nghiên cứu thử nghiệm dùng nhiên liệu hỗn hợp do và jatropha trên động cơ diesel công suất nhỏ

LỜI CAM ĐOAN



Tôi tên: Lê Minh Thảo, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Tàu thủy khóa 2008-
2010, xin cam đoan:
Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng đều hợp lệ và chính xác, không
vi phạm pháp luật.
Nếu có cá nhân, tổ chức nào tranh chấp xung quanh các tài liệu, số liệu trên, tôi
xin chịu trách nhiệm hoàn toàn.

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Văn Xứng, Hiệu trưởng Trường Đại học
Nha Trang đã cho phép tôi thực hiện luận văn này tại Trường Đại học Nha Trang.
Tôi xin chân thành biết ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ
nhiệm Khoa Kỹ thuật Tàu thủy và Bộ môn Động lực của trường luôn dành cho tôi
những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn Phòng
Đào tạo và Sau Đại học, Phòng Khoa học và Hợp tác quốc tế (Trường Đại học Nha
Trang) đã giúp đỡ tận tình trong quá trình làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Nhà giáo ưu tú, PGS.TS Quách Đình Liên đã nhận
hướng dẫn tôi làm luận văn này. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn
Nhà giáo ưu tú, PGS.TS Quách Đình Liên đã tận tình giúp đỡ, động viên và tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy giáo phản biện, các thầy trong
Hội đồng chấm luận văn đã đọc và góp ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận
văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Tôi xin cảm ơn quý thầy, các bạn, đồng nghiệp và gia đình đã động viên,

khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện luận văn này.
Học viên

Lê Minh Thảo

1


MỤC LỤC
Trang
Mục lục 1
Danh mục các bảng 6
Danh mục các hình 7
Mở đầu 7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC 11

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 11

1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 14

1.2. Nhiên liệu có khả năng dùng cho động cơ diesel công suất nhỏ 16

1.2.1. Khí dầu mỏ hóa lỏng 16

1.2.1.1. Ưu điểm 16

1.2.2. Khí thiên nhiên 17

1.2.2.1. Ưu điểm 17

1.2.2.2. Nhược điểm 18

1.2.3. Ethanol 18

1.2.3.1. Ưu điểm 18

1.2.3.2. Nhược điểm 19

1.2.4. Methanol 19

1.2.4.1. Ưu điểm 19

1.2.4.2 Nhược điểm 19

1.2.5. Nhiên liệu sinh học 20

1.2.5.1. Dầu thực vật 20

1.2.5.2. Nhiên liệu biodiesel 25

1.2.5.3. Nhận xét chung về dầu thực vật và biodiesel 26

1.2.6. Sơ bộ kết luận về chọn lựa nhiên liệu thay thế - dầu jatropha 27

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LỰA CHỌN HỖN HỢP DO–JATROPHA LÀM NHIÊN
LIỆU 29

2.1. Nhiên liệu diesel 29

2.1.1. Khái quát về nhiên liệu diesel 29

2.1.2. Một số vấn đề môi trường khi sử dụng dầu diesel 30

2


2.2. Dầu jatropha và khả năng dùng jatropha làm nhiên liệu 34

2.2.1. Giới thiệu về cây jatropha và dầu jatropha 34

2.1.1.1 Giới thiệu về cây jatropha 34

2.2.2. Các tính chất của dầu jatropha 36

2.2.2.1. Tính chất hóa lý của dầu jatropha 36

2.3. So sánh một số tính chất giữa dầu jatropha và diesel 39

2.3.1. Chỉ số cetan 39

2.3.2. Độ nhớt 40

2.3.3. Tỷ trọng và nhiệt trị 40

2.3.4. Nhiệt độ chớp cháy 40

2.3.5. Nhiệt độ đông đặc 40

2.3.6. Hàm lượng lưu huỳnh 40

2.3.7. Hàm lượng nitơ 40

2.3.8. Cặn cacbon 41

2.3.9 Thành phần oxy: 41

2.4. Nhận xét về khả năng dùng dầu jatropha làm nhiên liệu 41

CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 42

3.1. Thực nghiệm 42

3.1.1. Mục đích thực nghiệm 42

3.1.2. Lựa chọn các thông số khảo sát thực nghiệm 42

3.1.2.1. Các thông số đầu vào 42

3.1.2.2. Các thông số đầu ra 42

3.2. Quy hoạch thực nghiệm 43

3.2.1. Quy hoạch thực nghiệm xác định độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu DO– Jatropha 43

3.2.1.1. Chọn yếu tố chi phối đến độ nhớt 43

3.2.1.2. Chọn miền khảo sát của các yếu tố đầu vào 43

3.2.2. Quy hoạch thực nghiệm xác định chi phí nhiên liệu của động cơ khi sử dụng
nhiên liệu hỗn hợp diesel – jatropha 43

3.2.2.1. Chọn yếu tố chi phối đến chi phí nhiên liệu riêng 43

3.2.2.2. Chọn miền khảo sát của các yếu tố đầu vào 44

3.2.3. Quy hoạch thực nghiệm xác định độ đục khí xả của động cơ khi sử dụng
nhiên liệu hỗn hợp diesel – jatropha 44

3


3.2.3.1. Chọn yếu tố chi phối đến độ đục khí thải 44

3.2.3.2. Chọn miền khảo sát của các yếu tố đầu vào 44

3.3. Thiết bị thực nghiệm 44

3.3.1. Động cơ nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu DO – Jatropha 45

3.3.1.1. Chọn động cơ thử nghiệm 45

3.3.1.2. Thông số kỹ thuật của động cơ thí nghiệm 45

3.3.2. Cụm tạo tải 46

3.3.3. Thiết bị đo nhiệt độ 47

3.3.4. Thiết bị đo tốc độ quay 47

3.3.5. Bộ tạo hỗn hợp dầu diesel – jatropha 48

3.3.6. Thiết bị đo lượng tiêu thụ nhiên liệu 48

3.3.7. Dụng cụ, thiết bị đo độ nhớt 48

3.3.8. Thiết bị đo độ đục khí thải 49

3.4.1. Hệ thống nhiên liệu thay thế cho trạm diesel - máy phát điện và động cơ chính
tàu thủy 50

3.4.2. Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ ôtô, tàu thuyền cỡ nhỏ 51

3.4.3. Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel dùng trong nông nghiệp 51

