Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực khảo sát thực nghiệm đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel dầu cọ trong buồng cháy đẳng tích

Luận văn về khảo sát thực nghiệm quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel dầu cọ trong buồng cháy đẳng tích. Nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật cơ khí động lực.

• Tác giả: Mai Thế Tài
• Người hướng dẫn: TS. Võ Tấn Châu
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Khảo Sát Thực Nghiệm Đặc Tính Quá Trình Cháy Của Nhiên Liệu Biodiesel – Dầu Cọ Trong Buồng Cháy Đẳng Tích
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Cam kết đạt mức phát thải ròng bằng không vào năm 2050 đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc chuyển đổi nguồn năng lượng trong ngành giao thông vận tải và công nghiệp động cơ đốt trong. Nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang đối mặt với sự cạn kiệt nguồn cung và gây ra các tác động tiêu cực về ô nhiễm môi trường. Việc ứng dụng nhiên liệu sinh học biodiesel có nguồn gốc từ dầu thực vật được xem là giải pháp chiến lược giúp giảm phát thải khí nhà kính trong suốt vòng đời nhiên liệu. Hiện nay, các dòng động cơ diesel thương mại cho phép pha trộn đến 20% biodiesel mà không cần hoán cải cấu trúc cơ khí. Tuy nhiên, sự khác biệt lớn về đặc tính lý hóa giữa các nguồn dầu thực vật đòi hỏi các đánh giá thực nghiệm chuyên sâu trước khi ứng dụng quy mô lớn.

Nghiên cứu này tập trung làm sáng tỏ mối liên hệ giữa các đặc tính lý hóa đặc trưng của nhiên liệu sinh học biodiesel dầu cọ với diễn biến quá trình cháy thực nghiệm. Mục tiêu cụ thể là khảo sát đặc tính áp suất cháy, tốc độ tỏa nhiệt, thời gian chờ cháy và mức độ phát thải nhiệt của các tỷ lệ hòa trộn dầu cọ khác nhau dưới các mức áp suất phun thay đổi.

Thực nghiệm được thực hiện từ tháng 2 năm 2023 đến tháng 12 năm 2023 tại Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng hệ thống buồng cháy đẳng tích có thể tích 546,1 cm3. Quá trình phun nhiên liệu diễn ra tại môi trường mô phỏng buồng cháy động cơ diesel thực tế với áp suất hòa khí 43 bar, nhiệt độ hòa khí 1000 K, nồng độ oxy duy trì ở mức 21%, cùng hai mức áp suất phun là 800 bar và 1200 bar.

Kết quả nghiên cứu cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, hỗ trợ quá trình hiệu chuẩn thông số điều khiển động cơ điện tử như góc phun sớm và thời gian phun, đồng thời đóng góp cơ sở dữ liệu quan trọng cho các mô hình mô phỏng nhiệt động lực học động cơ đốt trong.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng định luật thứ nhất của nhiệt động lực học áp dụng cho hệ kín có thể tích không đổi để xác định tốc độ tỏa nhiệt và tổng nhiệt lượng sinh ra từ quá trình cháy. Mô hình phản ứng cháy hòa trộn trước và lan truyền màng lửa được áp dụng thông qua công nghệ đốt cháy cưỡng bức hỗn hợp hòa khí mồi acetylene, oxy và nitơ để tái lập môi trường nhiệt độ cao và áp suất cao. Đồng thời, lý thuyết về quá trình tán sương, bẻ gãy tia phun và hóa hơi nhiên liệu lỏng được sử dụng để giải thích sự biến đổi của các hạt nhiên liệu khi đi vào buồng cháy.

