CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: có tính chất phù hợp với loại động cơ sử dụng; hàm lượng khí phát thải độc hại nhỏ; dễ bảo quản và sử dụng, đảm bảo tính kinh tế. Trên cơ sở đó, nhiên liệu dùng cho động cơ diesel có thể được chia thành 2 nhóm chính là nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu thay thế. Nhiên liệu hóa thạch dùng cho động cơ diesel là loại nhiên liệu thu được từ quá trình chưng cất dầu mỏ, chủ yếu gồm nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng.
Nhiên liệu khí bao gồm các loại khí thiên nhiên như CNG, LPG, LNG. Nhiên liệu lỏng gồm các loại như xăng, dầu diesel là loại nhiên liệu dùng chủ yếu cho động cơ xăng và động cơ diesel. Nhiên liệu thay thế là loại nhiên liệu có một số tính chất tương tự như nhiên liệu diesel truyền thống, có thể thay thế nhiên liệu diesel một phần hay toàn bộ để sử dụng trên động cơ. Nhiên liệu thay thế là loại nhiên liệu có nguồn nguyên chất từ sinh học nên có khả năng tự phân hủy và tạo ra theo ý muốn.
Nhiên liệu thay thế bao gồm các loại nhiên liệu khí như biogas, nhiên liệu lỏng như bioetanol, biodiesel, bio-oil… Để đánh giá khả năng sử dụng một loại nhiên liệu trên động cơ diesel, cần xét đến tính chất nhiên liệu và sự phù hợp của nó với loại động cơ sử dụng. Để xác định tính khả dụng của nhiên liệu cần dựa vào một số thông số sau: Nhiệt trị là nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn một đơn vị khối lượng hoặc một đơn vị thể tích nhiên liệu. Nhiệt trị thấp của nhiên liệu là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu, không kể đến lượng nhiệt toả ra do hơi nước ngưng tụ. Số cetane (CN) là đại lượng đánh giá khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu bằng cách so sánh nó với nhiên liệu chuẩn.
Về trị số, số cetan là số phần trăm thể tích của chất n-Cetane (C16H34) có trong hỗn hợp với chất α-metylnaphtalen (C11H10) nếu hỗn 5 hợp tương đương với nhiên liệu thí nghiệm về tính bốc cháy. Đối với động cơ cháy do nén, CN có ảnh hưởng đến tính tự bốc cháy của nhiên liệu nên nó tác động trực tiếp đến diễn biến quá trình cháy ở động cơ và qua đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng của động cơ. Độ nhớt là đại lượng đặc trưng cho khả năng kháng lại tính chảy của chất lỏng và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Độ nhớt của nhiên liệu càng cao càng không có lợi khi sử dụng vì nó làm tăng trở lực đường ống, làm giảm việc phun sương và khả năng phân tán khi được phun vào thiết bị cũng như làm tăng khả năng lắng căn trong thiết bị.
Khối lượng riêng là một đặc tính về mật độ, là đại lượng đo bằng thương số giữa khối lượng nguyên chất của chất ấy và thể tích. Sức căng bề mặt là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt. Khi sức căng bề mặt của nhiên liệu lớn, sự phun sương sẽ kém do đó ảnh hưởng xấu đến chất lượng quá trình cháy của động cơ. Sức căng bề mặt tỉ lệ thuận với độ nhớt, khối lượng riêng và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ.
Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất của nhiên liệu lỏng mà tại đó hơi của nó tạo với không khí trong bình kín thành một hỗn hợp có khả năng bắt cháy khi cho nguồn nhiệt từ bên ngoài. Nhiệt độ vẩn đục là nhiệt độ mà tại đó nhiên liệu lỏng bắt đầu vẩn đục do sự kết tinh nước và những chất khác. Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ tại đó nhiên liệu lỏng mất tính lưu động. Đối với nhiên liệu có nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc cao, cần có biện pháp sấy nóng để tránh làm tắc các bộ phận lọc và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bơm chuyển.
Tính bay hơi của nhiên liệu quyết định một phần quan trọng quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ. Nó ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi, mức độ bay hơi hoàn toàn và khả năng hòa trộn với không khí khi phun nhiên liệu vào buồng đốt của động cơ diesel. Nhiên liệu có tính bay hơi kém làm quá trình cháy không hoàn toàn, lãng phí nhiên liệu và giảm hiệu suất. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bay hơi: độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt và nhiệt độ môi trường [8].
Theo TCCS 03:2009/PETROLIMEX hay [23] hoặc ASTM D975, nhiên liệu 6 diesel dùng cho động cơ diesel phải thỏa mãn bảng 1. Tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel hóa thạch Phương TCCS ASTM TT Thành phần pháp thử 03:2009 D975 1 Điểm chớp cháy,oC, nhỏ nhất D93 55 52 Hàm lượng nước và lắng cặn, % thể tích, 2 D2709 - 0,05 lớn nhất 3 Độ nhớt động học ở 40oC, mm2/s D445 2,0 – 4,5 1,3 – 4,1 Hàm lượng lưu huỳnh, % khối lượng, 4 D5453 0,05 0,05 lớn nhất 5 Hàm lượng tro, % khối lượng, lớn nhất D482 0,01 0,01 6 Số cetane, nhỏ nhất D613 46 40 7 Ăn mòn tấm đồng trong 3 giờ ở 50oC D130 Loại 1 Loại 1 8 Nhiệt độ cất tại 90% thể tích, oC D1160 370 356 1. Dầu thực vật nguyên chất 1. Giới thiệu chung Dầu thực vật nguyên chất là tên được sử dụng để chỉ một loại nhiên liệu có nguồn gốc từ nhiên liệu sinh học, có thể sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel [50].
