Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí Động lực: Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động cơ xăng

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 các công trình nào khác!

Hà Nội, tháng 7 năm 2014

Nghiên cứu sinh

Phạm Hữu Truyền

-i-

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện 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 PGS.TS Lê Anh Tuấn và TS Phạm Hữu Tuyến 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 và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí động lực và các thầy cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong trương lai.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này.

Nghiên cứu sinh

Phạm Hữu Truyền

-ii-

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................. ii MỤC LỤC .................................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................... ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................1

i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................................. 2 ii. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................................ 3 iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................................................ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................................5

1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học ................................................................................................... 5 1.2. Nhiên liệu etanol và xăng sinh học.................................................................................................. 6 1.2.1. Nhiên liệu etanol ...................................................................................................................... 6 1.2.2. Xăng sinh học ......................................................................................................................... 10 1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol....................................................................................... 13 1.2.4. Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ trên thế giới ........................................... 18 1.2.5. Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ ở Việt Nam............................................ 24 1.3. Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn ......................................................................... 26 1.4. Kết luận chương 1 ......................................................................................................................... 27 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TƯƠNG THÍCH CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG TRUYỀN THỐNG KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC .... 28

2.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức ...................................................................... 28 2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức ................................................................... 28 2.1.2. Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng xăng sinh học ................. 31 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác động cơ sử dụng xăng sinh học .............................. 33 2.2.1. Trạng thái nhiệt động học........................................................................................................ 33 2.2.2. Lý thuyết tính toán quá trình cháy ........................................................................................... 34 2.2.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt .............................................................................................. 39 2.2.4. Lý thuyết tính toán hàm lượng phát thải .................................................................................. 41 2.2.5. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu xăng và etanol E100 .................................................................... 46 2.3. Phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học 47 2.3.1. Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu .............................................................................. 47 2.3.2. Phương pháp đánh giá tính năng động cơ ô tô ......................................................................... 49 2.3.3. Phương pháp đánh giá độ bền và tuổi thọ động cơ ................................................................... 50 2.4. Kết luận chương 2 ......................................................................................................................... 54 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ ETANOL LỚN ..................................................................................................................... 55

3.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi mô phỏng .................................................................................. 55 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ .......................................................................................... 55 3.2.1. Giới thiệu về phần mềm AVL Boost ....................................................................................... 55

-iii-

3.2.2. Xây dựng mô hình và các thông số nhập cho mô hình ............................................................. 56 3.2.3. Các bước nghiên cứu trên mô hình mô phỏng .......................................................................... 57 3.3. Kết quả tính toán mô phỏng ......................................................................................................... 58 3.3.1. Đánh giá độ chính xác của mô hình ......................................................................................... 58 3.3.2. Động cơ xe máy...................................................................................................................... 59 3.3.3. Động cơ ô tô xe Lanos ............................................................................................................ 64 3.4. Giải pháp cải tiến động cơ xăng thông thường khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn nhằm đảm bảo tính năng kỹ thuật .......................................................................................................... 69 3.4.1. Giải pháp cải tiến động cơ sử dụng bộ chế hoà khí .................................................................. 69 3.4.2. Giải pháp cải tiến động cơ ô tô phun xăng điện tử ................................................................... 73 3.5. Kết luận chương 3 ......................................................................................................................... 74 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ....................................................................... 75

4.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm ................................................................................................. 75 4.2. Nhiên liệu ...................................................................................................................................... 75 4.3. Nghiên cứu đánh giá khả năng tương thích vật liệu..................................................................... 76 4.3.1. Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm.................................................................................... 76 4.3.2. Kết quả đánh giá khả năng tương thích vật liệu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ xe máy ..... 77 4.3.3. Kết quả đánh giá khả năng tương thích vật liệu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ ô tô .......... 82 4.4. Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử ........................................................................................ 89 4.4.1. Phương pháp, quy trình đánh giá tính năng và độ bền .............................................................. 89 4.4.2. Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm.................................................................................... 89 4.4.3. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền động cơ xe máy ............................. 92 4.4.4. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến động cơ ô tô ............................................. 99 4.5. So sánh kết quả nghiên cứu mô phỏng với thực nghiệm ............................................................ 109 4.6. Kết luận chương 4 ....................................................................................................................... 112 KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 113

Kết luận chung ................................................................................................................................... 113 Phương hướng phát triển ................................................................................................................... 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................................... 119 PHỤ LỤC ................................................................................................................................. 120

-iv-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Diễn giải Đơn vị

Xăng sinh học bao gồm 5% etanol và 95% xăng truyền thống - E5

Xăng sinh học bao gồm 10% etanol và 90% xăng truyền thống - E10

Xăng sinh học bao gồm 15% etanol và 85% xăng truyền thống - E15

Xăng sinh học bao gồm 20% etanol và 80% xăng truyền thống - E20

Xăng sinh học bao gồm 85% etanol và 15% xăng truyền thống - E85

E100 Etanol gốc -

Mônôxit cácbon - CO

Hyđrô cácbon - HC

Ôxit nitơ - NOx

Cácboníc - CO2

E-Diesel Hỗn hợp nhiên liệu diesel-etanol -

SAE Hội kỹ sư ô tô thế giới -

Nhiên liệu biến tính - NLBT

Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN

Nhiên liệu sinh học - NLSH

High Density Polyethylene (Nhựa polyethylene đặc biệt) - HDPE

CD20” Chassis Dynamometer 20” (Băng thử xe máy) -

CD48” Chassis Dynamometer 48” (Băng thử ô tô con và xe tải hạng nhẹ) -

ECE R40 Chu trình thử châu Âu cho xe máy theo tiêu chuẩn Euro II -

ECE15-05 Chu trình thử châu Âu cho xe con và xe tải hạng nhẹ -

FC Tiêu thụ nhiên liệu (Fuel comsumption) l/100km

AVL-Boost Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) -

ĐCT Điểm chết trên -

Hệ số dư lượng không khí - 

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu - A/F

CEBII Tủ phân tích khí thải -

- ETB High Dynamic Engine Testbed (Băng thử tính năng động lực học cao)

Trước chạy bền - TCB

Sau chạy bền - STB

Công suất kW Ne

Mômen Nm Me

-v-

Suất tiêu thụ nhiên liệu g/kW.h ge

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

-vi-

Bảng 1.1. Tính chất của etanol [1] ..................................................................................................7 Bảng 1.2. Quy chuẩn về etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì [3] .......................7 Bảng 1.3. Tính chất lý hóa của xăng sinh học [18] ........................................................................ 10 Bảng 1.4. Những cải tiến cần thiết khi sử dụng xăng sinh học [36]. .............................................. 22 Bảng 2.1. Hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải .............................................. 41 Bảng 2.2. Chuỗi phản ứng hình thành NOx ................................................................................... 45 Bảng 2.3. Các hằng số đa thức ..................................................................................................... 46 Bảng 2.4. Bảng tiến trình đo ......................................................................................................... 49 Bảng 2.5. Các điểm thử nghiệm tại các tay số IV và V của ô tô..................................................... 49 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ ..................................................................................... 56 Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của mô hình ................................................................................. 57 Bảng 3.3. Thời gian cháy trễ và thời gian cháy nhanh của các loại nhiên liệu ................................ 60 Bảng 3.4. Công suất động cơ khi chạy các loại nhiên liệu khác nhau (kW) ................................... 61 Bảng 3.5. Nồng độ CO khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) ........................ 62 Bảng 3.6. Nồng độ HC khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) ........................ 63 Bảng 3.7. Nồng độ NOx khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm) ...................... 63 Bảng 3.8. Mức độ thay đổi công suất động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda............................................................. 66 Bảng 3.9. Mức độ thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda .............................................. 67 Bảng 3.10. Mức độ thay đổi phát thải CO động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda............................................................. 67 Bảng 3.11. Mức độ thay đổi phát thải HC động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda............................................................. 68 Bảng 3.12. Mức độ thay đổi phát thải NOx động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda..................................................... 69 Bảng 3.13. Lượng nhiên liệu cần dùng để công suất động cơ xe máy không đổi khi tăng tỉ lệ etanol trong nhiên liệu (g/chu trình) ........................................................................................................ 70 Bảng 3.14. Sự thay đổi đường kính lỗ gic-lơ để công suất động cơ xe máy không đổi ................... 71 Bảng 4.1. Chỉ tiêu chất lượng của xăng RON92 ........................................................................... 75 Bảng 4.2. Tính chất nhiên liệu của xăng sinh học E10, E15 và E20 .............................................. 75 Bảng 4.3. Hình ảnh chụp giclơ nhiên liệu chính trước và sau 2000h ngâm .................................... 77 Bảng 4.4. Hình ảnh chụp bề mặt lỗ giclơ chính (vật liệu đồng) trên kính hiển vi điện tử với độ phóng đại 2000 lần ....................................................................................................................... 77 Bảng 4.5. Hình vít điều chỉnh lượng không khí ở chế độ chạy không tải và vít xả xăng................. 78 Bảng 4.6. Hình ảnh ngoại quan của kim ba cạnh trước và sau khi ngâm ........................................ 78 Bảng 4.7. Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử (phóng đại 500 lần) bề mặt chi tiết lọc tinh nhiên liệu ...................................................................................................... 79 Bảng 4.8. Hình ảnh ngoại quan của vỏ nhựa lọc tinh trước và sau 2000h ngâm trong các dung dịch khác nhau .................................................................................................................................... 79 Bảng 4.9. Kết quả phân tích nhiên liệu trước khi ngâm chi tiết .................................................... 80 Bảng 4.10. Kết quả phân tích nhiên liệu RON92 sau khi ngâm chi tiết .......................................... 81 Bảng 4.11. Kết quả phân tích nhiên liệu E10 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 81 Bảng 4.12. Kết quả phân tích nhiên liệu E15 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 81

-vii-

Bảng 4.13. Kết quả phân tích nhiên liệu E20 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 81 Bảng 4.14. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết kim loại ........................................ 82 Bảng 4.15. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết phi kim ......................................... 82 Bảng 4.16. Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử giclơ nhiên liệu chính82 Bảng 4.17. Hình ảnh ngoại quan kết quả ngâm van điện từ cắt nhiên liệu (làm bằng đồng hợp kim) .................................................................................................................................................... 83 Bảng 4.18. Kết quả phân tích nhiên liệu trước khi ngâm chi tiết................................................... 87 Bảng 4.19. Kết quả phân tích nhiên liệu RON92 sau khi ngâm chi tiết .......................................... 87 Bảng 4.20. Kết quả phân tích nhiên liệu E10 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 88 Bảng 4.21. Kết quả phân tích nhiên liệu E15 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 88 Bảng 4.22. Kết quả phân tích nhiên liệu E20 sau khi ngâm chi tiết ............................................... 88 Bảng 4.23. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết kim loại ........................................ 88 Bảng 4.24. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết phi kim ......................................... 88 Bảng 4.25. Thông số kỹ thuật xe Daewoo Lanos .......................................................................... 90 Bảng 4.26. Thông số kỹ thuật xe Toyota Corolla .......................................................................... 91 Bảng 4.27. Thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm ................................................................. 91 Bảng 4.28. Đường kính xilanh của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km ....................................................................................................................... 92 Bảng 4.29. Đường kính xilanh của động cơ xe chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km ....................................................................................................................... 92 Bảng 4.30. Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km ....................................................................................................................... 93 Bảng 4.31. Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km ......................................................................................................... 93 Bảng 4.32. Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với RON92. ....................................................................................................................................... 94 Bảng 4.33. Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với E10. ............................................................................................................................................. 94 Bảng 4.34. Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với RON92. ........................................................................................................................ 95 Bảng 4.35. Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với E10. .............................................................................................................................. 95 Bảng 4.36. Áp suất nén đo trước và sau khi chạy bền ................................................................... 96 Bảng 4.37. Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 trước và sau khi chạy bền của 2 xe Honda SuperDream với 2 loại nhiên liệu RON 92 và xăng sinh học E10 ...................................... 97 Bảng 4.38. Kết quả phân tích dầu bôi trơn khi xe chạy bằng E10 .................................................. 98 Bảng 4.39. Kết quả phân tích dầu bôi trơn khi xe chạy bằng RON92 ............................................ 98 Bảng 4.40. Kết quả đo công suất xe Lanos tại tay số IV ................................................................ 99 Bảng 4.41. Thay đổi công suất xe Lanos ở tay số V .................................................................... 100 Bảng 4.42. Phát thải xe Lanos tại tay số V ................................................................................. 101 Bảng 4.43. Phát thải xe Lanos khi chạy với các loại nhiên liệu theo chu trình thử ECE1505 ....... 101 Bảng 4.44. Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số IV ........................................................... 103 Bảng 4.45. Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số V............................................................. 103 Bảng 4.46. Phát thải xe Corolla khi chạy với các loại nhiên liệu theo chu trình thử ECE1505 ..... 104 Bảng 4.47. Kết quả phân tích dầu trước và sau chạy bền ............................................................. 108 Bảng 4.48. Thay đổi công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu ... 109

-viii-

Bảng 4.49. Thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu ................................................................................................................................... 109 Bảng 4.50. Thay đổi phát thải CO giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu .................................................................................................................................................. 110 Bảng 4.51. Thay đổi phát thải HC giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu .................................................................................................................................................. 110 Bảng 4.52. Thay đổi phát thải NOx giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu .................................................................................................................................................. 111

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

-ix-

Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường................................................................8 Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza ..................................................................................9 Hình 1.3. Áp suất hơi bão hòa tại 37,80C ...................................................................................... 11 Hình 1.4. Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol ......................................................................... 12 Hình 1.5. Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017 .......................................................... 13 Hình 1.6. Công suất (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) khi sử dụng RON92 và E10 [20] ............... 18 Hình 1.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương (a) và hệ số nạp (b) [21] ........................................................................................................................................ 18 Hình 1.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới mômen động cơ (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) [21] .. 19 Hình 1.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải CO, HC và CO2 [21] ....................................... 20 Hình 1.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải NOx [22] ....................................................... 21 Hình 1.11. Thay đổi về phát thải đối với mẫu xe năm 2001 theo chu trình thử ADR37/01 khi sử dụng E20 [33] .............................................................................................................................. 21 Hình 1.12. Hàm lượng phát thải khi giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp [34] ........................... 21 Hình 1.13. Sự thay đổi hàm lượng NOx khi sử dụng xăng sinh học so với xăng thông thường [31] 21 Hình 1.14. So sánh hàm lượng benzen và toluene trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng thông thường, E3 và E10 [35] ................................................................................................................ 22 Hình 1.15. Vỏ bơm nhiên liệu (đặt trong thùng nhiên liệu) trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39] .................................................................................... 23 Hình 1.16. Vít điều chỉnh không tải (bằng đồng) của bộ chế hòa khí trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39] ................................................................... 23 Hình 1.17. Lõi bơm nhiên liệu trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39] ............................................................................................................................... 24 Hình 1.18. Màng van bơm nhiên liệu trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 550C [38, 39] .............................................................................................................. 24 Hình 1.19. Van thông khí cácte trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 550C [38, 39] ............................................................................................................................ 24 Hình 1.20. So sánh các thông số của động cơ xe máy khi sử dụng E5 và E10 với RON92 [6] ....... 25 Hình 2.1. Diễn biến áp suất trong xylanh động cơ đốt cháy cưỡng bức ......................................... 28 Hình 2.2. Hình ảnh quá trình cháy trong xylanh nghiên cứu, diễn biến áp suất và lượng khí cháy ở tốc độ 1400v/p, áp suất nạp 0,5atm [56] ....................................................................................... 29 Hình 2.3. Hình dạng bề mặt màng lửa .......................................................................................... 29 Hình 2.4. Quan hệ giữa xb và yb.................................................................................................... 30 Hình 2.5. Biến thiên tỷ số nhiên liệu/không khí tương đương theo nồng độ cồn etanol trong xăng sinh học [44] ................................................................................................................................ 31 Hình 2.6. Bán kính màng lửa khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 ................................................................................................................................ 32 Hình 2.7. Diện tích màng lửa khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 ................................................................................................................................ 32 Hình 2.8. Tỷ lệ hỗn hợp cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 ................................................................................................................................ 32 Hình 2.9. Thời gian cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 ...................................................................................................................................... 32 Hình 2.10. Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ ................................................................ 33 Hình 2.11. Ngọn lửa tiến gần đến thành xylanh và bắt đầu quá trình cháy sát vách ....................... 38

-x-

Hình 2.12. Tỷ lệ mol CO tính toán theo góc quay trục khuỷu (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) .................................................................................................................................... 42 Hình 2.13. Tỷ lệ mol CO tính toán theo giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) ......................................................................................... 42 Hình 2.14. Nồng độ HC theo góc quay trục khuỷu và độ dày màng dầu (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) ....................................................................................................................... 44 Hình 2.15. Chu trình thử Châu Âu ECE 15-05 .............................................................................. 50 Hình 2.16. Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng xe máy .......................................... 51 Hình 2.17. Vị trí và phương pháp đo mài mòn xy lanh.................................................................. 52 Hình 2.18. Vị trí đo đường kính piston ......................................................................................... 52 Hình 2.19. Đo khe hở miệng xéc măng ......................................................................................... 52 Hình 2.20. Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng ô tô................................................ 53 Hình 2.21. Các vị trí đo mòn cổ trục khuỷu .................................................................................. 53 Hình 3.1. Mô hình mô phỏng động cơ xe máy và động cơ ô tô ..................................................... 57 Hình 3.2. So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ xe máy với hai loại nhiên liệu xăng (E0) và xăng pha cồn E10 .......................................................... 58 Hình 3.3. So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ ôtô Lanos với hai loại nhiên liệu RON92 và E10 ................................................................................ 59 Hình 3.4. Diễn biến áp suất, nhiệt độ trong xylanh động cơ tại 7500 v/ph ..................................... 59 Hình 3.5. Tốc độ toả nhiệt của động cơ sử dụng các loại nhiên liệu ở 7500 v/phút ........................ 60 Hình 3.6. Độ giảm công suất trung bình khi sử dụng E5, E10, E20, E85 (so với RON92) ............. 61 Hình 3.7. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ sử dụng xăng pha cồn ........................................... 61 Hình 3.8. Phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với RON92) ............................... 62 Hình 3.9. Phát thải HC khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với E0) ....................................... 62 Hình 3.10. Phát thải NOx khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với E0) ................................... 63 Hình 3.11. Sự thay đổi công suất động cơ so với khi sử dụng xăng ............................................... 64 Hình 3.12. Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để công suất động cơ không đổi ....................... 64 Hình 3.13. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ so với khi sử dụng xăng ...................................... 64 Hình 3.14. Thay đổi phát thải CO khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng ................... 65 Hình 3.15. Thay đổi phát thải HC khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng ................... 65 Hình 3.16. Thay đổi phát thải NOx khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng ................. 65 Hình 3.17. Mức độ thay đổi công suất động cơ so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda ..... 66 Hình 3.18. Mức độ tăng suất tiêu thụ nhiên liệu so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda .... 66 Hình 3.19. Mức độ thay đổi các thành phần phát thải so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda .................................................................................................................................................... 68 Hình 3.20. Tỷ lệ lượng nhiên liệu cần bổ sung để công suất động cơ không đổi ............................ 70 Hình 4.1. Màng cao su của bơm tăng tốc phụ của bộ chế hòa khí trước và sau ngâm ..................... 83 Hình 4.2. Các chi tiết của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm 2000h .................................... 84 Hình 4.3. Hình ảnh chụp bảng mạch báo mức xăng của bơm xăng điện tử .................................... 84 Hình 4.4. Lưới lọc thô của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm trong xăng RON92 và E10 ... 84 Hình 4.5. Hình ảnh giắc cắm bơm xăng tử trước và sau khi ngâm ................................................. 85 Hình 4.6. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết gioăng làm kín bơm xăng so với 0h ............................... 86 Hình 4.7. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết màng cao su tăng tốc phụ so với 0h ............................... 86 Hình 4.8. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h ............................... 86 Hình 4.9. Đồ thị khối lượng giảm chi tiết quả phao chế hòa khí so với 0h ..................................... 86 Hình 4.10. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết lọc tinh bơm xăng điện so với 0h ................................. 86

-xi-

Hình 4.11. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết bộ báo mức nhiên liệu bơm xăng điện so với 0h .......... 87 Hình 4.12. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h ............................. 87 Hình 4.13. Ô tô thử nghiệm .......................................................................................................... 90 Hình 4.14. Hình ảnh hai xe máy tham gia chạy thử nghiệm .......................................................... 91 Hình 4.15. Tổng hợp sự thay đổi kích thước trung bình của piston và xilanh xe máy trước và sau chạy bền ...................................................................................................................................... 93 Hình 4.16. Công suất xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền ................................ 95 Hình 4.17. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền ............ 96 Hình 4.18. Phát thải HC và NOx của xe máy trước và sau chạy bền .............................................. 97 Hình 4.19. Phát thải CO và CO2 của xe máy trước và sau chạy bền .............................................. 97 Hình 4.20. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số IV so với RON92 ....................... 100 Hình 4.21. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số V so với RON92 ........................ 100 Hình 4.22. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xe Lanos ........................................................... 100 Hình 4.23. Thời gian tăng tốc 20 km/h đến 80 km/h đối với xe Lanos ......................................... 102 Hình 4.24. Tỷ lệ cải thiện công suất động cơ xe Corrola sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 .................................................................................................................................................. 103 Hình 4.25. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola tại tay số IV......................................................... 104 Hình 4.26. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola tại tay số V .......................................................... 104 Hình 4.27. Thời gian tăng tốc 20 km/h đến 80 km/h đối với xe Corolla ...................................... 105 Hình 4.28. Thay đổi kích thước xilanh trước và sau chạy bền tại vị trí của xéc măng hơi thứ nhất .................................................................................................................................................. 105 Hình 4.29. Thay đổi kích thước phần dẫn hướng piston trước và sau chạy bền ............................ 105 Hình 4.30. So sánh lượng mòn trung bình trước và sau chạy bền của chi tiết xilanh và piston ..... 106 Hình 4.31. So sánh lượng mòn trung bình trước và sau chạy bền của các cổ biên ........................ 106 Hình 4.32. Mômen và công suất động cơ chạy RON92 trước chạy bền và sau chạy bền .............. 107 Hình 4.33. Suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ chạy RON92 trước chạy bền và sau chạy bền .......... 107 Hình 4.34. Mômen và công suất động cơ chạy nhiên liệu E10 trước chạy bền và sau chạy bền .. 107 Hình 4.35. Suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ chạy E10 trước chạy bền và sau chạy bền ................ 107 Hình 4.36. Áp suất nén động cơ chạy nhiên liệu xăng RON92 và E10 trước và sau chạy bền ...... 107

MỞ ĐẦU

Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự báo của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa. Mặt khác việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx, NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi trường, hệ sinh thái và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống.

Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết. Bên cạnh việc sử dụng các nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều…Năng lượng có nguồn gốc sinh học đang rất được quan tâm.

Nhiên liệu sinh học cho động cơ nói chung và phương tiện giao thông nói riêng đang nhận được sự quan tâm lớn của thế giới. Một mặt nhiên liệu sinh học góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường. Mặt khác nhiên liệu sinh học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho người dân ở vùng sâu, vùng xa. Một khi sự phát triển bền vững, phát triển kinh tế gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trường có vai trò thiết yếu đối với mỗi quốc gia, lãnh thổ thì các nguồn năng lượng xanh, năng lượng có phát thải cácbon thấp nhận được sự ưu tiên phát triển.

Trong các loại nhiên liệu sinh học thì etanol là loại nhiên liệu có tiềm năng lớn ở Việt Nam nhờ nguồn nguyên liệu phong phú và sự tham gia mạnh mẽ của nhiều thành phần kinh tế vào quá trình sản xuất. Nguyên liệu để sản xuất etanol rất phong phú có thể kể đến như nguồn nguyên liệu từ các sản phẩm nông nghiệp là ngô, khoai, sắn, mía... Ngoài ra nguồn nguyên liệu sản xuất etanol còn có thể được tận dụng từ rác thải, phế phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, bã mía, cỏ khô hay phế phẩm lâm nghiệp như củi, rễ, cành cây, lá khô... đây là những nguồn nguyên liệu dồi dào không liên quan đến lương thực trong khi giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất.

Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương đúng đắn thể hiện qua Đề án Phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025. Chủ trương này thể hiện sự tham vọng của chính phủ và cũng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học.

Etanol sinh học ở Việt Nam hiện đang được các doanh nghiệp đầu tư phát triển mạnh mẽ. Nhà máy sản xuất etanol Đồng Xanh, Đại Lộc, Quảng Nam với công suất 130 triệu lít/năm, đưa vào hoạt động vào cuối năm 2010 và 5 nhà máy đã đi vào hoạt động khác với tổng công suất thiết kế cả nước hiện nay vào khoảng 535 triệu lít/năm. Xăng sinh học E5 đã chính thức được giới thiệu trên thị trường từ năm 2010 sau khi các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học E5 (hỗn hợp của 5% etanol biến tính với 95% xăng) cho phương tiện đã

-1-

được thực hiện khá hoàn chỉnh, tuy nhiên do tác động của nhiều yếu tố khách quan và chủ quan, tốc độ phát triển các điểm bán xăng sinh học E5 cũng như sản lượng E5 tiêu thụ còn rất khiêm tốn. Một trong những nguyên nhân chính của vấn đề này đó là chính sách khuyến khích sản xuất, sử dụng thiếu đồng bộ và đặc biệt là lo ngại của người sử dụng về những ảnh hưởng không mong muốn của xăng sinh học đến phương tiện. Mặc dù vậy, lộ trình sử dụng đại trà xăng sinh học E5 và tiến tới xăng sinh học E10 đã được Chính phủ phê duyệt trong Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012. Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5% cho các phương tiện đang lưu hành trên thị trường có ý nghĩa khoa học và thiết thực trong việc đón trước lộ trình sử dụng thí điểm và đại trà xăng sinh học, đặc biệt là xăng E10 trên thị trường.

Đề tài “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động

cơ xăng” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên của thực tiễn.

i. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

*) Mục đích nghiên cứu

Mục đích tổng thể của luận án là đưa ra được các định hướng về mặt kỹ thuật nhằm đảm bảo tính tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha etanol E100 cao trên 5% như 10% (E10), 15% (E15), 20% (E20) và 85% (E85).

Cụ thể, luận án hướng tới xây dựng phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ pha trên 5% etanol E100 và đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ xăng truyền thống; đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền, tuổi thọ của động cơ; đưa ra định hướng về mặt kỹ thuật, đề xuất giải pháp cải tiến và điều chỉnh động cơ; và đưa ra khuyến cáo cần thiết khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5% cho động cơ xăng truyền thống.

*) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án nghiên cứu về lý thuyết liên quan đến đặc tính của động cơ xe máy và ô tô khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học E10, E15, E20 và E85 trên phần mềm mô phỏng một chiều nhiệt động học và chu trình công tác của động cơ.

Các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các loại nhiên liệu RON92, E10, E15 và E20. Riêng nghiên cứu đánh giá đối chứng về độ bền và tuổi thọ của động cơ được thực hiện với nhiên liệu RON92 và E10.

Đối với ô tô gồm 02 xe: 01 xe sử dụng động cơ phun xăng điện tử đại diện cho thế hệ ô tô gần đây và 01 xe có động cơ sử dụng bộ chế hòa khí đại diện cho ô tô thế hệ cũ. Ngoài ra còn có 02 động cơ ô tô dùng chế hòa khí phục vụ cho mục đích thử nghiệm bền trên băng thử. Trong đó 01 động cơ chạy RON92, 01 động cơ chạy E10.

Đối với xe máy là 02 xe có động cơ sử dụng bộ chế hòa khí: 01 xe chạy nhiên liệu

xăng RON92 và 01 xe sử dụng nhiên liệu E10.

Các nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ

đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

-2-

ii. Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống. Kết hợp giữa lý thuyết thông qua tổng hợp các nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học trên thế giới, và tập hợp, kế thừa các kết quả trước đây của các đề tài liên quan và tính toán lý thuyết trên các phần mềm mô phỏng hiện đại về động cơ đốt trong với thực nghiệm kiểm chứng và đánh giá. Tăng cường trao đổi và tiếp thu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện phương pháp nghiên cứu, cũng như mở rộng hợp tác với các tổ chức trong nước để thực hiện tốt việc nghiên cứu và triển khai thử nghiệm.

Tính tương thích trong sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng truyền thống được thể hiện thông qua những nghiên cứu quy mô về tác động của xăng sinh học đến vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu, các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải, cũng như độ bền và tuổi thọ của động cơ. Giải pháp tương thích hóa động cơ với xăng sinh học ở các tỷ lệ khác nhau cũng được đưa ra nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng xăng sinh học ở Việt Nam.

Luận án sử dụng các phương pháp và kỹ thuật sau đây:

- Ngâm các chi tiết của hệ thống cung cấp nhiên liệu trong xăng truyền thống và xăng sinh học ở các tỷ lệ khác nhau trong môi trường kín, ổn định nhiệt độ bằng tủ sấy theo tiêu chuẩn của Hội kỹ sư ô tô thế giới SAE J1747 và SAE J1748. Các chỉ tiêu đánh giá so sánh bao gồm: ngoại quan, kích thước, trọng lượng, chụp ảnh hiển vi điện tử bề mặt, phân tích nhiên liệu trước và sau ngâm. Kết quả nghiên cứu tương thích vật liệu có ý nghĩa trong việc khuyến cáo điều chỉnh vật liệu (nếu cần) của một số chi tiết khi động cơ sử dụng xăng sinh học,

- Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng hiện đại và thử nghiệm đối chứng trên băng thử xe máy và ô tô nhằm đánh giá tác động của xăng sinh học đến đặc tính cháy, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải, khả năng tăng tốc, khởi động lạnh của động cơ,

- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ bền, tuổi thọ của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E10 nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học E10 một cách đại trà ở Việt Nam. Thời gian chạy bền đối với các động cơ ô tô là 300 giờ. Các chỉ tiêu đánh giá độ bền, tuổi thọ bao gồm: độ mòn các chi tiết, tính chất dầu bôi trơn, công suất, tiêu thụ nhiên liệu, áp suất nén và phát thải.

iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

*) Ý nghĩa khoa học:

Luận án đã góp phần đánh giá được quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu xăng sinh học E10, E15, E20 và E85 trong động cơ xăng xe máy và ô tô thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm AVL Boost. Từ các mô hình mô phỏng này, ảnh hưởng của nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ etanol khác nhau đến các đặc tính cháy, các thông số kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ được khảo sát và đánh giá để làm cơ sở cho việc đánh giá các kết quả thực nghiệm trên động cơ thực và kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành của động cơ một cách phù hợp khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học.

-3-

Luận án cũng đã xây dựng thành công các quy trình đánh giá tương thích của động cơ xăng đối với nhiên liệu xăng sinh học ở các tỷ lệ etanol bất kỳ, bao gồm quy trình đánh giá tương thích vật liệu, quy trình đánh giá đối chứng tính năng và quy trình chạy bền động cơ. Các quy trình này được xây dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành cũng như hệ thống thiết bị đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam.

*) Ý nghĩa thực tiễn:

Luận án đã đánh giá được tương thích vật liệu của hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xe máy và ô tô với các loại xăng sinh học E10, E15 và E20, qua đó khuyến cáo các loại vật liệu thay thế nhằm đảm bảo khả năng làm việc của các chi tiết trước một số thuộc tính không có lợi của xăng sinh học dẫn tới hiện tượng ăn mòn, rỉ sét ở vật liệu kim loại, trương nở ở vật liệu phi kim.

Ảnh hưởng của xăng sinh học E10, E15 và E20 tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng xe máy và ô tô đã được đánh giá. Ngoài ra, độ bền và tuổi thọ của động cơ xăng xe máy vận hành ổn định trong 200 giờ trên bằng thử và 5500km vận hành trên đường (tương đương với 20.000km vận hành trên đường), và động cơ ô tô vận hành ổn định trên băng thử trong 300 giờ cũng đã được đánh giá. Từ đó, đưa ra các nhận định cũng như giải pháp kỹ thuật đối với động cơ nhằm đáp ứng việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 cao hơn 5% trên động cơ xăng xe máy và ô tô.

Luận án góp phần tư vấn cho các cơ quan chức năng trong việc thực hiện mục tiêu của lộ trình sử dụng xăng sinh học E10 theo quyết định 53/2012/QĐ-TTg của Thủ Tướng Chính phủ và cung cấp kiến thức, cũng như tư vấn cho người sử dụng phương tiện trong việc sử dụng, vận hành đúng cách phương tiện nhằm tận dụng được tối đa ưu điểm và hạn chế ảnh hưởng trái chiều của xăng sinh học đến phương tiện và môi trường.

Thuyết minh của luận án được trình bày gồm các phần chính sau:

 Mở đầu

 Chương 1. Tổng quan

 Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán và phương pháp đánh giá tương thích của động

cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học

 Chương 3. Tính toán mô phỏng động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn

 Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm

 Kết luận chung và phương hướng phát triển

-4-

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [1]. NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Metanol, Etanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau:

Ưu điểm:

- Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống, - Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…).

Nhược điểm:

- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọa tới an ninh lương thực,

- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được,

- Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên liệu sinh

học từ lignin cellulose – có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao,

- NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ bị biến tính phân

hủy theo thời gian).

Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ:

- NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ động vật, dầu thực vật,…

- NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose. Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa,

-5-

- NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 15 -300 lần để sản xuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 - 2 lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 - 10 ngày tùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể.Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch.

Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể tên như

sau:

- Bioetanol [13] - Biodiesel [13] - Methane (biogas) [2,13] - Biohydrogen [13, 15, 16, 17] - Dimethyl ether (DME) [13]

Trong đó bio-etanol (gọi tắt là etanol) được sản xuất và sử dụng rỗng rãi ở Mỹ, Brazil

và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc.

Etanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy etanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng etanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp. Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng etanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới.

Etanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như ngô, khoai tây, củ cải đường... Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu để chế tạo ra cồn etanol. Ở Brazil thì etanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì etanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm. Ngoài ra etanol còn có thể được sản xuất từ gỗ.

Etanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường etanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Là đối tượng nghiên cứu của luận án nên các tính chất của etanol cũng như tác động của etanol đến động cơ sẽ được trình bày tỉ mỉ trong các phần sau.

1.2. Nhiên liệu etanol và xăng sinh học

1.2.1. Nhiên liệu etanol

1.2.1.1. Tính chất vật lý của etanol

Etanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan vô hạn trong nước. Sở dĩ etanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có

-6-

cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước.

Một số tính chất vật lý thể hiện trên Bảng 1.1

Bảng 1.1. Tính chất của etanol [1]

TT Tính chất Giá trị

Ở Việt Nam, etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì được quy định

trong quy chuẩn Việt Nam QCVN 1: 2009/BKHCN [3] thể hiện ở Bảng 1.2.

C2H5OH hay C2H6O 46,07 g/mol Chất lỏng trong suốt dễ cháy 0,789 1,2 cP ở 20oC Tan hoàn toàn 1170 78,4oC (351,6K) 158,8 K (-114,3oC; -173,83oF) 514 K (241oC; 465,53oF) ở P = 63 bar 7,0 (trung tính) 65,21 J/mol.K Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, ngừng thở trong trường hợp nặng Nghiện, xơ gan 425oC (797oF) 3,5 ÷ 15% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Công thức phân tử Phân tử gam Cảm quan Tỷ trọng Độ nhớt Độ tan trong nước Số UN Nhiệt độ sôi Nhiệt độ tan Điểm tới hạn pH Cp Tác động cấp tính Tác động kinh niên Nhiệt độ tự cháy Mật độ giới hạn nổ

Bảng 1.2. Quy chuẩn về etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì [3]

Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử

1. Hàm lượng etanol, % thể tích, không nhỏ hơn 92,1 TCVN 7864 (ASTM D 5501)

2. Hàm lượng metanol, % thể tích, không lớn hơn TCVN 7894 (EN 14110) 0,5

3. Hàm lượng nước, % thể tích, không lớn hơn TCVN 7893 (ASTM E 1064) 1,0

0,007 TCVN 7892 (ASTM D 1613) 4. Độ axit (tính theo axit axetic CH3COOH), % khối lượng, không lớn hơn

1.2.1.2. Công nghệ sản xuất etanol

a) Phương pháp hydrat hóa etylen

Cho etylen hợp nước ở 3000C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit:

CH2 = CH2 + H2O → CH3 - CH2-OH

Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất có độ xốp cao như diatomit hay than củi. Chất xúc tác này được công ty Shell sử dụng để sản xuất etanol ở mức độ công nghiệp năm 1947.

-7-

5. Hàm lượng clorua vô cơ, mg/kg, không lớn hơn 40 TCVN 7716 (ASTM D 4806)

Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành etanol và tái tạo lại axit:

CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3-CH2OSO3H

CH3-CH2OSO3H + H2O → CH3-CH2-OH + H2SO4

Etanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại như: metanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê. Etanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 – 1987 [1].

b) Công nghệ lên men sản xuất etanol

Etanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.1). Tinh bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân hủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men. Hạt ngũ cốc được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân bằng enzym (ví dụ amylaza) để tạo đường. Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men ancol. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất để tạo etanol nguyên chất (có thể đạt mức etanol tuyệt đối- etanol khan).

c) Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ nguyên liệu xenluloza

Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ xenluloza thể hiện qua quy trình xử lý thủy phân xenluloza trong đó bao gồm thủy phân nguyên liệu licnoxenluloza tiền xử lý, sử dụng các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp để tạo thành đường đơn giản và tiếp theo là quá trình lên men và chưng cất.

Có 6 giai đoạn để sản xuất etanol từ xenluloza (Hình 1.2):

- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc rơm rạ để thủy

phân,

-8-

Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường

- Thủy phân xenluloza (cellulolysis), để bẻ gãy các phân tử để tạo đường, - Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (phức polyme thơm), - Lên men đường, - Chưng cất để tạo ra etanol nguyên chất, - Khử nước để tạo ra etanol khan với nồng độ lên đến 99,7%.

Quá trình sản xuất etanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men. Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40 - 60% xenluloza và 20 - 40% hemixenluloza, có cấu trúc tinh thể bền. Hemixenluloza chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn xenlulo. Nói chung hỗn hợp xenluloza khó hòa tan trong nước. Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác [4].

d) Các phương pháp làm khan etanol

Thông thường etanol sản xuất theo các phương pháp nêu trên thường có nồng độ ≤ 96% vì vậy để tạo ra etanol có nồng độ lớn hơn 99% thì chúng ta phải sử dụng các biện pháp loại nước, hay còn gọi là làm khan. Các phương pháp làm khan:

- Làm khan bằng các chất hút nước: Có thể dùng các chất hút nước như: Clorua canxi

khan, vôi … Tuy nhiên biện pháp này ít hiệu quả,

- Chưng cất phân đoạn: Đó là phương pháp cho thêm một cấu tử vào hỗn hợp để phá vỡ điểm sôi. Cấu tử thêm là benzen và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và etanol nhằm loại bỏ etanol ra khỏi nước và điểm sôi hỗn hợp cấp 2 với etanol để loại bỏ phần lớn benzen. Phương pháp này có thể tạo ra etanol có độ khan rất cao tuy nhiên vẫn còn một lượng nhỏ benzen còn lại trong etanol gây độc hại. Do vậy phương này chỉ ứng dụng để tạo etanol làm nhiên liệu (ví dụ như pha vào xăng) mà không được sử dụng cho thực phẩm,

- Sử dụng rây phân tử: Rây phân tử là vật liệu xốp, sử dụng để hấp thụ chọn lọc nước từ dung dịch 96% etanol. Có thể sử dụng zeolit dạng viên hoặc bột yến mạch tuy nhiên

-9-

Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza

zeolit có giá trị hơn do khả năng hấp phụ chọn lọc cao, lại tái sinh được. Số lần sử dụng zeolit không hạn chế do có thể tái tạo bằng cách làm khô với luồng khí CO2nóng. Etanol tinh khiết sản xuất theo phương pháp này sẽ không chứa benzen do vậy etanol tinh khiết loại này có thể sử dụng trong thực phẩm, y học và mỹ phẩm,

- Sử dụng chất phụ gia: Hiện nay có một xu hướng sử dụng etanol nồng độ thấp  92% làm nhiên liệu. Đối với etanol dạng này yêu cầu phải có phụ gia có vai trò xúc tiến quá trình hòa trộn giữa xăng và etanol đồng thời nó ngăn ngừa sự tách pha của nước trong hỗn hợp cũng như ngăn cản quá trình hấp thụ hơi nước từ khí quyển trong quá trình bảo quản sử dụng. Phụ gia thường dùng là các loại ancol có phân tử lớn như ancol isopropylic, isobutyric.

1.2.2. Xăng sinh học

1.2.2.1. Tính chất lý hóa của xăng sinh học

Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng truyền thống và etanol theo một tỷ lệ nhất định. Sau khi phối trộn, xăng sinh học có những thay đổi nhất định về tính chất so với xăng gốc, ví dụ về tính chất một số loại xăng sinh học thể hiện ở Bảng 1.3.

Tỷ lệ phối trộn các loại nhiên liệu etanol – xăng (E0; E5; E10; E20; E30) ở đây E chỉ etanol và số tiếp theo chỉ phần trăm etanol (E5 có nghĩa là 5% etanol được pha trộn với 95% xăng).

Bảng 1.3 cho thấy khi thay đổi tỷ lệ phối trộn etanol – xăng thì áp suất hơi bảo hòa (RVP); trị số octan, nhiệt trị của nhiên liệu thay đổi. Khi tăng hàm lượng etanol thì áp suất hơi bảo hòa (RVP) tăng, đạt giá trị lớn nhất ở E10 và sau đó giảm, trị số octan tăng, nhiệt trị của nhiên liệu giảm vì nhiệt trị của etanol thấp hơn xăng.

Bảng 1.3. Tính chất lý hóa của xăng sinh học [18]

So sánh thuộc tính của xăng sinh học và xăng truyền thống

Đặc tính Nhiên liệu

Trọng lượng riêng(kg/l ở 15,50C) E0 0,7575 E5 0,7591 E10 0,7608 E20 0,7645 E30 0,7682

95,4 96,7 98,1 100,7 102,4

Chỉ số octan(RON) RVP(kPa ở 37,80C) 53,7 59,3 59,6 58,3 56,8

0,0061 0,0059 0,0055 0,0049 0,0045

0,2 0,2 0,2 0,6 0,2

Hàmlượng lưu huỳnh(wt%) Hàm lượng chất keo rửa trôi (mg/100ml) Hàm lượng chất keo không rửa trôi (mg/100ml)

18,8 < 0,0025 18,6 < 0,0025 17,4 < 0,025 15 < 0,0025 14,4 < 0,0025

Hàm lượng chì(g/l) Nhiệt độ chưng cất(0C) IBP 35,5 36,5 39,5 36,7 39,5

10% thể tích 54,5 49,7 54,8 52,8 54,8

50% thể tích 94,4 88,0 72,4 70,3 72,4

-10-

90% thể tích 167,3 167,7 159,3 163 159,3

Điểm kết thúc 197,0 202,5 198,3 198,6 198,3

Nhiệt trị(cal/g) 10176 9692 9511 9316 8680

Cacbon (wt%) 86,60 87,70 86,7 87,6 86

Hydrogen (wt%) 13,30 12,20 13,90 12,3 13,9

Hàm lượng cặn (vol%) 1,7 1,5 1,5 1,5 1,5

(RVP- Reid Vapor Pressure)- : Áp suất hơi bão hòa

1.2.2.2. Ảnh hưởng của tính chất xăng sinh học đến động cơ xăng

a) Độ bay hơi của xăng sinh học

Xăng có ẩn nhiệt hóa hơi là khoảng 465,4 KJ/kg; etanol là 839,67 KJ/kg. Trong động cơ, sự bay hơi của hỗn hợp xăng/không khí dẫn tới sự giảm nhiệt độ vào khoảng 4,40C. Ở cùng một điều kiện, do nhiệt ẩn hóa hơi của etanol lớn hơn 2 lần so với xăng, nên sự giảm nhiệt độ đối với etanol lớn hơn hai lần so với xăng. Sự giảm nhiệt độ này dẫn tới một “mật độ khối lượng” xăng sinh học vào động cơ lớn hơn so với xăng. Nhiệt ẩn hóa hơi của xăng sinh học cao dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp, do đó nạp được nhiều hỗn hợp hơn vào trong xy lanh của động cơ, kết hợp với nhiệt trị thể tích của hỗn hợp của etanol gần bằng của xăng, cho nên công suất của động cơ dùng etanol có thể lớn hơn khi dùng xăng. Điều này dẫn tới sự tăng hiệu quả về nhiên liệu của etanol so với xăng.

b) Ảnh hưởng của etanol lên độ bay hơi của nhiên liệu

Màu sắc vàng vàng vàng vàng vàng

Độ bay hơi của nhiên liệu thể hiện qua áp suất hơi Reid (RVP). RVP của etanol thấp hơn RVP của xăng nhiều. Tuy nhiên, RVP của xăng sinh học không tuân theo quan hệ tuyến tính với tỷ lệ etanol trong nhiên liệu. Hàm lượng etanol thấp trong xăng sẽ gây ra sự tăng RVP. Áp suất hơi tăng đến giá trị cực đại khi hàm lượng etanol trong nhiên liệu khoảng 10% thể tích và bắt đầu giảm khi tiếp tục tăng hàm lượng etanol (Hình 1.3). Như vậy hỗn hợp nhiên liệu có hàm lượng etanol lớn hơn 10% sẽ có sự tăng nhẹ hơn về RVP. Theo các nghiên cứu, khi thêm etanol, xăng có áp suất hơi bản thân thấp sẽ có độ tăng áp suất hơi cao hơn so với xăng có áp suất hơi cao.

c) Trị số Octan

Khi tỷ số nén trong một động cơ càng lớn có nghĩa là hiệu suất chu trình tăng lên và hiệu quả đạt được lớn hơn, tuy nhiên khi tăng tỷ số nén cao có thể dẫn đến kích nổ. Etanol có trị số octan tương đối cao và làm tăng đáng kể trị số octan của xăng thông thường sau khi phối trộn với nhau. Hiệu quả của việc trộn này đạt giá trị cao nhất đối với chủng loại xăng cấp thấp. Như vậy phối trộn etanol với xăng thông thường có thể loại bỏ việc sử dụng

-11-

Hình 1.3. Áp suất hơi bão hòa tại 37,80C

các phụ gia chống kích nổ truyền thống gây ô nhiễm như tetra etyl chì. Việc pha 10 - 15% etanol vào xăng không chì làm tăng trị số octan đến giá trị cho phép có thể được sử dụng để đốt trong động cơ tỷ số nén cao mà trước đây không thể sử dụng cho nhiên liệu xăng không chì truyền thống. Việc sử dụng etanol không phải là mới do etanol đã từng được sử dụng làm phụ gia tăng trị số octan [19].

d) Hiệu ứng làm giảm tỷ lệ không khí/nhiên liệu (tỷ lệ A/F)

Xăng là hỗn hợp của các hydrocacbon chỉ chứa H và C, etanol chứa H, C và O. Tỷ lệ A/F cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu để tạo thành CO2 và nước gọi là tỷ lệ hỗn hợp công tác A/F lý tưởng (stoichiometric ratio). Với xăng, tỷ lệ này vào khoảng 14,7:1 (theo khối lượng). Với xăng sinh học, không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu cần ít hơn do trong bản thân etanol đã có ôxy và do một số hydrocacbon được thay thế. Lấy ví dụ, một nhiên liệu chứa 10% etanol chỉ yêu cầu A/F từ 14:1 đến 14,1:1.

e) Phân tách pha do sự có mặt của nước

Sự phân tách pha xảy ra khi hàm lượng nước trong xăng quá cao. Nước có tỷ trọng lớn hơn xăng nên lắng xuống phía dưới khi phân tách. Do nhiên liệu thường được lấy ở gần đáy thùng chứa, nên nước trong nhiên liệu sẽ ảnh hưởng tới động cơ tính năng kỹ thuật động cơ và tăng cường quá trình ăn mòn, lão hóa các chi tiết. Các loại xăng thông thường chỉ có thể hấp thụ một lượng nhỏ nước trước khi sự phân tách pha xảy ra. Nhiên liệu xăng sinh học có thể hấp thụ một lượng nước lớn hơn. Nhiên liệu xăng sinh học thực tế có chức năng làm khô thùng chứa nhờ sự hấp thụ nước đáng kể mà không xảy ra sự phân tách pha do khả năng hoà tan của nước trong etanol cao và cho phép sử dụng trực tiếp trong động cơ. Tuy nhiên nếu lượng nước quá cao, nước và phần lớn etanol sẽ phân tách và lắng xuống phía dưới thùng nhiên liệu. Lượng nước có thể được hấp thụ trong nhiên liệu xăng sinh học mà không xảy ra sự phân tách pha trong thay đổi từ 0,3 - 0,5% thể tích, tuỳ thuộc vào nhiệt độ.

