Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu sinh học trong hỗn hợp diesel ethanol biodiesel tới tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel (1)

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 cấp cơ sở
“Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp
nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel”, mã số T2018-PC-041 do
PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài. Tôi đã đƣợc chủ nhiệm đề tài đồng ý
cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của đề tài cấp cơ sở vào việc viết luận án.
Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa
từng đƣợc ai công bố trong các cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày
Tập thể giáo viên hƣớng dẫn

tháng

năm 2021

Nghiên cứu sinh

GS.TS Phạm Minh Tuấn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến

i

Nguyễn Văn Nhỉnh


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ khí
Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Trung tâm nghiên cứu động cơ, nhiên liệu và
khí thải đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên
cứu tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS

Phạm Hữu Tuyến đã chu đáo, tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tơi thực hiện và hồn
thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài cấp
cơ sở mã số T2018-PC-041 đã đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu
của đề tài vào việc viết luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật
Hƣng Yên, Khoa Cơ khí Động lực cùng các thầy cô trong khoa đã ủng hộ và tạo
điều kiện thuận lợi để tơi có thể hồn thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn các Giáo sƣ, Phó Giáo sƣ, Tiến sĩ và các nhà khoa
học đã dành thời gian quý báu để đọc và góp ý giúp tơi hồn thiện luận án.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những ngƣời
đã ln động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực
hiện công trình này.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Nhỉnh

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.............................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.............................................................................. ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... xi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
i. Sự cần thiết của đề tài ............................................................................................ 1
ii. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 2
iii.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2

iv. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................................ 2
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................ 3
vi. Tính mới của đề tài................................................................................................. 3
vii. Bố cục của luận án ............................................................................................. 3
1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học ............................................................. 4
1.2. Nhiên liệu ethanol và biodiesel .......................................................................... 4
1.2.1. Nhiên liệu ethanol ............................................................................................ 4
1.2.2. Nhiên liệu biodiesel .......................................................................................... 8
1.3. Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel ............................................................ 12
1.3.1. Trên thế giới ................................................................................................... 12
1.3.2. Tại Việt Nam .................................................................................................. 13
1.4. Các kết quả nghiên cứu sử dụng ethanol và biodiesel làm nhiên liệu cho động
cơ diesel .................................................................................................................... 15
1.4.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc .................................................................................. 15
1.4.2. Nghiên cứu trong nƣớc ................................................................................... 24
1.5. Hƣớng tiếp cận của luận án ............................................................................... 27
1.6. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................. 27
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ
PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESELETHANOL-BIODIESEL ......................................................................................... 29
2.1. Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel...................................... 29
2.1.1. Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol .................................................................. 29
2.1.2. Tính chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel ........................... 32
2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanolbiodiesel .................................................................................................................... 34
2.2.1. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng diesel khoáng.................... 34
2.2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol ..... 36
iii


2.2.3. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanolbiodiesel .................................................................................................................... 38
2.3. Nghiên cứu cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp ........................ 39

2.3.1. Cấu trúc của tia phun trong động cơ .............................................................. 39
2.3.2. Cấu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu ....................................................... 43
2.4. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL Boost ..................................... 44
2.4.1. Phƣơng trình nhiệt động học .......................................................................... 44
2.4.2. Lý thuyết tính tốn q trình cháy.................................................................. 46
2.4.3. Lý thuyết tính tốn truyền nhiệt ..................................................................... 50
2.4.4. Lý thuyết tính tốn lƣợng phát thải trong động cơ diesel .............................. 51
2.4.5. Mơ hình nhiên liệu.......................................................................................... 53
2.5. Cơ sở phƣơng pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động cơ ....................... 53
2.5.1. Thành phần và phân bố hạt theo kích thƣớc................................................... 54
2.5.2. Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lƣợng hạt ...................................... 55
2.6. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................. 56
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT
THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESELETHANOL-BIODIESEL ......................................................................................... 58
3.1. Xây dựng mơ hình động cơ diesel và đánh giá độ tin cậy của mô hình. ........... 58
3.1.1. Mục đích và đối tƣợng mơ phỏng .................................................................. 58
3.1.2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng động cơ ........................................................... 60
3.1.3. Đánh giá độ tin cậy của mơ hình mơ phỏng. .................................................. 64
3.2. Tính tốn mơ phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng
hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol và diesel-ethanol-biodiesel................................. 67
3.2.1. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol .............................. 67
3.2.2. Kết quả mô phỏng khi sử dụng nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel .............. 73
3.3. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................. 83
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM...................................................... 85
4.1. Mục đích thử nghiệm ....................................................................................... 85
4.2. Phƣơng pháp, đối tƣợng và chế độ thử nghiệm ............................................... 85
4.2.1. Phƣơng pháp thử nghiệm ............................................................................... 85
4.2.2. Đối tƣợng thử nghiệm.................................................................................... 85
4.2.3. Chế độ thử nghiệm ......................................................................................... 86
4.3. Trang thiết bị thử nghiệm ................................................................................ 86

4.3.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm ................................................................................. 86
4.3.2. Các thiết bị thử nghiệm chính ........................................................................ 87

iv


4.4. Nghiên cứu thực nghiệm cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10,
DE5B5 và DE10B5 .................................................................................................. 91
4.4.1. Các thiết bị sử dụng nghiên cứu ..................................................................... 91
4.4.2. So sánh cấu trúc chùm tia phun nhiên liệu diesel, DE5, DE10, DE5B5 và
DE10B5 .................................................................................................................... 92
4.5. Kết quả thử nghiệm động cơ trên băng thử ....................................................... 94
4.5.1. Tính năng kỹ thuật của động cơ và diễn biến áp suất trong xylanh ............... 94
4.5.2. Ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu tới phát thải động cơ .............................. 98
4.6. So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm với nhiên liệu DE10B5....... 109
4.7. Tính tốn sơ bộ lƣợng ethanol thay thế diesel ................................................. 111
4.8. Kết luận chƣơng 4 ........................................................................................... 112
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 114
HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................................................. 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 116
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 121
MỤC LỤC PHỤ LỤC ............................................................................................ 122

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3] ............................................................... 7
Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza [5] ..................................................... 8
Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất biodiesel ........................................................................... 12

