Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học e10 và d5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
đề tài nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, tháng 03 năm 2014
Nghiên cứu sinh

Lê Danh Quang

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau
đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện
luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học và
Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Lê Anh Tuấn đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và
hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ tôi và tạo điều kiện một cách
thuận lợi nhất để hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Dầu khí Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi
được tham gia thực hiện đề tài nghiên cứu qua đó hoàn thành luận án này.
Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thành Đô, Ban chủ nhiệm khoa
Công nghệ kỹ thuật ô tô cùng các thầy cô trong khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong
suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận
án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp ý kiến để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định

hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp
những người đã luôn động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực
hiện công trình này.
Nghiên cứu sinh

Lê Danh Quang

ii


MỤC LỤC
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, các bảng
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ PHỤ GIA CHO
NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ........................................................................... 5
1.1 Nhiên liệu sinh học và vai trò ........................................................................ 5
1.1.1. Các dạng nhiên liệu sinh học ................................................................ 5
1.1.1.1. Cồn ................................................................................................. 5
1.1.1.2. Dầu thực vật ................................................................................... 6
1.1.1.3. Metyl este ....................................................................................... 6
1.1.1.4. Hợp chất chứa oxy ......................................................................... 7
1.1.1.5. Dimetyl ether................................................................................... 7
1.1.1.6. Dimetyl cacbonate (DMC) ............................................................... 7
1.1.2. Nhiên liệu bio- diesel ............................................................................ 8
1.1.2.1. Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất ................................. 8
1.1.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng bio-diesel trên thế giới và Việt Nam
.................................................................................................................. 10
1.1.2.3. Tính chất vật lý ............................................................................. 12

1.1.2.4. Tính chất hóa học ......................................................................... 12
1.1.2.5. Các đặc điểm khác của biodiesel ................................................. 13
1.1.3. Xăng sinh học ..................................................................................... 14
1.1.3.1. Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất ............................... 14
1.1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới và Việt Nam 14
1.1.3.3. Tính chất vật lý ............................................................................. 15
1.1.3.4. Tính chất hóa học ......................................................................... 16
1.1.3.5. Các đặc điểm khác của ethanol .................................................... 17
1.2. Phụ gia cho nhiên liệu động cơ đốt trong .................................................. 17
1.2.1. Phụ gia cho nhiên liệu hóa thạch ........................................................ 17
1.2.1.1. Phụ gia cho nhiên liệu xăng ........................................................... 18
1.2.1.2. Phụ gia cho nhiên liệu diesel ......................................................... 18
1.2.1.3. Phụ gia nano ................................................................................. 19
1.2.1.4. Một số phụ gia điển hình ................................................................ 20
1.2.2. Phụ gia cho nhiên liệu sinh học ........................................................... 22
1.2.2.1. Đặc điểm của phụ gia cho nhiên liệu sinh học .............................. 22
1.2.2.2. Một số phụ gia sinh học điển hình ................................................ 23
1.3. Các công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia cho
nhiên liệu sinh học ............................................................................................ 25
1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về phụ gia cho nhiên liệu sinh học ......... 25
1.3.2 Các nghiên cứu trong nước ................................................................. 29
..................................................................................... 30
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHỤ GIA CHO HỖN HỢP ETHANOL
SINH HỌC VỚI NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH ................................................................ 32
2.1. Nhiên liệu khoáng pha trộn với nhiên liệu sinh học.................................... 32
2.1.1. Ethanol nhiên liệu biến tính ................................................................. 32
2.1.2. Chỉ tiêu chất lượng xăng và diesel thông dụng ................................... 33
2.1.2.1.Các đặc tính và chỉ tiêu chất lượng của xăng thông dụng ............. 34
2.1.2.2. Chỉ tiêu chất lượng của diesel thông dụng .................................. 35
2.1.3. Xăng pha ethanol ................................................................................ 36

iii


2.1.4. Diesel pha ethanol............................................................................... 37
2.1.5. Khả năng thích ứng của nhiên liệu khoáng pha trộn với ethanol ........ 37
2.2. Tính chất lý hoá của hỗn hợp ethanol và nhiên liệu hoá thạch E10 và D5 38
2.2.1. Tính chất lý hoá của nhiên liệu E10 .................................................... 38
2.2.2. Tính chất lý hoá của diesel D5 ............................................................ 42
2.3. Phụ gia cho hỗn hợp ethanol sinh học với nhiên liệu hóa thạch ................ 48
2.3.1. Phụ gia cho nhiên liệu xăng pha ethanol ............................................. 48
2.3.1.1. Phụ gia tăng trị số octan ............................................................... 49
2.3.1.2. Nhóm phụ gia trợ tan và chống phân tách pha ............................. 49
2.3.1.3. Nhóm phụ gia chống ăn mòn kim loại ........................................... 51
2.3.1.4. Nhóm phụ gia chống oxy hóa ....................................................... 52
2.3.1.5. Nhóm các phụ gia khác ................................................................ 52
2.3.2. Phụ gia cho diesel pha ethanol ........................................................... 53
2.3.2.1. Nhóm phụ gia cải thiện trị số xetan ............................................... 54
2.3.2.2. Nhóm phụ gia trợ tan và chống phân tách pha ............................. 55
2.3.2.3. Nhóm phụ gia tăng độ nhớt .......................................................... 55
2.3.2.4. Nhóm phụ gia chống ăn mòn, mài mòn, chống đóng cặn ............. 56
2.4. Quy trình phát triển và thử nghiệm phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh
học và nhiên liệu hóa thạch .............................................................................. 56
ng 2 ..................................................................................... 58
CHƢƠNG 3. PHÁT TRIỂN PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU SINH HỌC E10 VÀ D5 60
...... 60
3.1.1. Cơ sở tối ưu hóa ................................................................................. 60
3.1.
...................................................................... 63
3.1.3. Ứng dụng
.... 68

3.2. Lựa chọn thành phần phụ gia cho nhiên liệu E10 và D5 bằng phương
pháp quy hoạch thực nghiệm ........................................................................... 72
3.2.1.Tối ưu hóa thành phần phụ gia cho nhiên liệu E10 .............................. 72
3.2.2.Tối ưu hóa thành phần phụ gia cho nhiên liệu D5 ................................ 78
3.3. Đánh giá tính chất và chất lượng của nhiên liệu E10 và D5 khi có phụ gia.
.......................................................................................................................... 82
3.3.1. Đánh giá tính chất và chất lượng nhiên liệu E10 khi có phụ gia ......... 82
3.3.2. Đánh giá tính chất và chất lượng diesel D5 khi có phụ gia ................. 87
3.4. Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu E10 và D5 không và có phụ gia ....... 95
3.4.1. Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu E10 không và có phụ gia ........... 95
3.4.2. Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu D5 không và có phụ gia ............ 95
..................................................................................... 96
CHƢƠNG 4. THỬ NGHIỆM PHỤ GIA VỚI NHIÊN LIỆU D5 VÀ E10 TRÊN
ĐỘNG CƠ .......................................................................................................................... 97
............................................................ 97
4.1.1. Động cơ D243 trên băng thử động lực cao ......................................... 97
4.1.2. Động cơ Dayhan 97 trên băng thử T101D ........................................ 97
4.1.3. Động cơ ô tô Ford Laser BPD-N 1.8 L trên băng thử động lực cao
ETB ............................................................................................................... 98
4.1.4. Xe máy Honda Wave 110 ................................................................... 98
4.1.5. Mục tiêu thử nghiệm ......................................................................... 99
...................................................... 99
............................ 99
............................................. 100
......................................................................... 100
iv


ô tô Ford Laser BPD-N 1.8L
....................................................................................... 100

4.3.2. Băng thử Didacta T101D dùng thử nghiệm động cơ Dayhan 97 và
Honda 110................................................................................................... 102
4.3.3. Hệ thống thử nghiệm công suất và khí thải xe máy .......................... 102
ử nghiệm phụ gia VPI-D cho nhiên liệu D5 ............................. 103
4.4.1.
............................................................. 103
-D ................. 105
ử nghiệm phụ gia VPI-G cho nhiên liệu E10 ........................... 109
.................................... 109
4.5.1.1.
110............................................. 109
............................................... 111
-N 1.8 L .......................... 112
VPI-G .......................................................................................................... 114
4.5.2.1.
-G trên động cơ
Dayhan 97 ............................................................................................... 114
4.5.2.2. Thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia sau chạy
ổn định 100 giờ trên xe Honda Wave 110 ............................................... 118
-D........................................................................ 120
4.5.3.1. Phụ gia VPI-D cho nhiên liệu D5 ................................................ 120
4.5.3.2. Phụ gia VPI-G cho nhiên liệu E10 .............................................. 121
................................................................................... 121
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 123
Kết luận........................................................................................................... 123
Hướng nghiên cứu tiếp theo ........................................................................... 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 125
Tiếng việt ........................................................................................................ 125
Tiếng Anh ....................................................................................................... 126
PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ BẢNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................... 130

1. Một số bảng kết quả đánh giá tính chất và chất lượng của nhiên liệu E10
và D5 khi có phụ gia ....................................................................................... 130
2. Kết quả thử nghiệm các mẫu nhiên liệu D5 trên động cơ diesel D243 ....... 132
3. Kết quả thử nghiệm trên động cơ Dayhan 97 ............................................. 134
4. Kết quả thử nghiệm trên động cơ ô tô Ford laser BPD-N 1.8L ................... 135
5. Kết quả thử nghiệm trên xe Wave 110 ....................................................... 136
PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................................................... 138
1. Một số thiết bị phân tích tính chất lý hóa của nhiên liệu ................................... 138
2. Trang thiết bị và quá trình nghiên cứu thực nghiệm NLSH với phụ gia ........ 139

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt
ASTM
B10
B15
B20
BHT
CEB
CmHn và HC
D5
DCI
DTBP
E10
E15
E20

E5
E85
EHN
ETB
ETBE
FFA
H2
HĐBM
HFRR
MMT
MON
MTBE
NLBT
NLSH
NOX
PG
P-M
ppm
QHTN
RON
TBA
TCVN
TEL

Chú giải của ký hiệu viết tắt
American Society for Testing and Metarials (hệ thống tiêu chuẩn)
Nhiªn liÖu pha 90% diesel vµ 10% biodiesel
Nhiªn liÖu pha 85% diesel vµ 15% biodiesel
Nhiªn liÖu pha 80% diesel vµ 20% biodiesel
Butylated hydroxytoluene

