Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động cơ xăng

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-etanol sử dụng trên động cơ xăng

1. - 1 - MỞ ĐẦU Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng và cấp bách cần giải quyết. Trong khi đó, nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và việc sử dụng nguồn nhiên liệu này làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm trọng. Vì vậy, việc tìm ra nguồn năng lượng thay thế có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và cần thiết. Nghiên cứu, phát triển sản xuất và sử dụng NLSH thu hút sự quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới do lợi ích của loại nhiên liệu này đối với an ninh năng lượng, môi trường và xã hội. Trong các loại NLSH thì etanol là loại có tiềm năng lớn ở Việt Nam nhờ nguồn nguyên liệu phong phú. Chính phủ đã phê duyệt đề án phát triển, sử dụng và lộ trình áp dụng NLSH theo Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/207 và 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012. Nhiên liệu E5 đã được chính thức lưu thông trên thị trường từ năm 2010, tuy nhiên do tác động của nhiều yếu tố nên lượng tiêu thụ E5 còn khiêm tốn. Để nâng cao khả năng thay thế của cồn etanol trong xăng sinh học, cần nghiên cứu và đánh giá khả năng sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5% cho các phương tiện đang lưu hành. Bên cạnh đó, các nghiên cứu này có ý nghĩa 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 Xây dựng phương pháp đánh giá tương thích của động cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học. Đánh giá 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 lớn hơn 5% cho động cơ xăng truyền thống. Đối tượng nghiên cứu là 02 xe ô tô; 02 động cơ ô tô; 02 xe máy. Nghiên cứu lý thuyết đặc tính của động cơ khi sử dụng E10, E15, E20 và E85 trên phần mềm AVL-Boost. Đánh giá tính thương thích của hệ thống cung cấp nhiên liệu với E10, E15, E20. Đánh giá tính
2. - 2 - hiệu quả, kinh tế và phát thải khi sử dụng RON92, E10, E15 và E20. Đánh giá độ bền của động cơ khi sử dụng xăng E10 và RON92. Các nội dung nghiên cứu được thực hiện tại PTN Động cơ đốt trong - Viện CKĐL - ĐHBK Hà Nội. ii. Phương pháp nghiên cứu Ngâm các chi tiết của hệ thống nhiên liệu trong xăng thông thường và xăng sinh học. Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng và thử nghiệm đối chứng trên băng thử nhằm đánh giá tác động của xăng sinh học đến đặc tính cháy, tính kinh tế, kỹ thuật, phát thải, tăng tốc, khởi động lạnh. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá độ bền của động cơ khi sử dụng E10. iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả mô phỏng làm cơ sở cho việc đánh giá các kết quả thực nghiệm và kiến nghị điều chỉnh các thông số của động cơ. Xây dựng các quy trình đánh giá tương thích vật liệu, tính năng kinh tế-kỹ thuật và phát thải cũng như độ bền của động cơ xăng đối với xăng sinh học. Đưa ra các khuyến cáo về khả năng tương thích vật liệu của một số chi tiết với xăng sinh học E10, E15, E20. Đồng thời, 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 lộ trình sử dụng xăng sinh học E10 và cung cấp kiến thức cũng như tư vấn cho người sử dụng phương tiện. 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 [1]. Đây là nguồn nhiên liệu thay thế nhiều tiềm năng, thân thiện với môi trường và có thể tái tạo. Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể tên như sau: Bioetanol, biodiesel, biogas, biohydrogen Trong đó bioetanol (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
