d) Hiệu ứng làm nghèo của ethanol
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 làtỷ lệ hỗn hợp khí chuẩnA/F (stoichiometric ratio). Với xăng, tỷ lệ này vào khoảng 14,7:1 (theo khối lượng). Với nhiên liệu xăng/ethanol, khơng khí cần thiết để sự cháy triệt để cần ít hơn do trong bản thân ethanol đã có oxy 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. Hiệu ứng nhiên liệu dạng này thay đổi trên một động cơ gọi là “hiệu ứng làm nghèo”.
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 hầu hết các thùng chứa tháo sản phẩm ra ở phía dưới đáy (hoặc gần đó), nên khi nhiên liệu được sử dụng thì động cơ sẽ khơng chạy nếu có sự phân tách pha.
Các loại xăng thơng thường (khơng chứa oxy) chỉ có thể hấp thụ một lượng nhỏ nước trước khi sự phân tách pha xảy ra. Nhiên liệu xăng/ethanol có thể hấp thụ một lượng nước lớn đáng kể mà không xảy ra sự phân tách pha do khả năng hoà tan của
% ethanol trong xăng
Sự tha y đổi c hỉ số R O N tr ong G as oh ol
nước trong ethanol cao hơn. Nhiên liệu xăng-ethanol thực tế có chức năng làm khô thùng chứa nhờ sự hấp thụ nước của ethanol và cho phép sử dụng trực tiếp trong động cơ. Tuy nhiên nếu lượng nước quá cao, nước và phần lớn ethanol sẽ phân tách và lắng xuống phía dưới nhiên liệu. Lượng nước có thể được hấp thụ trong nhiên liệu xăng/ethanol mà không xảy ra sự phân tách pha trong thay đổi từ 0,3-0,5% thể tích, tuỳ thuộc vào nhiệt độ. Nếu sự phần tách pha xảy ra, nhiên liệu khi cấp vào động cơ sẽ làm động cơ không thể chạy được.
Ethanol là hồn tồn có thể trộn lẫn với nước trong tất cả các tỷ lệ, trong khi xăng và nước là không thể trộn lẫn [10]. Điều này có thể gây ra nhiên liệu pha trộn để chứa nước, và kết quả hơn nữa trong các vấn đề ăn mịn trên các thành phần cơ khí, đặc biệt là cho các thành phần làm bằng đồng, đồng thau hoặc nhôm. Để giảm bớt vấn đề về cung cấp nhiên liệu hệ thống, vật liệu như đã đề cập ở trên cần phải tránh [10]. Ethanol có thể phản ứng với cao su và tạo ra ách tắc trong các đường ống nhiên liệu. Vì vậy, được khuyên nên sử dụng cao su fluorocarbon như thay thế cao su [10]. Trên quá trình đốt cháy, nhiệt độ đánh lửa và điểm chớp cháy của ancol là cao hơn so với xăng, làm cho nó an tồn hơn cho giao thông vận tải và lưu trữ.
1.3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha ethanol tại phịng thí nghiệm động cơ đốt trong AVL – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội[2].
Nhiên liệu dùng trong quá trình thử nghiệm bao gồm: - Xăng MOGAS 92 có bán trên thị trường Việt Nam.
- Trong quá trình thử nghiệm sử dụng hỗn hợp MOGAS 92 với Ethanol với các tỷ lệ tương ứng là 10% (E10), 15% (E15) và 20% (E20).
- Loại ethanol được sử dụng có nồng độ 99,5 % và các thơng số khác được cho trong bảng 1.7 dưới đây:
Bảng1 .7. Các thông số của ethanol dùng trong q trình thí nghiệm
STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Kết quả phân tích
1 Chỉ số octan (RON) 116,8
2 Tỷ trọng ở 20oC 0,791
4 Nhiệt độ sôi đầu oC 78,1
5 Nhiệt độ sôi cuối oC 78,2
6 Nồng độ ethanol % 99,5
- Sử dụng phương pháp thử nghiệm đối chứng các loại nhiên liệu trên với đối tượng thử nghiệm là xe Jupiter MX, quá trình thử nghiệm được xây dựng thơng qua việc kiểm tra các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tại đặc tính ngồi tay số 4 và theo chu trình thử ECE R40. Kết quả thử nghiệm được thể hiện dưới đây:
a. So sánh Cơng suất
Hình 1.9. thể hiện đồ thị so sánh công suất của động cơ xe máy khi chạy với nhiên liệu xăng pha Ethanol với tỷ lệ khác nhau.
Tại tay số IV khi sử dụng nhiên liệu E15 cơng suất trung bình động cơ cao nhất là 4,1497kW, lớn hơn Mogas 92 là 2,71%, Mogas 92 có cơng suất trung bình nhỏ nhất với 4,0402 kW.
b.Suất tiêu thụ nhiên liệu
Hình 1.10. thể hiện đồ thị so sánh tiêu hao nhiên liệu xe khi chạy tại tay số IV:
Hình 1.10. Đồ thị suât tiêu thụ nhiên liệu tại tay số IV
Nhìn chung trên tồn tay số suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng xăng pha ethanol được cải thiện đáng kể so với Mogas 92.
c. So sánh thành phần khí thải
Thành phần CO
Kết quả cho thấy quy luật thay đổi lượng CO trong khí thải ở tay số này cũng khá giống như ở các tay số trước (hàm lượng CO giảm dần khi tỷ lệ ethanol trong xăng tăng dần). Sự khác biệt lớn nhất là ở tốc độ 80 km/h E20 giảm được 53,56% cịn E15 là 39,05%. Khi tính trung bình trên tồn bộ tay số thì E20 cũng giảm nhiều nhất so với Mogas 92 với 28,88%, trong khi đó E15 là 28,18% và E10 là 9,55%.
Thành phần HC.
Thành phần HC của nhiên liệu xăng pha ethanol thấp hơn so với Mogas 92. Sự khác biệt giữa bốn loại nhiên liệu khơng q lớn. Khi xét trên tồn bộ tay sốthì so với
Thành phần NOx.
Tại tay số IV xăng Mogas 92 cũng cho kết quả thấp nhất và cao nhất là E20. Cả bốn loại nhiên liệu đều cho kết quả thấp nhất tại vận tốc 90 km/h. E10 và Mogas 92 cho kết quả cao nhất tại vận tốc 70km/h trong khi đó E15 và E20 thì cho kết quả cao nhất ở vận tốc 80km/h. Xét trung bình trên tồn bộ tay số thì E20 tăng 137,48% và E15 là 92,74% và E10 là 63,21%.
1.3.3.3. Nghiên cứu thử nghiệm hao mòn động cơ chạy xăng E5 của Trường Đại học
Bách khoa Đà Nẵng [12].
Sau khi chạy thử nghiệm hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn E5 và xăng thị trường A92 với chu trình 455 giờ ta rút ra một số kết luận sau:
- Với động cơ mới, dù chạy xăng pha cồn E5 hay xăng thị trường A92 đều có sự tăng nhẹ cơng suất động cơ do cụm xéc măng xilanh cũng như các bộ đơi xu-pap đang được rà khít bởi các nhấp nhơ của bề mặt làm việc trong 100giờ chạy đầu tiên. Vì vậy trong thời kỳ đầu của xe mới, không nên mang tải quá nặng cũng như chạy tốc độ quá cao làm hại đến tuổi thọ động cơ trong thời kỳ chạy rà nóng cần thiết phải có.
- Khơng có sự khác biệt đáng kể nào về lượng mịn xilanh (0,018%-0,064%) cũng như về tính kinh tế kỹ thuật của động cơ (0,35%-0,43%) sau khi chạy thử nghiệm hao mòn động cơ trên băng thử 455giờ. Chỉ có những dấu hiệu biến đổi khác biệt khơng có lợi về chất lượng dầu nhờn và độ kín khít buồng cháy động cơ sau thời gian thử nghiệm từ 370giờ đến 400 giờ xẫy ra đối với động cơ SUZUKI chạy nhiên liệu xăng pha cồn E5 với chế độ tải nặng; cịn trước 370 giờ khơng có dấu hiệu khác biệt giữa hai động cơ chạy xăng pha cồn E5 và xăng thị trường A92. Chênh lệch hạt mòn kim loại giữa hai động cơ chạy xăng pha cồn và xăng thị trường sau 455 giờ là không đáng kể (với 0,006[ppm] đối với Cr và 0,05[ppm] đối với Fe).
- Để bảo đảm tuổi thọ động cơ khi chạy xăng pha cồn E5 tương đương động cơ sử dụng xăng thị trường, cần thiết có giải pháp tăng cường sấy nóng hỗn hợp xăng pha cồn để cho cồn được bay hơi hồn tồn; đồng thời nên có chu kỳ thay dầu sớm hơn so với chu kỳ thay dầu của xăng thị trường A92.
1.4. Kết luận chương 1
Xăng sinh học hiện nay đã được nhiều nước sử dụng trên các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị năng lượng để thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Nhiều nghiên cứu cho thấy xăng sinh học giúp cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng. Ở Việt Nam, Chính phủ đã phê duyệt đề án phát triển NLSH nhằm đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp vốn là thế mạnh của Việt Nam cũng như tạo việc làm cho người dân. Để thực hiện đề án này, cùng với công tác tuyên truyền và đưa nhiên liệu E5 lưu thông trên thị trường, phải tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol cao hơn như E10, E15 cho các phương tiện giao thông đang lưu hành. Cụ thể là các yếu tố tác động của xăng sinh học với tỷ lệ ethanol lớn đến tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và tuổi thọ của động cơ. Qua đó giúp cho các nhà sản xuất và người sử dụng biết được những tác động có thể xảy ra và những điều chỉnh cần thiết đối với phương tiện khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn.
Chương 2. XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN
LIỆU XĂNG E10 TỚI ĐỘ BỀN ĐỘNG CƠ Ô TÔ XĂNG ĐANG LƯU HÀNH.
2.1. Trang thiết bị thử nghiệm
2.1.1. Thiết bị thử nghiệm đo công suất
Băng thử động lực cao động cơ (High Dynamic Engine Testbed) (Hình 2.1) được trang bị nhiều thiết bị hiện đại và đồng bộ để thực hiện các thử nghiệm và phát triển động cơ như:
- Phanh điện APA 100.
- Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554. - Thiết bị làm mát nước làm mát AVL 553. - Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL 733S. - Bộ điều khiển tay ga THA 100.
- Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753
Các thiết bị phụ trợ khác như: DiGas 4000, DiSmoke 4000, Opacimeter 439, Smokemeter 415S dùng cho việc nghiên cứu độ phát thải của động cơ (thành phần khí thải, độ mờ khói, độ đen khí thải, mật độ thành phần dạng hạt).
2.1.2. Phanh điện APA 100
Hình 2.2. Phanh điện APA 100
Phanh điện APA 100 có thể hoạt động được ở chế độ phanh điện và động cơ điện. Tác dụng tương hỗ giữa lực từ của stato và rotor sẽ tạo ra tải trọng cho động cơ hoặc kéo động cơ đốt trong quay. Vỏ stato do được đặt trên hai gối đỡ nên cũng có xu hướng quay theo. Một cảm biến lực (loadcell) giữ vỏ stato ở vị trí cân bằng và xác định giá trị lực tương hỗ này. Thay đổi giá trị của lực này bằng cách thay đổi cường độ dòng điện vào băng thử. Tốc độ quay của băng thử được xác định bằng cảm biến tốc độ kiểu đĩa quang. Công suất lớn nhất của băng thử ở chế độ động cơ điện là 200kW, ở chế độ phanh điện là 220kW trong dải tốc độ từ 2250 đến 4500 vòng/phút, tốc độ cực đại 8000 vòng/phút. Băng thử được trang bị các hệ thống điều khiển, xử lý số liệu tự động và hiển thị kết quả, mơ hình hố như PUMA, EMCON 300, Concerto và ISAC 300, giúp
Từ trường tương hỗ giữa rotor và stator tạo ra mô men cản với rotor và cân băng với momen dẫn động từ rotor (rotor là cụm phanh được nối với trục dẫn động từ động cơ). Cường độ từ trường tương hỗ giữa rotor và stator được điều chỉnh để tăng hoặc giảm mô men cản trên trục dẫn động từ động cơ. Khả năng thay đổi mơ men phanh thích hợp cho việc điều khiển tự động ở các chế độ thử của động cơ.
Cụm phanh có chức năng làm việc ở chế độ máy phát (phanh đối với động cơ) và chế độ động cơ (kéo động cơ quay) nên có thể dùng để chạy rà nguội và thí nghiệm động cơ trên cùng một băng thử. Hình 2.3 giới thiệu đặc tính phanh ở chế độ máy phát, và hình 2.4 chế độ động cơ.