Cấu trúc phân tử của dầu thực vật nguyên chất Dầu thực vật nguyên chất là nhiên liệu thu được từ quá trình tinh chế dầu thực vật, có thành phần chính là axit béo mạch dài, chưa pha trộn với các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, ký hiệu là VO100 (chữ V chỉ tên loại dầu thực vật). Tính chất của dầu thực vật nguyên chất (VO100) Dầu thực vật nguyên chất là các phân tử chất béo trung tính, không tan trong nước, chứa ba chuỗi hydrocarbon liên kết với một gốc glixerol nên có khối lượng riêng lớn và độ nhớt cao [10]. Nó có thể là các loại dầu có nguồn gốc thực vật gồm loại ăn được (dầu mè, dầu đậu lành, dầu dừa…) hoặc không ăn được (dầu hạt bông, dầu jatropha, dầu hạt cao su…). Thành phần hóa học của VO100 là este của glixerol với các axit béo bão hòa (palmitic (16:0) và stearic (18:0) là hai loại axit béo bão hòa thường gặp nhất) hay không bão hòa (oleic (18:1) và linoleic (18:2) là các axit béo không bão hòa phổ biến nhất).
Công thức phân tử của dầu thực vật nguyên chất có dạng C27-57 H54-104 O6 và có khối lượng phân tử lớn hơn nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, dầu thực vật nguyên chất có chứa thành phần oxi trong phân tử, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm (bảng 1.2) nên dầu thực vật nguyên chất ít gây hại đối với môi trường [40,50]. Thành phần hóa học của dầu thực vật nguyên chất và nhiên liệu diesel Dầu thực vật TT Thành phần hóa học Nhiên liệu diesel nguyên chất 1 Hàm lượng cácbon, %kl 73 – 77,6 83,5 - 87 2 Hàm lượng hidro, %kl 11,6 – 12,3 11,5 - 14 3 Hàm lượng oxi, %kl 10,8 – 12,5 0 4 Hàm lượng lưu huỳnh, %kl 0,006 – 0,02 0,02 – 0,05 5 Hàm lượng nitơ, %kl 0,002 – 0,007 0,0001 – 0,0003 6 Hàm lượng hợp chất thơm, % tt 0 10 7 Chỉ số iốt 70 - 157 0 8 Hàm lượng tro, %kl 0,002 – 0,03 0,006 – 0,01 Tính chất vật lý của dầu thực vật nguyên chất có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng quá trình cháy, các tính chất này được đặc trưng bởi: Khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt là một thuộc tính quan trọng của VO100 (bảng 1. Bộ ba thông số này ảnh hưởng đến độ lớn lực liên kết phân 8 tử Van der Waals [40].
Việc tăng chiều dài chuỗi cacbon làm tăng khối lượng phân tử, do đó tăng độ lớn lực Van der Waals nên cũng làm tăng độ nhớt và ngược lại. Các tính chất này quyết định lớn đến chất lượng phun sương của nhiên liệu, chúng đều có mối quan hệ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Việc sử dụng trực tiếp VO100 làm nhiên liệu cho động cơ diesel nhất thiết phải tính đến việc cải thiện các thông số trên nhằm đảm bảo nó nằm trong phạm vi cho phép và gần với giá trị của nhiên liệu diesel. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của dầu thực vật nguyên chất và nhiên liệu diesel ở nhiệt độ 400C Độ nhớt Khối lượng Sức căng Điểm chớp TT Nhiên liệu động học ở riêng, bề mặt, cháy, 40oC, cSt kg/m3 mN/m o C Dầu thực vật nguyên 1 24 - 48 903 - 924 31 - 35 195 - 270 chất 2 Nhiên liệu diesel 2,7 - 3 822 - 837 24 73 Điểm chớp cháy, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của VO100 cao hơn nhiên liệu diesel.
Vì lý do này, VO100 gần như không có khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp do mất tính lưu động của nhiên liệu lỏng. Nhiệt trị của VO100 phụ thuộc vào chỉ số xà phòng hóa (SV) và chỉ số Iốt (IV), SV và IV tăng tức là tăng số liên kết đôi (-C = C-) do đó sẽ làm giảm nhiệt trị của dầu (bảng 1. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu thực vật nguyên chất và nhiên liệu diesel Điểm Nhiệt trị, Điểm vẩn TT Nhiên liệu CN đông MJ/kg đục,oC đặc,oC 1 Dầu thực vật nguyên chất 37 – 39,5 28 - 42 3 - 15 -6 ÷ -2 2 Nhiên liệu diesel 43 48 - 14 - 30 9 CN của VO100 thường nhỏ hơn nhiên liệu diesel truyền thống. Nghiên cứu của Song chỉ ra rằng, CN của loại VO100 có chứa chuỗi hydrocacbon bão hòa mạch thẳng thường cao hơn loại có chứa mạch nhánh hay vòng benzene.
Những ưu điểm của VO100 làm nhiên liệu thay thế là tính lỏng, sẵn có, khả năng tái sinh, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm, có khả năng phân huỷ sinh học [59]. Hiện nay chưa có tiêu chuẩn cho VO100 làm nhiên liệu cho động cơ, song để có thể sử dụng chúng cần dựa vào một số tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel. Nhược điểm chính của VO100 là độ nhớt cao hơn từ 10 đến 17 lần so với nhiên liệu diesel, khối lượng riêng và sức căng bề mặt lớn nên khả năng bay hơi kém, phản ứng của các chuỗi hydrocarbon không bão hòa nên làm dầu dễ bị biến chất.