Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong

Các chữ viết tắt : ASTM American Society for Testing and Materials Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ EN Europe standard Tiêu chuẩn Châu Âu RBDF Rubber Biodiesel Fuel Nhiên liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác!

Đà Nẵng, tháng 4 năm 2018

Tác giả luận án

Nguyễn Mạnh Cường

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC I DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ IX DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU XII MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 7

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel 7

1.1.1 Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học 7

1.1.2 Giới thiệu chung về biodiesel 8

1.2 Tổng quan về biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su 10

1.2.1 Đặc điểm chung của cây cao su và dầu hạt cao su 10

1.2.2 Đặc điểm về tính chất hóa học của dầu hạt cao su 13

1.2.3 Đặc điểm về tính chất vật lý của dầu hạt cao su 14

1.3 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel 15

1.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới 15

1.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel tại Việt Nam 17

1.4 Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy 18

1.4.1 Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ diesel 18

1.4.2 Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy 20

1.4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn biodiesel 25

1.5 Tình hình nghiên cứu quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel 26

1.5.1 Trên thế giới 26

1.5.2 Tại Việt Nam 30

1.6 Kết luận chương 1 35

2.1 Mô hình cháy hỗn hợp khuếch tán không hòa trộn trước 36

2.1.1 Mô hình rối 36

2.1.2 Hệ phương trình tổng quát biểu diễn tia phun rối 37

2.1.3 Mô hình cháy chính của J Abraham 38

2.1.4 Mô hình cháy trễ của Kong và Reitz 41

2.1.5 Đại lượng bảo toàn 43

2.1.6 Tốc độ màng lửa rối 44

2.1.7 Tính toán nhiệt độ 45

2.1.8 Tính toán các đại lượng trung bình 47

2.1.9 Mô hình hình thành bồ hóng 48

2.1.10 Mô hình hình thành NOx 51

2.1.11 Mô hình phát thải HC 52

2.1.12 Mô hình phát thải CO 53

2.2 Tính toán mô phỏng quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel 53

2.2.1 Các phần mềm dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ 53

2.2.2 Giới thiệu về mô phỏng CFD và phần mềm ANSYS FLUENT 54

2.2.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi mô phỏng 55

2.2.4 Xây dựng mô hình hình học buồng cháy và rời rạc hóa mô hình 56

2.2.5 Cài đặt các thông số mô hình 59

2.2.6 Chế độ mô phỏng và thiết lập mô hình mô phỏng 60

2.2.7 Khởi động tính toán và xử lý kết quả 61

2.2.8 Thiết lập điều kiện biên và xác định hệ số hiệu chỉnh mô hình 61

2.2.9 Đánh giá độ chính xác của mô hình 64

2.3 Kết luận chương 2 66

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 67

3.1 Mục tiêu và đối tượng thực nghiệm 67

3.1.1 Mục tiêu thực nghiệm 67

3.1.2 Đối tượng thực nghiệm 67

3.2 Bố trí và lắp đặt thực nghiệm 68

3.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 68

3.2.2 Lắp đặt động cơ thực nghiệm 69

3.2.3 Bố trí và lắp đặt thực nghiệm nội soi buồng cháy 71

3.2.4 Giới thiệu các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 73

3.3 Phương pháp thực nghiệm 75

3.3.1 Điều kiện thực nghiệm 75

3.3.2 Nội dung các chế độ thực nghiệm 75

3.3.3 Quy trình thực nghiệm 77

3.3.4 Điều kiện giới hạn của thực nghiệm 78

3.4 Phân tích đánh giá các yếu tố tác động đến kết quả thực nghiệm 79

3.4.1 Ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu 79

3.4.2 Ảnh hưởng của thiết bị thí nghiệm 79

3.4.3 Ảnh hưởng sai số khi phân tích dữ liệu thực nghiệm 80

3.5 Xử lý kết quả thực nghiệm 81

3.5.1 Phương pháp toán học trong xử lý kết quả thực nghiệm 81

3.5.2 Giới thiệu về phần mềm Matlab/Simulink 82

3.5.3 Mã code chương trình tính toán trong phần mềm Matlab/Simulink 83

3.6 Kết luận chương 3 83

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 84

4.1 Đặc trưng quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel Mazda WL 84

4.1.1 Sự ổn định của quá trình cháy trong động cơ 85

4.1.2 Biến thiên áp suất cháy trong xylanh động cơ 86

4.1.3 Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh động cơ 90

4.1.4 Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh động cơ 95

4.1.5 Tỷ lệ lượng nhiên liệu cháy MFBR và khoảng thời gian cháy 98

4.1.6 Hiệu suất cháy 102

4.1.7 Hiệu suất nhiệt 103

4.1.8 Nhiệt độ khí thải 104

4.2 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel 105

4.2.1 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ 105

4.2.2 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu kinh tế của động cơ 109 4.2.3 Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu phát thải của động cơ 113 4.3 Trực quan hóa đặc trưng quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel Mazda WL 126 4.3.1 Kết quả mô phỏng diễn biến quá trình cháy trong động cơ Mazda WL 126 4.3.2 Trực quan hóa quá trình cháy của biodiesel trong động cơ Mazda WL bằng phương pháp nội soi buồng cháy 131 4.4 Kết luận chương 4 136 KẾT LUẬN 140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN - 1 - TÀI LIỆU THAM KHẢO - 3 -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Các ký hiệu mẫu tự La Tinh :

Gnl [kg/h] Lượng tiêu hao nhiên liệu giờ

gi [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

ge [kg/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

Me [N/m] Mô men đầu ra trục khuỷu

Memax [N/m] Mô men cực đại

M0 [Kmol/kg] Lượng không khí lý thuyết

Ne [kW] Công suất có ích động cơ

Nedm [kW] Công suất định mức

Nemax [kW] Công suất có ích cực đại

n [v/ph] Số vòng quay động cơ

ndm [v/ph] Số vòng quay định mức

nmax [v/ph] Số vòng quay cực đại

nM [v/ph] Số vòng quay ứng với Me cực đại

pe [N/m2] Áp suất có ích trung bình

pi [N/m2] Áp suất chỉ thị trung bình

pk [N/m2] Áp suất trước xú-páp nạp

Ta [K] Nhiệt độ cuối quá trình nạp

pa [N/m2] Áp suất cuối quá trình nạp

QH [J/kg] Nhiệt trị thấp của một kg nhiên liệu

wphun [m/s] Vận tốc phun

p’ [kG/cm2] Áp suất phun trung bình

p'k [kG/cm2] Áp suất không khí nén trong xylanh

v [dm3/ct] Thể tích nhiên liệu cấp cho 1 xylanh

g [kg/ct] Lượng nhiên liệu cấp cho 1 xylanh

M1 [kg/s] Lưu lượng nhiên liệu ban đầu khi ra khỏi vòi phun

M [kg/s] Lưu lượng tổng cộng của hỗn hợp khí

Tox [oC] Nhiệt độ nguồn oxy

Tf [oC] Nhiệt độ nguồn nhiên liệu

Tad [oC] Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt của nhiên liệu trong oxy

a [m/s] Vận tốc âm thanh

k [-] Hệ số năng lượng rối động học

 [-] Hệ số tiêu tán động năng rối

3 Các chữ viết tắt :

ASTM American Society for Testing and Materials (Hiệp hội vật liệu

và thử nghiệm Hoa Kỳ)

EN Europe standard (Tiêu chuẩn Châu Âu)

RBDF Rubber Biodiesel Fuel (Nhiên liệu sinh học từ dầu hạt cao su)

FFA Free Fatty Acid (Axit béo tự do)

RSO Rubber Seed Oil (Dầu hạt cao su)

BMEP Brake Mean Effective Pressure (Áp suất có ích trung bình)

IMEP Indicate Mean Effective Pressure (Áp suất chỉ thị trung bình)

MFBR Mass Fraction Burn Rate (Tỷ lệ khối lượng cháy)

BTE Brake Thermal Efficiency (Hiệu suất nhiệt)

HRR Heat Release Rate (Tốc độ tỏa nhiệt)

Ce Combustion efficiency (Hiệu suất cháy)

Cd Combustion duration (Khoảng thời gian cháy)

COV Coefficient of Variation (Hệ số biến thiên)

