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

-1MỞ ĐẦU Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là hai vấn đề quan trọng v ấp bách cần giải quyết. Trong khi đó, nguồn năng lượng hóa thạ h đang ngày càng cạn kiệt và việc sử dụng nguồn nhiên liệu này l m ho 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 n y đối với an ninh năng lượng, môi trường và xã hội. Trong á loại S th etanol l loại ó tiềm năng lớn ở Việt am nhờ nguồn nguy n liệu phong ph Ch nh phủ đã phê uyệt đề án phát triển, sử dụng và lộ trình áp dụng NLSH theo Quyết định số Q -TTg ng y và Q -TTg ng y 22/11/2012. Nhiên liệu E đã đượ chính thứ lưu thông tr n thị trường t năm , tuy nhi n o tá động ủa nhiều yếu tố nên lượng tiêu thụ E n khi m tốn ể nâng cao khả năng thay thế của cồn etanol trong xăng sinh học, cần nghiên cứu v đánh giá khả năng sử dụng xăng sinh học ó t lệ etanol E lớn h n ho á phư ng tiện đang lưu h nh. Bên cạnh đó, á nghi n ứu này có ý ngh a trong việ đón trướ lộ tr nh sử ụng th điểm v đại tr xăng sinh họ , đ iệt l xăng E tr n thị trường ề 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 á y u ầu tr n ủa thực tiễn. i. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Xây ựng phư ng pháp đánh giá tư ng th h ủa động xăng truyền thống khi sử ụng xăng sinh họ . ánh giá ảnh hưởng của xăng sinh họ đến t nh năng v phát thải động xăng truyền thống. ánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh họ đến độ bền, tuổi thọ của động . ưa ra định hướng về m t kỹ thuật, đề xuất giải pháp cải tiến v điều chỉnh động ; v đưa ra khuyến cáo cần thiết khi sử dụng xăng sinh học có t lệ etanol lớn h n ho động xăng truyền thống. ối tượng nghiên cứu là xe ô tô; động ô tô; 02 xe máy. Nghiên ứu l thuyết đ t nh ủa động khi sử ụng E , E , E v E tr n phần mềm V -Boost. ánh giá t nh thư ng th h của hệ thống cung cấp nhiên liệu với E10, E15, E20. ánh giá t nh -2hiệu quả, kinh tế và phát thải khi sử dụng RON92, E10, E15 và E20. ánh giá độ bền của động khi sử dụng xăng E v RO 9 Các nội dung nghiên cứu được thực hiện tại PT ộng đốt trong - Viện CK BK ội. ii. Phƣơng pháp nghiên cứu Ngâm á hi tiết ủa hệ thống nhi n liệu trong xăng thông thường v xăng sinh họ ghi n ứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng v thử nghiệm đối hứng tr n ăng thử nhằm đánh giá tá động ủa xăng sinh họ đến đ t nh háy, t nh kinh tế, kỹ thuật, phát thải, tăng tố , khởi động lạnh Thử nghiệm trong ph ng th nghiệm nhằm đánh giá độ ền ủa động khi sử ụng E iii. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả mô phỏng l m sở ho việ đánh giá á kết quả thự nghiệm v kiến nghị điều hỉnh á thông số ủa động . X y ựng á quy tr nh đánh giá tư ng th h vật liệu, t nh năng kinh tế-kỹ thuật v phát thải ũng như độ ền ủa động xăng đối với xăng sinh họ ưa ra á khuyến áo về khả năng tư ng th h vật liệu ủa một số hi tiết với xăng sinh họ E10, E15, E20. ồng thời, đưa ra á nhận định ũng như giải pháp kỹ thuật đối với động nhằm đáp ứng việ sử ụng xăng sinh họ ó t lệ etanol E ao h n tr n động xăng xe máy v ô tô uận án góp phần tư vấn ho á quan hứ năng trong việ thự hiện lộ tr nh sử ụng xăng sinh họ E v ung ấp kiến thứ ũng như tư vấn ho người sử ụng phư ng tiện CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh họ ( S ) (Biofuels) l loại nhi n liệu đượ h nh th nh t á hợp hất ó nguồn gố động thự vật [ ] yl nguồn nhi n liệu thay thế nhiều tiềm năng, th n thiện với môi trường và ó thể tái tạo. Các loại nhiên liệu sinh họ thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể t n như sau: Bioetanol, biodiesel, biogas, iohy rogen… Trong đó ioetanol (gọi tắt