Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu đặc tính kinh tế nhiên liệu và khí thải xe gắn máy phun xăng điện tử dùng xăng pha cồn tỷ lệ cao

TÓM TẮT Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến đặc tính kinh tế nhiên liệu và sự phát thải khí độc của xe gắn máy phun xăng điện tử, 125cc, vận hành với

Tổng quan

Tính cấp thiết của nghiên cứu

 Tình hình sản xuất nhiên liệu cồn trên thế giới: Ô nhiễm môi trường do khí thải của phương tiện giao thông đang ngày càng trở lên nghiêm trọng và có ảnh hưởng đặc biệt tới sức khỏe do tính chất độc hại của các thành phần trong khí thải Ngoài ra, sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch trong thời gian ngắn sắp tới, khoảng ba mươi năm tới, là những yêu cầu cơ bản khiến cho việc đi tìm những nguồn nhiên liệu có khả năng thay thế cho nhiên liệu truyền thống của động cơ đốt trong trở lên cấp bách trong thời gian gần đây Trong những nguồn nhiên liệu có khả năng thay thế đó, nhiên liệu sinh học đã được quan tâm từ rất lâu và cũng đã có nhiều nghiên cứu chứng tỏ sự ưu việt của loại nhiên liệu này

Xăng sinh học (gasohol) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol pha trộn vào xăng theo các Tỷ lệ nhất định Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xen-lu-lô, lignocellulose

Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống Trên thế giới, nhiên liệu xăng sinh học đã được giới thiệu như một loại nhiên liệu có khả năng thay thế xăng truyền thống từ những năm 1930 tại Mỹ Tuy nhiên, phải cho đến những năm 1970 xăng sinh học mới được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng một cách rộng rãi [1]

Bảng 1.1 thống kê Sản xuất nhiên liệu cồn thế giới thời gian gần đây (triệu lít) Hiện nay, trên thế giới có khoảng 50 quốc gia sử dụng các loại xăng sinh học làm nhiên liệu cho động cơ và 575 nhà máy ethanol với tổng công suất 80,631 triệu tấn Hầu hết các nước này đều đã hoàn tất lộ trình và chính sách khuyến khích đầu tư sản xuất và sử dụng xăng pha ethanol hoặc các phụ gia sinh học Theo các chuyên gia, với việc bổ sung và thay thế xăng bằng ethanol, mỗi năm thế giới giảm được lượng tiêu thụ dầu thô khoảng 50 triệu tấn, tương đương với mức tiêu thụ của Hà Lan và Ba Lan cộng lại

Bảng 1.1: Sản xuất nhiên liệu cồn thế giới thời gian gần đây (triệu lít) [2]

 Các định hướng và chính sách của Việt Nam đối với nhiên liệu xăng pha cồn:

Tại Việt Nam, đề án sử dụng xăng sinh học đã được phê duyệt vào tháng 11 năm 2007 theo quyết định số 177/QĐ-TTg Trong đó qui định mục tiêu cụ thể cho từng giai đoạn phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025; Đồng thời đề ra các nhiệm vụ và giải pháp cho việc hình thành, phát triển nhiên liệu sinh học

Tiếp theo quyết định số 53/2012/QĐ-TTg của thủ tướng chính phủ qui định xăng E5 sẽ bắt buộc được tiêu thụ trên các cây xăng tại năm thành phố trực thuộc trung ương và các tỉnh Quảng Ngãi, Bà Rịa Vũng Tàu từ ngày 01/12/2014 Từ ngày 01/12/2015 xăng E5 sẽ bắt buộc phân phối trên cả nước Tiếp đó, từ ngày 01/12/2016 sẽ bắt đầu phân phối xăng E10 theo lộ trình tương tự như trên

Bộ khoa học công nghệ cũng đã xây dựng quy chuẩn kỹ thuật vể xăng và nhiên liệu sinh học, quy định trong QCVN 01:2009/BKHCN Trong đó các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của ethanol nhiên liệu biến tính phải phù hợp với các quy định trong

Bảng 1.2: Chỉ tiêu cơ bản của ethanol biến tính

Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử

1 Hàm lượng etanol, % thể tích, không nhỏ hơn 92,1 TCVN 7864

2 Hàm lượng metanol, % thể tích, không lớn hơn

3 Hàm lượng nước, % thể tích, không lớn hơn 1,0 TCVN 7893

4 Độ axit (tính theo axit axetic CH3 COOH), % khối lượng, không lớn hơn

5 Hàm lượng clorua vô cơ, mg/kg, không lớn hơn

Ngày 28/12/2012, sau thẩm định của Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ Công Thương đã ban hành (theo Thông tư số 48/2012/TT-BCT) Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về trang thiết bị, phụ trợ và phương tiện sử dụng trong pha chế, tồn trữ và vận chuyển ethanol, xăng sinh học (E5, E10) tại kho xăng dầu, gọi tắt là QCVN 09:

 Tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu xăng pha cồn trên động cơ và phương tiện giao thông trên thế giới và tại Việt Nam:

Trên thế giới đã có nhiều những nghiên cứu về xăng sinh học và các ảnh hưởng khi sử dụng trên phương tiện giao thông Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra các ưu điểm của việc sử dụng xăng sinh học như tăng khả năng chống kích nổ (chỉ số octane), giảm thành phần ô nhiễm: CO, CO 2 , HC và NO x trong khí xả [3-12], trên động cơ một xy lanh cũng như động cơ nhiều xy lanh

Ngoài ra cũng có những nghiên cứu khác chỉ ra những ảnh hưởng khác của quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng sinh học

Bảng 1.3: Hàm lượng phát thải CO (%)

Bảng 1.4: Hàm lượng phát thải CO 2 (%)

C Ananda Srinivasan và C.G Saravanan [7] đã tiến hành thực nghiệm trên động cơ ba xy lanh, sử dụng chế hòa khí, với tỷ lệ pha trộn từ 49.8 tới 69.5 ethanol cộng với 0.2 tới 0.5 oxy Trong kết quả quá trình cháy, tác giả thấy rằng hàm lượng phát thải khí ô nhiễm phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol và tốc độ động cơ (Bảng 1.3, Bảng 1.4 và Bảng 1.5)

Bảng 1.5: Hàm lượng phát thải HC (ppm)

Thành phần NO x tăng giảm không đều khi sử dụng xăng thông thường, nhưng khi sử dụng xăng sinh học với Tỷ lệ trên thì NOx giảm đều và giảm khoảng 30% so với khi sử dụng xăng thông thường Áp suất trong quá trình cháy trong nghiên cứu của tác giả C Ananda Srinivasan và C.G Saravanan cũng thay đổi theo Tỷ lệ phối trộn ethanol Khi sử dụng xăng sinh học E50 áp suất trong buồng cháy sẽ đạt cực đại (40.5 bar) cao hơn so với khi sử dụng xăng thông thường (36 bar) Tuy nhiên giá trị áp suất này thay đổi không theo qui luật tăng giảm Tỷ lệ ethanol Cụ thể khi các giá trị áp suất cực đại tương ứng với E60, E65, E70 là: 23 (bar), 38 (bar), và 33 (bar)

V S Kumbhar và cộng sự [8] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ một xylanh đánh lửa cưỡng bức với Tỷ lệ hòa trộn ethanol tới 20% và ở tốc độ từ 4000 – 8000 v/ph Tác giả nhận thấy moment cực đại sẽ tăng 0.29, 0.59 và 4.77% ứng với Tỷ lệ phối trộn ethanol 5, 10 và 20 % tại tốc độ 6000 vòng/phút Đồng thời tại tốc độ này lượng phát thải CO cũng giảm 6.12%, 11.35% và 26.53% khi sử dụng xăng E5, E10 và E20 so với khi sử dụng xăng thông thường Lượng phát thải HC trong nghiên cứu thực nghiệm này cũng giảm lần lượt tương ứng khi sử dụng xăng E5, E10, E20 so với xăng thông thường là 3.81%, 5.50%, 12.28% tại tốc độ 6000 vòng/phút Tuy nhiên hàm lượng CO 2 tăng lên do hàm lượng oxy trong hỗn hợp cháy nhiều hơn trong xăng thông thường, đồng thời lượng tiêu thụ nhiên liệu cũng có xu hướng tăng lên