Combustion Emission Bench/ Tủ phân tích khí xả
Hyđôcácbon
Nhiªn liÖu pha 95% diesel vµ 5% ethanol
Darex corrosion inhibitor (chất ức chế ăn mòn Darex)
Di-tertiary butyl peroxide
Nhiªn liÖu pha 90% x¨ng vµ 10% ethanol
Nhiªn liÖu pha 85% x¨ng vµ 15% ethanol
Nhiªn liÖu pha 80% x¨ng vµ 20% ethanol
Nhiªn liÖu pha 95% x¨ng vµ 5% ethanol
Nhiªn liÖu pha 15% x¨ng vµ 85% ethanol
2-Ethylhexyl nitrate
High Dynamic Engine Testbed/ Băng thử động lực cao
Ethyl Tertiary Buthyl Ether
Free fatty acids (thµnh phÇn axit bÐo tù do)
Nhiên liệu khí hydrô
Chất hoạt động bề mặt
High-frequency receiprocating rig (khả năng bôi trơn)
Methylcyclopentadenyl manganese tricarbonyl
Motor Octane Number - chỉ số Octan động cơ
Methyl Tertiary Buthyl Ether
Nhiên liệu biến tính
Nhiên liệu sinh học
Các loại ôxítnitơ
Phụ gia
Chất thải dạng hạt
Part per million (mét phÇn triÖu)
Quy hoạch thực nghiệm
Research Octane Number - chỉ số Octan nghiên cứu
Tertiary-butylalcohol
HÖ thèng tiªu chuÈn ®o l-êng ViÖt Nam

Tetraethyl lead

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Tính chất của ethanol .......................................................................................... 16
Bảng 2.1. Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol NLBT ............................................................ 33
Bảng 2.2. Đặc tính cơ bản của ethanol NLBT .................................................................... 33
Bảng 2.3. Các chỉ tiêu chất lượng của xăng thông dụng ..................................................... 34
Bảng 2.4. Đặc tính của xăng thông dụng ............................................................................ 35
Bảng 2.5. Chỉ tiêu chất lượng của diesel thông dụng ......................................................... 35
Bảng 2.6. Đặc tính nhiên liệu của xăng thông dụng và ethanol NLBT .............................. 36
Bảng 2.7. Độ ổn định oxy hóa của xăng-ethanol ................................................................ 38
Bảng 2.8. Trị số octan của xăng và xăng-ethanol ............................................................... 38
Bảng 2.9. Thành phần chưng cất phân đoạn của xăng A90 và xăng E10 .......................... 39
Bảng 2.10. Áp suất hơi bão hòa của nhiên liệu E10 ........................................................... 39
Bảng 2.11. Sự phân tách pha của xăng A90 và nhiên liệu E10 theo nhiệt độ .................... 40
Bảng 2.12. Sự phân tách pha của nhiên liệu E10 theo thời gian ở nhiệt độ thường .......... 40
Bảng 2.13. Sự phân tách pha của nhiên liệu E10 theo hàm lượng nước............................. 40
Bảng 2.14. Ăn mòn mảnh đồng của xăng A90 và nhiên liệu E10 ..................................... 41
Bảng 2.15. Tính chất và chất lượng nhiên liệu E10 ............................................................ 41
Bảng 2.16. Tính chất và chất lượng nhiên liệu diesel ......................................................... 42
Bảng 2.17. Diesel pha trộn với ethanol NLBT ................................................................... 43
Bảng 2.18. Trị số xetan của nhiên liệu diesel-ethanol ........................................................ 44
Bảng 2.19. Thành phần cất phân đoạn của nhiên liệu diesel-ethanol ................................. 44
Bảng 2.20. Nhiệt độ chớp cháy cốc kín của diesel-ethanol ................................................ 45
Bảng 2.21. Độ bôi trơn và độ nhớt động học của diesel-ethanol ........................................ 45
Bảng 2.22. Điểm vẩn đục của nhiên liệu diesel-ethanol ..................................................... 45

Bảng 2.23. Sự phân tách pha của nhiên liệu D5 theo hàm lượng nước .............................. 46
Bảng 2.24. Ăn mòn mảnh đồng trong nhiên liệu diesel-ethanol ......................................... 47
Bảng 2.25. Tính chất và chất lượng nhiên liệu diesel pha 5% ethanol (D5)....................... 47
Bảng 3.1. Giá trị 2 trong kế hoạch thực nghiệm tâm trực giao........................................ 71
Bảng 3.2. Giá trị cánh tay đòn trong kế hoạch thực nghiệm tâm trực giao ..................... 71
Bảng 3.3. Điều kiện thí nghiệm được chọn......................................................................... 75
Bảng 3.4a. Ma trận quy hoạch thực nghiệm tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu E10 ................ 75
Bảng 3.4b. Ma trận quy hoạch thực nghiệm tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu E10 ................ 77
Bảng 3.5: Điều kiện thí nghiệm được chọn ........................................................................ 79
Bảng 3.6. Ma trận quy hoạch thực nghiệm tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu diesel D5 ......... 81
Bảng 3.7. Ăn mòn mảnh đồng của nhiên liệu E10 có phụ gia ............................................ 83
Bảng 3.8. Thành phần và hàm lượng của nước biển nhân tạo ............................................ 85
Bảng 3.9. Thành phần cất phân đoạn của nhiên liệu D5 có phụ gia ................................... 87
Bảng 3.10. Trị số xetan của nhiên liệu D5 có và không có phụ gia .................................... 88
Bảng 3.11. Nhiệt độ chớp cháy cốc kín của nhiên liệu diesel và D5 có phụ gia ................ 88
Bảng 3.12. Độ bôi trơn và độ nhớt động học của nhiên liệu D5 có phụ gia ....................... 89
Bảng 3.13. Sự phân tách pha của diesel-ethanol khi có phụ gia theo thời gian ở nhiệt độ
thường .................................................................................................................................. 90
Bảng 3.14. Độ ổn định oxy hóa của nhiên liệu D5 khi có phụ gia ..................................... 91
Bảng 3.15. Ăn mòn tấm đồng trong nhiên liệu D5 khi có phụ gia ..................................... 91
Bảng 3.16. Tốc độ ăn mòn các kim loại nhôm, đồng và thép trong các môi trường nước
chiết từ nhiên liệu thử nghiệm diesel, nhiên liệu D5 có và không có phụ gia ..................... 94
Bảng 3.17. Ăn mòn mảnh đồng trong diesel-ethanol ......................................................... 94
vii


Bảng 3.18. Tính chất và chất lượng nhiên liệu D5 khi có 1,0% phụ gia VPI-D ................. 95
Bảng 4.1. Thông số cơ bản của động cơ D243 ................................................................... 97
Bảng 4.2. Thông số cơ bản của động cơ Dayhan 97 ........................................................... 97
Bảng 4.3. Thông số động cơ xe Ford LaserBPD-N 1.8L ................................................... 98

Bảng 4.4. Thông số xe Wave 110 ....................................................................................... 99
Bảng 4.5. Kết quả đo khí thải theo chu trình Châu Âu ECE R49 ..................................... 106
Bảng 4.6. Kết quả phân tích mẫu dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu
gia VPI-D
............................................................ 106
Bảng 4.7. Kết quả xác định hạt mài trong dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu D5 bằng
phương pháp Ferograph ..................................................................................................... 107
Bảng 4.8. Kết quả phân tích mẫu dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu E10 ở thời điểm
0 giờ, sau 50 giờ và 100 giờ hoạt động ............................................................................. 116
Bảng 4.9. Kết quả xác định hạt mài trong dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu E10
bằng phương pháp Ferograph ............................................................................................ 116
Bảng 4.10. Kích thước các chi tiết trước và sau khi chạy bền .......................................... 120

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Cơ cấu sản xuất biodiesel từ các loại dầu khác nhau ............................................ 8
Hình 1.2 Độ ổn định của hỗn hợp nhiên liệu diesel, ethanol với phụ gia ........................... 26
Hình 1.3 Động cơ Ford 1.8L Duratec Flexi Fuel trên băng thử và hình ảnh cặn cacbon bám
trên xupap, vòi phun với trường hợp không và có pha phụ gia ........................................... 26
Hình 1.4 Khối lượng cặn bám trên xupap động cơ sử dụng nhiên liệu E85 khi thay đổi
lượng phụ gia ....................................................................................................................... 27
Hình 1.5. Khối lượng cặn bám trên xu páp của động cơ khi thay đổi tỷ lệ ethanol ........... 27
Hình 1.6. Hiệu suất nhiệt và phát thải của động cơ với các mẫu nhiên liệu. Sample1 (E50 +
5% phụ gia), Sample2 (E60+10% phụ gia) và Sole fuel (xăng gốc). .................................. 28
Hình 2.1. Nhiệt độ phân pha của nhiên liệu E10 phụ thuộc hàm lượng nước .................... 41
Hình 2.2. Trị số xetan của nhiên liệu diesel-ethanol phụ thuộc vào nồng độ ethanol ........ 44
Hình 2.3. Nhiệt độ kết tinh của diesel-ethanol theo nồng độ ethanol ................................. 46

Hình 2.4. Độ bền phân tách pha của diesel D5 phụ thuộc vào hàm lượng nước ................ 47
Hình 2.5. Khi xảy ra sự phân tách pha trong nhiên liệu xăng-ethanol ............................... 50
Hình 2.6. Công thức hóa học của chất phụ gia có nguồn gốc dầu mỡ béo động thực vật .. 51
Hình 2.7. Chất phụ gia có độ nhớt cao................................................................................ 55
Hình 2.8. Công thức hóa học của một loại phụ gia đa chức năng ..................................... 56
Hình 2.9 Quy trình phát triển phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu
khoáng ................................................................................................................................. 58
Hình 3.2. Mô hình đối tượng công nghệ MIMO (nhiều vào, nhiều ra) .............................. 69
Hình 3.3. Tọa độ các điểm thí nghiệm của phương án thực nghiệm cấp 2 ........................ 70
Hình 3.4. Ảnh hưởng của phụ gia đến độ bền phân pha của nhiên liệu E10 ...................... 83
Hình 3.5. Ảnh hưởng của phụ gia đến độ ổn định ôxy hóa của nhiên liệu E10 ................. 83
Hình 3.6. Ảnh soi kim tương mẫu kim loại đồng, nhôm và thép chịu tác động bởi nhiên
liệu E10 không có và có phụ gia VPI-G .............................................................................. 85
Hình 3.7. Ăn mòn tấm đồng trong nhiên liệu E10 có (a) và không có (b) phụ gia VPI-G
sau 7 ngày ở 50oC ................................................................................................................ 85
Hình 3.8. Tác động của phụ gia đến tính chống ăn mòn kim loại trong nhiên liệu E10 .... 87
Hình 3.9. Độ bôi trơn của nhiên liệu D5 phụ thuộc vào phụ gia ........................................ 89
Hình 3.10. Độ nhớt động học của nhiên liệu D5 phụ thuộc vào phụ gia ............................ 89
Hình 3.11. Độ bền phân tách pha của nhiên liệu D5 phụ thuộc vào phụ gia ...................... 90
Hình 3.12. Ảnh soi kim tương mẫu kim loại đồng, nhôm và thép chịu tác động bởi nhiên
liệu D5 không và có phụ gia VPI-D .................................................................................... 92
Hình 3.13. Thép bị ăn mòn trong các mẫu nhiên liệu D5 ................................................... 93
Hình 4.1. Động cơ D243 trên băng thử ETB ...................................................................... 97
Hình 4.2. Động cơ Dayhan 97 trên băng thử .................................................................... 97
Hình 4.3. Đo đặc tính trên băng thử xe máy CD20”........................................................... 98
Hình 4.4. Sơ đồ băng thử động lực học cao ETB ............................................................. 101
Hình 4.6. Sơ đồ Sơ đồ băng thử Chassis Dynamometer 20’’ ........................................... 103
......... 104
Hình 4.8. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ D243 khi sử
dụng nhiên liệu D5 pha phụ gia VPI-D ............................................................................. 104

