Độ bay hơi của nhiên liệu thể hiện qua áp suất hơi Reid (RVP). RVP của Ethanol thấp hơn RVP của xăng nhiều. Tuy nhiên, RVP của xăng sinh học không tuân theo quan hệ tuyến tính với tỷ lệ Ethanol trong nhiên liệu. Hàm lượng Ethanol thấp trong xăng sẽ gây ra sự tăng RVP.
23
Áp suất hơi tăng đến giá trị cực đại khi hàm lượng Ethanol trong nhiên liệu khoảng 10% thể tích và bắt đầu giảm khi tiếp tục tăng hàm lượng Ethanol (Hình 1.3). Như vậy hỗn hợp nhiên liệu có hàm lượng Ethanol lớn hơn 10% sẽ có sự tăng nhẹ hơn về RVP. Theo các nghiên cứu, khi thêm Ethanol, xăng có áp suất hơi bản thân thấp sẽ có độ tăng áp suất hơi cao hơn so với xăng có áp suất hơi cao.
c.Trị số Octan
Khi tỷ số nén trong một động cơ càng lớn có nghĩa là hiệu suất chu trình tăng lên và hiệu quả đạt được lớn hơn, tuy nhiên khi tăng tỷ số nén cao có thể dẫn đến kích nổ. Ethanol có trị số Octan tương đối cao và làm tăng đáng kể trị số Octan của xăng thông thường sau khi phối trộn với nhau. Hiệu quả của việc trộn này đạt giá trị cao nhất đối với chủng loại xăng cấp thấp. Như vậy phối trộn Ethanol với xăng thông thường có thể loại bỏ việc sử dụng các phụ gia chống kích nổ truyền thống gây ô nhiễm như Tetra etyl chì. Việc pha 10 - 15% Ethanol vào xăng không chì làm tăng trị số Octan đến giá trị cho phép có thể được sử dụng để đốt trong động cơ tỷ số nén cao mà trước đây không thể sử dụng cho nhiên liệu xăng không chì truyền thống. Việc sử dụng Ethanol không phải là mới do Ethanol đã từng được sử dụng làm phụ gia tăng trị số Octan[19].
24
d. Hiệu ứng làm giảm tỷ lệ không khí/nhiên liệu (tỷ lệ A/F)
Xăng là hỗn hợp của các Hydrocacbon chỉ chứa H và C, Ethanol chứa H, C và O. Tỷ lệ A/F cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu để tạo thành CO2 và nước gọi là tỷ lệ hỗn hợp công tác A/F lý tưởng (Stoichiometric ratio). Với xăng, tỷ lệ này vào khoảng 14,7:1 (theo khối lượng). Với xăng sinh học, không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu cần ít hơn do trong bản thân Ethanol đã có ôxy và do một số Hydrocacbon được thay thế. lấy ví dụ, một nhiên liệu chứa 10% Ethanol chỉ yêu cầu A/F từ 14:1 đến 14,1:1.
e. Phân tách pha do sự có mặt của nước
Sự phân tách pha xảy ra khi hàm lượng nước trong xăng quá cao. Nước có tỷ trọng lớn hơn xăng nên lắng xuống phía dưới khi phân tách. Do nhiên liệu thường được lấy ở gần đáy thùng chứa, nên nước trong nhiên liệu sẽ ảnh hưởng tới động cơ tính năng kỹ thuật động cơ và tăng cường quá trình ăn mòn, lão hóa các chi tiết. Các loại xăng thông thường chỉ có thể hấp thụ một lượng nhỏ nước trước khi sự phân tách pha xảy ra. Nhiên liệu xăng sinh học có thể hấp thụ một lượng nước lớn. Nhiên liệu xăng sinh học thực tế có chức năng làm khô thùng chứa nhờ sự hấp thụ nước đáng kể mà không xảy ra sự phân tách pha do khả năng hoà tan của nước trong Ethanol cao của Ethanol và cho phép sử dụng trực tiếp trong động cơ. Tuy nhiên nếu lượng nước
Hình 1.4. Sự tăng trị số Octan khi tăng tỉ lệ Ethanol
25
quá cao, nước và phần lớn Ethanol sẽ phân tách và lắng xuống phía dưới thùng nhiên liệu. Lượng nước có thể được hấp thụ trong nhiên liệu xăng sinh học mà không xảy ra sự phân tách pha trong thay đổi từ 0,3 - 0,5% thể tích, tuỳ thuộc vào nhiệt độ.
