Chuyên đề 9 Đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 đến công suất, mô men, tiêu thụ nhiên liệu, khả năng khởi động và khả năng tăng tốc của động cơ xe máy

Kết quả thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 đến công suất, mô men, tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xe máy.... Ở Việt Nam do đặc thù lượng xe máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

thuộc Đề tài: “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%”, mã số ĐT.06.11/NLSH

thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015,

tầm nhìn đến năm 2025

Sản phẩm 3.3: Đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng xăng sinh

học E10, E15 và E20 đến công suất, mô men, tiêu thụ nhiên liệu, khả năng khởi động và khả năng tăng tốc của động cơ xe máy

Chuyên đề số: 9

Cơ quan chủ trì

Hà Nội, tháng 9 năm 2011

MỤC LỤC

Lời nói đầu 2

1 Nhiên liệu sinh học 3

1.1 Ưu điểm của nhiên liệu sinh học 3

1.2 Nhược điểm của nhiên liệu sinh học 4

2 Thiết bị thử nghiệm 4

2.1 Băng thử xe máy CD20 (Chassis dynamometer 20’’) 4

2.1.1 Đặc điểm và chức năng chính của băng thử 4

2.1.2 Kết cấu băng thử 5

2.1.3 thông số của băng thử 6

2.1.4 Sơ đồ hệ thống 7

2.2 Thiết bị đo tiêu thụ nhiên liệu 733S 10

2.2.1 Đặc điểm của hệ thống 11

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 11

3 Phương pháp thử nghiệm 12

3.1 Nhiên liệu thử nghiệm 12

3.2 Phương tiện thử nghiệm và cách thức tiến hành 13

4 Kết quả thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 đến công suất, mô men, tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xe máy 16

4.1 Kết quả đo công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu ở tay số III 16

4.1.2 Suất tiêu thụ nhiên liệu 17

4.2 Kết quả đo công suất và suất tiêu thụ nhiên liệu ở tay số IV 19

4.2.1 Công suất động cơ 19

4.2.2 Suất tiêu thụ nhiên liệu 21

5 Kết quả thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 đến khả năng khởi động và tăng tốc của động cơ xe máy 24

5.1 Đánh giá chế độ khởi động 24

5.2 Đánh giá khả năng tăng tốc 26

6 Kết luận 27

Tài liệu tham khảo 28

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thế giới, sự gia tăng các phương tiện giao thông đã và đang gây ra thách thức trong việc thiếu hụt nguồn cung cấp nhiên liệu Các nguồn động lực hiện nay vẫn đang chủ yếu sử dụng các nhiên liệu

có nguồn gốc dầu mỏ Tuy nhiên, lượng dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, với trữ lượng hiện nay khoảng 1342 tỷ thùng (năm 2009) Với mức tiêu thụ khoảng 81,3 triệu thùng mỗi ngày (năm 2010) cùng với tốc độ tiêu thụ gia tăng 1,6% mỗi năm thì khoảng 43 năm nữa trữ lượng dầu mỏ hiện nay sẽ được khai thác hết Các loại nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ đã và đang gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trên thế giới

Để giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và giảm ô nhiễm môi trường các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu, ứng dụng các dạng nhiên liệu thay thế có nguồn gốc phi dầu mỏ như nhiên liệu sinh học, nhiên liệu hydro, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ,

Trong các loại nhiên liệu thay thế trên, nhiên liệu sinh học đã và đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới Hiện nay, nhiên liệu sinh học có khả năng thay thế khoảng 5 đến 10% nhiên liệu hóa thạch và đến năm 2020 nhiên liệu sinh học có thể thay thế khoảng 20% nhiên liệu hóa thạch trên thế giới

Nhiên liệu sinh học ngoài chức năng như một phụ gia, tăng cường oxy cho quá trình cháy, nó còn có thể thay thế nhiên liệu khoáng ngày càng cạn kiệt, bởi đây là nhiên liệu có thể tái sinh và nuôi trồng được Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, với hàng trăm loại động thực vật khác nhau sẽ là nguồn cung cấp nguyên liệu vô tận cho quá trình sản xuất nhiên liệu như biodiesel, etanol sinh học, dimetyl este, metanol, Ở Việt Nam do đặc thù lượng xe máy là khá lớn chính vì vậy chuyên đề này sẽ đưa ra những đánh giá về ảnh hưởng của việc sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 đến công suất, mô men, tiêu thụ nhiên liệu, khả năng khởi động, không tải và khả năng tăng tốc của xe so với khi sử dụng nhiên liệu truyền thống