COV of IMEP Hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình

SOC Start of Combustion (Thời điểm bắt đầu cháy)

EOC End of Combustion (Thời điểm kết thúc cháy)

SOI Start of Injection (Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu)

ID Ignition Delay (Thời gian cháy trễ)

BSFC Brake Specific Fuel Consumption (Suất tiêu hao nhiên liệu)

AVL Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List (Tên công ty)

APA Asynchron Pendelmaschinen Anlage (Băng thử công suất)

DO Diesel Oil (Nhiên liệu Diesel)

B15 Biodiesel 15% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 15%)

B20 Biodiesel 20% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 20%)

B25 Biodiesel 25% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 25%)

B30 Biodiesel 30% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 30%)

ppm parts per million (Một phần triệu)

rpm revolutions per minute (Tốc độ vòng trên phút)

NLSH Năng lượng sinh học

PM Particulate Metter (Bồ hóng hoặc vật chất hạt rắn)

CFD Computational Fuild Dynamics (Động lực học chất lỏng)

FDM Finite Difference Methods (Phương pháp sai phân hữu hạn)

FEM Finite Element Methods (Phương pháp phần tử hữu hạn)

FVM Finite Volume Methods (phương pháp thể tích hữu hạn)

TĐCT Trước điểm chết trên

SĐCT Sau điểm chết trên

DI Direct Injection (Phun trực tiếp)

IDI Indirect Injection (Phun gián tiếp)

CO2 Carbon dioxide

NOx Nitrogen oxides

Opac Opacity (Độ mờ khói)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Hình ảnh cây, quả và dầu hạt cao su 11

Hình 1.2: Thống kê diện tích và sản lượng cao su tại Việt Nam [113] 11

Hình 1.3: Các khả năng chế biến từ hạt cao su 12

Hình 1.4: Sản lượng diesel sinh học ở châu Âu từ năm 1998 đến 2013 [112] 16

Hình 1.5: Sự phát triển ngọn lửa trong quá trình cháy của B0 và B100 [28] 24

Hình 2.1: Biến thiên áp suất cháy, tốc độ phun nhiên liệu, tốc độ tỏa nhiệt[61] 40

Hình 2.2: Tốc độ cháy và tỷ lệ nhiên liệu cháy theo góc quay trục khuỷu [61] 41

Hình 2.3: Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” [69] 50

Hình 2.4: Buồng cháy ngăn cách của động cơ Mazda WL- Turbo 57

Hình 2.5: Chia lưới buồng cháy ngăn cách của động cơ Mazda WL- Turbo 57

Hình 2.6: Lưu đồ thuật toán mô hình cháy trong mô phỏng Ansys [27] 58

Hình 2.7: So sánh đường cong áp suất nén giữa mô phỏng và thực nghiệm 63

Hình 2.8: So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa MP và TN 65

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm động cơ Mazda WL-Turbo 69

Hình 3.2: Lắp đặt động cơ thực nghiệm 71

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nội soi buồng cháy 72

Hình 3.4: Lắp đặt động cơ thực nghiệm nội soi buồng cháy trên băng thử AVL 73

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của thiết bị AVL733S 74

Hình 3.6: Biểu đồ chu trình thử ECE R49 [49] 76

Hình 4.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ nhiên liệu biodiesel đến COV of IMEP 86

Hình 4.2: Biến thiên áp suất trong xylanh theo mô phỏng 86

Hình 4.3: Biến thiên áp suất trong xylanh theo thực nghiệm 86

Hình 4.4: Xu hướng thay đổi pzmax giữa DO và biodiesel theo mô phỏng 88

Hình 4.5: Xu hướng thay đổi pzmax giữa DO và biodiesel theo thực nghiệm 88

Hình 4.6: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của áp suất cháy cực đại khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 89

Hình 4.7: Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo mô phỏng 90

Hình 4.8: Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo thực nghiệm 90

Hình 4.9: Xu hướng thay đổi HRRmax giữa DO và biodiesel theo mô phỏng 92

Hình 4.10: Xu hướng thay đổi HRRmax giữa DO và biodiesel theo thực nghiệm 92

Hình 4.11: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của tốc độ tỏa nhiệt cực đại khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 93

Hình 4.12: Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh theo mô phỏng 95

Hình 4.13: Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh theo thực nghiệm 95

Hình 4.14: Xu hướng thay đổi Tmax giữa DO và biodiesel theo mô phỏng 96

Hình 4.15: Xu hướng thay đổi Tmax giữa DO và biodiesel theo thực nghiệm 96

Hình 4.16: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của nhiệt độ cháy cực đại khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 98

Hình 4.17: Biến thiên tỷ lệ lượng nhiên liệu cháy giữa DO và biodiesel 99

Hình 4.18: Đồ thị so sánh thời gian cháy của nhiên liệu DO và biodiesel 100

Hình 4.19: Đồ thị so sánh hiệu suất cháy của DO và biodiesel theo thực nghiệm 102 Hình 4.20: Đồ thị so sánh hiệu suất nhiệt của DO và biodiesel theo thực nghiệm 103 Hình 4.21: Ảnh hưởng của biodiesel đến nhiệt độ khí xả động cơ theo TN 104

Hình 4.22: Xu hướng thay đổi công suất động cơ theo mô phỏng 107

Hình 4.23: Xu hướng thay đổi công suất động cơ theo thực nghiệm 107

Hình 4.24: Đặc tính tốc độ của công suất động cơ theo thực nghiệm 107

Hình 4.25: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 109

Hình 4.26: Xu hướng thay đổi suất tiêu hao năng lượng động cơ theo MP 110

Hình 4.27: Xu hướng thay đổi suất tiêu hao năng lượng động cơ theo TN 110

Hình 4.28: Đặc tính suất tiêu hao năng lượng động cơ theo thực nghiệm 111

Hình 4.29: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của suất tiêu hao năng lượng động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 112

Hình 4.30: Xu hướng thay đổi phát thải NOx của động cơ theo mô phỏng 115

Hình 4.31: Xu hướng thay đổi phát thải NOx của động cơ theo thực nghiệm 115

Hình 4.32: Đặc tính thành phần phát thải NOx của động cơ theo thực nghiệm 115

Hình 4.33: Xu hướng thay đổi độ mờ khói %Opac của động cơ theo mô phỏng 118

Hình 4.34: Xu hướng thay đổi độ mờ khói %Opac của động cơ theo TN 118

Hình 4.35: Đặc tính thành phần phát thải %Opac của động cơ theo thực nghiệm 118 Hình 4.36: Xu hướng thay đổi phát thải CO của động cơ theo mô phỏng 120

Hình 4.37: Xu hướng thay đổi phát thải CO của động cơ theo thực nghiệm 120

Hình 4.38: Đặc tính thành phần phát thải CO của động cơ theo thực nghiệm 121

Hình 4.39: Xu hướng thay đổi phát thải HC của động cơ theo mô phỏng 123

Hình 4.40: Xu hướng thay đổi phát thải HC của động cơ theo thực nghiệm 123

Hình 4.41: Đặc tính thành phần phát thải HC của động cơ theo thực nghiệm 123

Hình 4.42: Xu hướng thay đổi các kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm 126

Hình 4.43: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ DO 127

Hình 4.44: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B15 128

Hình 4.45: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B20 128

Hình 4.46: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B25 129

Hình 4.47: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B30 130

Hình 4.48: Hình ảnh quá trình cháy tại n=2500 v/ph, 75% tải 132

Hình 4.49: Hình ảnh trường nhiệt độ tại n=2500 v/ph, 75% tải 133

Hình 4.50: Hình ảnh phân tán bồ hóng tại n=2500 v/ph, 75% tải 135

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh các chỉ tiêu của Biodiesel và Diesel khoáng [11] 9

Bảng 1.2: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717-07 cho diesel sinh học gốc (B100) [14] 10

Bảng 1.3: Thành phần phần trăm hoá học của nhân hạt cao su [3] 13

Bảng 1.4: Một số tính chất hoá lý của dầu hạt cao su [7], [15] 15

Bảng 1.5: So sánh dầu hạt cao su và các loại dầu khác [7], [15] 15

Bảng 1.6: Tính chất vật lý và hóa học của diesel và diesel sinh học [28] 23

Bảng 1.7: Thống kê kết quả các công trình nghiên cứu điển hình liên quan đến quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel 29

Bảng 1.8: Thống kê sự ảnh hưởng của biodiesel đến tính năng và phát thải [65] 30

Bảng 2.1: Các hệ số thời gian cháy trễ [61] 41

Bảng 2.2: Các bước hình thành bồ hóng và tốc độ phản ứng [54] 50

Bảng 2.3: Chuỗi phản ứng hình thành NOx 52

Bảng 2.4: Các thông số cơ bản của động cơ Mazda WL-Turbo 56

Bảng 2.5: So sánh một số tính chất của B15, B20, B25 và B30 với diesel 59

Bảng 2.6: Các hệ số mô hình Shell [69] 63

Bảng 2.7: Bảng tổng hợp các thông số điều kiện biên cho mô hình 64

Bảng 2.8: So sánh sai lệch kết quả Ne, ge giữa mô phỏng và thực nghiệm 65

Bảng 3.1: Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 76

Bảng 3.2: nội dung các chế độ thực nghiệm 77

Bảng 4.1: So sánh giá trị áp suất cháy cực đại theo mô phỏng 88

Bảng 4.2: So sánh giá trị áp suất cháy cực đại theo thực nghiệm 88

Bảng 4.3: So sánh kết quả áp suất cháy cực đại giữa mô phỏng và thực nghiệm 89

Bảng 4.4: So sánh giá trị tốc độ tỏa nhiệt cựa đại theo mô phỏng 91

Bảng 4.5: So sánh giá trị tốc độ tỏa nhiệt cực đại theo thực nghiệm 92

Bảng 4.6: So sánh kết quả tốc độ tỏa nhiệt cực đại giữa MP và TN 93

Bảng 4.7: So sánh giá trị nhiệt độ cháy cực đại theo mô phỏng 96

Bảng 4.8: So sánh giá trị nhiệt độ cháy cực đại theo thực nghiệm 97

Bảng 4.9: So sánh kết quả nhiệt độ cháy cực đại giữa MP và TN 97

Bảng 4.10: So sánh giá trị thời gian quá trình cháy theo thực nghiệm 101

Bảng 4.11: Giá trị công suất khi sử dụng DO và biodiesel theo mô phỏng 106

Bảng 4.12: Giá trị công suất khi sử dụng DO và biodiesel theo thực nghiệm 106

Bảng 4.13: So sánh kết quả công suất động cơ giữa mô phỏng và thực nghiệm 108

Bảng 4.14: So sánh giá trị suất tiêu hao năng lượng động cơ theo mô phỏng 109

Bảng 4.15: So sánh giá trị suất tiêu hao năng lượng động cơ theo thực nghiệm 110

Bảng 4.16: So sánh kết quả suất tiêu hao năng lượng giữa MP và TN 112

Bảng 4.17: So sánh giá trị phát thải NOx của các nhiên liệu theo mô phỏng 114

Bảng 4.18: So sánh giá trị phát thải NOx của các nhiên liệu theo thực nghiệm 114

Bảng 4.19: So sánh giá trị phát thải Opac của các nhiên liệu theo mô phỏng 116

Bảng 4.20: So sánh giá trị bồ hóng %Opac của các nhiên liệu theo thực nghiệm 116 Bảng 4.21: So sánh giá trị phát thải CO của các nhiên liệu theo mô phỏng 119

Bảng 4.22: So sánh giá trị phát thải CO của các nhiên liệu theo thực nghiệm 119

Bảng 4.23: So sánh giá trị phát thải HC của các nhiên liệu theo mô phỏng 122

Bảng 4.24: So sánh giá trị phát thải HC của các nhiên liệu theo thực nghiệm 122

Bảng 4.25: So sánh kết quả phát thải NOx, Opac giữa MP và TN 124

Bảng 4.26: So sánh kết quả phát thải CO, HC giữa mô phỏng và thực nghiệm 125

Bảng 4.27: Kết quả mô phỏng diễn biến quá trình cháy trong động cơ 130

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường gia tăng, kéo theo nhiều hệ lụy xấu ảnh hưởng đến sức khỏe con người và phát triển xã hội Cùng với sự phát triển mạnh của kinh tế, xã hội là sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong Sự gia tăng đó 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 khắc phục những hạn chế này, đã có rất nhiều các biện pháp, giải pháp công nghệ được

đề xuất, triển khai ứng dụng trên toàn thế giới nhằm mục tiêu giải quyết bài toán về

an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường

Có thể nói rằng việc tìm kiếm, nghiên cứu sử dụng các dạng nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang cạn kiệt dần để đảm bảo tăng trưởng kinh tế và bảo vệ môi trường đã trở nên bức thiết hơn bao giờ hết, đã và đang trở thành chính sách hàng đầu trong chiến lược phát triển kinh tế của mọi quốc gia Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều v.v Năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm

Nhằm góp phần bảo đảm mục tiêu an ninh năng lượng, giảm dần sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch truyền thống, cải thiện môi trường, đồng thời thực hiện tốt các cam kết của Chính phủ Việt Nam với quốc tế về giảm khí thải nhà kính, góp phần tạo thu nhập bền vững cho khu vực nông nghiệp và thúc đẩy tái cơ cấu ngành nông nghiệp Năm 2007, Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết định 177/2007/QĐ-TTg Đồng thời, ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống Quyết định này có hiệu lực thi hành kể từ ngày 15 tháng 01 năm 2013

và có lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn cụ thể tuy vẫn ở tỷ lệ thấp Điều này thể hiện tham vọng của Chính phủ và cũng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học

Trong số các nhiên liệu sinh học, thì diesel sinh học (biodiesel) được quan tâm hơn cả, do xu hướng diesel hóa động cơ và giá diesel khoáng ngày càng tăng cao Hơn nữa, biodiesel được xem là loại phụ gia rất tốt cho nhiên liệu diesel khoáng, làm giảm đáng kể lượng khí thải độc hại và nó là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo được Việt Nam là đất nước nông nghiệp, vì vậy các loại nhiên liệu biodiesel được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên liệu có mức phát thải độc hại thấp, trữ lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên các động cơ hiện hành mà không cần phải thay đổi nhiều về kết cấu Điều này đặc biệt có ý nghĩa thực tiễn cao khi tận dụng một số lượng lớn động cơ diesel đang vận hành tại Việt Nam chuyển sang

sử dụng nhiên liệu biodiesel

Biodiesel có nguồn gốc từ mỡ động vật dễ bị nhiễm khuẩn làm giảm sút chất lượng trong bảo quản, thời gian bảo quản được khuyến cáo là dưới 1 năm với chế

độ nghiêm ngặt điều này chưa phù hợp với trình độ kỹ thuật của nước ta Trong khi

đó biodiesel từ dầu thực vật được bảo quản trong điều kiện thông thường Ngoài ra, nếu sản xuất biodiesel từ dầu ăn tinh chế (hay là dầu ăn được như dầu đậu nành, dầu lạc, dầu đậu tương, dầu vừng, dầu dừa v.v.) thì giá thành khá cao và còn ảnh hưởng đến an ninh lương thực Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa,

có tiềm năng lớn trong việc phát triển nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học, đặc biệt là các nguồn nguyên liệu như dầu cọ, dầu hạt bông, dầu từ cây Jatropha (cây cọc rào), dầu từ hạt cao su v.v Bên cạnh đó, cây cao su cho giá trị kinh tế chính là mủ cao su, việc tận dụng thu hồi hạt cao su để sản xuất nhiên liệu biodiesel làm tăng giá trị kinh tế cho cây cao su Theo thống kê Hiệp hội Cao su Việt Nam, năm 2015 diện tích vườn cao su ở Việt Nam là 910.500 ha Vậy hằng năm chúng ta thu khoảng 910.050 tấn hạt (tính cho 1tấn hạt/1ha/1năm) tương đương lượng dầu thu được khoảng 91.050 tấn dầu hạt cao su, đây là một con số đáng chú ý Do đó việc nghiên cứu và tổng hợp nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao

su sử dụng cho động cơ diesel là rất cần thiết và phù hợp với điều kiện của nước ta hiện nay

Do nhiên liệu biodiesel có sự khác biệt về tính chất hóa-lý (thành phần hóa học, tỷ trọng, độ nhớt động học v.v.) và đặc tính cháy (nhiệt trị, trị số cetane v.v.) so với nhiên liệu diesel truyền thống nên sẽ tác động đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel

Chính vì vậy, trong giới hạn nghiên cứu ở Việt Nam, thấy rằng việc “Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong” mang tính cấp

thiết trong bối cảnh hiện nay đồng thời có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận án có mục tiêu tổng thể là nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel truyền thống từ đó định hướng về mặt khoa học khi

sử dụng nhiên liệu biodiesel với các tỷ lệ lớn hơn 10% (B10) Đồng thời đẩy mạnh việc nghiên cứu nâng cao tỷ lệ phối trộn biodiesel

Mục tiêu cụ thể của luận án bao gồm:

- Đánh giá được các đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel

- Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ biodiesel thay thế đến các chỉ tiêu kinh

tế, kỹ thuật, phát thải cũng như thông số vận hành của động cơ diesel

- Đưa ra khuyến cáo sử dụng biodiesel cho động cơ diesel hoạt động đạt hiệu

quả nhất và nâng cao công năng sử dụng

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tƣợng nghiên cứu:

- Động cơ diesel Mazda WL-Turbo 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, buồng cháy phụ (hình trụ nối chỏm cầu) được lắp trên ô tô Mazda 2500 và Ford Ranger, được

sử dụng tương đối phổ biến trong giao thông đường bộ tại Việt Nam

- Hỗn hợp nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu hạt cao su có tỷ lệ pha trộn 15%, 20%, 25%, 30% (B15, B20, B25, B30) và DO (diesel truyền thống)

 Phạm vi nghiên cứu:

Về lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về quá trình cháy và phân tích các mô

hình toán để ứng dụng trong mô phỏng khi sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT Trong mô phỏng, chỉ mô phỏng ở một số chế độ tải và số vòng quay động cơ diesel thường sử dụng cụ thể là: Chế độ tải 25%, 50%, 75% tương ứng với mức tải nhỏ, tải trung bình, tải lớn tại số vòng quay 1500 v/ph và 2250 v/ph

Về thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel Mazda WL ở

chế độ tải 25%, 50%, 75%, tương ứng với số vòng quay từ 1000 v/ph đến 3000 v/ph Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ Mazda WL với các loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) và biodiesel ở chế độ 75% tải và số vòng quay 2250 v/ph

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại: Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính chất và đặc điểm quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel

- Nghiên cứu lựa chọn các mô hình toán trong phần mềm mô phỏng

- Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel sử dụng biodiesel

có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trên phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT

- Thực nghiệm trên băng thử công suất động cơ, đo diễn biến áp suất trong buồng cháy động cơ từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến đặc tính cháy của động cơ diesel

- Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ Mazda WL với các loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) và biodiesel nhằm quan sát đánh giá đặc tính cháy

- Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến đặc tính kinh

tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel từ đó khuyến cáo các phương án cần thiết khi sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel đạt hiệu quả nhất

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng với nghiên cứu thực nghiệm

6 Tên đề tài

“Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong”

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xác định được các yếu tố cơ bản nhất của quá trình cháy từ dữ liệu diễn biến áp suất buồng cháy như: Sự ổn định của quá trình cháy thông qua hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình (COV of IMEP); Tỷ lệ nhả nhiệt HRR (Heat Release Rate); Tỷ lệ khối lượng cháy MFB (Mass Fraction Burn); Hiệu suất cháy (Combustion efficiency); Khoảng thời gian cháy (Combustion duration) và Hiệu suất nhiệt (Brake thermal efficiency) Bên cạnh đó, luận án cũng đã thiết lập được việc quan sát hỗn hợp cháy trong buồng cháy động

cơ bằng phương pháp nội soi kết hợp xử lý hình ảnh diễn biến quá trình cháy thông qua phần mềm VisioScope Những kết quả này là minh chứng khoa học trong việc nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel

Luận án đã xây dựng được các mối quan hệ giữa các thông số vận hành như: công suất, suất tiêu hao nhiên liệu của hỗn hợp nhiên liệu biodiesel và các thành phần phát thải độc hại với các loại nhiên liệu Đây là các đường đặc tính cơ sở nhằm

hỗ trợ cho việc nâng cao tỷ lệ diesel sinh học trên thực tế

Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã cung cấp các dữ liệu cụ thể từ kết quả nghiên

cứu để đưa ra những định hướng khoa học khi sử dụng nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su làm nhiên liệu thay thế các động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam

Các kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học góp phần xây dựng các tiêu chuẩn về nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su dùng cho việc hoạch định chính sách sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực trang bị động cơ diesel theo hướng tăng tỷ lệ diesel sinh học trong hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel Qua đó góp phần sớm đưa Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống vào hiện thực

8 Bố cục của luận án

Luận án được kết cấu gồm các nội dung chính như sau: Mở đầu; Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Cơ sở lý thuyết; Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm; Chương 4: Kết quả và thảo luận; Kết luận và hướng phát triển

9 Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án

1- Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ diesel Mazda WL trên phần mềm ANSYS FLUENT Thông qua mô hình đã xây dựng có thể phân tích, đánh giá được đặc trưng quá trình cháy nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong, đồng thời cũng là cơ sở để giải thích, định hướng và đánh giá kết quả thực nghiệm

2 Bằng mô phỏng luận án đã dự báo được sự thay đổi các thông số đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel về mặt qui luật Đồng thời, cũng đã chỉ ra hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy khi mô phỏng trong ANSYS FLUENT đối với nhiên liệu biodiesel có tỷ lệ từ B15 đến B30 cụ thể như sau:

 Áp dụng mô hình cháy chính của J Abraham cần hiệu chỉnh các thông số đối với tốc độ tỏa nhiệt: hệ số giãn dòng C’d=1,38Cd; hệ số số mũ đặc trưng cho tốc độ cháy a’=0,86a; thông số dạng cháy m’= 1,14m đối với biodiesel từ dầu hạt cao su

 Áp dụng mô hình Shell để tính toán thời gian cháy trễ được đề xuất bởi Kong

và Reitz, thay đổi thời gian cháy trễ Af4 từ mô hình cháy trễ quan hệ theo phương trình 4  4    x 4 y4

f  A exp  E / RT O RH Hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy Ef4 của nhiên liệu biodiesel do ảnh hưởng của số cetane khi mô phỏng là 𝐸𝑓4∗ = 3,0𝑒 4 75

𝐶𝑁+25 3- Bằng thực nghiệm luận án đã chỉ ra được đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel Mazda WL với các tỷ lệ B15, B20, B25, B30 và đánh giá được ảnh hưởng của tính chất, tỷ lệ pha trộn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải cũng như thông số vận hành của động cơ diesel Kết quả thực nghiệm nội soi buồng cháy hoàn toàn tương đồng với kết quả nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm trong luận án

10 Hạn chế của luận án

Luận án chưa nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến tính năng động cơ diesel khi sử dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel

1.1.1 Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học (NLSH) gồm có nhiều loại như xăng sinh học (biogasoline), diesel sinh học (biodiesel) và khí sinh học (biogas) - loại khí được tạo thành do sự phân hủy yếm khí các chất thải nông nghiệp, chăn nuôi và lâm nghiệp Trong các dạng trên thì chỉ có biogasoline và biodiesel được quan tâm nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng trong quy mô công nghiệp Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật, có chỉ tiêu kỹ thuật gần giống với diesel khoáng Về bản chất hóa học nó là monoankyl este của các axit béo mạch dài Như vậy, nguyên liệu

để sản xuất biodiesel khá phong phú, chúng có nguồn gốc sinh học và có thể tái tạo được NLSH là nhiên liệu nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất

có nguồn gốc từ động thực vật [11] Ví dụ như nhiên liệu chế suất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa ) ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương) các chất thải nông nghiệp (rơm rạ, phân ) sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải ) NLSH được sản xuất từ rất nhiều dạng khác nhau, có thể tổng hợp một số nguyên liệu chính như: Cồn, Dầu thực vật, Methyl hoặc Ethyl ester, Hợp chất hữu

cơ chứa oxy, Dimetyl ether (DME), Dimetyl cacbonate (DMC) và Hydrogen

NLSH dùng cho động cơ đốt trong bao gồm hai loại chủ yếu sau:

- Nhiên liệu lỏng: Bao gồm xăng sinh học là các loại metanol, ethanol, bio-butanol… Diesel sinh học: Là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este (transesterification)

bio Khí sinh học (Biogas): Là hỗn hợp methane (CH4) và một số khí khác sinh

ra từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Thành phần chính của Biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước

N2, O2, H2S, CO được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20÷40ºC [12]

1.1.2 Giới thiệu chung về biodiesel

1.1.2.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel

Nguồn biodiesel được sản xuất từ rất nhiều dạng khác nhau, có thể tổng hợp một số nguyên liệu chính như: Dầu thực vật, Dầu dừa, Dầu hạt cao su, Dầu sở, Dầu bông, Dầu hướng dương, Dầu thầu dầu hay còn gọi là dầu ve, Dầu lạc, Dầu vừng, Dầu ngô, Cây cọ dầu (danh pháp khoa học: Elaeis), Cây cải dầu (Brassica napus), Dầu mè (tên khoa học: Jatropha curcas) Nói chung, các hàm lượng chất béo của các dầu thực vật khác nhau, nhưng hầu hết tất cả các loại dầu thực vật đều có thể là nguyên liệu để sản xuất biodiesel hoặc pha trộn với nhiên liệu khoáng làm giảm đáng kể các khí độc hại trong khí thải như SOx, NOx, HC, CO Ở nước ta rất thích hợp với các loại cây lấy dầu, vốn đầu tư lại ít nên việc trồng với một lượng lớn các cây dầu này sẽ là nguồn nguyên liệu tốt cho quá trình sản xuất biodiesel, và rất có ý nghĩa về mặt bảo vệ môi trường

Mỡ động vật: Đây là nguồn nguyên liệu lấy từ mỡ các con vật, ví dụ như mỡ

có giải pháp để giảm độ nhớt của dầu mỡ Đã có bốn phương pháp tổng hợp biodiesel được nghiên cứu để giải quyết vấn đề độ nhớt cao đó là: sự pha loãng, nhiệt phân, cracking xúc tác và chuyển hóa este dầu thực vật [11] Về phương diện hóa học, quá trình trao đổi este còn gọi là quá trình rượu hóa, có nghĩa là từ một phân tử triglyxerit trao đổi este với 3 phân tử rượu mạch thẳng, tách ra glyxerin và tạo ra các ankyl este Trong phản ứng ester hóa của axit béo với methanol, người ta thường tiến hành ở khoảng nhiệt độ sôi của methanol (khoảng 60÷650C)

Sau khi nghiên cứu, phân tích và xem xét các phương pháp trên thì phương pháp chuyển hoá este tạo biodiesel là sự lựa chọn tốt nhất theo phản ứng [1]:

1.1.2.3 So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng

Biodiesel có một số tính chất vật lý gần giống với dầu diesel khoáng sản Sản phẩm cháy của biodiesel sạch hơn nhiều so với nhiên liệu diesel khoáng và với tỷ lệ pha trộn thấp có thể được sử dụng trong các động cơ diesel mà không cần phải thay đổi kết cấu của động cơ và có thể tham khảo bảng 1.1 để so sánh các chỉ tiêu chính

Bảng 1.1: So sánh các chỉ tiêu của Biodiesel và Diesel khoáng [11]

37000 0,0÷0,0024 -11÷16 60÷135

0,81÷0,89 1,9÷4,1 40÷55

43800 0,5

- 8.6

1.1.2.4 Tiêu chuẩn chất lượng đối với biodiesel

Các tiêu chuẩn về đặc tính của NLSH B100 được xây dựng thành bộ Nói chung mỗi quốc gia có những bộ tiêu chuẩn riêng của mình Ví dụ : Australia có bộ tiêu chuẩn ONORM1190, Đức có bộ tiêu chuẩn là DIN V 51606, Mỹ có bộ tiêu chuẩn ASTM 6751-02

+ (Xúc tác)

Dầu thực vật Rượu mạch thẳng Glyxerin Biodiezel

Tại Việt Nam cũng đã đưa được ra quy chuẩn quốc gia về diesel sinh học (B100) vào năm 2007 đã tạo ra hành lang pháp lý cho sự phát triển NLSH tại Việt Nam Nói chung, việc xây dựng tiêu chuẩn và quy chuẩn Việt Nam cho nhiên liệu diesel sinh học được dựa trên việc tham khảo các tiêu chuẩn trên thế giới như tiêu chuẩn ASTM của Mỹ, EN của Châu Âu Mỗi chỉ tiêu và các phương pháp xác định

sẽ được mô tả trong bảng 1.2 dưới đây

Bảng 1.2: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717-07 cho diesel sinh học gốc (B100) [14]

Khối lượng riêng tại 15 oC, kg/m³ 860÷900 TCVN 6594 (ASTM D 1298)

Độ nhớt động học tại 40 oC, mm2/s 1,9÷6,0A TCVN 3171 (ASTM D 445)

Lưu huỳnhB, % khối lượng (ppm) max 0,05 (500) TCVN 6701 (ASTM D 2622)

Độ ổn định oxy hóa, tại 110oC, giờ min 6 EN 14112

1.2 Tổng quan về biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su

1.2.1 Đặc điểm chung của cây cao su và dầu hạt cao su

Cây cao su (danh pháp khoa học là Hevea brasiliensis) là một loài cây thân

gỗ thuộc họ Đại kích (Euphorbiaceae) Cây cao su có nguồn gốc từ vùng rừng mưa nhiệt đới Amazon (Brazil) Ngày nay, cây cao su hiện diện ở nhiều nơi thế giới, trong đó, nhiều nhất là vùng Đông Nam Á và một số vùng có khí hậu nhiệt đới Cây cao su trưởng thành có thể cao đến 30m và vòng đời kéo dài từ 30÷40 năm Mỗi năm cây cho trái hai lần và mỗi trái chứa từ 3÷4 hạt, khi chín chúng rơi xuống đất

và hạt được tách ra Hạt cao su chỉ là sản phẩm phụ, cây cao su chủ yếu trồng để lấy

mủ và gỗ Do đó việc tách dầu từ hạt cao su làm tăng thu nhập, thu hút lao động và tác động đến bảo vệ môi trường Nhân hạt cao su (chiếm 50÷60% hạt) chứa 40÷50

% (khối lượng) là dầu có màu nâu Hạt cao su có hình elipxoid với nhiều kích cỡ, dài khoảng 2.5÷3 cm Hạt bóng có khối lượng khoảng 2÷4 g/hạt, trên hạt có các chấm nâu thể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1: Hình ảnh cây, quả và dầu hạt cao su

Hình 1.2: Thống kê diện tích và sản lượng cao su tại Việt Nam [113]

Theo hiệp hội cao su Việt Nam thì diện tích và sản lượng cây cao su tại Việt Nam được thống kê sơ bộ đến năm 2015 như trên đồ thị hình 1.2 [113] Hàng năm,

khoảng tháng 8 hoặc tháng 9 là thời điểm cao su cho trái rộ nhất với năng suất khoảng 1tấn hạt/1ha Theo thống kê trên thế giới, khi ép 1 tấn hạt, trung bình thu được 100kg dầu hạt cao su Như vậy, với 1.000.000 (ha) ta sẽ thu được 1.000.000 tấn hạt, tương đương 100.000 tấn dầu từ hạt cao su đây là con số đáng quan tâm Một số khả năng có thể sử dụng hạt cao su để chế biến thành các sản phẩm khác nhau thể hiện tại hình 1.3

Hình 1.3: Các khả năng chế biến từ hạt cao su

Dầu hạt cao su có chứa cyanogenic glycosides, hợp chất này dưới tác dụng của enzyme đặc hiệu hoặc trong môi trường acid yếu sẽ chuyển hóa thành hợp chất

cyanua Do đó dầu cao su không thể sử dụng được trong thực phẩm Dầu hạt cao su cũng có thể chế biến ra methyl ester như các loại dầu thực vật khác để sử dụng trong công nghiệp