* Ảnh hưởng của xăng sinh học đến môi trường
Động cơ sử dụng Ethanol giảm phát thải khí nhà kính, giảm được khí CO2 và khí độc hại. Thêm vào đó, phát thải CO2 lại được cây hấp thụ lại để tái tạo Ethanol, như vậy coi như không có làm gia tăng khí CO2 trong khí quyển. Do Ethanol có chứa tới 34,7% khối lượng Ôxy nên xăng sinh học cũng chứa một tỷ lệ Ôxy nhất định giúp cải thiện quá trình cháy, qua đó phần lớn các phát thải độc hại trong khí thải động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng được giảm. Xăng sinh học chứa ít lưu huỳnh và các Hydrocacbon thơm nên giảm các sản phẩm cháy có chứa lưu huỳnh trong khí thải, hạn chế sự hình thành mưa axit. Tuy nhiên do xăng sinh học dễ bay hơi hơn xăng thông thường nên có xu hướng làm tăng phát thải HC do bay hơi. Thêm vào đó, hàm lượng Acetaldehyde trong khí thải động cơ sử dụng xăng sinh học có thể tăng lên.
1.2.3 Quy trình công nghệ phối trộn xăng sinh học
* Công nghệ phối trộn
Phối trộn là quá trình kết hợp các vật liệu khác nhau để tạo thành sản phẩm đồng nhất. Thuật ngữ trộn được biết rõ ràng hơn với quá trình trộn lỏng-lỏng, khí-lỏng và vật liệu có tính nhớt. Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm để tạo thành dung dịch huyền phù, nhũ tương để tăng cường các quá trình truyền nhiệt, chuyển khối, phản ứng hóa học… Người ta có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí, bằng khí nén (sục khí) hoặc bằng tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng.
Phân loại các công nghệ phối trộn
+ Phối trộn bằng phương pháp khuấy
26 dụng lực đẩy hình học (Hình 1.5).
Các loại cánh khuấy thường được sử dụng trong công nghiệp là loại tấm, mái chèo bản, mái chèo hai thanh và mái chèo có thanh đặt chéo được sử dụng khi số vòng quay nhỏ, loại mỏ neo (chữ U), mỏ neo ghép hay loại chân vịt, loại tuốc bin được sử dụng khi số vòng quay lớn [5]. + Phối trộn bằng phương pháp tuần hoàn
Hai dòng nguyên liệu được hút lần lượt vào bể sau đó được đảo trộn trong theo cánh quay trong buồng bơm. Hệ thống phối trộn kiểu này có 2 dạng nạp liệu. Một là đường nạp liệu sử dụng ống mềm linh hoạt để hút nguyên liệu, hai là sử dụng phễu nạp liệu.
Hình 1.6 Các dạng nạp liệu của hệ thống phối trộn tuần hoàn
+ Phối trộn trong đường ống
Ngày nay, trong quá trình phối trộn lỏng - lỏng, người ta thường sử dụng thiết bị khuấy trộn đơn giản kiểu xoáy ốc - trộn tĩnh. Đây là thiết bị trộn trong đường ống mà trong đó các chất lỏng cần phối trộn được cho đi qua các khối hình học đặt bên trong đường ống.
+ Phối trộn bằng phương pháp sục khí trơ
Một phương pháp phối trộn khác, phương pháp trộn bằng cách sục khí trơ được
Hình 1.5. Mô hình phối trộn thùng có
27
áp dụng để trộn hai cấu tử lỏng linh động với nhau. Có 3 cách sục khí vào hỗn hợp chất lỏng là:
- Sục từ bộ phân phối khí từ dưới đáy thiết bị
- Sục khí bằng đường ống phân phối khí đi từ trên xuống đáy và được bố trí ở trung tâm thiết bị
- Xung quanh ống dẫn khí có các ống để tạo các bong bong khí nhỏ
- Sục khí tuần hoàn thông qua một
đường ống nối từ đáy thiết bị đến mặt chất lỏng .
Khí được sục vào trong lòng chất lỏng từ dưới đáy thiết bị qua bộ chia để phân tán bong bóng khí trong lòng hỗn hợp chất lỏng cần trộn theo kiểu tầng sôi. Ngày nay, nhằm nâng cao khả năng khuếch
tán của khí trong chất lỏng, người ta thiết kế ra loại máy sục chìm có thêm máy phản lực làm tăng khả năng phân phối khí, khuấy động dòng đối lưu tạo nhiều bong bóng khí nhỏ.
* Chế độ phối trộn
Có thể mô tả phối trộn như biện pháp kết hợp các thành phần độ nhớt khác nhau hoặc tỷ trọng khác nhau để tạo ra một chất có các tính chất đồng đều, không thay đổi theo thời gian.
Khi kết hợp các dung dịch hoặc các thể huyền phù để tạo ra chất đồng nhất liên tục thì độ nhớt của các dòng tới và độ nhớt cuối cùng của hỗn hợp sẽ quyết định đặc tính của quá trình khuấy phải áp dụng. Lưu lượng trong toàn hệ thống là yêu cầu đầu tiên vốn đòi hỏi sử dụng các bộ cánh khuấy dòng chảy theo hướng trục ở các hệ có độ nhớt thấp.
28
Có thể chia các quá trình phối trộn thành hai nhóm lớn:
- Phối trộn độ nhớt thấp < 50000 cP (< 50 Pa.s)
- Phối trộn độ nhớt cao > 50000 cP (> 50 Pa.s)
a. Phối trộn nhiên liệu độ nhớt thấp
Trong các áp dụng pha trộn độ nhớt thấp những yếu tố sau quyết định sự lựa chọn máy khuấy [6]:
- Điều kiện khởi động: Điều này liên quan đến chuyện máy trộn có chạy hay không khi pha thêm các thành phần. Nếu các chất lỏng tham gia quá trình được phép phân lớp trước khi trộn thì để đạt tới độ đồng đều có thể phải lâu hơn từ 5 tới 10 lần so với vừa chạy máy trộn vừa pha thêm các thành phần.
- Đặc trưng của các chất cần pha trộn: Điều này bao gồm độ nhớt và tỷ trọng của mỗi thành phần. Độ nhớt và/hoặc tỷ trọng càng khác nhau thì càng cần nhiều công suất. - Thời gian pha trộn: Điều này liên quan tới thời gian từ lúc tất cả thành phần đều được pha vào khi máy khuấy đang chạy tới lúc lượng chứa trong máy khuấy được pha trộn tới mức cần thiết cho quá trình.
- Kích thước và hình dạng thiết bị: thể tích thiết bị càng lớn thì công suất càng phải lớn để có được thời gian pha trộn cần thiết và khi tỉ số Z/T (tỉ số độ sâu chất lỏng trên đường kính thiết bị) tăng thường đòi hỏi quá trình khuấy nhiều hơn.
b. Phối trộn nhiên liệu độ nhớt cao
Phối trộn độ nhớt cao đóng vai trò quan trọng trong một số quá trình công nghiệp, tuy nhiên chỉ khoảng 2% nhiên liệu áp dụng phối trộn dạng này.
1.2.4 Chỉ tiêu chất lượng của Ethanol dùng để pha vào xăng
Để làm nhiên liệu pha vào xăng, Ethanol cần đạt được các chỉ tiêu nhất định. Các chỉ tiêu của Ethanol biến tính được xác định theo phương pháp ASTM 1613; ASTM D 5510; ASTM E 1064… hoặc theo tiêu chuẩn TCVN.
29
1.2.5 Chỉ tiêu chất lượng của xăng Ethanol
Sau khi tổng hợp Ethanol theo tiêu chuẩn quy định, có thể pha trộn nó với xăng để trở thành xăng sinh học. Theo các nghiên cứu trên thế giới với nồng độ Ethanol nhỏ hơn 10% không cần phải thay đổi cơ cấu của động cơ. Nếu nồng độ lớn hơn 10% phải có những điều chỉnh liên quan đến động cơ.
Việc pha Ethanol với xăng phải tuân thủ các tiêu chuẩn như tiêu chuẩn ASTM của Mỹ hoặc tiêu chuẩn của Châu Âu, về cơ bản được thể hiện trong Bảng (1.1)
Bảng 1.6 Các chỉ tiêu chất lượng của Ethanol dùng để pha với xăng
TT Tên chỉ tiêu Giới hạn quy định
1 Ethanol, % thể tích > 92,1
2 Methanol, % thể tích < 0,5
3 Nhựa tan trong dung môi, mg/100ml < 5,0
4 Hàm lượng các chất biến tính, % thể tích 1,96 – 4,76
5 Hàm lượng nước < 1
6 Độ axít (axít axetic) % khối lượng < 0,007
7 Hàm lượng các clorit vô cơ,ppm < 40
8 Hàm lượng đồng mg/kg < 0,1
9 Độ PH 6,5 - 9
10 Hàm lượng lưu huỳnh, ppm < 30
Nếu Ethanol vi phạm các tiêu chuẩn này có thể gây tác hại đối với động cơ hoặc sức khỏe con người và môi trường.
Về nhiệt trị của Ethanol bằng khoảng 2/3 của xăng thông thường, tuy nhiên khi sử dụng xăng có tỷ lệ Ethanol nhỏ hơn 15% thì công suất, suất tiêu hao nhiên liệu gần như không thay đổi vì hỗn hợp này làm cho quá trình cháy triệt để hơn, được thể hiện thông qua hàm lượng phát thải CO; HC được giảm đi đáng kể (CO giảm 25-35%; HC giảm 15-40%).
