cháy càng tốt.
3.1.5. Quan hệ giữa trị số Cetan của nhiên liệu và số vịng quay của động cơ.
Tuỳ thuộc vào thành phần hố học, các loại nhiên liệu cĩ trị số Cetan khác nhau nghĩa là cĩ khả năng tự bốc cháy khác nhau. Muốn động cơ diesel hoạt động bình thường, đảm bảo cơng suất địi hỏi nhiên liệu phải cĩ trị số Cetan phù hợp với số vịng quay của động cơ. [13]
Tốc độ quay Trị số Cetan. Dưới 500 vịng / phút 30 –40 500 –1000 vịng / phút 40 –50 Trên 1000 vịng / phút Trên 50
Khi sử dụng nhiên liệu cĩ trị số Cetan phù hợp với số vịng quay của động cơ, động cơ làm việc êm, đạt đúng cơng suất thiết kế nếu trị số Cetan của nhiên liệu khơng phù hợp với số vịng quay, động cơ làm việc khơng bình thường. Khi trị số Cetan thấp hơn yêu cầu, động cơ làm việc khĩ khăn, máy nĩng cơng suất giảm.
Khi trị số Cetan của nhiên liệu cao hơn mức yêu cầu hơi nhiên liệu tự cháy quá nhanh nên cháy khơng hồn tồn, xả khĩi đen, tiêu hao nhiên liệu, làm bẩn máy và gây ơ nhiễm mơi trường. Thơng thường nhiên liệu cĩ trị số Cetan vào khoảng (40 –50) sử
dụng trong động cơ hoạt động mùa hè và trị số Cetan (50 –55) tốt cho động cơ hoạt
động mùa đơng.
3.2. GIẢI PHÁP NÂNG CAO KHẢ NĂNG TỰ BỐC CHÁY CỦA DẦU THỰC
VẬT.
3.2.1. Ảnh hưởng của một số chất phụ gia đến trị số Cetan.
Quá trình cháy trong động cơ là diễn ra các phản ứng ơxy hĩa của nhiên liệu mãnh liệt làm thay đổi tính chất về mặt lý hĩa của nhiên liệu khi phun vào buồng đốt động cơ diesel.
Phương trình biểu diễn quá trình cháy của nhiên liệu ở động cơ đốt trong. CnHmOr +{n + 4 m - 2 r }(O2 +3,76N2) ® nCO2 + 2 m H2O +3,76{n + 4 m + 2 r }N2.
Để nâng cao khả năng bốc cháy của nhiên liệu, nghĩa là tăng khả năng ơxy hĩa của nhiên liệu cĩ nhiều phương pháp. Trong đĩ sử dụng chất phụ gia được dùng nhiều, vì nĩ đơn giản hiệu quả cao.
Các chất pha này chủ yếu gốc Nitro hoặc Nitrat là những chất ơxy hố mạnh. Vậy khi pha thêm hợp chất Nitro vào dầu Dừa dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao các quá trình ơxy hĩa diễn ra rất nhanh, do đĩ rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy ( thời gian chậm cháy), làm trị số Cetan của dầu Dừa tăng lên.
Bảng. 3.1. Chất phụ gia và số Cetan của dầu diesel.[7]
Trị số Cetan Phụ gia Lượng pha [% ]
Trước khi pha Sau khi pha Đinitro propan C3H6 (NO2 )2 1.0 36,6 50,1 Nitrobenzen C6H5NO2 2.0 40 50 Etylnitrat C2H5ONO2 2.0 55 74 Amyl nitrat C5H11ONO2 1.5 44 56,7 3.2.2. Cơ chế chất phụ gia làm tăng trị số Cetan. · Phương án 1. Sử dụng dầu Dừa thơ.
Dầu Dừa là một chất dễ bị ơxy hĩa, vì trong thành phần của dầu Dừa cĩ nhiều gốc Hyđrơcacbon khơng no.
Phản ứng tự oxy hĩa chất béo của Axít Linoleic. [8]
Cơ chế của quá trình tự ơxy hĩa của Ester Linoleic. Giai đoạn 1: Bắt đầu quá trình tự ơxy hĩa.
Giai đoạn 2: Phát triển dây chuyền, ơxy ơxy hĩa chất béo tạo thành Peroxyt. (CH2)7 CO2R' CH3 (CH2)4 C H H H H H H Ester Linoleic acicd
H H H CH3 (CH2)4 (CH2)7 CO2R' H H C H R° CH3 (CH2)4 °C H H H (CH2)7 CO2R' H H H H CH3 (CH2)4 C (CH2)7 CO2R' H H H H H CH3 (CH2)4 C H H H H (CH2)7 CO2R' H CH3 (CH2)4 (CH2)7 CO2R' H H H C O - O* *** ** **** * * * * * * * * * O - O
Giai đoạn 3: Phát triển dây chuyền, Peroxyt lại khơi mào chất béo khác.