3. - 3 - Quốc. 1.2. Nhiên liệu etanol và xăng sinh học 1.2.1. Nhiên liệu etanol Etanol là chất lỏng không màu, mùi thơn dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 150C), sôi ở 0 0 78,39 C, hóa rắn ở - 114,15 C, tan vô hạn trong nước. Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ Công nghệ sản xuất: phương lúa mì và xi-rô đường pháp hydrat hóa etylen, công nghệ lên men, công nghệ sinh học sản xuất etanol từ nguyên liệu xenluloza 1.2.2. Xăng sinh học Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng và etanol theo một tỷ lệ nhất định. Sau khi phối trộn, xăng sinh học có những thay đổi về tính chất: khi tăng 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 [18]. Xăng có ẩn nhiệt hóa hơi khoảng 465,4 KJ/kg; etanol là 839,67 KJ/kg, sự bay hơi của hỗn hợp dẫn tới sự giảm nhiệt độ khí nạp vì vậy, “mật độ khối lượng” xăng sinh học vào động cơ lớn hơn. Hàm lượng etanol thấp sẽ gây ra sự tăng RVP đạt giá trị cực đại khi etanol khoảng 10% thể tích và bắt đầu giảm khi tăng etanol (Hình 1.3). Etanol có trị số octan cao sau khi phối trộn làm tăng số octan nhiên liệu có thể Hình 1.3. Áp suất hơi bão loại bỏ việc sử dụng các phụ gia chống hòa tại 37,80C kích nổ gây ô nhiễm [19]. 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 Ngành NLSH trên thế giới phát triển mãnh mẽ dựa trên 3 động lực là năng lượng tái tạo, hỗ trợ nông nghiệp, và bảo vệ môi trường. 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
4. - 4 - đó, Mỹ, Braxin, 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 Hình 1.5. Sản lượng nhiên liệu sinh thế giới do các lợi ích của học tính đến năm 2017 loại nhiên liệu này đối với an ninh năng lượng, môi trường và xã hội. 1.2.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ở Việt Nam Tính đến tháng 12/2012, đã có 6 nhà máy sản xuất cồn etanol hoạt động, công suất thiết kế khoảng 535 triệu lít etanol/năm. Dự kiến đến năm 2015, cả nước có 13 nhà máy 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. 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 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 Alvydas Pikunas thử nghiệm động cơ 4 xylanh, phun xăng điện tử, tỷ số nén 9,8:1 với E10, chế độ toàn tải [20] cho thấy công suất và suất tiêu hao nhiên liệu đều tăng chút ít. M.Al-Hasan, thử nghiệm với động cơ xăng 4 xylanh, tỷ số nén 9:1, tỷ lệ etanol biến thiên từ 0% ÷ 25%, ở các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000v/ph, bướm ga mở 75% kết quả tính năng kỹ thuật động cơ được cải thiện [21].
5. - 5 - Ioannis Gravalos, nghiên cứu trên động cơ trang bị bộ chế hòa khí cho thấy với xăng E10, E20 và E30 công suất động cơ tăng và suất tiêu hao nhiên liệu giảm so với xăng thông thường [24]. Hầu hết các kết quả đều cho thấy phát thải giảm đáng kể HC, CO, tuy nhiên lượng CO2 có xu hướng tăng và NOx thay đổi tùy từng trường hợp cụ thể [18, 21, 22, 27, 28, 31, 32]. Hình 1.15. Vỏ bơm nhiên liệu Hình 1.17. Lõi bơm nhiên liệu sau sau khi ngâm trong E20 [36, khi ngâm trong E20 [36, 37] Orbital Engine Company, thử nghiệm với các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu với E20 thực hiện tại Australia [36, 37]. Hình 1.18. Màng van Hình 1.19.Van thông khí Kết quả xuất hiện bơm nhiên liệu Lõi bơm cácte sau khi ngâm nhiên liệu sau khi ngâm hiện tượng ăn mòn trong E20 [36, 37] với các chi tiết kim trong E20 [36, 37] loại (Hình 1.15). Các chi tiết bằng đồng đều bị xỉn màu, giảm độ bóng (Hình1.17). 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). 1.2.5. Các nghiên cứu ứng dụng etanol cho động cơ ở Việt Nam Nghiên cứu Đại học Bách Cải thiện(%) khoa Hà Nội [6] và Đại học 40 E5 E10 31,67 Bách khoa Đà Nẵng [7] với E5 30 20 16,94 11,64 và E10 kết quả phản ánh tích 10 11,37 5,03 4,43 6,50 6,24 0 cực tính tương đồng về các chỉ -6,37 -5,41 -10 tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát -14,40 -20 -16,06 -17,21 -21,65 thải cũng như một số kết quả -30 liên quan đến độ bền, tuổi thọ Hình 1.20. So sánh các thông số của động của động cơ. (Hình 1.20). cơ xe máy khi sử dụng E5 và E10 với RON92[8]
6. - 6 - 1.3. Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn Etanol có trị số Octan cao, vì vậy có thể tăng tỷ số nén để nâng cao hiệu suất nhiệt. Ôxy chiếm khoảng 35% làm tăng khả năng cháy kiệt nhiên liệu. Nhiệt ẩn hoá hơi của etanol cao do đó động cơ khó khởi động lạnh. 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 [42]. 1.4. Kết luận chương 1 Việc nâng cao tỷ lệ cồn etanol trong xăng sinh học là xu hướng chung trên thế giới và đã được quan tâm nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu cho thấy 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 và chế độ làm việc. Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, chất lượng phương tiện đang lưu hành ở Việt Nam, để sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol lớn hơn 5%, cần đánh giá một cách toàn diện khả năng tương thích của phương tiện đang lưu hành với nhiên liệu này. Qua đó góp phần thực hiện lộ trình ứng dụng NLSH, đồng thời giúp 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. 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 Động cơ đốt cháy cưỡng bức quá trình cháy chia làm 3 giai đoạn: cháy trễ; cháy nhanh; cháy rớt. Quá trình cháy diễn ra lân cận ĐCT để mômen và công suất động cơ đạt lớn nhất. Màng lửa trong quá trình cháy được hình thành và trải qua các giai đoạn khác nhau. Hình 2.3. Hình dạng bề mặt màng lửa Hình dạng bề mặt màng lửa a) Trường hợp hòa khí có xoáy lốc bình thường phụ thuộc vào mức độ xoáy lốc b) Trường hợp hòa khí có xoáy lốc mạnh của hòa khí. (Hình 2.3).
7. - 7 - 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 và etanol, phương trình cháy của xăng sinh học trong động cơ đốt cháy cưỡng bức 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 etanol trong xăng Hình 2.5. Biến thiên tỷ số nhiên liệu/không khí tương Khi tăng tỷ lệ etanol, tỷ số nhiên đương theo nồng độ cồn liệu/không khí tương đương có xu hướng etanol trong xăng sinh học giảm (Hình 2.5). Nếu với xăng tỷ số này [44] là 1,15 thì khi tăng nồng độ cồn tới khoảng 25%, tỷ số này sẽ xấp xỉ bằng 1 và tốc độ lan tràn màng lửa là lớn nhất [44]. 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 nhiệt động học được dựa trên định luật 1 nhiệt động học: d(m .u) dV dQ dQ dm dm dm dm c -p . F -∑ w - h . BB ∑ i .h ∑ e .h -q .f. ev (2.1) d c d d d BB d d i d e ev dt Biến thiên khối lượng được tính toán. dm dm dm dm dm c i e BB ev (2.2) d  d  d d dt 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 Động cơ đốt cháy cưỡng bức có thể sử dụng mô hình cháy Fractal. Quá trình cháy được tính toán dựa trên phương trình nhiệt động học 1 của mô hình cháy vibe 2 vùng (Vibe Two Zone) [45], [46].
8. - 8 - Nhiệt động học được thể hiện theo các phương trình 2.3 và 2.4: d(m u ) dV dQ dQ dm dm b b p . b F ¦Wb h . b h . BB,b (2.3) d c d d  d u d BB,b d d(m u ) dV dQ dQ dm dm u u p . u F ¦Wu h . B h . BB,u (2.4) d c d d  d u d BB,u d 2.2.3. Lý thuyết tính toán truyền nhiệt 2.2.3.1. Truyền nhiệt trong xylanh: Quá trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua thành buồng cháy: Qwi Ai . w.(Tc Twi ) (2.21) Hệ số truyền nhiệt của mô hình Hohenberg [45], [48]: 0,66 0,8 0,4 0,8 w 130.V .Pc .Tc .(cm 1,4) (2.24) 2.2.3.2. Trao đổi nhiệt tại cửa nạp, cửa thải: Trong AVL-Boost mô hình Zapf [41], 47 sử dụng để tính toán. A . p w m.cp Td (Tu Tw ).e Tw (2.25) 2.2.4. Lý thuyết tính toán hàm lượng phát thải 2.2.4.1. Phát thải CO Tính toán bằng giải phương trình dựa trên các phản ứng [49,50]: CO + OH ⇆ CO2 + H, CO2 + O ⇆ CO + O2 Tốc độ phản ứng hình thành CO được tính toán theo công thức: d[][] CO CO (2.29) RR1 2 1 dt[] CO e 2.2.4.2. Phát thải HC Tốc độ hình thành HC được thể hiện bằng phương trình tổng quát: dHC E / RT b C A e HC gw HC O  (2.32) dt HC HC 2 2.2.4.3. Phát thải NOx Quá trình hình thành của NOx được thể hiện qua sáu phương trình phản ứng theo cơ chế Zeldovich thể hiện Bảng 2.2 [51].
