Nghiên cứu tác động của phụ gia tổng hợp VPI d đến tính năng và phát thải của động cơ d243 sử dụng hỗn hợp nhiên liệu d5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

HÀ TIẾN ĐẠT

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA PHỤ GIA TỔNG HỢP VPI-D ĐẾN TÍNH
NĂNG VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ D243 SỬ DỤNG HỖN HỢP
NHIÊN LIỆU D5

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. TRẦN THỊ THU HƢƠNG

Hà Nội – Năm 2013

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu
trong luận văn là trung thực./.
Hà nội, ngày

tháng
Tác giả

2

năm 2013


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................2
MỤC LỤC ..................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................8
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................10
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ..........................................................12
1. Mục đích của đề tài. ............................................................................................12
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. .....................................................................12
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. ...........................................................................12
4. Các nội dung chính của luận văn. ......................................................................12
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA NHIÊN LIỆU .....................................14
1.1. Các phụ gia cho nhiên liệu. ............................................................................14
1.2. Phụ gia cho nhiên liệu diesel. .........................................................................14
1.3. Phụ gia cho diesel pha etanol nhiên liệu biến tính. ........................................15
1.3.1. Nhóm phụ gia cải thiện trị số xetan. .......................................................21
1.3.2. Nhóm phụ gia trợ tan và chống phân tách pha .......................................23
1.3.3. Nhóm phụ gia tăng độ nhớt .....................................................................24
1.3.4. Nhóm phụ gia chống ăn mòn, mài mòn, chống đóng cặn.......................24
1.4. Định hướng lựa chọn nhiên liệu và phụ gia cho ED5 ....................................25
1.4.1. Định hướng lựa chọn nhiên liệu diesel khoáng ......................................25
1.4.2. Định hướng lựa chọn phụ gia cho ED5...................................................25

3


Chƣơng 2: QUY TRÌNH TỔNG HỢP VÀ TÍNH CHẤT CỦA PHỤ GIA VPI-D

...................................................................................................................................29
2.1. Nhiên liệu diesel gốc khoáng và diesel pha etanol NLBT. ............................29
2.1.1. Nhiên liệu diesel gốc khoáng. .................................................................29
2.1.2. Nhiên liệu diesel pha etanol NLBT và ED5 ...........................................30
2.2. Lựa chọn phụ gia cho ED5. ............................................................................40
2.3. Đánh giá tính chất và chất lượng nhiên liệu ED5 khi có phụ gia trong phòng
thí nghiệm..............................................................................................................44
Chƣơng 3: THIẾT BỊ VÀ QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM...................................54
3.1. Động cơ thử nghiệm. ......................................................................................54
3.2. Sơ đồ và thiết bị thử nghiệm. .........................................................................56
3.2.1. Sơ đồ băng thử động cơ. .........................................................................56
3.2.2. Cân nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S. ................................................57
3.2.3. Thiết bị phân tích thành phần khí thải CEB II. .......................................58
3.2.3.1. Bộ phân tích CO, CO2. .....................................................................61
3.2.3.2. Bộ phân tích HC. ..............................................................................62
3.2.3.3. Bộ phân tích NOx. ............................................................................64
3.2.3.4. Hệ thống đo O2. ................................................................................66
3.2.4. Bộ lấy mẫu chất thải dạng hạt (Smart Sampler). ....................................68
3.3. Nhiên liệu thử nghiệm. ...................................................................................69
3.4. Quy trình thử nghiệm. ....................................................................................69
3.4.1. Lắp đặt và đo đặc tính động cơ với nhiên liệu diesel..............................69

4


3.4.2. Thử nghiệm đối chứng đặc tính động cơ. ...............................................69
3.4.3. Thử nghiệm chạy ổn định động cơ trong 100h. ......................................69
3.4.4. Thử nghiệm khí thải. ...............................................................................69
3.4.5. Lấy mẫu dầu bôi trơn và thực hiện chụp ảnh, quan sát, cân vòi phun và
đánh giá mức độ kết cặn cacbon trên vòi phun. ................................................70

Chƣơng 4: THỬ NGHIỆM ĐỐI CHỨNG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA TỔ
HỢP PHỤ GIA VPI-D ĐẾN ĐỘNG CƠ DIESEL D243-KẾT QUẢ VÀ NHẬN
XÉT ...........................................................................................................................71
4.1. Kết quả thử nghiệm và nhận xét. ...................................................................71
4.1.1. Kết quả thử nghiệm động cơ với nhiên liệu ED5 không pha phụ gia và
có pha phụ gia trước 0h chạy ổn định. ..............................................................71
4.1.2. Kết quả thử nghiệm đặc tính động cơ trước (0h), sau 50h và 100h chạy
ổn định với nhiên liệu ED5 có pha phụ gia. ......................................................73
4.1.3. Kết quả xác định khí thải theo chu trình thử Châu Âu ECE R49. ..........75
4.1.4. So sánh mức độ kết cặn cacbon trên vòi phun và áp suất phun khi động
cơ vận hành với nhiên liệu ED5 có pha phụ gia tại thời điểm sau 50h và 100h
chạy ổn định. .....................................................................................................76
4.1.5. Kết quả phân tích mẫu dầu bôi trơn động cơ tại thời điểm trước 0h, sau
50h và 100h chạy bền với nhiên liệu ED5 có phụ gia. .....................................78
4.1.6. Nhận xét các kết quả thử nghiệm nhiên liệu ED5 khi có phụ gia VPI-D
...........................................................................................................................82
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.....................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................84

