Đồ án: Nghiên cứu sự ảnh hưởng nhiên liệu biodiesel sản xuất bằng phương pháp xúc tác hai giai đoạn lên đặc tính công suất và phát thải động cơ diesel.

Tình hình sản xuất và sử dụng Biodiesel  Trên thế giới Đi tiên phong trong việc sản xuất biodiesel là nước Đức, năm 1988, cáccông ty hoá chất của Đức đã tính luyện loại dầu biodiesel từ

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DIESEL & BIODIESEL 1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái niệm về Diesel

1.1.3 So sánh Biodiesel và Diesel

1.1.3 Tiêu chuẩn chất lượng cho biodiesel

1.1.4 Cơ sở chọn đề tài

1.1.5 Dầu hạt cao su và các tính chất cơ bản

1.1.6 Hướng sử dụng phổ biến hiện nay

1.1.7 Các phương pháp điều chế Biodiesel từ dầu thực vật

1.1.9 Hiệu suất nhiệt và mức tiêu hao nhiên liệu

1.1.10 Phát thải trên động cơ

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khảo sát đặc tính của động cơ diesel

2.1.1 Đặc tính tốc độ của động cơ diesel

2.2 Quá trình phát thải động cơ Diesel

Chương 3 TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ HẠT CAO SU BẲNG PHƯƠNG PHÁP XÚC TÁC 2 GIAI ĐOẠN

3.1 Phương pháp tổng hợp nhiên liệu biodiesel

3.1.2 Phương pháp chuyển hóa ester tạo biodiesel

3.1.3 Phản ứng chuyển hóa ester 2 giai đoạn với xúc tác axít – kiềm

3.2 Quy trình sản xuất Biodiesel từ dầu hạt cao su thực tế

3.2.1 Vật liệu

3.2.2 Phương pháp và quy trình sản xuất

Chương 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Tính năng động cơ

4.1.1 Suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC)

4.1.2 Suất tiêu hao năng lượng (BSEC)

4.1.3 Hiệu suất nhiệt

4.2 Các chất ô nhiễm trong khí xả

4.2.1 Hydrocarbon (HC)

4.2.2 Carbon monoxide (CO)

4.2.3 Carbon dioxide (CO2)

4.2.4 Ni-tơ oxide (NOx)

4.2.5 Độ mờ khói OPA

KẾT LUẬN

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

RSO (Rubber Seed Oil) Dầu hạt cao su

PM (Particulates Matter) Chất thải dạng hạt

RBDF (Rubber Biodiesel Fuel) Nhiên liệu biodiesel điều chế từdầu hạt cao suB00, D.O (Diesel Oil) Dầu Diesel truyền thống

BDF (Biodiesel Fuel) Nhiên liệu biodiesel

CRSO (Crude Rubber Seed Oil) Dầu hạt cao su dạng thô

BSEC (Brake Specific

Energy Consumption) Suất tiêu hao năng lượngBSFC (Brake Specific Fuel

Consumption) Suất tiêu hao nhiên liệuBMEP (Brake Mean

Effective Pressure) Áp suất chỉ thị trung bình

MỞ ĐẦU

Trong thời gian gần đây, các nhà khoa học hàng đầu của Mỹ, Nga, TrungQuốc, Ấn Độ… đã đưa ra lời cảnh báo về một cuộc khoảng hoảng năng lượngtrong thế kỷ XXI Các nhà khoa học cho rằng chủ yếu do nguồn dầu lửa, khí đốt,than đá đã cạn kiệt, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao do nhiều quốcgia đang đẩy mạnh công nghiệp hoá trong khi chưa có nguồn năng lượng chủđạo mới thay thế dầu lửa Với tốc độ khai thác như hiện nay nguồn dầu lửa dướilòng đất sẽ hoàn toàn cạn kiệt Vấn đề đặt ra là đa dạng hoá các nguồn cung cấpnăng lượng

Một trong những nguồn nhiên liệu rất có tiềm năng đó là năng lượng sinhhọc, năng lượng sinh học được xem như một loại “năng lượng xanh” bởi nó ítthải ra khí các-bon-níc gây hiệu ứng nhà kính, hủy hoại môi trường

Với đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng nhiên liệu biodiesel sản xuất bằng phương pháp xúc tác hai giai đoạn lên đặc tính công suất và phát thải động

cơ diesel Giúp tìm hiểu rõ về một trong những phương pháp được áp dụng để

sản xuất nhiên liệu sinh học và ảnh hưởng của nhiên liệu này đến động cơ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DIESEL & BIODIESEL 1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái niệm về Diesel

Dầu mỏ đã được loài người đã tìm thấy hàng ngàn năm trước CôngNguyên, tuy nhiên đến thế kỷ 19 người ta mới bắt đầu khai thác, chế biến dầutheo qui mô công nghiệp Ngày nay dầu mỏ là một trong những nhiên liệu quantrọng nhất của xã hội hiện đại dùng để để sản xuất nhiên liệu cho các phươngtiện giao thông, nguyên liệu cho ngành tổng hợp hữu cơ hoá dầu…Dầu mỏ hầunhư phân bố khắp mọi nơi trên thế giới và thành phần của chúng cũng khácnhau Để sử dụng được dầu mỏ ta phải qua các phân đoạn chế biến Dầu thô khikhai thác phải trải qua các quá trình làm sạch tạp chất sau đó đưa vào quá trìnhchưng cất phân đoạn với các khoảng nhiệt độ khác nhau để thu được những sảnphẩm nhất định, pha thêm phụ gia để được các sản phẩm có giá trị thương mại.Mỗi phân đoạn sản phẩm thu được có thành phần và tính chất khác nhau Thôngthường quá trình chưng cất dầu mỏ được chia thành các phân đoạn sau:

Phân đoạn xăng: Khoảng nhiệt độ sôi dưới 180°C, bao gồm các thành phần

Hiện nay sản phẩm từ dầu mỏ chủ yếu được ứng dụng làm nguyên liệu chocác động cơ xăng, động cơ Diesel và động cơ phản lực Trong phạm vi tiểu luậnnày sẽ nghiên cứu tổng quan về động cơ Diesel và nhiên liệu sử dụng cho động

cơ Diesel

Hình 1.1 - Biểu đồ khí thải độc hại

Diesel là một sản phẩm trong quá trình chưng cất phân đoạn dầu mỏ.Diesel còn gọi là phân đoạn gas-oil nhẹ, có khoảng nhiệt độ sôi từ 250 đến 350

oC, chứa các hydrocacbon có số nguyên tử cacbon từ C16 đến C21 [1].Với sự pháttriển của xã hội ngày nay, những động cơ đốt trong ngày càng chiếm một vai tròquan trọng trong nền sản xuất công nghiệp Động cơ diesel ngày nay đang được

sử dụng ở nhất nhiều hạng mục xe như ô tô, xe tải, máy bay, tàu thuyền Tuy

Ngoài ra, lượng nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên giới hạn, nó đangcạn kiệt do sức tiêu thụ ngày càng lớn của nền công nghiệp thế giới Trongtương lai không xa thì nguồn dầu dự báo sẽ cạn kiệt, nhu cầu bức thiết là phảitìm ra nguồn năng lượng mới thay thế.

Hình 1.2 – Sản lượng dầu sản xuất theo khu vực ( Triệu thùng/ngày)

Trong thời gian gần đây, giá xăng dầu tăng nhanh do sự khai thác quá mứcnhiên liệu hóa thạch cùng với mức độ ô nhiêm môi trường ngày càng tăng đãdẫn tới nhu cầu tìm ra nguồn nhiên liệu mới thay thế nhằm đảm bảo an ninhnăng lượng và giảm thiểu ô nhiêm mỗi trường Bên cạnh những nguồn nhiênliệu mặt trời, gió, hạt nhân thì Biodiesel(BD) là nguồn nhiên liệu thay thế đầyhứa hẹn, mang đến hiệu quả cao trong việc đảm bảo nguồn năng lượng.

1.1.2 Tổng quan nhiên liệu Biodiesel(BD)

1.1.2.1 Khái niệm về Biodiesel

Biodiesel là một loại nhiên liệu sinh học và là một dạng năng lượng tái tạo.Theo phương diện hóa học thì biodiesel là mono ester của các acid béo có nhiềutrong dầu thực vật và mỡ động vật Theo định nghĩa của tiêu chuấn ASTMD6751[2]: “Biodiesel là nhiên liệu mà thành phần hóa học là mono alkyl esterdẫn xuất từ acid béo mạch thẳng dài trong dầu mỡ động thực vật hay dầu thải"

Nó có những đặc tính cơ bản của nguyên liệu gốc như tính dễ phân huỷ, dễsản xuất và không độc hại Biodiesel là sản phẩm của phản ứng chuyển hóaester Chuyển hóa ester là quá trình sử dụng một alcol, như methanol hoặcethanol, để bẻ gãy liên kết hóa học giữa các acid béo với glycerol để tạo thànhcác monoester của acid béo và giải phóng glycerol

1.1.2.2 Lịch sử hình thành & phát triền Biodiesel

Biodiesel đã được phát hiện từ sớm, công trình nghiên cứu của hai nhà hóahọc E Dufy và J Patrick về chuyển hóa ester của dầu thực vật để làm xà phòngvào năm 1853, nhiều năm trước khi động cơ diesel đầu tiên được đưa vào sửdụng Khi đó biodiesel được xem là phụ phẩm của quá trình sản xuất xà phòng.Ngày 10/8/1893, tại Augsburg, Đức, khi kỹ sư người Đức Rudolf ChristianKarl Diesel cho ra mắt động cơ Diesel chạy bằng dầu lạc do chính ông sản xuất.Lúc này BD mới chính thức được công nhận Năm 1897, Diesel cũng đạt được

đúng, dầu thực vật vẫn tiếp tục được sử dụng cho các phương tiên giao thôngvận tải cho đến những năm 1920.

1.1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng Biodiesel

 Trên thế giới

Đi tiên phong trong việc sản xuất biodiesel là nước Đức, năm 1988, cáccông ty hoá chất của Đức đã tính luyện loại dầu biodiesel từ hạt cải dầu, loại dầunày không những giá thành thấp, mà còn có thể trồng được nguyên liệu, đảmbảo cháy hết, hàm lượng cảbon của khí thải động cơ thấp hơn 50% so với khidùng dầu diesel truyền thống Hiện nay, 15% trạm xăng của Đức có cung cấpdầu biodiesel, và đã trở thành nguồn nhiên liệu chính cho các xe chở hàngđường dài và xe buýt Hãng Shell trong năm 2005 đầu tư 400 triệu Euro vàomiền Bắc nước Đức để xây dựng thêm một nhà máy sản xuất biodiesel, dự kiếnđến năm 2008, sản lượng sẽ đạt tới 200 triệu lít

Ngoài ra các nước trồng nhiều cây có dầu cũng vào cuộc: Hàn Quốc đã bắtđầu bán dầu biodiesel cho các phương tiện tư nhân từ tháng 7/2006 Loạibiodiesel này gồm diesel và 5% dầu hạt cải Đến hiện nay, Hàn Quốc đã đưa vào

sử dụng loại biodiesel chứa 20% dầu hạt cải

Malaysia là nước đứng đầu thế giới về sản xuất dầu Cọ, với sản lượng 13,9triệu tấn (năm 2004), sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu dồi dào này sẽ gópphần đáp ứng nhu cầu nhiên liệu trong nước và xuất khẩu

Nhật Bản và Indonesia cũng đầu tư vào một dự án được quan tâm nhất vềviệc phát triển nhiên liệu biodiesel sử dụng cây có dầu Jatropha Curcas, là loạicây vốn rất phổ biến ở Indonesia Hiện ở Indonesia có hàng nghìn hecta đất cóthể đùng để phát triển loại năng lượng xanh này

Trung quốc: đến năm 2010 sản xuất 1 triệu tấn, dự kiến đến năm 2020 sẽsản xuất 9 triệu tấn dầu biodiesel sinh học từ cây hoàng liên và cây đay

Hình 1.3 – Biểu đồ sản xuất Biodiesel toàn cầu 2000-2013

Nghị định Kyoto được đưa vào thực hiện dẫn đến các quy chế ngặt nghèo

về khí thải cũng khiến thị trường châu Âu (EU) tăng nhu cầu sử dụng nhiên liệusạch Ở châu Âu thì cây cải dầu với lượng dầu từ 40% đến 50% là cây thích hợp

để dùng làm nguyên liệu sản xuất biodiesel Ngoài ra, Ủy ban châu Âu đã quyếtđịnh đến 2020, 10% nhiên liệu vận tải đường bộ sẽ là nhiên liệu sinh học

 Trong nước

Việt Nam đã quan tâm đến sản xuất biodiesel từ những năm 1990, nguồnnguyên liệu thực vật phù hợp cho sản xuất biodiesel là dầu dừa, dầu vừng, dầuđậu phộng, về mỡ động vật thì có mỡ cá basa, cá tra và nguồn dầu mỡ thải đãqua sử dụng Tuy nhiên cho đến nay các khảo sát về biodiesel chỉ dừng lại ởbước thử nghiệm ở các viện nghiên cứu và các trường đại học, sản xuất tự phátvới quy mô nhỏ, thiếu đồng bộ, không đủ sức định hướng cho đầu tư từ côngnghiệp.Ngày 03 tháng 8 năm 2005, Bộ Tài nguyên và Môi trường, với tư cách là

Cơ quan đầu mối của Chính phủ Việt Nam tham gia và thực hiện Nghị định thư

dioxide qua việc thay đổi từng phần nhiên liệu dầu diesel bằng nhiên liệu dieselsinh học được tổng hợp từ dầu dừa, thay thế một phần xăng dầu nhập khẩu tạiViệt Nam.

Nhóm nghiên cứu do PGS.TS Hồ Sơn Lâm − phân viện trưởng Phân việnKhoa học vật liệu TP.HCM thuộc Viện Khoa học và công nghệ VN − chủ trìkhẳng định có đủ khả năng nghiên cứu sản xuất dầu diesel sinh học (biodiesel)

từ dầu thực vật của Việt nam PGS.TS Hồ Sơn Lâm cho biết nhóm nghiên cứu

đã hợp tác với Viện Hóa kỹ thuật ĐH Tổng hợp Jena (Đức), phân tích thànhphần, tính chất các mẫu dầu biodiesel do nhóm điều chế Kết quả cho thấy cácmẫu dầu biodiesel từ dầu thực vật Việt Nam đạt tiêu chuẩn châu Âu về biodiesel

Từ tháng 8/2006, hệ thống thiết bị sản xuất nhiên liệu biodiesel từ dầu ănphế thải với công suất 2 tấn/ngày đã bắt đầu được triển khai tại công ty PhúXương, quận Thủ Đức, TP.HCM Dự án sản xuất dầu biodiesel từ dầu ăn phếthải tại TP.HCM có nguồn vốn đầu tư khoảng 9,69 tỷ đồng, trong đó có 1,5 tỷđồng (chiếm 11,5%) vay từ nguồn vốn ngân sách Nhà nước

Để thúc đẩy ngành sản xuất nhiên liệu sinh học phát triển, Thủ tướng Chínhphủ Việt Nam ngày 20/11/2007 đã ra quyết định phê duyệt “Đề án phát triểnnhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục đích thaythế một phần nhiên liệu có nguồn gốc hoá thạch, góp phần bảo đảm an ninhnăng lượng và bảo vệ môi trường

1.1.3 So sánh Biodiesel và Diesel

Biodiesel là các alkyl este của axyt béo,một phụ gia rất tốt cho nhiên liệudiesel để làm giảm lượng khí thải,hơn thế nữa nó là nguồn nguyên liệu có thể táitạo được.Biodiesel được sản xuất từ các nguồn khác nhau như dầu,mỡ động thựcvật,từ cặn dầu thải

Methyl ester tinh khiết có điểm chớp cháy là hơn 200 oC, và methyl esterđược xếp loại vào những chất khó cháy Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất vàtinh chế, methanol dư còn lẫn trong sản phẩm và làm hạ thấp điểm chớp cháy

methanol là chất ăn mòn thiết bị kim loại Do vậy điểm chớp cháy vừa được sửdụng như một tiêu chuẩn quản lý chất lượng biodiesel vừa để kiểm tra lượngmethanol dư thừa.

Các loại biodiesel đều có tỉ lệ % trọng lượng oxy khá lớn, đây là điều màdầu diesel không có.Biodiesel khắc phục được những nhược điểm của dầu thựcvật như độ nhớt quá lớn (cao gấp 6 − 14 lần diesel), chỉ số cetane thấp, dễ bịtrùng hợp

Tính chất vật lý của biodiesel tương tự như diesel nhưng thải ra khí thảikhông độc hại bằng khí thải của diesel Ngoài các chỉ tiêu đánh giá như đối vớidiesel, người ta còn xây dựng hệ thống chỉ tiêu đánh giá chất lượng biodieseldựa trên nhiều thông số hóa lý khác nữa

Bảng 1.1 - So sánh nhiên liệu dầu mỏ và nhiên liệu sinh học[3]

Bảng 1.1 – So sánh nhiên liệu dầu mỏ và nhiên liệu sinh học

Bảng 1.2 - Một số đặc tính chọn lọc của Diesel và Biodiesel

Bảng 1.3 – So sánh nồng độ khí thải của nhiên liệu Diesel và Biodiesel

1.1.3 Tiêu chuẩn chất lượng cho biodiesel

Biodiesel là một chất lỏng có màu vàng nhạt đến vàng nâu, hoàn toànkhông trộn lẫn với nước Biodiesel có điểm sôi cao (thông thường khoảng150ºC), áp suất hơi thấp, trọng lượng riêng khoảng 0,86 g/cm3 và hoàn toànkhông phải là hóa chất độc hại Độ nhớt của biodiesel tương đương của dầuDiesel thông thường

Việc sản xuất và sử dụng rộng rãi biodiesel đòi hỏi việc đưa ra những tiêu

liệu quan trọng nhất là: ASTM D6751 ở Mỹ, EN 14214 ở Châu Âu[2], đượctrình bày tóm tắt ở Bảng 1.4 và Bảng 1.5 Khi đảm bảo được những tiêu chuẩnchất lượng này, biodiesel có thể được trộn với dầu Diesel để sử dụng trong động

cơ Diesel

Bảng 1.4 – Tiêu chuẩn ASTM D6751 dành cho Biodiesel

Bảng 1.5 – Tiêu chuẩn Biodiesel EN 14214 ở châu Âu[2]

1.1.4 Cơ sở chọn đề tài

1.1.4.1 Ưu điểm của Biodiesel

Biodiesel là một trong những nguồn nhiên liệu thay thế ít gây ảnh hưởng đếnmôi trường và sức khoẻ con người; là loại nhiên liệu sạch hơn vì khí thải khi đốtbiodiesel hầu như sẽ không sinh ra SOx, hàm lượng CO và hidrocacbon thơmgiảm hẳn so với khi đốt diesel truyền thống Khi sử dụng biodiesel thay thế chonhiên liệu hóa thạch, nó làm giảm lượng khí thải CO gây ra hiệu ứng nhà kính

Hình 1.4 – Chu trình Cacbon của nhiên liệu Biodiesel [4]

- Là nguồn nhiên liệu thay thế cho diesel khi sử dụng cho động cơdiesel mà không ảnh hưởng đến động cơ

- Là nhiên liệu tái sinh nên biodiesel sẽ là thế mạnh của các nước cónền nông nghiệp phát triển

- Sản phẩm cháy của biodiesel sạch hơn nhiều so với nhiên liệudiesel khoáng,riêng B-20 (20% biodiesel ,80% diesel khoáng ) cóthể được sử dụng trong các động cơ diesel mà không cần làm thayđổi kết cấu của động cơ,thực tế các động cơ diesel sẽ chạy tốt hơnkhi pha chế 20% diesel.[5]

Hình 1.5 - So sánh mức độ phát thải của động cơ diesel sử dụng Diesel, B20 và

B100 [5]

- Dễ bị vi sinh vật phân huỷ nên khi thất thoát ra ngoài môi trường sẽ

ít độc hại hơn rất nhiều so với các loại nhiên liệu từ dầu mỏ

- Có thể được dùng dạng tự do hoặc pha trộn với diesel nhằm đạtđược hiệu quả sử dụng và kinh tế theo yêu cầu của từng quốc gia

- Khi đạt các tiêu chuẩn thì biodiesel sẽ là nhiên liệu ít ăn mòn động

cơ hơn so với diesel

Sử dụng biodiesel không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo

vệ môi trường, sử dụng tiết kiệm hơn nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần cạnkiệt, góp phần đảm bảo sự phát triễn bền vững Biodiesel chắc chắn sẽ là một sự

lựa chọn phù hợp để đáp ứng nhu cầu năng lượng của toàn thế giới trong tươnglai.