Nghiên cứu tập trung vào năm khái niệm then chốt:

1. Độ nhớt động học: Đặc trưng cho ma sát nội tại của chất lỏng, tác động trực tiếp đến kích thước hạt sương và độ tơi của tia nhiên liệu.
2. Chỉ số cetane: Đại lượng đo lường khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu dưới tác động của nhiệt độ và áp suất nén.
3. Thời gian chờ cháy: Khoảng thời gian tính từ thời điểm bắt đầu có tín hiệu điều khiển mở kim phun đến khi ngọn lửa xuất hiện và áp suất bắt đầu tăng vọt.
4. Phần trăm nhiên liệu bị đốt cháy: Tỷ lệ khối lượng nhiên liệu đã tham gia phản ứng cháy tại từng thời điểm so với tổng lượng nhiên liệu cấp vào.
5. Tổng nhiệt tỏa ra: Tích phân năng lượng nhiệt sinh ra trong toàn bộ chu trình cháy đoạn nhiệt đẳng tích.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hệ thống buồng cháy đẳng tích chế tạo bằng vật liệu inox 304 có đường kính xy lanh 80 mm và chiều dài 109 mm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 5 mẫu nhiên liệu phối trộn theo thể tích: B0 (100% diesel thương mại có hàm lượng lưu huỳnh dưới 500 ppm), B15 (15% dầu cọ), B30 (30% dầu cọ), B60 (60% dầu cọ) và B100 (100% biodiesel dầu cọ sản xuất theo phương pháp este hóa FAME nhập khẩu từ Thái Lan). Phương pháp lấy mẫu thực nghiệm sử dụng quy trình đo lặp lại 10 lần độc lập cho mỗi điều kiện thử nghiệm nhằm loại trừ các sai số ngẫu nhiên. Dữ liệu áp suất cháy được lọc với tiêu chí độ lệch chuẩn không vượt quá 3% so với đường giá trị trung bình để chọn ra các chu kỳ cháy ổn định nhất phục vụ phân tích.

Phương pháp phân tích dựa trên tín hiệu điện áp thu thập từ cảm biến áp suất động piezoelectric AVL GU12P với dải đo từ 0 đến 250 bar, kết hợp bộ khuếch đại điện tích và máy hiện sóng oscilloscope độ phân giải cao. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích buồng cháy đẳng tích là khả năng kiểm soát độc lập, chính xác các thông số môi trường như nồng độ oxy 21%, áp suất tĩnh 43 bar và nhiệt độ 1000 K mà không bị ảnh hưởng bởi chuyển động tịnh tiến cơ học của cơ cấu piston trục khuỷu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu thực nghiệm mang lại bốn phát hiện trọng tâm:

1. Tốc độ tăng áp suất cháy cực đại giảm dần khi tăng nồng độ biodiesel dầu cọ trong hỗn hợp. Nhiên liệu B100 ghi nhận mức giảm 27% ở áp suất phun 800 bar và giảm 15% ở áp suất phun 1200 bar so với nhiên liệu diesel B0.
2. Thời gian chờ cháy của nhiên liệu dầu cọ được rút ngắn đáng kể khoảng 13,8% so với diesel B0. Hiện tượng này xuất phát từ việc chỉ số cetane của B100 đạt mức 61,3, cao hơn 18% so với mức 51,8 của diesel B0.
3. Tổng nhiệt tỏa ra của nhiên liệu B100 đạt 1366 J tại áp suất phun 800 bar (giảm 10% so với mức 1522 J của B0) và đạt 1710 J tại áp suất phun 1200 bar (giảm 14% so with mức 1991 J của B0). Khi tăng áp suất phun từ 800 bar lên 1200 bar, tổng nhiệt tỏa ra của B100 tăng thêm 25%.
4. Tốc độ tăng nhiệt độ cháy lớn nhất đạt giá trị cao nhất tại hỗn hợp B15 với 68,11 K/ms ở mức áp suất phun 800 bar và 97,24 K/ms ở mức áp suất phun 1200 bar, vượt trội hơn so với mức 60,49 K/ms của B0, trong khi các mẫu B60 và B100 lại có tốc độ tăng nhiệt độ thấp hơn B0.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm tốc độ tăng áp suất cháy và tổng nhiệt lượng của B100 là do nhiệt trị thấp của biodiesel dầu cọ chỉ đạt 39,75 MJ/kg, thấp hơn 13% so với mức 45,68 MJ/kg của diesel B0. Đồng thời, độ nhớt động học ở 40 độ C của B100 đạt 4,27 mm2/s, cao hơn 32% so với B0 (3,24 mm2/s), làm kích thước hạt sương phun lớn hơn, làm chậm quá trình bay hơi và hòa trộn hòa khí.

