Đánh giá khả năng sử dụng nhiên liệu xăng sinh học E15 trên động cơ đốt trong

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(128).2018<br /> <br /> 61<br /> <br /> ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG SINH HỌC E15 TRÊN<br /> ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG<br /> ASSESSMENT OF THE POSSIBILITY OF E15 BIOFUELGASOLINE FUEL USE IN<br /> COMBUSTION ENGINES<br /> Bùi Văn Tấn1, Nguyễn Việt Hải2<br /> 1<br /> Trung tâm đăng kiểm xe cơ giới Đà Nẵng; vantan4301s@gmail.com<br /> 2<br /> Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nvhai@dut.udn.vn<br /> Tóm tắt - Trong những năm gần đây, con người đã phải đối mặt<br /> với ô nhiễm từ lượng khí thải động cơ đốt trong và đã trở thành<br /> một vấn đề môi trường nghiêm trọng trên thế giới. Xăng sinh học<br /> là một trong những nhiên liệu sinh học được tái tạo, thay thế và<br /> thân thiện với môi trường đầy hứa hẹn có thể được sử dụng trong<br /> động cơ đốt trong với rất ít hoặc không có thay đổi trong động cơ.<br /> Bài báo này, trình bày nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy đã<br /> được thực hiện trên động cơ Daewoo A16DMS chạy xăng sinh học<br /> với điều kiện trạng thái hoạt động ổn định. Trong nghiên cứu này,<br /> công suất động cơ và mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể được đo<br /> lường. Động cơ sử dụng xăng sinh học E15 với góc đánh lửa tối<br /> ưu 4,20 4,60 công suất động cơ tăng 4,53% đến 7,50% ở tốc độ<br /> trung bình 2500 vòng/phút ứng với mức tải là 50% và 90%. Công<br /> suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học E15 vẫn thấp hơn so với<br /> động cơ nguyên thủy theo thiết kế.<br /> <br /> Abstract - In recent years, humans have faced pollutant emissions<br /> from general vehicle engines which become a serious<br /> environmental problem in the world. Bio-fuel is one of the promising<br /> renewable, alternative and environmentally friendly biofuels that<br /> can be used in diesel engines with little or no modification in the<br /> engine. In the present study, an experimental investigation has<br /> been carried out into the combustion and performance<br /> characteristics of a Daewoo A16DMS engine running with bio-fuel<br /> under steady operation conditions. In this study, engine power and<br /> specific fuel consumption are measured. The E15 petrol engine<br /> with an optimum ignition angle of 4,20 4,60 ncreases the engine<br /> power by 4,53% to 7,50% at an average speed of 2500 rpm for<br /> 50% and 90% loads. The engine power of using bio-fule E15 is still<br /> lower than that of the original engine designed.<br /> <br /> Từ khóa - xăng sinh học; E15; Ethanol; xăng E15; nhiên liệu sinh<br /> học.<br /> <br /> Key words - Bio-fuel; E15; Ethanol; E15 gasoline; Biofuels.<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi<br /> trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ và ô<br /> tô. Cùng với việc hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt<br /> trong để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu<br /> và ô nhiễm môi trường thì các dự án, các chương trình<br /> nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và sử dụng<br /> hiệu quả nguồn năng lượng này. Trong các nguồn nhiên liệu<br /> thay thế thì nhiên liệu sinh học được quan tâm hàng đầu đặc<br /> biệt là ethanol và buthanol với sản lượng lớn, sản xuất với<br /> giá thành tương đối thấp và phân bố rộng khắp các quốc gia.<br /> Thời gian gần đây, rất nhiều đề tài nghiên cứu về loại nhiên<br /> liệu này, tuy nhiên chủ yếu tập trung sử dụng xăng thương<br /> mại RON95 có chỉ số octane cao để phối trộn với ethanol<br /> hay butanol mà ít đề cập đến việc sử dụng xăng RON92 và<br /> ảnh hưởng của chất lượng loại nhiên liệu sinh học này đến<br /> tính năng sử dụng trên các loại động cơ xăng đời mới.<br /> Xăng pha ethanol đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước<br /> trên thế giới với tỉ lệ pha chế khác nhau. Theo qui định của<br /> Chính phủ Việt Nam, xăng pha 5% thể tích ethanol (gọi là<br /> xăng E5) được sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ ngày<br /> 1/12/2015. Ethanol là hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng<br /> đẳng của cồn etylic, có số octane cao hơn so với xăng. Do đó<br /> Ethanol có thể được sử dụng để nâng cao trị số octane của<br /> nhiên liệu nhằm cải thiện hiệu quả của quá trình cháy trong<br /> động cơ đốt trong [1], [5]. Mustafa Koc [6], nghiên cứu ảnh<br /> hưởng của xăng pha ethanol E50, E85 đến tính năng động cơ,<br /> mức độ phát ô nhiễm ở tỷ số nén 10 và 11 và tốc độ động cơ<br /> biến thiên từ 1500 đến 5000 vòng/phút cho thấy, khi pha<br /> ethanol vào xăng momen động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng,<br /> nhưng mức độ phát thải ô nhiễm giảm. Nghiên cứu này cũng<br /> cho thấy, xăng pha ethanol cho phép tăng tỷ số nén động cơ<br /> <br /> mà không xảy ra kích nổ. Do nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol và<br /> nhiệt độ bốc cháy của ethanol cao hơn xăng nên thời gian cháy<br /> trễ của ethanol bị kéo dài. Vì vậy, để tăng hiệu quả động cơ sử<br /> dụng xăng pha ethanol chúng ta cần tăng góc đánh lửa sớm<br /> của động cơ theo hàm lượng ethanol [1], [5], [6]. Richie<br /> Daniel [3], nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc đánh<br /> lửa sớm đến tính năng động cơ sử dụng xăng pha ethanol, cho<br /> thấy ở tốc độ 1500 vòng/phút, góc đánh lửa sớm động cơ sử<br /> dụng xăng khoảng 7-8, trong khi đó góc đánh lửa sớm của<br /> ethanol khoảng 22. Phuangwongtrakul [4] thử nghiệm xăng<br /> pha cồn với thành phần khác nhau, cho thấy momen lớn nhất<br /> khi động cơ chạy ở 5000 vòng/phút đạt được với góc đánh lửa<br /> sớm là 30, 35 và 40 ứng với xăng E10, E30 và E85 [4].<br /> Mặc khác Thủ tướng Chính phủ Việt Nam cũng đã có<br /> Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007 về việc<br /> phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm<br /> 2015, tầm nhìn đến năm 2025”. Theo đó lộ trình áp dụng<br /> từ ngày 1/12/2014, xăng sinh học E5 (với mức hòa trộn là<br /> 5%) sẽ được sản xuất để sử dụng cho phương tiện cơ giới<br /> đường bộ tại 7 địa phương: Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải<br /> Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa - Vũng<br /> Tàu và sẽ chính thức sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ<br /> 1/12/2015. Xăng sinh học E10 (với mức hòa trộn là 10%)<br /> sẽ được sản xuất để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường<br /> bộ tiêu thụ trên toàn quốc từ ngày 01/12/2017.<br /> Thế giới vẫn còn tranh luận về mức độ ethanol trong<br /> xăng có thể ảnh hưởng đến các vật liệu trong xe và gây mòn<br /> quá nhiều các bộ phận trong hệ thống nhiên liệu động cơ.<br /> Tuy nhiên, tại Mỹ các nhà sản xuất xe hơi đã đồng ý rằng<br /> việc sử dụng xăng lên đến 10% ethanol sẽ không ảnh hưởng<br /> đến vận hành các loại xe của họ [1], [2], [7]. Bên cạnh đó<br /> xăng sinh học hàm lượng cao hơn 10%, hiện nay chưa có<br /> <br /> Bùi Văn Tấn, Nguyễn Việt Hải<br /> <br /> 62<br /> <br /> nhiều nghiên cứu xác thực cũng như lộ trình áp dụng. Với<br /> hơn 214 nghiên cứu về hòa trộn ethanol vào xăng ở nhiều<br /> khía cạnh khác nhau đã chỉ rằng, với hàm lượng ethanol hòa<br /> trộn biến động trong một mức hẹp từ 1416% thì thành phần<br /> ethanol lý thuyết (danh nghĩa) là 15% [1], [7].<br /> 2. Nghiên cứu thực nghiệm<br /> 2.1. Chất lượng E15 làm nhiên liệu động cơ<br /> Theo kết quả đánh giá, ảnh hưởng của hàm lượng<br /> ethanol đến đường cong chưng cất thì khi tăng hàm lượng<br /> cồn tuyệt đối từ 10% lên 20%, nhiệt độ sôi tại các điểm sôi<br /> T40 Và T50 sụt giảm mạnh đặt biệt là điểm sôi T 50 nhiệt độ<br /> giảm đi 300C so với T50 ứng với hàm lượng cồn 10% thể<br /> tích. Nguy cơ hình thành các nút hơi hệ thống nhiên liệu là<br /> rất lớn, đây chính là rào cản kỹ thuật, nâng cao hàm lượng<br /> ethanol trong xăng khó trở thành hiện thực nếu như không<br /> có sự cải tạo lớn nào về kết cấu động cơ.<br /> Do nhiều đặc tính của ethanol có thể gây ra ăn mòn kim<br /> loại hoặc làm hư hại các chi tiết cao su, nhựa có trong động<br /> cơ nên không thể dùng trực tiếp để thay cho xăng dầu được<br /> mà phải hoán cải một số chi tiết của động cơ. Đối với các<br /> loại động cơ ô tô, xe máy thông dụng chỉ được phép sử<br /> dụng xăng pha ethanol với hàm lượng ethanol tối đa là 10%<br /> thể tích (tiêu chuẩn ASTM D 4806, EN228:2008...). Với<br /> hàm lượng 15% hiện chưa có đánh giá tổng quan và số liệu<br /> đầy đủ về hao mòn này.<br /> Rõ ràng tồn chứa gasohol luôn có sự tách pha xảy ra<br /> khi hàm lượng nước trong xăng quá cao. Đối với nhiên liệu<br /> xăng thông thường (không chứa oxy) hiện tượng tách pha<br /> xảy ra khi xăng chỉ cần hấp thụ một lượng nhỏ nước; nhưng<br /> đối với nhiên liệu xăng pha ethanol có thể hấp thụ một<br /> lượng nước đáng kể mà không xảy hiện tượng tách pha.<br /> Tuỳ thuộc vào nhiệt độ lưu kho, lượng nước có thể được<br /> hấp thụ trong nhiên liệu gasohol nhỏ hơn 1% thể tích (tiêu<br /> <br /> chuẩn ASTM D 4806) mà không xảy ra hiện tượng tách<br /> pha trong bồn chứa. Xăng E15 đáp ứng được yêu cầu này.<br /> 2.2. Tính chất cơ bản của nhiên liệu xăng RON92 và<br /> xăng E15<br /> Việc phân tích thành phần các tính chất lý hóa của nhiên<br /> liệu dùng làm thực nghiệm được thực nghiệm tại phòng thử<br /> nghiệm xăng dầu thuộc Công ty Xăng dầu khu vực V.<br /> Bảng 1. Chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu RON92, E15<br /> sử dụng trong thực nghiệm<br /> TT<br /> <br /> Chỉ tiêu lý hóa<br /> <br /> ĐVT<br /> <br /> RON92<br /> <br /> E15<br /> <br /> Kg/l<br /> <br /> 0,755<br /> <br /> 0,7322<br /> <br /> 92<br /> <br /> 96,3<br /> <br /> Hàm lượng chì<br /> <br /> g/l<br /> <br /> 480<br /> <br /> 7<br /> <br /> Ăn mòn đồng 3h, 500C<br /> <br /> 1a<br /> <br /> 1a<br /> <br /> 8<br /> <br /> kPa<br /> <br /> 57,5<br /> <br /> 72,9<br /> <br /> 10<br /> <br /> Áp suất hơi bão hòa<br /> Thành phần cất<br /> - Nhiệt độ sôi đầu<br /> - Nhiệt độ sôi 10%<br /> - Nhiệt độ sôi 50%<br /> - Nhiệt độ sôi 90%<br /> - Nhiệt độ sôi 95%<br /> - Nhiệt độ sôi cuối<br /> - Cặn<br /> Hàm lượng Benzen<br /> <br /> % thể tích<br /> <br /> 38,6<br /> 58,7<br /> 112,6<br /> 160,5<br /> 185,5<br /> 1,0<br /> 1,38<br /> <br /> 34,4<br /> 49,0<br /> 67,9<br /> 145,2<br /> 158,6<br /> 171,8<br /> 0,9<br /> 1,03<br /> <br /> 11<br /> <br /> Hydrocacbon thơm<br /> <br /> % thể tích<br /> <br /> 38,3<br /> <br /> 22,0<br /> <br /> 12<br /> <br /> Olefin<br /> <br /> % thể tích<br /> <br /> 30,3<br /> <br /> 36,0<br /> <br /> 13<br /> <br /> Hàm lượng Oxy<br /> <br /> % k.lượng<br /> <br />