Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn ethanol trong xăng sinh học đến tính năng kinh tế kỹ thuật và ô nhiễm động cơ đánh lửa cưỡng bức ở chế độ tải trung bình

Bài viết Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn ethanol trong xăng sinh học đến tính năng kinh tế kỹ thuật và ô nhiễm động cơ đánh lửa cưỡng bức ở chế độ tải trung bình trình bày kết quả thực nghiệm về tính kinh tế - kỹ thuật và ô nhiễm động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu xăng pha ethanol ở các tỷ lệ 0, 10, 15, 20 và 25% thể tích.

Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng 94 ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ PHỐI TRỘN ETHANOL TRONG XĂNG SINH HỌC ĐẾN TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT VÀ Ơ NHIỄM ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC Ở CHẾ ĐỘ TẢI TRUNG BÌNH EFFECTS OF ETHANOL ADDITION TO BIOLOGICAL GASOLINE ON PERFORMANCE AND POLLUTION OF SPARK IGNITION ENGINES USING GASOHOL AT MIDDLE LOAD Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; trungckgt@gmail.com, dvdung@dut.udn.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày kết thực nghiệm tính kinh tế - kỹ thuật nhiễm động đánh lửa cưỡng sử dụng nhiên liệu xăng pha ethanol tỷ lệ 0, 10, 15, 20 25% thể tích Thực nghiệm tiến hành động thí nghiệm Daewoo A16DMS phịng thí nghiệm động đốt trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Điều kiện thực nghiệm xác lập để xây dựng đặc tính tốc độ động vị trí bướm ga 50% cho dải tốc độ từ 1250 đến 4500 vòng/phút Kết cho thấy có cải thiện mơ men, công suất, tiêu hao nhiên liệu lượng phát thải động sử dụng E10, E15, so với xăng (E0) chế độ tải 50% vị trí bướm ga vùng tốc độ từ 2000 đến 4500 vòng/phút; Cịn E20 E25 tỏ bất lợi cơng suất, mô men suất tiêu hao nhiên liệu tốc độ Sự có mặt nhân tố oxy ethanol lý làm tăng hệ số dư lượng khơng khí hỗn hợp, giảm khả bay nhiên liệu, giảm nhiệt trị nhiên liệu nguyên nhân thay đổi Abstract - This paper presents experimental results of the performance and exhaust pollution of spark ignition engines using gasoline-ethanol blended fuels at the rates of ethanol 0, 10, 15, 20 and 25% by volume The experiment was conducted on the Daewoo A16DMS experimental engine at the internal combustion engine laboratory of the Danang University of Science and Technology Experimental conditions were established to characterize the engine speed at the throttle position of 50% for the speed range from 1250 to 4500 rpm Results show an improvement in torque, power, fuel consumption and engine emissions when using E10, E15, compared to gasoline (E0) at 50% throttle valve opening at speed range from 2000 to 4500 rpm; The E20 and E25 are at a disadvantage at all speeds The presence of the oxygen factor in ethanol is the reason for increasing the air–fuel equivalence ratio, reducing the evaporation of the fuel, reducing the heating value of the blended fuel, and this is the cause of the above changes Từ khóa - ethanol; xăng; đánh lửa cưỡng bức; hệ số dư lượng khơng khí Key words - ethanol; gasoline; spark ignition; air–fuel equivalence ratio Đặt vấn đề Nhiên liệu xăng dầu truyền thống với trữ lượng hạn chế, trình đốt cháy nhiên liệu làm gia tăng cacbondioxit khí gây biến đổi khí hậu Các quốc gia gần thật quan tâm đến việc sử dụng nhiên liệu sinh học ethanol, methanol butanol để thay phần cho lượng xăng phải sử dụng [4, 9, 12] Ethanol [8, 12] chất lỏng khơng màu, cịn gọi rượu cồn, rượu ngũ cốc Ethanol có cơng thức hóa học CH3CH2OH sản xuất từ nguồn nguyên liệu tinh bột hay đường, chẳng hạn hạt ngô (chủ yếu Hoa Kỳ), mía đường (chủ yếu Braxin), từ cellulose (như mùn cưa phế phẩm trồng) Sự có mặt nguyên tố oxy có độ âm điện cao ethanol làm cho phân tử CH3CH2OH bị phân cực dẫn đến nhiều khác biệt so với xăng Ethanol có trị số octan cao xăng, pha vào xăng làm tăng trị số octan cho xăng sinh học Ethanol có nhiệt trị thấp so với xăng, theo mức độ khác phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích ethanol hỗn hợp Ethanol tinh khiết (99,5% ethanol) có nhiệt trị thấp 30% so với xăng đơn vị thể tích Tuy nhiên xét theo nhiệt trị đơn vị khối lượng hỗn hợp ethanol làm giảm chút nhờ lượng không khí lý thuyết (L0=9kgkk/kgnl) nhỏ đáng kể so với xăng (L0=14,7kgkk/kgnl) tăng lượng nhiên liệu phun tương ứng với mức giảm L0 cơng suất động khơng giảm Do tác động ethanol lên tính kinh tế nhiên liệu phụ thuộc vào hàm lượng ethanol xăng sinh học [12] Ethanol lần đề xuất làm nhiên liệu xe Hoa Kỳ vào năm 1930, sử dụng rộng rãi sau năm 1970 Ethanol nhiên liệu cồn phổ biến sử dụng ngành giao thông vận tải giới Ethanol sử dụng tinh khiết phụ gia xăng để làm nhiên liệu cho động đốt cháy cưỡng Nhiên liệu ethanol sử dụng rộng rãi Brazil Hoa Kỳ, hai nước chiếm khoảng 87,1% sản lượng nhiên liệu ethanol giới năm 2011 [4] Tại Việt Nam, từ ngày tháng 12 năm 2015, xăng sản xuất, chế biến kinh doanh để sử dụng xe có động toàn quốc E5 từ ngày 01 tháng 12 năm 2017 E10 [1] Trước đó, theo "Chiến lược phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 với tầm nhìn đến năm 2025", sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol dầu diesel sinh học) đạt 5% nhu cầu xăng dầu vào năm 2025 Nhiên liệu ethanol thí điểm số nhà máy ethanol sử dụng ngô sắn làm nguyên liệu xây dựng Công ty Cổ phần Nhiên liệu Sinh học PetroVietnam (100 triệu lít/ năm Phú Thọ), Công ty Cổ phần Lúa Xanh (100.000 tấn/ năm Quảng Ngãi), Sai Gon Biofuels Công ty Dầu khí (40 triệu lít / năm, Cát Lái TP Hồ Chí Minh) Ở Việt Nam, nghiên cứu gần [2, 6, 7, 10, 11] cho thấy, lượng ethanol pha trộn với xăng từ đến 10% khối lượng cải thiện đáng kể mô men, công suất, hiệu suất lượng khí thải so sánh với xăng Ngoài ra, CO HC (hydrocarbon) giảm với gia tăng ethanol hỗn hợp nhiên liệu Tuy nhiên, nhiệt độ cao ethanol gây khó khăn cho động bắt đầu lạnh bốc Trong khí hậu nóng, ethanol bị ảnh hưởng xấu ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 tượng nút Nó bị ảnh hưởng khơng tương thích với số vật liệu động hệ thống nhiên liệu ethanol có nhiều xăng [3] Bên cạnh đó, với mạnh nơng nghiệp Việt Nam, sản lượng dồi sản phẩm nông nghiệp truyền thống mía, ngơ, sắn nên việc sử dụng tỷ lệ pha trộn ethanol cao 10% cần thiết để đảm bảo an ninh lượng Vì vậy, mạnh dạn nghiên cứu sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ phối trộn ethanol cao, cụ thể E10, E15, E20 [1, 5] Nghiên cứu thực nghiệm 95 máy phát điện Động thí nghiệm Daewoo A16DMS với thơng số [6]: - Nhiên liệu sử dụng: Xăng; - Kiểu động cơ: E-TECII; - Số xilanh 4; - Dung tích: 1598 cm3; - Hệ thống phân phối khí:16valve, DOHC; - Hệ thống phun xăng điện tử EFI; - Mômen cực đại: 145Nm, n = 3800 vịng/phút; - Cơng suất cực đại: 77kW n= 5800 vòng/phút; - Tỉ số nén: 9,5:1 - Đường kính xilanh: 79 mm; - Hành trình piston: 81,5 mm Thông số băng thử công suất APA 204/8 [6]: - Công suất cực đại Ne(max): 220 kW; - Mômen quay cực đại Me(max): 934 Nm; - Số vòng quay cực đại ne(max): 8000 