Nghiên cứu đặc tính kinh tế nhiên liệu và khí thải xe gắn máy phun xăng điện tử dùng xăng pha cồn tỷ lệ cao

TÓM TẮT Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến đặc tính kinh tế nhiên liệu và sự phát thải khí độc của xe gắn máy phun xăng điện tử, 125cc, vận hành với

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Huỳnh Thanh Công

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Doãn Hồng MSHV: 13130415

Ngày, tháng, năm sinh: 23/04/1980 Nơi sinh: Hà Nội

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực

Khóa (Năm trúng tuyển): 2013

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu đặc tính kinh tế nhiên liệu và khí thải xe gắn máy phun xăng điện tử dùng xăng pha cồn tỷ lệ cao

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1) Tổng quan về tình hình nghiên cứu xăng pha cồn trên phương tiện giao thông

và các lý thuyết liên quan đến động cơ sử dụng xăng pha cồn

2) Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá đặc tính kinh tế nhiên liệu và khí thải xe gắn máy phun xăng điện tử theo chu trình thử tiêu chuẩn và tại chế độ vận hành tốc

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2015

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Huỳnh Thanh Công

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về

chuyên môn của các thầy trong Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, đặc biệt là sự hướng dẫn

tận tình của Tiến sỹ Huỳnh Thanh Công trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí

Minh Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy và các Thầy Cô của Khoa Kỹ Thuật

Giao Thông đã giúp em có thêm rất nhiều kiến thức và phương pháp bổ ích trong quá

trình học tập, thực nghiệm và xây dựng luận văn Em xin cảm ơn các Thầy Cô

của Phòng Thí nghiệm Trọng Điểm ĐHQG-HCM Động Cơ Đốt Trong trường Đại

học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để em có thể hoàn thành luận văn

này

Em xin cảm ơn ý kiến đóng góp quý báu của PGS.TS Đặng Thành Trung và TS

Nguyễn Ngọc Dũng để em có thể hoàn thiện hơn đề tài của mình Đồng thời, tôi cũng

xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại các doanh nghiệp Honda, Suzuki và các bạn sinh

viên Đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực nghiệm

Đây là đề tài nghiên cứu mới, do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên trong

luận văn này có vấn đề thiếu sót là không tránh khỏi Rất mong các thầy cô và các bạn

góp ý để luận văn hoàn thiện hơn

Xin cám ơn!

Học viên thực hiện

Nguyễn Doãn Hồng

TÓM TẮT

Luận văn này trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến đặc tính kinh tế nhiên liệu và sự phát thải khí độc của xe gắn máy phun xăng điện tử, 125cc, vận hành với xăng pha cồn ở tỷ lệ pha trộn cao Đây là các kết quả nghiên cứu bước đầu trong nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển phun tương thích với từng tỷ

lệ pha trộn cồn vào trong xăng cho xe gắn máy Các kết quả thu được từ thực nghiệm (tiêu hao nhiên liệu theo chu trình thử Japan 10-15 và vận tốc không đổi, khí thải tại các chế độ vận hành ổn định, khả tăng tăng tốc, khả năng khởi động nguội,…) khi xe vận hành với 6 mẫu nhiên liệu phối trộn (E10, E20, E30, E50, E85 và E100) được so sánh và phân tích với khi vận hành bằng nhiên liệu A92 và A95

Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi tăng hàm lượng cồn vào trong xăng, tiêu hao nhiên liệu tăng, nhưng lượng khí thải CO và HC giảm do sự cung cấp thêm oxygen trong nhiên liệu Ở cùng điều kiện về công suất, xe gắn máy cần cung cấp thêm 1 lượng cồn nhiều hơn so với vận hành A92 thương mại Lượng này tăng theo tỷ lệ pha trộn Khả năng tăng tốc của xe gắn máy dùng xăng pha cồn cao giảm so với A92 và khó khởi động hơn, đặc biệt là E100

ABSTRACT

This thesis show the experimental results concerned to fuel consumption and exhaust emission of fuel injection motorcycle, 125cc, operated with gasoline bending high ethanol These are the preliminary results in the research and development of properly injected system for gasohol fueled motorcycles The obtained results that includes fuel consumption under Japan test cycle 10-15 mode and constant velocity, the possibility of motorcycle acceleration, the exhaust emission under stable operation

of velocity, the possibility of cold start for 6 tested fuels (E10, E20, E30, E50, E85 và E100) The results are analyzed and compared with RON92 and RON95

The experimental results show that as motorcycle operated with high ethanol in gasohol, fuel consumption is increased, but the important exhaust gases are reduced due to higher oxygen composition in gasohol In conditions of the same power, operation in high gasohol required higher fuel mass flow, compared with RON92 The fuel mass increases with increase of ethanol in gasohol The accelarating possibility of motorcycle is reduced as the percetage of ethanol is increased The possibility of cold start is more difficult than RON92 ; exspecially for E85 and E100

Tôi xin cam đoan, luận văn: “Nghiên cứu đặc tính kinh tế nhiên liệu và khí

thải xe gắn máy phun xăng điện tử dùng xăng pha cồn tỷ lệ cao” dưới sự hướng

dẫn của T.S Huỳnh Thanh Công, tất cả các kết quả trong luận văn này đều do tôi thực hiện và chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào khác

Học Viên

Nguyễn Doãn Hồng

Lời Cảm Ơn i

Tóm Tắt - Abstract ii

Lời Cam Đoan iii

Mục Lục iv

Danh mục hình ảnh vi

Danh mục bảng biểu vii

Danh mục chữ viết tắt viii

Chương 1: Tổng quan 1

1.1 Tính cấp thiết của nghiên cứu 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 11

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 11

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 12

1.4 Nội dung nghiên cứu 12

1.5 Phương pháp nghiên cứu 13

1.6 Ý nghĩa khoa học của đề tài 14

1.6.1 Ý nghĩa khoa học 14

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn 14

Chương 2 Cơ sở lý thuyết 16

2.1 Lý thuyết quá trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức 16

2.2 Cơ chế hình thành ô nhiễm của động cơ đánh lửa cưỡng bức 19

2.2.1 Cơ chế hình thành các oxide nitơ (NO x ) .19

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành oxide Nitơ 21

2.2.3 Cơ chế hình thành carbon monoxide (CO) 23

2.2.3.1 Cơ chế hình thành CO 23

2.2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành CO 24

2.2.4 Cơ chế hình thành hydrocarbon: HC 26

2.2.4.1 Cơ chế hình thành hydrocarbon 26

2.2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành HC……… 28

2.3 Chu trình Japan 10 25

3.1 Giới thiệu 30

3.2 Thiết bị thí nghiệm 31

3.3 Điều kiện thử nghiệm 39

Chương 4 Kết quả và thảo luận 40

4.1 Tiêu hao nhiên liệu 40

4.1.1 Tiêu hao nhiên liệu theo chu trình 41

4.1.2 Tiêu hao nhiên liệu tại các chế độ tốc độ ổn định 42

4.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn và tốc độ xe đến nồng độ phát thải khí ô nhiễm 43

4.2.1 Phát thải CO 43

4.2.2 Phát thải HC 45

4.2.3 Phát thải CO 2 46

4.2.4 Phát thải NO x 47

4.2.5 Nồng độ Oxy và hệ số dư lượng không khí 49

4.3 Đặc điểm áp suất quá trình cháy 51

4.4 Khả năng khởi động nguội 53

4.5 Khả năng tăng tốc 54

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển 56

5.1 Kết luận 55

5.2 Hướng phát triển 57

Tài liệu tham khảo 58

Phụ lục 61

Hình 2.1: Các trạng thái khác nhau của quá trình cháy 16

Hình 2.2: Áp suất trong xy lanh và nhiệt độ hỗn hợp đã cháy, chưa cháy theo góc quay trục khuỷu 19

Hình 2.3: Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ 20

Hình 2.4: Biến thiên nồng độ NO theo hệ số dư lượng không khí λ 22

Hình 2.5: Ảnh hưởng của tỷ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO 22

Hình 2.6: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới nồng độ NO 23

Hình 2.7: Quan hệ giữa CO với góc đánh lửa sớm φ 25

Hình 2.8: Quan hệ giữa các loại nhiên liệu và sự phát sinh CO 26

Hình 2.9: Ảnh hưởng của hệ số khí sót đên nồng độ CO trong buồng cháy 26

Hình 2.10: Chu trình thử Japan 10-15 29

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên xe gắn máy 31

Hình 3.2: Vị trí các cảm biến trên xe 31

Hình 3.3: Các đồng hồ hiển thị nhiệt độ 33

Hình 3.4: Máy tính hiển thị chu trình thử Japan 10-15 33

Hình 3.5: Thiết bị phân tích khí xả Hesbon HG520 34

Hình 3.6: Hệ thống cung cấp nhiên liệu và cân DJ6000TW 35

Hình 3.7: Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên băng thử động cơ 36

Hình 3.8:Vị trí lắp cảm biến trên động cơ 37

Hình 4.1: Tiêu hao nhiên liệu theo chu trình 41

Hình 4.2: Tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ 42

Hình 4.3: Phát thải CO 44

Hình 4.4: Phát thải HC 45

Hình 4.5: Phát thải CO 2 47

Hình 4.6: Phát thải NO x 48

Hình 4.7: Oxy dư 49

Hình 4.8: Hệ số dư lượng không khí Lamda 50

Hình 4.9: Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn trong hỗn hợp tới mức tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải 51

Hình 4.10: Ảnh hưởng của nhiên liệu tới áp suất trong quá trình cháy 52

Hình 4.12: Khả năng tăng tốc 54

Bảng 1.1: Sản xuất nhiên liệu cồn thế giới thời gian gần đây 2

Bảng 1.2: Chỉ tiêu cơ bản của ethanol 3

Bảng 1.3: Hàm lượng phát thải CO (%) 3

Bảng 1.4: Hàm lượng phát thải CO 2 (%)……… 5

Bảng 1.5: Hàm lượng phát thải HC (ppm) 5

Bảng 1.6: Nồng độ khí thải trong nghiên cứu His-Hsien Yang 7

Bảng 1.7: Thống kê sản lượng của hãng HonDa (tính đến 10/2014) 13

Bảng 1.8: Thông số động cơ UV125 FI 13

Bảng 2.1: Tỷ lệ A/F của xăng pha cồn theo lý thuyết 17

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của máy đo khí xả Hesbon HG 520 34

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của cân nhiên liệu DJ6000TW 35

Bảng 3.3: Thông số băng thử động cơ xe gắn máy 38

Bảng 4.1: Thông số mẫu nhiên liệu thí nghiệm 40

Bảng 4.2: Mức tăng nhiên liệu theo lý thuyết 41

Phụ lục 1 : Bảng hàm lượng phát thải các khí ô nhiễm 61

Phụ lục 2 : Mức tiêu hao nhiên liệu 63

Phụ lục 3 : Khả năng khởi động nguội 63

Phụ lục 4 : Kết quả thử nghiệm nhiên liệu xăng pha cồn 64

Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa của từ

0

ATDC After Top Dead Center Sau điểm chết trên BTDC Before Top Dead Center Trước điểm chết trên

CA BTDC Crank shaft Angle Before Top

Dead Center

Góc quay trục khuỷu trước điểm chết trên 0

EGR Exhaust Gas Recirculation Tuần hoàn khí xả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA NGHIÊN CỨU

 Tình hình sản xuất nhiên liệu cồn trên thế giới:

Ô nhiễm môi trường do khí thải của phương tiện giao thông đang ngày càng trở lên nghiêm trọng và có ảnh hưởng đặc biệt tới sức khỏe do tính chất độc hại của các thành phần trong khí thải Ngoài ra, sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch trong thời gian ngắn sắp tới, khoảng ba mươi năm tới, là những yêu cầu cơ bản khiến cho việc

đi tìm những nguồn nhiên liệu có khả năng thay thế cho nhiên liệu truyền thống của động cơ đốt trong trở lên cấp bách trong thời gian gần đây Trong những nguồn nhiên liệu có khả năng thay thế đó, nhiên liệu sinh học đã được quan tâm từ rất lâu

và cũng đã có nhiều nghiên cứu chứng tỏ sự ưu việt của loại nhiên liệu này

Xăng sinh học (gasohol) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol pha trộn vào xăng theo các Tỷ lệ nhất định Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xen-lu-lô, lignocellulose Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống Trên thế giới, nhiên liệu xăng sinh học đã được giới thiệu như một loại nhiên liệu có khả năng thay thế xăng truyền thống từ những năm 1930 tại Mỹ Tuy nhiên, phải cho đến những năm 1970 xăng sinh học mới được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng một cách rộng rãi [1]

