BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIODIESEL

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN NGỌC THU
Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ
Niên Khóa: 2008 – 2012

Tháng 06 năm 2012


KHẢO SÁT TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH
HỌC BIODIESEL

Tác giả

NGUYỄN NGỌC THU

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành
Công nghệ - Kỹ thuật Ô tô

Giáo viên hướng dẫn:

Thạc sĩ TRẦN MẠNH QUÍ



ii


TÓM TẮT
1.

Tên đề tài
“ KHẢO SÁT TÍNH NĂNG ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH

HỌC BIODIESEL”.
2.

Thời gian và địa điểm thực hiện
Thời gian thực hiện đề tài: từ 05/04/2012 đến 15/06/2012.
Đề tài được thực hiện tại xưởng Bộ Môn Công Nghệ Ô Tô – Khoa Cơ khí Công

Nghệ, Trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh.
3.

Mục đích đề tài
So sánh hiệu quả làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel dầu mỏ

(D.O) và nhiên liệu sinh học Bio Diesel (B5, B10, B20) chiết suất từ đậu nành và B5
chiết suất từ vi tảo.
4.

Nội dung
 Khảo nghiệm tính năng động cơ và máy phát điện KUBOTA khi sử dụng nhiên
liệu D.O.

Kết quả
 Xác định được mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu D.O
và nhiên liệu sinh học Biodiesel.
 Xác định công suất động ứng với số vòng quay tương ứng và xây dựng đường
đặc tính của động cơ.
 Xác định hiệu suất làm việc của động cơ.
 Xác định nồng độ khí thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu D.O và nhiên liệu sinh
học Biodiesel ứng với các chế độ khác nhau.

iv


MỤC LỤC
Trang
Trang tựa........................................................................................................................... i
Lời cảm tạ ........................................................................................................................ii
Tóm tắt ........................................................................................................................... iii
Mục lục ............................................................................................................................ v
Danh sách các hình ......................................................................................................... ix
Danh sách các bảng ........................................................................................................ xi
Danh sách các chữ viết tắt .............................................................................................. x
Chương 1 MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 1
1.2 Mục đích của đề tài ........................................................................................... 2
Chương 2 TỔNG QUAN ............................................................................................... 3
2.1 Nhiên liệu Diesel ............................................................................................. 3
2.2 Giới thiệu về dầu thực vật ................................................................................ 4
2.3 Biodiesel là gì .................................................................................................. 5
2.4 Biodiesel chế suất từ tảo ................................................................................. 11
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN .................................................. 21

5.2 Kiến nghị ........................................................................................................ 47

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ quá trình sản xuất Biodiesel .................................................................. 7
Hình 2.2: Các phản ứng hóa học điều chế Biodiesel....................................................... 8
Hình 2.3: Sản xuất tảo quy mô công nghiệp ................................................................ 13
Hình 2.4: Mô tả sự ly trích dầu trong tảo dưới kính phóng đại .................................... 14
Hình 2.5: Cấu tạo thiết bị chiết Soxhlet ....................................................................... 15
Hình 2.6: Công thức hóa học Triglycerides. ................................................................. 17
Hình 2.7: Cấu tạo một số acid béo trong dầu thực vật ................................................. 18
Hình 2.8: Phản ứng transester hóa của triglyceride với rượu ....................................... 20
Hình 3.1: Động cơ và máy phát điện KUBOTA – ASK – R150 .................................. 22
Hình 3.2: Bình đo mức tiêu hao nhiên liệu và thiết bị đo số vòng quay Timing light .. 23
Hình 3.3: Thiết bị đo nồng độ khí thải động cơ Diesel ................................................. 23
Hình 3.4: Đồng hồ VOM và Ampe kìm ....................................................................... 24
Hình 3.5: Bộ tạo tải dùng bóng đèn điện và dây điện trở ............................................. 24
Hình 3.6: Nhiên liệu Diesel, Biodiesel B10 (methanol), B10 (Ethanol) từ đậu nành ... 25
Hình 4.1: Kiểm tra vòi phun .......................................................................................... 27
Hình 4.2: Kiểm tra bơm cao áp ..................................................................................... 28
Hình 4.3: Hệ thống nhiên liệu ...................................................................................... 28
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý bố trí tải ............................................................................. 29
Hình 4.5: Bố trí thí nghiệm............................................................................................ 30
Hình 4.6: Nồng độ khí thải (HSU) khi sử dụng D.O 73.9% ......................................... 31
Hình 4.7: Nồng độ khí thải (HSU) khi sử dụng B5 chiết suất đậu nành
Methanol 55.8 % .................................................................................................. 32
Hình 4.8: Nồng độ khí thải (HSU) khi sử dụng B10 chiết suất đậu nành
Methanol 57.6 %. .................................................................................................. 33

Bảng 2.1: Tính chất vật lý của các hợp chất hydrocarbon trong nhiên liệu Diesel ......... 4
Bảng 2.2: Độ nhớt, tỷ trọng và điểm chớp cháy của methyl ester dầu thực vật.............. 6
Bảng 2.3: Tính chất lý hóa cơ bản của các Biodiesel ...................................................... 6
Bảng 2.4: Điểm nóng chảy của một số acid béo và glycerid ........................................ 18
Bảng 2.5: Thành phần acid béo của dầu tảo Chlorella (Trương Vĩnh, 2010). .............. 19
Bảng 4.1: Kết quả khảo nghiệm khi động cơ sử dụng D.O........................................... 30
Bảng 4.2: Kết quả khảo nghiệm khi động cơ sử dụng BIO_B5 gốc Methanol............. 32
Bảng 4.3: Kết quả khảo nghiệm khi động cơ sử dụng BIO_B10 gốc Methanol........... 33
Bảng 4.4: Kết quả khảo nghiệm khi động cơ sử dụng BIO_B10 gốc Methanol........... 34
Bảng 4.5: Kết quả khảo nghiệm khi động cơ sử dụng BIO_B5 gốc Ethanol .............. 35
Bảng 4.6: Kết quả khảo nghiệm khi động cơ sử dụng BIO_B10gốc Ethanol .............. 36
Bảng 4.7: Kết quả khảo nghiệm khi động cơ sử dụng BIO_B20gốc Ethanol.. ............ 37
Bảng 4.8: Kết quả khảo nghiệm khi động cơ sử dụng BIO_B5 chiết suất từ vi tảo ..... 38
Bảng 4.9: Giới hạn tối đa cho phép của các chất khí thải gây ô nhiễm. ....................... 44
Bảng 4.10: Nồng độ khí thải các loại nhiên liệu. .......................................................... 45

ix


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DTV: Dầu Thực Vật.
D.O: Diesel Dầu Mỏ.
BIO: Nhiên Liệu Sinh Học.
B5: Nhiên Liệu Sinh Học (95% Diesel và 5% dầu sinh học chiết suất từ đậu nành).
B10: Nhiên Liệu Sinh Học (90% Diesel và 10% dầu sinh học chiết suất từ đậu nành).
B20: Nhiên Liệu Sinh Học (80% Diesel và 20% dầu sinh học chiết suất từ đậu nành).
NLTH: Nhiên Liệu Tiêu Hao.
ĐCĐT: Động Cơ Đốt Trong.
ĐC: Động cơ.

học đã được tiến hành trên quy mô công nghiệp. New Zealand trở thành quốc gia đầu
tiên ứng dụng việc trồng tảo để sản xuất diesel sinh học trên quy mô công nghiệp.
-1-


Ngày 8-11- 2006, công ty De Beers Fuel Ltd đã xin được giấy phép và tiến hành xây
dưng 90 lò phản ứng để sản xuất biodiesel trên diện tích 40 468 ha ở Nam Phi, dự
kiến trong năm năm tới diện tích sẽ lên tới 323 749 ha, với kế hoạch sản xuất ra từ 16
đến 24 tỉ lít nhiên liệu sinh học một năm. Và sắp tới, công nghệ này sẽ có mặt ở Việt
nam. Mới đây (7/2007), Công ty E.VO Global Group (Úc) đã đến Vĩnh Phúc tìm hiểu
cơ hội và môi trường đầu tư, để tiến hành xây dựng nhà máy điện - dầu Diesel sinh
học từ tảo tại đây.
Như vậy, Diesel sinh học từ vi tảo thực sự là một hướng mới đầy triển vọng của
ngành năng lượng thế giới. Như một nhà khoa học đã nói, công nghệ này đáng để con
người vắt kiệt chất xám cho sự ứng dụng hiệu quả của nó.
1.2 Mục đích đề tài
So sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel (D.O) và
nhiên liệu sinh học Biodiesel B5, B10, B20 (nhiên liệu D.O pha 5%, 10% và 20% dầu
sinh học) chiết suất từ đậu nành và B5 chiết suất từ vi tảo.

-2-


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Nhiên liệu Diesel
Sự phát triển của động cơ đốt trong bắt đầu vào những năm cuối cả thế kỷ 18.
Năm 1892, Rudolf Diesel đã phát minh ra động cơ đốt trong có piston. Tuy nhiên,
động cơ ban đầu sử dụng nhiên liệu than vụn không thể hoạt động được.
Dầu thô được khám phá ra ở Pennsylvania 30 năm trước đó. Sản phẩm tinh lọc

Naphthalene
Tetralin
Cis - Decalin
1,3Diethylbenzene
n- Butylcyclohexane
n- Pentylcyclopentane
Decan
Anthracene
1-Pentylnaphthalene
n-Nonylcyclohexane
n-Decylcyclopentane
n-Pentadecane
2-Methyltetradecane
1-Decylnaphthalene
n-Tetradecylbenzene
n-Tetradecylcyclohexane
n-Pentadecylcyclopentane
Eicosane
2-Methylnonadecane

Công
thức
hóa học
C10H8
C10H12
C10H18
C10H14
C10H20
C10H20
C10H22

Naphthene
n-Paraffin
Isoparaffin

Điểm sôi,
o
C/ o F
218/424
208/406
196/385
181/358
181/358
181/358
174/345
341/646
306/583
282/540
279/534
271/520
265/509
379/714
354/669
354/669
353/667
344/651
339/642

Điểm đông
đặc, o C/ o F
80/176

tảo.
Có thể phân loại DTV theo nhu cầu làm thực phẩm cho con người: Dầu ăn được
và dầu không ăn được. DTV có thể thay thế cho Diesel, khi chọn DTV làm nhiên liệu
thì nên chọn loại dầu không cạnh tranh với thực phẩm con người.
DTV làm nhiên liệu cho động cơ có hai loại: Sản phẩm DTV điều chế trực tiếp
hạt, trái, cây lấy dầu và sản phẩm DTV đã qua Este hóa (Bio Diesel).
2.3 Biodiesel là gi ?
Biodiesel là chất lỏng màu vàng hổ phách, được định nghĩa là những mono
Ankyl Este hóa, là sản phẩm của quá trình Este hóa các axit hữu cơ có nhiều trong dầu
mỡ động thực vật. Biodiesel có thể thay thế Diesel truyền thống sử dụng trong động cơ
đốt trong (ĐCĐT).
Dưới tác dụng của chất xúc tác, DTV + Methanol hoặc Ethanol cho sản phẩm
Este + Glycerine + axit béo (Este hóa dầu thực vật bằng Ethanol khó hơn bằng
Methanol).
Thông thường Bio Diesel được sử dụng ở dạng nguyên chất hay dạng hỗn hợp
với dầu Diesel, tùy theo tỷ lệ pha chế mà ta có các loại B5 (5% Biodiesel và 95% dầu
Diesel), B10 (10% Biodiesel và 90% dầu Diesel), B20 (20% Biodiesel và 80% dầu
Diesel).
2.3.1 Đặc tính của Biodiesel
Tính chất vật lý của Biodiesel tương tự như Diesel nhưng tốt hơn Diesel về mặt
chất thải. Các loại Biodesel đều có tỷ lệ phần trăm oxy khá lớn đây là điều mà dầu
Diesel không có.
Bidiesel khắc phục được những nhược điểm của dầu thực vật như độ nhớt quá
lớn (cao gấp 14 – 16 lần Diesel), chỉ số Cetan thấp... Độ nhớt ảnh hưởng đến sự phun
nhiên liệu khi phun vào buồng đốt, độ nhớt của Biodiesel có thể đoán dựa trên thành
phần ester có trong hỗn hợp. Độ nhớt của ethyl ester cao hơn methyl ester, cấu hình

-5-



880
4.08
885
4.22
880

Điểm chớp cháy 0 K
437
401
441
403
428
453
447
443

Bảng 2.3. Tính chất lý hóa cơ bản của các Biodiesel.

Ester
Methyl
dầu cải
Oleate của
methyl kỹ
thuật
Methyl
dầu dừa
Dầu
Diesel

Khối


0.88

7.40

-14

0.886

5.30

-2

0.836

5.30

-2

Cặn

Chỉ số
Cetan

37.70 (9202)

1.2

43


động vật sau khi được lọc thủy phân trong môi trường kiềm để tách axit béo tự do. Sau
đó được trộn với cồn (thường là Methanol) và chất xúc tác Natri hay Kali Hydroxit để
triglyceride phản ứng tạo ra Este và Glycerin. Cuối cùng là giai đoạn tách và làm sạch.

-7-


Hình 2.2 Các phản ứng hóa học điều chế Biodiesel.
2.3.3 Ưu điểm của nhiên liệu dầu thực vật - Biodiesel
DTV – Biodiesel là nguồn nhiên liệu tái sinh giúp chúng ta chủ động được về
nhiên liệu không phụ thuộc vào tình hình biến động trên thế giới.
DTV – Biodiesel làm giảm đáng kể thành phần khí thải gây ô nhiểm môi trường
và cải thiện môi trường do O2 sinh ra từ các vụ mùa.
DTV – Biodiesel tốt cho sức khỏe con người và hoàn toàn không chứa lưu
huỳnh, chất tạo ra SO2, H2SO4 và muối Amonium.
Biodiesel có đặc tính gần giống Diesel, nó thỏa mãn được các yêu cầu của nhiên
liệu sử dụng trong động cơ đốt trong. DTV – Biodiesel có thể pha trộn với Diesel
thành nhiên liệu đồng nhất.
Điểm chớp lửa của DTV – Biodiesel cao hơn Diesel do đó DTV – Biodiesel an
toàn trong bảo quản và vận chuyển. Mặt khác sử dụng DTV – Biodiesel không mất chi
phí vận chuyển và thuế nhập khẩu, giảm được ngoại tệ nhập khẩu nhiên liệu, khuyến
khích đầu tư và phát triển nông thôn trong nước.
Các cây lấy dầu được trồng cho việc chế biến DTV – Biodiesel ở quy mô lớn,
chuyên canh giá thành có thể thấp hơn Diesel. Ngoài ra, việc sản xuất DTV –
Biodiesel trong nước sẽ tạo nhiều việc làm giải quyết các sản phẩm đầu ra cho bà con
nông dân.
Đồng bằng sông Cửu Long có đất đai màu mỡ, khí hậu thuận lợi thích hợp trồng
các loại cây lấy dầu có khả năng chiết suất dầu lớn.
-8-



-9-


2.3.6 Ích lợi việc sử dụng Biodiesel
2.3.6.1 Về môi trường
Biodiesel được sử dụng làm nhiên liệu trực tiếp động cơ Diesel cháy sạch hơn
75% so với diesel. Biodiesel có những tác động tích cực đến môi trường, giảm lượng
mưa axit, và hiệu ứng nhà kính khi đốt cháy chúng. Hàm lượng CO2 thải ra khi đốt
cháy nhiên liệu Biodiesel sẽ thấp hơn khi sử dụng Diesel. Sheehan đã nguyên cứu về
vấn đề này và thấy rằng: nếu sử dụng 100% methyl ester thì lượng khí CO2 thải ra sẽ
thấp hơn 78.4% so với khi dùng Diesel. Nếu sử dụng hỗn hợp 20% methyl ester và
80% Diesel thì lượng CO2 giảm 15.6%.
Lượng khí thải khi đốt cháy nhiên liệu Biodiesel không độc vì không chứa hợp
chất lưu huỳnh và hợp chất hương phương, do vậy sẽ không xảy ra hiện tượng ăn mòn
thiết bị do hợp chất lưu huỳnh tạo ra.
Biodiesel hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về môi trường, giảm lượng khí CO2 phát
sinh, hydrocacbon không cháy và những thành phần khác. Ngoài ra Biodiesel có khả
năng cháy tốt, giảm lượng mồ hóng, than bụi ...
2.3.6.2 Về kỹ thuật
Theo Grasboski momen xoắn của động cơ sử dụng D.O gần bằng với Biodiesel,
giá trị này giảm khi hàm lượng methyl ester tăng. Giá trị momen xoắn methyl ester
bằng 94% so với D.O. Nhiệt độ sôi của Biodiesel cao, tăng khả năng dầu bôi trơn so
với Diesel. Do đó làm thay đổi tính chất dầu Diesel, hỗn hợp này không bị hóa hơi khi
đun nóng và do đó sự đóng cặn ở các van sẽ xãy ra.
Biodiesel có chỉ số cetan cao hơn D.O, độ nhớt Biodiesel tương đương với D.O.
Biodiesel có tính an toàn hơn do nhiệt độ chớp cháy cao nên không tạo nên hỗn hợp nổ
với không khí và hơi nhiên liệu.
Nhiệt độ đông đặc methyl ester giảm đáng kể so với DTV và gần giá trị D.O.
Nếu hỗn hợp 25% - 30% methyl ester thì không cần gia nhiệt khi hoạt động ở ( -100C

có thể sống được ở những nơi mà không một loại cây trồng nào sống đươc.
Tảo hấp thụ một lượng lớn CO2, vì vậy người ta thường xây dựng các trang trại
tảo ở những nơi thải ra nguốn CO2 lớn, đặc biệt là các nhà máy điện, và các khu công
nghiệp. Bằng những hệ thống ống dẫn, người ta thu CO2 phát thải ra, đưa vào cung cấp
cho tảo.
- 11 -


Nhiều loài tảo sống trong môi trường nước lợ hoặc nước mặn nên vừa không
phải tiêu tốn lượng nước ngọt dùng để nuôi tảo (các cây trồng trên cạn phải tiêu tốn
lượng nước lớn trong việc tưới tiêu). Đặc biêt, nhiều loài tảo có thể sử dụng nước
ngầm nhiễm mặn để phát triển do chúng có khả năng sống trong môi trường nước
mặn.
Khác với việc đốt các nhiên liệu hóa thạch làm sinh ra một lượng lớn CO2 thì
việc đốt Diesel sinh học từ tảo chỉ có phụ phẩm duy nhất là nước và nhiệt. Hấp thụ
một lượng lớn CO2 là đặc tính rất quan trọng của vi tảo, do vậy việc dùng vi tảo có thể
giúp giảm hàm lượng lớn CO2 có mặt trong khí quyển hiện nay.
Theo báo cáo công bố ngày 30/11 của Quỹ Bảo vệ Thiên nhiên Thế giới (WWF),
năng lượng là lĩnh vực gây ô nhiễm môi trường lớn nhất hành tinh (sản sinh ra 37%
khí thải CO2 hiện nay), trong đó sản xuất điện bị đánh giá là gây ô nhiễm nặng nhất,
như vậy việc trồng tảo bên cạnh những nhà máy điện này đã trực tiếp làm giảm hàm
lượng lớn CO2 trong khí quyển. Các nhà khoa học đã chứng minh, việc sử dụng vi tảo
giúp giảm từ 70% đến 90% ô nhiễm môi trường.
Với những ưu điểm nổi trội trên, vi tảo có thể trở thành một nhiên liệu sinh học
giá rẻ (do năng suất cao), không gây ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng và không chiếm
diện tích đất trồng.
2.4.2 Sản xuất Biodiesel từ tảo quy mô công nghiệp
Đầu tiên người ta trồng riêng thành từng cụm loại tảo biển có tên khoa học là
Botryococcus brauni (một loại tảo đặc biệt chứa nhiều chất béo) trong những túi nhựa
mỏng và trong suốt trên sa mạc.

Trích ly bằng n-hexan

Tách chiết

Dịch tảo thu được từ quá trình nuôi tiến hành tách nước bằng phương pháp ly
tâm. Dịch tảo sau quá trình tách nước, sau đó ly tâm loại muối có dạng sệt được đem
sấy khô ở nhiệt độ 36 – 400C, hoặc đem đi trích ly ướt rồi tiến hành tách chiết.
Nghiền nhỏ tảo khô thu được (nếu đem sấy) thành bột mịn sau đó đem trích ly
với n-hexan ở nhiệt độ 850C.
Cô quay dịch trích ly ở nhiệt độ 800C thu được cao chiết dạng sệt có chứa dầu.
Tách biodiesel ra khỏi sản phẩm thu được.
- 13 -


2.4.3 Chiết tách dầu
2.4.3.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp trích ly
Quá trình trích ly được dựa trên tính hòa tan tốt của dầu trong dung môi hữu cơ
không phân cực (chẳng hạn xăng, n-hexan, dicloetan...). Độ hòa tan vào nhau của chất
lỏng phụ thuộc vào hằng số dung môi, hai chất lỏng có hằng số điện môi càng gần
nhau thì khả năng hòa tan vào nhau càng lớn. Dầu có hằng số điện môi từ 2 – 3, các
dung môi hữu cơ có hằng số điện môi khoảng 2 – 10, do đó có thể dùng các dung môi
hữu cơ để ly trích dầu chứa trong nguyên liệu.

Hình 2.4 Mô tả sự ly trích dầu trong tảo dưới kính phóng đại.
Chuyển dần phân bố bên trong cũng như mặt ngoài các cấu trúc vật thể rắn như
hạt, bột có dầu vào pha lỏng dung môi, là một quá trình truyển khối xãy ra trong lớp
chuyển động, do sự chênh lệch nồng độ dầu trong nguyên liệu và dòng chảy bên ngoài.
Vì vậy, bản chất của quá trình ly trích là một quá trình chiết ngâm hòa tan, làm chuyển
dầu từ trong nguyên liệu vào dung môi, thực hiện bằng khuếch tán nguyên tử và
khuếch tán đối lưu, sau đó tiếp tục thẩm thấu qua vách tế bào.