6. Các nội dung chính trong đề tài
1.3.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho độngcơ diesel
Tình hình nghiên cứu trong nước
Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế tiềm năng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel, đồng thời có khả năng cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Điển hình gồm các nghiên cứu sau:
Nghiên cứu đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5% và 10% [32]. Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu thay đổi không đáng kể, phát thải HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx
tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc.
Đối với sử dụng ethanol cho động cơ diesel bằng phương pháp phun ethanol vào xupáp nạp và điều khiển phối hợp lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol phù hợp với các chế độ làm việc khác nhau của động cơ có thể kể đến công trình [1]. Đề tài đã đưa ra được phương pháp và cơ sở khoa học chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol, có thể áp dụng
linh hoạt cho các động cơ phổ biến ở Việt Nam nhằm tăng tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu sinh học. Cụ thể, đã chuyển đổi thành công một động cơ diesel D4BB sang chạy lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol thông qua thiết kế cải tiến và chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu với điều kiện giữ nguyên mô men, tỷ lệ thay thế ethanol tối ưu ở mọi chế độ làm việc của động cơ. Động cơ làm việc bình thường ở mọi chế độ ổn định cũng như chuyển tiếp, giảm phát thải.
Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ được tác giả Lê Danh Quang thực hiện trong luận án tiến sĩ (2014) "Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh
học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ" cho thấy: Khi thử
nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-D đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel D243, kết quả là ở thời điểm 0 giờ mô men động cơ tăng trung bình 5,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 2,5%, các thành phần phát thải đều giảm, cụ thể: CO: 3,5%; HC: 6,6%; NOx: 5,5%; CO2: 0,86% và PM: 3,3% khi so sánh với trường hợp không sử dụng phụ gia. Kết quả thử nghiệm mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả của động cơ tại các thời điểm 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định không thay đổi nhiều so với thời điểm 0 giờ. Sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với nhiên liệu D5 có phụ gia VPI-D, lượng phát thải được cải thiện. Cụ thể, sau 50 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 3,9%, 14,7%, 3,6%, 1,2% và 4,3; sau 100 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 5%, 16,3%, 8,4%, 2,2% và 6%.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Qua các kết quả chỉ ra trong các công trình từ [11] ÷ [42], nhận thấy có một vài công nghệ có thể ứng dụng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu ethanol sau:
+ Sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn; + Ethanol phun trực tiếp;
+ Ethanol phun trên đường ống nạp.
Sau đây sẽ giới thiệu các kết quả của một vài công trình điển hình về sử dụng ethanol theo các phương thức như trên.
* Sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn
E.A. Ajav và các cộng sự [33] đã nghiên cứu thực nghiệm một số thông số hiệu suất của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn tại tốc độ động cơ không đổi. Trong nghiên cứu sử dụng động cơ TV110, một xy lanh, làm mát bằng dung dịch. Kết quả cho thấy công suất lớn nhất của động cơ diesel nguyên bản đạt 10,71 [ml] tại tốc độ 1475 [vg/ph], công suất lớn nhất đạt lần lượt là 10,66; 10,63; 10,51; 10,39 [ml] tương ứng với các tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5%; 10%; 15% và 20%. Như vậy, có thể coi công suất động cơ giảm không đáng kể khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ thay thế có thể đạt đến 20% so với động cơ diesel nguyên bản.
Theo nghiên cứu của Eugene EE và các cộng sự [34] thì động cơ cần một số điều chỉnh nhỏ như thay đổi thời điểm phun và lượng phun để động cơ giữ được công suất cực đại, mức độ điều chỉnh nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu và phụ thuộc vào ảnh hưởng của ethanol đến quá trình cháy.
Theo nghiên cứu của Alan C. Hansen và các cộng sự [35] thì ethanol khan có thể hòa trộn với nhiên liệu diesel, tuy nhiên do ethanol có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ. Theo nghiên cứu của Murayama T và các cộng sự [36] cho biết, khả năng hòa tan của hỗn hợp diesel - ethanol phụ thuộc vào tỷ lệ hòa trộn, nhiệt độ, hàm lượng nước, nồng độ chất phụ gia và trọng lượng riêng của nhiên liệu diesel. So với
các loại nhiên liệu diesel thông thường, các loại nhiên liệu pha trộn cho hiệu suất nhiệt tốt hơn, độ khói giảm, và phát thải HC, NOx, CO giảm.
Do ethanol có tính chất cơ lý khác với nhiên liệu diesel nên khi thêm ethanol vào diesel sẽ làm thay đổi tính chất cơ lý của nhiên liệu gốc như làm giảm mạnh trị số cetan cũng như độ nhớt và nhiệt trị của hỗn hợp. Với lý do này động cơ sẽ khó khởi động lạnh, hiện tượng rò rỉ nhiên liệu tăng lên đồng thời chiều dày màng dập lửa tăng do nhiệt hóa hơi của ethanol cao.
Weidmann và các cộng sự [37] đã tiến hành đo đặc tính của động cơ diesel bốn xy lanh Volkswagen sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha ethanol, kết quả cho thấy HC, CO và andehit trong khí thải tăng lên, tuy nhiên NOx và độ khói giảm so với chạy nhiên liệu diesel.
Czerwinski và các cộng sự [38] đã xây dựng đặc tính của động cơ diesel bốn xy lanh phun trực tiếp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30% thể tích ethanol và 15% thể tích dầu hạt cải. Kết quả cho thấy khi thêm ethanol sẽ làm cho nhiệt độ cháy giảm, tất cả chất độc hại trong khí thải giảm ở toàn tải, tuy nhiên lượng CO và HC tăng tại tải nhỏ và tốc độ thấp.
Qua việc phân tích các công trình đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel- ethanol hòa trộn sẵn cho thấy ưu điểm của phương pháp này là không phải thay đổi kết cấu động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất động cơ. Tuy nhiên phương pháp này không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn trong quá trình sử dụng.
* Ethanol phun trực tiếp
Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng một động cơ, trong đó ethanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy bằng nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun của ethanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất. Theo nghiên cứu của Savage LD [39], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên tới 90% trong điều kiện lý tưởng. Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm dịu, độ mờ khói và khí thải rất thấp. Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp.
* Ethanol phun trên đường ống nạp
Phương pháp thứ ba là ethanol hòa trộn với không khí nạp trước khi đi vào xy lanh động cơ. Theo phương pháp này M.Abu-Qudais và các cộng sự [40] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai trường hợp phun ethanol trên đường ống nạp và diesel - ethanol hòa trộn sẵn đến đặc tính và phát thải của động cơ diesel một xy lanh, bốn kỳ, làm mát bằng dung dịch.
Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% và 5,4% trên toàn dải tốc độ lần lượt trong hai trường hợp: phun ethanol trên đường ống nạp và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn. Về phát thải cho thấy CO, HC đều tăng trong khi độ khói và soot giảm so với khi sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản. Tỷ lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20% và 15% trong lần lượt hai trường hợp phun ethanol và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn.
Từ các kết quả trên, cho thấy khi sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế với tỷ lệ thay thế 20% trong các trường hợp thì phát thải CO, HC tăng và phát thải độ khói và soot đều giảm. Phát thải CO và HC tăng dẫn đến tỷ lệ ethanol có thể sử dụng bị giới hạn. Ngoài ra, sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp trên đường ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên
phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó.
Ogawa H và cộng sự [41] đã tiến hành thiết lập đặc tính của động cơ diesel một xy lanh 0,83 dm3 phun trực tiếp sử dụng hai hệ thống nhiên liệu, bao gồm hệ thống phun diesel Common - Rail (CR) và hệ thống phun ethanol trên đường ống nạp, đồng thời sử dụng phương pháp luân hồi khí thải EGR. Kết quả cho thấy với 20% ethanol và lượng oxy trong khí nạp giảm 15%, độ khói và NOx đều giảm trên toàn bộ dải làm việc của động cơ. Nếu kết hợp tốt giữa việc phối trộn ethanol và EGR thì có thể cho phép độ khói bằng không đồng thời hàm lượng NOx giảm mạnh. Kết quả còn cho thấy cần phải giảm tỷ số nén nhằm đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol đồng thời loại bỏ hiện tượng mất lửa và gõ trong xy lanh.
Ngoài ra có thể kể đến Volpato và cộng sự [42] đã nghiên cứu điều khiển động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ nông nghiệp MWM MS-4001P sử dụng bơm phân phối piston hướng kính, ethanol được phun vào đường ống nạp, trong đó nhiên liệu diesel được phun vào buồng cháy của động cơ ở dạng phun mồi nhằm kích hoạt nhiên liệu ethanol cháy chính. Kết quả cho thấy công suất và mô men động cơ vẫn đảm bảo mặc dù tỷ lệ ethanol thay thế từ 60 ÷ 85% tại chế độ tải 100%.
Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol trên đường ống nạp có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hòa khí hoặc sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp phun trước xupáp nạp. Mặc dù phương pháp này phải cần hai hệ thống nhiên liệu và điều khiển độc lập, làm tăng mức độ phức tạp trong quá trình điều khiển, tuy nhiên phương pháp này giải quyết được các nhược điểm của hai phương pháp trên, và có các ưu điểm như sau:
- Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên đường ống nạp.
- Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp;
- Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng;
- Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ không khí nạp nạp vào động cơ;
- Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ.