Nghiên cứu khả năng ứng dụng xăng pha cồn cho một số loại động cơ công suất nhỏ dùng trong nông nghiệp

Luận văn, thạc sỹ, tiến sĩ, cao học, kinh tế, nông nghiệp

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học nông nghiệp I

-

Ngô Văn Phương

Nghiên cứu khả năng ứng dụng xăng pha cồn cho một số loại động cơ công suất nhỏ dùng trong nông

nghiệp

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị

cơ giới hóa nông lâm nghiệp

M∙ số : 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Nông Văn Vìn

Hà Nội ư 2006

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã

được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Ngô Văn Phương

Lời cảm ơn

Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại lớp cao học cơ khí khóa 13, trường Đại học Nông nghiệp I Tôi đã nhận được sự giúp đỡ, giảng dạy nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo trong nhà trường, các thầy cô khoa Cơ điện Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong trường

ĐHNN I

Đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình chu đáo, trách nhiệm cao của thầy giáo PGS.TS Nông Văn Vìn, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình tôi học tập, nghiên cứu, thí nghiệm của Ban giám đốc Trung tâm Giám

định máy nông nghiệp, sự nhiệt tình giúp đỡ của các bạn đồng nghiệp, đồng môn trong quá trình tôi thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình giúp đỡ của gia đình đặc biệt là

Vợ tôi đã luôn luôn động viên tạo mọi điều kiện thuận lợi cho quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới tất cả những tập thể và cá nhân đã dành cho tôi mọi sự giúp đỡ quý báu, cộng tác và tài trợ kinh phí cho tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Hà nội, ngày tháng năm 2006

Tác giả

Ngô Văn Phương

1.1 Tình hình chung về nguồn năng lượng và sử dụng năng lượng 3 1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế 4 1.2.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trên thế giới 4 1.2.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trong nước 15

Chương 3: Nghiên cứu cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu động

cơ xăng để sử dụng loại nhiên liệu hỗn hợp xăng pha cồn

24

3.1 Lựa chọn phương án cải tiến

3.2 Hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng dùng bộ chế hoà khí

24

27

3.2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng

3.4 Cơ sở tính toán cải tiến một số chi tiết chính bộ chế hoà khí 333.4.1 Cơ sở xác định các thông số chính của bộ chế hoà khí đơn giản 343.4.2 Tính toán cải tiến gíc lơ động cơ GS130-2CN 37

Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 44

4.1 Thử động cơ trong phòng thí nghiệm

4.1.1 Mục đích thử

44 44

4.1.4 Kết quả thử động cơ GS130-2CN trên băng phanh 494.1.5 Đánh giá khả năng tăng tốc của động cơ với các loại nhiên liệu 644.2 Thử động cơ trong thực tế sản xuất

4.2.1 Mục đích thử

67 67

3.2 Kết quả kiểm tra lưu lượng qua giclơ trước và sau khi cải tiến 43 4.1 Điều kiện thử nghiệm động cơ GS130-2CN trên băng phanh 50 4.2 Kết quả khảo nghiệm đặc tính động cơ khi sử dụng nhiên

liệu A92 với bộ chế hòa khí nguyên bản

51

4.3 Kết quả khảo nghiệm đặc tính động cơ khi sử dụng nhiên liệu cồn E100 với bộ chế hòa khí nguyên bản

52

4.4 Kết quả khảo nghiệm đặc tính động cơ khi sử dụng nhiên

liệu cồn E100 với bộ chế hòa khí đã cải tiến

53

4.5 Kết quả khảo nghiệm đặc tính động cơ khi sử dụng nhiên

liệu E10 với bộ chế hòa khí nguyên bản

54

4.6 Kết quả khảo nghiệm đặc tính động cơ khi sử dụng nhiên

liệu E20 với bộ chế hòa khí nguyên bản

55

4.7 Số liệu so sánh công suất và mô men trên trục động cơ 56 4.8 Số liệu so sánh suất tiêu thụ nhiên liệu động cơ 60 4.9 Kết quả kiểm tra nhiệt độ động cơ trong quá trình thử 61 4.10 Thời gian tăng tốc của động cơ với các loại nhiên liệu 67 4.11 Tổng hợp điều kiện và kết quả thử động cơ GS130-2CN lắp

trên máy gặt lúa KUBOTA làm việc trên đồng

70

4.12 Số liệu so sánh năng suất và chi phí nhiên liệu máy gặt lúa

với 6 phương án thí nghiệm

72

3.4 Quan hệ giữa đường kính lỗ gic lơ và tỷ lệ cồn trong hỗn hợp 41

4.8 Đặc tình làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu

cồn E100 với bộ chế hòa khí nguyên bản

52

4.9 Đặc tính làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu cồn

E100 với bộ chế hòa khí đã cải tiến

53

4.10 Đặc tính làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu

E10 với bộ chế hòa khí nguyên bản

54

4.11 Đặc tính làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu

E20 với bộ chế hòa khí nguyên bản

55

4.12 Công suất và mô men động cơ khi sử dụng xăng A92, cồn

E100, hỗn hợp xăng pha cồn E10, E20 với bộ chế hòa khí

nguyên bản và bộ chế hòa khí cải tiến để sử dụng E100

57

4.13 Suất tiêu thụ nhiên liệu của động cơ khi sử dụng xăng A92,

cồn E100, hỗn hợp xăng pha cồn E10, E20 với bộ CHK nguyên bản và bộ CHK cải tiến để sử dụng E100

59

4.14 Đồ thị tăng tốc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng A92

với bộ chế hòa khí nguyên bản

65

4.15 Đồ thị tăng tốc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu cồn E100

với bộ chế hòa khí nguyên bản

65

4.16 Đồ thị tăng tốc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu cồn E100

với bộ chế hòa khí đã cải tiến

66

4.17 Đồ thị tăng tốc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu cồn E10

với bộ chế hòa khí nguyên bản

66

4.18 Đồ thị tăng tốc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu cồn E20

với bộ chế hòa khí nguyên bản

66

Mở đầu

Trong thời gian gần đây tốc độ tăng trưởng kinh tế đã làm tăng đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu, nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt dần Vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ gây ra đang

là mối đe dọa sức khoẻ con người, nhất là đối với các thành phố đông dân, mật

độ xe quá nhiều, trong khi dân số thế giới tăng nhanh và đòi hỏi tiêu chuẩn sống cao hơn

Khi nguồn dầu mỏ cạn dần, bên cạnh các giải pháp tiết kiệm và sử dụng năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió,… thì việc đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng các loại năng lượng tái tạo nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường sống đã đặt ra nhiệm vụ cho các nhà khoa học-kỹ thuật phải tìm nguồn nhiên liệu thay thế cho xăng, dầu Loại nhiên liệu thay thế xăng dầu không chỉ đốt cháy sạch hơn–tạo ra chất thải thấp hơn mà còn có khả năng tái tạo được

Với những lý do nêu trên, nhiều nước trên thế giới kể cả các nước có nguồn dầu khí lớn đã sản xuất và sử dụng cồn ethanol thay thế một phần xăng dầu, như Brazil, Mỹ, Canađa, Thái Lan, Trung Quốc, ấn Độ, Brazil là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn nhất thế giới, là nước tiên phong sử dụng ethanol thay xăng cách đây gần 40 năm Hiện nay Brazil có trên 3 triệu ô tô sử dụng hoàn toàn cồn khan làm nhiên liệu và 17 triệu ôtô sử dụng xăng pha 24% cồn ở mỹ đến nay đã có 20 nhà máy sản xuất ethanol với công suất khoảng 13 triệu tấn ấn Độ là nước dẫn đầu Châu á sử dụng ethanol làm nhiên liệu, năm 2003 có 9 thành phố đã sử dụng ethanol thay 5% xăng dầu Các nước ở Đông Nam á như Thái Lan, Inđônêxia, Malayxia đã phát triển công nghệ sản xuất ethanol dùng thay xăng Nhiều tập đoàn dầu khí lớn trên thế giới cũng đang chú ý để đầu tư phát triển loại nhiên liệu mới này [13]

ở nước ta, giới khoa học đã quan tâm nghiên cứu dùng cồn làm nhiên liệu từ hơn một thập kỷ qua như các trường Đại học, các Viện nghiên cứu nhưng việc ứng dụng cồn làm nhiên liệu vẫn còn nhiều hạn chế Đến nay các kết quả nghiên cứu mới được thử nghiệm trên các phương tiện giao thông, song nghiên cứu cho loại máy nông nghiệp với những đặc thù riêng (tải trọng thay đổi trong phạm vi rộng, mang tính ngẫu nhiên ,…) Đặc điểm này đòi hỏi