Hình 1.4. Biểu đồ sản lƣợng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015[12]. ....... 13
Hình 1.5. Phát thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại 1200 v/ph
và 1500 v/ph [21]...................................................................................................... 16
Hình 1.6. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 tại
1200 v/ph và 1500 v/ph [21] .................................................................................... 16
Hình 1.7. Suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24]17
Hình 1.8. Phát thải NOx, smoke khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE10, DE30 [24] .. 17
Hình 1.9. So sánh tính năng động cơ của diesel, B5, B20, B70 và B100 [26] ........ 18
Hình 1.10. Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, B70 và B100 [26] .................. 19
Hình 1.11. Đặc tính cháy của nhiên liệu thử nghiệm [35] ....................................... 20
Hình 1.12. Cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của nhiên liệu thử
nghiệm [36]............................................................................................................... 21
Hình 1.13. So sánh áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt của diesel, DB10, DE10B10,
DE20B10[38]............................................................................................................ 22
Hình 1.14. Phát thải của nhiên liệu diesel, B5, B20, DE3B12 và DE4B16 tại 100%
tải [39]....................................................................................................................... 23
Hình 1.15. Phát thải của nhiên liệu diesel, DE15, DE10B10 và DE15B20 [40] ..... 24
Hình 1.16. Thay đổi Ne và ge theo tỷ lệ diesel.......................................................... 25
Hình 1.17. Quan hệ giữa CO, HC, NOx, độ khói và tỷ lệ pha trộn diesel sinh học
[43]............................................................................................................................ 25
Hình 1.18. Mơ men và suất tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5,
DE10 [48] ................................................................................................................. 26
Hình 1.19. Phát thải CO, HC, NOx khi sử dụng nhiên liệu diesel, DE5, DE10 [48] 27
Hình 2.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng ethanol đến độ nhớt nhiên liệu [49,50,51].30
Hình 2.2. Trị số xêtan của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] ................................... 30
Hình 2.3. Nhiệt trị của nhiên liệu diesel-ethanol [49,50] ......................................... 31
Hình 2.4. Hàm lƣợng ơ xy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] ............................... 31
Hình 2.5. Nhiệt độ tự cháy của hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] .............................. 32
Hình 2.6. Nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol [49,50].............. 32
Hình 2.7. Đồ thị khai triển quá trình cháy ở động cơ diesel [56,57,58]. .................. 35

Hình 2.8. So sánh áp suất trong xylanh khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59] .. 36
Hình 2.9. So sánh tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng diesel và diesel-ethanol [59] ......... 37
vi


Hình 2.10. Tốc độ cháy của nhiên liệu diesel-ethanol [59] ...................................... 37
Hình 2.11. Diễn biến áp suất trong xy lanh và tốc độ tỏa nhiệt (pinj = 1200 MPa, n =
1200 v/ph) [37]. ........................................................................................................ 39
Hình 2.12. Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón [60]. ................................. 40
Hình 2.13. So sánh các tia phun với các tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên liệu
khác nhau [62] .......................................................................................................... 43
Hình 2.14. Ảnh hƣởng của tỷ lệ pha trộn diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tính phun
[62]............................................................................................................................ 44
Hình 2.15. Cân bằng năng lƣợng trong xylanh động cơ .......................................... 45
Hình 2.16. Thành phần phát thải hạt đƣợc tạo ra trong quá trình cháy .................... 54
Hình 2.17. Phân bố số lƣợng, khối lƣợng, diện tích bề mặt theo đƣờng kính hạt.... 55
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lấy mẫu xác định số lƣợng hạt trong khí thải56
Hình 3.1. Động cơ diesel Hyundai D4BB ………………………………………..58
Hình 3.2. Đƣờng đặc tính ngồi động cơ thực ......................................................... 59
Hình 3.3. Mơ hình động cơ D4BB ........................................................................... 61
Hình 3.4. Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm........................................................... 65
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phát thải CO ..................................... 66
Hình 3.6. Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm phát thải NOx ................................... 66
Hình 3.7. Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm phát thải NOx ................................... 67
Hình 3.8. Mơmen (a) và suất tiêu hao nhiên liệu (b) theo đặc tính ngồi ................ 68
Hình 3.9. Suất tiêu hao nhiên liệu, sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải ............ 69
Hình 3.10. Hàm lƣợng CO theo đặc tính ngồi ........................................................ 70
Hình 3.11. Hàm lƣợng CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph ....................................... 71
Hình 3.12. Hàm lƣợng NOx theo đƣờng đặc tính ngồi ........................................... 71
Hình 3.13. Hàm lƣợng NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph ...................................... 72

Hình 3.14. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đƣờng đặc
tính ngồi .................................................................................................................. 73
Hình 3.15. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình CO, NOx, soot theo đặc tính
tải tại 2000v/ph ......................................................................................................... 73
Hình 3.16. Mơ men và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngồi .......................... 75
Hình 3.17. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngồi . 76
Hình 3.18. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình tại 2000 v/ph ........... 77
Hình 3.19. Hàm lƣợng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính ngồi............... 78
Hình 3.20. Hàm lƣợng CO và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph
.................................................................................................................................. 79
Hình 3.21. Hàm lƣợng NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngồi .. 80
Hình 3.22. Hàm lƣợng NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại
2000 v/ph .................................................................................................................. 81
vii


Hình 3.23. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngồi .. 82
Hình 3.24. Hàm lƣợng soot và sự thay đổi trung bình đƣờng đặc tính tải tại 2000
v/ph ........................................................................................................................... 83
Hình 4.1. Khuấy hịa trộn hỗn hợp nhiên liệu……………………………………86
Hình 4.2. Sơ đồ thử nghiệm động cơ D4BB ............................................................ 86
Hình 4.3. Băng thử động lực cao động cơ ................................................................ 87
Hình 4.4. Phanh điện APA 100 ................................................................................ 87
Hình 4.5. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của cảm biến tốc độ động cơ ......... 88
Hình 4.6. Thiết bị đo độ đen Smoke Meter AVL 415 .............................................. 89
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của AVL Fuel Balance 733S ......... 89
Hình 4.8. Sơ đồ của hệ thống phân tích khí xả AVL CEBII .................................... 90
Hình 4.9. Sơ đồ khối hệ thống lấy mẫu xác định số hạt trong khí thải .................... 91
Hình 4.10. Thiết bị cân chỉnh vịi phun .................................................................... 92
Hình 4.11. Máy quay Photron Fastcam SA3 tốc độ 3000 FPS ................................ 92

Hình 4.12. Quá trình chụp tia nhiên liệu .................................................................. 92
Hình 4.13. Cấu trúc tia phun nhiên liệu diesel, DE5, ED10, DE5B5 và DE10B5... 93
Hình 4.14. Mơmen và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngồi................ 95
Hình 4.15. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính
ngồi ......................................................................................................................... 96
Hình 4.16. Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải
tại 2000 v/ph ............................................................................................................. 97
Hình 4. 17. Diễn biến áp suất trong xylanh theo đƣờng đặc tính ngồi ................... 98
Hình 4.18. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngồi ....... 99
Hình 4.19. Phát thải CO và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000
v/ph ......................................................................................................................... 100
Hình 4. 20. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngồi .... 101
Hình 4.21. Phát thải HC và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000
v/ph ......................................................................................................................... 102
Hình 4.22. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngồi .... 103
Hình 4.23. Phát thải NOx và sự thay đổi trung bình theo đặc tính tải tại 2000 v/ph
................................................................................................................................ 104
Hình 4.24. Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngồi ............. 105
Hình 4.25. Độ khói và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph
................................................................................................................................ 106
Hình 4.26. Giá trị Lambda theo đƣờng đặc tính ngồi ........................................... 107
Hình 4.27. Giá trị Lambda theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................... 108
Hình 4.28. Số hạt và sự thay đổi trung bình theo đƣờng đặc tính ngồi ................ 109
Hình 4.29. Số hạt trung bình trong khí thải theo đƣờng đặc tính ngồi ................. 109
viii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol [2] ................................................................. 5
Bảng 2.1. Một số tính chất nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol [49,50] ……………29

Bảng 2.2.Một số tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel [49,50,53,54] ...... 33
Bảng 2.3. Chuỗi phản ứng hình thành NOx .............................................................. 51
Bảng 3.1. Các thơng số cơ bản của động cơ D4BB theo catalog [73] ……………59
Bảng 3.2. Thơng số đặc tính ngồi động cơ nghiên cứu .......................................... 59
Bảng 3.3. Tính chất của nhiên liệu mơ phỏng [2,6] ................................................. 60
Bảng 3.4. Các phần tử để xây dựng mơ hình động cơ D4BB .................................. 61
Bảng 3.5. Thành phần hóa học của nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu cọ [63] . 62
Bảng 3.6. Thông số của mô hình nhiên liệu gốc [63] .............................................. 63
Bảng 3.7. So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) công suất, suất tiêu
hao nhiên liệu khi sử dụng diesel ............................................................................. 64
Bảng 3.8. So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) thành phần phát
thải CO ...................................................................................................................... 65
Bảng 3.9. So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) thành phần phát
thải NOx .................................................................................................................... 66
Bảng 3.10. So sánh kết quả thực nghiệm (TN) và mô phỏng (MP) thành phần phát
thải soot khi sử dụng diesel ...................................................................................... 67
Bảng 3.11. So sánh mômen của động cơ khi sử dụng diesel, DE5, DE10 ............... 68
Bảng 3.12. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5,
DE10 ......................................................................................................................... 68
Bảng 3.13. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính tải tại 2000v/ph ............. 69
Bảng 3.14. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính ngồi ................................................ 70
Bảng 3.15. Phát thải CO theo đặc tính tải tại 2000v/ph ........................................... 70
Bảng 3.16. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính ngồi............................................... 71
Bảng 3.17. Phát thải NOx theo đặc tính tải tại 2000v/ph .......................................... 72
Bảng 3.18. Phát thải soot theo đƣờng đặc tính ngồi ............................................... 72
Bảng 3.19. Hàm lƣợng soot theo đặc tính tải tại 2000v/ph ...................................... 73
Bảng 3.20. Mơmen của động cơ khi sử dụng diesel, DE5B5, DE10B5, DE15B5,
DE20B5, DE30B5 tại đặc tính ngồi. ...................................................................... 74
Bảng 3.21. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5B5,
DE10B5, DE15B5, DE20B5, DE30B5 theo đặc tính ngồi. ................................... 75

Bảng 3.22. Suất tiêu hao nhiên liệu tại 2000 v/ph theo đặc tính tải ......................... 76
Bảng 3.23. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính ngồi ................................................ 77
Bảng 3.24. Phát thải CO khi sử dụng diesel, DE5B5,DE10B5, DE15B5, DE20B5
DE30B5, DE50B5 theo đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................................... 78
ix


Bảng 3.25. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính ngồi............................................... 79
Bảng 3.26. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph............................. 80
Bảng 3.27. Phát thải soot theo đƣờng đặc tính ngồi ............................................... 81
Bảng 3.28. Phát thải soot theo đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................................... 82
Bảng 4.1. Chiều dài và góc của tia phun…………………………………………93
Bảng 4.2. Mơ men của động cơ với các mẫu nhiên liệu theo đƣờng đặc tính ngồi 95
Bảng 4.3. Suất tiêu hao nhiên liệu với các mẫu nhiên liệu theo đƣờng đặc tính ngồi
.................................................................................................................................. 96
Bảng 4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu với các nhiên liệu thử nghiệm theo đặc tính tải tại
2000v/ph ................................................................................................................... 96
Bảng 4.5. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính ngồi .................................................. 99
Bảng 4.6. Phát thải CO theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................. 99
Bảng 4.7. Phát thải HC theo đƣờng đặc tính ngồi ................................................ 100
Bảng 4. 8. Phát thải theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph .................................... 101
Bảng 4.9. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính ngồi............................................... 102
Bảng 4.10. Phát thải NOx theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ........................... 103
Bảng 4.11. Smoke theo đƣờng đặc tính ngồi ........................................................ 104
Bảng 4.12. Smoke khi theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ................................ 105
Bảng 4.13. Giá trị lambda theo đƣờng đặc tính ngồi ........................................... 106
Bảng 4.14. Giá trị Lambda theo đƣờng đặc tính tải tại 2000 v/ph ......................... 107
Bảng 4.15. Số hạt theo đƣờng đặc tính ngồi ......................................................... 108
Bảng 4. 16. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) mô men, suất
tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng DE10B5................................................................ 109

Bảng 4. 17. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát
thải CO khi sử dụng DE10B5 ................................................................................. 110
Bảng 4. 18. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát
thải NOx khi sử dụng DE10B5 ............................................................................... 110
Bảng 4. 19. So sánh kết quả mô phỏng (MP) và thực nghiệm (TN) thành phần phát
thải soot khi sử dụng DE10B5 ............................................................................... 111

x


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu/viết
tắt

Tiếng Anh/tiếng Việt

AVL Boost

-

Phần mềm mô phỏng của hãng AVL

bmep

Brake Mean Effective
Pressure

Áp suất có ích trung bình

HFRR

High-Frequency
Receiprocating Rig

Khả năng bơi trơn

B50

-

Nhiên liệu 50%diesel và 50%biodiesel

B70

-

Nhiên liệu 30%diesel và 70%biodiesel

B100

-

Biodiesel 100%

E5

-

Nhiên liệu 95% xăng và 5% ethanol

E10

-

Nhiên liệu 90% xăng và 10% ethanol

E85

-

Nhiên liệu 15% xăng và 85% ethanol

DB5

-

Nhiên liệu 95% diesel và 5% biodiesel

DE5

Diễn giải

Nhiên liệu 95% diesel và 5% ethanol

DE10

-

Nhiên liệu 90% diesel và 10% ethanol

DE15

-

Nhiên liệu 85% diesel và 15% ethanol

DE20

-

Nhiên liệu 80% diesel và 20% ethanol

DE30

-

Nhiên liệu 70% diesel và 30% ethanol

DE5B5

-

Nhiên liệu 90% diesel và 5% ethanol
và 5%biodiesel

DE10B5

-

Nhiên liệu 85% diesel và 10% ethanol

và 5%biodiesel

DE15B5

-

Nhiên liệu 80% diesel và 15% ethanol
và 5%biodiesel

DE20B5

-

Nhiên liệu 75% diesel và 20% ethanol
và 5%biodiesel

DE30B5

-

Nhiên liệu 65% diesel và 30% ethanol
và 5%biodiesel

CME

Cottonseed Methyl
Ester

Dầu hạt bông

SME

Soybean Methyl Ester

Dầu đậu nành
xi


RME

Rapeseed Methyl Ester

Dầu hạt cải

PME

Palm Oil Methyl Ester

Dầu cọ

WME

Waste Cooking Oil
Methyl Ester

Dầu ăn phế thải

NLSH

Nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu từ nguồn sinh học

TCVN

-

Hệ thống tiêu chuẩn đo lƣờng Việt
Nam

MHMP

-

Mơ hình mơ phỏng

Frame Per Second

Tốc độ khung hình

FPS

xii


MỞ ĐẦU
i. Sự cần thiết của đề tài
Hiện nay năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng là hai vấn đề quan trọng và cấp
bách cần giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền cơng
nghiệp thì kéo theo là lƣợng năng lƣợng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi

đó nguồn năng lƣợng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Theo nhƣ dự báo của các
nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lƣợng xăng dầu của toàn thế giới
chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa. Mặt khác, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa
thạch làm cho môi trƣờng bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa
thạch thải ra rất nhiều khí ơ nhiễm nhƣ COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon,
bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trƣờng, hệ sinh thái và ảnh hƣởng lớn
đến chất lƣợng cuộc sống.
Vì vậy việc tìm ra các nguồn năng lƣợng mới có khả năng tái tạo và thân thiện
với môi trƣờng là điều rất quan trọng và cần thiết. Năng lƣợng tái tạo nói chung và
nhiên liệu sinh học cho phƣơng tiện giao thông nói riêng đã và đang đƣợc nghiên
cứu phát triển và ứng dụng mạnh mẽ. Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải
quyết vấn đề thiếu hụt năng lƣợng và ô nhiễm môi trƣờng. Mặt khác, nhiên liệu sinh
học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho ngƣời dân ở vùng sâu,
vùng xa. Một khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố
xã hội và mơi trƣờng có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các
nguồn năng lƣợng xanh, năng lƣợng phát thải cácbon thấp luôn nhận đƣợc sự ƣu
tiên hàng đầu.
Nhiên liệu sinh học sử dụng cho động cơ đốt trong phổ biến nhất hiện nay là
ethanol và diesel sinh học. Việt Nam là nƣớc nơng nghiệp nên có nhiều tiềm năng
về sản xuất nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu khống. Nhận biết đƣợc lợi
ích của việc sử dụng nhiên liệu sinh học cũng nhƣ lợi thế to lớn, từ năm 2007 Chính
phủ đã ban hành quyết định số 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên
liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với mục tiêu chủ yếu là phát
triển nhiên liệu sinh học, tái tạo đƣợc để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch
truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng [16]. Đề
án này cũng đƣa ra mục tiêu cụ thể là đến năm 2015, nhiên liệu sinh học đáp ứng
1% và đến năm 2025 đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nƣớc. Nhằm thực hiện
các mục tiêu này, năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số 53/2012/QĐ-TTg về
lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [17].
Theo quyết định này, xăng E5 và E10 đƣợc sử dụng tại 7 thành phố lớn vào cuối

2014 và 2016, tiếp theo sẽ sử dụng rộng rãi trên toàn quốc vào cuối 2015 và 2017,
trong khi đó diesel sinh học B5 và B10 đƣợc khuyến khích sản xuất, phối chế và sử
dụng. Đối với ethanol sinh học, nƣớc ta có khá nhiều nguồn nguyên liệu để chế biến
nhƣ sắn, rơm rạ, trấu, vỏ cà phê, bã mía... Đến nay cả nƣớc đã có bảy nhà máy sản
1


xuất ethanol đi vào hoạt động với công suất thiết kế đạt khoảng 600.000 m3/năm.
Lƣợng ethanol để pha xăng E5 bán trên thị trƣờng cho ô tô, xe máy chạy xăng
khoảng 177.900 m3/năm chỉ chiếm 44% sản lƣợng. Do đó lƣợng ethanol thừa cịn
rất nhiều trong khi rất khó xuất khẩu do hạn chế về công nghệ và qui mô sản xuất
nên giá thành cao. Nhằm duy trì và phát triển nền cơng nghiệp nhiên liệu sinh học
cịn non trẻ, góp phần phát triển kinh tế- xã hội và bảo vệ mơi trƣờng cần phải tìm
giải pháp tăng lƣợng tiêu thụ ethanol trong nƣớc. Một hƣớng khả thi nhất là nghiên
cứu sử dụng ethanol cho động cơ diesel (là động cơ phổ biến trên xe tải, xe bus từ
cỡ nhỏ đến cỡ lớn) bằng cách pha ethanol vào diesel. Tuy nhiên, do ethanol có
những tính chất vật lý khác xa so với của diesel nhƣ trị số xetan thấp và độ nhớt
thấp… nên ảnh hƣởng xấu đến tính năng của động cơ. Để khắc phục một phần ảnh
hƣởng này có thể pha thêm một lƣợng biodiesel nhƣ là chất phụ gia. Do đó việc
nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel cho động cơ diesel và ảnh
hƣởng đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ là cần thiết.

ii. Mục đích nghiên cứu
- Đánh giá ảnh hƣởng của nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel tới tính
năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel, làm cơ sở tăng lƣợng tiêu thụ
ethanol.
- Lựa chọn đƣợc tỷ lệ hợp lý để tạo hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel dùng làm
nhiên liệu cho động cơ diesel.

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là động cơ D4BB, 4 xylanh thẳng hàng, hệ
thống cung cấp nhiên liệu kiểu cơ khí, đƣợc sử dụng trên xe tải Hyundai 1,25 tấn
đang lƣu hành tại Việt Nam. Nhiên liệu nghiên cứu trong mô phỏng là diesel thông
thƣờng và hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel trong đó biodiesel có tỷ lệ 5%, tỷ lệ
ethanol thay đổi từ 5% đến 30%, còn lại là diesel thông thƣờng. Nhiên liệu nghiên
cứu trong thử nghiệm gồm diesel thông thƣờng, hỗn hợp nhiên DE5, DE10, DE5B5
và DE10B5 (hỗn hợp đƣợc pha trộn theo phần trăm về thể tích). Nhiên liệu diesel
có sẵn trên thị trƣờng Việt Nam theo TCVN 5689-2018.
- Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phịng thí nghiệm với các chế độ làm việc
ổn định theo đƣờng đặc tính ngồi, đƣờng đặc tính tải.

iv. Phương pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là phƣơng pháp tổng hợp và
phân tích, nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm cụ thể nhƣ sau:
- Nghiên cứu lý thuyết: Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô
phỏng động cơ D4BB sử dụng nhiên liệu diesel thông thƣờng và hỗn hợp nhiên liệu
diesel-ethanol-biodiesel theo tỷ lệ về thể tích nhằm thực hiện nhiệm vụ:

2


+ Đánh giá diễn biến các quá trình làm việc của động cơ diesel D4BB khi sử
dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel.
+ Đƣa ra kết quả tính tốn lý thuyết tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải
động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel. Qua đó lựa chọn tỷ lệ
phối trộn để thực hiện thử nghiệm.
- Nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện trong phịng thí nghiệm đánh giá định
lƣợng và phân tích đƣợc ảnh hƣởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel
tới các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải động cơ diesel thông thƣờng.

v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Luận án đã đƣa ra giải pháp khoa học phù hợp nhằm lựa chọn đƣợc tỷ lệ phối
trộn hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel (DE10B5) hợp lý, đảm bảo tính năng kỹ thuật
và giảm phát thải cho động cơ diesel đang lƣu hành.
- Kết quả của luận án là cơ sở cho việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho
động cơ diesel, giúp nâng cao tiêu thụ nhiên liệu ethanol, góp phần hồn thành mục
tiêu của của đề án phát triển NLSH của Chính phủ.

vi. Tính mới của đề tài
Đây là cơng trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện đánh giá tính
năng kỹ thuật và phát thải động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dieselethanol-biodiesel trên động cơ diesel. Trong đó động cơ nghiên cứu là loại đƣợc sử
dụng phổ biến ở Việt Nam, nhiên liệu ethanol và biodiesel đƣợc sản xuất từ nguồn
nguyên liệu sắn và dầu cọ ở Việt Nam.

vii. Bố cục của luận án
Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau:
Mở đầu
Chƣơng 1: Tổng quan về nhiên liệu ethanol và biodiesel.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải
động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel.
Chƣơng 3: Nghiên cứu mơ phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải động cơ
diesel sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel.
Chƣơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Kết luận chung và hƣớng phát triển của đề tài.