điểm 0 giờ, sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với nhiên liệu D5 có phụ gia ................. 105
Hình 4.10. Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn trước khi chạy bền với nhiên liệu D5 ........... 107
Hình 4.11. Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn sau khi chạy bền 50 giờ với nhiên liệu D5 ... 108
Hình 4.12. Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn sau khi chạy bền 100 giờ với nhiên liệu D5 . 108
ix


Hình 4.13. Hình ảnh kết cặn cacbon trên vòi phun động cơ D243 khi động cơ chạy nhiên
liệu D5 có phụ gia sau 50 giờ và 100 giờ .......................................................................... 109
....................................................................... 110
Hình 4.15. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ khi pha phụ gia
VPI-G ................................................................................................................................ 110
Wave 110 theo tốc độ ở chế độ toàn tải............................................................................. 111
Hình 4.17. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ xe Wave khi
dùng nhiên liệu E10 pha phụ gia VPI-G so với trường hợp không pha phụ gia .............. 112
Hình 4.18. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ xe Wave khi
nhiên liệu E10 pha phụ gia VPI-G so với trường hợp pha phụ gia Keropur .................... 112
theo tốc độ ở chế độ toàn tải .............................................................................................. 113
Hình 4.20. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ ô tô Ford khi
nhiên liệu E10 pha phụ gia VPI-G so với trường hợp không pha phụ gia ....................... 113
Hình 4.21. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ ô tô Ford khi
nhiên liệu E10 pha phụ gia VPI-G so với trường hợp pha phụ gia Keropur .................... 114
giờ và 100 giờ chạy ổn định với E10 có phụ gia ............................................................... 114
điểm 0 giờ, sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với E10 có phụ gia ................................ 115
điểm 0 giờ, sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với E10 có phụ gia ................................ 115
Hình 4.25. Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn trước khi chạy bền với nhiên liệu E10 ......... 117
Hình 4.26. Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn sau khi chạy bền 50 giờ với nhiên liệu E10 . 117
Hình 4.27. Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn sau khi chạy bền 100 giờ với nhiên liệu E10 117
Hình 4.28. Hình ảnh kết cặn cacbon trên bugi khi động cơ Dayhan 97 chạy nhiên liệu E10
có phụ gia sau 50 giờ và 100 giờ ....................................................................................... 118

chạy ổn định với ba mẫu nhiên liệu E10 không và có phụ gia ......................................... 118
giờ chạy ổn định với E10 không và có các phụ gia ........................................................... 119
Hình 4.31. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của xe Wave 110cc sau 100
giờ chạy ổn định với E10 pha phụ gia VPI-G với trường hợp không pha phụ gia............ 119
Hình 4.32. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của xe Wave 110 sau 100
giờ chạy ổn định với E10 pha phụ gia VPI-G với trường hợp pha phụ gia Keropur ........ 119

x


MỞ ĐẦU
Ngày nay thế giới đang phải đối mặt với một thực tế là nguồn nhiên liệu hóa thạch
dầu mỏ đang có xu hướng ngày càng cạn dần. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường do
khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải cũng đang trở nên đáng báo động.
Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu
khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng nhiên liệu sinh học phối trộn cùng nhiên liệu hóa
thạch, trong đó ethanol sinh học đang được quan tâm vì nguồn cung khá dồi dào và có khả
năng pha trộn cho cả xăng và diesel. Tuy nhiên do ethanol pha vào nhiên liệu khoáng thì
tính chất và chất lượng của nhiên liệu nhận được sẽ bị thay đổi so với ban đầu. Sự thay đổi
nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với nhiên liệu khoáng.
Để thuận tiện trong cách gọi, hỗn hợp giữa nhiên liệu sinh học và nhiên liệu khoáng
với các tỷ lệ pha khác nhau đều gọi chung là nhiên liệu sinh học (NLSH). Tuy nhiên, để
phân biệt thì cần chỉ rõ tỷ lệ nhiên liệu sinh học/nhiên liệu khoáng và viết theo ký hiệu
riêng. Ví dụ: nhiên liệu sinh học E5, E10, D5, D10, B10, B20... còn gọi xăng sinh học E5
(hỗn hợp gồm 5% ethanol và 95% xăng khoáng), diesel sinh học D5 còn gọi là diesohol
D5 (hỗn hợp gồm 5% ethanol và 95% diesel khoáng), diesel sinh học B10 (hỗn hợp gồm
10% bio diesel và 90% diesel)...
Khi pha ethanol vào nhiên liệu khoáng thì sẽ có ảnh hưởng nhất định đến tính bền
vững của hỗn hợp, tính đồng pha, tính ăn mòn kim loại... cho nên cần thiết phải có chất
phụ gia phù hợp do vậy phụ gia trong hỗn hợp nhiên liệu có tác dụng cải thiện và bổ sung

các tính chất cần thiết hoặc còn thiếu của hỗn hợp ethanol và nhiên liệu khoáng nhằm đảm
bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như chất lượng nhiên liệu. Có nhiều loại phụ gia với công dụng
khác nhau nhưng có thể chia thành hai nhóm: nhóm phụ gia tính năng và nhóm phụ gia tồn
trữ bảo quản.
Khi phối trộn nhiên liệu khoáng với nhiên liệu sinh học mà ethanol là một trường
hợp phổ biến, vai trò của phụ gia càng được quan tâm nhiều hơn. Phụ gia cho xăng pha
ethanol và phụ gia cho diesel pha ethanol về mặt nguyên tắc cũng giống như phụ gia cho
xăng và diesel khoáng. Tuy nhiên, do tính chất đặc thù của nhiên liệu hỗn hợp, trong thành
phần phụ gia sử dụng cho các loại nhiên liệu này cần có sự thay đổi sao cho phù hợp.
Trên thế giới, đã có những công ty, tổ chức nghiên cứu và sử dụng phụ gia cho nhiên
liệu sinh học. Tại Việt Nam chưa có nghiên cứu cụ thể để tìm ra phụ gia có đủ các tính
năng cho nhiên liệu sinh học để ứng dụng có hiệu quả.
Để giảm bớt sự phụ thuộc vào dầu mỏ, than đá và bù đắp cho sự thiếu hụt năng
lượng trong tương lai, năm 2007, Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh
học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết định 177/2007/QĐ-TTg năm 2007.
Mới đây, ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg
ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống.
Theo đó:
Đối với nhiên liệu E5: Từ ngày 01/12/2014, xăng được sản xuất, phối chế, kinh
doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn các tỉnh, thành
phố: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa
– Vũng Tàu. Từ 01/12/2015 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho
phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc.
Đối với nhiên liệu E10: Từ ngày 01/12/2016, xăng được sản xuất, phối chế, kinh
doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên địa bàn các tỉnh, thành
phố: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa – Vũng
1


Tàu. Từ 01/12/2017 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện

cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc.
Đặc biệt, trong thời gian chưa thực hiện áp dụng tỉ lệ phối trộn theo Lộ trình khuyến
khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế, kinh doanh xăng E5, E10, diesel B5 và B10.
Nhiên liệu E5 được khẳng định về các tính năng kinh tế, kỹ thuật và đã được đưa vào
sử dụng. Để đáp ứng được lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu khoáng của
chính phủ thì việc nghiên cứu đưa nhiên liệu E10 vào sử dụng là rất cấp thiết. Với tỷ lệ pha
này cần thiết phải có nghiên cứu cẩn thận để đảm bảo về an toàn cháy nổ, các tính năng kỹ
thuật của nhiên liệu cũng như khi sử dụng cho động cơ thì việc nghiên cứu phát triển phụ
gia cho loại nhiên liệu này cũng trở nên cấp thiết và có vai trò rất quan trọng.
Song song với nghiên cứu pha ethanol vào xăng và đã thành công cho nhiên liệu E5
và tiến tới E10, ở nước ta cũng dần từng bước phát triển cho nhiên liệu diesel pha ethanol
vì những lý do đã trình bày ở trên và do nước ta chưa sản xuất biodiesel ở quy mô công
nghiệp mà mới ở mức thử nghiệm, nhỏ lẻ và giá thành cao nên thời điểm này chưa áp dụng
phối trộn biodiesel với diesel khoáng, bước đầu nghiên cứu ứng dụng cho nhiên liệu
diesohol D5 (tỷ lệ pha 5% ethanol và 95% diesel). Do đó việc nghiên cứu phát triển phụ
gia cho loại nhiên liệu này cũng trở nên cấp thiết và có vai trò rất quan trọng.
,d
d

góp phần cải thiện

…
Trên thế giới đã có nhiều nước đưa diesohol vào sử dụng như
d

diesel

lcohol còn
ị

Trên thế giới đã có một số phụ gia đáp ứng được yêu cầu cho NLSH trong đó có E10
và D5, tuy nhiên giá thành rất cao. Ngoài ra, nguồn nguyên liệu sản xuất NLSH trong nước
có những điểm khác biệt của nước ngoài và thời tiết nhiệt đới cũng khác biệt nên việc sử
dụng phụ gia cũng cần có những thay đổi về thành phần đảm bảo phù hợp hơn với thời tiết
và nguyên liệu sản xuất ở Việt Nam.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các
chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ
về phát
triển và ứng dụng phụ gia cho nhiên liệu sinh học đáp ứng nhu cầu sản xuất và kinh doanh
nhiên liệu sinh học ở nước ta, góp phần cắt giảm lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giảm
phát thải của thực tiễn. Việc nghiên cứu phát triển phụ gia trong nước giúp chủ động nguồn
cung, giảm sự phụ thuộc vào nước ngoài và giá thành hạ.
Luận án này được thực hiện chủ yếu trên cơ sở đề tài hợp tác giữa Trung tâm Ứng
dụng và Chuyển giao Công nghệ, Viện dầu khí Việt Nam và Bộ môn Động cơ đốt trong,
Viện cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội [17], [33]. Kết quả
nhiên liệu D5 và VPI-G cho E10.
gia đa chức năng (chống phân tách pha, ổn định oxi hóa, bảo vệ kim loại… ), qua đó nâng cao
chất lượng cho D5 và E10. Sau khi xác lập được phụ gia mới, phụ gia được kiểm tra đối
chứng với trường hợp nhiên liệu không pha phụ gia và có pha các loại phụ gia đang sử dụng
phổ biến và hiệu quả của nước ngoài về các tính chất hóa lý theo TCVN và ASTM trong
phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy phụ gia VPI-D và VPI-G có chất lượng tương tương phụ
gia của nước ngoài, bên cạnh đó còn có một số tính chất có nhiều ưu điểm hơn.
2


