Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ diesel

Mục đích và phạm vi nghiên cứu Xây dựng được mô hình mô phỏng đủ độ tin cậy, cho phép đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến QLCCNL, diễn biến các

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHAN ĐẮC YẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC

B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƯỢNG

VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2015

PHAN ĐẮC YẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC

B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƯỢNG

VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS, TS Nguyễn Hoàng Vũ

2 TS Nguyễn Trung Kiên

HÀ NỘI – NĂM 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi đúng quy định

Tác giả luận án

Phan Đắc Yến

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Phòng sau Đại học, Khoa Động lực, Bộ môn Động cơ - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án

Tôi xin chân thành biết ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi trong quá trình làm luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn Hoàng Vũ, TS Nguyễn Trung Kiên – Bộ môn Động cơ – Học viện KTQS về những hướng dẫn khoa học và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Nhà máy Z153/Tổng cục Kỹ thuật, Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc-hóa dầu/Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng 1 (Quatest 1), Trung tâm Quốc gia thử nghiệm khí thải Phương tiện cơ giới đường bộ (NETC)/Cục Đăng kiểm Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và hoàn thành phần thực nghiệm của luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc Bộ môn Động cơ- Khoa Động lực- Học viện KTQS và các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động lực trong và ngoài Học viện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho NCS trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án

Nghiên cứu sinh

Phan Đắc Yến

1.1 Biodiesel là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel dầu mỏ 6

1.2 Sự thay đổi thuộc tính của biodiesel so với nhiên liệu diesel dầu mỏ 11

1.3 Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy

1.3.1 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel

1.4.1.2 Với mức pha trộn trung bình (từ 6 đến 20%) 19

1.4.2 Các vấn đề cần quan tâm khi sử dụng biodiesel với mức pha trộn trung bình 20

1.5 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế,

1.5.2 Tại Việt Nam 24

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ diesel 30

2.1.1 Mô hình hệ thống phun nhiên liệu dùng BCA kiểu cơ khí truyền thống 30 2.1.2 Tính toán quá trình truyền sóng áp suất trên đường ống cao áp 31 2.1.3 Các phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp và vòi phun 32 2.1.3.1 Phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp 32 2.1.3.2 Phương trình điều kiện biên tại vòi phun 34 2.1.3.3 Hệ phương trình vi phân điều kiện biên 35

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác các chỉ tiêu kinh tế, năng

2.2.1 Mô hình vật lý dùng để tính toán chu trình công tác của động cơ 37 2.2.2 Các phương trình cơ bản tính diễn biến áp suất, nhiệt độ trong xi lanh

2.2.3.2 Mô hình cháy đa vùng Razleitsev - Kuleshov 40 2.2.4 Mô hình tính trao đổi nhiệt của môi chất với thành vách 47

2.2.5 Tính toán các thông số đánh giá chu trình và chỉ tiêu kinh tế, năng lượng 48

2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán NO x và độ khói k của động cơ 49 2.3.1 Xác định thành phần NOx trong khí thải động cơ 49

2.4.2 Lựa chọn phần mềm tính toán chu trình công tác và các chỉ tiêu kinh tế,

3.2 Tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ B2 bằng phần mềm

3.2.2 Xây dựng mô hình và xác định các thông số đầu vào 59 3.2.3 Thuộc tính của nhiên liệu dùng cho phần mềm Inject32 60 3.2.4 Chế độ, trình tự tính toán và phương pháp đánh giá tác động của B10,

3.2.5 Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình tính quy luật cung cấp nhiên liệu 61 3.2.6 Kết quả tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu 63

3.3 Tính toán các quá trình nhiệt động, các chỉ tiêu kinh tế, năng lƣợng, môi

3.3.1 Xây dựng mô hình tính và xác định các thông số đầu vào 70 3.3.2 Chế độ, trình tự tính toán và phương pháp đánh giá tác động của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ B2 72 3.3.3 Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình tính chu trình công tác 73

3.3.4.1 Quá trình hình thành và phát triển tia phun 75 3.3.4.2 Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp và cháy 76 3.3.4.3 Kết quả tính toán các thông số nhiệt động trong xi lanh 82 3.3.4.4 Tính toán các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng 86 3.3.4.5 Tính toán mức phát thải NOx và độ khói k 91

4.1.2.1 Xác định các thuộc tính của nhiên liệu 96 4.1.2.2 Xác định lượng nhiên liệu cấp cho chu trình 96 4.1.2.3 Xác định các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường 96

4.2.1 Trang thiết bị xác định các thuộc tính của nhiên liệu 97 4.2.2 Trang thiết bị xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình 101

4.2.3 Trang thiết bị xác định ảnh hưởng của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh

4.3.2 Xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình 114 4.3.3 Xác định các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ 116 4.3.4 Xác định mức phát thải NOx và độ khói k của động cơ 117

4.4 Đánh giá độ chính xác, tin cậy của các mô hình đã xây dựng 119 4.4.1 Mô hình tính quy luật cung cấp nhiên liệu 119 4.4.2 Mô hình tính các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng 121

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AEA Tổ chức dầu khí

ASTM Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (American

Society for Testing and Materials) AVL-

ETC

Phòng thử nghiệm động cơ hạng nặng (Heavy Duty Engine Test Cell)

B0 (DO) Nhiên liệu diesel dầu mỏ

Biodiesel Nhiên liệu diesel sinh học

Biofuel Nhiên liệu sinh học

Bx Nhiên liệu diesel nguồn gốc hóa thạch được hòa trộn với

nhiên liệu diesel sinh học, trong đó, B thể hiện là hỗn hợp diesel/biodiesel, x thể hiện tỷ lệ % theo thể tích của diesel sinh học trong hỗn hợp

BCA Bơm cao áp

CCKTTT Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

CFR Động cơ diesel thử nghiệm trị số xê tan

DME Dimetyl Ete

EGR Tuần hoàn khí thải

EU Liên minh Châu Âu (European Union)

FAME Este metyl a xít béo (Fatty acid methyl esters)

HC Hydrocacbon

HTPNL Hệ thống phun nhiên liệu

ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Organization

for Standardization)

KH&CN Khoa học và công nghệ

LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng

nc Tốc độ vòng quay của trục cam bơm cao áp vg/ph NCKH Nghiên cứu khoa học

NCS Nghiên cứu sinh

NETC Trung tâm quốc gia thử nghiệm khí thải phương tiện cơ

giới đường bộ (National Emission Testing Center for Vehicle)

NLSH Nhiên liệu sinh học

NOx Các Ô xít Ni tơ

PM Chất thải dạng hạt (Particulates Matter)

PTCGĐB Phương tiện cơ giới đường bộ

PTCGQS Phương tiện cơ giới quân sự

PTCN Phát triển công nghệ

PTN Phòng thí nghiệm

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

QLCCNL Quy luật cung cấp nhiên liệu

QTCN Quy trình công nghệ

Quatest 1 Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1

TCCS Tiêu chuẩn cơ sở

TCKT Tổng cục kỹ thuật

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TSKT Tiến sĩ kỹ thuật

p’ Áp suất phun nhiên liệu (áp suất khoang miệng vòi phun) MPa

q Tốc độ phun nhiên liệu ml/s

Vinj Vận tốc nhiên liệu ở đầu ra lỗ phun của vòi phun m/s

SDllute Phần nhiên liệu trong vùng loãng ngoài vỏ tia phun và

trong vùng loãng bên ngoài dòng sát vách buồng cháy

% mass

SSprCore Phần nhiên liệu trong lõi tia phun % mass

SFront Phần nhiên liệu phía trước lõi tia phun % mass

SCoreNWF Phần nhiên liệu trong lõi tia phun sát thành buồng cháy % mass

SCrosNWF Phần nhiên liệu vùng ngoài lõi của tia phun sát thành

buồng cháy

% mass

SHead Phần nhiên liệu của tia phun bắn lên nắp xi lanh % mass

SLiner Phần nhiên liệu của tia phun trên thành xi lanh % mass

 Hệ số dư lượng không khí

xb Quy luật cháy

GQTK

i Hiệu suất chỉ thị của động cơ

Ngoài ra, còn một số từ viết tắt và ký hiệu được sử dụng và diễn giải

trong các Chương tương ứng của luận án và phần Phụ lục

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Lượng tiêu thụ biodiesel trên toàn cầu (năm 2009) 8 Bảng 1.2 Kết quả phân tích các thuộc tính của mẫu biodiesel gốc B100 10 Bảng 1.3 Sự thay đổi thuộc tính hóa-lý, đặc tính cháy của biodiesel theo tỷ lệ

Bảng 1.4 Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp B10, B20 theo

Bảng 3.1 Các thông số về nhiên liệu cần cho Inject32 60 Bảng 3.2 So sánh lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình ở chế độ 100% tải

Bảng 3.3 Kết quả tính toán áp suất lớn nhất trong khoang xi lanh BCA pH max;

khoang đầu nối p’H max; khoang vòi phun pmax tại n = 2000

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của B10, B20 đến khoảng thời gian cháy z 79

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của B10, B20 đến nhiệt độ vùng cháy Tburn max và tốc độ