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ
BIODIESEL

1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học
Trƣớc thực trạng ô nhiễm mơi trƣờng từ khí thải động cơ đốt trong, sự suy
giảm nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự thiếu hụt về nguồn năng lƣợng nên việc tìm
ra nguồn năng lƣợng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trƣờng là điều
quan trọng và cần thiết. Các nguồn năng lƣợng tái tạo có thể kể đến nhƣ thủy điện,
năng lƣợng nguyên tử, năng lƣợng mặt trời, gió, thủy triều, năng lƣợng sinh học…
trong đó sử dụng năng lƣợng có nguồn gốc sinh học đang là xu hƣớng chung của
nhiều nƣớc trên thế giới. Năng lƣợng sinh học nói chung và nhiên liệu sinh học cho
phƣơng tiện giao thơng nói riêng đã và đang đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng
dụng. NLSH đƣợc định nghĩa là nhiên liệu đƣợc hình thành từ các hợp chất có
nguồn gốc từ động vật, thực vật [1]. Ví dụ nhƣ nhiên liệu chế suất từ chất béo của
động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa...), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tƣơng...), chất
thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cƣa,
sản phẩm gỗ thải...). Sử dụng (NLSH) có nhiều ƣu điểm nhƣ: cơng nghệ sản xuất
khơng quá phức tạp, có khả năng tái tạo, tăng hiệu quả kinh tế nơng nghiệp, có thể
sử dụng trên động cơ thơng thƣờng mà ít phải thay đổi kết cấu. NLSH dùng cho
động cơ đốt trong gồm hai dạng chủ yếu là nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng. Nhiên
liệu dạng khí gồm biogas hay khí sinh học là hỗn hợp của khí methane CH4
(50÷60%) và CO2 (>30%) và một số khí khác nhƣ hơi nƣớc, N2, O2, H2S, CO...sinh
ra từ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong mơi trƣờng yếm khí, xúc tác ở nhiệt độ
từ 200C÷400C. Nhiên liệu dạng lỏng gồm xăng sinh học và diesel sinh học. Hiện
nay trên thế giới xăng sinh học thông dụng nhất là ethanol. Do ethanol có khả năng
sản xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa tinh bột nhƣ ngũ cốc, ngô,
khoai, sắn...và nguyên liệu chứa đƣờng nhƣ mía, củ cải đƣờng. Diesel sinh học
đƣợc sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este, và
có tính chất tƣơng đƣơng với nhiên liệu dầu diesel.

1.2. Nhiên liệu ethanol và biodiesel
1.2.1. Nhiên liệu ethanol
1.2.1.1. Tính chất lý

Ethanol (cơng thức phân tử C2H5OH hay CH3CH2OH) là một hợp chất hữu cơ
nằm trong dãy đồng đẳng của ancol methylic, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay,
dễ cháy. Ethanol là một dung môi linh hoạt, có thể hịa tan trong nƣớc. Các liên kết
hydro làm cho ethanol tinh khiết có tính hút ẩm, hút hơi nƣớc trong khơng khí. Vì
các phân tử ethanol có cấu trúc khơng phân cực nên sẽ hịa tan các chất không phân
cực, bao gồm các loại tinh dầu, nhiều hƣơng liệu, màu sắc và thành phần trong
dƣợc. Đặc điểm tính chất của ethanol so với xăng đƣợc thể hiện nhƣ sau:
4


Trị số octan của ethanol cao. Vì vậy, việc pha ethanol vào xăng thơng dụng
cũng sẽ có tác dụng nhất định trong việc hạn chế hiện tƣợng kích nổ. Thực tế cho
thấy, xăng pha ethanol có trị số ốc tan cao hơn so với xăng gốc ban đầu. Nhiệt
lƣợng của ethanol chỉ bằng khoảng 0,6 lần so với nhiệt lƣợng của xăng thơng dụng
nên về ngun tắc, để có thể sản sinh ra một lƣợng nhiệt năng nhƣ nhau thì phải cần
một lƣợng ethanol gấp khoảng 1,67 lần so với xăng. Vì vậy, để duy trì cơng suất
cho động cơ khi chuyển từ xăng sang ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp
có thành phần ethanol cao thì cần phải có các biện pháp để tăng lƣợng nhiên liệu
cung cấp tƣơng ứng với hàm lƣợng ethanol có trong đó. Áp suất bay hơi của ethanol
cao hơn nhiều so với xăng. Tính chất này sẽ gây ra khó khăn cho động cơ sử dụng
ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao trong việc
khởi động xe ở nhiệt độ thấp và trong việc hòa trộn giữa nhiên liệu với khơng khí.
Cũng do khả năng bay hơi kém nên ở loại động cơ nhiều xy lanh sử dụng chế hịa
khí hoặc phun nhiên liệu tập trung, một lƣợng lớn ethanol dạng lỏng đã tạo thành
lớp màng mỏng bám trên đƣờng ống nạp và dẫn tới sự phân bổ nhiên liệu không
đồng đều giữa các xy lanh [1]. Một số tính chất lý hóa của ethanol đƣợc thể hiện
trên Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của ethanol [2]
TT
1

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

Đặc tính
Nhiệt trị thể tích
Nhiệt độ sơi
Chỉ số Octan nghiên cứu
Tỷ trọng ở 200C
Hàm lƣợng Ôxy
Độ tan trong nƣớc ở 250C
Nhiệt độ tự cháy
Độ nhớt ở 200C
Phân tử gam
Nhiệt độ tan
Điểm tới hạn ở p=63bar
pH
Cp
Mật độ giới hạn nổ

Đơn vị
MJ/lít
0
C
RON
%
%
0
C
cP
g/mol
K
K
J/mol.K
%

Giá trị
21,1 ÷ 21,7
78
106 ÷130
0,789
34,7
100
392
1,2
46,07
158,8
514
7,0
65,21

3,5 ÷15

1.2.1.2. Tính chất hóa học
Trong phân tử C2H5OH có nhóm chức hydroxyl (OH) hình thành tính chất
hóa học đặc trƣng của ethanol:
- Phản ứng với kim loại kiềm: ethanol tác dụng với Na và NaNH2.
- Phản ứng với axit halogen.
- Phản ứng tách nƣớc (dehyđrat hóa) tạo ankan và ete.
- Phản ứng dehydro hóa (tách hydro).
5