3.5. Phương pháp tạo hỗn hợp nhiên liệu 52

3.5.1. Xác định tỉ lệ hỗn hợp và nhiệt độ sấy 52

3.5.2. Phương pháp pha hỗn hợp theo tỷ lệ pha trộn 53

3.5.3. Phương pháp gia nhiệt cho hỗn hợp 54

3.6. Sơ đồ bố trí thực nghiệm 55

3.7. Tiến hành thực nghiệm 56

3.7.1. Thực nghiệm xác định độ nhớt 56

3.7.1.1. Tiến hành xác định độ nhớt của các mẫu thử 56

3.7.1.2. Kết luận về chọn lựa nhiệt độ sấy của các hỗn hợp nhiên liệu 57

3.7.2. Xác định chi phí nhiên liệu của động cơ D12 khi sử dụng diesel và hỗn hợp diesel -
jatropha 57

3.7.2.1. Tiến hành xác định chi phí nhiên liệu 57

3.7.2.2. Tổng hợp kết quả đo chi phí nhiên liệu 58

3.7.3. Xác định độ đục khí xả của động cơ khi sử dụng diesel và hỗn hợp diesel - jatropha 58

3.8. Xử lý kết quả thực nghiệm 59

4


3.8.1. Cơ sở lý thuyết áp dụng để xử lý, kiểm định, đánh giá kết quả thực nghiệm 59

3.8.1.1. Kiểm tra độ tin cậy của số liệu 59

3.8.1.2. Xác định hàm hồi quy 59

3.8.1.3. Kiểm định sự phù hợp của hàm hồi qui 60

3.8.2. Xử lý kết quả đo độ nhớt 61

3.8.2.1. Xử lý kết quả độ nhớt của hỗn hợp J5, J10, J15, J20, J22.5 61

3.8.2.2. Phương trình và đồ thị hồi qui độ nhớt của các hỗn hợp 61

3.8.2.3. Nhận xét kết quả đo độ nhớt của hỗn hợp diesel - Jatropha 62

3.8.3. Xử lý kết quả đo chi phí nhiên liệu riêng của động cơ 62

3.8.4. Xử lý kết quả đo độ đục khí xả các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 63

3.9. Phân tích khả năng dùng hỗn hợp làm nhiên liệu 66

3.9.1. Phân tích, so sánh chỉ tiêu kinh tế 66

3.9.2. So sánh theo chỉ tiêu môi trường 68

3.9.2.1. Độ đục khí xả 68

3.9.2.2. Các chỉ tiêu khí xả CO2, CO, SOx, NOx, HC 69

3.10. Kết luận về việc chọn hỗn hợp nhiên liệu 71

3.10.1. Kết luận về việc chọn hỗn hợp nhiên liệu 71

3.10.2. Thảo luận một số kết quả 71

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 73

4.1. Kết luận 73

4.2. Đề xuất ý kiến 73

5


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Phản ứng este hóa dầu thực vật, mỡ động vật 25
Methyl dầu cải 25
Hình 1.2. Sơ phương pháp ester hóa 26
Hình 2.1. Cây và hạt jatropha 34
Hình 3.1. Sơ đồ các thông số đầu vào, đầu ra của quá trình nghiên cứu 43
Hình 3.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm 44
Hình 3.3. Các bộ phận của cụm phụ tải 46
Hình 3.4. Sơ đồ đấu dây thiết bị tiêu thụ 47
Hình 3.5. Nhiệt kế, cảm biến đo nhiệt độ khí xả 47
Hình 3.6. Cảm biến tốc độ động cơ 48
Hình 3.7. Dụng cụ đo độ nhớt, Nhãn hiệu: LABORMMUSZERIPARIMUVEK
Budapest, Hungary. 50
Hình 3.8. Thiết bị đo độ đục khí thải 49

Hình 3.9. Giao diện chương trình 50
Hình 3.10. Hệ thống pha trộn và gia nhiệt tự động cho hỗn hợp nhiên liệu 50
Hình 3.11. Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu bằng bộ sấy khí xả 51
cho các tổ diesel-máy phát điện công suất lớn 51
Hình 3.12. Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu cho các động cơ diesel 52
Hình 3.13.Sơ đồ cấu tạo máy đồng thể thủy động 55
Hình 3.14. Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy điện 54
Hình 3.15. Sơ đồ thiết bị chạy có tải sử dụng động cơ D12 55
Hình 3.16. Đồ thị biến thiên độ nhớt của các hỗn hợp nhiên liệu theo nhiệt độ 62
Hình 3.17. Đồ thị đặc tính tải động cơ D12 sử dụng khi sử dụng 63
Hình 3.18. Đồ thị biến thiên độ đục khí thải của động cơ 63
Hình 3.19. Đồ thị biến thiên nhiệt độ khí xả động cơ khi sử dụng 65
nhiên liệu DO và các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 65
Hình 3.20. Đồ thị biến thiên nhiệt độ nước làm mát động cơ 66
Hình 3.21. Đồ thị biến thiên tiêu hao nhiên liệu riêng, độ đục khí thải, HC, CO,
CO
2
của dầu DO và các hỗn hợp J10, J20, J50, J75 và J100 70


6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. So sánh tính năng khí hóa lỏng với dầu diesel 16
Bảng 1.2. So sánh tính năng khí thiên nhiên với diesel 17
Bảng 1.3. Đặc tính lý hoá cơ bản của ethanol, methanol và diesel 18
Bảng 1.4. Thành phần các axit béo của các loại dầu 20
Bảng 1.5. Thành phần hóa học của các loại dầu 21

Bảng 1.6. Một số tính chất cơ bản của dầu thực vật 22
Bảng 1.7. Một số tính chất cơ bản của biodiesel 25
Bảng 2.1. Tiêu chuẩn Việt Nam về dầu DO (TCVN 5689: 2005) 29
Bảng 2.2. Thông số hóa lý cuả dầu Jatropha 36
Bảng 2.3. Thành phần axit béo trong dầu hạt Jatropha 36
Bảng 2.4. So sánh một số tính chất của dầu thực vật, biodiesel và diesel 41
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ diesel D12 45
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của máy phát điện 46
Bảng 3.3. Các mức tải chạy thử nghiệm 56
Bảng 3.4. Kết quả đo độ nhớt của dầu diesel và dầu jatropha ở 33
0
C 56
Bảng 3.5. Tổng hợp kết quả đo độ nhớt các hỗn hợp DO, J5, J10, J15, J20 và J22.5.56
Bảng 3.6. Tổng hợp kết quả chi phí nhiên liệu riêng của động cơ 58
Bảng 3.7. Tổng hợp kết quả giá trị đo độ đục khí thải động cơ khi sử dụng dầu DO
và các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 58
Bảng 3.8. Phương trình hồi quy biến thiên độ nhớt các hỗn hợp J10, J15, J20, J22.561
Bảng 3.9. Phương trình hồi quy đặc tính tải của động cơ khi sử dụng 62
Bảng 3.10. Phương trình hồi quy độ đục khí xả động cơ khi sử dụng nhiên liệu 64
Bảng 3.12. Tổng hợp giá trị biến thiên nhiệt độ nước làm mát động cơ khi sử dụng 64
nhiên liệu DO và các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 65
Bảng 3.13. Phương trình hồi quy nhiệt độ khí xả và nước làm mát động cơ 65
khi sử dụng nhiên liệu DO và các hỗn hợp J5, J10, J15, J20 và J22.5 66
7


MỞ ĐẦU

Nhiên liệu hóa thạch là nguồn nhiên liệu truyền thống chính yếu cung cấp năng
lượng cho hầu hết hoạt động sản xuất công nghiệp và sinh hoạt của con người. Trong

các loại nhiên liệu hóa thạch, dầu mỏ có vai trò quan trọng hơn hết và là nguồn nhiên
liệu không thể thiếu hiện nay trên thế giới. Trong thập niên đầu của thế kỷ 21, giá dầu
thô không ngừng biến động theo chiều hướng tăng cao đã tác động trực tiếp đến các
vấn đề kinh tế và chính trị trên toàn thế giới.
Kể từ khi có kỹ thuật thăm dò địa chất bằng vệ tinh, loài người đã được cảnh
báo rằng nguồn năng lượng mà thiên nhiên ưu đãi sắp cạn dần, những dự báo sớm nhất
từ nữa sau của thế kỷ 20 cho thấy nguồn dầu mỏ trên trái đất sẽ dần dần cạn kiệt vào
những năm 30 đến 50 của thế kỷ 21. Bên cạnh đó, việc sử dụng dầu mỏ làm nhiên liệu
dẫn đến phát thải ra bầu khí quyển trái đất một lượng khổng lồ các chất khí gây hiệu
ứng nhà kính và là nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu.
Để giải quyết các vấn đề trên, nhiều nước trên thế giới đã và đang nghiên cứu,
phát triển các nguồn năng lượng mới có khả năng thay thế nhiên liệu truyền thống, có
khả năng tái tạo được, trong đó phải kể đến nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu sinh học là
nhiên liệu có nguồn gốc sinh học và có khả năng tái tạo lại thông qua các chu trình
sinh học. Nhiên liệu sinh học không chỉ hứa hẹn thay thế dầu mỏ bởi một số thuộc tính
tương đồng với diesel mà còn giúp kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, giảm lượng khí
nhà kính thải vào khí quyển. Nhiên liệu sinh học gồm: dầu thực vật sạch, ethanol,
diesel sinh học, dimetyl ete (DME), etyl tertiary butyl ete (ETBE) và các sản phẩm từ
chúng.
Trên thế giới, ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học đã được phát
triển khá cao, hiện có khoảng hơn 50 nước khai thác và sử dụng nhiên liệu sinh học ở
các mức độ khác nhau. Ấn Độ và Trung Quốc là những nước có đầu tư mạnh mẽ về
phát triển vùng nguyên liệu và chế biến nhiên liệu sinh học. Mỗi năm, trên thế giới sản
xuất khoảng trên 50 tỷ lít ethanol (75% dùng làm nhiên liệu) và dự kiến đến năm 2012
sẽ đạt khoảng 80 tỷ lít; 4 triệu tấn diesel sinh học và năm 2010 tăng lên khoảng 20
triệu tấn diesel sinh học (B100).
Xu hướng thế giới đang chuyển dần từ thế hệ công nghệ thứ nhất là dùng nông
sản sang thế hệ thứ hai là dùng nông sản không làm thực phẩm và đang bắt đầu thế hệ
8

công nghệ thứ ba là sử dụng vi tảo. Gần 90% sản lượng biodiesel được sản xuất trên
công nghệ thế hệ thứ nhất, đó là thông qua quá trình ester hóa triglycerid với methanol
và xúc tác đồng thể (xúc tác kiềm) tạo thành metyl ester axit béo. Gần đây một số
nước đã sử dụng xúc tác dị thể (ZnAl
2
O
4
) cho sản phẩm chất lượng tốt hơn. Tuy nhiên,
với công nghệ này, dầu sinh học vẫn có nhược điểm là độ bền oxy hóa và độ bền nhiệt
kém cũng như ảnh hưởng của nó đến vật liệu cao su, hệ thống nhiên liệu ; cho nên một
số nước đã tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ gasification, fischer – tropsch để
nâng cao hiệu suất, tăng giá trị sản phẩm, giảm phát thải, giá thành cạnh tranh.
Việt Nam với điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng và cơ sở hạ tầng có nhiều tiềm
năng để phát triển nhiên liệu sinh học. Một số doanh nghiệp, cơ quan nghiên cứu đã
tiến hành một số đề tài, dự án về khảo sát, tuyển chọn một số giống cây Jatropha để
phát triển vùng nguyên liệu và tiến hành sản xuất thử nghiệm biodiessel từ dầu
Jatropha như: Công ty Năng lượng Xanh (TP. HCM), Đại học Thành Tây (Hà Nội),
Viện Khoa học và Nông nghiệp Việt Nam, Viện Nghiên cứu dầu và Cây có dầu TP.
HCM Việt Nam, đã nghiên cứu và tổng hợp thành công diesel sinh học (BDF) từ hai
nguồn: thứ nhất là từ dầu thực vật: dầu dừa, dầu lạc, dầu ăn thải, dầu hạt bông vải, dầu
hạt cao su, dầu jatropha và gần đây là dầu từ tảo biển; thứ hai là mỡ gà thải, mỡ cá
basa …
Các đề tài, dự án nói trên được triển khai nhằm góp phần thực hiện mục tiêu
phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam là đến năm 2010 sẽ xây dựng và phát triển
được mô hình sản xuất thử nghiệm và sử dụng nhiên liệu sinh học quy mô 100 nghìn
tấn E5 và 50 nghìn tấn B5/năm, bảo đảm đáp ứng 0,4% nhu cầu xăng dầu của cả nước.
Giai đoạn 2011-2015, xây dựng và phát triển các cơ sở sản xuất và sử dụng nhiên liệu
sinh học trên phạm vi cả nước, đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt
250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả

nước.
Đối với việc thử nghiệm nhiên liệu sinh học trên động cơ, đến nay, thế giới có
hơn 30 loại dầu thực vật được sử dụng chạy trên động cơ diesel. Nhiều nghiên cứu đã
tiến hành đánh giá đặc tính lý, hóa học của nhiều loại dầu thực vật khác nhau và thử
nghiệm pha trộn dầu thực vật với dầu diesel cũng như pha trộn dầu thực vật với các
dung môi khác như: ethanol, dầu hỏa , các kết quả đánh giá khả quan về mặt môi
trường – xã hội ; tuy nhiên, nhược điểm của các loại dầu thực vật khi sử dụng làm
9


nhiên liệu ảnh hưởng đến công suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu tăng. Tại Ấn Độ,
các nhà khoa học tiến hành pha trộn dầu Jatropha với DO kết hợp tận dụng nhiệt khí
xả để sấy nóng nhiên liệu hỗn hợp nhằm đánh giá tiêu hao nhiên liệu riêng và khí thải
động cơ [27]. Nhưng nghiên cứu này chỉ thử nghiệm ở các tỷ lệ pha trộn dầu Jatropha
khá cao, chưa thử nghiệm ở các tỷ lệ dầu jatropha thấp để có đánh giá đầy đủ hơn.
Việt Nam, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM thử nghiệm và đánh
giá hiệu quả môi trường khi sử dụng bio-jatropha trên máy phát điện động cơ diesel
nhưng chưa đề cập đến chỉ tiêu kinh tế. Thạc sỹ Phùng Minh Lộc, Trường Đại học
Nha Trang thử nghiệm ethanol pha vào dầu dừa và dầu hỏa pha vào dầu dừa kết hợp
với sấy nóng hỗn hợp để đánh giá hiệu quả kinh tế của động cơ diesel [12], [13]. Tuy
nhiên, các nghiên cứu này chưa đề cập đến việc đánh giá chỉ tiêu khí thải của động cơ
khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu thay thế.

Tóm lại, chúng ta đã có bước tiến trong nghiên cứu phát triển vùng nguyên liệu
và đầu tư công nghệ chế biến nhiên liệu sinh học nói chung, sản xuất tổng hợp diesel
sinh học từ dầu hạt jatropha nói riêng. Tuy nhiên, chưa có công trình nào trong nước
sử dụng trực tiếp dầu Jatropha để đánh giá các chỉ tiêu kinh tế và môi trường khi chạy
thử nghiệm trên động cơ diesel. Với những lý do trên, đề tài đề xuất một nhiên liệu
mới kết hợp với dầu truyền thống dùng cho động cơ diesel công suất nhỏ và đánh giá
một số chỉ tiêu kinh tế, môi trường khi ứng dụng vào động cơ diesel góp phần thúc đẩy

họat động nghiên cứu dầu thực vật, tổng hợp diesel sinh học từ dầu hạt jatropha nhằm
hướng đến mục tiêu lớn hơn là an ninh năng lượng, môi trường.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục đích của đề tài là nghiên cứu thử nghiệm dùng hỗn hợp dầu diesel –
jatropha để chạy trên động cơ công suất nhỏ. Với mục đích như trên mục tiêu đề tài
cần giải quyết:
- Nghiên cứu các tính chất lý hóa của nhiên liệu diesel, jatropha có ảnh huởng
đến quá trình cháy.
- Nghiên cứu thực nghiệm các giải pháp kỹ thuật xử lý nhiên liệu hỗn hợp cho
phù hợp để làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel công suất nhỏ.
- Xác định các tỷ lệ hợp lý giữa hỗn hợp dầu diesel và jatropha để sử dụng chạy
trên động cơ công suất nhỏ đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, môi trường.

10


ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: Nhiên liệu hỗn hợp DO - Jatropha.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tỷ lệ nhiên liệu hỗn hợp dầu jatropha và DO
để chạy trên động cơ diesel công suất nhỏ D12 tại phòng thí nghiệm động lực thuộc
Khoa Kỹ thuật Tàu thủy – Trường Đại học Nha Trang. Các phương pháp xử lý giảm
độ nhớt nhằm tăng khả năng tự cháy của nhiên liệu. Đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu
và độ đục khí xả của hỗn hợp nhiên liệu lựa chọn.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài nghiên cứu được thực hiện dựa trên việc kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Qua nghiên cứu thực nghiệm, đề tài xác định hỗn hợp nhiên liệu mới thích hợp
làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel cỡ nhỏ. Nhiên liệu mới giúp ngư dân ven
biển, sông lạch, nông dân chủ động hơn nguồn nhiên liệu trong họat động sản xuất
nông nghiệp, đánh bắt thủy sản. Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu từ dầu mỏ, hạn chế

ô nhiễm môi trường sinh thái.
CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Đề tài thực hiện gồm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về nhiên liệu sinh hoc.
Chương 2. Cơ sở về sự lựa chọn hỗn hợp DO – Jatropha làm nhiên liệu.