Ở điều kiện thường, ơxy khơng khí chủ yếu tác dụng vào các Axít ( tự do và liên kết trong Gơlixerit) nhiều nối đơi, tạo thành HiđrơPeroxit. Nhưng trên 500C sự ơxy hĩa diễn ra nhanh hơn tạo thành Peroxit. Khơng chỉ các Axít béo nhiều nối đơi, mà Axít Olêic ( 1 nối đơi) cũng bị oxy hố mạnh, đến các Axít no cũng bị ơxy hĩa.
Quá trình ơxy hĩa dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất của các Axít béo trong dầu Dừa.
Từ Axít Olêic, cĩ thể toạ ra các sản phẩm ơxy hĩa theo những sơ đồ sau.[9] CH3(CH2)CH = CH(CH2)7COOH + O2 ® CH3(CH2)7CH ¾¾CH(CH2)7COOH (Peroxit) Từ Peroxit, tiếp diễn:
CH3(CH2)7CH ¾ CH(CH2)7COOH ® CH3(CH2)7CH ¾ CH ¾ (CH2)COOH (Axít Epoxit) Tạo thành đioxítaxít từ Axít Ơlêic
CH3(CH2)CH = CH(CH2)7COOH + H2 O2 ® CH3 (CH2)7 CH ¾ CH(CH2)7 COOH (Axitđioxioleic)
Ngồi ra cịn tạo ra nhiều sản phẩm khác như: Ozonit, Anđêhit, Axít.... O O
O O O
Từ Axít béo no Panmitic bị ơxy hĩa:
CH3(CH2)11CH2CH2CH2COOH + ® CH3(CH2)11CH2CH = CHCOOH + H2O2
(Xetoaxit) Ngồi ra nĩ cịn tạo thành các Oxiaxit, Axêtơn....
Nếu khơng pha thêm hợp chất Nitro, Nitrat thì các Axít tự do và Ester trong dầu Dừa cũng tự ơxy hĩa thành các chất khác nhau như: Peroxit, Axít Epoxit, Ozonit, Anđêhit.... khơi mào các chất khác tự ơxy hĩa làm cho tính bay hơi, khả năng tự bốc cháy của dầu Dừa tốt hơn. Tuy nhiên khả năng tự ơxy hĩa của dầu Dừa tạo thành các Peroxit rất kém, địi hỏi dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao. Vậy muốn sử dụng dầu Dừa làm nhiên liệu ta phải pha thêm các chất phụ gia như: Nitroankan, Nitroanken hay các Peroxider với dầu Dừa. Nhưng, nếu ở điều kiện thường chỉ xẩy ra hiện tượng hồ tan các chất hữu cơ vào nhau. Để phản ứng xẩy ra nhanh thì phải cĩ xúc tác của nhiệt độ, áp suất trong mơi trường làm việc của động cơ. Các Axít tự do và Axít liên kết trong Ester dầu Dừa ơxy hĩa thành R(CH2)n NO2 hợp chất này cĩ tính bay hơi nhanh, dễ hịa trộn với khơng khí, khả năng bốc cháy của chúng rất cao, phù hợp với yêu cầu động cơ diesel. Tùy theo yêu cầu của động cơ mà chúng ta pha thêm các hợp chất của Nitro, Nitrat với những tỷ lệ khác nhau để nhiên liệu cĩ trị số Cetan phù hợp với yêu cầu.
Tuy nhiên sản phẩm cháy của R(CH2)n NO2 sinh ra khí NO2, NO, N2O4, các ơxít Nitơ khả năng gây hại đối với mơi trường rất cao. Để khắc phục nhược điểm này ta sử dụng các chất pha như HyđrơPeroxit, Axêtơn Peroxit, AxêtonXeroxit.
Bảng 3.2. Chất phụ gia và số Cetan của dầu diesel.[6]
Tỷ lệ pha Axêtonxeroxit
0% 0.5% 1% 2% 3% 4%
Trị số Cetan 33 41 45 51 57 61
Khi dùng phụ gia Axêtonxeroxit, HyđrơPeroxit, Axêtơn Peroxit thì khả năng ơxy hĩa của dầu Dừa cũng rất cao, sản phẩm cháy khơng cĩ các ơxít Nitơ, ít gây ơ nhiễm mơi trường.
· Phương án 2. Sử dụng ester của dầu Dừa với Etanol.
Phương pháp này, sử dụng chất pha giữa dầu Dừa với Etanol tạo ra một hợp chất Ester dầu Dừa với Etanol cĩ độ nhớt tương đương dầu diesel. Hợp chất Ester này cĩ nhiều ưu điểm hơn so với dầu Dừa thơ, hàm lượng tạp chất và tỷ trọng nhỏ hơn dầu Dừa thơ. Cĩ khả năng ơxy hĩa cao hơn Ester của dầu Dừa thơ. Nếu sử dụng Ester của Etanol với Axít béo dầu Dừa khả năng bốc cháy cao, dùng làm nhiên liệu động cơ diesel phù hợp khơng cần pha thêm các chất phụ gia. Tuy nhiên ở một số động cơ địi hỏi trị số Cetan cao thì phải pha thêm hợp chất của Nitro hoặc Nitrat với hàm lượng tuỳ theo các động cơ khác nhau. Ta cĩ thể so sánh hợp chất Ester của Etanol và các Axít béo dầu Dừa, với bảng thơng số tiêu chuẩn của dầu diesel ở Việt Nam.
Bảng 3-1. Thơng số của Nhiên liệu diesel – PERTROLIMEX
Chỉ tiêu kỹ thuật Mức quy định
1. Số Cetane, min 45 48 2. Thành phần chưng cất, {oC} : max -t50 - t90 290 370 270 350 3. Độ nhớt ở 20oC (tương đối oE) 1,2-1,67 1,2-1,67 4. Nhiệt độ chớp lửa cốc kín {oC }, min 60 60
5.Nhiệt độ đơng đặc {oC }, max 9 5 6.Hàm lượng tro, {% wt },max 0,02 0,01 7.Hàm lượng nước, {% vol } 0,05 0,05 8.Hàm lượng sulfur, {% wt }, max 1,0 0,5 9.Khối lượng riêng ở 20oC,{g/cm3 },
max
0,87 0,87
Bảng 3-2. Thơng số của dầu diesel sinh học.[14]
Trạng thái đặc tính Hệ thống ASTM Giới hạn Đơn vị
Điểm bốc cháy D93 130 min 0C
Nước và tạp chất D2709 0,050 max %vol Độ nhớt động học ở
400C D445 1,9 – 6,0 mm
2 /sec
Hàm lượng tro D874 0,020 max %mass
Sự ăn mịn lá đồng D130 No. 3 max
Số cetan D613 47 min
Điểm mây D2500 Nổ 0C
Phần cacbon cịn lại D4530** 0,050 max %mass Chỉ sĩ axit D644 0,80 max Mg KOH /gm Gơlixêrin tự do D6584 0,020 max %mass Gơlixêrin tổng cộng D6584 0,024 max %mass
Qua bảng thơng số của diesel dầu mỏ và bảng tiêu chuẩn của diesel sinh học: Ta thấy khi sử dụng dầu Dừa pha Etanol với tỷ lệ thích hợp và tách thành phần Gơlixêrin, nước ra khỏi hợp chất vừa mới pha, hợp chất mới tạo thành sẽ cĩ những thơng số như thơng số chuẩn của diesel sinh học. Bảng thơng số này so với thơng số chuẩn của diesel ở Việt Nam gần như tương đương với nhau về độ nhớt, trị số Cetan. Ngồi ra nĩ cịn cĩ những ưu điểm so với diesel là trong thành phần của diesel sinh học gần như khơng cĩ Lưu hùynh, hàm lượng nước và tạp chất nhỏ nên nĩ ít gây những tác hại cho động cơ và giảm được lượng khí thải gây ơ nhiễm mơi trường.
Dầu Dừa khơng thể dùng làm nhiên liệu thay thế dầu diesel, nếu để nguyên dầu ở điều kiện thường. Do độ nhớt, tỷ trọng cao hơn giới hạn cho phép thơng số chuẩn dầu diesel. Nếu muốn dùng loại nhiên liệu này, ta phải tiến hành xử lý một số phương pháp về mặt hố học, vật lý của nhiên liệu để những thơng số dầu Dừa tương đương với những thơng số chuẩn của loại nhiên liệu dùng cho động cơ diesel trước đây. Khi dùng làm nhiên liệu, chúng ta phải tiến hành sấy dầu lên đến nhiệt độ trên 800C thì lúc này độ nhớt của dầu giảm cĩ khả năng phun vào buồng đốt, tăng quá trình ơxy hĩa của nhiên liệu lên, tăng khả năng bốc cháy của nhiên liệu. Để sấy nhiên liệu cĩ thể tận dụng nhiệt của nước làm mát, tuy nhiên phương pháp này chỉ sử dụng ở những động cơ cĩ tiêu hao nhiên liệu nhỏ. Ở những động cơ dùng trong tàu thuỷ cĩ tiêu hao nhiên liệu lớn, phương pháp này khơng thể thực hiện mà phải sử dụng một bộ sấy nhiên liệu ( sử dụng điện một chiều) riêng biệt.