Bảng 1.1 thống kê Sản xuất nhiên liệu cồn thế giới thời gian gần đây (triệu

lít) Hiện nay, trên thế giới có khoảng 50 quốc gia sử dụng các loại xăng sinh học làm nhiên liệu cho động cơ và 575 nhà máy ethanol với tổng công suất 80,631 triệu tấn Hầu hết các nước này đều đã hoàn tất lộ trình và chính sách khuyến khích đầu

tư sản xuất và sử dụng xăng pha ethanol hoặc các phụ gia sinh học Theo các chuyên gia, với việc bổ sung và thay thế xăng bằng ethanol, mỗi năm thế giới giảm được lượng tiêu thụ dầu thô khoảng 50 triệu tấn, tương đương với mức tiêu thụ của

Hà Lan và Ba Lan cộng lại

Bảng 1.1: Sản xuất nhiên liệu cồn thế giới thời gian gần đây (triệu lít) [2]

 Các định hướng và chính sách của Việt Nam đối với nhiên liệu xăng pha

cồn:

Tại Việt Nam, đề án sử dụng xăng sinh học đã được phê duyệt vào tháng 11 năm 2007 theo quyết định số 177/QĐ-TTg Trong đó qui định mục tiêu cụ thể cho từng giai đoạn phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025; Đồng thời đề ra các nhiệm vụ và giải pháp cho việc hình thành, phát triển nhiên liệu sinh học

Tiếp theo quyết định số 53/2012/QĐ-TTg của thủ tướng chính phủ qui định xăng E5 sẽ bắt buộc được tiêu thụ trên các cây xăng tại năm thành phố trực thuộc trung ương và các tỉnh Quảng Ngãi, Bà Rịa Vũng Tàu từ ngày 01/12/2014 Từ ngày 01/12/2015 xăng E5 sẽ bắt buộc phân phối trên cả nước Tiếp đó, từ ngày 01/12/2016 sẽ bắt đầu phân phối xăng E10 theo lộ trình tương tự như trên

Bộ khoa học công nghệ cũng đã xây dựng quy chuẩn kỹ thuật vể xăng và nhiên liệu sinh học, quy định trong QCVN 01:2009/BKHCN Trong đó các chỉ tiêu

kỹ thuật cơ bản của ethanol nhiên liệu biến tính phải phù hợp với các quy định trong

Bảng 1.2:

Bảng 1.2: Chỉ tiêu cơ bản của ethanol biến tính

Tên chỉ tiêu Mức Phương pháp thử

1 Hàm lượng etanol, % thể tích, không nhỏ hơn 92,1 TCVN 7864

4 Độ axit (tính theo axit axetic CH3

COOH), % khối lượng, không lớn hơn

 Tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu xăng pha cồn trên động

cơ và phương tiện giao thông trên thế giới và tại Việt Nam:

Trên thế giới đã có nhiều những nghiên cứu về xăng sinh học và các ảnh hưởng khi sử dụng trên phương tiện giao thông Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra các ưu điểm của việc sử dụng xăng sinh học như tăng khả năng chống kích nổ (chỉ số octane), giảm thành phần ô nhiễm: CO, CO2, HC và NOx

trong khí xả [3-12], trên động cơ một xy lanh cũng như động cơ nhiều xy lanh Ngoài ra cũng có những nghiên cứu khác chỉ ra những ảnh hưởng khác của quá

trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu xăng sinh học

C Ananda Srinivasan và C.G Saravanan [7] đã tiến hành thực nghiệm trên động cơ ba xy lanh, sử dụng chế hòa khí, với tỷ lệ pha trộn từ 49.8 tới 69.5 ethanol cộng với 0.2 tới 0.5 oxy Trong kết quả quá trình cháy, tác giả thấy rằng hàm lượng

phát thải khí ô nhiễm phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol và tốc độ động cơ (Bảng 1.3,

Tỷ lệ phối trộn ethanol Khi sử dụng xăng sinh học E50 áp suất trong buồng cháy sẽ đạt cực đại (40.5 bar) cao hơn so với khi sử dụng xăng thông thường (36 bar) Tuy nhiên giá trị áp suất này thay đổi không theo qui luật tăng giảm Tỷ lệ ethanol Cụ thể khi các giá trị áp suất cực đại tương ứng với E60, E65, E70 là: 23 (bar), 38 (bar), và 33 (bar)

V S Kumbhar và cộng sự [8] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên động

cơ một xylanh đánh lửa cưỡng bức với Tỷ lệ hòa trộn ethanol tới 20% và ở tốc độ từ

4000 – 8000 v/ph Tác giả nhận thấy moment cực đại sẽ tăng 0.29, 0.59 và 4.77% ứng với Tỷ lệ phối trộn ethanol 5, 10 và 20 % tại tốc độ 6000 vòng/phút Đồng thời tại tốc độ này lượng phát thải CO cũng giảm 6.12%, 11.35% và 26.53% khi sử dụng xăng E5, E10 và E20 so với khi sử dụng xăng thông thường Lượng phát thải HC trong nghiên cứu thực nghiệm này cũng giảm lần lượt tương ứng khi sử dụng xăng E5, E10, E20 so với xăng thông thường là 3.81%, 5.50%, 12.28% tại tốc độ 6000 vòng/phút Tuy nhiên hàm lượng CO2 tăng lên do hàm lượng oxy trong hỗn hợp cháy nhiều hơn trong xăng thông thường, đồng thời lượng tiêu thụ nhiên liệu cũng

có xu hướng tăng lên

Những kết quả tương tự cũng được chứng minh trên động cơ xe gắn máy sử dụng carbuarator, trong thí nghiệm của Hsi-Hsien Yang và cộng sự tại Đài Loan

[9] Theo đó, nghiên cứu được tiến hành với nhiên liệu là xăng E3 và xăng E0 trên chín xe gắn máy có dung tích từ 100 cc tới 150 cc, đã qua sử dụng với quãng đường

từ 733 tới 15800 km Kết quả nồng độ phát thải như sau (hệ số phát thải trung bình,

n = 9):