1.2.2.3. Ảnh hưởng của xăng sinh học đến môi trường

Động cơ sử dụng etanol giảm phát thải khí nhà kính, giảm được khí CO2 và khí độc hại. Thêm vào đó, phát thải CO2 lại được cây hấp thụ lại để tái tạo etanol, như vậy coi như không làm gia tăng khí CO2 trong khí quyển. Do etanol có chứa tới 34,7% khối lượng ôxy nên xăng sinh học cũng chứa một tỷ lệ ôxy nhất định giúp cải thiện quá trình cháy, qua đó phần lớn các phát thải độc hại trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng được giảm. Xăng sinh học chứa ít lưu huỳnh và các hydrocacbon thơm nên giảm các sản phẩm cháy có chứa lưu huỳnh trong khí thải, hạn chế sự hình thành mưa axit. Tuy nhiên do xăng sinh học dễ bay hơi hơn xăng thông thường nên có xu hướng làm tăng phát thải HC do bay hơi. Thêm vào đó, hàm lượng acetaldehyde trong khí thải động cơ sử dụng xăng sinh học có thể tăng lên.

-12-

Hình 1.4. Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol

1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol

1.2.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol trên thế giới

Trong những năm vừa qua, ngành nhiên liệu sinh học trên thế giới đã có những bước phát triển mãnh mẽ dựa trên 3 động lực chính là phát triển năng lượng tái tạo trước tình trạng giá dầu tăng cao, hỗ trợ nông nghiệp qua việc gia tăng giá trị sản phẩm, và bảo vệ môi trường. Tổ chức Năng lượng Quốc tế IEA kêu gọi từ nay đến năm 2020 cần tăng gấp đôi sản lượng NLSH nhằm góp phần giảm 20C nhiệt độ trái đất.

Chính phủ nhiều nước trên thế giới đã hỗ trợ ngành NLSH phát triển thông qua các chính sách bắt buộc pha trộn NLSH vào nhiên liệu truyền thống và các chỉ tiêu về tỷ lệ năng lượng tái tạo trong nền kinh tế. Trong ngành NLSH trên thế giới, etanol phát triển mạnh nhất. Xét về giá trị kinh tế, ngành sản xuất etanol đến nay đã tạo được hơn 1,4 triệu việc làm và đóng góp giá trị gia tăng hơn 277,3 tỷ USD cho kinh tế thế giới.

Về tốc độ phát triển, các thống kê khác nhau cho thấy, sản lượng etanol đến năm 2012 đã đạt xấp xỉ 115 tỷ lít, tăng gần gấp đôi trong vòng 5 năm qua. Trong đó, Mỹ, Braxin và EU chiếm 87% sản lượng toàn cầu. OECD và FAO cũng đưa ra dự báo, đến năm 2021 sản lượng etanol toàn cầu sẽ tăng lên đến 180 tỷ lít.

Việc nghiên cứu, phát triển sản xuất và sử dụng NLSH thu hút sự quan tâm rất lớn của các quốc gia trên thế giới do các lợi ích của loại nhiên liệu này đối với an ninh năng lượng, môi trường và xã hội. Với các lợi ích thiết thực như vậy, nhiều quốc gia trên thế giới đã xây dựng và ban hành các chiến lược, chương trình, chính sách thúc đẩy phát triển sản xuất và sử dụng NLSH theo hướng bền vững, trên cơ sở đảm bảo an ninh năng lượng, an ninh lương thực, bảo vệ môi trường và giải quyết các vấn đề xã hội.

a) Brazil

Nước này có diện tích canh tác trồng mía cho sản xuất etanol lên đến gần 8 triệu ha. 450 nhà máy đường ở Brazil hầu hết đều sản xuất etanol. Ngành công nghiệp etanol ở Brazil nhận được nguồn tài chính khổng lồ và những chính sách công phù hợp, ưu đãi

-13-

Hình 1.5. Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017

khiến cho sản phẩm xăng sinh học ở đây có sức cạnh tranh lớn nhất thế giới. Brazil đứng thứ 2 trên thế giới về sản xuất etanol (từ mía đường) với sản lượng gần 25 tỷ lít/năm.

Bên cạnh đó, Brazil cũng là nước tiên phong trong việc sử dụng NLSH trên thế giới, đặc biệt trong việc nghiên cứu phát triển các loại phương tiện vận tải sử dụng etanol nguyên chất. Những chiếc xe chạy etanol nguyên chất đã được Brazil giới thiệu từ những năm 1970 của thế kỷ trước và sử dụng rộng rãi trong những năm 1980. Tại Brazil hiện nay có tới hơn 80% phương tiện vận tải sử dụng NLSH các loại trong tổng số xe mới bán ra góp phần nâng số lượng xe sử dụng NLSH tại Brazil lên hơn 50% trong tổng số gần 30 triệu xe tải nhẹ đang lưu hành.

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng NLSH ngày càng tăng ở trong nước, cùng với mức hỗ trợ tín dụng ưu đãi từ Chính phủ, đã thúc đẩy việc đầu tư xây dựng thêm các nhà máy sản xuất etanol trên toàn quốc. Đặc biệt là từ giữa các năm 2005 – 2012 đã có hơn 116 nhà máy sản xuất etanol mới được đầu tư xây dựng tại Brazil.

b) Trong khối EU

EU chiếm vị trí thứ ba thế giới về sản lượng etanol. Sản xuất etanol tại EU chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đường. Chương trình năng lượng tái tạo (RFD) của EU quy định đến năm 2020, toàn bộ xăng dầu dùng cho giao thông vận tải phải được pha 10% nhiên liệu tái tạo. Ba quốc gia Pháp, Đức, Anh chiếm khoảng một nửa sản lượng etanol toàn EU. Tiêu thụ nhiên liệu sinh học của EU luôn cao hơn sản xuất và được bù đắp bằng nguồn nhập khẩu, chủ yếu từ Brazil. Tiêu thụ NLSH cũng tăng nhanh khoảng 23% mỗi năm, do ngoài việc áp dụng E5, E10 và B7 lên các động cơ truyền thống, loại động cơ cải tiến dùng E85 đang được áp dụng ngày càng rộng rãi.

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 đến 31 - 12 - 2010 ít nhất 5,75% các nhiên liệu dùng để chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo.

c) Mỹ.

Mỹ là quốc gia sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới. Sản lượng sản xuất ra chiếm khoảng 43% trên toàn thế giới. Tại Mỹ, Cục bảo vệ môi trường EPA là cơ quan quản lý chương trình sử dụng NLSH. Chương trình Nhiên liệu tái tạo phiên bản 1 được triển khai đầu tiên từ năm 2005 đã yêu cầu 28,4 tỷ lít nhiên liệu tái tạo phải được pha trộn với xăng đến năm 2012. Trong 2 năm sau đó, chương trình Nhiên liệu tái tạo phiên bản 2 được triển khai đã yêu cầu tăng lượng cũng như chủng loại NLSH phải được sử dụng nhằm giảm tối đa sự phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính.

Tại Mỹ, etanol sản xuất chủ yếu từ ngô. Đạo luật về an ninh và độc lập năng lượng ban hành năm 2007 đã giúp Mỹ vượt qua Brazil để trở thành nước sản xuất etanol lớn nhất thế giới. Dưới đạo luật này, chương trình nhiên liệu tái tạo của Mỹ ban đầu đặt chỉ tiêu năm 2008 pha 29 tỷ lít NLSH vào xăng, nhưng thực tế năm 2008 đạt đến 32 tỷ lít và chỉ tiêu đề ra cho năm 2022 là 137 tỷ lít.

Trong những năm qua, Chính phủ Mỹ cũng có chương trình hỗ trợ sản xuất etanol cho các nhà máy chế biến với những chính sách ưu đãi đặc biệt bao gồm các khoản tín dụng

-14-

thuế cho doanh nghiệp, hỗ trợ nhà nước cho nghiên cứu và phát triển ... Bên cạnh đó việc giảm thuế nhập khẩu cho etanol, đề ra những nguyên tắc sử dụng, pha chế etanol với xăng và những đạo luật về việc chế tạo động cơ, ô tô có khả năng sử dụng hỗn hợp E15 và E85.

d) Philippines.

Philippines là quốc gia tiên phong ở Châu Á trong việc thực hiện chương trình NLSH bằng việc sử dụng NLSH tái tạo vào năm 2006. Theo đó, toàn bộ các sản phẩm nhiên liệu tiêu thụ nội địa phải pha trộn NLSH 2% Bio-diesel và 10% Bio-etanol vào tháng 2/2012.

Philippines hiện có 9 nhà máy sản xuất, cung cấp 395 triệu lít Bio-diesel và 3 nhà máy sản xuất, cung cấp 79 triệu lít Bio-etanol ra thị trường. Tuy nhiên, nhu cầu tiêu thụ NLSH của Philippines hiện nay rất cao. Ước tính năm 2012, Philippines cần 149 triệu lít Bio- diesel và 420 triệu lít Bio-etanol để đáp ứng nhu cầu trong nước. Để bù đắp cho sự thiếu hụt nguồn cung trong khi nhu cầu trong nước đang ngày càng tăng cao, từ cuối năm 2013 Philippines sẽ đưa vào vận hành 3 nhà máy etanol với tổng công suất 133 triệu lít.

e) Thái lan.

Ngày 27/12/2011, Chính phủ Thái lan phê duyệt và ban hành chương trình phát triển năng lượng tái tạo trong 10 năm (2012 - 2021) nhằm tăng lượng sử dụng NLSH trên toàn quốc từ 1,1 triệu lít ngày (tương đương 9,4% tổng tiêu thụ năng lượng) lên 9 triệu lít ngày vào năm 2021 (tương đương 25% tổng tiêu thụ năng lượng). Mục tiêu chính của chương trình này nhằm giảm 80% lượng dầu mỏ nhập khẩu.

Thái lan đã bắt đầu cung cấp xăng pha cồn cho các phương tiện vận tải vào năm 2005. Người tiêu dùng có thể chọn mua E10 với giá giảm đáng kể so với xăng thông thường. Tại thời điểm đó, hầu hết các phương tiện vận tải đường bộ ở Thái lan có thể sử dụng xăng pha cồn E10 mà không ảnh hưởng gì. Chính phủ đã công bố một danh sách của tất cả các xe có thể sử dụng xăng E10 và phát hành rộng rãi tại tất cả các trạm xăng dầu trên cả nước. Hầu hết ô tô sản xuất sau năm 1983 đều có thể sử dụng E10.

Hiện tại hầu hết các trạm xăng tại Thái Lan đều bán xăng E20 và đây là loại xăng thông dụng nhất tại Thái Lan vì tất cả các loại ô tô đời mới đều có thể sử dụng loại xăng này, giá cả thấp hơn 5 Baht/lít so với xăng E10. Đối với E85, hiện Thái Lan có khoảng 150 điểm bán, chủ yếu tại Bangkok và đang sử dụng ngày một nhiều hơn. Loại xăng này chỉ có thể sử dụng cho các loại phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV). Loại phương tiện này có một hệ thống nhiên liệu điện tử đặc biệt cho phép vận hành trên bất cứ loại xăng pha etanol nào với tỷ lệ etanol từ 0% - 80%.

1.2.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ở Việt Nam

Sản xuất etanol theo công nghiệp ở nước ta đã bắt đầu từ năm 1898 do người Pháp thiết kế và xây dựng. Trước Cách mạng Tháng Tám ở nước ta có các nhà máy ancol Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán và Cái Rằng. Tất cả đều sản xuất từ ngô, gạo theo phương pháp amylo. Sau ngày hoà bình lập lại (1955), các nhà máy không còn thiết bị nguyên vẹn nên chính phủ ta tập trung cải tạo, sửa chữa thành nhà máy ancol Hà Nội với năng suất 6 triệu lít/năm.

-15-

Đến năm 1960, chúng ta có thêm hai nhà máy etanol từ rỉ đường là Việt Trì - Phú Thọ và Sông Lam - Nghệ An. Năng suất mỗi nhà máy là 1 triệu lít. Trong những năm chống Mỹ cứu nước, các tỉnh và địa phương xây dựng thêm hàng loạt các nhà máy ancol cỡ 1 triệu lít/năm như Lục Ngạn - Hà Bắc, Hứng Nhân - Thái Bình. Ngoài ra hầu hết ở các tỉnh cũng xây dựng các phân xưởng etanol cỡ nhỏ 100000lít/năm. Tổng năng suất của các nhà máy lớn nhỏ là 15 triệu lít/năm.

Sau năm 1975, chúng ta tiếp quản và xây dựng thêm các nhà máy rỉ đường và một số cơ sở tư nhân khác. Thời điểm 1980 - 1985 tổng lượng etanol sản xuất hàng năm là trên 30 triệu lít. Có thể nói, thời gian này lượng etanol trong cả nước là lớn nhất, vừa xuất khẩu vừa tiêu thụ trong nước.

Tính đến tháng 12/2012, cả nước đã có 6 nhà máy (Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công ty Cổ phần Đồng Xanh; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công ty TNHH Tùng Lâm; Nhà máy sản xuất Etanol – Công ty TNHH Đại Việt; Nhà máy sản xuất Bio- etanol Đăk Tô – Kum Tum; Nhà máy sản xuất Etanol sinh học Dung Quất; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu Bình Phước) sản xuất NLSH đi vào hoạt động với tổng công suất thiết kế khoảng 535 triệu lít etanol/năm đủ để pha khoảng trên 1054 triệu lít xăng E5 hoặc trên 526 triệu lít xăng E10.

Sản phẩm của các công ty này được tiêu thụ trong nước khoảng 20% để phối trộn xăng E5 và bán theo hệ thống phân phối của Tập đoàn Dầu khí và của Công ty Sài Gòn Petro. Phần còn lại khoảng 80% sản lượng sản xuất được xuất khẩu cho các nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, Philippine ở dạng 95,5 và 96% etanol.

Hiện cả nước có một số dự án đầu tư xây dựng nhà máy (Nhà máy sản xuất Etanol sinh học Phú Thọ; Nhà máy cồn sinh học Việt – Nhật) sản xuất etanol nhiên liệu đang trong giai đoạn hoàn tất chuẩn bị đưa vào vận hành với công suất thiết kế đạt khoảng 220 triệu lít etanol/năm

Ngoài các nhà máy trong giai đoạn hoàn tất chuẩn bị đưa vào sản xuất trong năm 2012, hiện nay còn một số các dự án đã được các tỉnh phê duyệt đầu tư (Nhà máy sản xuất Bio-etanol nhiên liệu – Công ty Cổ phần Tấn phát; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công ty cổ phần Thảo Nguyên; Nhà máy liên hợp sản xuất Etanol, phân bón và thức ăn gia súc – Công ty cổ phần Bio-etanol Thái – Việt; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công ty cổ phần Quy Nguyên; Nhà máy sản xuất Etanol nhiên liệu – Công ty cổ phần Năng lượng xanh dầu khí toàn cầu – Energreen) đang tiến hành xây dựng dự kiến hoàn thành và đưa vào sản xuất giai đoạn từ năm 2013 đến 2015. Theo số liệu báo cáo của các Công ty, tổng năng lực sản xuất của nhóm này đạt khoảng 350 triệu lít etanol nhiên liệu/năm. Nếu các dự án đầu tư được triển khai đúng tiến độ, đến năm 2015, cả nước sẽ có 13 nhà máy sản xuất etanol nhiên liệu với tổng công suất thiết kế đạt khoảng 1,100 triệu lít đủ để phối trộn 8,5 triệu tấn xăng E10 và nhu cầu sử dụng sắn đạt 2,15 triệu tấn sắn lát khô.

Tình hình sản xuất etanol tại Việt Nam có những thuận lợi và khó khăn như sau:

Thuận lợi:

Việt Nam tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối đáng kể là những sản phẩm thừa trong

-16-

quá trình chế biến nông lâm sản như rơm rạ, trấu, cỏ, lá, mùn cưa, bã mía và một số chất thải nông nghiệp khác. So với nguồn nhiên liệu sinh khối từ gỗ khoảng 75-80 triệu tấn/năm, tương đương 26-28 triệu tấn dầu/năm. Năng lượng sinh khối từ phụ phẩm nông nghiệp chiếm khoảng 30 triệu tấn/năm tương đương với 10 triệu tấn dầu/năm trong đáng kể là các nguyên liệu trấu, rơm rạ, bã mía, mùn cưa. Nguồn nhiên liệu sinh khối từ vỏ trấu là đáng kể nhất ở Việt Nam khoảng 5-7 triệu tấn/năm trong đó đồng bằng sông Cửu Long có khoảng 4,5-5 triệu tấn/năm. Phụ phẩm thứ 2 có thể kể đến là vỏ cà phê, vỏ cà phê hoàn toàn có thể dùng để sản xuất etanol.

Việt Nam còn có vùng nguyên liệu sắn rộng lớn. Cây sắn đã chuyển đổi vai trò từ cây lương thực thành cây công nghiệp với tốc độ cao, năng suất và sản lượng sắn đã tăng nhanh ở thập kỷ đầu của thế kỷ XXI.

Khó khăn:

Ngày 15/09/2008, tổng công ty Dầu Khí Việt Nam (PV Oil) thuộc Petro Việt Nam đã bán xăng pha 5% etanol (E5) ra thị trường với giá 16.500 đồng/lít, rẻ hơn giá xăng A92 lúc đó 500 đồng/lít. Tuy nhiên chỉ 6 ngày sau (20/09), việc bán xăng pha etanol ra thị trường bị dừng lại do chưa có tiêu chuẩn về xăng sinh học.

Mặc dù nhà nước đã có đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” được ký duyệt vào cuối năm 2007 nhưng vẫn chưa có những chính sách cụ thể để khuyến khích cũng như hỗ trợ các nhà khoa học, doanh nghiệp và người dân cùng thực hiện. Các công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học được công bố còn ít, các công trình đã công bố thì lại gặp khó khăn trong việc triển khai sản xuất và ứng dụng. Các doanh nghiệp không mặn mà với việc sản xuất nhiên liệu sinh học.

Hiện nay, nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch để chạy động cơ do một số doanh nghiệp nắm giữ và mang tính độc quyền, để thuyết phục họ chuyển dần sang kinh doanh nhiên liệu sinh học là rất khó. Các doanh nghiệp khác thì chưa đủ tiềm lực để có thể áp dụng và kinh doanh nhiên liệu sinh học. Mặt khác để đầu tư cho dây chuyền sản xuất nhiên liệu sinh học theo quy mô công nghiệp thì yêu cầu nguồn vốn lớn, điều này không phải doanh nghiệp nào ở Việt Nam cũng có thể đáp ứng được.

Muốn phát triển nhiên liệu sinh học thì phải có nguồn nguyên liệu cung cấp để sản xuất. Tuy nhiên, hiện nay có một số vùng trồng nguyên liệu nhưng mang tính chất manh mún, nhỏ lẻ gây khó khăn cho việc sản xuất theo quy mô công nghiệp.

Một yếu tố quan trọng nữa là người tiêu dùng ở nước ta từ trước đến nay vẫn quen dùng nhiên liệu truyền thống, chưa có những chiến dịch tuyên truyền người dân sử dụng nhiên liệu sinh học. Mặt khác, giá thành của xăng sinh học còn cao, chưa khuyến khích được người tiêu dùng sử dụng.

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định 177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” [5]. Đề án xây dựng mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh học theo từng giai đoạn, bao gồm các vấn đề về cơ chế chính sách, quy hoạch vùng nguyên liệu, đào tạo nguồn nhân lực, nghiên cứu làm chủ công nghệ chế biến phối trộn xăng sinh học. Theo đó, đến năm 2015 sản

-17-

lượng etanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước; và đến năm sản lượng này đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước.

1.2.4. Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ trên thế giới

Do có một số tính chất của etanol khác với xăng truyền thống nên để ứng dụng trong thực tế nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học tới tính năng kỹ thuật, phát thải và độ bền của động cơ.

1.2.4.1. Ảnh hưởng của xăng sinh học tới tính năng kỹ thuật động cơ

Động cơ sử dụng xăng sinh học thường cho kết quả về công suất, mômen tốt hơn, tuy nhiên tiêu hao nhiên liệu có thể cao hơn so với xăng truyền thống. Thử nghiệm với động cơ 4 xylanh, phun xăng điện tử, tỷ số nén 9,8:1 với xăng E10 tại chế độ toàn tải [20] cho thấy công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu đều tăng chút ít so với khi sử dụng xăng thông thường (Hình 1.6). Lượng ô xy sẵn có trong xăng sinh học giúp cải thiện quá trình cháy tăng công suất động cơ, tuy nhiên nhiệt trị của xăng sinh học thấp hơn nên suất tiêu thụ nhiên liệu tăng so với khi sử dụng xăng thông thường.

a) b)

Thử nghiệm tương tự với động cơ xăng 4 xylanh, tỷ số nén 9:1 đối với xăng sinh học có tỷ lệ etanol biến thiên từ 0% đến 25%, ở các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph và bướm ga mở 75% cũng cho thấy tính năng kỹ thuật của động cơ được cải thiện [21]. Khi tăng tỷ lệ etanol, hệ số dư lượng không khí tương đương (tỷ lệ nghịch với hệ số dư lượng không khí lambda) giảm xuống, tức là hỗn hợp có xu hướng nhạt dần (Hình 1.7a). Điều này gây bởi hai nguyên nhân:

- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 đơn vị khối lượng xăng sinh học

giảm,

- Lượng ôxy nạp vào trong xylanh động cơ tăng vì ngoài lượng ôxy trong không khí nạp

còn có một lượng ôxy chứa sẵn trong xăng sinh học.

Tuy nhiên, khi nồng độ etanol lớn hơn 20%, hệ số dư lượng không khí tương đương biến thiên theo chiều ngược lại vì mật độ nhiên liệu lúc này tăng làm giảm lượng không khí thực tế đi vào xylanh.

-18-

Hình 1.6. Công suất (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) khi sử dụng E0 và E10 [20]

b) a)

Với tỷ lệ etanol nhỏ hơn 20%, hệ số nạp của động cơ tăng khi tăng tỷ lệ etanol trong xăng sinh học do nhiệt độ của môi chất nạp giảm xuống (Hình 1.7b). Tăng tỷ lệ etanol làm tăng độ bay hơi và nhiệt ẩn của xăng sinh học dẫn đến nhiệt độ khí nạp giảm. Tuy nhiên, tỷ lệ etanol lớn lại làm tăng nhiệt dung riêng (vì nhiệt dung riêng của etanol cao hơn của xăng thông thường) nên nhiệt độ của khí nạp tăng lên. Như vậy tăng tỷ lệ etanol sẽ có hai tác dụng ngược nhau đối với nhiệt độ môi chất nạp và giá trị nhiệt độ này sẽ tùy vào ảnh hưởng của yếu tố nào mạnh hơn. Với tỷ lệ etanol nhỏ hơn 20%, ảnh hưởng của sự tăng độ bay hơi và ẩn nhiệt của xăng sinh học lớn hơn nên nên hệ số nạp tăng, trong khi với tỷ lệ etanol lớn hơn nữa thì ảnh hưởng của nhiệt dung riêng lớn hơn nên hệ số nạp có xu hướng giảm dần. Mômen động cơ cũng có xu hướng biến thiên tương tự như hệ số nạp và Suất tiêu thụ nhiên liệu cũng có sự thay đổi tương ứng (Hình 1.8).

Hình 1.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương (a) và hệ số nạp (b) [21]

b) a)

Với tỷ lệ etanol cao hơn, thử nghiệm trên động cơ phun xăng điện tử trong điều kiện góc đánh lửa tối ưu (MBT, góc đánh lửa tại đó mômen đạt lớn nhất), hệ số dư lượng không khí được duy trì bằng 1, tỷ số nén 10:1 cho thấy mômen tăng khoảng 2%, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng khoảng 20,3% và 45,6% đối với E50 và E85 so với E0 [22]. Điều này cho

-19-

Hình 1.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới mômen động cơ (a) và Suất tiêu thụ nhiên liệu (b) [21]

thấy mặc dù nhiệt trị của xăng sinh học thấp hơn xăng thông thường, tuy nhiên các yếu tố như sự có mặt của ôxy trong nhiên liệu, khối lượng riêng tăng, nhiệt hóa hơi lớn làm giảm nhiệt độ khí nạp và tăng hệ số nạp đã dẫn tới sự tăng mômen khi sử dụng xăng sinh học. Một thử nghiệm khác với dải tỷ lệ etanol rộng hơn, từ 0 đến 100%, ở cùng chế độ tốc độ và công suất, hiệu suất nhiệt động cơ đạt được lớn nhất với E60 và suất tiêu thụ nhiên liệu tăng cùng với tỷ lệ của etanol trong nhiên liệu [23].

Nghiên cứu trên động cơ có thiết kế cũ, trang bị bộ chế hòa khí cho thấy với xăng E10, E20 và E30 công suất động cơ tăng và suất tiêu thụ nhiên liệu giảm so với xăng thông thường [24]. Nguyên nhân được giải thích là do sự tăng lên của khối lượng nhiên liệu nạp vào, của hệ số nạp và trị số Octan.

Xăng sinh học có trị số Octan lớn hơn xăng thông thường nên có thể tăng tỷ số nén của động cơ mà không gây hiện tượng kích nổ. Thông thường, khi trị số Octan tăng 5 đơn vị thì có thể tăng tỷ số nén lên 1 đơn vị [23], như vậy nếu sử dụng etanol cho động cơ xăng thông thường (tỷ số nén 9:1, xăng 95) có thể tăng tỷ số nén tới 14:1 giúp nâng cao hiệu suất nhiệt. Tăng tỷ số nén từ 10:1 lên 11:1 khi sử dụng E50 và E85 giúp mômen động cơ tăng từ 2% lên 2,3% và 2,8% trong khi giảm mức tăng Suất tiêu thụ nhiên liệu từ 20,3% và 45,6% xuống còn 16,1% và 36,4% [22]. Đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ etanol và tỷ số nén đến đặc tính động cơ cho thấy tỷ số nén tối ưu (công suất đạt lớn nhất) là 8, 10 và 12 tương ứng với xăng E10, E20 và E30 [25]. Việc tăng tỷ số nén có thể được thực hiện bằng cách thiết kế lại piston và chú ý tới khả năng chịu bền của xécmăng, thanh truyền, xupáp, bugi và tính cân bằng của trục khuỷu [26].

1.2.4.2. Ảnh hưởng của xăng sinh học tới chất lượng phát thải

Hầu hết các kết quả thử nghiệm đều cho thấy sử dụng xăng sinh học có thể giảm đáng kể HC, CO, tuy nhiên lượng CO2 có xu hướng tăng và NOx thay đổi tùy từng trường hợp [18, 21, 22, 27, 28]. Nghiên cứu đối với xăng sinh học có tỷ lệ cồn tới 25% ở các tốc độ khác nhau đã đề cập ở trên [21] cho thấy khi tỷ lệ etanol tăng, tốt nhất là với E20, lượng phát thải CO, HC giảm và CO2 tăng (Hình 1.9). Đây là kết quả của quá trình cháy được cải thiện nhờ các ưu điểm của xăng sinh học ở trên và phù hợp với xu hướng thay đổi của mômen động cơ.

Thử nghiệm với E50 và E85 cũng cho thấy CO và đặc biệt HC giảm nhiều so với xăng thông thường [22]. Hàm lượng NOx trong trường hợp này có xu hướng giảm (Hình 1.10). Sự hình thành NOx chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ đỉnh và lượng ôxy có mặt trong quá trình cháy, trong đó hình thành nhiều nhất tại nhiệt độ trên 15000C và hỗn hợp hơi nhạt (hệ

-20-

Hình 1.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải CO, HC và CO2 [21]

số dư lượng không khí lớn hơn 1 một chút) [29, 30]. Sự giảm NOx được giải thích do nhiệt hóa hơi của E50 và E85 lớn hơn E0 nên làm giảm nhiệt độ màng lửa. Kết quả giảm NOx cũng thu được ở một số nghiên cứu khác [27,28].

Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác cho kết quả hàm lượng NOx tăng khi tăng tỷ lệ etanol trong nhiên liệu [31, 32]. Thử nghiệm đối với động cơ có bộ chế hòa khí, không điều chỉnh lượng nhiên liệu theo tỷ lệ etanol trong xăng sinh học (điều khiển vòng hở) theo chu trình thử FTP75, khi tỷ lệ etanol tăng từ 0 đến 20% thì lượng HC và CO giảm trong khi NOx tăng khoảng 30% với E20 [31]. Cũng với chu trình thử FTP nhưng với các động cơ phun xăng điện tử điều khiển vòng kín và xăng sinh học có tỷ lệ cồn từ 0% đến 40% cho thấy NOx tăng chậm đều tới E30 (tăng khoảng 28% với E30) nhưng sau đó tăng nhanh (tới 90% với E40) [32]. Kết quả này cũng phù hợp với thử nghiệm E20 trên một số mẫu xe sản xuất năm 2001 với chu trình thử Australia ADR37/01 [33], trung bình NOx tăng tới 48% so với trường hợp sử dụng xăng thông thường, trong khi HC và CO giảm cùng với xu hướng ở trên (Hình 1.11).

Hình 1.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới phát thải NOx [22]

Trong trường hợp giữ cố định lượng nhiên liệu cung cấp và lượng không khí nạp, khi tăng tỷ lệ etanol trong xăng sinh học làm cho hỗn hợp nhạt dần (lambda tăng) và có ảnh hưởng khá rõ rệt tới hàm lượng NOx. Với hệ số lambda ban đầu là 0,847, tức là hỗn hợp hơi đậm, thử nghiệm trên động cơ 1 xylanh [34] cho thấy khi tỷ lệ etanol tăng đến 20%, lambda tăng đến 0,925 và hàm lượng NOx tăng tới 60% (Hình 1.12).

Hình 1.11. Thay đổi về phát thải đối với mẫu xe năm 2001 theo chu trình thử ADR37/01 khi sử dụng E20 [33]

Hàm lượng NOx được cho là phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ nhiều hơn là tỷ lệ etanol trong nhiên liệu [31]. Thử nghiệm với xăng sinh học có tỷ lệ etanol tới 30% trên động cơ phun xăng điện tử đa điểm có điều khiển vòng kín ở các vị trí bướm ga khác

-21-

Hình 1.12. Hàm lượng phát thải khi giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp [34] Hình 1.13. Sự thay đổi hàm lượng NOx khi sử dụng xăng sinh học so với xăng thông thường [31]

nhau tại tốc độ 3000 v/ph cho thấy (Hình 1.13) ở vị trí tải nhỏ và trung bình, NOx giảm với hầu hết các loại xăng sinh học, trừ E10; ở chế độ tải lớn NOx tăng với E5 và E20 trong khi lại giảm với E10. NOx với E30 luôn có xu hướng giảm ở các chế độ tải thử nghiệm.

Xăng sinh học có thể làm tăng một số hợp chất carbonyl không quy định trong tiêu chuẩn như formaldehyde, acetaldehyde và acetone; tuy nhiên, lại làm giảm hàm lượng benzen, toluene là các chất có mức độ độc hại rất cao trong khí thải động cơ sử dụng xăng thông thường (Hình 1.14) [35]. Vì vậy sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol cao vẫn đảm bảo cải thiện được môi trường tốt hơn.

1.2.4.3. Ảnh hưởng tới vật liệu của các chi tiết

Động cơ đốt trong nói chung và hệ thống nhiên liệu nói riêng gồm nhiều chi tiết có vật liệu khác nhau và cần phải đảm bảo phù hợp với loại nhiên liệu sử dụng. Tùy vào hàm lượng etanol trong nhiên liệu, động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học trên có thể cần có thay đổi nhất định. Bảng 1.4 trình bày những cải tiến cần thiết theo những khuyến cáo về cải tiến động cơ của Brazin khi bắt đầu chương trình sử dụng etanol ở Brazin năm 1979 [36].

Hình 1.14. So sánh hàm lượng benzen và toluene trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng thông thường, E3 và E10 [35]

c á

i

i

a ử

ị

l

g n ộ đ

t c ú x i

i

i

u ệ

u ệ

o a c u ệ

u ệ

i l

i

i

i

i

u ệ

h n ạ

n ê h n n u h p g n ố h t ệ H

ế h c ộ B

i l

p á u h c n ậ h p ộ b c á C

i l n ê h n t ấ u s

n ê h n m ơ B

i l n ê h n c ọ L

h n á đ g n ố h t ệ H

ơ h a ó h g n ố h t ệ H

i l n ê h n h n ì B

ổ đ n ể y u h c ộ B

a ủ c n ả b ơ c t ế i t i h c c á C

ơ c g n ộ đ

u ầ d m ơ B

p ạ n g n ờ ư Đ

ả h t g n ố h t ệ H

ở h k g n ố h t ệ H

l

Tỷ lệ etanol trong hỗn hợp nhiên liệu

Với bất kỳ phương tiện nào

Dưới 5%

Với những phương tiện đến 15 - 20 năm tuổi

5-10%

10-25%

25-85%

Trên 85%

Không cần thiết

Có thể cần thiết

-22-

Bảng 1.4. Những cải tiến cần thiết khi sử dụng xăng sinh học [36]

Theo đó, động cơ xăng thông thường có thể sử dụng đến E10 mà không cần phải thay đổi, ngoại trừ cần chú ý một số chi tiết trong bộ chế hòa khí. Xăng sinh học có khả năng ăn mòn bởi các yếu tố như tính axít, hoạt tính và các phản ứng hóa học trực tiếp giữa etanol và một số kim loại [37]. Etanol trong xăng sinh học có thể hấp thụ và hòa tan nước tạo ra dung dịch có tính axít yếu. Không giống như xăng thông thường, etanol nguyên chất hoặc khi kết hợp với nước có khả năng dẫn điện gây ăn mòn các bề mặt kim loại tiếp xúc. Xăng sinh học có thể ăn mòn các chi tiết bằng nhôm hợp kim, hấp thụ chì trong hợp kim bị gây rỗ bề mặt chi tiết, gia tăng hiện tượng ăn mòn đối với chi tiết bằng thép. Do vậy khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn các chi tiết bằng vật liệu này có thể bị ảnh hưởng và cần phải được bổ sung thêm các chất ức chế ăn mòn. Những tác động của xăng sinh học ảnh hưởng tới chức năng làm việc của các chi tiết và chất lượng động cơ. Mặc dù chưa nhiều nhưng đến nay đã có một số nghiên cứu nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng cũng như khả năng tương thích của các chi tiết và vật liệu các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu động cơ xăng truyền thống với xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn.

Thử nghiệm đối với các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu động cơ xe con, động cơ xuồng máy và động cơ máy tỉa cây với xăng E20 đã được thực hiện tại Australia [38, 39]. Dựa trên quy trình tiêu chuẩn SAE J1747 và SAE J1748, trong nghiên cứu này các chi tiết kim loại được ngâm ở nhiệt độ 450C, chi tiết phi kim (nhựa và vật liệu đàn hồi) được ngâm ở nhiệt độ 550C, thời gian ngâm là 2000 giờ. Kết quả cho thấy đều xuất hiện hiện tượng ăn mòn đối với các chi tiết kim loại (Hình 1.15). Các ôxít bong tách từ bề mặt chi tiết kim loại có thể trở thành các hạt mài gây mài mòn các chi tiết chuyển động hoặc gây tắc trên đường nhiên liệu. Các chi tiết bằng đồng và chi tiết tiếp xúc điện sau khi ngâm đều bị xỉn màu, giảm độ bóng bề mặt (Hình 1.16, Hình 1.17) có thể dẫn tới sai lệch về thành phần hòa khí cung cấp cho động cơ (trường hợp gíclơ nhiên liệu, vít điều chỉnh nhiên liệu trong bộ chế hòa khí bị ôxy hóa) và giảm khả năng dẫn điện của các chi tiết tiếp xúc điện (trường hợp các giắc nối, đầu tiếp điện của bơm nhiên liệu…).

Hình 1.15. Vỏ bơm nhiên liệu (đặt trong thùng nhiên liệu) trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39]

-23-

Hình 1.16. Vít điều chỉnh không tải (bằng đồng) của bộ chế hòa khí trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39]

Hình 1.17. Lõi bơm nhiên liệu trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 450C [38, 39]

a) b) b) a)

Các chi tiết phi kim có những thay đổi đáng kể sau khi ngâm trong E20: các màng cao su bị đổi màu, biến dạng (Hình 1.18), các ống cao su trương nở và tách ra khỏi ống nối (Hình 1.19).

Một nghiên cứu tương tự thực hiện đối với các mẫu vật liệu thường sử dụng của các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu, 19 mẫu kim loại được ngâm ở 450C trong 2016 giờ, 8 mẫu phi kim ngâm ở 550C trong 3024 giờ trong nhiên liệu E10 và E20 giả định [40, 41]. Hầu hết các mẫu kim loại thử nghiệm đều có sự thay đổi về màu sắc và khối lượng thay đổi từ 0,0008 gam trở lên sau khi ngâm. Đặc biệt với 2 mẫu kim loại magiê và hợp kim thiếc nhôm có sự suy giảm khối lượng lớn tới 0,0185 gam và 0,338 gam và xuất hiện nhiều vết rỗ trên mẫu hợp kim thiếc nhôm [40]. Hai mẫu vật liệu này thường dùng cho các chi tiết trong bộ chế hòa khí và bơm màng. Tương tự hầu hết các mẫu phi kim cũng thay đổi màu sắc, khối lượng, thể tích và độ bền kéo sau khi ngâm trong E10 và E20. Hai mẫu vật liệu polyurethane 55D-90 Adurameter hardness (PUR) và polyvinyl chloride flexible version (PVC) có sự thay đổi lớn nhất. Mẫu PUR có khối lượng tăng tới khoảng 39%, thể tích tăng 60,3% và thậm chí bị gãy vỡ trước khi thực hiện độ bền kéo sau khi ngâm trong E20 (độ bền kéo giảm 72,7% sau khi ngâm trong E10). Mẫu PVC có sự thay đổi ngược lại về khối lượng và thể tích, giảm trung bình khoảng 31% và 35% sau khi ngâm đối với cả 3 nhiên liệu, tuy nhiên độ bền kéo giảm nhiều nhất tới 40% với E20 [41].

Hình 1.18. Màng van bơm nhiên liệu trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 550C [38, 39] Hình 1.19.Van thông khí cácte trước (a) và sau (b) khi ngâm trong E20, thời gian 2000h, nhiệt độ là 550C [38, 39]

1.2.5. Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho động cơ ở Việt Nam

Ở Việt Nam, nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học etanol-xăng trên động cơ xăng ở các tỷ lệ 5% và 10% (E5 và E10) đã được đề cập trong các nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Động cơ đốt trong, Đại học Bách khoa Hà Nội [6] và Đại học Bách khoa Đà Nẵng [7]. Các kết quả nghiên cứu đều phản ánh tích cực tính tương đồng về các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải cũng như một số kết quả khá khiêm tốn liên quan đến độ bền,

-24-

tuổi thọ của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng truyền thống và xăng sinh học. Thử nghiệm trên xe máy trang bị bộ chế hòa khí với nhiên liệu xăng RON92 thông thường, E5 và E10 [6] cho thấy khi sử dụng E5, công suất và lực kéo lần lượt tăng 6,50% và 6,24% so với khi sử dụng nhiên liệu RON92, suất tiêu thụ nhiên liệu giảm tới 6,37% nhờ công suất được cải thiện trong khi lượng nhiên liệu tiêu thụ tính theo kg trên giờ (kg/h) gần như không thay đổi (Hình 1.20).

Cải thiện(%)

40

E5

E10

31,67

30

16,94

20

11,64

10

11,37

5,03

4,43

6,50

6,24

0

-6,37

-5,41

-10

-14,40

-16,06

-17,21

-20

-21,65

-30

Cùng với đó, các thành phần phát thải CO và HC giảm lần lượt là 14,40% và 21,65% đối với nhiên liệu E5 so với khi sử dụng xăng RON92. Đây là kết quả rất có lợi đối với môi trường, nhất là đối với thành phần phát thải CO, một thành phần phát thải được quan tâm nhất đối với động cơ xe máy. Quá trình cháy được cải thiện nhờ hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu đồng đều hơn do khả năng bay hơi tốt và do lượng ôxy sẵn có của nhiên liệu E5. Tuy nhiên, phát thải NOx và CO2 trong trường hợp sử dụng E5 và E10 cao hơn so với xăng RON92. Đây là hệ quả của việc quá trình cháy trong động cơ được cải thiện: nhiệt độ cháy tăng làm tăng phát thải NOx, nhiên liệu cháy kiệt nên hầu hết hyđrô cácbon đều được chuyển thành CO2.

Nghiên cứu đánh giá độ bền động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu E5 so với nhiên liệu xăng RON92 thị trường đã được thực hiện khá bài bản và chi tiết [7]. Theo đó, động cơ của hai ô tô tải hoàn toàn mới của hãng Suzuki đã được vận hành trong điều kiện đối chứng trên băng thử của phòng thí nghiệm, một xe sử dụng nhiên liệu E5, xe còn lại sử dụng nhiên liệu xăng RON92 thị trường. Kết quả thử nghiệm bền cho thấy, sau 455 giờ chạy động cơ (tương đương với khoảng 36.000km vận hành ô tô trên đường) thì công suất ở tốc độ 5.500 v/ph và 95% tải của động cơ sử dụng xăng E5 giảm 1,887% trong khi công suất ở cùng chế độ của động cơ dùng nhiện liệu RON92 giảm 2,242%. Như vậy, có thể thấy rằng công suất động cơ sử dụng E5 sau 455 giờ vận hành suy giảm ít hơn so với động cơ sử dụng xăng thông thường. Mức độ tăng tiêu hao nhiên liệu (tính theo kg/giờ) sau 455 giờ vận hành động cơ cũng cho thấy tác động tích cực của nhiên liệu E5, tiêu thụ nhiên liệu của động cơ sử dụng E5 tăng 3,977%, trong khi giá trị này là 4,406% đối với trường hợp sử dụng xăng thị trường. Qua các kết quả trên, có thể nhận định rằng, áp suất nén, độ mòn các chi tiết của động cơ khi sử dụng E5 là tương đồng, thậm chí tốt hơn, so với khi sử dụng xăng thông thường.

Nghiên cứu của Viện dầu khí Việt Nam [7] cũng đã chỉ ra rằng nhiên liệu xăng pha

-25-

Hình 1.20. So sánh các thông số của động cơ xe máy khi sử dụng E5 và E10 với RON92[6]

cồn etanol E5 hoàn toàn không xẩy ra hiện tượng tách lớp sau 60 ngày theo dõi trong môi trường kín. Điều này là một cơ sở quan trọng trong việc quyết định có nên sử dụng phụ gia chống tách lớp cho nhiên liệu E5 hay không. Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng RON92 và cồn 97 với tỷ lệ 90:10 (hỗn hợp E10) thì hiện tượng mờ đục đã xảy ra ngay sau khi pha trộn nếu không sử dụng phụ gia chống tách lớp. Hiện tượng mờ đục này có xảy ra hay không khi sử dụng hỗn hợp xăng và cồn tuyệt đối E10 vẫn là một câu hỏi cần được các nhà khoa học trong nước giải đáp.

Cũng cần phải kể thêm rằng nghiên cứu sử dụng xăng pha etanol ở Việt Nam còn được thực hiện bởi khá nhiều đơn vị khác và ở nhiều quy mô khác nhau. Đề tài độc lập cấp Nhà nước của KS. Cù Việt Cường, Công ty CP phát triển phụ gia và sản phẩm dầu mỏ (APP) về“Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học có pha etanol và một số hợp chất có nguồn gốc dầu thực vật”, hoàn thành năm 2006 [8]. Nghiên cứu sử dụng etanol E5 trên 50 xe taxi thuộc hiệp hội taxi TP Hà Nội năm 2008 do Công ty Cổ phần Hoá dầu & Nhiên liệu Sinh học Dầu khí, Tập đoàn Dầu khí quốc gia VN thực hiện, tuy nhiên, kết quả nghiên cứu chưa được công bố một cách rộng rãi. Ở thời điểm hiện tại, Viện Dầu khí thuộc Tập đoàn Dầu khí quốc gia VN đang phối hợp với Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện một nghiên cứu về lựa chọn các chất phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu gốc khoáng (xăng và diesel) nhằm đảm bảo yêu cầu về chất lượng nhiên liệu trong quá trình bảo quản và sử dụng, đồng thời đảm bảo tính an toàn môi trường của nhiên liệu.

