LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
đề tài nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, tháng 03 năm 2014
Nghiên cứu sinh

Lê Danh Quang

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau
đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện
luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học và
Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Minh Tuấn và PGS.TS Lê Anh Tuấn đã
hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và
hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ tôi và tạo điều kiện một cách
thuận lợi nhất để hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Dầu khí Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi
được tham gia thực hiện đề tài nghiên cứu qua đó hoàn thành luận án này.
Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thành Đô, Ban chủ nhiệm khoa
Công nghệ kỹ thuật ô tô cùng các thầy cô trong khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong
suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận
án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp ý kiến để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định

1.1.2.4. Tính chất hóa học ......................................................................... 12
1.1.2.5. Các đặc điểm khác của biodiesel ................................................. 13
1.1.3. Xăng sinh học ..................................................................................... 14
1.1.3.1. Khái niệm và nguồn nguyên liệu để sản xuất ............................... 14
1.1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới và Việt Nam 14
1.1.3.3. Tính chất vật lý ............................................................................. 15
1.1.3.4. Tính chất hóa học ......................................................................... 16
1.1.3.5. Các đặc điểm khác của ethanol .................................................... 17
1.2. Phụ gia cho nhiên liệu động cơ đốt trong .................................................. 17
1.2.1. Phụ gia cho nhiên liệu hóa thạch ........................................................ 17
1.2.1.1. Phụ gia cho nhiên liệu xăng ........................................................... 18
1.2.1.2. Phụ gia cho nhiên liệu diesel ......................................................... 18
1.2.1.3. Phụ gia nano ................................................................................. 19
1.2.1.4. Một số phụ gia điển hình ................................................................ 20
1.2.2. Phụ gia cho nhiên liệu sinh học ........................................................... 22
1.2.2.1. Đặc điểm của phụ gia cho nhiên liệu sinh học .............................. 22
1.2.2.2. Một số phụ gia sinh học điển hình ................................................ 23
1.3. Các công trình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về phụ gia cho
nhiên liệu sinh học ............................................................................................ 25
1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới về phụ gia cho nhiên liệu sinh học ......... 25
1.3.2 Các nghiên cứu trong nước ................................................................. 29
..................................................................................... 30
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHỤ GIA CHO HỖN HỢP ETHANOL
SINH HỌC VỚI NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH ................................................................ 32
2.1. Nhiên liệu khoáng pha trộn với nhiên liệu sinh học.................................... 32
2.1.1. Ethanol nhiên liệu biến tính ................................................................. 32
2.1.2. Chỉ tiêu chất lượng xăng và diesel thông dụng ................................... 33
2.1.2.1.Các đặc tính và chỉ tiêu chất lượng của xăng thông dụng ............. 34
2.1.2.2. Chỉ tiêu chất lượng của diesel thông dụng .................................. 35
2.1.3. Xăng pha ethanol ................................................................................ 36

3.2. Lựa chọn thành phần phụ gia cho nhiên liệu E10 và D5 bằng phương
pháp quy hoạch thực nghiệm ........................................................................... 72
3.2.1.Tối ưu hóa thành phần phụ gia cho nhiên liệu E10 .............................. 72
3.2.2.Tối ưu hóa thành phần phụ gia cho nhiên liệu D5 ................................ 78
3.3. Đánh giá tính chất và chất lượng của nhiên liệu E10 và D5 khi có phụ gia.
.......................................................................................................................... 82
3.3.1. Đánh giá tính chất và chất lượng nhiên liệu E10 khi có phụ gia ......... 82
3.3.2. Đánh giá tính chất và chất lượng diesel D5 khi có phụ gia ................. 87
3.4. Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu E10 và D5 không và có phụ gia ....... 95
3.4.1. Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu E10 không và có phụ gia ........... 95
3.4.2. Nhận xét về việc khảo sát nhiên liệu D5 không và có phụ gia ............ 95
..................................................................................... 96
CHƢƠNG 4. THỬ NGHIỆM PHỤ GIA VỚI NHIÊN LIỆU D5 VÀ E10 TRÊN
ĐỘNG CƠ .......................................................................................................................... 97
............................................................ 97
4.1.1. Động cơ D243 trên băng thử động lực cao ......................................... 97
4.1.2. Động cơ Dayhan 97 trên băng thử T101D ........................................ 97
4.1.3. Động cơ ô tô Ford Laser BPD-N 1.8 L trên băng thử động lực cao
ETB ............................................................................................................... 98
4.1.4. Xe máy Honda Wave 110 ................................................................... 98
4.1.5. Mục tiêu thử nghiệm ......................................................................... 99
...................................................... 99
............................ 99
............................................. 100
......................................................................... 100
iv


ô tô Ford Laser BPD-N 1.8L
....................................................................................... 100

1. Một số bảng kết quả đánh giá tính chất và chất lượng của nhiên liệu E10
và D5 khi có phụ gia ....................................................................................... 130
2. Kết quả thử nghiệm các mẫu nhiên liệu D5 trên động cơ diesel D243 ....... 132
3. Kết quả thử nghiệm trên động cơ Dayhan 97 ............................................. 134
4. Kết quả thử nghiệm trên động cơ ô tô Ford laser BPD-N 1.8L ................... 135
5. Kết quả thử nghiệm trên xe Wave 110 ....................................................... 136
PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................................................... 138
1. Một số thiết bị phân tích tính chất lý hóa của nhiên liệu ................................... 138
2. Trang thiết bị và quá trình nghiên cứu thực nghiệm NLSH với phụ gia ........ 139