Chương 3. Thực nghiệm và kết quả.
Chương 4. Kết luận và đề xuất.

11


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC

1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Nghiên cứu về nhiên liệu sinh học được bắt đầu khoảng giữa những năm 1800,
các nhà khoa học đã chuyển hóa dầu thực vật để thu glycerol ứng dụng làm xà phòng
và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl ester (biodiessel). Rudolf Diesel lần
đầu tiên sử dụng biodiesel dầu lạc trên động cơ do ông sáng chế vào ngày 10/08/1893.
Từ năm 1916, đã bắt đầu một chương trình nghiên cứu về khả năng sử dụng dầu thực
vật làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Trong những năm gần đây, nhiều nước như
Hoa Kỳ, EU, Úc, Braxin, Nam Phi, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản nghiên cứu các đề
tài, dự án liên quan đến ứng dụng dầu thực vật và nhiên liệu diesel làm nhiên liệu cho
động cơ nhằm thay thế nhiên liệu từ dầu mỏ ngày càng trở nên cạn kiệt.
Về công nghệ chế biến nhiên liệu sinh học, hiện nay nhiều nước chủ yếu dùng
phương pháp hoá học để sản xuất dầu diesel sinh học và sử dụng dầu diesel sinh học
đạt hiệu quả cao về môi trường và xã hội. Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp hoá

học để sản xuất dầu diesel sinh học gặp khó khăn về nhiệt độ phản ứng cao, thuần hoá
phức tạp, sản phẩm phụ sinh ra từ phản ứng khó xử lý. Bên cạnh đó, nếu dùng chất xúc
tác axít, kiềm sẽ thải ra nhiều chất gây ô nhiễm. Chính vậy, công nghệ sạch sản xuất
dầu diesel sinh học bằng phương pháp xúc tác sinh học được quan tâm ở các nước phát
triển. Năm 2001, Nhật Bản đã dùng tế bào Rhizopus oryzae cố định hoá để sản xuất
dầu diesel sinh học, tỷ lệ chuyển hoá của dầu diesel sinh học có thể đạt trên 95%, cao
hơn công nghệ sử dụng phương pháp hoá học, giá thành giảm được 15-20%, đặt cơ sở
ban đầu cho phương pháp sản xuất dầu diesel bằng phương pháp lên men.
Về qui mô, ngày nay nhiên liệu sinh học đã được sản xuất ở mức công nghiệp -
thương mại. Năm 2005, tổng sản lượng ethanol nhiên liệu sinh học của cả thế giới đạt
30 triệu tấn, trong đó Braxin và Mỹ đạt sản lượng khoảng 12 triệu tấn; tổng sản lượng
dầu diesel sinh học khoảng 2,2 triệu tấn, trong đó Đức khoảng 1,5 triệu tấn. Dự báo
đến năm 2030, lượng ethanol của Braxin xuất khẩu sẽ tăng lên 200 tỷ lít, so với 3 tỷ lít
hiện nay đáp ứng thay thế 10% nhu cầu xăng của thế giới. EU rất coi trọng nhiên liệu
sinh học, EU chủ yếu sử dụng dầu diesel sinh học từ nguyên liệu đậu tương, hạt cải
12


dầu và dầu, mỡ động thực vật. Hiện nay, trong các nước EU, sử dụng dầu diesel đạt 2
triệu tấn, chiếm 90% tổng sản lượng dầu diesel sinh học của thế giới.
Về chính sách đầu tư, nhiều nước đã đề ra mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh
học, EU đặt mục tiêu đến năm 2020 sản xuất 20% điện năng từ các nguồn năng lượng
tái sinh. Khối EU các nước thành viên cam kết sử dụng ít nhất 10% nhiên liệu sinh học
trong giao thông đến năm 2020. Mỹ đề ra đến năm 2020, nhiên liệu sinh học chiếm
20% nhiên liệu trong giao thông. Đặc biệt, Thuỵ Điển đặt mục tiêu sau năm 2020,
ethanol nhiên liệu từ xenlulo thay thế toàn bộ nhiên liệu hoá thạch, chấm dứt triệt để
sự phụ thuộc vào dầu mỏ. Trung Quốc, định hướng đến năm 2010, sản lượng nhiên
liệu sinh học khoảng 6 triệu tấn, trong đó sản lượng dầu diesel sinh học khoảng 1 triệu
tấn, đến năm 2020, sản lượng nhiên liệu sinh học đạt 19 triệu tấn, trong đó sản lượng
diesel sinh học khoảng 9 triệu tấn. Dự báo đến năm 2030, nhiên liệu sinh học có thể

đáp ứng 7% nhu cầu năng lượng toàn cầu.
Đối với các nước Đông Nam Á, là khu vực có điều kiện thiên nhiên ưu đãi nên
có nguồn dầu thực vật được lấy từ nhiều loại cây trong đó vẫn chủ yếu vẫn là cọ, dừa,
jatropha. Thái Lan, hiện đã sử dụng dầu cọ và đang bước đầu nghiên cứu, thử nghiệm
dầu hạt cây jatropha. Hạt cây jatropha, khoảng 4 kg hạt sản xuất được 1 lít diesel sinh
học tinh khiết 100%, đặc biệt loại hạt này không thể dùng để ép dầu ăn và có thể mọc
trên những vùng đất khô cằn, cho nên giá thành sản xuất sẽ rẻ hơn so với các loại hạt
có dầu truyền thống khác.
Tuy nhiên, có một số trở ngại nhất định khi sử dụng nhiên liệu sinh học chạy
trên động cơ đốt trong, trong đó trở ngại về mặt kỹ thuật là đáng quan tâm nhất, đó là
có sự khác biệt về tính chất của dầu thực vật và nhiên liệu diesel nên cần thiết phải xử
lý dầu thực vật để có tính chất gần giống với nhiên liệu diesel hoặc phải thay đổi về
kết cấu động cơ để động cơ làm việc có hiểu quả nhất khi sử dụng dầu thực vật. Để có
tính chất gần diesel, người ta chuyển hóa dầu thực vật thành ester dầu thực vật, nó là
sản phẩm phản ứng giữa dầu thực vật và cồn, có độ nhớt thấp hơn dầu thực vật nhưng
cao hơn diesel chút ít, chỉ số cetan cao hơn dầu thực vật thậm chí một số loại có chỉ số
cetan cao hơn diesel. Chính vậy, biodiesel có những ưu thế nhất định khi sử dụng trên
động cơ diesel.
Nhiều nước trên thế giới như Ấn Độ, Trung Quốc, Malaysia, Nigeria đã
nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh hoc phổ biến trên động cơ đốt trong. Đối với nhiên
13


liệu biodiesel, Ấn Độ đã thử nghiệm các pha trộn Bio-Jatropha với DO theo tỷ lệ khối
lượng: 25% Bio-Jatropha + 75% DO ; 50% Bio-Jatropha + 50% DO và 75% Bio-
Jatropha + 25% DO. Kết quả động cơ khi sử dụng các hỗn hợp trên có hiệu suất nhiệt
tăng nhẹ, nhiệt độ khí thải giảm, phát thải CO
2
giảm, phát thải NO
X

tăng nhẹ, độ đục
khí thải giảm so với khi sử dụng DO [29]. Trong trường hợp các pha trộn Bio-Jatropha
với DO theo tỷ lệ khối lượng: 25% Bio-Jatropha + 75%, 50% Bio-Jatropha + 50% DO
và 75% Bio-Jatropha + 25% DO có thêm phụ gia Multi-DM-32, kết quả động cơ làm
việc tốt, êm dịu khi sử dung nhiên liệu hỗn hợp, hiệu suất nhiệt tăng nhẹ so với DO.
Nhiệt độ khí thải khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp thấp hơn so với DO. Khí thải CO
2