9. - 9 - Bảng 2.2. Chuỗi phản ứng hình thành NOx. Phản ứng thuận Phản ứng nghịch TT Phản ứng A E A E B (–) B (–) (cm3/mol s) (kcal/mol K) (cm3/mol s) (kcal/mol K) 13 13 1 N2 + O ↔ NO + N 4.93 x 10 0.0472 - 75.59 1.6 x 10 0 0 8 7 2 O2 + N ↔ NO + O 1.48 x 10 1.5 - 5.68 1.25 x 10 1612 - 37.69 3 OH + N ↔ NO + H 4.22 x 1013 0 0 6.76 x 1014 - 0.212 - 49.34 13 8 4 N2O + O ↔ NO + NO 4.58 x 10 0 - 24.1 7.39 x 10 0.89 - 58.93 10 13 5 O2 + N2 ↔ N2O + O 2.25 x 10 0.825 - 102.5 3.82 x 10 0 - 24.1 7 13 6 OH + N2 ↔ N2O + H 9.14 x 10 1.148 - 71.9 2.95 x 10 0 - 10.8 Hằng số cân bằng của các phản ứng được tính theo công thức: B k AT exp E/T (2.37) 2.2.5. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu xăng và etanol E100 Đối với nhiên liệu etanol, đặc tính nhiệt động học được tính toán dựa trên các hàm đa thức: = + + + + (2.40) = + + + + + (2.41) = + + + + + (2.42) 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 cơ sở các tiêu chuẩn SAEJ 1747[52], SAEJ 1748[53] và SAE 2005-10-3710 và nghiên cứu Viện công nghệ Kingmonkut, Thái Lan [54]. Xây dựng một phương pháp đánh giá tương thích vật liệu phù hợp. 2.3.1.2. Xây dựng quy trình thử nghiệm tương thích vật liệu - Các chi tiết được chọn lọc và cắt được ngâm - Ngâm: RON92, E10, E15, E20, 2000 giờ, nhiệt độ 450C±20C - Nhiên liệu được thay hàng tuần - Thời gian ngâm 2000h với các chu kỳ 1, 3, 6, 12 tuần - Chi tiết cao su và nhựa, nhiên liệu thay hàng ngày trong ba ngày đầu, sau đó thay hàng tuần - Chi tiết kim loại nhiên liệu thay theo chu kỳ 1, 3, 6 và 12 tuần.
10. - 10 - Trước, trong và sau khi ngâm được đánh giá theo phương pháp: Ngoại quan (1), khối lượng (2), kích thước (3), độ cứng (4), chụp ảnh (5), được đo đạc và đánh giá tại các thời điểm 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 Đánh giá theo phương pháp đối chứng: ôtô chạy với nhiên liệu RON92, E10, E15 và E20 theo đặc tính tốc độ ở các vị trí tay số xác định và ở 100% tải; đánh giá khả năng khởi động lạnh và khởi động nóng; đánh giá phát thải theo chu trình thử ECE 15-05 với ô tô. 2.3.3. Phương pháp đánh giá độ bền và tuổi thọ động cơ 2.3.3.1. Phương pháp đánh giá Hình 2.16. Sơ đồ quy trình thử ảnh hưởng của xăng sinh học nghiệm bền của động cơ xăng xe máy E10 đến độ bền và tuổi thọ của động cơ xăng xe máy Đánh giá đối chứng hai xe máy với RON92 và E10. Tổng quãng đường quy đổi vào khoảng 20.000 km, gồm 5500 km trên đường và 200h chạy trên băng thử. Sơ đồ quy trình Hình 2.16. Hao mòn của các chi tiết được thực hiện thông qua việc đo đạc các kích thước của động Hình 2.20. Sơ đồ quy trình thử cơ như xilanh, piston, xéc măng. nghiệm bền của động cơ xăng ô tô
11. - 11 - 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 Đánh giá đối chứng với RON92 và E10, 300h trên băng thử, áp suất có ích trung bình BMEP = 5,65bar, 3000 v/ph. Tương đương 80km/h. Tổng quãng đường quy đổi 24.000 km. Sơ đồ quy trình Hình 2.20. Đánh giá hao mòn của được thực hiện tương tự xe máy. 2.4. Kết luận chương 2 Mô hình cháy Fractal cùng với các mô hình khác như mô hình hỗn hợp nhiên liệu, truyền nhiệt, tính toán hàm lượng phát thải được sử dụng trong nghiên cứu này. Phương pháp đánh giá tương thích vật liệu được xây dựng phù hợp với điều kiện Việt Nam trên cơ sở các khuyến nghị SAEJ 1747, SAEJ 1748 và SAE 2005-10-3710. Đánh giá tính năng động cơ theo phương pháp đối chứng khi sử dụng RON92 và xăng sinh học ở các tay số và theo chu trình thử khí thải tiêu chuẩn. Đánh giá độ bền và tuổi thọ động cơ theo phương pháp đối chứng RON92 và E10, chạy bền xe máy tương đương 20.000km, chạy bền động cơ ô tô 300giờ trên băng thử. 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 E10, E15, E20 và E85 thông qua mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm AVL Boost. 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 3.2.1. Giới thiệu về phần mềm AVL Boost AVL Boost là một công cụ mô phỏng chu trình công tác và quá trình trao đổi khí của động cơ. [45]. 3.2.2. Xây dựng mô hình và các thông số nhập cho mô hình Mô hình động cơ xe máy, ô tô được xây dựng Hình 3.1. 3.2.3. Các bước nghiên cứu trên mô phỏng Mô phỏng đặc tính ngoài ở các chế độ: lượng nhiên liệu cho một chu trình không đổi, hệ số lambda không đổi, công suất không đổi.
12. - 12 - 3 2 4 5 7 1 6 Hình 3.1. Mô hình mô phỏng động cơ xe máy và động cơ ô tô 3.3. Kết quả tính toán mô phỏng 3.3.1. Đánh giá độ chính xác của mô hình Hình 3.2 so sánh công suất xe máy mô phỏng và thực nghiệm, sai lệch lớn nhất là 3,39%. Đối với động cơ ô tô sai lệch công suất Hình 3.2. So sánh kết quả tính toán mô phỏng lớn nhất là 8,9% (ở với kết quả thực nghiệm về công suất động cơ 2800 vg/ph với E10), xe máy với hai loại nhiên liệu xăng (E0) và sai lệch trung bình xăng pha cồn E10 RON92 là 4,6% và E10 là 6,5%. Như vậy, việc tính toán bằng mô phỏng có sai số dưới 10% đáp ứng đủ độ tin cậy cần thiết để tiến hành tính toán trên phạm vi rộng hơn sau này. 3.3.2. Động cơ xe máy Thời gian cháy trễ giảm khi tăng tỉ lệ etanol trong khi thời gian cháy nhanh tăng lên. Hình 3.6 đã cho thấy được độ giảm công suất ở 3 dải tốc độ 3000, 5000, 7500 v/ph so với khi chạy xăng RON92. Vì công suất giảm nên suất Hình 3.6. Độ giảm công suất trung bình khi sử dụng E5, E10, E20, E85 (so với tiêu thụ nhiên liệu sẽ tăng E0) lên. Khi tăng tỉ lệ etanol thì nồng độ CO, HC giảm và NOx tăng. Tuy nhiên, NOx giảm với E85 do nhiệt trị thấp của E85 thấp hơn rất nhiều so với các nhiên liệu khác.