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Tính chất nhiên liệu diesel theo TCVN 5689- 2005 ................................17
Bảng 1.2. Một số tính chất vật lý của etanol .............................................................18
Bảng 1.3. Một số tính chất nhiên liệu ED ................................................................19
Bảng 2.1. Tính chất và chất lượng nhiên liệu diesel No2 ..........................................30
Bảng 2.2. Nhiên liệu diesel pha trộn với etanol NLBT ............................................31
Bảng 2.3. Trị số xetan của nhiên liệu diesel-etanol ..................................................31
Bảng 2.4. Thành phần cất phân đoạn của nhiên liệu diesel-etanol ...........................33

Bảng 2.5. Nhiệt độ chớp cháy cốc kín của nhiên liệu diesel-etanol .........................34
Bảng 2.6. Độ bôi trơn và độ nhớt động học của nhiên liệu diesel-etanol .................35
Bảng 2.7. Điểm vẩn đục của nhiên liệu diesel-etanol ...............................................35
Bảng 2.8. Sự phân tách pha của nhiên liệu ED5 theo hàm lượng nước ...................36
Bảng 2.9. Ăn mòn mảnh đồng trong nhiên liệu diesel -etanol .................................38
Bảng 2.10. Tính chất và chất lượng nhiên liệu diesel No2 pha 5% etanol (ED5) .....38
Bảng 2.11. Thành phần cất phân đoạn của ED5 có phụ gia .....................................44
Bảng 2.12. Trị số xetan của ED5 có và không có phụ gia ........................................45
Bảng 2.13. Nhiệt độ chớp cháy cốc kín của nhiên liệu diesel và ED5 có phụ gia....46
Bảng 2.14. Độ bôi trơn của nhiên liệu ED5 có phụ gia ............................................46
Bảng 2.15. Độ nhớt động học của nhiên liệu ED5 có phụ gia ..................................47
Bảng 2.16. Độ bôi trơn và độ nhớt động học của nhiên liệu ED5 có phụ gia ..........48
Bảng 2.17. Sự phân pha của ED5 (4% nước) theo nồng độ phụ gia và nhiệt độ ......49

6


Bảng 2.18. Sự phân tách pha của nhiên liệu diesel-etanol khi có phụ gia theo thời
gian ở nhiệt độ thường ..............................................................................................50
Bảng 2.19. Độ ổn định oxy hóa của nhiên liệu ED5 khi có phụ gia .........................51
Bảng 2.20. Tính chất và chất lượng ED5 khi có 1,0% phụ gia VPI-D .....................52
Bảng 3.1. Thống số kỹ thuật của động cơ D243: ......................................................55
Bảng 4.1. Kết quả đo khí thải theo chu trình Châu Âu ECE R49. ............................76
Bảng 4.2. Kết quả kiểm tra áp suất phun nhiên liệu trước 0h, sau 50h và 100h chạy
ổn định với nhiên liệu ED5 có pha phụ gia. ..............................................................78
Bảng 4.3. Kết quả phân tích mẫu dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu ED5 ở
thời điểm trước, sau 50 giờ và 100 giờ hoạt động. ...................................................79
Bảng 4.4. Kết quả xác định hạt mài trong dầu bôi trơn động cơ sử dụng nhiên liệu
ED5 bằng phương pháp Ferograph. ..........................................................................80

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Trị số xetan của nhiên liệu diesel-etanol phụ thuộc vào nồng độ etanol ..32
Hình 2.2. Nhiệt độ kết tinh của nhiên liệu diesel-etanol theo nồng độ etanol ..........36
Hình 2.3. Độ bền phân tách pha của ED5 phụ thuộc vào hàm lượng nước ..............37
Hình 2.4. Độ bôi trơn của nhiên liệu ED5 phụ thuộc vào phụ gia ............................47
Hình 2.5. Độ nhớt động học của nhiên liệu ED5 phụ thuộc vào phụ gia .................48
Hình 2.6. Độ bền phân tách pha của ED5 phụ thuộc vào phụ gia ............................49
Hình 3.1. Động cơ diesel D243 .................................................................................54
Bảng 3.1. Thống số kỹ thuật của động cơ D243: ......................................................55
Hình 3.2. Sơ đồ băng thử động cơ ............................................................................56
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý cân nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S .......................58
Hình 3.4. Tủ phân tích khí thải CEB II ....................................................................58
Hình 3.5. Hệ thống phân tích khí thải CEB II...........................................................59
Hình 3.6. Hệ thống phân tích khí thải CEB II...........................................................60
Hình 3.7. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO, CO2. .................................................61
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo HC. .............................................................63
Hình 3.9. Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NOx. ........................................................65
Hình 3.10. Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo O2. .................................................................68
Hình 3.11. Hệ thống lấy mẫu chất thải dạng hạt Smart Sampler ..............................68
Hình 3.12. Chu trình thử ECE R49 ...........................................................................70
Hình 4.1. Đường đặc tính mômen ở chế độ 100% tải khi sử dụng nhiên liệu ED5
không phụ gia và có phụ gia. ....................................................................................71