vòng/phút Kết Trong báo kết nghiên cứu thể chế độ tải trung bình động ứng với 50% vị trí bướm ga xác lập thiết bị THA100 với dải tốc độ thay đổi từ 1250-4500vịng/phút có bước thay đổi 250vịng/phút Đây chế độ tải đặc trưng cho điều kiện vận hành thực tế động để qua xem xét ảnh hưởng tỷ lệ tham dự ethanol đến mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu phát thải ô nhiễm động So sánh hệ số dư lượng khơng khí 50%BG 1.25 Thực nghiêm tiến hành Phịng thí nghiệm Động đốt trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng với trang thiết bị đồng hãng AVL Động thí nghiệm động Daewoo A16DMS trang bị hệ thống cảm biến ghi nhận thông số q trình nạp thải, thơng số vận hành hệ thống bôi trơn, làm mát, hệ thống cung cấp nhiên liệu, tốc độ động áp suất buồng cháy Băng thử APA 204/8 nối với động qua khớp nối để gây tải cho động APA 204/8 hoạt động động điện để kéo động thí nghiệm khởi động, ngược lại động thí nghiệm làm việc tùy theo giá trị tốc độ cần trì điểm đo mà băng thử tạo mơ men cản lúc hoạt động 50%BG_E0 1.15 50%BG_E10 1.05 50%BG_E15  Hình Bố trí trang thiết bị phịng thí nghiệm Máy tính điều khiển trung tâm; Trung tâm xử lý liệu Puma; Bộ điều khiển tay ga THA-100; Bộ đo lưu lượng khí nạp; Hộp thu nhận tín hiệu cảm biến; Bộ đo độ lọt khí Cacter; Các cảm biến gắn động cơ; Bộ cấp đo tiêu hao nhiên liệu; Băng thử APA 204/8; 10 Bộ cấp điều hoà nhiệt độ nước làm mát động cơ; 11 Thiết bị đo nhiễm khí thải Digas 4000; 12 Bộ giảm chấn khí nén; 13 Bệ thử nghiệm 0.95 50%BG_E20 0.85 50%BG_E25 0.75 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Engnine speed (rpm) Hình Diễn biến hệ số dư lượng khơng khí  động theo tốc độ tỷ lệ tham dự ethanol Hình thể diễn biến hệ số dư lượng khơng khí  theo tốc độ động theo tỷ lệ tham dự ethanol xăng sinh học áp suất phun nhiên liệu pfuel xác lập giá trị 3,2bar hệ số dư lượng không khí xác định từ máy phân tích khí thải Hệ số dư lượng động sử dụng xăng nguyên chất (E0) nhỏ tốc độ nhỏ 1250 vòng/phút lớn 2500 vòng/phút, quy luật thay đổi tương đồng với diễn biến hệ số nạp động Điều đáng ý pham vị tốc độ từ 3000 vòng/phút hệ số dư lượng thấp điều chứng tỏ nhiên liệu bay tốt hỗn hợp cháy hồn thiện nên góp phần làm mô men tiếp cận giá trị cực đại (xem Hình 3) Khi tốc độ động đạt đến 4000 vịng/phút hệ số dư lượng tăng trở lại điều chứng tỏ khả cháy hoàn thiện tốc độ động lớn làm giảm mô men động Khi tăng tỷ lệ tham dự ethanol, quy luật diễn biến hệ số dư lượng khơng khí thay đổi có giá trị tăng lên Nguyễn Quang Trung, Dương Việt Dũng 96 có lượng oxy bổ sung từ nhiên liệu làm giảm lượng khơng khí lý thuyết để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu L0 Tăng tỷ lệ ethanol lượng nhiên liệu cung cấp tăng khơng đáng kể khối lượng riêng ethanol lớn chút so với xăng dẫn đến giảm mô men, công suất tăng suất tiêu hao nhiên liệu có ích động sử dụng nhiên liệu E20 E25 Riêng nhiên liệu E10 E15 bị ảnh hưởng, chí E15 có mơ men, cơng suất E10 có tiêu hao nhiên liệu có ích tốt xăng (E0) Hình 3, Hình Hình A92 (E0) Cụ thể mức phát thải CO cực đại 6,25% E0, 4,9% E10, 4,41% E15, 3,83% E20 E25 2,53% ứng với tỷ lệ giảm 21% so sánh E10 với E0, 29% so sánh E15 với E0, 39% so sánh E20 với E0 59% so sánh E25 với E0 (xem Hình 6) So sánh CO 50%BG CO (50%BG_E0) CO (50%BG_E10) CO (50%BG_E15) CO (50%BG_E20) 110 CO (50%BG_E25) 100 So sánh mô men 50%BG 120 Torque (Nm) CO (%) Torque (50%_E0) 90 Torque (50%_E10) 80 Torque (50%_E15) 70 Torque (50%_E20) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Engnine speed (rpm) Hình Diễn biến phát thải CO động theo tốc độ tỷ lệ tham dự ethanol Torque (50%_E25) 60 50 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 So sánh HC 50%BG 5000 Engine speed (rpm) So sánh công suất 50%BG HC (50%BG_E10) 300 250 HC (ppm) Hình Diễn biến mơ men có ích động theo tốc độ tỷ lệ tham dự ethanol 60 HC (50%BG_E0) 350 HC(50%BG_E15) 200 HC (50%BG_E20) 150 100 Power (50%_E0) Power (kW) 40 30 Power (50%_E10) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Power (50%_E15) Engnine speed (rpm) Power (50%_E20) Power (50%_E25) 20 10 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Engine speed (rpm) Hình Diễn biến cơng suất có ích động theo tốc độ tỷ lệ tham dự ethanol So sánh suất tiêu hao nhiên liệu 50%BG 450 400 FUELCOSP (g/kWh) HC (30%BG_E25) 50 50 FUELCOSP (50%_E0) FUELCOSP (50%_E10) 350 FUELCOSP (50%_E15) 300 FUELCOSP (50%_E20) FUELCOSP (50%_E25) 250 200 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Engine speed (rpm) Hình Diễn biến suất tiêu hao nhiên liệu có ích động theo tốc độ tỷ lệ tham dự ethanol Hệ số dư lượng khơng khí góp phần quan trọng tới quy luật phát thải CO khí xả động diễn biến theo quy luật ngược lại, mức phát thải CO tăng dần đạt cực đại tốc độ động khoảng 3500vịng/phút sau giảm dần Với hệ số dư lượng khơng khí tăng tương ứng với tỷ lệ tham dự ethanol nên phát thải CO động sử dụng xăng E10, E15, E20 E25 giảm đáng kể so với xăng Hình Diễn biến phát thải HC động theo tốc độ tỷ lệ tham dự ethanol Khác chút với CO, quy luật phát thải HC có xu hướng giảm dần tăng tốc độ động với lý nhiên liệu hóa tốt, nhiên phạm vi tốc độ từ 35003750vòng/phút động phát HC cao chút hỗn hợp đậm lên đáng kể phạm vi tốc độ mà CO cao Ở 3500vòng/phút mức phát thải HC khí xả động ứng với E0, E10, E15, E20 E25 112ppm, 102ppm, 61ppm, 67ppm 92ppm ứng với tỷ lệ giảm 8,9% so sánh E10 với E0, 45,5% so sánh E15 với E0, 40% so sánh E20 với E0 17,8% so sánh E25 với E0 Như mức HC giảm tăng tỷ lệ tham dự ethanol mức giảm HC tốt E15 E20 (Hình 7) Trái ngược với CO HC, NOx có xu hướng tăng dần tăng tốc độ động đến 3000 vịng/phút với lý nhiệt độ khí thải tăng dần kết hợp với hệ số dư lượng khơng khí >1, nhiên phạm vi tốc độ từ 35003750 vòng/phút động phát thải NOx giảm đáng kể hỗn hợp đậm lên khiến giảm nồng độ O2 Mức phát thải NOx tăng tăng tỷ lệ ethanol, 3500vịng/phút mức phát thải NOx khí xả động ứng với E0, E10, E15, E20 E25 845ppm, 1227ppm, 1542ppm, 1907ppm 2031ppm ứng với tỷ lệ tăng 145% so sánh E10 với E0, 182% so sánh E15 với E0, 225% so sánh E20 với E0 240% so sánh E25 với E0 Như NOx tăng tăng tỷ lệ tham dự ethanol mức tăng NOx E10 (Hình 8) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 So sánh NOx 50%BG NOx (50%BG_E0) NOx (ppm) 3000 2500 NOx (50%BG_E10) 2000 NOx (50%BG_E15) 1500 NOx (50%BG_E20) 1000 NOx (50%BG_E25) 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Engnine speed (rpm) Hình Diễn biến phát thải NOx động theo tốc độ tỷ lệ tham dự ethanol 150 100 50 HC, NOx (x10) , CO (x10) 250 200 l CO HC NOX 0 10 15 20 25 - Khi lượng ethanol pha trộn với xăng từ 20 đến 25% thể tích làm giảm chút mơ men, cơng suất tăng suất tiêu hao nhiên liệu lượng phát thải CO HC khí thải giảm so sánh với xăng Cụ thể tốc độ 3500vòng/phút, phát thải CO giảm 39% so sánh E20 với E0 59% so sánh E25 với E0; phát thải HC giảm 40% so sánh E20 với E0 17,8% so sánh E25 với E0 - Hạn chế lớn E10, E15, E20 E25 so với xăng (E0) mức phát thải NOx lớn