Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng

Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng 1NZ-FE sử dụng xăng thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn nhằm thực hiện các nhiệm vụ: + Đánh giá di

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN KHÁNH TÙNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC

CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% CHO

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xiv

MỞ ĐẦU 1

i Sự cần thiết của đề tài 1

ii Mục đích nghiên cứu 2

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iv Phương pháp nghiên cứu 2

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 3

vi Tính mới của đề tài 3

vii Các nội dung chính của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 4

1.1.1 Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học 4

1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện 5

1.2 Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học 6

1.2.1 Nhiên liệu cồn ethanol 6

1.2.2 Xăng sinh học 9

1.2.3 Sản xuất và sử dụng cồn ethanol và xăng sinh học trên phương tiện 10

1.3 Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng 13

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới 13

1.3.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam 25

1.4 Kết luận Chương 1 28

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 29

2.1 Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học 29

2.1.1 Quá trình cháy trong động cơ xăng 29

2.1.2 Quá trình cháy của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học 31

ii

2.2 Lý thuyết mô phỏng động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học 34

2.2.1 Mô hình hỗn hợp nhiên liệu 34

2.2.2 Mô hình cháy 34

2.2.3 Mô hình truyền nhiệt 42

2.2.4 Mô hình phát thải 45

2.2.5 Một số mô hình phụ khác 47

2.3 Hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ phun xăng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% 51

2.3.1 Cấu tạo hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ 51

2.3.2 Cơ sở lý thuyết chuyển đổitừ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 54

2.3.3 Bộ dữ liệu chuẩn trong động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% 58

2.4 Kết luận chương 2 61

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ KHI SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC CÓ TỶ LỆ CỒN ETHANOL TỚI 100% 62

3.1 Đối tượng nghiên cứu và xây dựng mô hình động cơ 62

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 62

3.1.2 Xây dựng mô hình động cơ 63

3.2 Đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản trên động cơ ô tô phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 64

3.2.1 Hiệu chuẩn mô hình và đánh giá khả năng thích ứng của ECU nguyên bản 65

3.2.2 Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới tham số của mô hình cháy Fractal 80

3.2.3 Xác định hệ số dư lượng không khí  của hỗn hợp cháy với các tỷ lệ cồn ethanol khác nhau 81

3.3 Nghiên cứu mô phỏng xây dựng bộ thông số chuẩn với xăng sinh học 82

3.3.1 Tính toán mô phỏng lượng nhiên liệu phun đảm bảo hệ số dư lượng không khí  = 1 82

3.3.2 Tính toán góc đánh lửa sớm để mô men động cơ đạt M emax khi sử dụng xăng sinh học 87

3.4 Kết luận chương 3 92

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 94

4.1 Đối tượng, nhiên liệu và trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm 93

4.1.1 Đối tượng thử nghiệm 93

4.1.2 Nhiên liệu thử nghiệm 93

iii

4.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm 94

4.2 Thử nghiệm hiệu chuẩn mô hình mô phỏng và bộ thông số chuẩn động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 96

4.2.1 Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm 96

4.2.2 Kết quả thử nghiệm 98

4.3 Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% 102

4.3.1 Thiết kế chế tạo bộ điều khiển ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE 102

4.3.2 Nghiên cứu nạp bộ thông số chuẩn lên ECU phụ 109

4.4 Thử nghiệm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải động cơ xăng khi được lắp thêm ECU phụ trên băng thử động cơ 110

4.4.1 Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm 110

4.4.2 Kết quả thử nghiệm trên băng thử động cơ 110

4.5 Thử nghiệm tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của xe ô tô được lắp thêm ECU phụ trên băng thử ô tô 115

4.5.1 Mục tiêu, phương pháp và chế độ thử nghiệm 115

4.5.2 Kết quả thử nghiệm với ô tô nguyên bản khi chưa lắp ECU phụ 116

4.5.3 Kết quả thử nghiệm với ô tô được lắp thêm ECU phụ 119

4.6 Kết luận Chương 4 123

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 125

Kết luận chung: 125

Hướng phát triển của đề tài: 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 137 PHỤ LỤC

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện Luận án có sử dụng một

phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu

thiết kế và chế tạo hệ thống phun nhiên liệu điện tử cung cấp xăng sinh học có tỷ lệ cồn etanol tới 100% (E100) cho động cơ ô tô và xe máy sử dụng nhiên liệu linh hoạt”, mã số

ĐT.09.2014/NLSH do PGS.TS Phạm Hữu Tuyến là chủ nhiệm đề tài và tổ chức chủ trì là Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, thuộc Đề án Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025, do Bộ Công Thương quản lý Tôi đã được chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả của Đề tài cấp nhà nước và việc viết luận án

Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tập thể giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Phạm Hữu Tuyến PGS.TS Phạm Văn Thể

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Khánh Tùng

v

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện

Cơ khí Động lực, Bộ môn Động cơ đốt trong, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Hữu Tuyến và PGS.TS Phạm Văn Thể đã chu đáo, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện và hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Cục Ứng dụng và Phát triển công nghệ - Bộ Khoa học và Công nghệ, Ban điều hành đề án Phát triển nhiên liệu sinh học - Bộ Công thương và các đồng nghiệp đã ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và các nhà khoa học đã dành thời gian quý báu để đọc và góp ý giúp tôi hoàn thiện luận án

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Khánh Tùng

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/SƠ ĐỒ

Hình 1.1 Tổng mức tiêu thụ năng lượng và mức phát thải CO2 trên thế giới 4

Hình 1.2 Sự biến động của giá dầu thô trên thị trường thế giới 4

Hình 1.3 Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ 5

Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenluloza 7

Hình 1.5 Tổng sản lượng ethanol hàng năm của các quốc gia/vùng lãnh thổ 10

Hình 1.6 Tỷ lệ sản lượng ethanol của các quốc gia/vùng lãnh thổ năm 2015 11

Hình 1.7 Số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế được đặt hàng và sản xuất hàng năm 11

Hình 1.8 Diện tích và sản lượng sắn tại Việt Nam giai đoạn 2001-2011 12

Hình 1.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới hệ số dư lượng không khí tương đương A/F và hệ số nạp tại các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph 14

Hình 1.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu tại các tốc độ 1000, 2000, 3000, 4000 v/ph 14

Hình 1.11 Ảnh hưởng của lượng ethanol tăng lên tới hàm lượng khí thải CO, CO2, HC trong phát thải 15

Hình 1.12 Thay đổi mô men của động cơ và khi sử dụng xăng sinh học với với các tỷ lệ cồn ethanol khác nhau 15

Hình 1.13 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô 16

Hình 1.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu tới lượng phát thải khí CO, CO2, HC và NH3 16

Hình 1.15 Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp và hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường 17

Hình 1.16 Tỷ lệ suy giảm phát thải HC và NOx khi động cơ sử dụng các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường 18

Hình 1.17 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học tại tốc độ động cơ 5000 v/ph 18

Hình 1.18 Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của động cơ tại tốc độ động cơ 2800 v/ph 19

Hình 1.19 Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới tính năng động cơ tại tốc độ động cơ 2800 v/ph 20

Hình 1.20 Bộ chuyển đổi U.S Ethanol Conversion Kits 21

Hình 1.21 Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh cho E85 22

vii

Hình 1.22 Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh cho E85 22

Hình 1.23 Điều chỉnh quá trình phun nhiên liệu khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn 23

Hình 1.24 Điều chỉnh góc đóng muộn xu páp khi sử dụng ethanol với tỷ lệ lớn 24

Hình 1.25 Điều chỉnh kết cấu buồng cháy bằng cách điều chỉnh cấu tạo của piston 24

Hình 1.26 Tỷ lệ cải thiện công suất của động cơ khi sử dụng xăng sinh học 26

Hình 1.27 So sánh phát thải của động cơ khi sử dụng A95 và E10 26

Hình 2.1 Quá trình cháy trong động cơ xăng 29

Hình 2.2 Quá trình phát triển của màng lửa trong quá trình cháy 30

Hình 2.3 Hình ảnh lan tràn màng lửa trong động cơ xăng 30

Hình 2.4 Ảnh hưởng của cháy lốc tới quá trình cháy trong động cơ xăng 31

Hình 2.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới sự lan tràn màng lửa trong quá trình cháy 32

Hình 2.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới thời gian cháy và tỷ lệ hỗn hợp đã cháy 32

Hình 2.7 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới nhiệt độ quá trình cháy 33

Hình 2.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học tới áp suất trong xy lanh 33

Hình 2.9 Một số mô hình phân dạng 38

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển điện tử trên động cơ – ôtô 51

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phun xăng điện tử trên động cơ phun xăng 52