đối chứng
trình thử ổn định 100 giờ không phát hiện ảnh hưởng xấu đến dầu bôi trơn cũng như không có
hiện tượng đọng bám, tắc vòi phun. Kết quả thử nghiệm đối chứng trên động cơ xăng
Dayhan 97, xe Honda Wave 110 và động cơ ô tô Ford laser 1.8 L dùng nhiên liệu E10 với
phụ gia VPI-G cũng cho kết quả tương tự và không có hiện tượng bám cặn các bon trên cực

bugi. Ngoài ra kết quả đối chứng trước và sau chạy bền đối với phụ gia Keropur loại đang
dùng cho nhiên liệu E10 của nước ngoài (sản phẩm của tập đoàn đa quốc gia BASF-The
Chemical Company) cho thấy các thông số tính năng và phát thải của động cơ được cải
thiện hơn.
i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đánh giá ảnh hưởng của chất phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ như công suất, tiêu hao nhiên liệu, mức phát thải, mài
mòn… Đây là những tổ hợp phụ gia mới được nghiên cứu phát triển.
Đề tài cũng nhằm đưa ra được quy trình về phát triển, phụ gia cho nhiên liệu sinh học
phối trộn với nhiên liệu khoáng.
Đề tài đưa ra giải pháp phát triển tổ hợp phụ gia đa tính năng cho NLSH trên cơ sở
xác định chất phụ gia, tỷ lệ các thành phần phụ gia tính năng đơn lẻ (bằng phương pháp
tính toán tối ưu hóa, bằng khảo nghiệm hóa lý trong phòng thí nghiệm).. Áp dụng giải pháp
để cắt giảm lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải cho động cơ đốt trong
mà trước hết tập trung vào nghiên cứu phụ gia cho nhiên liệu E10 và D5 để đáp ứng đúng
và kịp thời lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu truyền thống của chính
phủ đã phê duyệt ở trên.
Việc nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở đặc điểm của nhiên liệu sinh học, điều
kiện thời tiết và bảo quản của Việt Nam. Sau khi đã lựa chọn được thành phần, xây dựng
được đơn pha chế, khảo nghiệm và đánh giá chất lượng các phụ gia cho nhiên liệu E10 và
D5 về mặt lý-hóa trong phòng thí nghiêm đảm bảo các tiêu chuẩn TCVN và ASTM, phụ
gia sẽ được thực nghiệm trên động cơ và phương tiện để đánh giá các đặc tính kinh tế-kỹ
thuật, từ đó có những đề xuất, kiến nghị để đưa vào ứng dụng trong thực tiễn có hiệu quả.
Động cơ D243, động cơ Dayhan 97, động cơ xe ô tô Ford laser 1.8 và xe Wave
Honda là các loại động cơ sử dụng phổ biến ở Việt Nam được lựa chọn làm đối tượng
nghiên cứu. Các nội dung nghiên cứu của được thực hiện tại Viện dầu khí Việt Nam, Viện
hóa học công nghiệp Việt Nam và PTN Động cơ đốt trong, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội.
Đề tài tập hợp những nghiên cứu về tổng quan nhiên liệu sinh học và phụ gia, lý
thuyết về ảnh hưởng của phụ gia trong nhiên liệu; lựa chọn nhiên liệu sinh học khảo sát;
lựa chọn phụ gia cho nhiên liệu sinh học đã chọn; lựa chọn động cơ thử nghiệm và qui

trình cùng các chế độ thử nghiệm; tiến hành thử nghiệm đối chứng theo kế hoạch đề ra;
thảo luận kết quả nghiên cứu và kết luận.
ii. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là sử dụng phương pháp tối ưu hóa (dùng quy
hoạch thực nghiệm) để tìm ra tỷ lệ các thành phần chất phụ gia đơn lẻ tối ưu nhất trong tổ
hợp phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5, thực nghiệm đối chứng các chỉ tiêu về tính
chất hóa lý, tính ăn mòn, chống phân tách pha… trong phòng thí nghiệm giữa nhiên liệu
không phụ gia và có phụ gia, giữa các phụ gia với nhau. Cuối cùng là nghiên cứu thực
nghiệm theo phương pháp đối chứng trên động cơ và phương tiện để đánh giá ảnh hưởng
3


của phụ gia đến các thông số kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ ở thời điểm 0 giờ
(sau khi căn chỉnh, động cơ làm việc ổn định thì thực hiện thử nghiệm và quy ước là thời
điểm không giờ) và sau khi chạy ổn định với phụ gia.
Ngoài ra, cũng áp dụng phương pháp thống kê, xử lý số liệu cho nghiên cứu.
iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài ứng dụng được Quy hoạch thực nghiệm xác định tỷ lệ thành phần phụ gia cho
nhiên liệu sinh học E10 và D5 phù hợp với điều kiện của Việt Nam, đảm bảo được các yêu
cầu về tính năng sử dụng, tồn trữ, bảo quản và môi trường và có thể đưa nhiên liệu E10,
D5 sử dụng thực tiễn. Ngoài ra, luận án đưa ra phương pháp, quy trình phát triển phụ gia
cho nhiên liệu sinh học nói chung.
Đưa ra được phương pháp đánh giá ảnh hưởng của phụ gia về tính năng và phát thải của
động cơ, những lợi ích kinh tế của phụ gia mới cho nhiên liệu E10 và D5, góp phần bổ sung
vào tiêu chuẩn cho nhiên liệu sinh học của Việt Nam.
Hai tổ hợp phụ gia VPI-G cho nhiên liệu E10 và VPI-D cho nhiên liệu D5 đã được đánh
giá về khả năng thích ứng khi sử dụng trên các đối tượng động cơ nghiên cứu.
Như vậy, đây là đề tài có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn rõ nét trong bối cảnh
nền công nghiệp NLSH còn rất mới mẻ ở nước ta, góp phần xây dựng tiêu chuẩn cho nhiên
liệu sinh học Việt Nam, bên cạnh đó kết quả nghiên cứu còn góp phần đảm bảo đúng lộ

trình tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu khoáng của chính phủ đề ra.
Ngoài ra, việc phát triển phụ gia trong nước sẽ mang lại hiệu quả kinh tế do các thành
phần được lựa chọn rẻ tiền, dễ kiếm do vậy sẽ rẻ hơn tổ hợp phụ gia nhập ngoại, không
những thế, phụ gia sẽ phù hợp hơn với nguồn ethanol và thời tiết của Việt Nam. Luận án
này còn làm cơ sở nghiên cứu cho các nhà khoa học, các học viên và những người quan
tâm đến lĩnh vực nhiên liệu sinh học và phụ gia.
Như vậy đề tài đưa ra một giải pháp toàn diện và khả thi trong việc phát triển và áp
dụng phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5 trong tương lai gần.
Nội dung của Luận án gồm:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và phụ gia cho nhiên liệu động cơ đốt trong
Chương 2. Cơ sở lý thuyết về phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu hóa
thạch.
Chương 3. Phát triển phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5
Chương 4. Thử nghiệm phụ gia cho nhiên liệu D5 và E10 trên động cơ
Kết luận và kiến nghị
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc rằng Luận án sẽ không tránh khỏi những
thiếu sót. Do vậy NCS mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô, các nhà chuyên
môn cùng quý đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, tháng 03 năm 2014
NCS Lê Danh Quang

4


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ
PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Nhiên liệu sinh học và vai trò
Do nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, ngoài ra khí thải của

động cơ dùng nhiên liệu truyền thống (xăng và diesel) gây ô nhiễm môi trường ngày càng
trầm trọng nên việc nghiên cứu tìm ra nguồn nhiên liệu thay thế và đảm bảo sạch, thân
thiện với môi trường đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Trong số đó nhiên liệu sinh
học đã được các nhà khoa học hướng đến và đạt được những thành tựu nhất định.
Nhiên liệu sinh học thuộc loại nhiên liệu tái tạo được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên
liệu nào nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động
thực vật [4]. Ví dụ như nhiên liệu sản xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu
dừa...) ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương) các chất thải nông nghiệp (rơm rạ, phân...) sản
phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải....). Chúng bao gồm bioethanol, biodiesel,
biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật.
Nhiên liệu sinh học (NLSH) được phân thành hai nhóm, nhóm dùng cho động cơ xăng
gồm các dạng cồn nhưng phổ biến là bioethanol và nhóm dùng cho động cơ diesel là các
este của dầu béo (biodiesel) và diesel-ethanol (phối trộn ethanol vào nhiên liệu diesel). Với
nguyên liệu là tinh bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật có thể sản xuất ra
ethanol, sau đó tách nước bổ sung các chất phụ gia thành ethanol biến tính gọi là ethanol nhiên
liệu biến tính hay cồn nhiên liệu. Còn diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ
động vật. Nhiều nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu tận dụng và trồng các loài cây
nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sinh học cho chế biến loại nhiên liệu này.
Việc sử dụng nhiên liệu sinh học có vai trò rất quan trọng cho nền kinh tế thế giới và
của nước ta, điều này mang lại các lợi ích:
- Thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch đang cạn dần. Theo nghiên cứu và thăm dò
của các chuyên gia về năng lượng thì trên trái đất có khoảng 280.000 tỷ tấn dầu mỏ [16],
như vậy dầu mỏ không phải là nguồn vô hạn, dự báo sẽ cạn kiệt trong thời gian tới (theo uỷ
ban năng lượng thế giới dự báo: dầu mỏ còn khoảng 39 năm) [22]. Đứng trước nguy cơ
thiếu nhiên liệu trầm trọng và việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế là đòi hỏi cấp bách.
Những năm gần đây nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu tìm nguồn nhiên liệu mới có nguồn
gốc từ sinh học cho động cơ đốt trong thay thế nhiên liệu truyền thống.
- Giảm ô nhiễm môi trường do độc hại ít hơn. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã
khẳng định sự phát thải độc hại như CO, HC, PM (động cơ diesel) và CO2 đều giảm đáng
kể.

