Chương 1. Tổng quan Chương 2. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động cơ diesel sử dụng hệ thống phun kiểu CommonRail (CR) làm việc theo thời gian thực Chương 3. Xây dựng mô hình động cơ HyundaiD4CB 2.5 TCI-A sử dụng nhiên liệu biodiesel làm việc theo thời gian thực Chương 4.
Xây dựng chương trìnhđiều khiển động cơ Hyundai D4CB 2.5 TCI-A sử dụng nhiên liệu biodiesel Chương 5. Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận chung và hướng phát triển. TỔNG QUAN Hiện nay, nhằm giảm thiểu mức ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ đốt trong gây ra cũng như giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, các quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu sản xuất, sử dụng nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong, đặc biệt là cho động cơ diesel là loại động cơ chiếm tỷ trọng lớn trong các thiết bị vận tải đường bộ và đường thủy cũng như các trạm phát điện cỡ nhỏ và cỡ lớn.1 Nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel 1.1 Khái quát chung Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay nhiên liệu sinh học (NLSH) đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu, do các lợi ích như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp… NLSH được định nghĩa là nhiên liệu nhận được từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động, thực vật, [4]. NLSH bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng.
NLSH dạng lỏng bao gồm ethanol sinh học (bioethanol), methanol sinh học (biomethanol), diesel sinh học (biodiesel); dạng khí gồm hydro sinh học (biohydro) và methane sinh học (biomethane). Đối với động cơ diesel, nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến hiện nay là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) và biodiesel.2 Khái niệm về biodiesel Biodiesel được định nghĩa là một dạng nhiên liệu dùng để thay thế diesel, có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Biodiesel là hỗn hợp diesel sinh học tinh khiết (còn gọi là B100 hoặc diesel sinh học gốc) được pha với nhiên liệu diesel truyền thống (có nguồn gốc hóa thạch) theo một tỷ lệ nhất định về thể tích, [5]. Biodiesel thường được ký hiệu là Bxx, trong đó xx là 2 chữ số chỉ tỷ lệ thể tích của biodiesel trong hỗn hợp (ví dụ: B20 có nghĩa là hỗn hợp nhiên liệu chứa 20% biodiesel và 80% diesel truyền thống; và do đó B0 sẽ tương ứng với ký hiệu của nhiên liệu diesel truyền thống, chứa 0% biodiesel), [6].
Biodiesel là nguồn năng lượng tái tạo, không độc và dễ phân hủy. Biodiesel rất linh động có thể trộn với diesel truyền thống theo bất kì tỉ lệ nào. Việc sử dụng biodiesel sẽ giúp đa dạng hóa nguồn nhiên liệu, [6].3 So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng Biodiesel có các tính chất về vật lý và hóa học tương đối giống so với diesel. Tuy nhiên khi thay đổi tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính (tỷ lệ C:H:O, sức căng mặt ngoài, độ nhớt, tỷ trọng.) và đặc tính (nhiệt trị thấp, trị số xê tan.) của biodiesel cũng thay đổi theo (Bảng 1.1) nhưng với chiều hướng rất khác nhau.