Bảng 1.6 – Các thông số so sánh giữa Biodiesel và dầu Diesel

1.1.4.2 Ưu điểm của dầu hạt cao su - RSO

Tùy vào từng khu vực địa lý, khí hậu, nhiệt độ trên thế giới mà các nhàkhoa học sẽ đưa các biện pháp sản xuất phù hợp với từng vùng để sản xuấtbiodiesel Ở một số nước thì biodiesel được sản xuất từ dầu hạt cải (Châu Âu),dầu đậu nành (Mĩ), dầu hướng dương, dầu dừa Còn ở khu vực Đông Nam Áhiện nay, với khí hậu nhiệt đới ẩm thì biodiesel sản xuất chủ yếu từ cây cao su.Khí hậu Đông Nam Á lại rất phù hợp để phát triển trồng loại cây này, các sảnphẩm thu được từ cây cao su có giá trị kinh tế cao

tại Việt Nam, cây cao su được trồng nhiều tại Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, trung

du phía Bắc và duyên Hải miền Trung Theo viện nghiên cứu cao su Việt Nam,tổng sản lượng cây cao su tính đến năm 2005 lên đến 700.000 cây/ha Theo tậpđoàn cao su Việt Nam, nước ta hiện có hơn 500.000 hecta diện tích trồng câycao su Nếu tính cả diện tích đất mà tập đoàn này thuê cho việc trồng cây cao su.Cây cao su có thể cao tới trên 30m Mỗi cây cao su sẽ cho ra khoảng 800 hạt, 2lần/năm Khi cây đạt độ tuổi 4 − 5 năm thì người ta bắt đầu thu hoạch nhựa mủ,các cây già sẽ cho nhiều mủ hơn, nhưng chúng sẻ ngừng sản xuất nhựa mủ khiđạt độ tuổi 26 − 30 năm

Với nguồn cung cấp dồi dào hứa hẹn biodiesel sản xuất từ dầu hạt cao su sẽ

có giá thành rẻ và sẽ phát triền trong tương lai gần Không giống như các loạinhiên liệu sinh học khác, biodiesel được sản xuất từ dầu hạt cao su có nhữngtính chất đặc biệt: cháy tốt hơn, chỉ số cetan cao hơn dầu diesel làm tăng khảnăng tự cháy của nhiên liệu, giảm thời gian cháy trễ Do vậy, dầu hạt cao su làmột nguồn sinh khối tiềm năng để sản xuất biodiesel

1.1.5 Dầu hạt cao su và các tính chất cơ bản

1.1.5.1 Dầu hạt cao su - Rubber Seed Oil (RSO)

RSO là chất lỏng có màu vàng nâu, có mùi hôi do lẫn chứa tạp chất, độnhớt tương đối cao, nhẹ và không tan trong nước Dầu chứa 18,1% các axit béo

no gồm axit palmitic, axit stearic và 80,5% các axit béo không no gồm axitoleic, axit linoleic, và axit linolenic Hàm lượng Free Fatty Acids (FFA) trongRSO chưa tinh luyện là khoảng 17%

Thành phần các axit béo và những tính chất quan trọng khác của RSOđược so sánh với các loại dầu khác theo công bố của Ramadhas và các cộng sự(2005)

Bảng 1.7 - Thành phần axit béo và tính chất RSO so với các loại dầu khác

[6,7]

1.1.5.2 Các tính chất cơ bản RSO

 Tính chất vật lý

Bảng 1.8 - Tính chất của RSO tại Việt Nam

Thành phần acid béo và những tính chất quan trọng khác của dầu hạt cao suđược so sánh với các loại dầu khác, được trình bày trong bảng dưới đây:

Bảng 1.9 - Thành phần và tính chất một số loại dầu thực vật

 Tính chất hóa học

Thành phần hóa học của dầu hạt cao su chủ yếu là các triglyceride nênchúng có đầy đủ tính chất của một ester điển hình

- Phản ứng thủy phân: Ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và xúc tác nhất

định (thường là xúc tác acid, enzyme) sẽ xảy ra phản ứng thủy phânester lần lượt tạo thành các diglyceride và monoglyceride, cuốicùng là acid béo và glycerine

- Phản ứng xà phòng hóa: Trong môi trường kiềm, ester trong dầu hạtcao su sẽ phản ứng với kiềm tạo thành muối natri (hoặc kali) củaacid béo và glycerine Quá trình xà phòng hóa cũng xảy ra theotừng giai đoạn như quá trình thủy phân, cho ta nhiều sản phẩm khácnhau nhưng sản phẩm cuối cùng là xà phòng và glycerine

- Phản ứng trao đổi ester (chuyển hóa ester): Trong môi trường có

xúc tác vô cơ như acid H2SO4, HCl hay các xúc tác base nhưNaOH, KOH các ester trong dầu có thể tiên hành ester hóa trao đổivới các acol bậc 1 như methanol, ethanol tạo thành các ester củacác acid béo với các alcol tương ứng và glycerine Với R là gốchydrocarbon của rượu, phản ứng dạng tống quát như sau:

Phản ứng này là phản ứng cơ bản để tổng hợp biodiesel Như đã trình bày,ester của các acid béo với alcol bậc một có thể thay thế nhiên liệu diesel trongcác động cơ diesel, giảm thiểu một cách đáng kể lượng khí độc hại thải ra môitrường Bên cạnh đó, các gốc acid béo trong dầu thực vật có thể dẫn đến một sốtính chất hóa học khác.

- Phản ứng cộng hợp

- Phản ứng oxy hóa

- Phản ứng tạo sự ôi chua của dầu

1.1.6 Hướng sử dụng phổ biến hiện nay

Những nghiên cứu về ứng dụng thực tế của dầu cao su đã cho thấy rằng nó

có một tiềm năng lớn trong việc thay thế dầu lanh trong sản xuất nhựa alkyd.Thông thường, dầu cao su sẽ được sử dụng để làm bánh xà phòng

Gandhi và cộng sự đã công bố rằng dầu cao su không chứa bất kỳ một loạiacid béo lạ nào và nó rất giàu các acid béo thiết yếu Hơn nữa, khả năng tiêu hóadầu cao su được phát hiện là đến 97% so với dầu họ đậu phộng Đứng từ khíacạnh thành phần dinh dưỡng và độc tố, dầu cao su có thể xem là dầu ăn được.Hiện nay, dầu hạt cao su đã được ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất bánh

xà phòng, nhựa alkyd và chất bôi trơn Bên cạnh đó, đã có một số nghiên cứu vềdinh dưỡng đã tán thành việc sử dụng dầu cao su làm thực phẩm Tuy vậy, hoạttính enzyme lipase cao cùng với lượng HCN còn sót lại, một đặc điểm dễ dàngbắt gặp ở các cây thuộc họ Euphorbiaceae đã gây ra hạn chế trong khía cạnhdinh dưỡnng của nó

Hàm lượng dầu có trong hạt tùy thuộc vào vùng khí hậu, thổ nhưỡng củatừng nơi mà chúng sống, tuy nhiên, trung bình hạt chứa khoảng 40% dầu (T P.Hilditch, 1951) Do đó, dầu hạt cao su có thể được sử dụng để sản xuất bánh xà

phòng, nhựa alkyd và sơn Thông thường người ta tổng hợp nhựa alkyd bàngcách nấu dầu cao su với một lượng xác định glycerol và phtalic anhydride.