8


Hình 4.2. Đường đặc tính công suất ở chế độ 100% tải khi sử dụng nhiên liệu ED5

không phụ gia và có phụ gia. ....................................................................................72
Hình 4.3. Đường đặc tính tiêu hao nhiên liệu ở chế độ 100% tải khi sử dụng nhiên
liệu ED5 không phụ gia và có phụ gia. .....................................................................72
Hình 4.4. Sự thay đổi nhiệt độ khí xả theo tốc độ động cơ ở chế độ 100% tải.........73
Hình 4.5. Đường đặc tính mômen ở chế độ 100% tải trước 0h, sau 50h và 100h chạy
ổn định với nhiên liệu ED5 có phụ gia. ....................................................................74
Hình 4.6. Đường đặc tính công suất ở chế độ 100% tải trước 0h, sau 50h và 100h
chạy ổn định với nhiên liệu ED5 có phụ gia. ............................................................74
Hình 4.7. Đường đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu ở chế độ 100% tải trước 0h, sau
50h và 100h chạy ổn định với nhiên liệu ED5 có phụ gia. .......................................75
Hình 4.8. Sự thay đổi nhiệt độ khí xả theo tốc độ động cơ ở chế độ 100% tải trước
0h, sau 50h và 100h chạy ổn định với ED5 có phụ gia. ............................................75
Hình 4.9. Hình ảnh kết cặn cacbon trên vòi phun khi động cơ vận hành với nhiên
liệu ED5 có phụ gia sau 50h chạy ổn định. ...............................................................77
Hình 4.10. Hình ảnh kết cặn cacbon trên vòi phun khi động cơ vận hành với nhiên
liệu ED5 có phụ gia sau 100h chạy ổn định. .............................................................77
Hình 4.11. Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn động cơ chạy ED5 trước khi chạy bền 0h
...................................................................................................................................81
Hình 4.12. Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn động cơ chạy ED5 sau thời gian chạy
bền 50h. .....................................................................................................................81
Hình 4.13. Ảnh hạt mài trong dầu bôi trơn động cơ chạy ED5 sau thời gian chạy
bền 100h ....................................................................................................................82

9


MỞ ĐẦU
Phụ gia cho nhiên liệu nói chung và cho nhiên liệu sinh học là thành phần
quan trọng không thể thiếu trong hầu khắp các loại nhiên liệu hiện đang được sử
dụng. Vai trò quan trọng của phụ gia trong nhiên liệu là để bù đắp, bổ sung và cải

thiện các tính chất cần thiết hoặc còn thiếu của nhiên liệu gốc nhằm đảm bảo yêu
cầu kỹ thuật cũng như chất lượng nhiên liệu, đặc biệt là hệ chất phụ gia giúp duy trì
tính năng, phụ gia ổn định nhiên liệu trong tồn trữ bảo quản. Nhiều loại phụ gia cho
nhiên liệu còn có tác dụng làm giảm phát thải của động cơ gây ô nhiễm môi trường
và sức khỏe cộng đồng.
Hiện nay, tình hình nghiên cứu sản xuất và cung ứng phụ gia sử dụng cho
nhiên liệu sinh học chưa có nhiều (các phụ gia trên thị trường chủ yếu cho nhiên
liệu gốc khoáng). Việc nghiên cứu sản xuất các tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu sinh
học mới chỉ được thực hiện bởi một số hãng lớn của Mỹ và Thụy Sĩ (Lubrizol,
Oronite, Ciba.v.v...) nhưng cũng rất đơn lẻ. Mỗi hãng chỉ nghiên cứu 2-3 loại phụ
gia (chưa có đầy đủ tất cả các loại). Tuy nhiên, với xu thế phát triển sử dụng nhiên
liệu sinh học thì thị trường phụ gia sẽ xuất hiện thêm nhiều loại mới và đa dạng về
tính năng để phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Ở trong nước, các công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học thường tập
trung nhiều vào phần nhiên liệu và ít đề cập tới tác dụng của phụ gia cho nhiên liệu
sinh học. Việc nghiên cứu sản xuất và sử dụng phụ gia cho nhiên liệu sinh học chưa
được đầu tư nhiều do chưa có thị trường kinh doanh nhiên liệu sinh học mà mới chỉ
là những nghiên cứu thử nghiệm để phục vụ xây dựng tiêu chuẩn quốc gia về nhiên
liệu sinh học. Nghiên cứu lựa chọn phụ gia pha trộn vào các loại nhiên liệu sinh học
nhằm đáp ứng đầy đủ các tính năng yêu cầu của nhiên liệu sinh học trong sử dụng
và trong tồn chứa bảo quản (phù hợp với điều kiện Việt Nam) sẽ bổ sung cho các
công trình nghiên cứu nhiên liệu sinh học trước đó.

10


Chính vì những ý nghĩa thực tiễn trên mà tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tác
động của phụ gia tổng hợp VPI-D đến tính năng và phát thải của động cơ D243 sử
dụng hỗn hợp nhiên liệu D5”.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Trần Thị Thu Hƣơng cùng với sự giúp

đỡ của các thầy cô trong Bộ môn Động cơ đốt trong và Phòng thí nghiệm Động cơ
đốt trong em đã hoàn thành luận văn này. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến
thức và trình độ hiểu biết có hạn nên khó có thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong sự
chỉ bảo đóng góp của các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày…..tháng……năm 2013
Học viên thực hiện

Hà Tiến Đạt

11


TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1. Mục đích của đề tài.
Đánh giá được tác động của phụ gia VPI-D đến tính năng và phát thải của
động cơ diesel sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diesel pha ethanol.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Nghiên cứu tổng quan về phụ gia nhiên liệu trong động cơ đốt trong, giới
thiệu quy trình tổng hợp và tính chất của phụ gia VPI-D.
Nghiên cứu thử nghiệm nhiên liệu diesel pha ethanol tỉ lệ 5% (D5) có sử
dụng phụ gia VPI-D trên động cơ diesel D243 về các tính năng cũng như phát thải
của động cơ.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Để sử dụng nhiên liệu vừa đạt hiệu quả kinh tế-kỹ thuật, vừa giảm thiểu tác
hại đến môi trường, đảm bảo an ninh lương thực và bù đắp cho nguồn nhiên liệu
khoáng đang ngày càng cạn kiệt cần phải sử dụng kết hợp nhiên liệu khoáng gốc
với nhiên liệu sinh học gốc để sử dụng cho các động cơ hiện đang lưu hành mà
không cần phải hoán cải thiết kế lại. Đối với động cơ sử dụng nhiên liệu diesel
không hoán cải, ngoài nhiên liệu diesel khoáng pha trộn với bio-diesel còn có thể sử

dụng nhiên liệu diesel khoáng pha trộn với ethanol nhiên liệu biến tính.
Phụ gia trong nhiên liệu có tác dụng cải thiện và bổ sung các tính chất cần
thiết hoặc còn thiếu của nhiên liệu gốc nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như
chất lượng nhiên liệu, đặc biệt là hệ chất phụ gia giúp duy trì tính năng, phụ gia ổn
định nhiên liệu trong tồn trữ bảo quản, phụ gia làm giảm thiểu phát thải độc hại gây
ô nhiễm môi trường.
4. Các nội dung chính của luận văn.
- Tổng quan về phụ gia nhiên liệu.
- Giới thiệu về quy trình tổng hợp và tính chất của phụ gia VPI-D.