Những kết quả tương tự cũng được chứng minh trên động cơ xe gắn máy sử dụng carbuarator, trong thí nghiệm của Hsi-Hsien Yang và cộng sự tại Đài Loan [9] Theo đó, nghiên cứu được tiến hành với nhiên liệu là xăng E3 và xăng E0 trên chín xe gắn máy có dung tích từ 100 cc tới 150 cc, đã qua sử dụng với quãng đường từ 733 tới 15800 km Kết quả nồng độ phát thải như sau (hệ số phát thải trung bình, n = 9):

Bảng 1.6: Nồng độ khí thải trong nghiên cứu His-Hsien Yang

Khí thải E0 E3 Tỷ lệ giảm (%) p-giá trị t-test

Yu-Liang Chen et al [10] khi nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của xăng sinh học đã chọn động cơ xe gắn máy 125 cm 3 , sử dụng chế hòa khí Hàm lượng phát thải thành phần ô nhiễm CO, NOx giảm khi tăng nồng độ ethanol Cụ thể nồng độ CO giảm từ 15% khi sử dụng xăng E0 xuống còn 13%, 6%, 3.5%, 3% khi thay thế tương ứng với xăng E5, E10, E20,và E25; NO x giảm từ 14.5 ppm xuống

11.5, 5.8, 4.2 khi thay thế từ E0 sang E5, E10, và E25 Thành phần CO 2 có sự thay đổi không đáng kể ở giá trị từ E0 tới E5, bắt đầu từ E10 tới E25 giá trị này tăng cao do quá trình cháy hoàn thiện hơn Hiệu suất của quá trình cháy có thể được cải thiện khi sử dụng xăng sinh học do sự xuất hiện nhiều hơn của oxy, tuy nhiên công suất sẽ giảm chút ít khi Tỷ lệ ethanol vượt quá 10%

Ý nghĩa khoa học của đề tài

2.1 Lý thuyết quá trình cháy động cơ đánh lửa cƣỡng bức

 Phương trình cháy của hỗn hợp xăng pha cồn

Quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức là quá trình cháy theo cơ chế lan tràn màng lửa của nhiên liệu lỏng đã bốc hơi hoàn toàn Hòa khí đều, được hòa trộn trước, có α như nhau ở mọi điểm trong buồng cháy Quá trình cháy tính từ khi bugi bắt đầu đánh lửa ( s) đến vùng xa nhất của hỗn hợp bị cháy (khoảng 30 0 ÷ 40 0 ATDC)

Quá trình cháy được bắt đầu từ nguồn lửa xuất hiện ở cực bugi trong môi trường hỗn hợp được hòa trộn trước Do nguồn nhiệt của bugi kích thích hòa khí, làm cho cục bộ khí này phát sinh phản ứng mạnh mẽ và gây nên sự bắt cháy, sau đó xuất hiện ngọn lửa lan truyền theo mọi hướng trong không gian buồng cháy

Hình 2.1: Các trạng thái khác nhau của quá trình cháy [18]

Màng lửa của một hòa khí đều là một màng ngăn cách giữa hai khu vực đã cháy và chưa cháy có chiều dày rất mỏng so với thể tích toàn bộ của buồng cháy Điều kiện tiên quyết để tạo nên màng lửa của phản ứng là phản ứng nhả nhiệt và phải đủ lớn để nhiệt độ của sản vật cháy lớn hơn nhiệt độ của hòa khí Để tìm hiểu về ảnh hưởng của ethanol tới quá trình cháy ta hãy xem xét phương trình cháy tổng quát của nhiên liệu xăng pha cồn: xC 2 H 5 OH + yC 8 H 18 + z(O 2 + N 2 ) aCO 2 + bH 2 O + N 2 + Q (1)

Cơ sở lý thuyết

Lý thuyết quá trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức

 Phương trình cháy của hỗn hợp xăng pha cồn

Quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức là quá trình cháy theo cơ chế lan tràn màng lửa của nhiên liệu lỏng đã bốc hơi hoàn toàn Hòa khí đều, được hòa trộn trước, có α như nhau ở mọi điểm trong buồng cháy Quá trình cháy tính từ khi bugi bắt đầu đánh lửa ( s) đến vùng xa nhất của hỗn hợp bị cháy (khoảng 30 0 ÷ 40 0 ATDC)