Dầu cao su có thể thay thế dầu lanh trong sản xuất sơn, vải dầu (linoleum)

và vecni (vanish) Nó còn thích hợp trong việc sản xuất fatliquor trong côngnghiệp da Dầu này còn có thể được sử dụng như những thành phần đa chứcnăng trong các hợp chất cao su thiên nhiên (Natural Rubber – NR) và cao sutổng hợp Styren − butadien (Styren − butadien rubber – SBR) Dầu cao su tạo racác tính chất cơ học ưu việt cho cao su lưu hóa NR và SBR khi thay thế chonhững chất tạo dẻo truyền thống Nó cũng cải thiện khả năng chống lão hóa, sự

ăn mòn, sự uốn cong và làm giảm thời gian xử lý, sự cán phá

Dầu cao su đã được xác định như một nguồn thay thế nhiên liệu diesel bởinhiều công trình nghiên cứu khác nhau Việc kiểm nghiệm các tính chất đượctiến hành trên nhiên liệu và xác định khả năng làm nhiên liệu cho động cơ đãcho thấy chỉ số cetane của dầu từ hạt cao su gần với chuẩn ASTM tối thiểu là 40,cho thấy tính khả quan trong việc sử dụng dầu cao su làm nhiên liệu sinh học.Các kiểm tra tiến hành sự tiêu thụ nhiên liệu, lực hãm phanh, hiệu suấtnhiệt hãm đã cho thấy dầu cao su có tính chất tương tự đáng kể so với các nhiênliệu diesel Dầu cao su khi được methyl ester hóa cũng cho ra các tính chất gầngiống với dầu diesel

Dầu cao su có tính chất nhiên liệu tương tự như các dầu thực vật khác Dầuthô từ hạt cao su có thể sánh với một số loại dầu thực vật (theo chuấn ASTM) vềchỉ số cetan, điểm chớp cháy, hoạt tính nước và lượng cặn lắng nhưng có phầnhạn chế hơn về độ nhớt, hàm lượng tro, hàm lượng cặn cacbon, điểm vẩn đục vàchỉ số acid Một số các tính chất vừa nêu trên có thể được cải thiện nếu đem dầucao su tinh luyện

Hình 1.6 - Những hướng ứng dụng hiện nay của hạt cao su

Tính chất nhiên liệu của dầu biodiesel từ hạt cao su được quyết định bởicác yếu tố cốt lõi là độ nhớt và các đặc tính trong quá trình chưng cất Độ nhớtcủa dầu thực vật thường cao gấp 10 lần so với nhiên liệu diesel Độ nhớt cao ảnhhưởng đến đặc điểm phun nhiên liệu, vì thế cũng gây ra những tác động bất lợi.Nhiệt độ chưng cất càng cao (độ bốc hơi thấp) ảnh hưởng đến đặc tính bốc hơi

và cháy Các đặc tính nhiên liệu của dầu cao su đã được methyl ester hóa chothấy những đặc điểm tương đồng hơn so với nhiên liệu diesel thông thường.Các phép thử hoạt động của động cơ diesel trong thời gian ngắn đã chothấy dầu cao su; dầu cao su đã được methyl hóa và hỗn hợp dầu cao su đã đượcmethyl hóa với nhiên liệu diesel rất tương đồng với dầu diesel thông thường vềmặt năng lượng, hiệu suất nhiệt, sự tiêu thụ nhiên liệu riêng

Độ xuyên phun, góc nón, cỡ giọt cho thấy quá trình phun dầu cao su thô thì

có sự khác biệt với nhiên liệu diesel Nhưng dầu cao su được tinh luyện và được

xử lý bằng phản ứng chuyển vị ester với tác nhân methanol dư khi có mặt xúctác là NaOH đã cải thiện được các tính chất này.Các tính chất nhiên liệu củamethyl ester tổng hợp từ dầu hạt cao su được đưa ra trong bảng

Bảng 2.0 - Tính chất của một số loại biodiesel theo tiêu chuẩn ASTM [7,8]

Hầu hết các tính chất của ester đều khá tương thích với các tính chất củadầu diesel và các loại ester từ các dầu khác Phân tích sắc ký khí chứng tỏ rằng

Bảng so sánh cũng cho thấy các giá trị của biodiesel từ dầu hạt cao su gần vớidầu diesel hơn là dầu chưa tinh luyện Do độ nhớt của biodiesel khá gần với củadầu diesel, nên không cần phải có thay đổi đáng kể nào trong động cơ khi sửdụng loại biodiesel này Nhiệt trị của biodiesel từ dầu hạt cao su thấp hơn củadiesel vì chứa hàm lượng oxy và hợp chất chứa oxy cao hơn Sự có mặt của oxytrong biodiesel giúp tăng sự đốt cháy hoàn toàn của nhiên liệu trong động cơ.Điểm chớp cháy của dầu hạt cao su sau khi chuyển vị ester bị giảm xuống nhưngvẫn cao hơn của dầu diesel Phối trộn biodiesel vào diesel sẽ làm tăng điểm chớpcháy của nhiên liệu Do đó, sẽ an toàn hơn khi tồn trữ hỗn hợp biodiesel − dieselhơn là diesel 100%.

1.1.7 Các phương pháp điều chế Biodiesel từ dầu thực vật

Việc sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu không phải là một vấn đề mới.Động cơ diesel đầu tiên được phát minh đã sử dụng dầu lạc làm nhiên liệu [9].Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học đã tiến hành những nghiên cứumang tính hệ thống về việc sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ đốttrong Nhiệt trị của dầu thực vật có thể so sánh với diesel Tuy nhiên, việc sửdụng trực tiếp dầu thực vật trong động cơ diesel vẫn gặp phải những bất lợi lớn

về mặt kỹ thuật, đặc biệt là độ nhớt Ở 40 oC, độ nhớt dầu thực vật lớn gấp 10lần diesel, gây khó khăn trong quá trình phun nhiên liệu, tạo cặn đầu phun, gâytắc nghẽn van và vòi phun, sự phối trộn với không khí tạo hỗn hợp cháy khôngtốt dẫn đến quá trình cháy diễn ra không hoàn toàn [8] Do đó để sử dụng đượcdầu thực vật làm nhiên liệu thì ưu tiên hàng đầu là phải làm giảm độ nhớt Cácphương pháp thường được sử dụng để làm giảm độ nhớt của dầu thực vật gồmcó: sấy nóng, pha loãng bằng cách phối trộn với diesel, nhũ tương hóa, cracking

và chuyển hóa ester

 Phương pháp sấy nóng

Phương pháp này dựa trên sự thay đổi độ nhớt của nhiên liệu khi thay đổinhiệt độ Dầu sẽ được đốt nóng để làm giảm độ nhớt đến thích hợp cho việc

khó khăn khi sử dụng Để dầu đạt độ nhớt yêu cầu của nhiên liệu diesel cần nângnhiệt độ khá cao, làm thay đổi trạng thái nhiệt của nhiên liệu, gây ảnh hưởng xấuđến hệ thống cấp liệu trong động cơ Phương pháp này hiện ít được sử dụng vìcần nhiệt độ khá cao 80°C

 Phương pháp pha loãng

Dầu thực vật sẽ được trộn với nhiên liệu diesel theo tỉ lệ thích hợp, diesel làdung môi pha loãng Pha loãng không chỉ làm giảm độ nhớt của dầu thực vật màcòn cải thiện được một số chỉ tiêu khác của dầu thực vật Hỗn hợp trộn có tínhchất khá tốt về chỉ số cetan và độ nhớt Nhiên liệu mới này đồng nhất và bềnvững, tuy nhiên các chỉ tiêu không đạt bằng so với nhiên liệu diesel gốc, các chỉtiêu thu được phụ thuộc vào tỷ lệ trộn diesel trên dầu

Nhược điểm:

− Độ nhớt vẫn còn lớn hơn so với nhiên liệu diesel

− Hỗn hợp dầu còn có chứa các acide tự do do đó có thể hình thành nhựabởi sự oxy hoá và polyme hoá trong suốt quá trình tồn trữ và đốt cháy,tạo cặn cacbon và làm đặc dầu

 Phương pháp cracking

Dưới tác dụng của nhiệt và chất xúc tác thích hợp, các phân tử dầu sẽ bị cắtngắn ra thành những phần tử nhẹ hơn, nhỏ hơn nên độ nhớt cũng giảm theo Quátrình cracking dầu thực vật diễn ra gần giống như quá trình cracking dầu mỏ, sảnphẩm thu được gồm khí, xăng, dầu diesel và các sản phẩm phụ khác Xúc tácthường được sử dụng là SiO2 và Al2O3; môi trường tiến hành cracking có thể làkhông khí hay khí nitơ

Hình 1.7 - Một số tính chất của sản phẩm cracking dầu đậu nành [10]

Như vậy, phương pháp cracking dầu thưc vật không những làm giảm độnhớt của dầu thực vật mà còn cải thiện được các chỉ tiêu khác của thực vật nhưlàm tăng trị số cetan, giảm khối lượng riêng, tăng nhiệt trị, Nhược điểm củaphương pháp là thu được hỗn hợp các thành phần với tỷ lệ khác nhau tùy vàođiều kiện tiến hành, khó kiểm soát và phân tách Chi phí đầu tư cho dây chuyềnthiết bị rất cao, và tiêu tốn nhiều năng lượng

 Phương pháp nhũ tương hóa

Cũng như phương pháp pha loãng, nhưng phương pháp này sử dụng chấttạo hỗn hợp là rượu cùng một lượng nhỏ chất hoạt động bề mặt giúp ổn địnhnhũ Bằng cách tạo ra hệ nhũ tương dầu – rượu, độ nhớt của nhiên liệu mới đượccải thiện đáng kể và đạt đến độ nhớt, cùng các tính chất cần thiết của nhiên liệudiesel Tỷ lệ rượu sẽ quyết định đến độ nhớt của nhiên liệu mới, tỷ lệ rượu caothì độ nhớt giảm

Để tạo độ bền cho nhũ tương có thể cho thêm các chất hoạt tính bề mặt( như chất nhũ hóa, xà phòng…), các chất này ngăn hỗn hợp tự tách ra thành cácthành phần riêng lẻ Nhìn về mặt nhiệt động lực học thì nhũ tương lại là một hệthống không bền Cần có biện pháp thích hợp để ổn định hệ nhũ

 Phương pháp chuyển hóa ester

Chuyển hóa ester là một quá trình phản ứng hóa học để biến đổi các phân

tử triglyceride lớn, có nhánh, là thành phần chính của dầu mỡ động thực vật,

Trong các phương pháp trên, phản ứng transete hóa là lực chọn tối ưu doquá trình phản ứng đơn giản và tạo ra sản phẩm este có tính chất hóa lý gần vớinhiên liệu Diesel Hơn nữa, các este có thể đốt cháy trực tiếp trong buồng đốtđộng cơ và khả năng hình thành cặn rất thấp.

Sản phẩm thu được có độ nhớt giảm đáng kể so với dầu thực vật ban đầu,còn các tính chất khác cũng tương tự như nhiên liệu diesel, đồng thời sản phẩmphụ là glycerine có nhiều ứng dụng trong công nghiệp Do có nhiều ưu điểm vàtriển vọng nên đây là phương pháp chủ yếu đang được sử dụng phổ biến, rộngrãi để sản xuất biodiesel trong công nghiệp

 Phương pháp chuyển hóa ester tạo Biodiesel

Khái niệm

Chuyển hóa ester là quá trình phản ứng thuận nghịch giữa các phân tửtriglyceride, acid béo tự do và alcol tạo thành ester và glycerine Đầu tiên làphản ứng chuyển hóa triglycerides thành diglycerides, sau đó diglycerideschuyển hóa thành monoglycerides và cuối cùng monoglycerides chuyển hóathành glycerine đồng thời tạo thành một phân tử ester ở mỗi giai đoạn

Hình 1.8 – Phản ứng chuyển hóa ester Phân loại

Phản ứng chuyển hóa ester ở điều kiện bình thường xảy ra với tốc độ rấtchậm, do đó để tăng tốc độ và độ chuyển hóa của phản ứng, người ta phải sử

- Phản ứng chuyển hóa ester với xúc tác kiềm đồng thể [12,13]

- Phản ứng chuyển hóa este với xúc tác acid đồng thể [14]

- Phản ứng chuyển hóa ester 2 giai đoạn với xúc tác kiềm – acid đồngthể

- Phản ứng chuyển hóa ester với xúc tác dị thể [15]

- Phản ứng chuyển hóa ester với xúc tác enzyme [16-19]

- Phản ứng chuyển hóa ester trong điều kiện sóng siêu âm chiếu xạ visóng [20]

- Phản ứng chuyển hóa ester với alcol siêu tới hạn [21]

1.1.9 Hiệu suất nhiệt và mức tiêu hao nhiên liệu

Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới đã đánh giá vềđặc điểm và ảnh hưởng của dầu hạt cao su RSO trên động cơ diesel Có thể thấymức tiêu hao nhiên liệu giảm khi tăng tải Ở chế độ động cơ chạy toàn tải thìmức tiêu hao nhiên liệu RSO cao hơn với diesel Khi tăng tải trên bệ thử thì hiệusuất nhiệt của nhiên liệu biodiesel điều chế từ hạt cao su (RBDF) tăng

Hiệu suất nhiệt khi tạo tải trên bệ thử động cơ: Trong tất cả các trường

hợp, hiệu suất nhiệt khi tạo tải trên bệ thử động cơ có xu hướng tăng khi tăng tải

trọng Hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện khi gia tăng nồng độ của biodiesel trong RBDF Khi chạy động cơ với RSO chưa được tinh chế, hiệu suất

nhiệt khi tạo tải trên bệ thử động cơ luôn thấp hơn so với biodiesel cũng như dầuDiesel