1.2.2 Đặc điểm về tính chất hóa học của dầu hạt cao su

Hai sản phẩm được tạo ra từ hạt cao su đó là dầu và bánh dầu Dầu chứa 18,1% các axit béo no, gồm axit palmitic và axit stearic và 80,5% các axit béo không no, gồm chủ yếu là axit oleic, axit linoleic và axit linolenic Dầu từ hạt cao su chứa khoảng 30÷35% axit linoleic, 17÷24% axit linolenic nên có tính chất của dầu bán thô Hàm lượng axit béo tự do chưa tinh luyện trong dầu hạt cao su là 17% [38]

Trong dầu hạt cao su, các metyl este của các acid béo no làm tăng điểm đông, trị số cetane và tăng độ bền trong khi những polymer không no làm giảm điểm đông, trị số cetane và cả độ bền Loại và thành phần acid béo có trong dầu thực vật phụ thuộc vào vùng đất trồng cây và điều kiện chăm sóc Thành phần hóa học của nhân hạt cao su có hàm lượng dầu cao được trình bày ở bảng 1.3

Bảng 1.3: Thành phần phần trăm hoá học của nhân hạt cao su [3]

Thành phần hoá học của dầu hạt cao su chủ yếu là các triglycerid nên chúng

có đầy đủ tính chất của một ester điển hình [3]

Phản ứng thuỷ phân: Ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và xúc tác nhất định (thường là xúc tác axit, enzyme) sẽ xảy ra phản ứng thuỷ phân ester lần lượt tạo thành các diglyceride và monoglyceride, cuối cùng là axit béo và glycerine

Phản ứng tổng quát có thể viết như sau:

HO CH

R

COO CH

COOH R

COOH R

HO CH

O 3H R COO CH

COOH R

HO CH

R

COO CH

2 3

2

3

2 2

2

1

2 1

Phản ứng xà phòng hoá: Trong môi trường kiềm, ester trong dầu hạt cao su

sẽ phản ứng với kiềm tạo thành muối natri (kali) của axit béo (thành phần chính của

xà phòng) và glycerine

HO CH R COO CH

COONa R

COONa R

HO CH

3NaOH

R COO CH

COONa R

HO CH R COO CH

2 3

2

3

2 2

1

2 1

HO CH R COO CH

COOR R

COOR R

HO CH

3ROH R COO CH

COOR R

HO CH R COO CH

2 3

2

3

2 2

1

2 1

1.2.3 Đặc điểm về tính chất vật lý của dầu hạt cao su

Theo báo cáo khoa học lần thứ nhất về nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (Biofuel và Biodiesel ở Việt Nam) ngày 23/08/2006, thành phần axit béo và những tính chất quan trọng khác của dầu hạt cao su được so sánh với các loại dầu khác, được trình bày trong bảng 1.4 và 1.5 dưới đây

Bảng 1.4: Một số tính chất hoá lý của dầu hạt cao su [7], [15]

Dầu hạt cải

Dầu hạt bông cải

Dầu hạt đậu nành

6,8 3,26 16,93 73,73

0

3,49 0,85 64,4 22,3 8,23

11,67 0,89 13,27 57,51

0

11,75 3,15 23,26 55,53 6,31

1.3 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel

1.3.1 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới

Tại Châu Âu, diesel sinh học đã được sản xuất lần đầu tiên ở Áo và Đức Người ta đặc biệt quan tâm đến diesel sinh học từ sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ

vào những năm 1980 Việc tổng hợp diesel sinh học trong phòng thí nghiệm bởi Mittelbach ở Đại học Graz diễn ra lần đầu tiên năm 1983 Nhà máy công nghiệp đầu tiên sản xuất metyl ester dầu hạt cải đã được xây dựng năm 1991 ở Áo Năm

1996 hai nhà máy qui mô lớn ở Rouen (Pháp) và Leer (Đức) đã chứng minh sự phát triển mạnh của ngành công nghiệp diesel sinh học [48] Hình 1.4 cho ta thấy sự tăng trưởng hàng năm sản lượng diesel sinh học ở châu Âu (từ năm 1998 đến năm 2013)

Tại Mỹ, sản lượng diesel sinh học cũng tăng mạnh trong những năm gần đây Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Mỹ là dầu đậu nành tinh khiết, dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ động vật Theo Hội NLSH Mỹ, với sự ủng hộ của chính phủ, lượng diesel sinh học bán ra có thể đạt gần 2 tỷ gallon mỗi năm Tổng lượng diesel sinh học tiêu thụ ở Mỹ năm 2000 là gần 20 triệu gallon [11]

Hình 1.4: Sản lượng diesel sinh học ở châu Âu từ năm 1998 đến 2013 [112]

Tại Ấn Độ, do sở hữu diện tích đất nông nghiệp rất phong phú (Ấn Độ là nước đề ra phong trào Cách mạng Xanh) nên quá trình sản xuất biodiesel của nước này chủ yếu sử dụng những nguyên liệu là dầu ăn, ước tính chiếm 9,3% năng suất hạt chứa dầu và là nước sản xuất dầu ăn lớn thứ tư toàn thế giới [53] Tuy vậy, Ấn

Độ vẫn nhập khẩu tới 40÷50% lượng dầu ăn mới đủ cho nhu cầu sử dụng trong nước, vì thế nguồn nguyên liệu này rất khó có thể duy trì lâu dài cho việc sản xuất biodiesel Chương trình phát triển biodiesel quy mô công nghiệp của Ấn Độ bắt đầu thực hiện từ năm 2003, đặt mục tiêu hướng đến sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu

phi thực phẩm như dầu jatropha, dầu pongamia pinnata như những nguồn có ý nghĩa sống còn cho việc sản xuất biodiesel, cung cấp quỹ đất 60 triệu hecta để phát triển những nguyên liệu này [53]

Trong những năm gần đây, sản lượng diesel sinh học của các nước Đông Nam Á cũng tăng rất mạnh, đặc biệt là từ năm 2006 đến 2007, sản lượng diesel sinh học tăng gần 6 lần Các nước sản xuất nhiều diesel sinh học ở Đông Nam Á là Malaysia, Indonexia và Thái Lan [95] Thái Lan cũng là nước đầu tiên đưa ra chương trình quốc gia về diesel sinh học Tại Chiangmai và Bangkok, hiện có khoảng 400 trạm phân phối diesel sinh học B5 [95]

1.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel tại Việt Nam

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định TTg phê duyệt “Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu là phát triển NLSH, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Theo Đề án, mục tiêu đến giai đoạn 2011 - 2015, nước ta làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất NLSH, ứng dụng thành công công nghệ lên men hiện đại để đa dạng hóa các nguồn nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa sinh khối thành NLSH Đến năm 2015, sản lượng ethanol

177/2007/QĐ-và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước Tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất NLSH ở nước ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới với sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước [16]

Năm 2005, Viện Hoá học công nghiệp Việt Nam đã được Tổng công ty Hoá chất giao thực hiện đề tài KH&CN "Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau và đánh giá tính chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel sinh học/diesel" [72] Đề tài tập trung chủ yếu vào vấn đề hoàn thiện công nghệ điều chế diesel sinh học từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, đặc biệt là từ dầu dừa, ở qui mô phòng thí nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel Cùng thời gian đó, một đề tài Độc lập cấp Nhà nước do Công ty cổ

phần phụ gia và sản phẩm dầu mỏ chủ trì cũng được triển khai nghiên cứu nhưng nội dung chính là nghiên cứu công nghệ sản xuất xăng và dầu diesel pha cồn tuyệt đối [2] Thực tế, đề tài chưa nghiên cứu công nghệ hoàn thiện để triển khai sản xuất

ở quy mô công nghiệp, chưa nghiên cứu một cách hệ thống các vấn đề pha trộn, phân tích, thử nghiệm và đánh giá đặc tính nhiên liệu của diesel sinh học đối với các loại nguyên liệu khác

Hiện nay, tại đồng bằng sông Cửu Long có ba nơi đã sản xuất thành công diesel sinh học, cụ thể là công ty Agifish - An Giang công suất 10.000(tấn/năm); công ty Minh Tú - Cần Thơ với công suất 300 (lít/giờ); công ty thương mại thủy sản Vĩnh Long với công suất 500.000 (tấn/năm) Không chỉ có các nhà khoa học quan tâm, mà các nhà quản lý ở Việt Nam cũng rất quan tâm đến nguồn NLSH Đề án

“Phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn 2025” do Bộ Công Thương chủ trì đã được chính phủ phê duyệt để đi vào hoạt động với mục tiêu sẽ làm chủ được công nghệ sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước và bước đầu tiến hành pha trộn B5

1.4 Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy

1.4.1 Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ diesel

Đối với buồng cháy thống nhất: quá trình cháy trong động cơ diesel được thể hiện bởi đặc tính hình thành hỗn hợp và quá trình cháy không đồng đều Nhiên liệu được phun trực tiếp dưới áp suất cao, thường thì ngay trước điểm chết trên, vào trong buồng cháy Nhiên liệu lỏng được phun với tốc độ cao thành một hoặc nhiều tia phun qua các lỗ phun nhỏ trên vòi phun, sau đó được xé tơi thành những hạt nhỏ và phun vào trong buồng cháy động cơ Các hạt nhiên liệu này có kích thước khác nhau và phân bố không đều trong xylanh động cơ Lớp nhiên liệu trên

bề mặt hạt bắt đầu bay hơi và khuếch tán nhanh vào khối không khí nóng xung quanh, tạo ra các lớp hỗn hợp hơi nhiên liệu và không khí Lớp hỗn hợp nằm sát với bề mặt hạt có thành phần đậm và nhiệt độ thấp do hạt nhiên liệu hấp thụ nhiệt

để bay hơi, lớp hỗn hợp càng xa hạt nhiên liệu thì thành phần càng nhạt và có nhiệt

độ càng cao Khi nhiệt độ và áp suất của lớp hỗn hợp cao hơn điểm tự cháy của

nhiên liệu, quá trình tự cháy xuất hiện sau thời gian trễ khoảng vài độ góc quay trục khuỷu Quá trình cháy của phần hỗn hợp làm áp suất trong xylanh tăng nhanh, do

đó phần hỗn hợp chưa cháy bị nén mạnh, thời gian chuẩn bị cháy được rút ngắn và phần này được cháy rất nhanh, đồng thời thời gian bay hơi của nhiên liệu lỏng còn lại cũng giảm Quá trình phun tiếp tục cho đến khi toàn bộ lượng nhiên liệu cần thiết được cung cấp hết vào xylanh động cơ Nhiên liệu phun vào đều lần lượt trải qua các quá trình xé tơi, bay hơi, hòa trộn nhiên liệu với không khí và bốc cháy Trong suốt hành trình cháy và giãn nở, liên tục diễn ra sự hòa trộn của không khí còn sót lại trong xylanh với hỗn hợp đang cháy và đã cháy [4], [20]

Đối với buồng cháy ngăn cách: môi chất công tác trong buồng cháy động cơ gồm hơi nhiên liệu diesel, nhiên liệu biodiesel, không khí và khí sót còn lại của chu trình trước Buồng cháy ngăn cách của động cơ gồm buồng cháy chính và buồng xoáy lốc, được nối với nhau nhờ một đường thông tiếp tuyến lớn Đường thông này phối hợp với rãnh dẫn hướng dòng khí tại phần lõm khoét trên đỉnh piston nhằm chuyển dòng chảy trên đường thông vào khu vực khoét lõm tách ra hai dòng xoáy mạnh đối nhau trong buồng cháy chính Hỗn hợp nhiên liệu diesel và biodiesel sau khi phun vào buồng xoáy lốc bay hơi, được sấy nóng và tự cháy Sau khi một phần hỗn hợp đã cháy, do chênh áp, hỗn hợp có nồng độ lớn chưa kịp cháy trong buồng cháy xoáy lốc bị đẩy ra xung quanh và tràn vào đường thông, tạo thành dòng xoáy thứ hai thúc đẩy nhiên liệu - không khí hòa trộn tốt hơn và bốc cháy trong buồng cháy chính Quá trình cháy của hỗn hợp hai nhiên liệu là quá trình cháy khuếch tán của ngọn lửa diesel và biodiesel không đồng nhất trong môi trường không khí Khác với quá trình cháy trong động cơ xăng, trong động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel và biodiesel được phun trực tiếp vào buồng cháy phụ vì vậy hỗn hợp không được chuẩn bị trước Ngọn lửa xuất hiện ở những khu vực cục bộ mà ở đó tỷ

lệ nhiên liệu/oxy nằm trong giới hạn bốc cháy

Mô hình cháy khuếch tán và rối là mô hình cơ sở để nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha biodiesel [5]

Quá trình cháy của động cơ diesel thực chất là các phản ứng cháy của nhiên liệu với không khí Sản phẩm của quá trình cháy bao gồm: CO , H2O, N2, O2, CO, HC cháy không hết, NOx, bụi, khói và tuỳ thuộc vào chất lượng của nhiên liệu mà sản phẩm cháy

có thể có SOx Trong các thành phần khí thải thì NOx, phát thải hạt, CO và HC cháy không hết là phát thải gây độc hại nghiêm trọng nhất của động cơ diesel [4], [20]

Như vậy, quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel là một quá trình phức tạp Có thể rút ra một số vấn đề chính từ quá trình cháy như sau:

- Nhiên liệu được phun vào buồng cháy ngay trước khi quá trình cháy diễn

ra nên không có hiện tượng kích nổ như đối với động cơ xăng Do đó, có thể tăng

tỷ số nén giúp tăng hiệu suất cao hơn với động cơ xăng

- Nhiên liệu diesel phải có trị số cetane đủ lớn để rút ngắn thời gian cháy trễ, điều này đảm bảo việc có thể kiểm soát thời điểm bắt đầu cháy qua thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu và đảm bảo áp suất khí cháy tối đa trong xylanh không vượt quá giới hạn cho phép

- Mô-men của động cơ được điều chỉnh theo lượng nhiên liệu phun vào cho mỗi chu trình trong khi lượng không khí nạp gần như không đổi nên trên đường nạp động cơ không cần có bướm tiết lưu, công suất bơm nhỏ nên hiệu suất cơ giới của động cơ diesel

ở chế độ tải trọng trung bình cao hơn so với động cơ xăng

- Khi lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình tăng, lượng muội than (bồ hóng) được hình thành do nhiên liệu cháy không hết tăng lên, do vậy hệ số dư lượng không khí ở chế độ toàn tải phải cao hơn 20% hệ số dư lượng không khí ở điều kiện cháy tiêu chuẩn

1.4.2 Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy

Các tính chất của nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo hỗn hợp và quá trình cháy bao gồm: tỷ trọng, độ nhớt động học, sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu, nhiệt trị thấp, trị số cetane, tỷ lệ C:H:O, hàm lượng lưu huỳnh

- Độ nhớt động học 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, mức độ rò lọt nhiên liệu tại các khoang trong mạch nhiên liệu cao áp nên sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến

chất lượng tia phun, đến lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình (gct) kéo theo ảnh hưởng tiếp đến quá trình tạo hỗn hợp và quá trình cháy [22] 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 tạo hỗn hợp cục bộ kiểu thể tích màng (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) Nếu nhiên liệu diesel có độ nhớt quá nhỏ thì khi phun vào xylanh nó

sẽ tạo thành các hạt quá mịn, không thể tới được các vùng xa của buồng cháy (không tận dụng hết được lượng oxy 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 Nhìn chung, hỗn hợp biodiesel có độ nhớt cao hơn khi so với diesel truyền thống (bảng 1.6), đây vừa là ưu điểm nhưng cũng là nhược điểm của biodiesel [23]

- Sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu (hay là độ đàn hồi, ứng suất nén) là thông số có tác động trực tiếp đến thời điểm phun nhiên liệu và mức độ phân rã của tia nhiên liệu sau khi ra khỏi vòi phun Xét cùng một thời điểm phun nhiên liệu của kim phun thì nhiên liệu có sức căng mặt ngoài lớn sẽ có xu hướng phun sớm hơn so với nhiên liệu có sức căng mặt ngoài nhỏ do tính chịu nén của nhiên liệu 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 biodiesel thường có sức căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu lớn hơn so với nhiên liệu diesel truyền thống DO

- Trị số cetane: khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel có thể xác định thông qua trị số cetane Trị số cetane 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 xylanh Do trong thành phần hóa học có chứa nhiều oxy hơn nên hỗn hợp biodiesel thường có trị số cetane thực nghiệm cao hơn so với DO [23]

- Nhiệt trị thấp: xét 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 chu trình công tác 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 xylanh Do B100 có nhiệt trị thấp nhỏ hơn so với DO (bảng 1.6) nên các hỗn hợp biodiesel cũng sẽ có nhiệt trị thấp nhỏ hơn so với DO Mức độ suy giảm về nhiệt trị của B100 phụ thuộc chủ yếu vào nguồn gốc của nó [21] Nhiệt trị thấp nhỏ sẽ làm giảm nhiệt

độ và áp suất lớn nhất trong xylanh trong quá trình cháy khi sử dụng hỗn hợp biodiesel Điều này sẽ ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và môi trường của động cơ diesel

- Tỷ lệ hàm lượng C:H:O là một trong các thông số quan trọng khi đánh giá

về thành phần hóa học của nhiên liệu biodiesel Trong công thức hóa học của biodiesel thì tỷ lệ C:H:O theo khối lượng là 77% C, 12% H, 11% O, đối với diesel thì tỷ lệ C:H:O là 87% C, 13% H (bảng 1.6) Một mặt, hỗn hợp biodiesel có chứa nhiều oxy hơn dẫn đến nhiệt độ cực đại của quá trình cháy tăng, tăng hàm lượng oxy 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 oxy cao hơn nên lại giúp cải thiện tốt về độ mờ khói (giảm hàm lượng bồ hóng) [23]

- Hàm lượng lưu huỳnh: khi hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu tăng sẽ có

xu hướng làm giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu nên có xu hướng làm tăng hàm lượng bồ hóng trong khí thải NLSH biodiesel thường có hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn khi so sánh với DO [21], [23], đây cũng là một ưu điểm khác của biodiesel

- 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 chi tiết [90], [101]

- 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 Các hạt nhiên liệu có kích thước lớn có thể đọng bám ở dạng lỏng trên thành xylanh và sẽ lọt xuống cácte sau khi đi qua xéc măng Tại cácte, 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 [21], [99]

Bảng 1.6: Tính chất vật lý và hóa học của diesel và diesel sinh học [28]

Nói chung, sự hình thành hỗn hợp, sự khuếch tán nhiên liệu vào không khí

và tự cháy có diễn biến tương tự nhau đối với cả hai loại nhiên liệu diesel và biodiesel Tuy nhiên, do biodiesel có trị số cetane cao hơn diesel thông thường nên

sự hình thành và bắt đầu cháy của biodiesel sớm hơn Mặt khác, biodiesel có thêm

thành phần oxy trong nên quá trình khuếch tán và cháy khuếch tán được thúc đẩy Kết quả là quá trình cháy của nhiên liệu diesel sinh học kết thúc trước so với quá trình cháy của nhiên liệu diesel Tính chất của diesel và biodiesel có thể tham khảo

ở bảng 1.6 [28]

Điều này được kiểm chứng thông qua một thử nghiệm cho hai loại nhiên liệu

là B0 và B100, hình ảnh được ghi lại liên tục từ -70 đến 380 theo góc quay trục khuỷu cũng đúng như giải thích ở trên hình 1.5 [28] Như hình ảnh cho thấy, sự hình thành ngọn lửa của B100 đã bắt đầu lúc 70 trước ĐCT và coi như kết thúc lúc

260 sau ĐCT

Trong khi của nhiên liệu diesel (DO) thì ngọn lửa bắt đầu hình thành muộn hơn (khoảng 3,50TK TĐCT) và kết thúc cũng muộn hơn (khoảng 380TK SĐCT) Điều này được giải thích do trị số cetane và độ nhớt của nhiên liệu B100 cao hơn nên giúp cho quá trình bắt cháy diễn ra sớm hơn, kết quả là thời gian cháy trễ được rút ngắn Mặt khác, do có thành phần oxy trong nhiên liệu giúp cho quá trình cháy diễn ra nhanh và triệt để hơn

Hình 1.5: Sự phát triển ngọn lửa trong quá trình cháy của B0 và B100 [28]

Tóm lại: hỗn hợp biodiesel có sự thay đổi các thuộc tính hóa-lý và các đặc

tính cháy khi so với nhiên liệu DO 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 nghiên cứu, đánh giá một cách lượng hóa tác động của những sự thay

đổi này đến quá trình cháy của hỗn hợp nhiên liệu biodiesel cũng như chỉ tiêu kinh

tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel

1.4.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn biodiesel

 Với tỷ lệ pha trộn nhỏ (≤ 5% hay gọi là B5): 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, ảnh hưởng đến hệ thống bôi trơn, độ bền và đặc tính

ô nhiễm của động cơ Các phương tiện dùng B5 đều vận hành tốt tương đương với khi sử dụng DO Chính vì vậy, một số quốc gia đều cho phép sử dụng biodiesel B5 một cách bình thường cho động cơ diesel mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu [23] Tuy nhiên, nếu chỉ dừng ở mức pha trộn ≤ 5% (B5) 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 đặc biệt biodiesel có nguồn gốc từ dầu thực vật (trong đó có Việt Nam)

 Với tỷ lệ pha trộn trung bình (từ 6 đến 20%): Tại Mỹ và ở một số quốc gia trên thế giới đã có những nghiên cứu sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel với tỷ lệ pha trộn như B10, B15 và B20 [35] Các kết quả nghiên cứu bài bản, trên diện rộng cho thấy có đủ điều kiện để sử dụng B20 cho các động cơ diesel lắp trên phương tiện giao thông đường bộ đang lưu hành nhưng cần quan tâm đến các vấn đề sau:

- Công tác bảo quản biodiesel B100 dùng để phối trộn: chất lượng của nhiên liệu biodiesel dùng để phối trộn phải đáp ứng tiêu chuẩn ASTM D6751; B10, B20 phải đáp ứng ASTM D7467-08/09 [31] Đặc tính nhiệt độ lạnh của biodiesel không tốt bằng nhiên liệu DO nên cần đảm bảo thuộc tính của B20 là phù hợp với vùng địa

lý và thời gian sử dụng trong năm Đặc biệt, đối với nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ mỡ động vật thì công tác bảo quản phức tạp và có giá thành cao hơn so với biodiesel có nguồn gốc từ dầu thự vật Điều này cho thấy Việt Nam là nước nông nghiệp nên việc tận dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu thực vật là một lợi thế

- Về thời gian lưu trữ: Tránh lưu trữ biodiesel 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 phải sử dụng phụ gia kèm theo

- Bảo dưỡng hệ thống nhiên liệu: Khi sử dụng B20 lần đầu chỉ cần thay thế bầu lọc nhiên liệu trong hệ thống cung cấp nhiên liệu sớm hơn mà không cần bảo dưỡng các chi tiết khác (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)

 Với tỷ lệ pha trộn lớn (trên 20%): Phần lớn các hãng sản xuất hệ thống cung cấp nhiên liệu cũng như động cơ ô tô tại Mỹ chưa ủng hộ việc sử dụng biodiesel với

tỷ lệ pha trộn trên 20% (B20) do thiếu những nghiên cứu chi tiết về tác động của các hỗn hợp có tỷ lệ pha trộn cao đến hệ thống cung cấp nhiên liệu và quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel [83] Hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha trộn cao hơn B20 có thể không được xem như một loại nhiên liệu thay thế trực tiếp đối với động cơ diesel và cần có thay đổi cần thiết đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu

và buồng cháy của động cơ Hiện nay, tiêu chuẩn ASTM D7467-09 [31] 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

Tóm lại: với những căn cứ, phân tích như trên, trong phạm vi nghiên cứu

của luận án, NCS chỉ tập trung vào nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su với tỷ lệ pha trộn ở 4 mức là 15%, 20%, 25% và 30% tương ứng với B15, B20, B25 và B30 Điều này cũng phù hợp với “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu truyền thống” của Chính phủ

1.5 Tình hình nghiên cứu quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel

1.5.1 Trên thế giới

Vào những năm 1980, biodiesel bắt đầu được nghiên cứu và sử dụng ở một

số nước tiên tiến Đến nay, biodiesel đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Tại Mỹ, hầu hết lượng biodiesel được sản xuất từ dầu nành Biodiesel được pha trộn với diesel dầu mỏ với tỷ lệ 20% biodiesel và 80%