Hình 2.12 Phương pháp phun độc lập theo trình tự trên động cơ phun xăng 52

Hình 2.13 Sơ đồ điều khiển hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ phun xăng 53

Hình 2.14 Điều khiển góc đánh lửa sớm theo phương pháp điều khiển ESA 54

Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ phun xăng điện tử khi được lắp thêm ECU phụ 54

Hình 2.16 Nguyên lý điều chỉnh tín hiệu khi qua bộ ECU phụ 55

Hình 2.17 Cấu tạo và lắp đặt cảm biến cồn ethanol trên động cơ 56

Hình 2.18 Đặc tính cảm biến tỷ lệ ethanol 57

Hình 2.19 Sơ đồ khối hệ thống nhiên liệu khi được lắp thêm ECU phụ 57

Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển ECU phụ 58

Hình 2.21 Các bước quy trình xây dựng bộ dữ liệu chuẩn cho động cơ 60

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng động cơ Toyota 1NZ-FE trên phần mềm AVL Boost 63

Hình 3.2 So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 66

viii

Hình 3.3 So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 67 Hình 3.4 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 67 Hình 3.5 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 100% với RON92, E30 và E50 68 Hình 3.6 So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa

mô phỏng và thực nghiệm tại tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% 69 Hình 3.7 So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa

mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 3000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% 69 Hình 3.8 So sánh phát thải NOx của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% 70Hình 3.9 So sánh phát thải CO của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% 71Hình 3.10 So sánh phát thải HC của động cơ khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, chế độ bướm ga mở 100% 71Hình 3.11 So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 73 Hình 3.12 So sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 73 Hình 3.13 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85, E100 74 Hình 3.14 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu động cơ Toyota 1NZ-FE khi động cơ sử dụng ECU nguyên bản, bướm ga mở 40% với RON92, E30, E50, E85 và E100 74 Hình 3.15 So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% 75 Hình 3.16 So sánh áp xuất trong xy lanh động cơ khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% 76 Hình 3.17 So sánh phát thải NOx của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 78Hình 3.18 So sánh phát thải CO của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 79Hình 3.19 So sánh phát thải HC của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85, E100 79 Hình 3.20 Sự thay đổi của tốc độ ngọn lửa tầng trong mô hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học 80

ix

Hình 3.21 Sự thay đổi của diện tích màng lửa tầng trong mô hình Fractal khi thay đổi tỷ lệ

ethanol trong xăng sinh học 80

Hình 3.22 Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải 84

Hình 3.23 Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải 84

Hình 3.24 Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải 85

Hình 3.25 Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải 85

Hình 3.26 Lượng nhiên liệu và sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải 86

Hình 3.27 Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải 86

Hình 3.28 Công suất theo góc đánh lửa với các loại nhiên liệu ở 60% tải, 1000 v/ph 88

Hình 3.29 Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 20% tải 89

Hình 3.30 Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 20% tải 90

Hình 3.31 Góc đánh lửa sớm và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 60% tải 90

Hình 3.32 Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ ô tô khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 60% tải 90

Hình 3.33 Góc đánh lửa sớm của động cơ và sự thay đổi góc đánh lửa sớm trung bình của động cơ cơ ô tô khi điều chỉnh lượng phun nhiên liệu ở 100% tải 91

Hình 3.34 Công suất, sự thay đổi công suất của động cơ khi điều chỉnh góc đánh lửa sớm ở 100% tải 91

Hình 4.1 Sơ đồ băng thử động cơ 94

Hình 4.2 Hệ thống điều khiển và lập trình ECU của hãng Woodward 95

Hình 4.3 Hệ thống đo đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải ô tô 95

Hình 4.4 Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E30 100

Hình 4.5 Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E50 100

Hình 4.6 Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E85 100

Hình 4.7 Đặc tính thời gian phun nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E100 100

Hình 4.8 Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E30 101

x

Hình 4.9 Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E50 101

Hình 4.10 Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E85 102

Hình 4.11 Góc đánh lửa sớm tối ưu khi sử dụng E100 102

Hình 4.12 Sơ đồ và mô phỏng mạch khi đã lắp linh kiện 102

Hình 4.13 Mạch điều khiển của ECU phụ ô tô sau khi hoàn thiện 103

Hình 4.14 Hoạt động của ngắt 1 và bộ đếm timer2 104

Hình 4.15 Điều khiển thời gian phun 104

Hình 4.16 Hoạt động của ngắt INT0 và bộ đếm timer0 105

Hình 4.17 Nguyên lý điều khiển thời điểm đánh lửa của ECU phụ 106

Hình 4.18 Phép nội suy tuyến tính để tính toán các thông số làm việc của động cơ tại các chế độ làm việc khác 107

Hình 4.19 Hình ảnh chip và bo mạch nạp Atxmega128A 119

Hình 4.20 Giao diện phần mềm Codevision 110

Hình 4.21 Sơ đồ nguyên lý lắp ECU phụ trên động cơ 110

Hình 4.22 Công suất và sự thay đổi công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga 111

Hình 4.23 Suất tiêu hao nhiên liệu và sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga 112

Hình 4.24 Hiệu suất có ích của động cơ và sự thay đổi hiệu suất có ích của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga 112

Hình 4.25 Hàm lượng và sự thay đổi phát thải CO của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở 100% ga 113

Hình 4.26 Hàm lượng và sự thay đổi phát thải HC của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở 100% ga 114

Hình 4.27 Hàm lượng và sự thay đổi phát thải NOx của động cơ ô tô khi lắp ECU phụ ở 100% ga 115

Hình 4.28 Chu trình thử theo tiêu chuẩn EURO 2 116

Hình 4.29 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 117

Hình 4.30 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 4 118

Hình 4.31 Sự thay đổi về phát thải CO, CO2, NOx, và HC của ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 và 4 119

Hình 4.32 Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô theo chu trình thử Euro 2 119

xi

Hình 4.33 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số

3 120Hình 4.34 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi lắp ECU phụ ở 100%ga, tay số

4 121Hình 4.35 Thay đổi thông số kỹ thuật và phát thải của ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học so với xăng RON92 tại 100% ga 122Hình 4.36 Thay đổi hàm lượng phát thải và tiêu hao nhiên liệu của ô tô Toyota Vios khi lắp ECU phụ thử theo chu trình thử tiêu chuẩn Euro 2 so với xăng RON92 122

xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các đặc tính nhiên liệu của xăng và cồn Ethanol 8

Bảng 1.2 Tính chất của một số loại xăng sinh học 10

Bảng 2.1 Phản ứng hình thành phát thải NOx 45

Bảng 2.2 Phản ứng hình thành phát thải CO 46

Bảng 2.3 Các hệ số của phương trình trao đổi nhiệt tại cửa nạp và thải 48

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE 62

Bảng 3.2 Tỉ lệ của xăng và cồn trong các loại nhiên liệu 64

Bảng 3.3 Lượng nhiên liệu và góc đánh lửa sớm được sử dụng trong quá trình chuẩn hóa mô hình mô phỏng động cơ 65

Bảng 3.4 Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30 và E50 66

Bảng 3.5 Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 100% khi sử dụng RON92, E30, E50 67

Bảng 3.6 So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30, E50 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 100% tại một số vị trí 68

Bảng 3.7 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% 70

Bảng 3.8 Giá trị so sánh công suất động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 72

Bảng 3.9 Giá trị so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Toyota 1NZ-FE khi mô phỏng và thực nghiệm theo tốc độ, bướm ga mở 40% khi sử dụng RON92, E30, E50, E85 và E100 72

Bảng 3.10 So sánh áp suất trong xy lanh động cơ Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30, E50, E85, E100 giữa mô phỏng và thực nghiệm ở tốc độ 1000 v/ph, chế độ bướm ga mở 40% tại một số vị trí 75

Bảng 3.11 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx của động cơ ô tô Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng RON92, E30 và E50 tại chế độ bướm ga mở 100% 77

Bảng 3.12 Hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tính toán 81

Bảng 3.13 Bộ thông số điều chỉnh lượng phun nhiên liệu gct để hệ số dư lượng không khí  = 1 83

Bảng 3.14 Kết quả mô phỏng để xác định góc đánh lửa sớm phù hợp cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 tại chế độ 60% tải và tốc độ 1000 v/ph 87

Bảng 3.19 Bộ thông số động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để  = 1 và Memax 88

xiii

Bảng 4.1 Tính chất của các loại nhiên liệu thử nghiệm 93

Bảng 4.2 Phương pháp thử nghiệm động cơ ô tô 98

Bảng 4.3 Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh bằng thực nghiệm để hệ số dư lượng không khí = 1 99

Bảng 4.4 Bộ thông số động cơ điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để  = 1 và Memax được hiệu chuẩn bằng thực nghiệm 100