động cơ phải có tính ổn định cao, có khả năng vươt tải tốt thì chưa có

Với những lý do trên chúng tôi đề xuất đề tài: “Nghiên cứu khả năng ứng dụng xăng pha cồn cho một số loại động cơ công suất nhỏ dùng trong nông nghiệp ”

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Thăm dò khả năng ứng dụng nhiên liệu cồn và hỗn hợp xăng pha cồn cho một số loại động cơ xăng công suất nhỏ thông dụng dùng trong nông nghiệp

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn với loại động cơ có bộ chế hoà khí đơn giản Phương pháp nghiên cứu của đề tài là kết hợp nghiên cứu lý

thuyết và thực nghiệm

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết cho việc cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ xăng để sử dụng nhiên liệu cồn và hỗn hợp xăng pha cồn

- Xây dựng đường đặc tính ngoài của động cơ với các loại nhiên liệu trong phòng thí nghiệm

- Thử nghiệm động cơ liên hợp với máy nông nghiệp trong thực tế sản xuất khi sử dụng các loại nhiên liệu xăng, cồn và hỗn hợp xăng pha cồn để sơ

bộ so sánh, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật

Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đề tài chọn động cơ xăng công suất nhỏ và máy gặt lúa rải hàng là loại

động cơ và máy nông nghiệp đang được sử dụng phổ biến trong sản xuất hiện nay

Chương 1 Tổng quan Nghiên cứu

1.1 Tình hình chung về nguồn năng lượng và sử dụng năng lượng

Tất cả các dạng nhiên liệu đều cần thiết và có vị trí tương xứng trong từng giai đoạn Dầu mỏ đã có đóng góp to lớn trong hơn một thế kỷ qua kể từ khi E.Drake lần đầu tiên tìm ra nó ở Pennsylvania (Mỹ) vào năm 1859 và hiện nay vẫn là dạng năng lượng chủ yếu Xăng dầu và các sản phẩm hoá dầu đã

đem lại văn minh cho nhân loại Theo dự báo đến cuối thế kỷ XXI, năng lượng hoá thạch (đặc biệt là dầu mỏ) vẫn là dạng năng lượng chủ yếu, chưa có dạng năng lượng nào có thể thay thế được Đây là dạng năng lượng khoáng,

dù trữ lượng có lớn đến đâu rồi cũng sẽ cạn kiệt Theo công bố mới nhất của tập đoàn dầu mỏ BP, trữ lượng dầu mỏ đã thăm dò trên toàn cầu đến năm 2003

là khoảng 150 tỷ tấn Nếu không phát hiện thêm trữ lượng mới, nguồn dầu mỏ cũng chỉ đủ dùng trong vòng 40 năm nữa [8]

Các chuyên gia kinh tế năng lượng cho rằng trong vòng 15 năm tới, cung vẫn thấp hơn cầu về dầu mỏ Nhu cầu dầu tăng chưa thấy điểm dừng là nguyên nhân làm giá dầu luôn tăng Dầu mỏ lại tập trung chủ yếu ở các khu vực luôn có tình hình chính trị bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu thế giới), Trung á, Trung Phi … Mỗi đợt khủng hoảng dầu mỏ, giá dầu tăng làm lay chuyển nền kinh tế của nhiều nước, nhất là các nước nghèo Nước ta cũng không đứng ngoài xu thế này

Các chuyên gia năng lượng trên thế giới đã có dự báo quan trọng về chiến lược phát triển nhiên liệu toàn cầu, dự báo nhiên liệu hoá thạch (than, dầu, khí) vốn được coi là nguồn nhiên liệu chủ yếu hiên tại cho xã hội sẽ bị cạn dần trong vài thập kỷ tới Dự báo trong vòng 15 năm tới, tiêu thụ dầu mỏ trên toàn Thế giới sẽ đạt mức cao nhất, khoảng 90 - 95 triệu thùng/ngày so với

hiện tại là 70 - 77 triệu thùng/ngày sau đó sẽ giảm dần vì khai thác giảm đi, các nước có thể rơi vào khủng hoảng năng lượng và nhiên liệu, biến động về kinh tế [8]

Nước ta, theo kết quả nghiên cứu của Chương trình Khoa học Công nghệ cấp Nhà nước, giai đoạn 1996 - 2000 về chiến lược và chính sách phát triển năng lượng, có trữ lượng dầu mỏ khoảng 1,9 tỷ tấn dầu quy đổi, khí thiên nhiên khoảng 1,8 tỷ m3, nhưng trữ lượng khai thác kinh tế chỉ ở mức 35% Trữ lượng dầu khí như trên cũng chỉ đảm bảo mức khai thác 30 triệu tấn/năm trong giai đoạn 2015 - 2016, sau đó sẽ giảm nhanh nếu không tìm ra các mỏ mới Hiện nay nước ta mỗi năm cần khoảng 5 triệu tấn xăng và dầu diezen dùng cho động cơ đốt trong: dự báo năm 2010, 2020 sẽ tăng tương ứng 10 - 11 triệu tấn, 17 - 18 triệu tấn Nhà máy lọc dầu số 1 và số 2 Dung Quất (dự kiến hoàn thành 2008) cũng mới chỉ đáp ứng tối đa 70% nhu cầu Lượng nhiên liệu thiếu hụt đó hoàn toàn có thể thay thế bằng Ethanol [13]

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế

1.2.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trên thế giới

Nguồn dầu mỏ Thế giới đang cạn kiệt dần khiến nguồn cung không

đảm bảo liên tục gây lo ngại cho các nước “khát dầu” phục vụ cho nền kinh tế phát triển Vì thế, tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đang được các nước

đặt lên hàng đầu Các nước trên thế giới đã đi theo nhiều xu hướng như: tìm nguồn năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió,… và các loại nhiên liệu thay thế sử dụng ngày nay gồm: cồn êtylic, cồn mêtylic, hyđrô, biofuels, biodiezen, diesohol, khí thiên nhiên, propane, năng lượng điện Trong số những nhiên liệu thay thế, cồn nổi lên như một ứng cử viên sáng giá nhất, đáp ứng được các tiêu chuẩn như để sản xuất, giá rẻ và “thân thiện” với môi trường

1.2.1.1 Nhiên liệu êtylic (cồn ethanol - C 2 H 5 OH)

Cồn êtylic là chất lỏng không mầu linh động, nồng độ tại 00C là 0,806kg/lít, sôi ở 780C và kết tinh tại -110,50C Nó cháy với ngọn lửa chói sáng và hoà tan trong nước ở mọi tỷ lệ [15]

a) Tình hình sản xuất

Cồn êtylic được sản xuất bằng phương pháp lên men các chất xacaro như: sắn, ngô, đường, bã mía, Ngoài ra, cồn êtylic còn được tổng hợp từ êtylen lấy từ các mỏ khí tự nhiên và thành phần khí chưng cất từ dầu mỏ [15]

Bảng 1.1: Sản lượng cồn thế giới giai đoạn 1995 – 2000 [18]

Nguồn: F.O Lichts (đơn vị :triệu lít)

Sản lượng cồn trên thế giới đang tăng nhanh Toàn thế giới năm 2002

đó sản xuất gần 33 triệu tấn Ethanol, trong đú 70% dựng làm nhiờn liệu được phõn bổ ở Chõu Mỹ 65% , Chõu Á 19%, Chõu Âu 3%, cỏc lục địa khỏc 13% Năm 2003 sản xuất cồn trên thế giới ước tính đạt 38,5 tỷ lít Sản xuất tập trung chủ yếu ở Châu Mỹ ước tính chiếm 71% sản lượng toàn thế giới, Châu á đứng thứ hai với sản lượng chiếm 17%, Châu Âu đứng thứ ba chiếm 10% Sản lượng trên toàn thế giới sẽ tăng nhanh trong những năm tiếp theo Tổng sản lượng đến năm 2012, thời điểm kết thúc của nghị định thư Kyoto dự tính sẽ

đạt 79 tỷ lít (gấp đôi so với năm 2003) Trong đó gia tăng lớn nhất sẽ xảy ra ở

Châu Mỹ với sản lượng gia tăng 22 tỷ lít Châu á tuy chương trình cồn nhiên

liệu mới chỉ phôi thai nhưng ước tính đến năm 2012 cũng đạt mức gia tăng 46

tỷ lít, thị phần lớn nhất là Trung Quốc Châu Âu cũng có một quyết sách mạnh

về vấn đề cồn nhiên liệu đến 2012 ước tính đạt sản lượng 11,2 tỷ lít [8]

