Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng đóng vai trò thiết yếu trong phát triển kinh tế và xã hội toàn cầu, trong đó nhiên liệu hóa thạch như diesel chiếm ưu thế nhờ mật độ năng lượng cao và tính di động. Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu này có hạn và gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do phát thải khí nhà kính và các chất độc hại. Việt Nam đã cam kết đạt phát thải ròng bằng không vào năm 2050, thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học biodiesel như một giải pháp thay thế bền vững. Biodiesel, đặc biệt là dầu cọ, được sản xuất từ nguồn nguyên liệu nông nghiệp tái tạo, có khả năng giảm phát thải CO2 trong vòng đời và tương thích với động cơ diesel hiện tại.

Nghiên cứu này tập trung khảo sát đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel dầu cọ trong buồng cháy đẳng tích (CVCC) nhằm mô phỏng điều kiện cháy động cơ diesel thực tế. Các hỗn hợp nhiên liệu với tỷ lệ dầu cọ từ 0 % đến 100 % (B0, B15, B30, B60, B100) được thử nghiệm dưới áp suất phun nhiên liệu 800 bar và 1200 bar, áp suất hòa khí 43 bar, nhiệt độ 1000 K và nồng độ oxy 21 %. Mục tiêu chính là đánh giá ảnh hưởng của nồng độ dầu cọ đến áp suất cháy, tốc độ tỏa nhiệt, thời gian chờ cháy và tổng nhiệt tỏa ra, từ đó đề xuất các điều chỉnh phù hợp cho động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel dầu cọ.

Kết quả nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm quan trọng để phát triển mô hình mô phỏng quá trình cháy biodiesel, đồng thời hỗ trợ cải tiến thiết kế và điều chỉnh vận hành động cơ diesel nhằm tối ưu hiệu suất và giảm phát thải. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều kiện cháy mô phỏng động cơ diesel thương mại, góp phần nâng cao hiểu biết về đặc tính cháy của nhiên liệu sinh học dầu cọ trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết quá trình cháy động cơ diesel: Quá trình cháy trong động cơ diesel bao gồm giai đoạn hòa trộn trước, cháy khuếch tán và cháy hoàn toàn. Thời gian chờ cháy (Ignition Delay - IGD) và tốc độ tỏa nhiệt (Heat Release Rate - HRR) là các chỉ số quan trọng phản ánh hiệu quả cháy và phát thải khí thải.

  • Mô hình buồng cháy đẳng tích (Constant Volume Combustion Chamber - CVCC): CVCC mô phỏng điều kiện cháy trong xy lanh động cơ diesel với thể tích không đổi, cho phép đo chính xác áp suất cháy và tính toán các đặc tính cháy như áp suất tối đa, tốc độ tăng áp suất và nhiệt lượng tỏa ra.

  • Khái niệm đặc tính lý hóa nhiên liệu: Bao gồm độ nhớt động học, mật độ, nhiệt trị, chỉ số cetane và nhiệt độ chưng cất. Những đặc tính này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phun, hóa hơi và cháy của nhiên liệu.

  • Phương pháp đốt cháy cưỡng bức hỗn hợp hòa khí (Pre-combustion Technique): Tạo môi trường cháy áp suất và nhiệt độ cao trong CVCC bằng cách đốt cháy hỗn hợp khí acetylene, oxygen và nitrogen trước khi phun nhiên liệu thử nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu áp suất cháy được thu thập từ cảm biến áp suất động AVL GU12P gắn trong buồng cháy CVCC. Các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ – diesel được chuẩn bị với tỷ lệ thể tích B0, B15, B30, B60, B100. Đặc tính lý hóa của nhiên liệu được đo theo tiêu chuẩn ASTM.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán áp suất cháy, tốc độ tỏa nhiệt, thời gian chờ cháy dựa trên dữ liệu áp suất thu thập được. Phân tích ảnh hưởng của nồng độ dầu cọ và áp suất phun nhiên liệu (800 bar và 1200 bar) đến các đặc tính cháy. So sánh kết quả giữa các hỗn hợp nhiên liệu để xác định xu hướng và nguyên nhân.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 02/2023 đến tháng 12/2023 tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM. Quy trình thực nghiệm bao gồm chuẩn bị nhiên liệu, thiết lập hệ thống CVCC, tiến hành thử nghiệm và xử lý dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Áp suất cháy tối đa và đỉnh tốc độ tỏa nhiệt giảm khi tăng nồng độ dầu cọ: Áp suất cháy lớn nhất của B100 thấp hơn B0 khoảng 27 % tại áp suất phun 800 bar và 15 % tại 1200 bar. Tương tự, đỉnh tốc độ tỏa nhiệt của B100 cũng thấp nhất trong các hỗn hợp.