Bảng 4.5 Công suất động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga 111

Bảng 4.6 Suất tiêu hao nhiên liệu khi lắp ECU phụ ở 100% ga 111

Bảng 4.7 Hiệu suất có ích của động cơ khi lắp ECU phụ ở 100% ga 112

Bảng 4.8 Sự thay đổi hàm lượng phát thải CO của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga 113

Bảng 4.9 Sự thay đổi hàm lượng phát thải HC của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga 114

Bảng 4.10 Sự thay đổi hàm lượng phát thải NOx của động cơ lắp ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học E30, E50, E85, E100 so sánh với khi sử dụng RON92 ở 100% ga 115

Bảng 4.11 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 117

Bảng 4.12 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 4 117

Bảng 4.13 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx, CO2 của ô tô Toyota Vios nguyên bản ở 100% ga, tay số 3 và tay số 4 118

Bảng 4.14 Kết quả đo gia tốc của ô tô từ 20 km/h đến 100 km/h 119

Bảng 4.15 Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của ô tô được lắp thêm ECU phụ ở 100% ga, tay số 3 và tay số 4 120

Bảng 4.16 Hàm lượng phát thải CO, HC, NOx và CO2 của ô tô Toyota Vios được lắp thêm ECU phụ khi hoạt động với xăng RON92, E30, E50, E85 và E100 ở vị trí 100% ga, tay số 3 và tay số 4 121

Bảng 4.17 Kết quả đo gia tốc từ 20 km/h đến 100 km/h của ô tô được lắp thêm ECU phụ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn Ethanol tới 100% 122

xiv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký

hiệu/viết tắt Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị

BMEP Brake Mean Effective

95% xăng truyền thống về thể tích - E10 Xăng sinh học gồm 10% ethanol và 90% xăng truyền thống về thể tích - E20 Xăng sinh học gồm 20% ethanol và 80% xăng truyền thống về thể tích - E30 Xăng sinh học gồm 30% ethanol và 70% xăng truyền thống về thể tích - E50 Xăng sinh học gồm 50% ethanol và 50% xăng truyền thống về thể tích -

15% xăng truyền thống về thể tích -

ECE Economic Commission

for Europe Ủy ban kinh tế châu Âu

xv

ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử - EFI Electronic fuel injection Hệ thống phun xăng điện tử - EGR Exhaust Gas Recirculation Luân hồi khí xả - ESA Electronic Spark Advance Hệ thống điều khiển đánh lửa theo chương trình -

FFV Flexible Fuel Vehicle Động cơ sử dụng nhiên liệu linh

FI Fuel injection Phun nhiên liệu

GDI Gasoline Direct Injection Động cơ phun xăng trực tiếp -

IGT Ignition timing Thời điểm đánh lửa

LNG Liquefied Natural Gas Khí thiên nhiên hóa lỏng - LPG Liquefied Petroleum Gas Khí dầu mỏ hóa lỏng -

RON Research Octane Number Chỉ số Octan nghiên cứu - SFI Sequential Fuel Injection Phun nhiên liệu tuần tự

xvi

1

MỞ ĐẦU

i Sự cần thiết của đề tài

Ngày nay, cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện Nguồn ô nhiễm này gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe và cuộc sống của con người, đặc biệt là ở các thành phố lớn có mật độ xe cơ giới và mật độ dân cư cao Một trong những giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này

là sử dụng các loại nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường

Ethanol (C2H5OH) là loại nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các loại nguyên liệu nông nghiệp như mía, sắn, ngô cũng như từ các sản phẩm của quá trình chế biến gỗ và từ chất thải nông nghiệp Ethanol có thể được sử dụng như một loại nhiên liệu cho phương tiện

ở dạng nguyên chất và hoặc ở dạng hỗn hợp phối trộn với nhiên liệu truyền thống

Ethanol có chỉ số octan cao hơn xăng nên làm tăng khả năng chống kích nổ của động cơvà hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện khi tăng tỉ số nén Việc bổ sung thêm lượng nhỏ ethanol vào xăng giúp tăng cường chỉ số octan của hỗn hợp nhiên liệu, bổ sung thêm ôxy giúp quá trình cháy trong động cơ triệt để hơn, qua đó nâng cao hiệu suất động cơ và giảm lượng phát thải độc hại CO, HC

Xăng sinh học (hỗn hợp của xăng khoáng và cồn ethanol với các tỷ lệ phối trộn khác nhau) hiện nay được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol thấp (5-10%) thì có thể sử dụng trên động cơ xăng thông thường mà không cần phải thay đổi kết cấu Tuy nhiên đối với các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn cần có những thay đổi kết cấu phù hợp nhằm duy trì và nâng cao tính năng kỹ thuật cũng như độ bền của động cơ [57, 96, 38] Phương tiện có thể sử dụng được xăng sinh học có tỷ

lệ cồn ethanol khác nhau được gọi là phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt-Flexible Fuel Vehicles (FFV) đã được nghiên cứu, phát triển và lưu hành trên thị trường ở một số nước trên thế giới Thông thường xăng sinh học cho phương tiện FFV có tỷ lệ cồn ethanol tới 85% (E85)

Việt Nam có sản lượng sắn lớn nên có tiềm năng về nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu cồn ethanol Tính đến hết năm 2014, tổng diện tích trồng sắn tại Việt Nam đạt 551,1 nghìn héc ta và tổng 10255,3 nghìn tấn, trong khi đó chỉ có chưa tới 5% nguyên liệu sắn được sử dụng để sản xuất ethanol Để phát huy thế mạnh về nguồn nguyên liệu, Chính phủ

đã phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 [25] Lộ trình áp dụng nhiên liệu sinh học cũng đã được ban hành vào cuối năm 2012, theo đó xăng E5 được sử dụng trên toàn quốc vào năm 2015 và xăng E10 vào năm 2017 Tuy nhiên do nhiều yếu tố chủ quan và khách quan nên việc sử dụng xăng sinh học còn gặp nhiều khó khăn làm tăng lượng cồn ethanol dư thừa Do đó, để nâng cao khả năng thay thế của ethanol cho xăng khoáng, cần tăng lượng cồn ethanol trong xăng sinh học

Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn là rất cần thiết Tăng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học sử dụng cho phương tiện đang lưu hành giúp giảm sự phụ

2

thuộc vào nhiên liệu khoáng mà hiện nay phần lớn đang phải nhập khẩu, đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu phát thải gây ô nhiễm môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp vốn là thế mạnh của nước ta

Xuất phát từ những lý do nêu trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% cho động cơ xăng” làm đề tài luận án nghiên cứu sinh của mình

ii Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu và thực hiện giải pháp kỹ thuật chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử

đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% đảm bảo tính năng kỹ thuật của động cơ

- Đánh giá hiệu quả cũng như tác động của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới động cơ xăng đang lưu hành

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của luận án là động cơ Toyota 1NZ-FE được lắp trên xe ô tô Toyota Vios Đây là động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp hiện đang được lưu hành phổ biến tại Việt Nam Nhiên liệu thử nghiệm gồm xăng khoáng RON92 thương phẩm, các hỗn hợp của xăng khoáng RON92 và 30%, 50%, 85% và 100% cồn ethanol về thể tích (tương ứng là các loại xăng sinh học E0, E30, E50, E85 và E100)

- Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong phòng thí nghiệm với ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ từ 1000  6000 vòng/phút, chế độ chuyển tiếp theo chu trình ECE 15 và các chế độ khởi động, tăng tốc

iv Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết

và thực nghiệm, cụ thể như sau:

- Nghiên cứu lý thuyết: tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Ứng dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng 1NZ-FE sử dụng xăng thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn nhằm thực hiện các nhiệm vụ: + Đánh giá diễn biến các quá trình làm việc của động cơ xăng 1NZ-FE khi chuyển sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn;

+ Điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình (gct) sao cho hệ số dư lượng không khí của hỗn hợp khí cháy  = 1 và điều chỉnh góc đánh lửa sớm (s) sao cho công suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn đạt giá trị lớn nhất

- Nghiên cứu thực nghiệm:

+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm đánh giá chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật

và phát thải của động cơ nguyên bản và động cơ được lắp thêm ECU phụ sử dụng xăng thông thường và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn

+ Nghiên cứu hiệu chỉnh lượng nhiên liệu phun, góc đánh lửa sớm và xây dựng bộ thông số chuẩn cho động cơ xăng Toyota 1NZ-FE khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn

3

ethanol lớn bằng phương pháp thực nghiệm trên băng thử động cơ Sau đó thiết kế, chế tạo

và thử nghiệm ECU phụ cho động cơ Toyota 1NZ-FE với bộ thông số góc đánh lửa sớm và lượng phun nhiên liệu đã được tối ưu khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ ethanol tới 100%

