Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol đến tính năng và phát thải của động cơ xăng 1 xylanh đang lưu hành

Bài viết Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol đến tính năng và phát thải của động cơ xăng 1 xylanh đang lưu hành trình bày kết quả nghiên cứu thử nghiệm về ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol đến tính năng và phát thải của động cơ xăng 1 xylanh. Động cơ nghiên cứu là động cơ xe máy sử dụng bộ chế hòa khí.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ ETHANOL ĐẾN TÍNH NĂNG VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG XYLANH ĐANG LƯU HÀNH EFFECT OF ETHANOL RATIO ON PERFORMANCE AND EMISSION OF SINGLE-CYLINDER GASOLINE ENGINES IN CIRCULATION NGUYỄN TUẤN NGHĨA*, PHẠM VĂN ĐỒN Khoa Cơng nghệ tơ, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội *Email liên hệ: nghiant@haui.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày kết nghiên cứu thử nghiệm ảnh hưởng tỷ lệ ethanol đến tính phát thải động xăng xylanh Động nghiên cứu động xe máy sử dụng chế hịa khí Nhiên liệu thử nghiệm bao gồm xăng thông thường RON92 hỗn hợp RON92 ethanol với tỷ lệ thể tích ethanol 10%, 15% 20% tương ứng với E10, E15 E20 Thử nghiệm tiến hành băng thử tay số tương ứng với dải tốc độ 20÷40 (km/h) 30÷70 (km/h), dải tốc độ hay làm việc xe máy Kết cho thấy, so với sử dụng xăng RON92, sử dụng xăng ethanol, công suất tăng có xu hướng giảm dần tỷ lệ ethanol hỗn hợp tăng, suất tiêu hao nhiên liệu có diễn biến ngược với cơng suất Phát thải CO HC có xu hướng giảm CO2 NOx có xu hướng tăng gia tăng tỷ lệ pha trộn ethanol Từ khóa: Xu hướng, phát thải, Ethanol, động xe máy Abstract This paper presents a study on the effect of ethanol ratio on performance and emission of 1-cylinder gasoline engine The research engine is a motorcycle engine using a carburetor The test fuel consisted of regular gasoline RON92 and a mixture of RON92 and ethanol with ethanol volume fractions of 10%, 15% and 20% respectively for E10, E15 and E20 The test was conducted on a test bench in gears and respectively with the speed range 20÷40 (km/h) and 30÷70 (km/h), these are the two most commonly used speed ranges of the vehicle motorcycle The results show that, compared with when using RON92, when using ethanol, the capacity increases but trends to decrease when the percentage of ethanol in the mixture increases, the 28 fuel consumption rate has the opposite movement with the capacity CO and HC emissions trend to decrease while CO2 and NOx tend to increase with increasing ethanol blending ratio Keywords: Trends, Motorcycle engine Emissions, Ethanol, Giới thiệu chung Nhu cầu nhiên liệu hóa thạch tăng lên hàng ngày phát triển nhanh chóng xã hội công nghiệp, quốc gia phát triển Điều dẫn đến tình trạng thiếu hụt lượng tương lai cạn kiệt nguồn dự trữ xung đột trị giới Do đó, việc tìm nguồn nhiên liệu thay tất quốc gia quan tâm nghiên cứu nhằm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch điều kiện chưa thể thay hồn toàn động đốt [1] Ethanol coi nhiên liệu quan trọng có tiềm thay nhiên liệu hóa thạch có tính chất hóa lý tương tự nhiên liệu thông thường [2] Ethanol nguồn lượng tái tạo, góp phần giảm lượng khí thải nhà kính nhiên liệu thay sử dụng nhiều chứa hàm lượng oxy tạo điều kiện cho trình đốt cháy Bên cạnh đó, xăng pha trộn tốt với ethanol so với dầu diesel, dẫn đến hàm lượng lưu huỳnh chất thơm thấp hơn, trị số octan cao áp suất cao