hỗn hợp 39 Hình 2-4: Sơ đồ phân tích xác định mẫu nhiên liệu để thử nghiệm 42 Hình 2-5: Minh họa các chế độ dòng tia khác nhau của chùm dầu diesel ở áp suất cao 45 Hình 3-1: Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 49 Hình 3-2: Sơ đồ bố trí chung các thiết bị trong phòng thử 51 Hình 3-3: Động cơ và các thiết bị trong phòng thử 52 Hình 3-4: Động cơ thử nghiệm AVL 5402 52 Hình 3-5: Cân điện tử và bình gia nhiệt 53 Hình 3-6: Thiết bị phân tích khí thải Heshbon 54 Hình 3-7: Ống đo và cấu tạo chung Opacimeter 439 55 Hình 3-8: Thiết bị giải nhiệt nước làm mát và dầu bôi trơn 55 Hình 3-9: Thiết bị ổn định nhiệt độ nhiên liệu 56 Hình 3-10: Công suất động cơ ở các chế độ tải và MNL khác nhau 58 Hình 3-11: Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ở các chế độ tải và MNL khác nhau 60 Hình 3-12: Hàm lượng khí thải HC của động cơ ở các chế độ tải và MNL khác nhau 62 Hình 3-13: Khí thải CO của động cơ ở các chế độ tải và MNL khác nhau 62 Hình 3-14: Khí thải NO x của động cơ ở các chế độ tải và MNL khác nhau 63 Hình 3-15: Độ mờ khói của động cơ ở các chế độ tải và MNL khác nhau 64 Hình 3-16: Khí thải CO 2 của động cơ ở các chế độ tải và MNL khác nhau 65 Hình 3-17: Nhiệt độ khí thải của động cơ ở các chế độ tải và MNL khác nhau 65 vi Hình 3-18: Giá trị trung bình của các chỉ tiêu môi trường thử nghiệm so với dầu diesel 66 Hình 3-19: Giá trị trung bình của chỉ tiêu kinh tế - môi trường thử nghiệm so với dầu diesel 67 Hình 3-20: Các chỉ tiêu kinh tế và môi trường: BFSC, CO, HC, K, NO x 68 vii KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN BSFC [g/KW.h] : Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ CO [%] : Carbon Monoxide CO2 [%] : Carbon Dioxide Charge Amplifier : Bộ khuyếch đại tín hiệu Encoder : Cảm biến tốc độ động cơ HC [ppm] : Hydrocarbon NO x [ppm] : Nitrogen Oxides M : Hỗn hợp nhiên liệu mới M5 : Hỗn hợp dầu dừa 5% - dầu diesel 94,875% và chất phụ gia 0,125%. M10 : Hỗn hợp dầu dừa 10% - dầu diesel 89,875% và chất phụ gia 0,125%. M15 : Hỗn hợp dầu dừa 15% - dầu diesel 84,875% và chất phụ gia 0,125%. M20 : Hỗn hợp dầu dừa 20% - dầu diesel 79,875% và chất phụ gia 0,125%. M25 : Hỗn hợp dầu dừa 25% - dầu diesel 74,875% và chất phụ gia 0,125%. M30 : Hỗn hợp dầu dừa 30% - dầu diesel 69,875% và chất phụ gia 0,125%. MNL : Mẫu nhiên liệu K [%] : Độ mờ khói P : Chất phụ gia XXL PVO : Dầu thực vật tinh khiết Thermal Eff ( t η )[%] : Hiệu suất nhiệt động cơ T exh [ o C] : Nhiệt độ khí thải T lm : Nhiệt nước làm mát 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với việc phát triển quá mức của các ngành công nghiệp và sự bùng nổ dân số, nhu cầu sử dụng về nhiên liệu ngày càng gia tăng. Trong khi đó các nguồn năng lượng tự nhiên như dầu mỏ, than đá, khí đốt đang ngày càng cạn kiệt. Hơn nữa, việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch có một số nhược điểm là cháy không hoàn toàn, tạo ra các sản phẩm cháy: CO, CO 2 , HC, NO x , gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt khí CO 2 gây hiệu ứng nhà kính. Do