Sản lượng cồn của một số quốc gia hàng đầu thế giới được thể hiện qua

bảng 1.2

Bảng 1.2: Một số nước sản xuất cồn nhiên liệu hàng đầu thế giới [18]

Nguồn: F.O Lichts (đơn vị :triệu lít)

Nghiên cứu sử dụng cồn thay thế một phần xăng dầu được xem là một

trong những biện pháp mang tính chiến lược vì vừa giảm thiểu tác động tiêu

cực của giá xăng dầu cao, đảm bảo tăng trưởng kinh tế và bảo vệ môi trường

Đi theo hướng này, trên thế giới đã ghi nhận được nhiều thành công và số nước ứng dụng ngày một tăng, trong đó có Brazil, Mỹ, Canađa, Thái Lan, Trung Quốc, ấn Độ,

Brazil là nước có bước đi đầu tiên với chương trình quốc gia ‘proalcool’

từ năm 1975, sử dụng cồn ethanol để pha vào xăng với tỷ lệ đến 20% dùng trong vận tải Năm 1975, Chính phủ Brazil đã ban hành một sắc lệnh thành lập chương trình cồn quốc gia Từ năm 1979, họ đã sản xuất các xe ca trang bị

động cơ chuyên dùng cồn êtylic Năm 2004, Brazil xản xuất cồn ở mức kỷ lục với 15,2 tỷ lít, tăng 3,4% so với năm 2003, năm 2005 sản lượng này lên tới 16,2 tỷ lít Cồn của Brazil chủ yếu xuất khẩu sang thị trường ấn Độ với 451 triệu lít, thứ hai là thị trường Mỹ với 418 triệu lít, tiếp đó là các thị trường Hàn Quốc 230 triệu lít và Nhật Bản 197 triệu lít Hiện nay, 9 công ty sản xuất xe hơi ở Brazil, trong đó có General Motor và Ford cung cấp cho thị trường loại

xe sử dụng nhiên liệu lưỡng tính tức là chạy bằng xăng thông thường hoặc bằng cồn hoặc bằng hỗn hợp xăng - cồn đều được Tỷ lệ cồn pha trong xăng khoảng 20 – 24% [7] Đến nay, gần 1/3 số xe hơi bán ra thị trường Brazil có

thể sử dụng cả êtylic và xăng thông thường Tiến đến mức xa hơn, Brazil đã sử

dụng cồn cho máy bay và đến nay có khoảng 300 đến 400 máy bay nhỏ sử dụng cồn êtylic, hầu hết được cải tiến từ máy bay sử dụng xăng [1].

Nước Mỹ sau đợt khủng hoảng năng lượng năm 1976, họ bắt đầu thử

nghiệm và đến năm 1978, Quốc hội đã công nhận những lợi ích của cồn êtylic

trong nhiên liệu và dùng biện pháp giảm thuế để khuyến khích phát triển thị trường nhiên liệu này Năm 1992 những chiếc xe tải cỡ lỡn với động cơ 300 mã lực đã đưa vào chạy bằng nhiên liệu chứa 95% cồn và 5% xăng Đến nay, quốc hội Mỹ đã ban hành luật cho phép các bang được pha trộn cồn vào xăng

ô tô với tỷ lệ khoảng 10% và gần đây họ đã nhất trí thông qua một nghị quyết

đòi hỏi các nhà máy lọc dầu của Mỹ phải tăng lên gấp hai lần việc sử dụng

cồn êtylic và các loại nhiên liệu có thể được tái tạo khác trước năm 2012 Các

bang California, New York, Wasington,…là những nơi đã sử dụng rộng rãi xăng pha cồn (thường pha vào xăng tỷ lệ 5% cồn, nhưng có một số loại xe hơi

Thái Lan, hiện nay đã sử dụng xăng pha cồn với tỷ lệ 15% Tháng 9/2004, một cuộc họp Quốc tế về chủ đề sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn đã

được tổ chức tại Băng cốc Với chiến lược an ninh năng lượng mới trị giá 2 tỉ USD, xăng pha cồn sẽ được khuyến khích lưu hành trên thị trường Thái Lan [13]

Trung Quốc tiến hành chương trình sử dụng gasohol thí điểm tại 5 thành phố lớn từ giữa năm 2003 Hiện gasohol đang được sử dụng rộng rãi và chiếm hơn 80% thị phần nhiên liệu tại tỉnh Hắc Long Giang, Tề Lâm, Liêu Ninh và Hà Nam Năm 2004, gần 800.000 tấn nhiên liệu loại này đã được bán tại tỉnh Tề Lâm Tới cuối năm 2005, sẽ có thêm 27 thành phố tại tỉnh Sơn

Đông, Giang Tô và Hà Bắc buộc sử dụng gasohol Được biết lượng xăng dầu

được sử dụng tại các khu vực thí điểm trên chiếm 25% tổng mức tiêu thụ Quốc gia [13]

ấn Độ là nước dẫn đầu Châu á sử dụng ethanol làm nhiên liệu, năm

2000 đã pha 5% cồn ethanol vào xăng Chính phủ ấn Độ dự kiến pha 10% cồn ethanol vào xăng trong vài năm tới [13]

c) Tình hình nghiên cứu

Từ những năm 60, Liên xô đã có những nghiên cứu và năm 1970, ban hành tiêu chuẩn nhà nước GOCT 1970-43 về bộ chế hoà khí khi sử dụng các loại nhiên liệu: Xăng, Benzôn, Rượu cồn, Ete,… [19]

Từ năm 1967, Brazil đã có những công trình nghiên cứu chuyển đổi

động cơ xe VOLKSWAGENS để sử dụng nhiên liệu cồn và đã chạy thử hơn một năm với quãng đường hơn 1.200 dặm (1 dặm = 1,618 km) không có chất phụ gia mà chưa xuất hiện hư hỏng gì [7]

Nhiều hãng ôtô lớn trên thế giới như Toyota, Ford, GM BMW,… đã

nghiên cứu chế tạo loại động cơ dùng cồn êtylic để giảm ô nhiễm môi trường

vì khí thải của loại động cơ này rất sạch Hiện nay có bốn phương án dùng cồn ethanol trên động cơ xăng [7]:

- Cách thứ nhất: Dùng nhiên liệu ethanol 100% trên những động cơ chế tạo dành riêng cho nó (1/4 số xe của Brazil là loại xe này)

- Cách thứ hai: Dùng xe FFV (Flex- Fuel Vehicles- ô tô nhiên liệu linh hoạt), những xe này có thể dùng xăng pha từ 0 – 85% cồn ethanol Xe FFV có thể tự động nhận biết hàm lượng cồn trong bình nhiên liệu để tự điều chỉnh góc đánh lửa sớm và thay đổi lượng phun nhiên liệu Dùng xe FFV có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn các xe không FFV, vì xe đã được thiết kế tối ưu về vật liệu, về kết cấu buồng cháy và hệ thống nhiên liệu Nhiên liệu E85 (có 85% cồn ethanol trong xăng) là loại nhiên liệu tốt nhất cho xe FFV

- Cách thứ ba: Dùng E7 hay E10 thậm chí E15 hay E20 Khi dùng E7 hay E10 thì hoàn toàn không cần thiết phải thay đổi hay hiệu chỉnh gì động cơ xăng Khi dùng E15 hay E20 thì nên thay đổi một chút góc đánh lửa sớm và

mở rộng thêm lỗ gíc lơ nhiên liệu để giữ cho công suất động cơ không giảm

- Cách thứ tư: Dùng ethanol dưới dạng nhiên liệu ETBE (Ethyl Tertiary Butyl Ether) ETBE là một dạng nhiên liệu gồm 45% ethanol và 55% izobutylene Nhiên liệu này có những tính chất vượt trội hơn ethanol như ít bay hơi, không ăn mòn máy, ít háo nước

1.2.1.2 Cồn Mêtylic (Cồn methanol - CH 3 OH) [11 ]

Cồn mêtylic là loại nhiên liệu lỏng có trị số ốc tan cao, rất thích hợp với việc dùng trên ô tô có động cơ chế hòa khí Động cơ sử dụng cồn mêtylic thải

ra chất ô nhiễm không khí ít hơn so với các động cơ sử dụng xăng

Từ những năm 1970, ở Mỹ có nhiều cơ quan, tổ chức nghiên cứu về mêtylic làm nhiên liệu thay thế như: Viện nghiên cứu dầu mỏ; hãng ESSO,…