Sự rút ngắn thời gian chờ cháy ở các mẫu có nồng độ dầu cọ cao khiến giai đoạn cháy hòa trộn trước diễn ra nhanh với lượng hòa khí đồng nhất tích lũy ít hơn, dẫn đến đỉnh tốc độ tỏa nhiệt thấp hơn. Riêng đối với mẫu B15, sự kết hợp giữa 11% hàm lượng oxy nội tại trong phân tử este và độ nhớt chưa tăng quá cao đã thúc đẩy quá trình cháy diễn ra sớm và mãnh liệt, làm tăng mạnh tốc độ phát triển nhiệt độ cháy, tương ứng với nguy cơ gia tăng phát thải khí NOx.

Các dữ liệu thực nghiệm này có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua đồ thị đường biểu diễn diễn biến áp suất theo thời gian miligiây, đường cong tốc độ tỏa nhiệt hai pha (cháy hòa trộn trước và cháy khuếch tán), cùng biểu đồ cột so sánh tổng năng lượng nhiệt giải phóng giữa các dải áp suất phun 800 bar và 1200 bar. Kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế về xu hướng giảm tốc độ tăng áp suất và ngắn thời gian cháy trễ khi sử dụng nhiên liệu sinh học gốc este.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, bốn giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa quá trình ứng dụng nhiên liệu dầu cọ trên động cơ thực tế:

1. Hiệu chỉnh bản đồ điều khiển điện tử ECU động cơ Hành động: Điều chỉnh góc phun nhiên liệu trễ hơn từ 1 đến 2 độ góc quay trục khuỷu và kéo dài thời gian điều khiển mở kim phun thêm 8% đến 12%. Mục tiêu: Bù đắp lượng năng lượng thiếu hụt do nhiệt trị thấp hơn 13% của biodiesel và kiểm soát tốc độ tăng nhiệt độ cháy để giảm 15% lượng phát thải khí NOx. Thời gian thực hiện: Hoàn thành trong giai đoạn 6 đến 9 tháng. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư lập trình điều khiển động cơ tại các trung tâm thử nghiệm và nhà sản xuất ô tô.

2. Nâng cấp hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail Hành động: Gia tăng áp suất phun tiêu chuẩn từ 800 bar lên dải 1200 đến 1600 bar và tích hợp bộ gia nhiệt nhiên liệu sơ cấp duy trì ở mức nhiệt độ 45 độ C trước khi vào bơm cao áp. Mục tiêu: Giảm độ nhớt thực tế của nhiên liệu xuống dưới 3,5 mm2/s, cải thiện 20% khả năng tán sương và tăng 25% tổng nhiệt tỏa ra của quá trình cháy. Thời gian thực hiện: Triển khai thử nghiệm trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp sản xuất linh kiện cơ khí động lực và các xưởng nghiên cứu ứng dụng.

3. Áp dụng tỷ lệ phối trộn B15 đến B20 trong giai đoạn chuyển tiếp Hành động: Ban hành và áp dụng tiêu chuẩn phối trộn nhiên liệu thương mại với tỷ lệ dầu cọ tối đa 20% thể tích mà không cần thay đổi phần cứng động cơ. Mục tiêu: Đảm bảo độ bền cụm kim phun, duy trì công suất động cơ trên mức 95% so với diesel truyền thống và giảm thiểu muội than hạt rắn PM. Thời gian thực hiện: Áp dụng đại trà từ năm 2024 đến năm 2026. Chủ thể thực hiện: Các tập đoàn xăng dầu, nhà máy lọc hóa dầu và cơ quan quản lý năng lượng.

4. Hoàn thiện hệ thống đo kiểm thực nghiệm buồng cháy đẳng tích Hành động: Thay thế toàn bộ cụm van nạp xả cơ khí bằng hệ thống van điện từ điều khiển tự động qua máy tính và tích hợp cảm biến đo nồng độ khí thải trực tiếp. Mục tiêu: Giảm thiểu sai số lấy mẫu xuống dưới 1,5% và nâng cao mức độ an toàn tuyệt đối cho người vận hành tại áp suất trên 100 bar. Thời gian thực hiện: Triển khai liên tục trong 18 tháng tới. Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm trọng điểm thuộc trường đại học kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu thực nghiệm từ luận văn mang lại giá trị thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chuyên ngành:

1. Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Nhiệt Lợi ích: Tiếp cận phương pháp luận thiết lập mô hình buồng cháy đẳng tích, công nghệ cháy trước bằng khí acetylene và thuật toán xử lý dữ liệu nhiệt động học. Trường hợp sử dụng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về quá trình cháy, nhiên liệu thay thế và kiểm chứng mô hình mô phỏng 3D CFD.

2. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển R&D tại các nhà máy chế tạo động cơ và lắp ráp ô tô Lợi ích: Nắm bắt các quy luật biến thiên áp suất cháy, tốc độ tỏa nhiệt và thời gian chờ cháy khi thay đổi tỷ lệ biodiesel. Trường hợp sử dụng: Ứng dụng để hiệu chỉnh thông số điều khiển phun nhiên liệu Common Rail trên các dòng xe thương mại sử dụng nhiên liệu sinh học.

3. Doanh nghiệp sản xuất và phân phối nhiên liệu sinh học biodiesel Lợi ích: Hiểu rõ ảnh hưởng của các chỉ tiêu lý hóa như độ nhớt, nhiệt độ chưng cất và chỉ số cetane đến hiệu quả vận hành của động cơ. Trường hợp sử dụng: Xây dựng quy trình phối trộn tối ưu, kiểm soát chất lượng nhiên liệu đầu ra theo tiêu chuẩn ASTM D6751 và EN 14214.

4. Chuyên viên hoạch định chính sách tại các cơ quan quản lý năng lượng và môi trường Lợi ích: Có cơ sở khoa học thực nghiệm về tiềm năng giảm phát thải và tác động kỹ thuật của nhiên liệu sinh học. Trường hợp sử dụng: Xây dựng lộ trình bắt buộc phối trộn nhiên liệu sinh học quốc gia và ban hành các tiêu chuẩn khí thải mới.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao chỉ số cetane của biodiesel dầu cọ B100 cao hơn diesel 18% nhưng áp suất cháy cực đại lại thấp hơn? Chỉ số cetane cao (61,3 so với 51,8) giúp B100 rút ngắn thời gian chờ cháy khoảng 13,8%. Tuy nhiên, thời gian cháy trễ ngắn làm giảm lượng hòa khí hòa trộn trước được hình thành trước khi bốc cháy. Kết hợp với nhiệt trị của B100 thấp hơn 13% (39,75 MJ/kg so với 45,68 MJ/kg), quá trình cháy hòa trộn trước diễn ra êm hơn và làm giảm áp suất cháy cực đại.

Tỷ lệ hòa trộn biodiesel dầu cọ nào được đánh giá là tối ưu nhất cho động cơ thương mại hiện nay? Hỗn hợp B15 đến B20 là tối ưu nhất vì giữ cho độ nhớt động học ở mức khoảng 3,38 mm2/s, nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn động cơ thương mại. Tỷ lệ này không làm suy giảm đáng kể công suất hoạt động, không gây đóng cặn kim phun và không đòi hỏi bất kỳ sự hoán cải kết cấu cơ khí nào trên động cơ diesel hiện hữu.

Việc tăng áp suất phun từ 800 bar lên 1200 bar mang lại lợi ích gì cho quá trình cháy của dầu cọ? Áp suất phun cao 1200 bar giúp xé nhỏ các hạt sương nhiên liệu có độ nhớt cao, đẩy nhanh tốc độ bay hơi và hòa trộn oxy. Nhờ đó, tổng nhiệt tỏa ra của B100 tăng thêm 25% (từ 1366 J lên 1710 J), tốc độ tăng áp suất phục hồi tốt hơn và quá trình cháy diễn ra hoàn chỉnh hơn trong thể tích buồng cháy.

Tại sao hỗn hợp B15 lại có tốc độ tăng nhiệt độ cháy lớn nhất cao hơn cả diesel B0? Hỗn hợp B15 chứa 11% hàm lượng oxy liên kết trong phân tử este của dầu cọ trong khi độ nhớt chỉ tăng nhẹ 6,7% so với B0. Nồng độ oxy cục bộ cao kích thích phản ứng oxy hóa diễn ra mãnh liệt ngay từ đầu kỳ cháy, làm tốc độ tăng nhiệt độ đạt đỉnh 68,11 K/ms tại 800 bar, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành phát thải NOx.

Công nghệ đốt cháy trước trên buồng cháy đẳng tích có ưu điểm gì so với thử nghiệm trực tiếp trên động cơ? Công nghệ đốt cháy trước bằng khí acetylene cho phép tái lập chính xác môi trường nhiệt độ cao 1000 K và áp suất 43 bar tại thể tích tĩnh 546,1 cm3. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn các yếu tố nhiễu cơ học từ piston, xupap, giúp đo lường trực tiếp và thuần túy các đặc tính nhiệt động học của tia nhiên liệu.

Kết luận

• Biodiesel dầu cọ B100 sở hữu chỉ số cetane cao đạt 61,3 (vượt 18% so với diesel B0), giúp rút ngắn thời gian chờ cháy 13,8%, tạo điều kiện cho quá trình cháy khởi động nhanh hơn.
• Độ nhớt động học của B100 cao hơn 32% kết hợp cùng nhiệt trị thấp hơn 13% khiến tốc độ tăng áp suất cháy cực đại giảm 27% ở 800 bar và tổng nhiệt tỏa ra giảm 14% ở 1200 bar.
• Gia tăng áp suất phun nhiên liệu lên 1200 bar là giải pháp then chốt giúp nâng tổng nhiệt tỏa ra của B100 thêm 25%, cải thiện rõ rệt hiệu suất tán sương và đốt cháy.
• Hỗn hợp B15 làm tăng tốc độ gia tăng nhiệt độ cháy lên mức cực đại 97,24 K/ms ở 1200 bar, phản ánh xu hướng gia tăng phát thải khí NOx cần được xử lý qua hệ thống tuần hoàn khí xả EGR.
• Luận văn cung cấp nền tảng thực nghiệm chuẩn xác, chứng minh tính khả thi của việc thay thế diesel bằng biodiesel dầu cọ khi kết hợp hiệu chỉnh góc phun và áp suất phun điện tử.

Đóng góp khoa học cốt lõi của công trình là xây dựng thành công hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích chuẩn hóa và thiết lập bộ thông số cháy nhiệt động học toàn diện của nhiên liệu sinh học dầu cọ tại Việt Nam. Bước phát triển tiếp theo trong giai đoạn 2024 đến 2025 là mở rộng nghiên cứu sang kiểm chứng thực tế trên băng thử động cơ nhiều xy lanh và phân tích chi tiết nồng độ muội than quang học.

Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và kỹ sư chuyên ngành quan tâm có thể khai thác toàn bộ dữ liệu chi tiết trong luận văn để ứng dụng vào công tác giảng dạy, nghiên cứu mô phỏng và phát triển các sản phẩm động cơ xanh bền vững cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu, cung cấp tổng quan về các vấn đề nghiên cứu nhiên liệu sinh học biodiesel và tổng hợp các nghiên cứu đặc trưng quá trình cháy trên buồng cháy đẳng tích. Từ các phân tích tổng hợp xây dựng các mục tiêu nghiên cứu và xác định các ý nghĩa của luận văn. Chương 2: Trình bày các cơ sở lý thuyết của nhiên liệu sinh học biodiesel, các đặc tính lý hóa đặc trưng của nhiên liệu biodiesel, cùng với ảnh hưởng của các đặc tính nhiên liệu biodiesel đến động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, các đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu trên hệ thống thực nghiệm buồng cháy đẳng tích cũng được đề cập.

5 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Chương 3: Phân tích chi tiết nhiên liệu dầu cọ được sử dụng trong nghiên cứu này, các kết quả đo đặc tính lý hóa của các hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - diesel. Bên cạnh đó, các đánh giá về kết quả đo kiểm đặc tính nhiên liệu và ảnh hưởng kết quả đặc tính đến kết quả đặc tính cháy được tổng hợp. Chương 4: Mô tả chi tiết nguyên lý hoạt động, cấu tạo của hệ thống thực nghiệm buồng cháy CVCC. Hơn nữa, các điều kiện thực nghiệm, quy trình thực nghiệm khảo sát sự cháy trên buồng cháy CVCC, cùng với quy trình xử lý số liệu và tính toán các đặc tính quá trình cháy trên CVCC được mô tả chi tiết.

Chương 5: Trình bày các kết quả đặc tính quá trình cháy của các hỗn hợp nhiên liệu sinh học dầu cọ - diesel, phân tích các nguyên nhân và xác định các yếu tố tác động đến xu hướng kết quả. Chương 6: Các kết luận của luận văn, và gợi ý hướng phát triển của đề tài. 6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2 trình bày những cơ sở lý thuyết của nhiên liệu biodiesel, ảnh hưởng của đặc tính nhiên liệu lên đặc tính quá trình cháy và tính năng làm việc của động cơ thực tế.

Các công thức để tính toán đặc tính quá trình cháy trên hệ thống buồng cháy đẳng tích được hiển thị.1 Nhiên liệu sinh học biodiesel 2.1 Tổng quan nhiên liệu biodiesel Nhiên liệu biodiesel được xem như là một loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch diesel sử dụng trên động cơ đốt trong cháy nén. Nhiên liệu sinh học biodiesel được định nghĩa là một mono-alkyl esters của chuỗi dài axit béo (fatty acids) có nguồn gốc từ dầu thực vật, mỡ động vật và được sản xuất bằng cách kết hợp với alcohol như methanol hoặc ethanol [11].1 mô tả phản ứng transesterification tạo biodiesel từ dầu thực vật và alcohol. Nhiên liệu biodiesel được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới ngay cả ở dạng nguyên chất 100 % biodiesel (B100) hoặc được trộn với nhiên liệu diesel theo các tỷ lệ khác nhau. Nhiên liệu biodiesel có thể trộn lẫn với diesel ở mọi tỷ lệ.

Ở một số quốc gia, hỗn hợp bao gồm 20 % biodiesel và 80 % diesel (hay còn gọi là B20) được sử dụng phổ biến và thương mại thay thế cho nhiên liệu diesel truyền thống.1 Phản ứng transesterification sản xuất biodiesel [12]. 7 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 phân tích vòng đời của nhiên liệu sinh học biodiesel từ khi được sản xuất tới khi ứng dụng. Chu trình bắt đầu bằng việc khai thác các nguồn nguyên liệu thô để sản xuất dầu biodiesel sinh học và kết thúc bằng việc ứng dụng chúng trên các động cơ đốt trong. Chính nhờ sự cân bằng khí thải carbon dioxide (CO2) của nhiên liệu biodiesel sinh học giúp chúng được gọi là một loại nhiên liệu thay thế bền vững.

Biodiesel được chú trọng nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu nhờ những lý do: có khả năng phân hủy cao và độc tính thấp, nhiên liệu biodiesel có thể thay thế cho nhiên liệu diesel trên các ứng dụng khác nhau: động cơ đốt trong hoặc buồng gia nhiệt với không có bất kì sự thay đổi nào về phần cứng của các hệ thống ứng dụng, đặc biệt trong nhiên liệu biodiesel không chứa sulfates và aromatics, giúp giảm lượng khí thải độc hại tới con người và phá hủy động cơ [13][14][15]. Sự phát triển của nhiên liệu biodiesel thúc đẩy phát triển nông nghiệp từ đó trung hòa khí thải CO2.2 Vòng đời của nhiên liệu sinh học biodiesel.2 Sản xuất biodiesel Trên thế giới có khoảng hơn 300 loại nguyên liệu đã được xác định để sản xuất biodiesel, nó bao gồm các nguyên liệu thương mại và không thương mại [16][17]. Khả năng phổ biến của nhiên liệu biodiesel phụ thuộc vào 2 yêu cầu chính: giá thành thấp và nguồn cung nguyên liệu dồi dào, ổn định. Đặc thù nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel sẽ bị phụ thuộc vào các đặc thù tự nhiên của khu vực trồng trọt: khí hậu, vị trí địa lý, điều kiện đất đai và tập quán nông nghiệp.

Nhìn chung, biodiesel có thể được phân chia thành 4 loại chính tương ứng với 4 giai đoạn phát triển của nhiên liệu biodiesel: ❖ Giai đoạn thứ nhất: Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel chủ yếu từ dầu thực vật được sử dụng làm lương thực: củ cải, đậu nành, dầu hướng dương, dầu cọ và dầu dừa,… được xem xét như là giai đoạn thứ nhất của quá trình phát triển nhiên liệu biodiesel. ❖ Giai đoạn thứ hai: Biodiesel từ các loại dầu không được sử dụng làm lương thực: jatropha, karanja, halophytes, dầu thải hoặc dầu tái chế hoặc mỡ động vật (mỡ heo, mỡ cá, mỡ gà) được coi như là một giải pháp tối ưu và được chú trọng nghiên cứu bởi vì các nguồn nguyên liệu này dễ dàng tìm kiếm trong cuộc sống hằng ngày trên toàn thế giới, không cạnh tranh lương thực thực phẩm với con người và tính kinh tế hơn so với dầu được sử dụng làm lương thực. ❖ Giai đoạn thứ ba: Sinh khối tảo (algal biomass) được xem như là một sự lựa chọn hứa hẹn cho sản xuất biodiesel nói chung và các ứng dụng khác nói riêng. Vi tảo có một số ưu điểm quan trọng như cần ít không gian để phát triển, hàm lượng dầu cao, khả năng phát triển trong cả môi trường nhân tạo và tự nhiên, vi tảo tiêu thụ CO2, thân thiện với môi trường và đặc biệt có thể sử dụng để sản xuất dầu biodiesel sinh học.

Đặc biệt, vi tảo phát triển mạnh mẽ ở các nước có nhiều đầm lầy, ao hồ và đường bờ biển dài. ❖ Giai đoạn thứ tư: Giai đoạn thứ tư đi liền với sự phát triển của khoa học công nghệ, đó là quá trình biến đổi gen các vi sinh vật như vi tảo, nấm men và vi khuẩn lam,… Khả năng tốc độ tăng trưởng cao và hàm lượng dầu cao, kết hợp với độ phức 9 CƠ SỞ LÝ THUYẾT tạp cấu trúc thấp là tiền đề để thúc đẩy sản xuất thương mại và ứng dụng. Ngoài công nghệ biến đổi gen, một số công nghệ khác như nhiệt phân ở nhiệt độ cao từ 400 oC tới 600 oC, khí hóa, chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiên liệu cũng đã được nghiên cứu và áp dụng để sản xuất biodiesel.3 Phân loại các giai đoạn phát triển của biodiesel. Trong nỗ lực nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm thiểu chi phí sản xuất và giá thành nhiên liệu biodiesel, tạo ra nhiên liệu biodiesel với độ ổn định và các đặc tính nhiên liệu là tương đồng nhất với nhiên liệu diesel hóa thạch và hướng đến sản xuất công nghiệp nhiên liệu biodiesel.

Để đáp ứng các mục tiêu trên, nhiều phương pháp, công nghệ sản xuất đã được nghiên cứu trên khắp thế giới. Trong đó, 4 phương pháp chính đã được áp dụng trong sản xuất biodiesel thương mại: dilution, pyrolysis, transesterification và supercritical methanol. Những ưu điểm và nhược điểm của các phương án sản xuất trên đã được hiển thị chi tiết trong Bảng 2. 10 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1 So sánh các công nghệ sản xuất biodiesel chính [11].

Công nghệ sản Điểm mạnh Điểm yếu xuất Dilution - Quy trình chế tạo đơn - Độ nhớt cao giản - Khả năng bay hơi thấp - Độ ổn định thấp Pyrolysis - Quy trình chế tạo đơn - Yêu cầu nhiệt độ cao giản - Trang thiết bị giá thành cao - Không gây ô nhiễm - Độ tinh khiết thấp Transesterifications - Đặc tính nhiên liệu tương - Yêu cầu lượng axit béo tự đồng với nhiên liệu do thấp và hàm lượng nước diesel thấp - Hiệu suất chuyển đổi cao - Khí thải trong quá trình sản - Giá thành thấp xuất - Phù hợp với sản xuất - Xảy ra các phản ứng phụ công nghiệp - Tách sản phẩm phản ứng - Không cần chất xúc tác khó khăn Supercritical - Thời gian phản ứng thấp - Yêu cầu nhiệt độ cao và áp methanol - Hiệu suất chuyển đổi cao suất cao - Khả năng thích ứng tốt - Trang thiết bị giá thành cao - Tiêu thụ nhiều năng lượng 2.3 Đặc tính nhiên liệu biodiesel Nhiên liệu sinh học biodiesel được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau, công nghệ sản xuất và quy mô sản xuất khác nhau sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của nhiên liệu biodiesel. Chất lượng biodiesel được thể hiện qua các đặc tính nhiên liệu là tương đồng với nhiên liệu diesel. Vì vậy, các tiêu chuẩn về chất lượng nhiên liệu biodiesel được thiết lập để đảm bảo quá trình hoạt động của động cơ không gặp bất kỳ vấn đề kỹ thuật nào khi sử dụng biodiesel. Mỗi quốc gia sẽ có một bộ tiêu chuẩn đặc tính lý hóa riêng cho loại nhiên liệu biodiesel, tuy nhiên, các tính chất và chất lượng của biodiesel phải tuân theo các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của dầu biodiesel sinh học toàn cầu: American Standards for Testing Materials (ASTM 6751-3) và 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT European Union (EN 14214).

Các đặc tính lý hóa đặc trưng của các tiêu chuẩn nhiên liệu biodiesel sinh học đã được hiển thị chi tiết tại Phụ lục D. ❖ Độ nhớt động học Độ nhớt động học (µ) là một thông số đặc tính rất quan trọng trên nhiên liệu sử dụng cho động cơ cháy nén, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng quá trình phun nhiên liệu, và quá trình hóa hơi nhiên liệu trong buồng cháy. Khi độ nhớt nhiên liệu càng cao thì chất lượng quá tình phun nhiên liệu càng kém. Giá trị tối đa cho phép của độ nhớt nhiên liệu biodiesel theo tiêu chuẩn ASTM D6751 và EN 14214 là 3.

❖ Mật độ Đặc tính mật độ (ρ) của nhiên liệu được định nghĩa là khối lượng của nó trên một đơn vị thể tích. Dầu thực vật (metyl ester) có mật độ cao hơn nhiên liệu diesel thông thường. Mật độ được đo theo tiêu chuẩn ASTM D1298 và được thử nghiệm tại điều kiện nhiệt độ tham khảo là 15 – 20 oC. ❖ Nhiệt trị Nhiệt trị (Q) là lượng nhiệt được giải phóng bởi quá trình đốt cháy một đơn vị nhiên liệu.