13. - 13 - 3.3.3. Động cơ ô tô xe Lanos - Trường hợp giữ nguyên lượng nhiên liệu cấp Hình 3.11 biểu diễn sự thay đổi công suất khi sử dụng xăng sinh học. Cụ thể công suất trung bình giảm khoảng 1,75%; 4,06%; 9,13% và 38,71% khi sử dụng E5, E10, E20, E85. Để giữ nguyên công suất cần bổ sung thêm nhiên liệu tương ứng lần lượt là 1,67%; 3,67%; 7,51% và Hình 3.11. Sự thay đổi công 30,29%. CO và HC đều giảm, trong suất động cơ so với khi sử dụng khi đó NOx tăng. Độ giảm trung bình xăng của CO khi sử dụng E5, E10, E20, E85 lần lượt là 59,48%; 62,99%; 66,89%; 86,08%; 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%. - Trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda Như thể hiện ở Hình 3.17, công suất chỉ tăng khoảng 2% khi chạy ở tốc độ cao (3600 vòng/phút) và lambda lớn hơn 1 một chút (1,02). Ở các chế độ tốc độ còn lại, với lambda nhỏ hơn 1 thì công suất giảm đi, nhiều nhất là khi sử dụng E85 (giảm 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 Hình 3.17. Mức độ thay đổi công suất động cơ so với khi vùng lambda lớn hơn 1. Khi sử dụng chạyRON, giữ nguyên lambda nhiên liệu xăng pha cồn, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng lên, càng tăng tỷ lệ cồn suất tiêu thụ nhiên liệu càng tăng. Tính trung bình, khi tỷ lệ cồn 20% thì suất tiêu thụ nhiên liệu tăng khoảng 6,71%, nhưng khi sử dụng E85 thì suất tiêu thụ nhiên liệu có thể tăng trên 40%. Hình 3.19 thể hiện mức độ thay đổi các thành phần phát thải (CO, HC, NOx) so với khi chạy RON92 khi giữ nguyên lambda. Với xăng sinh học, phát thải CO giảm mạnh, NOx tăng (riêng E85 giảm tương tự xe máy). Riêng thành phần HC, kết quả mô phỏng khi sử
14. - 14 - dụng xăng sinh học và giữ lambda không đổi lại cho thấy thành phần HC đối với E10 giảm nhưng đối với E15, E20 thì tăng lên. Hình 3.19. Mức độ thay đổi các thành phần phát thải so với khi chạy RON92, giữ nguyên lambda 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 Khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu có tỷ lệ etanol lớn cần cải tiến và điều chỉnh các chi tiết, bộ phận và thông số sau: gic-lơ chính của bộ chế hòa khí, hệ thống tăng tốc, hệ thống không tải, vị trí phao xăng, bướm gió, van hằng nhiệt, gia nhiệt cho nhiên liệu, thời điểm đánh lửa, sấy nóng khí nạp, hệ thống khởi động lạnh, tỷ số nén. Kết quả mô phỏng thể hiện ở Hình 3.20 cho thấy lượng nhiên liệu cần bổ sung khi sử dụng 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- 80 70 3000 vòng/phút 5000 vòng/phút 60 lơ nhằm cung cấp đủ lượng nhiên 7500 vòng/phút liệu yêu cầu. 50 Trung bình 40 Độ tăng kích thước gic-lơ của 30 20 động cơ xe máy khi sử dụng E10, 10 Độ tăng nhiên liệu cung cấp (%) cấp cung liệu nhiên tăng Độ 0 E15 và E20 không đáng kể, lần lượt E10 E15 E20 E85 là 0,79%; 1,31% và 1,77%. Tuy Nhiên liệu thử nghiệm nhiên, nếu hàm lượng etanol lớn Hình 3.20. Tỷ lệ lượng nhiên hơn 20% cần phải xem xét để có liệu cần bổ sung để công suất biện pháp hỗ trợ tăng lượng nhiên động cơ không đổi liệu cung cấp cho động cơ. Đối với ô tô sử dụng bộ chế hòa khí, theo kết quả mô phỏng khi chuyển sang sử dụng 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 xe máy, bộ chế hòa khí của ô tô không cần phải
15. - 15 - điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp đối với E10 và E20. 3.4.2. Giải pháp cải tiến động cơ ô tô phun xăng điện tử 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. 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 khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol lớn. Với xăng sinh học, công suất giảm và suất tiêu hao nhiên liệu tăng. Muốn giữ nguyên công suất không đổi, cần phải điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu. Phát thải NOx tăng lên, CO và HC giảm xuống khi sử dụng xăng sinh học E5, E10 và E20. Tuy nhiên nêu 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 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 khi 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, không tải, vị trí phao xăng - Điều chỉnh thời điểm đánh lửa - Sấy nóng khí nạp 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