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Luận án đã làm rõ được ảnh hưởng của xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới quá trình cháy, tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ phun xăng điện tử

- Luận án xây dựng được bộ thông số chuẩn về lượng nhiên liệu cung cấp và góc đánh lửa phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học và chế độ làm việc của động cơ là cơ

sở cho nghiên cứu chuyển đổi cũng như nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ sử dụng nhiên liệu linh hoạt

- Luận án đưa ra được giải pháp chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng nhiên liệu linh hoạt thực hiện có tính khả thi, cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ

- Kết quả luận án góp phần thúc đẩy việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, giảm phụ thuộc nhiên liệu khoáng, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp tại Việt Nam

vi Tính mới của đề tài

Đề tài là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam thực hiện chuyển đổi thành công động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100% ECU phụ được lắp thêm trên động cơ có khả năng tự động nhận biết tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học, tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình

và góc đánh lửa sớm phù hợp với tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học, đảm bảo tính năng

kỹ thuật của động cơ

vii Các nội dung chính của đề tài

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan

- Chương 2 Cơ sở lý thuyết

- Chương 3 Mô phỏng động cơ phun xăng điện tử khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 100%

- Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

- Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học

1.1.1 Sự cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, mức độ tăng trưởng dân số và quá trình đô thị hóa nhanh chóng khiến nhu cầu về giao thông, vận tải trên toàn thế giới và đặc biệt là tại các nước đang phát triển tăng lên nhanh chóng Số lượng phương tiện vận tải liên tục gia tăng khiến cho nhu cầu sử dụng và tiêu thụ nhiên liệu tương ứng tăng theo Tốc độ tăng trưởng bình quân về lượng nhiên liệu do các phương tiện tiêu thụ trong thời gian từ năm 2000 - 2015 là 2,1% (Hình 1.1a) Để đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu đó, các quốc gia trên thế giới đã tăng cường khai thác sử dụng tất cả các nguồn nhiên liệu hiện có Tuy nhiên, việc gia tăng khai thác, sử dụng nhiên liệu hoá thạch cũng chính là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, làm tăng nguy cơ của hiệu ứng nhà kính, làm cho trái đất nóng dần lên Lượng phát thải khí CO2 do quá trình cháy nhiên liệu từ các phương tiện đã tăng lên 2,2% trong thời gian từ năm 2000  2015 (Hình 1.1b) Ngoài ra, do sự tăng lên nhanh chóng về nhu cầu nhiên liệu khiến nguồn nhiên liệu chính cho các phương tiện là dầu thô trở nên ngày càng cạn kiệt, đây là nguyên nhân khiến cho giá dầu thô trên thị trường thế giới trong thời gian qua biến động không ngừng (Hình 1.2), [47, 93, 94]

a) b)

Để đảm bảo được an

ninh năng lượng, tăng trưởng

kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm

môi trường nhiều quốc gia và

các hãng sản xuất ô tô lớn

trên thế giới trong vài thập kỷ

qua đã đầu tư cho nghiên cứu

và phát triển các loại phương

tiện sử dụng các dạng nhiên

liệu sạch thay thế, trong đó có

nhiên liệu sinh học Hình 1.2: Sự biến động của giá dầu thô trên thị trường

thế giới

5

Tại Việt Nam, trong thời gian qua số lượng phương tiện cơ giới đường bộ đã tăng lên nhanh chóng, giai đoạn 2002 - 2012 tăng 13,59 %, trong đó, ô tô tăng 12,66 % còn mô tô,

xe gắn máy tăng 13,64 % (Hình 1.3) [1] Tính đến thời điểm 15/9/2015, tổng số phương tiện

cơ giới đường bộ đã đăng ký trong cả nước là 46065091 xe (trong đó: ô tô là 2579675 xe;

mô tô là 43485416 xe) [2] Cùng với sự tăng trưởng về số lượng xe cơ giới là sự gia tăng ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ động cơ của các phương tiện này thải ra vào không khí [10,18, 22, 89]

Hình 1.3 Tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ [1]

Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giảm thiểu ô nhiễm không khí do khí thải từ các phương tiện Một trong những giải pháp đó là sử dụng nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo, thân thiện với môi trường và phù hợp với thế mạnh về sản xuất nông nghiệp của Việt Nam Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học nói chung, xăng sinh học nói riêng trên phương tiện giao thông trong giai đoạn hiện nay là điều cần thiết

1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học được sử dụng trên phương tiện

1.1.2.1 Định nghĩa, phân loại

Nhiên liệu sinh học thuộc loại nhiên liệu tái tạo, được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào nhận được từ sinh khối hoặc có nguồn gốc từ động thực vật, bao gồm bioethanol, biodiesel, biogas, ethanol pha trộn (ethanol - blended fuels), dimetyl este sinh học và dầu thực vật [4] Nhiên liệu sinh học (NLSH) được phân thành hai nhóm, nhóm dùng cho động

cơ xăng bao gồm các dạng cồn nhưng phổ biến là bioethanol và nhóm dùng cho động cơ diesel là các este của dầu béo (biodiesel) Cồn ethanol được sản xuất với nguyên liệu là tinh bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật Sau đó ethanol được tách nước và bổ sung các chất phụ gia và chất biến tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu Còn diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ động vật Nhiều nước trên thế giới

đã tiến hành nghiên cứu tận dụng và trồng các loài cây nông, lâm nghiệp làm nguồn nguyên liệu cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học

1.1.2.2 Một số loại nhiên liệu sinh học thường dùng

* Diesel sinh học

Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn

* Khí sinh học (Biogas)

Khí sinh học (biogas) là một loại khí hữu cơ với thành phần chính gồm methane (CH4) chiếm từ 50 - 60%, CO2 chiếm khoảng trên 30% và chất khác như hơi nước N2, O2, H2S, CO…được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ từ 20  40ºC và các đồng đẳng khác Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ trong động cơ đốt trong.Tuy nhiên để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng vì có thể tạo nên hỗn hợp nổ với không khí Khí H2S trong biogas có thể ăn mòn các chi tiết trong động

cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc Ngoài ra hơi nước trong biogas tuy có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kế đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp

và tỷ lệ không khí/nhiên liệu Do đó, hiện nay biogas đã được nghiên cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới và được sử dụng nhiều trong các động cơ đốt trong chạy máy phát điện, tuy nhiên các phương tiện sử dụng biogas hiện vẫn chưa được thương mại hoá [4]

* Xăng sinh học

Xăng sinh học (biogasoline) là loại nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sử dụng phổ biến nhất trên phương tiện hiện nay Chi tiết về xăng sinh học sẽ được trình bày chi tiết ở mục 1.2.2

Ngoài ra còn có một số loại nhiên liệu sinh học khác như: nguyên liệu sinh khối (biomas); Bioether bao gồm sáu loại ether: dimetyl ether (DME), diethyl ether (DEE), methyl teritiary-butyl ether (MTBE), etyl ter-butyl ether (ETBE), ter-amyl methyl ether (TAME), ete ter-amyl ethyl (TAEE); Khí tổng hợp (syngas) cũng đã được nghiên cứu tại nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên hiện vẫn chưa có các phương tiện sử dụng các loại nhiên liệu sinh học này được thương mại hoá [4]

1.2 Nhiên liệu cồn ethanol và xăng sinh học

1.2.1 Nhiên liệu cồn ethanol

Ethanol còn được biết đến với tên gọi là rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn [15] Trong cách gọi thông thường, ethanol thường được gọi một cách đơn giản là rượu Công thức hóa học của ethanol là C2H5OH, hay CH3CH2OH, viết tóm tắt là C2H6O [15]

- Các loại nguyên liệu chứa đường: mía, củ cải đường, thốt nốt…

- Các loại nguyên liệu chứa tinh bột: sắn, ngô, gạo, lúa mạch, lúa mì…

- Các loại nguyên liệu chứa cellulose

Tuy nhiên, tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta chọn loại nguyên liệu có lợi thế nhất để sản xuất nhiên liệu ethanol phù hợp Ở Việt Nam, các nguồn nguyên liệu thích hợp có thể sản xuất nhiên liệu ethanol là mía, sắn, gạo, ngô và rỉ đường Trong đó sắn hiện đang được coi là nguồn nguyên liệu chính

* Phương pháp

Tùy thuộc vào các loại nguyên liệu mà nhiêu liệu ethanol sẽ được sản xuất theo các phương pháp và quy trình khác nhau Tuy nhiên, tổng hợp lại thì có hai phương pháp sản xuất nhiên liệu ethanol được áp dụng phổ biến:

+ Phương pháp hydrat hóa ethylen: Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hydat hóa ethylen trên xúc tác axit, bằng cách cho etylen hợp nước ở 300C

áp suất 70 – 80atm với xúc tác là axit photphoric, phương trình phản ứng hóa học như sau:

H2C = CH2 + H2O → CH3CH2OH + Phương pháp lên men: Mọi sự lên men các đường đến C6 (Ví dụ như: C6H12O6) trong đó chủ yếu là glucose và cenlulozo đều chuyển thành ethanol và khí CO2

Với các loại ngũ cốc thì người ta tách tinh bột, sau đó thuỷ phân bởi các enzymes để thu được đường rồi mới lên men Ở Pháp ethanol được sản xuất từ củ cải đường hay lúa mạch Ở Việt Nam và các nước chủ yếu sử dụng các loại nguyên liệu có nguồn gốc cenlulozo hoặc dạng tinh bột Công nghệ sản xuất

ethanol bằng phương pháp lên men được

thực hiện qua các bước theo quy trình như

sau: Đầu tiên là thuỷ phân tinh bột để thu

được đường; Tiếp sau là lên men đường;

Rồi chưng cất ethanol để thu được ethanol

nguyên chất Có hai giai đoạn chưng cất:

Giai đoạn đầu, thu được loại ethanol 96%;

Giai đoạn sau, khử nước để có ethanol

alhydrid (99,5% tối thiểu, theo khối

lượng) Quy trình sản xuất ethanol từ

cenlulozo được trình bày trong Hình 1.4

cenlulozo [9]

Bảng 1.1 So sánh tính chất nhiên liệu xăng và cồn ethanol

Đặc tính Đơn vị Cồn Ethanol Xăng

* Ưu điểm

- Vì cồn ethanol là hợp chất hydrocacbon có chứa nhiều ô xy nên lượng không khí cần

để đốt cháy hoàn toàn 1kg cồn ethanol là 9kg không khí ít hơn nhiều so với xăng (14,7kg không khí để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu)

- Ethanol có trị số octan cao, tức là khả năng chống kích nổ tốt, do vậy cho phép tăng

tỷ số nén, tăng hiệu suất động cơ

- Trong phân tử cồn ethanol (C2H5OH) có sẵn ô xy tức là phân tử ethanol tự có một phần ô xy để đốt cháy hydro và cacbon Do đó làm cho quá trình đốt cháy nhiên liệu được hoàn toàn hơn và giảm sự phát thải khí CO và HC

- Nhiệt ẩn hóa hơi và áp suất bay hơi của cồn ethanol cao hơn nhiều so với xăng gây

ra khó khăn cho động cơ sử dụng cồn ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần cồn ethanol cao trong việc khởi động xe ở nhiệt độ thấp và trong việc hòa trộn giữa nhiên liệu với không khí

- Hiện tượng azeotrope (đẳng khí) của cồn ethanol với các hydrocacbon nhẹ trong xăng làm cho sự hao hụt do bay hơi tăng

- Khó tách cồn ethanol ra khỏi nước do hiện tượng đồng sôi của cồn ethanol với nước Hàm lượng nước trong nhiên liệu cồn ethanol lớn hơn 1% sẽ tạo ra sự phân lớp khi pha vào xăng Nếu không bảo quản tốt thì một phần nhỏ cồn ethanol bị ô xy hóa thành acid axetic gây ăn mòn động cơ

- Lượng aldehyt trong khí thải ra khỏi động cơ khi sử dụng nhiên liệu cồn ethanol nhiều hơn khi động cơ dùng xăng

- Nhiên liệu cồn ethanol kém an toàn hơn xăng vì nhiệt độ sôi thấp

1.2.2 Xăng sinh học

1.2.2.1 Khái niệm

Xăng sinh học trong tiếng Anh được gọi là gasohol hoặc biogasoline để phân biệt với gasoline (xăng khoáng thông thường), được tạo ra bằng cách phối trộn cồn sinh học ethanol khan với xăng khoáng theo một tỉ lệ nhất định Ngoài ra khi phối trộn để tạo thành xăng sinh học thì hỗn hợp phối trộn còn được bổ sung thêm một hàm lượng nhỏ chất phụ gia và chất biến tính để đảm bảo tính chất nhiên liệu của xăng sinh học Về tính chất của xăng sinh học,

do xăng sinh học là một hỗn hợp của xăng khoáng và cồn ethanol nên tính chất của xăng sinh học phụ thuộc vào tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học Khi tỷ lệ cồn ethanol càng lớn thì tính chất của xăng sinh học càng giống tính chất của cồn ethanol, là một loại nhiên liệu sinh học

Để phối trộn chế tạo xăng sinh học thì có nhiều phương pháp phối trộn khác nhau như: khuấy trộn bằng cơ khí, bằng khí nén (sục khí) hoặc bằng tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng Tùy thuộc vào từng quy mô sản xuất khác nhau để lựa chọn phương pháp phối trộn phù hợp

1.2.2.2 Tính chất của xăng sinh học

Xăng sinh học là hỗn hợp của cồn ethanol và xăng khoáng nên tính chất phụ thuộc vào

tỷ lệ của cồn ethanol trong xăng sinh học Xăng sinh học có những ưu, nhược điểm của cồn ethanol khi so sánh với xăng khoáng Tính chất của xăng sinh học với một số tỷ lệ cồn khác nhau thể hiện ở Bảng 1.2

Tỷ trọng (g/cc)

Tỷ lệ % nước

lệ cồn ethanol tương ứng trong xăng sinh học nên để đánh giá sự gia tăng khối lượng xăng sinh học được sản xuất ra chúng ta có thể xem xét thông qua tổng sản lượng cồn ethanol hàng năm được sản xuất để phối trộn sản xuất xăng sinh học Cụ thể trong giai đoạn từ năm

2007 đến năm 2015, tổng sản lượng cồn ethanol được sản xuất ra trên toàn thế giới đã tăng

từ 13123 (năm 2007) lên 25682 tỷ galon (năm 2015), tăng khoảng 93% [94], cụ thể như Hình 1.5

Hình 1.5 Tổng sản lượng ethanol hàng năm của các quốc gia/vùng lãnh thổ [94]

Đến năm 2015, tổng sản lượng ethanol của toàn thế giới đã đạt 25682 tỷ gallon Hiện nay, ethanol là loại nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sản xuất với sản lượng lớn nhất Trong số các quốc gia trên thế giới thì Mỹ và Brazil là hai quốc gia có sản lượng ethanol

11

được sản xuất lớn nhất, chiếm hơn 83% (Hình 1.6), và chủ yếu lượng ethanol được sản xuất

ra là dùng để pha trộn sản xuất xăng sinh học [16, 94] Tại khu vực Châu Á, Trung Quốc là quốc gia sản xuất ethanol nhiều nhất chiếm tỷ lệ gần 3% của thế giới Còn trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là nước dẫn đầu về sản xuất ethanol chiếm tỷ lệ gần 1% của toàn thế giới Thái Lan hiện cũng sử dụng phần lớn ethanol để pha trộn xăng sinh học (Hình 1.6)

Hình 1.6 Tỷ lệ sản lượng ethanol của các quốc gia/vùng lãnh thổ năm 2015 [94]

Bên cạnh việc tăng cường sản xuất xăng sinh học thì nhiều quốc gia và các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới trong vài thập kỷ qua đã đầu tư cho nghiên cứu và phát triển các loại động cơ cũng như phương tiện mới có khả năng sử dụng có hiệu quả các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn (E85) Trong thời gian qua số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế nói chung cũng như xăng sinh học nói riêng được nghiên cứu phát triển và sản xuất không ngừng được tăng lên Tại Mỹ, số lượng đơn đặt hàng các dòng xe cũng như số lượng xe được sản xuất sử dụng nhiên liệu thay thế nói chung cũng như xăng sinh học nói riêng liên tục được tăng lên qua từng năm (Hình 1.7) [93]

a) Số lượng phương tiện được đặt hàng b) Số lượng phương tiện được sản xuất Hình 1.7 Số lượng phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế được đặt hàng và sản xuất

hàng năm [93]

Qua biểu đồ, chúng ta thấy số lượng phương tiện được đặt hàng và sản xuất sử dụng nhiên liệu linh hoạt có tỷ lệ cồn ethanol lớn E85 chiếm tỷ lệ lớn nhất, đặc biệt là với số lượng phương tiện được sản xuất ra hàng năm thì số lượng phương tiện này chiếm tỷ lệ chủ yếu