vậy, việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế hiện nay đang là nhu cầu bức thiết. Song song với việc sử dụng các nguồn thay thế dầu mỏ như: năng lượng gió, mặt trời, hạt nhân,…thì năng lượng sinh học cũng đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Năng lượng sinh học có ưu điểm là loại năng lượng tái sinh, thân thiện với môi trường, công nghệ sản xuất đơn giản, giá thành thấp. Trong số đó, dầu dừa đang là đối tượng cho việc nghiên cứu nguồn năng lượng sinh học. Dầu dừa có trữ lượng lớn dễ sản xuất và phát triển mạnh nhất là ở quốc gia có khí hậu nhiệt đới như Việt Nam. Vì vậy, việc “Nghiên cứu xác định tỷ lệ hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa và chất phụ gia tối ưu theo chỉ tiêu kinh tế - môi trường của động cơ diesel trên thiết bị AVL” là vô cùng thực tế và cần thiết. Nội dung nghiên cứu 1) Xác định tỷ lệ hỗn hợp dầu diesel (dầu diesel 0,05% lưu huỳnh) – dầu dừa và chất phụ gia tối ưu theo chỉ tiêu kinh tế - môi trường. 2) Đánh giá mẫu hỗn hợp tối ưu theo chỉ tiêu kinh tế - môi trường thông qua thiết bị AVL. Ý nghĩa khoa học của đề tài Các số liệu nghiên cứu của đề tài là số liệu thực tế bổ sung cho sự hiểu biết về tính năng của dầu dừa trong việc thay thế nguồn nhiên liệu sử dụng trong động cơ diesel. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Thành công của đề tài là cơ sở cho việc ứng dụng dầu dừa làm nhiên sinh học thay thế dầu diesel truyền thống cho động cơ diesel nhằm giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường. 2 Cấu trúc luận văn Đề tài thực hiện gồm 3 chương: Chương I. Tổng quan về nhiên liệu thay thế của động cơ diesel tàu thủy. Chương II. Nghiên cứu xác định tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu dầu diesel – dầu dừa và chất phụ gia làm nhiên liệu động cơ diesel tàu thủy. Chương III. Thực nghiệm nghiên cứu xác định mẫu hỗn hợp nhiên liệu mới (M10, M15, M20) tối ưu trên động cơ thử nghiệm AVL 5402. Kết luận và đề xuất. 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU THAY THẾ CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 1.1. Tổng quan về nhiên liệu thay thế của động cơ diesel tàu thủy 1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Nghiên cứu, sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới mà đặc biệt là ngành giao thông vận tải có xu hướng tăng nhanh. Ở châu Âu, đây là một phần của chính sách môi trường Quốc gia và mục đích giảm phát thải CO 2 , giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu dầu và tạo ra việc làm thông qua phát triển nông thôn. Hiện nay có nhiều ứng dụng nhiên liệu thay thế cho các động cơ ôtô, ví dụ Brazin là nước đi đầu trong việc phát triển các loại nhiên liệu sạch từ mía, Brazin hiện có tới 90% ôtô sử dụng nhiên liệu sạch và nhiên liệu sạch pha với nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ, với 5 nhà máy cung cấp sản lượng khoảng 49 triệu lít/năm. Một số quốc gia ở châu Âu cũng góp phần không nhỏ trong việc ứng dụng nhiên liệu thay thế nhất là khi nghị định Kyoto được đưa vào thực hiện, các quy chế ngặt nghèo về khí thải, mới đây nhất là chỉ thị 2003/30/EC, theo đó từ ngày 31/12/2005 có ít nhất 2% và đến 31/12/2010 ít nhất 5,75% nhiên liệu dùng trong vận tải phải có nguồn gốc tái tạo. Tại Đức chỉ thị trên đã được thực hiện sớm hơn, tiếp theo là Áo và Pháp với nhiên liệu chứa 5% có nguồn gốc tái tạo đã được bán. Ở Mỹ, Áo đã cho động cơ diesel ôtô chạy bằng dầu thực vật từ nhiên liệu là dầu ăn thải ra từ trong các nhà hàng. Achentina đã tìm cách phát triển công nghệ sản xuất năng lượng thay thế từ đậu nành với chi phí sản xuất chỉ bằng ½ so với dầu diesel truyền thống (DO). Nước Anh cũng đã sản xuất nhiên liệu thay thế từ hạt hướng dương, hạt thầu dầu và hạt cọ. Gần đây, đã có một số công trình bắt đầu nghiên cứu và công bố sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong tảo. Kết quả công trình nghiên cứu của hai sinh viên tại Đại học Auckland (New Zealand), họ đã chứng minh được động cơ chạy bằng dầu diesel của tàu, xe có thể hoạt động được nhờ vào hỗn hợp diesel với dầu dừa hoặc chỉ đơn thuần bằng dầu dừa. Trong bài viết trên tạp chí Journal Science, giáo sư James Steenbock Dumesic trường đại học Wisconsin Madison, Hoa Kỳ (UW-Madison) và các đồng nghiệp đã công bố: Hạt ngũ cốc và các nguyên liệu nguồn gốc chứa nhiều carbonhydrate có thể được biến đổi sang dạng chất lỏng hóa học alkanes không chứa lưu huỳnh tạo nên chất phụ gia lý tưởng cho phương tiện vận chuyển chạy dầu diesel. Kết quả, chất dầu diesel từ thực [...]... t Vi c gi i thi u ng cơ "Elsbett" (là u tiên trên th gi i phun tr c ti p), cơng ty Elsbett c a ng cơ ơ tơ diesel c ã i tiên phong v cơng 6 ngh PVO trong nh ng năm 1970 Elsbett ã ch t o các b bi n i cho các lo i ng cơ diesel (t năm1992), các năm1996), và ng cơ này ã có th ch y b ng d u PVO T ng cơ khác nhau như khoang c a các ng cơ diesel truy n th ng bơm hút tr c ti p (t ng cơ diesel ch y b ng b bơm... khơng tiêu th diesel sinh h c ư c v n có th tái t o thành d u ó là cơng trình nghiên c u c a các cán b cơng tác t i Phân vi n khoa h c v t li u t i Thành ph H Chí Minh (TP.HCM) thu c Vi n khoa h c và cơng ngh Vi t Nam 8 Theo ngh c a B Cơng nghi p và Văn phòng Cơng ty Sojitz t i Hà N i, ngày 03 tháng 8 năm 2005, B Tài ngun và Mơi trư ng, v i tư cách là cơ quan c a Chính ph Vi t Nam tham gia và th c... l i th p hơn i m áng lưu ý là d u th c v t khơng hồn tồn bay hơi h t, ây có th là ngun nhân gây óng c n trên bu ng cháy [8] B ng 1-5: Tính ch t lý hóa cơ b n c a m t s d u th c v t [8] Loại dầu Khối lượng riêng (g/cm3) Dầu phộng Dầu cải dầu Dầu dừa Dầu bông Dầu cọ 0,915 Dầu thầu dầu Dầu nành Dầu diesel Nhiệt trò (Mj/kg) (Kcal/kg) C n Ch s cetan 258 39,33/9410 0,50 39-41 11 320 37,40/8956 0,28 38 23/26... ch tiêu kinh t - mơi trư ng c a ng cơ diesel tàu th y trong s d ng 1.4.1 Ch tiêu năng lư ng (Ne) 1.4.1.1 Cơng su t có ích (Ne) Cơng su t có ích (Ne) là cơng su t c a 2πn  1  Ne =  Me × × 60  1000  Me - Mơ-men n-T c u ra c a tr c khu u (kW) ng cơ (1.1) (Nm) ng cơ (vg/ph) Dùng phanh th y l c (dynamometer) cơ ng cơ ư c o i u khi n cơng su t có ích Ne c a ng u ra c a tr c khu u 1.4.2 Ch