Luận văn Nghiên cứu đặc tính phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu cồn - Diesel theo các chu trình lái ftp, hw và nedc

ận tải (GTVT). Việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu thay thế là chưa nhiều, hầu hết ở quy mô nhỏ lẻ. Năm 2007, thủ tướng chính phủ ra quyết định số 177/2007/QĐ-TTg về “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”. Mục tiêu đến năm 2015, sản xuất được 250 nghìn tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng 1% nhu cầu nhiên liệu; và tầm nhìn 2025 là 1,8 triệu tấn ethanol và biodiesel, đáp ứng được 5% nhu cầu nhiên liệu. Cùng với đó là những khuyến khích về tài chính như trợ giá, miễn thuế... cho các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước đầu tư vào lĩnh vực năng lượng tái tạo [1], [2]. Việt Nam là một nước nông nghiệp, có tiềm năng lớn để phát triển nhiên liệu sinh học, đặc biệt là ethanol. Một số nhà máy sản xuất ethanol đã đi vào hoạt động như nhà máy cồn Đại Lộc (Quảng Nam) với sản lượng khoảng 125 15 triệu lít/năm; nhà máy cồn Cát Lái (TP Hồ Chí Minh) với sản lượng 40 triệu lít/năm. Ba nhà máy cồn của công ty dầu Việt Nam (PV Oil) đang được xây dựng với sản lượng ước tính là 125 triệu lít/năm. Nhà máy bắt đầu vào hoạt động vào cuối năm 2012, đầu năm 2013. Nguyên liệu chính được sử dụng là sắn. Tuy nhiên, do nhu cầu ở Việt Nam chưa lớn, nên hầu hết các nhà máy không hoạt động hết công suất. Trong năm 2010, tổng sản lượng ethanol sản xuất được của cả nước ước tính khoảng 150 triệu lít [2]. Bắt đầu từ tháng 8 năm 2010, xăng sinh học E5 đã bắt đầu được bán ở 22 cây xăng (12 cây xăng của PV Oil và 10 cây xăng do PETEC quản lý) ở các địa phương như TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, Bà Rịa-Vũng Tàu, Hải Phòng, Hải Dương. Lộ trình thực hiện tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống được thể hiện theo quyết định số 53/2012/QĐ-TTg cụ thể như sau: từ ngày 01 tháng 12 năm 2014 xăng E5 được sản xuất, phối chế, kinh doanh, từ ngày 01 tháng 12 năm 2016, xăng E10 được sản xuất, phối chế, kinh doanh. Trong thời gian chưa thực hiện áp dụng tỷ lệ phối trộn theo lộ trình, khuyến khích các tổ chức, cá nhân sản xuất, phối chế và kinh doanh xăng E5, E10 và diesel B5 và B10 Hiện tại, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên 500 triệu USD, tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm, tập trung chủ yếu tại Miền Trung - Tây Nguyên và Miền Nam Việt Nam. Thiết bị của các nhà máy này đều được xây dựng sau năm 2007 và được đầu tư thiết bị mới 100%, xuất xứ Châu Á và G7. Trình độ tự động hóa đạt trên 85%. Hiện tại, chỉ có 04/07 Nhà máy có khả năng sản xuất được E100. Nếu bốn nhà máy này hoạt động đạt 80% công suất thiết kế sẽ cung cấp ra thị trường 320000 m3 E100/năm, dư đủ cho nhu cầu pha xăng E5 - E10 theo lộ trình của Chính phủ. 16 1.4. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ đốt trong 1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ xăng  Tình hình nghiên cứu trong nước Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng ethanol cho động cơ xăng, trong đó có thể kể đến nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu xăng pha ethanol E5 và E10 đến tính năng và phát thải độc hại của xe máy và xe con đang lưu hành ở Việt Nam” với nhiên liệu E5 (5% ethanol, 95% xăng Mogas92) và E10 (10% ethanol, 90% xăng Mogas92) đối chứng với xăng Mogas92. Động cơ ô tô thực nghiệm là Ford Laser Ghia 1.8 và động cơ xe máy là HonDa Super Dream 100cc. Theo nghiên cứu này hỗn hợp xăng-ethanol được hòa trộn sẵn và có ưu điểm là không phải thay đổi về kết cấu động cơ. Kết quả cho thấy công