Tiến Sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học sản xuất tại Việt Nam đến tính năng kinh tế - kỹ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
NĂM 2014
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU . 1
i. Lý do chọn đề tài 1
ii. Mục đích của đề tài 2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2
iv. Phương pháp nghiên cứu . 3
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn . 3
vi. Bố cục luận án . 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học 5
1.1.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học 5
1.1.2. Các loại nhiên liệu sinh học và phương pháp tổng hợp . 7
1.2. Nhiên liệu diesel sinh học và sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên động cơ diesel . 8
1.2.1. Khái niệm 8
1.2.2. So sánh tính chất diesel sinh học và diesel khoáng 8
1.2.3. Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của diesel sinh học 9
1.2.4. Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học 11
1.2.5. Công nghệ chuyển hóa diesel sinh học 12
1.2.6. Tình hình sản xuất và sử dụng diesel sinh học . 13
1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học trên động cơ 16
1.3.1. Vấn đề sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên động cơ 16
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học trên thế giới 17
1.3.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học tại Việt Nam . 21
1.4. Kết luận chương 1 24
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ NĂNG LƯỢNG
VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL SINH HỌC 26
2.1. Lý thuyết về quá trình phun nhiên liệu và sự hình thành tia phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên
liệu diesel sinh học . 26
2.1.1. Lý thuyết về quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel . 26
2.1.2. So sánh cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học 31
2.2. Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel . 33
2.2.1. Khái niệm cơ bản . 33
2.2.2. Cơ sở lý hóa của quá trình cháy . 33
2.2.3. Diễn biến quá trình cháy của động cơ diesel sử dụng bơm cao áp – vòi phun kiểu cơ khí 35
2.2.4. Quy luật phun nhiên liệu trong động cơ trang bị hệ thống nhiên liệu commonrail 36
2.3. So sánh sự hình thành và cháy của nhiên liệu diesel và diesel sinh học 37 2.4. Cơ chế hình thành và cơ sở tính toán phát thải động cơ diesel 38
2.4.1. Phát thải NOx 38
2.4.2. Phát thải bồ hóng . 40
2.4.3. Phát thải HC . 43
2.4.4. Phát thải CO . 45
2.5. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost . 46
2.5.1. Phương trình nhiệt động học thứ nhất 46
2.5.2. Mô hình cháy AVL-MCC 47
2.5.3. Truyền nhiệt . 51
2.6. Kết luận chương 2 53
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIESEL
SINH HọC . 55
3.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi mô phỏng 55
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 55
3.2.1. Xây dựng mô hình . 55
3.2.2. Các thông số nhập điều khiển mô hình 56
3.2.3. Chế độ mô phỏng . 57
3.3. Kết quả tính toán mô phỏng 59
3.3.1. Đánh giá độ chính xác của mô hình . 59
3.3.2. Đặc tính của quá trình cháy . 60
3.3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel sinh học 61
3.3.4. Ảnh hưởng của góc phun sớm . 67
3.3.5. Ảnh hưởng của áp suất phun 71
3.4. Kết luận chương 3 76
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 77
4.1. Mục đích thử nghiệm . 77
4.2. Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm . 77
4.2.1. Đối tượng thử nghiệm 77
4.2.2. Nhiên liệu thử nghiệm . 78
4.3. Quy trình và phạm vi thử nghiệm 78
4.4. Sơ đồ bố trí thử nghiệm và các trang thiết bị chính 80
4.4.1. Sơ đồ bố trí thử nghiệm . 80
4.4.2. Trang thiết bị thử nghiệm 82
4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận 84
4.5.1. Quan sát hình ảnh tia phun 84
4.5.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel sinh học 86
4.5.3. Ảnh hưởng của góc phun sớm . 92
4.5.4. Ảnh hưởng của áp suất phun 96
4.5.5. Ảnh hưởng của diesel sinh học từ một số nguồn khác nhau 100
4.6. So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm . 102
4.6.1. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu . 103
4.6.2. Phát thải . 104
4.7. Kết luận chương 4 106
KẾT LUẬN CHUNG . 107
PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI . 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 109
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113
PHỤ LỤC 114


i. Lý do chọn đề tài
MỞ ĐẦU
Ngày nay, do nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển mạnh dẫn đến
nhiều vấn đề cần được giải quyết như: nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường
do khí thải động cơ, các lò đốt công nghiệp, các cơ sở sản xuất và tồn chứa sản phẩm dầu.
An ninh quốc gia luôn gắn liền với an ninh năng lượng, vì thế an ninh năng lượng luôn
được đặt lên hàng đầu trong chiến lược phát triển của mỗi quốc gia. Với mức sử dụng dầu
mỏ như hiện nay, nguồn cung dầu mỏ đáp có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng trong vòng
4050 năm nữa nếu không phát hiện thêm những nguồn dầu mỏ mới. Chính vì thế, để đảm
bảo an ninh năng lượng lâu dài, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển bền vững,
nhiều quốc gia trong vòng vài thập kỷ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay,
tiến tới xây dựng ngành nhiên liệu sạch ở quốc gia mình.
Trong số các nguồn năng lượng thay thế đang sử dụng hiện nay (năng lượng gió, năng
lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân ) thì năng lượng sinh học đang được ưu tiên phát
triển, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu. Năng lượng sinh học có 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, ít thay đổi cấu trúc động cơ và giá thành cạnh tranh so
với các nguồn năng lượng kể trên.
Nhiên liệu sinh học cho động cơ nói chung và phương tiện giao thông nói riêng đang
nhận được sự quan tâm lớn của thế giới. Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết
vấn đề thiếu hụt năng lượng trong tương lai, mặt khác nhiên liệu sinh học góp phần phát
triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho người dân ở vùng sâu, vùng xa, những nơi có
tiềm năng lớn đối với l nh vực nông, lâm, ngư nghiệp.
Không nằm ngoài xu thế phát triển của thế giới, Việt Nam đã và đang bắt đầu quan tâm
đến vấn đề nhiên liệu sạch. Chính phủ Việt Nam đã thông qua Đề án Phát triển nhiên liệu
sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025 vào năm 2007. Chủ trương này thể
hiện tham vọng của Chính phủ và c ng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc



quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học.
Trong l nh vực Nông - Lâm - Ngư và giao thông (xe tải và xe khách) ở Việt Nam, động
cơ diesel được sử dụng rất phổ biến. Đến tháng 10/2011 cả nước có gần 500.000 máy kéo
các loại sử dụng trong nông nghiệp, với tổng công suất trên 5 triệu mã lực (CV); 580.000
máy tuốt đập lúa; 17.992 máy gặt lúa các loại .Đến cuối năm 2008, số lượng tàu cá Việt
Nam lên đến 128.000 chiếc với tổng công suất trên 6.784.000 cv (bình quân 53 cv/chiếc).
Ngoài ra, tàu giao thông vận tải đường sông, dịch vụ du lịch . c ng có số lượng rất lớn.
Như vậy, nếu dùng nhiên liệu sinh học làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel, nhất là
nhiên liệu sinh học được sản xuất tại Việt Nam sẽ tiết kiệm được một lượng ngoại tệ lớn
cho quốc gia và hạn chế ô nhiễm môi trường.
Diesel sinh học là một loại nhiên liệu sinh học có nhiều tiềm năng thay thế cho dầu
diesel làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, đáp ứng được một phần các yêu cầu trên.
Diesel sinh học có thể được điều chế từ dầu thực vật tinh luyện, dầu thực vật thừa đã qua
sử dụng hoặc từ mỡ động vật. Do đó, nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học có thể nói là rất phong phú và dồi dào, nhất là đối với các nước nông nghiệp như Việt Nam.
Ở Việt Nam, diesel sinh học được điều chế từ nhiều nguồn khác nhau như từ dầu dừa,
dầu cọ, dầu cao su, dầu cây cọc rào (còn gọi là cây Jatropha), mỡ cá Trong đó, nguyên
liệu từ mỡ cá là loại nguyên liệu có thể ứng dụng tốt để sản xuất diesel sinh học, do chúng
ta đã có quy trình công nghệ sản xuất trên quy mô công nghiệp. Điều này giúp giảm giá
thành sản phẩm và tăng khả năng cạnh tranh so với các nguồn nguyên liệu khác. Mặt khác,
chúng ta đã phát triển những vùng nuôi trồng thủy sản có quy mô rất lớn để xuất khẩu tại
một số tỉnh của vùng đồng bằng sông Cửu Long. Phần mỡ cá rất lớn dư thừa còn lại sau
quá trình chế biến thường bị bỏ đi, nếu không xử lý sẽ gây ô nhiếm môi trường.
Mặc dù đã hoàn thiện công trình đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu B5 (5% diesel sinh
học và 95% diesel). Tuy nhiên, theo đề án của Chính phủ thì tiến tới sử dụng nhiên liệu với
tỷ lệ pha trộn cao hơn.
Để góp phần thúc đẩy việc sản xuất, sử dụng nhiên liệu diesel sinh học tại Việt Nam,
góp phần giảm ô nhiễm môi trường, thực hiện mục tiêu đề án phát triển nhiên liệu sinh
học, nâng cao chất lượng sử dụng động cơ đang lưu hành trong khi vẫn đáp ứng tiêu chuẩn
về khí thải ngày càng nâng cao, đặc biệt là trên các phương tiện giao thông vận tải. Tác giả
đã chọn đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu diesel sinh học sản xuất tại Việt
Nam đến tính năng kinh tế - kỹ thuật và phát thải của động cơ góp phần thực hiện các yêu
cầu của thực tiễn đưa ra.
ii. Mục đích của đề tài
Luận án có mục đích tổng thể là định hướng về mặt kỹ thuật cho động cơ diesel truyền
thống khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học với các tỷ lệ lớn hơn 5% như 10% (B10), 20%
(B20) và 30% (B30).
Mục đích cụ thể của luận án bao gồm:
- Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel sinh học đến tính năng kinh tế kỹ
thuật và phát thải động cơ;
- Đánh giá khảo sát ảnh hưởng của các thông số cần điều chỉnh như góc phun
sớm, áp suất phun khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học;
- Đánh giá được đặc điểm quá trình phun và phát triển tia phun nhiên liệu; quá
trình hình thành hỗn hợp và cháy;
- Bước đầu đưa ra khuyến cáo cần thiết khi sử dụng diesel sinh học pha trộn được
sản xuất tại Việt Nam cho động cơ diesel.
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài