Về mặt hóa học ethanol (C2H5OH) là hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng
đẳng của cồn etylic, dễ cháy, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước
(khối lượng riêng 0,7917 g/ml ở 200C) sôi ở nhiệt độ 78,39C, hóa rắn ở -114,15C,
tan trong nước vô hạn do sự tạo hành liên kết hydro giữa các phân tử cồn với nhau
và với nước [14].
Sự hiện diện của nhóm (-OH) trong cồn làm cho chúng trở thành chất lỏng ở
15
loại cồn mạch ngắn (C1÷C2) có điểm sơi thấp, nên khó phối trộn vào xăng và dầu diesel với tỷ lệ caọ Các cồn C3÷C8 có điểm sơi cao hơn nằm ở giữa khoảng điểm sôi của xăng và dầu diesel, nên chúng có thể pha trộn với các nhiên liệu dầu mỏ ở nồng độ lớn hơn với tác động nhỏ hơn đến đặc tính bay hơi của nhiên liệụ
Cồn để pha vào xăng ngày nay đã được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn
ASTM D4806 hoặc tiêu chuẩn quốc gia các nước và về cơ bản vẫn phải tuân theo các chỉ tiêu cụ thể như sau:
Bảng 1.3: Yêu cầu kỹ thuật đối với ethanol nhiên liệu biến tính [8]
STT Tên chỉ tiêu Giới hạn
1 Ethanol, % thể tích, min 92,1
2 Methanol, % thể tích, max 0,5
3 Hàm lượng nhựa và rửa qua dung môi, mg/100ml, max 5,0
4 Hàm lượng nước, % thể tích, max 1,0
5 Hàm lượng chất biến tính, % thể tích, max 1,96 ÷ 5,0
6 Hàm lượng clorua vô cơ, mg/L (ppm khối lượng), max 32 (40)
7 Hàm lượng đồng, mg/kg, max 0,1
8 Độ axit (axit axêtic CH3COOH), % khối lượng (mg/L), max 0,007 (56)
9 Độ pH, min ÷ max 6,5 ÷ 9,0
10 Lưu huỳnh, mg/kg (ppm khối lượng), max 30
11 Sulfat, mg/kg (ppm khối lượng), max 4
12 Khối lượng riêng ở 15C, kg/m3 -
13 Ngoại quan Trong, sạch
Tính chất lý hóa của xăng, ethanol, propane, butane được giới thiệu trên bảng 1.4 dưới đây.
16
Bảng 1.4: Tính chất hóa học và vật lý của ethanol, xăng, propane và butane [14]
STT Tính chất của nhiên liệu Ethanol Xăng Propane Butane
1 Cơng thức hóa học C2H5OH C4 đến C12 C3H8 C4H10
2 Khối lượng phân tử [g/mol] 46,07 105 44 58
3 Cacbon [% khối lượng] 52,2 88 82 83
4 Hydro [% khối lượng] 13,1 12-15 18 17
5 Oxygen [% khối lượng] 34,7 2,7 0 0
6 Tỷ trọng chất lỏng [kg/m3] 790 751 508 584
7 Điểm bay hơi [C] 78 27÷225 -42 -0,5
8 Áp suất bay hơi ở 38C [kPa] 15,9 48-103 858,7 215,1 9 Nhiệt dung riêng [kJ kg-1 K-1] 2,4 2 1,63 1,675
10 Nhiệt ẩn bay hơi [kJ/kg] 840 305 426 385
11 Nhiệt trị thấp [MJ/kg] 26 43 46,1 45,5
12 Nhiệt độ tự cháy [C] 423 257 480 440
13 Trị số octane RON/MON 108,6 98 111 103
14 Tỷ lệ khơng khí/ nhiên liệu 9 14,7 15,65 15,43 15 Tốc độ lan ngọn lửa tầng 100
kPa, 325K (cm/s) 39 33 38 37
So với nhiên liệu xăng, ethanol có nhiệt hóa hơi lớn hơn, số octane lớn hơn, tốc độ ngọn lửa cao hơn và tỷ lệ khơng khí/ nhiên liệu lý thuyết nhỏ hơn. Hơn nữa, sự hiện diện của oxygen trong nhiên liệu ethanol cho phép đốt cháy nhanh và sạch
hơn so với xăng. Mặt khác, nhờ chỉ số octane cao, ethanol có khả năng chống kích
nổ tốt nên động cơ có thể tăng tỉ số nén để nâng cao hiệu suất nhiệt. Nhược điểm của ethanol là nhiệt ẩn hóa hơi lớn làm ảnh hưởng đến quá trình bốc hơi nhiên liệu
lỏng, đặc biệt khi nhiệt độ môi trường thấp.
1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol trên động cơ đốt trong
17
nhân pha trộn cho nhiên liệu xăng thương mại [23], [24]. Như đã trình bày ở phần
trên, so với nhiên liệu xăng, ethanol có nhiệt hóa hơi lớn hơn, số octane lớn hơn, tốc
độ ngọn lửa cao hơn và tỷ lệ khơng khí/ nhiên liệu lý thuyết nhỏ hơn [25]. Hơn nữa,
sự hiện diện của oxygen trong nhiên liệu ethanol cho phép đốt cháy nhanh hơn và
hiệu quả hơn đối với các nhiên liệu được đặc trưng bởi tỷ lệ xăng cao dẫn đến tăng
cường khởi động và ổn định và hiệu suất động cơ được cải thiện [26]. Đối với động cơ SI, các tính chất này đã thu hút nhiều sự chú ý do tiềm năng to lớn của nó để gia tăng giới hạn kích nổ.
Trong thực tế, việc phát triển động cơ SI để giảm thiểu kích nổ có ý nghĩa rất quan trọng [28]. Xu hướng kích nổ có thể giảm bởi sự có mặt nhiên liệu ethanol có chỉ số octane cao, nhờ đó giúp thiết kế động cơ có tỷ số nén cao, tăng áp suất cháy và dễ kiểm soát thời điểm đánh lửa tối ưu, dẫn đến công suất động cơ và hiệu suất
động cơ cao hơn [29]. Kết quả thí nghiệm cho thấy trong điều kiện đầy tải, tỷ số nén
tới hạn kích nổ khi phun xăng trực tiếp là khoảng 9,2 nhưng tỷ số này có thể tăng
lên 12,78 nhờ phun trực tiếp hỗn hợp pha trộn xăng-ethanol E85 [30]. Xu hướng tự bốc cháy giảm đáng kể với hàm lượng ethanol tăng. Hiệu ứng này chiếm ưu thế hơn
trong động cơ phun trực tiếp (DI) so với trong động cơ phun trên đường nạp (PI) [31]. Bên cạnh lợi thế về số octane cao, nhiệt hóa hơi cao của ethanol cũng góp
phần cải thiện tỷ số nén của động cơ do nhiệt độ khí nạp thấp hơn. Hiệu quả làm mát khí nạp làm tăng hiệu quả nạp. Abdel Rahman và cộng sự [32] kết luận rằng công suất chỉ thị cực đại đạt được với các tỷ số nén lần lượt là 8, 10 và 12 đối với nhiên liệu E10, E20 và E30. Kết quả tương tự cũng được chỉ ra bởi Celik và cộng sự [33].
Vì những lý do trên, việc điều chỉnh động cơ xăng thương mại sử dụng nhiên liệu với nhiều tỷ lệ ethanol và xăng khác nhau đang được quan tâm và nhiều nỗ lực
đã được các nhà nghiên cứu trên thế giới thực hiện [34]. Áp dụng ethanol trên động cơ đốt trong với các công nghệ gần đây như phun trực tiếp (DI), phương án phun
riêng rẽđược thực hiện khơng chỉ để tìm giải pháp thay thếcho an ninh năng lượng và bền vững, mà cịn tìm kiếm lợi ích mà nhiên liệu thay thế có thể cung cấp để cải
18 thiện hiệu suất động cơ và giảm phát thải [35].
Phương án tổ chức cung cấp nhiên liệu để cải thiện hiệu suất động cơ và
giảm phát thải ô nhiễm, công nghệ phun trực tiếp đã được áp dụng rộng rãi trong sản xuất động cơ SỊ Điều này là do lợi ích của nó trong việc tiêu thụ nhiên liệu ở tải cục bộ và mô men xoắn toàn tải [36]. Mặt khác, hệ thống DI có thể giúp giảm lượng khí thải động cơ ở mức tải thấp bằng cách phân tầng hịa khí trong xi lanh theo hệ số dư lượng khơng khí, DI cho phép cung cấp hỗn hợp nhiên liệu theo yêu cầu trị số octane nghĩa là tỷ lệ pha trộn có thể thay đổi theo các điều kiện vận hành động cơ. Với mục đích này, xăng và ethanol phải được phun riêng rẽ [39], tỷ lệ pha trộn ethanol/xăng có thể được điều chỉnh theo điều kiện động cơ và khả năng chống kích nổ của nhiên liệu [40]. Cấu hình của nhiên liệu phun riêng rẽ, thường được sử dụng
cho động cơ đốt cháy do nén [41], rất hiệu quả đối với động cơ đốt cháy cưỡng bức
do tận dụng lợi thế của việc sử dụng đồng thời xăng và ethanol [42].
Vì nhiên liệu ethanol có tỷ lệ khơng khí/ nhiên liệu lý thuyết và nhiệt trị thấp
hơn xăng ta cần phun thêm ethanol vào xi lanh để duy trì cùng cơng suất và tỷ lệ tương đương. Nhiên liệu được phun nhiều hơn dẫn đến lưu lượng phun lớn hơn và
thời gian phun dài hơn, sẽ phá hủy các hướng phun được thiết kế [49]. Quá trình
bay hơi trong các điều kiện phun khác nhau có ảnh hưởng quan trọng đến khí thải động cơ. Kết quả thí nghiệm cho thấy lượng phát thải NOx giảm và lượng khí thải CO và HC tăng ứng với EDI trong động cơ phun xăng [50]. Phát thải NOx giảm do
hiệu ứng làm mát được tăng cường trong trường hợp EDI, trong khi đó CO và HC
lại tăng do hịa trộn khó và do làm mát cục bộ quá mức khi tỷ lệ ethanol cao [51]. Một hỗn hợp nhiên liệu với tỷ lệ ethanol thấp (thường dưới 5%) có thể được sử dụng trên các động cơ đốt trong khác nhau hầu như không cần cải tạọ Nhưng
các động cơ này phải được sửa đổi hoặc thiết kế đặc biệt để thích ứng với tỷ lệ pha
trộn ethanol caọ Sự phát triển của các giải pháp công nghệ thông tin và hệ thống
điều khiển điện tử đáng tin cậy đã cho phép các phương tiện sử dụng nhiên liệu linh
hoạt (FFV). Những phương tiện này có thể được vận hành với hỗn hợp xăng và
19
trong đó tỷ lệ pha trộn tự động ethanol và xăng được thay đổi theo chế độ vận hành.
ECU - bộ điều khiển điện tử xác định các điều kiện hoạt động của động cơ, từ đó
kiểm sốt tỷ lệ phun và nhiên liệu để đạt được hiệu suất mong muốn.
Hơn nữa, áp suất hơi thấp ở nhiệt độ thấp của ethanol gây khó khăn khi khởi động lạnh với hàm lượng ethanol trong nhiên liệu caọ Việc phun riêng rẽ xăng/
ethanol có thể giải quyết vấn đề nàỵ Xăng được phun vào lúc khởi động lạnh và sau đó phun thêm ethanol khi động cơ đã nóng lên. Paolo Iodice và cộng sự [58] quan sát thấy giảm đáng kể các yếu tố phát thải lạnh so với xăng thương mại, có
liên quan đến tỷ lệ phần trăm được xác định rõ của hàm lượng ethanol trong hỗn
hợp nhiên liệu xăng. Mặt khác, nếu phun ethanol chạm vào bề mặt xi lanh, hơi nhiên liệu ngưng tụ và rửa sạch màng bôi trơn, bề mặt sẽ bị mài mịn nghiêm trọng
hơn. Những vấn đề này có thể được kiểm sốt nếu hiểu rõ về đặc tính bay hơi và
phân phối hơi nhiên liệu trong xi lanh.
Cuối cùng, ethanol-xăng làm dầu bôi trơn bị pha lỗng làm giảm mơi trường kiềm làm cho bề mặt dễ bị ăn mịn hơn. Dầu bơi trơn có thể gây ra các vấn đề về sự xuống cấp của dầu bôi trơn, dẫn đến sự gia tăng sự ăn mịn của các bề mặt bơi trơn
như ổ trục, xéc-măng,… Để động cơ chạy bằng ethanol hoạt động ổn định cần cải thiện vật liệu làm các bộ phận của buồng đốt và tất cả các vật liệu phi kim, đệm làm
kín,…có tiếp xúc với nhiên liệu [53]. Khuong và cộng sự quan sát thấy rằng sử
dụng nhiên liệu gashol E6 đã làm giảm đáng kể độ nhớt của dầu bôi trơn xuống
khoảng 30% [57]. Điều này dẫn đến màng dầu bôi trơn mỏng hơn và bề mặt xi lanh piston dễ mòn hơn. Vì vậy, dầu bơi trơn động cơ cần phải có tính kiềm hơn để khắc phục điều nàỵ
Tóm lược các vấn đề ở trên cho thấy rằng để khai thác tiềm năng của
ethanol, cần nghiên cứu các đặc điểm phun trong các cấu hình khác nhau của các hệ thống phun vì chúng là các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình cháy và hình
thành khí thảị Với sự phát triển của công nghệ phun riêng rẽ và các ứng dụng sắp
tới của nhiên liệu tái tạo này trên FFV hoặc trên động cơ HCCI, RCCI, mở ra tiền
20
1.5. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết hợp nhiên liệu LPG-ethanol trên
động cơ đốt trong
Việc sử dụng kết hợp LPG và ethanol làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa
cưỡng bức không phải là vấn đề mới, tuy nhiên những công bố về kết quả nghiên
cứu động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol là chưa nhiềụ Những nghiên cứu gần đây chỉ chú trọng khảo sát phát thải về CO, HC, CO2, NOx của động cơ sử dụng LPG phối trộn thêm ethanol [72], [73], [74], [75]. Rõ ràng là từ các ứng dụng ngày càng rộng rãi của động cơ chạy bằng LPG, việc làm giàu LPG bằng ethanol có thể được áp dụng cho quá trình đốt cháy trong động cơ SI nhằm
giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch (xăng) và giảm ơ nhiễm mơi trường.