Chuyên đề 9: Đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng xăng sinh học E10, E15

và E20 đến công suất, mô men, tiêu thụ nhiên liệu, khả năng khởi động và khả năng tăng tốc của động cơ xe máy

1 Nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào được sản xuất từ sinh khối, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc từ động thực vật Ví dụ như nhiên liệu chế suất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, dầu đậu nành, ) ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, khoai, sắn, ) các chất thải nông nghiệp (rơm rạ, phân, ) sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải, phế phẩm lâm nghiệp ) Chúng bao gồm bioetanol, biodiesel, biogas, etanol pha trộn (etanol-blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật Nhiên liệu sinh học được sử dụng phổ biến hiện nay là nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ xăng trong đó có thể kể đến như bioetanol

và biometanol, biobutanol Trong đó, bioetanol là loại nhiên liệu sinh học được sử dụng rất rộng rãi hơn cả và đã được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như

Mỹ, Brasil dưới dạng hỗn hợp xăng – etanol với các tỷ lệ khác nhau

Bioetanol là một loại cồn sinh học - được sản xuất chủ yếu thông qua các phản ứng lên men từ đường chứa trong các sản phẩm nông nghiệp như mía, ngô, lúa mì, củ cải đường, chất thải từ nhà máy tinh chế đường, hoặc cao lương đường Etanol có thể

sử dụng tốt trong động cơ đốt cháy cưỡng bức bởi nó có chỉ số ốctan cao, hay nói cách khác là khả năng chống kích nổ tốt Tuy nhiên, khi áp dụng bioetanol thay thế hoàn toàn xăng truyền thống sẽ có một số vấn đề phát sinh như áp suất hóa hơi và năng lượng thể tích thấp (nhiệt trị của etanol chỉ bằng 2/3 so với xăng)

1.1 Ưu điểm của nhiên liệu sinh học

Etanol cũng như các nhiên liệu cồn sinh học khác được đánh giá là sạch hơn so với xăng có nguồn gốc dầu mỏ vì chúng có nguồn gốc từ thực vật hoặc các phế phẩm nông nghiệp nên nó là nguồn nguyên liệu có thể tái tạo theo chu trình các bon kín Do đó trong quá trình sử dụng nhiên liệu này không làm tăng hiệu ứng nhà kính Khí thải của nhiên liệu cồn sinh học cũng ít độc hại hơn nguồn nhiên liệu truyền thống

Bản thân etanol có trị số ốctan cao hơn do vậy khi pha etanol vào xăng nó sẽ làm tăng chỉ số ốctan của hỗn hợp do vậy sẽ giảm được lượng phụ gia pha vào xăng nhằm mục đích tăng chỉ số ốctan

Khi dùng xăng etanol với tỷ lệ nhỏ (thấp hơn 20%) thì không cần thay đổi kết cấu của động cơ

Etanol có khả năng tự phân hủy ngoài môi trường nên không gây độc hại đối với môi trường

1.2 Nhược điểm của nhiên liệu sinh học

Việc sản xuất cồn sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm được cho là không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương thực Khả năng sản xuất với quy mô lớn cũng còn kém do nguồn cung cấp không ổn định vì phụ thuộc vào thời tiết

và nông nghiệp

Bên cạnh đó, công nghệ sản xuất cồn sinh học từ các nguồn lignocellulose chưa đạt được hiệu suất cao nên giá thành sản xuất vẫn cao hơn so với nhiên liệu truyền thống từ đó việc ứng dụng và sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống chưa được phổ biến

2 Thiết bị thử nghiệm

Thiết bị thử nghiệm bao gồm:

- Băng thử xe máy CD 20”

- Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 733S

Băng thử và hệ thống trên đều là những trang thiết bị hiện đại được cung cấp đồng bộ bởi Hãng AVL, Cộng hòa Áo

2.1 Băng thử xe máy CD20 (Chassis dynamometer 20’’)

2.1.1 Đặc điểm và chức năng chính của băng thử

Băng thử chassis Dynamometer 20’’ do hãng AVL cung cấp, có chức năng thử nghiệm và kiểm tra xe ở các chế độ mô phỏng Qua đó giúp cho quá trình nghiên cứu cải tiến xe máy và động cơ được dễ dàng

Các chức năng chính của băng thử:

- Xác định tốc độ của xe

- Xác định lực tác dụng trên bề mặt con lăn

- Xác định gia tốc và công suất của xe

- Mô hình hóa tải trọng trên đường thông qua băng thử

Kết hợp băng thử với hệ thống lấy mẫu khí thải CVS, tủ phân tích khí CEBII và thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 733S trong quá trình thử nghiệm theo chu trình châu Âu

(ECE R40) qua đó xác định thành phần các chất thải độc hại có trong khí thải, lượng nhiên liệu tiêu thụ

Các chế độ vận hành băng thử:

- Chế độ lực không đổi (F=const)

- Chế độ tốc độ không đổi (V=const)

- Chạy theo chu trình

có thể xác định được tốc độ xe

Bánh đà và đĩa phanh (phanh hơi) được gắn trên trục động cơ và con lăn có nhiệm

vụ tích lũy năng lượng Qua đó ổn định quá trình chạy của xe, giúp người lái theo chu trình thử được dễ dàng giảm tối thiểu các lỗi vượt ra ngoài miền dung sai cho phép của đường thử

Trên động cơ chính còn có cơ cấu đo lực dùng nguyên lý phanh điện xoay chiều

Xe được giữ trên băng thử bằng cơ cấu kẹp bánh trước sử dụng khí nén, với áp suất nén 4,5→10 bar nhằm giữ chặt xe trong suốt chu trình thử

Quạt gió được gắn liền với băng thử nên có khả năng tạo ra tốc độ gió thay đổi theo tốc độ con lăn trên băng thử có tác dụng làm mát động cơ trong quá trình thử nghiệm Các thông số cơ bản của quạt:

- Lưu lượng quạt 32.000 m3/h

- Áp suất tĩnh: 600 Pa, tổng áp suất: 837 Pa, áp suất hút ở 200C là 101 kPa, công suất : 12,29 kW

- Thời gian khới động chuẩn: 5,2 s

- Kích thước cửa quạt: 800*600 mm

2.1.3 thông số của băng thử

Băng thử chassis dyno 20’’ được thiết kế để mô phỏng lại khối lượng của xe trong phạm vi 80kg đến 350kg

Quán tính cơ sở của con lăn tương đương với khối lượng của xe khoảng 170kg Lực kéo lớn nhất của động cơ ở chế độ động cơ là 1512 N ở 90 Km/h Lực kéo lớn nhất ở chế độ máy phát là 1680 N ở 90 Km/h

Lực kéo lớn nhất của động cơ ở chế độ khi sử dụng nhiều là là 945 N ở 90Km/h Ở chế độ máy phát sử dụng nhiều là 1040 N ở 90 Km/h

Các thông số của quá trình thử và dung sai:

- Trong quá trình thử nghiệm, con lăn luôn bị khóa

- Dung sai của giá trị lực thực tế: 0,11 %

- Sự lặp lại dung sai lực kéo: 0,003 %

- Dung sai của gia tốc thực tế: 1% hoặc 0,005 m/s2

- Dung sai của bù cho mất mát < 5 N

- Bù của phép đo kích thước: 1 m

- Bù của thời gian đo kích thước: 10 ms

- Dung sai của thời gian đo kích thước: ± 10 ms

- Dung sai điều chỉnh tốc độ: < 0,05%

- Dung sai của điều chỉnh đơn vị lực kéo: < 2%

- Phạm vi nhiệt độ môi trường trong buồng thử: +50 C ÷ +400 C

- Độ ẩm lớn nhất bên ngoài buồng thử: < 75%

2.1.4 Sơ đồ hệ thống

Hình 2 Sơ đồ tổng quát của băng thử

Quá trình thử nghiệm được giám sát trên giao diện phần mền MMI, các thông số tốc

độ, lực kéo, công suất được hiển thị tức thời, ngoài ra người vận hành có thể theo dõi các thông số của quá trình thử nghiệm trên thiết bị điều khiển từ xa

Băng thử xe máy có thể thực hiện được các phép đo chính sau:

Cụm phanh điện

Van điện từ, công tắc áp suất

Tốc độ, lực kéo, màn hình

Dòng phần ứng, dòng kích thích

Điều

khiển từ

xa

Nguồn điện

- Xác định tốc độ xe

- Xác định lực tại bề mặt con lăn

- Xác định gia tốc và công suất xe

- Mô hình hóa tải trọng trên đường trên băng thử

Ngoài ra băng thử còn kết hợp với hệ thống phân tích khí xả để phân tích thành phần khí xả động cơ

Băng thử CD20’’ được điều khiển bằng phần mềm Zoller Đây là phần mềm cung cấp nhiều chức năng và giúp người sử dụng có thể quan sát tình trạng vận hành thông qua giao diện người – máy

2.1.5 Nguyên lý phép đo tốc độ

Tốc độ của băng thử được xác định thông qua bộ cảm biến tốc độ kiểu quang học

Bộ cảm biến được gắn ở đầu trục của con lăn vì vậy nó có thể đo trực tiếp tốc độ của con lăn Từ tốc độ con lăn n có thể tính được vận tốc v của xe

Hình 3 Cấu tạo của cảm biến tốc độ

1 : Đĩa mã hoá 2 : Nguồn sáng (đèn LED) 3: Tranzitor quang

Đĩa mã hoá 1 được gắn cứng với trục con lăn 4 vì vậy khi trục con lăn quay sẽ làm cho đĩa 1 quay cùng với tốc độ con lăn

Khi vị trí đèn LED 2, lỗ trên đĩa 1 và tranzitor quang 3 thằng hàng khi đó tranzitor nhận được ánh sáng do đèn 2 phát ra sẽ làm thông mạnh điện, lúc đó điện áp cung cấp cho mạch là 5 V

Khi vị trí của đèn 2, lỗ trên đĩa 1 và Tranzitor không thẳng hàng thì Tranzitor 3 không nhận được ánh sáng do 2 cung cấp do đó Tranzitor quang 3 bị khoá nên điện áp cung cấp của mạch là 0 V

Do đĩa 1 quay liên tục nên tín hiệu ở đầu ra có dạng xung chữ nhật :

Hình 4 Tín hiệu xung đầu ra của cảm biến tốc độ

Tín hiệu xung ở đầu ra được đưa đến máy đếm xung đồng thời liên kết với cơ cấu đếm thời gian sẽ xác định được tốc độ của con lăn

trong đó : n : Tốc độ của con lăn

y : Số xung đếm được ở máy đếm xung

t : Thời gian đo (s)

x : Số rãnh trên đĩa mã hoá 1 2.1.6 Nguyên lý phép đo lực

Đo lực trên bề mặt con lăn dựa trên nguyên lý phanh điện xoay chiều

Hình 5: Nguyên lý đo lực

1 Con lăn 2 Gối trục 3 Động cơ điện 4 Bộ cân tải

Một động cơ điện xoay chiều được đặt trên hai gối trục sao cho Stator luôn tự do,

do vậy Stator có thể quay tương đối so với Rotor

Khi con lăn quay quanh trục kéo theo trục Rotor quay theo Nhờ tác dụng tương hỗ của từ trường giữa Rotor và Stator sẽ làm Stator của động cơ điện quay theo Khi Stator dịch chuyển thông qua cụm cân tải (loadcell) sẽ xác định được giá trị lực kéo

n 

Lực kéo FW được đo nhờ bộ cân tải dựa trên nguyên tắc đo lực nhờ hiện tượng áp điện Từ lực tại bộ cân tải FW có thể tính ra lực tại bề mặt con lăn FKéo theo phương trình cân bằng:

FW.r = Fkéo.R 

Trong đó FKéo: Lực kéo tại bề mặt con lăn

FW: Lực đo tại bộ cân tải

` r: Chiều dài cánh tay đòn

R: Bán kính con lăn

Hình 6 Cơ sở xác định lực kéo

2.1.7 Nguyên lý Phép đo gia tốc và công suất

Công suất của xe theo công thức sau :

P = FKéo.v Tốc độ của con lăn v (m/s) được xác định từ bộ cảm biến tốc độ và bán kính con lăn

Lực kéo tại bề mặt con lăn FKéo được xác định được nhờ bộ cân tải (loadcell) Gia tốc của xe được xác định trên cơ sở định nghĩa:

Hình 7 Thiết bị đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S

2.2.1 Đặc điểm của hệ thống

Nguyên lý đo phân tích trọng lượng cho phép đo trực tiếp khối lượng nhiên liệu tiêu thụ Do đó sẽ không có ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ trọng nhiên liệu tới phép đo Giải pháp thông gió cho bình đo nhằm đảm bảo không xuất hiện bọt khí trong mạch đồng thời giải pháp này đảm bảo tính an toàn và độ ổn định cao

Nguyên lý đo phân tích trọng lượng cho phép đo trực tiếp khối lượng nhiên liệu tiêu thụ Do đó sẽ không có ảnh hưởng của nhiệt độ và tỉ trọng nhiên liệu tới phép đo Các thông số chính của thiết bị :