tiêu kinh. .. s n xu t nhiên li u s ch, theo ó 10% nhiên li u s ch s ư c s d ng vào 2011 Còn t i Malayxia, m t nư c có s n lư ng d u c l n nh t th gi i, ã quy t nh l y ó làm ngu n ngun li u s n xu t d u diesel sinh h c và nư c này ã s d ng B5 vào năm 2007 (pha 5% d u diesel sinh h c vào d u diesel) trên di n r ng 5 Bên c nh Biodiesel còn có nhi u cơng trình nghiên c u l p chuy n i ng cơ diesel có th ho t t thêm... quan ng cơ có bu ng cháy d b 1.2.2.2 Ph gia nhiên li u nhân t o Bao g m các lo i ph gia: + Ph gia tăng cơng su t + Ph gia ti t ki m nhiên li u + Ph gia gi m khí th i + Ph gia làm s ch Các ch t ph gia kim lo i dư i d ng mu i axit ư c s d ng phát sinh b hóng c a làm gi m m c ng cơ Diesel Nh ng kim lo i alcalino-terreux (Ca, Ba, Mg, Fe, Mn, Cu, Ni) thư ng ư c s d ng làm ch t ph gia trong d u diesel Nh... gia cho các h n h p nhiên li u là thích h p 1.2.4 T o h n h p d u diesel và ch t ph gia XXL có th s d ng v i b t kỳ lo i máy móc, thi t b nào s d ng nhiên li u hydrocarbon (xăng, d u diesel, d u n ng, v.v ) XXL s nâng cao ch t lư ng nhi n li u theo t l pha (1:1000 d ng các thi t b i xăng, và 1:800 i v i d u diesel) Vì v y, b ng vi c s o có chia s n v ch, ta d dàng pha ư c ph gia theo t l nói trên vào... i h th ng dùng d u diesel úng qui cách như gian, khi nhi t kh i ng và d ng ng cơ dùng d u diesel truy n th ng Sau kh i c a ng cơ cao, ng cơ ng m t th i ng cơ ư c chuy n sang s d ng nhiên li u PVO, khi d ng máy h th ng ng t nhiên li u PVO và chuy n sang s d ng d u diesel r a s ch h th ng nhiên li u nh m b o l n sau, cũng như h n ch m tin c y cho nh hư ng x u c a nhiên li u PVO ng cơ kh i ng l nh n m... mòn ng cơ Thí nghi m này là m t khuy n cáo v i nh ng ai s d ng tr c ti p d u th c v t ho c d u c chưa qua x lý [10] Song song v i cơng trình nghiên c u giáo sư Michael Allen thì cơng trình nghiên c u c a MSc Mechanical Engineering ã nghiên c u s d ng h n h p 50% d u d a tinh khi t và 50% d u diesel ư c th nghi m trên xe t i Mazda v i ng cơ phun tr c ti p, hâm nóng 70-800C, b l c 5 micron, th i gian th... nơi mát và khơ L i ích c a vi c s d ng XXL: + Q trình t tri t hơn làm tăng cơng su t ng cơ: XXL nâng cao các phân t hydrocarbon trong nhiên li u hóa th ch làm q trình tăng cơng su t t ư c c i thi n và ng cơ + Ti t ki m nhiên li u: XXL làm tăng cơng su t và gi m tiêu th nhiên li u, do ó gi m chi phí nhiên li u + B o trì ít hơn: XXL làm s ch các chi ti t bên trong ng cơ có dính các h p ch t carbon và các . định tỷ lệ hỗn hợp dầu diesel (dầu diesel 0,05% lưu huỳnh) – dầu dừa và chất phụ gia tối ưu theo chỉ tiêu kinh tế - môi trường. 2) Đánh giá mẫu hỗn hợp tối ưu theo chỉ tiêu kinh tế - môi trường. lệ hỗn hợp dầu diesel - dầu dừa và chất phụ gia tối ưu theo chỉ tiêu kinh tế - môi trường của động cơ diesel trên thiết bị AVL là vô cùng thực tế và cần thiết. Nội dung nghiên cứu 1) Xác định. dừa 15% - dầu diesel 84,875% và chất phụ gia 0,125%. M20 : Hỗn hợp dầu dừa 20% - dầu diesel 79,875% và chất phụ gia 0,125%. M25 : Hỗn hợp dầu dừa 25% - dầu diesel 74,875% và chất phụ gia 0,125%.