  2. Tốc độ tăng áp suất cháy giảm theo tỷ lệ dầu cọ: Tốc độ tăng áp suất cháy lớn nhất giảm 27 % và 15 % tại áp suất phun 800 bar và 1200 bar khi so sánh B100 với B0, cho thấy quá trình cháy chậm hơn khi tăng tỷ lệ biodiesel.

  3. Thời gian chờ cháy ngắn hơn nhờ chỉ số cetane cao: Chỉ số cetane của B100 cao hơn B0 18 %, giúp rút ngắn thời gian chờ cháy, cải thiện khả năng tự cháy của nhiên liệu dầu cọ so với diesel.

  4. Tổng nhiệt tỏa ra giảm khi tăng nồng độ dầu cọ: Do nhiệt trị thấp hơn của dầu cọ (B100 có nhiệt trị thấp hơn B0 khoảng 13 %), tổng nhiệt lượng giải phóng giảm dần khi tăng tỷ lệ biodiesel trong hỗn hợp.

  5. Tốc độ tăng nhiệt độ cháy lớn nhất tăng khi nồng độ dầu cọ đạt 15 %: Điều này biểu thị khả năng phát thải NOx cao hơn ở hỗn hợp B15 so với diesel thuần túy.

Thảo luận kết quả

Sự giảm áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt khi tăng tỷ lệ dầu cọ được giải thích bởi đặc tính lý hóa của biodiesel dầu cọ, bao gồm độ nhớt cao hơn (tăng 32 % so với diesel), mật độ cao hơn (tăng 5 %) và nhiệt trị thấp hơn (giảm 13 %). Độ nhớt cao làm giảm hiệu quả nguyên tử hóa nhiên liệu, dẫn đến quá trình cháy hòa trộn trước yếu hơn và tốc độ cháy chậm hơn. Tuy nhiên, chỉ số cetane cao hơn giúp rút ngắn thời gian chờ cháy, bù đắp phần nào cho sự chậm trễ do độ nhớt.

Kết quả tương đồng với các nghiên cứu trước đây về biodiesel từ các nguồn khác như dầu cá, dầu thực vật hydrotreated, và dầu ăn phế phẩm, cho thấy tính nhất quán trong ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu đến quá trình cháy. Việc tăng tốc độ tăng nhiệt độ cháy ở hỗn hợp B15 có thể dẫn đến phát thải NOx cao hơn, cần được cân nhắc trong thiết kế và điều chỉnh động cơ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ áp suất cháy theo thời gian, biểu đồ tốc độ tỏa nhiệt và bảng so sánh các chỉ số đặc tính cháy giữa các hỗn hợp nhiên liệu, giúp trực quan hóa sự khác biệt và xu hướng thay đổi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh áp suất phun nhiên liệu phù hợp với tỷ lệ biodiesel: Giảm áp suất phun hoặc tối ưu hóa áp suất phun để cân bằng giữa hiệu suất cháy và phát thải, đặc biệt khi tỷ lệ dầu cọ cao (B60, B100). Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất động cơ, thời gian: 6-12 tháng.

  2. Cải tiến hệ thống phun nhiên liệu và nguyên tử hóa: Thiết kế kim phun phù hợp với độ nhớt cao của biodiesel dầu cọ nhằm nâng cao hiệu quả phun và hòa trộn nhiên liệu. Chủ thể thực hiện: Các công ty sản xuất kim phun, thời gian: 12-18 tháng.

  3. Tối ưu hóa thời điểm phun nhiên liệu: Rút ngắn hoặc điều chỉnh thời gian phun để tận dụng chỉ số cetane cao, giảm thời gian chờ cháy và tăng hiệu suất cháy. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư động cơ, thời gian: 6 tháng.

  4. Phát triển hệ thống xử lý khí thải chuyên biệt: Đặc biệt chú trọng kiểm soát phát thải NOx tăng khi sử dụng hỗn hợp biodiesel với tỷ lệ thấp (B15). Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất hệ thống xử lý khí thải, thời gian: 12 tháng.

