Nghiên cứu tương thích vật liệu động cơ xe máy khi sử dụng nhiên liệu

phát thải khác như benzene, butadiene, toluene… khi sử dụng xăng pha cồn cũng cần phải nghiên cứu thêm.

2.3.4 Nghiên cứu tương thích vật liệu động cơ xe máy khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn xăng pha cồn

Tại phòng thí nghiệm Bộ môn Động cơ đốt trong của Viện cơ khí động lực trường ĐHBK Hà Nội đã tiến hành thử nghiệm về tính tương thích vật liệu động cơ xe máy khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn như sau:

Ngâm các vật liệu phi kim, cao su, kim loại của hệ thống nhiên liệu (bộ chế hòa khí) trong xăng RON 92, E5 E10 và E20 theo tiêu chuẩn SAE J1747 và SAE J1748 trong vòng 1500h.

Kết quả được đánh giá bởi ba yếu tố: ngoại quan, khối lượng, kích thước. * Ngoại quan:

- Chi tiết bằng đồng bị xỉn màu, gỉ bám và bị ăn mòn.

- Vật liệu làm bằng cao su, polymer thay đổi không đáng kể. * Khối lượng:

- Khối lượng các chi tiết làm bằng kim loại thay đổi ít (max = 1,22%) - Khối lượng các chi tiết làm bằng cao su giảm (max = 13,17%) - Khối lượng các chi tiết nhựa tăng khối lượng (max = 5,77%) * Kích thước:

- Các chi tiết kim loại thay đổi ít (max =1,429%) - Các chi tiết làm bằng nhựa tăng nhẹ (max = 3,156%) - Các chi tiết cao su tăng (max = 10,17%)

Từ các kết quả trên ta có thể nhận thấy ảnh hưởng của xăng pha cồn đến các chi tiết của hệ thống nhiên liệu là không đáng kể. Tuy nhiên đây mới là thử nghiệm cho một loại xe máy. Cần phải có nhiều thí nghiệm cụ thể để đánh giá

chính xác hơn ảnh hưởng của xăng pha cồn đến hệ thống nhiên liệu động cơ xăng.

Cũng cần phải kể thêm nghiên cứu sử dụng xăng pha ethanol ở Việt Nam còn được thực hiện bởi khá nhiều các đơn vị khác ở nhiều quy mô khác nhau. Đề tài độc lập cấp nhà nước của KS. Cù Việt Cường, Công ty CP phát triển phụ gia và sản phẩm dầu mỏ (APP) về “Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học có pha ethanol và một số hợp chất có nguồn gốc thực vật”, hoàn thành năm 2006. Nghiên cứu sử dụng xăng E5 trên 50 taxi TP Hà Nội năm 2008 do Công ty Cổ phần Hóa dầu & nhiên liệu sinh học dầu khí, Tập đoàn dầu khí quốc gia VN thực hiện, tuy nhiên kiết quả nghiên cứu chưa được công bố rộng rãi. Ở thời điểm hiện tại, Viện Dầu khí thuộc tập đoàn Dầu khí quốc gia VN phối hợp với phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện một nghiên cứu về lựa chọn các chất phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu khoáng gốc (xăng và diesel) nhằm đảm bảo yêu cầu chất lượng nhiên liệu trong quá trình bảo quản và sử dụng, đồng thời đảm bảo tính an toàn môi trường của nhiên liệu.

Vậy từ những kết quả nghiên cứu trên ta thể thấy rằng: Nhiên liệu B5, B10, B20 có thể sử dụng cho động cơ diesel mà không giảm nhiều đến công suất động cơ trong khi lại có lợi về tiêu hao nhiên liệu và lượng phát thải độc hại giảm đáng kể. Còn với động cơ xăng thì khi sử dụng E5, E10 công suất động cơ có xu hướng tăng lên trong khi lượng khí thải đôc hại giàm đáng kể. Các loại nhiên liệu trên không ảnh hưởng đáng kể đến độ bền của chi tiết trong hệ thống nhiên liệu của động cơ.

CHƯƠNG III

GIẢI PHÁP NÂNG CAO TỈ LỆ TIÊU THỤ NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ở VIỆT NAM

3.1 TĂNG TỈ LỆ ETHANOL TRONG NHIÊN LIỆU XĂNG SINH HỌC

Theo lộ trình từ ngày 1/12/2015 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E5; từ ngày 1/12/2017 xăng được sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E10.