Bảng 3.13 Sự thay đổi áp suất lớn nhất trong xi lanh pxl max khi dùng B0, B10, B20 83 Bảng 3.14 Sự thay đổi nhiệt độ xi lanh lớn nhất Txl max khi sử dụng B0, B10, B20 85 Bảng 3.15 Sự thay đổi áp suất chỉ thị trung bình pi khi sử dụng B0, B10, B20 86 Bảng 3.16 Sự thay đổi hiệu suất chỉ thị i khi sử dụng B0, B10, B20 87 Bảng 3.17 Sự thay đổi áp suất có ích trung bình pe khi sử dụng B0, B10, B20 88 Bảng 3.18 Tổng hợp ảnh hưởng của B10, B20 đến Me; ge của động cơ B2 89 Bảng 3.19 Tổng hợp ảnh hưởng của B10, B20 đến mức phát thải NOx 91

Bảng 3.20 Tổng hợp ảnh hưởng của B10, B20 đến độ khói k của động cơ B2 94 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định tỷ trọng 97 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định đường cong chưng cất 98 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định độ nhớt 98 Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định điểm chớp cháy cốc kín 98 Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định hàm lượng lưu huỳnh 99 Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định độ ổn định ô xy hóa 99 Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định hàm lượng nước 99 Bảng 4.8 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định ăn mòn tấm đồng 100 Bảng 4.9 Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định nhiệt trị 100

Bảng 4.11 Các thông số kỹ thuật cơ bản của phanh điện APA 404/6PA 103

Bảng 4.13 Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-753C 105 Bảng 4.14 Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-735S 106 Bảng 4.15 Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-553 107 Bảng 4.16 Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-554 108 Bảng 4.17 Các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống điều hòa không khí 108 Bảng 4.18 Các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị AVL439 110 Bảng 4.19 Kết quả phân tích các tính chất của mẫu B0, B10, B20 111 Bảng 4.20 Kết quả xác định tỷ trọng, độ nhớt của B0, B10, B20 tại 200C và 500

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Những tương tác chủ yếu giữa các thông số khác nhau trong quá

Hình 2.1 Mô hình hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu cơ khí truyền thống 30 Hình 2.2 Mô hình vật lý và các dòng năng lượng, khối lượng ứng với một

Hình 2.3 Mô hình tia phun và hình vẽ tia phun va đập với thành buồng cháy 41 Hình 2.4 Tương tác giữa chùm tia phun với thành vách 41 Hình 2.5 Sơ đồ phân bố các vùng của chùm tia phun diesel 42 Hình 2.6 Giao diện lựa chọn kiểu HTPNL trong phần mềm Inject32 53

Hình 3.3 Mô hình tính QLCCNL của động cơ diesel B2 trong Inject32 59 Hình 3.4 Kết quả tính toán và thực nghiệm xác định lượng nhiên liệu cung

cấp cho một chu trình của phân bơm cao áp, ở chế độ 100% tải 62 Hình 3.5 Diễn biến áp suât khoang xi lanh BCA pH tại n = 2000 vg/ph 63 Hình 3.6 Diễn biến áp suất khoang đầu nối p’H tại n=2000 vg/ph 64 Hình 3.7 Diễn biến áp suất khoang vòi phun p tại n = 2000 vg/ph 64 Hình 3.8 Diễn biến áp suất phun (p‘

Hình 3.19 Diễn biến quy luật cháy xb tại n=2000 vg/ph 80

Hình 3.20 Sự thay đổi khoảng thời gian cháy z khi sử dụng B0, B10, B20 80 Hình 3.21 Sự thay đổi nhiệt độ vùng cháy Tburn tại n= 2000 vg/ph 81 Hình 3.22 Sự thay đổi tốc độ tỏa nhiệt dQc/d khi sử dụng B0, B10, B20

Hình 4.2 Sơ đồ kết nối các trang thiết bị của phòng thử AVL – ETC 102 Hình 4.3 Đặc tính của APA-404/6PA ở chế độ phanh (a) và chế độ động cơ (b) 103

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý và bố trí chung của AVL-753C và AVL-735S 105

Hình 4.10 Kết quả thực nghiệm xác định gct của BCA HK 10 115 Hình 4.11 Ảnh hưởng của B10, B20 đến Me của động cơ B2 116 Hình 4.12 Ảnh hưởng của B10, B20 đến ge của động cơ B2 117 Hình 4.13 Ảnh hưởng của B10, B20 đến hàm lượng NOx 118

Hình 4.14 Ảnh hưởng của B10, B20 đến độ khói k 118 Hình 4.15 So sánh gct tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 120 Hình 4.16 So sánh Me tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 121 Hình 4.17 So sánh ge tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 122 Hình 4.18 So sánh NOx tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 123 Hình 4.19 So sánh độ khói tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20 124

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, tại Việt Nam nói riêng và tại các quốc gia trên thế giới nói chung có sự gia tăng nhanh về số lượng động cơ đốt trong (ĐCĐT) sử dụng làm nguồn động lực trong các lĩnh vực: nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải và nhiều ngành kinh tế khác… Sự gia tăng nhanh cả về số lượng và công suất của ĐCĐT đã khiến cho nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và môi trường ngày càng bị ô nhiễm do khí thải độc hại

Để chủ động nguồn năng lượng trong tương lai và để đảm bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia, việc nghiên cứu sử dụng các loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu khoáng truyền thống đã trở nên cấp bách và hết sức cần thiết Đối với các động cơ xăng, nguồn nhiên liệu thay thế chủ yếu là các loại cồn công nghiệp biến tính (Ethanol và Methanol) được pha trộn với tỷ lệ khác nhau hoặc các loại nhiên liệu khí (bao gồm khí thiên nhiên CNG, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và biogas) Đối với động cơ diesel, nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến hiện nay là khí dầu

mỏ hóa lỏng (LPG) và nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel)

Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật Đây là loại nhiên liệu

có thể thay thế cho diesel khoáng và có thể pha chế với với diesel khoáng theo tỷ lệ bất kỳ Hiện nay, tỷ lệ pha trộn thường dùng từ 6 đến 20%, [64]

Biodiesel sản xuất từ dầu thực vật đã được sử dụng cho các động cơ diesel xe tải, xe buýt và các động cơ tĩnh tại ở Pháp và Bỉ từ năm 1920, mặc dù đã gặp phải một số hạn chế nhất định Từ năm 1950, do sự phát triển của công nghiệp dầu mỏ nên những nghiên cứu về biodiesel gần như dừng chân tại chỗ Tuy nhiên, sau những năm 1980 việc nghiên cứu, sử dụng biodiesel (thu được dầu thực vật, mỡ động vật) đã được tái khởi động và phát triển mạnh tại Châu Âu, Mỹ và một số nước Châu Á, [14]

Do biodiesel có sự khác biệt về tính chất hóa-lý (thành phần hóa học, tỷ trọng, độ nhớt động học ) và đặc tính cháy (nhiệt trị, trị số xê tan ) so với nhiên liệu diesel truyền thống nên sẽ tác động đến các thông số đặc trưng của quy luật cung cấp nhiên liệu (góc phun sớm thực tế, sự phát triển tia phun, mức độ phun tơi ) Trong khi đó, quy luật cung cấp nhiên liệu (QLCCNL) lại là thông số đầu vào quan trọng phục vụ việc tính toán quá trình tạo hỗn hợp, diễn biến quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel

Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, việc thực hiện đề tài luận án TSKT

“Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến các chỉ tiêu kinh tế,

năng lượng, môi trường của động cơ diesel“ nhằm xây dựng mô hình tính cho phép

đánh giá tác động của nhiên liệu diesel sinh học đến QLCCNL, đến các chỉ tiêu kinh

tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel (đang sử dụng nhiên liệu diesel dầu mỏ) mang tính cấp thiết và thời sự

Mục đích và phạm vi nghiên cứu

Xây dựng được mô hình mô phỏng đủ độ tin cậy, cho phép đánh giá ảnh

hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến QLCCNL, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác, mức phát thải

NOx, độ khói k của động cơ trên cơ sở ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng (Inject32 và Diesel-RK)

Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha

trộn 10% và 20% đến các chỉ tiêu kinh tế (suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e); năng lượng (mô men xoắn có ích Me) và môi trường (mức phát thải NOx; độ khói khí thải k) của động cơ diesel B2

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ diesel B2 (công suất định mức

là Ne đm=382 kW tại n=2000 vg/ph) do Liên xô sản xuất Tại Việt Nam, động cơ B2 được sử dụng trên các phương tiện vận tải tại các mỏ khai thác khoáng sản, phương tiện vận tải đường thủy, trên dàn khoan dầu khí và trên một số loại phương tiện cơ giới quân sự (PTCGQS) Đây là loại động cơ diesel có công suất lớn, độ bền cao nhưng có suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ khói cao

Loại nhiên liệu sử dụng

Luận án sử dụng 3 loại nhiên liệu: nhiên liệu diesel dầu mỏ truyền thống (B0), hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha trộn 10% (B10), hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha trộn 20% (B20) Trong đó nguồn diesel sinh học gốc (B100) sử dụng để pha trộn tạo B10, B20 được sản xuất từ phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil) thành dầu ăn (Cooking Oil), [23]

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, nhằm thiết lập được mô hình mô phỏng đủ độ tin cậy cho phép đánh giá ảnh hưởng của biodiesel B10, B20 đến QLCCNL, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác và mức phát thải

NOx, độ khói của động cơ Việc nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định một số thông số đầu vào phục vụ quá trình tính toán; đánh giá mức độ phù hợp của B10, B20 với các tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành (TCVN và QCVN), đánh giá độ tin

cậy và hiệu chỉnh các mô hình mô phỏng đã xây dựng; lượng hóa tác động của biodiesel (B10 và B20) đến các thông số công tác, mức phát thải của đối tượng nghiên cứu là động cơ B2

Ảnh hưởng của biodiesel B10 và B20 sẽ được đánh giá trên cơ sở so sánh đối chứng với các thông số công tác của đối tượng nghiên cứu, ở cùng chế độ vận hành khi sử dụng nhiên liệu diesel dầu mỏ B0

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa khoa học

- Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường thông qua việc xây dựng, kết nối 2 mô hình mô phỏng HTPNL và mô hình mô phỏng CTCT của động cơ có xét đến các thuộc tính của biodiesel với các tỷ lệ pha trộn khác nhau (B10 và B20) Đây là cơ sở khoa học để đánh giá, lựa chọn loại nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) và tỷ lệ pha trộn hợp

lý nhằm đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường trong khai thác, sử dụng động cơ diesel

- Mô hình đã xây dựng cho phép xác định các chỉ tiêu công tác, mức phát thải của động cơ diesel B2 khi sử dụng biodiesel có nguồn gốc và mức pha trộn khác nhau Ngoài ra mô hình cũng cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào khác (thông số kết cấu, vận hành, điều chỉnh của HTPNL; các thông số kết cấu, điều chỉnh, vận hành của động cơ) đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ B2

* Ý nghĩa thực tiễn

- Các kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học góp phần xây dựng các tiêu chuẩn về nhiên liệu diesel sinh học B10, B20, dùng cho việc hoạch định chính sách sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên các phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB) nói chung, PTCGQS nói riêng

- Kết quả nghiên cứu của luận án cũng cung cấp các dữ liệu cụ thể để xem xét việc sử dụng hỗn hợp biodiesel B10, B20 làm nhiên liệu thay thế các động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam

- Mô hình mô phỏng đã xây dựng, hiệu chuẩn có thể sử dụng làm tư liệu tham khảo phục vụ cho quá trình đào tạo sau đại học ngành Cơ khí động lực, Động

cơ nhiệt Ngoài ra, mô hình mô phỏng đã xây dựng của luận án đã đóng góp trực

tiếp cho việc thực hiện Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng

nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự”, mã số

ĐT.06.12/NLSH (Thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 của Chính phủ) (luận án của NCS là một sản phẩm đào tạo Sau

đại học của đề tài mã số ĐT.06.12/NLSH), [23]

Chương 2 của luận án tập trung vào việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán QLCCNL; cơ sở lý thuyết tính toán CTCT, cơ sở lý thuyết tính toán hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải của động cơ diesel có xét đến thuộc tính của nhiên liệu Nghiên cứu và lựa chọn phần mềm tính toán QLCCNL; lựa chọn phần mềm tính toán CTCT và các chỉ tiêu công tác của động cơ Nội dung Chương 2 là cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình mô phỏng cho phép đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến QLCCNL, diễn biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác của động cơ

Chương 3 trình bày việc xây dựng các mô hình mô phỏng và kết quả tính toán, đánh giá ảnh hưởng của B10, B20 đến QLCCNL; đến diễn biến các quy luật nhiệt động trong xi lanh; đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động

cơ B2 theo đặc tính ngoài

Chương 4 trình bày các nội dung liên quan đến nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các thông số đầu vào; xác định thuộc tính của các loại nhiên liệu cần cho quá trình tính toán, mô phỏng; đánh giá độ tin cậy và hiệu chuẩn các mô hình

mô phỏng đã được trình bày trong Chương 3 Ngoài ra, kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Chương 4 cũng nhằm lượng hóa tác động của B10 và B20 đến các thông số công tác của đối tượng nghiên cứu là động cơ B2 Với sự trợ giúp của các

trang thiết bị thực nghiệm hiện đại, đồng bộ, có độ chính xác và mức độ tự động hoá cao thuộc Phòng thử Động cơ hạng nặng AVL-ETC thuộc Trung tâm Quốc gia Thử nghiệm khí thải PTCGĐB/Cục Đăng kiểm Việt Nam đã góp phần rất quan trọng cho sự thành công của công việc nghiên cứu thực nghiệm

Phần kết luận và hướng phát triển của luận án trình bày những đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực chuyên ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Biodiesel là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel dầu mỏ

Mặc dù kỹ thuật thăm dò, khai thác đã ngày càng hiện đại nhưng các mỏ dầu mới phát hiện cũng như lượng dầu khai thác được trên toàn thế giới ngày càng sụt giảm Các mỏ dầu lớn của thế giới, đặc biệt là ở vùng Trung Đông là nơi chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ của thế giới, đã bắt đầu được khai thác cách đây vài chục năm Hơn nữa, khu vực này lại là vùng đang có nhiều bất ổn về chính trị, các cường quốc đều muốn can dự để chia sẻ quyền lợi khiến cho tình hình an ninh năng lượng của thế giới ngày càng phức tạp

Hiện nay động cơ diesel là một nguồn động lực chính sử dụng phổ biến trên các PTCGĐB, phương tiện giao thông đường thủy, PTCGQS Thời gian gần đây,

xu hướng diesel hóa trên PTCGĐB thể hiện rất rõ trên phạm vi toàn cầu do chúng

có ưu điểm nổi bật về công suất riêng và suất tiêu thụ nhiên liệu Việc gia tăng sử dụng động cơ diesel đã làm tăng mạnh nhu cầu nhiên liệu diesel (tại thời điểm tháng 04/2014, giá nhiên liệu diesel tại Việt Nam là 22.680 VNĐ/lít và giá xăng A92 là 24.900 VNĐ/lít)

Từ những phân tích trên cho thấy, việc nghiên cứu sử dụng các loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu khoáng là rất cần thiết Đối với động cơ xăng, nguồn nhiên liệu thay thế chủ yếu là các loại cồn công nghiệp biến tính (Ethanol và Methanol) được pha trộn với tỷ lệ khác nhau hoặc các loại nhiên liệu khí (bao gồm khí thiên nhiên CNG, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và biogas) Đối với động cơ diesel, nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến hiện nay là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

và nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel)

Hiện nay, LPG có thể sử dụng cho động cơ diesel theo 2 phương án sau:

- Sử dụng tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp LPG-không khí hòa trộn trước: Với phương án này, LPG được cấp vào đường nạp và động cơ diesel cần được cải tạo lại (giảm tỷ số nén, thay thế hệ thống phun diesel bằng hệ thống đánh lửa ) Tuy nhiên, việc cải tạo sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ và không sử dụng lại được nhiên liệu diesel dầu mỏ

- Sử dụng tia nhiên liệu diesel để đốt cháy hỗn hợp LPG-không khí: Với phương án này, LPG vẫn được cấp vào đường nạp nhưng nó được đốt cháy nhờ ngọn lửa tạo ra bởi tia phun diesel Với cách làm này, không phải thay thế hệ thống phun nhiên liệu diesel, công suất định mức và hiệu suất nhiệt của động cơ về cơ bản

vẫn được đảm bảo Tuy nhiên, hạn chế của phương án này là dễ dẫn đến hiện tượng kích nổ (nhất là ở chế độ tải cao, tốc độ động cơ lớn) và tỷ lệ thay thế (về năng lượng) của LPG tương đối thấp, khoảng 20÷30 %, [31]

Ta thấy, việc sử dụng LPG cho động cơ diesel đang lưu hành còn gặp phải những khó khăn nhất định về mặt công nghệ Ngoài ra, khi sử dụng LPG cũng sẽ làm tăng mức phát thải HC của động cơ diesel

Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật Đây là loại nhiên liệu

có thể thay thế cho diesel khoáng và có thể pha chế với với diesel khoáng theo tỷ lệ bất kỳ Nguyên liệu thế hệ thứ nhất để sản xuất biodiesel bao gồm dầu thực vật ăn được (dầu hướng dương, dầu lạc, dầu dừa, dầu thầu dầu, dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hạt bông…), mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, mỡ lợn…) Tuy nhiên, các nguyên liệu này cạnh tranh với nguồn lương thực của con người nên việc sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu trên bị Tổ chức Nông Lương thế giới lên án Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ 2 để sản xuất biodiesel bao gồm dầu mỡ, axit béo phế thải và nguyên liệu thế hệ thứ 3 bao gồm các loại tảo và dầu jatropha Đây là các nguồn nguyên liệu không cạnh tranh với các nguồn lương thực của con người nên đang được quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất biodiesel

Việc nghiên cứu, sử dụng biodiesel thu được từ dầu thực vật, mỡ động vật

đang phát triển mạnh tại Châu Âu, Mỹ và một số nước Châu Á, [14]

Tại Mỹ, tiêu thụ biodiesel đã tăng từ 10 triệu gallon (1 gallon=3,785 lít) (năm 2001) lên gần 100 triệu gallon (năm 2004) và khoảng 316 triệu gallon vào năm

2009 (Bảng 1.1) Phần lớn biodiesel được sử dụng dưới dạng B20 cho các đoàn xe công của chính phủ (xe buýt trung chuyển và dùng cho trường học, xe gạt tuyết, xe chở rác, xe chuyển thư báo và các PTCGQS) Theo dự kiến đến năm 2020 toàn bộ thiết bị quân sự trên bờ và tàu chiến đều được thay thế 50% năng lượng tiêu dùng bằng các nguồn năng lượng thay thế Đến năm 2020, hải quân Mỹ sẽ được cung cấp khoảng 330 triệu gallon nhiên liệu biodiesel Hiện nay, Mỹ cũng đang đầu tư rất nhiều ngân sách vào các dự án trọng điểm nhằm nghiên cứu phát triển và sử dụng B10, B20 trên các PTCGĐB, [67] Ngoài ra, ở Mỹ đã hình thành mạng lưới các trạm cung cấp biodiesel tại hầu hết các tiểu bang

Liên minh Châu Âu là khu vực có sự phát triển mạnh của biodiesel Theo Chỉ thị 2003/30/EC của EU, từ ngày 31/12/2005, biodiesel được pha trộn với tỷ lệ ít nhất là 2% và đến ngày 31/12/2010 với tỷ lệ pha trộn ít nhất là 5,75% Yêu cầu này của Liên minh Châu Âu đã được một số quốc gia thực hiện sớm hơn (từ ngày

01/11/2005, tại Áo đã sử dụng biodiesel B5).Tại Anh, theo thống kê của Tổ chức dầu khí (AEA) trong năm 2011, tổng mức tiêu thụ nhiên liệu biodiesel của nước này

là 925 triệu lít; ước tính năm 2016 có thể lên đến 1268 triệu lít và tiếp tục tăng trong những năm tiếp theo, [67]

Bảng 1.1 Lượng tiêu thụ biodiesel trên toàn cầu (năm 2009), [63]

Nước/khu vực Lượng tiêu thụ (Tỷ gallon) Tỷ lệ (%)

Tại Thái Lan đã bắt đầu việc nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu biodiesel từ năm 2005 nhưng với mức không đáng kể Ngày 01/2/2008, Chính phủ Thái Lan này đã thông qua chính sách nhằm khuyến khích việc chuyển các động cơ diesel thông thường sang dùng biodiesel B2, B5 Theo thống kê lượng tiêu thụ nhiên liệu B2, B5 ở Thái Lan năm 2011 là 1,72 triệu lít/ngày, mức tiêu thụ này sẽ tăng lên trong các năm tiếp theo do chính phủ Thái Lan quy định bắt buộc dùng nhiên liệu B5 từ tháng 1 năm 2012, [69]

Việt Nam có nhiều tiềm năng về sản xuất nhiên liệu sinh học, điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thành những vùng nguyên liệu tập trung

Mỡ cá, dầu thực phẩm thải được sử dụng để sản xuất biodiesel có thể giúp giải quyết được các vấn đề về môi trường và tăng hiệu quả kinh tế của quá trình chế biến thủy sản Ước tính, Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít biodiesel mỗi năm nếu như tổ chức quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất triệt để, tạo ra nhiều loại giống có sản lượng cao và sở hữu các công nghệ tách dầu

từ nguyên liệu [6] Với xu thế chung về phát triển nhiên liệu sinh học, Petro Việt Nam đã có kế hoạch đưa B10 vào sử dụng trên thị trường

Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020, [1] Ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết

định số 53/2012/QĐ-TTg về việc ban hành “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên

liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống”, [2]

Nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel gốc B100 dùng trong nghiên cứu của Luận án là phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil) thành dầu ăn (Cooking Oil) Với dân số gần 90 triệu người, Việt Nam đang sản xuất, tiêu thụ một lượng lớn dầu ăn Theo Tổng cục Thống kê, năm 2013 Việt Nam đã sản xuất 718.000 tấn dầu ăn tinh luyện các loại Sản lượng dầu tinh luyện năm 2014 và năm 2015 được dự báo sẽ đạt mức 774.000 và 850.000 tấn Theo các nhà sản xuất trong nước, dầu ăn tinh chế từ dầu cọ thô chiếm thị phần lớn nhất (khoảng 70%) sau

đó là dầu ăn tinh chế từ dầu đậu nành (khoảng 23%) và các loại dầu thực vật khác (khoảng 7%) [131] Lượng bã thải của quá trình tinh luyện cọ thô thành dầu ăn là khá lớn và không cạnh tranh với nguồn lương thực của con người (theo khuyến cáo của Tổ chức Nông-Lâm Thế giới) Trước đây, phần bã thải này được sử dụng để sản xuất thức ăn gia súc hoặc xuất khẩu để làm nguyên liệu sản xuất B100 Tại Việt Nam, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về công nghệ lọc, hóa dầu/Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam đã được đầu tư dự án (Dự án Korea Biodiesel Pilot Plant, công nghệ của Hàn Quốc) sản xuất B100 từ các loại dầu, mỡ thực vật, động vật Do vậy, việc lựa chọn B100 có nguồn gốc từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu

cọ thành dầu ăn sẽ đảm bảo được ý nghĩa về kinh tế, xã hội và môi trường

Mẫu biodiesel B100 được phân tích, đánh giá các chỉ tiêu chất lượng tại PTN trọng điểm Quốc gia về Công nghệ lọc, hóa dầu/Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam và Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1 Kết quả phân tích các chỉ tiêu của mẫu B100 được trình bày trong Bảng 1.2 Ta thấy, chất lượng của B100 hoàn toàn đáp ứng QCVN 1:2009/BKHCN [3] và TCVN 7717:2007 [5] Trong đó, một số chỉ tiêu như: hàm lượng FAME, hàm lượng nước và cặn, điểm chớp cháy, tro sulphát, cặn các bon, trị số a xít, hàm lượng Na và Ka đều ở mức khá tốt Tuy nhiên, mẫu B100 có điểm đông đặc khá cao (15 0C) và độ ổn định ô xy hóa chỉ ở mức đạt yêu cầu (6,02 giờ so với mức yêu cầu tối thiểu là 6,0 giờ)

TT Tên chỉ tiêu Phương pháp thử Kết quả đo

1 Hàm lượng este metyl axit

% kl

2 Khối lượng riêng tại 15oC TCVN 6594 (ASTM D 1298) kg/m3 869,3 860900 -

5 Độ nhớt động học tại 40oC TCVN 3171 (ASTM 445) mm2/s 4,1 1,96,0 1,96,0

1.2 Sự thay đổi thuộc tính của biodiesel so với nhiên liệu diesel dầu mỏ

Nhiên liệu diesel sinh học là hỗn hợp diesel sinh học tinh khiết (còn gọi là diessel sinh học gốc, ký hiệu là B100) được pha với nhiên liệu diesel dầu mỏ (B0)

có nguồn gốc hóa thạch theo một tỷ lệ nhất định về thể tích Nhiên liệu diesel sinh

học thường được ký hiệu là Bx, trong đó x là số chỉ % thể tích của diesel sinh học

trong hỗn hợp (ví dụ: B20 có nghĩa là hỗn hợp có chứa 20% diesel sinh học gốc B100 và 80% diesel dầu mỏ B0; và B0 sẽ tương ứng với ký hiệu của diesel dầu mỏ, chứa 0 % diesel sinh học)

Biodiesel là nguồn năng lượng có thể tái tạo, không độc và dễ phân hủy Việc sử dụng biodiesel sẽ giúp đa dạng hóa nguồn nhiên liệu và sử dụng có hiệu quả các sản phẩm phụ của quá trình sản xuất nông nghiệp, công nghiệp nội địa Biodiesel có thể trộn với diesel dầu mỏ theo tỷ lệ bất kỳ (đã có nhiều nghiên cứu sử dụng B100 cho ĐCĐT và PTCGĐB) Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn diesel dầu mỏ nên an toàn hơn trong quá trình lưu trữ, sử dụng Việc sử dụng biodiesel sẽ làm giảm mức phát thải CO, HC và PM của động cơ (mức giảm tùy thuộc vào tỷ lệ pha trộn cũng như điều kiện thử nghiệm thực tế) Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy có sự gia tăng về mức phát thải NOX Hàm lượng lưu huỳnh thấp trong biodiesel làm tăng hiệu quả làm việc, kéo dài tuổi thọ của các thiết bị xử lý khí thải của động cơ, [23]

Nhược điểm của biodiesel là giá thành thường cao hơn (ở quy mô sản xuất nhỏ, giá thành cao hơn khoảng 1,2-1,3 lần so với diesel dầu mỏ) Biodiesel có độ nhớt cao hơn nên ảnh hưởng đến khả năng phân rã tia phun và hòa trộn tạo hỗn hợp trong buồng cháy động cơ Biodiesel có nhiệt trị thấp nên sẽ làm tăng mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ Biodiesel có điểm đục và điểm rót cao hơn, mức tạo bọt cao hơn, tính tương thích vật liệu kém hơn so với diesel dầu mỏ, [23]