16. - 16 - các chi tiết trong hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng ô tô và xe máy, đến 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 Xăng RON92 trên thị trường cung cấp bởi Petrolimex; 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% . 4.3. Nghiên cứu đánh giá khả năng tương thích vật liệu 4.3.1. Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm Thiết bị sấy Binder, chai thủy tinh, cân điện tử, thước cặp, máy ảnh kỹ thuật số Canon iXY 30S, máy chụp hiển vi điện tử. Hệ thống nhiên liệu của xe máy Honda, ôtô dùng chế hòa khí; ôtô dùng phun điện tử. 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 Bảng 4.3. Hình ảnh chụp giclơ nhiên liệu chính trước và sau 2000h ngâm Hình ảnh chụp Hình ảnh chụp sau Hình ảnh chụp Hình ảnh chụp trước khi ngâm 2000h ngâm trước khi ngâm sau 2000h ngâm RON92 E10 E15 E20 Sự thay đổi về độ bóng của bề mặt lỗ rõ ràng hơn đối với các chi tiết ngâm trong E10, E15 và E20 so với ngâm trong RON92. 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 ngâm trong RON92. Các vết rỗ này là do quá trình ăn mòn ôxy hóa của nhiên liệu đối với bề mặt chi tiết.
17. - 17 - 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 Hình ảnh chụp sau Hình ảnh chụp Hình ảnh chụp sau trước khi ngâm 2000h ngâm trước khi ngâm 2000h ngâm RON92 E10 4.3.2.2. Sự thay đổi của vít điều chỉnh hỗn hợp không tải và vít xả xăng 4.3.2.3. Thay đổi của kim 3 cạnh 4.3.2.4. Sự thay đổi của chi tiết lọc tinh nhiên liệu 4.3.2.5. Sự thay đổi màu của vỏ nhựa lọc tinh 4.3.2.6. Ảnh hưởng của nhiên liệu tới kích thước các chi tiết 4.3.2.7. Ảnh hưởng của nhiên liệu tới khối lượng các chi tiết Khối lượng của các chi tiết kim loại 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, 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 Hàm lượng kim loại và hàm lượng nhựa trong các mẫu RON92, E10, E15 và E20 trước và sau ngâm chi tiết kim loại thay đổi không đáng kể, trong khi hàm lượng nhựa với nhiên liệu ngâm các chi tiết phi kim 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. 4.3.3. Kết quả đánh giá khả năng tương thích vật liệu đối với hệ thống nhiên liệu động cơ ô tô Kết quả có xu hướng tương tự như đối với các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu xe máy 4.4. Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử
18. - 18 - 4.4.1. Phương pháp đánh giá tính năng và độ bền 4.4.2. Trang thiết bị và đối tượng thử nghiệm 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 Các chi tiết chính khi chạy với E10 sau khi thử bền 20.000 km đều có thay đổi kích thước lớn hơn chút ít so với RON92: đường kính xilanh tăng lớn nhất 0,562% với E10 và 0,541% với RON92; với piston tương ứng là 0,095% và 0,075%. b) Công suất, tiêu thụ nhiên liệu và áp suất nén trước và sau chạy thử nghiệm bền Hình 4.16. Công suất xe máy ở tay số III và tay số IV trước và sau chạy bền 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% có cao hơn. 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 3,44% phù hợp với kết quả đánh giá mòn. Suất tiêu thụ nhiên liệu có xu hướng biến thiên phù hợp với xu hướng công suất. - Kết quả đánh giá áp suất nén của động cơ Áp suất nén đo sau khi chạy bền của động cơ xe chạy bằng E10 thấp hơn so với động cơ xe chạy bằng xăng RON92 nhưng độ chênh lệch là không đáng kể (1- 2%). c) Kết quả phát thải theo chu trình thử tiêu chuẩn ECE R40 trước và sau thử nghiệm bền 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 RON92 và xăng sinh học E10
19. - 19 - Thành Chạy RON92 Chạy E10 phần Trước chạy Sau chạy bền Trước chạy bền Sau chạy bền (g/km) bền HC 3,452 3,558 3,389 3,52 NOx 0,284 0,275 0,25 0,24 CO 19,036 19,73 17,43 18,13 CO2 18,9 20,0 23,0 25,1 Sau chạy bền 20.000km, mức thay đổi các thành phần phát thải là tương đương, với E10 lớn hơn chút ít so với RON92. d) Kết quả phân tích dầu bôi trơn trước, giữa và sau thử nghiệm bền Mức độ thay đổi tính chất dầu bôi trơn khi sử dụng RON92 và E10 khác nhau không nhiều. 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 và tiêu thụ nhiên liệu 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. Suất tiêu thụ nhiên liệu sử dụng E10, E15, E20 lớn hơn so với trường hợp sử dụng xăng RON92. Hình 4.20. Mức độ cải thiện công Hình 4.22. Suất tiêu thụ nhiên liệu suất xe Lanos tại tay số IV so với xe Lanos tại tay số IV RON92 b) Tăng tốc và khởi động Xe chạy với nhiên liệu E10 có khả năng tăng tốc tốt nhất, nhiên
20. - 20 - liệu E15 cho khả năng tăng tốc kém hơn nhưng vẫn cao hơn nhiều so với nhiên liệu RON92 và nhiên liệu E20. c) Phát thải Phát thải CO, HC được cải thiện đối với nhiên liệu E10, tuy nhiên phát thải NOx và CO2 tăng. Với E15 và E20, CO vẫn giảm nhưng HC có xu hướng tăng lên, trong khi NOx giảm xuống. Suất tiêu hao nhiên liệu thay đổi ít với các loại nhiên liệu. Kết quả thử nghiệm xe Toyota Corrola a) Công suất và tiêu thụ nhiên liệu Hình 4.24. Mức độ cải thiện công Hình 4.25. Suất tiêu thụ nhiên liệu suất xe Corrola tại tay số IV so với xe Corrola tại tay số IV RON92 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%. 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 b) Phát thải Xe sử dụng bộ chế hòa khí, ưu việt thể hiện rất rõ 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 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. 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.
21. - 21 - 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 khi sử dụng RON92 và E10 là nhỏ và khá tương đồng, trong đó với E10 tốc độ mòn nhanh hơn khoảng 20%. Hình 4.28. Thay đổi kích thước xilanh Kết quả tương tự với các trước và sau chạy bền tại vị trí của xéc chi tiết xéc măng, trục khuỷu. măng hơi thứ nhất b) Kết quả đánh giá công suất, tiêu thụ nhiên liệu và áp suất nén trước và sau chạy bền Hình 4.32. Mômen và công suất Hình 4.34. Mômen và công suất động cơ chạy RON92 trước chạy động cơ chạy nhiên liệu E10 trước bền (TCB) và sau chạy bền (SCB) chạy bền và sau chạy bền 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 hao nhiên liệu của RON92 là 7,5% và của E10 là 8,18%. 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% trong khi của E10 là 3,34% phù hợp với kết quả đo mòn nhóm chi tiết piston - xilanh - xéc măng. c) Phân tích dầu bôi trơn trước và sau chạy bền 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. Hàm lượng của đồng và chì của động cơ E10 vẫn nhỏ hơn rất nhiều
22. - 22 - giới hạn cho phép ([60 mg/kg] đồng; [40 mg/kg] chì) 4.5. So sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm với mô phỏng 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%, phản ánh đúng thực tế là các mô hình mô phỏng 1 chiều động cơ sử dụng nhiều giả thiết đơn giản hóa. Có thể khẳng định rằng mô hình do luận án phát triển là phù hợp, đảm bảo độ tin cậy của các dữ liệu sử dụng trong luận án. 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.
23. - 23 - 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. 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
24. - 24 - 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. 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.