Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiên liệu Biodiesel từ mỡ cá tra đến hiệu suất và khí thải động cơ diesel
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ MỠ
CÁ TRA ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL
THE EFFECT OF BIODIESEL FUEL OBTAINED FROM PANGASIUS OIL ON
DIESEL ENGINE PERFORMANCE AND EXHAUST EMISSIONS
Nguyen Van Tuan Anh1, PGS.TS. Ly Vinh Dat2, PGS.TS. Nguyen Huy Bich3
1Học viên cao học trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
2Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
3Trường đại học Nông Lâm TP.HCM
TÓM TẮT
Nghiên cứu này khảo sát các đặc điểm cháy, công suất , mô men xoắn, suất tiêu hao nhiên
liệu động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học từ mỡ cá tra, cá basa. Cùng với khí thải
như NOx, HC và CO,CO2 độ mờ khói sẽ được nghiên cứu thực nghiệm trong một động cơ diesel
EMEI Model 185N , công suất thiết kế : 5.88 kW.
Tính ứng dụng của việc sử dụng dầu diesel sinh học từ dầu cá tra, cá basa được kiểm tra. Kết
quả nghiên cứu cho thấy là nhiên liệu sinh học này tương ứng với tỷ lệ pha trộn 20% có mức
phát thải CO giảm tối đa 50% ở 1700 rpm, NOx giảm hầu hết ở các tốc độ mức giảm tối đa được
khảo sát ở 1000 rpm là 10%, độ khói có tăng ở tốc độ thấp sau đó giảm dần mức giảm nhiều nhất
là 6% ở tốc độ 1900 rpm, HC giảm 28 % ở tốc độ 1700 rpm, Mức giảm CO2 trung bình cho
dầu diesel sinh học là 9,03% ở mọi tốc độ động cơ. Mức giảm trung bình tương ứng các hỗn hợp
nhiên liệu B20, B40 và B60 là 3.8%, 8.2%, 15.1%. về công suất và mô men xoắn thấp hơn từ 2
đến 3 % so với nhiên liệu diesel, sự chênh lệch này là không nhiều. Kết quả nghiên cứu thực
nghiệm cho thấy rằng hoàn toàn có thể ứng dụng nhiên liệu sinh học từ mỡ cá sử dụng cho động
cơ đốt trong mà không thay đổi kết cấu động cơ. Trong quá trình hoạt động, động cơ ổn định
cũng như khí thải chênh lệch với nhiêu liệu truyền thống đa số theo hướng giảm.
Từ khóa: nhiên liệu diesel sinh học; mỡ cá tra; động cơ diesel; nhiên liệu diesel; khí thải.
ABSTRACT
This study investigates the characteristics of combustion, power, torque, efficiency, diesel fuel
consumption when using biodiesel from catfish and basa fish fat. Along with emissions such as NOx, HC,
CO and CO2, smoke opacity will be studied experimentally in an EMEI Model 185N diesel engine,
designed capacity: 5.88 kW.
The applicability of the use of biodiesel from catfish oil and tra fish is checked. The research results
show that this biofuel corresponding to the 20% blend ratio has a maximum CO reduction of 50% at 1700
rpm, NOx decreases most at the maximum reduction rate surveyed. at 1000 rpm it is 10%, the smoke level
increases at low speed then gradually decreases the maximum decrease of 6% at 1900 rpm, HC decreases
28% at 1700 rpm, Average CO2 reduction for diesel Bio is 9.03% at all engine speeds. The average
reduction of B20, B40 and B60 fuel mixes is 3.8%, 8.2%, 15.1%. In terms of power and torque, which is 2
to 3% lower than that of diesel fuel, the difference is not much. Empirical research results show that it is
entirely possible to apply biofuel from fish fat used for internal combustion engines without changing
engine structure. During operation, the engine is stable as well as the emissions are different from the
traditional fuel in the direction of reduction.
Keywords: Biodiesel;pangasius oil; diesel engine; diesel fuel; emission.
