I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Quá Trình Cháy Biodiesel Dầu Cọ
Ngày nay, năng lượng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống – xã hội và sự phát triển kinh tế toàn cầu. Trong đó, năng lượng từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch luôn là sự lựa chọn hàng đầu trong các lĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, nông nghiệp, xây dựng,… Đặc tính mật độ năng lượng, tính di động và đặc tính an toàn là những tính năng rất quan trọng của một nguồn nhiên liệu, chúng quyết định khả năng ứng dụng của một loại nhiên liệu trên ứng dụng ô tô phương tiện di chuyển. Lượng năng lượng lưu trữ trên phương tiện quyết định phạm vi hoạt động của xe. Do đó tính chất mật độ năng lượng cao trên một đơn vị thể tích của nhiên liệu hóa thạch giúp nhiên liệu hóa thạch (xăng và dầu diesel) thường được lựa chọn làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Tuy nhiên, nhiên liệu hóa thạch là hữu hạn và không sản xuất được, do đó nó ảnh hưởng tới khả năng phát triển lâu dài và vấn đề an ninh năng lượng. Bên cạnh đó, trong quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch, khí thải độc hại từ quá trình đốt cháy của nhiên liệu hóa thạch luôn là một vấn đề lớn, nó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường. Chính vì vậy, nhiều chiến lược với mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính đã được thực thi trên toàn cầu như chiến lược phát thải ròng bằng không. Việt Nam cũng chung tay thực hiện chiến lược này với mục tiêu vào năm 2050 đạt lượng phát thải ròng bằng không. Để đáp ứng mục tiêu này, một giải pháp được lựa chọn là sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống ứng dụng trên động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng. Nhiên liệu sinh học biodiesel được xem là nhiên liệu thay thế có lượng phát thải khí thải CO2 trong vòng đời thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch. Bởi vì biodiesel là một loại nhiên liệu có thể sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp: dầu cọ, đậu nành, dầu dừa,…. Từ đó giúp thúc đẩy nông nghiệp trên toàn thế giới và tăng lượng hấp thụ khí CO2. Hơn nữa, các đặc tính lý hóa của nhiên liệu biodiesel là tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống giúp có thể sử dụng nhiên liệu biodiesel thay thế cho diesel. Nhiên liệu biodiesel đã được ứng dụng thay thế diesel lên đến 20 % sử dụng trên động cơ diesel thương mại mà không cần điều chỉnh cấu trúc hoặc các thông số hoạt động của động cơ. Tuy nhiên, mỗi loại nhiên liệu sinh học biodiesel đều có một bộ tính chất lý hóa riêng biệt, chính những sự khác biệt này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc trưng quá trình cháy của động cơ từ đó gây ra các vấn đề nghiêm trọng trên động cơ. Trong nghiên cứu này, nhiên liệu được lựa chọn là nhiên liệu dầu cọ thương mại với bộ đặc tính lý hóa riêng biệt so với các loại biodiesel đã được nghiên cứu trong nước và thế giới. Vì vậy một nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu dầu cọ sẽ được thực hiện để làm sáng tỏ mối liên hệ giữa đặc tính lý – hóa của nhiên liệu đến thông số đặc tính quá trình cháy. Hơn thế nữa, từ những sự khác biệt về đặc tính quá trình cháy do đặc tính lý – hóa của nhiên liệu gây ra, những gợi ý về thay đổi thông số hoạt động của động cơ được xây dựng khi thay thế sử dụng nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu sinh học dầu cọ, hoặc hỗn hợp nhiên liệu giữa nhiên liệu diesel kết hợp với nhiên liệu sinh học dầu cọ.
1.1. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Nhiên Liệu Thay Thế
Nghiên cứu các loại nhiên liệu thay thế như biodiesel từ dầu cọ ngày càng trở nên quan trọng do sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch và những lo ngại về môi trường. Việc tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, giảm phát thải, và bền vững là ưu tiên hàng đầu. Nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực này không chỉ góp phần đảm bảo an ninh năng lượng mà còn thúc đẩy sự phát triển của ngành nông nghiệp và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Việc sử dụng nhiên liệu sinh học cũng giúp các quốc gia giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu năng lượng.
