Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác!
Đà Nẵng, tháng 4 năm 2018
Tác giả luận án

Nguyễn Mạnh Cƣờng


I

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
MỤC LỤC ................................................................................................................... I
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ V
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................IX
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... XII
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 7
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel .................................................... 7
1.1.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học............................................................ 7
1.1.2. Giới thiệu chung về biodiesel ........................................................................... 8
1.2. Tổng quan về biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su.................................... 10
1.2.1. Đặc điểm chung của cây cao su và dầu hạt cao su .......................................... 10
1.2.2. Đặc điểm về tính chất hóa học của dầu hạt cao su .......................................... 13
1.2.3. Đặc điểm về tính chất vật lý của dầu hạt cao su ............................................. 14
1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel ............................................................ 15
1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới .................................... 15
1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel tại Việt Nam ................................... 17
1.4. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy .................................... 18

1.4.1. Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ diesel ................................................ 18
1.4.2. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy .................. 20
1.4.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn biodiesel .......................................................... 25
1.5. Tình hình nghiên cứu quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel ......... 26
1.5.1. Trên thế giới .................................................................................................... 26
1.5.2. Tại Việt Nam ................................................................................................... 30
1.6. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 35
2.1. Mô hình cháy hỗn hợp khuếch tán không hòa trộn trước .................................. 36
2.1.1. Mô hình rối ...................................................................................................... 36
2.1.2. Hệ phương trình tổng quát biểu diễn tia phun rối ........................................... 37


II

2.1.3. Mô hình cháy chính của J. Abraham............................................................... 38
2.1.4. Mô hình cháy trễ của Kong và Reitz ............................................................... 41
2.1.5. Đại lượng bảo toàn .......................................................................................... 43
2.1.6. Tốc độ màng lửa rối ........................................................................................ 44
2.1.7. Tính toán nhiệt độ ........................................................................................... 45
2.1.8. Tính toán các đại lượng trung bình ................................................................. 47
2.1.9. Mô hình hình thành bồ hóng ........................................................................... 48
2.1.10. Mô hình hình thành NOx ............................................................................... 51
2.1.11. Mô hình phát thải HC .................................................................................... 52
2.1.12. Mô hình phát thải CO .................................................................................... 53
2.2. Tính toán mô phỏng quá trình cháy của biodiesel trong động cơ diesel ........... 53
2.2.1. Các phần mềm dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ ............................ 53
2.2.2. Giới thiệu về mô phỏng CFD và phần mềm ANSYS FLUENT ..................... 54
2.2.3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi mô phỏng ..................................................... 55
2.2.4. Xây dựng mô hình hình học buồng cháy và rời rạc hóa mô hình ................... 56
2.2.5. Cài đặt các thông số mô hình .......................................................................... 59

2.2.6. Chế độ mô phỏng và thiết lập mô hình mô phỏng .......................................... 60
2.2.7. Khởi động tính toán và xử lý kết quả .............................................................. 61
2.2.8. Thiết lập điều kiện biên và xác định hệ số hiệu chỉnh mô hình ...................... 61
2.2.9. Đánh giá độ chính xác của mô hình ................................................................ 64
2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 66
Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .......................................................... 67
3.1. Mục tiêu và đối tượng thực nghiệm ................................................................... 67
3.1.1. Mục tiêu thực nghiệm ..................................................................................... 67
3.1.2. Đối tượng thực nghiệm ................................................................................... 67
3.2. Bố trí và lắp đặt thực nghiệm ............................................................................. 68
3.2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm .................................................................................... 68
3.2.2. Lắp đặt động cơ thực nghiệm .......................................................................... 69
3.2.3. Bố trí và lắp đặt thực nghiệm nội soi buồng cháy .......................................... 71


III

3.2.4. Giới thiệu các trang thiết bị phục vụ thí nghiệm ............................................. 73
3.3. Phương pháp thực nghiệm ................................................................................. 75
3.3.1. Điều kiện thực nghiệm .................................................................................... 75
3.3.2. Nội dung các chế độ thực nghiệm ................................................................... 75
3.3.3. Quy trình thực nghiệm .................................................................................... 77
3.3.4. Điều kiện giới hạn của thực nghiệm ............................................................... 78
3.4. Phân tích đánh giá các yếu tố tác động đến kết quả thực nghiệm...................... 79
3.4.1. Ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu ................................................................. 79
3.4.2. Ảnh hưởng của thiết bị thí nghiệm.................................................................. 79
3.4.3. Ảnh hưởng sai số khi phân tích dữ liệu thực nghiệm ..................................... 80
3.5. Xử lý kết quả thực nghiệm ................................................................................. 81
3.5.1. Phương pháp toán học trong xử lý kết quả thực nghiệm ................................ 81
3.5.2. Giới thiệu về phần mềm Matlab/Simulink ...................................................... 82

3.5.3. Mã code chương trình tính toán trong phần mềm Matlab/Simulink............... 83
3.6. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 83
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 84
4.1. Đặc trưng quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su trong động cơ
diesel Mazda WL ...................................................................................................... 84
4.1.1. Sự ổn định của quá trình cháy trong động cơ ................................................. 85
4.1.2. Biến thiên áp suất cháy trong xylanh động cơ ................................................ 86
4.1.3. Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh động cơ ........................................... 90
4.1.4. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh động cơ .............................................. 95
4.1.5. Tỷ lệ lượng nhiên liệu cháy MFBR và khoảng thời gian cháy ....................... 98
4.1.6. Hiệu suất cháy ............................................................................................... 102
4.1.7. Hiệu suất nhiệt............................................................................................... 103
4.1.8. Nhiệt độ khí thải ............................................................................................ 104
4.2. Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải
của động cơ diesel ................................................................................................... 105
4.2.1. Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ ....................... 105


IV

4.2.2. Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu kinh tế của động cơ ......................... 109
4.2.3. Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu phát thải của động cơ ...................... 113
4.3. Trực quan hóa đặc trưng quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel từ dầu hạt cao su
trong động cơ diesel Mazda WL ............................................................................. 126
4.3.1. Kết quả mô phỏng diễn biến quá trình cháy trong động cơ Mazda WL ....... 126
4.3.2. Trực quan hóa quá trình cháy của biodiesel trong động cơ Mazda WL bằng
phương pháp nội soi buồng cháy ............................................................................ 131
4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................................ 136
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 140
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .............................................................................. - 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... - 3 -


V

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Các ký hiệu mẫu tự La Tinh :
D

[mm]

Đường kính xylanh

Gnl

[kg/h]

Lượng tiêu hao nhiên liệu giờ

gi

[kg/kW.h]

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị

ge

[kg/kW.h]

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

i

[-]

Số xylanh

Li

[N/m]

Công chỉ thị

Me

[N/m]

Mô men đầu ra trục khuỷu

Memax

[N/m]

Mô men cực đại

M0

[Kmol/kg]

Lượng không khí lý thuyết

Ne

[kW]

Công suất có ích động cơ

Nedm

[kW]

Công suất định mức

Nemax

[kW]

Công suất có ích cực đại

n

[v/ph]

Số vòng quay động cơ

ndm

[v/ph]

Số vòng quay định mức

ngemin

[v/ph]

Số vòng quay ứng với ge nhỏ nhất

nmax

[v/ph]

Số vòng quay cực đại

nM

[v/ph]

Số vòng quay ứng với Me cực đại

pe

[N/m2]

Áp suất có ích trung bình

pi

[N/m2]

Áp suất chỉ thị trung bình

pk

[N/m2]

Áp suất trước xú-páp nạp

Ta

[K]

Nhiệt độ cuối quá trình nạp

pa

[N/m2]

Áp suất cuối quá trình nạp

QH

[J/kg]

Nhiệt trị thấp của một kg nhiên liệu

S

[mm]

Hành trình pít-tông

Tk

[K]

Nhiệt độ trước xú-páp nạp

Vh

[m3]

Thể tích công tác

qi

[j/kW.h]

Nhiệt lượng tiêu hao


VI

wphun

[m/s]

Vận tốc phun

p’

[kG/cm2]

Áp suất phun trung bình

p'k

[kG/cm2]

Áp suất không khí nén trong xylanh

t

[s]

Thời gian phun

v

[dm3/ct]

Thể tích nhiên liệu cấp cho 1 xylanh

g

[kg/ct]

Lượng nhiên liệu cấp cho 1 xylanh

M1

[kg/s]

Lưu lượng nhiên liệu ban đầu khi ra khỏi vòi phun

M

[kg/s]

Lưu lượng tổng cộng của hỗn hợp khí

Yox

[-]

Nồng độ oxy

Yf

[-]

Nồng độ nhiên liệu

Tox

[oC]

Nhiệt độ nguồn oxy

Tf

[oC]

Nhiệt độ nguồn nhiên liệu

Tad

[oC]

Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt của nhiên liệu trong oxy

2. Các ký hiệu mẫu tự Hy Lạp :


[-]

Số kỳ động cơ



[rad/s]

Tốc độ góc của động cơ

i

[-]

Hiệu suất chỉ thị



[-]

Hệ số tăng áp



[kg/m3]

Khối lượng riêng

vt

[-]

Độ nhớt động học rối

U, V

[-]

Đại lượng tốc độ dòng rối

L

[-]

Độ dài hỗn hợp

Kv

[-]

Hằng số tỷ lệ

Prt

[-]

Hằng số Prantl



[-]

Hệ số giản nở nhiệt của môi trường

t

[-]

Hệ số nhớt rối

Mt

[-]

Số Mach

VII

a

[m/s]

Vận tốc âm thanh

k

[-]

Hệ số năng lượng rối động học



[-]

Hệ số tiêu tán động năng rối



[-]

Đại lượng bảo toàn

3. Các chữ viết tắt :
ASTM

American Society for Testing and Materials (Hiệp hội vật liệu

và thử nghiệm Hoa Kỳ)

EN

Europe standard (Tiêu chuẩn Châu Âu)

RBDF

Rubber Biodiesel Fuel (Nhiên liệu sinh học từ dầu hạt cao su)

FFA

Free Fatty Acid (Axit béo tự do)

RSO

Rubber Seed Oil (Dầu hạt cao su)

BMEP

Brake Mean Effective Pressure (Áp suất có ích trung bình)

IMEP

Indicate Mean Effective Pressure (Áp suất chỉ thị trung bình)

MFBR

Mass Fraction Burn Rate (Tỷ lệ khối lượng cháy)

BTE

Brake Thermal Efficiency (Hiệu suất nhiệt)

HRR

Heat Release Rate (Tốc độ tỏa nhiệt)

Ce

Combustion efficiency (Hiệu suất cháy)

Cd

Combustion duration (Khoảng thời gian cháy)

COV

Coefficient of Variation (Hệ số biến thiên)

COV of IMEP

Hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình

SOC

Start of Combustion (Thời điểm bắt đầu cháy)

EOC

End of Combustion (Thời điểm kết thúc cháy)

SOI

Start of Injection (Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu)

ID

Ignition Delay (Thời gian cháy trễ)

BSFC

Brake Specific Fuel Consumption (Suất tiêu hao nhiên liệu)

AVL

Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List (Tên công ty)

APA

Asynchron Pendelmaschinen Anlage (Băng thử công suất)

DO

Diesel Oil (Nhiên liệu Diesel)

B15

Biodiesel 15% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 15%)

VIII

B20

Biodiesel 20% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 20%)

B25

Biodiesel 25% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 25%)

B30

Biodiesel 30% (Hỗn hợp biodiesel-diesel với tỷ lệ 30%)

PTN

Phòng thí nghiệm

ppm

parts per million (Một phần triệu)

rpm

revolutions per minute (Tốc độ vòng trên phút)

TCVN

Tiêu Chuẩn Việt Nam

NLSH

Năng lượng sinh học

PM

Particulate Metter (Bồ hóng hoặc vật chất hạt rắn)

CFD

Computational Fuild Dynamics (Động lực học chất lỏng)

FDM

Finite Difference Methods (Phương pháp sai phân hữu hạn)

FEM

Finite Element Methods (Phương pháp phần tử hữu hạn)

FVM

Finite Volume Methods (phương pháp thể tích hữu hạn)

