Xem mẫu
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(128).2018
61
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG SINH HỌC E15 TRÊN
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
ASSESSMENT OF THE POSSIBILITY OF E15 BIOFUELGASOLINE FUEL USE IN
COMBUSTION ENGINES
Bùi Văn Tấn1, Nguyễn Việt Hải2
1
Trung tâm đăng kiểm xe cơ giới Đà Nẵng; vantan4301s@gmail.com
2
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nvhai@dut.udn.vn
Tóm tắt - Trong những năm gần đây, con người đã phải đối mặt
với ô nhiễm từ lượng khí thải động cơ đốt trong và đã trở thành
một vấn đề môi trường nghiêm trọng trên thế giới. Xăng sinh học
là một trong những nhiên liệu sinh học được tái tạo, thay thế và
thân thiện với môi trường đầy hứa hẹn có thể được sử dụng trong
động cơ đốt trong với rất ít hoặc không có thay đổi trong động cơ.
Bài báo này, trình bày nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy đã
được thực hiện trên động cơ Daewoo A16DMS chạy xăng sinh học
với điều kiện trạng thái hoạt động ổn định. Trong nghiên cứu này,
công suất động cơ và mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể được đo
lường. Động cơ sử dụng xăng sinh học E15 với góc đánh lửa tối
ưu 4,20 4,60 công suất động cơ tăng 4,53% đến 7,50% ở tốc độ
trung bình 2500 vòng/phút ứng với mức tải là 50% và 90%. Công
suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học E15 vẫn thấp hơn so với
động cơ nguyên thủy theo thiết kế.
Abstract - In recent years, humans have faced pollutant emissions
from general vehicle engines which become a serious
environmental problem in the world. Bio-fuel is one of the promising
renewable, alternative and environmentally friendly biofuels that
can be used in diesel engines with little or no modification in the
engine. In the present study, an experimental investigation has
been carried out into the combustion and performance
characteristics of a Daewoo A16DMS engine running with bio-fuel
under steady operation conditions. In this study, engine power and
specific fuel consumption are measured. The E15 petrol engine
with an optimum ignition angle of 4,20 4,60 ncreases the engine
power by 4,53% to 7,50% at an average speed of 2500 rpm for
50% and 90% loads. The engine power of using bio-fule E15 is still
lower than that of the original engine designed.
Từ khóa - xăng sinh học; E15; Ethanol; xăng E15; nhiên liệu sinh
học.
Key words - Bio-fuel; E15; Ethanol; E15 gasoline; Biofuels.
1. Giới thiệu
Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi
trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ và ô
tô. Cùng với việc hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt
trong để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu
và ô nhiễm môi trường thì các dự án, các chương trình
nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và sử dụng
hiệu quả nguồn năng lượng này. Trong các nguồn nhiên liệu
thay thế thì nhiên liệu sinh học được quan tâm hàng đầu đặc
biệt là ethanol và buthanol với sản lượng lớn, sản xuất với
giá thành tương đối thấp và phân bố rộng khắp các quốc gia.
Thời gian gần đây, rất nhiều đề tài nghiên cứu về loại nhiên
liệu này, tuy nhiên chủ yếu tập trung sử dụng xăng thương
mại RON95 có chỉ số octane cao để phối trộn với ethanol
hay butanol mà ít đề cập đến việc sử dụng xăng RON92 và
ảnh hưởng của chất lượng loại nhiên liệu sinh học này đến
tính năng sử dụng trên các loại động cơ xăng đời mới.
