Nghiên cứu giải pháp sử dụng hỗn hợp dầu Jatropha và dầu diesel làm nhiên liệu cho động cơ diesel

ình nghiên cứu đã được thực hiện về cải tiến động cơ diesel để làm cho chúng hoạt động phù hợp với dầu thực vật không chế biến hay dầu thực vật tinh khiết. Việc giới thiệu động cơ "Elsbett"- động cơ ô tô diesel đầu tiên trên thế giới phun trực tiếp, công ty Elsbett của Đức đã đi tiên phong về công nghệ này trong những năm 1970. Elsbett đã chế tạo, biến đổi các bộ phận như buồng cháy, hệ thống phun nhiên liệu... cho các loại động cơ khác nhau. Cho đến nay, trên một nghìn phương tiện đã được chuyển đổi gồm: xe tải công suất lớn, xe buýt, tàu thuyền và các tổ máy phát. 23 Động cơ đã cải tạo để chạy dầu thực vật tinh khiết có thể chạy bằng dầu diesel thường, vì sự làm việc chung của chúng là như nhau. Tuy nhiên, có thể giả định là những cải tiến thực hiện đối với các vòi phun sẽ ảnh hưởng đến đặc tính cháy làm cho việc đốt dầu diesel thường không còn tối ưu nữa. 1.3.2 Nghiên cứu sử dụng diesel sinh học làm nhiên liệu thay thế: Nhiên liệu có tiềm năng lớn nhất sẽ được sử dụng làm nhiên liệu tái tạo trong các động cơ diesel là dầu diesel sinh học. Công nghệ sản suất bắt đầu từ các cây có dầu, hiện nay đang được sử dụng rộng rãi ở châu Âu để sản xuất nhiên liệu thay thế nhiên liệu diesel thông thường. Điều này thực hiện được chủ yếu do các đặc tính thuận lợi của dầu diesel sinh học về khả năng pha trộn với nhiên liệu diesel thông thường và chỉ cần điều chỉnh nhỏ động cơ diesel và hệ thống nhiên liệu. 1.3.2.1 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ dầu thực vật: Quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học bắt đầu từ dầu thực vật tinh khiết (xem sơ đồ trên hình 1.3). Các cấu trúc mol phân nhánh lớn của dầu thực vật được chuyển sang các cấu trúc mol hình chuỗi thẳng nhỏ hơn gọi là các este metyl- hoặc etyl giống như các thành phần của dầu diesel truyền thống. Quá trình biến đổi ester hoá này cần có cồn (thường là metanol) và các quá trình diễn ra là phức tạp và hai sản phẩm chính được tạo thành là glycerol và ester a xít béo, hai loại này khó trộn lẫn với nhau do đó tạo thành các pha tách biệt với pha ester ở bên trên. Quá trình này loại bỏ glycerol ra khỏi hỗn hợp phản ứng và tạo thuận lợi cho sự biến đổi cao. 24 Quá trình sản xuất thể hiện như trên hình 1.4, sự biến đổi ester hoá có một chất xúc tác đồng nhất giả định. Có một công nghệ khác là công nghệ xúc tác không đồng nhất hy vọng sẽ được sử dụng ở mức độ công nghiệp trong thời gian gần. Công nghệ này sẽ cho phép đơn giản hoá cả hai quá trình và sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn so với công nghệ xúc tác đồng nhất. Dầu diesel sinh học sản xuất thông qua quá trình này có độ tinh khiết gần 100% . Trong trường hợp biến đổi ester hoá không đồng nhất, việc trung hoà bằng các axít khoáng bị loại bỏ. Hơn nữa, không có sản phẩm phụ từ việc thu hồi metanol để tạo ra glycerol thô. Bằng cách này, glycerol thô có thể đạt tới độ tinh khiết là 98- 99.5 %. Hình 1.3: Sơ đồ phản ứng ester hoá của triglycerides với metanol 25 1.3.2.2 Nguồn nguyên liệu: Nguồn nguyên liệu cho sản xuất dầu diesel sinh học chủ yếu là bốn loại thực vật có tên là dầu hạt cải chiếm gần 85%, dầu hạt hướng dương, dầu đậu tương, và dầu cọ. Các nguyên liệu còn lại được tạo thành bởi dầu hạt lanh, mỡ bò, và mỡ rán tái chế. Tuy nhiên, bốn thực vật chính sử dụng để sản xuất dầu diesel sinh học đang được trồng cho nhu cầu sử dụng của con người trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau. Điều này có nghĩa là những thực vật có dầu này phải chịu giá dao động do cạnh tranh trên thị trường thực phẩm. Một cách để giảm chi phí sản xuất dầu dầu diesel sinh học là sử dụng dầu không ăn được có xu hướng rẻ hơn nhiều so với dầu ăn thực vật. Một ví dụ về dầu không ăn được là “dầu vật lý” có nguồn gốc từ Jatropha Curcas. Dầu này Hình 1.4: Quá trình sản xuất dầu diesel sinh học từ dầu thực vật tinh khiết; 26 không thể sử dụng làm thực phẩm vì nó chứa toxalbumine gọi là ‘curcine’ và có một số chất ester độc khác. Loại đậu này có thể trồng được trên nhiều loại đất ở độ cao và chịu được nước, cây cho hạt dầu, chứa axít dầu và axít dầu lanh. Sự khảo sát về các đặc tính nhiên liệu của dầu metyl và etyl ester từ Jatropha đã có nhiều kết quả khả quan. 1.3.2.3 Những thành tựu về mặt kĩ thuật: [5] Mẻ nhiên liệu sinh học từ dầu hạt cải (RME) được sản xuất đầu tiên vào năm 1988. Tuy nhiên sau đó nó mang đặc tính là một sản phẩm đơn với tính chất còn có vấn đề. Đến 1991 tiêu chuẩn đầu tiên về nhiên liệu diesel sinh học được ban hành ở Áo đối với RME. Đây là cơ sở cho nhiều công ty đưa ra các bảo hành động cơ diesel. Đến năm 1997, tiếp theo tiêu chuẩn này, tiêu chuẩn cho FAME - Axít béo Metyl Ester, đã ra đời. Các tiêu chuẩn quốc gia đã được thành lập ở Đức, Pháp, Ý, Thuỵ điển và Hoa Kỳ. Từ năm 1994, Pháp đã chính thức cho phép trộn 5% RME vào dầu diesel thường. Sự chấp nhận các tiêu chuẩn là cơ sở cần thiết để xây dựng lòng tin của khách hàng, nhận được các bảo hành từ nhiều nhà chế tạo động cơ diesel (như Mercedes-Benz, Peugeot, Volkswagen) và các nhà sản xuất bơm phun nhiên liệu. Năm 2003, tiêu chuẩn CEN đã được chấp nhận đối với dầu diesel sinh học, và tiêu chuẩn này đến nay đã có hiệu lực trong nhiều nước thành viên của Cộng đồng châu Âu. Ưu điểm chính của dầu diesel sinh học là nó có thể sử dụng trong các động cơ diesel bình thường mà không cần cải tạo lớn. Diesel sinh học hoà trộn tốt với nhiên liệu diesel và sự trộn này giữ được lâu. Các loại có hàm lượng diesel sinh học thấp (là 20% hoặc thấp hơn) có thể dùng thay thế trực tiếp nhiên liệu diesel trong hầu hết các xe động cơ diesel mà không cần điều chỉnh động cơ hoặc hệ thống nhiên liệu. 27 Nhiều nhà chế tạo đã đưa vật liệu tương thích với dầu diesel sinh học vào trong thiết kế xe và đã chuẩn bị đưa ra bảo hành cho các model ô tô diesel của họ khi chúng sử dụng dầu diesel sinh học, chứng tỏ đã đạt độ chín muồi về kỹ thuật. Một mặt, dầu diesel sinh học làm tăng độ bền của của bơm và vòi phun diesel cao hơn so với nhiên liệu diesel có lưu huỳnh hiện nay. Mặt khác có sự lo ngại rằng nhiên liệu diesel sinh học ở các trạm nạp thường không đạt tiêu chuẩn chất lượng. 