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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHAN ĐẮC YẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC
B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƯỢNG
VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

PHAN ĐẮC YẾN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC
B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƯỢNG
VÀ MÔI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số:

62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS, TS Nguyễn Hoàng Vũ
2. TS Nguyễn Trung Kiên

HÀ NỘI – NĂM 2015


i

LỜI CAM ĐOAN

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

Tác giả luận án

Phan Đắc Yến


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Phòng sau

Đại học, Khoa Động lực, Bộ môn Động cơ - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Công nghiệp và
Xây dựng đã dành cho tôi những điều kiện thuận lợi trong quá trình làm luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn
Hoàng Vũ, TS Nguyễn Trung Kiên – Bộ môn Động cơ – Học viện KTQS về những
hướng dẫn khoa học và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để nghiên cứu sinh hoàn
thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Nhà máy Z153/Tổng cục Kỹ thuật, Phòng thí
nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc-hóa dầu/Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam,
Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng 1 (Quatest 1), Trung tâm Quốc
gia thử nghiệm khí thải Phương tiện cơ giới đường bộ (NETC)/Cục Đăng kiểm Việt
Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu thực
nghiệm và hoàn thành phần thực nghiệm của luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy thuộc Bộ môn Động cơ- Khoa Động
lực- Học viện KTQS và các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động lực trong và
ngoài Học viện đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho NCS trong quá trình thực
hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và những người
thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện
luận án.
Nghiên cứu sinh

Phan Đắc Yến


iii

MỤC LỤC
Trang

LỜI CAM ĐOAN

i

LỜI CẢM ƠN

ii

MỤC LỤC

iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

xii

MỞ ĐẦU

1

Mục đích và phạm vi nghiên cứu

2

Đối tƣợng nghiên cứu

2

Loại nhiên liệu sử dụng

2

Phƣơng pháp nghiên cứu

2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

3

Bố cục của luận án

4

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

6

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

6

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

11

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

14

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

14

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

15

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

17

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

19

1.4.1. Mức pha trộn và kinh nghiệm sử dụng thực tế

19

1.4.1.1. Với mức pha trộn nhỏ (≤ 5%)

19

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

19

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

20

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

20

1.5. Tình hình nghiên cứu ảnh hƣởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế,
năng lƣợng, môi trƣờng của động cơ diesel

21

1.5.1. Trên thế giới

21


iv

1.5.2. Tại Việt Nam

24

1.6. Kết luận chƣơng 1

29

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG
LƢỢNG, MÔI TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL

30

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

30

2.1.1. Mô hình hệ thống phun nhiên liệu dùng BCA kiểu cơ khí truyền thống

30

2.1.2. Tính toán quá trình truyền sóng áp suất trên đường ống cao áp

31

2.1.3. Các phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp và vòi phun

32

2.1.3.1. Phương trình điều kiện biên tại bơm cao áp

32

2.1.3.2. Phương trình điều kiện biên tại vòi phun

34

2.1.3.3. Hệ phương trình vi phân điều kiện biên

35

2.1.4. Xác định quy luật cung cấp nhiên liệu
2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác các chỉ tiêu kinh tế, năng
lƣợng, của động cơ

36
37

2.2.1. Mô hình vật lý dùng để tính toán chu trình công tác của động cơ

37

2.2.2. Các phương trình cơ bản tính diễn biến áp suất, nhiệt độ trong xi lanh
động cơ diesel

37

2.2.3. Mô hình tính toán quá trình cháy

39

2.2.3.1. Khái quát chung

39

2.2.3.2. Mô hình cháy đa vùng Razleitsev - Kuleshov

40

2.2.4. Mô hình tính trao đổi nhiệt của môi chất với thành vách

47

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

48

2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán NOx và độ khói k của động cơ

49

2.3.1. Xác định thành phần NOx trong khí thải động cơ

49

2.3.2. Tính toán độ khói khí thải k

51

2.4. Lựa chọn phần mềm tính toán

53

2.4.1. Lựa chọn phần mềm tính toán QLCCNL

53

2.4.2. Lựa chọn phần mềm tính toán chu trình công tác và các chỉ tiêu kinh tế,
năng lượng, môi trường của động cơ

55

2.5. Kết luận chƣơng 2

56

CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH ẢNH HƢỞNG CỦA
BIODIESEL B10, B20 ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, NĂNG LƢỢNG, MÔI
TRƢỜNG CỦA ĐỘNG CƠ B2

57

3.1. Lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu

57


v

3.2. Tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu của động cơ B2 bằng phần mềm
mô phỏng Inject32

58

3.2.1. Hệ thống phun nhiên liệu của động cơ B2

58

3.2.2. Xây dựng mô hình và xác định các thông số đầu vào

59

3.2.3. Thuộc tính của nhiên liệu dùng cho phần mềm Inject32

60

3.2.4. Chế độ, trình tự tính toán và phương pháp đánh giá tác động của B10,
B20 đến quy luật cung cấp nhiên liệu

61

3.2.5. Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình tính quy luật cung cấp nhiên liệu

61

3.2.6. Kết quả tính toán quy luật cung cấp nhiên liệu

63

3.3. Tính toán các quá trình nhiệt động, các chỉ tiêu kinh tế, năng lƣợng, môi
trƣờng của động cơ B2 bằng phần mềm mô phỏng Diesel-RK

70

3.3.1. Xây dựng mô hình tính và xác định các thông số đầu vào

70

3.3.2. Chế độ, trình tự tính toán và phương pháp đánh giá tác động của B10,
B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ B2