12


- Thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của tổ hợp phụ gia VPI-D đến
động cơ D243.
- Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

13


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA NHIÊN LIỆU
1.1. Các phụ gia cho nhiên liệu.
Phụ gia trong nhiên liệu có tác dụng cải thiện và bổ sung các tính chất cần
thiết hoặc còn thiếu của nhiên liệu gốc nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cũng như
chất lượng nhiên liệu, đặc biệt là hệ chất phụ gia giúp duy trì tính năng, phụ gia ổn
định nhiên liệu trong tồn trữ bảo quản, phụ gia làm giảm thiểu phát thải độc hại gây
ô nhiễm môi trường.
1.2. Phụ gia cho nhiên liệu diesel.
Để đánh giá phụ gia nào đó có sử dụng được cho nhiên liệu hay không,
người ta phải dựa trên kết quả đánh giá nhiên liệu đã pha phụ gia đó. Thông qua

việc đánh giá nhiên liệu đã pha phụ gia, từ đó mới có thể đưa ra kết luận về phụ gia
sử dụng cho nhiên liệu có đạt các tiêu chí đề ra hay không.
Phụ gia cho nhiên liệu diesel vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu, sản xuất,
thử nghiệm và áp dụng với xu hướng ngày càng hoàn thiện hơn. Yêu cầu đối với
phụ gia là phải làm cho chất lượng nhiên liệu tốt hơn khi sử dụng, ổn định chất
lượng khi tồn trữ và bảo quản, không gây tác hại xấu đến môi trường.
Phụ gia cho nhiên liệu diesel có nhiều loại và được chia thành các nhóm:
Nhóm phụ gia làm cho nhiên liệu cháy hoàn toàn hơn và giảm thiểu các khí
thải độc hại do quá trình cháy không hoàn toàn;
Nhóm phụ gia làm cho chất lượng nhiên liệu giữ được ổn định khi tồn trữ,
bảo quản (phụ gia chống oxy hóa, phụ gia làm thụ động kim loại, phụ gia làm ổn
định độ phân tán, phụ gia diệt khuẩn, ...);
Nhóm phụ gia làm giảm ảnh hưởng có hại của nhiên liệu đối với các chi tiết
động cơ (phụ gia chống ăn mòn, phụ gia làm giảm sự tạo cặn và muội, phụ gia
chống xước và mài mòn, ...);
Nhóm phụ gia đảm bảo sử dụng nhiên liệu ở nhiệt độ thấp (phụ gia làm giảm
nhiệt độ kết tinh và đông đặc, phụ gia làm tăng tính linh động,...);
14


Nhóm phụ gia làm cải thiện trị số xetan;
Nhóm phụ gia đa chức năng (phụ gia vừa làm tăng trị số xetan, vừa xúc tiến
quá trình cháy hoàn toàn hơn, vừa có tính làm ổn định độ phân tán, ...).
1.3. Phụ gia cho diesel pha etanol nhiên liệu biến tính.
Phụ gia cho nhiên liệu khoáng đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng vẫn còn
phải tiếp tục phát triển vì nhu cầu đòi hỏi chất lượng nhiên liệu ngày một cao hơn,
khắt khe hơn. Để chất lượng nhiên liệu ngày một nâng cao, người ta đã cải tiến,
nâng cấp công nghệ chế biến nhiên liệu. Việc làm này quá tốn kém mà hiệu quả
đem lại chưa được thỏa mãn theo ý muốn. Trong khi đó, đầu tư nghiên cứu phụ gia
cho nhiên liệu vừa đáp ứng được yêu cầu đặt ra mà lại có hiệu quả kinh tế cao.

Phụ gia cho nhiên liệu khoáng phối trộn với nhiên liệu sinh học được nghiên
cứu muộn hơn phụ gia cho nhiên liệu khoáng. Do tính chất và yêu cầu kỹ thuật chất
lượng của nhiên liệu, việc nghiên cứu phụ gia cho nhiên liệu khoáng phối trộn với
nhiên liệu sinh học được kế thừa, phát triển với tốc độ nhanh trên cơ sở một số phụ
gia sử dụng cho nhiên liệu khoáng.
Khi đưa thêm một phụ gia nào đó vào nhiên liệu, phải đảm bảo không được
làm xấu đi các chỉ tiêu chất lượng khác của nhiên liệu. Nếu vì lý do phải ưu tiên cho
chỉ tiêu chất lượng nào đó mà làm xấu đi chỉ tiêu khác kém quan trọng hơn thì cần
thiết phải tìm giải pháp khắc phục cho chỉ tiêu bị ảnh hưởng đó, nhưng phải đảm
bảo không gây ảnh hưởng xấu dây chuyền tới chỉ tiêu chất lượng khác. Vì vậy, khi
cho bất kể phụ gia nào vào nhiên liệu, cần phải khảo sát để tìm ra hàm lượng phụ
gia tối ưu.
Phụ gia cho nhiên liệu xăng pha etanol nhiên liệu biến tính và phụ gia cho
nhiên liệu diesel pha etanol nhiên liệu biến tính về mặt nguyên tắc cũng giống như
phụ gia cho xăng và diesel khoáng. Ngoài ra, do tính chất đặc thù của hỗn hợp
nhiên liệu khoáng với etanol, trong thành phần phụ gia sử dụng cho các loại nhiên
liệu này cần có sự thay đổi sao cho phù hợp.

