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 nhiều.
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 ô nhiễm môi 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 độ nước làm mát, 9. Bình chứa ethanol, 10.
Bơm nhiên liệu, 11. Van điều khiển có thể điều chỉnh, 12. Thiết bị sưởi, 13. Bộ lọc không khí, 14. Lưu lượng kế không khí, 15. Thiết bị bay 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. Bộ điều 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 ô 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 thải. Tuy nhiên, động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ethanol 10% thể tích cho kết quả tốt nhất đối với tất cả các thông 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 không 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 CO. 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 cháy. 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) CO2 (%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 quá mức 20÷25%, lượng khí thải CO2 giảm ở tốc độ động cơ cao.
Hình 1.11: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol cung cấp đến nồng độ O2 trong khí thải
Hình 1.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol 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 hoàn 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 thải.
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 Trên hình 1.13 và hình 1.14 lần lượt thể hiện ảnh hưởng của hỗn hợp tỷ lệ ethanol đến phát thải NOx và nhiệt độ khí thải theo tốc độ động cơ. Kết quả cho thấy, càng tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp sẽ làm giảm nhiệt độ khí thải và làm giảm NOx. Sự hình thành NOx trong động cơ SI phụ thuộc phần lớn vào nhiệt độ
O2 (%V)
1000 2000 3000 4000 5000 n (vg/ph)
THC (ppm)
1000 2000 3000 4000 5000 n (vg/ph)
NOx (ppm)
1000 2000 3000 4000 5000 n (vg/ph)
T (oC)
1000 2000 3000 4000 5000 n (vg/ph)
23
của vật liệu cháy khi có nhiều O2 trong sản phẩm cháy. Yếu tố chính làm giảm NOx
chính là do ethanol có nhiệt ẩn hóa hơi cao, điều này làm giảm đáng kể nhiệt độ cháy qua đó làm giảm nhiệt độ khí cháy, làm giảm NOx.
Alexander, Porpatham đã tiến hành thực nghiệm để đánh giá hiệu suất và phát thải ô nhiễm của động cơ SI 01 xilanh, có tỷ số nén 10,5, sử dụng bộ chế hòa khí để cung cấp hỗn hợp nhiên liệu LPG-ethanol (ethanol chiếm 5%, 10% và 20%
theo thể tích) cho động cơ thực nghiệm [73] (hình 1.15).
Bình LPG Bình
Ethanol nhiên li u
Hình 1.15: Bố trí thực nghiệm động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu LPG-ethanol Động cơ thực nghiệm được vận hành theo các hệ số tương đương khác nhau trong điều kiện bướm ga mở lớn, ở tốc độ không đổi 1500 vg/phút. Kết quả cho thấy, khi động cơ hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu chứa 10% ethanol, hiệu suất có ích đạt được lớn nhất (28,5%) ứng với hệ số tương đương là 0,7; đồng thời lượng phát thải HC và CO đo được cũng nhỏ nhất.
Bình LPG
Hình 1.16: Bố trí thực nghiệm đánh giá hiệu suất và phát thải động cơ SI sử dụng xăng và hỗn hợp LPG-ethanol
24
Warade and Lamankar đã nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ SI, 1 xilanh, bốn thì, sử dụng xăng và hỗn hợp LPG-ethanol làm nhiên liệu, ở tốc độ không đổi, hoạt động ở các điều kiện tải khác nhau (hình 1.16) [75]. Các thông số được xem xét để so sánh là hiệu suất có ích và nhiệt độ khí thải của động cơ. Có sự cải thiện về hiệu suất có ích khi sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol so với xăng ở các mức tải khác nhau. Nhiệt độ khí thải khi sử dụng xăng làm nhiên liệu có giá trị thấp hơn so với hỗn hợp LPG-ethanol. Đối với hỗn hợp LPG-ethanol, nồng độ CO và HC trong khí thải được ghi nhận là thấp hơn so với động cơ chạy bằng xăng, trong khi NOx
được tìm thấy tăng khi tăng tỷ lệ phần trăm Ethanol trong hỗn hợp LPG-ethanol.
Từ những nghiên cứu chỉ bằng giải pháp cung cấp LPG và ethanol thông qua bộ chế hòa khí hoặc bộ tạo hỗn hợp đơn giản đã cho thấy quá trình cháy, hiệu suất và phát thải của động cơ SI được cải thiện khi sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol làm nhiên liệu thay thế cho xăng ở các điều kiện khác nhau như thay đổi hệ số tương đương, tốc độ, v.v... Tuy nhiên, để có thể sử dụng hỗn hợp LPG-ethanol trên các phương tiện giao thông vận tải, phù hợp với tính chất của mỗi loại nhiên liệu cần có giải pháp cung cấp LPG và ethanol linh hoạt hơn bằng công nghệ phun riêng rẽ LPG và ethanol bằng vòi phun nhiên liệu lỏng và khí kết hợp điều khiển điện tử.