Biodiesel có sự thay đổi về thuộc tính so với nhiên liệu diesel dầu mỏ, sự thay đổi các thuộc tính này phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn và nguồn diesel sinh học gốc Với cùng loại B100 (có cùng nguồn gốc), khi thay đổi tỷ lệ pha trộn của hỗn hợp biodiesel, các thuộc tính hóa-lý (tỷ lệ C:H:O, sức căng mặt ngoài, độ nhớt, tỷ trọng ) và đặc tính cháy (nhiệt trị thấp, trị số xê tan ) của hỗn hợp biodiesel cũng thay đổi theo nhưng với chiều hướng rất khác nhau (Bảng 1.3)

Ngoài việc phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính, đặc tính của biodiesel còn phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu đầu (Feedstock) để sản xuất diesel sinh học gốc B100 (Bảng 1.4)

Bảng 1.3 Sự thay đổi thuộc tính hóa-lý, đặc tính cháy của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn (với B100 có cùng nguồn gốc), [99]

Sức căng mặt ngoài ở 20oC, T, [N/m] 0,028 0,03 0,031 0,043

Độ nhớt động học ở 20o

C,  [cSt] 3,61 3,79 3,97 5,23 Nhiệt trị thấp, QH , [MJ/kg] 42,5 41,84 41,18 36,22

Từ Bảng 1.3 và 1.4 cho thấy, khi thay đổi tỷ lệ pha trộn của biodiesel (hoặc nguồn gốc của B100), do sự thay đổi về thành phần hóa học (nhất là tỷ lệ C:H:O, đường cong chưng cất…) sẽ dẫn đến sự thay đổi các đặc tính cháy của hỗn hợp (trị

số xê tan, tốc độ lan truyền ngọn lửa cháy tầng, khoảng giới hạn cháy, các phản ứng chính hình thành sản phẩm cháy…) của nhiên liệu nói chung Do vậy, khi sử dụng các loại biodiesel này trong động cơ thực tế sẽ tác động trực tiếp đến các thông số nhiệt động của CTCT như tốc độ cháy, tốc độ tỏa nhiệt, diễn biến áp suất và nhiệt

độ trong xi lanh và cuối cùng, sẽ ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel, [14]

TT Tên chỉ tiêu Phương pháp Đơn vị

B100 từ Nguồn 1 B100 từ Nguồn 2 Giới hạn

(TCVN 5689:2005)

Giới hạn (ASTM

% khối lượng 0,08 0,11 0,15 0,17 max; 0,3 max; 0,35

4 Hàm lượng tro TCVN 2690:1995 (ASTM D 482) % khối

lượng 0,003 0,004 0,01 0,007 max; 0,01 max; 0,01

5 Hàm lượng nước và cặn ASTM D 2709 % thể tích 0,005 0,005 0,0185 0,0188 max; 0,02 max; 0,05

7 Ăn mòn mảnh đồng TCVN 2694:2000 (ASTM D 130) Loại 1a 1a 1a 1a max; 1a max; 1a

9 Khối lượng riêng ở 15oC TCVN 6594:2000

- Nguồn 1: B100 được chiết xuất từ phần thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil) thành dầu ăn (Cooking Oil), [23]

- Nguồn 2: B100 được chiết xuất từ mỡ thải của cá Basa trong quá trình chế biến thủy sản, [19]

1.3 Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy của động cơ diesel

Tác động của thuộc tính nhiên liệu đến các chỉ tiêu công tác, mức phát thải ô nhiễm của động cơ diesel có thể xem xét một cách tách biệt tương đối (vì trong thực

tế chúng đều có tác động qua lại lẫn nhau) trên 2 khía cạnh: tác động của đặc tính nhiên liệu đến QLCCNL, quá trình tạo hỗn hợp và tác động của đặc tính nhiên liệu đến quá trình cháy và hình thành ô nhiễm

1.3.1 Các nhân tố chính ảnh hưởng đến quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel

Quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel rất phức tạp, nó xảy ra trong điều kiện dòng chuyển động rối trong không gian ba chiều phụ thuộc theo thời gian, thuộc tính của nhiên liệu, cộng với sự thay đổi liên tục của áp suất, nhiệt độ, thể tích, hàm lượng, khối lượng của môi chất công tác (do nhiên liệu diesel được phun vào xi lanh và sự rò lọt môi chất công tác)

Trên Hình 1.1 thể hiện tương tác chủ yếu giữa các thông số khác nhau trong quá trình tạo hỗn hợp và cháy của động cơ diesel Ta thấy, luôn có một số lượng lớn

các chuỗi logic thể hiện sự tác động qua lại đa chiều giữa các thông số liên quan đến

quá trình cháy của động cơ diesel Ví dụ như nhiệt độ trong xi lanh tác động đến áp suất, tốc độ hóa hơi của nhiên liệu, tốc độ cháy, tốc độ giải phóng nhiệt

Đối với động cơ diesel dùng HTPNL kiểu cơ khí truyền thống có áp suất phun nhiên liệu thấp, các thông số có liên quan đến QLCCNL như: tốc độ phun

nhiên liệu, thời gian phun nhiên liệu, áp suất nhiên liệu, đường kính hạt nhiên liệu

phun vào xi lanh là những thông số cơ bản nhất và có tác động mạnh đến hầu hết các thông số còn lại của quá trình cháy

Mức độ xoáy lốc (vận động rối) của môi chất công tác phụ thuộc vào vị trí hiện thời của pít tông trong xi lanh, tốc độ phun nhiên liệu Mức độ xoáy lốc sẽ tác động đến hệ số tỏa nhiệt, tốc độ màng lửa Đồng thời, hệ số tỏa nhiệt, tốc độ màng lửa lại tiếp tục tác động đến các thông số khác và tác động đến quá trình cháy của động cơ diesel

Vận động rối của môi chất công tác trong xi lanh động cơ diesel là quá trình rất phức tạp, chịu tác động của nhiều yếu tố như kết cấu buồng cháy (chủ yếu là hình dạng đỉnh pít tông), kết cấu hệ thống nạp và tốc độ trục khuỷu động cơ Đối với một động cơ diesel đang lưu hành (có kết cấu buồng cháy và hệ thống nạp là cố

định) thì mức độ vận động rối của môi chất có thể coi là không thay đổi ứng với từng chế độ vận hành cụ thể (tải và tốc độ) khi thay đổi loại nhiên liệu sử dụng

1.3.2 Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến QLCCNL, quá trình tạo hỗn hợp

Các thuộc tính của nhiên liệu liên quan trực tiếp đến quá trình phun và quá trình

tạo hỗn hợp bao gồm: tỷ trọng, độ nhớt, sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu…

- Với các loại BCA kiểu pít tông, tỷ trọng của nhiên liệu sử dụng có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến áp suất trong hệ thống phun, động năng của chùm tia phun, lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình và hệ số dư lượng không khí thực tế Tại

Mỹ, tỷ trọng trung bình của nhiên liệu diesel vào khoảng 0,835 kg/dm3 Nhiên liệu diesel tại các nước Bắc Âu (điều kiện khí hậu rất lạnh vào mùa đông) có tỷ trọng trung bình thấp hơn, khoảng 0,823 kg/dm3 Tại Châu Âu (theo Tiêu chuẩn EN 590), nhiên liệu diesel dùng PTCGĐB phải có tỷ trọng nằm trong khoảng 0,820  0,860 kg/dm3 Việc quy định giá trị thấp nhất của tỷ trọng nhằm đảm bảo thu được công suất đủ lớn với các động cơ diesel sử dụng bơm cao áp định lượng lượng nhiên liệu phun vào xi lanh theo kiểu thể tích Còn việc quy định giá trị lớn nhất của tỷ trọng

Thành phần H

hợp khí cháy

Tỷ số A/F hiện thời

Tốc độ hóa hơi

Tốc độ phun nhiên liệu

Thời gian phun nhiên liệu

Áp suất phun nhiên liệu

Đường kính hạt nhiên liệu

Mức độ xoáy lốc Tốc độ

màng lửa

Áp suất

XL, p

du/dt, dh/dt…

Hình 1.1 Những tương tác chủ yếu giữa các thông số khác nhau

trong quá trình cháy của động cơ diesel, [77]

nhằm mục đích tránh sự tạo khói đen quá mức ở chế độ toàn tải của động cơ diesel, [14] Nhìn chung, hỗn hợp biodiesel có sự gia tăng nhẹ về tỷ trọng (Bảng 1.2) khi so sánh với B0 Nguyên nhân là do B100 có tỷ trọng lớn hơn B0

- Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng đến sự lưu động của nhiên liệu qua các vị trí có tiết diện thay đổi, ma sát với thành ống… nên sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến áp suất trong hệ thống phun nhiên liệu, mức độ rò lọt nhiên liệu tại các khoang trong mạch nhiên liệu cao áp và kéo theo sẽ ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình (gct), [24] Nếu nhiên liệu diesel có độ nhớt quá lớn sẽ làm tăng tổn thất bơm trong bơm cao áp và vòi phun, dẫn đến làm giảm áp suất phun và tiếp theo là giảm mức độ phân rã của tia phun Khi độ nhớt của nhiên liệu quá lớn sẽ làm tăng kích thước của các hạt nhiên liệu do đó các hạt nhiên liệu có thể bay xa hơn và có thể va đập vào thành vách buồng cháy (với các động cơ diesel phun nhiên liệu trực tiếp, tạo hỗn hợp kiểu thể tích thì đây là điều nên hạn chế) Ngược lại, khi độ nhớt của nhiên liệu giảm, sẽ dẫn đến sự gia tăng lượng nhiên liệu

rò lọt tại bơm cao áp và vòi phun, sẽ làm giảm thể tích thực của nhiên liệu được vòi phun phun vào buồng cháy Ngoài ra, độ nhớt giảm cũng làm cho kim phun nâng muộn hơn (giảm góc phun sớm thực tế) Khi độ nhớt quá thấp có thể làm cho bơm cao áp bị kẹt Nếu nhiên liệu diesel có độ nhớt quá nhỏ thì khi phun vào xi lanh nó

sẽ tạo thành các hạt quá mịn, không thể tới được các vùng xa của buồng cháy (không tận dụng hết được lượng ô xy có trong buồng cháy) Đồng thời, phần nhiên liệu được phun vào đầu tiên sẽ tự bắt cháy quá sớm, làm cho phần nhiên liệu phun vào tiếp sau sẽ bị phun vào khối khí có nhiệt độ quá cao Do đó, phần nhiên liệu diesel phun vào sau chưa kịp bay hơi đã bị phân huỷ do tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ quá lớn và có thể làm tăng hàm lượng PM trong khí thải động cơ Tại Châu

Âu, độ nhớt của nhiên liệu diesel tại 40 0C phải nằm trong khoảng 2,0 4,5 mm2/s Tại Mỹ, khoảng độ nhớt thay đổi từ 1,3  2,4 mm2/s (đối với nhiên liệu diesel dùng cho xe con) và từ 1,9  4,1 mm2/s (đối với nhiên liệu dùng cho các loại PTCGĐB khác) Nhìn chung, hỗn hợp biodiesel có độ nhớt cao hơn khi so với diesel dầu mỏ truyền thống, [14] Đây vừa là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của biodiesel

- Độ nhớt của nhiên liệu và sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu là 2 thông

số có tác động trực tiếp đến mức độ phân rã của tia nhiên liệu sau khi ra khỏi vòi phun Khi sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu lớn thì nó sẽ khó để bị phân rã thành các hạt nhỏ hơn và do vậy quá trình hóa hơi của chúng để tạo hỗn hợp với

không khí cũng sẽ khó khăn hơn Hỗn hợp nhiên liệu diesel sinh học thường có sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu lớn hơn so với nhiên liệu diesel dầu mỏ truyền thống (Bảng 1.3)

1.3.3 Ảnh hưởng của thuộc tính nhiên liệu đến quá trình cháy và hình thành các chất ô nhiễm

Các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy và hình thành các chất ô

nhiễm bao gồm: tỷ trọng, nhiệt trị thấp, trị số xê tan, tỷ lệ C:H:O, thành phần chưng cất, hàm lượng lưu huỳnh

- Nhiệt trị thấp: với cùng thể tích (hoặc khối lượng) nhiên liệu cung cấp cho

1 chu trình, giá trị nhiệt trị thấp của nhiên liệu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tổng lượng nhiệt cấp cho CTCT Ngoài ra, giá trị của nhiệt trị thấp kết hợp với tốc độ phun nhiên liệu sẽ quyết định diễn biến tốc độ tỏa nhiệt trong xi lanh Do B100 có nhiệt trị thấp nhỏ hơn so với B0 (Bảng 1.2) nên các hỗn hợp biodiesel cũng sẽ có nhiệt trị thấp nhỏ hơn so B0 Mức độ suy giảm về nhiệt trị của B100 phụ thuộc chủ yếu vào nguồn gốc của nó, [23] Do sự suy giảm về nhiệt trị thấp, sẽ làm giảm nhiệt

độ và áp suất lớn nhất trong xi lanh khi sử dụng hỗn hợp biodiesel Điều này sẽ ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ diesel

- Trị số xê tan: Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel có thể xác định thông qua trị số xê tan (đo thực nghiệm bằng động cơ CFR) hoặc chỉ số xê tan tính toán lý thuyết (thông qua đường cong chưng cất và một số thuộc tính hóa-lý của nhiên liệu), [14] Trị số xê tan có ảnh hưởng quyết định đến thời gian cháy trễ của nhiên liệu và do vậy sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến nhiệt độ, áp suất trong xi lanh Do trong thành phần hóa học có chứa nhiều ô xy hơn (Bảng 1.2) nên hỗn hợp biodiesel thường có trị số xê tan thực nghiệm cao hơn so với diesel truyền thống, [14] Đây là một ưu điểm của biodiesel khi xét về góc độ tạo hỗn hợp và cháy

-Tỷ lệ C:H:O là một trong các thông số quan trọng khi đánh giá về thành phần hóa học của nhiên liệu diesel Tuy nhiên, việc phân tích, xác định chính xác tỷ lệ C:H:O có giá thành cao và đòi hỏi cao về trang thiết bị thực nghiệm, [70] Do B100

có sự gia tăng về ô xy (O), sự suy giảm về cacbon (C) và hydro (H) (Bảng 1.2) khi

so với B0 nên sẽ có tác động khác nhau đến quá trình cháy và hình thành các chất ô nhiễm của động cơ diesel Một mặt, hỗn hợp biodiesel có chứa nhiều ô xy hơn dẫn đến nhiệt độ cực đại của quá trình cháy tăng, tăng hàm lượng ô xy trong vùng cháy nên có xu hướng làm tăng hàm lượng NOx trong khí thải Mặt khác, cũng do nhiệt

độ vùng cháy và hàm lượng ô xy cao hơn nên lại giúp cải thiện tốt về độ khói (giảm hàm lượng PM), [14]

- Thành phần chưng cất: Nhiên liệu diesel là một hỗn hợp của rất nhiều hydrocacbon có phân tử lượng khác nhau, có nhiệt độ sôi thay đổi trong một khoảng rộng Thông qua thành phần chưng cất (có thể đánh giá qua nhiệt độ các điểm chưng cất theo % thể tích) ta có thể biết được tỷ lệ của các nhóm hydrocacbon cũng như khả năng bay hơi của nhiên liệu diesel Rõ ràng là, khả năng bay hơi của nhiên liệu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo hỗn hợp, phát triển màng lửa và do đó sẽ ảnh hưởng đến diễn biến nhiệt độ, áp suất trong xi lanh động cơ diesel Thành phần chưng cất cũng có liên quan đến tỷ trọng của nhiên liệu diesel Sự gia tăng về tỷ trọng và nhiệt độ điểm chưng cất 90% thể tích của nhiên liệu diesel thường dẫn tới sự gia tăng về hàm lượng PM trong khí thải Tiêu chuẩn của Mỹ (ASTM D 975-94) quy định rõ 2 mức

về thành phần chưng cất đối với nhiên liệu diesel dùng cho PTCGĐB: loại thứ nhất (dùng cho động cơ diesel xe con), phải có 90% thành phần được chưng cất tại nhiệt

độ 288 0C; loại thứ 2 (dùng cho phương tiện vận tải thương mại), phải có 90% được chưng cất trong khoảng nhiệt độ từ 282383 0C Tiêu chuẩn của Châu Âu (EN 590) yêu cầu thành phần chưng cất bắt buộc với nhiên liệu diesel phải là: nhỏ hơn 65% tại 250 0C; lớn hơn 85% tại 350 0C và lớn hơn 95% tại 370 0

C Biodiesel sinh học gốc B100 thường có tỷ trọng và nhiệt độ điểm chưng cất 90% thể tích cao hơn khi so sánh với B0, [14] Do vậy, các hỗn hợp biodiesel cũng thường có tỷ trọng và nhiệt độ điểm chưng cất 90% thể tích cao hơn so với B0 Tuy nhiên, sự chênh lệch về tỷ trọng

và nhiệt độ điểm chưng cất 90% thể tích của biodiesel so với diesel là khá nhỏ, [23]

- Hàm lượng lưu huỳnh: Hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu diesel phụ thuộc vào nguồn gốc dầu thô và phương pháp tinh lọc tiếp theo Khi hàm lượng lưu huỳnh tăng sẽ có xu hướng làm giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu diesel nên có xu hướng làm tăng hàm lượng PM trong khí thải Do có nguồn gốc sinh học nên B100 thường có hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn khi so sánh với B0 Chính vì vậy, các hỗn hợp biodiesel cũng thường có hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn khi so sánh với B0 [14], [23] Đây cũng là một ưu điểm khác của biodiesel

Ta thấy, hỗn hợp biodiesel có sự thay đổi các thuộc tính hóa-lý và các đặc tính cháy khi so với nhiên liệu diesel dầu mỏ truyền thống Sự thay đổi của các thông số này có chiều hướng khác nhau và tác động của chúng đến các chỉ tiêu công tác, mức phát thải ô nhiễm của động cơ diesel là phức tạp, đan xen Do vậy, khi chuyển sang sử

dụng biodiesel, cần đánh giá một cách lượng hóa tác động của những sự thay đổi này