TĐCT

Trước điểm chết trên

SĐCT

Sau điểm chết trên

ĐCD

Điểm chết dưới

ĐCT

Điểm chết trên

DI

Direct Injection (Phun trực tiếp)

IDI

Indirect Injection (Phun gián tiếp)

CO

Carbon monoxide

CO2

Carbon dioxide

HC

Unburned hydrocarbons

NOx

Nitrogen oxides

Opac

Opacity (Độ mờ khói)

CA

Crank Angle (Góc trục khuỷu)

o

Độ trục khuỷu

TĐ

Thay đổi

MP

Mô phỏng

TN

Thực nghiệm

TK

IX

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hình ảnh cây, quả và dầu hạt cao su .........................................................11
Hình 1.2: Thống kê diện tích và sản lượng cao su tại Việt Nam [113] ....................11
Hình 1.3: Các khả năng chế biến từ hạt cao su .........................................................12
Hình 1.4: Sản lượng diesel sinh học ở châu Âu từ năm 1998 đến 2013 [112] .........16
Hình 1.5: Sự phát triển ngọn lửa trong quá trình cháy của B0 và B100 [28] ...........24
Hình 2.1: Biến thiên áp suất cháy, tốc độ phun nhiên liệu, tốc độ tỏa nhiệt [61] ....40
Hình 2.2: Tốc độ cháy và tỷ lệ nhiên liệu cháy theo góc quay trục khuỷu [61] .......41
Hình 2.3: Sơ đồ hình thành bồ hóng “8 bước” [69] ..................................................50
Hình 2.4: Buồng cháy ngăn cách của động cơ Mazda WL- Turbo ..........................57
Hình 2.5: Chia lưới buồng cháy ngăn cách của động cơ Mazda WL- Turbo ...........57
Hình 2.6: Lưu đồ thuật toán mô hình cháy trong mô phỏng Ansys [27]. .................58
Hình 2.7: So sánh đường cong áp suất nén giữa mô phỏng và thực nghiệm ............63
Hình 2.8: So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu giữa MP và TN .................65
Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm động cơ Mazda WL-Turbo .................................69
Hình 3.2: Lắp đặt động cơ thực nghiệm....................................................................71
Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nội soi buồng cháy ..............................................72
Hình 3.4: Lắp đặt động cơ thực nghiệm nội soi buồng cháy trên băng thử AVL ....73
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của thiết bị AVL733S ...................................74
Hình 3.6: Biểu đồ chu trình thử ECE R49 [49] ........................................................76
Hình 4.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ nhiên liệu biodiesel đến COV of IMEP ..................86
Hình 4.2: Biến thiên áp suất trong xylanh theo mô phỏng .......................................86
Hình 4.3: Biến thiên áp suất trong xylanh theo thực nghiệm ...................................86
Hình 4.4: Xu hướng thay đổi pzmax giữa DO và biodiesel theo mô phỏng................88
Hình 4.5: Xu hướng thay đổi pzmax giữa DO và biodiesel theo thực nghiệm............88
Hình 4.6: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của áp suất

cháy cực đại khi sử dụng nhiên liệu biodiesel ..........................................................89
Hình 4.7: Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo mô phỏng ..........................90


X

Hình 4.8: Biến thiên tốc độ tỏa nhiệt trong xylanh theo thực nghiệm ......................90
Hình 4.9: Xu hướng thay đổi HRRmax giữa DO và biodiesel theo mô phỏng ..........92
Hình 4.10: Xu hướng thay đổi HRRmax giữa DO và biodiesel theo thực nghiệm ....92
Hình 4.11: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của tốc độ
tỏa nhiệt cực đại khi sử dụng nhiên liệu biodiesel ....................................................93
Hình 4.12: Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh theo mô phỏng ...........................95
Hình 4.13: Biến thiên nhiệt độ cháy trong xylanh theo thực nghiệm .......................95
Hình 4.14: Xu hướng thay đổi Tmax giữa DO và biodiesel theo mô phỏng ..............96
Hình 4.15: Xu hướng thay đổi Tmax giữa DO và biodiesel theo thực nghiệm ..........96
Hình 4.16: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của nhiệt độ
cháy cực đại khi sử dụng nhiên liệu biodiesel ..........................................................98
Hình 4.17: Biến thiên tỷ lệ lượng nhiên liệu cháy giữa DO và biodiesel .................99
Hình 4.18: Đồ thị so sánh thời gian cháy của nhiên liệu DO và biodiesel .............100
Hình 4.19: Đồ thị so sánh hiệu suất cháy của DO và biodiesel theo thực nghiệm .102
Hình 4.20: Đồ thị so sánh hiệu suất nhiệt của DO và biodiesel theo thực nghiệm.103
Hình 4.21: Ảnh hưởng của biodiesel đến nhiệt độ khí xả động cơ theo TN ..........104
Hình 4.22: Xu hướng thay đổi công suất động cơ theo mô phỏng .........................107
Hình 4.23: Xu hướng thay đổi công suất động cơ theo thực nghiệm .....................107
Hình 4.24: Đặc tính tốc độ của công suất động cơ theo thực nghiệm ....................107
Hình 4.25: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của công
suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel ........................................................109
Hình 4.26: Xu hướng thay đổi suất tiêu hao năng lượng động cơ theo MP ...........110
Hình 4.27: Xu hướng thay đổi suất tiêu hao năng lượng động cơ theo TN ............110
Hình 4.28: Đặc tính suất tiêu hao năng lượng động cơ theo thực nghiệm..............111

Hình 4.29: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của suất tiêu
hao năng lượng động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel ......................................112
Hình 4.30: Xu hướng thay đổi phát thải NOx của động cơ theo mô phỏng ............115
Hình 4.31: Xu hướng thay đổi phát thải NOx của động cơ theo thực nghiệm ........115
Hình 4.32: Đặc tính thành phần phát thải NOx của động cơ theo thực nghiệm ......115


XI

Hình 4.33: Xu hướng thay đổi độ mờ khói %Opac của động cơ theo mô phỏng ...118
Hình 4.34: Xu hướng thay đổi độ mờ khói %Opac của động cơ theo TN .............118
Hình 4.35: Đặc tính thành phần phát thải %Opac của động cơ theo thực nghiệm .118
Hình 4.36: Xu hướng thay đổi phát thải CO của động cơ theo mô phỏng .............120
Hình 4.37: Xu hướng thay đổi phát thải CO của động cơ theo thực nghiệm .........120
Hình 4.38: Đặc tính thành phần phát thải CO của động cơ theo thực nghiệm .......121
Hình 4.39: Xu hướng thay đổi phát thải HC của động cơ theo mô phỏng .............123
Hình 4.40: Xu hướng thay đổi phát thải HC của động cơ theo thực nghiệm .........123
Hình 4.41: Đặc tính thành phần phát thải HC của động cơ theo thực nghiệm .......123
Hình 4.42: Xu hướng thay đổi các kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm ..........126
Hình 4.43: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ DO ..................127
Hình 4.44: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B15 .................128
Hình 4.45: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B20 .................128
Hình 4.46: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B25 .................129
Hình 4.47: Diễn biến trường áp suất, nhiệt độ, tốc độ và nồng độ B30 .................130
Hình 4.48: Hình ảnh quá trình cháy tại n=2500 v/ph, 75% tải ...............................132
Hình 4.49: Hình ảnh trường nhiệt độ tại n=2500 v/ph, 75% tải .............................133
Hình 4.50: Hình ảnh phân tán bồ hóng tại n=2500 v/ph, 75% tải ..........................135


XII

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh các chỉ tiêu của Biodiesel và Diesel khoáng [11] .........................9
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717-07 cho diesel sinh học gốc (B100)
[14] ............................................................................................................................10
Bảng 1.3: Thành phần phần trăm hoá học của nhân hạt cao su [3] ..........................13
Bảng 1.4: Một số tính chất hoá lý của dầu hạt cao su [7], [15] ................................15
Bảng 1.5: So sánh dầu hạt cao su và các loại dầu khác [7], [15] ..............................15
Bảng 1.6: Tính chất vật lý và hóa học của diesel và diesel sinh học [28] ................23
Bảng 1.7: Thống kê kết quả các công trình nghiên cứu điển hình liên quan đến quá
trình cháy của nhiên liệu biodiesel ............................................................................29
Bảng 1.8: Thống kê sự ảnh hưởng của biodiesel đến tính năng và phát thải [65] ....30
Bảng 2.1: Các hệ số thời gian cháy trễ [61] ..............................................................41
Bảng 2.2: Các bước hình thành bồ hóng và tốc độ phản ứng [54] ...........................50
Bảng 2.3: Chuỗi phản ứng hình thành NOx ..............................................................52
Bảng 2.4: Các thông số cơ bản của động cơ Mazda WL-Turbo ...............................56
Bảng 2.5: So sánh một số tính chất của B15, B20, B25 và B30 với diesel ..............59
Bảng 2.6: Các hệ số mô hình Shell [69] ...................................................................63
Bảng 2.7: Bảng tổng hợp các thông số điều kiện biên cho mô hình .........................64
Bảng 2.8: So sánh sai lệch kết quả Ne, ge giữa mô phỏng và thực nghiệm .............65
Bảng 3.1: Diễn giải các mode của chu trình thử ECE R49 .......................................76
Bảng 3.2: nội dung các chế độ thực nghiệm .............................................................77
Bảng 4.1: So sánh giá trị áp suất cháy cực đại theo mô phỏng .................................88
Bảng 4.2: So sánh giá trị áp suất cháy cực đại theo thực nghiệm .............................88
Bảng 4.3: So sánh kết quả áp suất cháy cực đại giữa mô phỏng và thực nghiệm ....89
Bảng 4.4: So sánh giá trị tốc độ tỏa nhiệt cựa đại theo mô phỏng ............................91
Bảng 4.5: So sánh giá trị tốc độ tỏa nhiệt cực đại theo thực nghiệm ........................92
Bảng 4.6: So sánh kết quả tốc độ tỏa nhiệt cực đại giữa MP và TN ........................93
Bảng 4.7: So sánh giá trị nhiệt độ cháy cực đại theo mô phỏng ...............................96

XIII

Bảng 4.8: So sánh giá trị nhiệt độ cháy cực đại theo thực nghiệm ...........................97
Bảng 4.9: So sánh kết quả nhiệt độ cháy cực đại giữa MP và TN ............................97
Bảng 4.10: So sánh giá trị thời gian quá trình cháy theo thực nghiệm ...................101
Bảng 4.11: Giá trị công suất khi sử dụng DO và biodiesel theo mô phỏng ............106
Bảng 4.12: Giá trị công suất khi sử dụng DO và biodiesel theo thực nghiệm ........106
Bảng 4.13: So sánh kết quả công suất động cơ giữa mô phỏng và thực nghiệm ....108
Bảng 4.14: So sánh giá trị suất tiêu hao năng lượng động cơ theo mô phỏng ........109
Bảng 4.15: So sánh giá trị suất tiêu hao năng lượng động cơ theo thực nghiệm ....110
Bảng 4.16: So sánh kết quả suất tiêu hao năng lượng giữa MP và TN ..................112
Bảng 4.17: So sánh giá trị phát thải NOx của các nhiên liệu theo mô phỏng .........114
Bảng 4.18: So sánh giá trị phát thải NOx của các nhiên liệu theo thực nghiệm .....114
Bảng 4.19: So sánh giá trị phát thải Opac của các nhiên liệu theo mô phỏng ........116
Bảng 4.20: So sánh giá trị bồ hóng %Opac của các nhiên liệu theo thực nghiệm .116
Bảng 4.21: So sánh giá trị phát thải CO của các nhiên liệu theo mô phỏng ...........119
Bảng 4.22: So sánh giá trị phát thải CO của các nhiên liệu theo thực nghiệm .......119
Bảng 4.23: So sánh giá trị phát thải HC của các nhiên liệu theo mô phỏng ...........122
Bảng 4.24: So sánh giá trị phát thải HC của các nhiên liệu theo thực nghiệm .......122
Bảng 4.25: So sánh kết quả phát thải NOx, Opac giữa MP và TN .........................124
Bảng 4.26: So sánh kết quả phát thải CO, HC giữa mô phỏng và thực nghiệm .....125
Bảng 4.27: Kết quả mô phỏng diễn biến quá trình cháy trong động cơ ................130