thấp hơn, CO thấp ở tải cao, NO
X
tăng nhẹ so với DO, độ đục khí thải thấp hơn nhiều
so với DO. Bởi phụ gia Multi-MD-32 có khả năng làm giảm sức căng bề mặt nhiên
liệu, giúp nhiên liệu phun sương tốt hơn, cải thiện quá trình đốt cháy và hiệu suất của
động cơ [28].
Bên cạnh việc sử dụng nhiên liệu biodiesel, hiện nay trên thế giới đã nhiều
nghiên cứu về sử dụng dầu thực vật cho động cơ đốt trong, dầu thực vật cũng được
khuyến khích dùng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel đặc biệt ở các vùng
nông thôn, vùng sông lạch góp phần giúp cho người dân chủ động hơn về nhiên liệu
tại chổ. Từ những năm 1970, nhiều công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học đã
được thực hiện, các cải tiến động cơ diesel để làm cho chúng hoạt động phù hợp với
dầu thực vật thô hay dầu thực vật tinh khiết và động cơ phun trực tiếp Elsbett là động
cơ đầu tiên trên thế giới đã sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế. Đối với dầu
thực vật thô, các nhà khoa học Ấn Độ sử dụng các pha trộn theo thể tích: 10% Jatropha
+ 90% ; 20% Jatropha + 80% DO ; 30% Jatropha + 70% DO ; 40% Jatropha + 60%
DO ; 50% Jatropha + 50% DO ; 75% Jatropha + 25% DO và 100% Jatropha kết hợp
tận dụng nhiệt khí xả để sấy nóng nhiên liệu hỗn hợp từ 90÷100
0
C. Kết quả động cơ có
tiêu hao nhiên liệu riêng lớn hơn khi sử dụng DO, Khí thải HC, CO
x

, độ đục khí thải
cao hơn. Nhiệt độ khí thải khi sử dụng Jatropha cao hơn so với DO. Kết quả tìm được
ở mức J10, J20 tiêu hao nhiên liệu riêng tăng nhẹ so DO, độ đục khí thải tương đương
với DO [27]. Tuy nhiên, các nghiên cứu này thử nghiệm ở các tỷ lệ pha trộn dầu
Jatropha khá cao, chưa thử nghiệm ở các tỷ lệ dầu jatropha thấp.

Như vậy, để có thể sử dụng dầu thực vật trực tiếp trên động cơ, người ta đã xử
lý độ nhớt của dầu tương đương với diesel bằng nhiều phương pháp khác nhau hoặc
14


kết hợp với cải thiện tính tự cháy của nhiên liệu bằng cách sử dụng chất phụ gia
Procetane hay Multi-DM-32.

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong chủ yếu là nhiên
liệu truyền thống. Những năm gần đây, đã có chuyển biến mạnh mẽ trong chính sách
quốc gia tạo điều kiện cho các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu sản xuất và sử dụng
nhiên liệu sinh học. Trong các cơ sở đi đầu trong lĩnh vực này phải kể đến như:
Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Đại học Bách khoa TP. HCM, Trường Đại học
Nha Trang, Tổng công ty Dầu khí Việt Nam, Công ty Phát triển phụ gia - Sản phẩm
dầu mỏ.
Đối với bio-ethanol, các nghiên được thực hiện theo hai hướng: cải tiến, cải
hoán một số bộ phận của hệ thống nhiên liệu để sử dụng trực tiếp ở dạng nguyên chất
và pha trộn để tạo hỗn hợp nhiên liệu mới. Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng sử
dụng nhiên liệu pha ethanol bắt đầu từ những năm 1990, đã thực hiện nghiên cứu với
các hướng cải tiến bộ chế hoà khí xe máy, xe ô tô để hoà trộn xăng và cồn ethanol
(nồng độ >95%) ở dạng khí (dùng hai bộ chế hoà khí riêng rẽ hoặc dùng buồng phao
kép và hai kim côn) nhằm nâng cao độ đồng nhất của hỗn hợp trong buồng đốt động
cơ. Dùng ngọn lửa cháy mồi của tia phun dầu diesel để đốt cháy riêng cồn ethanol.

Tuy nhiên, hướng nghiên cứu này mới chỉ dừng ở thử nghiệm nhỏ và triển khai thực tế
chưa rộng rãi.
Đối với Biodiesel, Phân viện Khoa học Vật liệu tại TP. HCM đã dùng phản ứng
transeste hóa điều chế dầu biodiessel từ dầu hạt cao su, xúc tác axit, tác chất ethanol
[5]. GS. Vũ An, Đào Văn Tường Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam dùng phản ứng
transeste để điều chế BDF từ dầu cọ, xúc tác kiềm, tác chất là methanol dùng phương
pháp khuấy gia nhiệt [3]. GS. Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Hữu Trịnh Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội tập trung vào xúc tác dị thể, kiềm,… để điều chế BDF từ mỡ cá, dầu
nành, dầu thực vật [5], [23]. PGS. Phan Minh Tân Trường Đại học Bách khoa, Đại học
Quốc gia TP.Hồ Chí Minh: BDF từ dầu dừa, dầu thải, mỡ cá basa ; phương pháp hóa
học, xúc tác kiềm, enzyme, p-toluen sunfonic [8], [9]. Hiện nay, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh đang nghiên cứu đề tài sản xuất BDF từ dầu hạt
jatropha sử dụng phương pháp hóa học và hóa siêu âm; xúc tác kiềm: KOH, NaOH;
tác chất: methanol, ethanol. Nhiều công trình nghiên cứu được ứng dụng trong thực tế,
15


Công ty Agifish An Giang xây dựng nhà máy chế biến BDF công suất 30.000 lít/ngày.
Công ty TNHH Minh Tú (Cần Thơ) đầu tư hơn 12 tỉ đồng xây dựng nhà máy sản xuất
BDF từ mỡ cá. Tháng 8/2006, hệ thống thiết bị sản xuất nhiên liệu BDF từ dầu ăn phế
thải công suất 2 tấn/ngày được triển khai tại Công ty Phú Xương (TP.HCM).
Về thử nghiệm biodiesel, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM thử
nghiệm bio-jatropha trên máy phát điện động cơ diesel, khi tỷ lệ bio-jatropha tăng
trong hỗn hợp nhiên liệu với dầu diesel thì nồng độ phát thải của khí CO, SO
2
và hợp
chất C
x
H
y

giảm, ngược lại nồng độ các khí NO,

NO
2
và CO
2
tăng. Trường Đại học
Bách khoa TP. HCM đã nghiên cứu ứng dụng biodiesel dầu dừa trên các tàu sông công
suất nhỏ, kết quả tiêu hao nhiên liệu của động cơ tăng khi tăng tỷ lệ biodiesel dầu dừa
với dầu diesel [3].
Về thử nghiệm dầu thực vật, một số kết quả nghiên cứu của Thạc sỹ Phùng
Minh Lộc, Trường Đại học Nha Trang thử nghiệm ethanol pha vào dầu dừa kết hợp
với sấy nóng hỗn hợp 80
0
C làm nhiên liệu chạy động cơ diesel D12, động cơ có buồng
đốt trực tiếp, kết quả suất tiêu hao nhiên liệu của nhiên liệu của động cơ hỗn hợp tăng
so với dầu diesel. Thử nghiệm hỗn hợp 15% dầu hỏa pha với 85% dầu dừa được sấy
nóng ở 60
0
C kết hợp với phụ gia nano fuel bosster làm nhiên liệu chạy động cơ diesel
D12. Kết quả cho thấy tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ đối với hỗn hợp khi có sử
dụng chất phụ gia thấp hơn khi không có phụ gia và khi sử dụng 100% dầu diesel [13].
Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa đề cập đến việc đánh giá chỉ tiêu khí thải của
động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu thay thế.