Xăng pha ethanol đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước
trên thế giới với tỉ lệ pha chế khác nhau. Theo qui định của
Chính phủ Việt Nam, xăng pha 5% thể tích ethanol (gọi là
xăng E5) được sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ ngày
1/12/2015. Ethanol là hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng
đẳng của cồn etylic, có số octane cao hơn so với xăng. Do đó
Ethanol có thể được sử dụng để nâng cao trị số octane của
nhiên liệu nhằm cải thiện hiệu quả của quá trình cháy trong
động cơ đốt trong [1], [5]. Mustafa Koc [6], nghiên cứu ảnh
hưởng của xăng pha ethanol E50, E85 đến tính năng động cơ,
mức độ phát ô nhiễm ở tỷ số nén 10 và 11 và tốc độ động cơ
biến thiên từ 1500 đến 5000 vòng/phút cho thấy, khi pha
ethanol vào xăng momen động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng,
nhưng mức độ phát thải ô nhiễm giảm. Nghiên cứu này cũng
cho thấy, xăng pha ethanol cho phép tăng tỷ số nén động cơ
mà không xảy ra kích nổ. Do nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol và
nhiệt độ bốc cháy của ethanol cao hơn xăng nên thời gian cháy
trễ của ethanol bị kéo dài. Vì vậy, để tăng hiệu quả động cơ sử
dụng xăng pha ethanol chúng ta cần tăng góc đánh lửa sớm
của động cơ theo hàm lượng ethanol [1], [5], [6]. Richie
Daniel [3], nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc đánh
lửa sớm đến tính năng động cơ sử dụng xăng pha ethanol, cho
thấy ở tốc độ 1500 vòng/phút, góc đánh lửa sớm động cơ sử
dụng xăng khoảng 7-8, trong khi đó góc đánh lửa sớm của
ethanol khoảng 22. Phuangwongtrakul [4] thử nghiệm xăng
pha cồn với thành phần khác nhau, cho thấy momen lớn nhất
khi động cơ chạy ở 5000 vòng/phút đạt được với góc đánh lửa
sớm là 30, 35 và 40 ứng với xăng E10, E30 và E85 [4].
Mặc khác Thủ tướng Chính phủ Việt Nam cũng đã có
Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007 về việc
phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm
2015, tầm nhìn đến năm 2025”. Theo đó lộ trình áp dụng
từ ngày 1/12/2014, xăng sinh học E5 (với mức hòa trộn là
5%) sẽ được sản xuất để sử dụng cho phương tiện cơ giới
đường bộ tại 7 địa phương: Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải
Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa - Vũng
Tàu và sẽ chính thức sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ
1/12/2015. Xăng sinh học E10 (với mức hòa trộn là 10%)
sẽ được sản xuất để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường
bộ tiêu thụ trên toàn quốc từ ngày 01/12/2017.
Thế giới vẫn còn tranh luận về mức độ ethanol trong
xăng có thể ảnh hưởng đến các vật liệu trong xe và gây mòn
quá nhiều các bộ phận trong hệ thống nhiên liệu động cơ.
Tuy nhiên, tại Mỹ các nhà sản xuất xe hơi đã đồng ý rằng
việc sử dụng xăng lên đến 10% ethanol sẽ không ảnh hưởng
đến vận hành các loại xe của họ [1], [2], [7]. Bên cạnh đó
xăng sinh học hàm lượng cao hơn 10%, hiện nay chưa có
Bùi Văn Tấn, Nguyễn Việt Hải
62
nhiều nghiên cứu xác thực cũng như lộ trình áp dụng. Với
hơn 214 nghiên cứu về hòa trộn ethanol vào xăng ở nhiều
khía cạnh khác nhau đã chỉ rằng, với hàm lượng ethanol hòa
trộn biến động trong một mức hẹp từ 1416% thì thành phần
ethanol lý thuyết (danh nghĩa) là 15% [1], [7].
2. Nghiên cứu thực nghiệm
2.1. Chất lượng E15 làm nhiên liệu động cơ
Theo kết quả đánh giá, ảnh hưởng của hàm lượng
ethanol đến đường cong chưng cất thì khi tăng hàm lượng
cồn tuyệt đối từ 10% lên 20%, nhiệt độ sôi tại các điểm sôi
T40 Và T50 sụt giảm mạnh đặt biệt là điểm sôi T 50 nhiệt độ
giảm đi 300C so với T50 ứng với hàm lượng cồn 10% thể
tích. Nguy cơ hình thành các nút hơi hệ thống nhiên liệu là
rất lớn, đây chính là rào cản kỹ thuật, nâng cao hàm lượng
ethanol trong xăng khó trở thành hiện thực nếu như không
có sự cải tạo lớn nào về kết cấu động cơ.
Do nhiều đặc tính của ethanol có thể gây ra ăn mòn kim
loại hoặc làm hư hại các chi tiết cao su, nhựa có trong động
cơ nên không thể dùng trực tiếp để thay cho xăng dầu được
mà phải hoán cải một số chi tiết của động cơ. Đối với các
loại động cơ ô tô, xe máy thông dụng chỉ được phép sử
dụng xăng pha ethanol với hàm lượng ethanol tối đa là 10%
thể tích (tiêu chuẩn ASTM D 4806, EN228:2008...). Với
hàm lượng 15% hiện chưa có đánh giá tổng quan và số liệu
đầy đủ về hao mòn này.