Bảng 1.6: Nồng độ khí thải trong nghiên cứu His-Hsien Yang

Khí thải E0 E3 Tỷ lệ giảm (%) p-giá trị t-test

Yu-Liang Chen et al [10] khi nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của xăng sinh học đã chọn động cơ xe gắn máy 125 cm3, sử dụng chế hòa khí Hàm lượng phát thải thành phần ô nhiễm CO, NOx giảm khi tăng nồng độ ethanol Cụ thể nồng độ CO giảm từ 15% khi sử dụng xăng E0 xuống còn 13%, 6%, 3.5%, 3% khi thay thế tương ứng với xăng E5, E10, E20,và E25; NOx giảm từ 14.5 ppm xuống 11.5, 5.8, 4.2 khi thay thế từ E0 sang E5, E10, và E25 Thành phần CO2 có sự thay đổi không đáng kể ở giá trị từ E0 tới E5, bắt đầu từ E10 tới E25 giá trị này tăng cao

do quá trình cháy hoàn thiện hơn Hiệu suất của quá trình cháy có thể được cải thiện khi sử dụng xăng sinh học do sự xuất hiện nhiều hơn của oxy, tuy nhiên công suất

sẽ giảm chút ít khi Tỷ lệ ethanol vượt quá 10%

Padol Sukajit et al [11] nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của xăng sinh học E10 và E20 tại Thái Lan trong việc phát thải ô nhiễm trên xe gắn máy Các tác giả đã chọn cả xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử (dung tích 110 cc và 135 cc)

và xe sử dụng chế hòa khí (dung tích 125 cc và 115 cc) Ở nhóm trang bị hệ thống phun xăng điện tử kết quả thực nghiệm của nhóm tác giả cho thấy lượng phát thải

CO của xe 110 cc giảm từ 10 tới 40% khi sử dụng E10 – E20 so với khi sử dụng xăng E0 Lượng CO giảm Tỷ lệ thuận với nồng độ ethanol trong hỗn hợp; Đối với động cơ 135 cc, CO giảm 7-35% so với E0 khi sử dụng E10-E20 NOx không có sự khác biệt giữa xăng E0 và E10 nhưng với E20 lượng phát thải khí này tăng nhanh,

từ 70-100% so với E0 và E10 THC và CO2 không có sự thay đổi đáng kể

Với nhóm sử dụng chế hòa khí, thực nghiệm này cho thấy CO cũng giảm khoảng 40% khi sử dụng xăng E10-E20 so với E0, trên động cơ 125 cc và lượng giảm CO cũng tăng theo hàm lượng ethanol trong hỗn hợp Trên động cơ 115 cc, trang bị hộp số tự động, lượng CO giảm tương ứng 30-40% khi sử dụng E10-E20 so với E0, tuy nhiên trong trường hợp này không có sự khác biệt rõ ràng giữa E10 và E20 THC không thay đổi nhiều khi thay thế E0 bằng E10, nhưng với E20 khí này tăng tới 70% so khi sử dụng E0 và E10 NOx giảm 20-40% so với E0 CO2 không

có khác biệt đáng kể

Khi hàm lượng ethanol vượt quá 20% những ảnh hưởng của xăng sinh học đến quá trình cháy, độ bền các chi tiết và phát thải ô nhiễm có nhiều thay đổi Kết quả thực nghiệm của tác giả Suthisripok T [12] khi nghiên cứu thực nghiệm trên

động cơ 125cc trang bị chế hòa khí, chứng minh những thay đổi khi sử dụng xăng pha cồn tới 95% (E100) Theo đó, khi sử dụng E100, để tạo ra công suất tốt nhất, tương tự như khi sử dụng xăng E0 (gasoline 91) thì hệ số dư lượng không khí λ phải

là 0.85 Đế có được λ =0.85 ta phải có tỉ số không khí/ nhiên liệu của hỗn hợp E100

là 9.0:1 thay vì 14.8:1 như của quá trình cháy với xăng thông thưởng Do vậy tác giả đã tăng đường kính ống nạp lên, đồng thời thay đổi góc đánh lửa Với E100, tỉ

số nén là 107 do vậy tác giả đã tính toán và lựa chọn thời điềm đánh lửa là tại vị trí

90 góc quay trục khuỷu Với thiết lập thực nghiệm như vậy kết quả cho thấy công suất động cơ chỉ giảm 10%, mức tiêu thụ nhiên liệu tăng 38.2%, hàm lượng CO tăng 0.32% và HC tăng 64 ppm so với sử dụng xăng A91

Tại Việt Nam, với lượng xe gắn máy hiện nay khoảng gần 40 triệu chiếc, việc nghiên cứu, đánh giá thực nghiêm ảnh hưởng của xăng E5, E10 nói riêng và xăng sinh học nói chung sẽ góp phần quan trọng trong việc giúp người sử dụng có nhìn nhận chính xác khi sử dụng xăng sinh học, đặc biệt khi thời điểm bắt buộc sử dụng đã cận kề Đến thời điểm hiện tại ở nước ta cũng đã có một số nghiên cứu về tác động của xăng sinh học trên xe gắn máy Tác giả Bùi Võ Nghiên [13] nghiên cứu về ảnh hưởng của xăng E10 trên xe Honda Super dream 100 cc, sử dụng chế hòa khí Trong đó thành phần xăng E10 bao gồm:

+ Ethanol biến tính: 98% ethanol gốc (nồng độ 99,5%) và 2% xăng A92 + Nhiên liệu E10: 10% ethanol biến tính và 90% xăng A92

Kết quả của thực nghiệm này cho thấy: Sử dụng xăng E10 trên xe Super Dream thì xe vẫn hoạt động ổn định ở tất cả các chế độ, lượng tiêu thụ nhiên liệu trung bình giảm 5%, lượng CO giảm 15%, HC giảm 17% riêng CO2 tăng 10%, NOxtăng 7%

Nhóm tác giả Lê Anh Tuấn [14] nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm về ảnh hưởng của xăng E5, E10, E20 và E85 trên động cơ Honda Super Dream sử dụng bộ chế hòa khí so với xăng E0 (A92) Kết quả khi tính toán mô phỏng cho thấy: Đối với quá trình cháy, so với khi sử dụng xăng E0 góc đánh lửa trễ giảm lần lượt 7.3%, 9.1%, 13.6% và 42.7%; quá trình cháy tăng 0%, 3%, 10.6% và 23.3% tương ứng với xăng E5, E10, E20 và E85 Áp suất cực đại trong quá trình cháy cũng

giảm Tỷ lệ thuận với nồng độ ethanol trong hỗn hợp Thành phần CO trong khí thải giảm trung bình lần lượt 64%, 73%, 77% và 90% tương ứng với xăng E5, E10, E20

và E85 cho tất cả chế độ tốc độ động cơ HC cũng giảm theo sự tăng của ethanol trong hỗn hợp, tuy nhiên với E85 nồng độ HC dao động không ổn định, nó phụ thuộc vào tốc độ động cơ Khối lượng giảm trung bình của HC tương ứng là 21%, 40%, 55% và 53% với E5, E10, E20 và E85 NOx tăng theo hỗn hợp từ E5, E10 tới E20 nhưng giảm mạnh với E85 Lượng NOx tăng tương ứng là 39%, 63% và 75% với E5, E10 và E20; Và giảm tới 95% với E85 Kết quả thực nghiệm với xăng E5

và E10 của nghiên cứu này không có sự khác biệt đáng kể về sự giảm của CO, HC

và tăng NOx trong khí thải so với tính toán mô phỏng do sự hoàn thiện hơn của quá trình cháy Tuy nhiên có sự khác biệt về mặt công suất Trong tính toán mô phỏng công suất của động cơ giảm khi sử dụng xăng E5 và E10 so với xăng E0, tuy nhiên trong thực nghiệm công suất của động ở hai trường hợp này tăng lên

