TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
227
NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM HAO MÒN ĐỘNG CƠ
CHẠY XĂNG PHA CỒN
A RESEARCH ON THE ATTRITION TEST OF THE INTERNAL COMBUSTION
ENGINE RUNNING ETHANOL GASOLINE MIXTURE
Lê Văn Tụy, Trần Văn Nam, Huỳnh Bá Vang
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Xăng pha cồn đã được nhiều quốc gia áp dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong để
giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên để có thể tổng quát hóa việc áp dụng, động cơ chạy
nhiên liệu xăng pha cồn cần được đánh giá bằng thực nghiệm. Bài báo này so sánh hao mòn
động cơ khi chạy xăng pha cồn và động cơ chạy xăng thị trường có chỉ số Octan tương đương.
Sai lệch về tuổi thọ động cơ khi chạy hai loại nhiên nliệu là không đáng kể nằm trong giới hạn
0,1% sau khi chạy 455giờ mang tải trên băng thử APA.
ABSTRACT
The mixture of gasoline and alcohol E5 was used by many countries as the fuel with low
emission for the Internal Combustion Engine. However, in general application, the engine that
runs on gasoline and alcohol should be assessed by the results of experiments. This paper
shows the comparison of attrition in cylinders between the engine running on gasoline without
alcohol and the engine running on gasoline with alcohol E5, which have the same Octane. The
difference in results of attrition is less than 0.1% after 455 hours of operation on the APA
test bed.
1. Giới thiệu
Xăng - dầu pha cồn là một loại sản phẩm hỗn hợp được pha trộn từ xăng có
nguồn gốc từ dầu mỏ được pha với cồn (ethanol) có nguồn gốc từ các sản phẩm nông
nghiệp như mía đường, ngô, khoai, sắn… Chính vì vậy, các sản phẩm này thường được
gọi sản phẩm sinh học (xăng sinh học). Ý tưởng sử dụng cồn để thay thế cho nhiên liệu
có nguồn gốc từ dầu mỏ đã có từ khá lâu. Ngay từ những năm 20 của thế kỷ trước, cồn
đã được nghiên cứu để làm nhiên liệu cho động cơ ô tô, xe máy. Điển hình cho hướng
đi tiên phong này là Braxin và Mỹ. Tuy nhiên, khi công nghệ hóa dầu ra đời, những sản
phẩm xăng dầu có chất lượng cao đã nhanh chóng đẩy lùi ý tưởng sử dụng cồn làm
nhiên liệu cho động cơ ô tô, xe máy. Song, đến những năm 70 của thế kỷ 20, khi thế
giới bắt đầu có sự khủng hoảng dầu mỏ thì cồn và nhiên liệu sinh học mới thực sự được
khởi động trở lại và đến những năm đầu của thế kỷ 21 đã trở thành một trong những ưu
tiên hàng đầu trong những định hướng chiến lược nghiên cứu về năng lượng của nhiều
quốc gia phát triển trên thế giới mà điển hình là Mỹ, Tây Âu (Đức, Pháp, Na Uy, Thụy
Điển…), Nhật, Thái Lan, Trung Quốc… [5]. Tại Việt Nam xăng pha cồn đã được
nghiên cứu và đưa vào sử dụng thử nghiệm tại Hà Nội và tại một số phòng nghiên cứu ở
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
228
Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng trên một số loại ô tô và xe máy. Kết quả cho thấy
mức tiêu thụ nhiên liệu giảm, công suất động cơ có cải thiện, lượng khí thải độc hại
giảm nhiều, khả năng tăng tốc của xe tốt hơn... [6]. Tuy nhiên, do nhiều đặc tính của
cồn có thể gây ra ăn mòn kim loại hoặc làm hư hại các chi tiết cao su, nhựa có trong
động cơ xe máy nên để có thể có cơ sở khoa học áp dụng rộng rãi xăng pha cồn cần
thiết phải có những nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha cồn đối với độ bền và tuổi thọ
của động cơ. Với mục đích đó, nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Cơ khí Giao thông –
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã hợp tác nghiên cứu đánh giá ảnh
hưởng của việc sử dụng xăng pha cồn đến độ bền động cơ. Công trình đã tiến hành
nghiên cứu thử nghiệm quá trình hao mòn động cơ khi chạy xăng pha cồn E5 (có chỉ số
RON 92 tương đương xăng thị trường có chỉ số Octan 92) trên hệ thống băng thử động
cơ APA đặt tại phòng thí nghiệm Động cơ và Ôtô – thuộc Khoa Cơ khí Giao thông.
