Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học trên ô tô phun xăng điện tử

Từ khóa: .

Abstract: The paper presents a research on effects of gasohol E10, E15, E20 và E85 on performance and exhaust emissions of fuel injected gasoline passenger cars. Findings from theoritical and experimental studies will contribute to the process of application of such biofuels in passenger cars.

Keywords: Fuel injected car, gasohol.

1. Đặt vấn đề

Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương đúng đắn thể hiện qua Đề án Phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn đến năm 2025 và lộ trình sử dụng nhiên liệu sinh học theo Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg. Chủ trương này thể hiện sự tham vọng của Chính phủ và cũng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc quy hoạch, tổ chức sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học.

Trong các loại nhiên liệu sinh học, etanol sinh học là loại nhiên liệu có tiềm năng lớn nhất ở Việt Nam và hiện đang được các doanh nghiệp đầu tư phát triển mạnh mẽ. Nhà máy sản xuất etanol Đồng Xanh, Đại Lộc, Quảng Nam với công suất 100.000 tấn/năm, đưa vào hoạt động vào cuối năm 2010 và 3 nhà máy với công suất tương tự đang được xây dựng tại 3 miền Bắc, Trung và Nam của đất nước thể hiện rõ điều này. Mặc dù xăng sinh học E5 đã chính thức được giới thiệu trên thị trường sau khi các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học E5 cho phương tiện đã được thực hiện khá hoàn chỉnh, nhưng tốc độ phát triển các điểm bán xăng sinh học E5 cũng như sản lượng E5 tiêu thụ còn rất khiêm tốn. Một mặt do hệ thống cung cấp xăng E5 chưa thực sự sẵn sàng và người dân vẫn còn tâm lý ngại sử dụng một loại nhiên liệu mới cho phương tiện của mình, mặt khác Chính phủ cũng chưa thực sự quyết liệt trong việc áp dụng các chính sách khuyến khích sản xuất và kích thích sử dụng xăng sinh học E5 và tiến tới là E10 và cao hơn.

Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học trên động cơ và phương tiện đã được thực hiện khá đầy đủ, từ nghiên cứu lý thuyết đến nghiên cứu thực nghiệm ở trong cũng như ngoài nước [1 - 9]. Ở trong nước, các loại xăng sinh học từ E5 đến E20 đã được nghiên cứu sử dụng trên xe máy và ô tô dùng chế hòa khí và nghiên cứu thực nghiệm trên ô tô phun xăng điện tử [9]. Một số nghiên cứu lý thuyết cũng đã tiến hành đối với xăng E85 trên xe máy [4, 5, 6, 9]. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên đối tượng động cơ dùng chế hòa khí thường không tương đồng với nhau do loại động cơ này không có khả năng điều khiển tỷ lệ không khí/nhiên liệu. Bài báo tổng hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên ô tô phun xăng điện tử có độ tuổi trên 10 năm khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol khác nhau.

2. Mô phỏng động cơ ô tô sử dụng xăng sinh học

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Ô tô được sử dụng trong quá trình nghiên cứu là ô tô Daewoo Lanos đời 2001, số kilômét đi được trước khi vào thử nghiệm là 97.263km; xe sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử. Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ được đưa ra trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Một số thông số cơ bản của động cơ

2.2. Nhiên liệu

Nhiên liệu được nghiên cứu bao gồm xăng thông dụng (RON92 hay E0) và xăng sinh học E10, E15, E20 và E85. Các thông số cơ bản của nhiên liệu được thể hiện ở Bảng 2.2.

2.3. Xây dựng mô hình và trình tự mô phỏng

Mô hình mô phỏng động cơ (Hình 2.1) được xây dựng trên phần mềm mô phỏng 1 chiều AVL – Boost [10].

Mô phỏng được thực hiện trên đường đặc tính ngoài của động cơ sử dụng xăng (E0) và xăng sinh học E10, E15, E20, E85 với hệ số dư lượng không khí lambda không đổi. Các chế độ so sánh đối chứng được thực hiện ở tốc độ vòng quay và góc đánh lửa sớm không thay đổi. Các thông số như công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động cơ được đánh giá đối chứng khi thay đổi tỷ lệ etanol trong nhiên liệu.

Bảng 2.2. Các thông số cơ bản của nhiên liệu

 

Hình 2.1: Mô hình mô phỏng trên AVL-Boost

2.4. Đánh giá độ chính xác của mô hình

Độ chính xác của mô hình được đánh giá thông qua việc so sánh kết quả mô phỏng với nghiệm. Hình 2.2 thể hiện đặc tính công suất theo tốc độ quay của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E10.

Hình 2.2: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm về công suất động cơ ô tô Lanos khi sử dụng xăng sinh học E10

Trong cả hai trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng và xăng sinh học E10, sai lệch lớn nhất ghi nhận được (tại 2.610 vòng/phút, nhiên liệu E10) là 11,79%. Sai lệch trung bình trong toàn miền khảo sát giữa thực nghiệm và mô phỏng khi động cơ sử dụng nhiên liệu xăng là 7,29% và khi động cơ sử dụng nhiên liệu E10 là 7,25%. Mức sai số ở trên là phù hợp đối với việc mô phỏng 1 chiều động cơ.