các chỉ tiêu công tác của động cơ diesel. Qua
quá trình thực nghiệm cho thấy rằng NOx có
xu hướng tăng khi sử dụng biodiesel B10 và
B20,công suất cực đại và mô men xoắn cực
đại cũng giảm chút ít. Nghiên cứu thực
nghiệm ảnh hưởng của góc phun sớm nhiên
liệu B15 đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường
của Mai Đức Nghĩa và cộng sự [18] cho thấy
rằng động cơ diesel sử dụng nhiên liệu B15,
khi điều chỉnh góc phun sớm ở 180- 190 với áp
suất phun 230kg/ cm2 so với góc phun tối ưu
của nhiên liệu (180, 210kg/cm2), phát thải bồ
hóng, NOx giảm mạnh so với nhiên liệu
diesel thuần túy. Dầu cá có thể được lấy từ các
bộ phận của cá như nội tạng, mắt, vây, đầu,
đuôi, gan và má. Hơn nữa, da cá và các mô bị
loại bỏ cũng đóng góp vào việc sản xuất dầu
cá. Do đó, dầu cá thô chiết xuất từ những bộ
phận bỏ đi này có thể cung cấp nguồn nhiên
liệu phong phú, giá rẻ và ổn định, đảm bảo an
ninh năng lượng quốc gia.
1. GIỚI THIỆU
Nhu cầu về năng lượng cho các ngành
sản xuất, giao thông vận tải, nông nghiệp, …
ngày càng tăng cao. Trong khi đó, nguồn
nhiên liệu hóa thạch truyền thống phục vụ cho
các mục đích như trên ngày càng cạn kiệt dần.
Dự báo cho thấy rằng tiêu thụ năng lượng trên
thế giới sẽ tăng từ 549 tỷ (1 BTU≈252cal)
trong năm 2012 đến khoảng 629 tỷ BTU vào
năm 2020 và 815 tỷ BTU vào năm 2040, có
nghĩa là mức tiêu thụ năng lượng trong 28
năm sẽ tăng 48% [1]. Đa dạng hóa các nguồn
nhiên liệu đặc biệt nhiên liệu sinh học, nhiêu
liệu tái sinh vừa góp phần giảm áp lực khai
thác nhiên liệu hóa thạch đồng thời khí thải từ
các nhiên liệu thay thế này sẽ làm giảm sự
tác động vào môi trường. Dầu biodiesel được
xem là nguồn nhiên liệu thay thế và pha trộn
hiệu quả khi có các đặt điểm kỹ thuật giống
với nhiên liệu diesel và khí thải sạch hơn [ 2-
6]. Dầu cá có thể thực sự trở thành nguồn
thích hợp cho dầu diesel sinh học, với những
lợi ích về môi trường. Lin và Li [7] nghiên
cứu đặc tính hoạt động và đặc tính phát thải
của động cơ diesel dùng nhiên liệu sinh học từ
dầu cá. Kết quả thí nghiệm cho thấy dầu
diesel sinh học từ dầu cá tạo ra hiệu quả về
hiệu suất cao hơn, NOx và phát thải khói và
lượng khí thải CO thấp hơn so với diesel sinh
học từ dầu ăn. Raheman và Phadatare [8] cho
thấy rằng phạm vi giảm phát thải CO là
73-94% cho các Karanja Methyl Ester (B100)
và hỗn hợp của nó (B20, B40, B60 và B80) so
với động cơ diesel. Một nghiên cứu khác,
giảm phát thải HC bằng 45-67% trên trung
bình được thể hiện bởi Wu cùng cộng sự [9]
cho năm loại biodiesel khác nhau so với nhiên
liệu diesel thuần túy. Một số nghiên cứu khác,
báo cáo rằng việc sử dụng dầu diesel sinh học
thuần túy gây ra sự gia tăng lượng khí thải
NOx [10-13]. Một số báo cáo cho rằng diesel
sinh học dẫn đến lượng khí thải CO2 thấp hơn
so với động cơ diesel trong quá trình cháy
hoàn toàn xuất phát từ thấp tỷ lệ C / H của
biodiesel [12,16]. Trong điều kiện Việt Nam
hiện tại các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu
ứng dụng nhiên liệu biodiesel vào các lĩnh
vực giao thông vận tải biển và nông nghiệp.
Phan Đắc Yến cùng cộng sự [17] đã thực
nghiệm xác định ảnh hưởng của B10, B20 đến
2. THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM
2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Hình 1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
1) bình khí nén, 2) bộ điều chỉnh áp suất, 3) xy
lanh chính, 4) xy lanh phanh, 5) cảm biến tốc độ, 6)
tay đòn, 7) cảm biến đo lực động cơ, 8) máy tính, 9)
cảm biến áp suất, 10) độngc ơ, 11) bình nhiên liệu, 12)
cân, 13) lọc khói, 14) thiết bị đo độ mờ khói OP 160,
15) thiết bị phân tích khí xả KEG 500.
Các thử nghiệm động cơ đã được tiến
hành trên một băng tải cơ khí. Bằng đơn vị
điều khiển lực, tốc độ động cơ có thể được
nhìn thấy ở màn hình máy tính, tốc độ động
cơ đo bằng đơn vị vòng/ phút (rpm), công
suất động cơ là kí lô oát (kW) và mô-men
xoắn động cơ là N.m. Tải động cơ được đo
bằng cách sử dụng cảm biến lực. Cảm biến
tốc độ sử dụng để đo tốc độ của động cơ.
Mức tiêu thụ nhiên liệu được đo bằng cân
điện tử với độ sai số ± 0.1g , trọng lượng cân
tối đa 3000g và đồng hồ bấm giờ.
90-1000C, nghiền nhừ ra, lọc lấy mỡ lỏng,
rữa bằng dung dịch nước muối, lắng tách
nước và lấy mỡ sạch.
Tiến hành tổng hợp theo quy trình sau:
Giai đoạn 1 : xúc tác a xít
Nguyên liệu và ethanol được cho vào
bình phản ứng với tỉ lệ tương ứng là 1 : 0.2.
Tiến hành gia nhiệt lần 1 để hỗn hợp phản
ứng đạt 550C, giữ gia nhiệt trong 1 giờ. Bổ
sung xúc tác H2SO4 95% và khuấy trộn liên
tục với tốc độ 500 – 600 vòng/phút trong 2
giờ, nhiệt độ được duy trì ở 550C. Khuấy và
gia nhiệt diễn ra mục đích của giai đoạn này
là để thực hiện phản ứng este hóa các axit
béo tự do trong dầu cá basa. Phương trình
chuyển hóa:
Bảng 1. Thông số kỹ thuật động cơ.
Model
Loại động cơ
EMEI 185N
Tĩnh tại , bốn kỳ, ,
buồng đốt thống nhất,
làm mát bằng nước,
phun trực tiếp, 1 xy
lanh.
RCOOH + C2H5OH RCOOC2H5 + H2O (1)
Sau đó ngừng gia nhiệt để yên hỗn hợp
trong 8 giờ hoặc qua đêm. Hỗn hợp sau khi
để yên được trung hòa bằng lượng ethoxide
vừa đủ để loại bỏ H2SO 4 nhằm kết thúc giai
đoạn xúc tác axit, tạo diều kiện thực hiện giai
đoạn xúc tác bazơ:
Số xy lanh
Đường kính xy 85 mm
lanh
Hành trình
Công suất tối đa
Suất tiêu hao 281.5 g/kW
nhiên liệu
1
90 mm
5.88 kW
2KOH + H2SO 4 K2SO4 + H2O (2)
Trước khi bắt đầu thử nghiệm, áp suất
phun, cần ga hiệu chuẩn theo các giá trị danh
mục động cơ thử nghiệm. Hơn nữa, lọc nhiên
liệu bộ lọc nhớt, nhớt bôi trơn và bộ lọc
không khí đã được đổi mới. Các thí nghiệm
đã được thực hiện sau khi động cơ thử
nghiệm đã được hâm nóng đạt 850-900 C.
Động cơ thử nghiệm được phép chạy đủ thời
gian để tiêu thụ nhiên liệu còn lại từ thử
nghiệm trước đó trước khi bắt đầu thử
nghiệm mới. Các thí nghiệm đã được thực
hiện cho bốn loại nhiên liệu khác nhau, bắt
đầu với B0 và được duy trì với B20, B40,
B60. Các thử nghiệm về hiệu suất và phát
thải được thực hiện ở mức đầy tải và thay đổi
tốc độ động cơ mỗi bước là 100 vòng/phút
cho từng loại nhiên liệu.
Giai đoạn 2: xúc tác bazơ
Gia nhiệt hỗn hợp vừa trung hòa đến
nhiệt độ phản ứng thích hợp.
Cho lượng ethoxide còn lại vào khuấy
trộn với tốc độ 500 -600 vòng/phút khoảng 1
giờ 30 phút thì ngừng khuấy và ngừng gia
nhiệt. ở giai đoạn này xảy ra phản ứng
chuyển este hóa giữa triglyceride và ethanol
tạo thành ethylester. Quá trình khuấy sẽ giúp
các tác chất ethanol tạo thành ethylester. Quá
trình khuấy sẽ giúp các tác chất tiếp xúc tốt
với nhau làm tăng hiệu suất phản ứng. Để
yên trong vòng một giờ dung dịch tách thành
2 lớp rõ rệt. Lớp dưới đáy là glycerin và tạp
chất rắn được rút khỏi dung dịch, sau 20 phút
chiết rút một lần. Lớp trên là biodiesel thô.
Chuẩn bị ethoxide: hợp chất kiềm dùng
làm xúc tác được hòa tan với ethanol. Lượng
ethanol sử dụng cho mỗi thí nghiệm được
tính sao cho tổng thể tích ethanol dùng theo
đúng tỉ lệ đã lựa chọn.
2.2 Tổng hợp biodiesel
Chuẩn bị mẫu: mỡ cá basa được lấy từ
nguồn phế phẩm sau khi thực nghiệm, phòng
Chế biến thủy sản, khoa Công nghệ thực
phẩm, ĐH Nông Lâm TP.HCM. Phần mỡ cá
được lấy gồm bụng, lưng, mỡ trong nội tạng,
loại máu và các chất bẩn bằng nước sạch, cắt
lát mỏng từ 2 đến 3 mm. Sau đó, gia nhiệt từ
Rửa biodiesel: biodiesel tạo thành còn
lẫn xúc tác kiềm, đưa pH của dung dịch về
môi trường trung tính. Biodiesel được rửa
bằng phương pháp tạo bọt khí. Thêm một ít
axit H3PO4 10% vào nước trước khi rửa.
Thực hiện thổi bọt trong vòng 8 giờ, để yên
30 phút. Thu được sản phẩm biodiesel có pH
trung tính và màu sắc sáng đẹp hơn.
Khi độ nhớt của nhiên liệu cao làm
lượng nhiên liệu vào bơm dầu giảm và hiệu
suất thể tích của động cơ vẫn thấp hơn, do đó
mô-men xoắn giảm. Đối với B20, mô-men
xoắn thu được cao hơn các loại nhiên liệu
khác và gần bằng với B0. Các giá trị mô-men
xoắn động cơ cao nhất thu được cho nhiên
liệu diesel (B0) trong các loại nhiên liệu thử
nghiệm. Giá trị nhiệt lượng của B20 vẫn gần
với giá trị của B0 hơn có thể được đưa ra vì
lý do có thể làm tăng mô-men xoắn. Với các
thử nghiệm mô-men xoắn động cơ được nạp
đầy đủ được thực hiện ở tốc độ động cơ 1000
vòng/phút đến 2300 vòng/phút, mỗi bước là
100 vòng/phút. Như có thể thấy trong hình
4.1, giá trị mô-men xoắn thu được từ việc sử
dụng B0 và B20 cao hơn so với B40, B60.
Sự chênh lệch lớn nhất mô-men xoắn giữa
nhiên liệu B0 và B60 tại 1500 vòng / phút đã
đạt mức 24.8%. Các giá trị mô-men xoắn thu
được từ động cơ giảm trung bình tương ứng
khoảng 2,6%, 8,48%, 15,62% đối với B20,
B40, B60 so với mẫu B0.Ngoài ra, ở tốc độ
thấp của động cơ, do lực hút vào yếu làm cho
hỗn hợp không khí và nhiên liệu hòa trộn
không tốt dẫn đến sự đốt cháy không hoàn
toàn. Ở tốc độ động cơ cao hơn, lượng nhiên
liệu được cung cấp bởi bơm cao áp vẫn thấp
hơn vì biodiesel có độ nhớt cao. Do đó,
mô-men xoắn cho hỗn hợp diesel sinh học
B40 và B60 vẫn khá thấp cho cả hai điều
kiện khi so sánh với nhiên liệu B0 và B20.
Dung dịch tách
lớp
Xúc tác a xít
Giai đoạn rửa
Sản phẩm sau rửa
Biodiesel
Hình 2. Tổng hợp biodiesel từ mỡ cá basa
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Mô men xoắn có ích
Theo lý thuyết động cơ, trong động cơ
đốt trong, mô-men xoắn động cơ tăng đến
mức tối đa với tốc độ động cơ tăng dần . Sau
điểm tới hạn đó, mô-men xoắn giảm dần. Sự
thay đổi mô-men xoắn với việc sử dụng các
hỗn hợp B0, B20, B40, B60. Kết quả cho
thấy, mô-men xoắn đã giảm khi tăng tỷ lệ
pha trộn trong hỗn hợp. Điều này có thể do
độ nhớt cao hơn và giá trị nhiệt trị thấp hơn
của biodiesel.
3.2 Công suất có ích
Do giá trị nhiệt lượng thấp hơn và độ
nhớt của biodiesel cao hơn, quá trình đốt
cháy các hỗn hợp bao gồm B60 được hoàn
thành kém hiệu quả hơn so với quá trình
cháy nhiên liệu diesel. Quá trình cháy trễ của
hỗn hợp kéo dài và dẫn đến quá trình đốt
cháy không hoàn toàn do độ nhớt của hỗn
hợp cao hơn. Do giá trị nhiệt trị thấp của
biodiesel thấp hơn so với nhiên liệu diesel,
nên có sự giảm nhẹ mô-men xoắn và công
suất. Sự phụ thuộc của công suất tối đa vào
tỷ lệ phần trăm của biodisel, ở các mức tốc
động cơ khác nhau có thể được nhìn thấy
trong hình 4. Giá trị công suất tối đa của
nhiên liệu B60 ở 1800 vòng/phút là 3.58 kW
28
B0 B20 B40 B60
26
24
22
20
18
16
14
12
10
1000
1300
1600
1900
2200
n (vòng/phút)
Hình 3. Sự thay đổi mô-men xoắn khi
sử dụng các mẫu nhiên liệu.
400
390
380
370
360
350
340
330
320
310
300
thấp nhất cho mỗi mẫu nhiên liệu pha trộn
với tỷ lệ ít hơn. Các giá trị công suất thu
được từ động cơ giảm lần lượt khoảng 2,5%,
8.48%, 15.13% đối với B20, B40, B60. Mức
giảm công suất trung bình cho hỗn hợp
B0
B20
B40
B60
diesel sinh học là 8.70%.
5
B0 B20 B40 B60
4.5
4
3.5
3
1000
1300
1600
n (vòng/phút)
1900
2200
Hình 5. Suất tiêu hao nhiên liệu có
ích theo tỷ lệ pha biodiesel và diesel.
2.5
2
Đối với nhiên liệu B40 và B60, suất
tiêu hao nhiên liệu tối thiểu được tìm thấy ở
1900 vòng/phút. Các giá trị này là 330.62
g/kWh, 336.46 g/kWh . Đối với hoạt động
đầy tải, có thể phân biệt sự khác biệt đáng kể
giữa hỗn hợp diesel và biodiesel. Nó có thể
là kết hợp các yếu tố ảnh hưởng đến động cơ
là của độ nhớt cao hơn và giá trị nhiệt
lượng của biodiesel thấp hơn của hỗn hợp so
với động cơ diesel.
Đối với hoạt động của động cơ đầy tải, ở
tốc độ động cơ thấp hơn, suất tiêu hao nhiên
liệu có ích của B20 được quan sát thấp hơn
so với các loại nhiên liệu khác bao gồm cả
nhiên liệu diesel. Nó có thể là do lượng oxy
trong nhiên liệu, vì tính chất của nó, tăng tốc
độ các phản ứng và dẫn đến sự đốt cháy hoàn
toàn hơn ở tốc độ thấp.
1.5
1000
1300
1600
n (vòng/phút)
1900
2200
Hình 4. Sự thay đổi công suất theo tỷ
lệ pha biodiesel và diesel.
Chênh lệch công suất tối đa giữa nhiên
liệu diesel và hỗn hợp biodiesel được tăng
lên cùng với sự gia tăng lượng nhiên liệu
sinh học trong hỗn hợp.
3.3 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (ge)
Khi thí nghiệm động cơ trên băng thử,
xác định được mức tiêu hao nhiên liệu theo
thời gian (g/h) và công suất phát ra của động
cơ Ne (kW). Để đánh giá tính kinh tế nhiên
liệu của động cơ, ta dùng suất tiêu hao nhiên
liệu có ích ge.
3.4 Phát thải CO.
Việc so sánh mức tiêu thụ nhiên liệu cụ
thể đối với các hỗn hợp khác nhau của B20,
B40, B60 và nhiên liệu diesel được trình bày
trong hình 5. Suất tiêu hao nhiên liệu của
động cơ tăng khoảng 0.77%, 3,38%, 5,44%
cho lần lượt là B20, B40, B60. Các giá trị
của suất tiêu hao nhiên liệu cao nhất của
động cơ thử nghiệm thu được cho nhiên liệu
B100 ở tốc độ động cơ trung bình. Đối với
động cơ hoạt động ở chế độ toàn tải, lượng
tiêu thụ nhiên liệu có ích tối thiểu được quan
sát ở tốc độ 1700 vòng/phút đối với nhiên
liệu B0. Ở tốc độ này, lượng tiêu thụ nhiên
liệu có ích của B0 là 320.80 g/kWh, đối với
nhiên liệu B20 lượng tiêu thụ nhỏ nhất ở
1800 vòng/ phút với lượng là 320.56 g/kWh.
