Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại việt nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tương thích vật liệu động cơ diesel

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

Nguyễn Hữu Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI
CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM TỚI TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT,
PHÁT THẢI VÀ TƯƠNG THÍCH VẬT LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2020


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

Nguyễn Hữu Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI
CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM TỚI TÍNH NĂNG KINH TẾ, KỸ THUẬT,
PHÁT THẢI VÀ TƯƠNG THÍCH VẬT LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS PHẠM HỮU TUYẾN

Hà Nội - 2020

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tơi thực hiện. Luận án có sử dụng
một phần kết quả do tơi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong đề tài độc lập cấp Nhà
nước “Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng cho
động cơ diesel“, mã số ĐTĐLCN.03/16, do GS.TS Vũ Thị Thu Hà là chủ nhiệm đề
tài, Phịng thí nghiệm trọng điểm cơng nghệ lọc hóa dầu, Viện Hóa học Cơng nghiệp
Việt Nam chủ trì, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội phối
hợp thực hiện. Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả
nghiên cứu của đề tài độc lập cấp Nhà nước vào việc viết luận án.
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai cơng bố trong các cơng trình nào khác.
Giảng viên hướng dẫn

Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 2020
Nghiên cứu sinh

PGS.TS Phạm Hữu Tuyến

Nguyễn Hữu Tuấn

i


GIẤY XÁC NHẬN CỦA CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo Bộ phận đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong,
Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải đã cho phép tôi thực hiện luận
án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như luôn hỗ trợ, giúp đỡ và dành cho
tôi những điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến đã hướng dẫn tơi hết sức tận
tình và chu đáo để tơi có thể thực hiện và hồn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài ĐTĐLCN.03/16, Phịng thí nghiệm
trọng điểm cơng nghệ lọc hóa dầu, Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam đã luôn giúp
đỡ và đồng ý cho tôi sử dụng một số kết quả nghiên cứu của đề tài để thực hiện luận
án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Thủy Lợi, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ
khí, Bộ môn Kỹ thuật hệ thống công nghiệp và các thầy trong Khoa đã hậu thuẫn và
động viên tôi trong suốt q trình nghiên cứu học tập.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng
chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến q báu để tơi có thể hồn chỉnh
luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người
đã động viên, khuyến khích tơi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện cơng
trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hữu Tuấn

iii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i

GIẤY XÁC NHẬN CỦA CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI ................................................. ii
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... iii
MỤC LỤC ............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................. xiii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
i. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 1
ii. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 2
iv. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 3
v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ........................................................... 3
vi. Tính mới của đề tài ....................................................................................... 3
vii. Các nội dung chính luận án .......................................................................... 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU DIESEL ........... 5
1.1 Đặc điểm tính chất nhiên liệu diesel ............................................................ 5
1.1.1 Giới thiệu chung .................................................................................... 5
1.1.2 Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel .............................................. 6
1.1.3 Ảnh hưởng của một số thông số chính của nhiên liệu diesel tới chất
lượng hoạt động của động cơ ............................................................................. 7
1.2 Nhiên liệu diesel sinh học ............................................................................ 8
1.2.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học ......................................... 8
1.2.2 Chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu diesel sinh học ...................................... 9
1.3 Phụ gia cho nhiên liệu diesel ...................................................................... 11
1.3.1 Giới thiệu chung .................................................................................. 11
1.3.2 Phụ gia vi nhũ nước trong dầu cho nhiên liệu diesel .......................... 13
1.3.3 Phụ gia nano oxit kim loại/ kim loại cho nhiên liệu diesel ................. 15
1.3.4 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới ................................................................... 16
1.4 Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia vi nhũ .. 18
1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới ............................................................... 18

1.4.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam .............................................................. 24
1.5 Kết luận chương 1 ...................................................................................... 27

iv


CHƯƠNG 2 PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM VÀ
ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU PHA PHỤ GIA TỚI MỘT SỐ CHI TIẾT CỦA
ĐỘNG CƠ ................................................................................................................ 28
2.1 Giới thiệu chung ......................................................................................... 28
2.2 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam ........................................ 29
2.2.1 Chất hoạt động bề mặt ........................................................................ 29
2.2.2 Phụ gia vi nhũ nước trong dầu ............................................................ 29
2.2.3 Phụ gia nano oxit kim loại .................................................................. 31
2.3 Đánh giá khả năng phù hợp khi kết hợp tạo phụ gia vi nhũ thế hệ mới .... 32
2.4 Lựa chọn tỷ lệ các thành phần trong phụ gia vi nhũ thế hệ mới ................ 34
2.4.1 Chọn dầu diesel ................................................................................... 34
2.4.2 Lựa chọn tỷ lệ các thành phần ............................................................ 34
2.4.3 Phương pháp và quy trình phối trộn ................................................... 38
2.5 Đánh giá chất lượng phụ gia pha vào nhiên liệu diesel ............................. 39
2.5.1 Đánh giá chất lượng từng phụ gia ....................................................... 39
2.5.2 Đánh giá chất lượng diesel pha phụ gia .............................................. 40
2.6 Đánh giá tương thích vật liệu ..................................................................... 42
2.6.1 Phương pháp đánh giá ......................................................................... 42
2.6.1.1 Các tiêu chuẩn đánh giá tương thích vật liệu ............................... 42
2.6.1.2 Xây dựng quy trình thử nghiệm tương thích vật liệu ................... 43
2.6.2 Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm .............................................. 44
2.6.2.1 Thiết bị phục vụ trong đánh giá ................................................... 44
2.6.2.2 Các chi tiết sử dụng trong đánh giá .............................................. 44
2.6.3 Kết quả đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới các chi tiết

.......................................................................................................................... 46
2.6.3.1 Đánh giá ngoại quan và cấu trúc tế vi .......................................... 46
2.6.3.2 Đánh giá sự thay đổi khối lượng .................................................. 47
2.7 Kết luận chương 2 ...................................................................................... 49
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN
LIỆU PHA PHỤ GIA VI NHŨ THẾ HỆ MỚI ........................................................ 50
3.1 Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost .......................... 50
3.1.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất ................................................. 50
3.1.2 Mơ hình cháy ...................................................................................... 51
3.1.3 Mơ hình truyền nhiệt ........................................................................... 55
3.1.3.1 Truyền nhiệt trong xy lanh ........................................................... 55
3.1.3.2 Trao đổi nhiệt trên thành xy lanh ................................................. 56
3.1.3.3 Trao đổi nhiệt tại cửa nạp và cửa thải .......................................... 56
3.1.4 Mơ hình tính chuyển vị piston ............................................................ 57
3.1.5 Mơ hình nạp thải ................................................................................. 58
3.1.6 Mơ hình lọt khí .................................................................................... 58

v


3.1.7 Mơ hình tính tốn hàm lượng các thành phần phát thải ...................... 58
3.1.7.1 Mơ hình tính lượng phát thải NOx ............................................... 59
3.1.7.2 Mơ hình tính lượng phát thải bồ hóng (soot) ............................... 59
3.1.7.3 Phát thải CO ................................................................................. 60
3.1.8 Mơ hình nhiên liệu .............................................................................. 60
3.2 Nghiên cứu mơ phỏng động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu diesel pha
phụ gia .................................................................................................................. 61
3.2.1 Đối tượng mô phỏng ........................................................................... 61
3.2.2 Xây dựng mơ hình mơ phỏng ............................................................. 62
3.3 Kết quả tính tốn mơ phỏng ....................................................................... 64

3.3.1 Đánh giá độ chính xác mơ hình .......................................................... 65
3.3.1.1 Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ............................. 65
3.3.1.2 Áp suất xy lanh............................................................................. 67
3.3.1.3 Phát thải ........................................................................................ 68
3.3.2 Ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia ............................................... 69
3.3.2.1 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ........................................... 70
3.3.2.2 Phát thải động cơ .......................................................................... 71
3.3.2.3 Đặc tính của q trình cháy.......................................................... 75
3.3.2.4 Tốc độ hình thành phát thải động cơ ............................................ 79
3.4 Kết luận chương 3 ...................................................................................... 80
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................. 82
4.1 Thử nghiệm động cơ trong PTN ................................................................ 82
4.1.1 Mục đích thử nghiệm .......................................................................... 82
4.1.2 Trang thiết bị thử nghiệm.................................................................... 82
4.1.3 Đối tượng và quy trình thử nghiệm động cơ trong PTN ..................... 84
4.1.3.1 Động cơ và nhiên liệu thử nghiệm ............................................... 84
4.1.3.2 Quy trình thử nghiệm ................................................................... 85
4.1.4 Kết quả thử nghiệm ............................................................................. 85
4.1.4.1 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia với nhiên liệu DO .. 85
4.1.4.2 Kết quả diễn biến áp suất trong xy lanh và số hạt PM trong khí
thải với nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 ................................................. 92
4.1.4.3 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 theo đặc
tính tải ........................................................................................................... 94
4.1.4.4 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn phụ gia với nhiên liệu B5 ... 96
4.1.4.5 Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B5, B5-phụ gia 1/8000 theo đặc
tính tải ......................................................................................................... 100
4.2 Thử nghiệm hiện trường .......................................................................... 102
4.2.1 Quy trình và trang thiết bị thử nghiệm .............................................. 102
4.2.1.1 Quy trình thử nghiệm ................................................................. 102
4.2.1.2 Đối tượng thử nghiệm ................................................................ 104

4.2.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm ........................................................... 105
4.2.2 Kết quả thử nghiệm ........................................................................... 105

vi


4.2.2.1 Kết quả thử nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu hao ...................... 105
4.2.2.2 Kết quả thử nghiệm đo phát thải ................................................ 106
4.3 Kết luận chương 4 .................................................................................... 108
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................ 110
Kết luận .......................................................................................................... 110
Hướng nghiên cứu tiếp theo ........................................................................... 111
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 113
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 1
Phụ lục 1 Các trang thiết bị thử nghiệm ............................................................. 1
Phụ lục 2 Kết quả mô phỏng động cơ .............................................................. 13
Phụ lục 3 Kết quả thử nghiệm động cơ ............................................................ 14
Phụ lục 4 Một số hình ảnh thử nghiệm ............................................................ 18

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Ký hiệu bằng chữ cái La tinh
Ký hiệu
p
Ne
Me
n

ge
T-Exh
CO
HC
NOx
CO2
PM
Soot

Giải thích
Áp suất xy lanh
Công suất
Mômen
Tốc độ động cơ
Suất tiêu hao nhiên liệu
Nhiệt độ khí xả
Mơnơxit cácbon
Hydrocacbon
Ơxit nitơ
Cácbonníc
Chất thải dạng hạt – Particulate Matter
Phát thải bồ hóng

Đơn vị
bar
kW
N.m
Vịng/phút
g/kWh
0

C
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
mg/m3

2. Ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp
Ký hiệu





Giải thích
Góc quay trục khuỷu
Hệ số dư lượng khơng khí
Khối lượng riêng
Tỷ số nén

Đơn vị
độ
kg/m3
-

3. Các chữ viết tắt
Ký hiệu
DO
TN

MP
ĐCT
ĐCD
PTN
HĐBM
HCCI

Giải thích
Nhiên liệu diesel khống
Thực nghiệm
Mơ phỏng
Điểm chết trên
Điểm chết dưới
Phịng thí nghiệm
Hoạt động bề mặt
Cháy do nén hỗn hợp đồng nhất

EGR
CRT

Luân hồi khí xả
Bẫy hạt tái sinh liên tục

CR
SCR
DOC

Hệ thống phun nhiên liệu tích áp
Thiết bị khử chọn lọc bằng xúc tác
Xử lý oxy hóa

viii

Tiếng Anh

Homogeneous
Charge
Compression Ignition
Exhaust Gas Recirculation
Continously
Regenerating
Trap
Common Rail
Selective Catalytic Reduction
Diesel Oxidation Catalyst


DPF
B
B5
BMEP
BSEC
BSFC
LPG
BKHCN
BTNMT
TCVN
QCVN
ASTM
EN

EPA
TUV
mCERTs
W/O
O/W
ppm
A/F
ETB
CEBII
IDI
ECU
HEUI
TEM
DLS
LSU
MCC
DiSCmini

Lọc muội than
Diesel Particulate Filter
Nhiên liệu diesel sinh học
Biodiesel
Nhiên liệu 95% dầu diesel + 5%
biodiesel
Áp suất có ích trung bình
Brake
Mean
Effective
Pressure
Suất tiêu hao năng lượng