suất động cơ ô tô tăng khi tỷ lệ ethanol thay thế tăng. Suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ ô tô tại tốc độ bình thường trong trường hợp có ethanol ít hơn khi dùng xăng Mogas92. Về các thành phần phát thải, nghiên cứu cũng cho thấy phát thải CO giảm khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế. Phát thải HC cũng ít hơn khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế, đặc biệt tại tốc độ cao. Phát thải NOx tăng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế còn phát thải CO2 tăng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế, đặc biệt tại tốc độ cao. Cụ thể khi sử dụng xăng E5 và E10 cho động cơ xe máy và động cơ ô tô, công suất động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu được cải thiện tương ứng 6,5% và 6,37% cho động cơ xe máy, cải thiện tương ứng 6,36% và 5,18% cho động cơ ô tô khi so sánh với trường hợp sử dụng xăng Moga92. Phát thải CO và HC giảm đáng kể lần lượt là 33,74% và 18,62% đối với động cơ ô tô, 16,06% và 21% đối với động cơ xe máy. Trong khí đó, phát thải NOx và khí gây hiệu ứng nhà kính CO2 đều tăng lên 21,58% và 3,79% đối với động cơ ô tô, tăng 31,67% và 11,64% đối với động cơ xe máy. 17 Bên cạnh đó trong nội dung luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Hữu Truyền (2014) với đề tài “Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nhiên liệu sinh học bio-ethanol sử dụng trên động cơ xăng”, theo nghiên cứu này hỗn hợp xăng- ethanol cũng được hòa trộn sẵn và có ưu điểm là không phải thay đổi về kết cấu động cơ. Cho thấy, khi sử dụng nhiên liệu E10, E15 và E20 kết quả đo công suất và tỷ lệ cải thiện công suất xe Lanos so với trường hợp sử dụng xăng RON92 tại tay số IV và V cho thấy xét trên toàn dải tốc độ, xe chạy với nhiên liệu E10 cho công suất tương đương nhiên liệu RON92, tuy nhiên ở tốc độ thấp công suất E10 nhỏ hơn RON92, nhưng ở tốc độ cao E10 cho công suất lớn hơn. Suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu E10, E15, E20 lớn hơn so với trường hợp sử dụng xăng RON92. Phát thải xe Lanos tại tay số V cho thấy đối với xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử, tính trung bình trên toàn dải tốc độ thử nghiệm, phát thải CO, HC được cải thiện đối với nhiên liệu E10, tương ứng với nó là mức phát thải NOx và CO2 tăng lên. Tuy nhiên với xăng E15 và E20, CO vẫn giảm nhưng HC có xu hướng tăng lên. Kết quả đo công suất xe Corrola tại tay số IV và tay số V đối với động cơ ô tô sử dụng bộ chế hòa khí, công suất của động cơ tăng lên khi sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20. Công suất cao nhất của động cơ đạt được đối với nhiên liệu E15, tiếp sau đó là E10. Suất tiêu thụ nhiên liệu khi sử dụng xăng sinh học E10, E15 và E20 được cải thiện đáng kể so với xăng RON92. Phát thải CO, HC cải thiện, sự cải thiện các thành phần phát thải CO và HC càng lớn khi tăng tỷ lệ ethanol trong hỗn hợp nhiên liệu xăng sinh học.  Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Hsieh và các cộng sự [21] đã nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính động cơ và phát thải của động cơ xăng sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5%, 10%, 20% và 30%. Kết quả chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế thì nhiệt trị của hỗn hợp giảm và 18 trị số octane của hỗn hợp nhiên liệu tăng. Động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn thì mô men động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng không đáng kể. Abdel-Rahman và các cộng sự [22] đã thực nghiệm trên động cơ có tỷ số nén thay đổi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn có tỷ lệ ethanol thay thế tới 40%. Công suất động cơ tăng lên khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế đến 10% tại tỷ số nén động cơ bằng 10:1. Tỷ số nén tốt nhất là 10, 11, 12 tương ứng với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 20%, 30% và 40%, đồng thời công suất chỉ thị của động cơ đạt lớn nhất. Nghiên cứu thực nghiệm của Al-Hasan [23] về ảnh hưởng của việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline-ethanol hòa trộn sẵn đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng. Kết quả chỉ ra rằng khi có ethanol thì làm tăng công suất có ích, hiệu suất nhiệt có ích, hiệu suất nạp và tiêu hao nhiên liệu tương ứng lần lượt là 8,3%; 9,0%; 7,0% và 5,7%. Kết quả tốt nhất của tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ đạt được tương ứng với tỷ lệ ethanol thay thế bằng 20%. Wu và các công sự [24] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ không khí - nhiên liệu đến tính năng kỹ thuật và phát thải ô nhiễm của động cơ xăng sử dụng lưỡng nhiên liệu gasoline- ethanol hòa trộn sẵn. Kết quả cho thấy mô men tăng không đáng kể khi độ mở bướm ga nhỏ và phát thải CO, HC giảm khi tăng tỷ lệ ethanol thay thế. Đồng thời phát thải CO2 trên một đơn vị công suất động cơ là tương tự hoặc ít hơn so với khi sử dụng nhiên liệu gốc. Yucesu và các cộng sự [25] đã nghiên cứu so sánh giữa tính toán và phân tích thực nghiệm về đặc tính kỹ thuật của động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp lưỡng nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn. Nhóm tác giả đã thực nghiệm động cơ sử dụng hỗn hợp gasoline - ethanol với các tỷ lệ ethanol thay thế là 10%, 20%, 40% và 60% trên động cơ xăng bốn kỳ, một xy lanh. Khi thực 19 nghiệm được tiến hành bằng cách thay đổi góc đánh lửa sớm có ảnh hưởng đến tỷ lệ A/F và tỷ số nén tại tốc độ động cơ bằng 2000 [vg/ph] khi bướm ga mở hoàn toàn. Kết quả cho thấy mô men động cơ lớn hơn so với trường hợp sử dụng gasoline nguyên bản trong toàn dải tốc độ động cơ, phát thải HC giảm đáng kể, đồng thời động cơ sử dụng hỗn hợp nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn có thể dùng tỷ số nén lớn hơn mà không bị kích nổ. Mustafa Koç và các cộng sự [26] đã nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn đến tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng. Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp gasoline - ethanol hòa trộn sẵn với các tỷ lệ ethanol thay thế là 0%, 50% và 85%. Động cơ thực nghiệm là động cơ xăng, một xy lanh, bốn kỳ với hai tỷ số nén lần lượt là 10 và 11. Tốc độ động cơ thay đổi trong khoảng 1500 ÷ 5000 [vg/ph]. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô men, công suất động cơ tăng, các thành phần phát thải CO, NOx và HC đều giảm, đồng thời khi sử dụng lưỡng nhiên liệu gasoline - ethanol hòa trộn sẵn nên tăng tỷ số nén của động cơ để không xảy ra kích nổ. Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy khi sử dụng nhiên liệu gasoline - ethanol ở dạng hòa trộn trước đều cho thấy cải thiện được công suất và mô men động cơ, đồng thời giảm các thành phần phải thải như CO, HC và NOx. 1.4.2. Nghiên cứu ứng dụng ethanol cho động cơ diesel  Tình hình nghiên cứu trong nước Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế tiềm năng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel, đồng thời có khả năng cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Điển hình gồm các nghiên cứu sau: Nghiên cứu đánh giá tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5% và 10% [27]. Kết quả cho thấy mô men động cơ và tiêu hao nhiên 20 liệu thay đổi không đáng kể, phát thải HC, CO và độ khói giảm, phát thải NOx tăng khi so sánh với trường hợp sử dụng diesel gốc. Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ được tác giả Lê Danh Quang thực hiện trong luận án tiến sĩ (2014) "Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu sinh học E10 và D5 đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ" cho thấy: Khi thử nghiệm đối chứng đánh giá tác động của phụ gia VPI-D đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ diesel D243, kết quả là ở thời điểm 0 giờ mô men động cơ tăng trung bình 5,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 2,5%, các thành phần phát thải đều giảm, cụ thể: CO: 3,5%; HC: 6,6%; NOx: 5,5%; CO2: 0,86% và PM: 3,3% khi so sánh với trường hợp không sử dụng phụ gia. Kết quả thử nghiệm mô men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả của động cơ tại các thời điểm 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định không thay đổi nhiều so với thời điểm 0 giờ. Sau 50 giờ và 100 giờ chạy ổn định với nhiên liệu D5 có phụ gia VPI-D, lượng phát thải được cải thiện. Cụ thể, sau 50 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 3,9%, 14,7%, 3,6%, 1,2% và 4,3; sau 100 giờ chạy ổn định phát thải HC, NOx, CO, CO2 và PM giảm hơn so với thời điểm 0 giờ lần lượt là 5%, 16,3%, 8,4%, 2,2% và 6%.  Tình hình nghiên cứu ngoài nước Có một vài công nghệ có thể ứng dụng cho động cơ diesel sử dụng nhiên liệu ethanol: + Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn; + Ethanol phun trực tiếp; + Ethanol phun trên đường ống nạp. 21 * Sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn E.A. Ajav và các cộng sự [28] đã nghiên cứu thực nghiệm một số thông số hiệu suất của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol hòa trộn sẵn tại tốc độ động cơ không đổi. Trong nghiên cứu sử dụng động cơ TV110, một xy lanh, làm mát bằng dung dịch. Kết quả cho thấy công suất lớn nhất của động cơ diesel nguyên bản đạt 10,71 [ml] tại tốc độ 1475 [vg/ph], công suất lớn nhất đạt lần lượt là 10,66; 10,63; 10,51; 10,39 [ml] tương ứng với các tỷ lệ ethanol thay thế lần lượt là 5%; 10%; 15% và 20%. Như vậy, có thể coi công suất động cơ giảm không đáng kể khi sử dụng hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn với tỷ lệ thay thế có thể đạt đến 20% so với động cơ diesel nguyên bản. Theo nghiên cứu của Eugene EE và các cộng sự [29] thì động cơ cần một số điều chỉnh nhỏ như thay đổi thời điểm phun và lượng phun để động cơ giữ được công suất cực đại, mức độ điều chỉnh nhiều hay ít phụ thuộc vào tỷ lệ ethanol trong nhiên liệu và phụ thuộc vào ảnh hưởng của ethanol đến quá trình cháy. Theo nghiên cứu của Alan C. Hansen và các cộng sự [30] thì ethanol khan có thể hòa trộn với nhiên liệu diesel, tuy nhiên do ethanol có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ. Theo nghiên cứu của Murayama T và các cộng sự [31] cho biết, khả năng hòa tan của hỗn hợp diesel - ethanol phụ thuộc vào tỷ lệ hòa trộn, nhiệt độ, hàm lượng nước, nồng độ chất phụ gia và trọng lượng riêng của nhiên liệu diesel. So với các loại nhiên liệu diesel thông thường, các loại nhiên liệu pha trộn cho hiệu suất nhiệt tốt hơn, độ khói giảm, và phát thải HC, NOx, CO giảm. Do ethanol có tính chất cơ lý khác với nhiên liệu diesel nên khi thêm ethanol vào diesel sẽ làm thay đổi tính chất cơ lý của nhiên liệu gốc như làm giảm mạnh trị số cetan cũng như độ nhớt và nhiệt trị của hỗn hợp. Với lý do 22 này động cơ sẽ khó khởi động lạnh, hiện tượng rò rỉ nhiên liệu tăng lên đồng thời chiều dày màng dập lửa tăng do nhiệt hóa hơi của ethanol cao. Weidmann và các cộng sự [32] đã tiến hành đo đặc tính của động cơ diesel bốn xy lanh Volkswagen sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha ethanol, kết quả cho thấy HC, CO và andehit trong khí thải tăng lên, tuy nhiên NOx và độ khói giảm so với chạy nhiên liệu diesel. Czerwinski và các cộng sự [33] đã xây dựng đặc tính của động cơ diesel bốn xy lanh phun trực tiếp sử dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel pha 30% thể tích ethanol và 15% thể tích dầu hạt cải. Kết quả cho thấy khi thêm ethanol sẽ làm cho nhiệt độ cháy giảm, tất cả chất độc hại trong khí thải giảm ở toàn tải, tuy nhiên lượng CO và HC tăng tại tải nhỏ và tốc độ thấp. Qua việc phân tích các công trình đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợp diesel- ethanol hòa trộn sẵn cho thấy ưu điểm của phương pháp này là không phải thay đổi kết cấu động cơ mà chỉ cần điều chỉnh thời điểm phun và lượng phun cho phù hợp với tỷ lệ ethanol thay thế để đảm bảo giữ được mô men và công suất động cơ. Tuy nhiên phương pháp này không tối ưu được tỷ lệ ethanol thay thế theo tốc độ và tải của động cơ, đồng thời ethanol có tính hút nước mạnh nên lượng nước trong hỗn hợp sẽ dần tăng lên và làm hỗn hợp bị phân tách, lượng nước này sẽ dần tăng lên trong quá trình bảo quản và lưu trữ gây khó khăn trong quá trình sử dụng. * Ethanol phun trực tiếp Một công nghệ khác là sử dụng hai hệ thống nhiên liệu trên cùng một động cơ, trong đó ethanol được phun trực tiếp vào buồng cháy và đốt cháy bằng nhiên liệu diesel phun mồi, thời điểm phun mồi trước thời điểm phun của ethanol và phải đảm bảo được độ êm dịu và đạt hiệu suất cháy cao nhất. Theo nghiên cứu của Savage LD [34], phương pháp này cho phép tỷ lệ ethanol lên tới 90% trong điều kiện lý tưởng. Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy êm 23 dịu, độ mờ khói và khí thải rất thấp. Tuy nhiên áp dụng công nghệ này vào thực tế gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp trong thiết kế hệ thống phun ethanol cao áp. * Ethanol phun trên đường ống nạp Phương pháp thứ ba là ethanol hòa trộn với không khí nạp trước khi đi vào xy lanh động cơ. Theo phương pháp này M.Abu-Qudais và các cộng sự [35] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hai trường hợp phun ethanol trên đường ống nạp và diesel - ethanol hòa trộn sẵn đến đặc tính và phát thải của động cơ diesel một xy lanh, bốn kỳ, làm mát bằng dung dịch. Kết quả cho thấy, hiệu suất nhiệt được cải thiện khoảng 7,5% và 5,4% trên toàn dải tốc độ lần lượt trong hai trường hợp: phun ethanol trên đường ống nạp và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn. Về phát thải cho thấy CO, HC đều tăng trong khi độ khói và soot giảm so với khi sử dụng nhiên liệu diesel nguyên bản. Tỷ lệ ethanol tối ưu theo sự giảm độ khói là 20% và 15% trong lần lượt hai trường hợp phun ethanol và hỗn hợp diesel - ethanol hòa trộn sẵn. Từ các kết quả trên, cho thấy khi sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế với tỷ lệ thay thế 20% trong các trường hợp thì phát thải CO, HC tăng và phát thải độ khói và soot đều giảm. Phát thải CO và HC tăng dẫn đến tỷ lệ ethanol có thể sử dụng bị giới hạn. Ngoài ra, sử dụng phương pháp phun ethanol gián tiếp trên đường ống nạp là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là không tận dụng được nhiệt của xupáp nạp nhằm tạo điều kiện bay hơi cho ethanol khi được phun vào nó. Ogawa H và cộng sự [36] đã tiến hành thiết lập đặc tính của động cơ diesel một xy lanh 0,83 dm3 phun trực tiếp sử dụng hai hệ thống nhiên liệu, bao gồm hệ thống phun diesel Common - Rail (CR) và hệ thống phun ethanol trên đường ống nạp, đồng thời sử dụng phương pháp luân hồi khí thải EGR. Kết quả cho thấy với 20% ethanol và lượng oxy trong khí nạp giảm 15%, độ khói và 24 NOx đều giảm trên toàn bộ dải làm việc của động cơ. Nếu kết hợp tốt giữa việc phối trộn ethanol và EGR thì có thể cho phép độ khói bằng không đồng thời hàm lượng NOx giảm mạnh. Kết quả còn cho thấy cần phải giảm tỷ số nén nhằm đẩy mạnh quá trình hòa trộn giữa diesel và ethanol đồng thời loại bỏ hiện tượng mất lửa và gõ trong xy lanh. Ngoài ra có thể kể đến Volpato và cộng sự [37] đã nghiên cứu điều khiển động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol cho động cơ nông nghiệp MWM MS-4001P sử dụng bơm phân phối piston hướng kính, ethanol được phun vào đường ống nạp, trong đó nhiên liệu diesel được phun vào buồng cháy của động cơ ở dạng phun mồi nhằm kích hoạt nhiên liệu ethanol cháy chính. Kết quả cho thấy công suất và mô men động cơ vẫn đảm bảo mặc dù tỷ lệ ethanol thay thế từ 60 ÷ 85% tại chế độ tải 100%. Qua các nghiên cứu đã trình bày ở trên cho thấy phương pháp phun ethanol trên đường ống nạp có thể thực hiện bằng cách sử dụng bộ chế hòa khí hoặc sử dụng vòi phun ethanol có áp suất thấp phun trước xupáp nạp. Mặc dù phương pháp này phải cần hai hệ thống nhiên liệu và điều khiển độc lập, làm tăng mức độ phức tạp trong quá trình điều khiển, tuy nhiên phương pháp này giải quyết được các nhược điểm của hai phương pháp trên, và có các ưu điểm như sau: - Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun ethanol được đặt ở trên đường ống nạp. - Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp; - Do dùng hai hệ thống nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun ethanol dễ dàng; - Ethanol bay hơi trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp tăng mật độ không khí nạp nạp vào động cơ; 25 - Dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo các chế độ làm việc của động cơ. 1.5. Kết luận chương 1 Qua nghiên cứu tổng quan ở trên rút ra một số nhận xét sau: - Việc sử dụng nhiên liệu ethanol nói riêng và nhiên liệu alcohol nói chung cho động cơ đánh lửa cưỡng bức đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ, chi tiết và thu được nhiều kết quả triển vọng khi sử dụng nhiên liệu cồn thay thế cho xăng khoáng. - Sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ cồn ethanol lớn có thể nâng cao hiệu suất động cơ, giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và nâng cao giá trị sản phẩm nông nghiệp. - Việc nghiên cứu sử dụng alcohol cho động cơ diesel đang ngày càng được quan tâm, trong đó việc hình thành lên chế độ vận hành lưỡng nhiên liệu có 2 phương pháp nổi bật là hòa trộn diesel - alcohol sẵn trước khi phun vào xi lanh và phương pháp phun hơi cồn vào đường nạp của động cơ. - Trên cơ sở phân tích các phương pháp hình thành lên chế độ vận hành động cơ lưỡng nhiên liệu diesel - alcohol, trong nội dung luận văn tác giả sử dụng phương pháp hòa trộn diesel - alcohol trước trước khi phun vào xi lanh do đơn giản, không phải thay đổi kết cấu động cơ và quan trọng là thuận tiện xây dựng mô hình mô phỏng động cơ theo các chu trình lái bằng phần mềm GT-Suite. 26 CHƯƠNG 2. THÀNH PHẦN KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ VÀ CÁC CHU TRÌNH THỬ NGHIỆM 2.1. Các thành phần độc hại chính trong khí thải động cơ Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ôxy hóa nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng, diễn ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu ảnh hưởng của nhiều thông số. Trong quá trình cháy sinh ra các hợp chất trung gian rất phức tạp. Sản phẩm cuối cùng của quá trình cháy gọi là sản phẩm cháy. Quá trình ôxy hóa nhiên liệu sẽ tạo ra các hợp chất khác nhau trong khí thải động cơ. Các thành phần chính trong khí thải động cơ là: CO, CO2, NOx, THC, Anđêhít, thành phần dạng hạt (PM), hợp chất chứa lưu huỳnh.  