Quá trình cháy được bắt đầu từ nguồn lửa xuất hiện ở cực bugi trong môi trường hỗn hợp được hòa trộn trước Do nguồn nhiệt của bugi kích thích hòa khí, làm cho cục bộ khí này phát sinh phản ứng mạnh mẽ và gây nên sự bắt cháy, sau đó xuất hiện ngọn lửa lan truyền theo mọi hướng trong không gian buồng cháy

Hình 2.1: Các trạng thái khác nhau của quá trình cháy [18]

Màng lửa của một hòa khí đều là một màng ngăn cách giữa hai khu vực đã cháy và chưa cháy có chiều dày rất mỏng so với thể tích toàn bộ của buồng cháy Điều kiện tiên quyết để tạo nên màng lửa của phản ứng là phản ứng nhả nhiệt và phải đủ lớn để nhiệt độ của sản vật cháy lớn hơn nhiệt độ của hòa khí Để tìm hiểu về ảnh hưởng của ethanol tới quá trình cháy ta hãy xem xét phương trình cháy tổng quát của nhiên liệu xăng pha cồn: xC 2 H 5 OH + yC 8 H 18 + z(O 2 + N 2 ) aCO 2 + bH 2 O + N 2 + Q (1)

Từ phương trình (1), ta có: a = 2x + 8y; b = 3x + 9y; c = z = 3x + 13,5y

Tỷ lệ không khí lý thuyết:

Do vậy khi thay đổi Tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp Tỷ lệ không khí/ nhiên liệu sẽ thay đổi theo bảng 2.1:

Bảng 2.1: Tỷ lệ A/F của xăng pha cồn theo lý thuyết

Bên cạnh đó, khi thay đổi tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiệt trị của hỗn hợp nhiên liệu cũng thay đổi Do nhiệt trị thấp của hỗn hợp xăng pha cồn giảm so với xăng A92 nên để đảm bảo công suất của động cơ không đổi, lượng nhiên liệu cần cung cấp thêm trong một chu trình sẽ được tính theo công thức:

Từ đó ta có lượng nhiên liệu cần bổ xung thêm cho các mẫu nhiên liệu E10, E20, E30, E50, E85 và E100 so với A92 theo lý thuyết Khi đó quá trình cháy của động cơ sẽ thay đổi Để khảo sát chính xác sự thay đổi áp suất trong quá trình cháy của các mẫu xăng pha cồn tỷ lệ cao, ta sẽ khảo sát bằng thực nghiệm trên động cơ trong đề tài này

 Tính toán tốc độ phát nhiệt

Tỷ lệ sinh nhiệt có thể được tính bằng cách áp dụng định luật nhiệt động thứ nhất, bỏ qua sự truyền nhiệt qua vách xy lanh Khi đó, nhiệt lượng sinh ra sẽ tính được từ các phương trình sau đây:

(2) Áp dụng các định luật khí lý tưởng, phương trình (2) trở thành:

Với mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng: = k và c p = c v + R Với thể tích buồng đốt không đổi ta thu được phương trình sau đây:

Trong đó: V là thể tích buồng đốt với dung tích không đổi và k là tỷ số nhiệt dung riêng

 Tính toán áp suất và nhiệt độ quá trình cháy

Cũng theo định luật nhiệt động thứ nhất, ta có công thức xác định áp suất và nhiệt độ trong quá trình cháy, bỏ qua sự truyền nhiệt qua vách xy lanh:

(θ: Góc quay trục khuỷu) Từ phương trình 4, 5, 6 ta xây dựng được đồ thị áp suất và nhiệt độ quá trình cháy theo góc quay trục khuỷu có dạng:

Hình 2.2: Áp suất trong xy lanh và nhiệt độ hỗn hợp đã cháy, chưa cháy theo góc quay trục khuỷu Nhiên liệu: Ethanol, tỉ số nén: 7.5, tốc độ động cơ 1500 v/p [19]

Cơ chế hình thành ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức

Đỗ Quốc Ấm và đồng nghiệp [20] đánh giá sự tác động của quá trình cháy trong động cơ đốt trong, khí thải không những bao gồm số lượng lớn các chất như:

CO 2 , H 2 O, N 2 …mà còn mang theo những chất độc hại khác, tác động xấu đến sức khoẻ con người và môi trường như: monoxidecarbon (CO), các hydrocarbon cháy không hết (HC), các oxyt nitơ (NOx), các hợp chất của chì

2.2.1 Cơ chế hình thành các oxide nitơ (NO x )

NO x là tên gọi chung của các oxide nitơ gồm có các chất như: NO, NO 2 , N 2 O, chúng được hình thành do sự kết hợp giữa oxi và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao

 Cơ chế hình thành monoxide nitơ (NO)

Trong quá trình hoạt động của động cơ lượng NO sinh ra chiếm tỷ lệ lớn nhất trong họ NO x (90 - 98% tổng hợp NO x )

Hình 2.3: Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ [20 ]

Sự hình thành NO do oxi hoá nitơ trong không khí với điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, các phản ứng chính sau xảy ra:

Phản ứng (9) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu, NO tạo thành trong màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa Hình 2.3 Cho thấy lượng NO hình thành phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ Lượng NO sinh ra theo phản ứng sau:

Nồng độ NO phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O 2 có trong sản phẩm cháy

 Cơ chế hình thành dioxide nitơ: (NO 2 )

NO 2 là chất khí độc hại, nó được hình thành ở nhiệt độ thường khi NO kết hợp với O 2 có trong không khí

NO 2 còn được hình thành từ NO với các chất trung gian của sản vật cháy theo phản ứng

Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO 2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng (12)

Trong trường hợp NO 2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng phân giải (13) bị khống chế nghĩa là NO 2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy Vì vậy khi động cơ làm việc ở chế độ không tải hay tải thấp thì nồng độ NO 2 trong khí thải sẽ gia tăng

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành oxide nitơ

 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí: (λ)

Nhiệt độ cháy cực đại tương ứng khi λ = 0.9 (hỗn hợp hơi giàu) Tuy nhiên lúc này nồng độ O 2 thấp nên lượng NO có trong khí thải không lớn Nồng độ NO đạt cực đại khi λ 1.1 lúc này nồng độ O2 tăng đồng thời nhiệt độ hỗn hợp giảm, cả hai yếu tố này làm lượng NO đạt cực đại Khi λ tăng quá lớn, lúc này độ đậm đặc của hỗn hợp giảm, nhiệt độ cháy thấp nên lượng NO cũng giảm theo λ

Hình 2.4: Biến thiên nồng độ NO theo hệ số dư lượng không khí λ [20]

 Ảnh hưởng của hệ số khí sót

Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến sự giảm nồng độ NOx Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tă ng quá lớn động cơ sẽ làm việc không ổn định, làm giảm tính kinh tế của động cơ và tăng nồng độ HC

Hình 2.5: Ảnh hưởng của tỷ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO [20]

Theo đồ thị (Hình 2.5) nồng độ chất ô nhiễm NO giảm mạnh theo sự gia tăng của tỷ lệ hồi lưu khí xả cho đến khi tỷ lệ này đạt 15-20 %

 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

Khi góc đánh lửa tăng, thời điểm cháy của hỗn hợp sớm lên, áp suất cực đại gần điểm chết trên hơn Nhiệt độ cực đại cũng tăng và thời gian tồn tại khí cháy cũng tăng theohai yếu tố này khiến NO tăng

Hình 2.6: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới nồng độ NO [20]

Vì thế, tăng góc đánh lửa sớm sẽ làm tăng nồng độ NO trong khí xả cho nên cùng một áp suất cực đại khi giảm góc đánh lửa sớm 10 0 có thể giảm nồng độ NO từ 20-30%

 Ảnh hưởng của nhiệt độ buồng cháy

Nhiệt độ buồng cháy sẽ tỷ lệ thuận với lượng hỗn hợp được đốt cháy, vì vậy khi mở lớn bướm ga, hỗn hợp vào động cơ tăng, nhiệt độ buồng cháy tăng và lượng NOx tăng ngay cả khi λ1) hỗn hợp nghèo, khi vào buồng đốt sẽ không được hoà trộn và phân bố đều tạo nên các vùng cục bộ trong buồng đốt làm cho việc cháy không hoàn toàn Từ đó sinh ra lượng CO cao trong khí thải