Brake Specific Eenergy
Consumption
Suất tiêu hao nhiên liệu
Brake
Specific
Fuel
Consumption
Khí dầu mỏ hóa lỏng
Liquefied Petroleum Gas
Bộ Khoa học cơng nghệ
Bộ Tài nguyên môi trường
Tiêu chuẩn Việt Nam
Quy chuẩn Việt Nam
Hiệp hội tiêu chuẩn về thử nghiệm American Society for Testing
và vật liệu Hoa Kỳ
and Materials
Tiêu chuẩn Châu Âu
European Standard
Cơ quan bảo vệ môi trường (Hoa Environmental
Protection
Kỳ)
Agency
Cơ quan kiểm định kỹ thuật (Đức) Technischer
Überwachungsverein
Cơ quan Chứng nhận Giám sát Môi Monitoring
Certification
trường (Anh)
Scheme
Nước trong Dầu
Water/Oil

Dầu trong Nước
Oil/Water
Phần triệu
Part per million
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu
Air/Fuel
Băng thử động lực học động cơ
High
Dynamic
Engine
Testbed
Tủ phân tích khí thải
Combustion Emission Bench
Buồng cháy ngăn cách
Indirect Injection
Bộ điều khiển điện tử
Electronic Control Unit
Vòi phun điều khiển thủy lực điện Hydraulic Electronic Unit
từ.
Injector
Kính hiển vi điện tử
Transmission
Electron
Microscopy
Phương pháp tán xạ động
Dynamic Light Scattering
Cảm biến Lambda
Lambda Sensor Unit
Mơ hình cháy có điều khiển hỗn hợp Mixing
Controlled

Combustion
Bộ đếm hạt
Diffusion Size Classifier
Miniature

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của nhiên liệu diesel theo QCVN
01:2015/BKHCN [8] .................................................................................................. 6
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn diesel sinh học Châu Âu và Mỹ ........................................... 9
Bảng 1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản cho nhiên liệu diesel B5 [8] .................... 10
Bảng 1.4 So sánh nhiên liệu nhũ tương và phụ gia vi nhũ nước trong dầu ......... 15
Bảng 2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng nước trong phụ gia với chất HĐBM lựa chọn
.................................................................................................................................. 30
Bảng 2.2 Độ bền và kích thước phụ gia nano oxit sắt ......................................... 31
Bảng 2.3 Các tính chất của phụ gia chứa nano oxit sắt ....................................... 32
Bảng 2.4 Kết quả thử nghiệm độ bền nhiên liệu diesel khi phối trộn phụ gia nano
oxit sắt vào dầu DO .................................................................................................. 32
Bảng 2.5 Đánh giá ngoại quan và kích thước hạt nhũ với các tỷ lệ khác nhau của
các phụ gia trong phụ gia vi nhũ thế hệ mới ............................................................ 33
Bảng 2.6 Ngoại quan và kích thước hạt nhũ nhiên liệu pha phụ gia nano oxit sắt
với các tỷ lệ phối trộn khác nhau .............................................................................. 34
Bảng 2.7 Ngoại quan và kích thước hạt nhũ nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ nước
trong dầu với các tỷ lệ phối trộn khác nhau ............................................................. 35
Bảng 2.8 Ngoại quan và kích thước hạt nhũ nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ
mới với các tỷ lệ phối trộn khác nhau ...................................................................... 36
Bảng 2.9 Yêu cầu về nguyên liệu phối trộn ......................................................... 38
Bảng 2.10 Tính chất mẫu phụ gia vi nhũ nước trong dầu .................................... 39

Bảng 2.11 Tính chất mẫu phụ gia vi nhũ thế hệ mới ........................................... 39
Bảng 2.12 Chỉ tiêu chất lượng, tính chất nhiên liệu diesel và diesel pha phụ gia vi
nhũ thế hệ mới .......................................................................................................... 40
Bảng 2.13 Hàm lượng Fe-Mn và hàm lượng nhựa thực tế của mẫu dầu DO có phụ
gia và dầu DO ........................................................................................................... 41
Bảng 2.14 Bảng tiến trình đo thử nghiệm ............................................................ 44
Bảng 2.15 Sự thay đổi khối lượng của các mẫu chi tiết thử nghiệm ................... 48
Bảng 3.1 Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải [46] ...... 57
Bảng 3.2 Phản ứng hình thành phát thải NOx [46] .............................................. 59
Bảng 3.3 Thơng số cơ bản của động cơ D4BB theo catalog [51] ........................ 61
Bảng 3.4 Các phần tử xây dựng mơ hình động cơ D4BB .................................... 63
Bảng 3.5 Một số thông số định nghĩa nhiên liệu diesel [46] ............................... 63
Bảng 3.6 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình xác định từ thực nghiệm với
nhiên liệu DO............................................................................................................ 65
Bảng 3.7 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình xác định từ thực nghiệm với
nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 .................................................................................. 65
Bảng 3.8 Giá trị và sai lệch công suất của nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000 .. 66
Bảng 3.9 Giá trị và sai lệch suất tiêu hao nhiên liệu của nhiên liệu DO, DO-phụ
gia 1/8000 ................................................................................................................. 67
Bảng 3.10 Giá trị và sai lệch các phát thải của nhiên liệu DO, DO-phụ gia 1/8000
.................................................................................................................................. 68
Bảng 3.11 Thông số điều chỉnh khi mô phỏng đối với từng tỷ lệ pha phụ gia .... 69

x


Bảng 3.12 Lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình trong tính tốn đánh giá đối
chứng ........................................................................................................................ 70
Bảng 3.13 Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia ... 70
Bảng 3.14 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DOphụ gia ...................................................................................................................... 70