Tuy nhiên dùng dầu Dừa nguyên chất làm nhiên liệu thì khả năng tự bốc cháy kém. Trong dầu cĩ nhiều tạp chất, dễ làm tắc các bình lọc, nhiên liệu đơng đặc khi động cơ ngừng hoạt động trong thời gian dài dầu dễ hỏng cĩ mùi hơi ảnh hưởng đến chất lượng dầu, hỏng cặp lắp ghép Piston Cylinder của bơm cao áp, nhiên liệu cĩ tính khơng đồng nhất. Động cơ hoạt động khơng tin cậy, giá thành cao, hiệu quả kinh tế thấp.
· Để giải quyết những nhược điểm trên ta sử dụng các phương pháp sau:
Tiến hành pha thêm Etanol với tỷ lệ thích hợp, sấy nĩng, lúc này hợp chất mới cĩ nhiều ưu điểm so với dầu Dừa nguyên chất vì độ nhớt thấp, tính bốc cháy cao, hàm lượng tạp chất và cặn trong hỗn hợp giảm, nhiên liệu cĩ tính ổn định cao phù hợp yêu cầu.Vậy nếu dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel giảm hàm lượng khí thải, ít gây ơ nhiễm mơi trường, giải quyết phần nào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai gần. Nhưng loại nhiên liệu này cĩ hàm lượng nước và tạp chất trộn lẫn do đĩ phải dùng máy đồng thể hố hỗn hợp thành một loại nhiên liệu cĩ tính thống nhất hoặc dùng máy phân ly nhưng các phương pháp này khơng thể loại bỏ 100% các tạp chất và nước nên nhiên liệu khi sử dụng cĩ thể gây ra các hiên tượng “vi nổ” giá thành cao, hiệu quả kinh tế thấp.
Tiến hành pha thêm Etanol với tỷ lệ thích hợp vào dầu Dừa, hợp chất mới tạo thành được tách thành phần nước và Gơlixêrin ra khỏi hỗn hợp lúc này hợp chất mới tạo thành là một loại diesel sinh học. Nên khi dùng cho động cơ diesel là rất tốt, loại nhiên liệu này hầu như khơng cĩ hàm lượng Lưu huỳnh, nước và tạp chất nhỏ, giảm khí thải, ít gây ơ nhiễm mơi trường, giá thành thấp. Nguồn năng lượng dồi dào cĩ khả năng tái tạo, rất cĩ triển vọng dùng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel trong tương lai gần.
Tĩm lại: Uu điểm:
Dầu thực vật dùng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel là quy trình sản xuất khơng cĩ chất thải tất cả các sản phẩm phụ tiếp tục được sử dụng. Giảm hàm lượng bụi trong khí thải, khơng độc và cĩ thể dễ dàng phân huỷ bằng sinh học, ít ơ nhiễm mơi trường, hàm lượng muội than bám trên vịi phun khơng đáng kể, giá thành thấp, hiệu quả kinh tế cao, cĩ khả năng tái tạo.
Nhược điểm:
Khi khởi động phải dùng dầu diesel để động cơ chạy một thời gian sau đĩ mới chuyển sang dùng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế. Tất cả các loại dầu thực vật điều cĩ chung một nhược điểm, trong thành phần của dầu thực vật cĩ các chất làm mềm (trương) các vật liệu làm bằng cao su. Do vậy nĩ sẽ làm hỏng các lớp đệm kín giữa các chi tiết của động cơ. Nhưng nhược điểm này cĩ thể khắc phục bằng cách sau khi sử dụng dầu thực vật ta cho động cơ chạy lại bằng dầu diesel thì các lớp đệm bằng cao su sẽ trở lại hình dáng ban đầu.
Ngồi ra con người vẫn chưa thể tin được rằng dầu thực vật cĩ thể sử dụng cho động cơ diesel mà khơng gây hại gì. Khá mới mẻ đối với mọi người trên thế giới nĩi chung và người dân Việt Nam nĩi riêng cĩ thĩi quen sử dụng nhiên liệu từ dầu mỏ, làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Muốn con người nhanh chống dùng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thì chung ta phải chứng minh đươc rằng dầu thực vật là loại nhiên liệu tốt cho động cơ. Bằng cách chúng ta phải đo, thí nghiệm thử dùng trên
động cơ cĩ những tính chất tốt như: cơng suất của động cơ khơng giảm khí hoạt động bằng một loại nhiên liệu mới, động cơ làm việc bình thường khơng gây cháy nổ ảnh hưởng đến tính mạng con người, khơng gây hại động cơ, ít gây ơ nhiễm mơi trường, giá thành phù hợp với người sử dụng nĩ. Nguồn năng lượng dự trữ dồi dào, cĩ khả năng tái tạo.