7. Các điểm mới chủ yếu của luận án
1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng ethanol trên động cơ đốt trong
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 mơ men xoắn tồn 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 mòn 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