Ngồi ra cơng suất động cơ được hấp thụ và biến đổi thành năng lượng điện trong thiết bị (phanh). Dòng điện này qua bộ biến tần và được đưa ra ngoài.
Phanh APA 100 cịn có chức năng mơ tả các sức cản lên động cơ như động cơ đang lắp trên ôtô chạy trên đường bằng phần mềm ISAC.
Hình 2.4. Đặc tính phanh chế độ động cơ điện
2.1.3. Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554.
Theo tiêu chuẩn thử nghiệm về động cơ cũng như về khí thải đều có u cầu về nhiệt độ dầu bôi trơn phải nằm trong giới hạn cho phép. Cụm làm mát dầu có chức năng giữ ổn địnhnhiệt độ dầu bơi trơn hình 2.5.
Khi động cơ làm việc một phần nhiệt sẽ truyền cho dầu bơi trơn, sẽ làm nóng dầu bơi trơn, do đó ảnh hưởng đến chất lượng bơi trơn (tính năng lý hố của dầu bơi trơn) nên cần làm mát dầu bôi trơn. Và khi động cơ bắt đầu làm việc ở mơi trường có nhiệt độ thấp, lúc này nhiệt độ động cơ thấp (độ nhớt của dầu cao) ảnh hưởng đến chất lượng bơi trơn (tính lý hố của dầu bơi trơn) cũng như làm tăng thời gian hâm nóng động cơ (có thể động cơ khơng thể làm việc được) do vậy cần làm nóng dầu bơi trơn.
Hình 2.6 giới thiệu sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát dầu bôi trơn, dầu từ các te được bơm 3 hút qua đầu nốinhanh 1 và lọc dầu 2. Dầu sau khi qua bơm được đưa tới bộ làm mát dầu 4 và bộ sấy 5. Tùy theo nhiệt độ dầu mà van 3 ngả sẽ cho dầu đi qua bộ làm mát hay đi qua bộ sấy. Dầu từ van 3 ngả đi qua đầu nối nhanh để trở về các te dầu. Van 6 sử dụng trong trường hợp dầu bôi trơn được lấy đằng sau bơm dầu của động cơ
Hình 2.5. Sơ đồ khối thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554
1: đầu nối nhanh; 2: lọc dầu; 3: bơm dầu; 4: bộ trao đổi nhiệt với nước làm mát bên ngoài;
2.1.4. Thiết bị làm mát nước AVL 553
Theo các tiêu chuẩn thử nghiệm về động cơ cũng như về khí thải đều có u cầu về nhiệt độ nước làm mát. Cụm làm mát nước có chức năng giữ ổn định nhiệt độ nước làm mát động cơ.
Hình 2.7. Sơ đồ khối cụm làm mát nước làm mát AVL 553
Khi động cơ làm việc một phần nhiệt được truyền cho các chi tiết động cơ, do đó gây ra các ứng suất nhiệt cho các chi tiết nên cần phải làm mát động cơ.
Khi động cơ bắt đầu làm việc, nhiệt độ động cơ cịn thấp, do đó rất khó khởi động nên làm nóng nước vịng ngồi để hâm nóng động cơ, khi động cơ đã làm việc nhiệt độ động cơ tăng khi đó cụm AVL 553 hình 2.7 sẽ điều chỉnh nhiệt độ nước vịng ngồi phù hợp để làm mát nhiệt độ nước làm mát động cơ.
Hình 2.8 giới thiệu sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị làm mát nước AVL 553. Đường nước ra từ động cơ được nối vào đầu B, nước đi qua bộ trao đổi nhiệt 3 nhiều hay ít phụ thuộc vào độ mở của van 2, độ mở van 2 được điều khiển từ tủ 7 tùy theo nhệt độ nước quay về động cơ cửa A. Nước vịng ngồi được bơm đẩy qua đầu nối nhanh 5, qua lọc 4 đi vào bộ trao đổi nhiệt với nước vịng trong, sau đó nước đi ra theo đường đầu nối nhanh 6.
2.1.5. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Balance 733S
Hình 2.9. Hệ thống đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S
Nguyên lý đo phân tích trọng lượng cho phép đo trực tiếp khối lượng nhiên liệu tiêu thụ. Do đó sẽ khơng có ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ trọng nhiên liệu tới phép đo.