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt
ASTM
B10
B15
B20
BHT
CEB
CmHn và HC
D5
DCI
DTBP
E10
E15
E20

Combustion Emission Bench/ Tủ phân tích khí xả
Hyđôcácbon
Nhiªn liÖu pha 95% diesel vµ 5% ethanol
Darex corrosion inhibitor (chất ức chế ăn mòn Darex)
Di-tertiary butyl peroxide
Nhiªn liÖu pha 90% x¨ng vµ 10% ethanol
Nhiªn liÖu pha 85% x¨ng vµ 15% ethanol
Nhiªn liÖu pha 80% x¨ng vµ 20% ethanol
Nhiªn liÖu pha 95% x¨ng vµ 5% ethanol
Nhiªn liÖu pha 15% x¨ng vµ 85% ethanol
2-Ethylhexyl nitrate
High Dynamic Engine Testbed/ Băng thử động lực cao
Ethyl Tertiary Buthyl Ether
Free fatty acids (thµnh phÇn axit bÐo tù do)
Nhiên liệu khí hydrô
Chất hoạt động bề mặt
High-frequency receiprocating rig (khả năng bôi trơn)
Methylcyclopentadenyl manganese tricarbonyl
Motor Octane Number - chỉ số Octan động cơ
Methyl Tertiary Buthyl Ether
Nhiên liệu biến tính
Nhiên liệu sinh học
Các loại ôxítnitơ
Phụ gia
Chất thải dạng hạt
Part per million (mét phÇn triÖu)
Quy hoạch thực nghiệm
Research Octane Number - chỉ số Octan nghiên cứu
Tertiary-butylalcohol
HÖ thèng tiªu chuÈn ®o l-êng ViÖt Nam

Bảng 2.23. Sự phân tách pha của nhiên liệu D5 theo hàm lượng nước .............................. 46
Bảng 2.24. Ăn mòn mảnh đồng trong nhiên liệu diesel-ethanol ......................................... 47
Bảng 2.25. Tính chất và chất lượng nhiên liệu diesel pha 5% ethanol (D5)....................... 47
Bảng 3.1. Giá trị 2 trong kế hoạch thực nghiệm tâm trực giao........................................ 71
Bảng 3.2. Giá trị cánh tay đòn trong kế hoạch thực nghiệm tâm trực giao ..................... 71
Bảng 3.3. Điều kiện thí nghiệm được chọn......................................................................... 75
Bảng 3.4a. Ma trận quy hoạch thực nghiệm tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu E10 ................ 75
Bảng 3.4b. Ma trận quy hoạch thực nghiệm tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu E10 ................ 77
Bảng 3.5: Điều kiện thí nghiệm được chọn ........................................................................ 79
Bảng 3.6. Ma trận quy hoạch thực nghiệm tổ hợp phụ gia cho nhiên liệu diesel D5 ......... 81
Bảng 3.7. Ăn mòn mảnh đồng của nhiên liệu E10 có phụ gia ............................................ 83
Bảng 3.8. Thành phần và hàm lượng của nước biển nhân tạo ............................................ 85
Bảng 3.9. Thành phần cất phân đoạn của nhiên liệu D5 có phụ gia ................................... 87
Bảng 3.10. Trị số xetan của nhiên liệu D5 có và không có phụ gia .................................... 88
Bảng 3.11. Nhiệt độ chớp cháy cốc kín của nhiên liệu diesel và D5 có phụ gia ................ 88
Bảng 3.12. Độ bôi trơn và độ nhớt động học của nhiên liệu D5 có phụ gia ....................... 89
Bảng 3.13. Sự phân tách pha của diesel-ethanol khi có phụ gia theo thời gian ở nhiệt độ
thường .................................................................................................................................. 90
Bảng 3.14. Độ ổn định oxy hóa của nhiên liệu D5 khi có phụ gia ..................................... 91
Bảng 3.15. Ăn mòn tấm đồng trong nhiên liệu D5 khi có phụ gia ..................................... 91
Bảng 3.16. Tốc độ ăn mòn các kim loại nhôm, đồng và thép trong các môi trường nước
chiết từ nhiên liệu thử nghiệm diesel, nhiên liệu D5 có và không có phụ gia ..................... 94
Bảng 3.17. Ăn mòn mảnh đồng trong diesel-ethanol ......................................................... 94
vii


Bảng 3.18. Tính chất và chất lượng nhiên liệu D5 khi có 1,0% phụ gia VPI-D ................. 95
Bảng 4.1. Thông số cơ bản của động cơ D243 ................................................................... 97
Bảng 4.2. Thông số cơ bản của động cơ Dayhan 97 ........................................................... 97
Bảng 4.3. Thông số động cơ xe Ford LaserBPD-N 1.8L ................................................... 98