1.2. Giới Thiệu về Buồng Cháy Đẳng Tích và Ứng Dụng
Buồng cháy đẳng tích (CVCC) là một thiết bị quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm về quá trình cháy. Nó cho phép các nhà khoa học kiểm soát chặt chẽ các điều kiện đốt cháy, như nhiệt độ, áp suất, và thành phần hỗn hợp khí. CVCC thường được sử dụng để mô phỏng các điều kiện cháy trong động cơ đốt trong, giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất cháy và khí thải. Kết quả từ các nghiên cứu thực nghiệm này có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế động cơ và cải thiện chất lượng nhiên liệu.
1.3. Mục Tiêu và Phạm Vi của Nghiên Cứu
Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát đặc tính quá trình cháy của biodiesel dầu cọ trong buồng cháy đẳng tích. Mục tiêu chính là đánh giá ảnh hưởng của biodiesel đến hiệu suất cháy, khí thải, và các thông số quan trọng khác. Nghiên cứu cũng sẽ so sánh biodiesel dầu cọ với nhiên liệu diesel truyền thống, từ đó đưa ra những đánh giá về tính khả thi và lợi ích của việc sử dụng nhiên liệu sinh học này. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các tỷ lệ pha trộn biodiesel khác nhau và các điều kiện đốt cháy khác nhau.
II. Tổng Quan Tình Hình Nghiên Cứu Quá Trình Cháy Biodiesel
Trong nghiên cứu này tập trung phân tích ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu sinh học lên đặc tính quá trình cháy trên hệ thống nghiên cứu thực nghiệm buồng cháy đẳng tích. Nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của các tỷ lệ nhiên liệu sinh học dầu thực vật (Hydrotreated vegetable oil - HVO) khác nhau hòa trộn với nhiên liệu diesel lên ảnh hưởng đặc tính quá trình cháy trên buồng cháy đẳng tích đã được thực hiện bởi Marasri et al. Nghiên cứu được thực nghiệm tại điều kiện 21 %; 15 %; 10 % oxy trong hỗn hợp khí nạp và nhiệt độ hòa khí trước khi phun nhiên liệu 1100 K; 900 K; 700 K trên buồng cháy đẳng tích. Áp suất phun nhiên liệu 1000 bar, kim phun điện từ 1 lỗ tia với đường kính lỗ phun là 0.2 mm và thời gian phun 2.5 ms được giữ cố định trong toàn bộ thí nghiệm. Bốn hỗn hợp nhiên liệu sử dụng: H20, H50, diesel và HVO được hòa trộn theo khối lượng. Đặc tính độ nhớt của nhiên liệu diesel HVO thấp hơn diesel 18.58 %, nhiệt trị cao hơn 2.18 % và chỉ số cetane cao hơn 27. Trong khi nhiệt độ chưng cất T90 thấp hơn 15. Kết quả hiển thị chỉ số cetane cao của HVO góp phần rút ngắn thời gian chờ cháy và đóng góp vào đỉnh tốc độ tỏa nhiệt thấp hơn so với diesel. Nhiên liệu HVO có khả năng hóa hơi nhiên liệu tốt hơn nhờ đặc tính độ nhớt thấp, mật độ thấp và nhiệt độ chưng cất T90 thấp, kết quả làm dễ dàng bẻ gãy mạch nhiên liệu (breakup), hình thành các hạt nhỏ hơn và tăng khả năng trộn lẫn tốt hơn với oxy, cuối cùng dẫn đến tốc độ oxy hóa và tốc độ tỏa nhiệt cao hơn. Tuy nhiên, do nhiên liệu diesel HVO có tốc độ đốt cháy cao hơn so với diesel, nó cũng tạo ra tốc độ tăng áp suất cao hơn dẫn đến tiếng ồn lớn hơn.
2.1. Các Nghiên Cứu Về Ảnh Hưởng của Biodiesel Đến Quá Trình Cháy
Nhiều nghiên cứu khoa học đã tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của biodiesel đến quá trình cháy trong các động cơ đốt trong. Các nghiên cứu này thường xem xét các yếu tố như hiệu suất cháy, khí thải, và độ bền của động cơ. Một số nghiên cứu cho thấy rằng biodiesel có thể cải thiện hiệu suất cháy và giảm lượng khí thải độc hại so với diesel truyền thống. Tuy nhiên, cũng có những nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng biodiesel có thể gây ra một số vấn đề, như tắc nghẽn bộ lọc nhiên liệu và ăn mòn các bộ phận động cơ. Cần có thêm nhiều nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá toàn diện các ưu và nhược điểm của việc sử dụng biodiesel.
2.2. So Sánh Nghiên Cứu Hiện Tại với Các Nghiên Cứu Trước Đây
Nghiên cứu hiện tại tập trung vào biodiesel dầu cọ trong buồng cháy đẳng tích, khác với nhiều nghiên cứu trước đây thường sử dụng động cơ đốt trong thực tế. Điều này cho phép kiểm soát chặt chẽ các điều kiện đốt cháy và đánh giá chính xác ảnh hưởng của biodiesel đến quá trình cháy. Nghiên cứu cũng sử dụng các phương pháp đo lường và phân tích hiện đại để thu thập dữ liệu chi tiết về áp suất, nhiệt độ, và thành phần khí thải. Kết quả của nghiên cứu này có thể cung cấp những thông tin quan trọng để tối ưu hóa việc sử dụng biodiesel dầu cọ trong các ứng dụng thực tế.
2.3. Các Yếu Tố Cần Xem Xét trong Nghiên Cứu Quá Trình Cháy
Trong nghiên cứu thực nghiệm về quá trình cháy, có nhiều yếu tố cần được xem xét để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Các yếu tố này bao gồm chất lượng nhiên liệu, điều kiện đốt cháy, thiết bị đo lường, và phương pháp phân tích dữ liệu. Chất lượng nhiên liệu cần được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo rằng nó đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và không chứa các tạp chất có thể ảnh hưởng đến quá trình cháy. Điều kiện đốt cháy, như nhiệt độ và áp suất, cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính ổn định của quá trình cháy.
III. Giải Pháp Sử Dụng Nhiên Liệu Biodiesel Dầu Cọ Hiệu Quả
Để đáp ứng mục tiêu này, một giải pháp được lựa chọn là sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống ứng dụng trên động cơ đốt trong nói chung và động cơ diesel nói riêng. Nhiên liệu sinh học biodiesel được xem là nhiên liệu thay thế có lượng phát thải khí thải CO2 trong vòng đời thấp hơn so với nhiên liệu hóa thạch. Bởi vì biodiesel là một loại nhiên liệu có thể sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp: dầu cọ, đậu nành, dầu dừa,…. Từ đó giúp thúc đẩy nông nghiệp trên toàn thế giới và tăng lượng hấp thụ khí CO2. Hơn nữa, các đặc tính lý hóa của nhiên liệu biodiesel là tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống giúp có thể sử dụng nhiên liệu biodiesel thay thế cho diesel. Nhiên liệu biodiesel đã được ứng dụng thay thế diesel lên đến 20 % sử dụng trên động cơ diesel thương mại mà không cần điều chỉnh cấu trúc hoặc các thông số hoạt động của động cơ [6]. Tuy nhiên, mỗi loại nhiên liệu sinh học biodiesel đều có một bộ tính chất lý hóa riêng biệt, chính những sự khác biệt này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc trưng quá trình cháy của động cơ từ đó gây ra các vấn đề nghiêm trọng trên động cơ.
3.1. Tối Ưu Hóa Tỷ Lệ Pha Trộn Biodiesel Dầu Cọ
Để sử dụng biodiesel dầu cọ một cách hiệu quả, việc tối ưu hóa tỷ lệ pha trộn biodiesel với diesel là rất quan trọng. Tỷ lệ pha trộn tối ưu có thể khác nhau tùy thuộc vào loại động cơ, điều kiện vận hành, và các yếu tố khác. Các nghiên cứu thực nghiệm cần được tiến hành để xác định tỷ lệ pha trộn tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. Việc sử dụng tỷ lệ pha trộn không phù hợp có thể gây ra các vấn đề như giảm hiệu suất cháy, tăng khí thải, hoặc hư hỏng động cơ.
3.2. Cải Thiện Đặc Tính Cháy của Biodiesel Dầu Cọ
Một số phương pháp có thể được sử dụng để cải thiện đặc tính cháy của biodiesel dầu cọ. Các phương pháp này bao gồm sử dụng các chất phụ gia, thay đổi quy trình sản xuất biodiesel, hoặc kết hợp biodiesel với các loại nhiên liệu khác. Các chất phụ gia có thể giúp cải thiện chỉ số cetane (CN) của biodiesel, giảm thời gian chờ cháy, và tăng hiệu suất cháy. Thay đổi quy trình sản xuất có thể giúp giảm hàm lượng axit béo tự do (FFA) và các tạp chất khác trong biodiesel, từ đó cải thiện chất lượng nhiên liệu.