- Ngoài ra, còn tạo công ăn việc làm, phát triển kinh tế xã hội ở những nơi chậm phát
triển như nông thôn, rừng… đồng thời tận dụng tài nguyên (phế phẩm thừa của nông
nghiệp, công nghiệp thực phẩm…) làm nhiên liệu.
Nhận thức rõ vai trò của NLSH, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển
nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết định 177/2007/QĐTTg năm 2007 [23].
1.1.1. Các dạng nhiên liệu sinh học
1.1.1.1. Cồn
Methanol: Đây là loại cồn đơn giản nhất chứa 1 nguyên tử C trong mỗi phân tử
(CH3OH). Là chất lỏng nhạt, không màu với mùi gây chóng mặt, độc có thể hấp thụ qua
5


da. Phần lớn methanol được làm từ than đá và khí tự nhiên, cũng có thể làm từ nguồn tái
sinh như gỗ hoặc giấy thải. Để làm nhiên liệu động cơ có thể dùng M100 (methanol
nguyên chất), thực tế chỉ dùng M85 (hỗn hợp 85% methanol và 15% xăng) có chỉ số octan
102. Do M85 là chất lỏng, nó có thể được tích trữ và phân phối trong hệ thống phân phối
chất lỏng như xăng. Để dùng M85, xe phải được thay đổi cho phù hợp như tỷ số nén cao
hơn, hệ thống nạp thiết kế lại để lấy đủ khí... Do vậy, các xe được trang bị một cảm biến
đặc biệt nhận biết tỷ lệ cồn và xăng rồi đưa ra tín hiệu đến ECU để điều chỉnh tỷ lệ phối
hợp nhiên liệu cũng như quyết định thời điểm đánh lửa. Xe chạy methanol yêu cầu dầu bôi
trơn riêng chịu được tác hại của methanol, dầu này đắt hơn dầu thường vì nó được sản xuất
với số lượng hạn chế.
Ethanol: Có công thức hóa học C2H5OH, dễ cháy, không màu, được sản xuất từ nguồn
nguyên liệu sinh học như khoai tây, ngũ cốc, củ cải đường, mía đường, gỗ, chất thải nhà máy
bia, nhiều sản phẩm nông nghiệp khác, thực phẩm hỏng trong quá trình lên men, cũng có thể
sản xuất từ khí tự nhiên và dầu thô. Ethanol hầu như không độc, hòa tan được trong nước, có
thể bị phân hủy và dễ cháy hơn xăng. Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, nhưng
thường được trộn với xăng để thỏa mãn nhu cầu nhiên liệu sạch. Xăng E5 và E10 đã được
khuyến khích và bắt buộc sử dụng tại hơn 30 nước trên thế giới do đem lại những lợi ích to lớn
trong việc đảm bảo an ninh năng lượng, phát triển kinh tế và cải thiện chất lượng môi trường.

Cụ thể E10 được dùng ở Mỹ nhiều năm qua. Còn ở Braxin ethanol sinh học thường được làm
từ mía đường làm nhiên liệu chủ yếu trong phương tiện giao thông. Trung Quốc và Thái lan
cũng đã sử dụng nhiên liệu E10. Tại Việt Nam cũng đã đưa xăng E5 vào sử dụng và đang triển
khai nghiên cứu sử dụng nhiên liệu E10.
1.1.1.2. Dầu thực vật
Dầu thực vật về tính chất lý hóa, phần lớn có trị số cetane cao và số octane thấp, độ
nhớt cao và nhiệt độ tự cháy thấp chỉ có thể ứng dụng cho động cơ diesel. Dầu thực vật có
thể làm nhiên liệu bao gồm dầu hạt cây cải dầu, dầu ôliu, dầu hạt đậu tương, dầu cọ, dầu
cây hướng dương, dầu ngô. Chúng là loại nhiên liệu tiềm năng cho động cơ diesel. Lần đầu
tiên, vào đầu thập kỷ 70 của thế kỷ trước, dầu thực vật thô được thử làm nhiên liệu cho
động cơ diesel. Kết quả thử nghiệm cho thấy, những loại dầu này so với nhiên liệu diesel
có thời gian phun lâu hơn, cháy trễ ngắn hơn, thời gian cháy dài hơn. Còn các cuộc thử
nghiệm bền cho thấy có sự thoái hóa động cơ nhanh hơn, sự mài mòn của bơm cao áp,
đóng muội than ở đế xupáp, vòi phun, thân xupáp và tích tụ trong buồng cháy, đỉnh piston
nhiều hơn… hiệu suất động cơ giảm đáng kể, công suất động cơ giảm, dễ kẹt xécmăng, tắc
hệ thống nhiên liệu, đóng muội than trong buồng cháy. Dầu thực vật thô cũng có nhiệt độ
khởi động lạnh rất cao, vì vậy cần phải sấy nóng nhiên liệu trước khi khởi động.
1.1.1.3. Metyl este
Metyl este là sản phẩm của quá trình trao đổi este từ dầu thực vật. Đây là một loại
biodiesel. Biodiesel thường dùng có tên monoankyl este (methyl hoặc ethyl este) của axit
béo có chuỗi phân tử dài được lấy từ lipit như dầu thực vật hoặc mỡ thực vật. Nó là sản
phẩm trong quá trình este hóa từ dầu nho, dầu đậu tương, dầu cây hướng dương, dầu
conola, dầu cọ và được sử dụng làm dầu ăn và nhiều chất béo khác. Dầu đậu dùng nhiều ở
Mỹ, trong khi dầu cây cải dầu (gọi là RME, Rapeseed Methyl Este) được sử dụng khá
nhiều ở Châu Âu. Quá trình este hóa dễ dàng thực hiện được khi methanol được dùng làm
chất phản ứng để thu được methyl este. Phản ứng này có thể thực hiện trong điều kiện
nhiệt độ khoảng 500C và áp suất khí quyển với glyxerin là sản phẩm phụ.
Metyl este không độc, có thể bị vi khuẩn phân hủy, đặc biệt không tan trong nước, cơ
bản không chứa sunphua hoặc gốc thơm. Nó làm mềm và thoái hóa các loại hợp chất cao
su tự nhiên và có thể ảnh hưởng đến các thành phần của hệ thống nhiên liệu do vậy cần chú

6


ý khi sử dụng. Có thể sử dụng metyl este nguyên chất hoặc pha với dầu diesel thông
thường. Do metyl este có tính chất bôi trơn đặc biệt nên thường được dùng như chất phụ
gia nhờn cho nhiên liệu diesel có hàm lượng sunphua thấp. Mặt hạn chế khi sử dụng metyl
este tinh khiết làm nhiên liệu là nhiệt độ hóa hơi thấp và tính ổn định sinh học kém.
1.1.1.4. Hợp chất chứa oxy
Hợp chất hữu cơ chứa oxy với một lượng nhỏ có thể được thêm vào nhiên liệu để đẩy
mạnh việc đốt cháy hỗn hợp vì chúng chứa oxy. Hợp chất chứa oxy khác nhau đáng kể về
lý tính so với các hydrocacbon, vì vậy mức độ của chúng trong nhiên liệu bị giới hạn.
Động cơ chạy bằng nhiên liệu chứa oxy phát thải các chất độc hại ít hơn, đặc biệt là CO.
Hầu hết, các hợp chất chứa oxy pha vào xăng là cồn methanol, ethanol, tertiary butyl
alcohol (TBA) và các chất khác như methyl tertiary butyl ether (MTBE), ethyl tertiary
butyl ether (ETBE) và tertiary amyl methyl ether (TAME) do vậy hợp chất hữu cơ chứa
oxy có chỉ số octane cao. Chúng chứa từ 1 đến 6 nguyên tử cacbon trong mỗi phân tử. Nhờ
thể hiện tính chống kích nổ tốt, chúng thay thế tốt cho các chất có gốc thơm. Cồn đã được
sử dụng trong xăng từ những năm 30 và MTBE được sử dụng lần đầu tiên trong các sản
phẩm xăng thương mại ở Ý vào năm 1973 [4].
1.1.1.5. Dimetyl ether
Dimetyl ether (DME) là hợp chất có công thức hóa học đơn giản nhất và được sử
dụng một cách rộng rãi như là chất đẩy dùng trong các bình xịt. DME là chất khí ở nhiệt độ
môi trường và áp suất khí quyển, nhưng có thể hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp (0,5
MPa tại 250C). Nó có thể được sản xuất từ gas tự nhiên hoặc từ sinh vật. DME không độc,
không ăn mòn và không có chất gây ung thư, trong trường hợp bị rò rỉ nó phân hủy rất
nhanh trong khí quyển. Về mặt sinh thái, DME cũng được coi là một loại nhiên liệu tốt cho
động cơ, bởi nó rất dễ cháy và phát thải ít. DME có chỉ số octane khoảng 60. Tính bôi trơn
của DME thấp vì độ nhớt của nó rất thấp (khoảng 1/30 so với nhiên liệu diesel). Vì vậy, để
tránh mài mòn vòi phun cần được cho thêm chất bôi trơn. Trước đây, DME nguyên chất là
nhiên liệu tốt cho động cơ diesel, bởi vì động cơ sử dụng nhiên liệu đó có đặc điểm cháy

rất tốt, lượng phát thải thấp, đặc biệt giảm thải NOx và khói. Sử dụng DME trên phương
tiện vận tải có ưu điểm hơn là dùng methanol vì sử dụng methanol có quá trình cháy xấu,
tuy nhiên có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách chuyển hóa methanol thành DME
theo phản ứng:
2CH3OH

CH3OCH3 + H2O

Phản ứng này cần có mặt chất xúc tác -Al2O3, lựa chọn theo tính toán về hiệu quả và
giá thành của nó. Ở nhiệt độ và áp suất môi trường, DME là một chất khí, vì vậy nó được
đưa vào xy lanh động cơ ở dạng hơi sương. Tuy nhiên sử dụng nhiên liệu DME có thể xuất
hiện hơi nước, đó là nhược điểm chính của loại nhiên liệu này [4].
1.1.1.6. Dimetyl cacbonate (DMC)
DMC là một chất lỏng ở nhiệt độ và áp suất môi trường. Nó không màu, không độc
và không gây ăn mòn. Nó có thể trộn lẫn với nhiên liệu diesel theo một vài tỷ lệ nhất định.
DMC khi pha vào nhiên liệu diesel có vai trò như một chất phụ gia, bởi vì nó chứa 53%
(về trọng lượng) oxy. Hiện tại, DMC được sản xuất từ phosgene (COCl2) và methanol với
HCl là phụ phẩm. Bởi vì phosgene là một chất hóa học cực kỳ độc và nguy hiểm, nhiều
công ty đang tìm kiếm và phát triển chất thay thế thân thiện với môi trường để loại bỏ
phosgene. Một chất thay thế có thể là sản xuất DMC từ methanol, CO và O2 với chất xúc
tác HCl thêm 5% KCl vào [4] theo phản ứng sau:
2CH3OH + CO + 1/2O2 = CH3OCOO-CH3 + H2O
7