l etanol) được sản xuất và sử dụng rỗng rãi ở Mỹ, Brazil v á nướ đang phát triển như Thái an v Trung -3Quốc. 1.2. Nhiên liệu etanol và xăng sinh học 1.2.1. Nhiên liệu etanol Etanol l hất lỏng không m u, mùi th n ễ hịu, vị ay, nhẹ h n nướ (khối lượng ri ng 0 , 9 6 g ml ở C), sôi ở 78,390C, hóa rắn ở - 114,150C, tan vô hạn trong nướ Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ Công nghệ sản xuất: phư ng lúa mì và xi-rô đường pháp hydrat hóa etylen, công nghệ l n men, ông nghệ sinh họ sản xuất etanol t nguy n liệu xenluloza 1.2.2. Xăng sinh học Xăng sinh họ l hỗn hợp giữa xăng và etanol theo một t lệ nhất định Sau khi phối trộn, xăng sinh họ ó những thay đổi về t nh hất: khi tăng etanol th áp suất h i ảo h a (RVP) tăng, đạt giá trị lớn nhất ở E v sau đó giảm, trị số o tan tăng, nhiệt trị ủa nhi n liệu giảm [18]. Xăng ó ẩn nhiệt hóa h i khoảng 46 ,4 KJ/kg; etanol là 839,67 KJ/kg, sự ay h i ủa hỗn hợp ẫn tới sự giảm nhiệt độ kh nạp vì vậy, “mật độ khối lượng” xăng sinh họ v o động lớn h n H m lượng etanol thấp sẽ g y ra sự tăng RVP đạt giá trị ự đại khi etanol khoảng thể t h v ắt đầu giảm khi tăng etanol (Hình 1.3). Etanol ó trị số o tan cao sau khi phối trộn l m tăng số o tan nhiên liệu ó thể Hình 1.3. Áp suất hơi bão hòa tại 37,80C loại ỏ việ sử ụng á phụ gia hống k h nổ g y ô nhiễm [ 9] 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 tr n thế giới phát triển mãnh mẽ ựa tr n động lự là năng lượng tái tạo, hỗ trợ nông nghiệp, v ảo vệ môi trường Cá thống k khá nhau ho thấy, sản lượng etanol đến năm đã đạt xấp xỉ t l t, tăng gần gấp đôi trong v ng năm qua Trong -4đó, Mỹ, Braxin, EU hiếm sản lượng to n ầu OECD v F O ũng đưa ra ự áo, đến năm sản lượng etanol toàn ầu sẽ tăng l n đến t lt Việ nghi n ứu, phát triển sản xuất v sử ụng S thu h t sự quan t m rất lớn ủa á quố gia tr n nh 5. Sản lượng nhiên liệu sinh thế giới o á lợi h ủa học tính đến năm 2017 loại nhi n liệu n y đối với an ninh năng lượng, môi trường v xã hội 1.2.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ở Việt Nam T nh đến tháng , đã ó 6 nh máy sản xuất ồn etanol hoạt động, ông suất thiết kế khoảng triệu l t etanol năm Dự kiến đến năm , ả nướ ó nh máy với tổng ông suất thiết kế đạt khoảng , triệu l t đủ để phối trộn , triệu tấn xăng E v nhu ầu sử ụng sắn đạt , triệu tấn sắn lát khô g y , Thủ tướng Ch nh phủ đã k quyết định Q -TTg ph uyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” [ ] ề án x y ựng mụ ti u phát triển nhi n liệu sinh họ theo t ng giai đoạn, ao gồm á vấn đề về hế h nh sá h, quy hoạ h vùng nguy n liệu, đ o tạo nguồn nh n lự , nghi n ứu l m hủ ông nghệ hế iến phối trộn xăng sinh họ Theo đó, đến năm sản lượng etanol v ầu thự vật đạt ngh n tấn (pha đượ triệu tấn E , B ), đáp ứng nhu ầu xăng ầu ủa ả nướ ; v đến năm sản lượng n y đạt , triệu tấn, đáp ứng khoảng nhu cầu xăng ầu ủa ả nướ 1.2.4. Các nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học cho đ ng cơ trên th gi i Alvydas Pikunas thử nghiệm động 4 xylanh, phun xăng điện tử, t số nén 9, : với E10, hế độ to n tải [ ] ho thấy ông suất v suất ti u hao nhi n liệu đều tăng h t t. M.Al-Hasan, thử nghiệm với động xăng 4 xylanh, t số nén 9:1, t lệ etanol iến thi n t ÷ , ở á tố độ , , 3000, 4000v/ph, ướm ga mở kết quả t nh năng kỹ thuật động đượ ải thiện [ ]. -5Ioannis Gravalos, nghi n ứu tr n động trang ị ộ hế h a kh ho thấy với xăng E , E v E ông suất động tăng v suất ti u hao nhi n liệu giảm so với xăng thông thường [ 4] ầu hết á kết quả đều ho thấy phát thải giảm đáng kể C, CO, tuy nhi n lượng CO2 ó xu hướng tăng v Ox thay đổi tùy t ng trường hợp ụ thể [18, 21, 22, 27, 28, 31, 32]. Hình 1.15. Vỏ bơm nhiên liệu sau khi ngâm trong E20 [36, 37] Orbital Engine Hình 1.17. Lõi bơm nhiên liệu sau khi ngâm trong E20 [36, 37] Company, thử nghiệm với á hi tiết trong hệ thống nhi n liệu với E20 thự 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 m n trong E20 [36, 37] trong E20 [36, 37] với á hi tiết kim loại ( nh 5) Cá hi tiết ằng đồng đều ị xỉn m u, giảm độ bóng (Hình1.17). Cá hi tiết phi kim ó những thay đổi đáng kể sau khi ng m trong E : á m ng ao su ị đổi m u, iến ạng ( nh 18), các ống ao su trư ng nở v tá h ra khỏi ống nối ( nh 19). 1.2.5. Các nghiên cứu ứng dụng etanol cho đ ng cơ ở Việt Nam ghi n ứu ại họ Bá h khoa ội [6] v ại họ Bá h khoa ẵng [7] với E5 và E10 kết quả phản ánh t h ự t nh tư ng đồng về á hỉ ti u kinh tế, kỹ thuật v phát thải ũng như một số kết quả li n quan đến độ ền, tuổi thọ Hình 1.20. So sánh các thông số của động ủa động (Hình 1.20). cơ xe máy khi sử dụng E5 và E10 với Cải thiện(%) 40 E5 E10 31,67 30 16,94 20 11,64 10 5,03 6,50 11,37 4,43 6,24 0 -6,37 -10 -20 -5,41 -14,40 -16,06 -17,21 -21,65 -30 RON92[8] -61.3. Vấn đề sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol l n Etanol ó trị số Octan ao, v vậy ó thể tăng t số nén để n ng ao hiệu suất nhiệt Ôxy hiếm khoảng l m tăng khả năng cháy kiệt nhi n liệu. Nhiệt ẩn hoá h i ủa etanol cao o đó động khó khởi động lạnh. Etanol ó hứa h m lượng lớn ôxy n n ó khả năng ôxy hóa ao, l m ho một số hi tiết kim loại ị ăn m n, hi tiết phi kim ị lão hóa nhanh [4 ]. 1.4. K t luận chƣơng 1 Việ n ng ao t lệ ồn etanol trong xăng sinh họ l xu hướng hung tr n thế giới v đã đượ quan t m nghi n ứu Kết quả nghi n ứu ho thấy mứ độ ảnh hưởng ủa xăng sinh họ tới động phụ thuộ nhiều v o kết ấu, kiểu loại động , vật liệu hế tạo v hế độ l m việ . Trong điều kiện kh hậu nóng ẩm, hất lượng phư ng tiện đang lưu h nh ở Việt am, để sử ụng xăng sinh họ ó t lệ ồn etanol lớn h n , ần đánh giá một á h to n iện khả năng tư ng th h ủa phư ng tiện đang lưu h nh với nhi n liệu n y. Qua đó góp phần thực hiện lộ trình ứng dụng S , 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 phư ng tiện khi sử dụng xăng sinh học có t lệ etanol lớn. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ Ý THU ẾT T NH TO N V PHƢƠNG PH P Đ NH GI TƢƠNG TH CH CỦA Đ NG CƠ X NG TRUYỀN THỐNG KHI SỬ DỤNG X NG SINH H C 2.1. Quá trình cháy trong đ ng cơ đốt cháy cƣỡng bức 2.1.1. Quá trình cháy trong đ ng cơ đốt cháy cƣỡng bức ộng đốt háy ưỡng ứ quá tr nh háy hia l m giai đoạn: háy trễ; cháy nhanh; cháy rớt Quá trình cháy iễn ra l n ận CT để mômen v ông suất động đạt lớn nhất M ng lửa trong quá tr nh háy đượ h nh th nh v trải qua á giai đoạn khác nhau. Hình 2.3. Hình dạng bề mặt màng lửa nh ạng ề m t m ng lửa a) Trường hợp hòa khí có xoáy lốc bình thường b) Trường hợp hòa khí có xoáy lốc mạnh phụ thuộ v o mứ độ xoáy lố ủa h a kh ( nh ) -72.1.2. Đặc điểm quá trình cháy trong đ ng cơ đốt cháy cƣỡng bức sử dụng xăng sinh học Xăng sinh họ l hỗn hợp giữa xăng và etanol, phư ng tr nh háy ủa xăng sinh họ trong động đốt háy ưỡng ứ đượ iễn tả như sau [43]: (1-XE)CnHm+(XE)C2H5OH+a(O2+3,76N2) →bCO2+dH2O+eN2+fO2+gCO+hH2+iH +jO+kOH+lNO - a, , , e, f, g, h, i, j, k, l: á hệ số Hình 2.5. Biến thiên tỷ số - XE: t lệ etanol trong xăng nhiên liệu/không khí tương Khi tăng t lệ etanol, t số nhi n đương theo nồng độ cồn liệu không kh tư ng đư ng ó xu hướng etanol trong xăng sinh học giảm ( nh ) ếu với xăng t số n y [44] l , th khi tăng nồng độ ồn tới khoảng , t số n y sẽ xấp xỉ ằng v tố độ lan tr n m ng lửa l lớn nhất [44]. 