Nếu các dự án đầu tư được triển khai đúng tiến độ, đến năm 2015, cả nước sẽ có 13 nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu với tổng công suất thiết kế đạt khoảng 858.000 tấn, đủ để phối trộn 8,5 triệu tấn xăng E10 (và bằng khoảng 17 triệu tấn E5). Trong khi đó, lượng xăng dầu các loại tiêu thụ hàng năm khoảng 16,5 triệu tấn. Nếu tính tương đối thì chỉ lượng xăng tiêu thụ cho các loại phương tiện cơ giới một năm khoảng 8 triệu tấn. Như vậy nếu theo đúng lộ trình thì đến năm 2015 lượng ethanol nhiên liệu sản xuất ra không tiêu thụ được trong nội địa là rất lớn. Lượng ethanol sản xuất ra không tiêu thụ được làm ảnh hưởng đến sản xuất của các nhà máy, làm giảm tiến trình phát triển kinh tế xã hội.

Chính vì vậy, để giải quyết bài toán đầu ra cho sản phẩm nhiên liệu E5 thì Việt Nam cần phải đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng nhằm tăng tỉ lệ ethanol pha vào xăng như E10, E15, E20, E30... E85, E100 cho các phương tiện giao thông đang lưu hành. Tuy nhiên với những loại xăng sinh học này, trong điều kiện Việt Nam, cần phải có những nghiên cứu mang tính quy mô về tương thích của động cơ, nhất là đối với những động cơ đời cũ được thiết kế theo định hướng của nhiên liệu hóa thạch.

Luận án Tiến sĩ của tác giả Phạm Hữu Truyền “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-ethanol sử dụng trong động cơ xăng” [17], đã xây dựng thành công các mô hình mô phỏng 1 chiều chu trình công tác và nhiệt động học động cơ xe máy và ô tô 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 nhiên liệu sinh học có tỷ lệ ethanol lớn như E10, E15, E20, E85. Đây là cơ sử để giải thích, đánh giá các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và đưa ra định hướng điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ nhằm đạt được công suất đầu ra theo yêu cầu.

Dựa trên các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành và hệ thống trang thiết bị đánh giá hiện có ở Việt Nam, luận án đã đề xuất các quy trình đánh giá tương thích của động cơ xăng đối với nhiên liệu sinh học, 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 áp dụng thành công các quy trình đánh giá tương thích vật liệu và quy trình đánh giá đối chứng tính năng của động cơ xe máy và ô tô khi sử dụng các loại nhiên liệu sinh học E10, E15, E20.

Các kết quả nghiên cứu tương thích vật liệu cho thấy:

- Các chi tiết làm bằng kim loại như kim ba cạnh trong bộ chế hòa khí, tác động của E10, E15 và E20 so với xăng thông thường RON92 là tương đương. Tuy nhiên các chi tiết bằng kim loại màu như đồng, vật liệu của các chi tiết như giclơ nhiên liệu, vít điều chỉnh không khí, vít điều chỉnh xăng ở chế độ không tải, vít xả xăng... thì E10, E15, E20 có tác động oxy hóa bề mặt, làm sỉn màu, gây rỗ bề mặt mạnh hơn so với xăng RON92. Các lớp oxit kim loại theo thời gian và tùy vào điều kiện hoạt động cụ thể của động cơ có thể bong tróc tạo hạt và đi vào khe hở của các bề mặt chuyển động làm tăng mức độ mài mòn của chi tiết. Đồng thời khi lớp oxit bong tróc cũng làm thay đổi các kích thước như

đường kính lỗ giclơ, mòn vít điều chỉnh xăng, vít điều chỉnh không khí dẫn đến sai lệch trong việc định lượng nhiên liệu và không khí tạo hỗn hợp trong bộ chế hòa khí. (phụ lục 3).

- Các giắc nối bơm điện bằng đồng bị oxy hóa dẫn đến hiện tượng tiếp xúc điện kém. Ngoài ra, lớp kim loại tráng phủ trên mặt bộ báo mức xăng bị oxy hóa nhiều hơn có thể dẫn đến việc báo mức xăng bị sai lệch.