Hình 1.8: Bố trí hệ thống thử nghiệm cung cấp LPG-ethanol cho động cơ [72] 1. Động cơ thử nghiệm, 2. Máy phân tích khí Bosch ETT 00.855EU, 3. Máy phân tích gaz Bosch BEA370, 4. Lọc khí thải, 5. Bộ giảm âm, 6. Ống xả, 7. Cảm biến nhiệt độ khí thải, 8. Cảm biến nhiệt độnước làm mát, 9. Bình chứa ethanol, 10. Bơm nhiên liệu, 11. Van điều khiển có thểđiều chỉnh, 12. Thiết bị sưởi, 13. Bộ lọc khơng khí, 14. Lưu lượng kế khơng khí, 15. Thiết bịbay hơi LPG, 16. Bộ lọc LPG, 17. Bình LPG, 18. Bình acquy, 19. ECU, 20. Cảm biến vị trí trục khuỷu, 21. Cuộn
21
dây đánh lửa, 22. KTS 650-FSA751, 23. Quạt hút khí thải, 24. Bộđiều chỉnh áp suất LPG, 25. Khóa khởi động
Trên hình 1.8 trình bày bố trí hệ thống thử nghiệm cung cấp LPG-ethanol
cho động cơ. M. J. Deshmukh và các cộng sự đã công bố ảnh hưởng của việc sử
dụng hỗn hợp LPG-ethanol đến động cơ SI về phát thải khí ơ nhiễm được tiến hành với hỗn hợp 5, 10, 15, 20, 25% thể tích ethanol bằng thực nghiệm [72]. Kết quả thử nghiệm cho thấy trong số các hỗn hợp LPG-ethanol, động cơ sử dụng hỗn hợp 15% ethanol có nồng độ phát thải CO, CO2, NOx và HC giảm trong khí thảị Tuy nhiên,
động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ethanol 10% thể tích cho kết quả tốt nhất đối
với tất cả các thơng số đo được cụ thể là lượng khí thải CO, CO2, NOx và HC ở tất cả các tốc độ động cơ. Kết quả trên các hình 1.9, 1.10 và 1.11 bên dưới cho thấy lượng khí thải CO, CO2, O2 như một hàm của tỷ lệ khơng khí-nhiên liệu tương đối
với việc bổ sung 5%, 10%, 15%, 20% và 25% ethanol ở tốc độ động cơ từ 1000 đến 5000 vg/ph [72]. Hình 1.9: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải CO Hình 1.10: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải CO2
Hình 1.9 thể hiện ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải CO
theo tốc độ động cơ, khi tăng hàm lượng ethanol đã làm giảm đáng kể lượng khí
thải CỌ Khi sử dụng với tỷ lệ 25% ethanol, lượng CO tạo ra là thấp nhất. Điều này có thể giải thích rằng hàm lượng oxygen trong ethanol có hiệu quả hơn để cải thiện
quá trình đốt cháỵ Hình 1.10 thể hiện ảnh hưởng của các tỷ lệ ethanol khác nhau
trong hỗn hợp LPG-ethanol đến phát thải CO2 theo tốc độ động cơ. Kết quả cho
thấy, động cơ sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol lượng phát thải CO2 thấp hơn so với
CO ( % V ) CO 2 ( % V ) 1000 2000 3000 4000 5000 n (vg/ph) 1000 2000 3000 4000 5000 n (vg/ph)
22
LPG trong cùng điều kiện vận hành. Khi tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp vượt q mức 20÷25%, lượng khí thải CO2 giảm ở tốc độ động cơ caọ
Hình 1.11: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến nồng độ O2 trong khí thải cung cấp đến nồng độ O2 trong khí thải
Hình 1.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải THC cung cấp đến phát thải THC
Hình 1.11 thể hiện ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến nồng độ oxygen trong khí thải theo tốc độ động cơ. Kết quả cho thấy, nồng độ oxygen trong khí thải
tăng lên khi động cơ sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol đã tạo điều kiện cho quá trình đốt cháy hồn thiện hơn, làm tăng lượng khí thải CO2. Hình 1.12 thể hiện lượng phát thải THC của động cơ khi sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol theo tốc độ động cơ. Kết quả cho thấy, tăng ethanol trong hỗn hợp làm giảm đáng kể lượng phát thải
THC trong khí thảị Hình 1.13: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến phát thải NOx Hình 1.14: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến nhiệt độ khí thải