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, ô

nhiễm môi trường gia tăng, kéo theo nhiều hệ lụy xấu ảnh hưởng đến sức khỏe con
người và phát triển xã hội. Cùng với sự phát triển mạnh của kinh tế, xã hội là sự gia
tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực
trang bị động cơ đốt trong. Sự gia tăng đó đã khiến cho nguồn nhiên liệu hóa thạch
ngày càng cạn kiệt và môi trường ngày càng bị ô nhiễm do khí thải độc hại. Để khắc
phục những hạn chế này, đã có rất nhiều các biện pháp, giải pháp công nghệ được
đề xuất, triển khai ứng dụng trên toàn thế giới nhằm mục tiêu giải quyết bài toán về
an ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường.
Có thể nói rằng việc tìm kiếm, nghiên cứu sử dụng các dạng nhiên liệu sinh
học thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang cạn kiệt dần để đảm bảo tăng
trưởng kinh tế và bảo vệ môi trường đã trở nên bức thiết hơn bao giờ hết, đã và
đang trở thành chính sách hàng đầu trong chiến lược phát triển kinh tế của mọi quốc
gia. Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với
môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết. Bên cạnh việc sử dụng các nguồn
năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời,
năng lượng gió, năng lượng thủy triều v.v. Năng lượng có nguồn gốc sinh học đang
rất được quan tâm.
Nhằm góp phần bảo đảm mục tiêu an ninh năng lượng, giảm dần sự lệ thuộc
vào nhiên liệu hóa thạch truyền thống, cải thiện môi trường, đồng thời thực hiện tốt
các cam kết của Chính phủ Việt Nam với quốc tế về giảm khí thải nhà kính, góp
phần tạo thu nhập bền vững cho khu vực nông nghiệp và thúc đẩy tái cơ cấu ngành
nông nghiệp. 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.
Đồng thời, ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ ký Quyết định số 53/2012/QĐTTg ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu
truyền thống. Quyết định này có hiệu lực thi hành kể từ ngày 15 tháng 01 năm 2013


2

và có lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn cụ thể tuy vẫn ở tỷ lệ thấp. Điều này thể hiện

tham vọng của Chính phủ và cũng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc
quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học.
Trong số các nhiên liệu sinh học, thì diesel sinh học (biodiesel) được quan
tâm hơn cả, do xu hướng diesel hóa động cơ và giá diesel khoáng ngày càng tăng
cao. Hơn nữa, biodiesel được xem là loại phụ gia rất tốt cho nhiên liệu diesel
khoáng, làm giảm đáng kể lượng khí thải độc hại và nó là nguồn nhiên liệu có thể
tái tạo được. Việt Nam là đất nước nông nghiệp, vì vậy các loại nhiên liệu biodiesel
được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên liệu có mức phát thải độc hại thấp, trữ lượng
lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên các động cơ hiện hành mà không
cần phải thay đổi nhiều về kết cấu. Điều này đặc biệt có ý nghĩa thực tiễn cao khi
tận dụng một số lượng lớn động cơ diesel đang vận hành tại Việt Nam chuyển sang
sử dụng nhiên liệu biodiesel.
Biodiesel có nguồn gốc từ mỡ động vật dễ bị nhiễm khuẩn làm giảm sút chất
lượng trong bảo quản, thời gian bảo quản được khuyến cáo là dưới 1 năm với chế
độ nghiêm ngặt điều này chưa phù hợp với trình độ kỹ thuật của nước ta. Trong khi
đó biodiesel từ dầu thực vật được bảo quản trong điều kiện thông thường. Ngoài ra,
nếu sản xuất biodiesel từ dầu ăn tinh chế (hay là dầu ăn được như dầu đậu nành, dầu
lạc, dầu đậu tương, dầu vừng, dầu dừa v.v.) thì giá thành khá cao và còn ảnh hưởng
đến an ninh lương thực. Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa,
có tiềm năng lớn trong việc phát triển nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh
học, đặc biệt là các nguồn nguyên liệu như dầu cọ, dầu hạt bông, dầu từ cây
Jatropha (cây cọc rào), dầu từ hạt cao su v.v. Bên cạnh đó, cây cao su cho giá trị
kinh tế chính là mủ cao su, việc tận dụng thu hồi hạt cao su để sản xuất nhiên liệu
biodiesel làm tăng giá trị kinh tế cho cây cao su. Theo thống kê Hiệp hội Cao su
Việt Nam, năm 2015 diện tích vườn cao su ở Việt Nam là 910.500 ha. Vậy hằng
năm chúng ta thu khoảng 910.050 tấn hạt (tính cho 1tấn hạt/1ha/1năm) tương
đương lượng dầu thu được khoảng 91.050 tấn dầu hạt cao su, đây là một con số
đáng chú ý. Do đó việc nghiên cứu và tổng hợp nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao

3

su sử dụng cho động cơ diesel là rất cần thiết và phù hợp với điều kiện của nước ta
hiện nay.
Do nhiên liệu biodiesel có sự khác biệt về tính chất hóa-lý (thành phần hóa
học, tỷ trọng, độ nhớt động học v.v.) và đặc tính cháy (nhiệt trị, trị số cetane v.v.) so
với nhiên liệu diesel truyền thống nên sẽ tác động đến các thông số đặc trưng của
quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel.
Chính vì vậy, trong giới hạn nghiên cứu ở Việt Nam, thấy rằng việc “Nghiên cứu
quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong” mang tính cấp
thiết trong bối cảnh hiện nay đồng thời có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận án có mục tiêu tổng thể là nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu
biodiesel trong động cơ diesel truyền thống từ đó định hướng về mặt khoa học khi
sử dụng nhiên liệu biodiesel với các tỷ lệ lớn hơn 10% (B10). Đồng thời đẩy mạnh
việc nghiên cứu nâng cao tỷ lệ phối trộn biodiesel.
Mục tiêu cụ thể của luận án bao gồm:
- Đánh giá được các đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel có
nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel.
- Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ biodiesel thay thế đến các chỉ tiêu kinh
tế, kỹ thuật, phát thải cũng như thông số vận hành của động cơ diesel.
- Đưa ra khuyến cáo sử dụng biodiesel cho động cơ diesel hoạt động đạt hiệu
quả nhất và nâng cao công năng sử dụng.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tƣợng nghiên cứu:
- Động cơ diesel Mazda WL-Turbo 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, buồng cháy
phụ (hình trụ nối chỏm cầu) được lắp trên ô tô Mazda 2500 và Ford Ranger, được
sử dụng tương đối phổ biến trong giao thông đường bộ tại Việt Nam.