15


Khi nhiên liệu cháy, phụ gia cũng được cháy cùng nhiên liệu. Khi nhiên liệu
chưa được sử dụng (vận chuyển, tồn trữ bảo quản), phụ gia đóng vai trò giúp nhiên
liệu giữ được chất lượng ổn định. Theo đó, phụ gia cho nhiên liệu có thể chia thành
hai nhóm: nhóm phụ gia tính năng và nhóm phụ gia tồn trữ bảo quản.
- Nhóm phụ gia tính năng: là nhóm các phụ gia giúp nhiên liệu đáp ứng được
đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về chất lượng khi sử dụng (tăng trị số octan đối với
xăng, cải thiện trị số xetan đối với nhiên liệu diesel, ..).
- Nhóm phụ gia tồn trữ bảo quản: là nhóm các phụ gia giúp nhiên liệu giữ
được thành phần và chất lượng ổn định khi chưa sử dụng (chống phân tách pha,

chống ăn mòn, ...).
Có thể có những nhóm phụ gia đa chức năng: vừa đóng vai trò giúp nhiên
liệu giữ được chất lượng ổn định khi chưa sử dụng, vừa đóng vai trò giúp nhiên liệu
đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu cần thiết khi sử dụng.
Khi trộn etanol vào diesel làm cho nhiên liệu diesel-etanol có các tính chất
thay đổi so với nhiên liệu diesel gốc ban đầu: giảm tỷ trọng, giảm trị số xetan, giảm
độ nhớt, giảm nhiệt trị, thay đổi nhiệt độ chớp cháy và tính bay hơi, tăng khả năng
hút nước và dễ xảy ra sự tách pha, v.v. ...
Thành phần hóa học của dầu diesel có mặt các nhóm của hydrocacbon và phi
hydrocacbon. Hàm lượng các nhóm hợp chất trong diesel rất khác nhau, phụ thuộc
vào bản chất và nguồn gốc dầu thô ban đầu bảng 1.1. Thành phần các hợp chất phi
hydrocacbon trong nhiên liệu diesel cao hơn xăng khá nhiều. Các thành phần này
không những gây nên các vấn đề làm giảm tuổi thọ động cơ, làm giảm chất lượng
của nhiên liệu diesel mà còn gây ô nhiễm môi trường.

16


Bảng 1.1 Tính chất nhiên liệu diesel theo TCVN 5689- 2005
T
T

Diesel

Tên chỉ tiêu

TCVN 5689- 2005

1

Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, Max

500 / 2500

2

Trị số cetan, Min

46

3

Nhiệt độ cất, oC, 90% thể tích, Max

360

4

Điểm chớp cháy cốc kín, oC, Min

55

5

Độ nhớt động học ở 40oC, mm2/s

2-4,5

6

Cặn cacbon của 10% cặn chưng cất, % khối
lượng, max

0,3

7

Điểm đông đặc, oC, Max

+6

8

Hàm lượng tro, % khối lượng, Max

0,01

9

Hàm lượng nước, mg/kg, Max

200

11

Tạp chất dạng hạt, mg/l, Max

10

12

Ăn mòn mảnh đồng ở 50oC, 3 giờ, Max

Loại 1

13

Khối lượng riêng ở 150C, kg/m3

820-860

14

Độ bôi trơn, µm, Max

460

15

Ngoại quan

Sạch, trong

Thành phần phi hydrocacbon trong nhiên liệu tan được trong etanol, làm cho
tính dẫn điện của nhiên liệu tăng lên dẫn đến làm tăng quá trình ăn mòn kim loại
bảng 1.2. Sự ăn mòn kim loại sẽ trầm trọng hơn nếu xảy ra sự phân tách pha trong
nhiên liệu diesel-etanol.

17

Bảng 1.2. Một số tính chất vật lý của etanol
TT
Thông số
1 Phân tử lượng, g
2 Tỷ trọng, kg/l

Tiêu chuẩn
46,07 g

0

0,8065

d4
15

0,79356

d4
20

0,7893

d4
25

0,78513

d4

20

3

Chỉ số chiết quang: n D

1,3611

4

Hệ số nhớt tuyệt đối ở 200C

1,2 cP

5

Nhiệt độ đông đặc, 0C

-114,5

6

Nhiệt độ sôi, 0C

78,37- 18,5

7

Nhiệt độ bắt cháy, 0C

14,0

8

Nhiệt độ tự cháy, 0C

365- 425

9

Áp suất hơi bão hòa (RVP), kPa:

10

00 C

1,60

200C

5,87

400C

17,88

600C

46,96

650C

59,87

700C

72,38

750C

88,87

Nhiệt cháy ở 180C, kJ/kg
900 (90% etanol)

26.568

950 (95% etanol)

28.075

1000 (100% etanol)
11 Độ nhớt, cP

29.874

Ở 200C
Ở -200C
12 Hàm lượng CO2, kg/kg nhiên liệu

1,19
2,84
1,91

18


Nhiệt độ chớp cháy của nhiên liệu diesel-etanol gần với nhiệt độ chớp cháy
của etanol khi nồng độ etanol trong hỗn hợp lớn hơn 5% thể tích. Đây là một chỉ
tiêu quan trọng trong tồn trữ và phân phối nhiên liệu diesel-etanol. Nhiệt độ chớp
cháy thấp của nhiên liệu diesel-etanol so với diesel gốc ban đầu, nên trong quá trình
sản xuất và phân phối dạng nhiên liệu này cần phải được đặc biệt chú ý đến an toàn
phòng chống cháy nổ.
Nhiệt trị thấp của etanol chỉ bằng 42% so với diesel. Do vậy nhiên liệu
diesel-etanol có nhiệt trị thấp giảm xuống so với diesel gốc. Nếu nồng độ etanol
trong hỗn hợp cao thì đòi hỏi cần phải sửa đổi hệ thống phun nhiên liệu để đạt được
công suất động cơ yêu cầu.
Phát thải hạt rắn (PM) trong thành phần khí thải của nhiên liệu diesel-etanol
phụ thuộc vào hàm lượng oxy (nồng độ etanol) trong nhiên liệu bảng 1.3.
Bảng 1.3. Một số tính chất nhiên liệu ED
Thông số
Mật độ (g/cm3ở 200C)