72

3.3.3. Đánh giá, hiệu chỉnh mô hình tính chu trình công tác

73

3.3.4. Kết quả tính toán và nhận xét

75

3.3.4.1. Quá trình hình thành và phát triển tia phun

75

3.3.4.2. Diễn biến quá trình tạo hỗn hợp và cháy

76

3.3.4.3. Kết quả tính toán các thông số nhiệt động trong xi lanh

82

3.3.4.4. Tính toán các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng

86

3.3.4.5. Tính toán mức phát thải NOx và độ khói k

91

3.4. Kết luận Chƣơng 3

95

CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

96

4.1. Mục đích, chế độ, điều kiện và đối tƣợng thử nghiệm

96

4.1.1. Mục đích

96

4.1.2. Chế độ thực nghiệm

96

4.1.2.1. Xác định các thuộc tính của nhiên liệu

96

4.1.2.2. Xác định lượng nhiên liệu cấp cho chu trình

96

4.1.2.3. Xác định các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường

96

4.1.3. Điều kiện thực nghiệm

96

4.1.4. Đối tượng thực nghiệm

97

4.2. Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm

97

4.2.1. Trang thiết bị xác định các thuộc tính của nhiên liệu

97

4.2.2. Trang thiết bị xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình

101


vi

4.2.3. Trang thiết bị xác định ảnh hưởng của B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh
tế, năng lượng, môi trường của động cơ B2

102

4.2.3.1. Bệ thử động cơ AVL-ETC

102

4.2.3.2. Các hệ thống chính của bệ thử

103

4.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét

110

4.3.1. Xác định các thuộc tính của nhiên liệu

110

4.3.2. Xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình

114

4.3.3. Xác định các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng của động cơ

116

4.3.4. Xác định mức phát thải NOx và độ khói k của động cơ

117

4.3.5. Nhận xét chung

119

4.4. Đánh giá độ chính xác, tin cậy của các mô hình đã xây dựng

119

4.4.1. Mô hình tính quy luật cung cấp nhiên liệu

119

4.4.2. Mô hình tính các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng

121

4.4.3. Mô hình tính NOx; độ khói k

123

4.5. Kết luận Chƣơng 4

126

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN

127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN

129

TÀI LIỆU THAM KHẢO

130

PHỤ LỤC

139


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
AEA

Diễn giải

Đơn vị

Tổ chức dầu khí

AVLETC
B0 (DO)

Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (American
Society for Testing and Materials)
Phòng thử nghiệm động cơ hạng nặng (Heavy Duty Engine
Test Cell)
Nhiên liệu diesel dầu mỏ

Biodiesel

Nhiên liệu diesel sinh học

Biofuel

Nhiên liệu sinh học

Bx

Nhiên liệu diesel nguồn gốc hóa thạch được hòa trộn với
nhiên liệu diesel sinh học, trong đó, B thể hiện là hỗn hợp
diesel/biodiesel, x thể hiện tỷ lệ % theo thể tích của diesel
sinh học trong hỗn hợp.

BCA

Bơm cao áp

CCKTTT

Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

CFR

Động cơ diesel thử nghiệm trị số xê tan

CNG

Khí thiên nhiên

CO

Ô xít các bon

CTCT

Chu trình công tác

cn

Vận tốc pít tông BCA

d32

Đường kính trung bình (Sauter) của hạt nhiên liệu

ĐCD

Điểm chết dưới

ĐCĐT

Động cơ đốt trong

ĐCT

Điểm chết trên

DME

Dimetyl Ete

EGR

Tuần hoàn khí thải

EU

Liên minh Châu Âu (European Union)

FAME

Este metyl a xít béo (Fatty acid methyl esters)

gct

Lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình

ge

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

GPS

Góc phun sớm

độ

GQTK

Góc quay trục khuỷu

độ

GQTC

Góc quay trục cam

độ

HC

Hydrocacbon

ASTM

m/s

mg/ct
g/kW.h


viii

HTPNL

Hệ thống phun nhiên liệu

ISO
k

Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Organization
for Standardization)
Độ khói khí thải

KH&CN

Khoa học và công nghệ

LPG

Khí dầu mỏ hóa lỏng

Me

Mô men xoắn có ích

N.m

n

Tốc độ vòng quay của trục khuỷu

vg/ph

nc

Tốc độ vòng quay của trục cam bơm cao áp

vg/ph

NCKH

Nghiên cứu khoa học

NCS

Nghiên cứu sinh

Ne

Công suất có ích

NETC

NLSH

Trung tâm quốc gia thử nghiệm khí thải phương tiện cơ

giới đường bộ (National Emission Testing Center for
Vehicle)
Nhiên liệu sinh học

NOx

Các Ô xít Ni tơ

PM

Chất thải dạng hạt (Particulates Matter)

PTCGĐB

Phương tiện cơ giới đường bộ

PTCGQS

Phương tiện cơ giới quân sự

PTCN

Phát triển công nghệ

PTN

Phòng thí nghiệm

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

QLCCNL

Quy luật cung cấp nhiên liệu

QTCN

Quy trình công nghệ

Quatest 1

Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1

TCCS

Tiêu chuẩn cơ sở

TCKT

Tổng cục kỹ thuật

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TSKT

Tiến sĩ kỹ thuật

VP

Vòi phun

hp

Độ nâng pít tông BCA

mm

hk

Độ nâng van cao áp

mm

y

Độ nâng kim phun

mm

p’

Áp suất phun nhiên liệu (áp suất khoang miệng vòi phun)

MPa

1/m

kW


ix

q

Tốc độ phun nhiên liệu

ml/s

Vinj

Vận tốc nhiên liệu ở đầu ra lỗ phun của vòi phun

m/s

pinj

Áp suất nhiên liệu trước lỗ phun

bar

SDllute

% mass

SSprCore

Phần nhiên liệu trong vùng loãng ngoài vỏ tia phun và

trong vùng loãng bên ngoài dòng sát vách buồng cháy
Phần nhiên liệu trong lõi tia phun

SFront

Phần nhiên liệu phía trước lõi tia phun

% mass

SCoreNWF

Phần nhiên liệu trong lõi tia phun sát thành buồng cháy

% mass

SCrosNWF

% mass

SHead

Phần nhiên liệu vùng ngoài lõi của tia phun sát thành
buồng cháy
Phần nhiên liệu của tia phun bắn lên nắp xi lanh