Năm 1974 bộ Nghiên cứu và Công nghệ thuộc liên bang Đức đã giới thiệu một công trình nghiên cứu về sản xuất, phân phối, sử dụng, tính kinh tế

và sự nguy hiểm của mêtylic và hyđrô khi làm nhiên liệu

Năm 1976 Công ty phát triển mêtylic Thuỵ Điển đã tổ chức hội nghị Quốc tế về mêtylic kết hợp với hội nghị khoa học tại viện Hàn lâm Khoa học Thuỵ Điển

ấn Độ, trong những năm 1981 và 1982 đã có một số công trình nghiên cứu về mêtylic như: bổ xung mêtylic vàodiezen làm nhiên liệu cho động cơ

đốt trong không tăng áp, hiệu suất, tính kinh tế nhiên liệu và đặc tính khí xả; công trình nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm về quá trình cháy, hiệu suất và các đặc tính xả của mêtylic dùng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức,

Ngoài ra còn nhiều công trình nghiên cứu về mêtylíc làm nhiên liệu thay thế được công bố qua các tạp chí, hoặc trên sách báo,… Có thể tóm lược các kết luận khi nghiên cứu sử dụng mêtylíc làm nhiên liệu thay thế trên động cơ đốt trong như sau:

Ưu điểm:

Mêtylic là loại nhiên liệu có những đặc tính cháy hỗn hợp nghèo tốt, giới hạn bốc cháy rộng và tốc độ lan tràn màng lửa cao hơn xăng trong điều kiện hỗn hợp nghèo

Khi cháy với hỗn hợp nghèo, giảm được lượng xả CO và SOx, giảm tiêu hao năng lượng từ 26 đến 45% so với xăng

Tiêu hao năng lượng riêng của mêtylic tốt hơn so với các loại xăng thông thường không pha chì

Những công trình nghiên cứu về mêtylic trong phòng thí nghiệm và trên

đường đã cho thấy mêtylic là một chất phụ gia tăng TSOT có hiệu quả Thêm

10% mêtylic với xăng không pha chì đã tăng TSOT lên 2- 3 đơn vị

Mêtylic là một loại nhiên liệu linh hoạt đối với động cơ đánh lửa cưỡng bức vì nó có TSOT cao (> 100) điều đó cho phép làm việc với tỷ số nén cao hơn mà không gây kích nổ và kết quả là hiệu suất nhiệt cao hơn

Nhiệt ẩn hoá hơi cao do vậy động cơ làm việc mát hơn và hiệu quả sử dụng thể tích tốt hơn

Khi cháy với hỗn hợp nghèo khả năng kéo của ô tô giảm

Sự nhạy cảm nước của hỗn hợp mêtylic – xăng đòi hỏi hệ thống nhiên liệu tách biệt

Mêtylic chỉ sử dụng có hiệu quả trong các xe ô tô, đặc biệt đã được thiết

kế và xử lý chống mài mòn, hấp thụ nước và đảm bảo hoá hơi tốt

Lượng xả nhiên liệu chưa cháy khi dùng mêtylic lớn hơn 4 lần so với xăng, lượng anđêhit của mêtylic lớn hơn nhiều (từ 3 – 4 lần) Lượng xả hữu cơ của mêtylíc cao không phải do việc chuẩn bị không khí nhiên liệu chưa tốt mà nguyên nhân chủ yếu là do nhiệt ẩn hoá hơi lớn

Hệ thống hoà khí đối với mêtylic khá phức tạp vì nhiệt ẩn hoá hơi cao

và phải cấp một lượng nhiên liệu lớn nên phải hiệu chỉnh hệ thống định lượng

Tóm lại:

Mêtylic có thể dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, rất phù hợp

đối với động cơ chế hòa khí do khả năng chống kích nổ tốt Có thể dùng

mêtylic nguyên chất hoặc trộn với 5 – 10% nước vừa tăng TSOT vừa giảm lượng xả NOx

1.2.1.3 Nhiên liệu Hyđrô

Hyđrô là một nguyên tố đơn giản và dồi dào, có mặt trong tất cả các hợp chất hữu cơ, khi cháy trong không khí sẽ cho một sản phẩm tinh khiết là hơi nước và tỏa ra một nhiệt lượng lớn hơn gấp 3 lần so với khi cháy cùng một lượng các bon trong không khí Hyđrô có thể kết hợp với xăng, cồn mêtylic hoặc khí ga tự nhiên nhằm giảm khí thải NO Sử dụng hyđrô trong động cơ đã

có từ cuộc chiến tranh thế giới lần thứ nhất, khi đó hyđrô được sử dụng làm nhiên liệu cho tầu ngầm

Hyđrô được coi là nhiên liệu lý tưởng cho động cơ đốt trong trong tương lai, đứng về mặt kỹ thuật và bảo vệ môi trường, vì có nhiều ưu việt hơn

so với xăng [11]:

- Có thể làm việc trong động cơ có tỷ số nén cao (đến 14) trong khi dùng xăng không pha chì chỉ có thể dùng trong động cơ có tỷ số nén bằng 8 hoặc 9

- Giới hạn bốc cháy rộng nên có thể dùng ở hỗn hợp nghèo để giảm NOx

- Nhiệt lượng toả ra theo một đơn vị khối lượng cao

- Nhiệt độ tự bốc cháy cao (5820C) nên cho phép dùng trong động cơ có

tỷ số nén cao, đem lại hiệu suất lớn

- Năng lượng của hỗn hợp hyđrô - không khí (686 kcal/kg) cao hơn của hỗn hợp xăng – không khí (645 kcal/kg)

- Về mặt môi trường: Người ta coi hyđrô là nhiên liệu sạch nhất vì sản vật cháy cơ bản của nó là nước

Như vậy sử dụng hyđrô gây ra ô nhiễm rất ít Nhưng sản xuất hyđrô lại liên quan đến môi trường và việc dùng hyđrô làm nhiên liệu còn có những nhược điểm sau:

- Giá thành khi sử dụng làm nhiên liệu hyđrô cao hơn so với xăng

- Dự trữ, bảo quản khó khăn

- Kém an toàn, dễ gây cháy nổ

Để khắc phục những nhược điểm về dự trữ trên xe ôtô, có 3 phương pháp:

+ Nén khí đến áp suất cao (200 – 300 kg/cm2) và chứa trong các bình Phương pháp này có nhược điểm: bình chứa khí nặng, cồng kềnh; thiết bị chuyển đổi từ áp suất cao xuống áp suất thấp phức tạp; kém an toàn và bên cạnh đó vẫn phải có hệ thống dùng xăng

+ Hoá lỏng hyđrô Phương pháp này có nhược điểm: yêu cầu thiết bị rất cao, tổn thất nhiều năng lượng điện để hoá lỏng, …

+ Hyđrua kim loại: sử dụng kim loại và hợp kim có thuộc tính hấp thụ hyđrô và giải phóng nó bằng cách giảm áp suất hoặc tăng nhiệt độ Chất tiêu biểu là hydrua săt titan

Vi vậy hyđrô được coi là nhiên liệu lý tưởng cho động cơ đốt trong trong tương lai, rất thích hợp với động cơ chế hòa khí, động cơ diezen và tuốc bin khí, nhưng nó vẫn chưa được dùng rộng rãi vì còn tồn tại một số nhược

điểm nêu trên

1.2.1.4 Nhiên liệu gas

Thực tế, việc xe ô tô chạy bằng gas đã được thực hiện từ lâu ở các nước Châu âu Nhưng ở nước ta, nghiên cứu chuyển đổi xe gắn máy sử dụng xăng sang sử dụng gas (dầu khí hóa lỏng LPG) do Đại học Đà Nẵng khởi xướng năm 2000 bằng cách chế tạo thêm hệ thống nhiên liệu gas gồm một bộ chế

hòa khí lắp vào hệ thống điều khiển gas, chiếc xe máy có thể chạy hoàn toàn bằng gas hoặc chạy bằng xăng lẫn gas nếu giữ bình xăng phụ Qua nhiều năm nghiên cứu, thử nghiệm chuyển đổi xe chạy bằng xăng sang gas và được các cơ quan chức năng trong nước đánh giá, theo dự kiến đến ngày 21/8/2006 sẽ chuyển đổi cho 300 xe máy đầu tiên sang sử dụng nhiên liệu gas Theo tính toán, giá thành lắp đặt cho mỗi bộ chuyển đổi nhiên liệu này là 1.350.000 đ (nếu được sản xuất hàng loạt sẽ có giá khoảng 1 triệu đồng /bộ) Điểm mạnh của chiếc xe này là giảm được chi phí nhiên liệu so với chạy bằng xăng, tiếng