Với xăng sinh học E100 tại Việt Nam, chúng ta cũng đã có nghiên cứu của tác giả Nguyễn Duy Vinh và Nguyễn Đức Khánh [15] trên động cơ xe máy Honda Wave Repsol, sử dụng chế hòa khí Nhiên liệu được lấy thực nghiệm trong nghiên cứu này là hỗn hợp xăngA92 với ethanol làm giàu 99% Kết quả nghiên cứu này cho thấy so với khi sử dụng xăng A92, việc sử dụng E100 sẽ giảm trung bình 14%

HC và 9% CO2 nhưng không ổn định, phụ thuộc vào tốc độ động cơ Trong khi đó

CO giảm 85% và NOx giảm 60% trong tất cả các dải tốc độ động cơ

Trong báo cáo khoa học của PGS TS Trần Thanh Hải Tùng [16] về:

“Nghiên cứu ứng dụng của hỗn hợp cồn-xăng tối ưu cho xe gằn máy động cơ 4 kỳ”, tác giả đã minh chứng bằng thực nghiệm ảnh hưởng của hỗn hợp tới việc phát thải ô nhiễm Cụ thể khi thực nghiệm tại hai tốc độ ứng với độ mở 70% và 100% bướm ga của xe gắn máy HAESUN F14 (sử dụng chế hòa khí, dung tích 108 cm3), tác giả đã thu được các giá trị của các thành phần phát thải:

+ Nồng độ CO có thể giảm tới 80.33% (ở tốc độ 90 km/h, 70% tay ga, E90)

và giảm ít nhất 5.73% (ở tốc độ 80 km/h, 100% tay, E10) Ở tốc độ 50 km/h khi dùng E50 mức giảm CO là 32.61% ở 70% tay ga và giảm 21.36% ở 100% tay ga Như vậy có thể kết luận nồng độ CO giảm khi thay thế xăng bằng hỗn hợp xăng pha cồn

+ Nồng độ HC trong khí xả giảm theo Tỷ lệ cồn trong hỗn hợp Giá trị giảm nhiều nhất là 64.52% (ở tốc độ 80 km/h, 70% tay ga) khi sử dụng E90 và tăng nhiều nhất là 24.81% khi sử dụng E10 ( ở tốc độ 80 km/h, 100% bướm ga)

+ Nồng độ CO2 trong khí xả tăng theo tỷ lệ cồn trong hỗn hợp so với khi sử dụng xăng Giá trị tăng lớn nhất là 46% ( ở tốc độ 90 km/h, 70% bướm ga) khi sử dụng mẫu E90; Giá trị tăng ít nhất là 2.56% ( ở tốc độ 40 km/h, 70% tay ga) khi sử dụng E10

+ Nồng độ NOx so với khi sử dụng xăng có thể tăng đến 443.81% ( ở tốc độ

90 km/h, 70% tay ga) Ở vùng tốc độ 50 km/h mức tăng NOx là lớn nhất so với xăng

là 299% (E90, 70% tay ga); tăng ít nhất 33% ( E10, 100% tay ga) Vùng tốc độ đạt cực đại NOx tăng dần khi tăng tỷ lệ cồn trong hỗn hợp, ở vùng tốc độ 70 – 80 km/h mức tăng NOx là lớn nhất ở cả hai vị trí bướm ga Nồng độ NOx trong khí xả sẽ càng cao đối với các hỗn hợp có Tỷ lệ cồn càng cao

Bên cạnh việc nghiên cứu những ảnh hưởng của xăng pha cồn tới phương tiện sử dụng, nhiều nghiên cứu cũng hướng tới việc nghiên cứu hoàn thiện hơn hỗn hợp xăng pha cồn này nhằm giảm tính ăn mòn và sự tách pha của nhiên liệu Tại Việt Nam, nhóm tác giả của Viện Dầu Khí gồm Th.S Phan Trung Hiếu và đồng nghiệp [17] đã nghiên cứu tối ưu hóa tổ hợp phụ gia cho xăng E10 Theo đó các chất phụ gia bao gồm: phụ gia trợ tan, phụ gia chống ăn mòn, phụ gia chống oxy hóa, phụ gia biến đổi cặn ( được gọi là tổ hợp phụ gia VPI-G) đã được pha vào xăng E10 Kết quả cho thấy hợp phụ gia VPI-G có tính năng làm việc tương đương phụ gia nhập ngoại (Keropur 3600) và tính bảo quản (chống tách pha) vượt trội

Mặc dù đã có khá nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về ảnh hưởng của xăng sinh học đối với động cơ và xe gắn máy như trên, nhưng đến thời điểm hiện tại hầu hết các kết quả đều được tiến hành trên động cơ sử dụng chế hòa khí Trong khi đó, xu thế hiện nay của các nhà sản xuất đã và đang tập trung nhiều vào dòng xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử do yêu cầu về giảm ô nhiễm và tiết kiệm nhiên liệu Tuy nhiên, khi pha trộn cồn ethanol vào trong xăng đã làm cho nhiên liệu mới này có tính chất khác biệt với xăng truyền thống về chỉ số octane, Tỷ

lệ A/F, điểm chớp cháy, nhiệt trị thấp,… Vì vậy, việc đánh giá ảnh hưởng của các

Tỷ lệ phối trộn xăng pha cồn hợp lý trên các phương tiện giao thông, đặc biệt là xe gắn máy là rất cần thiết Trong đó, quá trình cháy và sự phát thải các chất độc hại trong sự cháy xăng pha cồn trong động cơ phun xăng điện tử chưa được làm rõ hoặc rất ít báo cáo được tìm thấy Hiện nay tại Việt Nam, nhiên liệu xăng pha cồn do Nhà máy lọc dầu Dung quất sản xuất nên các kết quả nghiên cứu trên động cơ xe gắn máy phun điện tử có thể có sự khác biệt về sự cháy và khí thải so với thế giới Do