12

(>90%) Điều này cho thấy mức độ ứng dụng rộng rãi của xăng sinh học trên phương tiện

so với các loại nhiên liệu sinh học cũng như các loại nhiên liệu thay thế khác

Hiện nay, tính đến giữa năm 2015 thì trên thế giới có khoảng 48 triệu phương tiện (ô

tô, xe máy và xe tải hạng nhẹ) sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn lớn đã được sản xuất và bán ra, tập trung vào bốn thị trường lớn bao gồm: Brazil (29,5 triệu chiếc), Hoa Kỳ (17,4 triệu chiếc), Canada (hơn 600000 chiếc) và Thụy Điển (243100 chiếc) [58, 93]

Tại khu vực Đông nam Á, Thái Lan là nước dẫn đầu trong việc nghiên cứu và sử dụng xăng sinh học Ðến năm 2006, thị trường Thái Lan đã dùng xăng pha 10% ethanol Trên cơ

sở đó, khi khủng hoảng giá nhiên liệu thế giới bùng nổ vào năm 2008, Thái Lan đã có thể chuyển sang dùng xăng pha 20% ethanol (E20) và giới thiệu xăng E85 (pha 85% ethanol) Đến năm 2013, nhiên liệu ethanol chiếm 9% lượng tiêu thụ nhiên liệu trong lĩnh vực giao thông vận tải của Thái Lan, lên tới 2,53 triệu lít/ngày Hãng hàng không Thái (Thai Airways) trở thành hãng hàng không đầu tiên ở châu Á thực hiện chuyến bay thương mại bằng xăng sinh học vào năm 2011 [4, 93]

1.2.3.2 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nhiên liệu cồn ethanol chủ yếu được sản xuất từ sắn Sắn hiện đang là cây lương thực quan trọng đứng hàng thứ ba sau lúa và ngô Cây sắn hiện nay đã chuyển đổi vai trò từ cây lương thực thực phẩm thành cây công nghiệp hàng hóa có lợi thế cạnh tranh cao Sản xuất sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ nông dân nghèo do sắn dễ trồng,

ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ Giai đoạn từ năm

2001 - 2011, tốc độ tăng trưởng diện tích bình quân trồng sắn hàng năm là 6% và tốc độ tăng trưởng tổng sản lượng sắn bình quân hàng năm đạt 10% (Hình 1.8) Hiện nay chủ yếu sắn sản xuất tại Việt Nam được xuất khẩu và Việt Nam là một trong mười nước xuất khẩu sắn lớn nhất thế giới [4]

Nguồn: Tổng cục Thống kê 2012 Hình 1.8 Diện tích và sản lượng sắn tại Việt Nam giai đoạn 2001-2011 [4]

Việt Nam cũng đã có quy định bắt buộc về việc sử dụng xăng sinh học trên phương tiện, đó là Quyết định số 53/2012/QĐ-TTg ngày 22/11/2012 của Thủ tướng Chính phủ về việc ban hành lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống, trong đó quy định rõ lộ trình sản xuất, phối chế, kinh doanh để sử dụng cho phương tiện cơ

13

giới đường bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E5 từ ngày 1/12/2016 và xăng E10 từ ngày 1/12/2017 [26] Tuy có sự chậm trễ nhưng đến ngày 1/01/2018, xăng E5 đã chính thức được sử dụng đại trà trên toàn quốc, thay thế hoàn toàn xăng RON 92

Hiện tại, tại Việt Nam có 07 nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500 triệu USD, với công suất thiết kế 600000m3/năm, tập trung chủ yếu tại miền Trung - Tây Nguyên và miền Nam Hiện tại, chỉ có 04/07 Nhà máy có khả năng sản xuất được E100 Nếu 04 Nhà máy này hoạt động đạt 80% công suất thiết kế sẽ cung cấp ra thị trường 320000m3 E100/năm,

dư đủ cho nhu cầu pha xăng E5 - E10 theo lộ trình đã quy định của Chính phủ Hầu hết các nhà máy có công suất lớn mới được xây dựng đều sử dụng sắn (khô hoặc tươi) làm nguyên liệu để sản xuất ethanol Thiết bị của các nhà máy được xây dựng sau năm 2007, đều được đầu tư thiết bị mới 100%, xuất xứ Châu Á và G7, trình độ tự động hóa đạt trên 85% Tuy nhiên các nhà máy khi hoạt động hết công suất mới chỉ tiêu thụ hết hơn 1 triệu tấn sắn lát, chưa hết 10% tổng sản lượng sắn được sản xuất ra Do đó, tiềm năng để sản xuất ethanol ở Việt Nam trong thời gian tới vẫn còn rất lớn [4]

1.3 Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng

Đến nay từ những nước phát triển đến những nước đang phát triển đều đã có nhiều công trình nghiên cứu về sử dụng xăng sinh học trên động cơ xăng do các lợi ích và tiềm năng khi thay thế xăng thông thường cao hơn so với các dạng nhiên liệu thay thế khác Các nghiên cứu đó tập trung theo ba hướng chính, bao gồm:

+ Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng truyền thống

+ Chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học + Thiết kế, chế tạo động cơ mới chuyên dụng cho phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt (FFV)

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới

1.3.1.1 Đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học trên động cơ xăng

Đây là hướng nghiên cứu phổ biến nhất trên thế giới và là hướng nghiên cứu được thực hiện đầu tiên khi muốn sử dụng xăng sinh học trên động cơ xăng thông thường Các nghiên cứu này nhằm đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học tới tới tính năng kinh tế, kỹ thuật, phát thải và độ bền của động cơ [30, 31, 32, 40, 41, 44, 45] để qua đó xem xét tính khả thi của việc sử dụng xăng sinh học trên động cơ xăng Ngoài ra kết quả của các nghiên cứu này còn

là cơ sở cho những nghiên cứu về điều chỉnh động cơ xăng thông thường cũng như phát triển các loại động cơ mới chuyên dụng cho xăng sinh học Cụ thể một số nghiên cứu như sau: Nghiên cứu của M Al-Hasan [77] trên động cơ xăng 4 kỳ, 4 xy lanh, đánh lửa cưỡng bức, tỷ số nén 9:1, công suất tối đa 52kW tại 5600v/ph (động cơ Toyota – Tercel – 3A) tại các tốc độ động cơ từ 1000v/ph đến 4000v/ph với xăng sinh học có tỷ lệ cồn từ 0% đến 25% cho thấy, khi tăng tỷ lệ ethanol từ 0% đến 20% hệ số dư lượng không khí giảm dần, sau đó với tỷ lệ ethanol lớn hơn từ 20% trở lên thì hệ số dư lượng không khí dần tăng lên do hỗn hợp có xu hướng nhạt dần (Hình 1.9a) Trong khi đó, hệ số nạp của động cơ có xu hướng

14

biến thiên đối lập với hệ số dư lượng không khí tương đương 1/ (Hình 1.9b) Điều này gây

ra bởi hai nguyên nhân: lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy hết 1 đơn vị khối lượng xăng sinh học giảm và lượng ô xy nạp vào trong xy lanh động cơ tăng vì ngoài lượng

ô xy trong không khí nạp còn có sẵn một lượng ô xy chứa sẵn trong xăng sinh học

cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% thì việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào động cơ là điều cần thiết để đảm bảo mô men động cơ không bị sụt giảm quá lớn do hỗn hợp cháy quá nhạt

a) Mô men b) Suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 1.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ ethanol tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu tại các tốc

do hỗn hợp cháy nhạt dần do lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ không đủ Do đó khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% cần phải điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo mô men động cơ không bị sụt giảm

Trong nghiên cứu của Vilnis Pirs và các cộng sự [112] tiến hành thử nghiệm trên ô tô

VW Passat trang bị động cơ xăng 4 kỳ, đánh lửa cưỡng bức, 4 xy lanh, dung tích 1781cc, công suất cực đại đạt 92kW tại tốc độ động cơ 5800v/ph trang bị hệ thống nhiên liệu Bosch Motronic M3.8.2 và cảm biến lambda hoạt động ở chế độ chế độ điều khiển kín (closed loop control) Ô tô được tiến hành thí nghiệm trên bệ thử ô tô với xăng thông thường A95 và các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E40, E50, E85 Kết quả thử nghiệm cho thấy khi động cơ chạy ở tốc độ thấp, tỷ lệ cồn ethanol trong nhiên liệu tăng lên thì mô men, công suất của động cơ giảm xuống thấp hơn so với khi dùng xăng Tuy nhiên khi động cơ chạy ở tốc độ trung bình và tốc độ cao, tỷ lệ cồn ethanol tăng lên thì mô men, công suất của động cơ lại cao hơn khi động cơ chạy xăng Mô men trung bình tăng lên đối với xăng E10, E20, E50, E85 là 3,20%, 2,90%, 1,47%, 0,64% và giảm xuống với E30, E100 là 1,96% và 0,43% Sự thay đổi mô men trung bình giữa động cơ khi chạy xăng thông thường và xăng sinh học nhỏ, chỉ dưới 5% (Hình 1.12)

a) Mô men b) Mô men lớn nhất và trung bình

Hình 1.12 Thay đổi mô men của động cơ và khi sử dụng các loại xăng sinh học

Mặc dù nhiệt trị nhiên liệu xăng sinh học nhỏ hơn xăng khoáng, tuy nhiên trường hợp này hệ thống điều khiển vòng kín với khả năng điều chỉnh rộng đã tự động tăng lượng nhiên