1.3. Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn

Như đã trình bày ở trên, etanol có một số tính chất khác với tính chất của nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch, vì vậy để động cơ có thể hoạt động một cách hiệu quả khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn etanol lớn, cần thiết phải nghiên cứu và điều chỉnh kết cấu một cách phù hợp. Đặc biệt để tăng khả năng thay thế nhiên liệu truyền thống có thể sử dụng tới E100 trên động cơ xăng thông thường và các nghiên cứu điều chỉnh động cơ trong trường hợp này cũng rõ nét nhất. Một số vấn đề đặt ra khi sử dụng xăng E100 được trình bày dưới đây.

Etanol có trị số Octan (RON và MON) cao, tăng khả năng chống kích nổ, do đó có thể cải tiến tăng tỷ số nén để tăng hiệu suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu, qua đó giảm phát thải CO2.

Lượng ôxy trong cồn etanol chiếm khoảng 35% khối lượng nên nhiệt trị của etanol thấp hơn so với xăng (27 MJ/kg so với 42,7 MJ/kg). Để đảm bảo duy trì năng lượng cung cấp cho động cơ cần phải tăng lượng nhiên liệu cho một chu trình. Tuy nhiên bên cạnh đó, hàm lượng ôxy lớn của etanol cũng có ảnh hưởng tích cực như giúp cải thiện quá trình cháy, nâng cao hiệu suất động cơ, đặc biệt là giảm phát thải độc hại HC và CO của động cơ. Đồng thời, chất lượng quá trình cháy khi sử dụng cồn etanol còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác như chất lượng hình thành hỗn hợp, tốc độ cháy... nên cần tính toán cũng như có phương án cải tiến kết cấu nhằm tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp đảm bảo công suất động cơ không đổi.

Etanol có áp suất hơi bão hòa thấp, khả năng bay hơi thấp, nhiệt hoá hơi cao (gấp 3

-26-

lần so với xăng), etanol khó bay hơi nhất là trong điều kiện nhiệt độ thấp, do đó động cơ khó khởi động lạnh [42].

Khi etanol bay hơi, nhiệt độ môi chất giảm xuống nhiều hơn so với xăng, tăng hệ số nạp, thay đổi các thông số của quá trình cháy như thời gian cháy trễ, tốc độ lan truyền màng lửa ... nên cần thay đổi góc đánh lửa sớm phù hợp.

Etanol có chứa hàm lượng lớn ôxy nên có khả năng ôxy hóa cao, làm cho một số chi tiết kim loại bị ăn mòn, chi tiết phi kim bị lão hóa nhanh. Ảnh hưởng này có thể dẫn tới hiện tượng rò rỉ nhiên liệu, gây nguy hiểm cho phương tiện [42].

1.4. Kết luận chương 1

Nhiên liệu thay thế nói chung, xăng sinh học nói riêng đã được nghiên cứu và ứng dụng cho phương tiện giao thông vận tải ở nhiều nước trên thế giới nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu cho thấy khả năng sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn etanol lớn trên các phương tiện giao thông. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng của xăng sinh học tới động cơ phụ thuộc nhiều vào kết cấu, kiểu loại động cơ, vật liệu chế tạo chi tiết, chế độ làm việc cụ thể đối với từng trường hợp. Ở Việt Nam, Chính phủ đã phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học với mục tiêu đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp vốn là thế mạnh của Việt Nam cũng như tạo việc làm cho người dân, đây cũng là xu hướng phù hợp với tình hình chung của thế giới. Để thực hiện đề án này, nhiên liệu E5 đã được lưu thông và khuyến khích sử dụng trên thị trường, đồng thời lộ trình nâng cao tỷ lệ cồn etanol trong xăng sinh học cũng đã được đặt ra. Tuy nhiên khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn hơn 5% cho động cơ xăng thông thường đang lưu hành ở điều kiện Việt Nam, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã thực hiện, cần đặc biệt quan tâm tới vấn đề tương thích với động cơ gồm tương thích về tính năng và tương thích về vật liệu. Sự cần thiết này thể hiện ở những luận điểm sau:

- Khí hậu nóng ẩm ở Việt Nam là cơ sở cho việc hút ẩm xẩy ra mạnh đối với những động cơ sử dụng xăng sinh học. Nước tích tụ trên các bề mặt ma sát có thể sẽ gây ô xy hóa bề mặt các chi tiết,

- Phương tiện đang lưu hành ở Việt Nam còn nhiều loại có thiết kế cũ, sử dụng chế hòa khí hoặc phương tiện có độ tuổi trên 10 năm. Tác động của xăng sinh học với tỷ lệ etanol lớn đến tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tuổi thọ động cơ của các phương tiện này rõ nét hơn so với những động cơ thế hệ mới,

- Vật liệu chế tạo các chi tiết của động cơ đáp ứng được yêu cầu sử dụng xăng nhưng khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn có thể bị trương nở, lão hóa (đối với các chi tiết phi kim) và ăn mòn hóa học (đối với một số chi tiết kim loại),

- Cồn etanol và xăng sinh học được sản xuất và phối trộn tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu cần đánh giá được một cách toàn diện ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn hơn 5% tới phương tiện đang lưu hành trong điều kiện Việt Nam. Qua đó giúp cho các nhà sản xuất và người sử dụng biết được những tác động có thể xảy ra và những điều chỉnh cần thiết đối với phương tiện khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn.

-27-

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TƯƠNG THÍCH CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG TRUYỀN THỐNG KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC

2.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức

2.1.1. Quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức

Hình 2.1. Diễn biến áp suất trong xylanh động cơ đốt cháy cưỡng bức I: Giai đoạn cháy trễ II: Giai đoạn cháy nhanh III: Giai đoạn cháy rớt

Trong động cơ đốt cháy cưỡng bức, nhiên liệu và không khí được hòa trộn với nhau trên đường ống nạp, đi vào qua xupap nạp vào xylanh, hòa trộn với lượng khí sót còn lại trong xylanh, sau đó hỗn hợp này bị nén lại trong hành trình nén. Cuối hành trình nén, tia lửa điện được phóng ra ở 2 điện cực bugi thực hiện quá trình đốt cháy hỗn hợp. Trong khoảng thời gian ngắn sau khi bugi bật tia lửa điện, năng lượng tỏa ra từ quá trình cháy hỗn hợp rất nhỏ nên không thấy rõ sự khác biệt về áp suất và nhiệt độ trong xylanh so với trường hợp không đánh lửa, đây thường gọi là giai đoạn cháy trễ (Hình 2.1). Sau giai đoạn cháy trễ, màng lửa từ tâm cháy tiếp tục phát triển và lan truyền khắp buồng cháy, đường áp suất khi này tách ra khỏi đường nén và tăng mạnh đến giá trị cực đại sau ĐCT trước khi toàn bộ hòa khí được đốt cháy hoàn toàn. Giai đoạn này gọi là giai đoạn cháy nhanh. Sau đó, áp suất giảm khi thể tích xylanh tăng dần trong phần hành trình giãn nở gọi là giai đoạn cháy rớt.

Toàn bộ quá trình cháy cần diễn ra lân cận ĐCT để mômen và công suất động cơ đạt lớn nhất. Thời gian từ khi hình thành màng lửa trung tâm đến khi màng lửa lan truyền khắp buồng cháy khoảng 30 đến 90 độ góc quay trục khuỷu. Nếu quá trình cháy diễn ra quá sớm công nén sẽ tăng; ngược lại nếu quá trình cháy diễn ra quá muộn, áp suất lớn nhất trong xylanh xuất hiện trong quá trình giãn nở, khi thể tích trong xylanh khá lớn làm giá trị áp suất này giảm dẫn đến công truyền từ lực khí thể cho piston giảm. Thời điểm đánh lửa tối ưu phụ thuộc vào tốc độ phát triển và lan truyền màng lửa, chiều dài quãng đường màng lửa đi qua trong buồng cháy và diễn biến khi màng lửa chạm thành buồng cháy. Các yếu tố này phụ thuộc vào kết cấu và điều kiện làm việc của động cơ, đặc tính của nhiên liệu, của không khí và hỗn hợp khí cháy.

Màng lửa trong quá trình cháy được hình thành và trải qua các giai đoạn khác nhau, bắt đầu từ khi bugi bật tia lửa điện, hình thành trung tâm màng lửa, lan truyền màng lửa khắp buồng cháy và kết thúc cháy khi màng lửa chạm thành vách buồng cháy. Các nghiên cứu cho thấy, sau khi bugi bật tia lửa điện, một màng lửa hình cầu bề mặt gồ ghề được hình thành và phát triển dần (Hình 2.2). Ban đầu của giai đoạn này màng lửa là một lớp mỏng, có số lượng nếp gấp vừa phải, tuy nhiên khi chịu tác động của dòng chuyển động

-28-

rối, số lượng nếp gấp tăng lên. Ảnh hưởng của chuyển động rối thấy rõ qua bề mặt cuộn lại của màng lửa. Thể tích cháy phía sau màng lửa tiếp tục phát triển theo dạng hình cầu, ngoại trừ nơi tiếp giáp với thành buồng cháy. Lượng hòa khí được đốt cháy và mức độ tăng áp suất trở nên đáng kể khi màng lửa đi khoảng 2/3 buồng cháy. Áp suất trong xylanh đạt cực đại khi màng lửa lan tới thành ở xa của buồng cháy.

Hình 2.2. Hình ảnh quá trình cháy trong xylanh nghiên cứu, diễn biến áp suất và lượng khí cháy ở tốc độ 1400v/p, áp suất nạp 0,5atm [56].

Hình dạng bề mặt màng lửa cũng phụ thuộc vào mức độ xoáy lốc của hòa khí. Nếu hòa khí không có xoáy lốc hoặc xoáy lốc ở mức độ bình thường, bề mặt màng lửa phát triển theo dạng hình cầu. Tuy nhiên nếu xoáy lốc của hòa khí mạnh bề mặt màng lửa bị kéo duỗi và biến dạng theo hình dạng của dòng xoáy (Hình 2.3). Mức độ chuyển động rối của hòa khí càng lớn làm tăng độ gồ ghề, tăng nếp gấp trên bề mặt màng lửa làm tăng diện tích bề mặt màng lửa. Diện tích bề mặt màng lửa càng lớn, lượng hòa khí chưa cháy thâm nhập vào màng lửa và tham gia vùng cháy càng lớn, qua đó tăng tốc độ lan truyền màng lửa. Tốc độ lan truyền màng lửa là thông số quan trọng đặc trưng cho quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu, không khí và khí sót. Tốc độ cháy được tính toán khác nhau tùy theo màng lửa chảy tầng hay chảy rối. Với màng lửa chảy tầng trong các hỗn hợp được hòa trộn trước, tốc độ lan truyền màng lửa được định nghĩa là tốc độ màng lửa lan truyền đến phần hòa khí chưa cháy đứng yên phía trước màng lửa. Với màng lửa chảy rối, tốc độ lan truyền màng lửa có thể được tính thông qua tốc độ lan truyền màng lửa chảy tầng và cường độ rối.

-29-

Hình 2.3. Hình dạng bề mặt màng lửa a) Trường hợp hòa khí có xoáy lốc bình thường b) Trường hợp hòa khí có xoáy lốc mạnh

Khi tốc độ động cơ tăng, thời gian của quá trình cháy tính theo góc quay trục khuỷu cũng tăng lên tuy nhiên mức độ tăng chậm hơn so với mức độ tăng tốc độ. Điều này là do khi tốc độ động cơ tăng lên làm tăng mức độ chuyển động rối của hòa khí dẫn đến tăng tốc độ phát triển và lan truyền màng lửa và tốc độ cháy tăng lên.

Thành phần và trạng thái của hòa khí cũng ảnh hưởng tới tốc độ cháy:

- Giảm áp suất nạp trong khi lượng khí sót vẫn duy trì không đổi sẽ kéo dài quá trình

cháy,

- Quá trình cháy nhanh nhất với hòa khí hơi đậm (với hệ số dư lượng không khí khoảng 0,83) và sẽ kéo dài khi hòa khí nhạt dần (nhất là khi hệ số dư lượng không khí lớn hơn 1),

- Lượng khí sót trong hòa khí càng lớn, quá trình phát trỉển và lan truyền màng lửa càng

chậm,

- Thành phần nhiên liệu khác nhau cũng ảnh hưởng tới quá trình cháy.

Những dạng buồng cháy được thiết kế để quá trình cháy diễn ra nhanh (tạo chuyển động rối cho hòa khí) ít nhạy cảm hơn với thành phần cũng như trạng thái nhiệt độ, áp suất của hòa khí so với dạng buồng cháy có quá trình cháy chậm (chuyển động rối nhỏ). Để nâng cao hiệu suất chu trình cần nâng cao tốc độ cháy, giảm thời gian cháy, làm cho áp suất cực đại và nhiệt độ cực đại xuất hiện gần ĐCT, lượng nhiệt sinh ra được tận dụng đầy đủ. Tuy nhiên tốc độ cháy cũng không nên lớn quá, tốc độ tăng áp suất nhanh gây va đập cơ khí, tăng tiếng ồn, rung động, tăng mài mòn các chi tiết và giảm tuổi thọ động cơ. Thông thường giá trị tăng áp suất nằm trong khoảng (1,752,5).105 Pa/độ góc quay trục khuỷu, đồng thời điểm đạt áp suất cực đại xuất hiện sau ĐCT khoảng 10150 [9].

Cũng cần lưu ý thêm là mặc dù tỷ lệ về khối lượng riêng giữa môi chất chưa cháy và khí cháy (u/b) phụ thuộc vào nhiều thông số như hệ số dư lượng không khí, lượng khí sót trong môi chất chưa cháy, nhiệt độ và áp suất môi chất…, tuy nhiên tỷ lệ này thường khoảng bằng 4 với hầu hết các điều kiện vận hành của động cơ đốt cháy cưỡng bức. Đồ thị biểu diễn qua hệ giữa phần khí cháy theo khối lượng xb và phần khí cháy theo thể tích yb với lượng khí sót xr khác nhau thể hiện trên Hình 2.4.

Một số trường hợp quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức có thể diễn ra không bình thường bao gồm hiện tượng kích nổ và cháy bề mặt gây ồn và hư hỏng động cơ:

- Hiện tượng kích nổ xảy ra khi sự tỏa nhiệt quá nhanh của hòa khí cháy gây tăng áp suất cục bộ và sóng áp suất có biên độ lớn lan truyền khắp buồng cháy. Có hai giả thuyết giải thích nguồn gốc kích nổ: giả thuyết tự đánh lửa và giả thuyết nổ. Giả thuyết tự đánh lửa cho rằng khi hòa khí chưa cháy bị nén đến áp suất và nhiệt độ đủ cao để xảy ra quá

-30-

Hình 2.4. Quan hệ giữa xb và yb

trình ôxy hóa nhiên liệu, bắt đầu với những điểm lửa và kết thúc với sự tỏa nhiệt nhanh diễn ra tại một phần hoặc toàn bộ vùng hòa khí chưa cháy. Giả thuyết nổ thì cho rằng, ở điều kiện có thể gây kích nổ, tốc độ lan truyền màng lửa tăng nhanh đến tốc độ âm thanh và đốt cháy phần hòa khí còn lại với tốc độ nhanh lớn hơn nhiều so với thông thường,

- Hiện tượng đánh lửa bề mặt là quá trình đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu - không khí bởi điểm có nhiệt độ cao trên thành buồng cháy như xupap hoặc bugi bị quá nhiệt hoặc cặn cốc nóng đỏ trong buồng cháy…Đánh lửa bề mặt có thể xảy ra trước hoặc sau khi bugi bật tia lửa điện. Khi có đánh lửa bề mặt, một màng lửa rối được hình thành ở các vị trí đánh lửa và lan truyền ra xung quanh khắp buồng cháy tương tự như đối với trường hợp bugi đánh lửa thông thường.

2.1.2. Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng

xăng sinh học

Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng thông thường và cồn etanol (C2H5OH), phương trình cháy của xăng sinh học trong động cơ đốt cháy cưỡng bức có thể được diễn tả như sau [43]:

(1-XE)CnHm+(XE)C2H5OH+a(O2+3,76N2)→

bCO2+dH2O+eN2+fO2+gCO+hH2+iH+jO+kOH+lNO

- a, b, d, e, f, g, h, i, j, k, l: các hệ số, - XE: tỷ lệ mol etanol trong nhiên liệu.

Xăng sinh học có chứa sẵn ôxy nên hỗn hợp công tác trở nên nhạt hơn, tỷ số nhiên

liệu/không khí tương đương khi sử dụng xăng sinh học có thể được tính theo công thức:

(cid:3496)

∅(cid:3029)(cid:2869) = ∅(cid:3008)

((cid:1832)/(cid:1827))(cid:3046)(cid:3008) ((cid:1832)/(cid:1827))(cid:3046)(cid:3029)(cid:2869)

(cid:2025)(cid:3029)(cid:2869) (cid:2025)(cid:3008)

- bl, G: tỷ số nhiên liệu/không khí tương đương khi sử dụng xăng sinh học và xăng

-

thông thường, (F/A)sbl, (F/A)sG: tỷ số nhiên liệu/không khí ở điều kiện cháy lý tưởng với xăng sinh học và xăng thông thường,

- bl, G: khối lượng riêng của xăng sinh

học và xăng thông thường.

Khi tăng tỷ lệ pha trộn etanol trong nhiên liệu, tỷ số nhiên liệu/không khí tương đương có xu hướng giảm (Hình 2.5). Nếu với xăng thông thường tỷ số này là 1,15 thì khi tăng nồng độ cồn tới khoảng 25%, tỷ số này sẽ xấp xỉ bằng 1 [44].

Như trình bày ở các phần trên, etanol

-31-

Hình 2.5. Biến thiên tỷ số nhiên liệu/không khí tương đương theo nồng độ cồn etanol trong xăng sinh học [44]

có nhiệt ẩn cao có thể gây hiệu ứng làm lạnh khí nạp làm tăng hệ số nạp và hiệu suất động cơ. Tỷ lệ nhiên liệu/không khí tương đương ở điều kiện lý tưởng của etanol cao hơn và nhiệt trị thấp hơn so với xăng thông thường, đặc biệt áp suất hơi bão hòa thay đổi khi pha vào xăng thông thường với nồng độ khác nhau. Những yếu tố này có thể dẫn đến diễn biến quá trình cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức khi sử dụng xăng sinh học có điểm khác biệt với xăng thông thường. Trong nghiên cứu trên, ảnh hưởng của nồng độ etanol trong xăng sinh học tới bán kính màng lửa và diện tích màng lửa được thể hiện trên Hình 2.6 và Hình 2.7.

Trong khoảng thời gian cháy trễ, khoảng 100 trước ĐCT, bán kính màng lửa đối với các loại xăng tương tự nhau. Tuy nhiên, trong giai đoạn cháy nhanh, nồng độ cồn etanol trong xăng sinh học có ảnh hưởng đáng kể. Tại ĐCT và sau ĐCT 100, bán kính màng lửa tăng lên khi nồng độ cồn tăng dần đến 25%. Diện tích màng lửa cũng tăng lên khi tăng nồng độ etanol tại thời điểm trước ĐCT 100 và tại ĐCT. Cuối quá trình cháy, màng lửa đã lan truyền khắp buồng cháy và chạm thành buồng cháy. Do đó diện tích màng lửa tại 100 sau ĐCT có xu hướng giảm khi tăng nồng độ etanol tới 25% sau đó tăng lên. Diện tích màng lửa nhỏ nhất với xăng sinh học có nồng độ etanol 25% cho thấy xăng sinh học này có tốc độ cháy nhanh nhất và chạm vào thành buồng cháy sớm nhất.

Hình 2.6. Bán kính màng lửa khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 Hình 2.7. Diện tích màng lửa khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100

Nồng độ etanol trong xăng sinh học cũng có ảnh hưởng tương tự tới tỷ lệ hỗn hợp cháy và thời gian cháy (Hình 2.8, 2.9). Đầu quá trình cháy, tỷ lệ hỗn hợp cháy là không

-32-

Hình 2.8. Tỷ lệ hỗn hợp cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100 Hình 2.9. Thời gian cháy khi sử dụng xăng sinh học tại thời điểm trước ĐCT 100, tại ĐCT và sau ĐCT 100

khác biệt với các nồng độ etanol khác nhau. Trong giai đoạn cháy nhanh, tỷ lệ hỗn hợp cháy tăng lên khi tăng nồng độ etanol và đạt giá trị lớn nhất tại 25% etanol, sau đó giảm dần. Phù hợp với kết quả này, thời gian cháy với xăng sinh học cũng giảm dần khi tăng nồng độ cồn tới 25% và đạt giá trị nhỏ nhất với nồng độ 25% etanol sau đó có xu hướng tăng lên.

Các kết quả trên cho thấy tốc độ cháy của xăng sinh học nhanh hơn so với xăng thông thường khi tăng nồng độ etanol tới một giá trị nhất định. Sau đó, nếu tiếp tục tăng nồng độ cồn, tốc độ cháy sẽ giảm đi.

2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán chu trình công tác động cơ sử dụng

xăng sinh học

2.2.1. Trạng thái nhiệt động học

Tính toán trạng thái nhiệt động học của xylanh động cơ được dựa trên định luật 1

nhiệt động học theo phương trình sau đây:



-

.

-





(2.1)

p c

h - . BB

fqh - . .. e ev

umd ( ). c  d

dV dQ F   d d

dQ ∑ w  d

dm BB  d

dm ∑ ∑ e h . i  d

dm i  d

dm ev dt

Biến thiên khối lượng trong xylanh được tính toán từ tổng biến thiên của khối lượng

vào và ra khỏi xylanh.









(2.2)





dm c  d

dm i  d

dm e  d

dm BB  d

dm ev dt

Các đại lượng ở công thức 2.1 và 2.2 được thể hiện trên mô hình cân bằng năng lượng

của xylanh (Hình 2.10), trong đó:



- biến đổi nội năng bên trong xylanh;

 c. umd d



- công chu trình thực hiện;

pc.

dV d

- tổn thất nhiệt qua vách;

dQw d

- tổn thất enthalpy do lọt khí;

BB. h

dm BB d

mc - khối lượng môi chất bên trong xylanh;

u - nội năng;

pc - áp suất bên trong xylanh;

V - thể tích xylanh;

QF - nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp;

Qw - nhiệt lượng tổn thất cho thành;

-33-

Hình 2.10. Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ

- góc quay trục khuỷu;

hBB - trị số enthalpy của dòng lọt khí; dmBB - Lưu lượng khối lượng dòng lọt khí; d

dmi - khối lượng phân tử đi vào xylanh;

dme - khối lượng phân tử đi ra khỏi xylanh;

hi - enthalpy của dòng khối lượng vào xylanh;

he - enthalpy của dòng khối lượng ra khỏi xylanh;

qev - nhiệt hóa hơi của nhiên liệu;

f - tỷ lệ nhiệt hóa hơi trong hỗn hợp nạp;

mev - lượng nhiên liệu bay hơi.

Việc giải phương trình trên phụ thuộc vào mô hình quá trình cháy, quy luật toả nhiệt và quá trình truyền nhiệt qua thành xylanh, cũng như áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí.

2.2.2. Lý thuyết tính toán quá trình cháy

Mô hình cháy Fractal dùng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức, được đề cập trong AVL Boost, dự đoán tốc độ giải phóng nhiệt trong động cơ khí nạp đồng nhất, xét đến ảnh hưởng của các thông số quan trọng sau:

- Hình dạng buồng cháy, - Vị trí bugi và thời điểm đánh lửa, - Thành phần của khí nạp (khí sót, khí xả luân hổi, bốc hơi khí và nhiên liệu), - Chuyển động nạp và mức độ xoáy lốc.

Quá trình cháy được tính toán dựa trên phương trình nhiệt động học thứ nhất của mô

hình cháy vibe 2 vùng (Vibe Two Zone) [45], [46].

Nhiệt động học của mô hình vùng cháy và vùng không cháy được thể hiện lần lượt

theo các phương trình 2.3 và 2.4:

)



.





.



.

(2.3)

p c

h u

h , bBB



( umd bb  d

dV dQ b F   d d

dQ ¦ Wb d 

dm b  d

dm , bBB d 

)



.





.



.

(2.4)

p c

h u

h , uBB



( umd uu  d

dV dQ u F   d d

dQ ¦ Wu d 

dm B  d

dm , uBB d 

Chỉ số: b vùng cháy; u vùng không cháy

Trong đó:

)

: biến đổi nội năng bên trong xylanh

( umd bb d

-34-



: công chu trình thực hiện

c. p

dV b d

dQF : nhiệt lượng cấp vào d

dQw : tổn thất nhiệt qua vách

 d dm

: tổn thất enthalpy do lọt khí

, . h bBB

, bBB d

mb: khối lượng môi chất bên trong xylanh

ub: nội năng

pc: áp suất bên trong xylanh

V: thể tích xylanh

QF: nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp

QWb: nhiệt lượng tổn thất cho thành

: góc quay trục khuỷu

hBB,b: trị số enthalpy

: biến thiên khối lượng dòng chảy

dm bBB, d

Mô hình cháy 2 vùng được dùng để tính toán các điều kiện của sản phẩm cháy (vùng cháy) và duy trì khí nạp mới (vùng không cháy). Màng lửa được chuẩn bị kỹ càng lan truyền theo chuyển động rối xảy ra trong buồng cháy của động cơ đốt trong có bề dày rất mỏng và bề mặt gợn sóng mạnh. Diện tích màng lửa cháy AT, do có sự gợn sóng nói trên nên lớn hơn nhiều so với diện tích diễn ra trong quá trình cháy tầng (AL). Độ tăng diện tích bề mặt cháy (AT/AL) tương ứng với độ tăng của tốc độ rối so với trường hợp cháy tầng. Tốc độ cháy của khối lượng nhiên liệu được tính như sau:







(2.5)

A S u T

L

 u

A S L L

dm b dt

A T A L

  

  

Phương trình 2.5 chỉ ra rằng tốc độ lan truyền màng lửa duy trì bằng với trường hợp cháy tầng trong quá trình cháy rối, tuy nhiên, tốc độ cháy như nhau cũng có thể diễn đạt như là một hàm số của tốc độ rối:





(2.6)

 u

A S S T

 u

A S L L

dm b dt

A T A L

  

  



(2.7)

S T S

L

A T A L

  

  

  

  

Phương trình 2.6 cũng cho thấy tốc độ cháy có thể được tính toán dễ dàng khi biết độ

-35-

tăng diện tích cháy. Tuy nhiên, cơ chế hình thành nếp gấp trên màng lửa vẫn chưa thật sự rõ ràng:

- Sự biến thiên cục bộ của nhiệt độ (có ảnh hưởng dạng hàm mũ tới tốc độ động học phản ứng) có thể gây ảnh hưởng tới tốc độ cháy cục bộ và sự biến dạng của ngọn lửa cháy, - Quá trình giãn nở của khí cháy kết hợp với sự uốn cong của ngọn lửa tạo ra sự chuyển vị đối với các phân tử chất lỏng đi lân cận qua nó và sự biến dạng thủy động của ngọn lửa xẩy ra,

- Xoáy lốc cũng tạo ra sự gợn sóng ngọn lửa đối lưu ở các quy mô khác nhau. Sự gợn sóng này sẽ bị bù trừ bởi quá trình cháy tầng cục bộ và kết quả là tạo ra một hiệu ứng “làm phẳng” sự biến dạng cục bộ của ngọn lửa.

Mức độ ảnh hưởng của các hiện tượng ở trên thay đổi theo chế độ làm việc của động cơ. Ở tốc độ quay cao của động cơ sự biến dạng bề mặt ngọn lửa rất mạnh và tạo ra sự đa kết nối bề mặt ngọn lửa với hỗn hợp chưa cháy đang tồn tại trong nó. Tuy nhiên, có thể chấp nhận rằng một phần liên quan của các vùng cháy diễn ra trong động cơ đốt trong có tồn tại bề mặt ngọn lửa dạng kết nối đơn và chủ yếu xẩy ra sự gợn sóng do chuyển động đối lưu của trường dòng chảy rối.

Dưới các giả thiết này có thể phát triển mô hình cháy tựa ổn định dựa trên khái niệm về hình học phân chia. Theo phương pháp này, bề mặt cầu lửa trơn ban đầu - ngọn lửa cháy tầng AL- sẽ được gợn sóng do sự hiện diện của xoáy lốc ở các mức độ khác nhau. Sự tương tác giữa trường dòng chảy rối với màng lửa quyết định sự phát triển của bề mặt ngọn lửa rối AT, lan truyền với tốc độ ngọn lửa tầng SL. Nếu sự gợn sóng tương tự được giả thuyết trong khoảng tỷ lệ chiều dài Lmin Lmax, thì ngọn lửa tiên phong thể hiện đặc tính của đối tượng phân chia và bề mặt ngọn lửa cháy của nó có thể tính như sau:

D

 3 2



(2.8)

L max L

A T A L

min

  

  

  

  

Thay vào phương trình 2.5 cho phép tính toán tốc độ cháy một khi bề mặt cháy tầng AL và tốc độ cháy SL cũng như tỷ lệ gợn sóng (Lmin  Lmax) và kích thước phân chia D3 được ước lượng chính xác:

(cid:3005)(cid:3119)(cid:2879)(cid:2870)

(2.9)

(cid:4673)

(cid:1827)(cid:3013)(cid:1845)(cid:3013)

(cid:4672)(cid:3031)(cid:3040)(cid:3277) (cid:3031)(cid:3047)

= (cid:2025) (cid:4672)(cid:3013)(cid:3288)(cid:3276)(cid:3299) (cid:3013)(cid:3288)(cid:3284)(cid:3289)

(cid:4673) (cid:3033)(cid:3045)(cid:3028)(cid:3030)(cid:3047)(cid:3028)(cid:3039)

Chuyển động rối

Trên cơ sở giả thiết nói trên, sự tính toán tỷ lệ gợn sóng (Lmin  Lmax) cũng như kích thước phân chia D3 phải phụ thuộc vào những đặc tính chuyển động rối trong xylanh. Sự đánh giá trong mô hình vô hướng là rất khó khăn; một số giải pháp có thể tìm được từ các tài liệu tham khảo hiện tại, trong đó có phương pháp K - k điều chỉnh dạng 2 phương trình [46] sau đây:

(2.10)



 m

u

 

P K



K

in

2 in

dK dt

1 2

 m ex m

  u  u

-36-

(2.11)



 P m 





k



k

dK dt

 m ex m

  u  u

(2.12)

P



c 0.3307 t

K k L m

I

K



mU

k



mu

2 '

Trong đó:

 

2 f

1 2

3 2

3' u L I

Trong các phương trình cân bằng trên, K là năng lượng động học của trường dòng chảy bình quân (Uf), đại lượng mà sự sinh ra và mất đi của nó chủ yếu liên quan đến lưu lượng dòng nạp và thải ((cid:1865)̇ (cid:3036)(cid:3041) và (cid:1865)̇ (cid:3032)(cid:3051)); k là năng lượng động lực học của dòng chuyển động rối (giả thuyết là đẳng hướng);  là tốc độ phân tán của k; P là đại lượng thể hiện sự hình thành rối đặc trưng cho sự truyền năng lượng giữa trường dòng bình quân và trường dòng rối (năng lượng truyền động gián đoạn [46]).

Phương trình 2.12 được tích hợp tất cả các biến số của chu trình động cơ và sự chuyển động rối do sự thay đổi mật độ khí chưa cháy bên trong xylanh trong suốt kỳ nén và giãn nở được bao hàm trong các phương trình K và k. Cuối cùng cường độ rối cũng được xác định. Mô hình trên cũng đưa ra khả năng để đánh giá tỷ lệ chiều dài Kolmogorov dưới giả thuyết chuyển động rối đẳng hướng, giả định là:

với

và

Re



L I

c H l

l  k

t

L I 3\4Re t

' u L I v u

LI: tỷ lệ chiều dài tổng, giả thiết tỷ lệ (cl = 0,2  0,8) với khe hở tức thời H bên trong

xylanh và νu là độ nhớt động học của hỗn hợp chưa cháy.

Đặc biệt, tỷ lệ chiều dài tổng và chiều dài Kolmogorov, LI và Lk, được lựa chọn là tỷ lệ gợn sóng lớn nhất và nhỏ nhất trong phương trình 2.8, trong khi kích thước D3 chủ yếu phụ thuộc vào tỷ số giữa cường độ rối u’ và tốc độ cháy tầng SL [47].

S

L

(2.13)



D 3

 2.35 ' 2.05  '

u u

S

L

Đánh lửa

Giả thiết rằng gần cuối quá trình nén hình thành trung tâm cháy với ngọn lửa ổn định có dạng hình cầu bán kính khoảng 2mm, quá trình gợn sóng bắt đầu ở thời điểm cả bán kính cầu lửa tức thời và cường độ rối (tỷ lệ với tốc độ động cơ) đều tăng. Phương trình sau đây được đưa ra để tính toán tỷ lệ gợn sóng vô hướng của ngọn lửa.

r

f

(2.14)

  wr

r

f ref ,

n n ref

Trong đó, rf,ref là bán kính điều chỉnh tham chiếu, có giá trị bằng 1cm; nref là tốc độ

tham chiếu được cố định ở 1000 v/ph.

Phương trình 2.13 được điều chỉnh để tính đến sự tăng của kích thước phân chia liên

quan đến sự tăng lên từ từ theo thời gian của gợn sóng trong ngọn lửa.

-37-

 ' D u D S

3,min

L



(2.15)

D 3

3,max u

 '

S

L

D



2.05

3,min

Ở phương trình này, thành phần đầu tiên của quá trình cháy sẽ được đặc trưng bằng đường kính phân chia rất gần với mức cực tiểu D3,min, thể hiện tốc độ cháy ban đầu gần với tốc độ cháy tầng. Lưu ý rằng giá trị nhỏ nhất của đường kính phân chia trong mọi trường hợp đều lớn hơn 2.

Điều này có thể bù trừ cho tốc độ cháy rất cao ở giai đoạn hình thành trung tâm cháy do năng lượng cung cấp lớn từ bugi. Tất nhiên sự điều chỉnh một cách cẩn thận thông số c1 và rf,ref là cần thiết nhằm tương đồng với các đặc tính áp suất thực nghiệm ở mỗi chế độ vận hành của động cơ.

Cháy sát vách

Hình 2.11: Ngọn lửa tiến gần đến thành xylanh và bắt đầu quá trình cháy sát vách

Khi ngọn lửa chạm tới thành buồng cháy cơ chế phân chia của việc lan truyền màng lửa mô tả ở trên sẽ không còn giá trị. Các đặc tính rất quan trọng của việc cháy hoàn toàn liên quan tới những ảnh hướng của thành đến quá trình cháy (hiện tượng cháy sát vách). Thành buồng cháy hạn chế sự giãn nở của khí, ngăn cản sự phát triển của dòng môi chất và hình thành biên rắn có nhiệt độ khá thấp có thể làm nguội khí. Tất cả các yếu tố trên làm thay đổi đặc tính cơ bản của quá trình cháy so với trường hợp ngọn lửa lan truyền tự do trong buồng cháy. Một tỷ lệ lớn (30 ÷ 40%) hỗn hợp chưa cháy sẽ cháy trong trường hợp đặc biệt này. Tỷ lệ cháy sát vách có thể thể hiện một cách đơn giản bởi công thức:

(2.16)



dm b dt

 mm b 

  

  

wall



combustion

Trong đó τ là thời gian cháy sát vách.

Cuối cùng tỷ lệ cháy tổng quát có thể xác định theo tỷ lệ khối lượng của 2 chế độ cháy

được mô tả ở trên (cháy fractal và cháy sát vách).

1( 

w



(2.17)

w 2

dm b dt

dm b dt

dm b dt

  

  

 2).  

  

  

  

overall

fractals

wall



combustion

Sự chuyển tiếp giữa 2 chế độ cháy bắt đầu khi đạt tới thời gian chuyển tiếp ttr (thời

gian mà ngọn lửa đầu tiên chạm thành xylanh):

(2.18)

r



f

 mm ( b SA  ( Tu

) tr ) trL

-38-

Khi phương trình 2.18 được xác định, thời gian cháy sát vách trong phương trình 2.16 được tính toán với giả định rằng tốc độ cháy sát vách bằng với tốc độ cháy từ phương trình 2.9.

 m m





(2.19)

   u

A S T

 b tr  L tr

Giá trị τ nói trên sau đó được giữ nguyên trong suốt quá trình cháy sát vách. Hệ số đối trọng w2 tăng dần theo thời gian so với giá trị trong khoảng thời gian chuyển tiếp ttr dưới đây và phụ thuộc vào khối lượng nhiên liệu không cháy tức thời (m – mb).

(2.20)

(cid:1872)(cid:3047)(cid:3045) = (cid:3040)(cid:2879)(cid:3040)(cid:3277) ((cid:3040)(cid:2879)(cid:3040)(cid:3277))(cid:3295)(cid:3293)

2.2.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt

2.2.3.1. Truyền nhiệt trong xylanh:

Tổn thất nhiệt qua vách hay quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua thành buồng cháy như nắp xylanh, piston, và lót xylanh được tính dựa vào phương trình truyền nhiệt sau:

Q



T

)

(2.21)

wi

  . A i w

T .( c

wi

Trong đó:

- Qwi: nhiệt lượng truyền cho thành (nắp xylanh, piston, lót xylanh) - Ai : diện tích truyền nhiệt (nắp xylanh, piston, lót xylanh) - W : hệ số truyền nhiệt - Tc : nhiệt độ môi chất trong xylanh - Twi : nhiệt độ thành (nắp xylanh, piston, lót xylanh)

Đối với nhiệt độ của thành lót xylanh, biến đổi nhiệt độ dọc trục giữa vị trí ĐCT và

ĐCD được tính theo biểu thức:

. xe

1

(2.22)

T



T

.

L

L

,

DCT

T

L

,

DCT

(2.23)

c



ln

T

L

,

DCD

 e cx .    

   

Trong đó:

- TL: nhiệt độ lót xylanh - TL,ĐCT: nhiệt độ lót xylanh tại vị trí ĐCT - TL,ĐCD: nhiệt độ lót xylanh tại vị trí ĐCD - x: dịch chuyển tương đối của piston (vị trí thực tế của piston so với toàn bộ hành trình)

Hệ số truyền nhiệt có thể tính toán theo một trong các mô hình sau:

- Woschni 1978 - Woschni 1990 - Hohenberg

-39-

- Lorenz (chỉ dùng cho động cơ có buồng cháy ngăn cách).

Trong đó mô hình Woschini thường được dùng cho động cơ diesel. Nghiên cứu này

lựa chọn mô hình Hohenberg

Hệ số truyền nhiệt của mô hình Hohenberg [45], [48] được tính theo phương trình sau:



66,0

4,0

8,0



V .130

.



)4,1

(2.24)

 w

8,0  TP . c c

c .( m

Trong đó:

- cm: tốc độ trung bình của piston - V: thể tích tức thời của 1 xylanh - Pc: áp suất môi chất trong xylanh - Tc: nhiệt độ môi chất trong xylanh

2.2.3.2. Trao đổi nhiệt tại cửa nạp, cửa thải:

Trong quá trình quét khí, việc lưu tâm đến quá trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải là hết sức quan trọng. Quá trình này có thể lớn hơn rất nhiều so với dòng chảy trong đường ống đơn giản do hệ số truyền nhiệt và nhiệt độ cao trong vùng giữa xupáp và đế xupáp.

Trong AVL-Boost mô hình Zapf [41], 47 được sử dụng để tính toán cho quá trình

này.



.

A w

 p . cm

p

   

   







(2.25)

T d

( T u

). eT w

T w

- Đối với dòng chảy ra:

5,1





.

.



5,0  dm . .

797

.

(2.26)

 C

 p

4

 44,0 . TTCTC u

2 u

u

5

6

 vi

h v d

vi

 ,01.   

  

- Đối với dòng chảy vào:





.

.

68,0  dm . .

765

.

 p

  33,0 . TTCTCC  u u

2 u

8

7

9

68,1  vi

h v d

vi

 ,01.   

  

(2.27)

Trong đó:

- p: hệ số trao đổi nhiệt tại cửa - Td: nhiệt độ sau cửa - Tu: nhiệt độ trước cửa - TW: nhiệt độ thành cửa - AW: diện tích tiết diện lưu thông - (cid:1865)̇ : lưu lượng khối lượng - Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp - hv: độ nâng xupáp - dvi: đường kính trong của đế xupáp.

Các hệ số của các phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và cửa thải được thể hiện

trong Bảng 2.1.

-40-

Bảng 2.1. Hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải

Xupáp thải Xupáp nạp

1,2809 1,5132 C4 C7

7,0451.10-4 7,1625.10-4 C5 C8

Lưu lượng của dòng khí tại cửa nạp và cửa thải được tính toán từ các phương trình của dòng chảy qua khe hẹp đẳng entropi có tính đến hệ số lưu lượng được xác định bằng thiết bị đo ở trạng thái dòng ổn định.

Lưu lượng khối lượng có thể nhận được từ phương trình năng lượng đối với dòng ổn

định qua khe hẹp.

(2.28)



.

.

pA . eff

01

dm dt

2 TR . o

01

Trong đó:

dm - dt : lưu lượng dòng khí - Aeff : diện tích tiết diện lưu thông - P01 : áp suất trước miệng hút - T01: Nhiệt độ trước miệng hút - R0 : hằng số chất khí -  : hàm áp suất phụ thuộc vào tính chất của khí và tỷ số áp suất. Đối với dòng chảy

dưới âm:

k

2 k

1  k

2

2





k 

1

k

p p

p p

1 o

1 o

  

  

  

    .    

    

- p2 : áp suất ra - k : chỉ số đoạn nhiệt, dòng lưu động dưới giới hạn.

4,8035.10-7 5,3719.10-7 C6 C9

2.2.4. Lý thuyết tính toán hàm lượng phát thải

2.2.4.1. Phát thải CO

Phát thải CO hình thành và tăng nhanh trong vùng trước màng lửa, chủ yếu được sinh ra do hyđrôcacbon bị ôxy hóa không hoàn toàn, và sau đó bị ôxy hóa thành CO2 trong điều kiện có ôxy thông qua cơ chế điều khiển động học. Do đó, giá trị CO có thể được tính toán bằng việc giải phương trình vi phân dựa trên các phản ứng sau [49], [50]:

CO + OH ⇆ CO2 + H,

CO2 + O ⇆ CO + O2

Tốc độ phản ứng hình thành CO được tính toán theo công thức:

-41-

]



(2.29)





 R R 2

1

d CO [ dt

CO ] [ CO [ ]e

  1 

  

Trong đó [CO]e là nồng độ cân bằng của CO. Các giá trị tốc độ R1, R2 được cho bởi

công thức:

= 6,76 1010 exp(T/1102)

(2.30)

R 1

 k CO OH 1 [

] [ e

] e

(2.31)

(cid:2879)[(cid:1829)(cid:1841)](cid:3032)[(cid:1841)(cid:2870)](cid:3032) = 2,5 1012 exp(-24055/T)

(cid:1844)(cid:2870) = (cid:1863)(cid:2870)

Hình 2.12 thể hiện hàm lượng CO cân bằng và CO động học theo góc quay trục khuỷu. Trên đó, tỷ lệ mol CO cân bằng và CO động học là như nhau ở giai đoạn đầu của quá trình cháy và giãn nở. Từ góc quay trục khuỷu là +600TK trở đi, CO cân bằng giảm nhanh hơn so với CO động học.

Tỷ lệ mol CO được dự đoán bởi mô hình này được mô tả trong Hình 2.13 theo góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí (Lambda). Có thể thấy rõ rằng CO giảm khi tăng tỷ số A/F do có đủ lượng O2 tham gia phản ứng ôxy hóa CO thành CO2. Trong khi đó, góc đánh lửa sớm không có ảnh hưởng tới lượng CO vì áp suất xylanh và nhiệt độ khí cháy hầu như không ảnh hưởng tới sự hình thành CO.

2.2.4.2. Phát thải HC

Trong động cơ đánh lửa cưỡng bức hydrocacbon không cháy có từ nhiều nguồn khác nhau. Vì thế việc mô tả hoàn chỉnh quá trình hình thành chúng là một công việc khó khăn. Tuy nhiên, mô hình phương pháp luận giải thích cho cơ chế hình thành chính có thể được áp dụng để nghiên cứu hình thành HC theo hàm với các thông số hoạt động của động cơ. Những nguồn chính của hydrocacbon chưa cháy có thể được xác định trong động cơ đánh lửa cưỡng bức gồm [50]:

+ Nhiên liệu chưa cháy tồn tại ở các khe kẽ, + Hơi nhiên liệu bị hấp thụ vào lớp màng dầu và kết tủa trên thành xylanh trong suốt kỳ

nạp và kỳ nén,

+ Hiệu ứng cháy sát vách, + Hiện tượng cháy không hoàn toàn hay bỏ lửa xảy ra khi chất lượng cháy kém, + Dòng chảy trực tiếp của hơi nhiên liệu vào hệ thống xả ở động cơ PFI.

-42-

Hình 2.12: Tỷ lệ mol CO tính toán theo góc quay trục khuỷu (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6) Hình 2.13: Tỷ lệ mol CO tính toán theo giữa góc đánh lửa sớm và hệ số dư lượng không khí (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6)

Hai cơ chế đầu và đặc biệt là sự hình thành HC do khe kẽ được xem là quan trọng nhất và cần phải được chú ý trong mô hình nhiệt động học. Hiệu ứng sát vách và cháy không hoàn toàn không thể miêu tả vật lý nhưng có thể đưa ra từ những mối tương quan bán thực nghiệm.

Tốc độ hình thành HC được thể hiện bằng phương trình tổng quát sau đây:



E

/

RT





HC

gw



(2.32)

 HC

b

eAC HC

HC

  O 2

 HCd dt

với AHC = 7,7 x 109 ((m3/mol)a+b-1/s)

EHC = 156222 (J/mol)

R = 8314 (J/mol K)

Tgw = (Tgas + Tcyl.wall)/2 [HC] và [O2] là mật độ của HC và O2 (mol/m3)

CHC là hằng số điều chỉnh tốc độ phản ứng tuỳ thuộc từng chế độ, từng loại động cơ.

a và b là các hằng số, a = b = 1.