đó, luận văn này mong muốn được làm rõ vấn đề này trong điều kiện vận hành thực

tế tại Việt Nam

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu đánh giá thực nghiệm ảnh hưởng của xăng sinh học với các tỉ lệ phối trộn khác nhau đến mức tiêu thụ nhiên liệu, sự phát thải khí ô nhiễm của của xe gắn máy sử dụng hệ thống phun điều khiển điện tử Ngoài ra nghiên cứu cũng tiến hành đánh giá sự thay đổi áp suất do tác động của các loại nhiên liệu có tỷ lệ cồn khác nhau

1.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1 Đối tƣợng nghiên cứu

Theo thống kê của các hãng Honda (Bảng 1.7), đơn vị chiếm tới 67% thị

phần xe gắn máy tại Việt Nam – số liệu thống kê năm 2013 của VAMM (autopro.com.vn ngày 30/10/2014), lượng xe của hãng trang bị hệ thống phun xăng điện tử đang tăng đều theo các năm Trong đó tới thời điểm hiện tại lượng xe trang

bị động cơ 125 cc chiếm khoảng 50% trong tổng sản lượng của dòng xe Fi

Bảng 1.7: Thống kê sản lượng của hãng Honda (tính đến 10/2014)

Xe không phun xăng điện tử 1248966 1150554 724830 445600

Xe phun xăng điện tử 794820 778228 1012559 504683

Nghiên cứu này sẽ tập trung chính vào các động cơ xe gắn máy sử dụng hệ thống phun xăng điện tử Các dòng xe sử dụng hệ thống phun xăng được thiết kế với dung tích từ 110 đến 135cc Trong đó dòng xe có dung tích 125cc chiếm phổ biến tại thị trường Việt Nam Cụ thể, trong nghiên cứu này, động cơ UV125 được

lựa chọn dự trong các thí nghiệm và có thông số kỹ thuật thể hiện trong Bảng 1.8

Bảng 1.8: Thông số động cơ UV 125 FI ( sử dụng trong nghiên cứu)

Loại động cơ 4 thì, 1 xy lanh, cam đơn

2 xupap, làm mát bằng không khí Đường kính & hành trình piston 53,5 x 55,2 (mm)

Dung tích xy lanh / Tỉ số nén 124 cc / 9,6:1

Hệ thồng cung cấp nhiên liệu Phun xăng điện tử

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu tập trung đánh giá thực nghiệm ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha cồn đến tính kinh tế nhiên liệu và khí thải của xe gắn máy 125cc phun xăng điện tử, khi chạy theo chu trình thử chuẩn Japan 10-15 và tại các chế độ vận hành ổn định Trong đó, cồn được pha vào trong xăng với các Tỷ lệ phối trộn cao

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Các nội dung nghiên cứu chính của được thực hiện như sau:

 Tổng quan về tình hình nghiên cứu xăng pha cồn trên phương tiện giao thông và cơ sở lý thuyết liên quan đến động cơ sử dụng xăng pha cồn

 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá đặc tính kinh tế nhiên liệu và khí thải

xe gắn máy phun xăng điện tử theo chu trình thử tiêu chuẩn và tại chế độ vận hành tốc độ ổn định

 Nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha cồn tỷ lệ cao đến sự cháy của động

cơ phun xăng điện tử

 Đánh giá khả năng tăng tốc và thời gian khởi động nguội của xe gắn máy phun xăng vận hành với xăng pha cồn tỷ lệ cao

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Phương pháp thu thập, chọn lọc số liệu từ các tài liệu

- Các số liệu thống kê về số lượng, kiểu loại xe gắn máy tại Việt Nam từ cơ quan quản lý và các hãng sản xuất lắp ráp xe gắn máy trong nước

- Các công trình nghiên cứu về xăng sinh học đã công bố hiện hành trong và ngoài nước

- Các báo cáo đã được công bố trong Hội nghị khoa học, Tạp chí khoa học trong và ngoài nước, các đề tài khoa học các cấp, luận văn tiến sỹ, thạc sỹ,… của các tác giả trong và ngoài nước

- Các giáo trình, sách chuyên môn

- Tài liệu từ internet (có nguồn gốc tin cậy)

 Phương pháp thống kê, phân tích và tổng hợp: Bao gồm thu thập, phân

tích, xử lý, tổng hợp số liệu từ tài liệu thu thập được Phương pháp này được sử dụng xuyên suốt trong quá trình thực hiện đề tài

 Phương pháp tính toán lý thuyết: Tính toán lý thuyết về Tỷ lệ không

khí/ nhiên liệu khi thay đổi từ xăng thông thường sang xăng sinh học

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trên

các băng thử nghiệm động cơ xe gắn máy có trang bị thiết bị đo đạc áp suất và khí thải

 Phương pháp so sánh: So sánh giữa kết quả thực nghiệm khi thay đổi Tỷ

lệ phối trộn với xăng thông thường So sánh kết quả thí nghiệm trong nghiên cứu này với các tác giả khác trong và ngoài nước

 Phương pháp chuyên gia: Phỏng vấn, đưa ý kiến đến chuyên gia (nhà

quản lý, chuyên gia kỹ thuật, thầy giáo hướng dẫn.v.v.) để nghe phân tích và nhận định

1.7 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

1.7.1 Ý nghĩa khoa học

Góp phần xác định mối quan hệ giữa xăng pha cồn tỷ lệ cao đến tính kinh

tế nhiên liệu và sự phát thải chất độc hại trên xe gắn máy phun xăng điện tử Từ đó,

đề xuất tỷ lệ pha trộn phù hợp nhất theo hướng đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế nhiên liệu, kỹ thuật và môi trường của động cơ

1.7.2 Ý nghĩa thực tiễn

Ở thời điểm hiện tại, khi chính phủ bắt đầu bắt buộc sử dụng xăng sinh học trên toàn quốc, đề tài nghiên cứu sẽ góp phần tạo niềm tin cho người dân khi sử dụng loại nhiên liệu này Từ những kết quả có được trong nghiên cứu, tác giả mong muốn góp thêm bằng chứng khoa học cho tính khả thi trong việc ứng dụng nhiên liệu sinh học trên dòng xe gắn máy đang có xu hướng ngày một phổ biến hơn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết quá trình cháy động cơ đánh lửa cưỡng bức

 Phương trình cháy của hỗn hợp xăng pha cồn

Quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng bức là quá trình cháy theo cơ chế lan tràn màng lửa của nhiên liệu lỏng đã bốc hơi hoàn toàn Hòa khí đều, được hòa trộn trước, có α như nhau ở mọi điểm trong buồng cháy Quá trình cháy tính từ khi bugi bắt đầu đánh lửa ( s) đến vùng xa nhất của hỗn hợp bị cháy (khoảng 300 ÷ 400ATDC)

Quá trình cháy được bắt đầu từ nguồn lửa xuất hiện ở cực bugi trong môi trường hỗn hợp được hòa trộn trước Do nguồn nhiệt của bugi kích thích hòa khí, làm cho cục bộ khí này phát sinh phản ứng mạnh mẽ và gây nên sự bắt cháy, sau đó xuất hiện ngọn lửa lan truyền theo mọi hướng trong không gian buồng cháy

Hình 2.1: Các trạng thái khác nhau của quá trình cháy [18]

Màng lửa của một hòa khí đều là một màng ngăn cách giữa hai khu vực đã cháy và chưa cháy có chiều dày rất mỏng so với thể tích toàn bộ của buồng cháy Điều kiện tiên quyết để tạo nên màng lửa của phản ứng là phản ứng nhả nhiệt và phải đủ lớn để nhiệt độ của sản vật cháy lớn hơn nhiệt độ của hòa khí

Để tìm hiểu về ảnh hưởng của ethanol tới quá trình cháy ta hãy xem xét phương trình cháy tổng quát của nhiên liệu xăng pha cồn:

xC2H5OH + yC8H18 + z(O2 + N2) aCO2 + bH2O + N2 + Q (1)

Từ phương trình (1), ta có:

a = 2x + 8y; b = 3x + 9y; c = z = 3x + 13,5y

Tỷ lệ không khí lý thuyết:

Do vậy khi thay đổi Tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp Tỷ lệ không khí/ nhiên liệu

sẽ thay đổi theo bảng 2.1:

Bảng 2.1: Tỷ lệ A/F của xăng pha cồn theo lý thuyết

E A92 10 20 30 50 85 100

A/F Stoi. 14.60 13.80 13.50 12.85 11.80 9.87 9.00

Bên cạnh đó, khi thay đổi tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiệt trị của hỗn hợp nhiên liệu cũng thay đổi Do nhiệt trị thấp của hỗn hợp xăng pha cồn giảm so với xăng A92 nên để đảm bảo công suất của động cơ không đổi, lượng nhiên liệu cần cung cấp thêm trong một chu trình sẽ được tính theo công thức:

=

Từ đó ta có lượng nhiên liệu cần bổ xung thêm cho các mẫu nhiên liệu E10, E20, E30, E50, E85 và E100 so với A92 theo lý thuyết Khi đó quá trình cháy của động cơ sẽ thay đổi Để khảo sát chính xác sự thay đổi áp suất trong quá trình cháy của các mẫu xăng pha cồn tỷ lệ cao, ta sẽ khảo sát bằng thực nghiệm trên động cơ trong đề tài này

 Tính toán tốc độ phát nhiệt

Tỷ lệ sinh nhiệt có thể được tính bằng cách áp dụng định luật nhiệt động thứ

nhất, bỏ qua sự truyền nhiệt qua vách xy lanh Khi đó, nhiệt lượng sinh ra sẽ tính được từ các phương trình sau đây:

Áp dụng các định luật khí lý tưởng, phương trình (2) trở thành:

Với mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng: = k và cp = cv + R

Với thể tích buồng đốt không đổi ta thu được phương trình sau đây:

Trong đó: V là thể tích buồng đốt với dung tích không đổi và k là tỷ số nhiệt dung riêng

 Tính toán áp suất và nhiệt độ quá trình cháy

Cũng theo định luật nhiệt động thứ nhất, ta có công thức xác định áp suất

và nhiệt độ trong quá trình cháy, bỏ qua sự truyền nhiệt qua vách xy lanh:

Hình 2.2: Áp suất trong xy lanh và nhiệt độ hỗn hợp đã cháy, chưa cháy theo góc quay trục khuỷu Nhiên liệu: Ethanol, tỉ số nén: 7.5, tốc độ động cơ 1500 v/p [19]

2.2 Cơ chế hình thành ô nhiễm của động cơ đánh lửa cƣỡng bức

Đỗ Quốc Ấm và đồng nghiệp [20] đánh giá sự tác động của quá trình cháy trong động cơ đốt trong, khí thải không những bao gồm số lượng lớn các chất như:

CO2, H2O, N2…mà còn mang theo những chất độc hại khác, tác động xấu đến sức khoẻ con người và môi trường như: monoxidecarbon (CO), các hydrocarbon cháy không hết (HC), các oxyt nitơ (NOx), các hợp chất của chì

2.2.1 Cơ chế hình thành các oxide nitơ (NO x )

NOx là tên gọi chung của các oxide nitơ gồm có các chất như: NO, NO2, N2O, chúng được hình thành do sự kết hợp giữa oxi và nitơ ở điều kiện nhiệt độ cao

 Cơ chế hình thành monoxide nitơ (NO)

Trong quá trình hoạt động của động cơ lượng NO sinh ra chiếm tỷ lệ lớn nhất trong họ NOx (90 - 98% tổng hợp NOx)

Hình 2.3: Sự phụ thuộc nồng độ NO theo nhiệt độ [20 ]

Sự hình thành NO do oxi hoá nitơ trong không khí với điều kiện hệ số dư lượng không khí xấp xỉ 1, các phản ứng chính sau xảy ra:

O + N2 NO + N (7)

N + O2 NO + O (8)

N + OH NO + H (9) Phản ứng (9) xảy ra khi hỗn hợp rất giàu, NO tạo thành trong màng lửa và trong sản phẩm cháy phía sau màng lửa Hình 2.3 Cho thấy lượng NO hình thành phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ Lượng NO sinh ra theo phản ứng sau:

N2 + O2 2NO (10) Nồng độ NO phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 có trong sản phẩm cháy

 Cơ chế hình thành dioxide nitơ: (NO 2 )

NO2 là chất khí độc hại, nó được hình thành ở nhiệt độ thường khi NO kết hợp với O2 có trong không khí

2NO + O2 2NO2 (11)

NO2 còn được hình thành từ NO với các chất trung gian của sản vật cháy theo phản ứng

NO + HO2 NO2 + OH (12) Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng (12)

NO2 + O ⇆ NO + O2 (13) Trong trường hợp NO2 sinh ra trong ngọn lửa bị làm mát ngay bởi môi chất có nhiệt độ thấp thì phản ứng phân giải (13) bị khống chế nghĩa là NO2 tiếp tục tồn tại trong sản vật cháy Vì vậy khi động cơ làm việc ở chế độ không tải hay tải thấp thì nồng độ NO2 trong khí thải sẽ gia tăng