Hình 2.4. Độ bền phân tách pha của diesel D5 phụ thuộc vào hàm lượng nước ................ 47
Hình 2.5. Khi xảy ra sự phân tách pha trong nhiên liệu xăng-ethanol ............................... 50
Hình 2.6. Công thức hóa học của chất phụ gia có nguồn gốc dầu mỡ béo động thực vật .. 51
Hình 2.7. Chất phụ gia có độ nhớt cao................................................................................ 55
Hình 2.8. Công thức hóa học của một loại phụ gia đa chức năng ..................................... 56
Hình 2.9 Quy trình phát triển phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu
khoáng ................................................................................................................................. 58
Hình 3.2. Mô hình đối tượng công nghệ MIMO (nhiều vào, nhiều ra) .............................. 69
Hình 3.3. Tọa độ các điểm thí nghiệm của phương án thực nghiệm cấp 2 ........................ 70
Hình 3.4. Ảnh hưởng của phụ gia đến độ bền phân pha của nhiên liệu E10 ...................... 83
Hình 3.5. Ảnh hưởng của phụ gia đến độ ổn định ôxy hóa của nhiên liệu E10 ................. 83
Hình 3.6. Ảnh soi kim tương mẫu kim loại đồng, nhôm và thép chịu tác động bởi nhiên
liệu E10 không có và có phụ gia VPI-G .............................................................................. 85
Hình 3.7. Ăn mòn tấm đồng trong nhiên liệu E10 có (a) và không có (b) phụ gia VPI-G
sau 7 ngày ở 50oC ................................................................................................................ 85
Hình 3.8. Tác động của phụ gia đến tính chống ăn mòn kim loại trong nhiên liệu E10 .... 87
Hình 3.9. Độ bôi trơn của nhiên liệu D5 phụ thuộc vào phụ gia ........................................ 89
Hình 3.10. Độ nhớt động học của nhiên liệu D5 phụ thuộc vào phụ gia ............................ 89
Hình 3.11. Độ bền phân tách pha của nhiên liệu D5 phụ thuộc vào phụ gia ...................... 90
Hình 3.12. Ảnh soi kim tương mẫu kim loại đồng, nhôm và thép chịu tác động bởi nhiên
liệu D5 không và có phụ gia VPI-D .................................................................................... 92
Hình 3.13. Thép bị ăn mòn trong các mẫu nhiên liệu D5 ................................................... 93
Hình 4.1. Động cơ D243 trên băng thử ETB ...................................................................... 97
Hình 4.2. Động cơ Dayhan 97 trên băng thử .................................................................... 97
Hình 4.3. Đo đặc tính trên băng thử xe máy CD20”........................................................... 98
Hình 4.4. Sơ đồ băng thử động lực học cao ETB ............................................................. 101
Hình 4.6. Sơ đồ Sơ đồ băng thử Chassis Dynamometer 20’’ ........................................... 103
......... 104
Hình 4.8. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của động cơ D243 khi sử
dụng nhiên liệu D5 pha phụ gia VPI-D ............................................................................. 104

chạy ổn định với ba mẫu nhiên liệu E10 không và có phụ gia ......................................... 118
giờ chạy ổn định với E10 không và có các phụ gia ........................................................... 119
Hình 4.31. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của xe Wave 110cc sau 100
giờ chạy ổn định với E10 pha phụ gia VPI-G với trường hợp không pha phụ gia............ 119
Hình 4.32. Tỷ lệ cải thiện các thông số tính năng và phát thải của xe Wave 110 sau 100
giờ chạy ổn định với E10 pha phụ gia VPI-G với trường hợp pha phụ gia Keropur ........ 119

x


MỞ ĐẦU
Ngày nay thế giới đang phải đối mặt với một thực tế là nguồn nhiên liệu hóa thạch
dầu mỏ đang có xu hướng ngày càng cạn dần. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường do
khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải cũng đang trở nên đáng báo động.
Một hướng đang được tập trung nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu
khí thải độc hại từ động cơ là sử dụng nhiên liệu sinh học phối trộn cùng nhiên liệu hóa
thạch, trong đó ethanol sinh học đang được quan tâm vì nguồn cung khá dồi dào và có khả
năng pha trộn cho cả xăng và diesel. Tuy nhiên do ethanol pha vào nhiên liệu khoáng thì
tính chất và chất lượng của nhiên liệu nhận được sẽ bị thay đổi so với ban đầu. Sự thay đổi
nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol so với nhiên liệu khoáng.
Để thuận tiện trong cách gọi, hỗn hợp giữa nhiên liệu sinh học và nhiên liệu khoáng
với các tỷ lệ pha khác nhau đều gọi chung là nhiên liệu sinh học (NLSH). Tuy nhiên, để
phân biệt thì cần chỉ rõ tỷ lệ nhiên liệu sinh học/nhiên liệu khoáng và viết theo ký hiệu
riêng. Ví dụ: nhiên liệu sinh học E5, E10, D5, D10, B10, B20... còn gọi xăng sinh học E5
(hỗn hợp gồm 5% ethanol và 95% xăng khoáng), diesel sinh học D5 còn gọi là diesohol
D5 (hỗn hợp gồm 5% ethanol và 95% diesel khoáng), diesel sinh học B10 (hỗn hợp gồm
10% bio diesel và 90% diesel)...
Khi pha ethanol vào nhiên liệu khoáng thì sẽ có ảnh hưởng nhất định đến tính bền
vững của hỗn hợp, tính đồng pha, tính ăn mòn kim loại... cho nên cần thiết phải có chất
phụ gia phù hợp do vậy phụ gia trong hỗn hợp nhiên liệu có tác dụng cải thiện và bổ sung

cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc.
Đặc biệt, trong thời gian chưa thực hiện áp dụng tỉ lệ phối trộn theo Lộ trình khuyến
khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế, kinh doanh xăng E5, E10, diesel B5 và B10.
Nhiên liệu E5 được khẳng định về các tính năng kinh tế, kỹ thuật và đã được đưa vào
sử dụng. Để đáp ứng được lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu khoáng của
chính phủ thì việc nghiên cứu đưa nhiên liệu E10 vào sử dụng là rất cấp thiết. Với tỷ lệ pha
này cần thiết phải có nghiên cứu cẩn thận để đảm bảo về an toàn cháy nổ, các tính năng kỹ
thuật của nhiên liệu cũng như khi sử dụng cho động cơ thì việc nghiên cứu phát triển phụ
gia cho loại nhiên liệu này cũng trở nên cấp thiết và có vai trò rất quan trọng.
Song song với nghiên cứu pha ethanol vào xăng và đã thành công cho nhiên liệu E5
và tiến tới E10, ở nước ta cũng dần từng bước phát triển cho nhiên liệu diesel pha ethanol
vì những lý do đã trình bày ở trên và do nước ta chưa sản xuất biodiesel ở quy mô công
nghiệp mà mới ở mức thử nghiệm, nhỏ lẻ và giá thành cao nên thời điểm này chưa áp dụng
phối trộn biodiesel với diesel khoáng, bước đầu nghiên cứu ứng dụng cho nhiên liệu
diesohol D5 (tỷ lệ pha 5% ethanol và 95% diesel). Do đó việc nghiên cứu phát triển phụ
gia cho loại nhiên liệu này cũng trở nên cấp thiết và có vai trò rất quan trọng.
,d
d

góp phần cải thiện

…
Trên thế giới đã có nhiều nước đưa diesohol vào sử dụng như
d

diesel

lcohol còn
ị


bugi. Ngoài ra kết quả đối chứng trước và sau chạy bền đối với phụ gia Keropur loại đang
dùng cho nhiên liệu E10 của nước ngoài (sản phẩm của tập đoàn đa quốc gia BASF-The
Chemical Company) cho thấy các thông số tính năng và phát thải của động cơ được cải
thiện hơn.
i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đánh giá ảnh hưởng của chất phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ như công suất, tiêu hao nhiên liệu, mức phát thải, mài
mòn… Đây là những tổ hợp phụ gia mới được nghiên cứu phát triển.
Đề tài cũng nhằm đưa ra được quy trình về phát triển, phụ gia cho nhiên liệu sinh học
phối trộn với nhiên liệu khoáng.
Đề tài đưa ra giải pháp phát triển tổ hợp phụ gia đa tính năng cho NLSH trên cơ sở
xác định chất phụ gia, tỷ lệ các thành phần phụ gia tính năng đơn lẻ (bằng phương pháp
tính toán tối ưu hóa, bằng khảo nghiệm hóa lý trong phòng thí nghiệm).. Áp dụng giải pháp
để cắt giảm lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải cho động cơ đốt trong
mà trước hết tập trung vào nghiên cứu phụ gia cho nhiên liệu E10 và D5 để đáp ứng đúng
và kịp thời lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu truyền thống của chính
phủ đã phê duyệt ở trên.
Việc nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở đặc điểm của nhiên liệu sinh học, điều
kiện thời tiết và bảo quản của Việt Nam. Sau khi đã lựa chọn được thành phần, xây dựng
được đơn pha chế, khảo nghiệm và đánh giá chất lượng các phụ gia cho nhiên liệu E10 và
D5 về mặt lý-hóa trong phòng thí nghiêm đảm bảo các tiêu chuẩn TCVN và ASTM, phụ
gia sẽ được thực nghiệm trên động cơ và phương tiện để đánh giá các đặc tính kinh tế-kỹ
thuật, từ đó có những đề xuất, kiến nghị để đưa vào ứng dụng trong thực tiễn có hiệu quả.
Động cơ D243, động cơ Dayhan 97, động cơ xe ô tô Ford laser 1.8 và xe Wave
Honda là các loại động cơ sử dụng phổ biến ở Việt Nam được lựa chọn làm đối tượng
nghiên cứu. Các nội dung nghiên cứu của được thực hiện tại Viện dầu khí Việt Nam, Viện
hóa học công nghiệp Việt Nam và PTN Động cơ đốt trong, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội.
Đề tài tập hợp những nghiên cứu về tổng quan nhiên liệu sinh học và phụ gia, lý
thuyết về ảnh hưởng của phụ gia trong nhiên liệu; lựa chọn nhiên liệu sinh học khảo sát;
lựa chọn phụ gia cho nhiên liệu sinh học đã chọn; lựa chọn động cơ thử nghiệm và qui

trình tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu khoáng của chính phủ đề ra.
Ngoài ra, việc phát triển phụ gia trong nước sẽ mang lại hiệu quả kinh tế do các thành
phần được lựa chọn rẻ tiền, dễ kiếm do vậy sẽ rẻ hơn tổ hợp phụ gia nhập ngoại, không
những thế, phụ gia sẽ phù hợp hơn với nguồn ethanol và thời tiết của Việt Nam. Luận án
này còn làm cơ sở nghiên cứu cho các nhà khoa học, các học viên và những người quan
tâm đến lĩnh vực nhiên liệu sinh học và phụ gia.
Như vậy đề tài đưa ra một giải pháp toàn diện và khả thi trong việc phát triển và áp
dụng phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5 trong tương lai gần.
Nội dung của Luận án gồm:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và phụ gia cho nhiên liệu động cơ đốt trong
Chương 2. Cơ sở lý thuyết về phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu hóa
thạch.
Chương 3. Phát triển phụ gia cho nhiên liệu sinh học E10 và D5
Chương 4. Thử nghiệm phụ gia cho nhiên liệu D5 và E10 trên động cơ
Kết luận và kiến nghị
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc rằng Luận án sẽ không tránh khỏi những
thiếu sót. Do vậy NCS mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô, các nhà chuyên
môn cùng quý đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, tháng 03 năm 2014
NCS Lê Danh Quang

4


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC VÀ
PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Nhiên liệu sinh học và vai trò
Do nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong thời gian tới, ngoài ra khí thải của

- Ngoài ra, còn tạo công ăn việc làm, phát triển kinh tế xã hội ở những nơi chậm phát
triển như nông thôn, rừng… đồng thời tận dụng tài nguyên (phế phẩm thừa của nông
nghiệp, công nghiệp thực phẩm…) làm nhiên liệu.
Nhận thức rõ vai trò của NLSH, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển
nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết định 177/2007/QĐTTg năm 2007 [23].
1.1.1. Các dạng nhiên liệu sinh học
1.1.1.1. Cồn
Methanol: Đây là loại cồn đơn giản nhất chứa 1 nguyên tử C trong mỗi phân tử
(CH3OH). Là chất lỏng nhạt, không màu với mùi gây chóng mặt, độc có thể hấp thụ qua
5


da. Phần lớn methanol được làm từ than đá và khí tự nhiên, cũng có thể làm từ nguồn tái
sinh như gỗ hoặc giấy thải. Để làm nhiên liệu động cơ có thể dùng M100 (methanol
nguyên chất), thực tế chỉ dùng M85 (hỗn hợp 85% methanol và 15% xăng) có chỉ số octan
102. Do M85 là chất lỏng, nó có thể được tích trữ và phân phối trong hệ thống phân phối
chất lỏng như xăng. Để dùng M85, xe phải được thay đổi cho phù hợp như tỷ số nén cao
hơn, hệ thống nạp thiết kế lại để lấy đủ khí... Do vậy, các xe được trang bị một cảm biến
đặc biệt nhận biết tỷ lệ cồn và xăng rồi đưa ra tín hiệu đến ECU để điều chỉnh tỷ lệ phối
hợp nhiên liệu cũng như quyết định thời điểm đánh lửa. Xe chạy methanol yêu cầu dầu bôi
trơn riêng chịu được tác hại của methanol, dầu này đắt hơn dầu thường vì nó được sản xuất
với số lượng hạn chế.
Ethanol: Có công thức hóa học C2H5OH, dễ cháy, không màu, được sản xuất từ nguồn
nguyên liệu sinh học như khoai tây, ngũ cốc, củ cải đường, mía đường, gỗ, chất thải nhà máy
bia, nhiều sản phẩm nông nghiệp khác, thực phẩm hỏng trong quá trình lên men, cũng có thể
sản xuất từ khí tự nhiên và dầu thô. Ethanol hầu như không độc, hòa tan được trong nước, có
thể bị phân hủy và dễ cháy hơn xăng. Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, nhưng
thường được trộn với xăng để thỏa mãn nhu cầu nhiên liệu sạch. Xăng E5 và E10 đã được
khuyến khích và bắt buộc sử dụng tại hơn 30 nước trên thế giới do đem lại những lợi ích to lớn
trong việc đảm bảo an ninh năng lượng, phát triển kinh tế và cải thiện chất lượng môi trường.

6


ý khi sử dụng. Có thể sử dụng metyl este nguyên chất hoặc pha với dầu diesel thông
thường. Do metyl este có tính chất bôi trơn đặc biệt nên thường được dùng như chất phụ
gia nhờn cho nhiên liệu diesel có hàm lượng sunphua thấp. Mặt hạn chế khi sử dụng metyl
este tinh khiết làm nhiên liệu là nhiệt độ hóa hơi thấp và tính ổn định sinh học kém.
1.1.1.4. Hợp chất chứa oxy
Hợp chất hữu cơ chứa oxy với một lượng nhỏ có thể được thêm vào nhiên liệu để đẩy
mạnh việc đốt cháy hỗn hợp vì chúng chứa oxy. Hợp chất chứa oxy khác nhau đáng kể về
lý tính so với các hydrocacbon, vì vậy mức độ của chúng trong nhiên liệu bị giới hạn.
Động cơ chạy bằng nhiên liệu chứa oxy phát thải các chất độc hại ít hơn, đặc biệt là CO.
Hầu hết, các hợp chất chứa oxy pha vào xăng là cồn methanol, ethanol, tertiary butyl
alcohol (TBA) và các chất khác như methyl tertiary butyl ether (MTBE), ethyl tertiary
butyl ether (ETBE) và tertiary amyl methyl ether (TAME) do vậy hợp chất hữu cơ chứa
oxy có chỉ số octane cao. Chúng chứa từ 1 đến 6 nguyên tử cacbon trong mỗi phân tử. Nhờ
thể hiện tính chống kích nổ tốt, chúng thay thế tốt cho các chất có gốc thơm. Cồn đã được
sử dụng trong xăng từ những năm 30 và MTBE được sử dụng lần đầu tiên trong các sản
phẩm xăng thương mại ở Ý vào năm 1973 [4].
1.1.1.5. Dimetyl ether
Dimetyl ether (DME) là hợp chất có công thức hóa học đơn giản nhất và được sử
dụng một cách rộng rãi như là chất đẩy dùng trong các bình xịt. DME là chất khí ở nhiệt độ
môi trường và áp suất khí quyển, nhưng có thể hóa lỏng với điều kiện áp suất thấp (0,5
MPa tại 250C). Nó có thể được sản xuất từ gas tự nhiên hoặc từ sinh vật. DME không độc,
không ăn mòn và không có chất gây ung thư, trong trường hợp bị rò rỉ nó phân hủy rất
nhanh trong khí quyển. Về mặt sinh thái, DME cũng được coi là một loại nhiên liệu tốt cho
động cơ, bởi nó rất dễ cháy và phát thải ít. DME có chỉ số octane khoảng 60. Tính bôi trơn
của DME thấp vì độ nhớt của nó rất thấp (khoảng 1/30 so với nhiên liệu diesel). Vì vậy, để
tránh mài mòn vòi phun cần được cho thêm chất bôi trơn. Trước đây, DME nguyên chất là
nhiên liệu tốt cho động cơ diesel, bởi vì động cơ sử dụng nhiên liệu đó có đặc điểm cháy

từ dầu thực vật (đậu nành, dừa, cọ, hạt caosu...) hoặc mỡ động vật (ví dụ mỡ cá basa, cá tra,
mỡ bò, mỡ lợn, mỡ gà...), được sử dụng rất thông dụng trên thị trường Châu Âu, Châu Mỹ
và hiện nay bắt đầu xuất hiện ở Châu Á. Biodiesel là các ankyl este của axit béo. Cũng giống
như diesel, biodiesel có thể sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ đốt trong. Việt Nam,
một nước nông nghiệp có nguồn dầu thực vật phong phú thì việc sử dụng chúng trong sản
xuất nhiên liệu, phụ gia cho nhiên liệu sẽ có giá trị khoa học và thực tiễn cao.
Trước đây, kể từ khi động cơ diesel được phát minh ra thì nhiên liệu mà người ta sử
dụng đầu tiên chính là dầu thực vật. Nhưng nguyên liệu dầu thực vật đã không được lựa chọn
làm nhiên liệu cho động cơ diesel vì giá của dầu thực vật đắt hơn giá của diesel khoáng. Gần
đây, với sự tăng giá của nhiên liệu khoáng và sự hạn chế số lượng của nó, nên nhiên liệu dầu
thực vật ngày càng được quan tâm và có khả năng thay thế cho nhiên liệu dầu khoáng trong
tương lai gần, vì những lợi ích về môi trường và khả năng tái sinh của dầu thực vật.
Dầu thực vật sử dụng cho quá trình tổng hợp biodiesel phải có chỉ số axit thấp hơn
0,5 mg KOH/g dầu. Đối với dầu đã tinh chế thì có thể sử dụng ngay để tiến hành phản
ứng. Nhưng đối với dầu thực vật thô hay dầu thải có chỉ số axit cao và nhiều tạp chất hữu
cơ khác thì phải tiến hành tinh chế để loại bớt thành phần axit béo và các tạp chất bằng
cách trung hòa bằng kiềm.
Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiên liệu thay thế để cạnh tranh với dầu mỏ đã
được bắt đầu từ những năm 1980. Do những thuận lợi của các loại dầu thực vật so với
nhiên liệu diesel là chúng có thể nuôi trồng, sẵn có, có khả năng tái sinh được, nhiệt trị
tương đối cao, hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn, hàm lượng chất thơm ít hơn, tuy nhiên khả
năng dễ bị vi khuẩn phân hủy, độ nhớt cao hơn, khả năng bay hơi thấp hơn. Vấn đề chính
liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật là độ nhớt quá cao, do vậy cần
phải có quá trình chế biến, tổng hợp. Có thể tham khảo nguồn để sản xuất biodiesel trên
thế giới như hình 1.1 [4].

Hình 1.1. Cơ cấu sản xuất biodiesel từ các loại dầu khác nhau
Dưới đây là một số dầu thực vật điển hình để tổng hợp biodiesel.
Dầu đậu nành: Dầu đậu nành được sản xuất từ cây đậu tương, cây đậu tương
được trồng phổ biến nhiều nước trên thế giới, đặc biệt ở vùng đồng bằng nước ta. Dầu đậu

là cao nhất [4].
Hàm lượng axit béo của dầu hạt cao su cao hơn các loại dầu khác do trong hạt cao su có
enzym lipaza tác dụng thủy phân glyxerit tạo axit béo. Dầu sau khi được xử lý nhiệt thì chỉ số
axit ổn định do không còn enzym lipaza nữa.
Dầu sở: Cây sở là một loại cây lâu năm được trồng nhiều ở vùng nhiệt đới. ở nước
ta, sở được trồng nhiều ở các tỉnh trung du phía Bắc. Thành phần axit béo của dầu sở bao
gồm axit oleic (>60%), axit linolinic (15% 24%) và axit panmitic (15% 26%). Dầu
sở sau khi tách saponin dùng làm dầu thực phẩm rất tốt. Ngoài ra, dầu sở còn được dùng
rộng rãi trong công nghiệp xà phòng, mỹ phẩm. Dầu sở cũng có thể làm nguyên liệu để
sản xuất biodiesel.
Dầu bông: Bông là loại cây trồng một năm. Trong dầu bông có sắc tố carotenoit và
đặc biệt là gosipol và các dẫn xuất của nó làm cho dầu bông có màu đặc biệt: màu đen
hoặc màu sẫm. Gosipol là một độc tố mạnh. Hiện nay dùng phương pháp tinh chế bằng
kiềm hoặc axit antranilic có thể tách được gossipol chuyển thành dầu thực phẩm. Do trong
dầu bông có chứa nhiều axit béo no panmitic nên ở nhiệt độ thường nó đã ở thể rắn. Bằng
cách làm lạnh dầu người ta có thể tách được panmitic dùng để sản xuất margarin và xà
phòng. Dầu bông cũng là nguyên liệu rất tốt để sản xuất biodiesel.
Dầu hướng dương: Hướng dương là loại cây hoa một năm và hiện nay được trồng
nhiều ở xứ lạnh như Châu Âu, Châu Mỹ, Châu Á, và đặc biệt là Liên Xô cũ (chiếm 90% sản
lượng của thế giới). Đây là loại cây có hàm lượng dầu cao và sản lượng lớn. Dầu hướng
9


dương có mùi vị đặc trưng và có màu từ vàng sáng tới đỏ. Dầu hướng dương chứa nhiều
protein nên là sản phẩm rất quý nuôi dưỡng con người. Ngoài ra, dầu hướng dương cũng là
nguyên liệu rất tốt để sản xuất biodiesel.
Dầu thầu dầu: Dầu thầu dầu hay còn gọi là dầu ve, được lấy từ hạt quả của cây thầu
dầu. Cây thầu dầu được trồng nhiều ở vùng có khí hậu nhiệt đới. Những nước sản xuất
thầu dầu là Brazin (36%), Ấn Độ (6%), Trung Quốc, Liên Xô cũ, Thái Lan. Cây thầu dầu
ở nước ta ở chủ yếu ở Thanh Hóa, Nghệ Tĩnh. Tuy nhiên, hiện nay dầu thầu dầu ở Việt

máy chế biến thực phẩm, chúng có đặc điểm là đã qua gia nhiệt nhiều lần, có màu sẫm. Kết
quả phân tích loại này cho thấy ngoài lượng dầu mỡ còn có nhiều các chất khác kể cả các
chất rắn, nguyên liệu này được xử lý trước tiên là lọc sau đó tách nước v.v…
Như vậy, nguồn nguyên liệu để sản xuất bio-diesel rất đa dạng và phong phú, dễ tái
sinh, có thể phát triển, thay thế để cắt giảm lượng sử dụng nhiên liệu diesel khoáng.
1.1.2.2. Tình hình sản xuất và sử dụng bio-diesel trên thế giới và Việt Nam
Bio-diesel là một dạng nhiên liệu sinh học được quan tâm nhiều hơn cả do xu hướng
diesel hóa động cơ trên toàn cầu. Hàng chục nước trên thế giới đã và đang nghiên cứu sản
10


xuất bio-diesel, nhiều hơn cả là các nước có nguồn dầu mỡ động thực vật dồi dào và cơ sở
sản xuất hiện đại như Mỹ, Pháp, Đức, Thái Lan...
Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu bio-diesel và nhiên liệu bio-diesel pha
trộn với nhiên liệu khoáng trên thế giới
Tại Mỹ, lượng bio-diesel được tiêu thụ đạt trên 2 tỷ gallon mỗi năm [4]. Mỹ đề ra
đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học.
Tại Áo, phải sử dụng nhiên liệu diesel khoáng pha 5% nhiên liệu sinh học [22].
Tại Đức, bắt buộc phải sử dụng nhiên liệu diesel-B5 và đến cuối năm 2010 có
khoảng 10% nhiên liệu sử dụng có nguồn gốc tái tạo [4].
Tại Pháp, đã có hàng vạn phương tiện tham gia giao thông sử dụng nhiên liệu diesel-B30
[4].
Tại Thái Lan, đã có chương trình sử dụng nhiên liệu diesel-B5 vào năm 2011 và
diesel-B10 vào năm 2012. Chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Thái
Lan đang phát triển với tốc độ nhanh [4].
Tại Indonesia, phần lớn xe buýt và xe tải chạy bằng nhiên liệu diesel sinh học và đến
cuối năm 2010 nhiên liệu sinh học đáp ứng khoảng 10% cho ngành điện và giao thông [9].
Ngoài những nước như đã nói trên, còn nhiều nước khác đã nghiên cứu đưa ra
chương trình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học vào nước của họ. Qua đó cho thấy,
nhiên liệu sinh học được sản xuất và tiêu thụ trên thế giới ngày một gia tăng.

Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 500 triệu lít dầu diesel
sinh học B10/năm [22].
1.1.2.3. Tính chất vật lý
Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc: Vì các dầu khác nhau có thành phần
hóa học khác nhau cho nên chúng cũng có nhiệt độ đông đặc và nóng chảy khác nhau. Các
giá trị này không ổn định và thường trong một khoảng giá trị nào đó.
Tính tan của dầu thực vật: Dầu không phân cực, do vậy chúng tan rất tốt trong
dung môi không phân cực, chúng tan rất ít trong rượu và không tan trong nước. Độ tan của
dầu trong dung môi phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
Màu của dầu: Màu của dầu phụ thuộc vào thành phần hợp chất có trong dầu. Dầu
tinh khiết không màu, dầu có mầu vàng là do các carotenoit và các dẫn xuất, dầu có mầu
xanh là của clorophin...
Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của dầu thực vật thường nhẹ hơn nước, ở điều
kiện thường (20 o C), = 0,907÷0,971 g/cm 3 , dầu có càng nhiều thành phần hydrocacbon
no thì tỷ trọng càng cao.
1.1.2.4. Tính chất hóa học
Thành phần hóa học của dầu thực vật chủ yếu là este của axit béo với glyxerin. Do
vậy, chúng có đầy đủ tính chất của một este thể hiện qua các phản ứng sau đây.
Phản ứng xà phòng hóa: Trong những điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, xúc tác
thích hợp) dầu có thể bị thủy phân:
C3H5(OCOR)3 + 3H2O → 3RCOOH + C3H5(OH)3
Phản ứng qua các giai đoạn trung gian tạo thành các diglyxerin và monoglyxerin.
Trong quá trình thủy phân, axit béo sẽ phản ứng với kiềm tạo thành xà phòng:
RCOOH + NaOH → RCOONa + C3H5(OH)
Đây là phản ứng cơ bản trong quá trình sản xuất xà phòng và glyxerin từ dầu thực
vật.
Phản ứng cộng hợp: Trong điều kiện thích hợp, các axit béo không no sẽ cộng hợp
với các chất khác.
Phản ứng hidro hóa: Là phản ứng được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ, áp suất thấp
và sự có mặt của xúc tác Ni.