+ Trong điều kiện nhiệt độ cao phản ứng phân giải sản phẩm cháy sẽ xảy ra làm gia tăng lượng CO trong khí thải

Khi động cơ làm việc ở tải nhỏ, điều kiện cháy của hỗn hợp không tốt, tạo ra các vùng cháy không hoàn toàn, dẫn đến nồng độ CO trong khí xả cao bất chấp có sự điều chỉnh hệ số dư lượng không khí quanh giá trị cháy hoàn toàn Do vậy khi ô tô hoạt động trong thành phố thì sự phát sinh CO là đáng quan tâm nhất vì ôtô thường xuyên làm việc ở tải thấp

2.2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO

 Ảnh hưởng của áp suất nạp Ở cùng số vòng quay động cơ, góc đánh lửa sớm, và hệ số khí sót Nếu giảm áp suất nạp sẽ làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn, vì vậy sẽ làm tăng nồng độ CO trong sản phẩm cháy Sự tăng giảm áp suất nạp luôn xảy ra Tuy nhiên, từ sự thay đổi áp suất nạp dẫn đến thay đổi áp suất cực đại của quá trình cháy, nhưng áp suất khí trong giai đoạn giãn nở không thay đổi nhiều Do đó nồng độ CO trên đường xả ít phụ thuộc vào áp suất nạp

 Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp

Nồng độ CO trong khí xả phụ thuộc rất nhiều vào mức độ đậm đặc (Φ) của hỗn hợp (Φ=1/λ): Φ = 0.75 CO = 0.5% Φ = 1.2 CO =2.1%

 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

Sự tăng giảm góc đánh lửa sớm ( ) sẽ làm ảnh hưởng đến sự hình thành CO trong khí xả

Hình 2.7: Quan hệ giữa CO với góc đánh lửa sớm φ [20]

Khi góc đánh lửa sớm giảm, quá trình cháy sẽ kéo dài trên đường giãn nở, áp suất giảm tại đây Điều đó làm cho điều kiện cháy lên xấu đi, làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn, do đó sẽ làm tăng nồng độ CO trong khí xả

 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu

Chu trình Japan 10

Được sử dụng để chứng nhận về khí thải cho xe tải nhẹ ở Nhật Khởi đầu là chu trình Japan 10, sau đó được thay thế bằng chu trình Japan 10-15 Chu trình thử

Japan 10-15 là chu trình cải tiến từ chu trình thử Japan 10 với sự tăng tốc đến 70 km/h nhằm đánh giá hoàn thiện hơn mức phát thải ở tốc độ cao

Hình 2.10: Chu trình thử Japan 10-15 [ 21]

Tổng quãng đường thử của chu trình là 4,16 km, tốc độ trung bình 22,7km/, thời gian thử 660s

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Giới thiệu

Để xác định tính tiêu hao nhiên liệu và khí thải xe gắn máy phun xăng điện tử, vận hành với xăng pha cồn tỷ lệ cao, một hệ thống thực nghiệm đã được lắp đặt trên băng thử xe gắn máy Các thông số cần thiết để thu nhận bao gồm: lượng tiêu hao nhiên liệu theo km ứng với chu trình thử chuẩn Japan 10-15 và tại các chế độ vận hành ổn định (vận tốc xe không đổi), thành phần phát thải quan trọng (HC, CO và NOx) tại các chế độ vận hành ổn định và tại chế độ không tải Ngoài ra, khả năng tăng tốc và khả năng khởi động nguội của xe gắn máy khi vận hành với các mẫu nhiên liệu xăng pha cồn ở các tỷ lệ khác nhau cũng được đo và phân tích

Trong các thực nghiệm với chế độ vận hành ổn định, tốc độ xe được cài đặt không tải, 20 km/h, 30 km/h, 40 km/h, 50 km/h, 60 km/h và 70 km/h Cồn pha vào xăng với các tỷ lệ như: 10%, 20%, 30%, 50%, 85%, 100% và 2 mẫu xăng thương mại A92, A95 Để hỗ trợ thêm cho đặc tính phát thải các thành phần CO, HC, và NOx trong khí thải, một số thực nghiệm đo áp suất quá trình cháy trong cùng động cơ được thực nghiệm trên băng thử công suất động cơ tại chế độ vận hành phổ biến của xe gắn máy (80% bướm ga và 5000v/ph)

Các giá trị kết quả thực nghiệm được phân tích và so sánh nhằm đánh giá tính ảnh hưởng của các tỷ lệ phối trộn cồn trong xăng cao đến tính tiêu hao nhiên liệu và khí thải của xe gắn máy sử dụng hệ thống phun xăng điện tử Từ đó, có những khuyến cáo phù hợp.