  5. Đào tạo và hướng dẫn sử dụng nhiên liệu biodiesel: Cung cấp kiến thức cho người vận hành và kỹ thuật viên về đặc tính và cách điều chỉnh động cơ khi sử dụng biodiesel dầu cọ. Chủ thể thực hiện: Các trung tâm đào tạo kỹ thuật, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chuyên sâu về đặc tính cháy biodiesel, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

  2. Nhà sản xuất và thiết kế động cơ diesel: Thông tin về ảnh hưởng của biodiesel dầu cọ đến quá trình cháy giúp cải tiến thiết kế kim phun, hệ thống nhiên liệu và điều chỉnh vận hành.

  3. Chính sách và quản lý năng lượng, môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách thúc đẩy sử dụng nhiên liệu sinh học, giảm phát thải khí nhà kính.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và phân phối nhiên liệu sinh học: Hiểu rõ đặc tính nhiên liệu và tác động đến động cơ giúp tối ưu hóa sản phẩm và tư vấn khách hàng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biodiesel dầu cọ khác gì so với diesel truyền thống?
    Biodiesel dầu cọ có độ nhớt cao hơn 32 %, mật độ cao hơn 5 %, nhiệt trị thấp hơn 13 % và chỉ số cetane cao hơn 18 % so với diesel. Những đặc tính này ảnh hưởng đến quá trình phun và cháy nhiên liệu trong động cơ.

  2. Tại sao áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt giảm khi tăng tỷ lệ dầu cọ?
    Do nhiệt trị thấp và độ nhớt cao của biodiesel dầu cọ làm giảm hiệu quả nguyên tử hóa và cháy hòa trộn trước, dẫn đến áp suất cháy tối đa và tốc độ tỏa nhiệt thấp hơn so với diesel.

  3. Chỉ số cetane cao có lợi ích gì?
    Chỉ số cetane cao giúp rút ngắn thời gian chờ cháy, cải thiện khả năng tự cháy của nhiên liệu, từ đó tăng hiệu suất cháy và giảm phát thải khí độc hại.

  4. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải NOx như thế nào?
    Ở tỷ lệ dầu cọ khoảng 15 %, tốc độ tăng nhiệt độ cháy lớn hơn diesel, dẫn đến khả năng phát thải NOx cao hơn, cần có biện pháp kiểm soát khí thải phù hợp.

  5. Làm thế nào để sử dụng biodiesel dầu cọ hiệu quả trên động cơ diesel hiện có?
    Cần điều chỉnh áp suất phun, thời điểm phun và cải tiến hệ thống phun nhiên liệu để phù hợp với đặc tính lý hóa của biodiesel, đồng thời áp dụng hệ thống xử lý khí thải hiệu quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng và vận hành thành công hệ thống buồng cháy đẳng tích CVCC để khảo sát đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel dầu cọ và các hỗn hợp với diesel dưới điều kiện mô phỏng động cơ diesel thực tế.
  • Kết quả cho thấy áp suất cháy tối đa và tốc độ tỏa nhiệt giảm khi tăng tỷ lệ dầu cọ, trong khi thời gian chờ cháy rút ngắn nhờ chỉ số cetane cao hơn.
  • Tổng nhiệt tỏa ra giảm do nhiệt trị thấp của biodiesel, đồng thời tốc độ tăng nhiệt độ cháy lớn nhất tăng ở hỗn hợp B15, cảnh báo khả năng phát thải NOx cao hơn.
  • Các đặc tính lý hóa như độ nhớt, mật độ, nhiệt trị và chỉ số cetane đóng vai trò quyết định đến đặc tính cháy và hiệu suất động cơ khi sử dụng biodiesel dầu cọ.
  • Đề xuất điều chỉnh áp suất phun, cải tiến hệ thống phun nhiên liệu và tối ưu hóa thời điểm phun để nâng cao hiệu quả sử dụng biodiesel, đồng thời phát triển hệ thống xử lý khí thải phù hợp.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng khảo sát ảnh hưởng của biodiesel dầu cọ đến hiệu suất và phát thải trên động cơ diesel thực tế, đồng thời phát triển mô hình mô phỏng quá trình cháy chính xác hơn. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp ứng dụng kết quả để thúc đẩy phát triển nhiên liệu sinh học bền vững.