Như chúng ta có thể thấy có rất nhiều loại nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, có thể quy
về hai loại thường dùng cho động cơ đốt trong đó là biodiesel và ethanol.
1.1.2. Nhiên liệu bio- diesel
1.1.2.1. Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất
Biodiesel được định nghĩa là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel có nguồn gốc

từ dầu thực vật (đậu nành, dừa, cọ, hạt caosu...) hoặc mỡ động vật (ví dụ mỡ cá basa, cá tra,
mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà...), được sử dụng rất thông dụng trên thị trường Châu Âu, Châu Mỹ
và hiện nay bắt đầu xuất hiện ở Châu Á. Biodiesel là các ankyl este của axit béo. Cũng giống
như diesel, biodiesel có thể sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong. Việt Nam,
một nước nông nghiệp có nguồn dầu thực vật phong phú thì việc sử dụng chúng trong sản
xuất nhiên liệu, phụ gia cho nhiên liệu sẽ có giá trị khoa học và thực tiễn cao.
Trước đây, kể từ khi động cơ diesel được phát minh ra thì nhiên liệu mà người ta sử
dụng đầu tiên chính là dầu thực vật. Nhưng nguyên liệu dầu thực vật đã không được lựa chọn
làm nhiên liệu cho động cơ diesel vì giá của dầu thực vật đắt hơn giá của diesel khoáng. Gần
đây, với sự tăng giá của nhiên liệu khoáng và sự hạn chế số lượng của nó, nên nhiên liệu dầu
thực vật ngày càng được quan tâm và có khả năng thay thế cho nhiên liệu dầu khoáng trong
tương lai gần, vì những lợi ích về môi trường và khả năng tái sinh của dầu thực vật.
Dầu thực vật sử dụng cho quá trình tổng hợp biodiesel phải có chỉ số axit thấp hơn
0,5 mg KOH/g dầu. Đối với dầu đã tinh chế thì có thể sử dụng ngay để tiến hành phản
ứng. Nhưng đối với dầu thực vật thô hay dầu thải có chỉ số axit cao và nhiều tạp chất hữu
cơ khác thì phải tiến hành tinh chế để loại bớt thành phần axit béo và các tạp chất bằng
cách trung hòa bằng kiềm.
Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiên liệu thay thế để cạnh tranh với dầu mỏ đã
được bắt đầu từ những năm 1980. Do những thuận lợi của các loại dầu thực vật so với
nhiên liệu diesel là chúng có thể nuôi trồng, sẵn có, có khả năng tái sinh được, nhiệt trị
tương đối cao, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn, hàm lượng chất thơm ít hơn, tuy nhiên khả
năng dễ bị vi khuẩn phân hủy, độ nhớt cao hơn, khả năng bay hơi thấp hơn. Vấn đề chính
liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật là độ nhớt quá cao, do vậy cần
phải có quá trình chế biến, tổng hợp. Có thể tham khảo nguồn để sản xuất biodiesel trên
thế giới như hình 1.1 [4].

Hình 1.1. Cơ cấu sản xuất biodiesel từ các loại dầu khác nhau
Dưới đây là một số dầu thực vật điển hình để tổng hợp biodiesel.
Dầu đậu nành: Dầu đậu nành được sản xuất từ cây đậu tương, cây đậu tương
được trồng phổ biến nhiều nước trên thế giới, đặc biệt ở vùng đồng bằng nước ta. Dầu đậu

8


nành tinh khiết có màu vàng sáng, thành phần axit béo chủ yếu của nó là linoleic (50%
57%), oleic (23% 29%). Dầu đậu nành được dùng nhiều trong thực phẩm. Ngoài ra, dầu
đậu nành đã được tinh luyện được dùng làm nguyên liệu để sản xuất margarin. Từ dầu đậu
nành còn được dùng để sản xuất sơn, vecni, xà phòng... và đặc biệt là sản xuất biodiesel.
Cây đậu tương được trồng phổ biến trên thế giới, đặc biệt ở vùng đồng bằng nước ta.
Dầu dừa: Dừa là một loại cây nhiệt đới được trồng nhiều ở vùng Đông Nam Á,
Châu Phi, Châu Mỹ Latinh. Ở Việt Nam, dừa được trồng nhiều ở Thanh Hóa, Nghĩa Bình,
Phú Khánh, Nam Trung Bộ... Dừa cây sinh trưởng lâu năm, thích hợp với khí hậu nóng
ẩm, có thể trồng được ở các nơi nước mặn, lợ, chua... Trong dầu dừa có chứa các axit béo
lauric (44% 52%), myristi (13% 19%), panmitic (7,5% 10,5%). Hàm lượng các chất
béo không no rất ít. Dầu dừa được sử dụng nhiều cho mục đích thực phẩm, có thể sản xuất
margarin và cũng là nguyên liệu tốt để sản xuất xà phòng và biodiesel.
Dầu cọ: Cọ là cây nhiệt đới được trồng nhiều ở Chilê, Ghana, Tây Phi, một số
nước Châu Âu và một số nước Châu Á. Từ cây cọ có thể sản xuất được hai loại dầu khác
nhau: dầu nhân cọ và dầu cùi cọ. Dầu nhân cọ có màu trắng còn dầu cùi cọ có màu vàng.
Thành phần axit béo của chúng cũng rất khác nhau. Dầu cùi cọ là loại thực phẩm rất tốt
dùng để ăn trực tiếp hoặc chế biến thành bơ, mỡ thực vật. Dầu cùi cọ có chứa nhiều
caroten nên được dùng để sản xuất chất tiền sinh tố A. Dầu chất lượng xấu có thể dùng để
sản xuất xà phòng hoặc dùng trong ngành luyện kim. Dầu nhân cọ có công dụng trong
ngành thực phẩm bánh kẹo và xà phòng. Cả hai loại dầu này có thể làm nguyên liệu rất tốt
để sản xuất biodiesel.
Dầu cao su: Dầu hạt cao su được ép từ hạt cây cao su. Trong hạt hàm lượng dầu chiếm
khoảng 40 đến 60%. Cây cao su được trồng nhiều nơi trên thế giới như Ấn Độ, Châu Phi,
Nam Mỹ... ở Việt Nam cây cao su được đưa vào thời Pháp thuộc và trồng nhiều ở các tỉnh
miền Đông Nam Bộ. Cây cao su sống thích hợp nhất ở những vùng đất đỏ. So với các loại dầu
khác thì dầu hạt cao su ít được sử dụng trong thực tế do hàm lượng axit béo rất lớn. Vì vậy
nếu sử dụng dầu hạt cao su làm nguyên liệu để sản xuất biodiesel thì hiệu quả kinh tế thu được

là cao nhất [4].
Hàm lượng axit béo của dầu hạt cao su cao hơn các loại dầu khác do trong hạt cao su có
enzym lipaza tác dụng thủy phân glyxerit tạo axit béo. Dầu sau khi được xử lý nhiệt thì chỉ số
axit ổn định do không còn enzym lipaza nữa.
Dầu sở: Cây sở là một loại cây lâu năm được trồng nhiều ở vùng nhiệt đới. ở nước
ta, sở được trồng nhiều ở các tỉnh trung du phía Bắc. Thành phần axit béo của dầu sở bao
gồm axit oleic (>60%), axit linolinic (15% 24%) và axit panmitic (15% 26%). Dầu
sở sau khi tách saponin dùng làm dầu thực phẩm rất tốt. Ngoài ra, dầu sở còn được dùng
rộng rãi trong công nghiệp xà phòng, mỹ phẩm. Dầu sở cũng có thể làm nguyên liệu để
sản xuất biodiesel.
Dầu bông: Bông là loại cây trồng một năm. Trong dầu bông có sắc tố carotenoit và
đặc biệt là gosipol và các dẫn xuất của nó làm cho dầu bông có màu đặc biệt: màu đen
hoặc màu sẫm. Gosipol là một độc tố mạnh. Hiện nay dùng phương pháp tinh chế bằng
kiềm hoặc axit antranilic có thể tách được gossipol chuyển thành dầu thực phẩm. Do trong
dầu bông có chứa nhiều axit béo no panmitic nên ở nhiệt độ thường nó đã ở thể rắn. Bằng
cách làm lạnh dầu người ta có thể tách được panmitic dùng để sản xuất margarin và xà
phòng. Dầu bông cũng là nguyên liệu rất tốt để sản xuất biodiesel.
Dầu hướng dương: Hướng dương là loại cây hoa một năm và hiện nay được trồng
nhiều ở xứ lạnh như Châu Âu, Châu Mỹ, Châu Á, và đặc biệt là Liên Xô cũ (chiếm 90% sản
lượng của thế giới). Đây là loại cây có hàm lượng dầu cao và sản lượng lớn. Dầu hướng
9


dương có mùi vị đặc trưng và có màu từ vàng sáng tới đỏ. Dầu hướng dương chứa nhiều
protein nên là sản phẩm rất quý nuôi dưỡng con người. Ngoài ra, dầu hướng dương cũng là
nguyên liệu rất tốt để sản xuất biodiesel.
Dầu thầu dầu: Dầu thầu dầu hay còn gọi là dầu ve, được lấy từ hạt quả của cây thầu
dầu. Cây thầu dầu được trồng nhiều ở vùng có khí hậu nhiệt đới. Những nước sản xuất
thầu dầu là Brazin (36%), Ấn Độ (6%), Trung Quốc, Liên Xô cũ, Thái Lan. Cây thầu dầu
ở nước ta ở chủ yếu ở Thanh Hóa, Nghệ Tĩnh. Tuy nhiên, hiện nay dầu thầu dầu ở Việt

Nam vẫn phải nhập nhiều từ Trung Quốc. Dầu thầu dầu là loại dầu không khô, chỉ số iot
từ 80 90, tỷ trọng lớn, tan trong ankan, không tan trong xăng và dầu hỏa. Hơn nữa, do
độ nhớt cao của dầu thầu dầu so với các loại dầu khác nên ngay từ đầu đã được sử dụng
trong công nghiệp dầu mỡ bôi trơn. Hiện nay dầu thầu dầu vẫn là loại dầu nhờn cao cấp
dùng trong động cơ máy bay, xe lửa, và các máy có tốc độ cao, cả trong dầu phanh. Dầu
thầu dầu được dùng trong nhiều lĩnh vực như y tế để làm thuốc tẩy, nhuận tràng, trong
công nghiệp hương liệu và mỹ phẩm, trong công nghiệp chất dẻo, làm giấy than, giấy nến
và mực in. Ngoài ra còn sử dụng trong công nghệ dệt nhuộm, thuộc da, công nghệ sơn và
công nghiệp bôi trơn. Đặc biệt là cũng có thể dùng để sản xuất biodiesel.
Dầu lạc: Dầu lạc chứa chủ yếu axit oleic (50- 63%), linoleic (13- 33%), panmitic (611%). Hàm lượng các axit béo khác không nhiều. Dầu lạc chủ yếu dùng vào các mục đích
thực phẩm, làm thức ăn gia súc. Hiện nay nguồn dầu lạc cũng được sử dụng để tổng hợp
biodiesel. Cây lạc ở Việt Nam được trồng nhiều trên lưu vực các sông của đồng bằng Bắc
Bộ và Nam Bộ.
Dầu ngô: Cây ngô được trồng trên khắp thế giới, nhất là các vùng đất phù sa. Các
axit béo trong dầu ngô thường là: axit linoleic (43- 49%), oleic (37- 40%), axit panmitic
và stearic gần bằng 14%.
Nói chung, các quá trình hóa học khi sản xuất và ứng dụng có khác biệt đối với từng
loại dầu thực vật. Nhưng hầu hết tất cả các loại dầu thực vật đều có thể là nguyên liệu để
sản xuất biodiesel hoặc pha trộn với nhiên liệu diesel khoáng làm giảm đáng kể các khí
độc hại trong khí thải như SOx, NOx, các hydrocacbon thơm, CO... đồng thời có thể tiết
kiệm đáng kể nhiên liệu khoáng. Ở nước ta rất thích hợp với các loại cây lấy dầu, vốn đầu
tư lại ít nên việc trồng với một lượng lớn các cây dầu này sẽ là nguồn nguyên liệu tốt cho
quá trình sản xuất biodiesel và rất có ý nghĩa về mặt bảo vệ môi trường.
Ngoài nguyên liệu là dầu thực vật, để tổng hợp nhiên liệu biodiesel còn có thể sử
dụng các nguồn khác, như:
Mỡ động vật: Đây là nguồn nguyên liệu lấy từ mỡ các con vật, ví dụ mỡ cá basa, cá
tra, mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà v.v... Đối với nguyên liệu loại này, ngoài tác nhân trao đổi este
là methanol, có thể dùng tác nhân hỗn hợp là 65% methanol + 35% ethanol cũng thu được
độ nhớt cần thiết của biodiesel.
Dầu phế thải của các nhà máy chế biến dầu, mỡ: Đây chính là dầu cặn của các nhà

máy chế biến thực phẩm, chúng có đặc điểm là đã qua gia nhiệt nhiều lần, có màu sẫm. Kết
quả phân tích loại này cho thấy ngoài lượng dầu mỡ còn có nhiều các chất khác kể cả các
chất rắn, nguyên liệu này được xử lý trước tiên là lọc sau đó tách nước v.v…
Như vậy, nguồn nguyên liệu để sản xuất bio-diesel rất đa dạng và phong phú, dễ tái
sinh, có thể phát triển, thay thế để cắt giảm lượng sử dụng nhiên liệu diesel khoáng.
1.1.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng bio-diesel trên thế giới và Việt Nam
Bio-diesel là một dạng nhiên liệu sinh học được quan tâm nhiều hơn cả do xu hướng
diesel hóa động cơ trên toàn cầu. Hàng chục nước trên thế giới đã và đang nghiên cứu sản
10


xuất bio-diesel, nhiều hơn cả là các nước có nguồn dầu mỡ động thực vật dồi dào và cơ sở
sản xuất hiện đại như Mỹ, Pháp, Đức, Thái Lan...
Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu bio-diesel và nhiên liệu bio-diesel pha
trộn với nhiên liệu khoáng trên thế giới
Tại Mỹ, lượng bio-diesel được tiêu thụ đạt trên 2 tỷ gallon mỗi năm [4]. Mỹ đề ra
đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học.
Tại Áo, phải sử dụng nhiên liệu diesel khoáng pha 5% nhiên liệu sinh học [22].
Tại Đức, bắt buộc phải sử dụng nhiên liệu diesel-B5 và đến cuối năm 2010 có
khoảng 10% nhiên liệu sử dụng có nguồn gốc tái tạo [4].
Tại Pháp, đã có hàng vạn phương tiện tham gia giao thông sử dụng nhiên liệu diesel-B30
[4].
Tại Thái Lan, đã có chương trình sử dụng nhiên liệu diesel-B5 vào năm 2011 và
diesel-B10 vào năm 2012. Chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Thái
Lan đang phát triển với tốc độ nhanh [4].
Tại Indonesia, phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng nhiên liệu diesel sinh học và đến
cuối năm 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng khoảng 10% cho ngành điện và giao thông [9].
Ngoài những nước như đã nói trên, còn nhiều nước khác đã nghiên cứu đưa ra
chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học vào nước của họ. Qua đó cho thấy,
nhiên liệu sinh học được sản xuất và tiêu thụ trên thế giới ngày một gia tăng.

Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu bio-diesel và nhiên liệu bio-diesel pha
trộn với nhiên liệu khoáng ở Việt Nam
Ở Việt Nam, trước khi có Quyết định số 177/2007QĐ-TTg ngày 20/11/2007 của
Chính phủ, một số cơ sở đã nghiên cứu sản xuất bio-diesel và thử nghiệm loại nhiên liệu
này. Chẳng hạn, ở đồng bằng Nam bộ, đã có doanh nghiệp sản xuất thành công bio-diesel
từ mỡ cá basa và cá tra. Một số người dân đã tự ý sử dụng thử loại nhiên liệu này mặc dù
chưa có qui định của Nhà nước.
Sau khi có sự phê duyệt 177/2007QĐ-TTg của Chính phủ, các tổ chức trong nước đã
tích cực đầu tư nghiên cứu, sản xuất thử, sản xuất ở qui mô công nghiệp và sẽ làm chủ
công nghệ sản xuất bio-diesel từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước như trình bày
dưới đây.
Các thử nghiệm chiết xuất dầu diesel sinh học từ cây dầu mè của TS Thái Xuân Du,
từ cây diesel của TS Lê Võ Định Tường, từ mỡ cá basa của công ty AGIFISH... gần đây
đều cho kết quả khả quan [7].
Các nghiên cứu và sản xuất dầu diesel sinh học của Viện khoa học vật liệu ứng dụng
đã có nhiều thành công, hiện đã và đang chuyển giao công nghệ sản xuất cho nhiều doanh
nghiệp [6].
Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã chuyển giao công nghệ sản xuất biodiesel từ dầu
thực vật (chiết xuất biodiesel từ hơn mười loại dầu thực vật như dầu cọ, dầu cao su, dầu
lai, dầu gòn...) quy mô pilot có công suất 100 kg/ngày cho tập đoàn Trường Thịnh- một
đơn vị chuyên sản xuất biodiesel và trồng cây Jatropha tại tỉnh Bình Phước với tổng giá trị
300 triệu đồng đến thời điểm ngày 07/4/2009. Ngoài ra, Viện cũng vừa ký ghi nhớ với 2
tỉnh là Đà Nẵng và Bình Dương dự án sản xuất biodiesel có công suất 1 tấn/ ngày với tổng
trị giá 4 tỷ đồng [6].

11


Bộ Công thương đã xây dựng đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm
nhìn 2020, với đề án này đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt

Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 500 triệu lít dầu diesel
sinh học B10/năm [22].
1.1.2.3. Tính chất vật lý
Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc: Vì các dầu khác nhau có thành phần
hóa học khác nhau cho nên chúng cũng có nhiệt độ đông đặc và nóng chảy khác nhau. Các
giá trị này không ổn định và thường trong một khoảng giá trị nào đó.
Tính tan của dầu thực vật: Dầu không phân cực, do vậy chúng tan rất tốt trong
dung môi không phân cực, chúng tan rất ít trong rượu và không tan trong nước. Độ tan của
dầu trong dung môi phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
Màu của dầu: Màu của dầu phụ thuộc vào thành phần hợp chất có trong dầu. Dầu
tinh khiết không màu, dầu có mầu vàng là do các carotenoit và các dẫn xuất, dầu có mầu
xanh là của clorophin...
Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của dầu thực vật thường nhẹ hơn nước, ở điều
kiện thường (20 o C), = 0,907÷0,971 g/cm 3 , dầu có càng nhiều thành phần hydrocacbon
no thì tỷ trọng càng cao.
1.1.2.4. Tính chất hóa học
Thành phần hóa học của dầu thực vật chủ yếu là este của axit béo với glyxerin. Do
vậy, chúng có đầy đủ tính chất của một este thể hiện qua các phản ứng sau đây.
Phản ứng xà phòng hóa: Trong những điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, xúc tác
thích hợp) dầu có thể bị thủy phân:
C3H5(OCOR)3 + 3H2O → 3RCOOH + C3H5(OH)3
Phản ứng qua các giai đoạn trung gian tạo thành các diglyxerin và monoglyxerin.
Trong quá trình thủy phân, axit béo sẽ phản ứng với kiềm tạo thành xà phòng:
RCOOH + NaOH → RCOONa + C3H5(OH)
Đây là phản ứng cơ bản trong quá trình sản xuất xà phòng và glyxerin từ dầu thực
vật.
Phản ứng cộng hợp: Trong điều kiện thích hợp, các axit béo không no sẽ cộng hợp
với các chất khác.
Phản ứng hidro hóa: Là phản ứng được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ, áp suất thấp
và sự có mặt của xúc tác Ni.

Trong những điều kiện thích hợp, dầu có chứa các axit béo không no có thể cộng hợp
với các halogen.
Phản ứng este hóa: Các glyxerin trong điều kiện có mặt của xúc tác vô cơ (H2SO4,
HCl hoặc NaOH, KOH) có thể tiến hành este hóa trao đổi với các rượu bậc một (như
metylic, etylic)... thành các alkyl este của axit và glyxerin:
C3H5(OCOR)3 + 3CH3OH → 3RCOOCH3 + C3H5(OH)3
Phản ứng này có ý nghĩa thực tế rất quan trọng vì người ta có thể sử dụng các alkyl
este béo làm nhiên liệu do giảm một cách đáng kể lượng khí thải độc hại ra môi trường.
Đồng thời, cũng thu được một lượng glyxerin sử dụng trong các ngành công nghiệp mỹ
phẩm, hàng tiêu dùng, sản xuất nitro glyxerin làm thuốc nổ.
12


Phản ứng oxy hóa: Dầu thực vật có chứa nhiều loại axits béo không no dễ bị oxy
hóa, thường xảy ra ở nối đôi mạch cacbon. Tùy thuộc vào bản chất của chất oxy hóa và
điều kiện phản ứng mà tạo ra các chất oxy hóa không hoàn toàn như peroxyt, xetoaxit,...
hoặc các sản phẩm đứt mạch có phân tử lượng bé. Dầu thực vật tiếp xúc với không khí có
thể xảy ra quá trình oxy hóa làm biến chất dầu mỡ.
Phản ứng trùng hợp: Dầu mỡ có nhiều axit không no dễ xảy ra phản ứng trùng hợp
tạo ra các hợp chất cao phân tử.
Sự ôi chua của dầu mỡ: Do trong dầu có chứa nước, vi sinh vật, các men thủy phân
nên trong quá trình bảo quản thường phát sinh những biến đổi làm ảnh hưởng tới màu sắc,
mùi vị. Đây là quá trình ôi chua của dầu mỡ.
1.1.2.5. Các đặc điểm khác của biodiesel
Trị số xetan cao: Trị số xetan là một đơn vị đo khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu
diesel. Trị số xetan của diesel càng cao thì sự mồi lửa và cháy càng tốt, động cơ làm việc ổn
định hơn. Nhiên liệu diesel thông thường có trị số xetan từ 50 đến 52 và 53 đến 54 đối với
động cơ cao tốc. Biodiesel là các alkyl este mạch thẳng do vậy nhiên liệu này có trị số xetan
cao hơn diesel khoáng, trị số xetan của biodiesel thường từ 56 đến 58. Với trị số xetan như
vậy, biodiesel hoàn toàn có thể đáp ứng dễ dàng yêu cầu của những động cơ đòi hỏi nhiên