Ôxít cacbon (Monoxide carbon - CO) Monoxide carbon (CO) là sản phẩm cháy của nhiên liệu sinh ra do ôxy hóa không hoàn toàn hyđrô cácbon trong điều kiện thiếu ôxy, CO ở dạng khí không màu, không mùi, không vị. CO khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thàmh một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ ôxy của Hemoglobin trong máu và làm cho các bộ phận của cơ thể bị thiếu ôxy. Theo các nghiên cứu nếu: - 20% lượng hemoglobin bị khống chế thì sẽ gây nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn; - 50% lượng hemoglobin bị khống chế thì não bắt đầu bị ảnh hưởng; - 70% lượng hemoglobin bị khống chế có thể dẫn đến tử vong. Hàm lượng CO cho phép trong không khí là: [CO] = 33 mg/m3, [2]. 27  Cácbua hydro (Total Hydrocacbon – THC) Total hydrocacbon (THC) là các loại HC có trong nhiên liệu hoặc dầu bôi trơn không cháy hết có trong khí thải động cơ. HC có nhiều loại và mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau. Các HC có nguồn gốc paraphin hoặc naphtanin có thể coi là vô hại, trong khi đó các HC thơm (có nhân benzen) thường rất độc, chúng có thể gây ra căn bệnh ung thư. HC tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù gây tác hại cho mắt, niêm mạc và đường hô hấp. Thông thường để đánh giá tiêu chuẩn môi trường thì thường xét tổng lượng HC mà động cơ phát ra (THC).  Ôxít nitơ (NOx) Ôxítnitơ là sản phẩm ôxy hóa N2 có trong không khí (khí nạp mới) ở điều kiện nhiệt độ cao trên 11000C. NOx tồn tại chủ yếu là NO và NO2 trong đó NO chiếm đại bộ phận. NO là khí không mùi và không nguy hiểm nhưng nó không bền và dễ biến thành NO2 trong điều kiện tự nhiên. NO2 là khí có màu nâu đỏ, có mùi gắt, gây nguy hiểm cho phổi, niêm mạc. Khi tác dụng với nước tạo ra axít, gây ra mưa axít làm ăn mòn chi tiết máy và đồ vật. Hàm lượng cho phép [NO] = 9 mg/m3, [NO2] = 9 mg/m3, [2].  Anđêhít (C-H-O) Anđêhít có công thức chung là C-H-O, là một chất khí gây tê và có mùi gắt, một số loại có thể gây ung thư như Foocmondehit. Hàm lượng cho phép [CHO] = 0,6 mg/m3, [2].  Chất thải dạng hạt (PM) PM là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí thải động cơ diezel, nó tồn tại dưới dạng hạt rắn có đường kính trung bình khoảng 0,3 μm, nên dễ xâm nhập vào phổi gây tổn thương tới cơ quan hô hấp và còn có thể gây ung thư do các hydrocacbon thơm bám dính lên nó. PM sinh ra do quá trình phân hủy nhiên liệu và dầu bôi trơn, chúng chính là C chưa cháy hết bị bón thành các hạt nhỏ. 28 Trong không khí PM là tác nhân gây sương mù, bụi bẩn làm ảnh hưởng đến giao thông và sinh hoạt con người.  Hợp chất chứa lưu huỳnh Sản phẩm chính là khí SO2, chất khí không màu có mùi gắt, khi tác dụng với nước tạo thành axít yếu (H2SO3) gây hư hại cho mắt và đường hô hấp, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và tăng cường độ tác dụng của các chất ô nhiễm khác đối với cơ thể. Ngày nay, các loại nhiên liệu được khống chế hàm lượng S có trong đó. Hàm lượng cho phép [SO2] = 3 ml/m3, [2].  Cácbonđiôxít (Carbondioxide - CO2) Cácbonđiôxít là sản phẩm cháy hoàn toàn của C trong O2, là sản phẩm cháy chủ yếu của quá trình cháy. CO2 tuy không độc với sức khỏe của con người nhưng với nồng độ quá lớn có thể gây ngạt. CO2 là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính dẫn đến sự nóng lên của nhiệt độ trái đất. Hàm lượng cho phép [CO2] = 2 ml/m3, [2]. 2.2. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí xả động cơ diesel Đặc điểm của động cơ diese