Rõ ràng tồn chứa gasohol luôn có sự tách pha xảy ra
khi hàm lượng nước trong xăng quá cao. Đối với nhiên liệu
xăng thông thường (không chứa oxy) hiện tượng tách pha
xảy ra khi xăng chỉ cần hấp thụ một lượng nhỏ nước; nhưng
đối với nhiên liệu xăng pha ethanol có thể hấp thụ một
lượng nước đáng kể mà không xảy hiện tượng tách pha.
Tuỳ thuộc vào nhiệt độ lưu kho, lượng nước có thể được
hấp thụ trong nhiên liệu gasohol nhỏ hơn 1% thể tích (tiêu
chuẩn ASTM D 4806) mà không xảy ra hiện tượng tách
pha trong bồn chứa. Xăng E15 đáp ứng được yêu cầu này.
2.2. Tính chất cơ bản của nhiên liệu xăng RON92 và
xăng E15
Việc phân tích thành phần các tính chất lý hóa của nhiên
liệu dùng làm thực nghiệm được thực nghiệm tại phòng thử
nghiệm xăng dầu thuộc Công ty Xăng dầu khu vực V.
Bảng 1. Chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu RON92, E15
sử dụng trong thực nghiệm
TT
Chỉ tiêu lý hóa
ĐVT
RON92
E15
Kg/l
0,755
0,7322
92
96,3
Hàm lượng chì
g/l
480
7
Ăn mòn đồng 3h, 500C
1a
1a
8
kPa
57,5
72,9
10
Áp suất hơi bão hòa
Thành phần cất
- Nhiệt độ sôi đầu
- Nhiệt độ sôi 10%
- Nhiệt độ sôi 50%
- Nhiệt độ sôi 90%
- Nhiệt độ sôi 95%
- Nhiệt độ sôi cuối
- Cặn
Hàm lượng Benzen
% thể tích
38,6
58,7
112,6
160,5
185,5
1,0
1,38
34,4
49,0
67,9
145,2
158,6
171,8
0,9
1,03
11
Hydrocacbon thơm
% thể tích
38,3
22,0
12
Olefin
% thể tích
30,3
36,0
13
Hàm lượng Oxy
% k.lượng
nguon tai.lieu . vn
61
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU XĂNG SINH HỌC E15 TRÊN
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
ASSESSMENT OF THE POSSIBILITY OF E15 BIOFUELGASOLINE FUEL USE IN
COMBUSTION ENGINES
Bùi Văn Tấn1, Nguyễn Việt Hải2
1
Trung tâm đăng kiểm xe cơ giới Đà Nẵng; vantan4301s@gmail.com
2
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nvhai@dut.udn.vn
Tóm tắt - Trong những năm gần đây, con người đã phải đối mặt
với ô nhiễm từ lượng khí thải động cơ đốt trong và đã trở thành
một vấn đề môi trường nghiêm trọng trên thế giới. Xăng sinh học
là một trong những nhiên liệu sinh học được tái tạo, thay thế và
thân thiện với môi trường đầy hứa hẹn có thể được sử dụng trong
động cơ đốt trong với rất ít hoặc không có thay đổi trong động cơ.
Bài báo này, trình bày nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy đã
được thực hiện trên động cơ Daewoo A16DMS chạy xăng sinh học
với điều kiện trạng thái hoạt động ổn định. Trong nghiên cứu này,
công suất động cơ và mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể được đo
lường. Động cơ sử dụng xăng sinh học E15 với góc đánh lửa tối
ưu 4,20 4,60 công suất động cơ tăng 4,53% đến 7,50% ở tốc độ
trung bình 2500 vòng/phút ứng với mức tải là 50% và 90%. Công
suất động cơ khi sử dụng xăng sinh học E15 vẫn thấp hơn so với
động cơ nguyên thủy theo thiết kế.
Abstract - In recent years, humans have faced pollutant emissions
from general vehicle engines which become a serious
environmental problem in the world. Bio-fuel is one of the promising
renewable, alternative and environmentally friendly biofuels that
can be used in diesel engines with little or no modification in the
engine. In the present study, an experimental investigation has
been carried out into the combustion and performance
characteristics of a Daewoo A16DMS engine running with bio-fuel
under steady operation conditions. In this study, engine power and
specific fuel consumption are measured. The E15 petrol engine
with an optimum ignition angle of 4,20 4,60 ncreases the engine
power by 4,53% to 7,50% at an average speed of 2500 rpm for
50% and 90% loads. The engine power of using bio-fule E15 is still
lower than that of the original engine designed.
Từ khóa - xăng sinh học; E15; Ethanol; xăng E15; nhiên liệu sinh
học.