Mức tiêu hao nhiên liệu: Đối với tất cả các loại nhiên liệu được kiểm

nghiệm, mức tiêu hao nhiên liệu khi tạo tải trên bệ thử động cơ giảm khi tăngtải Sử dụng tỷ lệ phần trăm của biodiesel thấp trong RBDF, thì mức tiêu haonhiên liệu khi tạo tải trên bệ thử động cơ là thấp hơn so với dầu Diesel tại tất cảcác tải Sự gia tăng tỷ lệ phần trăm của biodiesel trong RBDF, thì giá trị nhiệt

lượng của nhiên liệu giảm Kết luận rằng, mức tiêu hao nhiên liệu của RSO cao

hơn dầu Diesel tại tất cả các tải do ảnh hưởng của độ nhớt cao và giá trị nhiệtlượng thấp của RSO

1.1.10 Phát thải trên động cơ

Phát thải CO: Các loại nhiên liệu phát thải CO thấp ở điều kiện tải nhỏ và phát thải nhiều ở điều kiện tải cao Động cơ sử dụng dầu Diesel phát ra nhiều

CO hơn RBDF tại mọi trường hợp tải Khi tăng phần trăm biodiesel trong nhiên liệu, mức độ phát thải CO giảm Nhưng nếu sử dụng tỷ lệ 100% RSO thì phát

thải CO cao hơn biodiesel

Phát thải CO 2 : Những hỗn hợp có tỷ lệ phần trăm của biodiesel trong

RBDF thấp sẽ phát thải CO2 ít hơn dầu Diesel Sử dụng hỗn hợp có nồng độ

biodiesel cao trong nhiên liệu, lượng khí thải CO2 tăng lên, là dấu hiệu của quá

trình đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, làm giá trị nhiệt độ khí thải tăng cao Quá

trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch tạo ra CO2 và đang tích trữ trong khí quyển

dẫn đến nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường Quá trình đốt cháy nhiên liệu sinh

học cũng tạo ra khí CO2 mà các loại cây trồng có thể dễ dàng hấp thụ CO2, rồibiodiesel được tổng hợp từ các loại cây trồng, cụ thể ở đây là cây cao su, do đóhàm lượng CO2 được giữ cân bằng

Mật độ khói: Mật độ khói của hỗn hợp biodiesel được nhận thấy là thấp

hơn dầu Diesel Mật độ khói của khí thải từ hỗn hợp sử dụng tỷ lệ 100% RSO

chưa được tinh chế là tương đương với dầu Diesel

Giá trị cao nhất của khói đối với dầu Diesel là 52% trong khi giá trị tươngứng với RSO được tìm thấy là chỉ có 46% Khu vực buồng cháy của nắp qui lát(nắp máy) không thay đổi, tích tụ carbon phẳng Một lớp mỏng carbon phân bốtrên chu vi của các miệng xupap

Nhiệt độ khí thải: Khi nồng độ biodiesel tăng lên, nhiệt độ khí thải tăng

thêm một giá trị nhỏ Nhiệt độ khí thải tăng khi tăng tải đối với tất cả các nhiên liệu được kiểm nghiệm Tóm lại, những động cơ dùng nhiên liệu là biodiesel có

khả năng phát thải NOx nhiều hơn so với các động cơ dùng nhiên liệu là dầu

Sự gia tăng nhiệt độ khí thải cùng với sự gia tăng tải trên bệ thử động cơkhông phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn giữa RSO và dầu Diesel trong RBDF Nhiệt

độ khí thải khi sử dụng RSO có giá trị gần giống với dầu Diesel

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khảo sát đặc tính của động cơ diesel

2.1.1 Đặc tính tốc độ của động cơ diesel

Đặc tính tốc độ là hàm số (đường cong) thể hiện sự biến thiên của Ne, Me,Gnl, ge theo số vòng quay trục khuỷu (n), khi giữ nguyên vị trí của cơ cấu điềukhiển động cơ (cố định vị trí thanh răng bơm cao áp của động cơ Diesel) Hàm

số biểu diễn đặc tính tốc độ có dạng: Ne, Me, Gnl và ge = f(n)

Động cơ sử dụng trên các phương tiện vận tải do ảnh hưởng của điều kiện

sử dụng nên chế độ làm việc thường không ổn định, số vòng quay, công suất vàmô-men động cơ luôn thay đổi trong một phạm vi khá rộng từ chế độ chạykhông tải cho đến chế độ phát công suất cực đại, thậm chí còn có thể làm việcquá tải trong một thời gian ngắn Với những loại động cơ này người ta dùng đặctính tốc độ nhằm thể hiện tính năng động lực của ô tô và máy kéo, vì vậy đặctính tốc độ chủ yếu dùng cho động cơ ô tô máy kéo

Một động cơ có thể xây dựng được nhiều đường đặc tính tốc độ, vì ứng vớitừng vị trí của tay ga sẽ có một đường cong biểu diễn sự biến thiên công suấtcủa động cơ theo số vòng quay [22]

Như vậy, ở mỗi một vị trí của cơ cấu điều khiển động cơ sẽ xây dựng đượcmột đường đặc tính tốc độ của động cơ đó Tùy thuộc vào vị trí cơ cấu điềukhiển chia thành các loại đặc tính tốc độ sau:

Hình 2.0 - Đường đặc tính ngoài và đặc tính bộ phận của động cơ Diesel Kubota

RT125DIChú thích: “Maximum” – Đường đặc tính tốc độ ngoài của động cơ;

“Continuous” – Đường đặc tính tốc độ bộ phận của động cơ ứng với vị trí mởthanh răng có công suất bằng 90% công suất cực đại

Nói cách khác, đường đặc tính tốc độ biểu thị công suất cực đại của động

đường đặc tính tốc độ khác nằm dưới đường đặc tính tốc độ ngoài gọi là đườngđặc tính tốc độ bộ phận Vì vậy mỗi động cơ chỉ có một đường đặc tính tốc độngoài và một họ đường đặc tính tốc độ bộ phận.

Nhận xét: trên đường đặc tính ngoài có các điểm đặc trưng sau đây

n1 (nNe max) – số vòng quay ứng với công suất lớn nhất

n2 (nMe max) – số vòng quay ứng với momen lớn nhất

n3 (nge max) – số vòng quay ứng với suất tiêu thụ nhiên liệu nhỏ nhất

n4 (n max) – số vòng quay lớn nhất quy định

n5 (n min) – số vòng quay chạy không tải ổn định nhỏ nhất

2.1.1.2 Đặc tính tốc độ bộ phận

Là các đường đặc tính tốc độ được xác định khi giữ nguyên không đổi vị trícủa cơ cấu điều khiển (thanh răng bơm cao áp) ở các vị trí đảm bảo công suấtcủa động cơ thấp hơn công suất của đường đặc tính ngoài

Vậy đặc tính tốc độ bộ phận là những đường cong Ne, Me, ge, Gnhl = f(n) màđộng cơ tạo thành ở những chế độ không toàn tải khi tốc độ của động cơ thayđổi Có nhiều đường đặc tính bộ phận nhưng chỉ có một đường đặc tính ngoài

2.1.1.3 Đặc tính quá trình cháy của động cơ diesel

Động cơ diesel thường được chia thành hai loại: động cơ diesel phun trựctiếp: nghĩa là nhiên liệu được phun trực tiếp vào buồng cháy Nhiên liệu đượcphun với áp suất cao qua vòi phun với một hoặc nhiều lỗ phun tạo điều kiện chocác hạt nhiên liệu phun ra được tơi hơn, hóa sương tốt và đảm bảo cháy hoàntoàn Động cơ diesel phun gián tiếp: nhiên liệu được phun vào buồng cháy phụnằm gần và được kết nối trực tiếp với buồng cháy chính, buồng cháy phụ này cóthể tích bằng 30% - 45% tổng thể tích buồng cháy Buồng cháy phụ không đủkhông khí để đốt cháy toàn bộ nhiên liệu Do đó, khi nhiên liệu được phun vào

cháy còn lại sẽ được phun vào buồng cháy chính ở dạng xoáy lốc mãnh liệt, hòatrộn khí nạp và cháy tiếp.

Nhiên liệu Diesel có độ nhớt lớn hơn và khó bay hơi hơn vì vậy phải dùngbiện pháp phun tơi nhiên liệu nhờ bơm cao áp vào môi trường áp suất cao, nhiệt

độ lớn của môi chất công tác trong buồng cháy động cơ vào cuối kì nén, làm chohòa khí được hình thành trực tiếp bên trong xylanh Sau đó hòa khí cũng qua cácgiai đoạn phản ứng hóa học phức tạp của ngọn lửa lạnh, ngọn lửa xanh, ngọn lửanóng và tự bốc cháy Do cuối kỳ nén mới phun nhiên liệu vào xylanh động cơ,nên quá trình hình thành hòa khí rất ngắn, chỉ chiếm khoảng 15 – 35° góc quaytrục khuỷu, do đó tạo nên tình trạng không đều về thành phần hòa khí trong cáckhu vực buồng cháy động cơ Mặt khác không thể đem số nhiên liệu cấp chochu trình phun cùng một lúc vào xylanh động cơ, do vậy trong suốt thời gianphun nhiên liệu, thành phần hòa khí trong xylanh cũng biến động liên tục Tạikhu vực hòa khí đậm, nhiên liệu do thiếu oxy nên cháy chậm, thậm chí gây cháykhông kiệt tạo ra khói đen trong khí thải, còn khu vực hòa khí nhạt gây nên tìnhtrạng không tận dụng hết oxy Vì vậy động cơ diesel chỉ có thể hoạt động bìnhthường không thải khói đen khi giá trị trung bình của hệ số dư lượng không khí

λ > 1 , nghĩa là trong tình trạng không sử dụng hết số oxy nạp vào động cơ Tuynhiên với trường hợp λ > 1 vẫn còn hiện tượng cháy không kiệt, đó là một trongnhững vấn đề chính cần giải quyết để nâng cao tính năng động lực và tính năngkinh tế của động cơ [23]

2.1.1.4 Bốn thời kì của quá trình cháy động cơ diesel

Nhiên liệu trong động cơ diesel được phun vào xilanh động cơ vào cuối kìnén, do lực cản của không khí nén trong buồng cháy, nhiên liệu được xé tơithành những hạt nhỏ không đều về kích thước và phân bố không đều trongkhông gian buồng cháy Các hạt nhiên liệu trong môi trường nhiệt độ cao đượcsấy nóng nhanh, khiến nhiệt độ tăng cao Nhiên liệu bắt đầu bay hơi từ bề mặthạt rồi hơi nhiên liệu khuếch tán nhanh vào khối không khí nóng xung quanh,

nhiên liệu và không khí được gọi là các lớp hòa khí Lớp hòa khí nằm sát với bềmặt hạt là hòa khí đậm, có nhiệt độ hơi thấp vì hạt nhiên liệu hút nhiệt của lớpnày để bay hơi, các lớp cách bề mặt hạt càng xa hòa khí càng nhạt với nhiệt độcàng cao.

Hình 2.1 - Các giai đoạn cháy của động cơ diesel

Quá trình cháy của động cơ diesel được chia thành 4 giai đoạn: giai đoạncháy trễ, giai đoạn cháy nhanh, giai đoạn cháy chính và giai đoạn cháy rớt

a Giai đoạn cháy trễ I

Bắt đầu từ lúc nhiên liệu thực tế được phun vào buồng cháy (điểm 1, Hình 2.1) và kết thúc khi xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên, việc xác định thời

điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên trong buồng cháy rất khó nênngười ta quy ước thời điểm cuối giai đoạn cháy trễ là lúc đường cong áp suất

trong xylanh tách khỏi đường nén lí thuyết (điểm 2, Hình 2.1).

Các quá trình vật lý: nhiên liệu được phun tơi, hóa sương và hòa trộn với

không khí

Các quá trình hóa học: là các phản ứng diễn ra trước quá trình cháy giữa

nhiên liệu và không khí, các phản ứng này chịu ảnh hưởng bởi thành phần nhiênliệu, nhiệt độ và áp suất khí nén ngoài ra còn chịu ảnh hưởng bởi tỉ lệ hòa trộngiữa không khí và nhiên liệu Tốc độ các phản ứng hóa học này diễn ra tươngđối chậm, sản vật của các phản ứng là sản vật trung gian

Thời gian cháy trễ ở động cơ Diesel kéo dài khoảng vài phần nghìn giây,trong thời gian đó có khoảng 30% - 40% lượng nhiên liệu chu trình được đưavào buồng cháy, đặc biệt ở một số động cơ Diesel cao tốc, lượng nhiên liệu phuntrong giai đoạn này có thể tới 100%

Thời gian của giai đoạn cháy trễ bị ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố:

- Thiết kế động cơ: bao gồm thời gian phun nhiên liệu, lượng nhiên liệu

phun, tốc độ phun, kích thước hạt, mức độ rối và xoáy lốc của khôngkhí…

- Điều kiện vận hành: bao gồm nhiệt độ và áp suất khí nạp trong xilanh ở

cuối quá trình nén, tốc độ động cơ, những tác động của thành buồng cháy,nồng độ oxi…

- Đặc tính nhiên liệu: thể hiện chất lượng của nhiên liệu cụ thể là khả năng

tự cháy và bùng cháy được đánh giá thông qua nhiệt độ tự cháy và trị sốcetan của nhiên liệu diesel

Chỉ số cetan

Chỉ số cetan là thông số quan trọng nhất của nhiên liệu diesel bởi vì nó đolường khả năng tự cháy và là dấu hiệu chất lượng quá trình cháy của nhiên liệu Nếu dùng nhiên liệu có thành phần chính là hydrocarbon thơm với chỉ sốcetane nhỏ giai đoạn cháy trễ sẽ kéo dài hơn, có một lượng lớn nhiên liệu cùng