đến QLCCNL, đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel

1.4 Các vấn đề cần quan tâm khi sử dụng biodiesel cho động cơ

1.4.1 Mức pha trộn và kinh nghiệm sử dụng thực tế

1.4.1.1 Với mức pha trộn nhỏ (≤ 5%):

Một số khu vực trên thế giới đã sử dụng biodiesel B2 Với mức pha trộn này, biodiesel chỉ đóng vai trò như một chất phụ gia đối với nhiên liệu và không gây ảnh hưởng đến công suất ra, sự làm việc của hệ thống bôi trơn, độ bền và đặc tính ô nhiễm của động cơ Các kết quả nghiên cứu về sử dụng B5 cho động cơ diesel tại nhiều quốc gia cũng cho thấy không xuất hiện các vấn đề liên quan đến công suất

ra, sự làm việc của hệ thống bôi trơn, độ bền và đặc tính ô nhiễm của động cơ Các phương tiện dùng B5 đều vận hành tốt giống như khi sử dụng B0 Chính vì vậy, các quốc gia sử dụng biodiesel đều cho phép phân phối B5 một cách bình thường trong

hệ thống phân phối nhiên liệu, [14]

Tuy nhiên, nếu chỉ dừng ở mức pha trộn ≤ 5% thì hiệu quả thay thế chưa cao,

chưa tận dụng hết thế mạnh của các nước có tiềm năng cung cấp nguyên liệu để sản xuất biodiesel (trong đó có Việt Nam)

1.4.1.2 Với mức pha trộn trung bình (từ 6 đến 20%):

Hiện nay, biodiesel thường được sử dụng với mức pha trộn trung bình (từ 6 đến 20 %), thường gặp là B10 và B20 Tại Mỹ, [64] các kết quả nghiên cứu bài bản, trên diện rộng cho thấy có đủ điều kiện để sử dụng B20 cho các PTCGĐB đang lưu hành nhưng cần quan tâm đến các vấn đề sau:

- Đảm bảo chất lượng của biodiesel gốc B100 dùng để phối trộn: B100 phải

đáp ứng ASTM D6751; B10, B20 phải đáp ứng ASTM D7467-08/09, [46] Đặc tính nhiệt độ lạnh của B20 không tốt bằng diesel dầu mỏ nên cần đảm bảo thuộc tính của B20 là phù hợp với vùng địa lý và thời gian sử dụng trong năm

- Về thời gian lưu trữ: Tránh lưu trữ B10, B20 trong thời gian dài để tránh sự

suy giảm chất lượng (biodiesel nên sử dụng trong vòng 6 tháng kể từ thời điểm phối trộn) Nếu lưu trữ biodiesel trên 6 tháng, cần cân nhắc việc sử dụng phụ gia

- Bảo dưỡng hệ thống nhiên liệu: Khi sử dụng B20 lần đầu, cần thay thế hoặc

bảo dưỡng các bầu lọc nhiên liệu sớm hơn (do biodiesel có đặc tính làm sạch, nó sẽ tẩy rửa các lớp cặn nhiên liệu đọng bám trên bề mặt các chi tiết thuộc hệ thống cung cấp nhiên liệu)

1.4.1.3 Với mức pha trộn lớn (trên 20 %):

- Phần lớn các hãng sản xuất hệ thống phun nhiên liệu, động cơ và ô tô tại

Mỹ chưa ủng hộ việc sử dụng biodiesel với tỷ lệ pha trộn trên 20% do thiếu những nghiên cứu chi tiết về tác động của các hỗn hợp có tỷ lệ pha trộn cao đến hệ thống nhiên liệu và động cơ, [62] Hỗn hợp cao hơn B20 có thể không được xem như một loại nhiên liệu thay thế trực tiếp đối với nhiên liệu diesel dầu mỏ và cần có sự phòng ngừa bổ sung cũng như những thay đổi cần thiết đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu và động cơ

- Hiện nay, tiêu chuẩn ASTM D7467-09, [46] cũng mới chỉ dừng ở mức quy định đặc tính kỹ thuật của hỗn hợp từ B6 đến B20 mà chưa xét đến các hỗn hợp có mức pha trộn cao hơn

Với những căn cứ, phân tích như trên, trong phạm vi nghiên cứu của luận án, NCS chỉ tập trung vào 2 loại hỗn hợp biodiesel là B10, B20 Điều này cũng phù hợp

với “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền

thống” của Chính phủ, [2]

1.4.2 Các vấn đề cần quan tâm khi sử dụng biodiesel ở mức pha trộn trung bình

- Tính tương thích vật liệu: Biodisel có thể tác động xấu đối với một số loại

cao su, nhựa Ngoài ra, với các loại vật liệu như đồng, thiếc, đồng thau, sắt mạ, chì

và kẽm có thể xuất hiện hiện tượng đọng bám trên bề mặt [48], [49] Đây là nguyên nhân chính dẫn đến một số loại động cơ diesel (và hệ thống nhiên liệu của chúng) được chế tạo trước năm 1994 thường không tương thích hoàn toàn với B10, B20

- Tính ổn định của nhiên liệu: Do tính ổn định lưu trữ thấp hơn nên biodiesel

có khả năng gây ra hiện tượng đọng bám ở vòi phun, làm tắc bầu lọc nhiên liệu Biodiesel có xu hướng kém ổn định hơn khi tăng tỷ lệ pha trộn của hỗn hợp

- Hiện tượng pha loãng dầu bôi trơn: Sự làm loãng dầu nhờn là vấn đề quan

trọng đối với cả nhiên liệu diesel truyền thống và biodiesel Do biodiesel có độ nhớt

và sức căng bề mặt cao hơn diesel dầu mỏ nên có xu hướng hình thành các hạt nhiên liệu có kích thước lớn hơn khi rời khỏi vòi phun Do vậy, biodiesel có xu hướng đọng bám ở dạng lỏng trên thành xi lanh và sẽ lọt xuống các te sau khi đi qua xéc măng Tại các te, biodiesel có thể bị suy biến thành axít hữu cơ và nó có thể tác động với kim loại dẫn đến sự hình thành các chất cặn lắng

- Ảnh hưởng đến mức độ mài mòn các chi tiết chính của hệ thống phun nhiên

liệu và động cơ diesel: Đa số nghiên cứu đều cho thấy, khi dùng biodiesel có thể

làm giảm mức độ mài mòn các chi tiết chính của hệ thống phun nhiên liệu và động

cơ (chủ yếu là do sự gia tăng nhẹ về độ nhớt của hỗn hợp biodiesel) so với khi dùng nhiên liệu diesel dầu mỏ, [23], [58]

- Ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ:

Tỷ trọng, độ nhớt, nhiệt độ chưng cất 90% thể tích, hàm lượng ô xy, trị số xê tan của biodiesel thường cao hơn so với diesel dầu mỏ; biodiesel thường có nhiệt trị thấp thấp hơn khi so sánh với diesel dầu mỏ Các yếu tố trên sẽ ảnh hưởng trực tiếp

đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel (chúng có xu

hướng làm giảm mô men xoắn có ích, tăng suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ; làm tăng mức phát thải NOx nhưng lại cải thiện được về độ khói khí thải) Đây

là vấn đề cơ bản, quan trọng cần được quan tâm và trong luận án của mình, NCS sẽ tập trung nghiên cứu về vấn đề này

1.5 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel

1.5.1 Trên thế giới

Việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của biodiesel đến động cơ và phương tiện nói chung; đánh giá ảnh của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel nói riêng đã được nhiều tác giả, tổ chức trên thế giới quan tâm nghiên cứu

Chandra B Prakash, [56] đã nghiên cứu, đánh giá việc sử dụng biodiesel cho

các phương tiện vận tải tại Canada Công trình nghiên cứu này đã rà soát, đánh giá tình hình nghiên cứu sử dụng diesel trước đó; phân tích các dữ liệu về tác động của biodiesel đến mức phát thải, hiệu suất làm việc và độ bền của động cơ; đánh giá tiềm năng sản xuất và sử dụng biodiesel tại Canada nhằm giúp Bộ Giao thông vận tải và Môi trường Canada hoạch định chính sách, hỗ trợ kỹ thuật cho việc sử dụng nhiên liệu diesel sinh học cho các phương tiện vận tải tại nước này

Năm 2009, Đại học thuộc Tiểu bang California, [57] đã đưa ra một báo cáo tổng hợp từ kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu khác nhau nhằm đánh giá tác động của biodiesel đến các phương tiện tại bang California Báo cáo nhằm cung cấp cho bang California thông tin về tác động của biodiesel đến sức khỏe con người và môi trường (không khí, đất, nước…) ở tất cả các giai đoạn từ sản xuất nguyên liệu, pha chế, lưu trữ, vận chuyển và sử dụng Đưa ra được những đánh giá dựa trên việc tổng hợp thông tin từ các công trình nghiên cứu khác nhau về tác động của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế, môi trường của động cơ diesel