- Hỗn hợp nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu hạt cao su có tỷ lệ pha trộn
15%, 20%, 25%, 30% (B15, B20, B25, B30) và DO (diesel truyền thống).
 Phạm vi nghiên cứu:


4

Về lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về quá trình cháy và phân tích các mô
hình toán để ứng dụng trong mô phỏng khi sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS
FLUENT. Trong mô phỏng, chỉ mô phỏng ở một số chế độ tải và số vòng quay
động cơ diesel thường sử dụng cụ thể là: Chế độ tải 25%, 50%, 75% tương ứng với
mức tải nhỏ, tải trung bình, tải lớn tại số vòng quay 1500 v/ph và 2250 v/ph.
Về thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel Mazda WL ở
chế độ tải 25%, 50%, 75%, tương ứng với số vòng quay từ 1000 v/ph đến 3000
v/ph. Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ Mazda WL với các loại nhiên liệu
diesel truyền thống (DO) và biodiesel ở chế độ 75% tải và số vòng quay 2250 v/ph.
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại: Phòng thí nghiệm động cơ đốt
trong, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.

4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính chất và đặc điểm quá trình cháy của nhiên
liệu biodiesel trong động cơ diesel.
- Nghiên cứu lựa chọn các mô hình toán trong phần mềm mô phỏng.
- Nghiên cứu mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel sử dụng biodiesel
có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trên phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT.
- Thực nghiệm trên băng thử công suất động cơ, đo diễn biến áp suất trong
buồng cháy động cơ từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh
học đến đặc tính cháy của động cơ diesel.
- Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ Mazda WL với các loại nhiên liệu

diesel truyền thống (DO) và biodiesel nhằm quan sát đánh giá đặc tính cháy.
- Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến đặc tính kinh
tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel từ đó khuyến cáo các phương án cần
thiết khi sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel đạt hiệu quả nhất.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng với nghiên
cứu thực nghiệm.


5

6. Tên đề tài
“Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong”

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xác định được các yếu tố cơ bản nhất của quá
trình cháy từ dữ liệu diễn biến áp suất buồng cháy như: Sự ổn định của quá trình
cháy thông qua hệ số biến thiên áp suất chỉ thị trung bình (COV of IMEP); Tỷ lệ
nhả nhiệt HRR (Heat Release Rate); Tỷ lệ khối lượng cháy MFB (Mass Fraction
Burn); Hiệu suất cháy (Combustion efficiency); Khoảng thời gian cháy
(Combustion duration) và Hiệu suất nhiệt (Brake thermal efficiency). Bên cạnh đó,
luận án cũng đã thiết lập được việc quan sát hỗn hợp cháy trong buồng cháy động
cơ bằng phương pháp nội soi kết hợp xử lý hình ảnh diễn biến quá trình cháy thông
qua phần mềm VisioScope. Những kết quả này là minh chứng khoa học trong việc
nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel.
Luận án đã xây dựng được các mối quan hệ giữa các thông số vận hành như:
công suất, suất tiêu hao nhiên liệu của hỗn hợp nhiên liệu biodiesel và các thành
phần phát thải độc hại với các loại nhiên liệu. Đây là các đường đặc tính cơ sở nhằm
hỗ trợ cho việc nâng cao tỷ lệ diesel sinh học trên thực tế.

Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã cung cấp các dữ liệu cụ thể từ kết quả nghiên
cứu để đưa ra những định hướng khoa học khi sử dụng nhiên liệu biodiesel có
nguồn gốc từ dầu hạt cao su làm nhiên liệu thay thế các động cơ diesel đang lưu
hành tại Việt Nam.
Các kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học góp phần xây dựng các
tiêu chuẩn về nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su dùng cho việc
hoạch định chính sách sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên các phương tiện giao
thông vận tải và các thiết bị động lực trang bị động cơ diesel theo hướng tăng tỷ lệ
diesel sinh học trong hỗn hợp nhiên liệu diesel/biodiesel. Qua đó góp phần sớm đưa
Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ban hành lộ trình áp
dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống vào hiện thực.

8. Bố cục của luận án


6

Luận án được kết cấu gồm các nội dung chính như sau: Mở đầu; Chương 1:
Tổng quan; Chương 2: Cơ sở lý thuyết; Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm;
Chương 4: Kết quả và thảo luận; Kết luận và hướng phát triển.

9. Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án
1- Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ diesel
Mazda WL trên phần mềm ANSYS FLUENT. Thông qua mô hình đã xây dựng có
thể phân tích, đánh giá được đặc trưng quá trình cháy nhiên liệu biodiesel trong
động cơ đốt trong, đồng thời cũng là cơ sở để giải thích, định hướng và đánh giá kết
quả thực nghiệm.
2. Bằng mô phỏng luận án đã dự báo được sự thay đổi các thông số đặc trưng
quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel về mặt qui luật. Đồng
thời, cũng đã chỉ ra hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy khi mô phỏng trong ANSYS

FLUENT đối với nhiên liệu biodiesel có tỷ lệ từ B15 đến B30 cụ thể như sau:
 Áp dụng mô hình cháy chính của J. Abraham cần hiệu chỉnh các thông số đối
với tốc độ tỏa nhiệt: hệ số giãn dòng C’d=1,38Cd; hệ số số mũ đặc trưng cho tốc độ
cháy a’=0,86a; thông số dạng cháy m’= 1,14m đối với biodiesel từ dầu hạt cao su.
 Áp dụng mô hình Shell để tính toán thời gian cháy trễ được đề xuất bởi Kong
và Reitz, thay đổi thời gian cháy trễ Af4 từ mô hình cháy trễ quan hệ theo phương
trình f 4  Af exp  Ef / RT  O2 x 4  RHy4 . Hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy Ef4 của
4

4

∗
nhiên liệu biodiesel do ảnh hưởng của số cetane khi mô phỏng là 𝐸𝑓4
= 3,0𝑒 4

75
𝐶𝑁+25

.