3.3. Nghiên Cứu Ứng Dụng Biodiesel Dầu Cọ Trong Các Lĩnh Vực Khác
Ngoài ứng dụng trong động cơ đốt trong, biodiesel dầu cọ cũng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực khác, như sản xuất điện, sưởi ấm, và làm nhiên liệu cho các phương tiện vận tải khác. Các nghiên cứu cần được tiến hành để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng biodiesel dầu cọ trong các lĩnh vực này. Việc mở rộng ứng dụng của biodiesel dầu cọ có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và thúc đẩy sự phát triển của ngành năng lượng tái tạo.
IV. Phương Pháp Nghiên Cứu Đặc Tính Cháy Biodiesel CVCC
Để nghiên cứu một cách chuyên sâu về đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu dầu cọ, một nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện để làm sáng tỏ mối liên hệ giữa đặc tính lý – hóa của nhiên liệu đến thông số đặc tính quá trình cháy. Hơn thế nữa, từ những sự khác biệt về đặc tính quá trình cháy do đặc tính lý – hóa của nhiên liệu gây ra, những gợi ý về thay đổi thông số hoạt động của động cơ được xây dựng khi thay thế sử dụng nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu sinh học dầu cọ, hoặc hỗn hợp nhiên liệu giữa nhiên liệu diesel kết hợp với nhiên liệu sinh học dầu cọ.
4.1. Phát Triển Hệ Thống Thực Nghiệm Buồng Cháy Đẳng Tích CVCC
Việc phát triển một hệ thống nghiên cứu thực nghiệm buồng cháy đẳng tích (CVCC) là bước đầu tiên quan trọng. Hệ thống này cần được thiết kế để mô phỏng các điều kiện đốt cháy tương tự như trong động cơ diesel, bao gồm áp suất, nhiệt độ, và thành phần khí. Hệ thống cũng cần được trang bị các thiết bị đo lường hiện đại để thu thập dữ liệu chính xác về quá trình cháy, như áp suất, nhiệt độ, và thành phần khí thải. Thiết kế và xây dựng hệ thống CVCC đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật cơ khí, điện tử, và điều khiển.
4.2. Đo Đặc Tính Quá Trình Cháy Của Nhiên Liệu Dầu Cọ
Sau khi hệ thống CVCC được phát triển, bước tiếp theo là tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm để đo đặc tính cháy của nhiên liệu dầu cọ. Các nghiên cứu này cần được thực hiện theo một quy trình chặt chẽ và được kiểm soát cẩn thận. Các thông số cần được đo lường bao gồm áp suất, nhiệt độ, thời gian chờ cháy, tốc độ tỏa nhiệt, và thành phần khí thải. Dữ liệu thu thập được sẽ được sử dụng để phân tích và đánh giá ảnh hưởng của biodiesel đến quá trình cháy.
4.3. Phân Tích Ảnh Hưởng Đặc Tính Lý Hóa Của Nhiên Liệu
Cuối cùng, cần phân tích ảnh hưởng của đặc tính lý hóa của nhiên liệu dầu cọ đến đặc tính cháy và tính năng động cơ. Các đặc tính lý hóa quan trọng bao gồm độ nhớt, mật độ, nhiệt trị, và chỉ số cetane. Việc phân tích này sẽ giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa chất lượng nhiên liệu và hiệu suất cháy, từ đó đưa ra những khuyến nghị về cách tối ưu hóa việc sử dụng biodiesel dầu cọ trong các ứng dụng thực tế. Các phương pháp thống kê và mô hình hóa có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu và xác định các yếu tố quan trọng nhất.