SLiner

Phần nhiên liệu của tia phun trên thành xi lanh

% mass



Hệ số dư lượng không khí

id

Thời gian cháy trễ

Độ GQTK

z

Khoảng thời gian cháy

Độ GQTK

dx/d
xb

Tốc độ cháy

1/độ GQTK

Tburn

Nhiệt độ vùng cháy

dQc/d
pxl

Tốc độ tỏa nhiệt
Áp suất trong xi lanh

bar

pxl max

Áp suất lớn nhất trong xi lanh

bar

Txl

Nhiệt độ trong xi lanh

K

Txl max

Nhiệt độ lớn nhất trong xi lanh

K

dp/d

Tốc độ tăng áp suất trong xi lanh

pi

Áp suất chỉ thị trung bình

Bar/độ
GQTK
bar

pe

Áp suất có ích trung bình

bar

m

Hiệu suất cơ khí của động cơ

%

i

Hiệu suất chỉ thị của động cơ

e

Hiệu suất có ích của động cơ

dk/d

Tốc độ hình thành độ khói

% mass

% mass

Quy luật cháy
K
J/độ GQTK

%
1/độ GQTK

Ngoài ra, còn một số từ viết tắt và ký hiệu được sử dụng và diễn giải
trong các Chương tương ứng của luận án và phần Phụ lục


x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Ký hiệu

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Lượng tiêu thụ biodiesel trên toàn cầu (năm 2009)

8

Bảng 1.2

Kết quả phân tích các thuộc tính của mẫu biodiesel gốc B100
Sự thay đổi thuộc tính hóa-lý, đặc tính cháy của biodiesel theo tỷ lệ
pha trộn (với B100 có cùng nguồn gốc)

10

Bảng 1.3
Bảng 1.4

Sự thay đổi thuộc tính của hỗn hợp B10, B20 theo
nguồn gốc của B100

12

Bảng 3.1

Các thông số về nhiên liệu cần cho Inject32

13
60

Bảng 3.2

So sánh lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình ở chế độ 100% tải
giữa tính toán và thực nghiệm

62

Bảng 3.3

Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6

Kết quả tính toán áp suất lớn nhất trong khoang xi lanh BCA pH max;
khoang đầu nối p’H max; khoang vòi phun p max tại n = 2000
vg/ph, khi sử dụng B0, B10 và B20
Tổng hợp kết quả tính toán các thông số chính của QLCCNL khi sử
dụng B0, B10 và B20 tại n= 2000 vg/ph
Tổng hợp kết quả tính toán ảnh hưởng của B10, B20 đến gct trên toàn
dải tốc độ vận hành
Các thông số về nhiên liệu cần nhập vào phần mềm Diesel-RK

65
68
68
71
74

Bảng 3.8

So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm về Me; ge ở chế độ 100%
tải, khi sử dụng B0
Ảnh hưởng của B10, B20 đến hệ số dư lượng không khí 

Bảng 3.9

Ảnh hưởng của B10, B20 đến thời gian cháy trễ id

77

Bảng 3.10

Ảnh hưởng của B10, B20 đến tốc độ chát lớn nhất dx/d tại n= 2000
vg/ph

79

Bảng 3.11

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

79

Bảng 3.12
Bảng 3.13

Ảnh hưởng của B10, B20 đến nhiệt độ vùng cháy Tburn max và tốc độ
tỏa nhiệt dQc/d max ở n=2000 vg/ph
Sự thay đổi áp suất lớn nhất trong xi lanh pxl max khi dùng B0, B10, B20

81
83

Bảng 3.14

Sự thay đổi nhiệt độ xi lanh lớn nhất Txl max khi sử dụng B0, B10, B20

85

Bảng 3.15

Sự thay đổi áp suất chỉ thị trung bình pi khi sử dụng B0, B10, B20

86

Bảng 3.16

Sự thay đổi hiệu suất chỉ thị i khi sử dụng B0, B10, B20

87

Bảng 3.17

Sự thay đổi áp suất có ích trung bình pe khi sử dụng B0, B10, B20

88

Bảng 3.18

Tổng hợp ảnh hưởng của B10, B20 đến Me; ge của động cơ B2

89

Bảng 3.19

Tổng hợp ảnh hưởng của B10, B20 đến mức phát thải NOx

91

Bảng 3.7

76


xi

Bảng 3.20

Tổng hợp ảnh hưởng của B10, B20 đến độ khói k của động cơ B2

94

Bảng 4.1

Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định tỷ trọng

97

Bảng 4.2

Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định đường cong chưng cất
Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định độ nhớt

98

Bảng 4.5

Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định điểm chớp cháy cốc kín
Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định hàm lượng lưu huỳnh

98
99

Bảng 4.6

Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định độ ổn định ô xy hóa

99

Bảng 4.7

99

Bảng 4.8

Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định hàm lượng nước
Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định ăn mòn tấm đồng

100

Bảng 4.9

Thông số kỹ thuật của thiết bị xác định nhiệt trị

100

Bảng 4.10

Thông số vận hành của động cơ CFR F-5

100

Bảng 4.11

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

103

Bảng 4.12

Các thông số kỹ thuật cơ bản của THA100

104

Bảng 4.13

Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-753C

105

Bảng 4.14

Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-735S

106

Bảng 4.15

Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-553

107

Bảng 4.16

Các thông số kỹ thuật cơ bản của AVL-554

108

Bảng 4.17

Các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống điều hòa không khí

108

Bảng 4.18

Các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị AVL439

110

Bảng 4.19

Kết quả phân tích các tính chất của mẫu B0, B10, B20

Bảng 4.3
Bảng 4.4

0

98

111
0

Bảng 4.20

Kết quả xác định tỷ trọng, độ nhớt của B0, B10, B20 tại 20 C và 50 C

113

Bảng 4.21

Hàm lượng C/H/O, khối lượng phân tử trung bình, khối lượng riêng
của mẫu B0 và B100

113

Bảng 4.22

Hàm lượng C/H/O, khối lượng phân tử trung bình, khối lượng riêng
của các hỗn hợp B10, B20

114
114

Bảng 4.23

Kết quả tính nhiệt trị thấp của các mẫu B0, B10, B20

Bảng 4.24

115

Bảng 4.25

Kết quả thực nghiệm xác định gct của BCA HK10
Ảnh hưởng của B10, B20 đến Me, và ge của động cơ B2

Bảng 4.26

Ảnh hưởng B10, B20 đến hàm lượng NOx, độ khói k

117

Bảng 4.27

Sai số gct tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

120

Bảng 4.28

Sai số giữa Me tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

121

Bảng 4.29

Sai số giữa ge tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

122

Bảng 4.30

Sai số giữa NOx tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

124

Bảng 4.31

Sai số giữa độ khói tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

125

116


xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Ký hiệu
Hình 1.1

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

Những tương tác chủ yếu giữa các thông số khác nhau trong quá
trình cháy của động cơ diesel
Mô hình hệ thống phun nhiên liệu diesel kiểu cơ khí truyền thống

15
30

Hình 2.3

Mô hình vật lý và các dòng năng lượng, khối lượng ứng với một
CTCT của động cơ diesel
Mô hình tia phun và hình vẽ tia phun va đập với thành buồng cháy

38
41

Hình 2.4

Tương tác giữa chùm tia phun với thành vách

41

Hình 2.5

Sơ đồ phân bố các vùng của chùm tia phun diesel

42

Hình 2.6

Giao diện lựa chọn kiểu HTPNL trong phần mềm Inject32

53

Hình 2.7

Một số giao diện của phần mềm Diesel-RK

55

Hình 3.1

Mặt cắt ngang của động cơ B2

57

Hình 3.2

Kết cấu HTPNL của động cơ B2

59

Hình 3.3

Mô hình tính QLCCNL của động cơ diesel B2 trong Inject32

59

Hình 3.4
Hình 3.5

Kết quả tính toán và thực nghiệm xác định lượng nhiên liệu cung
cấp cho một chu trình của phân bơm cao áp, ở chế độ 100% tải
Diễn biến áp suât khoang xi lanh BCA pH tại n = 2000 vg/ph

62
63

Hình 3.6

Diễn biến áp suất khoang đầu nối p’H tại n=2000 vg/ph

64

Hình 3.7

Diễn biến áp suất khoang vòi phun p tại n = 2000 vg/ph

64

Hình 3.8

Diễn biến áp suất phun (p‘ ) khi sử dụng B0, B10, B20 tại n = 2000
vg/ph
Diễn biến tốc độ phun q tại n = 2000 vg/ph

66

Hình 2.1
Hình 2.2

Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12

Diễn biến lượng nhiên liệu phun theo góc quay trục cam khi sử dụng
B0, B10, B20 tại n=2000 vg/ph
Sự thay đổi d32 khi sử dụng B0, B10, B20 tại n = 2000 vg/ph

66
67
67
69

Hình 3.13

Sự thay đổi gct khi sử dụng B0, B10, B20
Sơ đồ khối mô hình mô phỏng CTCT của động cơ diesel trong Diesel-RK

Hình 3.14

So sánh Me tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0 ở 100% tải

75

Hình 3.15

So sánh Me tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0 ở 100% tải

75

Hình 3.16

Sự thay đổi hệ số dư lượng không khí  khi sử dụng B10, B20

76

Hình 3.17

Sự thay đổi thời gian cháy trễ id khi sử dụng B10, B20

77

Hình 3.18

Diễn biến tốc độ cháy dx/d khi sử dụng B0, B10, B20 tại

Hình 3.19

70

n=2000 vg/ph

78

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

80

xiii

Hình 3.20

Sự thay đổi khoảng thời gian cháy z khi sử dụng B0, B10, B20

80

Hình 3.21

Sự thay đổi nhiệt độ vùng cháy Tburn tại n= 2000 vg/ph

81

Hình 3.22

Sự thay đổi tốc độ tỏa nhiệt dQc/d khi sử dụng B0, B10, B20
tại n = 2000 vg/ph

82

Diễn biến áp suất trong xi lanh pxl tại n=2000 vg/ph khi sử dụng
B0, B10, B20

82

Hình 3.24

Sự thay đổi áp suất lớn nhất pxl max khi dùng B0, B10, B20

83

Hình 3.25

Sự thay đổi về tốc độ tăng áp suất trong xi lanh dp/d max khi sử

Hình 3.23

dụng B0, B10, B20 tại n=2000 vg/ph

84

Diễn biến nhiệt độ trong xi lanh Txl tại n=2000 vg/ph khi sử dụng
B0, B10, B20

85

Hình 3.27

Sự thay đổi nhiệt độ Txl max khi sử dụng B0, B10, B20

85

Hình 3.28

Ảnh hưởng của B10, B20 đến áp suất chỉ thị trung bình pi

87

Hình 3.29

Ảnh hưởng của B10, B20 đến hiệu suất chỉ thị i động cơ B2

87

Hình 3.30

Ảnh hưởng của B10, B20 đến áp suất có ích pe của động cơ B2

88

Hình 3.31

Ảnh hưởng của B10, B20 đến mô men Me của động cơ B2

90

Hình 3.32

Ảnh hưởng của B10, B20 đến ge của động cơ B2

90

Hình 3.33

Diễn biến hàm lượng NOx tại n=2000 vg/ph

91

Hình 3.34

Ảnh hưởng của B10, B20 đến mức phát thải NOx của động cơ B2

92

Hình 3.35

Ảnh hưởng của B10, B20 đến tốc độ hình thành độ khói k

93

Hình 3.36

Ảnh hưởng của B10, B20 đến độ khói k động cơ B2

93

Hình 4.1

Động cơ diesel CFR

101

Hình 4.2

Sơ đồ kết nối các trang thiết bị của phòng thử AVL – ETC

102

Hình 4.3

Đặc tính của APA-404/6PA ở chế độ phanh (a) và chế độ động cơ (b)

103

Hình 4.4

Sơ đồ nguyên lý hệ thống THA100

104

Hình 4.5

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

105

Hình 4.6

Sơ đồ nguyên lý hệ thống AVL-735S

106

Hình 4.7

Sơ đồ nguyên lý hệ thống AVL-553

107

Hình 4.8

Sơ đồ nguyên lý hệ thống AVL-554

108

Hình 4.9

Sơ đồ nguyên lý hệ thống AVL 439

109

Hình 4.10

Kết quả thực nghiệm xác định gct của BCA HK 10

115

Hình 4.11

Ảnh hưởng của B10, B20 đến Me của động cơ B2

116

Hình 4.12

Ảnh hưởng của B10, B20 đến ge của động cơ B2

117

Hình 4.13

Ảnh hưởng của B10, B20 đến hàm lượng NOx

118

Hình 3.26


xiv

Hình 4.14

Ảnh hưởng của B10, B20 đến độ khói k

118

Hình 4.15

So sánh gct tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

120

Hình 4.16

So sánh Me tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

121

Hình 4.17

So sánh ge tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

122

Hình 4.18

So sánh NOx tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

123

Hình 4.19

So sánh độ khói tính toán và thực nghiệm khi sử dụng B0, B10, B20

124


1

MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, tại Việt Nam nói riêng và tại các quốc gia trên thế
giới nói chung có sự gia tăng nhanh về số lượng động cơ đốt trong (ĐCĐT) sử dụng
làm nguồn động lực trong các lĩnh vực: nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận
tải và nhiều ngành kinh tế khác… Sự gia tăng nhanh cả về số lượng và công suất
của ĐCĐT đã khiến cho nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và môi
trường ngày càng bị ô nhiễm do khí thải độc hại.
Để chủ động nguồn năng lượng trong tương lai và để đảm bảo an ninh năng
lượng cho mỗi quốc gia, việc nghiên cứu sử dụng các loại nhiên liệu thay thế cho
nhiên liệu khoáng truyền thống đã trở nên cấp bách và hết sức cần thiết. Đối với các

động cơ xăng, nguồn nhiên liệu thay thế chủ yếu là các loại cồn công nghiệp biến
tính (Ethanol và Methanol) được pha trộn với tỷ lệ khác nhau hoặc các loại nhiên
liệu khí (bao gồm khí thiên nhiên CNG, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và biogas). Đối
với động cơ diesel, nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến hiện nay là khí dầu
mỏ hóa lỏng (LPG) và nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel).
Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật. Đây là loại nhiên liệu
có thể thay thế cho diesel khoáng và có thể pha chế với với diesel khoáng theo tỷ lệ
bất kỳ. Hiện nay, tỷ lệ pha trộn thường dùng từ 6 đến 20%, [64].
Biodiesel sản xuất từ dầu thực vật đã được sử dụng cho các động cơ diesel xe
tải, xe buýt và các động cơ tĩnh tại ở Pháp và Bỉ từ năm 1920, mặc dù đã gặp phải
một số hạn chế nhất định. Từ năm 1950, do sự phát triển của công nghiệp dầu mỏ
nên những nghiên cứu về biodiesel gần như dừng chân tại chỗ. Tuy nhiên, sau
những năm 1980 việc nghiên cứu, sử dụng biodiesel (thu được dầu thực vật, mỡ
động vật) đã được tái khởi động và phát triển mạnh tại Châu Âu, Mỹ và một số
nước Châu Á, [14].
Do biodiesel có sự khác biệt về tính chất hóa-lý (thành phần hóa học, tỷ
trọng, độ nhớt động học...) và đặc tính cháy (nhiệt trị, trị số xê tan...) so với nhiên
liệu diesel truyền thống nên sẽ tác động đến các thông số đặc trưng của quy luật
cung cấp nhiên liệu (góc phun sớm thực tế, sự phát triển tia phun, mức độ phun
tơi...). Trong khi đó, quy luật cung cấp nhiên liệu (QLCCNL) lại là thông số đầu vào
quan trọng phục vụ việc tính toán quá trình tạo hỗn hợp, diễn biến quá trình cháy và
các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel.
Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, việc thực hiện đề tài luận án TSKT
“Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học đến các chỉ tiêu kinh tế,


2

năng lượng, môi trường của động cơ diesel“ nhằm xây dựng mô hình tính cho phép
đánh giá tác động của nhiên liệu diesel sinh học đến QLCCNL, đến các chỉ tiêu kinh

tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel (đang sử dụng nhiên liệu diesel dầu
mỏ) mang tính cấp thiết và thời sự.
Mục đích và phạm vi nghiên cứu
Xây dựng được mô hình mô phỏng đủ độ tin cậy, cho phép đánh giá ảnh
hưởng của hỗn hợp biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến QLCCNL, diễn
biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác, mức phát thải
NOx, độ khói k của động cơ trên cơ sở ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên
dụng (Inject32 và Diesel-RK).
Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha
trộn 10% và 20% đến các chỉ tiêu kinh tế (suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge); năng
lượng (mô men xoắn có ích Me) và môi trường (mức phát thải NOx; độ khói khí thải
k) của động cơ diesel B2.
Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ diesel B2 (công suất định mức
là Ne đm=382 kW tại n=2000 vg/ph) do Liên xô sản xuất. Tại Việt Nam, động cơ B2
được sử dụng trên các phương tiện vận tải tại các mỏ khai thác khoáng sản, phương
tiện vận tải đường thủy, trên dàn khoan dầu khí và trên một số loại phương tiện cơ
giới quân sự (PTCGQS)... Đây là loại động cơ diesel có công suất lớn, độ bền cao
nhưng có suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ khói cao.
Loại nhiên liệu sử dụng
Luận án sử dụng 3 loại nhiên liệu: nhiên liệu diesel dầu mỏ truyền thống
(B0), hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha trộn 10% (B10), hỗn hợp biodiesel có tỷ lệ pha
trộn 20% (B20). Trong đó nguồn diesel sinh học gốc (B100) sử dụng để pha trộn
tạo B10, B20 được sản xuất từ phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude
Palm Oil) thành dầu ăn (Cooking Oil), [23].
Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp chặt chẽ giữa
nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, nhằm thiết lập được mô hình mô phỏng đủ độ
tin cậy cho phép đánh giá ảnh hưởng của biodiesel B10, B20 đến QLCCNL, diễn
biến các quá trình nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác và mức phát thải