ồn của động cơ ít, mức độ phát sinh các khí độc hại giảm được từ 60 – 80% so với xe chạy bằng xăng [6]

1.2.1.5 Một số loại nhiên liệu thay thế khác [18 ]

Nhiên liệu Biofuels: Biofuels là những nhiên liệu có khả năng tái tạo

được, chúng được sản xuất từ sinh khối (biomass) – chất hữu cơ như thực vật Chúng sinh ra CO2 (khí nhà kính) từ quá trình đốt cháy những thực vật hóa thạch, những thực vật được trồng để sản xuất biofuels và thực tế là chúng loại

bỏ CO2 từ bầu khí quyển

Biodiezen: Biodiezen là một loại ester có thể được làm từ một số loại

dầu, như dầu thực vật và mỡ động vật Hàng năm khoảng 30 triệu gallon biodiezen được sản xuất ở nước Mỹ từ dầu tái chế và dầu đậu nành

Diesohol: Diesohol là nhiên liệu chứa diezen (84,5%) pha với ethanol

chưa làm khan (15% cồn 95%) và chất tạo nhũ của úc (0,5%) Chất tạo nhũ là một trong những thành phần không thể thiếu được do APACE (úc) nghiên cứu Việc phát triển và sử dụng nhiên liệu ethanol cho vận tải đòi hỏi phải cải tạo động cơ hoặc điều chỉnh thành phần nhiên liệu Với việc sử dụng nhũ có thể dùng nhiên liệu chứa đến 30% ethanol để chạy động cơ diezen

Cồn còn chứa nước và cồn khan đều có thể dùng để sử dụng diesohol

được Tuy nhiên về thành phần phát thải của hai trường hợp là khác nhau

Khí thiên nhiên: Khí thiên nhiên là hỗn hợp hyđrocacbon, chủ yếu là

methane Nó có thể được sản xuất từ hỗn hợp khí hoặc cùng với sản xuất dầu thô Khí tự nhiên đốt cháy sạch, tạo ra ít CO, CO2, NO, khói bụi so với nhiên liệu hóa thạch Nó được sử dụng trong các động cơ khí nén tự nhiên (compressed natural gas: CNG) hay khí tự nhiên hóa lỏng (liquefied natural gas: LNG) Hiên nay ở Mỹ có khoảng 100.000 động cơ sử dụng khí tự nhiên

Propane: Propane là khí dầu mỏ dạng lỏng Liquefied petroleum gas

(LPG), là hỗn hợp của 90% propan 2,5% butane và hyđrô cacbon cao phân tử, còn lại ethane và propylene Propan là phụ phẩm của quá trình gia công khí gas thiên nhiên hay tinh chế dầu mỏ Động cơ sử dụng propane không tiêu tốn nhiên liệu nhiều hơn so với động cơ sử dụng xăng, nhưng propane sinh ra

ít khí thải hơn Propane sinh ra 64% hợp chất hữu cơ, 20% NO, 20% CO so với xăng khi sử dụng trên các động cơ tương tự

Propan là loại nhiên liệu thay thế được sử dụng phổ biến Trạm nhiên liệu propan có mặt trên tất cả các bang ở nước Mỹ Hiện nay, có khoảng 270.000 động cơ sử dụng propan trên khắp nước Mỹ

Năng lượng điện: Năng lượng điện được coi là một loại nhiên liệu khi

sử dụng trên động cơ Động cơ điện sử dụng nhiều loại ắc quy và các máy móc lưu trữ năng lượng khác dùng để lưu trữ điện sử dụng cho chạy động cơ Trong khi đó quá trình sản xuất điện cho động cơ có thể một phần nào đó nó

góp phần làm giảm ô nhiễm không khí

1.2.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trong nước

Công nghệ sản xuất rượu cồn từ rỉ mật đường, sắn, khoai, ngô,… đã

được phổ biến từ lâu và trở thành thường xuyên trong đời sống xã hội nước ta Nhưng nghiên cứu ứng dụng cồn làm nhiên liệu chạy động cơ thì chưa nhiều:

Vào cuối những năm 80 của thế kỷ trước, một số tác giả đã có những nghiên cứu và mô hình trình diễn việc sử dụng nông sản tại chỗ để sản xuất cồn ở một số tỉnh miền núi đặc biệt là vùng Tây nguyên, nơi điện lưới không

vào tới được Theo nhận định của nhóm nghiên cứu này thì giải pháp sử dụng nguyên liệu sẵn có tại chỗ để sản xuất cồn rồi chạy máy phát điện phục vụ cho

hộ gia đình và cụm gia đình là một giải pháp hữu ích để phát triển nông thôn miền núi, xóa đói giảm nghèo và nâng cao mức sống về khía cạnh văn hóa cho

đồng bào vùng sâu, vùng xa [2]

Năm 1992, Trường ĐH Giao thông Vận tải Hà nội đã nghiên cứu ứng dụng cồn làm nhiên liệu với đề tài: “Bước đầu nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ xăng đánh lửa cưỡng bức” Tác giả đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên xe ôtô Zin 130 và có một số kết luận [11]:

- Có thể sử dụng cồn êtylic 95% làm nhiên liệu trong động cơ đánh lửa cưỡng bức với tỷ số nén thích hợp là 8 và 9 ứng với tỷ số nén này, động cơ đã phát huy công suất tối đa không thua kém xăng

- Cồn êtylic 95% còn có thể sử dụng có kết quả trên xe Zin 130 và trên

xe máy Hon đa 50 và 90, mà việc chuyển đổi đơn giản và dễ dàng

- Hiệu quả sử dụng nhiệt tốt nhất của cồn xấp xỉ bằng của xăng

- Tiêu hao cồn lớn hơn 1,74 lần so với xăng

- Khả năng khởi động động cơ lạnh của cồn kém hơn xăng

Từ những năm 2000 trở lại đây một số Bộ, ngành đã quan tâm tạo nhiều

đề tài nghiên cứu đặt nền tảng cho việc phát triển nhiên liệu sinh học:

Năm 2004, Phân viện Khoa học Vật liệu TPHCM, thực hiện đề tài nghiên cứu xăng pha cồn Kết luận của đề tài đã khẳng định hoàn toàn sử

dụng được cồn êtylic làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong dưới hai dạng [17]:

- Thứ nhất là thay thế hoàn toàn xăng trong trường hợp động cơ được

điều chỉnh cho phù hợp

- Thứ hai, cồn êtylic được sử dụng như một chất làm tăng trị số octan

khi pha trộn với xăng ở tỉ lệ 10% - 30% mà không cần phải cải biến động cơ

Cũng năm 2004, nhóm nghiên cứu tại Khoa Cơ khí - Giao thông, Đại học Bách khoa thành phố Đà Nẵng, đã nghiên cứu sử dụng cồn làm nhiên liệu

cho xe gắn máy với thành phần pha trong xăng tối ưu và kết luận: sử dụng cồn làm nhiên liệu mang lại hiệu quả kinh tế cao và góp phần bảo vệ môi trường [7].

Năm 2004 Viện nghiên cứu rượu bia nước giải khát khi thực hiện đề tài

“Nghiên cứu tính khả thi và áp dụng thí điểm có hiệu quả các giải pháp công nghệ và thiết bị sản xuất cồn nhiên liệu từ các nguồn phế thải trong công nghiệp chế biến và nông sản phục vụ cho phát triển sản xuất, đời sống ở nông thôn và miền núi” thuộc chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp

bộ giai đoạn 2001 – 2005 đã thử nghiệm việc dùng cồn 96%, trên các loại

động cơ Kết quả thử đối với động cơ YAZ- 4187 xe Uoat, công suất 57,35 kW; động cơ xe máy Loncin, công suất 5,5 kW và động cơ SH.2900DX máy phát điện gia đình công suất 5,0 kW đã kết luận [18]:

+ Hoàn toàn có thể sử dụng cồn, xăng pha cồn làm nhiên liệu cho động cơ xăng, tuy nhiên chi phí nhiên liệu riêng cao và công suất động cơ giảm hơn

so với khi sử dụng xăng; mức độ phụ thuộc vào tỷ lệ pha cồn vào xăng

+ Hàm lượng thể tích của hợp chất oxitcacbon (CO) trong khí thải, khi chạy các loại nhiên liệu: cồn, xăng pha cồn đều trong giới hạn cho phép theo TCVN 6438-2001

- Dễ dàng dự trữ và bảo quản, không nguy hiểm so với hyđrô

- Hệ thống hòa khí không yều cầu phức tạp như dùng cồn mêtylic

- Không phải chuyển đổi hệ thống nhiên liệu như sử dụng gas

- Ngoài ra việc dùng cồn êtylic trên động cơ sẽ có lợi: Khả năng và thiết

bị dùng cho sản xuất cồn êtylic dễ dàng hơn, thực tế đã sản xuất được ở Việt Nam Tận dụng nguồn nguyên liệu từ nông nghiệp và góp phần giảm ô nhiễm môi trường

3) Nghiên cứu sử dụng cồn êtylic làm nhiên liệu chạy động cơ đã có từ lâu và đến nay trở thành phổ biến ở nhiều nước trên thế giới, những nghiên cứu ứng dụng phù hợp với điều kiện riêng của từng nước Để triển khai ứng dụng cồn làm nhiên liệu chạy động cơ có hiệu quả thì việc đánh giá đầy đủ các đặc tính kỹ thuật động cơ, các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật, tính năng sử dụng,… là rất cần thiết

4) Các công trình nghiên cứu sử dụng cồn làm nhiên liệu ở nước ta còn

ít và lẻ tẻ, mới chỉ tập trung trên các phương tiện giao thông Các động cơ xăng dùng trong nông nghiệp (máy gặt lúa, tàu thuyền vận chuyển, máy cưa

xẻ gỗ, ) có những đặc thù riêng như: đòi hỏi lực kéo và hệ số dự trữ mô men lớn do tải trọng máy nông nghiệp thay đổi nhiều và thường xuyên; điều kiện làm việc khắc nghiệt,… nên cần có những nghiên cứu riêng

5) Kế thừa những ưu điểm của cồn trong các công trình đã nghiên cứu

và phù hợp điều kiện Việt Nam, đề tài tiến hành thử nghiệm thăm dò với nhiên liệu cồn 95% và hỗn hợp xăng pha cồn ở các tỷ lệ đến 20% bằng thực nghiệm trên loại động cơ công suất nhỏ dùng trong nông nghiệp

Chương 2 Mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng

3 Thử nghiệm động cơ liên hợp với máy nông nghiệp trong thực tế sản xuất khi sử dụng các loại nhiên liệu xăng, cồn và hỗn hợp xăng pha cồn để sơ

bộ so sánh, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Tỉ số nén: 6,0 Làm mát: quạt gió;

Đốt cháy: đánh lửa cưỡng bức Công suất định mức: 1,7kW/1800v/ph

- Đặc tính kỹ thuật chính của máy gặt lúa

Bề rộng cắt: 0,9 m Chiều cao cắt: 10 – 35 cm Cơ cấu vơ lúa: Cánh gạt nhựa Cơ cấu chuyển rải lúa: Xích gắn vấu Hộp số: 1 số tiến và 1 số lùi

Bộ phận di động: Loại bánh sắt

2.2.2 Nhiên liệu

a) Nhiên liệu dùng thử nghiệm

Nhiên liệu dùng thử nghiệm bao gồm các loại: xăng A92; cồn êtylic (Ethanol) 95%; xăng A92 pha 5% cồn E95%; xăng A92 pha 10% cồn E95%;

xăng A92 pha 15% cồn E95% và xăng A92 pha 20% cồn E95%

Trong luận văn, nhiên liệu sử dụng thử nghiệm được ký hiệu như sau: Nhiên liệu xăng A92 – ký hiệu A92;

Nhiên liệu cồn êtylic (Ethanol) 95% – ký hiệu E100;

Nhiên liệu xăng A92 pha 5% cồn 95% – ký hiệu E5 ; Nhiên liệu xăng A92 pha 10% cồn 95% – ký hiệu E10;

Nhiên liệu xăng A92 pha 15% cồn 95% – ký hiệu E15 ;

Nhiên liệu xăng A92 pha 20% cồn 95% – ký hiệu E20;

b) Đặc tính cơ bản của một số loại nhiên liệu dùng thử nghiệm

Đặc tính cơ bản của các loại nhiên liệu thử nghiệm do Phòng thí nghiệm công nghệ lọc hoá dầu & vật liệu xúc tác – Khoa công nghệ hóa học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội phân tích được thể hiện ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Các đặc tính cơ bản của nhiên liệu dùng thử nghiệm[9], [ 18]

* Số liệu đ−ợc tính từ nhiên liệu xăng A92 và ethanol 95

Nhiên liệu dùng thử nghiệm

N.liệu

(T.khảo)

Chỉ tiêu

Xăng A92

Ethanol

Ethanol 99,8 E5

- Gọi QA là nhiệt trị hỗn hợp của nhiên liệu xăng A92

- Gọi QE100 là nhiệt trị hỗn hợp của nhiên liệu cồn Ethanol 95

Khi đó nhiệt trị của hỗn hợp E5 và E10 đ−ợc tính theo công thức sau:

QE5 = 0,95ì QA + 0,05ì QE100 (2.1)

QE10 = 0,90ì QA + 0,10ì QE100 (2.2) Thay số và công thức (2.1) và (2.2) ta có:

- Nhiệt trị hỗn hợp của nhiên liệu E5

QE5 = 0,95 ì 2830 + 0,05ì 2.690 = 2823 KJ/kg

- Nhiệt trị hỗn hợp của nhiên liệu E10

QE10 = 0,90 ì 2830 + 0,10ì 2.690 = 2816 KJ/kg

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Căn cứ vào một số công thức tính: lượng không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu, lượng nhiên liệu tiêu thụ (xăng, cồn),… kết hợp với các số liệu đo được từ thực nghiệm để tính toán cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu nhằm cung cấp đủ lượng hỗn hợp và thành phần thích hợp cho

động cơ, nghĩa là tạo ra hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu có chất lượng tốt, làm cho quá trình cháy tốt nhất trong mọi chế độ làm việc của động cơ

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

2.3.2.1 Thử trong phòng thí nghiệm

Thông qua xây dựng đường đặc tính để phân tích đánh giá các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của động cơ khi sử dụng với các loại nhiên liệu: xăng A92, cồn E100 và hỗn hợp xăng pha cồn với các tỷ lệ khác nhau

Chúng tôi tiến hành thí nghiệm xây dựng đường đặc tính của động cơ trong điều kiện sau:

a) Phòng thí nghiệm: Được trang bị đầy đủ các thiết bị để khảo nghiệm

động cơ: Thiết bị tạo tải, thiết bị đo mô men, thiết bị đo tốc độ quay, thiết bị

đo nhiên liệu, thiết bị thu tín hiệu và phần mềm xử lý tín hiệu đo tương thích

b) Động cơ được điều chỉnh đảm bảo làm việc ổn định và phát huy hết công suất ứng với mỗi loại nhiên liệu thử

c) Thử động cơ trên cùng thiết bị, cùng phương pháp

2.3.2.2 Thử trong sản xuất

Tiến hành thử nghiệm động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu: xăng A92, cồn E100 và hỗn hợp xăng pha cồn với các tỷ lệ khác nhau trong sản xuất khi liên hợp với máy gặt lúa rải hàng để kiểm tra tính ổn định của động cơ và sơ bộ đánh giá các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của liên hợp máy như: năng suất làm việc, chi phí nhiên liệu,

Chúng tôi tiến hành thử động cơ trong sản xuất với điều kiện như sau:

a) Động cơ được điều chỉnh đảm bảo làm việc ổn định và phát huy hết công suất ứng với mỗi loại nhiên liệu thử

b) Điều kiện ruộng thử: tính chất đất (độ chặt, độ ẩm,…), diện tích, giống lúa, năng suất, chiều cao cây lúa, góc nghiêng cây lúa, đảm bảo tương

đối đồng đều cho các thí nghiệm với mỗi loại nhiên liệu

c) Cùng người vận hành và tuân thủ đúng theo hướng dẫn sử dụng máy, quy trình thử (chiều cao cắt, chế độ tải, chế độ chăm sóc bảo quản,…)

2.4 Các thiết bị chính dùng để nghiên cứu

Để đo được các thông số yêu cầu ở mục trên, một số thiết bị đòi hỏi phải đo và ghi lại được theo hàm thời gian, loại thiết bị này sẽ được trình bày

kỹ trong chương IV Dưới đây là bảng liệt kê các danh mục các thiết bị và dụng cụ đo được sử dụng trong quá trình thử nghiệm (Bảng 2.2)