Key words - Bio-fuel; E15; Ethanol; E15 gasoline; Biofuels.
1. Giới thiệu
Tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi
trường luôn là mục tiêu nghiên cứu của ngành động cơ và ô
tô. Cùng với việc hoàn thiện các hệ thống của động cơ đốt
trong để nâng cao hiệu suất nhiệt, giảm tiêu hao nhiên liệu
và ô nhiễm môi trường thì các dự án, các chương trình
nghiên cứu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế và sử dụng
hiệu quả nguồn năng lượng này. Trong các nguồn nhiên liệu
thay thế thì nhiên liệu sinh học được quan tâm hàng đầu đặc
biệt là ethanol và buthanol với sản lượng lớn, sản xuất với
giá thành tương đối thấp và phân bố rộng khắp các quốc gia.
Thời gian gần đây, rất nhiều đề tài nghiên cứu về loại nhiên
liệu này, tuy nhiên chủ yếu tập trung sử dụng xăng thương
mại RON95 có chỉ số octane cao để phối trộn với ethanol
hay butanol mà ít đề cập đến việc sử dụng xăng RON92 và
ảnh hưởng của chất lượng loại nhiên liệu sinh học này đến
tính năng sử dụng trên các loại động cơ xăng đời mới.
Xăng pha ethanol đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước
trên thế giới với tỉ lệ pha chế khác nhau. Theo qui định của
Chính phủ Việt Nam, xăng pha 5% thể tích ethanol (gọi là
xăng E5) được sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ ngày
1/12/2015. Ethanol là hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng
đẳng của cồn etylic, có số octane cao hơn so với xăng. Do đó
Ethanol có thể được sử dụng để nâng cao trị số octane của
nhiên liệu nhằm cải thiện hiệu quả của quá trình cháy trong
động cơ đốt trong [1], [5]. Mustafa Koc [6], nghiên cứu ảnh
hưởng của xăng pha ethanol E50, E85 đến tính năng động cơ,
mức độ phát ô nhiễm ở tỷ số nén 10 và 11 và tốc độ động cơ
biến thiên từ 1500 đến 5000 vòng/phút cho thấy, khi pha
ethanol vào xăng momen động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng,
nhưng mức độ phát thải ô nhiễm giảm. Nghiên cứu này cũng
cho thấy, xăng pha ethanol cho phép tăng tỷ số nén động cơ
mà không xảy ra kích nổ. Do nhiệt ẩn hóa hơi của ethanol và
nhiệt độ bốc cháy của ethanol cao hơn xăng nên thời gian cháy
trễ của ethanol bị kéo dài. Vì vậy, để tăng hiệu quả động cơ sử
dụng xăng pha ethanol chúng ta cần tăng góc đánh lửa sớm
của động cơ theo hàm lượng ethanol [1], [5], [6]. Richie
Daniel [3], nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc đánh
lửa sớm đến tính năng động cơ sử dụng xăng pha ethanol, cho
thấy ở tốc độ 1500 vòng/phút, góc đánh lửa sớm động cơ sử
dụng xăng khoảng 7-8, trong khi đó góc đánh lửa sớm của
ethanol khoảng 22. Phuangwongtrakul [4] thử nghiệm xăng
pha cồn với thành phần khác nhau, cho thấy momen lớn nhất
khi động cơ chạy ở 5000 vòng/phút đạt được với góc đánh lửa
sớm là 30, 35 và 40 ứng với xăng E10, E30 và E85 [4].
Mặc khác Thủ tướng Chính phủ Việt Nam cũng đã có
Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007 về việc
phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm
2015, tầm nhìn đến năm 2025”. Theo đó lộ trình áp dụng
từ ngày 1/12/2014, xăng sinh học E5 (với mức hòa trộn là
5%) sẽ được sản xuất để sử dụng cho phương tiện cơ giới
đường bộ tại 7 địa phương: Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Hải
Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà Rịa - Vũng
Tàu và sẽ chính thức sử dụng rộng rãi trên toàn quốc từ
1/12/2015. Xăng sinh học E10 (với mức hòa trộn là 10%)
sẽ được sản xuất để sử dụng cho phương tiện cơ giới đường
bộ tiêu thụ trên toàn quốc từ ngày 01/12/2017.
Thế giới vẫn còn tranh luận về mức độ ethanol trong
xăng có thể ảnh hưởng đến các vật liệu trong xe và gây mòn
quá nhiều các bộ phận trong hệ thống nhiên liệu động cơ.