1.3.3 Tình hình nghiên cứu trong nước: Đi sau các nước trong việc phát triển nhiên liêu sạch nhưng Việt Nam cũng đã đạt được những thành tựu bước đầu trong việc nghiên cứu chế biến dầu thực vật, mỡ động vật thành diesel sinh học. Chúng ta đã nghiên cứu chết suất thành công dầu diesel từ dầu mè, chiết suất thành công diesel sinh học từ mỡ cá basa, cá tra, nó đã mở ra một hướng mới cho các nhà đầu tư . Đối với cây mè chúng ta có thể dùng phụ phẩm của nó để làm thuốc, làm phân bón,… còn đối với mỡ cá basa, cá tra ta tận dụng được nguồn mỡ thải lâu nay vẫn không dùng phải vứt bỏ. Đó là công trình nghiên cứu của Phân viện khoa học vật liệu tại Thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) thuộc Viện khoa học và công nghệ Việt Nam. Theo đề nghị của Bộ Công nghiệp và Văn phòng Công ty Sojitz tại Hà Nội, ngày 03 tháng 8 năm 2005, Bộ Tài nguyên và Môi trường, với tư cách là cơ quan đầu mối của Chính phủ Việt Nam tham gia và thực hiện Nghị định thư Kyoto đã xác nhận dự án PIN phát triển dầu dừa diesel sinh học theo cơ chế phát triển sạch (CDM) tại tỉnh Bình Định. Nhóm nghiên cứu do PGS.TS Hồ Sơn Lâm - phân viện trưởng Phân viện Khoa học vật liệu Tp.HCM thuộc Viện Khoa học và công nghệ VN - chủ trì, khẳng định có đủ khả năng nghiên cứu sản xuất dầu diesel sinh học (Biodiesel) từ dầu thực vật của Việt Nam. PGS.TS Hồ Sơn Lâm cho biết 28 nhóm nghiên cứu đã hợp tác với Viện Hóa kỹ thuật ĐH Tổng hợp Jena (Đức) phân tích thành phần, tính chất các mẫu dầu diesel sinh học do nhóm điều chế. Kết quả cho thấy, mẫu dầu diesel sinh học từ dầu hạt cao su Việt Nam đạt tiêu chuẩn châu Âu về Biodiesel. Từ tháng 8/2006, hệ thống thiết bị sản xuất nhiên liệu diesel sinh học từ dầu ăn phế thải với công suất 2 tấn/ngày đã được triển khai tại công ty Phú Xương, quận Thủ Đức, Tp.HCM. Dự án này có nguồn vốn đầu tư khoảng 9,69 tỷ đồng, trong đó có 1,5 tỷ đồng vay từ ngân sách Nhà nước. 29 Chương II: GIẢI PHÁP SỬ DỤNG HỖN HỢP DẦU JATROPHA_DIESEL LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL. 2.1 Các tính chất của dầu thực vật nói chung: Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ các loại hạt, các loại quả của cây cối. Nói chung các loại hạt quả của cây cối đều chứa dầu, nhưng từ “dầu thực vật” chỉ dùng để chỉ dầu của những cây có dầu với chiết suất lớn. Dầu từ hạt những cây có dầu như: Đậu phụng, đậu nành, cải dầu, hạt bông, hướng dương. . . dầu từ quả của những cây có dầu như: cây dừa, cây Jatropha curcas, cây cọ . . . 2.1.1 Thành phần hóa học của dầu thực vật: Thành phần hóa học của chúng nói chung gồm 95% các triglyceride và 5% các axid béo tự do. Triglyceride là các triester tạo bởi phản ứng của các axit béo trên ba chức rượu của glycerol. Trong phân tử của chúng có chứa các nguyên tố H, C, và O. Người ta chia chúng thành ba nhóm : - Nhóm dầu không khô (dầu axit béo bão hòa): Đó là các loại dầu có chỉ số Iốt thấp dưới 95 như dầu dừa, dầu cọ, dầu phụng, dầu ôliu . . . - Nhóm dầu nửa mau khô: Gồm các dầu có chỉ số Iốt từ 95 đến khoảng 130 như dầu cao su, dầu Jatropha, dầu mè, dầu hướng dương, dầu đậu nành, dầu cải dầu, dầu bông, dầu bắp… - Nhóm mau khô: Gồm các dầu có chỉ số Iốt trên 130 như dầu lanh, dầu trẩu . . .Về thành phần hóa học, đối với dầu thực vật so với dầu diesel: lượng chứa C ít hơn 10 - 12%, lượng chứa H ít hơn 5 - 13% còn lượng O thì lớn hơn rất nhiều (dầu diesel chỉ có vài phần ngàn O, còn dầu thực vật có 9 - 11% O), cho nên dầu thực vật là nhiên liệu có chứa nhiều oxy. Chính vì điều này mà 30 dầu thực vật có thể làm việc với lượng dư không khí bé mà vẫn cháy hoàn toàn. 2.1.2 Đặc tính của dầu thực vật: Khối lượng riêng: Nói chung khối lượng riêng của dầu thực vật lớn hơn dầu diesel từ 6 - 17% . Độ nhớt: Độ nhớt dầu thực vật ở nhiệt độ thường cao hơn so với dầu diesel khoảng vài chục lần, nhưng đường cong chỉ thị độ nhớt rất dốc, khi nhiệt độ 1000C đối với dầu bông chỉ còn lớn hơn 7 lần, dầu hạt cải chỉ còn lớn hơn 8 lần so với dầu diesel. Riêng đối với dầu Jatropha, độ nhớt ở 200C lớn hơn dầu diesel 8÷16 lần. Độ nhớt của dầu ảnh hưởng lớn đến khả năng thông qua của dầu trong bầu lọc, đến chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp, do đó ảnh hưởng mạnh đến tính kinh tế và năng lượng của động cơ . Bảng 2.1: Tính chất hóa lý của các loại dầu. Loại dầu Khối lượng riêng (g/cm3) Độ nhớt ở 200C (cSt) Điểm nóng chảy (0C) Điểm đục (0C) Điể m chớp lửa (0C) Nhiệt trị (MJ/kg; Kcal/kg) Dầu Phộng 0,914 85 0  (-3) 9 258 39,33/9410 Dầu cải 0,916 77 0  (-2) 11 320 37,40/8956 Dầu dừa 0,915 30  37 23  26 20  28 110 37,10/8875 Dầu bông 0,921 73 2  (-2) -1 243 36,78/8800 Dầu cọ 0,915 95106 23  50 31 280 36,92/8834 Dầu Jatropha 50,73 8 39,58/9470 Dầu nành 0,9202 58 63 . 4 330 37,30/8925 Dầu diesel 0,836 3  6 . -2 . 43,80/1048 31 Chỉ số cetane của dầu thực vật nhỏ hơn so với dầu diesel, trong số các dầu thực vật nghiên cứu thì dầu Jatropha có chỉ số cetane tương đương với dầu diesel. Muốn tăng chỉ số cetane cho dầu thực vật có thể dùng biện pháp thêm chất phụ gia "procetane" hay chuyển chúng thành ester dầu thực vật . Sức căng bề mặt: Ở nhiệt độ thường thì sức căng bề mặt của dầu thực vật nói chung và của Jatropha nói riêng cao hơn dầu diesel nhưng ở nhiệt độ cao thì giảm nhanh và đạt giá trị gần bằng dầu diesel. Đường cong bay hơi: Về khả năng bay hơi, đối với dầu thực vật so với dầu diesel: điểm bắt đầu bay hơi thấp hơn (130 - 1500C), điểm kết thúc bay hơi cao hơn (360 - 3750C). Nhiều loại dầu thực vật trong khoảng nhiệt độ 200 - 2800C đường cong bay hơi gần trùng với dầu diesel, nhưng vượt quá 2800C thì chúng lại thấp hơn. Điểm đáng lưu ý là dầu thực vật không hoàn toàn bay hơi hết, đây có thể là nguyên nhân gây đóng cặn trên buồng cháy. Bảng 2.2: Các thông số nhiệt động của một số dầu thực vật và dầu diesel. Loại dầu Khối lượng riêng (g/cm3) Độ nhớt ở 200C (cSt) Chỉ số cetane (CN) Điểm đục (0C) Điểm chớp lửa (0C) Nhiệt trị (MJ/kg; Kcal/kg) Dầu phụng 0.914 85 39-41 9 258 39,33/9410 Dầu cải 0.916 77 38 11 320 37,40/8956 Dầu dừa 0.915 30-37 40-42 20-28 110 37,10/8875 Dầu bông 0.921 73 35-40 -1 243 36,78/8800 Dầu