Bảng 3.15 Phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia
.................................................................................................................................. 71
Bảng 3.16 Phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia
.................................................................................................................................. 72
Bảng 3.17 Phát thải độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ
gia ............................................................................................................................. 73
Bảng 4.1 Một số tính chất chính của diesel khống và diesel sinh học sử dụng trong
nghiên cứu ................................................................................................................ 84
Bảng 4.2 Sự thay đổi giá trị công suất (Ne) của động cơ khi sử dụng nhiên liệu với
các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ........................................................ 86
Bảng 4.3 Sự thay đổi giá trị suất tiêu hao nhiên liệu (ge) của động cơ khi sử dụng
nhiên liệu với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ................................. 86
Bảng 4.4 Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu
với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải .................................................. 89
Bảng 4.5 Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ khi sử dụng nhiên liệu
với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải .................................................. 90
Bảng 4.6 Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu
với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải .................................................. 90
Bảng 4.7 Sự thay đổi độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu với các tỷ lệ phụ
gia khác nhau ở chế độ 100% tải .............................................................................. 90
Bảng 4.8 Kết quả cải thiện số hạt của DO và DO-phụ gia tỷ lệ 1/8000 theo đường
đặc tính ngồi............................................................................................................ 93
Bảng 4.9 Suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải của các nhiên liệu thử nghiệm
theo chế độ tải ........................................................................................................... 94
Bảng 4.10 Sự thay đổi giá trị công suất (Ne) của động cơ khi sử dụng nhiên liệu
B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ............................................. 97
Bảng 4.11 Sự thay đổi giá trị suất tiêu hao nhiên liệu (ge) của động cơ khi sử dụng
nhiên liệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ............................ 97
Bảng 4.12 Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu
B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ............................................. 99

Bảng 4.13 Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ khi sử dụng nhiên liệu
B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ............................................. 99
Bảng 4.14 Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên
liệu B5 với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải...................................... 99
Bảng 4.15 Sự thay đổi hàm lượng độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B5
với các tỷ lệ phụ gia khác nhau ở chế độ 100% tải ................................................ 100
Bảng 4.16 Suất tiêu hao nhiên liệu và các phát thải của các nhiên liệu thử nghiệm
theo chế độ tải ......................................................................................................... 101
Bảng 4.17 Thông số cơ bản động cơ CAT 3408E [59]...................................... 104
Bảng 4.18 Sự thay đổi lượng nhiên liệu tiêu hao khi sử dụng nhiên liệu DO và DOphụ gia 1/8000 ở chế độ tĩnh .................................................................................. 106

xi


Bảng 4.19 Sự thay đổi trung bình lượng nhiên liệu tiêu hao ở xe số 1 với nhiên liệu
DO và DO-phụ gia 1/8000 ở chế độ động .............................................................. 106
Bảng 4.20 Sự thay đổi trung bình lượng nhiên liệu tiêu hao ở xe số 2 với nhiên liệu
DO và DO-Phụ gia 1/8000 ở chế độ động ............................................................. 106
Bảng 4.21 Sự thay đổi trung bình lượng phát thải xe số 1 với nhiên liệu DO và
DO-Phụ gia 1/8000 ................................................................................................. 107
Bảng 4.22 Sự thay đổi trung bình lượng phát thải xe số 2 với nhiên liệu DO và
DO-Phụ gia 1/8000 ................................................................................................. 108

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nhu cầu, dự báo sản phẩm dầu khu vực châu Á – Thái Bình Dương và
Việt Nam giai đoạn 2000  2035 [4, 5] ...................................................................... 5
Hình 1.2 Quá trình phun nhiên liệu và cấu tạo phụ gia nước trong dầu (W/O) [13,

14] ............................................................................................................................. 13
Hình 1.3 Cơ chế vi nổ của nhiên liệu diesel pha phụ gia nước trong dầu W/O [14]
.................................................................................................................................. 14
Hình 1.4 Chuỗi phân tử nano CeO2 [18] .............................................................. 16
Hình 1.5 Cơ chế vi nổ của nhiên liệu vi nhũ nước trong dầu, chứa nano oxit kim
loại [21]..................................................................................................................... 17
Hình 1.6 Sơ đồ khối pha trộn nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới ................................. 18
Hình 1.7 Suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải NOx với các nhiên liệu thử nghiệm
[24]............................................................................................................................ 19
Hình 1.8 Kết quả phát thải đối với các nhiên liệu có hàm lượng nước khác nhau
[22]............................................................................................................................ 19
Hình 1.9 Suất tiêu hao năng lượng và áp suất trong xy lanh nhiên liệu thử nghiệm
[25]............................................................................................................................ 20
Hình 1.10 Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo đường đặc tính ngồi [26] 21
Hình 1.11 Kết quả thử nghiệm ảnh hưởng của phụ gia trên cơ sở kim loại [27] 22
Hình 1.12 Suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải NOx, CO tại tốc độ 2000 vòng/phút
[28]............................................................................................................................ 22
Hình 1.13 Ảnh hưởng của nồng độ phụ gia nano oxit sắt tới suất tiêu hao nhiên
liệu và các phát thải động cơ ở tải trọng khác nhau [29]......................................... 23
Hình 1.14 Kết quả thử nghiệm ảnh hưởng của phụ gia CeO2 tới nhiên liệu W/O
[21]............................................................................................................................ 24
Hình 1.15 Mức độ cải thiện các thông số khảo sát với phụ gia CeO2 [35] .......... 25
Hình 1.16 Mức độ cải thiện hiệu quả khi thử nghiệm [38] .................................. 26
Hình 2.1 Quy trình chế tạo, lựa chọn tỷ lệ các phụ gia thành phần và đánh giá chất
lượng phụ gia vi nhũ thế hệ mới ............................................................................... 28
Hình 2.2 Mơ tả cấu tạo chất HĐBM và minh họa xu hướng tạo đám (mixen) trong
phụ gia vi nhũ nước trong dầu .................................................................................. 29
Hình 2.3 Ảnh TEM của mẫu phụ gia chứa oxit sắt và chai mẫu chứa phụ gia nano
oxit sắt....................................................................................................................... 31
Hình 2.4 Hàm lượng nước trong các mẫu nhiên liệu ........................................... 36