2.5. Kết quả mô phỏng

Hình 2.3 cho thấy công suất của động cơ chỉ tăng nhẹ (khoảng 2%) khi động cơ chạy ở tốc độ cao (3.600 vòng/phút) và lambda lớn hơn 1 một chút (1,02). Ở các chế độ tốc độ còn lại, với lambda xấp xỉ 1 thì công suất động cơ giảm, nhiều nhất là khi sử dụng xăng E85 (gần 5%). Điều này có thể được giải thích do các ưu điểm về tốc độ cháy và tạo hòa khí tốt của ethanol phát huy tác dụng tốt nhất trong vùng lambda lớn hơn 1.

Hình 2.3: Mức độ thay đổi công suất động cơ so với khi chạy xăng (E0)

Mức độ thay đổi về suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng xăng sinh học so với khi sử dụng xăng (E0) được thể hiện trên Hình 2.4.

Có thể thấy rằng khi sử dụng xăng sinh học thì suất tiêu thụ nhiên liệu tăng lên, và càng tăng tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu thì suất tiêu thụ nhiên liệu càng tăng. Tính trung bình, khi tỷ lệ ethanol tới 20% thì suất tiêu thụ nhiên liệu tăng khoảng 6,17%, nhưng khi sử dụng nhiên liệu E85, suất tiêu thụ nhiên liệu có thể tăng trên 40%.

Hình 2.4: Mức độ tăng suất tiêu thụ nhiên liệu so với khi chạy RON92

So sánh các thành phần phát thải của động cơ được trình bày trên Hình 2.5.

Hình 2.5: Sự thay đổi các thành phần phát thải của động cơ

Dễ thấy rằng, nhờ quá trình cháy được cải thiện khi sử dụng xăng sinh học, phát thải CO giảm mạnh, phát thải NO_x tăng đối với nhiên liệu từ E10 đến E20, nhưng giảm mạnh đối với E85 do hỗn hợp lúc này rất nhạt và quá trình cháy diễn ra không tốt so với động cơ nguyên bản.

Thành phần phát thải HC đối với E10 giảm nhưng đối với E15, E20 tăng lên. Nguyên nhân của hiện tượng này là do trạng thái sấy nóng trên đường nạp không được mô phỏng một cách chính xác. Một lượng nhỏ hyđrô cácbon không đủ điều kiện để bay hơi do hiệu ứng làm nguội hỗn hợp khi ethanol bay hơi. Điều này tác động càng rõ hơn khi tăng lượng ethanol trong hỗn hợp xăng sinh học. Ngoài ra, việc giữ nguyên góc đánh lửa sớm so với khi sử dụng nhiên liệu xăng E0 cũng có tác động đến việc ôxy hóa hoàn toàn nhiên liệu.

3. Nghiên cứu thực nghiệm

3.1. Bố trí thử nghiệm

Thử nghiệm được tiến hành trên băng thử ô tô CD48” của Hãng AVL. Công suất, mức tiêu thụ nhiên liệu và phát thải được đánh giá trên đường đặc tính ngoài của động cơ thực hiện ở tay số V của xe. Tốc độ của xe 60km/h, 65km/h, 70km/h, 80km/h và 90km/h tương ứng với các tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng trong mô phỏng 2400v/ph, 2610v/ph, 2800v/ph và 3600v/ph.

Phát thải của ô tô được đánh giá theo chu trình thử khí thải tiêu chuẩn. Các loại nhiên liệu được sử dụng bao gồm E0, E10, E15 và E20.

Hình 3.1 thể hiện hình ảnh bố trí ô tô trên băng thử.

Hình 3.1: Thử nghiệm ô tô trên băng thử CD48

3.2. Kết quả thử nghiệm và thảo luận

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy sự thống nhất khá cao với kết quả nghiên cứu mô phỏng.

Đối với công suất, xét ở cùng tốc độ, xe chạy với nhiên liệu E10 cho công suất khá tương đồng so với khi sử dụng xăng RON92. Đối với các nhiên liệu E15 và E20, công suất của động cơ giảm nhẹ, trong đó mức giảm tối đa là 2,88% đối với nhiên liệu E20 (Hình 3.2). Từ kết quả này có thể thấy rằng khả năng điều chỉnh lamda của động cơ phun xăng điện tử chỉ phát huy rõ tác dụng đối với xăng E10 và E15, đối với xăng E20 do sự chênh lệch lớn về nhiệt trị của nhiên liệu, lượng nhiên liệu phun bù nhằm giữ nguyên hệ số dư lượng không khí lambda vượt quá khả năng điều chỉnh và dẫn tới sự sụt giảm công suất của động cơ rõ nét.