Ngoài việc phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn, các thuộc tính/đặc tính của biodiesel còn phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu đầu (Feedstock) để sản xuất diesel sinh học gốc (B100), [6].1 so sánh các chỉ tiêu về vật lý và hóa học của biodiesel và diesel, các chỉ tiêu bao gồm: tỷ trọng, độ nhớt, trị số xêtan, nhiệt trị, trị số xêtan, tỷ số A/F (với B100 được sản xuất từ bã thải của quá trình tinh lọc dầu cọ thành dầu ăn) Bảng 1.1 So sánh các thuộc tính của biodiesel theo tỷ lệ pha trộn (với cùng loại diesel sinh học gốc B100 dùng trong nghiên cứu của luận án), [7, 8] Loại nhiên liệu Thông số B0 B20 B100 C 0,87 0,849 0,773 Thành phần hóa học H 0,126 0,124 0,118 O 0,004 0,025 0,108 Khối lượng riêng ở 20 C, [kg/m3] o 830 841 885 Sức căng mặt ngoài ở 20oC, T, [N/m] 0,028 0,031 0,043 Độ nhớt động học ở 20oC, [cSt] 3,61 3,97 5,23 Nhiệt trị thấp, QH , [MJ/kg] 42,5 41,18 36,22 Trị số xê tan 48 48,68 51,3 Tỷ lệ A/F 14,58 14,19 12,69 Biodiesel có tỷ trọng, độ nhớt, sức căng bề mặt ngoài, trị số Xê tan cao hơn diesel truyền thống nên ảnh hưởng tới quá trình hình thành hỗn hợp và cháy. Nhìn chung, khi sử dụng biodiesel sẽ làm giảm mức phát thải CO, HC, PM nhưng có sự gia tăng về mức phát thải NOx, [9]. Biodiesel có nhiệt trị, tỷ lệ A/F thấp hơn so với diesel truyền thống nên khi sử dụng biodiesel sẽ tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu nếu muốn duy trì công suất. Ngoài ra, những khó khăn trong việc bảo quản/lưu trữ, vận chuyển và phân phối; những vấn đề cần quan tâm hơn khi chăm sóc, bảo dưỡng động cơ… cũng là những mặt còn hạn chế của biodiesel, [9].4 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel Có khá nhiều nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel, và thường được chia thành 3 nguồn chính, trong đó nguồn nguyên liệu thế hệ thứ nhất bao gồm dầu thực vật ăn được (dầu hướng dương, dầu lạc, dầu dừa, dầu thầu dầu, dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hạt bông…), mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, mỡ lợn…).
Tuy nhiên, các nguyên liệu này cạnh tranh với nguồn lương thực của con người nên việc sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu trên bị Tổ chức Nông Lương thế giới phản đối. Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ 2 là các dạng phế thải như mỡ động vật và axit béo phế thải. Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ 3 bao gồm các loại tảo và dầu jatropha. Các nguồn nguyên liệu thế hệ thứ 2 và 3 là các nguồn nguyên liệu không cạnh tranh với các nguồn lương thực của con người nên đang được quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất biodiesel, [4].5 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel - Mỹ là nước sản xuất và tiêu thụ biodiesel lớn nhất thế giới, trong 8 năm trở lại đây lượng tiêu thụ biodiesel đã tăng từ 260 triệu gallon (1 gallon=3,785 lít) vào năm 2010 lên gần 886 triệu gallon vào năm 2011 và đạt khoảng 899 triệu gallon vào năm 2012.
Xu hướng này tiếp tục duy trì trong các năm 2013, 2014, 2015, 2016 với tổng lượng tiêu thụ lần lượt là 1429, 1417, 1494, 2060 triệu gallon, [10]. Hiện nay, Mỹ cũng đang đầu tư rất nhiều ngân sách vào các dự án nghiên cứu phát triển và sử dụng B10, B20 cho các phương tiện cơ giới đường bộ (PTCGĐB), [9]. Ngoài ra, Mỹ cũng đã hình thành mạng lưới các trạm cung cấp biodiesel tại hầu hết các tiểu bang.1 Lượng sản xuất, xuất khẩu và tiêu thụ biodiesel của Mỹ từ năm 2001 đến năm 2016,[10] - Liên minh Châu Âu: đây là khu vực có sự phát triển mạnh của biodiesel. Theo Báo cáo về Nhiên liệu sinh học hàng năm (năm 2017) của Liên minh Châu Âu, lượng tiêu thụ biodiesel khu vực này giảm dần từ 11.066 triệu lít vào năm 2011 xuống còn 10.973 triệu lít vào năm 2013 do giá dầu thô giảm.