liệu chất lượng cao với khả năng tự bắt cháy cao mà không cần phụ gia tăng trị số xetan.
Hàm lượng lưu huỳnh thấp: Trong biodiesel hàm lượng lưu huỳnh rất thấp, khoảng
0,001%. Đặc tính này của biodiesel rất tốt cho quá trình sử dụng làm nhiên liệu, vì nó làm
giảm đáng kể khí thải SOx gây ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường.
Quá trình cháy sạch : Do nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy nên quá trình
cháy nhiên liệu xảy ra hoàn toàn. Vì vậy với những động cơ sử dụng nhiên liệu biodiesel
thì sư tạo muội, đóng cặn trong động cơ giảm đáng kể.
Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn: Biodiesel có khả năng bôi trơn bên
trong rất tốt, các cuộc kiểm tra đã chỉ ra rằng, biodiesel có khả năng bôi trơn tốt hơn diesel
khoáng. Khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trưng bởi giá trị HFRR (highfrequency receiprocating rig), nói chung giá trị HFRR đạt 500 khi không có phụ gia,
nhưng giới hạn đặc trưng của diesel là 450. Vì vậy diesel khoáng yêu cầu phải có phụ gia
để tăng cường khả năng bôi trơn. Ngược lại giá trị HFRR của biodiesel khoảng 500. Vì
vậy, biodiesel còn như là một phụ gia tốt đối với nhiên liệu diesel thông thường. Khi thêm
vào một tỷ lệ thích hợp biodiesel, sự mài mòn của động cơ được giảm mạnh. Thực nghiệm
đã chứng minh sau khoảng 15.000 giờ làm việc vẫn không nhận thấy mài mòn [2].
Tính ổn định của biodiesel: biodiesel có khả năng phân huỷ rất nhanh (phân huỷ
đến 98% trong 21 ngày) đây chính là ưu điểm lớn về mặt môi trường. Do biodiesel kém
ổn định nên cần có sự chú ý đặc biệt về quá trình bảo quản [4].
Giảm lượng khí thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư: Theo các nghiên cứu
của Bộ năng lượng Mỹ đã hoàn thành ở một trường đại học ở California, sử dụng biodiesel
tinh khiết thay cho diesel khoáng có thể giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải
của động cơ, do biodiesel chứa ít các hợp chất thơm, chứa rất ít lưu huỳnh, quá trình cháy
triệt để hơn nên giảm được nhiều thành phần hydrocacbon trong khí thải.
An toàn về cháy nổ tốt hơn: Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao, trên 110oC, cao
hơn nhiều so với diesel khoáng (khoảng 60oC), vì vậy tính chất nguy hiểm của nó thấp
hơn, an toàn hơn trong tồn chứa và vận chuyển.

13



các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải... đều thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất ethanol.
Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1 tấn ethanol. Nguyên nhân
khiến người ta chuyển sang sản xuất ethanol từ sinh khối xenlulo (gỗ, thân thảo) là vì các loại
này sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với
những nguồn chất thải hầu như không có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa, tuy nhiên
quá trình chuyển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn.
1.1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới và Việt Nam
Trên thế giới, các nước sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu khác nhau. Nước
sản xuất ethanol sinh học nhiều bậc nhất thế giới là Brazin. Brazin sản xuất mỗi năm 14 tỷ
lít cồn từ cây mía. Chương trình sản xuất này tạo việc làm cho 1 triệu người và tiết kiệm
được 60 tỷ USD tiền nhập xăng dầu trong 3 thập kỷ qua. Số tiền này lớn gấp 10 lần chi cho
chương trình trên và gấp 50 lần số tiền trợ cấp ban đầu. Từ năm 1985 sản lượng ethanol
nhiên liệu đạt bình quân 10 triệu tấn/năm. Năm 2005 có 70% số ôtô đã sử dụng nhiên liệu
sinh học. Hiện nay, toàn bộ xăng chạy ôtô của Brazin đều pha 20-25% ethanol sinh học.
Brazin có thể sản xuất lượng ethanol thay thế 10% nhu cầu xăng dầu của thế giới trong
14


vòng 20 năm tới với lượng xuất khẩu khoảng 200 tỷ lít, so với mức 30 tỷ lít hiện nay. Luật
pháp Brazin quy định tất cả các loại xe sử dụng xăng pha 22% ethanol và nước này đã có
20% số lượng xe chỉ sử dụng ethanol 100% [4]. Cho đến năm 2012 Brazin đã đưa vào hoạt
động trên 70 nhà máy chuyên sản xuất ethanol.
Trong khối EU, nhiên liệu sinh học là một ưu tiên trong chính sách môi trường và
giao thông. Theo ước tính của các nhà kinh tế sử dụng nhiên liệu sinh học, hàng năm có
thể tiết kiệm được 120 triệu thùng dầu thô vào thời điểm năm 2012. Từ đầu năm 2004 các
trạm xăng Aral và Shell ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà theo đó từ
31/12/2005 ít nhất 2% và từ 31/12/2010 ít nhất 5,75% nhiên liệu dùng cho giao thông vận
tải phải có nguồn gốc tái tạo. EU còn quy định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất
10% nhiên liệu sinh học từ nay đến 2020.
Mỹ đề ra đến 2020 sử dụng 20% nhiên liệu sinh học trong giao thông, Iowa là bang

có cùng số cacbon là do có sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với
nước. Một số tính chất vật lý của ethanol thể hiện trên bảng 1.1[4].
15