Công trình nghiên cứu của Ayhan Demirbas, [52] và các cộng sự đã góp phần nghiên cứu sử dụng biodiesel làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel Công trình đã nghiên cứu các vấn đề tổng quan về nhiên liệu biodiesel như: các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel B100 (từ dầu thực vật và mỡ động vật); sự thay đổi thuộc tính của nhiên liệu biodiesel theo nguồn nguyên liệu đầu vào, ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến chính sách năng lượng Tuy nhiên, công trình này mới dừng ở mức phân tích tổng quan, hoàn toàn là nghiên cứu lý thuyết

Công trình nghiên cứu của R Verbeek, R.T.M Smokers , G Kadijk, [59] đã

góp phần nghiên cứu tác động của nhiên liệu sinh học (biofuel) đối với sự phát thải các chất gây ô nhiễm không khí từ PTCGĐB Công trình nghiên cứu này dựa trên các báo cáo điều tra, khảo sát, phân tích đã có nhằm đưa ra dự báo tổng quan về ảnh hưởng của việc sử dụng biofuel đến lượng phát thải từ PTCGĐB đến năm 2020 Báo cáo tập trung vào các vấn đề cơ bản bao gồm: loại biodiesel sẽ được sử dụng rộng rãi đến năm 2020; xu hướng phát triển các loại động cơ đốt trong (xăng và diesel) nhằm sử dụng tốt các loại biofuel; phương án cải tiến công nghệ động cơ cho phù hợp với việc sử dụng biofuel nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải Công trình nghiên cứu này đã có những đề xuất nhất định với Chính phủ Hà Lan trong việc khuyến khích sử dụng, phát triển biofuel tại nước này đến năm 2020

Năm 2002, Phòng Quản lý Kỹ thuật giao thông & Kiểm soát môi trường thuộc Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ, [53] đã tiến hành phân tích ảnh hưởng của

biodiesel đến mức phát thải các chất ô nhiễm của động cơ bằng nghiên cứu thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu là các loại động cơ sử dụng biodiesel lắp trên các phương tiện vận tải hạng nặng, hạng nhẹ Kết quả nghiên cứu đã góp phần cung cấp

dữ liệu cho các bên liên quan để có thể đánh giá lượng hóa được hiệu quả của việc

sử dụng biodiesel

Công trình nghiên cứu của D.Y.C Leung, [54] và các cộng sự đã nghiên cứu

tính khả thi của việc việc sử dụng biodiesel tại Hồng Kông Công trình này tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm (trên 10 mẫu xe đại diện cho các nhóm xe lắp động cơ diesel được sản xuất trong các năm từ 1990 đến 1999, đang lưu hành tại Hồng Kông) trên bệ thử COP 1.04 nhằm đánh giá tác động của các biodiesel đến công suất và mức độ ô nhiễm của động cơ Biodiesel sinh học gốc B100 được tác giả sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm gồm 3 loại: được chiết xuất từ dầu hạt cải, hai loại còn lại được chiết xuất từ dầu và mỡ thải Đối với mỗi loại B100 (có nguồn gốc khác nhau), 3 loại hỗn hợp nhiên liệu với tỷ lệ pha trộn khác nhau được

sử dụng là B0, B20 và B100 Nghiên cứu này đã cung cấp những dữ liệu quan trọng cho việc hoạch định kế hoạch sử dụng biodiesel tại Hồng Kông Tuy nhiên, với cách tiếp cận chủ yếu bằng thực nghiệm trên bệ thử nên kết quả nghiên cứu chỉ đúng với một số loại động cơ, xe cụ thể Ngoài ra, tác động của biodiesel đến QLCCNL, quá trình hình thành và phát triển tia phun, các quy luật nhiệt động trong

xi lanh chưa được đề cập đến

Các tác giả Zhihao Ma, Zuohua Huang, Chongxiao Li, Xinbin Wang, và

Haiyan Miao, [65] đã tập trung nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của thời điểm

phun nhiên liệu (góc phun sớm – GPS) đến mức độ phát thải ô nhiễm của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel và propane với tỷ lệ pha trộn khác nhau Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel TY1100 (4 kỳ, 1 xi lanh, dùng hệ thống phun cơ khí truyền thống, làm mát bằng nước, công suất định mức là 10kW tại tốc độ n=2200 vg/ph) Kết quả nghiên cứu đã đánh giá được ảnh hưởng của GPS (150, 170

và 190) đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ khi sử dụng hỗn hợp diesel và propane với tỷ lệ propane khác nhau

Năm 2010, các tác giả B.Rajendra Prasath, P.Tamilporai và Mohd.F.Shabir, [66] đã nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm về quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ diesel (công suất 55 kW tại n= 1500 vg/ph, tỷ số nén 16:1, phun nhiên liệu trực tiếp, có tăng áp tuabin khí xả) khi sử dụng B20 được chiết xuất từ hạt cây jatropha Nghiên cứu đã đưa ra được các kết quả mô phỏng về diễn biến nhiệt độ và áp suất trong xi lanh, các đường đặc tính công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ… Kết quả mô phỏng được kiểm chứng bằng thực nghiệm trên động cơ diesel nghiên cứu Tuy nhiên, nhóm tác giả chưa đánh giá đầy đủ được ảnh hưởng của sự thay đổi các thuộc tính của B20 đến QLCCNL cũng như quá trình hình thành và phát triển của tia phun

Trong luận án TSKT (Cơ sở sử dụng nhiên liệu sinh học làm nhiên liệu động

cơ máy kéo nông nghiệp), [100] của mình, tác giả Kirieva N.X đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm việc sử dụng biodiesel cho động cơ diesel máy kéo Nghiên cứu được tiến hành đối với hỗn hợp biodiessel được pha trộn từ mêtyl ete dầu hạt cải (MEDC) và diesel dầu mỏ, với các tỷ lệ pha trộn khác nhau (B25, B50, B75) Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel D240 (lắp trên máy kéo MTZ-80) đã chỉ ra rằng việc sử dụng biodiesel với tỷ lệ pha trộn như trên làm giảm không đáng kể hiệu suất có ích của động cơ (từ 1,54,6%), tương ứng với hiệu suất

nằm trong khoảng 0,3050,326 so với 0,3100,329 khi sử dụng B0, còn độ khói khí thải của động cơ tương ứng giảm từ 6,1  52,7%

Trong luận án TSKT, tác giả Phadiev X.A, [101] đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ảnh hưởng của việc sử dụng B20 được xử lý bằng sóng siêu

âm đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường của động cơ diesel Trên cơ

sở nghiên cứu của mình, tác giả đã sáng chế ra thiết bị tạo sóng siêu âm gắn vào hệ thống cung cấp nhiêu liệu của động cơ để xử lý nhiên liệu trước khi cấp vào buồng cháy Việc sử dụng thiết bị tạo sóng siêu âm này cho phép giảm ma sát, ăn mòn trong một số chi tiết của động cơ lên tới 16%; công suất động cơ sử dụng B20 được

xử lý bằng sóng siêu âm tại chế độ n=1800 vg/ph chỉ giảm 5% so với 9,8% khi sử dụng B20 không qua xử lý; mức tiêu thụ nhiên liệu giảm 5% so với nhiên liệu không qua xử lý; độ khói của động cơ khi sử dụng B20 chưa xử lý giảm 8%, khi được xử lý giảm 12-18% so với khi sử dụng nhiên liệu diesel dầu mỏ (B0)

1.5.2 Tại Việt Nam

Với đặc thù là một nước nông nghiệp, Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm xây dựng nền công nghiệp nhiên liệu sinh học và đẩy mạnh việc sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung, nhiên liệu diesel sinh học nói riêng tại Việt Nam [1], [2] Thực hiện chủ trương này của Chính phủ, nhiều đề tài/dự án, công trình nghiên cứu về biodiesel đã được triển khai và đã đạt được những kết quả ban đầu

Trong đề tài NCKH và PTCN cấp Nhà nước, [21] tác giả Đỗ Duy Thanh và cộng sự đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm việc sử dụng nhiên liệu sinh học diesohol (hỗn hợp pha trộn của cồn khan công nghiệp với diesel dầu mỏ truyền thống) cho động cơ DSC-80 trên bệ thử KI-2109 Tuy nhiên, khi tính toán CTCT và các chỉ tiêu công tác (công suất, suất tiêu hao nhiên liệu ) của động cơ DSC-80 bằng phần mềm mô phỏng GT-Power các tác giả không tính toán QLCCNL mà chỉ

sử dụng kết quả thử nghiệm đo lượng cung cấp nhiên liệu (trên bệ thử bơm cao áp)

để làm dữ liệu đầu vào cho quá trình tính toán Các thuộc tính của hỗn hợp nhiên liệu có liên quan trực tiếp đến quá trình tính toán CTCT cũng chưa được phân tích,

đề cập chi tiết

Trong đề tài NCKH và PTCN cấp Nhà nước, [22], tác giả Đặng Văn Uy và

cộng sự đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm việc sử dụng hỗn hợp dầu thực vật

thô (chưa qua quá trình biến đổi thành diesel sinh học gốc B100) với nhiên liệu

diesel dầu mỏ theo các tỷ lệ pha trộn 5, 10, 15, 20% cho động cơ diesel tàu thủy