Tuy nhiên do các nước trong Liên minh Châu Âu thay đổi chính sách đối với nhiên liệu sinh học nên lượng tiêu thụ biodiesel tại khu vực này đang tăng dần (ước tính năm 2018 tăng lên 12.2 Lượng tiêu thụ biodiesel của Liên minh Châu Âu (giai đoạn 2011-2016 dự báo cho năm 2017, 2018), [11] Lượng tiêu thụ biodiesel, (triệu lít) Quốc gia 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Đức 3408 3106 3307 3808 3505 3522 3520 3520 Pháp 2090 2516 2476 2681 2556 2522 2410 2400 Tây Ban Nha 787 538 659 1017 1103 1122 1420 1480 Hà Lan 558 974 790 1056 1056 909 910 910 Ba lan 414 673 736 786 795 784 795 795 Vương Quốc Anh 261 364 648 648 625 625 625 625 Ý 704 326 521 452 625 625 625 570 Bỉ và Luxembourg 536 568 568 568 568 568 570 570 Australia 352 301 247 332 386 398 410 410 Bồ Đào Nha 419 356 329 349 386 333 355 406 Các nước khác 1536 1308 693 468 519 874 1085 965 Tổng 11066 11029 10973 12165 12124 12281 12725 12650 7 - Khu vực Châu Á có lượng sản xuất và tiêu thụ ít hơn: + Tại Indonesia: Theo báo cáo (2017) của Bộ Tài nguyên và Môi trường Indonesia, lượng tiêu thụ biodiesel của nước này đã tăng từ 860 triệu lít (năm 2015) lên 3,008 tỷ lít (năm 2016) và dự kiến giảm nhẹ vào năm 2017 còn 2,8 tỷ lít. Ngoài ra, mức pha trộn cũng đã tăng từ 10% lên 20% vào tháng 6 năm 2017,[12]. + Tại Thái Lan: Theo báo cáo (tháng 6/2017) của Bộ Tài nguyên và Môi trường Thái Lan, tổng lượng tiêu thụ biodiesel trong năm 2014, 2015 và 2017 lần lượt là 1,18; 1,23 và 1,3 tỷ lít; ước tính trong năm 2017 và 2018 lượng tiêu thụ biodiesel sẽ đạt khoảng 1,42 và 1,48 tỷ lít. Nhu cầu sử dụng diesel sinh học được dự báo sẽ duy trì tăng trưởng hàng năm từ 2,5 ÷ 2,7% từ năm 2018 ÷ 2022, và sau đó dự báo sẽ giảm xuống còn 1,5 ÷ 2,0% sau năm 2022.
Mặc dù, chính phủ Thái Lan đã sớm thông qua chính sách nhằm khuyến khích việc chuyển các động cơ diesel thông thường sang dùng biodiesel vào tháng 6/2007 nhưng sau rất nhiều lần thay đổi chính sách thì tỷ lệ pha trộn mới chỉ dừng lại ở mức B7 (do biến đổi khí hậu nên nguồn nguyên liệu dầu cọ không cung cấp đủ để sản xuất biodiesel); Chính phủ Thái Lan cũng đang lên kế hoạch tăng tỷ lệ pha trộn lên 10% (B10) vào năm 2018, [13]. + Tại Việt Nam: Việt Nam có nhiều tiềm năng về sản xuất nhiên liệu sinh học, điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thành những vùng nguyên liệu tập trung. Mỡ cá, dầu ăn phế thải được sử dụng để sản xuất biodiesel có thể giúp giải quyết được các vấn đề về môi trường và tăng hiệu quả kinh tế của quá trình chế biến thủy sản. Ước tính, Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít biodiesel mỗi năm nếu như tổ chức quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử dụng đất triệt để, tạo ra nhiều loại giống có sản lượng cao và sở hữu các công nghệ tách dầu từ nguyên liệu, [6].
Chính phủ Việt Nam đã quyết tâm phát triển nền công nghiệp nhiên liệu sinh học thông qua việc triển khai Đề án phát triển Nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020,[14]. Ngày 22/11/2012, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 53/2012/QĐ- TTg về việc ban hành “Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống”, [2].