- Phản ứng với oxi hóa: ethanol dễ cháy, khi cháy khơng có khói và ngọn lửa
có màu xanh da trời, tỏa nhiều nhiệt.
- Phản ứng este hóa.
- Phản ứng thế -OH bởi halogen trong photpho clorua PCl3, PCl5 và tionin
clorua SOCl2 khi có pyridine C5H5N.
1.2.1.3. Cơng nghệ sản xuất ethanol
Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà ethanol đƣợc sản xuất theo các phƣơng
pháp và quy trình khác nhau. Hiện nay có hai phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến để
sản xuất ethanol nhƣ sau:
a) Phương pháp hydrat hóa ethylen
Ethanol dùng trong công nghiệp thƣờng đƣợc sản xuất từ các nguyên liệu dầu
mỏ thơng qua phƣơng pháp hydrat hóa ethylen với xúc tác axit.
- Với xúc tác là axit photphoric: Cho ethylen hợp nƣớc ở 3000C áp suất 70 ÷
80 atm thì phản ứng hóa học nhƣ sau.
CH2 = CH2 + H2O → CH3 - CH2-OH
- Với xúc tác là axit sunfuric. Phản ứng xảy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo
etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại axit:
CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3 – CH2-OSO3H

CH3 – CH2-OSO3H + H2O → CH3 – CH2-OH + H2SO4
Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa
một số thành phần độc hại nhƣ: methanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là
một chất có vị đắng, gây tê.
b) Phương pháp lên men
Nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol bằng công nghệ lên men chủ yếu sử
dụng các loại cây trồng chứa đƣờng đơn giản (xenlulozo) hoặc ngũ cốc chứa tinh
bột. Ethanol sinh ra trong q trình lên men sẽ hịa tan trong nƣớc nên sau đó phải
tiến hành chƣng cất và tinh cất để tạo ethanol nguyên chất (có thể đạt mức ethanol
tuyệt đối - ethanol khan).
Trong số các nguyên liệu thế hệ thứ nhất chứa tinh bột và đƣờng, sắn là sản
phẩm có tỷ suất thu hồi ethanol cao nhất. Vì vậy, sắn đƣợc sử dụng để sản xuất
ethanol trong nƣớc và xuất khẩu. Quá trình sản xuất ethanol từ sắn qua các giai
đoạn sau (Hình 1.1) [3]:
- Giai đoạn xử lý nguyên liệu sắn đem thái lát, phơi khô và nghiền.
- Giai đoạn hồ hóa-đƣờng hóa:
+ Mặc dù tồn tại song song 02 cơng nghệ hồ hóa - đƣờng hóa bằng axít và
bằng chế phẩm enzyme amylaza. Tuy nhiên, hầu hết các nhà cung cấp công nghệ
sản xuất ethanol hiện nay đều lựa chọn cơng nghệ hồ hóa - đƣờng hóa bằng chế
phẩm enzyme amylaza.
6


+ Tinh bột có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylaza không thể tác động
trực tiếp đƣợc. Khi nghiền nguyên liệu, chỉ một phần rất ít tế bào tinh bột bị phá vỡ.
Mặt khác ở nhiệt độ môi trƣờng tinh bột khơng hịa tan trong nƣớc, khi đƣờng hóa,
enzyme amylaza tác dụng rất chậm.
+ Q trình hồ hóa tiếp tục phá vỡ tế bào tinh bột, biến tinh bột ở trạng thái
khơng hịa tan trong nƣớc thành trạng thái hồ tan, giúp cho q trình đƣờng hóa
thuận lợi hơn.

+ Q trình đƣờng hóa sử dụng enzyme amylaza chuyển hóa tinh bột hịa tan
thành đƣờng có thể lên men đƣợc. Trên cơ sở phát triển của công nghệ enzyme chủ
yếu do các nhà sản xuất enzyme hàng đầu thế giới nhƣ NOVO ENZYME (Đan
Mạch), GENENCOR (Mỹ)…
- Lên men.
- Chƣng cất để tạo ethanol nguyên chất.
- Tách nƣớc để tạo ethanol khan với nồng độ trên 99,5%

Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn [3]
Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai bao gồm phụ phẩm nông nghiệp nhƣ rơm rạ,
bã mía, vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ cà phê, thân ngơ…chất thải rừng gồm những nguyên liệu
chứa gỗ nhƣ vỏ cây, thân cây...Theo khảo sát và đánh giá của Viện Nghiên cứu
chiến lƣợc, chính sách Cơng nghiệp - Bộ Cơng Thƣơng cho thấy, trữ lƣợng cồn
nhiên liệu tiềm năng đi từ nguyên liệu thế hệ thứ hai của Việt Nam rất lớn, ƣớc tính
khoảng 10,9 tỷ lít. Trong đó chiếm tỷ trọng lớn nhất là nguyên liệu từ phụ phế phẩm
7


nơng nghiệp. Tuy nhiên, do chi phí cơng nghệ chế biến còn cao, đặc biệt là khâu xử
lý nguyên liệu ban đầu khá phức tạp, nguyên liệu khó thu gom, phân loại ở quy mơ
lớn nên khó ứng dụng để sản xuất cồn trong điều kiện hiện nay của Việt Nam [4].
Quá trình sản xuất ethanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột
ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đƣờng đơn sẵn sàng cho quá trình lên men. Thủy
phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là tập hợp
các phân tử đƣờng liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm
khoảng 40÷60% xenluloza và 20÷40% hemixenluloza, cấu trúc tinh thể bền.
Hemixenluloza chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc
arabino kém bền hơn xenlulo. Nói chung hỗn hợp xeluloza khó hịa tan trong nƣớc.
Phức polyme thơm có trong gỗ lignin (10÷25%) khơng thể lên men vì khó phân hủy
sinh học, nhƣng có thể tận dụng vào việc khác [5]. Để sản xuất ethanol từ xenluloza

cần qua 6 giai đoạn Hình 1.2:
- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza nhƣ gỗ hoặc rơm rạ
để thủy phân.
- Thủy phân xenluloza (cellulolysis) để bẻ gãy các phân tử để tạo đƣờng.
- Tách đƣờng từ các ngun liệu cịn sót lại, đáng chú ý là lignin (chất polyme
thơm).
- Lên men.
- Chƣng cất để tạo ra ethanol nguyên chất.
- Khử nƣớc để tạo ra ethanol khan với nồng độ lên đến 99,7%.

Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza [5]
1.2.2. Nhiên liệu biodiesel
Diesel sinh học (Biodiesel) là loại nhiên liệu có những tính chất tƣơng đƣơng
với diesel khoáng nhƣng đƣợc sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Về
phƣơng diện hoá học, biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của những axit béo
trong dầu hay mỡ khi đƣợc ester hoá bởi các methanol hoặc ethanol [6].
1.2.2.1. Tính chất vật lý
8


Nhiệt độ đơng đặc: do thành phần hóa học của các dầu khác nhau nên nhiệt
độ đông đặc khác nhau. Các giá trị này không ổn định và thƣờng trong một khoảng
nào đó.
Hàm lượng este: Là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lƣợng của nhiên liệu
diesel sinh học gốc B100. Hàm lƣợng este cao thể hiện sự chuyển hóa của phản ứng
este hóa chéo tốt, đảm bảo chất lƣợng của biodiesel.
Trị số xetan: Dùng để đo khả năng tự cháy của nhiên liệu thu đƣợc bằng cách
so sánh nó với nhiên liệu chuẩn trong thử nghiệm trên động cơ đã đƣợc tiêu chuẩn
hóa.
Độ nhớt động học: Là tỷ số giữa độ nhớt động lực và khối lƣợng riêng của

nhiên liệu. Độ nhớt động học là một thông số quan trọng của nhiên liệu đối với hệ
thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ diesel
Khối lượng riêng: Khối lƣợng riêng của biodiesel thƣờng nhỏ hơn của nƣớc,
ở điều kiện thƣờng (200C), ρ = 0,907÷0,971 (g/cm3). Biodiesel có càng nhiều thành
phần hydrocacbon no thì tỷ trọng càng cao.
Đặc điểm tính chất của biodiesel so với nhiên liệu diesel đƣợc thể hiện nhƣ
sau:
Trị số xetan cao: Biodiesel có các alkyl este mạch thẳng do vậy nhiên liệu
này có trị số xetan cao hơn diesel khoáng. Với trị số xetan cao nhƣ vậy, biodiesel
hồn tồn có thể đáp ứng dễ dàng u cầu của những động cơ đòi hỏi nhiên liệu
chất lƣợng cao với khả năng tự bắt cháy cao mà không cần phụ gia tăng trị số xetan.
Hàm lượng lưu huỳnh thấp: Trong biodiesel hàm lƣợng lƣu huỳnh rất thấp,
khoảng 0,001%. Ðặc tính này của biodiesel rất tốt cho q trình sử dụng làm nhiên
liệu, vì nó làm giảm đáng kể khí thải SO gây ăn mịn thiết bị và gây ơ nhiễm mơi
trƣờng.
Q trình cháy sạch: Do nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy nên quá
trình cháy nhiên liệu xảy ra triệt để. Vì vậy, với những động cơ sử dụng nhiên liệu
biodiesel thì sự tạo muội, đóng cặn trong động cơ giảm đáng kể.
Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mịn: Biodiesel có khả năng bơi trơn
rất tốt, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, biodiesel có khả năng bơi trơn tốt hơn diesel
khống. Khả năng bơi trơn của nhiên liệu đƣợc đặc trƣng bởi giá trị HFRR
(highfrequency receiprocating rig), nói chung giá trị HFRR đạt 500 khi khơng có
phụ gia, nhƣng giới hạn đặc trƣng của diesel là 450. Vì vậy diesel khống u cầu
phải có phụ gia để tăng cƣờng khả năng bôi trơn. Do HFRR cao nên biodiesel còn
đƣợc coi nhƣ là một phụ gia tốt đối với nhiên liệu diesel thông thƣờng. Khi thêm
vào một tỷ lệ thích hợp biodiesel, sự mài mịn của động cơ đƣợc giảm mạnh. Thực
nghiệm đã chứng minh sau khoảng 15000 giờ làm việc vẫn khơng nhận thấy mài
mịn [7].
Tính ổn dịnh của biodiesel: biodiesel có khả năng phân huỷ rất nhanh (phân
huỷ đến 98% trong 21 ngày) đây chính là ƣu điểm lớn về mặt môi trƣờng. Do

biodiesel kém ổn định nên cần có sự chú ý đặc biệt về quá trình bảo quản [8].
9


Giảm lượng khí thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư: Theo các
nghiên cứu của Bộ năng lƣợng Mỹ đã hoàn thành ở một trƣờng đại học ở
California, sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho diesel khống có thể giảm 93,6%
nguy cơ mắc bệnh ung thƣ từ khí thải của động cơ. Lý do là biodiesel chứa ít các
hợp chất thơm, chứa rất ít lƣu huỳnh, q trình cháy triệt để hơn nên giảm đƣợc
nhiều thành phần hydrocacbon trong khí thải [7,9].
An tồn về cháy nổ tốt hơn: Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao, trên 1100C,
cao hơn nhiều so với diesel khống (khoảng 600C), vì vậy tính chất nguy hiểm của
nó thấp hơn, an tồn hơn trong tồn chứa và vận chuyển
Nguồn nhiên liệu cho tổng hợp hố học: Ngồi việc đƣợc sử dụng làm nhiên
liệu, các ankyl este axit béo còn là nguồn nguyên liệu quan trọng cho ngành cơng
nghệ hố học, sản xuất các rƣợu béo, ứng dụng trong dƣợc phẩm và mỹ phẩm, các
ankanolamin, isopropylic este, các polyeste đƣợc ứng dụng nhƣ chất nhựa, chất hoạt
động bề mặt...
Có khả năng ni trồng được: Tạo nguồn năng lƣợng độc lập với dầu mỏ,
không làm suy yếu các nguồn năng lƣợng tự nhiên, không gây ảnh hƣởng tới sức
khoẻ con ngƣời và môi trƣờng. Một số tính chất lý hóa của nhiên liệu biodiesel
đƣợc thể hiện trên Bảng 1.2 [6].
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của nhiên liệu biodiesel [6]
STT

Đặc tính

Đơn vị

Biodiesel

-

869,3

1

Tỷ trọng ở 150C

2

Độ nhớt động học ở 400C

mm2/s

4,1

3

Nhiệt trị

MJ/kg

40,125

4

Hàm lƣợng oxy

%

10

5

Trị số Xêtan

-

51,3

6

Sức căng bề mặt ở 200C

N/m

0,028

7

Tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu (A/F)

-

14,58

8

Nhiệt ẩn hóa hơi

kJ/kg

332

9

Điểm sơi

0

C

60

1.2.2.2. Tính chất hóa học
Biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của những axit béo trong dầu hay mỡ
khi đƣợc ester hoá bởi các ancol methanol hoặc ethanol. Do vậy, tính chất của
biodiesel thể hiện qua các phản ứng giống nhƣ một este nhƣ sau:
Phản ứng xà phòng hóa: với các điều kiện nhƣ nhiệt độ, áp suất, xúc tác
thích hợp dầu có thể bị thủy phân:
C3H5(OCOR)3 + 3H2O → 3RCOOH + C3H5(OH)3
10