Hình 3.2: Tỷ lệ cải thiện công suất xe khi chạy nhiên liệu E10, E15 và E20 so với khi sử dụng xăng RON92

Mức tiêu thụ nhiên liệu tương ứng với các chế độ vận hành đối với các loại nhiên liệu khác nhau được trình bày trong Bảng 3.1. Trong đó có thể thấy rằng lượng nhiên liệu tiêu thụ tăng lên khi sử dụng xăng sinh học, tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học càng cao thì lượng tiêu thụ nhiên liệu càng lớn. Lượng nhiên liệu cung cấp tăng tới 5% đối với nhiên liệu E20.

Bảng 3.1. Tiêu thụ nhiên liệu (kg/h) của xe khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau

Kết quả thử nghiệm phát thải của ô tô theo chu trình thử ECE15 – 05 được trình bày ở Bảng 3.2.

Tương tự với kết quả mô phỏng, so với ô tô sử dụng xăng RON92, thành phần phát thải CO giảm và NO_x tăng khi sử dụng xăng sinh học do quá trình đốt cháy kiệt nhiên liệu và nhiệt độ quá trình cháy tăng. Thành phần phát thải HC giảm đối với E10 nhưng có tăng nhẹ đối với E15 và E20 do kết quả điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ nhằm đạt được công suất tương đương như đối với khi sử dụng xăng RON92 và do hiệu ứng giảm nhiệt độ của hỗn hợp nạp khi ethanol bay hơi. Ngoài ra, do thời điểm đánh lửa được giữ nguyên nên khả năng đốt cháy kiệt nhiên liệu nhờ thời điểm cháy phù hợp chưa được phát huy.

Bảng 3.2. Phát thải của ô tô theo chu trình thử ECE15 – 05 khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau

4. Kết luận

Nhờ có khả năng điều chỉnh hệ số dư lượng không khí lamda, động cơ phun xăng điện tử có thể đạt được công suất tương đương khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học E10 và E15. Tuy nhiên, đối với xăng sinh học E20 trở lên thì cần quan tâm tăng lượng nhiên liệu nhằm đạt được công suất tương đương của động cơ.

Các thành phần phát thải CO giảm nhờ quá trình cháy được cải thiện. Thành phần phát thải HC ít thay đổi và có xu hướng tăng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol lớn. Việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm sẽ có vai trò quan trọng trong việc đốt cháy kiệt nhiên liệu và góp phần cắt giảm thành phần phát thải HC. Kết quả nghiên cứu cho thấy cần quan tâm điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho động cơ khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol từ 15% trở lên o

Tài liệu tham khảo

[1]. Mars Al-Baghdadi (5/2008), Measurement and prediction study of the effect of ethanol blending on the performance and pollutants emission of a four – stroke spark ignition engine, Part D: Journal of Automobile Engineering, Volume 222, Pages 859-873.

[2]. Lê Anh Tuấn, Phạm Minh Tuấn (2009), Nghiên cứu ảnh hưởng của xăng sinh học E5 và E10 đến tính năng và phát thải của xe máy và ô tô đang lưu hành, Tạp chí KHCN các trường đại học số 73B,  p98-104 (số tiếng Anh).

[3]. Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Truyền (2010), Utilization of ethanol – gasoline blends (E5 to E20) in gasoline engines: A study on materials compatibility in Vietnam, 3rd AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy, Penang, Malaysia.

[4]. Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Truyền, Nguyễn Đức Khách, Nguyễn Tiến Chuẩn ( 2011), Simulation study of motorcycle engine’s charateristics fueled with etanol-gasoline blends, Tạp chí Khoa học công nghệ các trường đại học kỹ thuật, số 83B, p119-124, (số tiếng Anh).

[5]. Phạm Hữu Truyền, Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Nguyễn Đức Khánh, Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm sử dụng etanol sinh học cho động cơ xăng, Tuyển tập Hội nghị Cơ học thủy khí toàn quốc năm 2011, tr. 623 – 632.

[6]. Lê Anh Tuấn, Nguyễn Đức Khánh, Phạm Minh Tuấn, Phạm Hữu Truyền (2011), Investigation of motorcycle engine’s characteristics fueled with etanol-gasoline blends, 4th AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy, TP HCM, tr. 28-32.

[7]. Phạm Hữu Tuyến, Phạm Hữu Truyền, Nguyễn Duy Tiến, Phạm Hòa Bình, Lê Anh Tuấn (2012), Material compatibility assessment of automotive fuel system components with E10 fuel, Proceedings of the 5th Regional Conference on New and Renewable Energy – RCNRE, tr. 110 -114.

[8]. Phạm Hữu Truyền, Lê Anh Tuấn, Trần Anh Trung (01/2013), Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá độ bền của động cơ xăng ô tô đời cũ sử dụng xăng sinh học E10, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số đặc biệt, tr. 57 – 61.

[9]. Lê Anh Tuấn và cộng sự (2013), Nghiên cứu khả năng tương thích của động cơ nổ thế hệ cũ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5%, đề tài cấp NN mã số 06/HĐ-ĐT.06.11/NLSH.