Hình 2.5 Hàm lượng Fe-Mn trong các mẫu nhiên liệu pha phụ gia .................... 37
Hình 2.6 Hàm lượng nhựa thực tế trong các mẫu nhiên liệu pha phụ gia ........... 37
Hình 2.7 Hình ảnh các mẫu DO pha phụ gia ....................................................... 38
Hình 2.8 Dải phân bố kích thước hạt nhũ nước của mẫu nhiên liệu pha phụ gia 41
Hình 2.9 Các chi tiết thử nghiệm ......................................................................... 45
Hình 2.10 Lọ đựng mẫu gioăng khi bắt đầu thử nghiệm và sau khi thử nghiệm. 45
Hình 2.11 Lọ đựng piston bơm cao áp khi bắt đầu thử nghiệm và sau khi thử
nghiệm ...................................................................................................................... 46
Hình 2.12 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử piston
bơm cao áp ................................................................................................................ 46

xiii


Hình 2.13 Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử gioăng
làm kín ...................................................................................................................... 47
Hình 2.14 Đồ thị tăng khối lượng chi tiết so với 0h ............................................ 49
Hình 3.1 Cân bằng năng lượng trong xy lanh ...................................................... 50
Hình 3.2 Các giai đoạn quá trình cháy [47] ......................................................... 52
Hình 3.3 Sơ đồ tính chuyển vị piston ................................................................... 57
Hình 3.4 Kết quả thử nghiệm Ne, Me theo đường đặc tính ngồi động cơ D4BB 62
Hình 3.5 Mơ hình động cơ D4BB ........................................................................ 62
Hình 3.6 Sơ đồ khối tính tốn mơ phỏng ............................................................. 64
Hình 3.7 So sánh kết quả công suất của mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu DO
và DO-phụ gia 1/8000 .............................................................................................. 66
Hình 3.8 So sánh kết quả suất tiêu hao nhiên liệu giữa mô phỏng và thử nghiệm
nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000....................................................................... 67
Hình 3.9 So sánh kết quả áp suất xy lanh giữa mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu
DO và DO-phụ gia 1/8000 tại tốc độ 2000 vịng/phút ............................................. 68
Hình 3.10 So sánh kết quả các phát thải của mô phỏng và thử nghiệm nhiên liệu

DO và DO-phụ gia 1/8000 tại tốc độ 2000 vịng/phút ............................................. 68
Hình 3.11 Các thơng số điều chỉnh khi mô phỏng với các tỷ lệ khác nhau. ........ 69
Hình 3.12 Cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu DO và DO-phụ gia theo đường
đặc tính ngồi............................................................................................................ 71
Hình 3.13 Phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia 72
Hình 3.14 Phát thải NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ gia
.................................................................................................................................. 73
Hình 3.15 Phát thải độ khói của động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO và DO-phụ
gia ............................................................................................................................. 74
Hình 3.16 Mức độ cải thiện hiệu quả khi tính tốn mơ phỏng động cơ sử dụng
nhiên liệu diesel pha phụ gia tỷ lệ 1/8000 ................................................................ 74
Hình 3.17 Diễn biến áp suất xy lanh của nhiên liệu DO và DO-phụ gia 1/8000 ở
tốc độ 2000 vòng/ phút và 3500 vịng/phút .............................................................. 75
Hình 3.18 Diễn biến phần nhiên liệu đã cháy của DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc
độ 2000 vịng/phút và 3500 vịng/phút ..................................................................... 75
Hình 3.19 Tốc độ tỏa nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở
tốc độ 2000 vịng/phút và 3500 vịng/phút ............................................................... 76
Hình 3.20 Nhiệt độ cháy trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000 ở tốc
độ 2000 vòng/phút và 3500 vịng/phút ..................................................................... 76
Hình 3.21 Tốc độ thay đổi nhiệt độ trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia
1/8000 ở tốc độ 2000 vịng/phút và 3500 vịng/phút. ............................................... 77
Hình 3.22 Diễn biến hệ số truyền nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia
1/8000 ở tốc độ 2000 vòng/phút và 3500 vịng/phút ................................................ 77
Hình 3.23 Tốc độ truyền nhiệt trong xy lanh khi dùng DO và DO-phụ gia 1/8000
ở tốc độ 2000 vịng/phút và 3500 vịng/phút ............................................................ 78
Hình 3.24 Tốc độ hình thành phát thải CO trong xy lanh .................................... 79
Hình 3.25 Tốc độ hình thành phát thải NOx trong xy lanh .................................. 79
Hình 3.26 Tốc độ hình thành phát thải Soot trong xy lanh .................................. 80
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm ............................................................ 83
Hình 4.2 Diễn biến Ne và ge của động cơ theo đường đặc tính ngồi .................. 85

xiv


Hình 4.3 Sự thay đổi trung bình cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu với các tỷ lệ
khác nhau ở chế độ 100% tải .................................................................................... 86
Hình 4.4 Diễn biến phát thải CO, HC, NOx, độ khói của động cơ trên đường đặc
tính ngồi .................................................................................................................. 87
Hình 4.5 Vùng hình thành phát thải [54] ............................................................. 88
Hình 4.6 Sơ đồ vi nổ của nhiên liệu diesel và diesel pha phụ gia vi nhũ nước trong
dầu [57] ..................................................................................................................... 89
Hình 4.7 Sự thay đổi trung bình các phát thải CO, HC, NOx và độ khói với các tỷ
lệ khác nhau ở chế độ 100% tải ................................................................................ 91
Hình 4.8 Mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm nhiên liệu DO-phụ gia 1/8000 91
Hình 4.9 Diễn biến áp suất xy lanh đối với các nhiên liệu thử nghiệm theo đường
đặc tính ngồi............................................................................................................ 92
Hình 4.10 Kết quả số hạt và mức độ cải thiện của nhiên liệu DO-phụ gia so với
DO theo đường đặc tính ngồi ................................................................................. 93
Hình 4.11 Sự cải thiện hiệu quả ge, các phát thải CO, HC, NOx, độ khói, số hạt
theo đặc tính tải......................................................................................................... 95
Hình 4.12 Diễn biến Ne, ge của động cơ nhiên liệu B5 và B5-phụ gia với các tỷ lệ
trên đường đặc tính ngồi ......................................................................................... 96
Hình 4.13 Diễn biến phát thải CO, HC, NOx, độ khói của động cơ nhiên liệu B5
trên đường đặc tính ngồi ......................................................................................... 98
Hình 4.14 Mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm nhiên liệu B5-phụ gia 1/8000
................................................................................................................................ 100
Hình 4.15 Sự thay đổi trung bình ge, các phát thải CO, HC, NOx và độ khói theo
đặc tính tải .............................................................................................................. 101
Hình 4.16 Quy trình thử nghiệm đo tiêu hao nhiên liệu .................................... 102
Hình 4.17 Tuyến đường thực hiện thử nghiệm ở chế độ động .......................... 103