16

liệu phun đáng kể để đảm bảo duy trì hệ số dư lượng không khí lambda bằng 1 Điều này cũng dẫn tới suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tăng đáng kể (Hình 1.13a) Lượng nhiên liệu khi động cơ sử dụng xăng sinh học E10, E20, E30, E40, E50, E85 tăng lên tương ứng

là 5%, 9%, 12%, 15%, 21% và 31% so với khi dùng xăng thông thường A95, cụ thể trong Hình 1.13b [112]

17

Thí nghiệm đã cho thấy khi động cơ ô tô chạy ở chế độ điều khiển kín để đảm bảo hệ

số dư lượng không khí =1 thì mô men, công suất động cơ ô tô khi sử dụng xăng sinh học

và xăng thông thường sẽ không có nhiều biến đổi Do đó, khi chuyển từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học thì một yêu cầu cần thiết phải thực hiện là đảm bảo hệ số dư lượng không khí  = 1

Trong một nghiên cứu khác của Luigi De Simio và các cộng sự [76] thực hiện trên một động cơ xăng 4 kỳ, đánh lửa cưỡng bức, 4 xy lanh, dung tích 1596cm3, tỷ số nén 10,5:1, công suất tối đa 76kW tại 5750v/ph, sử dụng bộ xúc tác ba thành phần Động cơ khi thí nghiệm được điều khiển bởi bộ điều khiển Magneti Marelli Helios với các loại xăng sinh học E0, E10, E20, E30, E85 tại các tốc độ động cơ từ 1750 đến 3000v/ph với các chế độ tải trọng 20, 50, 80Nm và chạy ở chế độ điều khiển kín (closed loop control) Kết quả thử nghiệm cho thấy khi động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn thì lượng nhiên liệu cấp cho động cơ cũng được điều chỉnh tăng lên tương ứng với sự gia tăng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học (Hình 1.15a) Nguyên nhân lượng nhiên liệu cung cấp tăng là

do động cơ chạy ở chế độ điều khiển kín thì ECU sẽ đối chiếu nồng độ ôxy trong khí xả để luôn duy trì trạng thái cháy đủ không khí/nhiên liệu (tương đương với việc giữ hệ số dư lượng không khí  = 1) Đồng thời khi tăng của lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo hệ số

dư lượng không khí  = 1 thì hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng tăng lên 3÷10% so với khi sử dụng xăng thông thường và khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên thì hiệu suất nhiệt trung bình của động cơ tăng lên tương ứng (Hình 1.15b)

a) Lượng nhiên liệu cung cấp b) Hiệu suất nhiệt của động cơ

Hình 1.15: Sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp và hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường

Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy lượng phát thải CO và NOx giảm xuống tương ứng khi tỷ lệ cồn ethanol trong các loại xăng sinh học tăng lên (Hình 1.16) Trong đó đặc biệt với động cơ khi sử dụng xăng sinh học E85 thì lượng phát thải HC giảm gần 30% và lượng phát thải NOx giảm 18% so với khi sử dụng xăng thông thường Kết quả thí nghiệm đã cho thấy khi động cơ sử dụng xăng sinh học thì cần phải thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ Khi lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ được tăng lên thì hiệu suất nhiệt của động cơ cũng tương ứng được tăng lên Do đó, khi động cơ chuyển đổi sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn thì cần thiết phải điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo hệ số dư lượng không khí  = 1

18

a) Phát thái HC b) Phát thải NO x

học E10, E20, E30, E85 so với khi sử dụng xăng thông thường

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm và thời gian phun nhiên liệu tới quá trình làm việc của động cơ xăng khi sử dụng xăng sinh học được thực hiện bởi S Phuangwongtrakul và các cộng sự [100] trên động cơ Toyota 3ZZ-FE dung tích 1600cc với lượng nhiên liệu cung cấp được điều chỉnh từ 185cc/phút đến 365cc/phút Quá trình đánh lửa sớm và thời gian phun nhiên liệu trên động cơ được điều khiển bằng bộ điều khiển điện tử Haltech E11-V2 Động cơ được thử nghiệm với các loại xăng sinh học E10 E20, E30, E40, E50, E60, E70, E85 và E100 ở tốc độ động cơ từ 2000 - 5000 v/ph và độ mở bướm ga

là 6, 9, 13, 16, 19, 22 và 26% Kết quả thí nghiệm đã tính toán ra được góc đánh lửa sớm tối

ưu để mô men của động cơ đạt giá trị cực đại bằng cách điều chỉnh lượng phun nhiên liệu cung cấp đảm bảo hệ số dư lượng không khí   1 sau đó điều chỉnh góc đánh lửa sớm để

mô men động cơ đạt cực đại Đối với động cơ khi sử dụng xăng sinh học E85 mô men đạt cực đại là 23,46 Nm tại vị trí bướm ga mở 26% và góc đánh lửa sớm là 38º trục khuỷu trước ĐCT (Hình 1.17a) Ngoài ra kết quả thí nghiệm cũng cho thấy do chỉ số octan của xăng sinh học lớn hơn xăng thông thường nên động cơ khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn không xảy ra hiện tượng kích nổ Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tương ứng tăng lên khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tăng lên, cụ thể với xăng sinh học E100 suất tiêu hao nhiên liệu là 661,94g/kWh cao hơn 26,65% so với xăng E10 (Hình 1.17b) Nguyên nhân của sự gia tăng này là do nhiệt trị của cồn ethanol thấp hơn so với xăng thông thường

a) Mô men b) Suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 1.17 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm tới mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của

động cơ khi sử dụng các loại xăng sinh học tại tốc độ động cơ 5000v/ph

19

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy hướng chuyển đổi động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% là điều chỉnh lượng phun nhiên liệu để hệ số dư lượng không khí   1 và điều chỉnh góc đánh lửa sớm của động

cơ để mô men (công suất) động cơ đạt cực đại

Một thí nghiệm khác được thực hiện bởi Koichi Nakata và các cộng sự [73] tại hãng Toyota trên động cơ Toyota 1NZ-FE sau khi điều chỉnh kết cấu piston để nâng tỷ số nén của động cơ từ 10,5:1 lên 13:1 với hai loại xăng thông thường RON92, RON100 và các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% nhằm xác định ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt và góc đánh lửa tối

ưu của động cơ Thí nghiệm được tiến hành với động cơ ở chế độ tải bộ phận (BMEP 0,2MPa) và bướm ga mở hoàn toàn (WOT), động cơ được điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp để đảm bảo hệ số dư lượng không khí  = 1 và điều chỉnh góc đánh lửa sớm tối ưu Kết quả thí nghiệm đã cho thấy tại tốc độ động cơ 2800v/ph mô men của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E100 tăng 20% so với khi sử dụng xăng RON92 và tăng 5% so với khi sử dụng xăng RON100 Nguyên nhân của sự gia tăng công suất này là do khả năng nâng cao góc đánh lửa sớm của động cơ khi sử dụng xăng sinh học lên cao hơn so với khi sử dụng xăng thông thường Có hai nguyên nhân là do khả năng chống kích nổ của xăng sinh học cao hơn so với xăng thông thường và nhiệt độ hỗn hợp khí cháy của xăng sinh học giảm thấp hơn xăng thông thường trong quá trình nén do cồn ethanol có nhiệt ẩn hóa hơi và áp suất bay hơi cao hơn so với xăng Đối với động cơ khi sử dụng xăng sinh học E100 việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm giúp mô men động cơ đạt cực đại tăng hơn 20% tuy nhiên vẫn chưa xảy ra hiện tượng kích nổ Điều này cho thấy xăng sinh học E100 còn có thể tăng tỷ số nén lên cao hơn nữa và thông qua đó sẽ có khả năng nâng cao mô men động cơ Thử nghiệm cũng đã chỉ ra việc xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn làm giảm hệ số nạp của động cơ, như với xăng sinh học E100 hệ số nạp giảm 2% Nguyên nhân là do tỷ số không khí/nhiên liệu chuẩn của cồn ethanol là 9 thấp hơn so với xăng (14,7) nên cần phải cung cấp nhiều lượng khí nạp hơn Nghiên cứu cũng chỉ ra hiệu suất nhiệt của động cơ khi sử dụng xăng sinh học E100 cao hơn khi sử dụng xăng thông thường RON92 do khả năng chống kích nổ của E100 cao hơn so với RON92 (cụ thể các kết quả trong Hình 1.18)

a) Mô men b) Suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất nhiệt Hình 1.18 Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới mô men, suất tiêu hao

nhiên liệu và hiệu suất nhiệt của động cơ tại tốc độ động cơ 2800v/ph

20

Nghiên cứu cũng đã chứng minh được tại tất cả các tốc độ của động cơ, mô men và góc đánh lửa sớm trong động cơ sau khi được điều chỉnh khi sử dụng xăng sinh học đều cao hơn khi sử dụng xăng thông thường RON92 Kết quả này đã làm rõ được hiệu quả của việc sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn trên động cơ xăng khi được điều chỉnh tỷ số nén, lượng nhiên liệu cung cấp và tối ưu góc đánh lửa sớm thì mô men động cơ sẽ cao hơn nhiều so với khi sử dụng xăng thông thường và khi tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học càng lớn thì mô men động cơ càng tăng cao tương ứng (Hình 1.19)