Tuy nhiên, tại Mỹ các nhà sản xuất xe hơi đã đồng ý rằng
việc sử dụng xăng lên đến 10% ethanol sẽ không ảnh hưởng
đến vận hành các loại xe của họ [1], [2], [7]. Bên cạnh đó
xăng sinh học hàm lượng cao hơn 10%, hiện nay chưa có
Bùi Văn Tấn, Nguyễn Việt Hải
62
nhiều nghiên cứu xác thực cũng như lộ trình áp dụng. Với
hơn 214 nghiên cứu về hòa trộn ethanol vào xăng ở nhiều
khía cạnh khác nhau đã chỉ rằng, với hàm lượng ethanol hòa
trộn biến động trong một mức hẹp từ 1416% thì thành phần
ethanol lý thuyết (danh nghĩa) là 15% [1], [7].
2. Nghiên cứu thực nghiệm
2.1. Chất lượng E15 làm nhiên liệu động cơ
Theo kết quả đánh giá, ảnh hưởng của hàm lượng
ethanol đến đường cong chưng cất thì khi tăng hàm lượng
cồn tuyệt đối từ 10% lên 20%, nhiệt độ sôi tại các điểm sôi
T40 Và T50 sụt giảm mạnh đặt biệt là điểm sôi T 50 nhiệt độ
giảm đi 300C so với T50 ứng với hàm lượng cồn 10% thể
tích. Nguy cơ hình thành các nút hơi hệ thống nhiên liệu là
rất lớn, đây chính là rào cản kỹ thuật, nâng cao hàm lượng
ethanol trong xăng khó trở thành hiện thực nếu như không
có sự cải tạo lớn nào về kết cấu động cơ.
Do nhiều đặc tính của ethanol có thể gây ra ăn mòn kim
loại hoặc làm hư hại các chi tiết cao su, nhựa có trong động
cơ nên không thể dùng trực tiếp để thay cho xăng dầu được
mà phải hoán cải một số chi tiết của động cơ. Đối với các
loại động cơ ô tô, xe máy thông dụng chỉ được phép sử
dụng xăng pha ethanol với hàm lượng ethanol tối đa là 10%
thể tích (tiêu chuẩn ASTM D 4806, EN228:2008...). Với
hàm lượng 15% hiện chưa có đánh giá tổng quan và số liệu
đầy đủ về hao mòn này.
Rõ ràng tồn chứa gasohol luôn có sự tách pha xảy ra
khi hàm lượng nước trong xăng quá cao. Đối với nhiên liệu
xăng thông thường (không chứa oxy) hiện tượng tách pha
xảy ra khi xăng chỉ cần hấp thụ một lượng nhỏ nước; nhưng
đối với nhiên liệu xăng pha ethanol có thể hấp thụ một
lượng nước đáng kể mà không xảy hiện tượng tách pha.
Tuỳ thuộc vào nhiệt độ lưu kho, lượng nước có thể được
hấp thụ trong nhiên liệu gasohol nhỏ hơn 1% thể tích (tiêu
chuẩn ASTM D 4806) mà không xảy ra hiện tượng tách
pha trong bồn chứa. Xăng E15 đáp ứng được yêu cầu này.
2.2. Tính chất cơ bản của nhiên liệu xăng RON92 và
xăng E15
Việc phân tích thành phần các tính chất lý hóa của nhiên
liệu dùng làm thực nghiệm được thực nghiệm tại phòng thử
nghiệm xăng dầu thuộc Công ty Xăng dầu khu vực V.
Bảng 1. Chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu RON92, E15
sử dụng trong thực nghiệm
TT
Chỉ tiêu lý hóa
ĐVT
RON92
E15
Kg/l
0,755
0,7322
92
96,3
Hàm lượng chì
g/l
480
7
Ăn mòn đồng 3h, 500C
1a
1a
8
kPa
57,5
72,9
10
Áp suất hơi bão hòa
Thành phần cất
- Nhiệt độ sôi đầu
- Nhiệt độ sôi 10%
- Nhiệt độ sôi 50%
- Nhiệt độ sôi 90%
- Nhiệt độ sôi 95%
- Nhiệt độ sôi cuối
- Cặn
Hàm lượng Benzen
% thể tích
38,6
58,7
112,6
160,5
185,5
1,0
1,38
34,4
49,0
67,9
145,2
158,6
171,8
0,9
1,03
11
Hydrocacbon thơm
% thể tích
38,3
22,0
12
Olefin
% thể tích
30,3
36,0
13
Hàm lượng Oxy
% k.lượng