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành oxide nitơ

 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí: (λ)

Nhiệt độ cháy cực đại tương ứng khi λ = 0.9 (hỗn hợp hơi giàu) Tuy nhiên lúc này nồng độ O2 thấp nên lượng NO có trong khí thải không lớn Nồng độ NO đạt cực đại khi λ 1.1 lúc này nồng độ O2 tăng đồng thời nhiệt độ hỗn hợp giảm, cả hai yếu tố này làm lượng NO đạt cực đại Khi λ tăng quá lớn, lúc này độ đậm đặc của hỗn hợp giảm, nhiệt độ cháy thấp nên lượng NO cũng giảm theo λ

Hình 2.4: Biến thiên nồng độ NO theo hệ số dư lượng không khí λ [20]

 Ảnh hưởng của hệ số khí sót

Khí sót giữ vai trò làm bẩn hỗn hợp, do đó làm giảm nhiệt độ cháy dẫn đến sự giảm nồng độ NOx Tuy nhiên, khi hệ số khí sót gia tă ng quá lớn động cơ sẽ làm việc không ổn định, làm giảm tính kinh tế của động cơ và tăng nồng độ HC

Hình 2.5: Ảnh hưởng của tỷ lệ khí xả hồi lưu đến nồng độ NO [20]

Theo đồ thị (Hình 2.5) nồng độ chất ô nhiễm NO giảm mạnh theo sự gia tăng của tỷ lệ hồi lưu khí xả cho đến khi tỷ lệ này đạt 15-20 %

 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm

Khi góc đánh lửa tăng, thời điểm cháy của hỗn hợp sớm lên, áp suất cực đại gần điểm chết trên hơn Nhiệt độ cực đại cũng tăng và thời gian tồn tại khí cháy cũng tăng theohai yếu tố này khiến NO tăng

Hình 2.6: Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới nồng độ NO [20]

Vì thế, tăng góc đánh lửa sớm sẽ làm tăng nồng độ NO trong khí xả cho nên cùng một áp suất cực đại khi giảm góc đánh lửa sớm 100 có thể giảm nồng độ NO

từ 20-30%

 Ảnh hưởng của nhiệt độ buồng cháy

Nhiệt độ buồng cháy sẽ tỷ lệ thuận với lượng hỗn hợp được đốt cháy, vì vậy khi mở lớn bướm ga, hỗn hợp vào động cơ tăng, nhiệt độ buồng cháy tăng và lượng NOx tăng ngay cả khi λ<1

2.2.3 Cơ chế hình thành carbon monoxide (CO)

2.2.3.1 Cơ chế hình thành CO

Lượng CO trong khí xả động cơ chịu ảnh hưởng chính do tỷ lệ hỗn hợp (λ) + Trường hợp hỗn hợp giàu: (λ<1) lượng oxy có trong hỗn hợp không đủ để oxy hoá hoàn toàn lượng carbon trong hỗn hợp thành CO2, dẫn tới nồng độ CO trong khí thải lớn

+ Trường hợp hỗn hợp nghèo: (λ>1) trên lý thuyết khi lượng dư không khí lớn thì khí thải sẽ là CO2 và H2O Tuy nhiên với (λ>1) hỗn hợp nghèo, khi vào buồng đốt sẽ không được hoà trộn và phân bố đều tạo nên các vùng cục bộ trong buồng đốt làm cho việc cháy không hoàn toàn Từ đó sinh ra lượng CO cao trong khí thải

+ Trong điều kiện nhiệt độ cao phản ứng phân giải sản phẩm cháy sẽ xảy ra làm gia tăng lượng CO trong khí thải

2CO2 CO + O2 (14) Khi động cơ làm việc ở tải nhỏ, điều kiện cháy của hỗn hợp không tốt, tạo ra các vùng cháy không hoàn toàn, dẫn đến nồng độ CO trong khí xả cao bất chấp có

sự điều chỉnh hệ số dư lượng không khí quanh giá trị cháy hoàn toàn Do vậy khi ô

tô hoạt động trong thành phố thì sự phát sinh CO là đáng quan tâm nhất vì ôtô thường xuyên làm việc ở tải thấp

Khi góc đánh lửa sớm giảm, quá trình cháy sẽ kéo dài trên đường giãn nở, áp suất giảm tại đây Điều đó làm cho điều kiện cháy lên xấu đi, làm tăng khả năng cháy không hoàn toàn, do đó sẽ làm tăng nồng độ CO trong khí xả

 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu

Nồng độ CO sẽ tăng giảm phụ thuộc vào sự có mặt của lượng C chứa trong nhiên liệu Hình 2.8 cho thấy nồng độ CO tăng khi C trong nhiên liệu tăng

Hình 2.8: Quan hệ giữa các loại nhiên liệu và sự phát sinh CO [20]

Vì vậy, trên động cơ hiện đại được lắp thêm hệ thống lưu hồi khí xả EGR nhằm khống chế nồng độ NOx, đồng thời làm giảm nồng độ CO (ở chế độ tải thấp) trước khi thải ra môi trường

2.2.4 Cơ chế hình thành hydrocarbon: HC

2.2.4.1 Cơ chế hình thành hydrocarbon: HC

Trên động cơ HC hình thành chủ yếu do sự đốt cháy không hoàn tòan hỗn hợp

trong buồng cháy hoặc cháy không hết

 Cơ chế hình thành hydrocarbon chƣa cháy

Do sự hình thành các vùng dập tắt màng lửa, nên lửa không lan đến được hay khi lan đến thì nhiệt độ giảm không đốt được hỗn hợp tại những vùng đó Do sự trùng điệp của xú-páp, sẽ có môt lượng nhiên liệu vừa nạp vào đã được thải ra ngoài Với tỷ lệ hỗn hợp không thích hợp (giàu hoặc nghèo) sẽ làm cho một phần hỗn hợp không cháy được hoặc cháy không hoàn toàn bị thải ra ngoài Những điều kiện trên làm cho lượng HC không cháy đựơc bị thải ra ngoài trong kỳ thải

 Cơ chế hình thành HC trong qúa trình cháy

Nồng độ HC tăng nhanh theo độ đậm đặc của hỗn hợp Tuy nhiên, khi hỗn hợp

có độ đậm đặc quá thấp cũng làm tăng HC trong khí thải do sự cháy không hoàn toàn của động cơ