Hình 1.19 Ảnh hưởng của tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học tới tính năng động cơ tại

Các thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng đã chỉ ra rằng khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn thì cần phải có sự điều chỉnh để động cơ làm việc hiệu quả hơn và tùy thuộc vào từng tỷ lệ cồn ethanol trong xăng sinh học mà có sự điều chỉnh tương ứng Hiện nay trên thế giới xăng sinh học được phân loại theo tỷ lệ cồn, tuy nhiên các nhà nghiên cứu vẫn chưa thống nhất về các khái niệm cao/lớn, thấp/nhỏ trong xăng sinh học Do đó, để thuận tiện trong quá trình nghiên cứu luận án thì trong phạm vi nghiên cứu của luận án NCS chia xăng sinh học thành hai nhóm, bao gồm: xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol thấp/nhỏ là các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol nhỏ hơn 20% (là các loại xăng sinh học mà các loại động

cơ đang lưu hành không phải hoặc cần rất ít sự điều chỉnh để làm việc có hiệu quả) [40, 46,

56, 57] và xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol cao/lớn là các loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn hơn hoặc bằng 20% (là các loại xăng sinh học mà các loại động cơ đang lưu hành bắt buộc hoặc nên điều chỉnh để hoạt động được hoặc hoạt động có hiệu quả) [58, 59]

1.3.1.2 Chuyển đổi từ động cơ sử dụng xăng thông thường sang động cơ sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn

Bên cạnh các nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của xăng sinh học đến động cơ xăng truyền thống thì trên thế giới cũng đã có nhiều nghiên cứu về chuyển đổi từ động cơ xăng thông thường sang động cơ sử dụng xăng sinh học Cụ thể một số nghiên cứu như sau:

21

Keat B Drane và các cộng sự trong nhóm nghiên cứu thuộc tạp chí Mother Earth [70]

đã tiến hành chuyển đổi động cơ xe 1969 Dodge Dart sử dụng bộ chế hòa khí sang sử dụng cồn ethanol Nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh các chi tiết của động cơ sau:

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu: được lắp thêm bình chứa cồn, van chữ T cũng như điều chỉnh lại hệ thống đường ống dẫn nhiên liệu cho phù hợp để có thể chuyển đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu sang hai chế độ là dùng xăng và dùng cồn ethanol

- Bộ chế hòa khí: tiết diện gic lơ được mở rộng lên 40% để tăng lượng cung cấp nhiên liệu, tăng 10% khối lượng phao xăng để cân bằng khối lượng vì khối lượng riêng của xăng sinh học lớn hơn xăng

- Hệ thống đánh lửa: tăng góc đánh lửa sớm về 24 trước ĐCT và sử dụng bugi có số cao hơn (có dải nhiệt nóng hơn)

Nhóm nghiên cứu cũng đưa ra giải pháp để chống lại hiện tượng khởi động lạnh khi nhiệt độ ngoài trời xuống thấp bằng cách dùng xăng chạy trước làm ấm máy sau đó mới chạy cồn ethanol hoặc sử dụng khởi động bằng tay làm ấm máy trước

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng khi sử dụng xăng sinh học với tỷ lệ cồn ethanol lớn tới 100% thì cần thiết phải điều chỉnh về mặt kỹ thuật của động cơ đặc biệt là trong hệ thống cung cấp nhiên liệu và hệ thống đánh lửa Ngoài ra, động cơ được điều chỉnh sẽ nâng cao được tính năng kỹ thuật cũng như làm giảm lượng phát thải Tuy nhiên với giải pháp điều chỉnh bộ chế hòa khí như trên, sau khi điều chỉnh động cơ chỉ hoạt động với một loại xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol xác định Khi thay đổi tỷ lệ ethanol cần thực hiện điều chỉnh lại bộ chế hòa khí, hệ thống không tự động điều chỉnh được

Randy Price và các cộng sự [92] đã thực hiện nghiên cứu chuyển đổi động cơ ô tô

2008 Chevrolet Impala từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol tới 85% (E85) với bộ chuyển đổi U.S Ethanol Conversion Kits (Hình 1.20)

Hình 1.20 Bộ chuyển đổi U.S Ethanol Conversion Kits

Bộ chuyển đổi Conversion Kits bao gồm hai bộ phận chính là cảm biến nồng độ cồn ethanol trong nhiên liệu và bộ ECU phụ điều chỉnh lại quá trình phun nhiên liệu Bộ chuyển đổi được kết nối trực tiếp đến vòi phun Kết quả nghiên cứu đã chuyển đổi được động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng được xăng sinh học E85 Tuy nhiên do bộ chuyển đổi chỉ có khả năng điều chỉnh được duy nhất lượng phun nhiên liệu nên công suất động cơ khi chuyển đổi không đạt được giá trị cao nhất Nghiên cứu chuyển đổi cũng chỉ ra cần thiết

22

phải điều chỉnh lại hệ thống đánh lửa của động cơ để động cơ có thể khởi động được trong điều kiện khởi động lạnh vì nhiệt độ tại Hoa Kỳ vào mùa đông xuống rất thấp gây khó khăn cho việc khởi động của ô tô khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn do nhiệt ẩn hóa hơi và áp suất hơi bão hòa của cồn cao hơn nhiều so với xăng Do đó với các vùng có nhiệt độ thấp cần phải sấy nóng động cơ trước khi sử dụng xăng sinh học

Benjamin Strader [36] và J R Crosby [63] đã thực hiện các nghiên cứu khác nhau về việc chuyển đổi từ động cơ phun xăng điện tử đa điểm, trên đường nạp sang phương tiện sử dụng nhiên liệu linh hoạt với tỷ lệ cồn ethanol tới E85 Cả hai nghiên cứu này đều chỉ ra khi chuyển đổi động cơ sang sử dụng xăng sinh học thì việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm và lượng phun nhiên liệu được thực hiện thông qua việc xây dựng một bộ dữ liệu điều khiển mới cho hệ thống điều khiển của động cơ Các nghiên cứu đã xây dựng được bộ thông số điều chỉnh lượng phun nhiên liệu phù hợp cho động cơ khi sử dụng E85 (theo tốc độ động

cơ và áp suất cửa nạp được đo thông qua cảm biến áp suất nạp) (Hình 1.21) và góc đánh lửa sớm tối ưu cho động cơ khi sử dụng xăng sinh học E85 (Hình 1.22) Bộ dữ liệu lượng phun nhiên liệu và góc đánh lửa sớm này sau khi hiệu chỉnh được nạp trực tiếp vào ECU điều khiển của ô tô để điều chỉnh lại động cơ khi sử dụng xăng sinh học E85

Hình 1.21 Lượng phun nhiên liệu được điều chỉnh cho E85

Hình 1.22 Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh cho E85

Phương pháp điều chỉnh này có một nhược điểm là động cơ khi đó chỉ được tối ưu để sử dụng xăng sinh học E85 còn khi muốn sử dụng xăng thông thường thì động cơ cần phải nạp lại bộ thông số chuẩn mới phù hợp với xăng thông thường

Tại khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là một trong những nước dẫn đầu trong việc nghiên cứu sử dụng và chuyển đổi động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học Tại Thái Lan, hiện đã có những bộ chuyển đổi hỗ trợ cho động cơ từ sử dụng xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học cũng được thương mại hóa Tuy nhiên thường các bộ chuyển đổi ở đây là các bộ chuyển đổi phù hợp với từng loại xăng sinh học nhất định,