Bảng 2.2: Danh mục các thiết bị và dụng cụ đo chính

Cấp chính xác

Nước sản xuất

Chương 3 Nghiên cứu Cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng để sử dụng loại nhiên liệu

hỗn hợp xăng pha cồn

3.1 Lựa chọn phương án cải tiến

Đối với động cơ đốt trong nhiệt năng cần thiết để chuyển thành cơ năng

là do kết quả của các phản ứng hoá học giữa nhiên liệu đưa vào xi lanh với

ôxy của không khí Mỗi loại nhiên liệu lại là một hỗn hợp gồm nhiều loại cacbuahyđrô có cấu tạo hoá học rất khác nhau, chính cấu tạo đó gây ảnh hưởng lớn tới các tính chất lý hoá cơ bản, đặc biệt là tới quá trình bay hơi, tạo hoà khí và bốc cháy của nhiên liệu trong động cơ Vì vậy khi nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế, để động cơ phát huy được công suất tối đa chúng ta phải nghiên cứu bản chất của nhiên liệu và kết cấu của hệ thống nhiên liệu Như đã giới thiệu ở chương 1 nhiên liệu thay thế hoàn toàn có thể dùng được trên các động cơ xăng hiện nay là cồn êtylic, cồn mêtylic, hyđrô và gas, nhưng

so với hyđrô, cồn mêtylic và gas thì cồn êtylic có nhiều ưu việt hơn Cho nên trong phần này tác giả sẽ phân tích ưu nhược điểm của loại nhiên liệu đã lựa chọn để nghiên cứu thay thế xăng đó là nhiên liệu cồn êtylic [18]:

+ Nhiệt ẩn hoá hơi của cồn êtylic cao (220 kCal/kg) gấp 2,65 lần xăng (83 kCal/kg) dẫn đến khả năng khởi động động cơ lạnh kém hơn xăng

+ Khả năng bay hơi của cồn êtylic kém hơn xăng cho nên việc hình thành hỗn hợp khó đồng đều

Trên cơ sở các ưu nhược điểm của cồn êtylic, để phát huy ưu điểm và khắc phục nhược điểm, hiện nay có một số phương pháp cải tiến động cơ xăng

để sử dụng nhiên liệu cồn như sau:

ư Phương pháp tăng tỷ số nén của động cơ;

ư Phương pháp cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu

a) Phương pháp tăng tỷ số nén của động cơ

Tỷ số nén là một trong những thông số nhiệt động học quan trọng có

ảnh hưởng nhiều đến các chỉ tiêu kinh tế và công suất của động cơ Cồn êtylic

có tri số ốc tan cao nên cho phép sử dụng với động cơ có tỷ số nén cao hơn

động cơ xăng Do đó, muốn tăng tỷ số nén trên động cơ cũ chúng ta có thể dùng một trong các phương án sau:

+ Thay đổi kết cấu píttông: Để kết cấu của động cơ thay đổi ít, ta giảm thể tích buồng cháy một lượng bằng cách tăng chiều dày đỉnh píttông hoặc dịch chuyển tâm chốt píttông về phía chân Phương pháp này có ưu điểm là

đơn giản, giá thành hạ, vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật nhưng nhược điểm là do thay đổi kết cấu píttông sẽ làm cho phân bố lực ngang thay đổi và gây mài mòn tăng, giảm tuổi thọ động cơ

+ Thay píttông và xy lanh: Thay thế những chiếc píttông có đỉnh bằng hoặc đỉnh lõm bằng những chiếc píttông đỉnh lồi hoặc thay toàn bộ píttông và

xy lanh để giảm kích thước buồng đốt nhằm tăng được tỷ số nén Phương pháp này cũng có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện nhưng nhược điểm là khi thay phải chọn các loại động cơ có cùng họ hành trình píttông

Song cả hai phương án trên đều có nhược điểm là thay đổi kết cấu cơ học, gây mài mòn tăng, giảm tuổi thọ động cơ,…

b) Phương pháp cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu

Hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng có nhiệm vụ chuẩn bị và cung cấp hỗn hợp hơi xăng và không khí cho động cơ Để pháy huy công suất tối đa của động cơ khi thay đổi nhiên liệu sử dụng, chúng ta phải cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu nhằm cung cấp đủ lượng hỗn hợp và thành phần thích hợp cho động cơ ở mọi chế độ làm việc

Hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng hiện nay có hai loại chính là hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hoà khí và hệ thống nhiên liệu phun xăng Trong phạm vi của luận văn nghiên cứu mang tính chất thăm dò, phần này chỉ giới thiệu hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hòa khí và trình bày một số cơ sở tính toán cải tiến để đảm bảo động cơ thử nghiệm phát huy công suất khi sử dụng với nhiên liệu cồn Hiện nay có hai phương án cải tiến bộ chế hòa khí

* Phương án thứ nhất

Giảm kích thước họng khuyếch tán để giảm lượng không khí vào trong

động cơ Phương pháp này có nhược điểm: tăng tổn thất thuỷ lực, giảm hệ số nạp và họng khuyếch tán đúc liền với thân chế hòa khí nên muốn giảm kích thước phải thay toàn bộ thân

* Phương án thứ hai

Tăng đường kính lỗ định lượng của gíclơ để tăng lượng nhiên liệu nạp

vào cho động cơ

Phương pháp này có nhược điểm: Do tăng đường kính lỗ định lượng nên

đã ảnh hưởng đến độ chênh lệch áp suất phía trước và sau gíc lơ, thay đổi tốc

độ dòng,… dẫn đến giảm chất lượng hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí

Phương pháp này có ưu điểm: không ảnh hưởng tới kết cấu ban đầu của

động cơ, chuyển đổi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau thuận tiện, việc cải tiến chỉ cần thay một gíclơ (với đường kính lỗ định lượng thay đổi, còn các kích thước khác không thay đổi), khi cần chạy xăng ta lại thay lại gíclơ cũ Do

đó đề tài chọn phương pháp cải tiến này

3.2 Hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng dùng bộ chế hoà khí

3.2.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ xăng sử dụng bộ chế hoà khí

Hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hoà khí bao gồm các thiết bị chính: thùng chứa nhiên liệu dự trữ, ống dẫn xăng, bầu lọc xăng, bơm xăng, bình lọc không khí, bộ chế hoà khí, bộ hạn chế tốc độ tối đa, Trong đó bộ chế hoà khí là cụm chi tiết quan trọng nhất của hệ thống nhiên liệu, nó có ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu sử dụng của động cơ như: công suất, tốc độ, tiêu thụ nhiên

liệu,… [16] Vì vậy cải tiến hệ thống nhiên liệu về cơ bản là cải tiến một số

chi tiết của bộ chế hoà khí

3.2.2.1 Chế hoà khí bốc hơi

Xăng được đưa từ thùng chứa đến bầu xăng của bộ chế hoà khí Trong hành trình hút của động cơ không khí được chạy theo đường ống nạp lướt qua mặt xăng của bầu xăng, ở đây không khí hỗn hợp với hơi xăng tạo thành hỗn hợp giữa hơi xăng và không khí Sau đó khí hỗn hợp qua đường ống nạp, bướm ga và được hút vào động cơ Muốn điều chỉnh thành phần hơi nhiên liệu chứa trong khí hỗn hợp, phải thay đổi thể tích phần không gian bên trên giữa mặt xăng và thành của bầu xăng Ưu điểm chính của loại chế hoà khí bốc hơi

là hơi xăng và không khí được hỗn hợp với nhau rất đều Nhưng loại chế hoà khí này có nhiều khuyết điểm: cồng kềnh, dễ sinh hoả hoạn, rất nhạy cảm với mọi thay đổi của điều kiện khí trời, lúc động cơ chạy phải điều chỉnh luôn, vì vậy hiện nay không dùng

3.2.2.2 Chế hoà khí phun

Loại chế hoà khí này dùng áp lực để phun nhiên liệu vào không gian hỗn hợp Cấu tạo bộ chế hoà khí phun gồm các bộ phận chính sau: buồng chứa không khí áp suất cao và buồng chứa không khí áp suất thấp, giữa hai buồng chứa không khí có màng mỏng ngăn cách; buồng chứa nhiên liệu áp suất thấp

và buồng chứa nhiên liệu áp suất cao, hai buồng này cũng được ngăn cách bằng một màng mỏng Van nhiên liệu và hai màng mỏng ngăn cách đều lắp trên một cán van

Buồng không khí áp suất cao ăn thông với đường ống nạp của động cơ vì vậy áp suất trong buồng không khí áp suất cao bằng tổng số áp suất tĩnh và