2.2. Cơ sở l thuy t tính toán chu trình c ng tác đ ng cơ sử dụng xăng sinh học 2.2.1. Trạng thái nhiệt đ ng học T nh toán nhiệt động họ đượ ựa tr n định luật nhiệt động họ : d (mc .u) dQ dm dm dm dV dQ dm  - pc .  F - ∑ w - hBB . BB  ∑ i .hi  ∑ e .he - qev . f . ev (2.1) d d d d d d d dt Biến thi n khối lượng đượ t nh toán dmc dm dm dm dm (2.2)   i   e  BB  ev d d d d dt Việ giải phư ng tr nh tr n phụ thuộc vào mô hình quá trình cháy, quy luật toả nhiệt và quá trình truyền nhiệt qua thành xylanh, ũng như áp suất, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp khí. 2.2.2. thuy t tính toán quá trình cháy ộng đốt háy ưỡng bức có thể sử dụng mô hình cháy Fractal. Quá tr nh háy đượ t nh toán ựa tr n phư ng tr nh nhiệt động học 1 của mô hình cháy vibe 2 vùng (Vibe Two Zone) [45], [46]. -8Nhiệt động học đượ thể hiện theo á phư ng tr nh 3 v 4: dQ dm d (mbub ) dV dQ dm (2.3)   pc . b  F   ¦Wb  hu . b  hBB ,b . BB ,b d d d d d d dQ dm d (muuu ) dV dQ dm (2.4)   pc . u  F   ¦Wu  hu . B  hBB ,u . BB ,u d d d d d d 2.2.3. thuy t tính toán truyền nhiệt 2.2.3.1. Truyền nhiệt trong xylanh: Quá trình truyền nhiệt t buồng cháy qua thành buồng cháy: (2.21) Qwi  Ai . w .(Tc  Twi ) Hệ số truyền nhiệt của mô hình Hohenberg [45], [48]:  w  130.V 0,66.Pc0,8 .Tc0, 4 .(cm  1,4)0,8 (2.24) 2.2.3.2. Trao đ i nhiệt tại cửa nạp, cửa thải: Trong AVL-Boost mô hình Zapf [41], 47 sử dụng để tính toán. Td  (Tu  Tw ).e     Aw . p  m .c p       Tw (2.25) 2.2.4. thuy t tính toán hàm lƣợng phát thải 2.2.4.1. Phát thải CO Tính toán bằng giải phư ng tr nh dựa trên các phản ứng [49,50]: CO + OH CO2 + H, CO2 + O CO + O2 Tố độ phản ứng h nh th nh CO được tính toán theo công thức:  [CO]  d [CO]   R1  R2  1   dt  [CO]e  (2.29) 2.2.4.2. Phát thải C Tố độ h nh th nh C đượ thể hiện ằng phư ng tr nh tổng quát: d HC  E / RT  b (2.32)  CHC AHC e HC gw HC O2  dt 2.2.4.3. Phát thải NOx Quá trình hình thành của NOx được thể hiện qua sáu phư ng tr nh phản ứng theo hế Zeldovich thể hiện Bảng 2.2 [51]. -9Bảng 2 2 Chuỗi phản ứng hình thành NOx. Phản ứng thuận TT Phản ứng A (cm3/mol s) 1 N2 + O ↔ O + 2 O2 + ↔ O+O 1.48 x 10 3 O + ↔ O+ 4 N 2O + O ↔ O + O 5 O2 + N 2 ↔ 6 OH + N2 ↔ 2O + O 2O + H 4.93 x 1013 B (–) Phản ứng nghịch E A (kcal/mol K) (cm3/mol s) B (–) E (kcal/mol K) 0.0472 - 75.59 1.6 x 1013 0 0 1.5 - 5.68 1.25 x 107 1612 - 37.69 4.22 x 1013 0 0 13 0 2.25 x 1010 9.14 x 107 4.58 x 10 8 6.76 x 1014 - 0.212 - 49.34 - 24.1 7.39 x 108 0.89 - 58.93 0.825 - 102.5 3.82 x 1013 0 - 24.1 1.148 - 71.9 2.95 x 1013 0 - 10.8 ằng số n ằng ủa á phản ứng đượ t nh theo ông thứ : (2.37) k  AT exp  E / T  B 2.2.5. M hình h n hợp nhiên liệu xăng và etanol E100 ối với nhi n liệu etanol, đ t nh nhiệt động họ đượ t nh toán ựa tr n á h m đa thứ : (2.40) (2.41) (2.42) 2.3. Phƣơng pháp đánh giá tƣơng thích của đ ng cơ xăng truyền thống khi sử dụng xăng sinh học 2.3.1. Phƣơng pháp đánh giá tƣơng thích vật liệu 2.3.1.1. Các tiêu chu n đánh giá tương thích v t liệu Trên sở các tiêu chuẩn SAEJ 1747[52], SAEJ 1748[53] v SAE 2005-10-3710 và nghiên cứu Viện công nghệ Kingmonkut, Thái Lan [54]. X y ựng một phư ng pháp đánh giá tư ng th h vật liệu phù hợp 2.3.1.2. y d ng quy trình thử nghiệm tương thích v t liệu - Cá hi tiết đượ họn lọ v ắt đượ ng m - Ngâm: RON92, E10, E15, E20, giờ, nhiệt độ 4 0C±20C hi n liệu đượ thay h ng tuần - Thời gian ng m h với á hu kỳ , , 6, tuần - Chi tiết cao su v nhựa, nhi n liệu thay hàng ngày trong ba ngày đầu, sau đó thay h ng tuần - Chi tiết kim loại nhi n liệu thay theo hu kỳ , , 6 v tuần - 10 Trướ , trong v sau khi ng m đượ đánh giá theo phư ng pháp: Ngoại quan (1), khối lượng (2), k h thước (3), độ cứng (4), hụp ảnh (5), đượ đo đạ v đánh giá tại các thời điểm Bảng 2.4. Bảng 2 4. Bảng tiến trình đo ần đo ần ần ần ần 4 Thời điểm đo h (trướ khi ng m) h (≈ ng y) h (≈ 4 ng y) h (≈ ng y) 2.3.2. Phƣơng pháp đánh giá tính năng đ ng cơ ô tô ánh giá theo phư ng pháp đối chứng: ôtô chạy với nhiên liệu RON92, E , E v E theo đ c tính tố độ ở các vị trí tay số xá 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. Phƣơng pháp đánh giá đ bền và tuổi thọ đ ng cơ 2.3.3.1. Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học E10 đến độ bền và tu i thọ của động cơ xăng xe máy ánh giá đối chứng hai xe máy với RON92 và E10. Tổng quãng đường quy đổi vào khoảng km, gồm km tr n đường v h hạy tr n ăng thử S đồ quy tr nh nh 6. Hao m n ủa á hi tiết đượ thự hiện thông qua việ đo đạ á k h thướ ủa động như xilanh, piston, xé măng Phư Phư Phư Phư Phƣơng pháp đo ng pháp ( ), ( ), ( ), (4) ng pháp ( ), ( ), ( ), (4) ng pháp ( ), ( ), ( ), (4) ng pháp ( ), ( ), ( ), (4), ( ) nh 2.16. Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng xe máy nh 2 20. Sơ đồ quy trình thử nghiệm bền của động cơ xăng ô tô - 11 2.3.3.2. Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học E10 đến độ bền và tu i thọ của động cơ xăng ô tô ánh giá đối chứng với RON92 và E10, 300h tr n ăng thử, áp suất có ích trung bình BMEP = 5,65bar, 3000 v/ph. Tư ng đư ng 80km/h. Tổng quãng đường quy đổi 4 km S đồ quy tr nh nh 0. ánh giá hao m n ủa đượ thự hiện tư ng tự xe máy. 2.4. K t luận chƣơng 2 Mô hình cháy Fractal cùng với á mô h nh khá như mô h nh hỗn hợp nhiên liệu, truyền nhiệt, t nh toán h m lượng phát thải được sử dụng trong nghiên cứu này. Phư ng pháp đánh giá tư ng th h vật liệu được xây dựng phù hợp với điều kiện Việt am tr n sở các khuyến nghị SAE 4 , S E 4 v S E -10-3710. ánh giá t nh năng động theo phư ng pháp đối chứng khi sử dụng RON92 và xăng sinh học ở các tay số và theo chu trình thử khí thải tiêu chuẩn. ánh giá độ bền và tuổi thọ động theo phư ng pháp đối chứng RON92 và E10, chạy bền xe máy tư ng đư ng km, hạy bền động ô tô giờ tr n ăng thử. CHƢƠNG 3. T NH TO N MÔ PHỎNG Đ NG CƠ SỬ DỤNG X NG SINH H C C T ETANOL N 3.1. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi m phỏng ánh giá ảnh hưởng ủa nhi n liệu E , E , E v E thông qua mô h nh mô phỏng đượ x y ựng tr n phần mềm V Boost 3.2. X y dựng m hình m phỏng đ ng cơ 3.2.1. Gi i thiệu về phần mềm AV Boost AVL Boost là một công cụ mô phỏng chu trình công tác và quá tr nh trao đổi khí của động [4 ]. 3.2.2. X y dựng m hình và các th ng số nhập cho m hình Mô hình động xe máy, ô tô đượ x y ựng nh 3.1. 3.2.3. Các bƣ c nghiên cứu trên m phỏng Mô phỏng đ c tính ngoài ở các chế độ: lượng nhiên liệu cho một hu tr nh không đổi, hệ số lam a không đổi, công suất không đổi. - 12 - nh 3.1. Mô hình mô phỏng động cơ xe máy và động cơ ô tô 3.3. K t quả tính toán m phỏng 3.3.1. Đánh giá đ chính xác của m hình nh 3.2 so sánh ông suất xe máy mô phỏng và thực nghiệm, sai lệ h lớn nhất l 3,39%. ối với động Hình 3.2. So sánh kết quả tính toán mô phỏng ô tô sai lệch công suất với kết quả th c nghiệm về công suất động cơ lớn nhất là 8,9% (ở xe máy với hai loại nhiên liệu xăng (E0) và 2800 vg/ph với E10), xăng pha cồn E10 sai lệ h trung nh RON92 l 4,6 v E l 6, hư vậy, việc tính toán bằng mô phỏng có sai số ưới 10% đáp ứng đủ độ tin cậy cần thiết để tiến hành tính toán trên phạm vi rộng h n sau n y 3.3.2. Đ ng cơ xe máy Thời gian cháy trễ giảm khi tăng tỉ lệ etanol trong khi thời gian háy nhanh tăng lên. Hình 6 đã ho thấy được độ giảm công suất ở 3 dải tốc độ 3000, 5000, 7500 v/ph so với khi chạy xăng