2.2 Các nhóm phụ gia sử dụng cho nhiên liệu xăng pha cồn
2.2.2 Nhóm phụ gia trợ tan và chống phân tách pha
Về bản chất, ethanol tinh khiết (100%) có thể tan lẫn với xăng rất tốt. Nhưng ở một điều kiện nhất định nào đó, khi ethanol pha vào xăng vượt quá giới hạn có thể xảy ra sự phân bố khơng đồng nhất các thành phần có trong hỗn hợp nhiên liệu. Mặt khác, do ethanol có khả năng hút ẩm rất mạnh, nên nó tạo điều kiện cho nước dễ dàng xâm nhập từ ngoài vào hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol.
Các loại xăng thơng dụng chỉ có thể hấp thụ một lượng nhỏ nước tạo thành nhũ bền nước trong xăng. Nhưng đối với xăng-ethanol có thể hấp thụ một lượng nước lớn hơn. Lượng nước có thể được hấp thụ vào hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol mà không xảy ra sự phân tách pha vào khoảng 0,3 % theo thể tích ở nhiệt độ thường. Nếu lượng nước trong hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol q cao, do tính khơng bền vững của hệ xăng-ethanol-nước có thể xảy ra sự phân tách pha. Nước và ethanol có tỉ trọng lớn hơn xăng, nên lớp nước và ethanol ở phía dưới cùng. Lớp nhũ ở giữa chứa hỗn hợp nước, ethanol và một lượng nhỏ các chất hoà tan khác trong xăng. Lớp phía trên cùng là xăng và một phần còn lại là ethanol (hình 2.1). Việc phân tách pha này ảnh hưởng lớn đến chất lượng của nhiên liệu. Lớp xăng phía trên giảm chỉ số octan (khoảng 3-4 đơn vị) do bị mất một phần ethanol. Thông thường đường dẫn nhiên liệu nằm bên dưới thùng xăng nếu động cơ gặp phải lớp nước-ethanol này sẽ xảy ra hiện tượng nghẽn hơi.
Hình 2.2. Khi xảy ra sự phân tách pha trong nhiên liệu xăng-ethanol
Xăng
34
Chính vì vậy, để ethanol tan và phân tán đều trong hỗn hợp nhiên liệu xăng- ethanol, việc tìm kiếm lựa chọn phụ gia trợ tan và chống phân tách pha cho nhiên liệu xăng-ethanol được coi là ưu tiên số một.
Các phụ gia trợ tan và chống phân tách pha được nghiên cứu sử dụng nhiều là các rượu (ancol) như: iso-propanol, n-propanol, iso-butanol, n-butanol, n-hexanol... vì chúng tan được trong cả xăng và ethanol. Rượu n-hexanol hầu như không tan trong nước, có tác dụng chống sự phân tách pha giữa xăng và ethanol. Có thể sử dụng hỗn hợp giữa n-hexanol và một chất isome hóa như: metyl pentanol, etyl butanol... Khi đó, n-hexanol và chất isome có tác dụng gắn kết ethanol với xăng, giữ ổn định hỗn hợp nhiên liệu tránh được sự phân tách pha khi có nước. Cũng có thể sử dụng hỗn hợp n- hexanol với một chất hoạt động bề mặt khơng ion hóa và một amin có chức rượu. Có thể sử dụng thêm chất tạo nhũ để tránh sự phân tách pha được tốt hơn. Chất tạo nhũ thường được sử dụng là 3,5-dimetyl-1-hexyl-3-ol. Đây là một chất lỏng dễ bay hơi,
khơng màu, có điểm sơi từ 150÷151oC. Các chất hoạt động bề mặt khác giống 3,5-
dimetyl-1-hexyl-3-ol cũng có thể được sử dụng, chẳng hạn như hợp chất surfynol, chất này có tính bay hơi tốt, khi cháy khơng để lại cặn. Lượng chất hoạt động bề mặt chiếm khoảng 3÷5% trong chất ổn định. Phụ gia MEK-15 là phụ gia trợ tan và chống phân tách pha rất tốt, với một lượng nhỏ 0,4÷0,5%.
Có một số phụ gia vừa có tính trợ tan vừa có tác dụng tạo nhũ đạt hiệu quả cao, ít gây độc hại tới sức khỏe và môi trường sinh thái, dễ cháy cùng nhiên liệu và ít để lại cặn bẩn. Những chất phụ gia như vậy thường được điều chế từ các nguồn nguyên liệu dầu mỡ béo động thực vật [18,19], như:
R’(-O-CH2-CH2-)n-OH
R’’-CO-O-CH2-CHOH-CH2-OH
R’’-CO-NH-CH2-CHOH-CH2-OH
35
2.2.3 Nhóm phụ gia chống ăn mịn kim loại
Ethanol là chất có khả năng gây ăn mòn kim loại, làm hỏng một số chi tiết có trong động cơ. Mặt khác, ethanol dễ hút ẩm và hòa tan tốt với nước, mà nước lại là môi trường tạo điều kiện thuận lợi gây ra ăn mòn kim loại, cho nên khi pha ethanol vào nhiên liệu sẽ càng làm tăng nguy cơ ăn mòn kim loại. Đây là một trong những nhược điểm của ethanol khi pha trộn với nhiên liệu khống.
Sự ăn mịn kim loại xảy ra khi pha ethanol vào nhiên liệu là điều khó tránh khỏi. Tốc độ ăn mịn xảy ra mãnh liệt hơn khi có sự phân tách pha của nhiên liệu xăng- ethanol. Hậu quả của sự ăn mòn dẫn đến làm rò rỉ hệ thống đường dẫn và hệ thống chứa nhiên liệu, gây nên tổn thất và làm ô nhiễm môi trường. Thực tế đã từng xảy ra cháy nổ mà nguyên nhân là do nhiên liệu bị rị rỉ có liên quan đến ăn mịn.
Để bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn trong nhiên liệu xăng-ethanol, giải pháp tối ưu nhất là sử dụng phụ gia chống ăn mịn. Thành phần chính của phụ gia chống ăn mòn thường là các hợp chất amin và amit hữu cơ như: phenylethanolamin,
aminoethylethanolamin, monoethanolamin, diethanolamin, di-n-octylamin,
cyclohexylamin, dixyclohexylamin, 8-hydroxyquinolin, n-octadecylamin,
decamethyleneimin, polyete amin, hexamethylenimin, n-
hexadycylpropylenediamin... Các chất phụ gia chống ăn mịn có thể là các loại dầu khống như dầu khống nitro hóa, dầu khống sulfua hóa [3].
Một số chất phụ gia ức chế ăn mòn được điều chế từ dầu mỡ béo của động thực vật được sử dụng nhiều. Những phụ gia này vừa có tính chất bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mịn vừa có tính chất giúp ethanol phân tán và tạo nhũ tốt trong nhiên liệu. Mặt khác, những phụ gia có nguồn gốc từ dầu mỡ béo của động thực vật có khả năng tự phân hủy sinh học cao, ít gây độc hại tới sức khỏe và môi trường sinh thái,
dễ cháy cùng nhiên liệu và ít để lại cặn bẩn, ví dụ như R’-CO-NH-CH2-CHOH-
CH2-OH.
Cơ chế tác dụng của các phụ gia chống ăn mòn là tạo lớp màng hấp phụ mỏng trên bề mặt kim loại, bảo vệ và ngăn chặn phản ứng ăn mịn điện hóa xảy ra.
36
2.2.4 Nhóm phụ gia chống oxy hóa
Trong thành phần xăng có thể chứa hợp chất có nối đơi (olefine), những chất này có xu hướng bị oxy hóa tạo thành nhựa. Các hợp chất này theo thời gian sẽ lắng đọng lại trong bồn bể chứa và trong hệ thống nhiên liệu của động cơ.
Việc thêm chất phụ gia chống oxy hóa nhằm mục đích làm chậm q trình tạo nhựa của các thành phần olefine có trong xăng. Các chất chống oxy hóa thường sử dụng là phenol hoặc các hợp chất của amine và lượng cho vào trong xăng thường rất nhỏ.
Trong phụ gia chống oxy hóa người ta cũng thường cho thêm một lượng nhỏ các chất làm giảm độ hoạt động hóa học của kim loại.
Cơ chế chống oxy hóa của phụ gia là những chất này tác dụng với gốc tự do trong xăng do đó tránh được phản ứng giữa các gốc tự do với hydrocacbon tạo ra cặn trong hỗn hợp. Do đó, nếu tồn trữ thì sau một thời gian, phụ gia này sẽ bị tổn hao và cần phải bổ sung thêm loại phụ gia này.
2.2.5 Nhóm các phụ gia khác
Ăn mòn xupap là hiện tượng kim loại vừa bị ăn mịn hóa học vừa bị mài mịn cơ học. Khi nhiên liệu cháy, nhiệt độ trong buồng đốt rất cao tác động đến hệ thống xylanh, piston và xupap. Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thốt ra ngồi tiếp tục gây cháy bề mặt xupap. Bề mặt xupap bị cháy ở nhiệt độ cao gọi là ăn mịn hóa học (ăn mịn xảy ra khơng theo cơ chế điện hóa). Vì xupap thường làm bằng vật liệu kim loại có độ cứng kém hơn đế xupap, thường xuyên tiếp xúc với khí cháy và chịu va đập khi đóng mở nên bị mịn hóa học và cơ học đáng kể. Do đó cần phải có phụ gia đưa vào nhiên liệu để làm giảm ăn mịn xupap.
Bộ chế hịa khí thường bị cặn bẩn, đóng băng làm ảnh hưởng đến sự phối trộn nhiên liệu với khơng khí dẫn đến sự cấp phối không tốt. Để khắc phục có thể sử dụng phụ gia tẩy rửa làm sạch bộ chế hịa khí vào hỗn hợp nhiên liệu xăng-ethanol.
Khi nhiên liệu cháy, trong buồng đốt có thể sẽ có một lớp cặn dày đọng lại gọi là cặn buồng đốt, lớp cặn cịn có thể bám lên cả đầu piston. Lớp cặn này làm giảm
37
dung tích buồng đốt (tăng tỷ số nén của động cơ) và làm tăng sự va chạm cơ học tạo thành tiếng kêu. Để khắc phục, có thể pha thêm vào nhiên liệu phụ gia chống tạo cặn. Phụ gia chống tạo cặn thường là các hợp chất của amin được sử dụng với hàm lượng nhỏ.
Trong nhiên liệu xăng-ethanol thường có một lượng nước xâm nhập từ ngồi vào, đây là mơi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Các vi sinh vật có thể làm lên men các chất hữu cơ hay oxy hóa hydrocacbon thành các chất chứa oxy, gây mùi hôi cho nhiên liệu. Một số vi sinh vật cịn tạo ra các sản phẩm phụ có tính axit, làm gia tăng khả năng ăn mòn kim loại. Để ngăn chặn sự nhiễm khuẩn này cách tốt nhất là giữ cho lượng nước trong nhiên liệu càng ít càng tốt, nhưng cách này khơng phải dễ. Do đó ta cần sử dụng phụ gia diệt khuẩn. Chúng có tác dụng như kháng sinh. Các chất điển hình trong trường hợp này là phenol, hợp chất chứa clo, alchilpropylendiamin, etanolamin, formaldehyt hay imidazolin.
Trong thực tế, các phụ gia cải thiện tính năng sử dụng cho nhiên liệu xăng- ethanol thường được cung cấp ở dạng phụ gia đóng gói đa chức năng (trợ tan, bơi trơn, chống ăn mịn, chống mài mịn, chống đóng cặn...). Phạm vi ứng dụng và hàm lượng sử dụng phụ gia phụ thuộc vào thành phần và bản chất của nhiên liệu (tính chất của xăng và hàm lượng ethanol). Ví dụ như: phụ gia Ultrazol 8219 của hãng Lubrizol là phụ gia đa tính năng có tác dụng chống đóng cặn, chống ăn mịn và mài mịn cho nhiên liệu xăng-ethanol đạt hiệu quả cao chỉ cần với một lượng 0,01÷0,03% [60].
2.3 Quy trình xây dựng tổ hợp phụ gia
Để phát triển được một loại phụ gia phù hợp cho hỗn hợp NLSH với nhiên liệu khống thì cần phải thực hiện quy trình với các bước như sau:
1. Phân tích đặc điểm, tính chất và chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu khống. 2. Phân tích đặc điểm, tính chất và chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu sinh học. 3. Nghiên cứu tổng quan và khảo sát về phụ gia cho nhiên liệu sinh học được sử dụng trên thế giới và trong nước.
38
4. Khảo sát đánh giá tính chất hóa lý của hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu khống khi chưa có phụ gia theo các tiêu chuẩn TCVN hoặc ASTM gồm:
- Độ ổn định oxy hóa.
- Trị số octan với nhiên liệu cho động cơ xăng hoặc xetan với động cơ diesel. - Thành phần trưng cất phân đoạn.
- Áp suất hơi bão hòa. - Độ bền phân tách pha.
- Nhiệt độ chớp cháy cốc kín (nhiên liệu cho động cơ diesel). - Độ bôi trơn và độ nhớt động học (nhiên liệu cho động cơ diesel).
- Điểm vẩn đục, nhiệt độ kết tinh của nhiên liệu (nhiên liệu cho động cơ diesel). - Ăn mòn kim loại
- Các chỉ tiêu chất lượng khác.
5. Sử dụng quy hoạch thực nghiệm để lựa chọn các thành phần tối ưu của phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học và nhiên liệu hóa thạch.
6. Xác lập tỷ lệ các thành phần và đặt tên phụ gia mới.
7. Đánh giá tính chất và chất lượng của hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên liệu khống khi có pha phụ gia, với trình tự như bước 4 (với tỷ lệ pha khác nhau và đối chứng với một số loại phụ gia phổ được sử dụng phổ biến).
8. Thử nghiệm đối chứng giữa nhiên liệu sinh học khơng và có pha phụ gia trên động cơ trong phịng thí nghiệm.
9. Thử nghiệm bền nhiên liệu sinh học có pha phụ gia trên động cơ trong phịng thí nghiệm.
10. Phân tích, đánh giá các số liệu về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ.
11. Điều chỉnh thành phần và tỷ lệ pha (nếu cần thiết), thực hiện lại bước 7, 8, 9 và 10.
39
12. Thử nghiệm đối chứng (với trường hợp không phụ gia, với phụ gia khác ở thời điểm 0 giờ và sau khi chạy bền) trên phương tiện (hiện trường).
13. Đánh giá kết quả, nếu có cải thiện tốt và đảm bảo các chỉ tiêu về kinh tế kỹ thuật cho nhiên liệu, cho động cơ và phương tiện thì đề xuất sản xuất và đưa vào sử dụng đại trà cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học và nhiên liệu khoáng.
Một cách tổng quát về quy trình phát triển phụ gia được trình bày theo lưu đồ dưới đây, hình 2.4.
Hình 2.3 Quy trình phát triển phụ gia cho hỗn hợp nhiên liệu sinh học với nhiên
liệu khống
Theo quy trình trên, để phát triển được một tổ hợp phụ gia mới cho NLSH cần thực hiện qua 13 bước, việc ứng dụng tối ưu hóa để xác định được thành phần cho tổ hợp phụ gia và đánh giá tính chất hóa lý của nhiên liệu khi pha tổ hợp phụ gia sẽ được trình bày ở chương 3, việc đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của nhiên liệu sinh học E10 có phụ gia trên động cơ và phương tiện được trình bày trong chương 3 của luận văn này.
Nhiên liệu khoáng
Nhiên liệu sinh học nhiên
gia theo QHTN
khi có pha phụ gia
Thực nghiệm đối chứng trên động cơ và phương tiện
Thử nghiệm bền trên động cơ và
phương tiện gia trên
diện rộng Điều chỉnh thành phần và tỷ lệ pha ok Đề Lựa chọn các phụ gia tính năng NG
40
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRÊN XE MÁY 3.1 Thiết bị thử nghiệm 3.1 Thiết bị thử nghiệm
Xe máy Honda Wave 110 là phương tiện tham gia giao thông phổ biến ở Việt Nam do Công ty Honda sản xuất, với thông số kỹ thuật thể hiện trong bảng 3.1 và hình 3.1, được chọn làm đối tượng thử nghiệm. Thử nghiệm được thực hiện trên băng thử Chassis Dynamometer 20’’ [12].
Hình 3.1. Đo đặc tính trên băng thử xe máy CD20” Bảng 3.1. Thông số xe Wave 110
Thông số Đơn vị Giá trị
Trọng lượng bản thân kg 100 Dài x Rộng x Cao mm x mm x mm 1925 x 710 x 1090 Khoảng cách trục bánh xe mm 1225 Độ cao yên mm 770 Khoảng cách gầm so với mặt đất mm 140 Dung tích bình xăng lít 3,7lít
41
Dung tích nhớt máy lít 0,8
Loại động cơ - 4 kỳ, xylanh đơn, 2 xupáp,
SOHC, làm mát bằng gió Dung tích xi lanh cm3 109,1 Đường kính x Hành trình pittong mm x mm 51,0 x 54,0 (mm) Tỷ số nén 9,0 : 1
Công suất tối đa kW/v/ph 6,08/8000
Mô men cực đại Nm/v/ph 8,32/6000
Hộp số 4 số tròn
Khởi động Cần đạp và khởi động bằng điện
Hệ thống thử nghiệm xe máy được trang bị băng thử động học và hệ thống lấy mẫu khí xả CVS như thể hiện trên hình 3.2.
Băng thử này do hãng AVL cung cấp, có chức năng thử nghiệm và kiểm tra xe ở các chế độ mô phỏng. Qua đó giúp cho q trình nghiên cứu cải tiến xe máy và động cơ được dễ dàng.
Các chức năng chính của băng thử:
- Xác định tốc độ của xe.
- Xác định lực tác dụng trên bề mặt con lăn.
- Xác định gia tốc và công suất của xe.
- Mơ hình hóa tải trọng trên đường thông qua băng thử.
Kết hợp băng thử với hệ thống lấy mẫu khí thải CVS, tủ phân tích khí CEBII và thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 733S trong quá trình thử nghiệm theo chu trình châu Âu (ECE R40) qua đó xác định thành phần các chất thải độc hại có trong khí xả, lượng tiêu thụ nhiên liệu.
Các chế độ vận hành băng thử:
- Chế độ lực không đổi (F=const)
- Chế độ tốc độ khơng đổi (v=const)
42
Hình 3.2 Sơ đồ băng thử Chassis Dynamometer 20’’
3.2 Phƣơng pháp và đối tƣợng thử nghiệm
nghiệm bền.