Trị số Cetan

Nhiệt lượng (MJ/kg)

Nhiệt ẩn hóa hơi (kJ/kg)
Hàm lượng oxy
(% khối lượng)

Độ nhớt chất lỏng
(cP ở 200C)

etanol

Diesel

ED5

ED10

ED15

ED20

0.7893

0.8379

0.8349

0.8324

0.8301

0.8279

8

53.1

50.6

48.5

46.4

43.9

26.778

42.845

42.013

41.219

40.416

39.628

854

301

319

350

379

407

34.73

0.021

1.751

3.483

5.218

6.958

1.2

5.18

19


Phát thải PM của nhiên liệu diesel-etanol giảm gần như tuyến tính theo hàm
lượng oxy. Tuy nhiên, các số liệu cho thấy sự thay đổi PM còn tuỳ thuộc vào tỷ lệ
các thành phần của nhiên liệu diesel-etanol. Phối trộn diesel với 10% và 15% etanol
có thể giảm phát thải PM tương ứng tới 20÷27% và 30÷41%. Đồng thời độ mờ khói
của khí xả cũng giảm mạnh. Phát thải NOx cũng giảm đáng kể. Phát thải CO đối
với ED10 cũng giảm 15÷20%. Phát thải HC tăng trong giới hạn tiêu chuẩn cho phép
đối với xe tải. Công nghệ chuyển đổi xúc tác có thể dễ dàng giảm thiểu phát thải
HC xuống rất thấp [7].

Những thay đổi làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng của nhiên liệu khi pha
trộn etanol vào diesel có thể được khắc phục bằng cách đưa thêm những nhóm phụ
gia cải thiện chất lượng vào nhiên liệu.
Có loại phụ gia dựa trên cơ sở dung môi cộng kết bao gồm: Puranol, O2Diesel, Beraid ED, ..... Phụ gia Puranol được cung cấp bởi Pure Energy
Corporation, gói phụ gia đầu tiên (sử dụng 1÷5% hàm lượng với 15% etanol khan)
tạo dung dịch ổn định của etanol trong diesel. Phụ gia O2-Diesel được cung cấp bởi
hãng AAE của Anh cho phép phối trộn 1% phụ gia với 7÷8% etanol trong diesel
[35]. Sản phẩm này được thử nghiệm rộng rãi ở Mỹ, Brazil và nhiều trung tâm thử
nghiệm nhiên liệu cho động cơ trên thế giới. Phụ gia Beraid ED được cung cấp bởi
hãng Akzo Nobel. Phụ gia này dùng cho hỗn hợp etanol và diesel khoáng với tỷ lệ
phối trộn từ 5-10% etanol [31]. Phụ gia Beraid ED và nhiên liệu diesel có tên
thương mại là E-diesel. Tỷ lệ của phụ gia này trong nhiên liệu là khoảng từ 0,5-5%
phụ thuộc chủ yếu vào tính chất ban đầu của nhiên liệu. Phụ gia Beraid ED cũng
chứa chất bôi trơn và có thành phần cải thiện chỉ số xetan.
Ở Brazin, phụ gia AEP-102 được cung cấp bởi công ty ECOMAT. Phụ gia
này được sản xuất từ dầu đậu tương. Phụ gia này có khả năng phân hủy sinh học, có
tác dụng cải thiện trị số xetan, có khả năng trợ tan và có tính chất bôi trơn. Phụ gia
AEP-102 cho phép ổn định hỗn hợp nhiên liệu gồm 89,4% diesel, 8% etanol và
2,6% phụ gia [31]. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm thành công nhiên liệu này

20


trên các xe bus trong thành phố với hỗn hợp phối trộn 86% diesel, 11% cồn khan,
3% phụ gia AEP-102. Trong quá trình thử nghiệm đã cho thấy sự giảm khói phát
thải và tiêu hao nhiên liệu, tuy nhiên có một số vấn đề đối với động cơ loại bơm
phun-quay (rotary-type injection pumps) và mức độ ổn định của nhiên liệu. Nếu
hỗn hợp này có chứa khoảng 14% phụ gia sẽ có giá thành đắt hơn diesel khoáng.
Hỗn hợp diesel, etanol, phụ gia AEP-102 được gọi là MAD-8.
Phụ gia Etamix D3 là phụ gia trợ tan và cải thiện tính bôi trơn, được cung cấp