áp suất động của dòng khí Buồng chứa không khí áp suất thấp nối liền với họng khuyếch tán, nên trong buồng không khí áp suất thấp có độ chân không Lực tác dụng ở phía buồng chứa không khí áp suất cao lên màng mỏng ngăn cách hai buồng không khí làm cho màng mỏng uốn cong về phía buồng không khí áp suất thấp, kết quả làm cán van nhiên liệu chuyển dịch sang bên phải làm cho cửa van nhiên liệu được mở rộng Với một áp suất nhất định, nhiên

liệu được bơm qua van vào buồng chứa nhiên liệu áp suất cao Từ buồng chứa nhiên liệu áp suất cao nhiên liệu đi qua gíc lơ, vòi phun và phun thành những hạt nhỏ vào hỗn hợp đều với không khí trong không gian hỗn hợp của bộ chế hoà khí Nhờ một đường ống nối liền với nhiên liệu ở sau gíc lơ nên buồng chứa nhiên liệu áp suất thấp cũng chứa đầy nhiên liệu, nhưng áp suất nhiên liệu trong buồng chứa nhiên liệu áp suất thấp thấp hơn so với áp suất trong buồng chứa nhiên liệu áp suất cao, vì vậy màng mỏng ngăn cách giữa hai buông chứa nhiên liệu cũng bị uốn cong với khuynh hướng đóng nhỏ van nhiên liệu Khi các lực tác dụng lên trên các màng mỏng ở trạng thái cân bằng thì van nhiên liệu nằm ở một vị trí nhất định, tương ứng với một chế độ làm việc nhất định của động cơ

Các bộ chế hoà khí phun làm việc chính xác, ổn định dù động cơ đặt theo vị trí bất kỳ, nhưng việc điều chỉnh, bảo dưỡng rất phức tạp Vì vậy bộ chế hòa khí phun chủ yếu dùng trên động cơ máy bay còn trên các loại động cơ khác rất ít dùng

3.2.2.3 Chế hoà khí hút

Hầu hết các loại động cơ xăng hiện nay đều sử dụng các bộ chế hoà khí hút Phương hướng của dòng không khí đi qua họng của bộ chế hoà khí hút có thể đi lên, đi xuống hoặc đi ngang, vì vậy các bộ chế hoà khí hút hiện nay cũng được chia làm ba loại: loại hút lên, loại hút xuống và loại hút ngang Hiện nay bộ chế hoà khí hút xuống đang được sử dụng nhiều nhất, vì các bộ chế hoà khí này dễ đặt trên động cơ, chăm sóc và bảo dưỡng dễ dàng

Bộ chế hoà khí hút làm việc theo nguyên tắc sau: Không khí từ khí trời được hút qua bầu lọc vào đường ống nạp rồi qua họng khuyếch tán của bộ chế hoà khí Tại vi trí họng khuyếch tán, đường ống bị thắt lại vì vậy tạo nên độ chân không khi không khí đi qua họng Chỗ tiết diện lưu thông nhỏ nhất của họng

là nơi có độ chân không lớn nhất Nhiên liệu từ buồng phao qua gíc lơ được dẫn tới vòi phun Vòi phun được đặt tại tiết diện lưu thông nhỏ nhất của họng

Nhờ có độ chân không ở họng, nhiên liệu được hút khỏi vòi phun và được xé thành những hạt sương mù nhỏ, hỗn hợp với dòng không khí đi qua họng vào

động cơ Sau khi ra khỏi vòi phun, gíc lơ xăng được xé thành những hạt nhỏ hoà vào dòng không khí đang đi qua họng của bộ chế hoà khí, đồng thời các hạt xăng cũng bắt đầu được bốc hơi để tạo thành khí hỗn hợp giữa hơi xăng và không khí Quá trình hoà trộn giữa xăng và không khí còn tiếp diễn trong suốt

đường ống nạp, suốt quá trình nạp và quá trình nén trong xy lanh của động cơ

3.3 Một số phương pháp cải thiện hỗn hợp cung cấp ở hệ thống chính

Hệ thống chính của bộ chế hoà khí là hệ thống cung cấp phần xăng chủ yếu cho hầu hết các chế độ làm việc có tải của động cơ Trên đường đặc tính

lý tưởng của bộ chế hoà khí, hệ thống chính phải cung cấp hỗn hợp nhạt dần khi tải trọng tăng dần Nhưng trong bộ chế hoà khí đơn giản thì ngược lại, nếu tăng tải cho động cơ thì khí hỗn hợp lại đậm dần [12] Vì vậy muốn cho bộ chế hoà khí cung cấp được khí hỗn hợp có thành phần thích hợp với các chế

độ có tải của động cơ cần phải cải tạo bộ chế hoà khí đơn giản bằng cách sử dụng những hệ thống sau:

bổ sung vào vòi phun Do đó, trong ống không khí áp suất từ áp suất khí trời

po giảm đột ngột một lượng nhất định Vì vậy, lưu lượng nhiên liệu qua gíc lơ

sẽ tăng lên đột ngột dẫn đến hỗn hợp đậm lên đột ngột Từ đó trở đi, ∆ph tiếp tục tăng nhưng ảnh hưởng đến việc hút xăng qua gíc lơ giảm đi dẫn tới tốc độ tăng lưu lượng nhiên liệu giảm so với giai đoạn trước nên hỗn hợp nhạt dần

Phương pháp điều chỉnh thành phần khí hỗn hợp bằng cách giảm độ chân không sau gíc lơ chính có những ưu điểm sau [16]:

- Kết cấu đơn giản, gọn, phun xăng tốt, có thể làm việc ổn định trong một thời gian dài vì trong hệ thống không có các chi tiết vận động

- Do tạo được bọt khí trong xăng nên có ảnh hưởng tốt tới chất lượng khí hỗn hợp

- Giữa hệ thống phun chính và hệ thống không tải của phương pháp này phối hợp với nhau chặt chẽ hơn so với các phương pháp khác, bản thân hệ thống không tải cũng đảm đương một phần nhiệm vụ điều chỉnh thành phần khí hỗn hợp

Khi ∆ph còn nhỏ, cũng giống như hệ thống chính giảm độ chân không sau gíc lơ chính, xăng chưa được hút ra nhưng mức xăng ở vòi phun được nâng dần lên Từ khi ∆ph = γnl∆h trở đi, xăng được phun ra, khi đó hai hệ thống làm việc như bộ chế hoà khí đơn giản tức hỗn hợp đậm dần, đồng thời mặt thoáng trong ống không khí từ từ hạ xuống cho đến khi thể tích xăng trong ống giảm nhường chỗ cho không khí từ ngoài trời bổ sung vào vòi phun Từ

đó trở đi, ∆ph tiếp tục tăng nhưng lưu lượng nhiên liệu qua gíc lơ không đổi do

đó cho hỗn hợp nhạt dần Tổng hợp lại, trên cơ sở lựa chọn tương quan các thông số của hai gíc lơ, hỗn hợp cung cấp cho động cơ từ khi thể tích xăng trong ống giảm nhường chỗ cho không khí từ ngoài trời bổ sung vào vòi phun

sẽ nhạt dần đáp ứng đặc tính lý tưởng của bộ chế hoà khí

Phương pháp điều chỉnh thành phần khí hỗn hợp bằng cách lắp thêm gíc lơ bổ sung có những khuyết điểm sau đây [16]:

- Lắp thêm một gíc lơ bổ sung sẽ tạo ra một nguồn sai lệch phụ của bộ chế hoà khí

- Việc hiệu chỉnh hệ thống phun chính có hai gíc lơ thường gặp nhiều khó khăn

- So với các phương pháp khác thì cấu tạo của bộ chế hoà khí làm theo phương pháp này phức tạp hơn vì phải có thêm đường ống không khí, đường ống xăng phụ và vòi phun bổ sung

3.3.3 Hệ thống chính điều chỉnh độ chân không ở họng khuyếch tán

Nguyên tắc làm việc của hệ thống chính thay đổi độ chân không ở họng

là khi bướm ga mở đến một mức độ nào đó nhằm tăng tải, độ chân không ở họng khuyếch tán đủ lớn sẽ mở các lá lò xo hay van để bổ sung không khí làm cho hỗn hợp nhạt dần nhằm đáp ứng đặc tính lý tưởng của bộ chế hoà khí

Khuyết điểm chính của phương pháp điều chỉnh thành phần khí hỗn hợp bằng cách thay đổi độ chân không ở họng là [16]:

- Sức cản của bộ chế hoà khí tương đối lớn, vì muốn mở đường thông gió bổ sung thì phải tiêu hao một phần khá lớn cột áp tốc độ, tổn thất này lại

đạt giá trị lớn nhất khi động cơ chạy ở toàn tải tức là lúc xy lanh động cơ cần hút nhiều môi chất nhất

- Rất khó điều chỉnh các chi tiết đàn hồi mở đường thông gió bổ sung