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


3

cậy và hiệu chỉnh các mô hình mô phỏng đã xây dựng; lượng hóa tác động của
biodiesel (B10 và B20) đến các thông số công tác, mức phát thải của đối tượng
nghiên cứu là động cơ B2.
Ảnh hưởng của biodiesel B10 và B20 sẽ được đánh giá trên cơ sở so sánh đối
chứng với các thông số công tác của đối tượng nghiên cứu, ở cùng chế độ vận hành
khi sử dụng nhiên liệu diesel dầu mỏ B0.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học
- Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế,
năng lượng và môi trường thông qua việc xây dựng, kết nối 2 mô hình mô phỏng
HTPNL và mô hình mô phỏng CTCT của động cơ có xét đến các thuộc tính của
biodiesel với các tỷ lệ pha trộn khác nhau (B10 và B20). Đây là cơ sở khoa học để
đánh giá, lựa chọn loại nhiên liệu diesel sinh học gốc (B100) và tỷ lệ pha trộn hợp
lý nhằm đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi trường trong khai thác, sử
dụng động cơ diesel.
- Mô hình đã xây dựng cho phép xác định các chỉ tiêu công tác, mức phát
thải của động cơ diesel B2 khi sử dụng biodiesel có nguồn gốc và mức pha trộn
khác nhau. Ngoài ra mô hình cũng cho phép đánh giá ảnh hưởng của các thông số
đầu vào khác (thông số kết cấu, vận hành, điều chỉnh của HTPNL; các thông số kết
cấu, điều chỉnh, vận hành của động cơ) đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng và môi
trường của động cơ B2.
* Ý nghĩa thực tiễn
- Các kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học góp phần xây dựng

các tiêu chuẩn về nhiên liệu diesel sinh học B10, B20, dùng cho việc hoạch định
chính sách sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên các phương tiện cơ giới đường bộ
(PTCGĐB) nói chung, PTCGQS nói riêng.
- Kết quả nghiên cứu của luận án cũng cung cấp các dữ liệu cụ thể để xem
xét việc sử dụng hỗn hợp biodiesel B10, B20 làm nhiên liệu thay thế các động cơ
diesel đang lưu hành tại Việt Nam.
- Mô hình mô phỏng đã xây dựng, hiệu chuẩn có thể sử dụng làm tư liệu
tham khảo phục vụ cho quá trình đào tạo sau đại học ngành Cơ khí động lực, Động
cơ nhiệt. Ngoài ra, mô hình mô phỏng đã xây dựng của luận án đã đóng góp trực
tiếp cho việc thực hiện Đề tài NCKH & PTCN cấp Quốc gia “Nghiên cứu sử dụng
nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự”, mã số


4

ĐT.06.12/NLSH (Thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm
nhìn đến năm 2025 của Chính phủ) (luận án của NCS là một sản phẩm đào tạo Sau
đại học của đề tài mã số ĐT.06.12/NLSH), [23].
Bố cục của luận án
Luận án được thực hiện với 129 trang thuyết minh và 6 Phụ lục (trình bày
trong 28 trang), bao gồm những nội dung chính sau:
Chương 1 tập trung phân tích, đánh giá nhu cầu sử dụng nhiên liệu thay thế
nói chung và biodiesel nói riêng cho động cơ diesel; sự thay đổi các thuộc tính của
biodiesel so với nhiên liệu diesel truyền thống; sự ảnh hưởng của thuộc tính nhiên
liệu đến quá trình phun, tạo hỗn hợp và cháy của động cơ diesel; các vấn đề chính
cần quan tâm khi sử dụng biodiesel cho động cơ diesel đang lưu hành; tình hình
nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của biodiesel đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng,
môi trường của động cơ diesel bằng lý thuyết và thực nghiệm ở trong nước và trên
thế giới. Đây là nội dung rất cần thiết nhằm xác định rõ mục đích, phương pháp,
phạm vi nghiên cứu, loại nhiên liệu sẽ sử dụng, nội dung và đối tượng nghiên cứu

của luận án.
Chương 2 của luận án tập trung vào việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán
QLCCNL; cơ sở lý thuyết tính toán CTCT, cơ sở lý thuyết tính toán hàm lượng các
chất ô nhiễm trong khí thải của động cơ diesel có xét đến thuộc tính của nhiên liệu.
Nghiên cứu và lựa chọn phần mềm tính toán QLCCNL; lựa chọn phần mềm tính
toán CTCT và các chỉ tiêu công tác của động cơ. Nội dung Chương 2 là cơ sở lý
thuyết để xây dựng mô hình mô phỏng cho phép đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp
biodiesel với các mức pha trộn khác nhau đến QLCCNL, diễn biến các quá trình
nhiệt động trong xi lanh, các thông số công tác của động cơ.
Chương 3 trình bày việc xây dựng các mô hình mô phỏng và kết quả tính
toán, đánh giá ảnh hưởng của B10, B20 đến QLCCNL; đến diễn biến các quy luật
nhiệt động trong xi lanh; đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động
cơ B2 theo đặc tính ngoài.
Chương 4 trình bày các nội dung liên quan đến nghiên cứu thực nghiệm
nhằm xác định các thông số đầu vào; xác định thuộc tính của các loại nhiên liệu cần
cho quá trình tính toán, mô phỏng; đánh giá độ tin cậy và hiệu chuẩn các mô hình
mô phỏng đã được trình bày trong Chương 3. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu thực
nghiệm của Chương 4 cũng nhằm lượng hóa tác động của B10 và B20 đến các
thông số công tác của đối tượng nghiên cứu là động cơ B2. Với sự trợ giúp của các


5

trang thiết bị thực nghiệm hiện đại, đồng bộ, có độ chính xác và mức độ tự động
hoá cao thuộc Phòng thử Động cơ hạng nặng AVL-ETC thuộc Trung tâm Quốc gia
Thử nghiệm khí thải PTCGĐB/Cục Đăng kiểm Việt Nam đã góp phần rất quan
trọng cho sự thành công của công việc nghiên cứu thực nghiệm.
Phần kết luận và hướng phát triển của luận án trình bày những đóng góp mới
của luận án trong lĩnh vực chuyên ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo.

6

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Biodiesel là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu diesel dầu mỏ
Mặc dù kỹ thuật thăm dò, khai thác đã ngày càng hiện đại nhưng các mỏ dầu
mới phát hiện cũng như lượng dầu khai thác được trên toàn thế giới ngày càng sụt
giảm. Các mỏ dầu lớn của thế giới, đặc biệt là ở vùng Trung Đông là nơi chiếm 2/3
trữ lượng dầu mỏ của thế giới, đã bắt đầu được khai thác cách đây vài chục năm.
Hơn nữa, khu vực này lại là vùng đang có nhiều bất ổn về chính trị, các cường quốc
đều muốn can dự để chia sẻ quyền lợi khiến cho tình hình an ninh năng lượng của
thế giới ngày càng phức tạp.
Hiện nay động cơ diesel là một nguồn động lực chính sử dụng phổ biến trên
các PTCGĐB, phương tiện giao thông đường thủy, PTCGQS... Thời gian gần đây,
xu hướng diesel hóa trên PTCGĐB thể hiện rất rõ trên phạm vi toàn cầu do chúng
có ưu điểm nổi bật về công suất riêng và suất tiêu thụ nhiên liệu. Việc gia tăng sử
dụng động cơ diesel đã làm tăng mạnh nhu cầu nhiên liệu diesel (tại thời điểm tháng
04/2014, giá nhiên liệu diesel tại Việt Nam là 22.680 VNĐ/lít và giá xăng A92 là
24.900 VNĐ/lít).
Từ những phân tích trên cho thấy, việc nghiên cứu sử dụng các loại nhiên
liệu thay thế cho nhiên liệu khoáng là rất cần thiết. Đối với động cơ xăng, nguồn
nhiên liệu thay thế chủ yếu là các loại cồn công nghiệp biến tính (Ethanol và
Methanol) được pha trộn với tỷ lệ khác nhau hoặc các loại nhiên liệu khí (bao gồm
khí thiên nhiên CNG, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và biogas). Đối với động cơ diesel,
nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến hiện nay là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)
và nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel).
Hiện nay, LPG có thể sử dụng cho động cơ diesel theo 2 phương án sau:
- Sử dụng tia lửa điện để đốt cháy hỗn hợp LPG-không khí hòa trộn trước:
Với phương án này, LPG được cấp vào đường nạp và động cơ diesel cần được cải
tạo lại (giảm tỷ số nén, thay thế hệ thống phun diesel bằng hệ thống đánh lửa...).

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


7

vẫn được đảm bảo. Tuy nhiên, hạn chế của phương án này là dễ dẫn đến hiện tượng
kích nổ (nhất là ở chế độ tải cao, tốc độ động cơ lớn) và tỷ lệ thay thế (về năng
lượng) của LPG tương đối thấp, khoảng 20÷30 %, [31].
Ta thấy, việc sử dụng LPG cho động cơ diesel đang lưu hành còn gặp phải
những khó khăn nhất định về mặt công nghệ. Ngoài ra, khi sử dụng LPG cũng sẽ
làm tăng mức phát thải HC của động cơ diesel.
Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật. Đây là loại nhiên liệu
có thể thay thế cho diesel khoáng và có thể pha chế với với diesel khoáng theo tỷ lệ
bất kỳ. Nguyên liệu thế hệ thứ nhất để sản xuất biodiesel bao gồm dầu thực vật ăn
được (dầu hướng dương, dầu lạc, dầu dừa, dầu thầu dầu, dầu cọ, dầu đậu nành, dầu
hạt bông…), mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, mỡ lợn…). Tuy nhiên, các nguyên liệu
này cạnh tranh với nguồn lương thực của con người nên việc sản xuất biodiesel từ
các nguồn nguyên liệu trên bị Tổ chức Nông Lương thế giới lên án. Nguồn nguyên
liệu thế hệ thứ 2 để sản xuất biodiesel bao gồm dầu mỡ, axit béo phế thải và nguyên
liệu thế hệ thứ 3 bao gồm các loại tảo và dầu jatropha. Đây là các nguồn nguyên
liệu không cạnh tranh với các nguồn lương thực của con người nên đang được quan
tâm đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất biodiesel.
Việc nghiên cứu, sử dụng biodiesel thu được từ dầu thực vật, mỡ động vật
đang phát triển mạnh tại Châu Âu, Mỹ và một số nước Châu Á, [14].
Tại Mỹ, tiêu thụ biodiesel đã tăng từ 10 triệu gallon (1 gallon=3,785 lít) (năm

2001) lên gần 100 triệu gallon (năm 2004) và khoảng 316 triệu gallon vào năm
2009 (Bảng 1.1). Phần lớn biodiesel được sử dụng dưới dạng B20 cho các đoàn xe
công của chính phủ (xe buýt trung chuyển và dùng cho trường học, xe gạt tuyết, xe
chở rác, xe chuyển thư báo và các PTCGQS). Theo dự kiến đến năm 2020 toàn bộ
thiết bị quân sự trên bờ và tàu chiến đều được thay thế 50% năng lượng tiêu dùng
bằng các nguồn năng lượng thay thế. Đến năm 2020, hải quân Mỹ sẽ được cung cấp
khoảng 330 triệu gallon nhiên liệu biodiesel. Hiện nay, Mỹ cũng đang đầu tư rất
nhiều ngân sách vào các dự án trọng điểm nhằm nghiên cứu phát triển và sử dụng
B10, B20 trên các PTCGĐB, [67]. Ngoài ra, ở Mỹ đã hình thành mạng lưới các
trạm cung cấp biodiesel tại hầu hết các tiểu bang.
Liên minh Châu Âu là khu vực có sự phát triển mạnh của biodiesel. Theo
Chỉ thị 2003/30/EC của EU, từ ngày 31/12/2005, biodiesel được pha trộn với tỷ lệ ít
nhất là 2% và đến ngày 31/12/2010 với tỷ lệ pha trộn ít nhất là 5,75%. Yêu cầu này
của Liên minh Châu Âu đã được một số quốc gia thực hiện sớm hơn (từ ngày


8

01/11/2005, tại Áo đã sử dụng biodiesel B5).Tại Anh, theo thống kê của Tổ chức
dầu khí (AEA) trong năm 2011, tổng mức tiêu thụ nhiên liệu biodiesel của nước này
là 925 triệu lít; ước tính năm 2016 có thể lên đến 1268 triệu lít và tiếp tục tăng trong
những năm tiếp theo, [67].
Bảng 1.1. Lượng tiêu thụ biodiesel trên toàn cầu (năm 2009), [63]
Nƣớc/khu vực

Lƣợng tiêu thụ (Tỷ gallon)

Toàn cầu

4,64

Đức

0,78

16

Pháp

0,70

15

Brazil

0,41

9

Ý

0,36

8

Mỹ

0,32

7

Các nước khác

2,07

45

Tỷ lệ (%)

Ở khu vực Châu Á, theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường
Indonesia, lượng tiêu thụ nhiên liệu biodiesel của nước này tăng từ 358 triệu lít năm
2011 lên 670 triệu lít năm 2012; đồng thời mức pha trộn cũng tăng từ 5% năm 2011
lên 7,5% năm 2012. Tổ chức này cũng dự đoán mức tiêu thụ biodiesel B10 tại
Indonesia có thể đạt trên 1 tỷ lít trong năm 2014, [68].
Tại Thái Lan đã bắt đầu việc nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu biodiesel từ
năm 2005 nhưng với mức không đáng kể. Ngày 01/2/2008, Chính phủ Thái Lan
này đã thông qua chính sách nhằm khuyến khích việc chuyển các động cơ diesel
thông thường sang dùng biodiesel B2, B5. Theo thống kê lượng tiêu thụ nhiên
liệu B2, B5 ở Thái Lan năm 2011 là 1,72 triệu lít/ngày, mức tiêu thụ này sẽ tăng
lên trong các năm tiếp theo do chính phủ Thái Lan quy định bắt buộc dùng nhiên
liệu B5 từ tháng 1 năm 2012, [69].
Việt Nam có nhiều tiềm năng về sản xuất nhiên liệu sinh học, điều kiện đất
đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thành những vùng nguyên liệu tập trung.
Mỡ cá, dầu thực phẩm thải được sử dụng để sản xuất biodiesel có thể giúp giải
quyết được các vấn đề về môi trường và tăng hiệu quả kinh tế của quá trình chế biến
thủy sản. Ước tính, Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít biodiesel mỗi năm
nếu như tổ chức quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất
triệt để, tạo ra nhiều loại giống có sản lượng cao và sở hữu các công nghệ tách dầu

9

từ nguyên liệu [6]. Với xu thế chung về phát triển nhiên liệu sinh học, Petro Việt
Nam đã có kế hoạch đưa B10 vào sử dụng trên thị trường.
Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh
học thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015,
tầm nhìn đến năm 2020, [1]. Ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết
định số 53/2012/QĐ-TTg về việc ban hành “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên
liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống”, [2].
Nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel gốc B100 dùng trong nghiên cứu của
Luận án là phần bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thô (Crude Palm Oil) thành
dầu ăn (Cooking Oil). Với dân số gần 90 triệu người, Việt Nam đang sản xuất, tiêu
thụ một lượng lớn dầu ăn. Theo Tổng cục Thống kê, năm 2013 Việt Nam đã sản
xuất 718.000 tấn dầu ăn tinh luyện các loại. Sản lượng dầu tinh luyện năm 2014 và
năm 2015 được dự báo sẽ đạt mức 774.000 và 850.000 tấn. Theo các nhà sản xuất
trong nước, dầu ăn tinh chế từ dầu cọ thô chiếm thị phần lớn nhất (khoảng 70%) sau
đó là dầu ăn tinh chế từ dầu đậu nành (khoảng 23%) và các loại dầu thực vật khác
(khoảng 7%) [131]. Lượng bã thải của quá trình tinh luyện cọ thô thành dầu ăn là
khá lớn và không cạnh tranh với nguồn lương thực của con người (theo khuyến cáo
của Tổ chức Nông-Lâm Thế giới). Trước đây, phần bã thải này được sử dụng để sản
xuất thức ăn gia súc hoặc xuất khẩu để làm nguyên liệu sản xuất B100. Tại Việt
Nam, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về công nghệ lọc, hóa dầu/Viện Hóa
học Công nghiệp Việt Nam đã được đầu tư dự án (Dự án Korea Biodiesel Pilot
Plant, công nghệ của Hàn Quốc) sản xuất B100 từ các loại dầu, mỡ thực vật, động
vật. Do vậy, việc lựa chọn B100 có nguồn gốc từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu
cọ thành dầu ăn sẽ đảm bảo được ý nghĩa về kinh tế, xã hội và môi trường.
Mẫu biodiesel B100 được phân tích, đánh giá các chỉ tiêu chất lượng tại PTN
trọng điểm Quốc gia về Công nghệ lọc, hóa dầu/Viện Hóa học Công nghiệp Việt
Nam và Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 1. Kết quả phân tích
các chỉ tiêu của mẫu B100 được trình bày trong Bảng 1.2. Ta thấy, chất lượng của

B100 hoàn toàn đáp ứng QCVN 1:2009/BKHCN [3] và TCVN 7717:2007 [5].
Trong đó, một số chỉ tiêu như: hàm lượng FAME, hàm lượng nước và cặn, điểm
chớp cháy, tro sulphát, cặn các bon, trị số a xít, hàm lượng Na và Ka... đều ở mức
khá tốt. Tuy nhiên, mẫu B100 có điểm đông đặc khá cao (15 0C) và độ ổn định ô xy
hóa chỉ ở mức đạt yêu cầu (6,02 giờ so với mức yêu cầu tối thiểu là 6,0 giờ).