liệu chất lượng cao với khả năng tự bắt cháy cao mà không cần phụ gia tăng trị số xetan.
Hàm lượng lưu huỳnh thấp: Trong biodiesel hàm lượng lưu huỳnh rất thấp, khoảng
0,001%. Đặc tính này của biodiesel rất tốt cho quá trình sử dụng làm nhiên liệu, vì nó làm
giảm đáng kể khí thải SOx gây ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường.
Quá trình cháy sạch : Do nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy nên quá trình
cháy nhiên liệu xảy ra hoàn toàn. Vì vậy với những động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel
thì sư tạo muội, đóng cặn trong động cơ giảm đáng kể.
Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn: Biodiesel có khả năng bôi trơn bên
trong rất tốt, các cuộc kiểm tra đã chỉ ra rằng, biodiesel có khả năng bôi trơn tốt hơn diesel
khoáng. Khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trưng bởi giá trị HFRR (highfrequency receiprocating rig), nói chung giá trị HFRR đạt 500 khi không có phụ gia,
nhưng giới hạn đặc trưng của diesel là 450. Vì vậy diesel khoáng yêu cầu phải có phụ gia
để tăng cường khả năng bôi trơn. Ngược lại giá trị HFRR của biodiesel khoảng 500. Vì
vậy, biodiesel còn như là một phụ gia tốt đối với nhiên liệu diesel thông thường. Khi thêm
vào một tỷ lệ thích hợp biodiesel, sự mài mòn của động cơ được giảm mạnh. Thực nghiệm
đã chứng minh sau khoảng 15.000 giờ làm việc vẫn không nhận thấy mài mòn [2].
Tính ổn định của biodiesel: biodiesel có khả năng phân huỷ rất nhanh (phân huỷ
đến 98% trong 21 ngày) đây chính là ưu điểm lớn về mặt môi trường. Do biodiesel kém
ổn định nên cần có sự chú ý đặc biệt về quá trình bảo quản [4].
Giảm lượng khí thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư: Theo các nghiên cứu
của Bộ năng lượng Mỹ đã hoàn thành ở một trường đại học ở California, sử dụng biodiesel
tinh khiết thay cho diesel khoáng có thể giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải
của động cơ, do biodiesel chứa ít các hợp chất thơm, chứa rất ít lưu huỳnh, quá trình cháy
triệt để hơn nên giảm được nhiều thành phần hydrocacbon trong khí thải.
An toàn về cháy nổ tốt hơn: Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao, trên 110oC, cao
hơn nhiều so với diesel khoáng (khoảng 60oC), vì vậy tính chất nguy hiểm của nó thấp
hơn, an toàn hơn trong tồn chứa và vận chuyển.

13

Nguồn nhiên liệu cho tổng hợp hoá học: Ngoài việc được sử dụng làm nhiên liệu,
các ankyl este axit béo còn là nguồn nguyên liệu quan trọng cho ngành công nghệ hoá học,
sản xuất các rượu béo, ứng dụng trong dược phẩm và mỹ phẩm, các ankanolamin, isopropylic
este, các polyeste được ứng dụng như chất nhựa, chất hoạt động bề mặt...
Có khả năng nuôi trồng được: Tạo nguồn năng lượng độc lập với dầu mỏ, không làm
suy yếu các nguồn năng lượng tự nhiên, không gây ảnh hưởng tới sức khoẻ con người và môi
trường.
1.1.3. Xăng sinh học
1.1.3.1. Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất
Ethanol là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy,
không màu, là một trong các thành phần của đồ uống chứa cồn. Trong đời sống, nó thường
được gọi vắn tắt là rượu. Công thức hóa học C2H5OH, viết tắt là C2H6O.
Ethanol dễ dàng hòa tan vào nước theo mọi tỷ lệ, với sự giảm nhẹ tổng thể về thể
tích khi hai chất này được trộn lẫn với nhau. Ethanol tinh khiết là dung môi tốt, sử dụng
trong các loại nước hoa, sơn và cồn thuốc. Các tỷ lệ khác của ethanol với nước cũng có
thể làm dung môi. Các loại đồ uống chứa cồn có hương vị khác nhau do có các chất tạo
mùi khác nhau được hòa tan trong nó trong quá trình ủ và nấu rượu.
Ethanol có thể sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóng băng thấp
của nó.
Ethanol có thể sử dụng làm nguyên liệu trong công nghệ hóa học, nguyên liệu cho
tổng hợp hữu cơ hóa dầu.
Ngày nay, ethanol được sử dụng rộng rãi để pha vào xăng tạo nhiên liệu sinh học
thân thiện với môi trường.
Nguyên liệu sản xuất ethanol thích hợp nhất là đường (từ củ cải đường, mía), rỉ
đường và cây lúa miến ngọt, tinh bột (khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mỳ, ngô, đại mạch).
Năng suất ethanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đất trồng trọt tùy thuộc
vào từng loại cây trồng. Đối với các loại hạt, năng suất ethanol thu được vào khoảng 2.800
lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn ethanol.
Ngoài ra, ethanol sinh học được sản xuất từ nguồn nguyên liệu xenlulo (gỗ). Các loại cây
trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía),

các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải... đều thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất ethanol.
Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1 tấn ethanol. Nguyên nhân
khiến người ta chuyển sang sản xuất ethanol từ sinh khối xenlulo (gỗ, thân thảo) là vì các loại
này sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với
những nguồn chất thải hầu như không có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa, tuy nhiên
quá trình chuyển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn.
1.1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới và Việt Nam
Trên thế giới, các nước sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu khác nhau. Nước
sản xuất ethanol sinh học nhiều bậc nhất thế giới là Brazin. Brazin sản xuất mỗi năm 14 tỷ
lít cồn từ cây mía. Chương trình sản xuất này tạo việc làm cho 1 triệu người và tiết kiệm
được 60 tỷ USD tiền nhập xăng dầu trong 3 thập kỷ qua. Số tiền này lớn gấp 10 lần chi cho
chương trình trên và gấp 50 lần số tiền trợ cấp ban đầu. Từ năm 1985 sản lượng ethanol
nhiên liệu đạt bình quân 10 triệu tấn/năm. Năm 2005 có 70% số ôtô đã sử dụng nhiên liệu
sinh học. Hiện nay, toàn bộ xăng chạy ôtô của Brazin đều pha 20-25% ethanol sinh học.
Brazin có thể sản xuất lượng ethanol thay thế 10% nhu cầu xăng dầu của thế giới trong
14


vòng 20 năm tới với lượng xuất khẩu khoảng 200 tỷ lít, so với mức 30 tỷ lít hiện nay. Luật
pháp Brazin quy định tất cả các loại xe sử dụng xăng pha 22% ethanol và nước này đã có
20% số lượng xe chỉ sử dụng ethanol 100% [4]. Cho đến năm 2012 Brazin đã đưa vào hoạt
động trên 70 nhà máy chuyên sản xuất ethanol.
Trong khối EU, nhiên liệu sinh học là một ưu tiên trong chính sách môi trường và
giao thông. Theo ước tính của các nhà kinh tế sử dụng nhiên liệu sinh học, hàng năm có
thể tiết kiệm được 120 triệu thùng dầu thô vào thời điểm năm 2012. Từ đầu năm 2004 các
trạm xăng Aral và Shell ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà theo đó từ
31/12/2005 ít nhất 2% và từ 31/12/2010 ít nhất 5,75% nhiên liệu dùng cho giao thông vận
tải phải có nguồn gốc tái tạo. EU còn quy định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất
10% nhiên liệu sinh học từ nay đến 2020.
Mỹ đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học trong giao thông, Iowa là bang

sản xuất ethanol cho nhiên liệu ôtô với sản lượng lớn nhất.
Indonesia đã trợ cấp khoảng 7 tỷ USD cho năng lượng. Nước này đặt mục tiêu đến
năm 2020 nhiên liệu sinh học đáp ứng trên 10% nhu cầu cho ngành điện và giao thông.
Tại Trung Quốc, các tỉnh Hà Nam, An Huy, Cát Lâm, Hắc Long Giang… đã sản xuất
ethanol từ lương thực tồn kho với sản lượng hàng năm 1,02 triệu tấn/năm. Riêng tỉnh Hắc
Long Giang sản xuất ethanol năng lượng sản xuất 5000 tấn/năm. Nước này đang nghiên
cứu công nghệ sản xuất ethanol từ xenlulo và hiện đã có cơ sở đạt 600 tấn /năm. Năm
2010 sản lượng nhiên liệu sinh học của Trung Quốc khoảng 6 triệu tấn. Theo kế hoạch, đến
năm 2020 là 19 triệu tấn trong đó ethanol là 10 triệu [4].
Tại Việt Nam đang hướng đến việc sử dụng nguyên liệu chính là sắn, ngô và mía
đường và tận dụng các phế phẩm thừa trong nông nghiệp để sản xuất ethanol. Vấn đề nghiên
cứu ứng dụng ethanol cũng đã được phát triển từ khoảng 10 năm qua. Trong vài năm trở lại
đây, chúng ta đã tiến hành xây dựng một số nhà máy sản xuất cồn 99,95% tại Vĩnh Phúc,
Quảng Ngãi… Nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sạch đã được Petrolimex, Petro VietNam...
triển khai và đã có những kết quả, một số ví dụ cụ thể như:
Đại học Bách khoa Tp.HCM đã pha chế, thử nghiệm để chứng minh ethanol có thể
thay thế xăng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong [8].
Tại Phú Thọ, Công ty cổ phần Hóa dầu và Nhiên liệu Sinh học Dầu khí (PVB) đã xây
dựng dự án nhà máy sản xuất cồn nhiên liệu sinh học (bio-ethanol) đầu tiên ở khu vực phía
Bắc. Nhà máy, có tổng vốn đầu tư 80 triệu USD, là dự án có công nghệ tiên tiến với công
suất 100.000 m3 ethanol / năm sử dụng nguyên liệu chính là sắn và mía đường [9].
Viện Công nghệ thực phẩm đã và đang nghiên cứu sản xuất ethanol từ phế thải nông
nghiệp... Nhiều đơn vị trong đó có APP, Sài Gòn Petro, Công ty Mía đường Lam Sơn... đã lên
kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sản xuất ở quy mô phù hợp và đưa vào sử dụng [8].
Tháng 9 năm 2008, Hà Nội đã thí điểm cho xe taxi chạy xăng ethanol.
Điều đó chứng tỏ nước ta đã thực sự coi đưa ethanol trở thành một mặt hàng chiến lược.
1.1.3.3. Tính chất vật lý
Ethanol là một chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối
lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 0 C), sôi ở 78,39 0 C, hóa rắn ở -114,15 0 C, tan vô hạn trong
nước. Ehanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay andehit

có cùng số cacbon là do có sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với
nước. Một số tính chất vật lý của ethanol thể hiện trên bảng 1.1[4].
15