2. Nghiên cứu thực nghiệm
Động cơ dùng cho việc nghiên cứu thử nghiệm hao mòn động cơ chạy xăng pha
cồn E5 là 02 động cơ SUZUKI phun xăng điện tử, còn mới 100% với các thông số kỹ
thuật sau:
Bảng 1. Thông số kỹ thuật động cơ thử nghiệm
Loại động cơ
Thử nghiệm
Kiểu động
cơ thử
nghiệm
Hệ thống cung
cấp nhiên liệu
Công suất
Max Nemax
[kW]
Số vòng quay
ở Nemax
[rpm]
02 động cơ
SUZUKI mới
100%
Phun xăng,
4 kỳ, 4 xy
lanh
Phun xăng điều
khiển điện tử 31 5500
Chế độ thử nghiệm được tiến hành theo một qui trình thống nhất cho hai động
cơ mới 100%, cùng kiểu – cùng hãng và cùng kích thước, sử dụng hai loại nhiên liệu
xăng pha cồn có chỉ số RON 92 và xăng thị trường A92 có chỉ số Octan tương đương.
Qui trình thử nghiệm được thực hiện theo chu trình 455 giờ tương đương khoảng
30.000km quãng đường chạy, gồm có hai chế độ chạy máy: chế độ chạy để đo đặc tính
tổng hợp của động cơ (Short-Term Performance Test); và chế độ chạy máy mang tải
nặng trong thời gian lâu dài (Long-Term Performance Test), chế độ này động cơ được
vận hành mang tải từ trung bình đến chế độ đầy tải và vận hành ở tất cả các số vòng
quay từ min đến max của động cơ.
Chỉ tiêu hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn được đánh giá so sánh với động cơ
chạy xăng thị trường theo ba chỉ tiêu đánh giá sau:
- Lượng mòn xy-lanh động cơ và bộ đôi xu-pap (đo bằng máy đo 3D
MITSUTOYO – của Nhật Bản),
- Độ kín khít buồng cháy động cơ (đo bằng hệ thống băng thử APA-204/E8),
- Hàm lượng các hạt mòn kim loại hình thành trong dầu nhờn động cơ (đo bằng
máy phát xạ nguyên tử ICP-AES).
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
229
3. Kết quả và bình luận
Kết quả thử nghiệm được ghi nhận và phân tích đánh giá theo ba chỉ tiêu như sau.
3.1. Đánh giá theo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tổng hợp động cơ
Kết quả diễn biến công suất động cơ xác định ở 95% mức tải và ở số vòng quay
5500[rpm] sau 440 giờ chạy và 15 giờ chạy rà cho thấy: cả hai động cơ sử dụng hai loại
nhiên liệu xăng pha cồn E5 và xăng thị trường đều giảm như nhau theo thời gian chạy
thử nghiệm (Hình 1). Mức độ giảm công suất của động cơ chạy xăng pha cồn E5
khoảng 1,9% so với dùng xăng A92 khoảng 2,2% (chỉ lệch nhau khoảng 0,3% với động
cơ dùng xăng giảm nhiều hơn – do nó có độ ô-van của xy lanh lớn hơn). Như vậy ảnh
hưởng hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn đến chỉ tiêu công suất là không đáng kể so
với động cơ chạy xăng thị trường.
Kết quả đánh giá so sánh diễn biến tiêu hao nhiên liệu động cơ (ở 95% mức tải và ở
số vòng quay 5500 rpm sau 455 giờ chạy của hai động cơ với hai loại nhiên liệu: xăng thị
trường A92 và xăng pha cồn E5 được cho trên bảng 2 và được thể hiện trên Hình 2.
So sánh diễn biến tiêu hao nhiên liệu ở tốc độ 5500[rpm]
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Thời gian tx10 [h]
Tiêu hao nhiên liệu
BH [l/min]
FB_A92
FB_X_E5
Linear (FB_X_E5)
Linear (FB_A92)
Hình 2. So sánh diễn biến tiêu hao nhiên liệu của động cơ
chạy xăng pha cồn E5 và A92 (tải 95% và tốc độ cực đại 5500rpm).
So sánh diễn biến công suất động cơ dùng xăng pha cồn E5 và xăng A92
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Thời gian tx10 [h]
P [kW]
P_A92
P_X_E5
Linear (P_X_E5)
Linear (P_A92)
Hình 1. So sánh diễn biến công suất động cơ chạy xăng pha cồn E5 và A92
(tải 95% và tốc độ cực đại 5500rpm).
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
230
Bảng 2. Mức độ tiêu hao nhiên liệu động cơ ở 5500rpm.
Nhiên liệu thử
nghiệm
Mức tiêu hao ở 5500[rpm]
ban-đầu/sau-thử [kg/h]
Mức độ giảm [%]
tiêu hao nhiên liệu ở
5500rpm
Xăng A92 13,344 / 12,756 - 4,406
Xăng pha cồn E5 13,677 / 13,133 - 3,977
Kết quả cho thấy động cơ chạy xăng pha cồn E5 có mức độ giảm tiêu hao nhiên
liệu (giảm 3,977[%]) thấp hơn chút ít so với dùng xăng A92 (giảm khoảng 4,406%)
chênh lệch khoảng 0,429%; Điều này phản ánh đúng qui luật cân bằng năng lượng của
động cơ còn mới và được điều khiển bằng điện tử; đồng thời khẳng định tính đúng đắn
và tin cậy của dữ liệu thu nhận được qua việc thử nghiệm.
3.2. Đánh giá theo chỉ tiêu về độ kín khít buồng cháy động cơ
Kết quả thử nghiệm việc đo 3D kích thước xy lanh động cơ sau khi thử 455 giờ
khi chạy xăng pha cồn E5 so với xăng A92 cho thấy: chênh lệch về độ mòn xy lanh khi
chạy xăng pha cồn E5 so với xăng A92 trên động cơ SUZUKI là không đáng kể
(khoảng 0,018%
÷
0,064%).
Bảng 3. Mức độ tăng lớn nhất kích thước xy lanh động cơ do hao mòn sau khi
chạy thử nghiệm 455 giờ.
Động cơ với nhiên liệu
thử nghiệm
Mức tăng lớn nhất XL_1
[mm/mm], [% ]
Mức tăng lớn nhất XL_4
[mm/mm], [% ]
SUZUKI_Xăng A92 [0,133/65,379],
[0,203%]
[0,087/65,414], [0,133%]
SUZUKI_Xăng_cồn E5 [0,091/65,436],
[0,139%]
[0,075/65,431], [0,115%]
Bảng 4: So sánh mức độ tăng (+)/giảm (-) độ mòn kích thước xy lanh động cơ khi dùng
xăng pha cồn E5 so với xăng A92 sau khi chạy 455 giờ.
So sánh xăng pha cồn E5/A92 Xăng pha E5/A92 [%] ± [%]
Mức độ tăng kích thước XL_1 0,139 / 0,203 Ít hơn (-) 0,064
Mức độ tăng kích thước XL_4 0,115 / 0,133 Ít hơn (-) 0,018
Kết quả thử nghiệm về độ hao mòn xu-pap động cơ sau khi thử 455 giờ khi chạy xăng
pha cồn E5 so với xăng A92 cho thấy: độ mòn xu-pap khi chạy xăng pha cồn E5 so với
xăng A92 trên động cơ SUZUKI có tăng chút ít: từ 0,003[mm] đến 0,037[mm].
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
231
3.3. Đánh giá theo chỉ tiêu về hàm lượng hạt mòn có trong dầu bôi trơn động cơ
Các kết quả đo đạc về quá trình hao mòn động cơ khi chạy xăng pha cồn E5 và
xăng thị trường A92 ở các phần trên được phản ánh lại một lần nữa qua kết quả xử lý
phân tích chất lượng dầu nhờn và sự hình thành các hạt mài kim loại trong dầu nhờn bôi
trơn động cơ.
Bảng 5. Diễn biến độ nhớt động học trong dầu nhờn cac-ter động cơ
Nhiên liệu thử
nghiệm
Sau chạy rà
[cSt] ở 100oC
Sau 100 giờ
[cSt] ở 100oC
Sau 220 giờ
[cSt] ở 100oC
Sau 370 giờ
[cSt] ở 100oC
Xăng A92 15,45 16,49 16,46 16,24
Xăng pha cồn E5 15,48 16,52 16,30 14,90
Mặc dầu đã được chạy rà khoảng 15 giờ, song vẫn có sự lọt khí xuống cac-te do
các bề mặt làm việc của sec-măng và xy lanh chưa được rà khít nên độ nhớt bị giảm đôi
chút, chỉ còn khoảng 15,5[cSt] (bảng 5). Sau thời gian khoảng 100giờ, các bề mặt đã
được rà kín khít, hạn chế đến mức thấp nhất sự rò khí xuống cac-te động cơ, thì độ nhớt
động học của dầu nhờn của cả hai động cơ dùng hai loại nhiên liệu đều tăng lên khoảng
16,5[cSt] (tăng khoảng 6,7% so với ban đầu khi động cơ còn mới, sau chạy rà). Sau
thời gian 220 giờ, độ nhớt bắt đầu giảm nhẹ về khoảng 16,30 đến 16,46[cSt] do khe hở
giữa sec-măng và xy-lanh bắt đầu tăng đôi chút. Mãi cho đến thời gian sau 370 giờ chạy
máy thì độ nhớt của cả hai động cơ mới thấy giảm rõ ràng hơn; trong đó động cơ dùng
xăng pha cồn E5 có dấu hiệu giảm rõ hơn (còn khoảng 14,90[cSt], giảm khoảng 9,8%;
trong khi đó động cơ dùng xăng A92 vẫn còn duy trì tốt ở giá trị 16,24[cSt], chỉ giảm
khoảng 1,52%).
Diễn biến kích thước XL_4 động cơ chạy xăng A92
65.00
65.10
65.20
65.30
65.40
65.50
65.60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Chiều sâu xy lanh [mm]
Đ
ường kính xy lanh
[mm]
Trước TN
Sau TN
Hình 3. Diễn biến kích thước xy lanh 4 động cơ chạy xăng A92