CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, động cơ diezel được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp và giao thông vận tải. Bên cạnh những ưu điểm như là tỷ số nén cao, khả năng duy trì công suất trong điều kiện hoạt động rộng, chi phí để sản xuất nhiên liệu diezel rẻ hơn nhiều so với động cơ xăng,… thì nhược điểm lớn nhất của loại động cơ này là hàm lượng NOx, CO, PM, muội… trong khí thải rất cao. Chúng đang gây ra nhũng vấn đề nghiêm trọng cho sức khỏe của con người và môi trường sinh thái.
Trước tình hình đó đã có rất nhiều điều luật được ban hành nhằm giảm tải hàm lượng khí thải sinh ra bởi động cơ diezel. Ví dụ như Liên minh Châu Âu đã ban hành tiêu chuẩn Euro 4 có hiệu lực tháng 10 năm 2005 yêu cầu giảm PM trong khí thải tới 80%, giảm NOz tới 50% cho các đời động cơ diezel mới so với tiêu Hình 1. Ô nhiễm khí thải chuẩn Euro 3 trước đấy. Tiêu chuẩn Euro 5 có do động cơ diezel xe bus hiệu lực vào tháng 10 năm 2008 yêu cầu giảm PM trong khí thải tới 92%, giảm NOx tới 43% so với tiêu chuẩn Euro 4.
Tiêu chuẩn Euro 6 áp dụng vào năm 2014 tới còn yêu cầu khắt khe hơn. Đối với các đời động cơ cũ khi chưa kịp thay thế sẽ bị đánh thuế rất nặng dựa trên hàm lượng khí thải động cơ đó sinh ra [15, 20]. Ở Mỹ, cơ quan bảo vệ môi trường EPA có ban hành tiêu chuẩn HDE 2007 trong đó động cơ diezel phải giảm hàm lượng PM trong khí thải từ 85 - 90% còn NOx phải giảm trên 25 - 30% [17, 18]. Ở Việt Nam mặc dù mức ô nhiễm không khí tại các thành phố lớn là đáng báo động nhưng do khó khăn về mặt kinh tế, kỹ thuật nên Việt Nam mới chỉ áp dụng tiêu chưẩn Euro 2 vào tháng 7 năm 2007.
Nhưng trong thời gian tới, để đáp ứng được các yêu cầu hội nhập và cạnh tranh với các Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 10 dòng sản phẩm nhập khẩu chắc chắn sẽ phải áp dụng các tiêu chuẩn khí thải Euro 3 và Euro 4. Dù sớm hay muộn, áp dụng tiêu chuẩn Euro để kiểm soát lượng khí thải là nhiệm vụ cần thiết bởi những ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người là hết sức to lớn. Trước những yêu cầu nghiêm ngặt đó, đã có rất nhiều biện pháp được đề nghị như: sử dụng thiết bị “bẫy hạt”, bộ xúc tác oxy hóa, xúc tác có tính lựa chọn (SCR), bộ thiết bị tuần hoàn khí thải (ERG), hệ thống phin lọc (CRT), sử dụng nhiên liệu sinh học biodiezel thay thế cho nhiên liệu thông thường…Tuy nhiên các phương pháp này có nhược điểm là đắt, kết cấu của động cơ bị thay đổi, những biện pháp như sử dụng thiết bị “bẫy hạt” thì chỉ áp dụng cho các loại động cơ diezel cỡ nhỏ, còn nhiên liệu sinh học biodiezel vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu và chưa được phổ biến rộng rãi [20]. Một biện pháp khả dĩ hơn hiện nay đó là nghiên cứu sử dụng nhiên liệu nhũ tương nước- diezel.
Việc sử dụng nhiên liệu này không những có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm tải khí tải bảo vệ môi trường mà còn đồng thời góp phần tiết kiệm nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần ngày càng cạn kiệt. Khi đưa nước vào nhiên liệu đồng nghĩa với việc ta tiết kiệm được một hàm lượng diezel tương ứng. Vì vậy việc nghiên cứu nhiên liệu nhũ tương là rất cần thiết. Xuất phát từ ý nghĩa đó đề tài “ Nghiên cứu chế tạo và đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương cho động cơ diezel “đã được thực hiện.
Tình hình nghiên cứu hiện nay 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới việc đưa nước vào nhiên liệu diezel đã được biết đến từ sau thập niên 90. Hàng trăm sáng chế đã đưa ra trên cơ sở hỗn hợp pha trộn nước với diezel [23, 26]. Tuy nhiên phải đến nay nhiên liệu nhũ tương nước - diezel mới được nhiều nước nghiên cứu hoàn chỉnh và áp dụng Hình 1.
Mẫu nhiên liệu rộng rãi với hàm lượng nước điển hình từ 8 đến nhũ tương GecamTM Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 11 35% tùy theo yêu cầu ứng dụng. Nhiều sản phẩm của nhiên liệu nhũ tương này đã được thương mại hóa như: PuriNOxTM, Qwhite, Aspira của tập đoàn Lubrizol (Mỹ) chứa hàm lượng nước từ 10 dến 20% giảm 14% NO x và 62,9% PM, AquazoleTM của TOTAL (Pháp) chứa hàm lượng nước từ 14 đến 17% giảm 16% NOx và 60% PM, GecamTM của CAM Tecnologie (Ý) hàm lượng nước từ 10 đến 11%, Aquadisel của Clean Fuel Technology (Mỹ) chứa hàm lượng nước 13%. Hiện đã có 4 nước ở Châu Âu bao gồm Pháp, Ý, Anh, Switzerland sử dụng ngoài thực tế nhiên liệu nhũ tương trong đó toàn bộ hệ thống xe buýt ở London đã sử dụng từ năm 2003, các loại xe buýt ở Paris cũng vậy. Hiện có khoảng hơn 9000 xe buýt sử dụng loại nhiên liệu này.
Như vậy loại nhiên liệu này đã được các nước Châu Âu cũng như Mỹ sử dụng phổ biến và được xem là nhiên liệu sạch để thay thế cho diezel. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Ở Việt Nam, lĩnh vực nhũ tương đã được nghiên cứu nhiều. Hai loại nhũ tương bitum và nhũ tương dầu FO đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên nhũ tương dầu diezel mới chỉ đang trong giai đoạn nghiên cứu.
Ở Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh đã nhiều năm nghiên cứu đề tài này và bước đầu đã có kết quả rất tốt. Tuy nhiên thời gian ổn định cũng như hàm lượng nước đưa vào còn thấp và cần nghiên cứu sâu hơn loại nhiên liệu nhũ tương này. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài 1. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu chế tạo nhiên liệu nhũ tương nước - diezel.
- Đánh giá chất lượng nhiên liệu nhũ tương tạo thành. Nội dung nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu lựa chọn chất nhũ hóa và chất ổn định nhũ - Khảo sát thành phần hỗn hợp tạo nhũ; nghiên cứu lựa chọn phụ gia - Khảo sát thời gian và tốc độ khuấy trộn - Xác đinh các chỉ tiêu của nhiên liệu - Xác định hàm lượng khí thải, tiêu tốn nhiên liệu và công suất động cơ Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 12 CHƯƠNG 2. Khái quát về nhiên liệu nhũ tương 2. Khái niệm về nhiên liệu nhũ tương Nhiên liệu nhũ tương được xác định như là sự nhũ hóa của nước trong nhiên liệu diezel thông thường.
Quá trình được thực hiện bằng cách phân tán pha nước nguyên chất vào pha dầu diezel và ổn định bằng chất nhũ hóa cũng như các phụ gia. Hàm lượng nước điển hình là 10- 20%. Nhiên liệu nhũ tương có dạng lỏng, màu trắng đục như sữa. Nhiên liệu được sủ dụng cho động cơ diezel Hình 2.
Mô hình giọt nhũ (đường bộ, đường sắt, đường thủy) và một phần được sử dụng cho các tuabin khí (trong công nghiệp phát điện, xây dựng…). Việc sử dụng nhiên liệu này có ý nghĩa cao về mặt môi trường trong việc giảm thải hàm lượng các khí thải độc hại như NO x, PM,. Quá trình cháy nhiên liệu nhũ tương Nhiên liệu nhũ tương được sử dụng tương tự như nhiên liệu diezel thông thường trong động cơ diezel mà không cần yều cầu phải thay đổi động cơ. Để hiểu rõ bản chất cháy của loại nhiên liệu này trước hết chúng ta phải xem xét nguyên lý làm việc của động cơ diezel.
Nguyên lý làm việc động cơ diezel [1] Động cơ diezel cũng làm việc theo nguyên tắc 04 kỳ như động cơ xăng, nhưng khác động cơ xăng ở chỗ trong động cơ xăng hỗn hợp nhiên liệu và không khí được bốc cháy sau khi bugi đánh lửa; còn ở động cơ diezel, nhiên liệu được đưa vào Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 13 xylanh, ở đó không khí đã được nén trước và đã có nhiệt độ cao, nhiên liệu sẽ tự bốc cháy. Động cơ xăng có tỷ số nén thấp hơn so với động cơ diezel (tỷ số nén là là tỷ số giữa thể tích của xylanh khi piston nằm ở vị trí điểm chết dưới so với phần thể tích chết ở phần trên). Với động cơ xăng, tỷ lệ đó là từ 7/1 đến 11/1, còn động cơ diezel là từ 14/1 đến 17/1 [1]. Vì vậy động cơ diezel có công suất lớn hơn động cơ xăng trong khi tiêu hao cùng 1 lượng nhiên liệu.
Hành trình động cơ diezel làm việc theo 4 chu kỳ: hút, nén, cháy, thải. Mô hình buồng đốt động cơ diezel Khi piston đi từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới, van nạp mở ra, không khí được hút vào xylanh; sau đó van nạp đóng lại; piston lại đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên, thực hiện quá trình nén không khí. Do bị nén, áp suất tăng, dẫn đến nhiệt độ tăng, có thể tới 500 đến 700oC. Khi piston đến gần điểm chết trên, nhiên liệu được phun vào xylanh (nhờ bơm cao áp) dưới dạng sương, khi gặp không khí ở nhiệt độ cao sẽ tự bốc cháy.
Khi cháy, áp suất tăng mạnh đến đẩy piston từ vị trí điểm chết dưới thực hiện quá trình dãn nở sinh công có ích và được truyền qua hệ thống thanh truyền làm chạy máy. Piston sau đó lại đi từ điểm chết dưới lên điểm Mai Ngọc Phong – Công nghệ Hóa học 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 14 chết trên để thải sản phẩm cháy ra ngoài qua một van thải và tiếp tục thực hiện hành trình mới. Ảnh hưởng của nước đến quá trình cháy nhiên liệu Do có nước trong nhiên liệu nên hạ thấp nhiệt độ cháy và thay đổi mô hình cháy để carbon trong nhiên liệu cháy triệt để hơn. Chất lượng nhiên liệu được cải thiện đáng kể nhờ hiệu ứng “vi nổ” [5].
Khi phun nhiên liệu nhũ tương bằng vòi phun sẽ tạo ra chùm tia nhũ tương, mỗi hạt nhũ tương bao gồm hạt nhiên liệu có chứa một vài hạt nước có kích thước bé hơn. Nhiệt độ sôi của nước thấp hơn nhiệt độ sôi của nhiên liệu, bởi vậy khi sấy nóng các hạt trong buồng cháy, nước bay hơi sớm hơn nhiên liệu. Hơi nước tạo thành thắng được sức căng bề mặt làm vỡ hạt nhiên liệu. Nhờ hiệu ứng phản lực, mà những phần vỡ của các hạt bay về phía ngược với vị trí vỡ bề mặt, do đó một lần nữa nhiên liệu dược tách ra mịn hơn (Hình 2.