Phản ứng qua các giai đoạn trung gian tạo thành các diglyxerin và
monoglyxerin. Trong quá trình thủy phân, axit béo sẽ phản ứng với kiềm tạo thành
xà phòng:
RCOOH + NaOH → RCOONa + C3H5(OH)
Ðây là phản ứng cơ bản trong q trình sản xuất xà phịng và glyxerin từ dầu

thực vật.
Phản ứng cộng hợp: Trong điều kiện thích hợp, các axit béo không no sẽ
cộng hợp với các chất khác.
Phản ứng hidro hóa: Là phản ứng đƣợc tiến hành ở điều kiện nhiệt độ, áp
suất thấp và sự có mặt của xúc tác Ni.
Phản ứng este hóa: Các glyxerin trong điều kiện có mặt của xúc tác vơ cơ
(H2SO4, HCl hoặc NaOH, KOH) có thể tiến hành este hóa trao đổi với các rƣợu bậc
một (nhƣ metylic, etylic)... thành các alkyl este của axit và glyxerin:
C3H5(OCOR)3 + 3CH3OH → 3RCOOCH3 + C3H5(OH)3
Phản ứng này có ý nghĩa thực tế rất quan trọng vì ngƣời ta có thể sử dụng các
alkyl este béo làm nhiên liệu do giảm một cách đáng kể lƣợng khí thải độc hại ra
mơi truờng. Ðồng thời, cũng thu đƣợc một lƣợng glyxerin sử dụng trong các ngành
công nghiệp mỹ phẩm, hàng tiêu dùng, sản xuất nitro glyxerin làm thuốc nổ.
Phản ứng oxy hóa: Tùy thuộc vào bản chất của chất oxy hóa và điều kiện
phản ứng mà tạo ra các chất oxy hóa khơng hồn tồn nhƣ peroxyt, xetoaxit... hoặc
các sản phẩm đứt mạch có phân tử lƣợng bé.
Phản ứng trùng hợp: Các axit không no dễ xảy ra phản ứng trùng hợp tạo ra
các hợp chất cao phân tử.
1.2.2.3. Nguyên liệu và quy trình sản xuất biodiesel
Nguyên liệu sản xuất biodiesel bao gồm: Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ nhất là
dầu thực vật ăn đƣợc (dầu hƣớng dƣơng, dầu lạc, dầu dừa, dầu thầu dầu, dầu cọ, dầu
đậu nành, dầu hạt bông…) và mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, mỡ lợn…). Tuy nhiên,
các nguyên liệu này ảnh hƣởng tới an ninh lƣơng thực nên việc sản xuất biodiesel từ
các nguồn nguyên liệu trên bị Tổ chức Nông Lƣơng thế giới phản đối. Nguồn
nguyên liệu thế hệ thứ hai là các dạng phế thải nhƣ mỡ động vật và axit béo phế
thải. Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ ba bao gồm các loại tảo và dầu jatropha. Các
nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai và ba là các nguồn nguyên liệu không cạnh tranh
với các nguồn lƣơng thực của con ngƣời nên đang đƣợc quan tâm đặc biệt trong
lĩnh vực sản xuất biodiesel [8].
Quy trình sản xuất biodiesel đƣợc mơ tả trên Hình 1.3:

11


Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất biodiesel

1.3. Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel
1.3.1. Trên thế giới
Mỹ là nƣớc sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới. Sản
lƣợng sản xuất ra chiếm khoảng 43% trên toàn thế giới. Tại Mỹ, ethanol sản xuất
chủ yếu từ ngơ. Năm 2008 đạt đến 32 tỉ lít và chỉ tiêu đề ra cho năm 2022 là 137 tỉ
lít [10]. Ngoài ra, sản lƣợng diesel sinh học cũng tăng mạnh trong những năm gần
đây. Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Mỹ là dầu đậu nành tinh
khiết, dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ động vật. Lƣợng diesel sinh học bán ra
có thể đạt gần 2 tỷ gallon mỗi năm. Tổng lƣợng diesel sinh học tiêu thụ ở Mỹ năm
2016 là gần 2060 triệu gallon [11].
Brazil sản xuất ethanol (từ mía đƣờng) với sản lƣợng gần 25 tỉ lít năm, từ năm
2005 đến năm 2012 đã có hơn 116 nhà máy sản xuất ethanol mới đƣợc đầu tƣ xây
dựng tại Brazil. ngành sản xuất diesel sinh học chỉ mới có một số dây chuyền sản
xuất thử nghiệm cơng suất từ 40 ÷130 (m3/ngày) đƣợc vận hành. Nguồn nguyên liệu
để sản xuất diesel sinh học ở Brazil là dầu đậu nành, dầu hƣớng đƣơng, dầu thầu
dầu và dầu thực vật đã qua sử dụng.
Sản lƣợng ethanol của Mỹ và Brazil chiếm khoảng 86,25% ethanol sản xuất
toàn cầu. Theo số liệu năm 2015, Mỹ sản xuất đƣợc 14.806 triệu gallons; Brazil
7.093 triệu gallons. Sau Mỹ và Brazil là Trung Quốc có sản lƣợng ethanol là 813
triệu gallons. Tổng sản lƣợng ethanol của toàn thế giới trong năm 2015 ƣớc tính
khoảng 25.682 triệu gallons [12]. Thống kê sản lƣợng ethanol và biểu đồ sản lƣợng
ethanol trên thế giới từ 2007 đến năm 2015 đƣợc thể hiện trên Hình 1.4.

12

Hình 1.4. Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015[12].
Khối EU sản xuất ethanol chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đƣờng. Tiêu thụ
NLSH cũng tăng nhanh khoảng 23% mỗi năm, do ngoài việc áp dụng E5, E10 và
B7 lên các động cơ truyền thống thì loại động cơ cải tiến dùng E85 đang đƣợc áp
dụng ngày càng rộng rãi. Ngoài ra, do sự thay đổi về chính sách đối với NLSH nên
lƣợng tiêu thụ biodiesel tại khu vực này đang tăng dần (năm 2018 ƣớc tính tăng lên
12.650 triệu lít), [13].
Thái Lan phát triển năng lƣợng tái tạo trong 10 năm (2012 - 2021) nhằm tăng
lƣợng sử dụng NLSH trên toàn quốc từ 1,1 triệu lít ngày lên 9 triệu lít ngày vào năm
2021. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng Thái Lan (tháng 6/2017),
tổng lƣợng tiêu thụ biodiesel trong năm 2014, 2015 và 2017 lần lƣợt là 1,18, 1,23
và 1,3 tỷ lít, ƣớc tính trong năm 2017 và 2018 lƣợng tiêu thụ biodiesel sẽ đạt
khoảng 1,42 và 1,48 tỷ lít. Nhu cầu sử dụng diesel sinh học đƣợc dự báo sẽ duy trì
tăng trƣởng hàng năm từ 2,5 ÷ 2,7% từ năm 2018 ÷ 2022, và sau đó dự báo sẽ giảm
xuống cịn 1,5 ÷ 2,0% sau năm 2022, [14].
Indonesia, theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng Indonesia (2017),
lƣợng tiêu thụ biodiesel của nƣớc này đã tăng từ 860 triệu lít (năm 2015) lên 3.008
tỷ lít (năm 2016) và dự kiến giảm nhẹ vào năm 2017 cịn 2,8 tỷ lít. Ngồi ra, mức
pha trộn cũng đã tăng từ 10% lên 20% vào tháng 6 năm 2017, [15].
1.3.2. Tại Việt Nam
Từ năm 2007 Chính phủ đã ký quyết định số 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt
“Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” với
mục tiêu chủ yếu là phát triển NLSH, tái tạo đƣợc để thay thế một phần nhiên liệu
hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi
trƣờng [16]. Đề án này cũng đƣa ra mục tiêu cụ thể là đến năm 2015, nhiên liệu sinh
học đáp ứng 1% và đến năm 2025 đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nƣớc.
Nhằm thực hiện các mục tiêu này, năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số
13