bởi hãng Sekab. Phụ gia này đã được thử nghiệm tại hội đồng cấp chứng chỉ kỹ
thuật của Thụy Điển năm 2003. Công ty BASF của Đức thương mại hóa sản phẩm
A-8 (Dasol) là nhiên liệu phối trộn 8% etanol và 2,6% chất trợ tan. Hơn nữa, trong
thành phần nhiên liệu phối trộn có chứa phụ gia cải thiện trị số xetan và tính bôi
trơn nhiên liệu, có tính năng phân tán và chống ăn mòn cao. Nhiên liệu Dasol đã
được thử trên 80 xe tại Brazil. Đại diện công ty OCTEL ở Bắc Mỹ thương mại hóa
phụ gia OCTIMISE D 7001 [33]. Phụ gia này có tác dụng đảm bảo độ ổn định của
nhiên liệu diesel-etanol. Hãng Betz-Dearborn cung cấp phụ gia GE Betz, là một chất
nhũ hóa dẫn xuất từ sản phẩm dầu mỏ, trong khi đó các hãng sản xuất phụ gia dựa
trên nguyên liệu tái tạo (dầu mỡ động thực vật) như Pure Energy Corporation,
AAE,... ...
1.3.1. Nhóm phụ gia cải thiện trị số xetan.
Đối với nhiên liệu diesel nhẹ chưng cất từ dầu thô, do chứa nhiều n-parafin
nên thông thường bản thân nó đã đạt yêu cầu về trị số xetan. Nhiên liệu diesel nhận
được từ các quá trình chế biến xúc tác có trị số xetan thấp, không đủ chất lượng làm
nhiên liệu cho động cơ diesel ngay cả đối với động cơ tốc độ thấp. Để nâng cao trị
số xetan cho nhiên liệu diesel và phòng ngừa sự cháy kích nổ, có thể sử dụng phụ
gia cải thiện trị số xetan.
Yêu cầu về trị số xetan phụ thuộc vào thiết kế, kích thước, đặc điểm của sự
thay đổi tốc độ và tải trọng của động cơ, phụ thuộc vào điểm khởi động và điều kiện
của môi trường khí quyển. Trị số xetan vượt quá mức thực tế yêu cầu sẽ không cải

21


thiện được tính năng của động cơ, gây lãng phí nhiên liệu và có thể dẫn đến sự tạo
muội ngoài ý muốn. Nếu trị số xetan thấp sẽ xảy ra quá trình cháy kích nổ. Vì vậy,
trị số xetan nên qui định thấp tới mức đảm bảo động cơ hoạt động được theo đúng
tính năng kỹ thuật và có giá thành hợp lý chấp nhận được.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sử dụng nhiên liệu bio-diesel tinh khiết thay

cho diesel khoáng thì có thể giảm khoảng 10% nguy cơ mắc bệnh do khí thải của
động cơ gây nên. Đó là do bio-diesel cháy hoàn toàn hơn, chứa rất ít các hợp chất
thơm và lưu huỳnh. Khi pha trộn bio-diesel với nhiên liệu diesel khoáng, trị số
xetan của hỗn hợp nhiên liệu bio-diesel và diesel được tăng lên cao hơn trị số xetan
của diesel khoáng trước khi được pha bio-diesel. Đối với trường hợp này, ta không
cần phải đưa thêm phụ gia tăng trị số xetan vào nhiên liệu.
Ngược lại với bio-diesel, do etanol có trị số octan cao và trị số xetan thấp
(khoảng 8÷11), nên khi pha etanol vào nhiên liệu diesel, làm cho nhiên liệu dieseletanol tăng trị số octan và giảm trị số xetan so với nhiên liệu diesel gốc ban đầu. Trị
số xetan, ngoài ý nghĩa là thước đo chất lượng cháy của nhiên liệu có ý nghĩa phản
ánh đến sự cháy kích nổ. Trị số xetan của hỗn hợp nhiên liệu bị giảm nhiều hay ít
phụ thuộc vào tỷ lệ etanol so với diesel có trong nhiên liệu diesel-etanol. Nếu trị số
xetan của hỗn hợp nhiên liệu bị giảm không nhiều và vẫn trong phạm vi chất lượng
cho phép thì có thể không cần bổ sung phụ gia tăng trị số xetan. Nếu trị số xetan của
hỗn hợp nhiên liệu bị giảm nhiều thì cần phải bổ sung phụ gia tăng trị số xetan vào
nhiên liệu diesel-etanol. Lượng phụ gia tăng trị số xetan bổ sung phụ thuộc vào tỷ lệ
etanol so với diesel có trong nhiên liệu.
Trên thị trường có nhiều loại phụ gia tăng trị số xetan sử dụng cho nhiên liệu
diesel khoáng, có thể sử dụng chúng để thêm vào nhiên liệu diesel-etanol làm tăng
trị số xetan nhưng cần phải có nghiên cứu cụ thể vì đặc tính của nhiên liệu diesel
khoáng khác với đặc tính của nhiên liệu diesel-etanol.

22


1.3.2. Nhóm phụ gia trợ tan và chống phân tách pha
Etanol tan trong nhiên liệu diesel kém hơn so với tan trong xăng. Để pha
được etanol vào nhiên liệu diesel, rất cần có sự trợ giúp của phụ gia trợ tan. Hàm
lượng etanol tan trong nhiên liệu diesel phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó nếu không có
phụ gia trợ tan và trong điều kiện nhiệt độ thấp, nhiên liệu diesel-etanol rất dễ xảy
ra sự phân tách pha. Ở nhiệt độ thường (25oC), nồng độ bão hòa của etanol trong

hỗn hợp diesel-etanol khoảng 4÷5%.
Mặt khác, điểm đông của etanol rất thấp nên nhiệt độ đông đặc của nhiên liệu
diesel-etanol được cải thiện rất nhiều. Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm thì độ hoà tan
của etanol trong diesel cũng giảm vì vậy điểm sương của hỗn hợp lại tăng.
Phụ gia trợ tan trong nhiên liệu diesel-etanol có tác dụng hòa tan và phân tán
đều các thành phần có trong hỗn hợp và giữ chúng ở thể bền vững. Phụ gia trợ tan
thường là các chất hoạt động bề mặt (h.đ.b.m) không ion hóa, tan được trong cả
etanol và diesel. Công thức cấu tạo của chúng phải có chứa đồng thời các nhóm chợ
giúp phụ gia vừa tan được trong etanol vừa tan được trong diesel.
Có một số phụ gia vừa có tính trợ tan vừa có tính cải thiện độ nhớt đạt hiệu
quả cao, không độc hại tới sức khỏe và môi trường sinh thái, dễ cháy cùng nhiên
liệu và ít để lại cặn bẩn, rất thích hợp cho nhiên liệu diesel pha etanol. Chúng
thường là các chất hoạt động bề mặt được điều chế từ dầu mỡ béo của động thực vật
chứa các nhóm không ion hóa ( -OH , -CO-O- , -NH- , ... ). Ví dụ như:
R(-O-CH2-CH2-)n-OH,
R-CO-O-CH2-CHOH-CH2-OH,
R-CO-NH-CH2-CHOH-CH2-OH, v.v ...
Hiện nay có một số loại phụ gia đóng gói (hỗn hợp nhiều thành phần – đa
chức năng) phổ biến dùng cho nhiên liệu phối trộn diesel-etanol được cung cấp từ
nhiều nguồn khác nhau, cho phép ổn định nhiên liệu diesel-etanol ở mức phối trộn
10÷15% etanol.

23


1.3.3. Nhóm phụ gia tăng độ nhớt
Do độ nhớt của etanol thấp hơn độ nhớt của nhiên liệu diesel, nên khi pha
etanol vào nhiên liệu diesel, độ nhớt của nhiên liệu diesel-etanol bị giảm đi. Độ nhớt
của nhiên liệu diesel-etanol giảm dẫn đến làm tăng sự mài mòn các chi tiết trong hệ
thống động cơ, hệ thống bơm nhiên liệu và các bộ phận chuyển động khác trong hệ

thống nhiên liệu.
Để tăng độ nhớt của nhiên liệu cần phải bổ sung phụ gia làm tăng độ nhớt.
Độ nhớt của phụ gia càng cao nếu trong cấu tạo của chúng chứa càng nhiều mạch
nhánh và mạch nhánh càng dài. Chất có cấu tạo dạng polyme của naphten-isoparafin cho độ nhớt tốt nhất. Một số chất phụ gia có độ nhớt cao như:
CH3
CH2

CH3

C
CH 3

CH2

CH
COOCH3

n

poly-iso-butylen

n

polymetacrylat

1.3.4. Nhóm phụ gia chống ăn mòn, mài mòn, chống đóng cặn
Cũng giống như nhiên liệu xăng-etanol, hệ nhiên liệu diesel-etanol có khả
năng gây ăn mòn kim loại. Tốc độ ăn mòn xảy ra càng mãnh liệt hơn khi có sự phân
tách pha của nhiên liệu diesel-etanol. Khi tồn trữ nhiên liệu diesel-etanol, etanol
trong hỗn hợp nhiên liệu sẽ hấp thụ hơi ẩm của nước trong khí quyển. Hàm lượng

nước xâm nhập từ ngoài vào trong hỗn hợp nhiên liệu nhiều hay ít phụ thuộc vào
thời gian tồn trữ. Khi hàm lượng nước trong nhiên liệu vượt quá giới hạn có thể dẫn
đến sự phân tách pha. Sự gia tăng hàm lượng nước trong hỗn hợp nhiên liệu sẽ dẫn
đến sự gia tăng tốc độ ăn mòn kim loại. Để hạn chế ăn mòn kim loại, người ta
thường đưa vào hỗn hợp nhiên liệu phụ gia ức chế ăn mòn. Phụ gia ức chế ăn mòn
thường dùng nhiều nhất là các chất được điều chế từ dầu mỡ béo động thực vật: các
amin béo, amit béo, este của axit béo và axit naphtenic, ...
Bio-diesel có khả năng bôi trơn rất tốt, nên khi pha trộn bio-diesel với nhiên
liệu diesel khoáng, ngoài tác dụng như là phụ gia tăng trị số xetan, nó còn có tác

24


dụng như là phụ gia bôi trơn, chống mài mòn cho nhiên liệu diesel. Khi thêm biodiesel vào nhiên liệu diesel, sự mài mòn các chi tiết trong động cơ được cải thiện rõ
rệt.
Có một số loại phụ gia ở dạng tổ hợp đa chức năng, vừa có tác dụng ức chế
ăn mòn kim loại, vừa có tác dụng như chất tẩy rửa phân tán, ngăn ngừa đóng cặn
cacbon trong buồng cháy, hạn chế mài mòn hệ thống xupap, hạn chế đóng cặn trên
hệ thống kim phun nhiên liệu. Phụ gia dạng tổ hợp đa chức năng có thể chứa nhiều
thành phần, chẳng hạn như:
R’(-O-CH2-CH2-)n-OH

H2C

CH2

N

R’’-CO-O-CH2-CHOH-CH2-OH

N

R1'

C

R’’-CO-NH-CH2-CHOH-CH2-OH

R'

2

1.4. Định hƣớng lựa chọn nhiên liệu và phụ gia cho ED5
1.4.1. Định hƣớng lựa chọn nhiên liệu diesel khoáng
Đối với nhiên liệu diesel, nghiên cứu đã sử dụng loại No2, thực hiện D2, D5
là loại nhiên liệu thương mại trên thị trường.
Tuy nhiên, hoàn toàn có thể tham khảo hoặc sử dụng các kết quả nghiên cứu
của đề tài này để áp dụng cho nhiên liệu diesel khác được sản xuất trong nước.
1.4.2. Định hƣớng lựa chọn phụ gia cho ED5
Trên cơ sở các vấn đề đã nêu việc lựa chọn phụ gia cho ED5 dựa trên một số
tiêu chí như sau:
- Ưu tiên lựa chọn phụ gia ít gây độc hại đến sức khỏe và môi trường sinh
thái.
- Ưu tiên lựa chọn phụ gia có chất lượng tốt nhất và có giá rẻ nhất. Chất
lượng tương xứng với giá cả đảm bảo hiệu quả kinh tế-kỹ thuật.

25