3- Bằng thực nghiệm luận án đã chỉ ra được đặc trưng quá trình cháy của
nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel Mazda WL
với các tỷ lệ B15, B20, B25, B30 và đánh giá được ảnh hưởng của tính chất, tỷ lệ
pha trộn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải cũng như thông số vận hành của
động cơ diesel. Kết quả thực nghiệm nội soi buồng cháy hoàn toàn tương đồng với
kết quả nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm trong luận án.

10. Hạn chế của luận án
Luận án chưa nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến
tính năng động cơ diesel khi sử dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su.

7

Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel
1.1.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (NLSH) gồm có nhiều loại như xăng sinh học
(biogasoline), diesel sinh học (biodiesel) và khí sinh học (biogas) - loại khí được tạo
thành do sự phân hủy yếm khí các chất thải nông nghiệp, chăn nuôi và lâm nghiệp.
Trong các dạng trên thì chỉ có biogasoline và biodiesel được quan tâm nghiên cứu,
sản xuất và ứng dụng trong quy mô công nghiệp. Biodiesel được sản xuất từ dầu
thực vật hay mỡ động vật, có chỉ tiêu kỹ thuật gần giống với diesel khoáng. Về bản
chất hóa học nó là monoankyl este của các axit béo mạch dài. Như vậy, nguyên liệu
để sản xuất biodiesel khá phong phú, chúng có nguồn gốc sinh học và có thể tái tạo
được. NLSH là nhiên liệu nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất
có nguồn gốc từ động thực vật [11]. Ví dụ như nhiên liệu chế suất 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....). NLSH được sản xuất từ rất nhiều dạng khác nhau, có thể tổng hợp một số
nguyên liệu chính như: Cồn, Dầu thực vật, Methyl hoặc Ethyl ester, Hợp chất hữu
cơ chứa oxy, Dimetyl ether (DME), Dimetyl cacbonate (DMC) và Hydrogen.
NLSH dùng cho động cơ đốt trong bao gồm hai loại chủ yếu sau:
- Nhiên liệu lỏng: Bao gồm xăng sinh học là các loại bio-metanol, bioethanol, bio-butanol… Diesel sinh học: Là một loại nhiên liệu có tính chất tương
đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà
được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este
(transesterification).
- Khí sinh học (Biogas): Là hỗn hợp methane (CH4) và một số khí khác sinh
ra từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí. Thành phần chính
của Biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước

N2, O2, H2S, CO được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ
20÷40ºC [12].


8

1.1.2. Giới thiệu chung về biodiesel
1.1.2.1. Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel
Nguồn biodiesel được sản xuất từ rất nhiều dạng khác nhau, có thể tổng hợp
một số nguyên liệu chính như: Dầu thực vật, Dầu dừa, Dầu hạt cao su, Dầu sở, Dầu
bông, Dầu hướng dương, Dầu thầu dầu hay còn gọi là dầu ve, Dầu lạc, Dầu vừng,
Dầu ngô, Cây cọ dầu (danh pháp khoa học: Elaeis), Cây cải dầu (Brassica napus),
Dầu mè (tên khoa học: Jatropha curcas). Nói chung, các hàm lượng chất béo của
các dầu thực vật khác nhau, 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 khoáng làm giảm
đáng kể các khí độc hại trong khí thải như SOx, NOx, HC, CO. 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.
Mỡ động vật: Đây là nguồn nguyên liệu lấy từ mỡ các con vật, ví dụ như mỡ
cá basa, cá tra, mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà,...
Dầu phế thải từ các nhà máy chế biến dầu, mỡ và tảo.

1.1.2.2. Phương pháp tổng hợp biodiesel
Vấn đề chính liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật là độ
nhớt rất cao. Dầu mỡ động, thực vật có độ nhớt cao gấp 11÷17 lần so với diesel dầu
mỏ. Độ nhớt cao gây ảnh hưởng đến dòng phun và hạt sương nhiên liệu (dòng phun
dài và hạt sương lớn) nên tạo hỗn hợp cháy không tốt, cháy không hoàn toàn, tạo
cặn, gây kẹt lọc dầu và làm đặc dầu nhờn nếu bị lẫn dầu thực vật. Do đó, cần phải
có giải pháp để giảm độ nhớt của dầu mỡ. Đã có bốn phương pháp tổng hợp

biodiesel được nghiên cứu để giải quyết vấn đề độ nhớt cao đó là: sự pha loãng,
nhiệt phân, cracking xúc tác và chuyển hóa este dầu thực vật [11]. Về phương diện
hóa học, quá trình trao đổi este còn gọi là quá trình rượu hóa, có nghĩa là từ một
phân tử triglyxerit trao đổi este với 3 phân tử rượu mạch thẳng, tách ra glyxerin và
tạo ra các ankyl este. Trong phản ứng ester hóa của axit béo với methanol, người ta
thường tiến hành ở khoảng nhiệt độ sôi của methanol (khoảng 60÷650C).


9

Sau khi nghiên cứu, phân tích và xem xét các phương pháp trên thì phương
pháp chuyển hoá este tạo biodiesel là sự lựa chọn tốt nhất theo phản ứng [1]:
R1COOCH2
+

R2COOCH

3ROH

CH- OH
(Xúc tác)

R3COOCH2
Dầu thực vật

R1COOR

CH2- OH

CH2- OH

Rượu mạch thẳng

Glyxerin

+

R2COOR
R3COOR
Biodiezel

1.1.2.3. So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng
Biodiesel có một số tính chất vật lý gần giống với dầu diesel khoáng sản. Sản
phẩm cháy của biodiesel sạch hơn nhiều so với nhiên liệu diesel khoáng và với tỷ lệ
pha trộn thấp có thể được sử dụng trong các động cơ diesel mà không cần phải thay
đổi kết cấu của động cơ và có thể tham khảo bảng 1.1 để so sánh các chỉ tiêu chính.
Bảng 1.1: So sánh các chỉ tiêu của Biodiesel và Diesel khoáng [11]
Các chỉ tiêu

Biodiesel

Diesel khoáng

0,87÷0,89

0,81÷0,89

Độ nhớt động học ở 400C, cSt

3,7÷5,8

1,9÷4,1

Trị số cetane

46÷70

40÷55

Nhiệt trị, kJ/kg

37000

43800

0,0÷0,0024

0,5

Điểm vẩn đục,0C

-11÷16

-

Chỉ số iốt, g iốt/100 g

60÷135

8.6

72,0

55

<1

10

Ăn mòn mảnh đồng ở 50oC/3giờ

Loại 1a

Loại 1

Khối lượng riêng ở 15oC, kg/m3

848,0

820÷840

o

Tỷ trọng (25 C)

Hàm lượng lưu huỳnh,%

Nhiệt độ chớp cháy cốc kín, oC
Tạp chất dạng hạt, mg/l

1.1.2.4. Tiêu chuẩn chất lượng đối với biodiesel
Các tiêu chuẩn về đặc tính của NLSH B100 được xây dựng thành bộ. Nói
chung mỗi quốc gia có những bộ tiêu chuẩn riêng của mình. Ví dụ : Australia có bộ
tiêu chuẩn ONORM1190, Đức có bộ tiêu chuẩn là DIN V 51606, Mỹ có bộ tiêu
chuẩn ASTM 6751-02.


10

Tại Việt Nam cũng đã đưa được ra quy chuẩn quốc gia về diesel sinh học
(B100) vào năm 2007 đã tạo ra hành lang pháp lý cho sự phát triển NLSH tại Việt
Nam. Nói chung, việc xây dựng tiêu chuẩn và quy chuẩn Việt Nam cho nhiên liệu
diesel sinh học được dựa trên việc tham khảo các tiêu chuẩn trên thế giới như tiêu
chuẩn ASTM của Mỹ, EN của Châu Âu. Mỗi chỉ tiêu và các phương pháp xác định
sẽ được mô tả trong bảng 1.2 dưới đây.
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7717-07 cho diesel sinh học gốc (B100) [14]
Tên chỉ tiêu
Hàm lượng este, % khối lượng

Mức
min

o

Khối lượng riêng tại 15 C, kg/m³

96,5

Phƣơng pháp thử
EN 14103

860÷900 TCVN 6594 (ASTM D 1298)

Điểm chớp cháy (cốc kín), oC

min

130,0

TCVN 2693 (ASTM D 93)

Nước và cặn, % thể tích

max

0,050

TCVN 7757 (ASTM D 2709)

Độ nhớt động học tại 40 oC, mm2/s

1,9÷6,0A TCVN 3171 (ASTM D 445)

Tro sulphát, % khối lượng

max

Lưu huỳnhB, % khối lượng (ppm)

max

Ăn mòn đồng,

loại

No1

TCVN 2694 (ASTM D 130)

Trị số cetane

min

47

TCVN 7630 (ASTM D 613)

Điểm vẩn đục, oC

0,020

TCVN 2689 (ASTM D 874)

0,05 (500) TCVN 6701 (ASTM D 2622)

Báo cáoC ASTM D 2500

Cặn cacbonD, % khối lượng

max

0,050

ASTM D 4530

Trị số axit, mg KOH/g

max

0,50

TCVN 6325 (ASTM D 664)

Chỉ số iốt, g iốt/100 g

max

120

EN 14111/TCVN 6122

Độ ổn định oxy hóa, tại 110oC, giờ

min

6

Glycerin tổng, % khối lượng

max

0,240

ASTM D 6584

Phospho, % khối lượng

max

0,001

ASTM D 4951

Nhiệt độ cất, 90% thu hồi, oC

max

360

ASTM D 1160

Na và Ka, mg/kg

max

5,0

EN 14108 và EN 14109

Ngoại quan

EN 14112

Tạp chất Quan sát bằng mắt thường

1.2. Tổng quan về biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su
1.2.1. Đặc điểm chung của cây cao su và dầu hạt cao su


11

Cây cao su (danh pháp khoa học là Hevea brasiliensis) là một loài cây thân
gỗ thuộc họ Đại kích (Euphorbiaceae). Cây cao su có nguồn gốc từ vùng rừng mưa
nhiệt đới Amazon (Brazil). Ngày nay, cây cao su hiện diện ở nhiều nơi thế giới,
trong đó, nhiều nhất là vùng Đông Nam Á và một số vùng có khí hậu nhiệt đới. Cây
cao su trưởng thành có thể cao đến 30m và vòng đời kéo dài từ 30÷40 năm. Mỗi
năm cây cho trái hai lần và mỗi trái chứa từ 3÷4 hạt, khi chín chúng rơi xuống đất
và hạt được tách ra. Hạt cao su chỉ là sản phẩm phụ, cây cao su chủ yếu trồng để lấy
mủ và gỗ. Do đó việc tách dầu từ hạt cao su làm tăng thu nhập, thu hút lao động và
tác động đến bảo vệ môi trường. Nhân hạt cao su (chiếm 50÷60% hạt) chứa 40÷50
% (khối lượng) là dầu có màu nâu. Hạt cao su có hình elipxoid với nhiều kích cỡ,
dài khoảng 2.5÷3 cm. Hạt bóng có khối lượng khoảng 2÷4 g/hạt, trên hạt có các
chấm nâu thể hiện trên hình 1.1.

Hình 1.1: Hình ảnh cây, quả và dầu hạt cao su

Hình 1.2: Thống kê diện tích và sản lượng cao su tại Việt Nam [113]
Theo hiệp hội cao su Việt Nam thì diện tích và sản lượng cây cao su tại Việt
Nam được thống kê sơ bộ đến năm 2015 như trên đồ thị hình 1.2 [113]. Hàng năm,