Sự biến đổi của phát thải CO trong quá
trình thực nghiệm động cơ khi sử dụng B20,
B40, B60 được so sánh với nhiên liệu B0
trong hình 6. Quá trình hòa trộn nhiên liệu
vào khí nạp bị ảnh hưởng bởi những khó
khăn trong quá trình là tươi sương nhiên liệu
để hòa trộn ở tốc độ thấp do độ nhớt cao hơn
của nó. Ngoài ra, hỗn hợp giàu nhiên liệu
cũng làm cho nhiều CO được tạo ra trong
quá trình đốt cháy [10,11]. Do đó ở chế độ
toàn tải hoặc tải nặng, động cơ cần nhiều
lượng oxy hơn hơn trong quá trình đốt cháy.
Hàm lượng oxy trong phân tử diesel sinh học
cao hơn, dẫn đến sự đốt cháy hoàn toàn và
sạch hơn như báo cáo của [4,11,12,14].
Diesel sinh học có hàm lượng oxy nhiều hơn
400
350
300
250
200
150
100
nhiên liệu diesel. Điều này dẫn đến sự đốt
cháy hoàn hảo hơn. Do đó, lượng khí thải
CO đã giảm khi sự dụng biodiesel.
0.16
0.14
B0
B20
B40
B60
0.12
0.1
B0
B20
B40
B60
0.08
0.06
0.04
0.02
0
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
n (vòng/phút)
Hình 7. Lượng phát thải NOx theo tỷ lệ pha
trộn biodiesel
1000 1200
1600 1800
1400 n(vòng/phút)2000
2200 2400
Lượng khí thải NOx cao nhất ở mức đầy
tải được ghi nhận bởi mẫu nhiên liệu B20 do
lượng oxy dư thừa được cung cấp với oxy
sinh ra từ nhiên liệu vừa thu được quá trình
đốt cháy nhanh và hoàn hảo hơn. Bên cạnh
đó, người ta đồng ý rằng oxy sinh ra từ nhiên
liệu có hiệu quả hơn oxy bên ngoài được
cung cấp với không khí trong quá trình sản
xuất NOx.
Hình 6. Phát thải CO theo tỷ lệ pha trộn
biodiesel.
Lượng khí thải CO giảm được duy trì
có thể là do oxy vốn có trong nhiên liệu sinh
học. Trung bình giảm khoảng 42,9%, 61,9%,
64,3 % tương ứng với B20, B40, B60 so với
nhiên liệu diesel. Trái ngược với oxy trong
không khí, oxy trong nhiên liệu đẩy nhanh
quá trình đốt cháy từ bên trong các kiểu phun
giàu nhiên liệu. Một quá trình đốt cháy hoàn
hảo hơn bởi hàm lượng oxy tăng trong màng
lửa đến từ các phân tử diesel sinh học là lý
do chính trong việc giảm lượng khí thải CO.
Như có thể thấy trong hình 6 các giá trị phát
thải CO đều giảm khi sử dụng nhiên liệu B40
và B60 do hàm lượng oxy cao hơn các nhiên
liệu khác.
3.6 Phát thải HC
Lý do chính của việc giảm phát thải
HC cho thấy oxy trong nguồn cung cấp
diesel sinh học là đủ cho quá trình oxy hóa
trong các phần hỗn hợp của nhiên liệu và
không khí. Tất cả các mẫu nhiên liệu tạo ra
mức phát thải HC cao ở tốc độ động cơ thấp
là do suất tiêu thụ nhiên liệu nhiều nhất trong
dãy tốc độ này lượng phát thải HC giảm dần
cho tất cả các mẫu nhiên liệu với tốc độ
động cơ tăng. Miễn là tốc độ tăng, chuyển
động dòng khí tăng lên, áp suất xi lanh, nhiệt
3.5 Phát thải NOx
độ cũng tăng.
Tthực nghiệm này các số liệu cho thấy
phát thải NOx đã giảm hoặc gần bằng với
diesel thuần túy. Sự biến đổi của phát thải
NOx ứng với tốc độ động cơ, ở mức đầy tải,
đối với các loại nhiên liệu khác nhau đã thử
nghiệm được trình bày trong hình 7. Kết quả
thực nghiệm cho thấy giảm khoảng 1.2%,
5,3%, 10,3% cho lần lượt là B20, B40, B60
so với B0. Những biến đổi và phát thải
NOx của các tỷ lệ hoàn trộn cho thấy xu
hướng tương tự với nhiên liệu diesel.
300
B0
B20
B40
B60
250
200
150
100
50
0
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
n (vòng/phút)
Hình 8. Lượng phát thải HC theo tỷ lệ pha
biodiesel và diesel.