mức tăng lên đến 145% so sánh E10 với E0, 182% so sánh E15 với E0, 225% so sánh E20 với E0 240% so sánh E25 với E0 tốc độ 3500 vòng/phút TÀI LIỆU THAM KHẢO So sánh phát thải 3500rpm 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 97 30 % Ethanol Hình Diễn biến phát thải động theo tỷ lệ ethanol 3500 vòng/phút Kết luận Kết nghiên cứu thực nghiệm động Daewoo A16DMS băng thử APA 204/8 với nhiên liệu sử dụng xăng A92 xăng E10, xăng E15, xăng E20 xăng E25 mức tải trung bình 50% vị trí bướm ga với phạm vi tốc độ từ 1250 đến 4500 vòng/phút cho thấy: - Khi lượng ethanol pha trộn với xăng từ 10 đến 15% thể tích cải thiện chút mơ men, cơng suất, suất tiêu hao nhiên liệu có ích đồng thời giảm phát thải CO HC khí thải so sánh với xăng Cụ thể tốc độ 3500vòng/phút mức phát thải CO động đạt cực đại, lúc so với E0 mức giảm E10 E15 21% 29%; tốc độ HC giảm 8,9% so sánh E10 với E0, 45,5% so sánh E15 với E0 [1] Nguyễn Phú Cường, "Thực trạng cần thiết ban hành lộ trình bắt buộc áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu truyền thống", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Cơng nghiệp, 09, 2013, 23-25 [2] Bùi Văn Ga, Bùi Văn Tấn, Nguyễn Văn Đông, "Ảnh hưởng nhiên liệu, tỷ số nén góc đánh lửa sớm đến q trình cháy hỗn hợp xăngethanol động daewoo", Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 1(98), 2016, 27-32 [3] Lê Thị Kiều Oanh, Lưu Tiến Thuận, "Những khó khăn giải pháp đẩy mạnh tiêu dùng xăng sinh học E5 TP Cần Thơ", Tạp chí Khoa học Cần Thơ, 04, 2015, p 15-23 [4] Liễu Anh Đài, "Công nghiệp sản xuất cồn Ethanol đường Brazil", Tạp chí Châu Mỹ ngày nay, 08, 2008, 32-34 [5] Nguyễn Thị Hằng Nga, Nghiên cứu khả sản xuất etanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, 2010 [6] Lê Văn Tụy, Trần Văn Nam, Huỳnh Bá Vang, "Nghiên cứu thử nghiệm độ hao mòn động chạy xăng pha cồn", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, 4(39), 2010, 227-234 [7] Huỳnh Bá Vang, Nghiên cứu thực nghiệm tính kinh tế kỹ thuật ôtô sử dụng xăng A95 pha 10% ethanol, Đại học Đà Nẵng, 2011 [8] Sarathy, S.M., et al., "Alcohol combustion chemistry", Progress in Energy and Combustion Science, 44, 2014, 40-102 [9] Szwaja, S and J Naber, "Combustion of n-butanol in a spark-ignition IC engine", Fuel, 89(7), 2010, 1573-1582 [10] Tuan, L.A., et al., "Simulation study of motorcycle engines charateristics fueled with ethanol-gasoline blends", Journal of Science & Technology, 83B, 2011, 119-124 [11] Tuan, L.A and P.M Tuan, "Impacts of Gasohol E5 and E10 on Performance and Exhaust Emissions of In-used Motorcycle and Car: A Case Study in Vietnam" Tạp chí Khoa học Cơng nghệ trường đại học kỹ thuật, 73B, 2009, 98-104 [12] Wheals, A.E., et al., "Fuel ethanol after 25 years", Trends in biotechnology, 17(12), 1999, 482-487 (BBT nhận bài: 21/04/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/06/2017) ... đặc trưng cho điều kiện vận hành thực tế động để qua xem xét ảnh hưởng tỷ lệ tham dự ethanol đến mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu phát thải ô nhiễm động So sánh hệ số dư lượng khơng khí... thống bôi trơn, làm mát, hệ thống cung cấp nhiên liệu, tốc độ động áp suất buồng cháy Băng thử APA 204/8 nối với động qua khớp nối để gây tải cho động APA 204/8 hoạt động động điện để kéo động. .. hệ số dư lượng khơng khí  động theo tốc độ tỷ lệ tham dự ethanol Hình thể diễn biến hệ số dư lượng khơng khí  theo tốc độ động theo tỷ lệ tham dự ethanol xăng sinh học áp suất phun nhiên liệu