Về chính sách vĩ mô, Chính phủ phê duyệt triển khai đề án QĐ177/2007/QĐ-
TTg ngày 20/11/2007 phát triển nhiên liệu sinh học, vốn ngân sách nhà nước chi cho
việc triển khai, thực hiện các nội dung của đề án đến năm 2015, dự kiến khoảng 259,2
tỷ đồng cho các nhiệm vụ nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu ứng dụng. Về cơ chế, chính
sách, trong giai đoạn 2007-2015, đầu tư sản xuất NLSH được xếp vào danh mục lĩnh

vực đặc biệt ưu đãi đầu tư.
Nhìn chung, khó khăn lớn nhất của chúng ta là nguồn nguyên liệu và trình độ
công nghệ. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất lớn chưa được đầu tư đúng mức. Các cơ
sở sản xuất dầu mỡ động, thực vật có công nghệ thiết bị tách dầu, mỡ lạc hậu, tỷ lệ thu
hồi thấp. Khó khăn về nguồn nhân lực lành nghề, các chuyên gia kỹ thuật cao, đầu tư
cho nghiên cứu còn nhiều hạn chế, chưa có sự phối hợp chặt chẽ giữa các ngành có
16


liên quan trong việc nghiên cứu triển khai và ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào
thực tiễn sản xuất; chưa có hệ thống pháp lý hoàn chỉnh; các hoạt động hợp tác quốc tế
còn quá ít và chưa đạt được hiệu quả mong muốn.
Tóm lại, bên cạnh đầu tư vĩ mô về vùng nguyên liệu, cơ sở hạ tầng chế biến,
nghiên cứu chuyển giao công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học, việc nghiên cứu thử
nghiệm dầu thực vật sử dụng đặc biệt là dầu jatropha trên động cơ diesel công suất nhỏ
là việc làm cần thiết, hợp với xu thế chung của xã hội để có đánh giá đầy đủ hơn về
khả năng sử dụng dầu jatropha về mặt kinh tế, môi trường nhằm có khuyến cáo,
khuyến nghị về việc phổ biến sử dụng dầu jatropha trên động cơ diesel cũng như chủ
trương của Chính phủ về phát triển vùng nguyên liệu, đầu tư cơ sở hạ tâng công nghệ
chế biến dầu jatropha.
1.2. NHIÊN LIỆU CÓ KHẢ NĂNG DÙNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CÔNG
SUẤT NHỎ
1.2.1. Khí dầu mỏ hóa lỏng
Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) là loại nhiên liệu lỏng được tạo ra từ việc nén các
loại khí thu được trong quá trình chế biến dầu mỏ như: propane (C
3
H
8
) và butane
(C

4
H
10
) được nén hoá lỏng. Khí hoá lỏng có nhiệt trị thể tích lớn hơn khí chưa hoá
lỏng, tương đương 73% so với xăng cao cấp.
Bảng 1.1. So sánh tính năng khí hóa lỏng với dầu diesel [1], [2]
Đặc tính LPG Diesel
Nhiệt trị thể tích, (MJ/l) 23,5-25,6 43,8
Nhiệt trị hỗn hợp, (kJ/l) 2756-2792 2990
Lượng không khí cần, (kg/kg) 15,6 14,7
Nhiệt độ bốc hơi, (
0
C)

-42 30
Nhiệt độ bốc cháy, (
0
C)

490-510
Ẩn nhiệt bốc hơi/Nhiệt trị, (kJ/MJ)

7,6-7,7 9,2
Áp suất bốc hơi ở 38
0
C, (bar) 3-13 0,7
Trị số octane, RON
MON

101-111

97
-
-

1.2.1.1. Ưu điểm
- Có nhiệt trị thể tích lớn.
- Khi sử dụng ít hư hại động cơ và hệ thống khí thải, ít cáu thải, ít gây ô nhiễm
môi trường do trong thành phần nhiên liệu ít chứa tạp chất độc hại.
1.2.1.2. Nhược điểm
- Thể tích bình chứa lớn, chịu áp suất cao. Thất thoát tồn chứa cao khoảng 15%.
17


- Xupap nhanh mòn hơn do trạng thái cháy “khô” hơn.
- Chưa được sử dụng rộng rãi.
- Nhiệt trị thể tích thấp hơn diesel gần 38%, công suất giảm 5,8% sau khi
chuyển đổi nhiên liệu dẫn khi dùng LPG đến hiệu suất thấp hơn dùng dầu diesel.
Khi sử dụng LPG trên động cơ diesel cần cải tạo động cơ cho phù hợp. Khi sử dụng
LPG kết hợp với diesel, phải dùng LPG phun mồi trước khi sử dụng nhiên liệu hỗn
hợp diesel - LPG. Cho nên, cần phải cải tạo hệ thống cấp nhiên liệu và một số tính
năng khác của động cơ. Với lý do như trên, đề tài không chọn LPG là nhiên liệu pha
trộn với diesel chạy trên động cơ diesel.
1.2.2. Khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên (CNG) thành phần chủ yếu là metan (CH
4
), chiếm thể tích từ 81-
98%. Metan có thể được nén lại hoặc hóa lỏng ở nhiệt độ dưới -162
0
C, có trữ lượng
lớn và ít ô nhiễm môi trường nên metan được sử dụng rộng rãi.

Bảng 1.2. So sánh tính năng khí thiên nhiên với diesel [1], [2]
Đặc tính CNG Diesel
Tỷ lệ C/H 1/4 1/2
Trọng lượng phân tử, (đơn vị C) 16,043 96
Tỷ trọng ở dạng lỏng, (kg/m
3
) 424 700÷780
Tỷ lệ hòa khí, (không khí/nhiên liệu) 9,52 14,7
Nhiệt độ sôi, (
0
C)

-161,5 30-90
Nhiệt trị thấp, (MJ/kg)

50,5 43,9
Nhiệt trị hỗn hợp, (MJ/m
3
) 3,39 3,73
Nhiệt độ bắt lửa, (
0
C)

537 390÷420
Nhiệt độ ngọn lửa, (
0
C) 1918 2197
Nhiệt độ bốc cháy, (
0
C) 540

Tốc độ lan truyền màng lửa, (cm/s)

33,8 39÷47
Trị số octane, RON

130 -

1.2.2.1. Ưu điểm
Metan có nhiệt độ bắt lửa cao, trị số octane cao (RON: 130).
Tỷ số nén từ 12-15. Nhiệt trị cao: Hu = 50,5 MJ/kg.
Giới hạn cháy của hỗn hợp metan - không khí rộng (0,34-2,0).
Áp suất nén 200Kg/cm
2,
cao hơn LPG hơn 10 lần nên khả năng chứa gọn.
Tỷ lệ C/H: ¼, nhỏ bằng ½ xăng nên khi cháy ít sản sinh CO
2
hơn xăng, muội
khói than ít hơn.


18


1.2.2.2. Nhược điểm
- Tỷ trọng thấp, khi nén đến 20Mpa (200Kg/cm
2
) thì lộ trình một lần bơm gas
chỉ bằng ¼ so với xăng.
- An toàn thấp, giá thành thiết bị cung cấp đắt, giá thành CNG đắt.
Tóm lại, việc sử dụng CNG trên động cơ đốt trong thân thiện môi trường nhưng

đòi hỏi phải cải tạo nhiều hệ thống và kết cấu động cơ, do vậy chi phí sẽ cao nên
nghiên cứu này không sử dụng CNG làm nhiên liệu để chạy thử nghiệm.
1.2.3. Ethanol
Ethanol (C
2
H
5
OH) là một rượu no đơn chức, là chất lỏng không màu, vị cay,
khi bị đốt cháy nó tạo ngọn lửa xanh trong, tan tốt trong nước với bất kỳ tỷ lệ pha trộn
nào. Ethanol được chế biến bằng cách lên men tinh bột hoặc phương pháp khác, trong
công nghiệp thì nó được điều chế chủ yếu từ xenlulô. Khác với methanol, ethanol
không gây nhiễm độc cho con người và động vật.
Từ những năm 1970, các nước trên thế giới đã quan tâm đến việc sử dụng cồn
cho động cơ diesel, các nhà khoa học đã có nhiều công trình nghiên cứu trong lĩnh vực
công nghệ diesel-alcohol để tìm ra phương pháp cung cấp, tổ chức hỗn hợp và đốt
cháy cồn trong động cơ diesel.
Bảng 1.3. Đặc tính lý hoá cơ bản của ethanol, methanol và diesel [2], [3]
Tính chất Ethanol Methanol Dầu diesel
Khối lượng riêng, (kg/dm
3
)
0,785 0,792
0,84÷0,88
Nhiệt trị, (kJ/kg) 26950 20000 43900
Nhiệt độ tự cháy, (
o
C)

423 464
180÷240

A/F, (kgKK/kgNL)

9,00 6,47
Thành phần, (%)
* Cacbon
* Hydro
* Oxy

52,2
13,1
34,7

37,5
12,6
49,9

Trị số cetane
6÷8
-
45÷55

1.2.3.1. Ưu điểm
- Ethanol có khối lượng phân tử nhỏ (46kg/kmol) tương đương với khối lượng
phân tử của các thành phần nhẹ có trong xăng nên có khả năng bay hơi tốt.
- Điểm sôi của ethanol (78
o
C) thấp hơn điểm sôi của xăng (40÷190
o
C) và dầu
diesel (170÷340

o
C), nên ethanol có nhiệt hóa hơi lớn hơn nhiều so với xăng và diesel.
19


- Pha trộn ethanol sinh học với dầu diesel trong thành phần hỗn hợp nhiên liệu
làm tăng hàm lượng oxy, quá trình cháy tốt, khí thải thấp hơn so với nhiên liệu diesel.
- Thân thiện môi trường hơn dầu diesel.
1.2.3.2. Nhược điểm
- Tính tự cháy thấp do trị số cetan nhỏ, nhiệt độ tự cháy cao nên cồn rất khó tự
cháy bởi quá trình nén cháy trong động cơ diesel giống như khi sử dụng diesel.
- Nhiệt trị thấp của ethanol thấp hơn rất nhiều so với diesel nên khi dùng cồn
ethanol làm nhiên liệu thay thế thế làm giảm công suất của động cơ.
- Ethanol có khả năng hút ẩm rất mạnh nên hao mòn động cơ nên cần có chế độ
sử dụng nghiêm ngặt.
Tóm lại, việc sử dụng ethanol trên động cơ diesel thân thiện môi trường hơn
nhưng làm giảm hiệu suất động cơ nên hiệu quả kinh tế không cao, do vậy, không phù
hợp để chọn lựa làm nhiên liệu thí nghiệm trên động cơ nghiên cứu.
1.2.4. Methanol
Methanol (CH
3
OH) là chất lỏng trong suốt có mùi đặc trưng, tan tốt trong nước
với bất kỳ tỷ lệ pha trộn nào, được sản xuất bằng cách chưng khô gỗ hoặc tổng hợp từ
than và hydrogen. Khác với ethanol, methanol có thể gây nhiễm độc nặng cho cơ thể
con người và động vật khi thâm nhập vào cơ thể.
1.2.4.1. Ưu điểm
- Methanol là một hợp chất đơn giản, không chứa lưu huỳnh. Methanol tinh khiết
thải rất ít benzen và các mạch vòng hydrocacbon thơm.
- Methanol có khối lượng phân tử (32kg/kmol) nhỏ hơn ethanol (56kg/kmol) nên
có khả năng bay hơi rất tốt.

- Khả năng cháy sạch nên giảm thiểu các chất gây ô nhiễm.
- Là nhiên liệu tái sinh và dể sản xuất.
1.2.4.2 Nhược điểm
- Tính tự cháy thấp do trị số cetan nhỏ, nhiệt độ tự cháy cao (cao hơn ethanol)
nên rất khó tự cháy.
- Nhiệt trị thấp của methanol thấp hơn ethanol, thấp hơn rất nhiều so với diesel
nên khi dùng cồn methanol làm nhiên liệu thay thế làm giảm công suất của động cơ.
- Giống ethanol, methanol đều là chất háo nước nên nó chứa nhiều nước, làm
động cơ khó khởi động, làm rỉ sét ăn mòn kim loại.
20


- Tính ngấm của ethanol khác với methanol. Trong cơ thể, ethanol nhanh chóng
bị oxi hóa thành cacbondioxit và nước còn methanol thì không. Methanol một khi đã
hấp thụ vào cơ thể thì chỉ bị khử rất chậm hình thành Formaldehyde (HCOH) là chất
độc và là tác nhân gây bệnh ung thư.
Việc sử dụng methanol trên động cơ diesel có khả năng làm giảm hiệu suất động
cơ, hiệu quả kinh tế không cao, chất có khả năng gây độc nên không phù hợp để chọn
lựa làm nhiên liệu cho động cơ diesel.
1.2.5. Nhiên liệu sinh học
1.2.5.1. Dầu thực vật
Dầu thực vật là dầu được chiết suất từ các hạt, quả có dầu và chúng ta đặc biệt
quan tâm đến những cây có dầu với chiết suất lớn như: đậu phộng, đậu nành, nho, hạt
bông, hướng dương, dừa nhưng đáng quan tâm nhất là jatropha bởi nó là cây có hạt
không ăn được, thích nghi với nhiều loại thổ nhưỡng nên không cạnh tranh với đất
trồng cây lương thực, có chiết suất dầu khá lớn (50÷60%). Dầu thực vật làm nhiên liệu
cho động cơ có hai loại: sản phẩm dầu thực vật điều chế trực tiếp từ các hạt, trái, cây
có dầu và sản phẩm từ dầu thực vật qua ester hóa.
Bảng 1.4. Thành phần các axit béo của các loại dầu [19]
Loại axit Tên axit Dầu dừa Dầu cọ Dầu cọ cao Dầu

jatropha
Caprylic 8,24

1,04

3,50

0

Capric 7,19

2,90

4,50

0

Lauric 47,31

50,90

44,70

0,80

Myristic 17,00

18,40

17,50

0,40

Palmitic 8,85

8,70

9,70

14,40


Axit
béo no
Stearic 2,27

1,90

3,01

7,20

Palmitoleic 1,00

0

0

0,70

Oleic 6,27

14,60

15,20

42,00

Linoleic 1,87

1,20

1,80

34,50

Linolenic 0

0

0

0

Axit béo
không no
Arachidonic 0

0

0

0

% 100,00

100,00

100,00

100,00

% Axit béo không no 9,14

15,80

17,00

77,20


Thành phần hóa học của chúng nói chung gồm 95% các triglyceride và 5% các
axid béo tự do. Triglyceride là các triester tạo bởi phản ứng của các axit béo trên ba
chức rượu của glycerol. Trong phân tử của chúng có chứa các nguyên tố H, C, và O.
Thành phần các axit béo của dầu jatropha kết quả phân tích tại bảng 21 (phụ lục 2).
21


Bảng 1.5. Thành phần hóa học của các loại dầu [19], [23],
[18]

Thành phần Dầu hạt
bông
Dầu cải Dầu dừa Dầu
jatropha
Dầu
diesel
Cac bon 77,25

76,80

72,00

76,11

86,60

Hydro 11,66

11,90

12,00

10,52

13,40

Oxy 11,09

11,30

16,00

11,06

0,00

Tỷ trọng C/H 6,63

6,45

6,00

7,23

6,46

Tỷ số lượng không
khí/nhiên liệu (A/F)
12,40

12,39

11,83

-

14,51

Nitrogen

(%, w/w)

-

-

-

0,00

1,76

Sulfur (%, w/w)

-

-

-

0,00

0,25

Cặn carbon

0,50

0,28

0,11

0,70-0,90

0,01÷0,10


Dầu thực vật được chia thành ba nhóm. Nhóm dầu không khô (dầu axit béo bão
hòa) là các loại dầu có chỉ số Iốt thấp dưới 95 như dầu dừa, dầu cọ, dầu phộng, dầu
ôliu… Nhóm dầu nửa mau khô gồm các dầu có chỉ số Iốt từ 95÷130 như dầu cao su,
dầu mè, dầu hướng dương, dầu đậu nành, dầu cải dầu, dầu bông, dầu bắp, dầu jatropha
(101,7). Nhóm mau khô gồm các dầu có chỉ số Iốt trên 130 như dầu lanh, dầu trẩu.
Về thành phần hóa học, đối với dầu thực vật so với dầu diesel: lượng chứa C ít
hơn 10÷12%, lượng chứa H ít hơn 5÷13% còn lượng O thì lớn hơn rất nhiều (dầu
diesel chỉ có vài phần ngàn O, dầu thực vật có 9÷11% O) [17], nên dầu thực vật là
nhiên liệu oxy. Chính vậy, dầu thực vật có thể làm việc với lượng dư không khí nhỏ.
b. Đặc tính dầu thực vật
- Khối lượng riêng
Khối lượng riêng của dầu thực vật thường nhỏ hơn nước nhưng lớn hơn dầu
diesel từ 6÷17% [19]. Khối lương riêng dầu thực vật d
20

P
= 0,907÷0,971, dầu có nhiều
thành phần hydrocacbon và càng no thì tỷ trọng càng cao [15].
- Tính tan của dầu thực vật
Dầu không phân cực, nên chúng tan rất tốt trong dung môi không phân cực,
không tan trong nước. Độ tan của dầu trong dung môi phụ thuộc vào nhiệt độ [15].
- Độ nhớt
Độ nhớt dầu thực vật ở nhiệt độ thường cao hơn so với dầu diesel khoảng vài

chục lần, nhưng đường cong chỉ thị độ nhớt rất dốc. Đối với dầu jatropha độ nhớt ở
20
0
C là 50,73 lớn hơn dầu diesel hơn từ 8,5÷17 lần. Một số kết quả nghiên cứu chỉ ra
rằng độ nhớt của dầu Jatropha giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng và nó trở nên gần diesel
ở nhiệt độ trên 90
0
C [28].


22


Độ nhớt của dầu ảnh hưởng lớn đến khả năng thông qua của dầu trong bầu lọc,
đến chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp do đó ảnh hưởng mạnh đến tính
kinh tế và hiệu quả của động cơ.
Bảng 1.6. Một số tính chất cơ bản của dầu thực vật [17],[23], [24], [25], [26]
Loại dầu
Khối lượng
riêng (g/cm
3
)
Độ nhớt
(Cst)
(ở 20
0
C)
Chỉ số
Cêtan
Điểm

đục (
0
C)
Điểm
chớp lửa
(
0
C)
Nhiệt trị
(Mj/kg)
/(Kcal/kg)
Lạc 0.914

85

39÷41

9

258

39,33/9410

Dừa 0.915

30÷37

40÷42

20÷28

110

37,10/8875

Nành 0.920

58÷63

36÷38

-4

330

37,30/8925

Jatropha 0,917

50,73

43÷51

9-12

240

39,42/9415

Diesel 0.836

3-6

45÷50

-2

60

43,80/10478


- Chỉ số cetan
Chỉ số cetan của dầu thực vật nhỏ hơn so với dầu diesel, trong số các dầu thực vật
nghiên cứu thì dầu jatropha có ưu thế hơn về chỉ số cetan, chỉ số cetan dầu jatropha
thấp hơn dầu diesel chút ít. Muốn tăng chỉ số cetan cho dầu thực vật có thể dùng biện
pháp thêm chất phụ gia "procetane" hay chuyển chúng thành ester dầu thực vật.
- Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc
Các dầu khác nhau có thành phần hóa học khác nhau nên nhiệt độ nóng chảy và
nhiệt độ đông đặc cũng khác nhau.
- Sức căng bề mặt
Ở nhiệt độ thường thì sức căng bề mặt của dầu thực vật cao hơn so với dầu diesel
nhưng ở nhiệt độ cao thì giảm nhanh và đạt giá trị gần bằng dầu diesel.
- Đường cong bay hơi
Về khả năng bay hơi, đối với dầu thực vật so với dầu diesel thì điểm bắt đầu bay
hơi thấp hơn (130÷150
0
C), điểm kết thúc bay hơi cao hơn (360÷375
0
C). Nhiều loại

dầu thực vật trong khoảng nhiệt độ 200÷280
0
C đường cong bay hơi gần trùng với
diesel, nhưng vượt quá 280
0
C thì chúng lại thấp hơn. Điểm đáng lưu ý là dầu thực vật
không hoàn toàn bay hơi hết, đây chính là nguyên nhân gây đóng cặn trên buồng cháy.
c. Các phương pháp xử lý dầu làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
Ảnh hưởng của độ nhớt làm cho hệ thống nhiên liệu hoạt động không bình
thường, làm chất lượng của quá trình phun và cháy kém hơn nên các chỉ tiêu của động
cơ diesel sẽ giảm đi khi sử dụng dầu thực vật. Cho nên, để sử dụng dầu thực vật làm
23


nhiên liệu cần áp dụng các biện pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên
liệu diesel, chủ yếu làm giảm độ nhớt của dầu thực vật bằng các phương pháp sau:
- Phương pháp sấy nóng nhiên liệu
Phương pháp này dựa trên đặc tính thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ, độ nhớt sẽ
giảm khi nhiệt độ tăng. Trong khoảng nhiệt độ từ 30÷80
o
C sẽ làm độ nhớt thay đổi
nhiều, khi nhiệt độ vượt trên 80
o
C thì độ nhớt thay đổi rất ít. Để đạt được độ nhớt của
hỗn hợp nhiên liệu cần tăng nhiệt độ lên đến 80
0
C.
Nhược điểm của phương pháp này là quá trình tăng nhiệt độ lên quá cao làm thay
đổi trạng thái nhiệt và ảnh hưởng không tốt đến hệ thống cấp nhiên liệu. Mặt khác
phương pháp này không cải thiện được trị số cetan của dầu thực vật…Do đó phương

pháp này chỉ thích hợp để áp dụng đồng thời với phương pháp khác (kết hợp pha loãng
với nhiên liệu khác có độ nhớt thấp hơn), nhằm mục đích tăng khả năng lưu thông của
dầu thực vật, đặc biệt khi động cơ làm việc trong môi trường có nhiệt độ thấp.
- Phương pháp pha loãng với nhiên liệu khác để có độ nhớt thích hợp:
Pha loãng với nhiên liệu khác theo tỷ lệ nào đó để được hỗn hợp nhiên liệu mới
có độ nhớt thích hợp, là giải pháp đơn giản làm giảm độ nhớt, dễ dàng thực hiện ở mọi
qui mô. Có thể sử dụng nhiên liệu diesel để làm môi chất pha loãng hoặc có thể dùng
alcohol để pha loãng, pha trộn được tiến hành bằng phương pháp cơ học, không đòi
hỏi thiết bị phức tạp, hỗn hợp nhận được bền vững và ổn định trong thời gian dài. Pha
loãng không chỉ làm giảm độ nhớt của dầu thực vật mà nó còn cải thiện được một số
chỉ tiêu khác của dầu như: trị số cetan lớn hơn, nhiệt độ đông đặc thấp hơn
Nhược điểm lớn nhất của giải pháp này là khi tỷ lệ dầu thực vật, mỡ động vật lớn
hơn 50% thì không thích hợp, bởi vì lúc này độ nhớt của hỗn hợp lớn hơn độ nhớt
nhiên liệu diesel nhiều và đây là khó khăn khi sử dụng với tỷ lệ dầu thực vật, mỡ động
vật cao làm nhiên liệu. Pha loãng diesel với dầu thực vật, mỡ động vật; hỗn hợp 10%
dầu thực vật, mỡ động vật có độ nhớt gần bằng diesel và thể hiện tính năng kỹ thuật tốt
đối với động cơ diesel [18].
- Phương pháp craking
Quá trình cracking dầu thực vật, mỡ động vật gần giống với quá trình cracking
dầu mỏ. Nguyên tắc cơ bản của quá trình là cắt ngắn mạch hydrocacbon của dầu thực
vật, mỡ động vật bằng tác dụng của nhiệt và chất xúc tác thích hợp. Sản phẩm của quá