Bởi vì những lý do như vậy nên tăng tốc
độ oxy hóa của HC lên tốc độ cao hơn, nên
có sự giảm đáng kể lượng phát thải HC
[4,14]. Những thay đổi về phát thải HC theo
đến tốc độ động cơ đối với nhiên liệu diesel
tiêu chuẩn, và các nhiêu liệu với tỷ lệ pha
biodiesel khác nhau được thể hiện trong hình
8. Trung bình phát thải HC giảm khoảng
21.7%, 31.2,9%, 35.8 % tương ứng với B20,
B40, B60 so với nhiên liệu B0. Lượng phát
thải HC từ B20, B40, B60 khá thấp hơn so
với dầu diesel. Lý do giảm HC cho diesel
sinh học, là vì diesel sinh học chứa thêm oxy
giúp cải thiện quá trình đốt cháy.
diesel nên trong quá trình cháy lượng phát
thải CO2 khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu thấp
hơn so với nhiên liệu diesel. Mức giảm trung
bình tương ứng các hỗn hợp nhiên liệu B20,
B40 và B60 là 3.8%, 8.2%, 15.1%.
3.8 Độ mờ khói
Sự thay đổi độ mờ khói đối với các
loại nhiên liệu khác nhau được trình bày
trong hình 10. Nó đã được báo cáo bởi
[4,11] rằng nhiên liệu có giai đoạn cháy trễ
lâu hơn thể hiện lượng phát thải hạt thấp hơn
và NOx cao hơn ở mức tải cao .
90
85
B0
B20
B40
B60
80
75
70
65
60
55
50
45
3.7 Phát thải CO2
CO2 tồn tại giữa các sản phẩm khí thải là
một thông số quan trọng để thể hiện quá
trình đốt cháy hoàn toàn. Khi tốc độ động cơ
tăng, trong hình 9, độ xoáy lốc của không khí
nạp vào xy lanh tăng lên kết hợp với oxy
trong dầu diesel sinh học đóng góp đáng kể
vào các phản ứng của nhiên liệu trong xi lanh
động cơ triệt để hơn nên lượng phát thải CO2
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
n (vòng/phút)
Hình 10. Độ mờ khói theo tỷ lệ pha trộn
sẽ tăng còn lượng CO giảm.
biodiesel
3.5
B0
B20 B40 B60
Từ hình 10, có thể nhận thấy rằng
lượng phát thải khói cao hơn đối với B40 và
B60 khi so sánh với các nhiên liệu B0 và
B20. Từ hình 10 cũng cho thấy rằng với tỷ lệ
pha 20% nhiêu liệu sinh học vào diesel thì
lượng phát thải khói gần bằng với nhiên liệu
diesel thông thường. Trung bình tăng khoảng
1.6%, 6,7%, 15,5 % tương ứng với B20, B40,
B60 so với nhiên liệu diesel.
3.1
2.7
2.3
1.9
1.5
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
4. KẾT LUẬN
n (vòng/phút)
Kết quả cho thấy với sự gia tăng của tỷ
lệ pha trộn trong hỗn hợp, mô-men xoắn,
công suất đã giảm, suất tiêu hao nhiên liệu
tăng, các khí thải NOx, CO, CO2, HC, đều
giãm. Có thể do trong biodiesel có phần trăm
oxy cao. Trường hợp độ mờ khói lại có sự
gia tăng. Đối với B20, mô-men xoắn công
suất, suất tiêu hao nhiên liệu gần tương
đương với nhiên liệu diesel nhưng khí thải
sạch hơn.
Hình 9. Lượng phát thải CO2 theo tỷ lệ pha
trộn biodiesel
Lượng khí thải CO2 của động cơ
diesel chạy bằng hỗn hợp biodiesel và nhiên
liệu B0 được thể hiện trong hình 9. Lượng
khí thải CO2 do hỗn hợp diesel sinh học thấp
hơn so với diesel. Mức giảm CO2 trung bình
cho dầu diesel sinh học là 9,03% ở mọi tốc
độ động cơ. Ở tốc độ động cơ thấp, lượng khí
thải CO2 thấp nhất được quan sát thấy đối
với B60, ở tốc độ cao hơn, lượng khí thải
CO2 thấp nhất được tìm thấy cho B60. Phần
trăm khối lượng cacbon trong nhiên liệu
Đề nghị các nghiên cứu tiếp theo nghiên
cứu giảm độ nhớt, quy mô sản xuất biodiesel
lớn hơn, hiệu quả và sạch hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] International Energy Outlook 2013 With Projections to 2040, July 2013.
[2] Veltman MK, Karra PK, Kong SC. Effects of Biodiesel Blends on Emissions in Low
Temperature Diesel Combustion. Fuel Processing Technology 133 (2015) 152–160
[3] D. Kannan, S. Pachamuthu, M.N. Nabi, J.E. Hustad, T. Løvås, Theoretical and
experimental investigation of diesel engine performance, combustion and emissions analysis
fuelled with the blends of ethanol, diesel and jatropha methyl ester, Energy Convers. Manage.
53 (2012) 322-331.
[4] G. Sakthivel, G. Nagarajan, M. Ilangkumaran, Aditya Bajirao Gaikwad, Comparative
analysis of performance, emission and combustion parameters of diesel engine fuelled with
ethyl ester of fish oil and its diesel blends, Fuel 132 (2014) 116–124.
[5] R.P.Rodríguez, Y.S.Borroto, E.A.M.Espinosa, S. Verhelst, Assessment of diesel engine
performance when fueled with biodiesel from algae and microalgae: An overview, Renewable
and Sustainable Energy Reviews 69 (2017) 833–842.
[6] H. Wei, C.Yao , W.Pan, G. Han, Z. Dou, T. Wu, M. Liu, B. Wang, J. Gao, C.Chen, J.Shi,
Experimental investigations of the effects of pilot injection on combustion and gaseous
emission characteristics of diesel/methanol dual fuel engine, Fuel 188 (2017) 427–441.
[7] Lin CY, Li RJ. Fuel properties of biodiesel produced from the crude fish oil from the
soapstock of marine fish. Fuel Process Technol 2009;90:130–6.
[8] H. Raheman, A.G. Phadatare, Diesel engine emissions and performance from blends of
karanja methyl ester and diesel, Biomass Bioenerg. 27 (2004) 393-397.
[9] F. Wu, J. Wang, W. Chen, S. Shuai, A study on emission performance of a diesel engine
fueled with five typical methyl ester biodiesels, Atmos. Environ. 43 (2009) 1481 - 1485.
[10] P.K. Sahoo, L.M. Das, M.K.G. Babu, P. Arora, V.P. Singh, N.R. Kumar, T.S. Varyani,
Comparative evaluation of performance and emission characteristics of jatropha, karanja and
polanga based biodiesel as fuel in a tractor engine, Fuel 88 (2009) 1698-1707.
[11] H.Aydin , H. Bayindir, Performance and emission analysis of cottonseed oil methyl ester
in a diesel engine, Renewable Energy 35 (2010) 588–592.
[12] Z. Utlu, M.S. Koç ak, The effect of biodiesel fuel obtained from waste frying oil on
direct injection diesel engine performance and exhaust emissions, Renew. Energ. 33 (2008)
1936-1941.
[13] M. Gürü, A. Koca, O. Can, C. Ç € ınar, F. S ¸ ahin, Biodiesel production from waste
chicken fat based sources and evaluation with Mg based additive in a diesel engine, Renew.
Energ. 35 (2010) 637- 643.
[14] Behcet R. Performance and emission study of waste anchovy fish biodiesel in a diesel
engine. Fuel Process Technol 2011;92:1187–94.
[15] A. Gharehghani, R. Hosseini, M. Mirsalim, T. Yusaf, A computational study of operating
range extension in a natural gas SI engine with the use of hydrogen, Int. J. Hydrog. Energ. 40
(17) (2015) 5966-5975.
[16] Swaminathan C, Sarangan J. Performance and exhaust emission characteristics of a CI
engine fuelled with biodiesel (fish oil) with DEE as additive. Biomass Bioenergy
2012;39:168–74.
[17] Phan Đắc Yến, Nguyễn Trung Kiên, Nguyễn Hoàng Vũ, Xác định ảnh hưởng của nhiên
liệu diesel sinh học B10, B20 đến các chỉ tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ
diesel B2 trên bệ thử AVL- ETC, Tạp chí Khoa học công nghệ, 30/06/2014.
[18] Mai Đức Nghĩa, Nguyễn Ngọc Cảnh, Lê Xuân Chí, Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng
của góc phun sớm nhiên liệu b15 đến chỉ tiêu kinh tế và môi trường của động cơ diesel, Tạp
chí Khoa hoc-Công nghệ Thủy sản, số 2/2016.
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Nguyễn Văn Tuấn Anh
Đơn vị: ĐH Nông Lâm TP.HCM
Điện thoại: 0977734904
Email: [email protected]
9 trang
09/01/2024
20240
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiên liệu Biodiesel từ mỡ cá tra đến hiệu suất và khí thải động cơ diesel", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_su_anh_huong_cua_nhien_lieu_biodiesel_tu_mo_ca_tr.pdf