V. Kết Quả Nghiên Cứu Áp Suất Cháy và Tốc Độ Tỏa Nhiệt
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đặc tính áp suất cháy lớn nhất và đỉnh tốc độ tỏa nhiệt của nhiên liệu B100 là thấp nhất tại cả 2 điều kiện áp suất phun nhiên liệu. Đặc tính tốc độ tăng áp suất cháy lớn nhất giảm đều khi tăng nồng độ dầu cọ, giảm 27 % và 15 % tại áp suất phun 800 bar và 1200 bar khi so sánh B100 và B0. Chỉ số cetane của B100 lớn hơn B0 18 % giúp thời gian chờ cháy của nhiên liệu dầu cọ rút ngắn hơn nhiên liệu diesel. Tổng nhiệt tỏa ra giảm khi tăng nồng độ dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ – diesel do đặc tính nhiên liệu nhiệt trị thấp và tốc độ tỏa nhiệt thấp của nhiên liệu dầu cọ. Khi tăng nồng độ dầu cọ đến 15 % theo thể tích, tốc độ tăng nhiệt độ cháy lớn nhất cao hơn so với diesel, đại diện cho sự phát thải khí thải NOx cao hơn.
5.1. Phân Tích Chi Tiết Về Áp Suất Quá Trình Cháy
Áp suất quá trình cháy là một chỉ số quan trọng đánh giá hiệu suất cháy của nhiên liệu. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự thay đổi áp suất cháy của các hỗn hợp nhiên liệu khác nhau. Việc phân tích chi tiết về áp suất quá trình cháy giúp hiểu rõ hơn về cách biodiesel dầu cọ ảnh hưởng đến quá trình cháy.
5.2. Đánh Giá Tốc Độ Tăng Áp Suất Cháy
Tốc độ tăng áp suất cháy là một chỉ số quan trọng khác liên quan đến hiệu suất cháy và độ ồn của động cơ. Kết quả cho thấy tốc độ tăng áp suất cháy thay đổi như thế nào khi sử dụng biodiesel dầu cọ. Phân tích này giúp đánh giá tác động của biodiesel đến hoạt động của động cơ.
5.3. Ảnh Hưởng Đến Tốc Độ Tỏa Nhiệt và Thời Gian Chờ Cháy
Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy biodiesel dầu cọ ảnh hưởng đến tốc độ tỏa nhiệt và thời gian chờ cháy. Thời gian chờ cháy ngắn hơn có thể cải thiện hiệu suất cháy, trong khi tốc độ tỏa nhiệt cao hơn có thể dẫn đến phát thải khí thải cao hơn. Việc phân tích các yếu tố này giúp hiểu rõ hơn về các ưu và nhược điểm của việc sử dụng biodiesel dầu cọ.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Biodiesel Dầu Cọ
Nghiên cứu này cung cấp những thông tin quan trọng về đặc tính cháy của biodiesel dầu cọ trong buồng cháy đẳng tích. Kết quả cho thấy biodiesel dầu cọ có thể là một lựa chọn thay thế tiềm năng cho diesel truyền thống, nhưng cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa việc sử dụng nó. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện đặc tính cháy của biodiesel dầu cọ, giảm phát thải khí thải, và đánh giá tính khả thi kinh tế của việc sản xuất và sử dụng nó.
6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính
Tổng kết lại các kết quả nghiên cứu, cần nhấn mạnh những phát hiện quan trọng nhất về ảnh hưởng của biodiesel đến quá trình cháy. Điều này bao gồm những thay đổi về áp suất, nhiệt độ, thời gian chờ cháy, và tốc độ tỏa nhiệt. Cần so sánh biodiesel dầu cọ với diesel truyền thống và đánh giá các ưu và nhược điểm của việc sử dụng nó.
6.2. Hạn Chế Của Nghiên Cứu và Hướng Phát Triển Tương Lai
Mọi nghiên cứu đều có những hạn chế, và cần thừa nhận những hạn chế của nghiên cứu này. Điều này có thể bao gồm các giới hạn về phạm vi nghiên cứu, phương pháp đo lường, và các yếu tố khác. Cần đề xuất các hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai để giải quyết những hạn chế này và mở rộng kiến thức về biodiesel dầu cọ.
6.3. Ứng Dụng Thực Tiễn và Khuyến Nghị
Cuối cùng, cần đề xuất các ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu và đưa ra các khuyến nghị cho các nhà hoạch định chính sách, các nhà sản xuất động cơ, và người tiêu dùng. Điều này có thể bao gồm việc khuyến khích sử dụng biodiesel dầu cọ trong các ứng dụng cụ thể, đề xuất các tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu, và khuyến nghị các biện pháp để giảm phát thải khí thải. Cần nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển biodiesel dầu cọ để đảm bảo một tương lai năng lượng bền vững.