cọ 0.915 95-106 38-40 31 280 36,92/8834 DầuJatropha 50,73 51 16 240 39,58/9470 Dầu nành 0.920 58-63 36-38 -4 330 37,30/8925 Dầu diesel 0.836 3-6 45-50 -2 43,80/10478 32 2.2 Các phương pháp sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu: 2.2.1 Phương pháp sấy nóng nhiên liệu: Phương pháp này dựa trên đặc tính thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ . Nhiệt độ trong khoảng 30oC - 80oC sẽ làm độ nhớt thay đổi nhiều, ngược lại khi nhiệt độ vượt trên 80oC thì độ nhớt thay đổi rất ít. Độ nhớt của dầu thực vật sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên, bởi vậy sấy nóng được coi là một phương pháp hữu hiệu làm giảm độ nhớt của dầu thực vật . Khi động cơ diesel làm việc ở chế độ ổn định thì nhiệt độ của nhiên liệu ở sau bơm cao áp thay đổi trong phạm vi từ 35 – 40oC. Trong khoảng nhiệt độ này thì độ nhớt của dầu thực vật thay đổi từ 25-35mm2/s, cao hơn 10 lần so với độ nhớt của dầu diesel. Để đạt được độ nhớt của nhiên liệu diesel thì cần tăng nhiệt độ của dầu thực vật lên (60-80)oC, bởi vì độ nhớt giảm rất ít khi nhiệt độ vượt trên 80oC . Tăng nhiệt độ lên quá cao làm thay đổi trạng thái nhiệt và ảnh hưởng xấu đến hệ thống cấp nhiên liệu. Mặt khác phương pháp này không cải thiện được trị số cetane của dầu thực vật,… do đó phương pháp này chỉ thích hợp để áp dụng đồng thời với phương pháp khác, nhằm mục đích tăng khả năng lưu thông của dầu thực vật, đặc biệt khi động cơ làm việc trong môi trường có nhiệt độ thấp. 2.2.2 Phương pháp pha loãng: Phương pháp pha loãng là một trong những phương pháp đơn giản làm giảm độ nhớt, có thể sử dụng các dung môi pha loãng khác nhau . Pha loãng không chỉ làm giảm độ nhớt của dầu thực vật mà nó còn cải thiện được một số chỉ tiêu khác của dầu như: trị số cetane lớn hơn, nhiệt độ đông đặc thấp hơn,… 2.2.3 Phương pháp cracking: 33 Có thể hình dung quá trình craking dầu thực vật gần giống như quá trình craking dầu mỏ. Nguyên tắc cơ bản của quá trình là cắt ngắn mạch hydrocacbon của dầu thực vật dưới tác dụng của nhiệt độ và chất xúc tác. Sản phẩm thông thường bao gồm: nhiên liệu khí, xăng, nhiên liệu diesel và một số sản phẩm phụ khác . Nhiên liệu có được sau quá trình craking có tính chất gần giống với nhiên liệu diesel. Craking có thể được thực hiện trong môi trường không khí hoặc trong môi trường khí trơ . Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là tốn năng lượng để điều chế nhiên liệu. Sản phẩm thu được bao gồm nhiều thành phần nhiên liệu khác nhau và đặc biệt là khó thực hiện ở quy mô không lớn. Vì vậy phương án đưa ra chỉ mang tính tham khảo mà không đi sâu vào nghiên cứu. 2.2.4 Phương pháp nhũ tương hoá dầu thực vật: Nhiên liệu ban đầu là dầu thực vật, rượu và chất tạo sức căng bề mặt với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra nhũ tương dầu thực vật-rượu, trong đó các hạt rượu được phân bố đều trong nhũ tương . Ưu điểm nhiên liệu có dạng nhũ có độ nhớt tương đương dầu diesel, tỷ lệ rượu càng lớn thì độ nhớt của nhũ tương càng giảm. Tuy nhiên, lúc đó để tạo ra các hạt nhũ tương nhỏ, khả năng phân lớp của các hạt nhũ tương tăng lên. Kết quả là nhũ tương kém đồng nhất và cần thiết phải áp dụng các biện pháp bảo quản nhũ tương trong thời gian dài. 2.2.5 Phương pháp ester hoá (điều chế Biodiesel): Phương pháp ester hoá dầu thực vật là phương pháp được chú ý trong thời gian gần đây, nguyên lý chuyển hoá cơ bản có thể miêu tả như là phản ứng của một phần tử glyceride (axit béo không no, có độ nhớt cao) và ba nguyên tử rượu tạo thành ester của axit béo và một nguyên tử glycerine . 34 Nhiên liệu dầu thực vật và rượu ít nước (điều kiện phản ứng là xúc tác và nhiệt độ trung bình) lúc này lần lượt các liên kết R1CO_, R2CO_, R3CO_, bị tách ra khỏi phân tử glyceride và đính vào các nguyên tử hydro và rượu. Các sản phẩm đầu tiên là diglyceride và cuối cùng là glycerine Sơ đồ phương pháp ester hoá (Hình 2.1): Glycerine dễ dàng được tách ra khỏi ester và sử dụng trong các ngành công nghiệp khác. Sản phẩm cuối cùng có thể đạt 95 – 98% về trọng lượng sản phẩm ban đầu tham gia phản ứng. Hình 2.1. Sơ đồ ester hóa dầu thực vật. 35 2.3 Triển vọng của việc sử dụng dầu Jatropha làm nhiên liệu cho động cơ diesel: Phát hiện quan trọng nhất từ Jatropha là lấy hạt làm nguyên liệu sản xuất dầu diesel sinh học. Hạt Jatropha có hàm lượng dầu trên 30%, từ hạt ép ra dầu thô, từ dầu thô tinh luyện được diesel sinh học và glyxerin. Mặc dầu diesel sinh học được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu: cải dầu, hướng dương, đậu tương, dầu cọ, mỡ động vật…, nhưng sản xuất từ Jatropha vẫn có giá thành rẻ nhất, chất lượng tốt, tương đương với dầu diesel hóa thạch truyền thống. Nếu 1 ha Jatropha đạt năng suất 8-10 tấn hạt/ha/năm có thể sản xuất được 3 tấn diesel sinh học. Loại dầu này sẽ thay thế được 1 phần dầu diesel truyền thống đang cạn kiệt, giảm thiểu được lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, là loại dầu cháy hết và không có lưu huỳnh, là dầu sạch, thân thiện với môi trường. Hạt Jatropha sau khi ép dầu, 30% là sản phẩm dầu, 70% là khô dầu, có hàm lượng protein khoảng 30%, dùng làm phân hữu cơ quý, nếu khử hết độc tố có thể làm thức ăn gia súc cao đạm. Một ha Jatropha, giả thiết đạt 10 tấn hạt/ha/năm sẽ thu được các loại sản phẩm chủ yếu có giá trị cao như sau: - dầu diesel sinh học: 3 tấn x 700 USD/tấn = 2.100 USD - bã khô dầu: 7 tấn x 300 USD/tấn = 2.100 USD Như vậy 1 ha Jatropha tạo ra giá trị khoảng 4.200 USD/năm (hơn 60 triệu đồng/ha/năm), lợi nhuận thu được sẽ phân phối cho nông dân sản xuất nguyên liệu và nhà đầu tư công nghiệp chế biến dầu. Jatropha còn tạo ra hiệu ứng xã hội cực kỳ to lớn. Do trồng ở các vùng miền núi nghèo túng, cây Jatropha sẽ tạo nhiều việc làm và thu nhập khả quan cho đồng bào các dân tộc, trong khi cho đến nay, trên đất dốc còn lại của các 36 vùng này vẫn chưa tìm kiếm được bất cứ cây gì khả dĩ trồng được trên diện tích lớn, có thu nhập cao, lại có thị trường ổn định. [6] 2.4 Phương pháp dùng dầu Jatropha làm nhiên liệu: Việt Nam là nước có khí hậu cận nhiệt đới với thảm thực vật phong phú do đó nguồn nguyên liệu cho việc sản xuất dầu thực vật cũng phong phú theo. Dầu thực vật Việt Nam được chế biến từ các nguyên liệu có nguồn gốc thực vật gồm: Đậu nành, đậu tương, đậu phụng (lạc), vừng, dừa, cám gạo…trong đó phổ biến nhất là dầu dừa: 39.320 tấn, đậu nành 29.170 tấn và lạc 17.800 tấn - số liệu năm 2005 [5] và gần đây nhất là dầu Jatropha với nhiều triển vọng. Thành phần chủ yếu của các lọai dầu này là Ester của axit béo và glycerine. Đặc điểm của dầu thực vật nguyên chất là có độ nhớt cao, tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như Ete, acetone… Hỗn hợp nhiên liệu dầu Jatropha-diesel (J-D) không có chất xúc tác là sản phẩm của quá trình pha trộn theo tỷ lệ phần trăm giữa dầu Jatropha và dầu diesel. Đây là giải pháp nhằm làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu diesel truyền thống, sử dụng cho động cơ đốt trong. Tuy nhiên độ nhớt quá lớn so với diesel, ma sát nội giữa các phần tử của dầu cao, cản trở sự chảy của dầu trong đường ống, làm khả năng thông qua của dầu trong bầu lọc kém, chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp xấu làm thời gian cháy kéo dài và cháy không hoàn toàn lượng nhiên liệu được cấp vào buồng đốt gây ảnh hưởng xấu đến các chỉ tiêu kinh tế và hiệu quả của động cơ. Để sử dụng dầu Jatropha làm nhiên liệu, cần áp dụng những phương pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel. 2.4.1 Điều chế thành biodiesel sinh học: Quy trình công nghệ ester hóa dầu Jatropha cũng giống như quy trình công nghệ ester hóa dầu thực vật đã nêu trên, tuy nhiên với các quy trình phức tạp và giá thành của thiết bị còn quá cao nên đây không phải là giải pháp tối ưu. 37 2.4.2 Sấy nóng dầu Jatropha: Như đã biết, độ nhớt của dầu thực vật nói chung không giảm hoặc giảm rất ít khi nhiệt độ của nó > 800C, do vậy, nếu chỉ gia tăng nhiệt độ thì dầu Jatropha vẫn còn độ nhớt cao hơn nhiều so với dầu diesel truyền thống. Tăng nhiệt độ lên quá cao sẽ tạo bọt trong hệ thống nhiên liệu, cản trở việc cung cấp liên tục nhiên liệu, gây chết máy. Mặt khác phương pháp này không cải thiện được các chỉ tiêu khác của dầu Jatropha như: trị số cetan, nhiệt trị… 2.4.3 Pha loãng và gia nhiệt: Trên cơ sở phân tích ở trên, ta chọn phối hợp hai giải pháp: pha dầu Jatropha vào dung môi là dầu diesel và gia nhiệt hỗn hợp sao cho độ nhớt tương đương với dầu diesel. 2.5 Giải pháp tạo mẫu nhiên liệu từ hỗn hợp dầu Jatropha + diesel: 2.5.1 Chọn tỉ lệ pha: Pha theo nấc thang tối thiểu + 5%, vì ở khoảng đó mới có thể nhận biết được sự thay đổi độ nhớt của hỗn hợp. Ở mỗi nhiệt độ gia nhiệt thì độ nhớt của hỗn hợp có sự khác nhau do đó lần lượt pha đến cận trên là tỉ lệ 22,5% Jatropha, ở tỉ lệ này với nhiệt độ sấy 80 oC độ nhớt hỗn hợp nằm dưới cận trên độ nhớt tiêu chuẩn của dầu diesel đo trên cùng thiết bị . Vì vậy, pha hỗn hợp J-D với các tỷ lệ phần trăm và độ nhớt đo được theo nhiệt độ gia nhiệt như sau: 38 Như đã biết, để đo độ nhớt của chất lỏng người ta dùng nhớt kế. Trên thị trường hiện nay có nhiều loại nhớt kế, nhưng tất cả đều hoạt động theo một nguyên lý chung là đo thời gian mà một đơn vị thể tích mẫu thử chảy qua một lỗ tiêu chuẩn của nhớt kế trong điều kiện quy ước. Ở nhiều nước Châu Âu và Việt Nam, độ nhớt quy ước của dầu thường được xác định bằng nhớt kế Engler. Độ nhớt Engler được tính như sau: 0 10 t tE  (2.1) Trong đó: 0E - độ nhớt Engler ở t0C t1 - thời gian cần thiết để cho mẫu thử chảy qua ống tiêu chuẩn t0 - thời gian cần thiết để cho nước cất chảy qua ống tiêu chuẩn Bảng 2.3: Độ nhớt hỗn hợp J-D theo tỷ lệ %J và nhiệt độ gia nhiệt T(oC) %J 0E 5% 1.25 600C 10% 1.29 5% 1.21 10% 1.26 700C 15% 1.27 5% 1.17 10% 1.22 15% 1.24 20% 1.29 800C 22.5% 1.31 39 Theo công thức (2.1), xác định độ nhớt hỗn hợp J-D bằng dụng cụ đo độ nhớt “ LABORMMUSZERIPARIMUVEK ” như sau: Cho 250ml nước cất ở 200C vào nhớt kế sau đó tính thời gian cần thiết để 200ml nước cất chảy qua thiết bị đó. Tương tự, cho 250ml hỗn hợp J-D vào nhớt kế sau đó tính thời gian cần thiết để cho 200ml hỗn hợp J-D chảy qua nhớt kế. Kết quả thông số độ nhớt hỗn hợp nhiên liệu J-D và gia nhiệt đo được cho trong bảng 2.1. 2.5.2 Xác định tỉ lệ hỗn hợp và nhiệt độ sấy tối ưu: Hình 2.2: Dụng cụ đo độ nhớt LABORMMUSZERIPARIMUVEK (Budapest-Hungary) 40 Như đã trình bày, nhiệt độ sấy dầu Jatropha không nên vượt quá 80 oC, nhiệt độ này tương hợp khi sử dụng các phương pháp gia nhiệt khác nhau để gia nhiệt cho hỗn hợp như dùng nước làm mát để sấy nhiên liệu, nhằm giảm thời gian và năng lượng dùng cho bộ sấy. Ấn định nhiệt độ sấy là 800C để pha dầu Jatropha vào hỗn hợp với tỷ lệ lớn nhất có thể. 2.5.3 Kết luận: Trong quá trình pha chế, gia nhiệt và tiến hành đo độ nhớt của các hỗn hợp, ta nhận thấy ở nhiệt độ 800C, hỗn hợp diesel+ 22,5%J đạt được độ nhớt tương đương với độ nhớt của dầu diesel đo trên cùng một thiết bị. Do đó hỗn hợp này được chọn làm nhiên liệu để tiến hành chạy thử nghiệm. 2.6 Gải pháp kỹ thuật: 2.6.1 Phương pháp pha hỗn hợp: 2.6.1.1 Pha thủ công bằng tay: Phương pháp này không khả thi trong thực tế, vì pha chế thủ công bằng tay sẽ không đảm bảo cho sự đồng nhất hỗn hợp sau khi pha, mặt khác quá trình này không thể áp dụng ở quy mô lớn nên chỉ áp dụng trong quá trình tạo mẫu thử nghiệm. 2.6.1.2 Pha nhiên liệu theo qui mô công nghiệp: Hỗn hợp nhiên liệu J-D theo tỉ lệ 22,5%J được pha chế ngay trong các nhà máy quy mô lớn và được phân phối đến các điểm cấp nhiên liệu. Khi sử dụng hỗn hợp này chỉ cần thêm động tác gia nhiệt đến 800C và đưa vào sử dụng kết hợp với các thiết bị đồng thể hóa nhiên liệu. 2.6.1.3 Thiết bị đồng thể hóa hỗn hợp nhiên liệu: Theo phương pháp thực hiện, máy đồng thể có thể chia ra làm 2 loại: thiết bị với cơ cấu công tác quay và thiết bị với cơ cấu công tác cố định (không chuyển động). 41 Hiện nay trên thị trường có nhiều loại máy đồng thể có thể được giới thiệu như sau: + Máy đồng thể loại van. + Máy đồng thể loại quay. + Máy đồng thể loại rung. + Máy đồng thể siêu âm. + Máy đồng thể thủy động. Qua phân tích các các loại thiết bị đồng thể khác nhau cho thấy thiết bị đồng thể thủy động (MĐTTĐ) làm việc theo nguyên tắc xâm thực là có thể ứng dụng để xử lý hỗn hợp nhiên liêu J-D. Thiết bị này có kết cấu đơn giản, tiêu thụ năng lượng thấp phù hợp với động cơ diesel công suất nhỏ. Sơ đồ cấu tạo của máy đồng thể như trên hình 2.3. Trong thiết bị này chất lỏng dưới áp suất chảy qua khe hẹp với tốc độ lớn va đập vào thành A tạo quá trình đồng thể. Ngoài ra, so với các máy đồng thể loại cơ khí và van, MĐT loại này không cần có bơm cao áp chuyên dùng (với áp suất bơm đến 16 ÷ 25 MPa), bảo đảm sự làm việc của MĐTTĐ là phân tán chất không tan lẫn trong dầu, và có thể lắp đặt dễ dàng. Kích thước tổng thể của MĐTTĐ loại này được xác định bởi năng suất của bơm đảm bảo cho MĐT làm việc và thường có kích thước nhỏ hơn so với các loại MĐT khác có cùng năng suất. Năng suất của A Hình 2.3: Sơ đồ cấu tạo máy đồng thể thủy động 42 MĐTTĐ có thể lựa chọn trong giới hạn rộng phụ thuộc vào thể tích và chất lượng hỗn hợp nhiên liệu cần xử lý, điều này các loại MĐT khác không thể đáp ứng được.  Nguyên lý làm việc của máy đồng thể thủy động-siêu âm: Đặc điểm của đầu máy đồng thể này (Hình 2.4) là sự kết hợp giữa máy đồng thể thuỷ động và dao động siêu âm tự phát sinh do dao động đàn hồi của chất lỏng trong buồng cộng hưởng. Ưu điểm của của loại đồng thể này là kích thước nhỏ gọn, tiêu hao năng lượng ít. Nguyên tắc quá trình đồng thể thuỷ động được giải thích theo sơ đồ trên Hình 2.5. Hình 2.4: Cấu tạo máy đồng thể thủy động – siêu âm 43 Hình 2.5: Sơ đồ cơ chế quá trình đồng thể thuỷ động 1. Sự biến dạng của hạt chất lỏng không tan, 2. Gradient tốc độ chất lỏng ; A. Vùng xảy ra quá trình đồng thể. Ban đầu quả cầu chất không tan bị dồn đến ở cửa vào của kênh hẹp có tốc độ dòng chảy tăng dần, hình dạng quả cầu bị kéo dài thành hình elip. Sau đó trong khe hẹp, trường tốc độ dòng chảy tiếp tục tăng lớn kéo dài hình elip thành hình trụ tròn xoay, quá trình này làm tăng diện tích bề mặt của quả cầu lớn hơn diện tích bề mặt ban đầu. Đây là quá trình tiêu hao năng lượng để thắng các lực hút phân tử và sức căng bề mặt của quả cầu. Khi thoả mãn điều kiện: L > 3,14 D (2.2) trong đó: L - chiều dài của hình elip. D - đường kính trung bình mặt cắt ngang của hình trụ tròn xoay. thì theo lý thuyết mao dẫn, hình trụ tròn xoay chuyển sang giai đoạn không ổn định và tự vỡ thành những hạt có kích thước nhỏ hơn. Giai đoạn này kèm theo là sự gia tăng bề mặt của quả cầu đến giá trị S2 > S1 và là quá trình tự phân rã. Giai đoạn cuối cùng là quá trình cân bằng động giữa sự tái tạo lại các hạt lớn khi có sự va chạm với nhau giữa các hạt nhỏ, đồng thời với quá trình tự phân rã các hạt lớn thành các hạt bé hơn. 44 Áp suất cần thiết để phá vỡ một hạt có bán kính r là: pk = 2 / r (2.3) ở đây:  - sức căng bề mặt của hạt. r - bán kính trung bình của hạt. Từ (2.3) ta thấy rằng quá trình tự phân rã càng khó khi kích thước hạt càng bé. Sau khi thực hiện quá trình đồng thể thuỷ động, dòng chất lỏng được chảy vào buồng cộng hưởng theo phương tiếp tuyến để phát sinh dao động đàn hồi. Trong buồng cộng hưởng dao động đàn hồi siêu âm chất lỏng xuất hiện và được khuyếch đại, thực hiện quá trình đồng thể bằng cơ chế siêu âm một lần nữa. Tóm lại: khi sử dụng đại trà bên cạnh việc trang bị hệ thống khuấy trộn tự động như đã nêu trên cần trang bị thêm bộ đồng thể hóa hỗn hợp nhiên liệu kiểu thủy động nhằm làm tăng chất lượng hỗn hợp nhiên liệu, tăng chất lượng quá trình cháy. 2.6.2 Phương pháp gia nhiệt cho hỗn hợp: Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu thay thế trong phạm vi đề tài là hệ thống nhiên liệu kép: nhiên liệu diesel chạy khi khởi động và tắt máy; hỗn hợp nhiên liệu J-D chạy ở chế độ lâu dài. Do vậy, hệ thống chuẩn bị cần thực hiện các nhiệm vụ: sấy ổn nhiệt hỗn hợp nhiên liệu J-D để giảm độ nhớt, lọc và đảm bảo sự làm việc độc lập của 2 loại nhiên liệu. Sau đây là hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với các bộ sấy khác nhau: 45 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu, với bộ sấy bằng nước làm mát 1.Két nước ngọt dự trữ; 2.Két nước làm mát động cơ; 3. Nhiệt kế; 4. Đường dầu Diesel; 5. Nhiên liệu đến BCA; 6. Van 3 ngã; 7. Lọc tinh; 8. Cần gạt; 9. Bình chứa hỗn hợp nhiên liệu J-D; a,b,c: Các van; 10. Bình chứa nước nóng; 11. Phao tự cấp hỗn hợp nhiên liệu; 12. Phao tự cấp nước; 13.Két dự trữ hỗn hợp nhiên liệu. 2.6.2.1 Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng nước làm mát  Nguyên lý hoạt động Khi khởi động, mở van ba ngã 6 để dầu diesel đến Bơm cao áp. Cho động cơ chạy ấm, bình 2 và 10 thông nhau, mở van b để hỗn hợp nhiên liệu J-D chảy vào bình 9 để bắt đầu sấy. Quan sát nhiệt kế 3, nếu nhiệt độ hỗn hợp đạt yêu cầu ≥ 800C thì xoay van 6 để động cơ làm việc với nhiên liệu thay thế. Nếu nhiệt độ quá cao thì mở van a và c. 46 Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng khí xả; 1.Dòng khí xả; 2. Hỗn hợp nhiên liệu J-D trong bộ sấy; 3. Tay gạt; 4. Lọc nhiên liệu; 5. Ống dẫn dầu Diesel; 6.Van ba ngã; 7. Nhiên liệu đến BCA; 8. Buồng sấy; 9. Quạt hút khí xả; 10. Nhiệt kế; 11. Calorific; 12. Cửa gió; 13.Đường khí xả vào; 14.Van điều chỉnh lưu lượng khí xả; 15.Khí xả; 16 .Khí xả từ động cơ; 17.Khí xả ra khỏi buồng sấy. 2.6.2.2 Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng khí xả.  Nguyên lý hoạt động Khi khởi động, mở van ba ngã (6) để dầu diesel đến bơm cao áp. Quạt hút (9) làm việc hút khí xả vào buồng sấy (8). Calorific (4) có tác dụng làm nóng khi khí xả chưa đủ nhiệt độ. Quan sát nhiệt kế (10), nếu nhiệt độ hỗn hợp đạt yêu cầu ≥ 800C thì xoay van (6) để động cơ làm việc với nhiên liệu thay thế. Van (14) có tác dụng điều chỉnh lượng khí xả vào buồng sấy để ổn nhiệt. 47 Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy điện ắc qui. 1. Két hỗn hợp nhiên liệu J-D; 2. Van phao; 3. Bộ sấy; 4. Lọc thô; 5. Lọc tinh; 6. Dầu đến BCA; 7. Động cơ; 8. Máy phát; 9. Tiết chế; 10. Ắc qui; 11. Bộ điều khiển; 12. Que đun; 13. Cảm biến nhiệt 2.6.2.3 Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy điện ắc qui  Nguyên lý hoạt động Trên bộ điều khiển (11) cài mức thang nhiệt độ (80±2)0C. Khi đóng cầu dao điện, bộ sấy hoạt động, nhiệt từ que đun (12) sấy nóng hỗn hợp nhiên liệu J-D báo qua nhiệt kế. Khi nhiệt độ dầu đạt mức yêu cầu, cảm biến (13) truyền tín hiệu đến bộ điều khiển (11) ngắt điện que đun. Khi nhiệt độ xuống thấp, bộ điều khiển (11) sẽ đóng điện cho que đun gia nhiệt cho hỗn hợp. Van phao tự cấp và ổn định mức nhiên liệu trong bộ sấy. Sau khi qua các bộ lọc (4,5) hỗn hợp nhiên liệu J-D sẽ tới BCA. 48 2.6.2.4 Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy điện xoay chiều: Sơ đồ bố trí và nguyên lý hoạt động tương tự như đối với bộ sấy điện một chiều nhưng không có bộ tiết chế và ắc qui. Dòng diện được truyền trực tiếp từ máy phát xoay chiều tới que đun. 2.6.3 Kết luận: Như vậy để đưa hỗn hợp nhiên liệu J-D vào sử dụng cho động cơ diesel cần phải có những cải tiến nhất định đối với hệ thống nhiên liệu, bên cạnh đó cần có biện pháp sấy nóng nhiên liệu phù hợp với từng điều kiện sử dụng đồng thời phải đồng thể hóa hỗn hợp nhiên liệu như đã niêu trên để hoàn thiện quá trình cháy trong động cơ diesel. Cụ thể là: 2.6.3.1 Hệ thống nhiên liệu thay thế cho trạm diesel-máy phát điện và động cơ chính tàu thủy: Đối với các động cơ cỡ lớn có các hệ thống phục vụ chuyên biệt như trên các tàu lớn hay các trạm diesel-máy phát điện thì có thể áp dụng phương pháp pha và gia nhiệt tự động (hình 2.9): Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Mọi thông tin, tín hiệu xuất nhập điều qua trung tâm điều khiển ECU (3). Ở đây các chế độ gia nhiệt cũng như thành phần của hỗn hợp J-D sử dụng đều được nhập từ bàn phím. Các cảm biến lưu lượng C1,C2 lấy tín hiệu lưu lượng của dầu diesel từ két diesel (1) và Jatropha (2) từ két đưa về ECU, sau khi các tín hiệu được sử lý ECU phát tín hiệu cho phép đóng mở các van V1,V2 để hỗn hợp nhiên liệu sau các van đạt tỉ lệ yêu cầu. Hỗn hợp nhiên liệu tạo thành tiếp tục chảy về két khuấy trộn và gia nhiệt (4). Tại đây hỗn hợp nhiên liệu được khuấy đều bởi bộ trộn (5) đồng thời được gia nhiệt bởi thiết bị gia nhiệt (6). Vận tốc khuấy trộn và nhiệt độ sấy được điều khiển trực tiếp bởi ECU với tín hiệu nhiệt độ được lấy từ cảm biến nhiệt C3. Nhiên liệu sau khi được khuấy đều và gia nhiệt được cấp vào động cơ. 49 Vấn đề đặt ra ở đây là kết cấu của các cánh khuấy trộn được thiết kế sao cho hỗn hợp nhiên liệu được khuấy đều thành một thể tương đối đồng nhất, sau đó dùng thiết bị đồng thể hóa kiểu thủy động để khắc phục hiện tượng phân lớp (tách pha) nhằm tăng chất lượng quá trình cháy của động cơ diesel. Để giảm chi phí năng lượng cho hệ thống nhiên liệu mới cũng như tận dụng triệt để nguồn nhiệt của động cơ diesel trên các tổ diesel-máy phát điện, Hình 2.9: Hệ thống pha trộn và gia nhiệt tự động cho hỗn hợp nhiên liệu J-D. 1,2_Các két dầu; 3_Trung tâm điều khiển ECU; 4_Két khuấy trộn và gia nhiệt; 5_Bộ trộn; 6_Thiết bị gia nhiệt; C1,C2_Cảm biến lưu lượng; C3_Cảm biến nhiệt độ; V1,V2_Các van điều chỉnh lưu lượng; 50 Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu bằng bộ sấy khí xả cho các tổ diesel-máy phát điện công suất lớn ; 1.Dòng khí xả; 2. Hỗn hợp nhiên liệu J-D trong bộ sấy; 3. Tay gạt; 4. Lọc nhiên liệu; 5. Ống dẫn dầu Diesel; 6.Van ba ngã; 7. Nhiên liệu đến BCA; 8. Buồng sấy; 9. Quạt hút khí xả; 10. Nhiệt kế; 11. Calorific; 12. Cửa gió; 13.Đường khí xả vào; 14.Van điều chỉnh lưu lượng khí xả; 15.Khí xả; các tàu công suất lớn có thể tận dụng nhiệt khí xả để sấy nóng hỗn hợp nhiên liệu. Hệ thống được bố trí như hình như đã giới thiệu ở mục 2.6.2.2. 2.6.3.2 Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ ôtô: Vì đặc trưng không gian bố trí của ô tô nhỏ nên các thiết bị sử dụng trên ô tô luôn đòi hỏi phải gọn nhẹ nhất có thể. Do đó giải pháp đưa ra là sử dụng bộ phối trộn tự động và sấy nóng hỗn hợp nhiên liệu thay thế bằng nguồn điện một chiều của máy khởi động. 51 Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu với bộ sấy bằng nguồn điện một chiều. 1. Két hỗn hợp nhiên liệu J-D; 2. Van phao; 3. Bộ sấy; 4. Lọc thô; 5. Lọc tinh; 6. Dầu đến BCA; 7. Động cơ; 8. Máy phát; 9. Tiết chế; 10. Ắc qui; 11. Bộ điều khiển; 12. Que đun; 13. Cảm biến nhiệt. Khi đó két nhiên liệu diesel ban đầu của ô tô được thay thế bằng hai két nhiên liệu diesel và Jatropha mới với tỉ lệ thích hợp (phải bảo đảm 22,5%J). 2.6.3.1 Hệ thống nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel dùng trong nông nghiệp: Các máy nông nghiệp thông thường là các máy nhỏ, không có các hệ thống phục vụ chuyên biệt. Do đó hỗn hợp nhiên liệu được pha sẵn theo qui mô công nghiệp bằng bộ phối trộn tự động (hoặc bằng tay tùy vào điều kiện sử dụng) và được gia nhiệt bằng nước làm mát. 52 Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống chuẩn bị nhiên liệu cho các động cơ diesel dùng trong nông nghiệp với bộ sấy bằng nước làm mát. 1.Két nước ngọt dự trữ; 2.Két nước làm mát động cơ; 3. Nhiệt kế; 4. Đường dầu Diesel; 5. Nhiên liệu đến BCA; 6. Van 3 ngã; 7. Lọc tinh; 8. Cần gạt; 9. Bình chứa hỗn hợp nhiên liệu J-D; a,b,c: Các van; 10. Bình chứa nước nóng; 11. Phao tự cấp hỗn hợp nhiên liệu; 12. Phao tự cấp nước; 13.Két dự trữ hỗn hợp nhiên liệu. Như vậy hệ thống nhiên liệu được trang bị trên các động cơ diesel phục vụ nông nghiệp là hệ thống nhiên liệu song song. Khi nhiệt độ nước làm mát còn thấp chưa sấy nóng hỗn hợp nhiên liệu được thì sử dụng hệ thống nhiên liệu DO sau đó khi nhiên liệu thay thế đạt đực mức nhiệt độ cho phép 800 thì chuyển sang sử dụng nhiên liệu thay thế. 53 Hâm nóng và chạy nhiên liệu thay thế - Khởi động và chạy ấm động cơ bằng dầu diesel, tốc độ quay: (1.000 -1.600) v/ph + Nhiệt độ nước ngọt: (75-90)0C + Nhiệt độ dầu bôi trơn: (60-70)0C - Sấy nóng nhiên liệu thay thế, nhiệt độ sấy: (78 ÷ 82)0C - Cắt dầu diesel, chuyển động cơ sang sử dụng nhiên liệu mới Với điều kiện hiện có ở phòng thí nghiệm động cơ thì giải pháp tạo mẫu thí nghiệm được chọn là: hỗn hợp nhiên liệu được pha bằng tay và gia nhiệt bằng nguồn điện xoay chiều. 2.6.4 Quy trình vận hành động cơ với nhiên liệu thay thế: Chuẩn bị khởi động động cơ - Chuẩn bị nhiên liệu - Chuẩn bị động cơ Dừng động cơ - Cắt tải, đóng van nhiên liệu thay thế. - Chạy nguội động cơ theo qui định bằng dầu diesel, tốc độ quay: (1.600 -1.000) v/ph Mắc phụ tải động cơ - Đóng tải, cho động cơ làm việc với tải thấp; - Nâng dần tải của động cơ đến công suất sử dụng Hình 2.13: Sơ đồ khối qui trình sử dụng nhiên liệu thay thế; 54 2.6.4.1 Chuẩn bị khởi động động cơ - Cấp nhiên liệu diesel và nhiên liệu dầu thực vật vào các két độc lập của hệ thống chuẩn bị nhiên liệu. - Xả gió hệ thống nhiên liệu. - Chuẩn bị các hệ thống khác của động cơ theo qui định. 2.6.4.2 Hâm nóng và chạy nhiên liệu thay thế - Khởi động động động cơ bằng dầu diesel. - Chạy ấm động cơ theo qui định: không tải, nâng dần tốc độ từ (1.000 - 1.600) v/ph, đồng thời sấy nóng nhiên liệu thay thế đến khoảng 80oC. Động cơ được gọi là chạy ấm xong khi nào nhiệt độ nước làm mát và dầu bôi trơn ổn định ở các giá trị sau:  Nhiệt độ nước ngọt (75-90)0C;  Nhiệt độ dầu bôi trơn (60-70)0C; Thời gian chạy ấm các động cơ cỡ nhỏ khoảng (7 - 12) phút, đủ để sấy nóng nhiên liệu thay thế đến nhiệt độ cần thiết. - Khi hâm nóng xong, xoay van 3 ngã về vị trí khoá dầu diesel từ két dầu tới, mở cho nhiên liệu mới chảy từ bình nhiên liệu hỗn hợp J-D tới Bơm cao áp. Lúc đó động cơ sẽ chạy với hỗn hợp của dầu diesel với nhiên liệu mới trong thời gian quá độ tùy thể tích bình lọc, khi tiêu hao hết số này thì máy hoàn toàn chạy bằng nhiên liệu thay thế. - Những điều cần chú ý: o Đảm bảo nhiệt độ của nước làm mát và khí xả ổn định. o Giữ áp suất dầu bôi trơn đúng giá trị qui định. o Kiểm tra nhiên liệu: bao gồm cả bình dầu diesel và bình nhiên liệu thay thế, luôn đảm bảo trên ½ bình  Đảm bảo ổn nhiệt nhiên liệu thay thế. 55  Định kỳ vệ sinh lọc, bố trí 2 lọc song song để có thể súc rửa lọc khi động cơ đang hoạt động. o Thường xuyên lắng nghe có tiếng gõ khác thường hay không, nhất là trong những giai đoạn chuyển nhiên liệu, nếu có phải tắt máy ngay để kiểm tra. Nếu cần tắt máy khẩn cấp trong tình huống đặc biệt, có thể nới lỏng rắc co nối ống dẫn dầu cao áp hoặc mở cần giảm áp. 2.6.4.3 Mắc phụ tải - Thời gian từ lúc khởi động cho tới khi thiết lập được phụ tải định mức, xác định tùy theo cỡ loại động cơ cũng như tình trạng kỹ thuật của động cơ và quy định của nhà chế tạo. - Nghiêm cấm rút ngắn thời gian làm nóng và mắc phụ tải động cơ trừ một số trường hợp do các yêu cầu an toàn. - Động cơ diesel được coi là đã làm nóng và chuẩn bị sẳn sàng mắc phụ tải niếu ở các chế độ ổn định và nhiệt độ nước, dầu vào và ra khỏi động cơ không thay đổi hoặc không chênh lệch so với trị số trung bình. - Trong tất cả các trường hợp khi mắc phụ tải cho động cơ hoặc thay đổi chế độ làm việc, cần tiến hành từ từ, không được thay đổi đột ngột số vòng quay để tránh phá vỡ chế độ bôi trơn và gây ứng suất cơ học quá lớn trong các chi tiết của động cơ. 2.6.4.4 Dừng động cơ Trước khi tắt máy phải cắt tải, đóng van nhiên liệu thay thế đồng thời mở van dầu diesel và tiếp tục cho máy chạy cho đến khi hết 50% lượng nhiên liệu thay thế còn trong bầu lọc. Tỷ lệ ấy đảm bảo cho việc khởi động nguội lần sau. Thời gian chuyển tiếp này phụ thuộc thể tích bầu lọc và công suất động cơ, người sử dụng có thể lấy bằng thời gian chạy nguội máy theo qui tắc vận hành động cơ. 56 2.7 Chạy thử nghiệm: 2.7.1 Thiết bị thử nghiệm: 2.7.1.1 Động cơ D12: Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của động cơ diesel D12. Nhãn hiệu Thông số kỹ thuật Số hiệu và kiểu cách Cách làm mát và cách nổ máy Đường kính xilanh 95 (mm) Hành trình piston 115 (mm) Công suất định mức 12 (HP) Tốc độ quay định mức 2000 (vòng/phút) Thể tích xilanh 0,815 (lít) Tỷ số nén 20:1 Áp suất nén hữu hiệu trung bình 6,63 (kg/cm2) Suất tiêu hao nhiên liệu riêng 185 (g/HP.h) Áp suất phun dầu 120 ± 5 (kg/cm2) Kích thước (dài x rộng x cao) 814 x 551 x 620 (mm) C A O P H O N G Trọng lượng 135 (kg) MÁY DIESEL S195. Một xylanh, 4 kỳ, Kiểu nằm Làm mát bằng nước (két nước và quạt gió). Tay quay. 57 Động cơ diesel D12 là loại động cơ đốt trong hoạt động theo nguyên lý: nhiên liệu tự phát hoả khi được phun vào buồng đốt chứa không khí bị nén đến áp suất và nhiệt độ đủ cao. Động cơ D12 dùng để thử nghiệm động cơ và kiểm tra chất lượng của nhiên liệu hỗn hợp dầu Jatropha – diesel. Hình 2.14: Động cơ D12. 2.7.1.2 Máy phát điện xoay chiều: Máy phát điện trong hệ thống khảo nghiệm động cơ kết hợp với cụm phụ tải có nhiệm vụ tiêu thụ công suất do động cơ phát ra và cho phép đo được công suất đó ở những chế độ tải khác nhau . Đây là máy phát điện xoay chiều một pha, tự kích từ theo phương pháp kích từ song song . 58 Hình 2.15: Máy phát điện . Thông số kỹ thuật của máy phát điện : Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của máy phát điện . Thông số Trị số Đơn vị Ký hiệu máy T – 7,5 Điện áp dây định mức 230/115 V Tần số 50 Hz Số vòng quay định mức 1500 Vòng/phút Hệ số cos 1 Điện áp kích từ định mức 61 V Dòng điện kích từ 2,7 A 2.7.1.3 Các thiết bị phục vụ cho động cơ và lấy số liệu cần đo: o Hộp kết nối máy vi tính . o Hệ thống nhiên liệu diesel và hỗn hợp Jatropha-diesel. o Cảm biến nhiệt dùng đo nhiệt độ khí thải và nhiệt độ dầu . 59 o Máy vi tính . o Thiết bị đo độ đục khí thải. Hình 2.16: Hộp kết nối máy vi tính và điều khiển cụm phụ tải. Hình 2.17: Nhiệt kế và que thủy tinh dùng trong khảo nghiệm. Hình 2.18: Thiết bị đo độ đục khí thải. 60 Hình 2.19: Bộ gia nhiệt hỗn hợp dầu diesel-Jatropha. 2.7.1.4 Cụm phụ tải: 2.7.1.5 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm:  Sơ đồ thử nghiệm chạy không tải: Hệ thống khảo nghiệm động cơ D12 chạy không tải sử dụng nhiên liệu Diesel và nhiên liệu thay thế (dầu diesel+22,5% dầu Jatropha, gia nhiệt ở Hình 2.20: Cụm phụ tải. 1. Máy bơm nước 2. Két làm mát nước 3. Két đựng nước 4. Thiết bị tiêu thụ năng lượng; 4 61 80°C) bao gồm: động cơ diesel D12, hệ thống nhiên liệu bố trí theo sơ đồ hình 2.21: Hình 2.21: Sơ đồ thử nghiệm động cơ D12 chạy không tải sử dụng nhiên liệu Diesel và nhiên liệu thay thế. 1.Động cơ D12. 2. Bộ sấy hỗn hợp dầu. 3. Hộp kết nối máy vi tính. 4. Máy vi tính. 5. Bệ của máy và động cơ điện. 6. Van ba ngả. 7. Rơle điều khiển bộ sấy dầu. 8. Bình dầu diesel . 9. Cảm biến nhiệt độ khí xả. 10. Cảm biến tốc độ của động cơ. 11. Cảm biến nhiệt độ hỗn hợp dầu. 12. Bảng điện nguồn 220V cho bộ sấy dầu. 62  Sơ đồ thử nghiệm chạy có tải: Cũng tương tự như chạy không tải nhưng ta đóng khớp nối đàn hồi 20 truyền động giữa động cơ diesel D12 với máy phát và đóng tải cho máy phát với các mức tải khác nhau. Lúc này cụm phụ tải hoạt động. Hệ thống khảo nghiệm động cơ D12 chạy có tải sử dụng nhiên liệu Diesel và hỗn hợp nhiên liệu thay thế bao gồm: “động cơ diesel D12, hệ thống nhiên liệu, cụm phụ tải, máy phát điện, máy vi tính cùng hộp kết nối ”, như hình 2.19. Hình 2.22: Sơ đồ thử nghiệm động cơ D12 chạy có tải sử dụng nhiên liệu Diesel và hỗn hợp nhiên liệu thay thế. 1. Động cơ D12. 2. Máy phát điện xoay chiều. 3. Các hộ tiêu thụ (điện trở dây tóc) 4. Bộ sấy hỗn hợp dầu. 5. Hộp kết nối máy vi tính. 6. Máy vi tính. 7.Bơm nước làm mát. 8. Két làm mát. 63 9. Môtơ - Quạt. 10. Bệ của máy và động cơ điện. 11. Van ba ngả. 12. Rơle điều khiển bộ sấy dầu. 13. Bộ công tắc điều chỉnh các mức tải của động cơ. 14. Bình dầu diesel. 15. Đồng hồ vôn kế. 16. Cảm biến nhiệt độ khí xả. 17. Cảm biến tốc độ của động cơ. 18. Cảm biến nhiệt độ hỗn hợp dầu. 19. Bảng điện nguồn 220V cho bộ sấy dầu. 20. Khớp nối đàn hồi. Hình 2.23: Bố trí các thiết bị thử nghiệm. 64 2.7.2 Kết quả chạy thực nghiệm: Sau khi tạo mẫu thử và gia đến nhiệt độ thí nghiệm, tiến hành chạy thực nghiệm lấy số liệu, sau đây là bảng đo chi phí nhiên liệu và độ đục khí xả. Bảng 2.6 Chi phí nhiên liệu ge(kg/hp.h) khi dùng nhiên liệu DO và hỗn hợp J-D: P(hp) DO 22.5%J 1.263 0.63384 0.6706 1.936 0.4559 0.49445 2.554 0.37576 0.4674 3.789 0.3065 0.32752 4.984 0.27763 0.31066 6.137 0.26295 0.30871 8.1 0.2484 0.29158 So sánh chi phí nhiên liệu khi chạy dầu DO và hỗn hợp J-D 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 2 4 6 8 10 hp K g/ hp .h Chi phí nhiên liệu với dầu DO Chi phí nhiên liệu với hỗn hợp J-D 65 Theo đồ thị trên ta thấy chi phí nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu là hỗn hợp J-D so với DO chênh lệch không đáng kể. Mặc dù nhiệt trị của dầu Jatropha tương đương với nhiệt trị của dầu diesel nhưng chi phí nhiên liệu khi dùng hỗn hợp J-D cao hơn so với DO vì động cơ thí nghiệm là động cơ sử dụng nhiên liệu diesel khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu là hỗn hợp J-D thì các diễn biến quá trình cháy không còn tối ưu nữa. Bảng 2.7 Độ đục khí xả của DO và hỗn hợp J-D: P(hp) DO (%HSU) 22.5%J (%HSU) 1.263 0.4 1.7 1.936 0.9 3 2.554 1.3 2.1 3.789 2.1 1.7 4.984 3 3.4 6.137 5.4 3.4 8.1 9.8 4.6 So sánh độ đục khí thải dầu DO và hỗn hợp J- D 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 hp % H SU Độ đục khí thải với dầu DO Độ dục khí thải với hỗn hợp J-D 66 Qua đồ thị ta thấy rằng mặc dù độ đục khí xả của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu J-D ở những mức tải thấp có cao hơn và ít ổn định hơn so với khi sử dụng nhiên liệu diesel. Nhưng ở những mức tải cao hơn thì độ đục khí xả khi chạy hỗn hợp này lại tương đối ổn định và có giá trị thấp hơn so với khi chạy với dầu diesel, do đó khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho động cơ diesel thì mức độ ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ diesel sẽ giảm thiểu đáng kể. 67 Chương III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận: Trên đây chỉ là những kết quả ban đầu, tuy nhiên trong quá trình tạo mẫu nhiên liệu hỗn hợp dầu Jatropha – dầu diesel và thực nghiệm trên động cơ D12 với nhiên liệu hỗn hợp này thì tôi có kết luận như sau:  Nhiên liệu mới sau khi pha trộn có tính ổn định.  Sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu Jatropha – dầu diesel cho động cơ D12 tại phòng thực hành bộ môn Động lực của trường Đại học Nha Trang thu được kết quả khả quan.  Qua khảo sát các thông số của hỗn hợp Jatropha – dầu diesel cho thấy các loại hỗn hợp Jatropha – dầu diesel đều có độ nhớt cao hơn dầu diesel, khả năng bay hơi và tự bốc cháy kém. Đây là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo hỗn hợp cháy và chất lượng cháy của nhiên liệu cho động cơ diesel. Để giải quyết vấn đề này tôi đã đưa ra các giải pháp như: Cải hoán hệ thống nhiên liệu để xử lý các thông số của hỗn hợp Jatropha – dầu diesel về tương đương với các thông số của dầu diesel, có như vậy ta mới có thể sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel. Sấy nóng hỗn hợp Jatropha – dầu diesel nhằm mục đích giảm độ nhớt của nó, kết quả cho thấy: ở hỗn hợp Jatropha – dầu diesel với 22,5%J và gia nhiệt đến 80oC thì độ nhớt của hỗn hợp tương đương độ nhớt của dầu diesel ở nhiệt độ môi trường.  Sử dụng hỗn hợp Jatropha – dầu diesel làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel sẽ phần nào giải quyết được vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ và vấn đề ô nhiễm môi trường. 68  Như vậy, có thể khẳng định lại rằng hỗn hợp dầu diesel –22,5% dầu Jatropha có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel. Việc sử dụng hỗn hợp này và gia nhiệt ở 80oC là khả thi, có thể khởi động và chạy độc lập. Trước khi tắt máy nên chạy ít phút bằng dầu diesel để rửa sạch lọc hơn nữa tạo điều kiện khởi động dễ dàng cho lần chạy sau. 3.2 Đề xuất ý kiến: - Cần bổ sung, nâng cao chất lượng của máy móc trang bị các thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu và thử nghiệm động cơ diesel. - Động cơ thử nghiệm không phải là động cơ chế tạo để sử dụng cho nhiên liệu là hỗn hợp J-D. Vì vậy trước khi thử nghiệm động cơ cần tìm giải pháp cải hoán và điều chỉnh cho phù hợp với loại nhiên liệu sử dụng. - Cần có một phòng khảo nghiệm riêng đạt tiêu chuẩn để thu được kết quả thực nghiệm chính xác hơn. 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. PGS.TS Nguyễn Văn Nhận (2004),Lý thuyết động cơ đốt trong,tài liệu lưu hành nội bộ,trường Đại học Thủy Sản. 2. Nguyễn Tất Tiến (2003), Nguyên lý động cơ đốt trong, nhà xuất bản Giáo Dục. 3. D.Mewes and F.Mayinger (2006), Heat and Mass Tranfer, printed in Germany. 4. GS.TSKH Bùi Văn Ga (2006), Ô tô và ô nhiễm môi trường, đại học Đà Nẵng. 5. Phùng Minh Lộc (2008), Nghiên cứu thử nghiệm dầu thực vật Việt Nam làm nhiên liệu cho động cơ diesel tàu cá cỡ nhỏ, tóm tắt kết quả nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp bộ, trường Đại học Nha Trang. 6. Thông tin từ internet: 7. Lê Hoàn Khanh (2006), Phân tích cơ sở lý thuyết của các biện pháp giảm độ độc hại của khí thải từ động cơ đốt trong, luận văn tốt nghiệp, trường đại học Thủy Sản.