30
Về nguyên tắc Ethanol khan 99,5% hoàn toàn có thể làm nhiên liệu cho ô tô và xe máy. Tuy nhiên do đặc tính phân cực của cồn nên có thể gây ra ăn mòn kim loại, làm hỏng các chi tiết bằng cao su, nhựa có trong động cơ. Brazin; Mỹ sử dụng E85 tuy nhiên động cơ phải được sản xuất riêng như mẫu xe Saab 9-5 hoặc Ford Focus ở Châu Âu.
Tại Việt Nam cũng đã xây dựng tiêu chuẩn cho riêng mình (Bảng 1.2)
Bảng 1.7 Tiêu chuẩn TCVN của Ethanol dùng để pha với xăng (TCVN 7716-2007)
TT Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử
1 Hàm lượng Ethanol, % thể tích không
nhỏ hơn 92,1
TCVN 7864 (ASTM D 5501)
2 Hàm lượng Methanol, % thể tích không
lớn hơn 0.5
TCVN 7894 (EN 14110 )
3 Hàm lượng nước, % thể tích không lớn
hơn 1,0
TCVN 7893 (ASTM E 1064)
4
Độ axít (tính theo axít axetic
CH3COOH) % khối lượng không lớn hơn
0,007
TCVN 7892 (ASTM D 1613)
5 Hàm lượng clorua vô cơ, mmg/kg
không lớn hơn 40
TCVN 7716 (ASTM D 4806) (Phụ lục A)
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG I
Ethanol là một trong những loại nhiên liệu sinh học có tiềm năng lớn ở Việt Nam, do nước ta là một nước nông nghiệp, khả năng phát triển nguyên liệu sản xuất Ethanol từ sắn, ngô, mía là rất phong phú.
Dựa trên các tính chất lý hóa thì Ethanol phù hợp cho việc sử dụng trên các động cơ đánh lửa cưỡng bức như động cơ xăng. Tuy nhiên để có thể sử dụng an toàn cho phương tiện, tiêu chuẩn của Ethanol cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật quy định trong
31
các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật về nhiên liệu. Ngoài ra việc nghiên cứu tác động của xăng sinh học đến động cơ là hết sức cần thiết nhằm đưa ra các khuyến cáo cụ thể cho người sử dụng cũng như các cơ quan chức năng.
32
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VỀ ĐẶC TÍNH
VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI ĐỘC HẠI TRONG ĐỘNG CƠ
2.1 PHÂN LOẠI ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ CÁCH XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ
2.1.1 Chế độ làm việc và đặc tính của động cơ đốt trong
* Chế độ làm việc
Chế độ làm việc của động cơ được thể hiện bằng tổ hợp các thông số làm việc của nó như công suất Ne hay mô men Me và tốc độ vòng quay n.
Trong miền làm việc của động cơ, tốc độ n thay đổi từ nmin ứng với giới hạn ổn định của động cơ đến nmax ứng với giới hạn ứng suất cơ, ứng suất nhiệt và diễn biến bình thường của chu trình công tác.
Tại mỗi vị trí n = const trong miền làm việc, công suất Ne của động cơ thay đổi từ 0 (chế độ không tải) đến Nmax tại tốc độ vòng quay đó.
Chế độ làm việc được coi là ổn định khi các thông số làm việc như Me, n không đổi trong thời gian khảo sát. Khi đó mômen của động cơ cân bằng với mômen cản của máy công tác Me = Mc, hình 2-1. Chế độ làm việc của cụm thiết bị động cơ - máy công tác ổn định khi: 0 ) ( dn Mc Me d
Chế độ làm việc có các thông số làm việc thay đổi trong thời gian khảo sát gọi là chế độ làm việc không ổn định, ví dụ khi động cơ khởi động, tắt máy hay tăng giảm tốc độ
Ở đây chỉ khảo sát các chế độ làm việc ổn định của động cơ trong miền làm việc
của nó khi kéo máy công tác cụ thể.
Do đặc tính của các máy công tác khác nhau nên miền làm việc của cụm động cơ máy công tác cũng khác nhau
33
Động cơ trên các phương tiện cơ giới như ô tô, xe máy, máy kéo... công suất và tốc độ động cơ thay đổi trong một phạm vi rất rộng. Miền làm việc của cụm thiết bị, hình 2 - 1, là diện tích giới hạn bởi đường công suất lớn nhất ứng với vị trí cực đại của cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu và các đường giới hạn nmin và nmax.
* Các loại đặc tính động cơ đốt trong
Quan hệ giữa các thông số làm việc của động cơ như Mc, Nc, n, gc, Gnl… trong