so với nhiên liệu gốc [3] Việc sử dụng ethanol nguyên chất làm nhiên liệu động yêu cầu số sửa đổi, khi sử dụng hỗn hợp ethanol xăng với tỷ lệ định khơng cần sửa đổi [4] Nhiều nhà nghiên cứu ý đến việc sử dụng nhiên liệu pha trộn (ethanol xăng) động đốt A Yusuf cộng [5] nghiên cứu động TD201 SI xylanh, bốn kỳ, trang bị hệ thống phun nhiên liệu điện tử (EFI) Họ sử dụng nhiên liệu xăng nguyên chất (E0), cồn sinh học với tỷ lệ pha trộn chứa 5%, 10% 15% ethanol Kết cho thấy lượng khí thải thấp động SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY chạy E10 E15, tỷ lệ hình thành NOx tăng cao với E5 E10 Lượng phát thải CO2 CO E15 giảm tăng nhanh với E5 E10 lượng phát thải HC giảm tất loại nhiên liệu E5, E10 E15 Celik [6] Agarwal [7] việc tăng cường trộn ethanol với xăng cải thiện số octan nhiên liệu hỗn hợp Kết cho thấy việc sử dụng E50 với công suất động cải thiện 29% so với sử dụng xăng mà không cần thêm ethanol Ngoài ra, mức tiêu thụ nhiên liệu giảm 3% giảm 10% lượng khí thải CO Hsieh cộng [8] sử dụng động SI chạy nhiên liệu xăng ethanol (E10, E20 E30) Các kết báo cáo gia tăng đáng kể mô-men xoắn động tiêu thụ nhiên liệu so với nhiên liệu ban đầu động Nói chung, hầu hết kết cho thấy, sử dụng xăng pha cồn, công suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện, thành phần phát thải CO HC có xu hướng giảm, nhiên hàm lượng NOx thay đổi tùy thuộc vào chế độ thử nghiệm Thiết lập thử nghiệm Tủ phân tích khí xả CEB-II (Combustion Emission Bench) hệ thống bao gồm tồn mơđun thực q trình phân tích thành phần khí thải (các phân tích) thiết bị đảm bảo điều kiện làm việc xác hệ thống như: Khối làm nóng (HSU), khối chuẩn đốn, khối điều khiển, Các phân tích lắp đặt tủ sử dụng để đo thành phần có khí thải như: Carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), oxygen (O2), nitrogen oxides (NO NOx), carbon hydrides (HC), đồng thời cịn đo hệ số dư lượng khơng khí  2.2 Động thử nghiệm Động thử nghiệm động lắp xe máy hiệu Honda SuperDream 100cc với thông số động thể Bảng Bảng Thông số kỹ thuật động xe máy thử nghiệm Tham số Dung tích xylanh Giá trị Đơn vị 97.1 cm3 50 mm mm 2.1 Trang thiết bị thử nghiệm Đường kính xylanh Băng thử xe máy CD20” (Chassis Dynamometer 20”) hãng AVL cung cấp có chức để thử nghiệm cơng nhận kiểu kiểm tra tính kỹ thuật xe máy phòng thử nghiệm phòng Thí nghiệm Nhiên liệu Khí thải Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Băng thử CD20’’ điều khiển phần mềm Zoller Kết hợp băng thử với hệ thống lấy mẫu khí thải CVS, tủ phân tích khí CEBII thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 733S (sai số thiết bị 0,1% Giải đo từ đến 150kg/h Có thể cho phép tới 400kg/h.) trình thử nghiệm theo chu trình châu Âu (ECE R40) qua xác định thành phần chất thải độc hại có khí thải, lượng nhiên liệu tiêu thụ Kết cấu băng thử thể Hình Hành trình piston 49.5 Tỷ số nén 9:1 - Công suất cực đại 4.41 kW 6.03 Nm (7000 vịng/phút) Mơ men cực đại (5000 vịng/phút) 2.3 Nhiên liệu thử nghiệm Nhiên liệu sử dụng trình thử nghiệm bao gồm xăng RON92, xăng sinh học E10 (10% cồn ethanol, 90% xăng RON92), E15 (15% cồn ethanol, 85% xăng RON92) E20 (20% cồn ethanol, 80% xăng RON92) Một số tính chất loại nhiên liệu trình bày Bảng Bảng Tính chất nhiên liệu thử nghiệm Tính chất Tỷ trọng 200C Trị số Octan (-) Áp suất hóa Reid (kPa) Nhiệt trị thấp, QH (MJ/kg) Tỷ số A/F Hình Băng thử xe máy CD20” (kg/kg) Nhiên liệu RON92 E10 E15 E20 0.73 0.74 0.746 0.754 92.4 94.4 95.4 96.6 60.46 70.46 68.41 67.09 42.7 42.0 40.7 39.4 14.3 13.8 13.5 13.2 1- Băng thử; 2- Hệ thống lấy mẫu CVS; 3- Tủ phân tích khí thải CEBII; 4- Máy tính điều khiển; 5- Quạt gió SỐ 71 (8-2022) 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2.4 Chế độ thử nghiệm Kết thảo luận Chế độ đo công suất suất tiêu hao nhiên liệu thực dải tốc độ: Dải 20÷40 (km/h) thực tay số 3; dải 30÷70 (km/h) thực tay số Đây dải tốc độ hay sử dụng đô thị quốc lộ Tải trọng trường hợp 100% 3.1 Công suất động a) ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Kết đo cơng suất xe tay số số thể Hình Kết cho thấy, diễn biến công suất thay đổi theo tốc độ xe tương tự a) b) b) Hình Cơng suất động sử dụng nhiên liệu Hình Xu hướng thay đổi công suất theo tỷ lệ pha trộn thử nghiệm ethanol a) Tay số 3; b) Tay số a) Tay số 3; b) Tay số a) b) Hình Suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thử nghiệm a) Tay số 3; b) Tay số 30 a) b) Hình Xu hướng thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn ethanol a) Tay số 3; b) Tay số SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY sử dụng nhiên liệu thử nghiệm Công suất xe cải thiện tốc độ khảo sát ba loại xăng sinh học so sánh với RON92 Do khả bay hỗn hợp xăng-ethanol tốt, trình bay nhiên liệu đường nạp khiến nhiệt độ môi chất nạp giảm, giúp cải thiện hệ số nạp, nâng cao công suất động Tính trung bình tồn dải tốc độ, mức độ tăng công suất đạt 4,45%; 2,65% 2,03% tay số 3, đạt 2,52%; 1,59% 0,78% tay số Ở tay số, mức tăng công suất sử dụng E10 cao nhất, mức tăng giảm dần tăng tỷ lệ pha trộn ethanol Nguyên nhân động có tốc độ lớn hơn, thời gian hình thành hỗn hợp ngắn, ảnh hưởng khả bay nhiên liệu đến hệ số nạp, cơng suất động khơng cịn rõ rệt, thay đổi khơng đáng kể Mặt khác, ảnh hưởng nhiệt trị thấp nhiên liệu lớn ảnh hưởng hệ số nạp Xu hướng thay đổi theo tỷ lệ pha trộn ethanol trình bày Hình phù hợp với giảm phát thải CO Trong đó, NOx tăng giải thích hệ số nạp cải thiện, nên hỗn hợp đủ oxy nito để thực phản ứng tạo thành NOx Ngồi ra, lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy đơn vị khối lượng Ethanol nhỏ so với xăng, nên hỗn hợp trở nên nhạt sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn Dẫn đến trình cháy nhanh so với trình cháy nhiên liệu RON92, giúp nâng cao nhiệt độ cực đại xylanh, tác nhân làm tăng NOx 3.2 Suất tiêu hao nhiên liệu Hình trình bày kết đo suất tiêu hao nhiên liệu động tay số sử dụng nhiên liệu RON92, E10, E15 E20 Ngược với kết công suất, suất tiêu hao nhiên liệu sử dụng RON92 cao đạt thấp sử dụng E10 Tính trung bình tồn dải tốc độ, sử dụng E10, E15 E20 so với RON92, suất tiêu hao nhiên liệu trung bình giảm 6,25%; 3,28% 2,83% tay số 3, giảm 4,97%; 3,48% 0,52% tay số Xu hướng thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn ethanol trình bày Hình Hình Xu hướng thay đổi phát thải CO HC theo tỷ lệ pha trộn ethanol 3.3 Phát thải Kết luận Hình trình bày kết phát thải CO HC chạy theo chu trình thử nghiệm châu Âu ECE40 Kết cho thấy, phát thải CO HC sử dụng nhiên liệu xăng thông thường lớn nhất, phát thải giảm dần tỷ lệ pha trộn ethanol tăng lên Điều lý giải khả bay ethanol tốt nên trình hình thành hỗn hợp tốt giúp hỗn hợp cháy tốt Mặt khác thân ethanol có sẵn thành phần oxy nên giúp trình cháy oxy hóa nhỗn hợp cháy triệt để Kết làm cho thành phần CO HC giảm mạnh so với sử dụng xăng thông thường Công suất suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện sử dụng hỗn hợp ethanol xăng Mức độ cải thiện nhiên liệu E10 tốt giảm dần tỷ lệ pha trộn ethanol tăng lên Điều ethanol có khả bay tốt xăng giúp nâng cao hệ số nạp hỗn hợp cháy tốt Kết làm tăng hiệu suất nhiệt, công suất tăng giảm tiêu hao nhiên liệu Tuy nhiên, nâng cao tỷ lệ pha trộn hiệu cải thiện giảm ảnh hưởng nhiệt trị ethanol thấp xăng Phát thải CO2 NOx có xu hướng tăng dần tỷ lệ pha trộn ethanol tăng lên Lý CO2 tăng ethanol có thành phần oxy nhiên liệu nên giúp cho q trình oxy hóa CO thành CO2 tăng lên, điều SỐ 71 (8-2022) Mức độ cải thiện cao tốc độ thấp giảm dần tốc độ cao Nguyên nhân tốc độ lớn làm cho ảnh hưởng tới thời gian bay hòa trộn hỗn hợp, kết làm giảm hiệu suất Khi tăng tỷ lệ pha trộn phát thải CO HC có xu hướng giảm, NOx CO2 lại có xu hướng 31 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ tăng Do có sẵn thành phần oxy khả bay tốt giúp trình cháy diễn triệt để nên thành phần CO HC giảm CO2 tăng lên Thành phần NOx tăng hỗn hợp nhạt làm trình cháy nhanh làm tăng nhiệt độ cực đại, kết làm tăng nhiệt độ cháy nên NOx tăng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Phuangwongtrakul, W Wechsatol, T Sethaput, K Suktang, S Wongwises, (2016) Experimental study on sparking ignition engine performance for optimal mixing ratio of ethanol-gasoline blended fuels, Appl Therm Eng 100, pp.869-879 [2] H.H Balla, S Abdullah, E Almulla, (2013), Effect of Reynolds Number on Heat Transfer and Flow for Multi-Oxide Nanofluids Using Numerical Simulation, Research on Chemical Intermediates, Vol.39 Issue 5, pp.2197-2210 [3] A.A Yusuf, F.L Inambao, (2018), Progress in alcohol-gasoline blends and their effects on the performance and emissions in SI engines under different operating conditions, 0, Int J Ambient Energy, pp.1-17 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [5] A.A Yusuf, F.L Inambao, (2019), Effect of Low Bioethanol Fraction on Emissions, Performance, and Combustion Behavior in a Modernized Electronic Fuel Injection Engine, Biomass Convers Biorefiner [6] M.B Celik, (2008), Experimental determination of suitable ethanol-gasoline blend rate at high compression ratio for gasoline engine, Appl Therm Eng Vol.28 (5-6), pp.396-404 [7] A.K Agarwal, (2007), Biofuels (alcohols and biodiesel) applications as fuels for internal combustion engines, Prog Energy Combust Sci Vol.33 (3), pp.233-271 [8] W.-D Hsieh, R.-H Chen, T.-L Wu, T.-H Lin, (2002), Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol-gasoline blended fuels, Atmos Environ Vol.36 (3), pp.403-410 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 28/7/2022 08/8/2022 19/8/2022 [4] P Sakthivel, K.A Subramanian, R Mathai, (2020), Experimental study on unregulated emission characteristics of a two-wheeler with ethanol-gasoline blends (E0 to E50), Fuel Vol.262, 116504 32 SỐ 71 (8-2022) ... trình thử nghiệm bao gồm xăng RON92, xăng sinh học E10 (10 % cồn ethanol, 90% xăng RON92), E15 (15 % cồn ethanol, 85% xăng RON92) E20 (20% cồn ethanol, 80% xăng RON92) Một số tính chất loại nhiên liệu... nhiên, nâng cao tỷ lệ pha trộn hiệu cải thiện giảm ảnh hưởng nhiệt trị ethanol thấp xăng Phát thải CO2 NOx có xu hướng tăng dần tỷ lệ pha trộn ethanol tăng lên Lý CO2 tăng ethanol có thành phần oxy... hao nhiên liệu theo tỷ lệ pha trộn ethanol trình bày Hình Hình Xu hướng thay đổi phát thải CO HC theo tỷ lệ pha trộn ethanol 3.3 Phát thải Kết luận Hình trình bày kết phát thải CO HC chạy theo