- Sai số của thiết bị là 0,1%

- Giải đo từ 0 đến 150 kg/h Có thể cho phép tới 400 kg/h

- Tổng khối lượng của bình đo 1800g Với khối lượng này cho phép đo liên tục

áp dụng cho các loại xe từ xe máy tới ôtô khi áp dụng các tiêu chuẩn thử nghiệm như FTP75, ECE R40 Với thời gian điền đầy ngắn, cho phép sớm tiến hành phép đo tiếp theo

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Thiết bị đo tiêu thụ nhiên liệu Fuel Balance 733S dùng cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu tiêu thụ cung cấp cho động cơ bằng cách cân lượng nhiên liệu trong bình chứa (đo theo kiểu khối lượng) Nguyên lý hoạt động của thiết bị được thể hiện trên hình 8 Bắt đầu quá trình đo nhiên liệu được cấp đầy vào thùng đo 6 thông qua đường cấp nhiên liệu 1 Khi lượng nhiên liệu đã đầy lúc này lực tỳ lên cảm biến lưu lượng là lớn nhất Van điện từ 12 đóng lại ngăn không cho dòng nhiên liệu vào thùng đo trong khi

đường cấp vào động cơ vẫn mở, lượng nhiên liệu trên đường hồi của động cơ (khi sử dụng hệ thống phun xăng điện tử) áp suất trong bình được giữ ổn định nhờ ống thông hơi 4 Đồng thời với quá trình đó bộ phận đếm thời gian hoạt động Lượng nhiên liệu trong bình chứa được đo liên tục trong từng giây dựa vào lượng nhiên liệu còn trong bình ECU sẽ tính ra lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ

Hình 8 Sơ đồ nguyên lý hoặt động của hệ thống AVL 733

1 Nhiên liệu cấp vào thùng đo 2 Nhiên liệu tới động cơ

3 Nhiên liệu hồi từ động cơ 4 Ống thông hơi

5 Các ống nối mềm 6 Thùng đo

7 Thanh cân 8 Lò xo lá

9 Cân bì 10 Cảm biến lưu lượng

11 Thiết bị giảm chấn 12 Van điện từ đường nạp

3 Phương pháp thử nghiệm

3.1 Nhiên liệu thử nghiệm

- Etanol E100 sản xuất bởi Công ty Cổ phần Đồng Xanh, Quảng Nam, có nồng

độ cồn 99,5%

- Xăng RON92 đang được sử dụng rộng rãi trên thị trường cung cấp bởi

Petrolimex

Trên cơ sở 2 loại nhiên liệu gốc trên, hỗn hợp xăng-etanol được pha trộn như sau:

- Xăng sinh học E10: 10% etanol biến tính và 90% xăng RON92, xăng dsinh học E15: 15% etanol biến tính và 85% xăng RON92, Xăng sinh học E20: 20% etanol biến tính và 80% xăng RON92

Sau khi pha trộn và chờ cho nhiên liệu ổn định, tất cả các mẫu nhiên liệu được phân tích tại PTN trọng điểm quốc gia về công nghệ lọc và hóa dầu - Viện Hóa học Công nghiệp để xác định các tính chất lý hóa chính

Kết quả phân tích đối với xăng RON92 và etanol gốc cho trong bảng 1

Bảng 1: Kết quả phân tích xăng RON92 và Etanol gốc

3.2 Phương tiện và phương pháp thử nghiệm

3.2.1 Phương tiện thử nghiệm

Xe máy thử nghiệm là xe Honda Super Dream 97 cc có chất lượng khoảng 60% với các thông số cơ bản của xe được thể hiện trong bảng 2

Bảng 2: Thông số kỹ thuật của xe máy thử nghiệm

Loại động cơ 4 kỳ, một xylanh, 2 xupáp, làm mát bằng gió

Bố trí xylanh Xy lanh đơn, nghiêng phía trước

Dung tích xylanh 97 cc

Đường kính và hành trình piston 50,0mm x 49,5 mm

Công suất tối đa 4.41 kW/7.000 vòng/phút

Mô men cực đại 6,03 Nm/5.000 vòng/phút

Hệ thống khởi động Cần đạp và khởi động bằng điện

Hệ thống bôi trơn Vung té

Hệ thống nhiên liệu Bộ chế hòa khí

Dung tích dầu máy 1,0 lít

Dung tích bình xăng 3,7 lít

Hệ thống đánh lửa DC.CDI