- Các chi tiết phi kim (nhựa, cao su, giấy...) khi ngâm trong xăng RON92 và E10, E15, E20 đều có hiện tượng phôi màu trong đó mức độ phôi màu của các chi tiết khi ngâm nhiên liệu sinh học mạnh hơn. Đồng thời trên các mẫu giấy lọc cũng thu được nhiều cặn bẩn, màng bám chứng tỏ vật liệu của các chi tiết bong ra. Trên thực tế cặn bẩn hình thành trong quá trình vận hành trước đó của xe nằm trong hệ thống cung cấp nhiên liệu hoặc trong thùng chứa nhiên liệu có thể hòa lẫn vào nhiên liệu sinh học và đi đến bọ phận lọc gây tắc.

- Các chi tiết bằng nhựa như vỏ bộ lọc, lưới lọc băng nhựa... tiếp xúc thời gian dài với nhiên liệu sinh học bị chuyển sang màu vàng rõ hơn. Các chi tiết phao xăng trong thùng nhiên liệu bị giảm khói lượng dẫn đến sai lệch mức xăng trong buồng phao. Tuy nhiên ảnh hưởng của E10 là không đáng kể vì vậy có thể coi E10 là tương thích.

- Các chi tiết cao su như màng bơm tăng tốc của bộ chế hòa khí bị biến dạng nhiều hơn đối với các nhiên liệu E10, E15, E20, vòng roăng làm kín trở nên cứng hơn, khối lượng các chi tiết này tăng lên do bị trương nở, lão hóa. Các chi tiết này cần lưu ý khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học.

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm (phụ lục 4) dựa trên quy trình đánh giá tính năng động cơ và phương tiện cho thấy:

- Công suất động cơ xe máy khi sử dụng xăng E10 có xu hướng tăng nhẹ, trung bình khoảng 4,4% ở tay số III và 1,7% ở tay số IV. Suất tiêu hao nhiên liệu được cải thiện ở mức lớn nhất là 6,25% tại tay ga số III. Trong khi đó E15 và

E20 có công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ít thay đổi so với xăng RON92. từ các kết quả thực nghiệm (phụ lục 4) ta biểu diễn được sự thay đổi công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo hình 3.1, hình 3.2.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 20 25 30 35 40 RON92 E10 E15 E20 Ne(kW) km/h

Hình 3.1. Công suất động cơ xe máy ở tay ga số III

360 380 400 420 440 460 480 20 25 30 35 40 RON92 E10 E15 E20 Ne(kW) km/h

Hình 3.2. Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ xe máy ở tay ga số III

Phát thải CO và HO giảm mạnh trong khi NOx tăng do quá trình cháy được cải thiện rõ khi sử dụng xăng sinh học. Phát thải CO2 tăng lên nhờ quá trình cháy hoàn hảo hơn đã chuyển phần lớn CO thành CO2.

Thời gian tăng tốc từ 20km/h đến 70km/h của nhiên liêu RON92; E10; E15; E20 lần lượt là: 16,04; 15,537; 15,012; 16,127 (giây). Khi thử nghiệm với xăng E10, E15, thời gian tăng tốc còn tốt hơn xăng RON92 trong khoảng tay ga thử.

Như vậy động cơ xe máy sử dụng xăng sinh học đến E20 không cần thiết phải điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp. Tuy nhiên thời điểm đánh lửa có thể phải điều chỉnh theo hướng giảm góc đánh lửa sớm do thời gian cháy trễ của xăng E20 giảm đi rõ rệt so với khi sử dụng xăng RON92.

- Đối với động cơ ô tô, xu hướng thay đổi công suất động cơ ô tô khi sử dụng nhiên liệu xăng sinh học với tỷ lệ khác nhau cũng tương tự như xe máy. Thử nghiệm xe ô tô phun xăng điện tử cho thấy công suất động cơ với E15, E20 rất ít thay đổi so với xăng thông thường, trong khi công suất động cơ E20 thì giảm trung bình 3%. Đối với xe dùng chế hòa khí công suất động cơ dùng E10, E15, E20 đều có xu hướng tăng tương ứng 7,91%, 6,81% và 6,97%. Điều này thể hiện rõ ưu việt đối với những loại xe đời cũ này.

- Khi sử dụng E10, E15, E20 khả năng khởi động lạnh và khởi động nóng đối với các loại nhiên liệu này tương tự với xăng RON92, tuy nhiên nếu tăng tỷ lệ ethanol lên cao hơn nữa thì khả năng khởi động có thể bị ảnh hưởng do nhiệt hóa hơi của nhiên liệu cao hơn làm lạnh đường ống nạp và cần có biện pháp sấy đường ống nạp hoặc sấy nóng nhiên liệu khi khởi động lạnh. Khả năng tăng tốc của xe sử dụng E10, E15 cũng không bị ảnh hưởng thậm chí còn được cải thiện chút ít so với xăng RON92. Tuy nhiên đối với nhiên liệu có tỷ lệ ethanol từ 20% trở lên thì chú ý đến góc đánh lửa sớm.

Ta thấy rằng các thực nghiệm đánh giá độ bền và tuổi thọ của động cơ xe máy và ô tô khi sử dụng xăng E10 và xăng thông thường là khá tương đồng nhau và đều nằm trong giới hạn cho phép về mòn cũng như biến đổi các tính chất của dầu bôi trơn. Tuy nhiên xăng E10 có ảnh hưởng rõ nét hơn đối với sự biến đổi

của áp suất nén, công suất, lượng tiêu thụ nhiên liệu, phát thải, mức độ mài mòn cũng như chất lượng dầu bôi trơn.

Vậy để nâng cao tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học, cần phải quan tâm tới việc điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cấp, điều chỉnh thời điểm đánh lửa và chú ý tới điều kiện khởi động lạnh. Nghiên cứu cho thấy không cần thiết phải thay đổi chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho động cơ xe máy và ô tô dụng chế hòa khí khi sử dụng xăng E10, E15, E20. Tuy nhiên nếu hàm lượng ethanol lớn hơn 20% thì cần phải xem xét để có biện pháp hỗ trợ tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ. Đối với động cơ phun xăng điện tử đời cũ cần phải điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cấp và thời điểm đánh lửa khi sử dụng nhiên liệu E20. Còn với nhiên liệu E10 thì không cân phải có sự tác động đến lượng nhiên liệu cấp và thời điểm đánh lửa.

Từ các kết quả nghiên cứu thử nghiệm trên tác giả xin mạnh dạn đề xuất lộ trình sử dụng nhiên liệu xăng sinh học tại Việt Nam như sau:

- Từ năm 2015 – 2016: Sử dụng xăng E5 và E10 trên toàn quốc đối với các loại phương tiện xe máy và xe ô tô. (Trong giai đoạn này chúng ta cần hoàn thiện các dự án sản xuất ethanol để đi vào hoạt động ổn định đồng thời các đơn vị kinh doanh cung cấp xăng cần hoàn thiện hệ thống phối trộn xăng truyền thống với ethanol nhiên liệu).

- Từ năm 2016 – 2018: Sử dụng xăng E10 trên toàn quốc đối với xe máy và ô tô ( trong giai đoạn này các nhà sản xuất ô tô xe máy phải nghiên cứu sử dụng các hệ thống nhiên liệu linh hoạt để đáp ứng nhu cầu sử dụng xăng sinh học).

Từ năm 2018 – 2025: Sử dụng xăng E15 đối với xe máy và ô tô.

Từ năm 2025 có thể sử dụng các loại xăng sinh học có tỷ lệ ethanol cao như E20, E30, E85, E100. Tùy thuộc vào thiết kế, chất lượng của các nhà sản xuất phương tiện ô tô, xe máy.

Để đáp ứng được lộ trình này thì Việt Nam cần phải có các biện pháp cụ thể để phát triển nguồn cung cấp nguyên liệu ethanol ổn định đồng tạo điều kiện thuận lợi cho các cơ sở kinh doanh lắp đặt hệ thống các dây truyền phối trộn xăng sinh học đảm bảo cung ứng đủ cho thị trường tiêu thụ.

3.2 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN NHIÊN LIỆU DIESEL PHA CỒN

Hiện nay nước ta chưa có tiêu chuẩn quốc gia cho nhiên liệu diesel pha cồn, nhưng chúng ta đã có TCVN 7717 : 2007 (ASTM D6751) quy định về yêu cầu kỹ thuật đối với chất ượng nhiên liệu diesel sinh học gốc B100, tiếp đến là TCVN 8064:2009 quy định về yêu cầu kỹ thuật đối với chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu diesel – B5 sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel.

Trên thế giới cũng vậy, hỗn hợp diesel và cồn chưa được quy định ở bất kỳ quốc gia nào, vì vậy loại nhiên liệu này chưa được bán như nhiên liệu diesel hoặc các loại nhiên liệu khác. Theo một thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Mỹ đối với 3 mẫu nhiên liệu: diesel, ED10 (10% cồn pha với dầu