Hình 4.18 Quy trình thử nghiệm đo phát thải .................................................... 104
Hình 4.19 Ô tô tải CAT 769D tại hiện trường thử nghiệm. ............................... 104
Hình 4.20 Kết quả thử nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu hao ............................. 105
Hình 4.21 Kết quả thử nghiệm đo phát thải trên ô tô tải CAT 769D ................. 107
Hình 4.22 Mức độ cải thiện hiệu quả thử nghiệm tại hiện trường của nhiên liệu
DO-phụ gia 1/8000 ................................................................................................. 108

xv



MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn đề tài
Động cơ diesel là nguồn động lực có hiệu suất cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực của nền kinh tế như xây dựng, công nghiệp, nông nghiệp... và đặc biệt là giao
thông vận tải. Đến nay hầu hết các động cơ diesel vẫn đang sử dụng nhiên liệu diesel
(dầu DO) có nguồn gốc hóa thạch. Với mức độ phát triển nhanh chóng của các ngành
kinh tế ở hầu hết các châu lục trên thế giới, nhu cầu tiêu thụ năng lượng nói chung,
nhiên liệu diesel nói riêng ngày càng lớn dẫn tới khả năng thiếu hụt nguồn năng lượng
hóa thạch. Bên cạnh đó, khí thải từ động cơ diesel có chứa nhiều chất độc hại gây ô
nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Vì vậy, tìm kiếm giải pháp
để sử dụng nhiên liệu một cách hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ động
cơ diesel là vấn đề đã và đang được quan tâm nghiên cứu.
Hiện nay có ba hướng nghiên cứu để giải quyết vấn đề này gồm hướng liên quan
đến kết cấu động cơ, xử lý khí thải và nhiên liệu. Hướng liên quan đến kết cấu động
cơ gồm cơng nghệ ln hồi khí xả (Exhaust Gas Recirculation - EGR), công nghệ
tăng áp động cơ, hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail (CR), công nghệ điều
khiển điện tử, công nghệ cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (Homogeneous Charge
Compression Ignition - HCCI)... Hướng liên quan đến xử lý khí thải là sử dụng các
bộ xúc tác để xử lý các phát thải CO, HC, NOx, muội như các bộ xử lý oxy hóa (Diesel

Oxidation Catalyst - DOC), lọc muội than (Diesel Particulate Filter - DPF), khử NOx
có chọn lọc (Selective Catalytic Reduction – SCR)... Hai hướng trên đi kèm với giá
thành cao và thường phù hợp với các thiết kế động cơ mới, khó can thiệp vào các
động cơ có thiết kế cũ, đang vận hành. Hướng nghiên cứu liên quan đến nhiên liệu
gồm sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như cồn ethanol, biodiesel, khí sinh học,
CNG, DME... hoặc sử dụng phụ gia để cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu truyền
thống. Việc sản xuất các loại nhiên liệu thay thế thường yêu cầu công nghệ cao, quy
mô lớn để đáp ứng nhu cầu sử dụng dẫn tới chi phí đầu tư và giá thành nhiên liệu cao.
Đồng thời, động cơ đốt trong truyền thống khi sử dụng các loại nhiên liệu thay thế
nói chung cũng cần có những thay đổi nhất định. Trong khi đó, phụ gia nhiên liệu
được phối trộn với tỷ lệ nhỏ trong nhiên liệu, quy mô sản xuất khơng cần lớn. Bên
cạnh đó, nhiên liệu pha phụ gia có thể sử dụng trên động cơ truyền thống mà không
cần phải thay đổi kết cấu hoặc điều chỉnh thông số làm việc của động cơ. Cho đến
nay, đã có một số loại phụ gia nhiên liệu được ứng dụng trong thực tế nhưng hầu hết
được sản xuất ở nước ngoài. Do vậy, nghiên cứu phát triển loại phụ gia nhiên liệu có
tính hiệu quả và tính kinh tế cao, có thể sản xuất trong điều kiện Việt Nam là cần
thiết.
Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội là đơn vị phối thực hiện
đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng
cho động cơ diesel“, mã số ĐTĐLCN.03/16 do GS.TS Vũ Thị Thu Hà chủ nhiệm,
Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam chủ trì. Mục tiêu của đề tài (1) nghiên cứu phát
triển phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên cơ sở nước, chất hoạt động bề mặt (HĐBM)
nguồn gốc tự nhiên và nano oxit kim loại dùng trên động cơ diesel nhằm giảm tiêu

1


thụ nhiên liệu và phát thải độc hại; (2) Xây dựng và làm chủ công nghệ chế tạo phụ
gia; (3) Thử nghiệm nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng sử dụng của phụ gia.
Trên cơ sở đó, NCS lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia

vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải
và tương thích vật liệu động cơ diesel” nhằm nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ phối trộn
và đánh giá hiệu quả của phụ gia nhiên liệu được chế tạo trong đề tài nghiên cứu nêu
trên đối với động cơ diesel đang lưu hành ở Việt Nam.

ii. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu đề xuất tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới phù hợp với nhiên
liệu diesel đang lưu hành và nghiên cứu bước đầu với nhiên liệu biodiesel B5.
- Đánh giá khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết chính trong hệ thống
nhiên liệu động cơ diesel với nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia tới tính năng kinh tế, kỹ thuật,
phát thải của động cơ diesel đang lưu hành. Qua đó đánh giá hiệu quả và khả năng sử
dụng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam.

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
Phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới do Viện Hóa học cơng nghiệp Việt Nam chế
tạo, đây là loại phụ gia vi nhũ nước trong dầu (W/O), thành phần gồm chất HĐBM
10,3%, nước 20% và nano oxit sắt 220ppm.
Nhiên liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm diesel thông thường và nhiên liệu B5
(hỗn hợp 5% biodiesel và 95% diesel).
Động cơ thử nghiệm trong phịng thí nghiệm (PTN) là động cơ diesel D4BB của
hãng Hyundai.
Thử nghiệm hiện trường thực hiện trên xe ô tô CAT 769D của hãng Caterpillar
(Mỹ), sử dụng động cơ CAT 3408E, 4 kỳ, 8 xy lanh, công suất 386kW.
- Phạm vi nghiên cứu của luận án:
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới tới tính năng kinh tế, kỹ
thuật và phát thải được thực hiện trong phịng thí nghiệm (mô phỏng và thực nghiệm)
ở các chế độ ổn định.
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới tới vật liệu của một số chi

tiết chính trong hệ thống nhiên liệu động cơ diesel.
+ Nghiên cứu trên hiện trường ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu tới lượng tiêu hao
nhiên liệu ở các chế độ tĩnh và động, tới các phát thải động cơ ở chế độ tĩnh.