Cơ chế khe kẽ

Những khe kẽ là những vùng hẹp mà màng lửa không thể lan truyền tới. Những khe kẽ đáng lưu ý nhất là khe hở giữa xec - măng và thành xylanh và khe hở đỉnh piston. Trong suốt quá trình nén, hỗn hợp không cháy bị đẩy vào những khe kẽ, làm cho nhiệt trao đổi với thành xylanh giảm xuống. Trong suốt quá trình cháy, áp suất tiếp tục tăng lên và đẩy hỗn hợp khí không cháy khác vào các khe kẽ này. Màng lửa lan tràn bị dập tắt khi đến đây nên sau đó khí chưa cháy từ các khe kẽ này sẽ bị đẩy ra khi áp suất trong xylanh bắt đầu giảm, tạo nên phát thải HC từ các khe kẽ.

Để miêu tả quá trình này, mô hình giả định rằng áp suất trong xylanh và trong khe kẽ là như nhau và nhiệt độ của hỗn hợp khí trong các khe kẽ bằng với nhiệt độ piston. Khối lượng hỗn hợp khí trong khe kẽ tại mọi thời điểm là:



(2.33)

m kh

. pV M . kh R T .

piston

Trong đó:

+ mkh là khối lượng khí nạp chưa cháy trong kẽ hở [kg] + p là áp suất xylanh [Pa] + Vkh là tổng thể tích kẽ hở [m3] + M là khối lượng mol phân tử khí chưa cháy [kg/kmol] + R là hằng số khí [J/(kmol0K] + Tpiston là nhiệt độ piston [0K] Cơ chế hấp thụ/ giải phóng HC

Nguồn hyđrôcacbon quan trọng thứ hai là sự có mặt của dầu bôi trơn trong nhiên liệu hay trên thành xylanh của buồng cháy. Thực tế, trong quá trình nén, áp suất hơi nhiên liệu

-43-

tăng, vì thế theo định luật Henry, sự hấp thụ xảy ra ngay cả khi dầu đã bão hòa trong suốt quá trình nạp. Trong quá trình cháy, nồng độ hơi nhiên liệu trong khí cháy giảm về không nên hơi nhiên liệu đã bị hấp thụ trước đó sẽ được giải phóng ra từ dầu lỏng thành khí cháy. Độ hòa tan của nhiên liệu liên quan đến phân tử khối, vì thế lớp dầu tạo HC phụ thuộc vào độ hòa tan khác nhau của từng loại hyđrôcacbon trong dầu bôi trơn. Trong đó, đối với nhiên liệu khí thông thường như metan hay propan, do khối lượng phân tử thấp, cơ chế này không ảnh hưởng nhiều.

Giả thuyết về sự tăng hấp thụ/ giải phóng HC như sau:

+ Lớp dầu có nhiệt độ bằng nhiệt độ thành xylanh, + Dầu tạo thành từ những phần tử hyđrôcacbon đơn, hóa hơi hoàn toàn trong hỗn hợp khí

mới,

+ Dầu có sự hiện diện C30H62, có đặc tính giống dầu bôi trơn SAE5W20, + Sự khuếch tán nhiên liệu trong lớp dầu là một yếu tố giới hạn bởi vì hằng số khuếch tán trong chất lỏng nhỏ hơn 10.000 lần so với trong chất khí.

Hình 2.14 thể hiện nồng độ HC theo góc quay trục khuỷu và độ dày của màng dầu. Có thể thấy rằng ở góc quay trục khuỷu trong khoảng 730 đến 800 độ và độ dày màng dầu trong khoảng 0,000125 đến 0,00025cm, nồng độ HC đạt cực đại.

Theo những giả thuyết đó, sự phân bố khối lượng trong lớp dầu được tính toán trong phương trình khuếch tán sau:

2

F

F

(2.34)



D



0

 w  t

 w 2  r

Trong đó:

t là thời gian [s]

+ wF là tỷ lệ khối lượng của nhiên liệu trong lớp dầu [-] + + r là vị trí tâm lớp dầu (tính từ thành xylanh) [m] + D là hệ số khuếch tán tương ứng (nhiên liệu – dầu) [m/s]

0,6

D



 8 7, 4.10 .

0,5 M T v . .

 1  .

(2.35)

 f

Trong đó:

+ M là khối lượng mol phân tử của dầu [g/mol] + T là nhiệt độ dầu [K] + vf là thể tích mol của nhiên liệu ở điều kiện sôi thông thường [cm3/mol] + μ là độ nhớt của dầu [centipoaso]

-44-

Hình 2.14: Nồng độ HC theo góc quay trục khuỷu và độ dày màng dầu (tốc độ động cơ 3000v/ph, toàn tải, A/F=12,6)

Hiệu ứng cháy sát vách

Hiệu ứng cháy cục bộ và cháy sát vách không thể miêu tả theo phương pháp vô hướng. Lavoie cùng cộng sự [42] đã đưa ra giả thuyết về mối tương quan bán thực nghiệm, trong đó tỷ lệ khí nạp chưa cháy duy trì trong xylanh Fprop được tính toán bằng cách áp dụng phương trình sau:



(2.36)

propF

F C . .exp 1



   EVO 90     2 C 0

90

    

    

khi



0, 0032



1 

C 1

   1 22

khi

1 



0, 003





 

 1 .1,1

C 1



4

0,35

C  2

Trong đó:

+ F là thông số hiệu chỉnh [-] +  là tỷ số cân bằng [-]

0

thời điểm 0% nhiên liệu chưa cháy [0TK]

+

90

thời điểm 90% nhiên liệu chưa cháy [0TK]

+

EVO

+

thời điểm van xả mở [0TK]

2.2.4.3. Phát thải NOx

Cơ chế hình thành NOx trong mô phỏng BOOST dựa trên cơ sở Pattas và Hafner [51]. Quá trình hình thành của chúng được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich được trình bày trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2. Chuỗi phản ứng hình thành NOx.

Phản ứng thuận Phản ứng nghịch

TT Phản ứng B (–) B (–) E (kcal/mol K) E (kcal/mol K)

1 - 75.59 0 0

2 1.5 - 5.68 - 37.69

N2 + O ↔ NO + N O2 + N ↔ NO + O OH + N ↔ NO + H 0 0 - 49.34

0 - 24.1 - 58.93

A (cm3/mol s) 4.93 x 1013 0.0472 1.48 x 108 4.22 x 1013 3 4 N2O + O ↔ NO + NO 4.58 x 1013 5 - 102.5 0 - 24.1

Hằng số cân bằng của các phản ứng được tính theo công thức:

B

k



AT

(2.37)

 exp 

TE /

Sự hình thành của NOx được tính toán theo thông số nhập đầu vào như tốc độ động cơ, nhiên liệu cũng như áp suất, nhiệt độ, hệ số dư lượng không khí , thể tích và khối

-45-

2.25 x 1010 0.825 9.14 x 107 1.148 - 71.9 A (cm3/mol s) 1.6 x 1013 1.25 x 107 1612 6.76 x 1014 - 0.212 7.39 x 108 0.89 3.82 x 1013 2.95 x 1013 0 - 10.8 O2 + N2 ↔ N2O + O 6 OH + N2 ↔ N2O + H

lượng, thời gian cũng như số vùng cháy. Quá trình tính toán được bắt đầu lúc thời điểm cháy bắt đầu. Lượng N2O sinh ra được xác định theo công thức sau:

6125



6



.1

1802

10.

exp

(2.38)

.0 T 1

  

71.18   RT

ON 2 ON 2 2

Tốc độ hình thành NO được tính như sau:



(2.39)





2 



 12

 NOd dt

1

R 1 e  K 

R 4 e  K

1

p RT

2

4

   

  

2.2.5. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu xăng và etanol E100

Trong các mô hình tính toán quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ đốt cháy cưỡng bức ứng với mỗi loại nhiên liệu lỏng, các thuộc tính của nhiên liệu như khối lượng phân tử, nhiệt trị thấp, tỷ lệ khối lượng nguyên tử cácbon, ôxy, nitơ trên tổng khối lượng phân tử nhiên liệu, tỷ lệ không khí/nhiên liệu tiêu chuẩn, nhiệt hóa hơi… là những thuộc tính quan trọng để phân biệt loại nhiên liệu. Các thuộc tính này sẽ có tác động trực tiếp tới quá trình hình thành hỗn hợp và cháy cũng như ảnh hưởng tới các hằng số phản ứng giữa nhiên liệu và không khí theo mô hình cháy, mô hình truyền nhiệt và mô hình hình thành phát thải độc hại lựa chọn.

Đối với xăng sinh học, tức là hỗn hợp nhiên liệu xăng và etanol E100, các thuộc tính của mỗi loại nhiên liệu (mỗi phần tử species) được đưa vào cơ sở dữ liệu cơ bản và tỷ lệ hỗn hợp theo thể tích cũng như khối lượng của nhiên liệu cung cấp được người dùng cung cấp theo loại nhiên liệu thực tế.

Trong phần mềm AVL - Boost, mô hình hóa học và đặc tính nhiệt động học của các phần tử Species được xây dựng trên 2 cơ sở dữ liệu avlchembrnd.inp (bao hàm các mô hình hóa học) và bst_therm.dat (bao hàm đặc tính các phần tử). Dựa trên các cơ sở dữ liệu này, các phản ứng cháy với không khí cũng như đặc tính nhiệt động học của mỗi nhiên liệu được xác định và tính toán. Đối với nhiên liệu etanol, đặc tính nhiệt động học được tính toán dựa trên các hàm đa thức sau đây:

(2.40)

= (cid:1853)(cid:2869) + (cid:1853)(cid:2870)(cid:1846) + (cid:1853)(cid:2871)(cid:1846)(cid:2870) + (cid:1853)(cid:2872)(cid:1846)(cid:2871) + (cid:1853)(cid:2873)(cid:1846)(cid:2872)

(2.41)

= (cid:1853)(cid:2869) + (cid:3028)(cid:3118)

(cid:2870)

(cid:1846) + (cid:3028)(cid:3119) (cid:2871)

(cid:1846)(cid:2872) + (cid:3028)(cid:3122) (cid:3021)

(2.42)

= (cid:1853)(cid:2869)(cid:1864)(cid:1866)(cid:1846) + (cid:1853)(cid:2870)(cid:1846) + (cid:3028)(cid:3119)

(cid:1846)(cid:2872) + (cid:1853)(cid:2875)

(cid:3030)(cid:3291) (cid:3019) (cid:3009)(cid:3116) (cid:3019)(cid:3021) (cid:3020)(cid:3116) (cid:3019)(cid:3021)

(cid:1846)(cid:2870) + (cid:3028)(cid:3120) (cid:2872) (cid:1846)(cid:2870) + (cid:3028)(cid:3120) (cid:2871)

(cid:1846)(cid:2872) + (cid:3028)(cid:3121) (cid:2873) (cid:1846)(cid:2871) + (cid:3028)(cid:3121) (cid:2872)

(cid:2870)

Trong đó, cp là nhiệt dung riêng đẳng áp; H0 và S0 lần lượt là entanpy và entropy; a1

đến a7 là các hằng số đa thức được cho theo Bảng 2.3.

Bảng 2.3. Các hằng số đa thức

Hằng số Dải nhiệt độ cao Dải nhiệt độ thấp

6,5624365 4,8586957

0,015204222 -0,0037401726

-46-

-5,3896795e-006 6,9555378e-005 a1 (-) a2 (1/K) a3 (1/K2)

8,6225011e-010 -8,8654796e-008

-5,1289787e-014 3,5168835e-011

-3267,79251217197 -1738,30351217197

-9,4730202 4,8019545 a4 (1/K3) a5 (1/K4) a6 (K) a7 (-)

2.3. Phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng

truyền thống khi sử dụng xăng sinh học

2.3.1. Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu

2.3.1.1. Các tiêu chuẩn đánh giá tương thích vật liệu

Trên thế giới có nhiều phương pháp đánh giá tương thích vật liệu khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học nói riêng và nhiên liệu sinh học nói chung. Trong đó phương pháp đánh giá bằng cách ngâm các chi tiết của hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ trong các dung dịch nhiên liệu cần đánh giá theo các tiêu chuẩn SAEJ 1747, SAEJ 1748 và SAE 2005 - 10 - 3710 được sử dụng phổ biến. Luận án đã tìm hiểu và phân tích đặc điểm về quy trình đánh giá tương thích vật liệu của các tiêu chuẩn này, kết hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam để xây dựng một phương pháp đánh giá tương thích vật liệu phù hợp.

a) Quy trình đánh giá khả năng tương thích vật liệu SAE J 1747

SAEJ 1747 là quy trình khuyến cáo áp dụng để đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha etanol tới các chi tiết kim loại của động cơ đốt trong. Hỗn hợp xăng pha etanol có tính dẫn điện cao có thể có ảnh hưởng tới các chi tiết kim loại. Do vậy cần xây dựng quy trình nghiên cứu tính tương thích vật liệu của hỗn hợp này với các chi tiết của động cơ đốt trong. Trên những nghiên cứu về tương thích vật liệu này nhà sản xuất động cơ sẽ có những thay đổi thích hợp về vật liệu để thích ứng với xăng pha etanol. Một số các đặc điểm chính của quy trình đánh giá được đưa ra dưới đây [52].

- Nhiệt độ ngâm phải được duy trì ở 450C ± 20C trong khoảng thời gian thử nghiệm, - Nhiên liệu được thay hàng tuần nhằm giảm thiểu sự thay đổi thành phần, giảm tính ôxy

hóa của nhiên liệu,

- Thời gian ngâm liên tục tối thiểu 2000h với các chu kỳ 1 tuần, 3 tuần, 6 tuần, 12 tuần, - Các chi tiết được đựng trong bình kín dung tích 1L làm bằng nhựa Polyethylene đặc biệt (High Density Polyethylene-HDPE) với sức bền kéo tối thiểu là 202,7 Kpa. Không sử dụng các bình bằng kim loại và chất lỏng chứa trong bình không được đầy quá 80% thể tích của bình.

b) Tiêu chuẩn đánh giá khả năng tương thích vật liệu SAE J 1748

Quy trình SAE J1748 khuyến cáo dùng để đánh giá tính tương thích của vật liệu cao

su và nhựa. Một số đặc điểm chính của quy trình này như sau [53].

- Nhiệt độ ngâm chi tiết 550C, - Thời gian ngâm tối thiểu 500 giờ hoặc đến khi chi tiết không thay đổi khối lượng, - Trọng lượng của các chi tiết được đánh giá hàng tuần, - Đối với chi tiết đàn hồi như cao su, nhiên liệu ngâm được thay hàng ngày trong ba

ngày đầu, sau đó thay hàng tuần,

-47-

- Đối với chi tiết bằng nhựa, nhiên liệu ngâm được thay hai lần mỗi tuần, - Nhiên liệu và các chi tiết ngâm được đựng trong chai thủy tinh, - Có thể thực hiện các quy trình thử riêng để đánh giá về các chỉ tiêu khối lượng, kích

thước, độ cứng…của chi tiết.

Tiêu chuẩn SAE 2005 - 10 - 3710 của Hoa Kỳ dùng để để đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu đến các chi tiết nhôm. Trong đó, các chi tiết được ngâm trong 720 giờ, ở nhiệt độ không đổi là 1000C.

Nghiên cứu của Viện công nghệ Kingmonkut, Thái Lan sử dụng phương pháp ngâm các chi tiết kim loại, chi tiết nhựa và chi tiết bằng cao su trong xăng sinh học E20 trong 1000 giờ ở nhiệt độ 700C [54].

2.3.1.2. Xây dựng quy trình thử nghiệm tương thích vật liệu

Trên cơ sở các quy trình khuyến cáo của thế giới và mục tiêu nghiên cứu của luận án, cũng như kinh nghiệm các nghiên cứu đã thực hiện ở Việt Nam, luận án đề xuất quy trình thử nghiệm phù hợp với yêu cầu thực tế như sau:

Các quy định chung:

- Các chi tiết được chọn lọc và cắt được ngâm vào trong chai thủy tinh có nắp bằng nhựa

và gioăng làm kín chịu được nhiệt độ và hơi nhiên liệu,

- Ngâm mỗi bộ chi tiết vào một loại nhiên liệu: RON92, E10, E15, E20 trong 2000 giờ, nhiệt độ ngâm duy trì không đổi tại 450C±20C trong khoảng thời gian thử nghiệm, - Nhiên liệu được thay hàng tuần nhằm giảm thiểu sự thay đổi thành phần, giảm tính ôxy

hóa của nhiên liệu,

- Thời gian ngâm liên tục tối thiểu 2000h với các chu kỳ 1 tuần, 3 tuần, 6 tuần, 12 tuần - Đối với chi tiết đàn hồi như cao su và nhựa, nhiên liệu ngâm được thay hàng ngày

trong ba ngày đầu, sau đó thay hàng tuần,

- Đối với chi tiết bằng kim loại nhiên liệu được thay theo chu kỳ 1 tuần, 3 tuần, 6 tuần và

12 tuần.

Trước, trong và sau khi ngâm, tác động của từng loại nhiên liệu đến các chi tiết ngâm

được đánh giá đối chứng theo các phương pháp sau đây:

- Ngoại quan (phương pháp 1): Đánh giá sự thay đổi màu sắc, độ bóng bề mặt… của các chi tiết trước và sau khi ngâm trong nhiên liệu. Sử dụng máy ảnh Canon 8.0 Megapixel để chụp ảnh chi tiết,

- Khối lượng (phương pháp 2): Đánh giá sự thay đổi khối lượng (%tăng, %giảm) bằng cách cân các chi tiết trước và sau khi ngâm trong nhiên liệu. Khối lượng của các chi tiết được đo bằng cân điện tử (với độ chính xác 0,1mg) của Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam,

- Kích thước (phương pháp 3): Đánh giá sự thay đổi kích thước (%tăng, giảm) đường kính, chiều dài…bằng cách dùng thước cặp, panme…đo kích thước của chi tiết trước và sau khi ngâm. Phương pháp này chỉ áp dụng cho những chi tiết có kết cấu đơn giản như: chi tiết hình trụ, ống…,

- Độ cứng (phương pháp 4): chỉ đánh giá sự thay đổi độ cứng cho các chi tiết làm bằng

-48-

nhựa, cao su bằng cảm quan,

- Cấu trúc kim loại dựa trên ảnh chụp bằng hiển vi điện tử (phương pháp 5): nhằm quan sát hình thái bề mặt chi tiết trước và sau khi ngâm trong nhiên liệu RON92 và E10. Một số chi tiết quan trọng ảnh hưởng đến khả năng cung cấp nhiên liệu được lựa chọn để tiến hành chụp vi điện tử trên máy vi điện tử Hitachi S-4800. Các chi tiết này gồm: Ống tạo hỗn hợp, giclơ nhiên liệu, vít xả xăng, vít điều chỉnh không tải, lọc tinh, gioăng làm kín, bộ báo xăng.

Các chi tiết được chọn để chụp hiển vi điện tử được đánh dấu vị trí trước và sau khi chụp trên cùng một vị trí và độ phóng đại được ghi lại theo vị trí của từng mẫu để đánh giá.

Trong quá trình ngâm, các chi tiết được đo đạc và đánh giá tại các thời điểm như trong

Bảng 2.4.

Bảng 2.4. Bảng tiến trình đo

Lần đo Thời điểm đo Phương pháp đo

Lần 1 0h (trước khi ngâm) Phương pháp (1), (2), (3), (4)

Lần 2 500h (≈ 20 ngày) Phương pháp (1), (2), (3), (4)

Lần 3 1000h (≈ 42 ngày) Phương pháp (1), (2), (3), (4)

Lần 4 2000h (≈ 83 ngày) Phương pháp (1), (2), (3), (4), (5)

2.3.2. Phương pháp đánh giá tính năng động cơ ô tô

Các thử nghiệm được thực hiện theo đường đặc tính tốc độ, tại tay số IV và số V ở

100% tải. Tốc độ ô tô thay đổi từ 45 km/h đến 90 km/h (Bảng 2.5).

Bảng 2.5. Các điểm thử nghiệm tại các tay số IV và V của ô tô

Tốc độ (km/h) Tay số IV (100% tải) Tay số V (100% tải)

45

50

55

60

65

70

75

80

Nhiên liệu của ô tô được thay đổi lần lượt đối với xăng RON92, E10, E15 và E20. Sau khi hoàn thành thử nghiệm đối với mỗi loại nhiên liệu, hệ thống nhiên liệu của động cơ được súc rửa và chạy ngấm 1 giờ đối với loại nhiên liệu mới.

-49-

90

Ảnh hưởng của các nhiên liệu sinh học tới khả năng khởi động được đánh giá ở hai chế độ là chế độ khởi động nguội và chế độ khởi động nóng (nhiệt độ nắp máy khoảng 800C).

Khả năng tăng tốc được thể hiện thông qua thời gian tăng tốc từ 20km/h đến 80km/h

tại tay số V với bướm ga mở 100%.

Thử nghiệm phát thải được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 6785:2006 với chu trình thử khí thải ECE 1505. Chu trình thử này bao gồm 4 vòng thử ECE (chu trình thành phố) được lặp lại liên tục, và 1 vòng thử EUDC (chu trình xa lộ) (Hình 2.15).

Chu trình thành phố Chu trình xa lộ

Hình 2.15. Chu trình thử Châu Âu ECE 15-05

2.3.3. Phương pháp đánh giá độ bền và tuổi thọ động cơ

2.3.3.1. Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học E10 đến độ bền và

tuổi thọ của động cơ xăng xe máy

a) Quy trình thử nghiệm

Các thử nghiệm được thực hiện trên cơ sở so sánh đối chứng khi chạy hai xe máy với 2 loại nhiên liệu (xăng RON92 và xăng sinh học E10). Tổng quãng đường xe chạy quy đổi vào khoảng 20.000 km, trong đó bao gồm 5500 km chạy xe trên đường và 200h chạy động cơ trên băng thử. Sơ đồ quy trình thử nghiệm được thể hiện trong Hình 2.16.

Trong quá trình chạy thử nghiệm bền, dầu bôi trơn động cơ được thay mới cứ sau mỗi

50h chạy máy (hoặc khoảng 3600 km chạy trên đường).

Quá trình chạy bền 200h thực hiện trên băng thử thủy lực Didacta tại PTN Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tại các thời điểm lấy mẫu dầu (0, 100h, 200h), băng thử dừng hoạt động, dầu bôi trơn đã qua sử dụng từ động cơ xe máy được trích lấy mẫu 100ml. Các mẫu dầu này sau đó được mang đi phân tích tại PTN công nghệ lọc hóa dầu và vật liệu xúc tác hấp phụ, Viện Công nghệ hóa học. Do thời điểm lấy mẫu dầu đã sử dụng cũng trùng với chu kỳ thay dầu định kỳ của xe (50h chạy) nên động cơ sẽ được thay dầu bôi trơn mới, cùng chủng loại và dung tích với dầu đã sử dụng trước đó (Vistra 300 4T, 0,8 lít).

Việc đánh giá mức độ hao mòn của các chi tiết được thực hiện thông qua việc đo các

kích thước ma sát chính của động cơ như xilanh, piston, xéc măng trước và sau chạy bền.

-50-

Xe chạy nhiên liệu xăng RON92 Xe chạy nhiên liệu sinh học E10

1. Tháo động cơ, đo kích thước pít tông, xy lanh, xéc măng, trục khuỷu và lắp động cơ

2. Chạy ổn định trong 2h Đo các thông số kinh tế, kỹ thuật ở cùng chế độ làm việc (tay số và tốc độ) Đo phát thải theo chu trình thử châu Âu ECE R40 Đo áp suất nén Lấy mẫu dầu bôi trơn

Chạy rà 500 km

Chạy trên đường 5000 km

Lắp động cơ lên băng thử Dadacta Chạy 200h ở tốc độ 7000 v/ph, 100% ga Tần suất thay dầu bôi trơn: 50h Lấy mẫu dầu bôi trơn tại các thời điểm 100h, 200h

Lắp động cơ lên xe Thực hiện đo lại các nội dung 2

Thực hiện nội dung 1

Phân tích và đánh giá kết quả Hình 2.16. Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng xe máy

b) Phương pháp đo mài mòn

*) Phương pháp đo mài mòn xilanh

Xy lanh chịu mài mòn trong quá trình làm việc. Vì vậy, phương pháp kiểm tra chủ yếu là đo lượng mài mòn và sai lệch hình dạng. Nguyên tắc dựa vào đặc tính mòn và đặc tính biến dạng của chi tiết để chọn vị trí kiểm tra. Đối với xy lanh các vị trí cần kiểm tra là:

- Vùng I-I mòn nhiều theo quy luật, - Vùng II-II mòn nhiều nếu có hạt mài, - Vùng III-III vị trí dưới của xy lanh ít mòn.

Tại các mặt cắt I-I, II-II, III-III kiểm tra theo các phương 1-1 và 2-2 (Hình 2.17).

Khi kiểm tra lượng mòn xilanh, sử dụng dụng cụ panme và đồng hồ so hoặc pan me đo lỗ có độ chính xác 0,01mm. Các vị trí đo theo phương 1-1 và phương vuông góc 2-2, sẽ cho ta độ méo của xilanh tại mặt cắt I-I, II-II, III-III. Cách đo: giữ cho cán đồng hồ ở vị trí

-51-

thẳng đứng, bằng cách lắc qua, lắc lại sao cho kim đồng hồ dao động ít nhất (Hình 2.17).

Hình 2.17. Vị trí và phương pháp đo mài mòn xy lanh

Để xác định độ côn, cần đo ở vùng phía dưới tại tiết diện III-III là nơi mòn ít nhất và vùng phía trên tại tiết diện I-I là nơi mòn nhiều nhất. Hiệu số của 2 kích thước đo phía trên và phía dưới trong cùng một phương sẽ cho ta độ côn xy lanh. *) Phương pháp đo hao mòn piston

Đo đường kính piston sử dụng panme

có độ chính xác kích thước 0,01mm.

Để xác định sự thay đổi kích thước đường kính piston cần đo tại 4 vị trí: đỉnh piston (mặt cắt I-I), phía dưới rãnh xéc măng (mặt cắt II-II), vị trí giữa (mặt cắt III-III) và phần dẫn hướng (váy piston) (mặt cắt IV- IV). Ở mỗi vị trí này lại đo 2 điểm theo phương dọc theo chốt piston 2-2 và phương ngang 1-1 (vuông góc với chốt piston) (Hình 2.18).

*) Phương pháp đo mài mòn xéc măng

Xéc măng hao mòn ở phần miệng và phần lưng là nhiều nhất, mòn chiều cao chủ yếu mòn ở các góc. Đo khe hở miệng xéc măng để xác định lượng mòn, dùng căn lá để kiểm tra khe hở, vị trí kiểm tra là phía trên cùng của xy lanh, vì tại vị trí này xy lanh không bị mài mòn (Hình 2.19). Ngoài ra, mức độ mài mòn của xéc măng có thể đánh giá thông qua sự hao hụt về mặt khối lượng của bản thân xéc măng.

Hình 2.18. Vị trí đo đường kính piston

2.3.3.2. Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học E10 đến độ bền và

tuổi thọ của động cơ xăng ô tô

Hình 2.19. Đo khe hở miệng xéc măng

a) Quy trình thử nghiệm động cơ

Tương tự như đối với thử nghiệm xe máy, các thử nghiệm bền động cơ ô tô được thực hiện trên cơ sở so sánh đối chứng khi chạy hai động cơ với 2 loại nhiên liệu khác nhau (xăng RON92 và xăng sinh học E10). Mỗi động cơ được chạy bền 300h trên băng thử động cơ tại chế độ áp suất có ích trung bình BMEP = 5,65bar (tương ứng với 75% tải) và tốc độ 3000 v/ph. Chế độ này tương đương với vận tốc xe khoảng 80km/h. Tổng quãng

-52-

đường xe chạy quy đổi vào khoảng 24.000 km. Sơ đồ quy trình thử nghiệm được thể hiện trong Hình 2.20.

Động cơ chạy nhiên liệu xăng RON92 Động cơ chạy nhiên liệu sinh học E10

1. Tháo động cơ, đo kích thước pít tông, xy lanh, xéc măng, trục khuỷu và lắp động cơ

2. Chạy ổn định trong 2h Đo các thông số kinh tế, kỹ thuật theo đặc tính ngoài động cơ Đo áp suất nén Lấy mẫu dầu bôi trơn

Chạy bền 300h ở tốc độ 3000 v/ph, 75% tải Tần suất thay dầu bôi trơn: 50h Lấy mẫu dầu bôi trơn tại thời điểm 300h

Thực hiện đo lại các nội dung 2

Thực hiện đo lại các nội dung 1

Phân tích và đánh giá kết quả Hình 2.20. Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng ô tô

b) Phương pháp đo mài mòn

Đối với xy lanh, pít tông, xéc măng được thực hiện như mô tả trong phần đánh giá

mòn đối với động cơ xe máy.

Phương pháp đo mòn trục khuỷu

-53-

Hình 2.21. Các vị trí đo mòn cổ trục khuỷu

Dụng cụ đo trục khuỷu là panme có độ chính xác 0,01mm. Đối với trục khuỷu, phải

kiểm tra mòn của cổ chính và cổ biên.

Vị trí kiểm tra: chọn tiết diện I-I và II-II cách má khuỷu 5 ÷ 10 mm để đo lượng mòn (để tránh góc chuyển tiếp giữa cổ và má khuỷu). Ở mỗi tiết diện kiểm tra theo các phương vuông góc nhau A-A và B-B (Hình 2.21).

Khi đo trên phương BB vuông góc với phương AA và lấy hiệu số của 2 kích thước đo, sẽ xác định được độ méo; hiệu số của 2 kích thước đo hai đầu cổ I-I và II-II cùng phương cho ta độ côn cổ trục. Đối với cổ chính, nên kiểm tra thêm kích thước ở các phương C-C và D-D lệch 45° so với phương nối tâm (Hình 2.21).

2.4. Kết luận chương 2

Tỷ lệ cồn trong xăng sinh học có ảnh hưởng tới thông số của quá trình cháy như tốc độ cháy, bán kính màng lửa...Quá trình cháy trong động cơ sử dụng xăng sinh học có thể được mô phỏng bằng mô hình cháy Fractal. Cùng với các mô hình khác như mô hình hỗn hợp nhiên liệu, mô hình truyền nhiệt, mô hình tính toán hàm lượng phát thải; tiến hành mô phỏng động cơ xăng sử dụng xăng sinh học trong phần mềm AVL Boost, đây là phần mềm được các hãng sản xuất ô tô cũng như các nhà nghiên cứu ưa dùng nhờ tính năng chuyên dụng, dễ tiếp cận, cập nhật liên tục, độ chính xác cao… Mô hình này được sử dụng trong quá trình nghiên cứu mô phỏng nhằm đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến đặc tính cháy, hình thành phát thải độc hại cũng như các thông số tính năng của động cơ.

Các phương pháp đánh giá khả năng tương thích của động cơ xăng thông thường khi

sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol lớn được xây dựng bao gồm:

- Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu: Trên cơ sở các phương pháp đánh giá tương thích vật liệu khi sử dụng xăng sinh học trên thế giới SAEJ 1747 và SAEJ 1748 được sử dụng phổ biến, nghiên cứu này đã tìm hiểu và phân tích đặc điểm về quy trình đánh giá tương thích vật liệu của các tiêu chuẩn này, kết hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam xây dựng một phương pháp đánh giá tương thích vật liệu phù hợp. Đánh giá sự thay đổi màu sắc, độ bóng bề mặt, thay đổi khối lượng, kích thước, độ cứng, cấu trúc kim loại của các chi tiết thuộc hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ khi ngâm trong nhiên liệu RON92 và xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn,

- Phương pháp đánh giá tính năng động cơ: đánh giá theo phương pháp đối chứng khi sử dụng xăng thông thường và các loại xăng sinh học khác nhau ở các tay số tốc độ ổn định và theo chu trình thử khí thải tiêu chuẩn,

- Phương pháp đánh giá độ bền và tuổi thọ động cơ: đánh giá theo phương pháp đối chứng khi sử dụng xăng thông thường và E10, chạy bền động cơ xe máy tương đương 20.000km, chạy bền động cơ ô tô 300giờ trên băng thử. Tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ được đánh giá trước, giữa và sau khi kết thúc chạy bền. Chất lượng dầu bôi trơn, mức độ mài mòn các chi tiết sau thời gian chạy bền cũng được đánh giá và so sánh.

-54-

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ ETANOL LỚN

3.1. Mục đích, đối tượng và phạm vi mô phỏng

Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu xăng sinh học E10, E15, E20 và E85 đến đặc tính cháy, hình thành phát thải độc hại cũng như các thông số tính năng của động cơ thông qua các mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm AVL Boost.

Cơ sở cho việc đánh giá các kết quả thực nghiệm trên động cơ thực và kiến nghị điều chỉnh các thông số vận hành của động cơ một cách phù hợp khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học.

Công nghệ phun xăng điện tử bắt đầu được áp dụng khá rộng rãi cho động cơ ô tô trên thế giới vào khoảng cuối những năm 1980, một lượng lớn xe ô tô có độ tuổi từ 10 đến 20 tuổi ở Việt Nam còn lắp động cơ sử dụng bộ chế hòa khí. Từ các số liệu đối với xe ô tô ở Việt Nam, có thể thấy rằng, đối tượng ô tô cần lựa chọn phục vụ mục đích nghiên cứu bao gồm xe có động cơ sử dụng phun xăng điện tử (đại diện cho đại đa số ô tô hiện có ở Việt Nam hiện nay) và xe có động cơ sử dụng bộ chế hòa khí (đại diện cho nhóm các phương tiện có độ tuổi lớn có khả năng chịu tác động lớn từ việc sử dụng etanol).

Hầu hết các xe máy đang lưu hành ở Việt Nam sử dụng bộ chế hòa khí. Một số loại xe máy sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới từ các năm 2008 và 2009 đã áp dụng công nghệ phun xăng điện tử, đây cũng là hướng phát triển trong thời gian tới tuy nhiên hiện nay số lượng loại xe này còn hạn chế. Do vậy, lựa chọn loại xe máy chế hòa khí phục vụ cho nghiên cứu sử dụng xăng sinh học là hợp lý vì đại diện cho đa số xe máy. Bên cạnh đó, đối tượng động cơ phun xăng điện tử đã được nghiên cứu với đối tượng ô tô, đồng thời đây cũng là luận cứ để áp dụng cho động cơ xe máy phun xăng diện tử. Các đối tượng trên được lựa chọn thống nhất trong phần nghiên cứu mô phỏng trong chương này cũng như các phần nghiên cứu thử nghiệm ở chương 4.

Các nội dung nghiên cứu mô phỏng hướng đến mục tiêu trên có thể giải quyết được một cách đầy đủ và chính xác trên các phần mềm mô phỏng một chiều chuyên dụng về động cơ đốt trong như GT-Power, AVL-Boost, Promo… Trong số này AVL-Boost, phần mềm được lựa chọn trong nghiên cứu này, được các hãng sản xuất ô tô cũng như các nhà nghiên cứu ưa dùng nhờ tính năng chuyên dụng, dễ tiếp cận, cập nhật liên tục, độ chính xác cao… hơn nữa phần mềm này có liên kết chặt chẽ với hệ thống thiết bị do hãng AVL cung cấp được sử dụng trong phần thực nghiệm của nghiên cứu này.

3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ

3.2.1. Giới thiệu về phần mềm AVL Boost

Phần mềm AVL Boost bắt đầu được phát triển từ năm 1992, qua một giai đoạn phát triển từ đó đến nay, phần mềm này đã và đang ngày càng được phát triển hơn nữa. Phiên bản mới nhất của phần mềm AVL Boost hiện nay là AVL Boost 2011.

Phần mềm AVL Boost bao gồm những tính năng cơ bản sau [45]:

-55-

- Mô phỏng động cơ 2 kỳ, 4 kỳ, động cơ tăng áp hoặc không tăng áp, có hoặc không

trang bị hệ thống xử lý khí thải ... với nhiều loại nhiên liệu khác nhau,

- Mô phỏng các chế độ làm việc, chế độ chuyển tiếp của động cơ, - Tính toán thiết kế và tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ như quá trình cháy, quá

trình trao đổi khí,...,

- Tính toán hàm lượng phát thải độc hại trong khí thải, - Có khả năng kết nối với các phần mềm khác (liên kết động) để mô phỏng với các dữ

liệu động.

AVL Boost cho phép tính toán các chế độ tĩnh và động. AVL Boost có thể dùng để tối ưu hóa ở chế độ tĩnh các hệ thống nạp và thải, đóng mở xupáp, phối hợp các bộ phận tăng áp và ước lượng tính năng của các động cơ mới. AVL Boost cũng là một công cụ lý tưởng cho việc tối ưu hóa các đặc trưng chuyển tiếp của động cơ ở thời kỳ đầu, khi động cơ chưa được chế tạo, nhưng có tính đến cả hệ truyền động của phương tiện. Ngoài ra AVL Boost còn cho phép xây dựng mô hình điều khiển động cơ các chức năng quan trọng của hệ thống điều khiển động cơ mà không cần tới các phần mềm bên ngoài. AVL Boost có thể dễ dàng kết nối với Matlab, Simullink và phần mềm CFD 3D AVL Fire.

Các ứng dụng điển hình của phần mềm AVL Boost bao gồm 8 ứng dụng sau :

- Xác định đặc tính mômen, tiêu hao nhiên liệu, - Thiết kế đường nạp, thải, - Tối ưu hóa thời điểm đóng mở xupáp, - Phối hợp với cụm tăng áp, van xả, - Phân tích về âm thanh (độ ồn trên đường nạp, thải), - Phân tích quá trình cháy và hình thành khí thải, - Luân hồi khí thải, - Độ thích ứng của cụm tăng áp.

3.2.2. Xây dựng mô hình và các thông số nhập cho mô hình

3.2.2.1. Xây dựng mô hình

Đối tượng nghiên cứu mô phỏng gồm 2 động cơ xăng: một động cơ xăng xe máy và một động cơ xăng ô tô. Các thông số kỹ thuật của 2 động cơ được thể hiện trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ

Thông số Động cơ xe máy Động cơ ô tô Lanos

Loại động cơ Động cơ đánh lửa, 1 xylanh Động cơ đánh lửa, 4 xylanh

Dung tích xylanh 97 cm3 1.498 cm3

Đường kính piston 50 mm 76,5 mm

Hành trình piston 49,5 mm 81,5 mm

Tỷ số nén 9:1 9,5+/-0,2

Công suất cực đại 5,2 kW/7500 vòng/phút 70 kW/5600 vòng/phút

-56-

Góc đánh lửa - 300TK Tự động điều chỉnh

Dựa trên động cơ thực tế, từ những phần tử có sẵn trong AVL Boost, mô hình động cơ

xe máy và ô tô được xây dựng và thể hiện trên Hình 3.1.

3

2

4

5

7

1

6

1. lọc khí; 2. phần tử cản dòng; 3. vòi phun; 4. xylanh; 5. bộ xúc tác khí thải; 6. bình tiêu âm

1. Lọc khí; 2. Phần tử cản dòng 3. Vòi phun; 4. Bình ổn áp; 5. Phần tử nối; 6. Xy lanh; 7. Bình tiêu âm (Mô hình động cơ xe máy)

(Mô hình động cơ ô tô)

3.2.2.2. Các thông số nhập cho mô hình

Dữ liệu của mô hình được nhập từ các thông số cơ bản được thể hiện ở Bảng 3.2.

Hình 3.1. Mô hình mô phỏng động cơ xe máy và động cơ ô tô

Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của mô hình

Động cơ ô tô TT Thông số Động cơ xe máy

Đa nhiên liệu 1 Mô hình nhiên liệu Đa nhiên liệu

1500 – 4800 Tốc độ động cơ 2 3000; 5000; 7500

Bên ngoài Hình thành hỗn hợp 3 Bên ngoài

1 4 1

24,85 Áp suất môi trường (at) Nhiệt độ môi trường (0C) 5 24,85

6 Tỷ lệ Xăng : Etanol (tính theo thể tích)

1,0 : 0 (E0) 0,95 : 0,05 (E5) 0,90 : 0,10 (E10) 0,80 : 0,20 (E20) 0,15 : 0,85 (E85) 1,0 : 0 (E0) 0,95 : 0,05 (E5) 0,90 : 0,10 (E10) 0,80 : 0,20 (E20) 0,15 : 0,85 (E85)

4 Số kỳ 7 4

15 Số chu trình lặp 8 70

3.2.3. Các bước nghiên cứu trên mô hình mô phỏng

+ Mô phỏng trên đường đặc tính ngoài của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng (E0). Thay đổi loại nhiên liệu thành xăng sinh học E5, E10, E20 và E85 với khối lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ không đổi. Tốc độ vòng quay và góc đánh lửa sớm cũng được

-57-

giữ nguyên so với các chế độ vận hành với nhiên liệu E0. Đánh giá kết quả về tốc độ tỏa nhiệt, thời gian cháy, diễn biến áp suất, nhiệt độ, cũng như các thông số tính năng, phát thải của động cơ khi thay đổi tỷ lệ etanol trong nhiên liệu.

+ Mô phỏng trên đường đặc tính ngoài của động cơ sử dụng xăng (E0), thay đổi nhiên liệu từ E0 sang E10, E15, E20, E85 với hệ số dư lượng không khí lambda không đổi. Số vòng quay và góc đánh lửa sớm không thay đổi so với khi vận hành động cơ bằng nhiên liệu E0. Đánh kết quả tính toán về tốc độ tỏa nhiệt, diễn biến áp suất, nhiệt độ và các thông số tính năng, phát thải của động cơ khi thay đổi tỷ lệ etanol trong nhiên liệu.

+ Giữ nguyên công suất theo đường đặc tính ngoài khi động cơ vận hành với nhiên liệu RON92 bằng cách điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cấp vào khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học. So sánh lượng nhiên liệu cần bổ sung khi tăng tỷ lệ etanol trong xăng sinh học.

3.3. Kết quả tính toán mô phỏng

3.3.1. Đánh giá độ chính xác của mô hình

Nhằm xác định độ tin cậy của mô hình tính, trước khi áp dụng trên phạm vi rộng thì cần dùng mô hình để tính toán ở một chế độ nhất định, so sánh kết quả mô phỏng với kết quả đo đạc thực nghiệm, hiệu chỉnh mô hình nếu cần sao cho sai lệch giữa kết quả tính và kết quả đo nằm trong giới hạn cho phép.

Hình 3.2 thể hiện kết quả so sánh công suất của động cơ xe máy giữa mô phỏng và thực nghiệm đối với nhiên liệu xăng (RON92) và xăng sinh học (E10). Sai lệch lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm ở các chế độ vận hành toàn tải, tốc độ động cơ 3000 v/ph, 5000 v/ph và 7500 v/ph là 3,39%.

So sánh giữa kết quả tính toán mô phỏng trên mô hình động cơ ô tô với kết quả thực nghiệm về chỉ tiêu công suất trong dải tốc độ từ 2400 vòng/phút đến 3600 vòng/phút được trình bày trên Hình 3.3. Trong cả hai trường hợp nhiên liệu, sai lệch lớn nhất ghi nhận được (tại 2800 vòng/phút, nhiên liệu E10) là 8,9%. Sai lệch trung bình trong toàn miền khảo sát giữa thực nghiệm và mô phỏng khi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng là 4,6% và khi động cơ sử dụng nhiên liệu E10 là 6,5%. Như vậy, việc tính toán bằng mô hình mô

-58-

Hình 3.2. So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ xe máy với hai loại nhiên liệu RON92 và xăng pha cồn E10

phỏng có sai số dưới 10%, hoàn toàn đáp ứng đủ độ tin cậy cần thiết để tiến hành tính toán trên phạm vi rộng hơn sau này.

25

25

E0_MP

E10_MP

)

)

20

20

E0_TN

E10_TN

15

15

W k ( t ấ u s g n ô C

W k ( t ấ u s g n ô C

10

10

5

5

2400

2610

2800

3200

3600

2400

2610

2800

3200

3600

Tốc độ động cơ (vòng/phút)

Tốc độ động cơ (vòng/phút)

Hình 3.3. So sánh kết quả tính toán mô phỏng với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ ôtô Lanos với hai loại nhiên liệu xăng (RON92) và xăng pha cồn E10

3.3.2. Động cơ xe máy

3.3.2.1. Đặc tính của quá trình cháy

Hình 3.4 so sánh diễn biến của áp suất và nhiệt độ trong xylanh động cơ khi sử dụng 5 loại nhiên liệu ở 7500 v/ph từ 400 góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên (ĐCT) đến 500 góc quay trục khủy sau ĐCT. Kết quả cho thấy khi động cơ sử dụng nhiên liệu E0 và E5 không có nhiều sự khác biệt, từ E10 trở đi thì mới bắt đầu có sự thay đổi.

Cũng có thể nhận thấy rằng thời gian cháy trễ (góc cháy trễ) giảm đi khi tăng tỉ lệ etanol trong khi thời gian cháy nhanh lại có chiều hướng tăng lên. Bởi vì trong etanol có 1 nguyên tử oxy nên thuận tiện hơn cho quá trình châm cháy ở nhiệt độ cao và dịch chuyển màng lửa, tốc độ cháy của hỗn hợp etanol - không khí cao hơn của hỗn hợp xăng - không khí, dẫn đến quá trình cháy trễ diễn ra nhanh hơn. Do λ tăng lên khi giữ nguyên lượng nhiên liệu, thì theo [9] ta có với những giá trị λ > 0,92 thì tốc độ lan truyền màng lửa giảm đi khi tăng λ. Vì vậy thời gian cháy nhanh kéo dài hơn, nên khi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn xe chạy êm hơn do tốc độ tăng áp suất nhỏ nên khả năng chống kích nổ cũng được cải thiện. Thời gian cháy nhanh dài hơn cũng làm cho giá trị của nhiệt độ trong xylanh theo góc quay trục khuỷu khi sử dụng xăng sinh học đạt cực đại chậm hơn so với xăng thông thường. Bảng 3.3 thể hiện sự thay đổi của thời gian cháy nhanh, thời gian cháy trễ khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn etanol với các tỉ lệ khác nhau.

-59-

Hình 3.4. Diễn biến áp suất, nhiệt độ trong xylanh động cơ tại 7500 v/ph

Bảng 3.3. Thời gian cháy trễ và thời gian cháy nhanh của các loại nhiên liệu

RON92 E5 E10 E20 E85

Thời gian cháy trễ (0TK) 11 10,2 10 9,5 6,3

-7,27 -9,09 -13,64 -42,73

Thay đổi thời gian cháy trễ (%) Thời gian cháy nhanh (0TK) 33 34 36,5 40,7 33

Theo [10] ta có tốc độ toả nhiệt được tính theo công thức sau:

= (cid:1859)(cid:3030)(cid:3047). (cid:1843)(cid:3009).

(cid:1856)(cid:1876) (cid:1856)(cid:2030)

(cid:1856)(cid:1843) (cid:1856)(cid:2030)

trong đó:

(cid:2914)(cid:2934)

- gct: lượng nhiên liệu cấp cho một chu trình - QH: nhiệt trị thấp của nhiên liệu -

: tốc độ cháy

(cid:2914)φ

Thay đổi thời gian cháy nhanh (%) +3,03 +10,61 +23,33 0

Hình 3.5. Tốc độ toả nhiệt của động cơ sử dụng các loại nhiên liệu ở 7500 v/phút

Như ta đã biết, lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu trình không đổi, nhiệt trị thấp và tốc độ cháy của hỗn hợp xăng - etanol thấp hơn so với xăng, vì vậy có thể chứng minh được tốc độ toả nhiệt của động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng pha cồn là nhỏ hơn so với động cơ sử dụng xăng. Và khi càng tăng tỉ lệ etanol trong nhiên liệu thì tốc độ toả nhiệt càng giảm. Khác với động cơ diesel thì tốc độ toả nhiệt có giá trị âm sau thời điểm phun do hiện tượng bay hơi của nhiên liệu, thu nhiệt dẫn đến dQ/dφ âm. Động cơ xăng hình thành hoà khí bên ngoài nên ảnh hưởng của việc bay hơi nhiên liệu là không có, vì vậy trên đồ thị tốc độ toả nhiệt của động cơ xăng hoà khí bên ngoài là không có giá trị âm như trên Hình 3.5.

3.3.2.2. Công suất động cơ

Khi giữ nguyên nhiên liệu, do nhiệt trị của etanol thấp hơn xăng (chỉ bằng khoảng 2/3 so với xăng) nên công suất động cơ sẽ giảm. Với một tốc độ không đổi, lượng nhiên liệu cung cấp không đổi thì lượng không khí đi vào xylanh cũng không thay đổi. Trong khi đó lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu của etanol ít hơn xăng (9kg so với 14,565kg của xăng), vì vậy hỗn hợp nhiên liệu càng nhạt đi khi tăng tỉ lệ etanol trong nhiên liệu. Điều này cũng khiến cho công suất của động cơ giảm đi. Bảng 3.4 thể hiện giá trị công suất của động cơ khi giữ nguyên lượng nhiên liệu khi chạy các loại nhiên liệu ở 3 dải tốc độ khác nhau.

-60-

Bảng 3.4. Công suất động cơ khi chạy các loại nhiên liệu khác nhau (kW)

Tốc độ Cs giảm so với E0 3000 (v/ph) Nhiên liệu 5000 (v/ph) 7500 (v/ph) Cs giảm so với E0 Cs giảm so với E0 Cs giảm TB so với E0

3,47 1,74 5,19 E0

0,57% 3,47 0% 1,73 5,17 0,39% 0,32% E5

1,15% 3,45 0,58% 1,72 5,11 1,54% 1,09% E10

2,30% 3,38 2,59% 1,70 4,93 5,01% 3,30% E20

22,99% 2,49 28,24% 1,34 3,31 36,22% 29,15% E85

Hình 3.6 đã cho thấy được độ giảm công suất tương đối của động cơ khi chạy nhiên liệu xăng pha cồn với các tỉ lệ khác nhau ở 3 dải tốc độ 3000, 5000, 7500 v/ph so với khi chạy xăng RON92 (E0). Ta thấy, khi sử dụng nhiên liệu E5, E10, E20, E85 thì công suất trung bình giảm thể hiện ở Bảng 3.4. Khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn đến tỉ lệ 20% thì không cần điều chỉnh bổ sung nhiên liệu, vì công suất trung bình chỉ giảm đi có 3,3% khi toàn tải.

Muốn điều chỉnh động cơ để khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn với tỉ lệ lớn mà vẫn giữ nguyên công suất, cần điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp sao cho công suất động cơ không đổi ở một giá trị nào đó (có thể là công suất tối đa) ở cả 3 dải tốc độ trên. Ứng với mỗi tốc độ có một giá trị nhiên liệu cần bổ sung, để tính toán đường kính lỗ gic-lơ sao cho cung cấp đủ lượng nhiên liệu cần thiết.

3.3.2.3. Suất tiêu thụ nhiên liệu

Suất tiêu thụ nhiên liệu là tỉ số giữa lượng nhiên liệu tiêu thụ trên một đơn vị thời gian và công suất có ích của động cơ. Trong trường hợp này, khi giữ nguyên lượng nhiên liệu thì ta có thể xác định được suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ. Vì công suất của động cơ giảm, nên suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ sẽ tăng lên, được thể hiện qua Hình 3.7.

Hình 3.6. Độ giảm công suất trung bình khi sử dụng E5, E10, E20, E85 (so với E0)

3.3.2.4. Khí thải ô nhiễm

a) Phát thải CO

Khi động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng pha cồn thì do trong cồn etanol đã có nguyên tử oxy, vì vậy khả năng nhiên liệu cháy kiệt và hình thành CO2 là cao hơn so với

-61-

Hình 3.7. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ sử dụng xăng pha cồn

khi sử dụng xăng thuần tuý. Trong mô hình này lý do nêu trên dẫn tới CO giảm mạnh nhờ việc giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp, khi đó hệ số dư lượng không khí λ sẽ tăng lên, hỗn hợp nhạt đi, có nhiều oxy hơn, khả năng CO bị oxy hoá thành CO2 tốt hơn. Vì vậy, khi tăng tỉ lệ etanol trong nhiên liệu thì nồng độ CO giảm, tuy nhiên nếu tỉ lệ etanol lớn cũng dẫn đến CO lại tăng lên khi mà khả năng cháy kém đi. Sự thay đổi nồng độ phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn với các tỉ lệ khác nhau ở ba dải tốc độ 3000, 5000 và 7500 (v/ph) thể hiện Bảng 3.5. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của CO Hình 3.8.

Bảng 3.5. Nồng độ CO khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm)

Tốc độ 3000 (v/ph) 5000 (v/ph) 7500 (v/ph) CO giảm so với E0 CO giảm so với E0 CO giảm so với E0 CO giảm TB so với E0 Nhiên liệu

E0 330,62 14557,51 17818,24

E5 270,34 18,23% 756,2 94,81% 3715,86 79,15% 64,06%

E10 244,17 26,15% 428,71 97,06% 627,38 96,48% 73,23%

E20 211,96 35,89% 354,72 97,56% 488,17 97,26% 76,90%

Ở tốc độ 3000 v/ph CO giảm nhỏ hơn ở các tốc độ 5000 và 7500 v/ph, vì tại tốc độ này khi sử dụng nhiên liệu RON92, công suất động cơ đạt cực đại ở λ ≈ 1, trong khi đó ở 5000 và 7500 v/ph thì λ ≈ 0,96 và 0,94. Vì vậy theo [11] tốc độ giảm CO ở 3000 v/ph là thấp nhất. Còn ở 7500 v/ph, do λ của hỗn hợp nằm sâu trong vùng CO cao của động cơ, mặc dù nồng độ CO giảm rất nhiều nhưng với etanol chiếm 5% thể tích thì λ của hỗn hợp vẫn còn bé và nằm trong vùng có CO lớn, nên ta thấy tỉ lệ giảm của CO khi sử dụng nhiên liệu E5 ở 7500 v/ph của động cơ thấp hơn so với tỉ lệ giảm CO khi sử dụng nhiên liệu E5 ở 5000 v/ph. Độ giảm trung bình của CO khi sử dụng xăng pha cồn E5, E10, E20, E85 thể hiện ở Bảng 3.5.

E85 93,25 71,80% 133,87 99,08% 147,2 99,17% 90,02%

Như đã trình bày trước đó thì ở nước ta, nồng độ phát thải CO do xe máy thải ra là rất lớn, việc sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn có thể làm giảm đi lượng CO thải ra môi trường.

b) Phát thải HC

Hình 3.8. Phát thải CO khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với E0)

HC là các loại hydrocacbon có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết chứa trong khí thải. HC phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dư lượng không khí λ. Theo [11] HC thấp nhất ở

-62-

Hình 3.9. Phát thải HC khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với E0)

λ từ 1,2 đến 1,25, vì vậy khi bổ sung etanol vào trong nhiên liệu thì HC sẽ giảm khi ở chế độ toàn tải. Tuy nhiên nếu lượng etanol quá nhiều thì cũng dẫn đến λ nằm ngoài vùng trên, lúc đó HC lại tăng lên (Bảng 3.6 và Hình 3.9).

Bảng 3.6. Nồng độ HC khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm)

Tốc độ 3000 (v/ph) 5000 (v/ph) 7500 (v/ph) HC giảm so với E0 HC giảm so với E0 HC giảm so với E0 HC giảm TB so với E0 Nhiên liêu

E0 385,75 493,24 405,76

E5 291,12 24,53% 378,02 23,36% 345,18 14,93% 20,94%

E10 252,01 34,67% 268,11 45,64% 244,73 39,79% 40,04%

E20 221,38 42,61% 189,59 61,56% 161,17 60,28% 54,82%

c) Phát thải NOx

NOx là sản phẩm của quá trình oxy hoá nitơ trong không khí trong điều kiện nhiệt độ cao. Do nitơ có nhiều hoá trị nên oxít nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx. Trong khí thải động cơ thì NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO. Thành phần của NOx phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí λ (nồng độ oxy của hỗn hợp) và nhiệt độ cháy, đạt giá trị cực đại ở 1,05 -1,1 [11]. Tại đây, nhiệt độ quá trình cháy đủ lớn để tạo thành oxy và nitơ nguyên tử có tính năng hoạt hoá cao và cũng tại đây nồng độ oxy đủ lớn đảm bảo cho phản ứng, do đó NOx đạt cực đại. Trong thành phần khí thải động cơ xăng thì NO chiếm phần lớn (90 - 98%) và tuỳ thuộc vào λ.

E85 260,09 32,58% 200,02 59,45% 130,89 67,74% 53,26%

Bảng 3.7. Nồng độ NOx khi sử dụng các loại nhiên liệu theo tốc độ động cơ (ppm)

Tốc độ 3000 (v/ph) 5000 (v/ph) 7500 (v/ph) NOX tăng so với E0 NOX tăng so với E0 NOX tăng so với E0 NOX tăng TB so với E0 Nhiên liêu

E0 3733,95 0% 2189,35 0% 1469,22 0% 0%

E5 4710,62 26,16% 3280,19 49,82% 2061,6 40,32% 38,77%

E10 5361,92 43,60% 4043,08 84,67% 2344,18 59,55% 62,61%

E20 5707,32 52,85% 4627,59 111,37% 2363,59 60,87% 75,03%

Khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn thì hỗn hợp nhạt đi, với tỉ lệ etanol chiếm khoảng 20% thể tích thì λ nằm lân cận vùng 1,05 - 1,1 vùng có giá trị NOx lớn nhất [11, 56], vì vậy khi sử dụng E20 làm nhiên liệu thì NOx cao nhất (Bảng 3.7).

Nồng độ NOx của động cơ sử dụng nhiên liệu E85 là thấp nhất,

E85 392,38 - 89,49% 252,16 - 88,48% 65,22 - 95,56% - 91,18%

Hình 3.10. Phát thải NOx khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn (so với E0)

-63-

do nhiệt trị thấp của E85 thấp hơn rất nhiều so với các nhiên liệu khác. Ngoài ra do λ của hỗn hợp khi sử dụng nhiên liệu E85 nằm khá xa vùng có NOx cao (λ = 1,05 - 1,1), hỗn hợp quá nhạt, dẫn đến nhiệt độ cháy giảm, nên nồng độ NOx của động cơ sẽ giảm. Từ Bảng 3.7 trên ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ về nồng độ NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn đối với khi sử dụng xăng.Hình 3.10 thể hiện mối quan hệ của nồng độ NOx khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn E5, E10, E20, E85 so với khi sử dụng RON92.

3.3.3. Động cơ ô tô xe Lanos

3.3.3.1. Trường hợp giữ nguyên lượng nhiên liệu cấp

Công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu

Hình 3.11 thể hiện diễn biến của sự thay đổi công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng của động cơ ô tô tương tự động cơ xe máy đã trình bày ở mục trước. Cụ thể công suất trung bình giảm khoảng 1,75%; 4,06%; 9,13% và 38,71% khi sử dụng nhiên liệu có 5%, 10%, 20% và 85% thể tích là cồn etanol.

Hình 3.12 thể hiện sự thay đổi lượng nhiên liệu cần cung cấp để công suất động cơ không đổi khi sử dụng xăng pha cồn. Lượng nhiên liệu cần bổ sung thêm khi sử dụng xăng pha cồn E5, E10, E20, E85 lần lượt là 1,67%; 3,67%; 7,51% và 30,29%.

Khi giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp, trong khi công suất động cơ giảm khi tăng tỷ lệ etanol trong nhiên liệu, suất tiêu thụ nhiên liệu sẽ tăng lên tương ứng với độ giảm của công suất (Hình 3.13).

Hình 3.11. Sự thay đổi công suất động cơ so với khi sử dụng xăng Hình 3.12. Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp để công suất động cơ không đổi

-64-

Hình 3.13. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ so với khi sử dụng xăng

Khí thải ô nhiễm

Hình 3.14 - 3.16 thể hiện sự thay đổi của các thành phần phát thải CO, HC và NOx của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng. Ta thấy CO và HC đều giảm, trong khi đó NOx tăng khi pha cồn vào trong nhiên liệu. Độ giảm trung bình của CO khi sử dụng xăng pha cồn E5, E10, E20, E85 lần lượt là 59,48%; 62,99%; 66,89%; 86,08% và HC giảm trung bình là 30,78%; 42,92%; 51,90% và 56,59%. và NOx tăng trung bình 29,65%; 42,38%; 49,68% và giảm 87,56%.

Hình 3.14. Thay đổi phát thải CO khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng

Hình 3.15. Thay đổi phát thải HC khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng

-65-

Hình 3.16. Thay đổi phát thải NOx khi sử dụng xăng pha cồn so với khi sử dụng xăng

3.3.3.2. Trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda

Trong trường hợp này, các chế độ tốc độ mô phỏng được tính toán chuyển đổi tương ứng với các tốc độ của xe ô tô Lanos ở tay số V (bảng 3.8 ÷ 3.12 thể hiện cột số vòng quay trục khuỷu động cơ và cột tốc độ xe tương ứng ở tay số V) nhằm mục đích đối chứng kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm xe ô tô trên băng thử sau này.

Công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu

Mức độ thay đổi công suất động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% so với khi sử dụng xăng RON92, trường hợp giữ nguyên lambda được thể hiện trên Bảng 3.8 và Hình 3.17. Theo đó, công suất của động cơ chỉ tăng nhẹ (khoảng 2%) khi động cơ chạy ở tốc độ cao (3600 vòng/phút) và lambda lớn hơn 1 một ít (1,02). Ở các chế độ tốc độ còn lại, với lambda nhỏ hơn 1 thì công suất động cơ giảm đi, nhiều nhất là khi sử dụng xăng E85 (gần 5%). Điều này có thể được giải thích do các ưu điểm về tốc độ cháy và tạo hòa khí tốt của etanol chỉ phát huy tác dụng trong vùng lambda lớn hơn 1.

Bảng 3.8. Mức độ thay đổi công suất động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda

Tốc độ Nhiên liệu

E0 E10 E15 E20 E85

Ne (kW)

Ne (kW)

Ne (kW)

Ne (kW)

Ne (kW)

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

n (v/ph) v (km/h)

2400 60 12,49 12,33 -1,29 12,28 -1,65 12,12 -2,94 11,80 -5,53

2610 65 13,34 13,24 -0,73 13,21 -0,97 13,03 -2,35 12,71 -4,72

2800 70 14,51 14,43 -0,53 14,39 -0,80 14,15 -2,48 13,79 -4,99

3200 80 17,32 17,20 -0,69 17,15 -1,00 16,86 -2,65 16,44 -5,07

3600 90 21,34 21,80 2,17 21,78 2,05 21,53 -0,87 20,08 -2,54

Mức độ thay đổi về suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn với tỷ lệ etanol trên 10% so với khi sử dụng xăng (E0), hệ số dư lượng không khí lambda được giữ không đổi, thể hiện trên Bảng 3.9 và Hình 3.18.

-66-

Hình 3.17. Mức độ thay đổi công suất động cơ so với khi chạy xăng (E0), giữ nguyên lambda Hình 3.18. Mức độ tăng suất tiêu thụ nhiên liệu so với khi chạy RON92, giữ nguyên lambda

Bảng 3.9. Mức độ thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda

Tốc độ Nhiên liệu

E0 E10 E15 E20 E85

ge (g/kWh)

ge (g/kWh)

ge (g/kWh)

ge (g/kWh)

ge (g/kWh)

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

n (v/ph) v (km/h)

2400 60 377 379 0,58 386 2,30 397 5,39 562 49,15

2610 65 379 383 0,97 395 4,14 407 7,44 558 47,13

2800 70 372 379 1,75 383 2,89 400 7,39 547 46,92

3200 80 350 353 0,83 371 6,17 382 9,19 514 46,86

Có thể thấy rằng khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn thì suất tiêu thụ nhiên liệu tăng lên, và càng tăng tỷ lệ cồn trong nhiên liệu thì suất tiêu thụ nhiên liệu càng tăng. Tính trung bình, khi tỷ lệ cồn tới 20% thì suất tiêu thụ nhiên liệu tăng khoảng 6,71%, nhưng khi sử dụng nhiên liệu E85 thì suất tiêu thụ nhiên liệu có thể tăng trên 40%.

Khí thải ô nhiễm

Bảng 3.10 ÷ Bảng 3.11 và Hình 3.19 thể hiện mức độ thay đổi các thành phần phát thải (CO, HC, NOx) khi chạy nhiên liệu có tỷ lệ etanol trên 10% so với khi chạy xăng RON92, giữ nguyên lambda.

Từ các đồ thị so sánh trên Hình 3.19, tương tự như kết quả mô phỏng trong trường hợp giữ nguyên lượng nhiên liệu cấp đã mô tả ở trên, xu hướng phát thải khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn là phát thải CO giảm mạnh, phát thải NOx tăng; đối với nhiên liệu E85 phát thải NOx giảm do thời gian cháy kéo dài và nhiệt độ cháy thấp hơn. Riêng thành phần HC, kết quả mô phỏng khi giữ lambda không đổi lại cho thấy thành phần HC đối với E10 giảm nhưng đối với E15, E20 thì tăng lên.

3600 90 324 321 -0,98 330 1,77 337 4,15 462 42,53

Bảng 3.10. Mức độ thay đổi phát thải CO động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda

Tốc độ Nhiên liệu

E0 E10 E15 E20 E85

CO (ppm)

CO (ppm)

CO (ppm)

CO (ppm)

CO (ppm)

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

n (v/ph) v (km/h)

2400 60 14953 14219 -4,91 13858 -7,32 13289 -11,13 12242 -18,13

2610 65 16339 15683 -4,01 15299 -6,37 14680 -10,15 13136 -19,60

2800 70 16480 15843 -3,87 15314 -7,08 14749 -10,50 13368 -18,88

3200 80 3252 3117 -4,15 3004 -7,63 2893 -11,04 3269 0,52

-67-

3600 90 227 222 -2,20 218 -3,96 214 -5,73 183 -19,38

Bảng 3.11. Mức độ thay đổi phát thải HC động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda

Tốc độ Nhiên liệu

E0 E10 E15 E20 E85

HC (ppm)

HC (ppm)

HC (ppm)

HC (ppm)

HC (ppm)

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

n (v/ph) v (km/h)

286 277 -3,15 321 12,24 326 13,99 451 57,69 60 2400

283 271 -4,24 323 14,13 328 15,90 451 59,36 65 2610

278 269 -3,24 320 15,11 325 16,91 448 61,15 70 2800

209 200 -4,31 234 11,96 238 13,88 342 63,64 80 3200

124 120 -3,23 157 26,61 158 27,42 233 87,90 90 3600

-68-

Hình 3.19. Mức độ thay đổi các thành phần phát thải so với khi chạy RON92, giữ nguyên lambda

Bảng 3.12. Mức độ thay đổi phát thải NOx động cơ khi sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ cồn trên 10% trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda

Tốc độ Nhiên liệu

E0 E10 E15 E20 E85

NOx (ppm)

NOx (ppm)

NOx (ppm)

NOx (ppm)

NOx (ppm)

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

Thay đổi % với E0

n (v/ph) v (km/h)

96 101 5,21 100 4,17 101 5,21 57 -40,63 60 2400

90 99 10,00 99 10,00 100 11,11 57 -36,67 65 2610

96 108 12,50 108 12,50 108 12,50 61 -36,64 70 2800

159 224 40,88 224 40,88 219 37,74 131 -17,61 80 3200

123 214 73,98 214 73,98 210 70,73 127 3,25 90 3600

3.4. Giải pháp cải tiến động cơ xăng thông thường khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn nhằm đảm bảo tính năng kỹ thuật

3.4.1. Giải pháp cải tiến động cơ sử dụng bộ chế hoà khí

Bộ chế hòa khí đến nay vẫn được sử dụng trên các xe ô tô thế hệ cũ (sản xuất trước năm 1990) và nhiều loại động cơ xăng cỡ nhỏ khác (xe máy, xuồng máy...). Khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol nhỏ, động cơ chế hòa khí hầu như không cần điều chỉnh, tuy nhiên với xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn, cần thiết phải có cải tiến về kết cấu nhằm đảm bảo tính năng kinh tế kỹ thuật và nâng cao hiệu suất động cơ. Các giải pháp cải tiến này bao gồm:

a) Điều chỉnh gic-lơ chính của hệ thống chính

Gic-lơ chính làm nhiệm vụ định lượng nhiên liệu cung cấp phù hợp với đa số chế độ làm việc của động cơ. Etanol chứa 35% ôxy theo tỷ lệ khối lượng dẫn tới nhiệt trị của etanol cũng giảm tương ứng khoảng 35% so với xăng thông thường. Do đó, để đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ đặc biệt là chế độ tải lớn và toàn tải, khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn phải tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình. Để thực hiện được việc này, có thể thay thế gic-lơ chính mới hoặc mở rộng đường kính lỗ gic-lơ chính bằng phương pháp khoan. Với nhiên liệu E100, tiết diện lưu thông của lỗ gic-lơ cần phải tăng lên từ 20 – 40%, thông thường tăng khoảng từ 30-35%. Theo kết quả nghiên cứu mô phỏng đối với động cơ xe máy sử dụng chế hòa khí ở trên, có thể tính toán lượng nhiên liệu cần cung cấp thêm cũng như đường kính lỗ gic-lơ chính tương ứng để đảm bảo duy trì công suất lớn nhất của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học có tỷ lệ etanol khác nhau như trình bày dưới đây.

Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ để công suất của động cơ xe máy không thay đổi ở các giá trị 1,71; 3,41; 5,09 (kW) ứng với các dải tốc độ 3000, 5000 và 7500 (v/ph) được trình bày trong Bảng 3.13. Từ đó ta có được đồ thị biểu diễn lượng nhiên liệu cần bổ sung để công suất không đổi (so với khi sử dụng RON92) – Hình 3.20.

-69-

Bảng 3.13. Lượng nhiên liệu cần dùng để công suất động cơ xe máy không đổi khi tăng tỉ lệ etanol trong nhiên liệu (g/chu trình)

Tốc độ 3000 (v/ph) 5000 (v/ph) 7500(v/ph) Nhiên liệu

RON92 0,00522 0,0059 0,00614

E10 0,0054 0,0061 0,0064

E20 0,00562 0,00635 0,00673

Hình 3.20 cho thấy lượng nhiên liệu cần bổ sung khi sử dụng xăng sinh học E10, E15, E20 và E85 lần lượt là 3,82%; 6,12%; 8,44% và 59,96%. Đây là cơ sở để xác định đường kính gic-lơ nhằm cung cấp đủ lượng nhiên liệu yêu cầu.

Công thức tính lượng nhiên liệu:



.

f

.(2.

).

80

G nl

 d

d

 p . h . g  h nl

nl

)

%

3000 vòng/phút

70

Trong đó: μd = μv.αb là hệ số

5000 vòng/phút

60

7500 vòng/phút

lưu lượng

50

Trung bình

( p ấ c g n u c u ệ

40

- μv là hệ số tốc độ

i

30

- αb là hệ số bóp dòng

 b

20

f f

nl d nl D

nl

10

i l n ê h n g n ă t ộ Đ

-

và

là tiết diện nhỏ nhất

nl Df

0

E10

E15

E20

E85

Nhiên liệu thử nghiệm

df và lớn nhất của gic-lơ chính - Δph là độ chân không tại họng - ρnl là khối lượng riêng của nhiên

liệu

E85 0,0088 0,0092 0,0095

- Δh là chênh lệch độ cao giữa

mặt thoáng nhiên liệu và miệng hút

- g là gia tốc trọng trường

.

f

.(2.

p

.

g

).

nl d

nl



Khi đó:

0

G G

.

f

.(2.

p

.

g

).

E

0

nl  . v b 0 E  . v b

E d

  . h h nl   . h h E

0

 nl  E

0

Do mô phỏng ở chế độ toàn tải, dòng khí đi vào với tốc độ nhanh, vì vậy độ chân không tại họng Δph rất lớn, nên có thể coi (Δph – Δh.ρnl.g) thay đổi không đáng kể, khi đó biểu thức trên sẽ trở thành:

2

.

f

.

nl d

 nl

f

.

nl d

0









.

0

0

20

G nl G

f f

0

E

0

nl d E d

nl G d E G d

f

.

 E  nl

E d

 nl  E

0

.

f

.

E d

 E

0

0

f f

nl f d nl f D 0 E d E D

-70-

Hình 3.20. Tỷ lệ lượng nhiên liệu cần bổ sung để công suất động cơ không đổi







.

0

0

0

d d

f f

nl d E d

nl d E d

nl G d E G d

 0 E  nl

nl

0E

trong đó

là đường kính lỗ gic-lơ khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn và

dd và

dd

khi sử dụng xăng.

Từ biểu thức trên có thể tính được đường kính lỗ gic-lơ mới so với đường kính lỗ gic-

lơ cũ.

Bảng 3.14. Sự thay đổi đường kính lỗ gic-lơ để công suất động cơ xe máy không đổi

Nhiên liệu thử nghiệm

E10

E15

E20

E85

Đường kính lỗ gic-lơ tăng (%)

0,79

1,31

1,77

11,31

Bảng 3.14 cho thấy, độ tăng kích thước gic-lơ của động cơ xe máy khi sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 lần lượt là 0,79%; 1,31% và 1,77% là không đáng kể, ngoài ra, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rõ lợi điểm của việc sử dụng xăng sinh học (đến E20) về mặt tính năng và phát thải vì thế không nhất thiết phải điều chỉnh trong các trường hợp này. Tuy nhiên, nếu hàm lượng etanol E100 lớn hơn 20% thì cần phải xem xét để có biện pháp hỗ trợ tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ.

Đối với động cơ ô tô sử dụng bộ chế hòa khí được mô phỏng ở phần trên khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu E10, E20 và E85 thì lượng nhiên liệu cần bổ sung thêm lần lượt là 3,67%; 7,51% và 30,29%. Tương tự như đối với bộ chế hòa khí động cơ xe máy, bộ chế hòa khí của động cơ ô tô không cần phải điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp đối với các loại nhiên liệu E10 và E20.

b) Điều chỉnh hệ thống tăng tốc

Hệ thống tăng tốc cung cấp thêm một lượng nhiên liệu tức thời giúp động cơ tăng tốc êm ái. Vì nhiệt trị thấp hơn xăng thông thường nên khi sử dụng xăng sinh học, cần điều chỉnh hệ thống tăng tốc để tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho quá trình tăng tốc. Trên một số bộ chế hòa khí, hệ thống tăng tốc có hai vị trí để thiết lập lượng nhiên liệu cung cấp, tương ứng với hành trình của bơm tăng tốc, phù hợp với thời tiết mùa đông và mùa hè. Lượng nhiên liệu cung cấp (hay hành trình của bơm tăng tốc) cho mùa hè nhỏ hơn mùa đông. Như vậy, có thể chuyển từ vị trí mùa hè sang vị trí mùa đông của hệ thống tăng tốc để tăng lượng nhiên liệu cung cấp. Một phương án khác để tăng lượng nhiên liệu là làm rộng lỗ gic-lơ tăng tốc, thường tăng diện tích thông qua của lỗ gic-lơ lên khoảng 15-20% khi sử dụng E100.

c) Điều chỉnh hệ thống làm đậm

Hệ thống làm đậm cung cấp thêm lượng nhiên liệu làm đậm hỗn hợp để động cơ phát ra công suất lớn khi hoạt động ở chế độ toàn tải hoặc gần toàn tải. Khi sử dụng xăng sinh học, thời điểm làm đậm hỗn hợp, hay là thời điểm mở gic-lơ làm đậm, cần sớm hơn. Với hệ thống làm đậm chân không, thông thường gic-lơ làm đậm mở khi độ chân không sau bướm ga giảm xuống dưới 27 kPa. Có thể lựa chọn và thay thế van làm đậm mở khi áp suất chân không lớn hơn, có loại mở khi độ chân không sau bướm ga giảm xuống dưới 40kPa. Cũng

-71-

có thể thay đổi độ cứng lò xo trong hệ thống làm đậm bằng cách thay lò xo mới hoặc thêm căn đệm để lò xo có độ cứng phù hợp nhằm mở gic-lơ làm đậm sớm hơn.

d) Điều chỉnh hệ thống không tải

Hệ thống không tải cung cấp nhiên liệu cho động cơ ở chế độ không tải, khi bướm ga đóng kín và nhiên liệu không thể đi qua hệ thống chính. Khi sử dụng xăng sinh học cần tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ trong quá trình chạy không tải, với E100 cần tăng khoảng 35% lượng nhiên liệu. Điều chỉnh hệ thống không tải bằng cách nới lỏng vít không tải có thể đáp ứng được yêu cầu tăng lượng nhiên liệu. Tuy nhiên, trong trường hợp nới lỏng vít không tải mà lượng nhiên liệu cung cấp không đủ thì cần phải khoan rộng lỗ không tải, thường tăng diện tích lưu thông lên khoảng 25% và có thể tiếp tục tăng rộng hơn nếu cần, đồng thời mở rộng tiết diện lỗ gic-lơ không khí của hệ thống không tải, có thể tới 50%.

e) Điều chỉnh vị trí phao xăng

Mức nhiên liệu trong buồng phao đóng vai trò quan trọng trong việc định lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ và phao xăng trong buồng xăng phụ của bộ chế hòa khí cùng với kim ba cạnh giúp duy trì vị trí này. Vì khối lượng riêng của xăng sinh học tăng lên cùng với tỷ lệ phối trộn của etanol so với xăng thông thường nên phao xăng sẽ “nhẹ” hơn và nổi nhiều hơn trong xăng sinh học, dẫn đến mức xăng trong buồng phao thay đổi theo hướng giảm xuống. Do đó cần điều chỉnh phao xăng để giữ nguyên mức xăng trong buồng phao như quy định với xăng thông thường.

f) Điều chỉnh thời điểm mở bướm gió

Bướm gió có tác dụng làm đậm hỗn hợp trong quá trình khởi động lạnh và chạy ấm máy động cơ. Khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn, thời gian chạy ấm máy lâu hơn so với khi sử dụng xăng thông thường. Vì vậy cần điều chỉnh bướm gió mở ra muộn hơn, việc điều chỉnh này được thực hiện tùy theo kết cấu cụ thể của bộ chế hòa khí.

g) Gia nhiệt cho nhiên liệu, sấy nóng khí nạp

Etanol có nhiệt độ sôi khoảng 780C, do vậy xăng sinh học có nhiệt độ sôi cao hơn xăng thông thường. Nhiệt độ sôi tăng lên khiến cho nhiên liệu khó bay hơi trong bộ chế hòa khí, các hạt nhiên liệu đọng bám trên thành đường ống nạp, gây tiêu hao nhiên liệu lớn và ô nhiễm môi trường, đặc biệt là các chế độ không tải và tăng tốc. Do vậy, xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn cần được gia nhiệt hoặc khí nạp cần được sấy nóng để quá trình bay hơi và hoà trộn nhiên liệu tốt hơn. Thông thường có thể sử dụng nhiệt từ nước làm mát hoặc từ khí thải động cơ để gia nhiệt cho nhiên liệu và sấy nóng không khí nạp.

h) Thời điểm đánh lửa

Etanol và xăng sinh học có trị số octan cao hơn xăng thông thường nên với cùng tỷ số nén cần điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm để nâng cao suất động cơ, giảm tiêu hao nhiên liệu.

i) Nâng cao tỷ số nén

Khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn, trị số ốctan cao có thể tăng tỷ số nén để

-72-

nâng cao hiệu suất động cơ. Tỷ số nén được tăng bằng biện pháp mài mặt nắp máy hoặc mài mặt thân máy. Tuy nhiên khi tăng tỷ số nén thì lực tác dụng lên piston, thanh truyền, trục khuỷu và các ổ trục cũng tăng.

3.4.2. Giải pháp cải tiến động cơ ô tô phun xăng điện tử

Hầu hết các xe ô tô xăng hiện nay đều sử dụng hệ thống phun xăng điện tử. Không giống như bộ chế hòa khí, với hệ thống phun xăng điện tử nhiên liệu được phun với áp suất khoảng 3bar vào đường nạp bằng vòi phun điện tử. Lượng nhiên liệu phun vào được ECU điều khiển trên cơ sở thu nhận và xử lý các tín hiệu về tốc độ, nhiệt độ động cơ...nhằm đảm bảo hệ số dư lượng không khí bằng 1 trong điều kiện làm việc bình thường. Do lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình và thời điểm đánh lửa đã được nhà sản xuất lập trình và cài đặt trong ECU điều khiển nên không thể tác động thay đổi được bộ thông số này.

Theo kết quả nghiên cứu mô phỏng thì lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ cần thay đổi tới 7,51% khi sử dụng nhiên liệu E20 nhằm giữ nguyên công suất của động cơ. Tỷ lệ thay đổi này nằm ngoài khả năng tự điều chỉnh của hệ thống phun xăng điện tử nên phải áp dụng các giải pháp tăng lượng nhiên liệu cung cấp. Việc tăng lượng nhiên liệu cung cấp khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn có thể thực hiện bằng một số giải pháp sau đây:

- Thay thế vòi phun có khả năng cung cấp nhiên liệu lớn hơn hoặc làm rộng lỗ phun

của vòi phun xăng điện tử,

- Tăng áp suất ở đường ống trước vòi phun bằng cách thay van điều áp.

Các giải pháp về gia nhiệt nhiên liệu, sấy nóng khí nạp, nâng cao tỷ số nén cũng tương

tự như trường hợp đối với bộ chế hòa khí.

-73-

3.5. Kết luận chương 3

Kết quả mô phỏng cho thấy diễn biến quá trình cháy, xu hướng thay đổi các thông số tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ xăng thông thường khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol lớn. Với việc sử dụng xăng sinh học trên động cơ xăng dùng chế hòa khí, công suất động cơ giảm và suất tiêu thụ nhiên liệu tăng so với khi sử dụng xăng thông thường. Muốn giữ nguyên công suất động cơ không đổi, cần phải điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cung cấp. Việc này có thể thực hiện một cách tự động ở các động cơ phun xăng điện tử. Tuy nhiên, khả năng điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp thông qua điều chỉnh hệ số dư lượng không khí λ chỉ có thể thực hiện đối với các loại xăng sinh học tới E20 (mức độ thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp trung bình tới 7,51%), đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ etanol từ 20% trở lên thì cần phải quan tâm điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp bằng cách tăng đường kính lỗ phun hoặc áp suất phun. Phát thải NOx tăng lên, CO và HC giảm xuống khi sử dụng xăng sinh học E5, E10 và E20. Tuy nhiên nếu sử dụng E85 thì nồng độ NOx lại giảm xuống một cách rõ rệt. Thời gian cháy trễ giảm, thời gian cháy nhanh tăng lên, vì vậy cần quan tâm đến góc đánh lửa sớm phù hợp để động cơ hoạt động hiệu quả nhất.

Các giải pháp cải tiến động cơ cho phù hợp với xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol lớn được nghiên cứu tính toán và đề xuất. Một số giải pháp thực hiện với động cơ xăng có bộ chế hòa khí như sau:

- Tăng lượng nhiên liệu cung cấp, theo kết quả tính với E85 đường kính gíclơ cần

tăng 11,31%,

- Điều chỉnh hệ thống tăng tốc, hệ thống không tải, vị trí phao xăng, - Điều chỉnh thời điểm đánh lửa, - Sấy nóng khí nạp.

-74-

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm

Đánh giá tác động của xăng sinh học E10, E15, E20 đến vật liệu các chi tiết trong hệ

thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng ô tô và xe máy.

Đánh giá tác động của xăng sinh học E10, E15, E20 đến đặc tính cháy, tính kinh tế, kỹ

thuật, phát thải, khả năng tăng tốc, khởi động lạnh của động cơ trong phòng thí nghiệm.

Đánh giá độ bền của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E10 trong phòng thí nghiệm.

4.2. Nhiên liệu

Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng RON92 đang được sử dụng rộng rãi trên thị trường cung cấp bởi Petrolimex và các hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học E10, E15 và E20 được pha trộn bởi Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam từ etanol gốc E100 sản xuất bởi Công ty Cổ phần Đồng Xanh, Quảng Nam, có nồng độ cồn 99,5%.

Bảng 4.1. Chỉ tiêu chất lượng của xăng RON92

STT Chỉ tiêu Xăng RON92 thương phẩm Tiêu chuẩn TCVN 6776:2005

1 Trị số ốctan

RON 92,4 92

2 Thành phần cất phân đoạn

Điểm sôi đầu, 0C 10%, 0C 50%, 0C 90%, 0C Điểm sôi cuối, 0C 38,9 53,6 93,6 158,6 180,0 - 70 120 190 215

3 Độ ổn định oxy hóa, phút 530 480

4 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg 215 500

5 Áp suất hơi Reid, kPa 70,46 43-75

6 Hàm lượng hydocacbon thơm, % thể tích 31,6 40

0,55 2,7

7 Hàm lượng oxy, % khối lượng 8 Khối lượng riêng ở 15 0C, kg/m3 0,7302 Báo cáo

Bảng 4.2. Tính chất nhiên liệu của xăng sinh học E10, E15 và E20

STT Chỉ tiêu E10 E15 E20

1 Trị số ốctan RON 94,4 94,5 96,6

2

-75-

Thành phần cất phân đoạn Điểm sôi đầu, 0C 10%, 0C 41,6 51,0 40,5 51,0 39,3 51,0

50%, 0C 90%, 0C Điểm sôi cuối, 0C 73,8 161,6 185,5 72,5 160,6 183 71,0 159,5 178,5

3 Độ ổn định oxy hóa, phút 880 1070 1262

4 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg 215 202 190

5 Áp suất hơi Reid, kPa 70,46 63,78 61,67

6 Hàm lượng hydocacbon thơm, % thể tích 27,8 26,9 25,3

3,93 5,98 8,03

7 Hàm lượng oxy, % khối lượng 8 Khối lượng riêng ở 15 0C, kg/m3 0,740 0,747 0,754

4.3. Nghiên cứu đánh giá khả năng tương thích vật liệu

4.3.1. Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm

4.3.1.1. Thiết bị nghiên cứu.

a) Thiết bị sấy Binder và chai thủy tinh dùng trong quá trình ngâm

Nhằm duy trì nhiệt độ ngâm, các chi tiết ngâm trong dung dịch RON92, E10, E15 và E20 được đặt trong thiết bị giữ nhiệt là tủ sấy Binder của Đức. Chai ngâm cần đảm bảo điều kiện đủ kín để tránh dung dịch ngâm bị bay hơi đồng thời phải đủ bền trong quá trình ngâm. Các chi tiết được ngâm trong chai thủy tinh có độ bền nhiệt cao, dung tích là 1 lít được sản xuất tại Đức chuyên dùng trong thí nghiệm hóa học. Nắp chai được sử dụng loại nhựa bền chịu được dung môi và nhiệt độ cao trong thí nghiệm (Hình ảnh và thông số thiết bị trình bày ở phục lục 2).

b) Các dụng cụ đo, kiểm tra và chụp ngoại quan.

Khối lượng của các chi tiết được đo bằng cân điện tử (với độ chính xác 0,1mg) đánh giá sự thay đổi khối lượng (% tăng, % giảm) bằng cách cân các chi tiết trước và sau khi ngâm trong nhiên liệu. Thước cặp dùng để đo kích thước chi tiết, đánh giá qua sự thay đổi kích thước (% tăng, % giảm) đường kính, chiều dài.

Nhằm đảm bảo tính đối chứng các hình ảnh chụp bằng máy ảnh, ảnh ngoại quan của chi tiết sẽ được chụp bằng máy ảnh kỹ thuật số Canon iXY 30S có độ phân giải cao. Để tăng thêm chất lượng hình ảnh, các chi tiết và máy ảnh đặt lên một bộ đồ gá chụp ảnh (Hình ảnh và thông số trình bày ở phụ lục 3).

4.3.1.2. Chi tiết nghiên cứu.

Hệ thống nhiên liệu của xe máy Honda có mã phụ tùng là 16100 – KTL – 641, mua tại

HEAD 275 Nguyễn Trãi – Thanh Xuân – Hà Nội.

Hệ thống nhiên liệu xe ôtô dùng chế hòa khí có mã phụ tùng là 23300-75020. Các chi

tiết trong bơm xăng sử dụng để nghiên cứu.

Hệ thống nhiên liệu của xe ôtô dùng phun điện tử có mã phụ tùng là 31110-1C000

(Hình ảnh được trình bày ở phụ lục 4).

-76-

4.3.2. Kết quả đánh giá khả năng tương thích vật liệu đối với hệ thống nhiên

liệu động cơ xe máy

4.3.2.1. Sự thay đổi của chi tiết giclơ nhiên liệu chính

Giclơ nhiên liệu chính được chọn và cắt để đánh giá bề mặt đường dẫn nhiên liệu đi qua lỗ giclơ. Bảng 4.3 thể hiện hình ảnh ngoại quan của ống giclơ trước và sau 2000h ngâm trong nhiên liệu RON92 và nhiên liệu xăng sinh học E10, E15 và E20.

Dễ thấy rằng chi tiết trước khi ngâm có bề mặt màu vàng và độ bóng cao. Sau thời gian 2000h ngâm, chi tiết ngâm trong nhiên liệu RON92, E10, E15 và E20 có bề mặt lỗ giclơ không còn độ bóng, bề mặt của chi tiết biến thành màu xỉn hơn.

Bảng 4.3. Hình ảnh chụp giclơ nhiên liệu chính trước và sau 2000h ngâm

Sự thay đổi về độ bóng của bề mặt lỗ rõ ràng hơn đối với các chi tiết ngâm trong nhiên liệu E10, E15 và E20 so với ngâm trong RON92. Điều đó chứng tỏ nhiên liệu xăng sinh học có khả năng ôxy hóa cao hơn RON92.

Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm

Bảng 4.4. Hình ảnh chụp bề mặt lỗ giclơ chính (vật liệu đồng) trên kính hiển vi điện tử với độ phóng đại 2000 lần

Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm

RON92 và E10 được thể hiện trên Bảng 4.4 sẽ làm rõ hơn nhận định ở trên.

Có thể thấy sau khi ngâm, bề mặt các chi tiết đều xuất hiện nhiều vết rỗ và có các cặn bẩm bám vào. Mức độ rỗ trên bề mặt chi tiết ngâm trong E10 nhiều hơn so với chi tiết

-77-

Hình ảnh chụp cấu trúc hiển vi điện tử của chi tiết giclơ chính ngâm trong nhiên liệu

ngâm trong RON92. Các vết rỗ này là do quá trình ăn mòn ôxy hóa của nhiên liệu đối với bề mặt chi tiết.

4.3.2.2. Sự thay đổi của vít điều chỉnh hỗn hợp không tải và vít xả xăng

Hình ảnh chi tiết của vít điều chỉnh hỗn hợp ở chế độ chạy không tải và vít xả xăng

được thể hiện trong Bảng 4.5.

Bảng 4.5 cho thấy sự thay đổi rõ rệt về màu sắc của cả vít điều chỉnh hỗn hợp không tải và vít xả xăng, tuy nhiên màu sắc của vít điều chỉnh hỗn hợp không tải biến đổi rõ rệt hơn. Các chi tiết không còn độ sáng bóng ban đầu mà bề mặt chi tiết bị rỉ và oxy hóa. Sự thay đổi màu sắc đối với chi tiết ngâm trong E10 rõ hơn so với chi tiết ngâm trong RON92. Màu sắc của vít điều chỉnh lượng xăng không tải cũng thay đổi tương tự như đối với vít xả xăng do hai vít này có cùng vật liệu.

Bảng 4.5. Hình vít điều chỉnh lượng không khí ở chế độ chạy không tải và vít xả xăng

Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm

4.3.2.3. Thay đổi của kim 3 cạnh

Hình ảnh ngoại quan kim ba cạnh trước và sau khi ngâm trong nhiên liệu RON92 và

E10 thể hiện trong Bảng 4.6.

Vít xả xăng Vít xả xăng Vít điều chỉnh lượng không khí ở chế độ không tải Vít điều chỉnh lượng không khí ở chế độ không tải

Bảng 4.6. Hình ảnh ngoại quan của kim ba cạnh trước và sau khi ngâm

Kim ba cạnh được làm bằng thép và hầu như không bị ảnh hưởng bởi nhiên liệu, hình

ảnh thể hiện trong Bảng 4.6 thể hiện rõ điều này.

-78-

Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm

4.3.2.4. Sự thay đổi của chi tiết lọc tinh nhiên liệu

Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử bề mặt chi tiết lọc tinh

nhiên liệu được thể hiện trong Bảng 4.7.

Bảng 4.7. Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử (phóng đại 500 lần) bề mặt chi tiết lọc tinh nhiên liệu

Có thể thấy rằng, cả 2 lõi lọc đều có sự thay đổi về màu sắc sang màu vàng đậm, lõi lọc ngâm trong E10 thay đổi rõ rệt hơn. Tuy nhiên, hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử không cho thấy sự biến đổi rõ nét của phần tử lọc. Bề mặt chi tiết lọc tinh khi ngâm trong nhiên liệu RON92 và E10 đều xuất hiện một lớp màng bám trên bề mặt, tuy nhiên màng bám trên bề mặt lọc ngâm trong E10 rõ rệt hơn. Các màng bám này có thể do các chi tiết phi kim ngâm cùng với lọc tinh bị thôi ra và bám vào bề mặt của lọc. Trong trường hợp lõi lọc lắp trong hệ thống cung cấp nhiên liệu E10, khả năng tắc lõi lọc do cặn bẩn sẽ rất cao và cần phải lưu ý làm sạch.

4.3.2.5. Sự thay đổi màu của vỏ nhựa lọc tinh

Hình ảnh vỏ nhựa lọc tinh được thể hiện trong Bảng 4.8, theo đó sự thay đổi màu sắc

của chi tiết ngâm trong E10 là rõ rệt nhất.

Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm

Bảng 4.8. Hình ảnh ngoại quan của vỏ nhựa lọc tinh trước và sau 2000h ngâm trong các dung dịch khác nhau

4.3.2.6. Ảnh hưởng của nhiên liệu tới kích thước các chi tiết

Các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu được đo trước và sau khi ngâm 1000h và 2000h trong nhiên liệu xăng RON92 và trong xăng sinh học. Kết quả đo kích thước các chi tiết kim loại trước và sau khi ngâm thể hiện ở phụ lục 5.

-79-

Trước khi ngâm Sau khi ngâm 2000h

Từ các kết quả, cho thấy các chi tiết kim loại và phi kim hầu như không thay đổi kích

thước sau khi ngâm trong nhiên liệu RON92 cũng như xăng sinh học.

4.3.2.7. Ảnh hưởng của nhiên liệu tới khối lượng các chi tiết

Bên cạnh việc đo kích thước, khối lượng các chi tiết kim loại và phi kim cũng được cân để đánh giá về thay đổi về khối lượng trước và sau khi ngâm 2000h. Khối lượng các chi tiết trước và sau khi ngâm được thể hiện ở phụ lục 6.

Kết quả đo cho thấy khối lượng của các chi tiết kim loại trước và sau khi ngâm không thay đổi. Đối với các chi tiết phi kim, sự thay đổi là nhỏ và khá tương đồng đối với các chi tiết ngâm. Các chi tiết bằng nhựa và cao su có xu hướng giảm khối lượng do bị hòa tan một lượng nhỏ ra nhiên liệu, phù hợp với kết quả đánh giá ngoại quan, chi tiết lọc tinh bằng giấy có xu hướng tăng khối lượng do một số chất bị tan trong nhiên liệu bám vào lọc.

4.3.2.8. Phân tích và đánh giá một số chỉ tiêu của xăng sinh học trước và sau khi

ngâm chi tiết

Nhiên liệu xăng RON92, E10, E15 và E20 được pha chế và phân tích một số chỉ tiêu trước khi ngâm chi tiết tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam. Kết quả phân tích được thể hiện ở các Bảng dưới đây .

Bảng 4.9. Kết quả phân tích nhiên liệu trước khi ngâm chi tiết

Kết quả STT Chỉ tiêu Đơn vị Phương pháp đo RON92 E10 E15 E20

Thành phần cất phân đoạn

33,8 36,4 - -

oC

51,5 51,8 - - 1 83,7 66,4 - - TCVN 2698:2002 (ASTM D86) 166,4 156,7 - -

196,4 189,3 - - tsđ t10 t50 t90 tsc

- Loại 1 Loại 1 - - 2 Ăn mòn mảnh đồng ở 50oC/3h TCVN2694:200 0 (ASTM D130)

ppm 0,57 0,48 0,44 0,38 3 Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) TCVN7331:200 3 (ASTM D3831)

mg/100ml 0,8 0,78 0,75 0,74 4 Hàm lượng nhựa thực tế TCVN6593:200 0 (ASTM D381)

Hàm lượng Metanol ASTM D 5501 % thể tích 0 - - - 5

Kết quả phân tích cho thấy không có hàm lượng Metanol và hàm lượng Acetone trong

xăng RON92.

Sau khi ngâm chi tiết, nhiên liệu cũng được lấy mẫu và phân tích, một số kết quả phân

tích thể hiện trong các Bảng dưới đây.

-80-

Hàm lượng Acetone ASTM D 5501 % thể tích 0 - - - 6

Bảng 4.10. Kết quả phân tích nhiên liệu RON92 sau khi ngâm chi tiết

STT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị Ngâm kim loại Ngâm phi kim

Thành phần cất phân đoạn

34,3 33,5 tsđ

oC

52,2 51,1 t10 1 83,8 84,3 t50 TCVN 2698:2002 (ASTM D86) 166,9 165,8 t90

197,2 196,9 tsc

2 0,61 0,59 Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) ppm TCVN 7331:2003 (ASTM D3831)

3 0,89 Hàm lượng nhựa thực tế mg/100ml 0,82 TCVN 6593:2000 (ASTM D381)

Bảng 4.11. Kết quả phân tích nhiên liệu E10 sau khi ngâm chi tiết

STT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị Ngâm kim loại Ngâm phi kim

Thành phần cất phân đoạn

36,9 37,1 tsđ

oC

51,3 51,9 t10 1 66,1 66,8 t50 TCVN 2698:2002 (ASTM D86) 157,0 157,2 t90

189,9 190,4 tsc

0,54 0,5 Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) ppm 2 TCVN 7331:2003 (ASTM D3831)

Hàm lượng nhựa thực tế mg/100ml 0,82 1,02 3 TCVN 6593:2000 (ASTM D381)

Bảng 4.12. Kết quả phân tích nhiên liệu E15 sau khi ngâm chi tiết

STT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị Ngâm kim loại Ngâm phi kim

ppm 0,48 0,45 1 Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) TCVN 7331:2003 (ASTM D3831)

mg/100ml 0,78 0,99 2 Hàm lượng nhựa thực tế TCVN 6593:2000 (ASTM D381)

Bảng 4.13. Kết quả phân tích nhiên liệu E20 sau khi ngâm chi tiết

STT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị Ngâm kim loại Ngâm phi kim

ppm 0,43 0,385 1 Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) TCVN 7331:2003 (ASTM D3831)

-81-

mg/100ml 0,76 0,88 2 Hàm lượng nhựa thực tế TCVN 6593:2000 (ASTM D381)

Bảng 4.14. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết kim loại

STT Chỉ tiêu Đơn vị RON92 E10 E15 E20

Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) ppm 0,04 0,06 0,04 0,05 1

Hàm lượng nhựa thực tế mg/100ml 0,02 0,04 0,03 0,02 2

Bảng 4.15. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết phi kim

STT Chỉ tiêu Đơn vị RON92 E10 E15 E20

Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) ppm 0,02 0,02 0,01 0,005 1

So sánh kết quả phân tích các mẫu nhiên liệu RON92, E10, E15 và E20 ngâm chi tiết kim loại cho thấy sự thay đổi về hàm lượng kim loại và hàm lượng nhựa trong nhiên liệu là không đáng kể.

Đối với các chi tiết phi kim, trong khi hàm lượng nhựa trong dung dịch ngâm tăng lên. Điều này cho thấy các chi tiết phi kim đã bị phôi và hòa tan trong nhiên liệu. So với xăng RON92, mức độ tăng hàm lượng nhựa khi ngâm trong E10, E15 và E20 rõ nét hơn.

Hàm lượng nhựa thực tế mg/100ml 0,09 0,24 0,24 0,14 2

4.3.3. Kết quả đánh giá khả năng tương thích vật liệu đối với hệ thống nhiên

liệu động cơ ô tô

4.3.3.1. Giclơ nhiên liệu chính và các chi tiết khác

Bảng 4.16 thể hiện hình ảnh ngoại quan của gíclơ trước và sau 2000h khi ngâm trong

nhiên liệu RON92 và nhiên liệu xăng sinh học E10.

Bảng 4.16 cho thấy bề mặt của chi tiết sau khi ngâm bị sẫm màu, trong đó màu của giclơ ngâm trong E10 có màu sẫm hơn và không đồng đều. Hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử cho thấy rõ hiện tượng ăn mòn xẩy ra trên bề mặt của chi tiết sau khi ngâm. Chi tiết khi ngâm trong nhiên liệu E10 có xuất hiện nhiều vết rỗ, thậm chí đã xuất hiện vết nứt tế vi bề mặt. Điều này cho thấy tác động ôxy hóa của E10 lớn hơn so với RON92.

Bảng 4.16. Hình ảnh ngoại quan và hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử giclơ nhiên liệu chính

Kết quả ngâm van điện từ cắt nhiên liệu (làm bằng đồng hợp kim) không cho thấy

biến đổi nào của chi tiết so với trước khi ngâm Bảng 4.17.

-82-

Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm

Bảng 4.17. Hình ảnh ngoại quan kết quả ngâm van điện từ cắt nhiên liệu (làm bằng đồng hợp kim)

Tương tự như đối với phần tử lọc tinh của xe máy, kết quả ngâm phần tử giấy lọc tinh của ô tô cũng không cho thấy sự khác biệt đáng kể nào so với trước khi ngâm, tuy nhiên, phần tử lọc ngâm trong E10 có xuất hiện một số cặn bẩn bám vào bề mặt do bị phôi ra từ các chi tiết phi kim ngâm cùng lọ.

4.3.3.2. Màng cao su tăng tốc phụ của bộ chế hòa khí

Hình ảnh chụp màng cao su tăng tốc phụ của bộ chế hòa khí (Hình 4.1). Sau 2000h ngâm trong RON92, bề mặt chi tiết màng cao su bơm tăng tốc của chế hòa khí xe ôtô hầu như không bị biến dạng và viền xung quanh không bi ảnh hưởng nhiều.

Với chi tiết ngâm trong E10 sau 2000h, bề mặt màng cao su bị co giãn, các lỗ bắt vít đồng thời bị biến dạng, viền bên ngoài bị phân tách lớp màng. Đây là chi tiết chịu ảnh hưởng của nhiên liệu E10 và cần thiết phải thay đổi trước khi động cơ chuyển sang sử dụng E10.

Hình ảnh chụp trước khi ngâm Hình ảnh chụp sau 2000h ngâm

RON92 (0h) RON92 (2000h) E10 (0h) E10 (2000h)

4.3.3.3. Các chi tiết trong bơm xăng điện tử

Hình ảnh các chi tiết của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm trong nhiên liệu RON92 và E10 (Hình 4.2). Dễ thấy rằng các chi tiết của bơm xăng điện tử không có khác biệt trước và sau khi ngâm 2000h trong xăng RON92 và E10.

-83-

Hình 4.1. Màng cao su của bơm tăng tốc phụ của bộ chế hòa khí trước và sau ngâm

Hình 4.3 thể hiện hình ảnh chi tiết bảng mạch báo mức xăng của bơm xăng điện tử khi ngâm trong RON92 và E10. Sau 1000h và 2000h ngâm, bộ phận này có thay đổi về màu và sỉn hơn so với trước khi ngâm. Ngoài ra, trên bề mặt của bảng mạch báo mức xăng ngâm trong E10 có dấu hiệu bị bong tróc.

Hình 4.2. Các chi tiết của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm 2000h

Hình 4.4 thể hiện hình ảnh lưới lọc thô của bơm xăng điện tử khi ngâm trong RON92

và E10.

Hình 4.3. Hình ảnh chụp bảng mạch báo mức xăng của bơm xăng điện tử

Sau 1000h và 2000h, chi tiết lưới lọc thô của bơm xăng điện tử có thay đổi màu sắc từ màu trắng chuyển thành màu hơi vàng, sự chuyển màu rõ nhất ở thời gian ngâm trong E10

-84-

Hình 4.4. Lưới lọc thô của bơm xăng điện tử trước và sau khi ngâm trong xăng RON92 và E10

sau 2000h. Sự đổi màu khi ngâm trong dung dịch E10 chủ yếu là do sự phôi màu của phao xăng khi ngâm cùng tạo ra. Lưới lọc thô ngâm trong E15 và E20 có màu sắc tương tự như khi ngâm trong xăng RON92 do trong các lọ này không ngâm chi tiết phao xăng.

Hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử cũng cho thấy có các cặn bẩn bám trên bề mặt

của phần tử lọc ngâm trong dung dịch E10.

Kết quả ngâm phần tử lọc tinh của bơm xăng điện tử (làm bằng giấy) cũng cho kết quả

tương đồng với phần tử lọc thô.

Chi tiết giắc cắm của bơm xăng điện tử có vật liệu ngoài là nhựa và trong là giắc cắm

có đầu làm bằng đồng (Hình 4.5).

Sau 1000h ngâm trong nhiên liệu xăng sinh học E10, đầu tiếp xúc bằng đồng của giắc cắm bơm xăng điện bị ôxy hóa rõ hơn so với khi ngâm trong RON92. Sau 2000h ngâm trong E10, lá đồng bị ôxy hóa chuyển màu đen rõ nét hơn.

4.3.3.4. Khối lượng các chi tiết của chế hòa khí xe ôtô trước và sau khi ngâm

Khối lượng các chi tiết chính trước và sau khi ngâm của chế hòa khí xe ôtô với 4 mẫu nhiên liệu RON92, E10, E15, E20 được thể hiện ở các phụ lục 7. Các chi tiết trước khi cân được vệ sinh sạch bằng nhiên liệu xăng RON92, sau đó để cho nhiên liệu bay hơi hết trên bề mặt được để trong tủ sấy có nhiệt độ trong tủ là 280C để thời gian là 10 phút.

Sau thời gian ngâm 1000h và 2000h, các chi tiết kim loại trong bộ chế hòa khí có khối lượng hầu như không thay đổi đối với tất cả các dung dịch ngâm. Các chi tiết phi kim như màng cao su tăng tốc phụ, phần tử lọc... có sự thay đổi trọng lượng do cặn bẩn bám vào.

Sự tăng khối lượng chi tiết gioăng làm kín bơm xăng điện ngâm trong nhiên liệu RON92 và E10 so với 0h (Hình 4.6). Khối lượng gioăng làm kín bơm xăng ngâm trong RON92 tăng 0,06mg còn khối lượng ngâm trong E10 tăng 0,11mg. Sự tăng khối lượng của các chi tiết là do sự trương nở chi tiết bằng cao su.

Sự thay đổi khối lượng của màng cao su tăng tốc phụ so với 0h được thể hiện trên (Hình 4.7). Trong đó, khối lượng của chi tiết ngâm trong RON92 tăng 0,07g và trong E10 tăng 0,12g.

-85-

Hình 4.5. Hình ảnh giắc cắm bơm xăng tử trước và sau khi ngâm

Phao xăng trong bình nhiên liệu và quả phao trong chế hòa khí thể hiện sự giảm khối lượng rõ trong cả dung dịch ngâm là xăng RON92 và E10 so với 0h, tuy nhiên, mức độ giảm khối lượng trong E10 có chiều hướng lớn hơn (Hình 4.8 và Hình 4.9).

Hình 4.6. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết gioăng làm kín bơm xăng so với 0h Hình 4.7. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết màng cao su tăng tốc phụ so với 0h

4.3.3.5. Biến thiên khối lượng các chi tiết của hệ thống phun xăng điện tử

Khối lượng các chi tiết chính trước và sau khi ngâm của bơm xăng điện xe ôtô với 4

mẫu nhiên liệu liệu RON92, E10, E15 và E20 được thể hiện ở phụ lục 8.

Sau thời gian ngâm 1000h và 2000h, các chi tiết kim loại trong bơm xăng điện khi ngâm trong RON92, E10, E15 và E20 hầu như không thay đổi khối lượng. Khối lượng các chi tiết phi kim trong bơm xăng điện có sự thay đổi tăng giảm khác nhau. Sự tăng giảm các chi tiết chủ yếu xẩy ra ở các chi tiết ngâm trong RON92 và E10.

Khối lượng lưới lọc thô tăng trong RON92 sau khi ngâm 2000h là 0,04mg còn trong E10 tăng 0,11 mg. Tương tự khối lượng chi tiết lọc tinh của bơm xăng điện ngâm trong RON92 tăng 0,03 mg còn trong E10 tăng 0,07 mg (Hình 4.10). Sự tăng khối lượng của các chi tiết là do các nguyên nhân như: các chất hóa học phản ứng với nhau, một số chất bám dính vào bề mặt các chi tiết.

Hình 4.8. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h Hình 4.9. Đồ thị khối lượng giảm chi tiết quả phao chế hòa khí so với 0h

Trong khi đó, khối lượng bộ báo mức nhiên liệu khi ngâm trong RON92 giảm 0,06 mg còn trong E10 giảm 0,21 mg (Hình 4.11). Khối lượng phao xăng báo mức nhiên liệu khi ngâm trong RON92 giảm 0,12 mg còn trong E10 giảm 0,27 mg (Hình 4.12).

-86-

Hình 4.10. Đồ thị tăng khối lượng chi tiết lọc tinh bơm xăng điện so với 0h

4.3.3.6. Kết quả nghiên cứu phân tích nhiên liệu

Kết quả phân tích dung dịch ngâm chi tiết được thể hiện ở các Bảng 4.18 đến 4.24.

So sánh kết quả phân tích các mẫu nhiên liệu RON92, E10, E15 và E20 ngâm chi tiết kim loại có thể thấy sự thay đổi về hàm lượng kim loại trong nhiên liệu tương đối đồng đều. Trong khi đó, hàm lượng nhựa trong nhiên liệu hầu như không thay đổi.

Hình 4.11. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết bộ báo mức nhiên liệu bơm xăng điện so với 0h Hình 4.12. Đồ thị giảm khối lượng chi tiết phao xăng báo nhiên liệu so với 0h

Bảng 4.18. Kết quả phân tích nhiên liệu trước khi ngâm chi tiết

Kết quả STT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị RON92 E10 E15 E20

Thành phần cất phân đoạn

33,8 36,4 - -

oC

51,5 51,8 - - 1 TCVN 2698:2002 (ASTM D86) 83,7 66,4 - -

166,4 156,7 - -

196,4 189,3 - - tsđ t10 t50 t90 tsc

- Loại 1 Loại 1 - - 2 Ăn mòn mảnh đồng ở 50oC/3h TCVN2694:2000 (ASTM D130)

ppm 0,57 0,48 0,44 0,38 3 Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) TCVN7331:2003 (ASTM D3831)

mg/100ml 0,8 0,78 0,75 0,74 4 Hàm lượng nhựa thực tế TCVN6593:2000 (ASTM D381)

Hàm lượng Metanol ASTM D 5501 % thể tích 0 - - - 5

Hàm lượng Acetone ASTM D 5501 % thể tích 0 - - - 6

Bảng 4.19. Kết quả phân tích nhiên liệu RON92 sau khi ngâm chi tiết

STT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị RON92 ngâm Kim loại RON92 ngâm Phi kim

Thành phần cất phân đoạn

oC

-87-

34,3 33,5 1 52,2 51,1 TCVN 2698:2002 (ASTM D86) 83,8 84,3 tsđ t10 t50

166,9 165,8

197,2 196,9 t90 tsc

0,65 0,59 ppm 2 Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) TCVN 7331:2003 (ASTM D3831)

Hàm lượng nhựa thực tế mg/100ml 0,83 0,92 3 TCVN 6593:2000 (ASTM D381)

Bảng 4.20. Kết quả phân tích nhiên liệu E10 sau khi ngâm chi tiết

STT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị E10 ngâm Kim loại E10 ngâm Phi kim

Thành phần cất phân đoạn

36,9 37,1

oC

51,3 51,9 1 66,1 66,8 TCVN 2698:2002 (ASTM D86) 157,0 157,2

189,9 190,4 tsđ t10 t50 t90 tsc

0,57 0,5 ppm 2 TCVN 7331:2003 (ASTM D3831) Hàm lượng kim loại (Mn,Fe)

Hàm lượng nhựa thực tế mg/100ml 0,82 1,13 3 TCVN 6593:2000 (ASTM D381)

Bảng 4.21. Kết quả phân tích nhiên liệu E15 sau khi ngâm chi tiết

STT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị Ngâm kim loại Ngâm phi kim

ppm 0,52 0,45 1 Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) TCVN 7331:2003 (ASTM D3831)

mg/100 ml 0,79 1,10 2 Hàm lượng nhựa thực tế TCVN 6593:2000 (ASTM D381)

Bảng 4.22. Kết quả phân tích nhiên liệu E20 sau khi ngâm chi tiết

STT Chỉ tiêu Phương pháp đo Đơn vị Ngâm kim loại Ngâm phi kim

ppm 0,46 0,385 1 Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) TCVN 7331:2003 (ASTM D3831)

Hàm lượng nhựa thực tế mg/100 ml 0,77 0,94 2 TCVN 6593:2000 (ASTM D381)

Bảng 4.23. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết kim loại

STT Chỉ tiêu Đơn vị RON92 E10 E15 E20

Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) ppm 0,08 0,09 0,08 0,08 1

Hàm lượng nhựa thực tế mg/100ml 0,03 0,04 0,04 0,03 2

Bảng 4.24. Thay đổi của nhiên liệu trước và sau ngâm chi tiết phi kim

STT Chỉ tiêu Đơn vị RON92 E10 E15 E20

Hàm lượng kim loại (Mn,Fe) ppm 0,02 0,02 0,01 0,005 1

-88-

Hàm lượng nhựa thực tế mg/100ml 0,12 0,35 0,35 0,2 2

Ngược lại, đối với các nhiên liệu ngâm chi tiết phi kim, hàm lượng kim loại trong nhiên liệu hầu như không thay đổi, trong khi hàm lượng nhựa tăng rõ rệt. Điều này cho thấy các chi tiết phi kim đã bị phôi và hòa tan trong nhiên liệu. So với xăng RON92, mức độ tăng hàm lượng nhựa khi ngâm trong E10, E15 và E20 rõ nét hơn.

4.4. Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử

4.4.1. Phương pháp, quy trình đánh giá tính năng và độ bền

Đánh giá tính năng của động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu RON92; E10; E15 và E20 được thực hiện theo phương pháp và quy trình lần lượt thể hiện ở mục 2.3.2 của Chương 2.

Độ bền của xe máy và động cơ ô tô được đánh giá trên cơ sở đối chứng trên 2 đối tượng tương đồng, một đối tượng sử dụng nhiên liệu xăng RON92 và một đối tượng sử dụng xăng sinh học E10 như thể hiện chi tiết ở các mục 2.3.3.1 và 2.3.3.2 của Chương 2.

4.4.2. Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm

4.4.2.1. Trang thiết bị thử nghiệm

a) Băng thử ô tô CD48”

Phòng thử ô tô bao gồm băng thử động lực học (CD48”), hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải, các thiết bị phụ trợ. Băng thử động lực học CD48” do hãng AVL Zollner chế tạo có chức năng để thử và kiểm tra ôtô trong phòng thí nghiệm giúp cho quá trình nghiên cứu về ôtô nói chung và động cơ nói riêng được dễ dàng hơn đồng thời có thể thực hiện một số chức năng mà khó hoặc không thể thực hiện trên đường thực. Chi tiết thiết bị được sử dụng trong quá trình thử nghiệm được trình bày trong phần phụ lục 9.

b) Băng thử xe máy CD20”

Đối với động cơ xe máy thử nghiệm được tiến hành trên băng thử xe máy CD20” tại Phòng thí nghiệm đầu tư tập trung về Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội. Chi tiết về các thiết bị được sử dụng trong quá trình thử nghiệm được trình bày trong phần phụ lục 10.

c) Băng thử thủy lực Didacta

Băng thử Didacta T101D là băng thử động cơ kiểu thủy lực do Italia chế tạo. Chi tiết

thiết bị được sử dụng trong quá trình thử nghiệm được trình bày trong phần phụ lục 11.

d) Tủ phân tích khí thải CEBII

Tủphân tích khí thải CEBII phân tích thành phần các chất CO, CO2, NO, NOx, HC có trong khí thải động cơ. Mỗi bộ phân tích được chia thành 4 dải đo, tuỳ thuộc vào hàm lượng thực tế các chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự lựa chọn dải đo phù hợp. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích được hiệu chuẩn trước khi đo bởi chất khí hiệu chuẩn ứng với từng dải đo. Chi tiết thiết bị được sử dụng trong quá trình thử nghiệm được trình bày trong phần phụ lục 12.

-89-

e) Thiết bị kiểm tra mức độ mài mòn

Căn mẫu là một loại mẫu chuẩn về chiều dài, có độ chính xác cao, Dùng để truyền kích thước từ độ dài chuẩn tới chi tiết cần kiểm tra. Đường kính các cổ, chốt khuỷu, đường kính piston được xác định bằng các thước panme có độ chính xác 0,01mm.

Đường kính xilanh, kích thước bạc đầu to thanh truyền, bạc ổ trục được xác định thông qua panme và đồng hồ so có độ chính xác 0.01mm. Dụngcụ đo khe hở miệng xécmăng là thước lá có độ chính xác là 0,01 mm.

f) Băng thử tính năng động lực học cao (ETB)

Băng thử động lực cao động cơ (High Dynamic Engine Testbed) với mục đích thực hiện các thử nghiệm phục vụ công tác nghiên cứu và phát triển động cơ được trang bị nhiều thiết bị hiện đại và đồng bộ. Chi tiết về các thiết bị được sử dụng trong quá trình thử nghiệm được trình bày trong phần phụ lục 13.

4.4.2.2. Đối tượng thử nghiệm

a) Đánh giá tính năng đối với ô tô:

Ô tô thử nghiệm gồm hai xe:

(Daewoo Lanos) (Toyota Corolla)

- Xe thử Daewoo Lanos 2001, số kilomet đi được trước khí vào thử nghiệm 97.263 (km), xe sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử. Các thông số kỹ thuật của xe được đưa ra trong Bảng 4.25.

Hình 4.13. Ô tô thử nghiệm

Bảng 4.25. Thông số kỹ thuật xe Daewoo Lanos

Thông số Giá trị Thông số Giá trị

Loại động cơ 1.5 SOHC Dài x Rộng x Cao (mm) 4237 x 1678 x 1432

Kiểu xe Chiều dài cơ sở (mm) 2520 4 xy lanh thẳng hàng

Dung tích xy lanh (cc) 1.498 Khoảng sáng gầm xe (mm) 175

Tỷ số nén 9,5+/-0,2 Trọng lượng không tải (kg) 1036

Công suất cực đại(HP/rpm) 94/5.600 Bán kính quay vòng tối thiểu (m) 4,9

Momen xoắn cực đại (Nm) 132/3.400 5,9 Mức tiêu thụ nhiên liệu (l/100km)

-90-

Tốc độ tối đa (km/h) 170km/h Hộp số 5 số tay

- Xe Toyota Corolla 1990, số kilomet đi được 230.134 (km), hệ thống nhiên liệu sử

dụng bộ chế hòa khí, các thông số kỹ thuật của xe được thể hiện trong Bảng 4.26.

Bảng 4.26. Thông số kỹ thuật xe Toyota Corolla

Thông số Giá trị Thông số Giá trị

Kiểu động cơ Chế hòa khí 81x77mm Đường kính xilanh x hành trình piston

Xi lanh 4 xylanh Dài x Rộng x Cao (mm) 4250x1655x1450

Dung tích 1,6L (1587cc) Khoảng sáng gầm xe 150mm

Tỷ số nén 9,5+/-0,2 Trọng lượng 1185kg

Tiêu thụ nhiên liệu 7l/100km Mômen xoắn cực đại 140Nm

b) Đánh giá độ bền tuổi thọ đối với xe máy:

Hai xe máy thử nghiệm là xe Honda Super Dream 100cc đã qua sử thử dụng (Hình 4.14). Trước khi nghiệm, động cơ của cả hai xe được đại tu: thay piston, xéc măng, bugi, xúc rửa chế hòa khí, thay lọc,… nhằm đưa tình trạng ban đầu của hai xe là tương đương nhau. Thông số kỹ thuật của xe được thể hiện ở Bảng 4.25.

c) Đánh giá độ bền tuổi thọ đối với động cơ ô tô:

Công suất/ khối lượng 15,92:1 kW/kg Công suất cực đại 76kW

Động cơ thử nghiệm là 02 động cơ hãng TOYOTA 4A-F đã được bảo dưỡng và đại tu lại toàn bộ, với các thông số cơ bản của xe được thể hiện trong Bảng 4.27.

Hình 4.14. Hình ảnh hai xe máy tham gia chạy thử nghiệm

Bảng 4.27. Thông số kỹ thuật của động cơ thử nghiệm

Đặc điểm

-91-

Loại động cơ Bố trí xylanh Dung tích toàn bộ Đường kính và hành trình piston Tỷ số nén Công suất tối đa Mô men cực đại Hệ thống khởi động Hệ thống bôi trơn Dung tích dầu máy Dung tích bình xăng Hệ thống đánh lửa Thông số kỹ thuật 4 kỳ, 4 xylanh, 16 xupáp, làm mát bằng nước 4 xylanh thẳng hàng 1587 cm3 81,0mm x 76,9mm 9,5 67kW/6000v/ph 95Nm/3600v/ph Khởi động bằng điện Kiểu cácte ướt 3,8 lít 55 lít Bán dẫn

4.4.3. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến độ bền động cơ

xe máy

a) Mức độ hao mòn các chi tiết

- Sự mài mòn xilanh động cơ

Kết quả đo đường kính xilanh sau khi thử nghiệm bền 20.000 km của động cơ xe chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy bền thể hiện trên Bảng 4.28 và động cơ xe chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy bền thể hiện trong Bảng 4.29.

Từ kết quả đo đường kính xilanh cho trên các Bảng 4.28 và Bảng 4.29, có thể thấy rằng sau khi thử bền 20.000 km độ tăng đường kính xilanh lớn nhất khi chạy xăng sinh học E10 so với xăng RON92 có cao hơn chút ít: lần lượt là 0,283 mm (tương đương 0,562% so với kích thước trước khi chạy bền) và 0,273 mm (tương đương 0,541%).

Bảng 4.28. Đường kính xilanh của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km

Đường kính xilanh trước chạy bền (mm) Đường kính xilanh sau chạy bền (mm) Vị trí đo

Phương ngang Phương dọc Phương ngang Phương dọc

Điểm chết trên 50,43 50,70 50,68 50,43

Giữa 50,43 50,71 50,69 50,43

Điểm chết dưới 50,43 50,70 50,70 50,43

Trung bình 50,43 50,70 50,69 50,43

Bảng 4.29. Đường kính xilanh của động cơ xe chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km

Đường kính xilanh trước chạy bền (mm) Đường kính xilanh sau chạy bền (mm) Vị trí đo

Phương ngang Phương dọc Phương ngang Phương dọc

Điểm chết trên 50,33 50,61 50,61 50,33

Giữa 50,33 50,61 50,62 50,33

Điểm chết dưới 50,33 50,61 50,61 50,33

- Sự mài mòn piston động cơ xe máy:

Sự thay đổi kích thước đường kính piston của động cơ xe xăng RON92 và E10 đo

trước và sau khi chạy bền thể hiện ở Bảng 4.30 và Bảng 4.31.

Kết quả đo kích thước piston trước và sau khi chạy bền trên 2 xe chạy bằng xăng sinh học E10 và RON92 cũng cho thấy có sự khác biệt rất ít. Mức giảm đường kính trung bình của piston động cơ chạy RON92 là 0,037 mm (tương đương 0,075% so với kích thước trước khi chạy bền), trong khi đó mức giảm đường kính trung bình của piston động cơ xe chạy E10 là 0,048 mm (tương đương 0,095% so với đường kính piston trước chạy bền).

-92-

Trung bình 50,33 50,61 50,613 50,33

Bảng 4.30. Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng RON92 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km

Đường kính piston trước chạy bền (mm) Đường kính piston sau chạy bền (mm) Vị trí đo

Phương ngang Phương dọc Phương ngang Phương dọc

Đỉnh 49,9 49,9 49,9 49,9

Dưới xéc măng 50,21 49,9 50,16 49,9

Giữa 50,22 49,9 50,17 49,9

Phần dẫn hướng 50,23 49,9 50,18 49,9

Trung bình 50,14 49,9 50,103 49,9

Bảng 4.31. Đường kính piston của động cơ xe máy chạy xăng sinh học E10 đo trước và sau khi chạy thử nghiệm 20.000 km

Đường kính piston trước chạy bền (mm) Đường kính piston sau chạy bền (mm) Vị trí đo

Phương ngang Phương dọc Phương ngang Phương dọc

Đỉnh 49,7 49,7 49,7 49,7

Dưới xéc măng 50,18 49,7 50,12 49,7

Giữa 50,19 49,7 50,13 49,7

Phần dẫn hướng 50,21 49,7 50,14 49,7

- Sự mài mòn xéc măng động cơ xe máy

Piston động cơ xe máy gắn 3 xéc măng, trong đó có 2 xéc măng khí và 1 xéc măng dầu. Mức độ mài mòn của xéc măng có thể đánh giá thông qua sự hao hụt về mặt khối lượng của bản thân xéc măng. Kết quả thực nghiệm cho thấy không có sự thay đổi về kích thước và trọng lượng các xéc măng của động cơ sau khi chạy bền. Cả hai trường hợp xe chạy bằng xăng sinh học E10 và xăng thị trường RON92 đều cho kết quả như nhau.

50.8

50.6

)

50.4

m m

50.2

50

49.8

( h n í k g n ờ ư Đ

49.6

49.4

Trước chạy bền

Sau chạy bền

Trước chạy bền

Sau chạy bền

RON92

E10

Xilanh

50.43

50.697

50.33

50.612

Piston

50.02

50

49.885

49.861

Trung bình 50,07 49,7 50,023 49,7

-93-

Hình 4.15. Tổng hợp sự thay đổi kích thước trung bình của piston và xilanh xe máy trước và sau chạy bền

Từ các kết quả trên, đồ thị trên Hình 4.15 đã tổng hợp sự thay đổi đường kính xilanh và piston của động cơ đo trước và sau khi chạy thử nghiệm bền trong hai trường hợp: xe chạy bằng xăng RON92 và xe chạy bằng xăng sinh học E10.

b) Công suất, tiêu thụ nhiên liệu và áp suất nén trước và sau chạy thử nghiệm bền

- Kết quả đánh giá công suất và tiêu thụ nhiên liệu

Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với nhiên liệu xăng RON92 (Bảng 4.32 và Hình 4.16) và với nhiên liệu E10 (Bảng 4.33 và Hình 4.16).

Kết quả đo công suất xe tại vùng tốc độ thấp và trung bình (tay số III) độ giảm công suất trung bình khi xe chạy bằng RON92 là 4,84% và E10 là 5,41%. Ở vùng tốc độ trung bình và cao (tay số IV), mức độ giảm công suất khi xe chạy bằng xăng RON92 là 3,17% và E10 là 3,34% phù hợp với kết quả đánh giá mòn.

Bảng 4.32. Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với RON92

Số III Số IV

Thay đổi % Tốc độ (km/h) Trước chạy bền (kW) Sau chạy bền (kW) Thay đổi % Trước chạy bền (kW) Sau chạy bền (kW)

1,422 1,354 -4,78 20

1,753 1,664 -5,08 25

2,126 2,026 -4,70 1,442 1,402 -2,77 30

2,485 2,346 -5,59 35

2,881 2,765 -4,03 1,946 1,886 -3,08 40

2,415 -3,21 50 2,495

2,968 2,868 -3,37 60

3,062 2,957 -3,43 70

Trung bình 2,133 2,031 -4,84 2,383 2,306 -3,17

Bảng 4.33. Kết quả đo công suất xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với E10

Số III Số IV

Tốc độ (km/h) Thay đổi % Thay đổi % Trước chạy bền (kW) Sau chạy bền (kW) Trước chạy bền (kW) Sau chạy bền (kW)

1,64 1,561 -4,64 20

1,92 1,823 -4,95 25

2,27 2,106 -7,29 1,72 1,650 -4,07 30

2,68 2,496 -7,02 35

3,09 2,993 -3,12 2,34 2,249 -3,89 40

2,95 2,869 -2,75 50

3,57 3,451 -3,33 60

3,86 3,738 -3,16 70

-94-

2,791 -3,34 Trung bình 2,32 2,196 -5,41 2,888

Biến thiên của suất tiêu thụ nhiên liệu tại tay số III và IV với nhiên liệu xăng RON92

(Bảng 4.34 và Hình 4.17) và với nhiên liệu E10 (Bảng 4.35 và Hình 4.17).

Hình 4.16. Công suất xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền

Bảng 4.34. Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với RON92

Số III

Số IV

Tốc độ (km/h)

Trước chạy bền (g/kwh)

Sau chạy bền (g/kwh)

Thay đổi %

Trước chạy bền (g/kwh)

Sau chạy bền (g/kwh)

Thay đổi %

518,46 494,37 4,87 20

494,59 466,06 6,12 25

467,92 445,44 5,05 486,82 507,85 4,32 30

471,01 444,67 5,92 35

461,48 448,11 2,98 463,94 448,10 3,54 40

459,63 433,67 5,99 50

463,39 438,68 5,63 60

503,89 485,96 3,69 70

479,74 458,65 4,63 Trung bình 459,73 482,69 4,99

Bảng 4.35. Kết quả đo suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy trước và sau khi chạy bền ở tay số III và tay số IV với E10

Số III

Số IV

Tốc độ (km/h)

Thay đổi %

Trước chạy bền(g/kwh) 607,82

Sau chạy bền(g/kwh) 639,33

Thay đổi % Trước chạy bền(g/kwh)

5,18

Sau chạy bền(g/kwh)

20

573,51 607,79 5,98 25

576,71 611,59 6,05 622,09 654,55 5,22 30

588,56 623,00 5,85 35

605,28 625,46 3,33 586,93 563,62 4,14 40

508,89 481,19 5,76 50

478,12 453,78 5,36 60

513,64 492,87 4,22 70

-95-

548,43 522,71 4,94 Trung bình 590,38 621,43 5,28

Kết quả đo tại vùng tốc độ thấp và trung bình (tay số III) cho thấy mức độ tăng suất tiêu thụ nhiên liệu trung bình tính cho cả 5 điểm tốc độ với xe chạy bằng nhiên liệu RON92 là 4,99% và với E10 là 5,28%. Tại vùng tốc độ trung bình và cao (tay số IV) với xe chạy bằng nhiên liệu RON92 là 4,63% và với E10 là 4,94% phù hợp với kết quả đánh giá mòn.

- Kết quả đánh giá áp suất nén của động cơ

Độ kín khít buồng cháy động cơ thể hiện qua thông số áp suất nén. Kết quả đo trên hai xe chạy bằng xăng sinh học E10 và xăng thị trường RON92 trước và sau khi chạy bền cho trên Bảng 4.36.

Hình 4.17. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền

Bảng 4.36. Áp suất nén đo trước và sau khi chạy bền

Áp suất nén (bar)

Động cơ xe chạy E10 Động cơ xe chạy RON92 Tốc độ (km/h)

Có thể thấy rằng giá trị áp suất nén đo sau khi chạy bền của động cơ xe chạy bằng nhiên liệu xăng sinh học E10 thấp hơn so với động cơ xe chạy bằng xăng RON92. Nghĩa là độ kín khít sau chạy bền với xăng sinh học E10 kém hơn so với xăng RON92. Tuy nhiên, độ chênh lệch giữa hai giá trị này không đáng kể (1- 2%).

c) Kết quả phát thải theo chu trình thử tiêu chuẩn ECE R40 trước và sau thử nghiệm bền

Kết quả thử nghiệm khí thải theo chu trình thử ECE R40 trước và sau khi chạy bền của hai xe chạy bằng nhiên liệu xăng thị trường RON92 và xăng sinh học E10 được tổng hợp trong Bảng 4.37 và các Hình 4.18, Hình 4.19.

Kết quả cho thấy, sau 20.000km và xe chạy bằng nhiên liệu xăng RON92, mức độ phát thải HC tăng 3,07%, mức độ phát thải NOx giảm 3,17%, mức độ phát thải CO tăng 3,65% và mức độ phát thải CO2 tăng 5,82%.

Trong khi đó, đối với xe chạy bằng nhiên liệu xăng sinh học E10 thì mức độ phát thải HC tăng lên 3,83%, mức độ phát thải NOx giảm 4%, mức độ phát thải CO tăng 4,02%, và mức độ phát thải CO2 cũng tăng lên 9,13%.

-96-

5 10 15 Trước chạy bền 11,5 11,8 12,3 Sau chạy bền 11,3 11,6 12,1 Trước chạy bền 11,5 11,8 12,3 Sau chạy bền 11,4 11,7 12,2

Bảng 4.37. Kết quả thử nghiệm theo chu trình thử ECE R40 trước và sau khi chạy bền của 2 xe Honda SuperDream với 2 loại nhiên liệu RON 92 và xăng sinh học E10

Động cơ xe chạy RON92 Động cơ xe chạy E10

Thành phần (g/km) Giới hạn (EURO II) Trước chạy bền Trước chạy bền Sau chạy bền Sau chạy bền

HC 3,452 3,558 3,39 3,52 1,2

0,284 0,275 0,25 0,24 0,3 NOx

CO 19,036 19,73 17,43 18,13 5,5

Như vậy, mức độ tăng phát thải của xe chạy bền bằng nhiên liệu E10 cao hơn mức độ tăng phát thải của xe chạy bền bằng nhiên liệu xăng RON92. Tuy nhiên giá trị chênh lệch nhau không nhiều, điều này có thể do xe chạy bền bằng nhiên liệu E10 có độ mòn giữa các chi tiết piston, xéc măng, xilanh nhiều hơn dẫn đến sự ảnh hưởng đến quá trình cháy lớn hơn, mặt khác sau thời gian chạy bền thì cả 2 xe đều tiêu thụ nhiên liệu nhiều hơn nên phát thải tăng lên.

Mức tiêu thụ nhiên liệu của xe chạy bền bằng nhiên liệu E10 tăng từ 2,642 l/100km

lên 2,798 l/100km (tương ứng 5,91%).

18,9 20,0 23,0 25,1 CO2

Hình 4.18. Phát thải HC và NOx của xe máy trước và sau chạy bền

d) Kết quả phân tích dầu bôi trơn trước, giữa và sau thử nghiệm bền

Một trong những phương pháp hiệu quả đánh giá chất lượng nhiên liệu dùng cho động cơ là phương pháp phân tích sự suy giảm chất lượng dầu bôi trơn trong quá trình hoạt động của động cơ. Các thông số quan trọng trong phân tích dầu bôi trơn bao gồm:

-97-

Hình 4.19. Phát thải CO và CO2 của xe máy trước và sau chạy bền

- Độ nhớt động học ở 100°C - Nhiệt độ chớp cháy cốc hở - Trị số kiềm tổng (TBN) - Hàm lượng kim loại (Cu, Fe, Pb).

Các kết quả xử lý phân tích chất lượng dầu bôi trơn động cơ khi chạy xăng sinh học

E10 và xăng thị trường RON92 thể hiện trên các Bảng 4.38 và Bảng 4.39 dưới đây:

Bảng 4.38. Kết quả phân tích dầu bôi trơn khi xe chạy bằng E10

Kết quả thử nghiệm

STT Tên chỉ tiêu Phương pháp thử nghiệm

Dầu trước chạy bền Dầu sau 100h chạy Dầu sau 200h chạy

Độ nhớt động học ở 100oC, cSt ASTM D 445-02 16,79 13,74 12,08 1

ASTM D 2270-02 104,4 103,9 105 2

Chỉ số độ nhớt Nhiệt độ chớp cháy cốc hở,oC ASTM D 92-04 223 220 218 3

Trị số kiềm tổng, mgKOH/g ASTM D 2896- 95 8,88 7,29 6,85 4

Hàm lượng kim loại: 5

Fe (mg/kg) 7,32 52,94 63,72 ASTM D 4628-02 Cu (mg/kg) 0,96 9,34 12,95

Pb (mg/kg) 0,53 8,56 11,37

Bảng 4.39. Kết quả phân tích dầu bôi trơn khi xe chạy bằng RON92

Kết quả thử nghiệm

STT Tên chỉ tiêu Phương pháp thử nghiệm

Dầu trước chạy bền Dầu sau 100h chạy Dầu sau 200h chạy

16,79 14,58 13,12 1 Độ nhớt động học ở 100oC, cSt ASTM D 445-02

ASTM D 2270-02 105,1 104,4 105 2

Chỉ số độ nhớt Nhiệt độ chớp cháy cốc hở,oC ASTM D 92-04 223 220 217 3

Trị số kiềm tổng, mgKOH/g ASTM D 2896- 95 8,88 7,64 7,03 4

Hàm lượng kim loại: 5

Fe (mg/kg) 7,32 50,87 61,39 ASTM D 4628-02 Cu (mg/kg) 0,96 7,65 10,79

Từ bảng kết quả phân tích dầu bôi trơn trên, có thể thấy rằng sau quá trình chạy bền (tổng cộng khoảng 20.000 km) mức độ giảm độ nhớt động học của dầu bôi trơn khi chạy xe bằng RON92 và khi xe chạy bằng E10 khác nhau không nhiều, mặc dù độ nhớt động học của dầu xe chạy RON92 cao hơn một chút. Cụ thể, chỉ số độ nhớt động học ở 100°C

-98-

Pb (mg/kg) 0,53 8,26 10,21

trên xe chạy bằng RON92 giảm đi 13,16% sau 100h chạy bền, và giảm đi 21,86% sau 200h chạy bền. Như vậy căn cứ theo yêu cầu về độ nhớt động học thì sau 200h chạy bền thì độ nhớt động học của dầu bôi trơn vẫn nằm trong giới hạn cho phép (giá trị giới hạn đề xuất là 30%). Trong khi đó, khi xe chạy bằng E10, độ nhớt động học ở 100°C giảm đi 18,17% sau 100h chạy, và giảm đi 28,05% sau 200h chạy bền. Cũng tương tự như trên, độ nhớt động học sau 200h chạy bền với xăng sinh học E10 vẫn nằm trong giới hạn cần thiết.

Xét chỉ tiêu nhiệt độ chớp cháy cốc hở, có thể thấy sau 200h chạy bền, nhiệt độ chớp

cháy thấp nhất (217°C) vẫn cao hơn khá nhiều giá trị cần phải thay dầu (170°C).

Về chỉ tiêu hàm lượng các hạt kim loại có trong dầu bôi trơn, chủ yếu hình thành do hao mòn xilanh động cơ, các giá trị đo khi xe chạy bằng RON 92 và khi xe chạy bằng E10 cho kết quả khá gần nhau. Điều này cũng có nghĩa hao mòn động cơ khi xe chạy xăng sinh học E10 và xăng thị trường RON92 khác biệt không đáng kể.

4.4.4. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến động cơ ô tô

4.4.4.1. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải theo tay số

Kết quả thử nghiệm xe Lanos

a) Công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu

Kết quả đo công suất và tỷ lệ cải thiện công suất xe Lanos so với trường hợp sử dụng xăng RON92 tại tay số IV và V được thể hiện trong Bảng 4.40; Bảng 4.41 và Hình 4.20; Hình 4.21. Kết quả cho thấy, xét trên toàn dải tốc độ, xe chạy với nhiên liệu E10 cho công suất tương đương nhiên liệu RON92, tuy nhiên ở tốc độ thấp công suất E10 nhỏ hơn RON92, nhưng ở tốc độ cao E10 cho công suất lớn hơn. Điều này có thể được giải thích do các ưu điểm về tốc độ cháy và tạo hòa khí tốt của etanol chỉ phát huy tác dụng trong vùng lambda lớn hơn 1. Nhiên liệu E20 cho công suất thấp nhất.

Bảng 4.40. Kết quả đo công suất xe Lanos tại tay số IV

Công suất (kW) Công suất so với RON92 (%)

Tốc độ (km/h) RON 92 E10 E15 E20 E10 E15 E20

45 12,70 12,68 12,59 12,50 -0,12 -0,83 -1,57

50 14,33 14,22 14,13 14,00 -0,75 -0,40 -2,28

55 15,81 15,78 15,61 15,25 -0,21 -1,27 -3,57

65 18,92 19,11 18,67 18,51 1,00 -1,32 -2,18

75 23,51 23,78 22,89 23,43 1,16 -2,26 -0,31

Các chế độ tốc độ của xe ô tô Lanos ở tay số V được tính toán chuyển đổi tương ứng với các tốc độ độ vòng quay động cơ như được thể hiện ở các Bảng 4.41 và Bảng 4.42 dưới đây:

-99-

Trung bình 0,22 -1,19 -1,98

Bảng 4.41. Thay đổi công suất xe Lanos ở tay số V

Tốc độ Công suất (kW) Công suất so với RON92 (%)

RON 92 E10 E15 E20 E10 E15 E20 v (km/h) n (v/ph)

60 2400 13,80 13,69 13,69 13,44 -0,80 -0,80 -2,61

65 2610 15,09 15,01 15,02 14,70 -0,53 -0,46 -2,58

70 2800 16,12 16,03 15,98 15,67 -0,56 -0,87 -2,79

80 3200 18,42 18,40 18,35 17,89 -0,11 -0,38 -2,88

90 3600 21,21 21,38 21,19 21,17 0,80 -0,09 -0,19

Trung bình -0,24 -0,52 -2,21

Hình 4.22 thể hiện suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xe Lanos khi vận hành theo tay số IV và V. Kết quả cho thấy suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xe Lanos sử dụng nhiên liệu E10, E15, E20 lớn hơn so với trường hợp sử dụng xăng RON92. Do lượng nhiên liệu tiêu thụ tăng, công suất động cơ giảm khi sử dụng xăng sinh học là nguyên nhân chính dẫn tới sự tăng của suất tiêu thụ nhiên liệu.

Hình 4.20. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số IV so với RON92 Hình 4.21. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số V so với RON92

(Tay số IV) (Tay số V)

-100-

Hình 4.22. Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xe Lanos

b) Phát thải

Phát thải xe Lanos tại tay số V được trình bày ở bảng Bảng 4.42 cho thấy đối với xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử, tính trung bình trên toàn dải tốc độ thử nghiệm, phát thải CO được cải thiện đối với nhiên liệu sinh học, mức phát thải HC đối với E10 giảm so với xăng RON92; tuy nhiên đối với E15; E20 thì tăng và phát thải NOx tăng.

Bảng 4.42. Phát thải xe Lanos tại tay số V

Tốc độ RON92 E10

v (km/h) n (v/ph) CO (ppm) HC (ppm) NOx (ppm) CO (ppm) HC (ppm) NOx (ppm)

60 2400 16448 322 101 15570 313 108

65 2610 17193 319 95 17173 306 106

70 2800 18128 313 101 17348 304 116

80 3200 3577 236 167 3413 226 240

90 3600 250 140 129 243 136 229

Trung bình 11275 266 118 10749 257 160

Tốc độ E15 E20

v (km/h) n (v/ph) CO (ppm) HC (ppm) NOx (ppm) CO (ppm) HC (ppm) NOx (ppm)

60 2400 15105 360 107 14485 372 107

65 2610 16676 362 106 16001 374 106

70 2800 16692 358 115 16076 371 114

80 3200 3274 262 239 3153 271 232

90 3600 238 176 229 233 180 223

Kết quả đo phát thải theo chu trình thử ECE 1505 của xe Lanos với các loại nhiên liệu

được thể hiện trong Bảng 4.43.

10397 304 159 9990 314 156 Trung bình

Bảng 4.43. Phát thải xe Lanos khi chạy với các loại nhiên liệu theo chu trình thử ECE1505

Phát thải và tiêu thụ nhiên liệu Cải thiện so với trường hợp RON92 (%) Tốc độ (km/h) RON 92 E10 E15 E20 E10 E15 E20

CO (g/km) 3,80 3,51 3,42 3,26 -7,76 -10,05 -14,28

CO2 (g/km) 238,73 252,86 256,2 263,24 5,92 7,32 10,27

HC (g/km) 1,160 1,115 1,172 1,196 -3,88 1,06 3,09

NOx (g/km) 0,820 0,973 0,963 0,945 18,7 17,4 15,2

Kết quả phản ánh rõ nét và thống nhất cao với các kết quả nghiên cứu về tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ ở trên, cụ thể: phát thải CO, HC được cải thiện đối với nhiên liệu E10, tương ứng với nó là mức phát thải NOx và CO2 tăng lên. Tuy nhiên

-101-

FC(l/100km) 10,73 11,32 11,46 11,76 5,45 6,81 9,57

với xăng E15 và E20, CO vẫn giảm nhưng HC có xu hướng tăng lên. Suất tiêu thụ nhiên liệu thay đổi ít khi sử dụng các loại nhiên liệu xăng sinh học nhưng với xu thế tăng lên so với RON92.

c) Tăng tốc và khởi động

Khả năng khởi động của ô tô cũng tương tự như đối với xe máy không có nhiều thay đổi so với khi sử dụng nhiên liệu xăng RON92. Tuy nhiên, ở trạng thái khởi động lạnh, khi nhiệt độ môi trường thấp và tỷ lệ etanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học cao hơn 10%, thời gian khởi động có thể phải kéo dài hơn so với khi sử dụng xăng RON92.

Kết quả đánh giá gia tốc của xe Lanos khi chạy với 4 loại nhiên liệu RON92, E10, E15 và E20 được tóm lược như sau: xe chạy với nhiên liệu E10 có khả năng tăng tốc tốt nhất, nhiên liệu E15 cho khả năng tăng tốc kém hơn nhưng vẫn cao hơn nhiều so với nhiên liệu RON92 và nhiên liệu E20 (Hình 4.23).

Hình 4.23. Thời gian tăng tốc 20 km/h đến 80 km/h đối với xe Lanos

Kết quả thử nghiệm xe Toyota Corrola

a) Công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu

Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số IV và tay số V được đưa ra trong các Bảng

4.44 và 4.45.

Tương tự như kết quả thử nghiệm theo tay số trên xe máy, đối với động cơ ô tô sử dụng bộ chế hòa khí, công suất của động cơ tăng lên khi sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20. Công suất cao nhất của động cơ đạt được đối với nhiên liệu E15, tiếp sau đó là E10.

Nhiên liệu được nạp vào bằng áp suất chân không ở họng chế, trong khí nhiệt ẩn hóa hơi của etanol cao hơn xăng (lớn hơn xăng khoảng 2,67 lần), dưới cùng một điều kiện, sự giảm nhiệt độ đối với hỗn hợp nhiên liệu xăng - etanol lớn hơn so với xăng. Sự giảm nhiệt độ này dẫn đến hiệu ứng làm lạnh môi chất nạp và làm tăng lượng không khí nạp vào động cơ, sự tăng này đồng thời làm tăng lượng nhiên liệu được hút vào họng khuếch tán của bộ chế hòa khí. Điều này không xảy ra đối với động cơ phun xăng điện tử.

-102-

Bảng 4.44. Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số IV

Công suất (kW) Cải thiện công suất so với RON92 (%)

Tốc độ (km/h) RON 92 E10 E15 E20 E10 E15 E20

45 14,35 13,71 14,38 14,21 4,90 4,73 3,67

50 16,03 15,60 16,11 15,90 3,28 2,78 1,93

55 18,44 17,29 18,74 18,60 8,38 6,68 7,61

65 23,00 21,08 22,87 22,84 8,48 9,08 8,35

75 27,51 24,95 26,75 26,34 7,23 10,25 5,57

Trung bình 6,45 6,71 5,43

Bảng 4.45. Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số V

Công suất (kW) Cải thiện công suất so với RON92 (%)

Tốc độ (km/h) E15 E20 E10 E15 E20 RON 92 E10

60 16,79 15,43 16,55 16,56 7,27 8,82 7,30

65 18,34 17,20 18,32 18,33 6,48 6,57 6,55

70 20,45 18,97 20,30 20,25 7,01 7,82 6,75

80 24,38 22,26 24,10 23,96 8,27 9,54 7,67

90 27,86 25,41 27,86 27,09 9,63 9,65 6,61

Sự thay đổi công suất xe Corrola khi chạy với các nhiên liệu E10, E15 và E20 so với

chạy xăng (Hình 4.24).

Trung bình 7,73 8,48 6,98

(Tay số IV) (Tay số V)

Hình 4.25 và Hình 4.26 thể hiện suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola sử dụng chế hòa khí ở tay số IV và V cho thấy trên toàn tay số suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 được cải thiện đáng kể so với xăng RON92 điều này tương tự với khi thử nghiệm đối với xe máy dùng chế hòa khí.

-103-

Hình 4.24. Tỷ lệ cải thiện công suất động cơ xe Corrola sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20

b) Phát thải

Kết quả đo phát thải theo chu trình thử ECE 1505 của xe Corolla với các loại nhiên

liệu được thể hiện trong Bảng 4.46.

Hình 4.25. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola tại tay số IV Hình 4.26. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola tại tay số V

Bảng 4.46. Phát thải xe Corolla khi chạy với các loại nhiên liệu theo chu trình thử ECE1505

Phát thải và tiêu thụ nhiên liệu Cải thiện so với trường hợp RON92 (%) Tốc độ (km/h) RON 92 E10 E15 E20 E10 E15 E20

CO (g/km) 5,15 3,63 3,05 2,45 -29,57 -40,81 -52,41

CO2 (g/km) 215,13 219,86 225,15 220,53 2,20 4,66 2,51

HC (g/km) 1,84 1,38 0,95 -24,97 -42,72 -48,16 1,05

NOx (g/km) 1,420 2,040 1,608 43,68 52,70 13,25 2,168

Kết quả phản ánh rõ nét và thống nhất cao với các kết quả nghiên cứu về tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ ở trên, cụ thể: xe sử dụng bộ chế hòa khí, ưu việt thể hiện rất rõ nét về mức độ cải thiện các thành phần phát thải CO, HC, trong khi tiêu thụ nhiên liệu thay đổi không lớn, điều này đã dẫn tới sự cải thiện rõ nét về suất tiêu thụ nhiên liệu. Sự cải thiện các thành phần phát thải CO và HC càng lớn khi tăng tỷ lệ etanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học.

c) Tăng tốc và khởi động

Khả năng khởi động của ô tô cũng tương tự như đối với xe máy không có nhiều thay đổi so với khi sử dụng nhiên liệu xăng RON92. Tuy nhiên, ở trạng thái khởi động lạnh, khi nhiệt độ môi trường thấp và tỷ lệ etanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học cao hơn 10%, thời gian khởi động có thể phải kéo dài hơn so với khi sử dụng xăng RON92.

Kết quả đánh giá gia tốc của xe Corolla khi chạy với 4 loại nhiên liệu RON92, E10, E15 và E20 được tóm lược như sau: nhiên liệu E15 cho khả năng tăng tốc tốt nhất. Khi xe chạy với nhiên liệu E20 và RON92 thì khả năng tăng tốc vẫn kém hơn E10 và E15 (Hình 4.27). Như vậy có thể thấy rằng khi pha tỷ lệ etanol phù hợp vào nhiên liệu sẽ làm cải thiện đáng kể khả năng tăng tốc của xe.

-104-

FC(l/100km) 9,90 9,88 10,13 -0,20 1,82 2,32 10,08

4.4.4.2. Độ bền

a) Kết quả mức độ hao mòn các chi tiết

- Kết quả mài mòn chi tiết xilanh và piston

Hình 4.27. Thời gian tăng tốc 20 km/h đến 80 km/h đối với xe Corolla

Hình 4.28 thể hiện sự thay đổi kích thước đường kính xilanh trung bình tại vị trí xéc măng hơi thứ nhất của hai động cơ trước và sau chạy bền. Kết quả đo đạc cho thấy, biên dạng mòn của xilanh phù hợp với những nhận định về lượng mòn chủ yếu phân bố ở vùng điểm chết trên tại vị trí xéc măng hơi thứ nhất. Đường kính trung bình các xilanh trước chạy bền của cả hai động cơ hoàn toàn giống nhau, lượng mòn của mỗi động cơ sau chạy bền 300h khá đồng đều cho thấy không có hiện tuợng hư hỏng tức thời mà chỉ có dạng hư hỏng tịnh tiến hay nói cách khác là mòn đều.

Hình 4.28. Thay đổi kích thước xilanh trước và sau chạy bền tại vị trí của xéc măng hơi thứ nhất

So sánh hai động cơ cho thấy, lượng mòn của động cơ sử dụng nhiên liệu E10 lớn hơn động cơ sử dụng nhiên liệu RON92. Lượng mòn lớn nhất của động cơ sử dụng nhiên liệu E10 có thể thấy ở xilanh 2 và 4 vào khoảng 0,03mm, và nhỏ nhất là xilanh 1 và 3 vào khoảng 0,025mm, trong khi đó lượng mòn lớn nhất của động cơ chạy RON92 ở xilanh 3 vào khoảng 0,025 mm và các xilanh còn lại là 0,02 mm.

-105-

Hình 4.29. Thay đổi kích thước phần dẫn hướng piston trước và sau chạy bền

Trong điều kiện làm việc bình thường, piston mòn chủ yếu ở phần dẫn hướng là nơi ma sát trực tiếp với thành xilanh, do đó trong báo cáo này tập trung chủ yếu phân tích kết quả đo kích thước của phần dẫn hướng piston. Kết quả đo được thể hiện trên Hình 4.29 cho thấy đường kính phần dẫn hướng của piston trước chạy bền khá giống nhau với sai khác nằm trong khoảng 0.01mm, sau chạy bền lượng mòn của piston động cơ sử dụng nhiên liệu E10 cao hơn so với động cơ sử dụng RON92.

Hình 4.30 đánh giá lượng mòn trung bình của cả hai chi tiết xilanh và piston. Kết quả cho thấy tốc độ mòn trung bình của động cơ sử dụng nhiên liệu E10 nhanh hơn khoảng 20% tốc độ mòn của động cơ sử dụng nhiên liệu RON92.

- Kết quả đo chi tiết xéc măng

Mỗi xéc măng được tiến hành đo theo hai phương pháp khối lượng và kích thước, kết quả được thể hiển thị ở phục lục 14, bao gồm xéc măng khí thứ nhất, xéc măng khí thứ hai, lưỡi gạt dầu và lò xo xéc măng dầu. Kết quả cho thấy khe hở các xéc măng của hai động cơ vẫn đảm bảo như kích thước lúc mới, so sánh trọng lượng xéc măng của hai động cơ cho thấy xéc măng khí thứ nhất của động cơ chạy nhiên liệu RON92 không thay đổi sau 300h, tuy nhiên xéc măng ở động cơ chạy nhiên liệu E10 bắt đầu có hiện tượng mòn, lượng mòn trung bình của bốn xilanh đo theo khối lượng là 0,15 gam, trong đó trọng lượng của xéc măng xilanh số 4 giảm nhiều nhất là 0,3 gam.

- Kết quả đo chi tiết trục khuỷu

Hình 4.30. So sánh lượng mòn trung bình trước và sau chạy bền của chi tiết xilanh và piston

Trục khuỷu được tiến hành đo tại các cổ chính và cổ biên, mỗi cổ đo tại 3 vị trí dọc theo cổ trục và mỗi vị trí đo theo hai hướng trùng đường tâm xilanh và vuông góc đường tâm xilanh. Kết quả so sánh cho thấy lượng mòn chênh lệch giữa hai động cơ chủ yếu tập trung vào các cổ biên và thể hiện trên Hình 4.31. Kết quả này cho thấy động cơ sử dụng nhiên liệu E10 có lượng mòn lớn hơn động cơ sử dụng nhiên liệu RON92.

-106-

Hình 4.31. So sánh lượng mòn trung bình trước và sau chạy bền của các cổ biên

b) Kết quả đánh giá công suất, tiêu thụ nhiên liệu và áp suất nén trước và sau chạy bền

Kết quả thử nghiệm của động cơ sử dung nhiên liệu RON92 và E10 tại 100% tải được giới thiệu trong Hình 4.32 - 4.35. Kết quả cho thấy xu hướng thay đổi mô men, công suất và Suất tiêu thụ nhiên liệu của hai động cơ trước và sau chạy bền đều khá giống nhau.

Tỷ lệ suy giảm mô men cực đại sau chạy bền của động cơ sử dụng nhiên liệu RON92 là 5,3% và của nhiên liệu E10 là 5,9%. Tính trên toàn dải tốc độ đo, thì tỷ lệ này là 6,05% với RON92 và 6,68% với E10. Tỷ lệ tăng Suất tiêu thụ nhiên liệu của RON92 là 7,5% và của E10 là 8,18%.

Hình 4.32. Mômen và công suất động cơ chạy RON92 trước chạy bền và sau chạy bền Hình 4.33. Suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ chạy RON92 trước chạy bền và sau chạy bền

Hình 4.34. Mômen và công suất động cơ chạy nhiên liệu E10 trước chạy bền và sau chạy bền Hình 4.35. Suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ chạy E10 trước chạy bền và sau chạy bền

Kết quả của áp suất cuối kỳ nén thể hiện mức độ kín khít của các chi tiết bao kín buồng cháy, kết quả này cũng là một trong các yếu tố được sử dụng để đánh giá nguyên nhân suy giảm công suất và Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ. Hình 4.36 giới thiệu mức độ thay đổi áp suất nén trước và sau chạy bền 300h của hai động cơ RON92 và E10. Kết quả cho thấy sự suy giảm áp suất nén của động cơ sử dụng nhiên liệu E10 cao hơn so với động cơ sử dụng nhiên liệu xăng với tỷ lệ giảm trung bình của RON92 là 2,65%

-107-

Hình 4.36. Áp suất nén động cơ chạy nhiên liệu xăng RON92 và E10 trước và sau chạy bền

trong khi của E10 là 3,34%. Kết quả này và cũng phù hợp với kết quả đo mòn nhóm chi tiết piston - xilanh - xéc măng với lượng mòn của động cơ E10 cao hơn động cơ sử dụng RON92.

c) Phân tích dầu bôi trơn trước và sau chạy bền

Kết quả phân tích dầu bôi trơn trước và sau chạy bền 2 động cơ được thể hiện trong

Bảng 4.47.

Bảng 4.47. Kết quả phân tích dầu trước và sau chạy bền

Tên chỉ tiêu Dầu mới Sau chạy bền E10 Sau chạy bền RON92

Độ nhớt động học ở 1000C, cSt Nhiệt độ chớp cháy cốc hở, 0C Trị số kiềm tổng, mgKOH/g 19,12 216 9,14 17,77 216 7,78 17,54 225 8,54

Hàm lượng kim loại:

Kết quả độ nhớt động học tại nhiệt độ làm việc cho thấy độ nhớt của cả hai loại dầu sau chạy bền động cơ sử dụng nhiên liệu E10 và RON92 thay đổi khá thấp vào khoảng 10% đáp ứng được các yêu cầu làm việc của động cơ. Kết quả này cho thấy sử dụng nhiên liệu E10 không làm ảnh hưởng đến độ nhớt động học của dầu bôi trơn ở nhiệt độ làm việc.

Kết quả nhiệt độ chớp cháy cốc hở cho thấy giá trị nhiệt độ hầu như không thay đổi sau khi chạy 300h cho cả hai loại nhiên liệu. Kết quả này phù hợp với kết quả đo độ nhớt tại nhiệt độ làm việc. Như vậy động cơ chạy nhiên liệu E10 không tạo ra các chất làm giảm độ nhớt hoặc lọt nhiên liệu xuống dầu bôi trơn cũng như với các chất có điểm chớp cháy thấp.

Kết quả của trị số kiềm tổng cho thấy tính kiềm của dầu bôi trơn của hai động cơ còn rất tốt và cũng rất phù hợp với quy luật vì sự tiêu hao trị số kiềm tổng chủ yếu do sản phẩm cháy (mang tính axit) lọt vào hệ thống bôi trơn trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên lượng kiềm còn lại trong dầu bôi trơn động cơ E10 có ít hơn so với động cơ sử dụng RON92, điều này chứng tỏ trong khí cháy lọt xuống các te của động cơ E10 có hàm lượng hơi axít nhiều hơn so với động cơ sử dụng RON92 làm giảm lượng kiềm trong dầu. Tuy nhiên lượng kiềm trong dầu vẫn nằm trong phạm vi cho phép sau chu kỳ thay dầu.

Kết quả hàm lượng kim loại trong dầu bôi trơn cho thấy hàm lượng sắt tăng lên với động cơ sử dụng nhiên liệu E10, kết quả này phù hợp với lượng mòn của xy lanh, trục khuỷu sau 300h chạy bền, tuy nhiên mức độ tăng của cả hai nhiên liệu vẫn nhỏ hơn giới hạn cho phép (200mg/kg). Hàm lượng đồng và chì trong dầu tăng chủ yếu do mòn của nhóm bạc trục khuỷu, kết quả cho thấy lượng đồng và chì trong dầu bôi trơn của động cơ E10 lớn hơn động cơ RON92, kết quả này có nguyên nhân là do động cơ E10 có chất lượng quá trình cháy tốt hơn nên lực khí thể tác dụng lên trục khuỷu cao hơn dẫn tới lượng mòn của bạc tăng lên. Tuy nhiên hàm lượng của đồng và chì của động cơ E10 vẫn nhỏ hơn rất nhiều giới hạn cho phép ([60 mg/kg] đồng; [40 mg/kg] chì)

-108-

Fe (mg/kg) Cu (mg/kg) Pb (mg/kg) 2,38 0,82 0,60 59,86 11,64 7,15 15,24 8,15 5,44

4.5. So sánh kết quả nghiên cứu mô phỏng với thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm và mô phỏng được so sánh đại diện đối với ô tô sử dụng hệ thống cung cấp nhiên liệu điện tử (xe Lanos). Dữ liệu thực nghiệm được sử dụng trong mô hình mô phỏng động cơ là dữ liệu có được ở tay số V trên cơ sở quy đổi tốc độ của ô tô thành tốc độ quay của động cơ.

Sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm được trình bày ở Bảng 4.48 và Bảng 4.52.

Bảng 4.48. Thay đổi công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu

Tốc độ

Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) Ne (kW) Mô phỏng v (km/h) n (v/ph) E0 E10 E0 E10 E0 E10

13,80 13,69 12,49 12,33 9,49 9,94 60 2400

15,09 15,01 13,34 13,24 11,60 11,79 65 2610

16,12 16,03 14,51 14,43 9,99 9,98 70 2800

18,42 18,40 17,32 17,20 5,97 6,52 80 3200

21,21 21,38 21,34 21,80 -0,61 -1,96 90 3600

Trung bình 16,93 16,90 15,80 15,80 7,29 7,25

Tốc độ

Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) Ne (kW) Mô phỏng v (km/h) n (v/ph) E15 E20 E15 E20 E15 E20

13,69 13,44 12,28 12,12 10,27 9,80 60 2400

15,02 14,70 13,21 13,03 12,05 11,36 65 2610

15,98 15,67 14,39 14,15 9,95 9,70 70 2800

18,35 17,89 17,15 16,86 6,54 5,76 80 3200

21,19 21,17 21,78 21,53 -2,78 -1,70 90 3600

16,85 16,57 15,76 15,54 7,21 6,98 Trung bình

Bảng 4.49. Thay đổi suất tiêu thụ nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu

Tốc độ

ge (g/kWh) Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) v (km/h) n (v/ph) E0 E10 E0 E10 E0 E10

341 345 377 379 -10,56 -9,86 60 2400

335 342 379 383 -13,13 -11,99 65 2610

335 345 372 379 -11,04 -9,86 70 2800

329 333 350 353 -6,83 -6,01 80 3200

336 333 324 321 3,57 3,60 90 3600

-7,51 -6,82 Trung bình 333,3 339,7 360,46 362,88

Tốc độ

-109-

ge (g/kWh) Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) v (km/h) n (v/ph) E15 E20 E15 E20 E15 E20

60 2400 346 358 386 397 -11,56 -10,89

65 2610 347 361 395 407 -13,83 -12,74

70 2800 345 361 383 400 -11,01 -10,80

80 3200 347 360 371 382 -6,92 -6,11

90 3600 339 343 330 337 2,65 1,75

Trung bình -8,13 -7,76

Bảng 4.50. Thay đổi phát thải CO giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu

Tốc độ CO (ppm)

Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) Mô phỏng v (km/h) n (v/ph) E0 E10 E0 E10 E0 E10

60 2400 16448 15570 14953 14219 9,09 8,68

65 2610 17193 17173 16339 15683 4,97 8,68

70 2800 18128 17348 16480 15843 9,09 8,68

80 3200 3577 3413 3252 3117 9,09 8,67

90 3600 250 243 227 222 9,20 8,64

Trung bình 8,29 8,67

Tốc độ CO (ppm)

Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) Mô phỏng v (km/h) n (v/ph) E15 E20 E15 E20 E15 E20

60 2400 15105 14485 13858 13289 8,26 8,26

65 2610 16676 16001 15299 14680 8,26 8,26

70 2800 16692 16076 15314 14749 8,26 8,25

80 3200 3274 3153 3004 2893 8,25 8,25

90 3600 238 233 218 214 8,40 8,15

Trung bình 8,28 8,23

Bảng 4.51. Thay đổi phát thải HC giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu

HC (ppm) Tốc độ

Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) v (km/h) n (v/ph) E0 E10 E0 E10 E0 E10

60 2400 322 313 286 277 11,18 11,50

65 2610 319 306 283 271 11,29 11,44

70 2800 313 304 278 269 11,18 11,51

80 3200 236 226 209 200 11,44 11,50

90 3600 140 136 124 120 11,43 11,76

Trung bình 11,30 11,54

HC (ppm) Tốc độ

Mô phỏng Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) v (km/h) n (v/ph) E15 E20 E15 E20 E15 E20

-110-

60 2400 360 372 321 326 10,83 12,37

374 323 328 10,77 12,30 362 65 2610

371 320 325 10,61 12,40 358 70 2800

271 234 238 10,69 12,18 262 80 3200

180 157 158 10,80 12,22 176 90 3600

Trung bình 10,74 12,29

Bảng 4.52. Thay đổi phát thải NOx giữa mô phỏng và thực nghiệm khi sử dụng các loại nhiên liệu

Tốc độ

Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) NOx (ppm) Mô phỏng v (km/h) n (v/ph) E0 E10 E0 E10 E0 E10

108 96 101 4,95 6,48 101 60 2400

106 90 99 5,26 6,60 95 65 2610

116 96 108 4,95 6,90 101 70 2800

240 159 224 4,79 6,67 167 80 3200

229 123 214 4,65 6,55 129 90 3600

Trung bình 4,92 6,64

Tốc độ

Thực nghiệm Sai lệch MP-TN (%) NOx (ppm) Mô phỏng v (km/h) n (v/ph) E15 E20 E15 E20 E15 E20

107 100 101 6,54 5,61 107 60 2400

106 99 100 6,60 5,66 106 65 2610

114 108 108 6,09 5,26 115 70 2800

232 224 219 6,28 5,60 239 80 3200

223 214 210 6,55 5,83 229 90 3600

Bảng 4.48 và Bảng 4.52 chỉ rõ sai lệch cực đại giữa mô phỏng và thực nghiệm đối với các thông số tính năng của động cơ là 13,83%, đối với các thành phần phát thải là 12,40%. Các mức sai lệch này phản ánh đúng thực tế là các mô hình mô phỏng 1 chiều động cơ sử dụng nhiều giả thiết đơn giản hóa đối với các mô hình như hình thành hỗn hợp, cháy và hình thành phát thải...

Với mức sai lệch nhỏ ở trên, có thể khẳng định rằng mô hình do luận án phát triển là

phù hợp, đồng thời cũng khẳng định độ tin cậy của các dữ liệu sử dụng trong luận án.

-111-

6,41 5,59 Trung bình

4.6. Kết luận chương 4

Sự tương thích vật liệu của các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu động cơ xăng ô tô và xe máy với xăng sinh học E10, E15 và E20 mà trọng tâm là xăng E10 đã được đánh giá. Kết quả cho thấy xăng E10: không ảnh hưởng nhiều tới chi tiết bằng vật liệu thép; nhưng có ảnh hưởng hơn so với RON92 đối với các chi tiết bằng kim loại màu (đồng) và phi kim (cao su) thường có nhiều trên xe thế hệ cũ.

Tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của ô tô phun xăng điện tử và ô tô dùng chế hòa khí khi sử dụng các loại xăng sinh học trên cũng được nghiên cứu thử nghiệm trên băng thử. Kết quả như sau:

- Với ô tô dùng chế hòa khí, khi sử dụng E10, E15 và E20, công suất động cơ trung bình đều có xu hướng tăng, tương ứng tay số IV là 6,45%, 6,71% và 5,43%, tay số V là 7,73%, 8,48% và 6,98%. Mức tiêu hao nhiên liệu so với xe chạy xăng RON92 theo chu trình thử ECE1505 đối với xăng E10 giảm 0,2% và tăng lên lần lượt là 1,82% và 2,32% đối với E15 và E20. Hàm lượng CO và HC theo chu trình thử ECE1505 giảm mạnh trên 20%, hàm lượng NOx và CO2 tăng,

- Với ô tô phun xăng điện tử, khi sử dụng E10 công suất khá tương đồng so với RON92, trung bình tăng 0,22% tại tay số IV và giảm 0,24% tại tay số V. Với E15, công suất giảm không đáng kể, trung bình giảm với 1,19% tại tay số IV và 0,52% tại tay số V. Với E20 công suất giảm khoảng 2% tại cả hai tay số. Mức tiêu thụ nhiên liệu so với khi xe chạy xăng RON92 theo chu trình thử ECE 1505 tăng đối xăng sinh học. Mức tăng lần lượt là 5,45%, 6,81% và 9,57% đối với xăng E10, E15 và E20. Khi sử dụng E10, hàm lượng CO, HC theo chu trình thử ECE giảm tương ứng 7,76% và 3,38%, NOx và CO2 tăng tương ứng 18,7% và 5,92%, trong khi với E15 và E20 thì HC có xu hướng tăng.

Thử nghiệm bền đối với xe máy và động cơ ô tô cho thấy mức độ mòn các chi tiết, sự suy giảm về công suất, lượng nhiên liệu tiêu thụ, phát thải, áp suất nén và chất lượng dầu bôi trơn khi sử dụng E10 và RON92 là khá tương đồng và đều nằm trong giới hạn cho phép, mặc dù sự thay đổi với E10 có rõ nét hơn.

Kết quả thử nghiệm nhiên liệu E10, E15 và E20 trên động cơ ô tô phun xăng điện tử phù hợp với kết quả mô phỏng, sai lệch lớn nhất là 12,40% đối với hàm lượng phát thải CO. Mức sai lệch lớn nhất của các thông số tính năng là 13,83%. Điều này một lần nữa minh chứng cho độ chính xác của mô hình lý thuyết đã xây dựng ở Chương 3 cũng như độ tin cậy của dữ liệu sử dụng trong luận án.

-112-

KẾT LUẬN CHUNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết luận chung

Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng 1 chiều động cơ xe máy và ôtô trên phần mềm AVL-Boost, qua đó đánh giá được đặc tính cháy, tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của các động cơ này khi sử dụng các loại xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5%, là cơ sở để giải thích, đánh giá kết quả thực nghiệm và đưa ra định hướng điều chỉnh động cơ nhằm đạt được công suất đầu ra theo yêu cầu.

Luận án đã đề xuất các quy trình đánh giá tương thích của động cơ xăng đối với xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5%, bao gồm quy trình đánh giá tương thích vật liệu, quy trình đánh giá đối chứng tính năng và quy trình chạy bền động cơ.

Luận án đã đánh giá định lượng được ảnh hưởng của xăng sinh học E10, E15, E20 với nguồn cồn etanol được sản xuất từ sắn lát và phối trộn tại Việt Nam đến động cơ xăng đang lưu hành, kết quả nghiên cứu cho thấy:

- Về khả năng tương thích vật liệu: khi sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 có ảnh hưởng nhất định tới chi tiết kim loại màu và phi kim. Tuy nhiên, mức ảnh hưởng của E10 đến các chi tiết không lớn so với RON92 vì thế có thể coi là tương thích với E10, - Có thể tăng tỷ lệ etanol trong xăng sinh học sử dụng cho động cơ xăng đời cũ, tuy nhiên đối với từng loại động cơ cụ thể, xét trên khía cạnh tính năng có thể kết luận như sau: đối với động cơ dùng chế hòa khí, công suất động cơ tăng từ 5,4% đến 8,5% khi sử dụng từ E10 đến E20, do vậy không cần điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cung cấp, tuy nhiên với E20 góc đánh lửa sớm có thể phải điều chỉnh theo hướng giảm vì thời gian cháy trễ giảm; đối với động cơ phun xăng điện tử không cần điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cung cấp với E10 và E15, tuy nhiên với E20 công suất giảm khoảng 2% nên cần quan tâm đến việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa sớm,

- Về độ bền động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học E10: Mức độ mòn các chi tiết, sự suy giảm về công suất, lượng nhiên liệu tiêu thụ, phát thải, áp suất nén và chất lượng dầu bôi trơn khi sử dụng E10 và RON92 là khá tương đồng và đều nằm trong giới hạn cho phép, mặc dù sự thay đổi với E10 có rõ nét hơn,

- Như vậy, nhiên liệu E10 có khả năng sử dụng trên động cơ xăng ô tô, xe máy đang lưu hành ở Việt Nam mà không cần thay đổi kết cấu. Tuy nhiên, với E10 cần rút ngắn thời hạn bảo dưỡng, làm sạch hoặc thay mới lọc nhiên liệu.

Kết quả của đề tài góp phần thực hiện mục tiêu của lộ trình phát triển xăng sinh học của Chính phủ, đồng thời cung cấp giải pháp kỹ thuật và các khuyến cáo đối với nhà sản xuất cũng như người sử dụng khi ứng dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol lớn hơn 5% trên phương tiện đang lưu hành ở Việt Nam.

-113-

Phương hướng phát triển

Nghiên cứu cần được tiếp tục với các nội dung sau:

+ Đánh giá khả năng tương thích của nhiều loại phương tiện khác nhau với xăng

sinh học có tỷ lệ cồn lớn,

+ Cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống đánh lửa và hỗ trợ khởi động lạnh

đối với động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 20%,

+ Đánh giá tác động của xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 20% đến độ bền

và tuổi thọ của các động cơ đang lưu hành trên thị trường Việt Nam,

+ Phát triển hệ thống nhiên liệu linh hoạt nhằm đáp ứng sự đa dạng hóa về nhiên

liệu và sử dụng xăng sinh học ở bất kỳ tỷ lệ etanol nào.

-114-

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1]

PGS. TS. Đinh Thị Ngọ, TS. Nguyễn Khánh Diệu Hồng, “Nhiên liệu sạch và các quá trình xử lý RON92 hóa dầu”, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2008.

[2]

Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Văn Đông, Khả năng giảm phát thải CO2 ở Việt Nam nhờ sản xuất điện năng bằng Biogas, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 1(30), 2009.

[3]

QCVN 1 “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về xăng, nhiên liệu diesel và nhiên liệu sinh học” 2009/BKHCN.

[4]

PGS. TS. Lê Anh Tuấn, “Thử nghiệm nhiên liệu gasohol E5 và E10 trên ôtô và xe máy”, Báo cáo kết quả hợp đồng số: 05-07/HĐ/ĐHBK-PTN ĐCĐT.

[5]

Thủ Tướng Chính Phủ, Quyết định 177/2007/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”, 2007.

[6]

Lê Anh Tuấn, Phạm Minh Tuấn “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha etanol E5 và E10 đến tính năng và phát thải độc hại của xe máy và xe con đang lưu hành ở Việt Nam” Tạp chí KHCN các trường đại học, số 73B, 2009, tr. 98-104.

[7]

Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ, Nghiên cứu sử dụng cồn etylic sản xuất trong nước pha chế xăng thương phẩm có trị số số ốc tan cao, Viện Dầu khí, Tập Đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam; 2009.

[8]

Cù Việt Cường. Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học có pha Etanol và một số hợp chất có nguồn gốc dầu thực vật. Đề tài độc lập cấp nhà nước, 2004.

[9]

Nguyễn Tất Tiến. Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục, 2003.

[10]

Phạm Minh Tuấn, Lý thuyết động cơ đốt trong, NXB Khoa học kỹ thuật, 2008.

[11]

Phạm Minh Tuấn, Khí thải động cơ và ô nhiễm môi trường, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2008.

[12] Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Long Thanh Hùng, Đinh Văn Huỳnh, Nguyễn Trọng Khuông, Phan Văn Thơm, Phạm Xuân Toản, Trần Xoa, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 1, 2006.

[13] Lê Anh Tuấn, Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong: Tiềm năng sản xuất và sử dụng Ở Việt Nam, Hội nghị toàn quốc ngành nhiệt lần thứ II, 4/2012.

[14]

PGS.TS Lê Anh Tuấn, chủ nhiệm đề tài cấp nhà nước, “Nghiên cứu khả năng tương thích của động cơ xăng thế hệ cũ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5%”.

-115-

Tiếng Anh

[15] Richard L. Bechtold, Alternative Fuels Guidebook: Properties, storage, dispensing,

and vehicle facility modifications, SAE International, 1997.

[16]

Petar Zic, Alternative fuels and technologies for vehicles, Graz, 1999.16

[17] Yull Brown, US patent number 4,081,656, March 28, 1978.

[18] Wei-Dong Hsieh, Rong-Hong Chen, Tsung-Lin Wu, Ta-Hui Lin, Engine performance and pollutant emission of an SI engine using etanol–gasoline blended fuels, Atmospheric Environment 36 (2002) 403–410.

[19] United States Patent US4357148, Method and fuel composition for control or reversal of octane requirement increase and for improved fuel economy, 1982.

[20] Alvydas Pikūnas, Saugirdas Pukalskas, Juozas Grabys, In fluence of combustion of gasoline-etanol blends on parameters of internal combustion engines, Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, 3-4.

[21] M. Al-Hasan, Effect of etanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emission, Energy Conversion and Management 44 (2003) 1547–1561.

[22] Mustafa Koç, Yakup Sekmen, The effects of etanol–unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in a spark-ignition engine, Renewable Energy 34 (2009) 2101–2106.

[23]

Farha Tabassum Ansari, Abhishek Prakash Verma, Experimental determination of suitable etanol–gasoline blend for Spark ignition engine, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol. 1 Issue 5, July – 2012.

[24]

Ioannis Gravalos, Dimitrios Moshou, Theodoros Gialamas, Panagiotis Xyradakis, Dimitrios Kateris, Zisis Tsiropoulos, Performance and Emission Characteristics of Spark Ignition Engine Fuelled with Etanol and Metanol Gasoline Blended Fuels, Alternative Fuel, Publisher: InTech, Chapter 7.

[25] A.A. Abdel-Rahman, M.M. Osman, Experimental investigation on varying the compression ratio of SI engine working under different etanol–gasoline fuel blends, International Journal of Energy Research 21 (1) (1997) 31–40.

[26] N. Jeuland, X. Montagne, X. Gautrot, Potentiality of Etanol as a Fuel for Dedicated Engine, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 59 (2004), No. 6, pp. 559-570.

[27] Li-Wei Jia, Mei-Qing Shen, Jun Wang, Man-Qun Lin, Influence of etanol–gasoline blended fuel on emission characteristics from a four-stroke motorcycle engine, Journal of Hazardous Materials A123, 2005.

[28] Kevin Cullen: Fuel Economy & Emissions: Etanol Blends vs Gasoline, DOE

Biomass R&D TAC Meeting – September 10, 2007.

[29]

Sher E, Handbook of air pollution from internal combustion engines pollutant formation and control, USA: Academic Press; 1998.

-116-

[30] Alasfour FN, NOx emission from a spark ignition engine using 30% isobutanol– gasoline blend: part 1 – preheating inlet air, Applied Thermal Engineering 1998;18:245–56.

[31] Robert L. Furey and Marvin W. Jackson, “Exhaust and evaporative emissions from

a Brazilian Chevrolet fuelled with etanol-gasoline blends” SAE 779008.

[32] David A. Guerrieri et al, “Investigation into the vehicle exhaust emissions of high

percentage etanol blends” SAE 950777.

[33] Orbital Engine Company, A testing based assessment to determine impacts of a 20% etanol gasoline fuel blend on the Australian passenger vehicle fleet, Report to Environment Australia, May 2003.

[34]

I. Schifter, Combustion and emissions behavior for etanol–gasoline blends in a single cylinder engine, Fuel 90 (2011) 3586–3592.

[35]

S.G. Poulopoulos, D.P. Samaras, C.J. Philippopoulos, Regulated and unregulated emissions from an internal combustion engine operating on etanol-containing fuels, Atmospheric Environment 35 (2001) 4399–4406.

[36] The Royal Society, Sustainable biofuels: Prospects and chanllenges, UK, 2008.

[37] Robert Waytulonis, David Kittelson và Darrick Zarlin, E20 Effect in Small Non

Road SI Engine, 2008.

[38] Orbital Engine Company, A testing based assessment to determine impacts of a 20% etanol gasoline fuel blend on the Australian passenger vehicle fleet –2000hrs material compatibility testing, Report to Environment Australia, May 2003.

[39] Orbital Engine Company, A testing based assessment to determine impacts of a 10% and 20% etanol gasoline fuel blend on non-automotive engines-2000hrs material compatibility testing, Report to Environment Australia, May 2003.37

[40] Bruce Jones, Gary Mead, Paul Steevens, Mike Timanus, The Effects of E20 on Metals Used in Automotive Fuel System Components, Minnesota Center for Automotive Research at Minnesota State University, Mankato, 2-22-2008.

[41] Bruce Jones, Gary Mead, Paul Steevens, The Effects of E20 on Plastic Automotive Fuel System Components, Minnesota Center for Automotive Research at Minnesota State University, Mankato, 2/21/2008.

[42] Lavoie G, Blumberg P.N, A fundamental Model for Predicting Consumption, NOx, and HC Emissions of the Conventional Spark-Ignition Engines. Combustion Science and Technology, Vol. 21, pp 225-258, 1980.

[43] Mantilla, J. “Combustion Model for Internal Combustion Engines Working with Gasoline-Etanol Blends”, Thermal Engineering, Vol. 9 • No 01 e 02 • December 2010 • p. 89-97.

[44] Hakan Bayraktar,Theoretical investigation of flame propagation process in an SI

engine running on gasoline–etanol blends, Renewable Energy 32 (2007) 758–771.

-117-

[45] AVL–List GmbH, BOOST v.2009 Users Guide. Hans–List–Platz 1, A–8020 Graz,

Austria, 2009.

[46]

Poulos S.G, Heywood G.B, The Effect of Chamber Geometry on Spark-Ignition Engine Combustion, SAE Paper 830334, 1983.

[47] North G.L, Santavicca D.A, The Fractal Nature of Premixed Turbulent Flames.

Combustion Science and Technology, Vol. 72, p.215-232, 1990.

[48] AVL–List GmbH, BOOST v.2011 Theory, Hans–List–Platz 1, A–8020 Graz,

Austria, 2011.

[49] Onorati A, Ferrari G, D’Errico G, 1D Unsteady Flows with Chemical Reactions in the Exhaust Duct-System of S.I. Engines: Predictions and Experiments, SAE Paper No. 2001-01-0939.

[50] G. D’Errico, G. Ferrari, A. Onorati, T. Cerri. Modeling the Pollutant Emissions

from a S.I. Engine, SAE paper 2002-01-0006.

[51]

Pattas K, Häfner G, Stickoxidbildung bei der ottomotorischen Verbrennung, MTZ Nr. 12, 397-404, 1973.

[52] Recommended Methods for Conducting Corrosion Tests in Gasoline/Metanol fuel

Mixtures, SAE J1747 Dec 1994.

[53] Methods for Determining Physical Properties of PolymericMaterials Exposed to

Gasoline/Oxygenate fuel Mixtures, SAE J1748 Jan 1998.

[54] Chinda Charoenphonphanich, E20 Fuel Impacts on Existing Vehicles in Thailand,

WAESE, Bangkok, 2009.

[55] Dunn, J.R và Pfisterer, H.A, Resitance of NBR-Based Fuel Hose Tube to Fuel-

Alcohol Blends, SAE Paper No. 800856, 1980.

[56]

John B. Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Company, 1988.

[57] N. Jeuland, X. Montagne, X. Gautrot, Potentiality of Etanol as a Fuel for

Dedicated Engine, Which fuels for low-CO2 Engines, France, 2004.

-118-

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Truyền “Utilization of etanol - gasoline blends (E5 to E20) in gasoline engines: A study on materials compatibility in Vietnam” 3rd AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy, Penang, Malaysia (Hội nghị vùng về năng lượng mới và năng lượng tái tạo), 2010

2. Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Truyền, Nguyễn Đức Khách, Nguyễn Tiến Chuẩn “Simulation study of motorcycle engine’s charateristics fueled with etanol- gasoline blends”. Tạp chí Khoa học công nghệ các trường đại học kỹ thuật, số 83B, p119-124, 2011 (số tiếng Anh).

3. Phạm Hữu Truyền, Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Nguyễn Đức Khánh“Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm sử dụng etanol sinh học cho động cơ xăng”. Tuyển tập hội nghị công trình khoa học cơ học thủy khí toàn quốc năm 2011, Cửa lò 21 - 23/07/2011, tr. 623 - 632.

4. Lê Anh Tuấn, Nguyễn Đức Khánh, Phạm Minh Tuấn, Phạm Hữu Truyền “Investigation of motorcycle engine’s characteristics fueled with etanol-gasoline blends” 4th AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy, TP HCM, 12-13/10/2011, tr. 28-32.

5. Phạm Hữu Tuyến, Phạm Hữu Truyền, Nguyễn Duy Tiến, Phạm Hòa Bình, Lê Anh Tuấn “Material compatibility assessment of automotive fuel system components with E10 fuel”.Proceedings of the 5th Regional Conference on New and Renewable Energy – RCNRE 2012, tr. 110 -114.

6. Phạm Hữu Truyền, Lê Anh Tuấn, Trần Anh Trung “Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá độ bền của động cơ xăng ô tô đời cũ sử dụng xăng sinh học E10”. Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số đặc biệt, 01/2013, tr. 57 - 61.

-119-

PHỤ LỤC

PL.1. Kết quả đánh giá chất lượng của xăng RON92, E10, E15, E20 ở Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam.

Bảng PL1. Chỉ tiêu chất lượng của xăng RON92

STT Chỉ tiêu Xăng RON92 thương phẩm Tiêu chuẩn TCVN 6776:2005

1 Trị số ốctan

RON 92,4 92

2 Thành phần cất phân đoạn

38,9 -

53,6 70

93,6 120

158,6 190

Điểm sôi đầu, 0C 10%, 0C 50%, 0C 90%, 0C Điểm sôi cuối, 0C 180,0 215

3 Độ ổn định oxy hóa, phút 530 480

4 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg 215 500

5 Áp suất hơi Reid, kPa 70,46 43-75

6 Hàm lượng hydocacbon thơm, % thể tích 31,6 40

0,55 2,7

7 Hàm lượng oxy, % khối lượng 8 Khối lượng riêng ở 15 0C, kg/m3 0,7302 Báo cáo

Bảng PL2. Tính chất nhiên liệu của xăng sinh học E10

STT Chỉ tiêu E10-M1 RON 92 thương phẩm Dự thảo TCVN

Trị số ốctan 1 RON 94,4 92,4 92,0

41,6 38,9 -

51,0 53,6 70 2 73,8 93,6 120

161,6 158,6 190

Thành phần cất phân đoạn Điểm sôi đầu, 0C 10%, 0C 50%, 0C 90%, 0C Điểm sôi cuối, 0C 185,5 180,0 215

3 Độ ổn định oxy hóa, phút 880 530 480

4 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg 215 215 500

5 Áp suất hơi Reid, kPa 70,46 70,46 43-75

6 Hàm lượng hydocacbon thơm, % thể tích 27,8 31,6 40

7 Hàm lượng oxy, % khối lượng 3,93 0,55 2,7

-120-

8 Khối lượng riêng ở 15 0C, kg/m3 0,740 0,7302 Báo cáo

Bảng PL3. Tính chất nhiên liệu của xăng sinh học E15 và E20

STT Chỉ tiêu E15 E20 RON92

Trị số ốctan 1 RON 94,5 96,6 92,4

40,5 39,3 38,9

51,0 51,0 53,6 2 72,5 71,0 93,6

160,6 159,5 158,6

Thành phần cất phân đoạn Điểm sôi đầu, 0C 10%, 0C 50%, 0C 90%, 0C Điểm sôi cuối, 0C 183 178,5 180,0

3 Độ ổn định oxy hóa, phút 1070 1262 530

4 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg 202 190 215

5 Áp suất hơi Reid, kPa 63,78 61,67 70,46

Hàm lượng hydocacbon thơm, 6 26,9 25,3 31,6 % thể tích

7 Hàm lượng oxy, % khối lượng 5,98 8,03 0,55

8 Khối lượng riêng ở 15 0C, kg/m3 0,747 0,754 0,7302

PL.2. Thiết bị sấy Binder và chai thủy tinh dùng trong quá trình ngâm.

Nhằm duy trì nhiệt độ ngâm, các chi tiết ngâm trong dung dịch RON92, E10, E15 và

E20 được đặt trong thiết bị giữ nhiệt là tủ sấy Binder của Đức.

Thông số kỹ thuật chủ yếu của tủ sấy thể hiện dưới đây:

- Nhiệt độ sử dụng khoảng: 50÷3000C - Độ dao động: ± 20C - Hệ số tính đồng đều của độ ấm: ± 2,5% - Nguồn điện: 230V ± 10%, 50 - 60 Hz - Dòng điện max: 5,3A - Công suất sấy cực đại: 1,2 kW

-121-

Hình PL1. Tủ sấy Binder

Chai ngâm cần đảm bảo điều kiện đủ kín để tránh dung dịch ngâm bị bay hơi đồng thời phải đủ bền trong quá trình ngâm. Các chi tiết được ngâm trong chai thủy tinh có độ bền nhiệt cao, dung tích là 1 lít được sản xuất tại Đức chuyên dùng trong thí nghiệm hóa học. Nắp chai được sử dụng loại nhựa bền chịu được dung môi và nhiệt độ cao trong thí nghiệm.

Hình PL2. Hình ảnh chai ngâm dùng trong quá trình phân tích

PL.3. Các dụng cụ đo, kiểm tra và chụp ngoại quan.

Cân điện tử (với độ chính xác 0,1mg) và thước cặp dùng để đánh giá chi tiết.

Hình PL3. Cân điện tử

Máy vi điện tử Hitachi S-4800 chụp để quan sát hình thái bề mặt chi tiết.

Hình PL4. Thước kẹp

-122-

Hình PL5. Đồ gá chụp ảnh Hình PL6. Máy vi điện tử Hitachi S-4800

PL.4. Chi tiết nghiên cứu.

Hình PL7: Các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu trên xe máy

Hình PL8. Bộ chế hòa khí của xe ôtô Hình PL9. Bơm xăng điện tử của xe ôtô

Lưới lọc thô Lọc tinh Bộ báo nhiên liệu Giắc đấu nối

Van hồi xăng Kim phun xăng Các chi tiết chính của bơm Van một chiều, gioăng, bầu phao

Hình PL10. Các chi tiết nghiên cứu trong hệ thống phun xăng điện tử

PL.5. Kết quả đo kích thước các chi tiết kim loại bộ chế hòa khí xe máy.

Bảng PL4. Kích thước các chi tiết kim loại ngâm trong xăng RON92 (tính theo mm)

Tên chi tiết 1000h 2000h

-123-

TT 1 Kim ba cạnh 2 Quả ga 3 Loxo quả ga 4 Chốt phao xăng Vị trí đo d D l D 0h 3,54 17,97 46,02 1,84 3,54 17,97 46,02 1,84 3,54 17,97 46,02 1,84 Vật liệu thép thép thép Đồng

5 Vít xả xăng thừa 6 Vít chỉnh gió 7 Vít điều chỉnh không tải 8 Giclo nhiên liệu 9 Loxo vít chỉnh gió 10 Loxo vít chỉnh không tải 11 Loxo vít xả xăng thừa 12 Kim ga Đồng Đồng Đồng Đồng thép thép thép thép l l l D l l l D 25,08 22,92 10,16 4,21 11,26 11,02 25 1,98 25,08 22,92 10,16 4,21 11,26 11,02 25 1,98 25,08 22,92 10,16 4,21 11,26 11,02 25 1,98

Bảng PL5. Kích thước các chi tiết phi kim ngâm trong xăng RON92 (tính theo mm)

Tên chi tiết

Lọc thô chế hòa khí Vị trí đo D D

TT 1 Cao su dẫn nhiên liệu 2 3 Gioăng làm kín chế hòa khí Vật liệu Cao su Nhựa Cao su b × h

Phao báo xăng

4 Gioăng làm kín vít xả xăng thừa 5 Gioăng làm kín vít khóa xăng 6 Gioăng làm kín đầu vít xả xăng thừa 7 Gioăng làm kín lọc xăng thô 8 Gioăng làm kín nắp bình xăng 9 10 Lọc tinh Cao su Cao su Cao su Cao su Cao su Nhựa Giấy d d d d b D D 0h 6,55 12,33 1,28 × 1,98 1,28 2,28 1,28 1,32 2,94 26,84 11,75 1000h 6,55 12,33 1,28 × 1,98 1,28 2,28 1,28 1,32 2,94 26,84 11,73 2000h 6,55 12,33 1,28 × 2,00 1,28 2,28 1,28 1,32 2,94 26,84 11,68

Bảng PL6. Kích thước các chi tiết kim loại ngâm trong xăng E10 (tính theo mm)

TT Tên chi tiết Vật liệu 0h 1000h 2000h

Kim ba cạnh Quả ga Loxo quả ga Chốt phao xăng Vít xả xăng thừa Vít chỉnh gió Vít điều chỉnh không tải Giclo nhiên liệu Loxo vít chỉnh gió Loxo vít chỉnh không tải Loxo vít xả xăng thừa

3,54 17,98 46,02 1,84 25,08 22,92 10,16 4,21 11,26 11,02 25 1,98 3,54 17,98 46,02 1,84 25,08 22,92 10,16 4,21 11,26 11,02 25 1,98 3,54 17,98 46,02 1,84 25,08 22,92 10,16 4,21 11,26 11,02 25 1,98 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kim ga Vị trí đo d Dqg l D l l l D l l l D thép thép thép Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng thép thép thép thép

Bảng PL7. Kích thước các chi tiết phi kim ngâm trong xăng E10 (tính theo mm)

6,55

6,55

6,55

12,33

12,33

12,33

TT Tên chi tiết Vật liệu 0h 1000h 2000h

1,28 × 1,98

1,28 × 1,98

1,28 × 2,00

Lọc thô chế hòa khí

-124-

1 Cao su dẫn nhiên liệu 2 3 Gioăng làm kín chế hòa khí Vị trí đo D D b × h Cao su Cao su Cao su

1,28

1,28

1,28

2,28

2,28

2,28

1,28

1,28

d d

1,28

1,32

1,32

1,32

2,94

2,94

2,94

26,84

26,84

26,84

4 Gioăng làm kín vít xả xăng thừa 5 Gioăng làm kín vít khóa xăng 6 Gioăng làm kín đầu vít xả xăng Cao su Cao su Cao su d thừa

11,74

11,69

11,63

Phao báo xăng

7 Gioăng làm kín lọc xăng thô 8 Gioăng làm kín nắp bình xăng 9 10 Lọc tinh Cao su Cao su Nhựa Giấy d b D D

PL.6. Khối lượng các chi tiết bộ chế hòa khí xe máy.

Bảng PL8. Khối lượng các chi tiết kim loại ngâm trong xăng RON92 (tính theo mg)

TT Tên chi tiết Vật liệu 0h 1000h 2000h

2,48 2,48 2,48 Kim ba cạnh 1 thép

9,65 9,65 9,65 Quả ga 2 thép

2,41 2,41 2,41 Loxo quả ga 3 thép

1,12 1,12 1,12 Chốt phao xăng 4 Đồng

3,37 3,37 3,37 Vít xả xăng thừa 5 Đồng

2,02 2,02 2,02 Vít chỉnh gió 6 Đồng

1,98 1,98 1,98 Vít điều chỉnh không tải 7 Đồng

3,98 3,98 3,98 Ống tạo hỗn hợp nhiên liệu 8 Đồng

2,36 2,36 2,36 Giclo nhiên liệu 9 Đồng

0,29 0,29 0,29 Loxo vít chỉnh gió 10 thép

0,22 0,22 0,22 Loxo vít chỉnh không tải 11 thép

0,26 0,26 0,26 Loxo vít xả xăng thừa 12 thép

1,68 1,68 1,68 13 Kim ga thép

Bảng PL9. Khối lượng các chi tiết phi kim ngâm trong xăng RON92 (tính theo mg)

TT Tên chi tiết Vật liệu 0h 1000h 2000h

26,33 26,01 25,34 Cốc đựng lọc tinh 1 Nhựa

5,66 5,67 5,67 Cao su dẫn nhiên liệu 2 Cao su

1,47 1,47 1,47 Lọc thô chế hòa khí 3 Nhựa

0,55 0,55 0,55 Gioăng làm kín chế hòa khí 4 Cao su

0,31 0,31 0,31 Gioăng làm kín vít xả xăng thừa 5 Cao su

0,38 0,38 0,38 Gioăng làm kín vít khóa xăng 6 Cao su

0,03 0,03 0,03 7 Cao su Gioăng làm kín đầu vít xả xăng thừa

0,18 0,18 0,18 Gioăng làm kín lọc xăng thô 8 Cao su

65,72 65,68 65,04 Gioăng làm kín nắp bình xăng 9 Cao su

157,67 156,60 154,84 Phao báo xăng 10 Nhựa

-125-

2,38 2,39 2,42 Lọc tinh 11 Giấy

Bảng PL10. Khối lượng các chi tiết kim loại ngâm trong xăng E10 (tính theo mg)

0h 1000h 2000h Tên chi tiết

Kim ba cạnh Quả ga Loxo quả ga Chốt phao xăng Vít xả xăng thừa Vít chỉnh gió Vít điều chỉnh không tải Ống tạo hỗn hợp nhiên liệu Giclo nhiên liệu Loxo vít chỉnh gió Loxo vít chỉnh không tải Loxo vít xả xăng thừa

TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Kim ga Vật liệu thép thép thép Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng Đồng thép thép thép thép 2,47 9,65 2,41 1,12 3,37 2,02 1,98 4,58 2,36 0,29 0,22 0,26 1,68 2,47 9,65 2,41 1,12 3,37 2,02 1,98 4,58 2,36 0,29 0,22 0,26 1,68 2,47 9,65 2,41 1,12 3,37 2,02 1,98 4,58 2,36 0,29 0,22 0,26 1,68

Bảng PL11. Khối lượng các chi tiết phi kim ngâm trong xăng E10 (tính theo mg)

0h 1000h 2000h Tên chi tiết

TT 1 2 3 4 5 6 7 Vật liệu Nhựa Cao su Nhựa Cao su Cao su Cao su Cao su 28,41 5,67 1,47 0,55 0,31 0,38 0,03 28,07 5,67 1,47 0,55 0,31 0,38 0,03 27,21 5,66 1,47 0,55 0,31 0,38 0,03

Cốc đựng lọc tinh Cao su dẫn nhiên liệu Lọc thô chế hòa khí Gioăng làm kín chế hòa khí Gioăng làm kín vít xả xăng thừa Gioăng lamg kín vít khóa xăng Gioăng làm kín đầu vít xả xăng thừa Gioăng làm kín lọc xăng thô Gioăng làm kín nắp bình xăng Phao báo xăng Lọc tinh 8 9 10 11 Cao su Cao su Nhựa Giấy 0,18 65,72 155,67 2,38 0,18 65,68 154,32 2,39 0,18 65,04 152,14 2,42

Bảng PL12. Khối lượng các chi tiết kim loại ngâm trong xăng E15 (tính theo mg)

Tên chi tiết TT Vật liệu 0h 1000h 2000h

Ống tạo hỗn hợp nhiên liệu 1 Đồng 5,88 5,88 5,88

Bảng PL13. Khối lượng các chi tiết phi kim ngâm trong xăng E15 (tính theo mg)

Tên chi tiết TT Vật liệu 0h 1000h 2000h

Cốc đựng lọc tinh 1 Nhựa 27,33 27,21 27,14

Cao su dẫn nhiên liệu 2 Cao su 6,75 6,75 6,75

Bảng PL14. Khối lượng các chi tiết kim loại ngâm trong xăng E20 (tính theo mg)

Tên chi tiết TT Vật liệu 0h 1000h 2000h

-126-

Ống tạo hỗn hợp nhiên liệu 1 Đồng 5,68 5,88 5,88

Bảng PL15. Khối lượng các chi tiết phi kim ngâm trong xăng E20 (tính theo mg)

TT Tên chi tiết Vật liệu 0h 1000h 2000h

1 Cốc đựng lọc tinh Nhựa 24,13 23,91 23,94

2 Cao su dẫn nhiên liệu Cao su 7,35 7,35 7,35

PL.7. Khối lượng các chi tiết của bộ chế hòa khí ô tô trước và sau khi ngâm.

Bảng PL16. Khối lượng chi tiết chính chế hòa khí dùng ngâm trong RON92 và E10 (mg)

E10 TT Tên chi tiết Mô tả

2000h 1,23 2,09 1,86 9,53 6,43 1,63 2,23 1,72 9,46 6,25

Pistong làm đậm

0h 1,23 2,09 1,86 9,53 6,43 11,21 0,29 0,29 0,29

18,55

8,30 8,08

2,48 2,47

0,78 4,80

8,11

1 Giclơ nhiên liệu chính sơ cấp Đồng Đồng 2 Giclơ nhiên liệu chính Đồng 3 Giclơ không khí Đồng 4 Ống tạo hỗn hợp Đồng 5 Van làm đậm Đồng 6 Thép 7 Loxo van làm đậm Gang 8 Họng khuếch tán sơ cấp Gang 9 Họng khuếch tán thứ cấp Đồng 10 Vít điều chỉnh không tải Đồng 11 Van điện từ cắt nhiên liệu Cao su 12 Màng cao su tăng tốc phụ Cao su 13 Van một chiều tăng tốc phụ Nhựa 14 Phao xăng báo nhiên liệu Nhựa 15 Quả phao chế hòa khí Thép 16 Chốt phao xăng Đồng 17 Van kim 3 cạnh Nhựa 18 Cốc chứa lọc tinh Giấy 19 Giấy lọc tinh Cao su 20 Gioăng làm kín bơm xăng Cao su 21 Màng bơm xăng Cao su 22 Van một chiều bơm xăng Thép 23 Loxo van một chiều RON92 1000h 1,23 2,09 1,86 9,53 6,43 11,21 0,29 18,55 22,21 8,30 33,58 14,18 2,48 58,20 66,73 0,73 4,57 9,22 7,19 13,52 2,46 0,17 0,59 22,21 8,30 33,58 14,15 2,48 58,26 66,75 0,73 4,57 9,22 7,16 13,50 2,43 0,17 0,59 0h 1,63 2,23 1,72 9,44 6,25 11,21 11,92 0,29 18,55 19,21 22,21 22,49 8,08 33,58 34,10 14,22 14,21 2,47 58,12 59,23 66,68 66,78 0,78 0,73 4,57 4,80 9,22 11,49 8,04 7,24 13,56 14,15 2,03 0,18 0,95 2,52 0,17 0,59 1000h 2000h 1,63 2,23 1,72 9,48 6,25 11,92 11,92 0,29 19,21 19,21 22,49 22,49 8,08 34,10 34,10 14,28 14,33 2,47 59,13 59,07 66,69 66,51 0,78 4,80 11,64 11,64 8,20 14,19 14,26 2,15 0,18 0,95 2,08 0,18 0,95

Bảng PL17. Khối lượng chi tiết chính chế hòa khí xe ôtô dùng ngâm trong E15 và E20

TT Tên chi tiết Mô tả

-127-

1 Màng bơm xăng 2 Van một chiều bơm xăng 3 Đế đỡ van một chiều 4 Giclơ nhiên liệu chính 5 Cốc đựng lọc xăng Cao su Cao su Thép Đồng Nhựa E15 1000h 2000h 2,19 0,15 1,64 2,41 34,65 2,16 0,15 1,64 2,41 34,65 E20 1000h 2000h 3,55 3,450 0,17 0,17 1,31 1,31 2,43 2,43 48,60 48,60 0h 3,47 0,17 1,31 2,43 48,60 0h 2,14 0,15 1,64 2,41 34,65

TT Tên chi tiết Mô tả

6 Đường dẫn nhiên liệu 7 Giấy lọc tinh 8 Loxo van một chiều Cao su Giấy Thép E15 1000h 2000h 3,45 0,52 0,13 3,45 0,52 0,13 0h 3,45 0,52 0,13 E20 1000h 2000h 4,95 0,67 0,13 4,95 0,67 0,13 0h 4,95 0,67 0,13

PL.8. Khối lượng các chi tiết của hệ thống phun xăng điện tử ô tô trước và sau khi ngâm.

Bảng PL18. Khối lượng chi tiết chính bơm xăng xe ôtô dùng ngâm trong RON92 và E10

RON92 E10 TT Tên chi tiết Mô tả 0h 1000h 2000h 0h 1000h 2000h

1 Lưới lọc thô Nhựa 2,23 2,25 2,27 2,38 2,40 2,49

2 Giấy lọc tinh Giấy 6,85 6,86 6,88 6,91 6,94 6,98

3 Bộ báo mức nhiên liệu - 3,56 3,54 3,50 3,94 3,89 3,73

Thép 4 Van hồi nhiên liệu tại bơm 22,13 22,13 22,13 22,35 22,35 22,35

5 Đế đỡ van một chiều Nhựa 0,35 0,35 0,35 0,30 0,30 0,30

6 Cần báo nhiên liệu Thép 6,78 6,78 6,78 7,26 7,26 7,26

7 Bơm xăng 356,8 356,8 356,8 352,6 352,6 352,6

Cao su 8 Vam một chiều tại bơn 1,18 1,18 1,18 1,38 13,8 13,8

9 Roto bơm điện Thép 38,80 38,80 38,80 38,72 38,72 38,72

10 Đế cao su bơm điện Cao su 6,34 6,34 6,34 6,94 6,94 6,94

11 Đế hút nhiên liệu Gang 17,09 17,09 17,09 17,41 17,41 17,41

12 Cánh gạt nhiên liệu Nhựa 1,53 1,53 1,53 1,32 1,32 1,32

13 Thép 16,25 16,25 16,25 16,75 16,75 16,75 Khoang chứa nhiên liệu tại bơm xăng

14 Giắc cắm điện tại bơm Nhựa 12,63 12,63 12,64 13,28 13,28 13,28

15 Van an toàn Cao su 1,71 1,71 1,71 1,75 1,75 1,7

16 Cao su 0,54 0,54 0,54 0,45 0,45 0,45 Gioăng làm kín van an toàn

17 Vỏ chứa van an toàn Nhựa 1,52 1,52 1,52 1,49 1,49 1,49

18 Loxo van an toàn Thép 0,54 0,54 0,54 0,54 0,54 0,54

19 Nhựa 9,35 9,35 9,35 8,50 8,50 8,50 Đường ống hồi nhiên liệu tại bơm

20 Gioăng làm kín đường hồi Cao su 0,39 0,39 0,39 0,37 0,37 0,37

21 Đầu kim phun Thép 3,23 3,23 3,23 4,48 4,48 4,48

22 Cao su 0,48 0,48 0,48 0,33 0,33 0,33 Gioăng làm kín đầu kim phun

23 Đường dẫn nhiên liệu Cao su 6,45 6,45 6,46 7,49 7,53 7,57

-128-

24 Phao xăng báo nhiên liệu Nhựa 36,28 36,24 36,16 36,88 36,78 36,61

Bảng PL19. Khối lượng chi tiết chính bơm xăng xe ôtô dùng ngâm trong E15 và E20

E15 TT Tên chi tiết Mô tả

Nhựa 1 Lưới lọc thô 2 Giấy lọc tinh Giấy 3 Gioăng làm kín van an toàn Cao su Nhựa 4 Vỏ chứa van an toàn Thép 5 Loxo van an toàn 0h 2,47 0, 43 0,54 1,52 0,54 1000h 2000h 2,47 0, 43 0,54 1,52 0,54 2,47 0, 43 0,54 1,52 0,54 0h 2,49 0,57 0,54 1,47 0,54 E20 1000h 2,49 0,57 0,54 1,47 0,54 2000h 2,49 0,57 0,54 1,47 0,54

Cao su 0,34 0,34 0,34 0,38 0,38 0,38 6 Gioăng làm kín đầu kim phun

7 Đường dẫn nhiên liệu Cao su 6,95 6,95 6,95 7,49 7,49 7,49

8 Nhựa 9,30 9,30 9,30 8,50 8,50 8,50 Đường hồi nhiên liệu tại bơm

PL.9. Trang thiết bị phòng thử ô tô (CD48”)

PL.9.1. Thông tin chung

Phòng thử ô tô bao gồm băng thử động lực học (Chassis Dynamometer 48”), hệ thống

lấy mẫu và phân tích khí thải, các thiết bị phụ trợ.

Băng thử động lực học CD48’ do hãng AVL Zollner chế tạo có chức năng để thử và kiểm tra ôtô trong phòng thí nghiệm giúp cho quá trình nghiên cứu về ôtô nói chung và động cơ nói riêng được dễ dàng hơn đồng thời có thể thực hiện một số chức năng mà khó hoặc không thể thực hiện trên đường thực.

Thiết bị chính của băng là một động cơ điện xoay chiều đặt ở giữa hai con lăn. Thiết kế này cho phép thu nhỏ kích thước của băng thử và cách bố trí các thiết bị liên quan từ trên xuống một cách dễ dàng đồng thời nó cũng thuận lợi cho quá trình bảo dưỡng sau này.

Hình PL.11. Phòng thử ô tô của PTN Động cơ đốt trong - ĐHBK Hà Nội

Để tránh hiện tượng trễ do ma sát sinh ra ở ổ trục thì ổ trục này được quay với tốc độ chậm thông qua một động cơ điện xoay chiều. Hai ổ trục được điều khiển quay cùng chiều nhau để loại trừ sự tổn thất do ma sát. Việc lắp các ổ trục này không gây tổn thất cho băng thử Chassis Dynamometer 48”.

-129-

Băng thử Chassis Dynamometer 48” được có thể mô phỏng khối lượng của xe trong phạm vi từ 454 kg tới 5448 kg. Quán tính cơ sở của các con lăn là 1678 kg. Các thông số cơ bản của băng thử:

- Tốc độ lớn nhất: 200 km/h. - Phạm vi mô phỏng quán tính: 454 kg  5448 kg - Dung sai tốc độ đo: 0…2 km/h <0,1 % ; 2…200 km/h <0,01% - Dung sai của giá trị lực kéo đo: 0,1% giá trị lớn nhất của dải đo. - Độ chính xác của phép đo khoảng cách: 1m - Độ chính xác của phép đo thời gian: 10 ms - Nhiệt độ môi trường trong buồng thử: 5 ...40 0C - Độ ẩm tương đối lớn nhất của không khí trong buồng thử <75 %

Băng thử Chassis Dynamometer 48” có các chức năng chính sau đây:

- Xác định tốc độ của xe - Xác định lực tại bề mặt con lăn - Xác định gia tốc và công suất của xe - Kiểm tra đồng hồ tốc độ và đồng hồ đo quãng đường xe chạy

Ngoài các chức năng trên, băng thử Chassis Dynamometer 48” cùng với hệ thống lấy mẫu và phân tích thành phần khí xả tạo thành hệ thống thử nghiệm khí xả công nhận kiểu theo tiêu chuẩn EURO II.

PL.9.2. Cơ sở lý thuyết các phép đo chính

a) Phép đo tốc độ

Tốc độ của băng thử được xác định thông qua bộ cảm biến tốc độ kiểu quang học. Bộ cảm biến được gắn ở đầu trục của con lăn vì vậy nó có thể đo trực tiếp tốc độ của con lăn. Từ tốc độ con lăn n đo được có thể tính được vận tốc của xe v.

1

2

3

4

3

2

1: Đĩa mã hoá, 2: Nguồn sáng (đèn LED), 3: Tranzitor quang

Đĩa mã hoá 1 được gắn cứng với trục con lăn 4 vì vậy khi trục con lăn quay sẽ làm

cho đĩa 1 quay cùng với tốc độ con lăn.

Khi vị trí đèn LED 2, lỗ trên đĩa 1 và tranzitor quang 3 thằng hàng khi đó tranzitor nhận được ánh sáng do đèn 2 phát ra sẽ làm thông mạnh điện, lúc đó điện áp cung cấp cho mạch là 5V.

Khi vị trí củađèn 2, lỗ trên đĩa 1 và tranzitor không thẳng hàng thì tranzitor 3 không nhận được ánh sáng do 2 cung cấp do đó tranzitor quang 3 bị khoá nên điện áp cung cấp của mạch là 0 V.

-130-

Hình PL.12. Cấu tạo của cảm biến tốc độ

Đo đĩa 1 quay liên tục nên tín hiệu ở đầu ra có dạng xung chữ nhật. Tín hiệu xung ở đầu ra được đưa đến máy đếm xung đồng thời liên kết với cơ cấu đếm thời gian sẽ xác định được tốc độ của con lăn.

n 

y x*t

Trong đó :

t : Thời gian đo (s)

+ n : Tốc độ của con lăn + y : Số xung đếm được ở máy đếm xung + + x : Số rãnh trên đĩa mã hoá 1

b) Phép đo lực

1

2

4

3

1. Con lăn, 2. Gối trục, 3. Động cơ điện, 4. Bộ cân tải

Đo lực trên bề mặt con lăn dựa trên nguyên lý phanh điện xoay chiều.

Một động cơ điện xoay chiều được đặt trên hai gối trục sao cho stator luôn tự do, do

vậy stator có thể quay tương đối so với rotor.

Khi con lăn quay quanh trục kéo theo trục rotor quay theo. Nhờ tác dụng tương hỗ của từ trường giữa rotor và stator sẽ làm stator của động cơ điện quay theo. Khi stator dịch chuyển thông qua cụm cân tải (loadcell) sẽ xác định được giá trị lực kéo.

Lực FW được đo nhờ bộ cân tải dựa trên nguyên tắc đo lực nhờ hiện tượng áp điện. Từ

lực tại bộ cân tải FW có thể tính ra lực tại bề mặt con lăn FKéo theo phương trình cân bằng:

Hình PL.13. Nguyên lý đo lực

-131-

Hình PL.14. Cơ sở xác định lực kéo

FW.r = Fkéo.R 

KÐo  F

.F W

r R

Trong đó:

+ FKéo: Lực kéo tại bề mặt con lăn + FW: Lực đo tại bộ cân tải + r: Chiều dài cánh tay đòn + R: Bán kính con lăn

c) Phép đo gia tốc và công suất

Công suất của xe theo công thức sau : P = FKéo.v

Tốc độ của con lăn v (m/s) được xác định từ bộ cảm biến tốc độ và bán kính con lăn.

Lực kéo tại bề mặt con lăn FKéo được xác định được nhờ bộ cân tải (loadcell).

Gia tốc của xe được xác định trên cơ sở định nghĩa:

a =

(m/s2)

 v  t

Căn cứ vào các điểm đo liên tiếp trong các lần đo ta có thể xác định được độ chênh

lệnh vận tốc v trong khoảng thời gian t.

PL.9.3. Hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải

Hệ thống lấy mẫu khí với thể tích không đổi (CVS - Constant Volume Sampling) sử dụng nguyên lý lưu lượng dòng chảy tới hạn qua ống Venturi. Khí thải từ ống xả được thu toàn bộ và làm loãng bằng không khí của môi trường thử rồi sau đó trích ra một phần để điền đầy các túi khí. Các túi khí này sẽ được các bộ phân tích xác định thành phần và hiển thị kết quả đo được. Sơ đồ hệ thống thể hiện trong Hình PL5. Hệ thống phân tích khí thải gồm các bộ phân tích các thành phần CO, CO2, HC, NOx, O2 có trong khí thải.

Tất cả các bộ phân tích đều được hiệu chuẩn bằng khí hiệu chuẩn (calibration gases)

trước mỗi phép đo.

-132-

Hình PL.15. Sơ đồ phòng thử công nhận kiểu cho xe con và xe tải nhỏ

PL.10. Trang thiết bị phòng thử xe máy (CD20” )

PL.10.1. Đặc điểm và chức năng chính của băng thử

Băng thử CD 20’’ do hãng AVL cung cấp, có chức năng thử nghiệm và kiểm tra xe ở các chế độ mô phỏng. Qua đó giúp cho quá trình nghiên cứu cải tiến xe máy và động cơ được dễ dàng. Các chức năng chính của băng thử:

- Xác định tốc độ của xe - Xác định lực tác dụng trên bề mặt con lăn - Xác định gia tốc và công suất của xe - Mô hình hóa tải trọng trên đường thông qua băng thử.

Kết hợp băng thử với hệ thống lấy mẫu khí thải CVS, tủ phân tích khí CEBII và thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 733S trong quá trình thử nghiệm theo chu trình châu Âu (ECE R40) qua đó xác định thành phần các chất thải độc hại có trong khí thải, lượng nhiên liệu tiêu thụ. Các chế độ vận hành băng thử:

- Chế độ lực không đổi (F=const) - Chế độ tốc độ không đổi (V=const) - Chạy theo chu trình.

PL.10.2. Kết cấu băng thử

Băng thử động học gồm một động cơ điện công suất 23,9 kW dẫn động con lăn thông

qua hộp số làm liền động cơ.

Con lăn của băng thử có đường kính 20’’(508 mm), bề mặt con lăn được phủ một lớp tạo ma sát để dễ dàng dẫn động bánh xe máy, trên trục con lăn có gắn cảm biến đo tốc độ động cơ. Do trục con lăn chính là trục động cơ điện cho nên từ tốc độ con lăn ta có thể xác định được tốc độ xe.

Bánh đà và đĩa phanh (phanh hơi) được gắn trên trục động cơ và con lăn có nhiệm vụ tích lũy năng lượng. Qua đó ổn định quá trình chạy của xe, giúp người lái theo chu trình thử được dễ dàng giảm tối thiểu các lỗi vượt ra ngoài miền dung sai cho phép của đường thử.

Trên động cơ chính còn có cơ cấu đo lực dùng nguyên lý phanh điện xoay chiều.

Xe được giữ trên băng thử bằng cơ cấu kẹp bánh trước sử dụng khí nén, với áp suất

nén 4,5→10 bar nhằm giữ chặt xe trong suốt chu trình thử.

-133-

Hình PL.16. Phòng thử xe máy CD20”

Quạt gió được gắn liền với băng thử nên có khả năng tạo ra tốc độ gió thay đổi theo tốc độ con lăn trên băng thử có tác dụng làm mát động cơ trong quá trình thử nghiệm.Các thông số cơ bản của quạt: - Lưu lượng quạt 32.000 m3/h. - Áp suất tĩnh: 600 Pa, tổng áp suất: 837 Pa, áp suất hút ở 200C là 101 kPa, công suất:

12,29 kW

- Thời gian khới động chuẩn: 5,2 s - Kích thước cửa quạt: 800*600 mm.

PL.10.3. Thông số của băng thử

Băng thử chassis dyno 20’’ được thiết kế để mô phỏng lại khối lượng của xe trong

phạm vi 80kg đến 350kg.

Quán tính cơ sở của con lăn tương đương với khối lượng của xe khoảng 170kg.

Lực kéo lớn nhất của động cơ ở chế độ động cơ là 1512 N ở 90 Km/h. Lực kéo lớn

nhất ở chế độ máy phát là 1680 N ở 90 Km/h.

Lực kéo lớn nhất của động cơ ở chế độ khi sử dụng nhiều là là 945 N ở 90Km/h. Ở chế độ máy phát sử dụng nhiều là 1040 N ở 90 Km/h. Các thông số của quá trình thử và dung sai:

- Trong quá trình thử nghiệm, con lăn luôn bị khóa - Vùng quán tính mô phỏng lớn nhất là 80 đến 350 kg - Vùng dòng điện mô phỏng lớn nhất: - 90 đến 180 kg - Gia tốc lớn nhất trong quá trình mô phỏng tải trọng: 3,7 m/s2 - Lực kéo mô phỏng: 1000 N. - Mức độ tăng lớn nhất của quán tính động cơ 1 chiều thử nghiệm: 8,8 m/s2 ở 90 Km/h. - Dung sai của tốc độ thực được xác định là: 0 ÷ 2 Km/h < 0,1%; 2 ÷ 30 Km/h < 0,01%;

30 ÷ 200 Km/h < 0,001%

- Dung sai của giá trị lực thực tế: 0,11 % - Sự lặp lại dung sai lực kéo: 0,003 % - Dung sai của gia tốc thực tế: 1% hoặc 0,005 m/s2 - Dung sai của bù cho mất mát < 5 N - Bù của phép đo kích thước: 1 m - Bù của thời gian đo kích thước: 10 ms - Dung sai của thời gian đo kích thước: ± 10 ms - Dung sai điều chỉnh tốc độ: < 0,05% - Dung sai của điều chỉnh đơn vị lực kéo: < 2% - Phạm vi nhiệt độ môi trường trong buồng thử: +50 C ÷ +400 C - Độ ẩm lớn nhất bên ngoài buồng thử: < 75%

PL.10.4. Sơ đồ hệ thống và nguyên lý đo

PL.10.4.1. Sơ đồ hệ thống

Quá trình thử nghiệm được giám sát trên giao diện phần mền MMI, các thông số tốc độ, lực kéo, công suất được hiển thị tức thời, ngoài ra người vận hành có thể theo dõi các thông số của quá trình thử nghiệm trên thiết bị điều khiển từ xa. Băng thử xe máy có thể thực hiện được các phép đo chính sau:

-134-

- Xác định tốc độ xe - Xác định lực tại bề mặt con lăn - Xác định gia tốc và công suất xe - Mô hình hóa tải trọng trên đường trên băng thử.

Máy chủ

MMI (giao diện người dùng)

Máy tính điều khiển Cụm phanh

Nguồn điện

điện

Đầu ra tốc độ và lực kéo

Dòng phần ứng, dòng kích thích

Van điện từ, công tắc áp suất

Tốc độ, lực kéo, màn hình

Điều khiển từ xa

Ngoài ra băng thử còn kết hợp với hệ thống phân tích khí xả để phân tích thành phần

khí xả động cơ.

Băng thử CD20’’ được điều khiển bằng phần mềm Zoller. Đây là phần mềm cung cấp nhiều chức năng và giúp người sử dụng có thể quan sát tình trạng vận hành thông qua giao diện người - máy.

PL.10.4.2. Nguyên lý đo

Tương tự như phép đo của băng thử ô tô (CD48”).

Hình PL.17. Sơ đồ tổng quát của băng thử

PL.11. Băng thử thủy lực Didacta

Băng thử Didacta T101D là băng thử động cơ kiểu thủy lực do Italia chế tạo (Hình

PL.8). Thông số kỹ thuật của băng thử như sau:

Số vòng quay cực đại: nb = 6000 v/ph.

Công suất lớn nhất băng đo được: Neb = 80 ml.

-135-

Hình PL.18. Thử nghiệm bền động cơ trên băng thử DIDACTA

PL.12. Tủ phân tích khí thải CEBII

Tủ phân tích khí thải CEBII (Hình PL.9) phân tích thành phần các chất CO, CO2, NO, NOx, HC có trong khí thải động cơ. Mỗi bộ phân tích được chia thành 4 dải đo, tuỳ thuộc vào hàm lượng thực tế các chất có trong khí thải mà bộ phân tích sẽ tự lựa chọn dải đo phù hợp. Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, các bộ phân tích được hiệu chuẩn trước khi đo bởi chất khí hiệu chuẩn ứng với từng dải đo.

- Bộ phân tích CO (CO2) có nhiệm vụ xác định thành phần CO (CO2) bằng phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại. Khi chiếu tia hồng ngoại qua hỗn hợp khí, tia hồng ngoại sẽ bị CO (CO2) trong hỗn hợp hấp thụ và suy yếu đi. Thông qua mức độ suy giảm của tia đo được chúng ta sẽ xác định được hàm lượng CO (CO2) trong hỗn hợp khí mẫu.

Hình PL.19. Tủ phân tích khí thải CEBII

- Bộ phân tích HC xác định thành phần HC bằng phương pháp ion hoá ngọn lửa. Khi khí mẫu được phun vào ngọn lửa hy-đrô, các phân tử HC sẽ cháy và bị i-ôn hoá. Cường độ dòng i-ôn được xác định tỷ lệ với thành phần HC trong mẫu thử.

- Bộ phân tích NOx xác định thành phần NOx bằng phương pháp quang hoá. Mẫu thử đi qua bộ xúc tác nhiệt, tại đây NO2 bị phân huỷ thành NO và O2, sau đó khí mẫu với NO

-136-

được đưa vào bộ phân tích quang hoá. Tại đây thành phần NO sẽ tác dụng với O3 tạo thành NO2 có mức năng lượng cao, tồn tại trong thời gian ngắn, nhẩy về mức năng lượng thấp và phát ra tia bức xạ. Cường độ năng lượng bức xạ đo được sẽ phản ánh thành phần NOxtrong mẫu thử ban đầu.

PL.13. Băng thử tính năng động lực học cao (ETB)

Băng thử động lực cao động cơ (High Dynamic Engine Testbed) (Hình PL.10) với mục đích thực hiện các thử nghiệm phục vụ công tác nghiên cứu và phát triển động cơ được trang bị nhiều thiết bị hiện đại và đồng bộ như một số thiết bị chính sau:

Hình PL.20. Sơ đồ phòng thử động lực cao động cơ ETB

- Phanh điện APA 100. - Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554. - Thiết bị làm mát nước làm mát AVL 553. - Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL 733S. - Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753. - Bộ điều khiển tay ga THA 100.

Phanh điện APA 100 có thể hoạt động được ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Tác dụng tương hỗ giữa lực từ của stato và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc kéo động cơ đốt trong quay. Vỏ stato do được đặt trên hai gối đỡ nên cũng có xu hướng quay theo. Một cảm biến lực (loadcell) giữ vỏ stato ở vị trí cân bằng và xác định giá trị lực tương hỗ này. Thay đổi giá trị của lực này bằng cách thay đổi cường độ dòng điện vào băng thử. Tốc độ quay của băng thử được xác định bằng cảm biến tốc độ kiểu đĩa quang. Công suất lớn nhất của băng thử ở chế độ động cơ điện là 200kW, ở chế độ phanh điện là 220kW trong dải tốc độ từ 2250 đến 4500 v/ph, tốc độ cực đại 8000 v/ph. Băng thử được trang bị các hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả, mô hình hoá như PUMA, EMCON 300, Concerto và ISAC 300, giúp cho quá trình điều khiển được dễ dàng và bảo đảm kết quả thử nghiệm chính xác.

Từ trường tương hỗ giữa rotor và stator tạo ra mô men cản với rotor và cân băng với momen dẫn động từ rotor (rotor là cụm phanh được nối với trục dẫn động từ động cơ). Cường độ từ trường tương hỗ giữa rotor và stator được điều chỉnh để tăng hoặc giảm mô men cản trên trục dẫn động từ động cơ. Khả năng thay đổi mô men phanh thích hợp cho việc điều khiển tự động ở các chế độ thử của động cơ.

-137-

Cụm phanh có chức năng làm việc ở chế độ máy phát (phanh đối với động cơ) và chế độ động cơ (kéo động cơ quay) nên có thể dùng để chạy rà nguội và thí nghiệm động cơ trên cùng một băng thử. Ngoài ra công suất động cơ được hấp thụ và biến đổi thành năng lượng điện trong thiết bị (phanh). Dòng điện này qua bộ biến tần và được đưa ra ngoài.

PL.14. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu

1. Nhiên liệu cấp vào thùng đo; 2. Nhiên liệu tới động cơ; 3. Nhiên liệu hồi từ động cơ; 4. Ống thông hơi; 5. Các ống nối mềm; 6. Thùng đo; 7. Thanh cân; 8. Lò xo lá; 9. Cân bì; 10. Cảm biến lưu lượng; 11. Thiết bị giảm chấn; 12. Van điện từ đường nạp

Hình PL.11thể hiện sơ đồ nguyên lý làm việc của cân nhiên liệu (Fuel balance 733S) sử dụng trong hệ thống thiết bị thử nghiệm. Thiết bị này thực hiện theo nguyên lý đo kiểu khối lượng, có vai trò quan trong quyết định đến độ chính xác lượng nhiên liệu tiêu thụ của đông cơ.

Cân nhiên liệu 733S dùng cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu tiêu thụ cung cấp cho động cơ bằng cách cân lượng nhiên liệu trong bình chứa. Cân nhiên liệu 733S dùng cảm biến đo lưu lượng để xác định lượng tiêu thụ nhiên liệu. Yêu cầu cảm biến phản ứng với tốc độ nhanh, độ nhạy và độ chính xác cao.

Hình PL.21. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S

Bắt đầu quá trình đo nhiên liệu được cấp đầy vào thùng đo 6. Lúc này lực tì lên cảm biến lưu lượng là lớn nhất. Van điện từ 12 đóng lại ngăn không cho dòng nhiên liệu vào thùng đo trong khi đường cấp vào động cơ vẫn mở. Đồng thời với quá trình đó bộ phận đếm thời gian hoạt động. Khi nhiên liệu trong thùng chảy hết đồng nghĩa với lực tỳ lên cảm biến lưu lượng bằng 0 tức là quá trình đo đã kết thúc. Dựa vào các kết quả thu thập được ECU sẽ tính ra lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ.

-138-

PL.15. Kết quả đo chi tiết xéc măng

Bảng PL20. Kích thước và khối lượng xéc măng trước và sau chạy bền

Khe hở (mm)

0,3 0,4 0,25 Khe hở (mm) 0,3 0,4 0,25 Khe hở (mm) 0,3 0,4 0,25 Khe hở (mm) 0,3 0,4 0,25 Trước chạy bền nhiên liệu E10

Sau chạy bền nhiên liệu E10 0,3 0,4 0,25 0,3 0,4 0,25 0,3 0,4 0,25 0,3 0,4 0,25

0,3 0,4 0,25 0,3 0,4 0,25 0,3 0,4 0,25 0,3 0,4 0,25 Trước chạy bền nhiên liệu RON92

-139-

0,3 0,4 0,25 0,3 0,4 0,25 0,3 0,4 0,25 0,3 0,4 0,25 Sau chạy bền nhiên liệu RON92 Xéc măng khí 1 Xéc măng khí 2 Xéc măng dầu Lò xo Xéc măng khí 1 Xéc măng khí 2 Xéc măng dầu Lò xo Xéc măng khí 1 Xéc măng khí 2 Xéc măng dầu Lò xo Xéc măng khí 1 Xéc măng khí 2 Xéc măng dầu Lò xo Khối lượng (gam) 7,7 8,8 2 2,5 7,6 8,7 2 2,5 7,4 8,8 2 2,2 7,4 8,8 2 2,2 Khối lượng (gam) 7,7 8,7 2 2,5 7,6 8,7 2 2,5 7,3 8,7 2 2,2 7,3 8,7 2 2,2 Khối lượng (gam) 7,7 8,7 2 2,5 7,6 8,7 2 2,5 7,3 8,7 2 2,2 7,3 8,7 2 2,2 Khối lượng (gam) 7,7 8,7 2 2,5 7,4 8,7 2 2,5 7,3 8,7 2 2,2 7,3 8,7 2 2,2