v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.3.1. Ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn tới phát thải của động cơ
Nhiên liệu xăng pha cồn đang nhận được sự quan tâm rất lớn của Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới. Phát triển sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn sẽ góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt nguồn năng lượng, giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu.
Nhiều nghiên cứu cho thấy, động cơ sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ ethanol thấp (nhỏ hơn 20%) thường cho kết quả về công suất, mômen tốt hơn, mức tiêu thụ nhiên liệu có thể cao hơn một chút. Tuy nhiên phát thải được cải thiện rõ rệt so với xăng truyền thống. Cụ thể các nghiên cứu cho thấy sử dụng xăng pha cồn giúp giảm đáng kể HC, CO. Phát thải NOx thay đổi tùy từng trường hợp, phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu [41-49].
M. Al-Hasan và cộng sự đã tiến hành thử nghiệm với động cơ xăng 4 xy lanh, tỷ số nén 9:1 đối với xăng pha cồn có tỷ lệ ethanol thay đổi từ 0% đến 25%, tại các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph, bướm ga mở 75% [42]. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng tỷ lệ ethanol, hệ số dư lượng không khí tương đương (tỷ lệ nghịch với hệ số dư lượng không khí λ) giảm xuống, tức là hỗn hợp có xu hướng nhạt dần (Hình 1.15a). Điều này được lý giải bởi hai nguyên nhân:
- So với nhiên liệu xăng khoáng, lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 đơn vị khối lượng xăng pha cồn giảm.
- Lượng ô xy nạp vào trong xy lanh động cơ tăng vì ngoài lượng ô xy trong không khí nạp còn có một lượng ô xy chứa sẵn trong xăng pha cồn.
a) b)
Hình 1.15. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương (a) và hệ số nạp (b) [42]
Về phát thải, lượng phát thải CO, HC giảm và đạt giá trị thấp nhất ở E20 (Hình 1.16). Nguyên nhân là do quá trình cháy được cải thiện nhờ các ưu điểm của xăng pha cồn như đã phân tích ở trên và phù hợp với xu hướng thay đổi mômen động cơ.
Hình 1.16. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới phát thải CO, HC và CO2 [42]
Hình 1.17. Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới phát thải NOx [43]
Mustafa Koç, Yakup Sekmen tiến hành thử nghiệm đánh giá với các nhiên liệu có tỷ lệ ethanol cao như E50 và E85 cũng cho thấy CO và đặc biệt HC giảm nhiều so với xăng truyền thống [43]. Hàm lượng NOx trong trường hợp này cũng có xu hướng giảm (Hình 1.17). Sự hình thành NOx chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ đỉnh và lượng ô xy có mặt trong quá trình cháy, trong đó hình thành nhiều nhất tại nhiệt độ trên 1500oC và hỗn hợp hơi nhạt (hệ số dư lượng không khí lớn hơn 1 một chút) [50, 51]. Sự giảm NOx được giải thích do nhiệt hóa hơi của E50 và E85 lớn hơn E0 nên làm giảm nhiệt độ màng lửa. Kết quả giảm NOx cũng thu được ở một số nghiên cứu khác [49,50].
Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại cho kết quả hàm lượng NOx tăng khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu [52,53]. Thử nghiệm đối với động cơ có bộ chế hòa khí, không điều chỉnh lượng nhiên liệu theo tỷ lệ ethanol trong xăng pha cồn (điều khiển vòng hở) theo chu trình thử FTP75, khi tỷ lệ ethanol tăng từ 0 đến 20% thì lượng HC
và CO giảm trong khi NOx tăng khoảng 30% với E20 [52]. Cũng với chu trình thử FTP nhưng với các động cơ phun xăng điện tử điều khiển vòng kín và xăng pha cồn có tỷ lệ cồn từ 0% đến 40% cho thấy NOx tăng chậm đều tới E30 (tăng khoảng 28% với E30) nhưng sau đó tăng nhanh (tới 90% với E40) [53]. Kết quả này cũng phù hợp với thử nghiệm E20 trên một số mẫu xe sản xuất năm 2001 với chu trình thử Australia ADR37/01 [54], trung bình NOx tăng tới 48% so với trường hợp sử dụng xăng thông thường, trong khi HC và CO giảm cùng với xu hướng ở trên.
Hình 1.18. Hàm lượng phát thải khi giữ nguyên lượng nhiên liệu cung cấp [55]
Trong trường hợp giữ cố định lượng nhiên liệu cung cấp và lượng không khí nạp, khi tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu sẽ làm cho hỗn hợp nhạt dần và có ảnh hưởng khá rõ rệt tới hàm lượng NOx. Với hệ số dư lượng không khí λ ban đầu là 0,847, tức là hỗn hợp đậm, thử nghiệm trên động cơ 1 xylanh cho thấy khi tỷ lệ ethanol tăng đến 20%, λ tăng đến 0,925 và hàm lượng NOx tăng tới 60% (Hình 1.18) [55].
Ngoài ra, khi sử dụng xăng pha cồn có thể làm tăng một số hợp chất carbonyl không quy định trong các tiêu chuẩn phát thải như formaldehyde, acetaldehyde và acetone; tuy nhiên, lại làm giảm hàm lượng benzen, toluene là các thành phần có mức độ độc hại rất cao trong khí thải động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng thông thường [56]. Vì vậy khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn có tỷ lệ ethanol cao vẫn đảm bảo giảm được mức độ độc hại nói chung trong khí thải động cơ.