2


iv. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với
nghiên cứu thực nghiệm. Cụ thể:
Nghiên cứu lý thuyết thực hiện qua việc ứng dụng phần mềm AVL – Boost nghiên
cứu mô phỏng động cơ diesel D4BB sử dụng nhiên liệu DO và nhiên liệu DO pha
phụ gia.
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các nội dung đánh giá khả năng tương
thích vật liệu của một số chi tiết trong hệ thống nhiên liệu diesel với nhiên liệu pha
phụ gia vi nhũ thế hệ mới, đánh giá đối chứng ảnh hưởng của nhiên liệu pha phụ gia
tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ ô tô trong PTN và trên hiện
trường.

v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Luận án đã đề xuất được tỷ lệ phối trộn phụ gia vi nhũ thế hệ mới hợp lý 1/8000
cho nhiên liệu diesel đảm bảo chất lượng nhiên liệu, cải thiện tính năng kỹ thuật và
phát thải động cơ diesel và bước đầu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel B5
pha phụ gia trên động cơ.
- Đánh giá được hiệu quả của phụ gia vi nhũ thế hệ mới sản xuất tại Việt Nam tới
tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel đang lưu hành.
- Kết quả của luận án là cơ sở để ứng dụng phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên các
phương tiện vận tải đang lưu hành tại Việt Nam.

vi. Tính mới của đề tài

Luận án đã đánh giá tương đối toàn diện ảnh hưởng của phụ gia vi nhũ thế hệ mới
được nghiên cứu phát triển ở Việt Nam tới động cơ diesel đang lưu hành, bao gồm
đầy đủ các bước nghiên cứu mô phỏng, nghiên cứu trong PTN và nghiên cứu ngoài
hiện trường.

vii. Các nội dung chính luận án
Thuyết minh của luận án gồm các phần chính sau:
Mở đầu.
Chương 1 Tổng quan về phụ gia cho nhiên liệu diesel.
Chương 2 Phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam và ảnh hưởng của nhiên
liệu pha phụ gia tới một số chi tiết của động cơ.
Chương 3 Nghiên cứu mô phỏng động cơ khi sử dụng nhiên liệu pha phụ gia vi
nhũ thế hệ mới.
Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm.
Kết luận chung và hướng phát triển.

3


Với các nội dung nghiên cứu ở trên, luận án vừa kế thừa, vừa phối hợp và phát
triển thêm từ nghiên cứu hợp tác với Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam. Cụ thể
như sau:
- Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam thực hiện chế tạo phụ gia vi nhũ thế hệ
mới, đánh giá chất lượng nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới đảm bảo chất lượng
trong bảo quản, tồn chứa và quy chuẩn Việt Nam (QCVN).
- Luận án phối hợp với Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam nghiên cứu đánh giá
khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết trong hệ thống nhiên liệu diesel với
nhiên liệu pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới và thử nghiệm hiện trường.
- Luận án thực hiện nghiên cứu đánh giá đối chứng ảnh hưởng của nhiên liệu pha
phụ gia vi nhũ thế hệ mới tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ ô tô

bằng mô phỏng và thử nghiệm trong PTN.

4


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU
DIESEL
1.1 Đặc điểm tính chất nhiên liệu diesel
1.1.1 Giới thiệu chung
Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa, đến thế kỷ XVIII, dầu mỏ được
sử dụng làm nhiên liệu đốt cháy, thắp sáng. Sang thế kỷ XIX, dầu mỏ được coi như
là nguồn nhiên liệu chính cho mọi phương tiện giao thông và cho nền kinh tế quốc
dân. Hiện nay dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc
gia trên thế giới. Khoảng 65  70% năng lượng sử dụng từ dầu mỏ, chỉ có 20  25%
năng lượng từ than, 5  6% từ năng lượng nước và 8  12% từ năng lượng hạt nhân
[1].
Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành giao thông
vận tải dẫn đến nhu cầu về nhiên liệu nói chung và nhiên liệu diesel nói riêng ngày
càng tăng cao. Theo khảo sát, nhiên liệu hóa thạch chiếm tới 80% năng lượng tiêu
thụ chính trên thế giới, trong đó 58  66% được tiêu thụ bởi các phương tiện vận tải
[2, 3]. Ở Châu Á – Thái Bình Dương, theo dự báo của Wood Mackenzie, tổng nhu
cầu sản phẩm dầu sẽ tăng trung bình 1,6%/năm từ năm 2015  2035. Năm 2015, mức
độ sử dụng diesel chiếm 30% so với các loại nhiên liệu hóa thạch khác, và duy trì ổn
định đến năm 2035. Ở Việt Nam tỷ lệ này lần lượt là 38% và 42% (Hình 1.1) [4, 5].
Châu Á – Thái Bình Dương

Việt Nam

Hình 1.1 Nhu cầu, dự báo sản phẩm dầu khu vực châu Á – Thái Bình Dương và
Việt Nam giai đoạn 2000  2035 [4, 5]

Động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị máy móc phục vụ phát
triển nền kinh tế do những ưu điểm nổi bật như: kết cấu chắc chắn, làm việc tin cậy,
hiệu suất tương đối cao, thuận lợi trong bảo dưỡng sửa chữa và tiết kiệm nhiên liệu.
Do có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn và sử dụng nhiên liệu rẻ hơn xăng
nên động cơ diesel luôn được ưu tiên sử dụng là nguồn động lực trên các máy phát
điện, máy cơng trình, máy móc nơng nghiệp, trong ngành công nghiệp nặng, và nhất
là trên các phương tiện vận tải đường bộ, đường biển. Tuy nhiên phát thải từ các loại
phương tiện này cũng chiếm một tỷ trọng lớn gây ô nhiễm môi trường [6].

5


1.1.2 Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel
Nhiên liệu diesel bao gồm hỗn hợp của các hydrocacbon có điểm sôi nằm trong
dải từ 1800C đến 3600C, cao hơn so với nhiên liệu xăng. Ước tính có khoảng hơn
10000 chất đồng phân trong nhiên liệu diesel. Giống như xăng, nhiên liệu diesel là
hỗn hợp của các hydrocacbon dạng parafin, ôlefin, naptin và hydrocacbon thơm
nhưng có tỷ lệ tương đối khác nhau. Khối lượng phân tử của nhiên liệu diesel thay
đổi trong khoảng từ 170 đến 200. Nhiên liệu diesel có mật độ năng lượng lớn hơn
khoảng 8% theo thể tích so với xăng, nhưng khả năng bắt cháy kém hơn rất nhiều và
được sử dụng chủ yếu trong các loại ô tô tải hạng nặng [7].
Các chỉ tiêu chất lượng và phương pháp thử tương ứng của nhiên liệu diesel được
quy định trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của nhiên liệu diesel theo QCVN
01:2015/BKHCN [8]
Tên chỉ tiêu
1. Hàm lượng lưu
max.
huỳnh, mg/kg

Mức 2
500

Mức 3
350

Mức 4

Phương pháp thử

50

TCVN 6701 (ASTM D 2622)
TCVN 7760 (ASTM D 5453)
TCVN 3172 (ASTM D 4294)

2. Cetan
min.
- Trị số cetan
46
48
50
TCVN 7630 (ASTM D 613)
- Chỉ số cetan 1)
46
48
50
TCVN 3180 (ASTM D 4737)
3. Nhiệt độ cất tại
90 % thể tích thu max. 360

360
355
TCVN 2698 (ASTM D 86)
hồi, °C
4. Điểm chớp
min.
55
55
55
TCVN 2693 (ASTM D 93)
cháy cốc kín, °C
5. Độ nhớt động
học tại 40 °C,
2,0-4,5 2,0-4,5 2,0-4,5 TCVN 3171 (ASTM D 445)
2
mm /s
6. Điểm đông đặc
max. + 6
+6
+6
TCVN 3753 (ASTM D 97)
2)
, °C
7. Hàm lượng
max. 200
200
200 TCVN 3182 (ASTM D 6304)
nước, mg/kg
8. Hàm lượng chất
thơm đa vòng

ASTM D 5186;
max.
11
11
(PAH), % khối
ASTM D 6591
lượng
Có thể áp dụng chỉ số cetan thay cho trị số cetan, nếu khơng có sẵn động cơ chuẩn
để xác định trị số cetan và không sử dụng phụ gia cải thiện trị số cetan.
2)
Vào mùa đơng, ở các tỉnh, thành phố phía Bắc, các nhà sản xuất, kinh doanh phân
phối nhiên liệu phải đảm bảo cung cấp nhiên liệu diesel có điểm đơng đặc thích hợp
sao cho nhiên liệu khơng gây ảnh hưởng đến sự vận hành của động cơ tại nhiệt độ
môi trường.
1)

6


Bên cạnh nhiên liệu diesel khoáng, hiện nay nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel)
hiện cũng đang được sử dụng khá phổ biến cho động cơ diesel trên thế giới.
Nhiên liệu diesel sinh học 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 cao su...) hoặc mỡ
động vật (ví dụ mỡ cá basa, cá tra, mỡ bị, mỡ lợn, mỡ gà...), được sử dụng rất thơng
dụng trên thị trường Châu Âu, Châu Mỹ và hiện nay bắt đầu xuất hiện ở Châu Á.
Nhiên liệu diesel sinh học là các ankyl este của axit béo.
Với nhiên liệu B5, tính chất và chỉ tiêu chất lượng cơ bản tương tự nhiên liệu diesel
khoáng theo QCVN 01:2015/BKHCN. Hai chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu B5 được
bổ sung thêm so với nhiên liệu diesel là hàm lượng metyl este axit béo (FAME) từ
4 ÷ 5% thể tích và độ ổn định oxy hóa lớn nhất là 25mg/100ml.

1.1.3 Ảnh hưởng của một số thơng số chính của nhiên liệu diesel tới
chất lượng hoạt động của động cơ
Trị số cetan: Trị số cetan là thông số đánh giá khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu
diesel, trị số cetan của diesel càng cao thì khả năng bắt cháy càng cao. Nhiên liệu
diesel thơng thường có trị số cetan từ 50 đến 52 và 53 đến 54 đối với động cơ cao tốc.
Nhiên liệu diesel sinh học là các alkyl este mạch thẳng do vậy nhiên liệu này có trị
số cetan cao hơn diesel khoáng, trị số cetan của nhiên liệu diesel sinh học thường từ
56 đến 58.
Hàm lượng lưu huỳnh: Tùy theo hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu sẽ ảnh
hưởng đến khí thải SOx gây ăn mịn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường. Hàm lượng
lưu huỳnh càng thấp thì lượng phát thải SOx càng giảm. Hiện nay hàm lượng lưu
huỳnh trong nhiên liệu DO trên thị trường từ 0,001 đến 0,05%. Nhiên liệu diesel tái
cấu trúc (RFD) có hàm lượng lưu huỳnh dưới 0,01% [7].
Thành phần oxy: Thành phần oxy trong nhiên liệu ảnh hưởng đến hiệu quả của
quá trình cháy. Lượng oxy càng cao thì quá trình cháy nhiên liệu xảy ra càng tốt làm
muội, cặn trong động cơ giảm đáng kể.
Khả năng bôi trơn: Khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trưng bởi giá trị
HFRR (High-Frequency Receiprocating Rig), với diesel giá trị HFRR là 450. Khả
năng bơi trơn tốt sẽ giảm sự mài mịn của động cơ.
Tính ổn định: Nhiên liệu diesel có tính ổn định cao nên thuận lợi về quá trình vận
chuyển, bảo quản.
Nhiệt độ chớp cháy: Nhiệt độ chớp cháy của nhiên liệu diesel khoáng thấp (khoảng
0
60 C) nên nhiên liệu dễ cháy giúp quá trình cháy triệt để, hiệu quả sinh nhiệt tốt, công
suất cao. Tuy nhiên cần chú ý trong vận chuyển, tồn chứa để đảm bảo an toàn.

7