RON92. Hình 3.6. Độ giảm công suất trung bình Vì công suất giảm nên suất 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 h n rất nhiều so với các nhiên liệu khác. - 13 3.3.3. Đ ng cơ t 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. ể giữ nguyên công suất cần bổ sung thêm nhiên liệu tư ng ứng lần Hình 3.11. S thay đ i công lượt là 1,67%; 3,67%; 7,51% và suất động cơ so với khi sử dụng 30,29%. CO v C đều giảm, trong xăng khi đó Ox tăng ộ giảm trung bình 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 nh 29,65%; 42,38%; 49,68% và giảm 87,56%. - Trường hợp giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda hư thể hiện ở Hình 3.17, công suất chỉ tăng khoảng 2% khi chạy ở tố độ cao (3600 vòng/phút) và lambda lớn h n một chút (1,02). Ở các chế độ tố độ còn lại, với lambda nhỏ h n 1 thì công suất giảm đi, nhiều nhất là khi sử dụng E85 (giảm gần ) iều này có thể được giải th h o á ưu điểm về tố độ cháy và tạo hòa khí tốt Hình 3.17. Mức độ thay đ i của etanol chỉ phát huy tác dụng trong công suất động cơ so với khi vùng lambda lớn h n Khi sử dụng chạyRON, giữ nguyên lambda nhiên liệu xăng pha ồn, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng l n, ng tăng t lệ cồn suất tiêu thụ nhiên liệu càng tăng T nh trung nh, khi t 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 tr n 4 Hình 3.19 thể hiện mứ 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 tư ng tự xe máy). Riêng thành phần HC, kết quả mô phỏng khi sử - 14 dụng xăng sinh học và giữ lam a không đổi lại cho thấy thành phần C đối với E10 giảm nhưng đối với E , E th tăng l n. Hình 3.19. Mức độ thay đ i các thành phần phát thải so với khi chạy RON92, giữ nguyên lambda 3.4. Giải pháp cải ti n đ ng cơ xăng th ng thƣờng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol l n nhằm đảm bảo tính năng kỹ thuật 3.4.1. Giải pháp cải ti n đ ng cơ sử dụng b ch hoà khí Khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu có t lệ etanol lớn cần cải tiến v điều chỉnh các chi tiết, bộ phận và thông số sau: gi -l h nh ủa ộ 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, t số nén. Kết quả mô phỏng thể hiện ở nh ho thấy lượng nhiên liệu cần bổ sung khi sử dụng E , E , E v E lần lượt l , ; 6, ; ,44 v 9,96 y l sở để xá định đường k nh gi l nhằm ung ấp đủ lượng nhiên liệu yêu cầu. ộ tăng k h thướ gi -l ủa động xe máy khi sử ụng E , E v E không đáng kể, lần lượt l , 9 ; , v , Tuy nh 3.20. Tỷ lệ lượng nhiên nhi n, nếu h m lượng etanol lớn liệu cần b sung để công suất h n ần phải xem xét để ó động cơ không đ i iện pháp hỗ trợ tăng lượng nhi n liệu ung ấp ho động ối với ô tô sử ụng ộ hế h a kh , theo kết quả mô phỏng khi chuyển sang sử ụng E , E v E th lượng nhi n liệu ần ổ sung th m lần lượt l ,6 ; , v , 9 Tư ng tự như đối với ộ hế h a kh xe máy, ộ hế h a kh ủa ô tô không ần phải Độ tăng nhiên liệu cung cấp (%) 80 3000 vòng/phút 70 5000 vòng/phút 60 7500 vòng/phút 50 Trung bình 40 30 20 10 0 E10 E15 E20 Nhiên liệu thử nghiệm E85 - 15 điều hỉnh lượng nhi n liệu ung ấp đối với E v E 3.4.2. Giải pháp cải ti n đ ng cơ t phun xăng điện tử Theo kết quả nghi n ứu mô phỏng th lượng nhi n liệu ung ấp ho động ần thay đổi tới , khi sử ụng nhi n liệu E nhằm giữ nguy n ông suất ủa động T lệ thay đổi n y nằm ngo i khả năng tự điều hỉnh ủa hệ thống phun xăng điện tử n n phải áp ụng á giải pháp tăng lượng nhi n liệu ung ấp Việ tăng lượng nhiên liệu cung cấp khi sử dụng xăng sinh học có t lệ etanol lớn ó thể thự hiện ằng một số giải pháp sau đ y: - Thay thế vòi phun có khả năng ung ấp nhiên liệu lớn h n ho c làm rộng lỗ phun của v i phun xăng điện tử, - Tăng áp suất ở đường ống trước vòi phun bằng á h thay van điều áp. 3.5. K t luận chƣơng 3 Kết quả mô phỏng cho thấy diễn biến quá tr nh háy, xu hướng thay đổi các thông số t nh năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động xăng khi sử dụng xăng sinh học có t 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 l n, CO v C 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 háy nhanh tăng l n, v vậy cần quan t m đến gó đánh lửa phù hợp để động hoạt động hiệu quả nhất. Các giải pháp cải tiến động ho phù hợp với xăng sinh học có t lệ cồn etanol lớn được nghiên cứu t nh toán v đề xuất. Một số giải pháp thực hiện với động xăng ó ộ chế h a kh khi như sau: - Tăng lượng nhiên liệu cung cấp, theo kết quả tính với E đường k nh g l ần tăng , iều chỉnh hệ thống tăng tốc, không tải, vị tr phao xăng iều chỉnh thời điểm đánh lửa - Sấy nóng khí nạp CHƢƠNG 4. NGHI N CỨU THỰC NGHI M 4.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm ánh giá tá động của xăng sinh họ E , E , E đến vật liệu - 16 các chi tiết trong hệ thống cung cấp nhiên liệu động xăng ô tô v xe máy, đến t nh kinh tế, kỹ thuật, phát thải, khả năng tăng tố , khởi động lạnh ủa động trong ph ng th nghiệm ánh giá độ ền ủa động khi sử ụng xăng sinh họ E trong ph ng th nghiệm. 4.2. Nhiên liệu Xăng RON92 trên thị trường cung cấp bởi Petrolimex; E , E v E đượ pha trộn ởi Viện óa họ Công nghiệp Việt am t etanol gố E sản xuất ởi Công ty Cổ phần ồng Xanh, Quảng Nam, có nồng độ cồn 99,5% . 4.3. Nghiên cứu đánh giá khả năng tƣơng thích vật liệu 4.3.1. Trang thi t bị và đối tƣợng thử nghiệm Thiết bị sấy Binder, chai thủy tinh, n điện tử, thước c p, 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 ùng phun điện tử. 4.3.2. K t quả đánh giá khả năng tƣơng thích vật liệu đối v i hệ thống nhiên liệu đ ng cơ xe máy 4.3.2.1. S thay đ i của chi tiết giclơ nhiên liệu chính Bảng 4.3. ình ảnh chụp giclơ nhiên liệu chính trước và sau 2000h ng m nh ảnh hụp trướ khi ng m nh ảnh hụp sau 2000h ngâm nh ảnh hụp trướ khi ng m nh ảnh hụp sau 2000h ngâm RON92 E10 E15 E20 Sự thay đổi về độ bóng của bề m t lỗ rõ r ng h n đối với các chi tiết ngâm trong E10, E15 và E20 so với ngâm trong RON92. Sau khi ngâm, bề m t các chi tiết đều xuất hiện nhiều vết rỗ và có các c n bẩm bám vào. Mứ độ rỗ trên bề m t chi tiết ngâm trong E10 nhiều h n so với chi tiết ngâm trong RON92. Các vết rỗ này là do quá trình ăn m n ôxy hóa của nhiên liệu đối với bề m t chi tiết. - 17 Bảng 4.4. ình ảnh chụp bề mặt lỗ giclơ chính (v t liệu đồng) trên kính hiển vi điện tử với độ ph ng đại 2000 lần nh ảnh hụp trướ khi ng m nh ảnh hụp sau 2000h ngâm RON92 nh ảnh hụp trướ khi ng m nh ảnh hụp sau 2000h ngâm E10 4.3.2.2. S thay đ i của vít điều ch nh hỗn hợp không tải và vít xả xăng 4.3.2.3. Thay đ i của kim 3 cạnh 4.3.2.4. S thay đ i của chi tiết lọc tinh nhiên liệu 4.3.2.5. S thay đ i màu của vỏ nh a 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 ối với các chi tiết phi kim, sự thay đổi là nhỏ v khá tư ng đồng đối với các chi tiết ngâm. Các chi tiết bằng nhựa v ao su ó xu hướng giảm khối lượng do bị hòa tan một lượng nhỏ ra nhiên liệu, chi tiết lọc tinh bằng giấy ó xu hướng tăng khối lượng do một số chất bị tan trong nhiên liệu bám vào lọc. 4.3.2.8. Ph n tích và đánh giá một số ch tiêu của xăng sinh học trước và sau khi ng m chi tiết Hàm lượng kim loại v h m 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 h m lượng nhựa với nhiên liệu ngâm các chi tiết phi kim tăng l n iều này cho thấy các chi tiết phi kim đã ị phôi và hòa tan trong nhiên liệu. So với xăng RO 9 , mứ độ tăng h m lượng nhựa khi ng m trong E , E v E rõ nét h n 4.3.3. K t quả đánh giá khả năng tƣơng thích vật liệu đối v i hệ thống nhiên liệu đ ng cơ t Kết quả ó xu hướng tư ng tự như đối với các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu xe máy 4.4. Nghiên cứu thực nghiệm trên băng thử - 18 4.4.1. Phƣơng pháp đánh giá tính năng và đ bền 4.4.2. Trang thi t bị và đối tƣợng thử nghiệm 4.4.3. K t quả đánh giá ảnh hƣởng của xăng sinh học đ n đ bền đ ng 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 ó thay đổi k h thước lớn h n h t t so với RO 9 : đường k nh xilanh tăng lớn nhất 0,562% với E10 và 0,541% với RON92; với piston tư ng 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 nh 4.16. Công suất xe máy ở tay số và tay số V trước và sau chạy bền Kết quả đo ông suất xe tại vùng tố độ thấp và trung bình (tay số III) độ giảm công suất trung bình khi xe chạy bằng RON92 là 4,84% v E l ,4 ó ao h n Ở vùng tố độ trung bình và cao (tay số IV), mứ 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 m n Suất ti u thụ nhi n liệu ó 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 hạy bền của động xe hạy bằng E10 thấp h n so với động xe hạy bằng xăng RO 9 nhưng độ chênh lệ h l không đáng kể (1- 2%). c) Kết quả phát thải theo chu trình thử tiêu chu n ECE R40 trước và sau thử nghiệm bền Bảng 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 Thành phần (g/km) HC NOx CO CO2 Chạy RON92 Trƣ c chạy Sau chạy bền bền 3,452 0,284 19,036 18,9 3,558 0,275 19,73 20,0 Chạy E10 Trƣ c chạy bền Sau chạy bền 3,389 0,25 17,43 23,0 3,52 0,24 18,13 25,1 Sau chạy bền 20.000km, mứ thay đổi các thành phần phát thải là tư ng đư ng, với E10 lớn h n h t t so với RON92. d) Kết quả phân tích dầu bôi trơn trước, giữa và sau thử nghiệm bền Mứ độ thay đổi tính chất dầu ôi tr n khi sử dụng RON92 và E10 khác nhau không nhiều. 4.4.4. K t quả đánh giá ảnh hƣởng của xăng sinh học đ n đ ng cơ t 4.4.4.1. Các ch tiêu kinh tế k thu t 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 tư ng đồng so với RO 9 , trung nh tăng , 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 ti u thụ nhi n liệu sử ụng E , E , E lớn h n so với trường hợp sử ụng xăng RO 9 nh 4.20. ức độ cải thiện công suất xe Lanos tại tay số V so với RON92 nh 4.22. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Lanos tại tay số IV b) Tăng tốc và khởi động Xe chạy với nhiên liệu E10 có khả năng tăng tốc tốt nhất, nhiên - 20 liệu E15 cho khả năng tăng tố kém h n nhưng vẫn ao h n nhiều so với nhiên liệu RON92 và nhiên liệu E20. c) Phát thải Phát thải CO, C đượ ải thiện đối với nhi n liệu E , tuy nhiên phát thải Ox v CO2 tăng. Với E15 và E20, CO vẫn giảm nhưng C ó xu hướng tăng l n, 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 nh 24. ức độ cải thiện công suất xe Corrola tại tay số V so với RON92 nh 25. Suất tiêu thụ nhiên liệu xe Corrola tại tay số IV Với ô tô ùng hế hòa khí, khi sử dụng E10, E15 và E20, công suất động trung nh đều ó xu hướng tăng, tư ng 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 họ E , E v E được cải thiện đáng kể so với xăng RO 9 b) Phát thải Xe sử ụng ộ hế h a kh , ưu việt thể hiện rất rõ về mứ độ ải thiện á th nh phần phát thải CO, C, trong khi ti u thụ nhi n liệu thay đổi không lớn, điều n y đã ẫn tới sự ải thiện rõ nét về suất ti u thụ nhi n liệu Sự ải thiện á th nh phần phát thải CO v C ng lớn khi tăng t lệ etanol trong hỗn hợp nhi n liệu xăng sinh họ . 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 h n E v E hư vậy có thể thấy rằng khi pha t lệ etanol phù hợp vào nhiên liệu sẽ làm cải thiện đáng kể khả năng tăng tốc của xe.