Thiết bị thí nghiệm

 Sơ đồ bố trí trang thiết bị thí nghiệm xe gắn máy chạy xăng pha cồn:

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên xe gắn máy

Hình 3.2: Vị trí các cảm biến trên xe

Các thí nghiệm đo nồng độ phát thải khí ô nhiễm, mức tiêu hao nhiên liệu, khả năng tăng tốc và khả năng khởi động nguội được tiến hành trên xe gắn máy 125 sử dụng hệ thống phun điện tử Các thí nghiệm đo áp suất quá trình cháy và công suất được tiến hành trên động cơ 125 phun điện tử, xi-lanh đơn, 4 thì, hút khí tự nhiên, làm mát bằng không khí

Hình 3.1 và Hình 3.2 thể hiện sơ đồ thí nghiệm và vị trí các cảm biến trên xe gắn máy 125 FI Trong hệ thống thu nhận dữ liệu, bộ kích từ sẽ kết nối với motor điện và điều khiển motor điện Nó cấp một dòng diện vào motor điện để sinh ra một từ trường cản chuyển động quay của motor Bộ kích từ được điều khiển bởi mạch điều khiển kết nối với máy tính Độ lớn dòng điện cấp vào motor tương ứng với tải cản mà người chạy cài đặt

Rulo của bệ thử sẽ nối với trục motor điện qua khớp nố Khi xe hoạt động, bánh sau của xe sẽ dẫn động rulo làm rulo quay Khi lực dẫn động rulo của bánh xe lớn hơn từ trường cản được tạo ra trong motor điện thì rulo quay sinh ra dòng điện xoay chiều 3 pha Dòng điện sinh ra được dẫn vào thùng tải để chuyền thành nhiệt tiêu tán ra ngoài Đồng thời khi xe hoạt động, các cảm biến nhiệt độ, cảm biến tốc độ hoạt động truyền tín hiệu lên máy tính và đồng hồ hiển thị Thiết bị đo khí thải kết nối với xe qua ống dẫn khí thải ở cổ ống xả.

 Bệ thử xe gắn máy

Bệ thử xe máy CD-20 bao gồm khung sàn bệ thử, một rulo có đường kính 20 inch, cảm biến tốc độ gắn ở đầu trục rulo để đo tốc độ rulo và truyền về máy tính, động cơ điện, quạt gió

Một đầu của rulo sẽ kết nối với động cơ điện qua trục các-đăng

Các đồng hồ hiển thị

Có 4 đồng hồ hiển thị nhiệt độ: Nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nhớt, nhiệt độ khí thải, nhiệt độ cốp

Hình 3.3: Các đồng hồ hiển thị nhiệt độ

Màn hình trợ giúp người lái

Hình 3.4: Máy tính hiển thị chu trình thử Japan 10-15

 Thiết bị đo khí thải Hesbon HG 520 : Thiết bị phân tích khí thải được đo bằng máy Hesbon HG 520 Hesbon HG 520 có thể giao tiếp với máy tính thống qua cổng kết nối RS 232 Thiết bị này có thể đo và phân tích các loại khí thải như CO, HC, CO2, O2, NOx Ngoài việc kết nối với máy tính để hiển thị kết quả đo, thiết bị này có thể giao tiếp trực tiếp với người sử dụng thông qua màn hình điều khiển nhỏ trên máy

Hình 3.5: Thiết bị phân tích khí xả Hesbon HG520 Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của máy đo khí xả Hesbon HG520

Thông số Giá trị Sai số

 Cân nhiên liệu DJ6000TW và hệ thống nhiên liệu: Cân điện tử DJ6000TW dùng để đo khối lượng với độ chính xác cao lên đến ±0,01g, tầm đo 6000g Trong thử nghiệm, cân DJ6000TW được dùng để đo tổng khối lượng của bình chứa và nhiên liệu trong bình còn lại Thông số kỹ thuật của cân được trình bày trong Bảng 3.2

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của cân DJ6000TW

Tầm đo (g) 0 – 6000g Độ chính xác (g) ± 0,01g

Thời gian đáp ứng (s) 1,5 Độ tuyến tính (g) < ±1g

Hình 3.6: Hệ thống cung cấp nhiên liệu và cân DJ6000TW

 Sơ đồ bố trí trang thiết bị thí nghiệm trên động cơ: Để thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi cồn trong xăng đến của áp suất phun cháy trong xy-lanh Các thực nghiệm của động cơ cùng loại trên băng thử công suất động cơ được thực hiện Trong thực nghiệm, để đánh giá đối chứng 1 điểm vận hành tiêu biểu, tốc độ trung bình 5000v/ph và tải 80% được chọn

Hình 3.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên băng thử động cơ

Hình 3.7 và Hình 3.8 cho thấy sự sắp xếp sơ đồ thiết lập thí nghiệm và vị trí các cảm biến trên động cơ Động cơ được kết nối với máy phát điện ba pha bằng trục các đăng Cảm biến áp suất đã được tích hợp trong bougie của động cơ và kết nối với hệ thống quan sát, đo lượng và phân tích quá trình đốt cháy Một bộ đo tải đã được gắn kết với các máy phát điện để đo công suất của động cơ Trong quá trình thí nghiệm một boa mạch kích điện từ được kết nối với máy phát điện để điều khiển tốc độ động cơ cũng như tải động cơ Tín hiệu của bộ đo tải được khuếch đại điện áp và truyền đến bộ điều khiển điện tử (ECU) để đo lượng và kiểm soát trong quá trình thử nghiệm

Hình 3.8: Vị trí lắp cảm biến trên động cơ

 Máy phát điện 220V~50Hz/5kVA

Máy phát điện 220V~50Hz/5kVA được dẫn động bởi động cơ UV125 thông qua bộ cacđăng Cả khối động cơ – máy phát được đỡ trên bộ khung kim loại có bánh xe, nhờ đó nâng cao tính cơ động của thiết bị Thông số kỹ thuật máy phát và bố trí chung cụm Động cơ – Máy phát được thể hiện qua Bảng 3.3

Bảng 3.3: Thông số băng thử động cơ xe gắn máy

Loại máy phát Đồng bộ, 3 pha

Công suất định mức (kW) 5 Điện áp định mức (V) 220

Cường độ dòng điện định mức (A) 9.0 – 15.7

Số vòng quay định mức (v/ph) 1500 Điện áp kích từ (V) / Dòng kích từ (A) 82 / 3.6

Điều kiện thử nghiệm

 Tỷ lệ nhiên liệu phối trộn

Trong nghiên cứu này, cồn Etanol (hàm lượng tinh khiết 99.7%) được phối trộn vào trong xăng A92 thương mại trên thị trường tại Việt Nam với 8 mẫu sau đây:

Mẫu % Etanol % xăng Mẫu % Etanol % A92

 Thông số và trình tự đo

– 8 mẫu nhiên liệu sẽ được đo và đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu theo chu trình Japan 10-15 trên bệ thử xe gắn máy Mỗi loại nhiên liệu sẽ tiến hành đo 3 lần và lấy giá trị trung bình

– Chạy theo dãy tốc độ 0, 20, 30, 40, 50, 60, 70 km/h để đo khí thải của xe 125 Fi theo chu trình Japan 10-15 Đo theo dãy tốc độ được tiến hành với điều kiện ban đầu là tốc độ cầm chừng là 850 v/p ở nhiệt độ nhớt 50 0 C Mỗi loại nhiên liệu sẽ tiến hành đo 3 lần, sau đó lấy kết quả trung bình

– Đo áp suất trong quá trình cháy 5000 vòng/phút và 80% tải

– Các mẫu nhiên liệu thử được lần lượt thay thế vào trong quá trình vận hành kiểm tra khả năng tăng tốc của xe

– Tốc độ xe được tăng từ 0 đến 70 km/h

– 8 mẫu thử nghiệm sẽ được đo và đánh giá quá trình khởi động nguội tại buổi sáng lúc 6g30.