1. Bùi Văn Ga, Cao Xuân Tuấn, Nguyễn Thị Thanh Xuân: Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng

2. Bùi Văn Hùng: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật-Đại học Đà Nẵng

3. Bùi Văn Tấn: Trung tâm Đăng kiểm xe cơ giới Đà Nẵng

 

Abstract: 

The present paper investigates the performance and emission of a retrofitted Honda 110cc motorcycle engine fueled with LPG-ethanol by simulation and experiment. The ethanol and the LPG are injected separately through the two different injectors. A microcontroller is set up connecting with the ECM of the engine for flexible adjustment of the LPG/ethanol ratio based on the gasoline injector control signal. The measurements were conducted on a special engine testing instrument with an automatic load controller. The simulation was performed with the help of the Ansys Fluent Software. The results show that the LPG-ethanol dual injection forms a stratified mixture distribution at the end of the compression process. The relatively LPG-rich area is found around the spark plug while the ethanol-rich area is located near the cylinder wall. With 30% ethanol addition to LPG, the indicative engine cycle work increases by 4.5% while the emissions of NOx, CO and HC decreases respectively by 13, 20 and 17% as compared to LPG fueling mode. When the ethanol content is higher than 30%, the special intake manifold design is needed for supporting the evaporation of the liquid fuel.

Keywords: Ethanol; LPG; Alternative fuels; Renewable energy; Port injection engine.

Xe gắn máy được ưu chuộng ở nhiều nước đang phát triển do tính cơ động cao, di chuyển thuận tiện trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ giao thông chưa được phát triển. Ở các đô thị có mật độ du lịch hay trường đại học cao thì xe gắn máy là phương tiện giao thông chia sẻ được ưa chuộng. Mặt khác, từ khi có đại dịch covid 19, xe gắn máy là phương tiện giao hàng hữu hiệu trong mạng lưới thương mại trực tuyến. 

Hiện tại, Việt Nam là một trong những quốc gia có mật độ xe gắn máy cao nhất thế giới với tỉ lệ 2 người dân có 1 xe gắn máy. Khí thải từ các phương tiện này là nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí ở các thành phố. Vì vậy việc nghiên cứu áp dụng các công nghệ nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm của xe gắn máy là rất cần thiết để tiết kiện nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường. 

Một trong những giải pháp có tính khả thi cao góp phần giải quyết đồng thời hai vấn đề trên là sử dụng nhiên liệu thay thế-tái tạo thay cho xăng. Đã có nhiều công trình ứng dụng nhiên liệu thay thế như CNG, LPG trên xe máy. Mức phát thải HC và CO trung bình của CNG có thể thấp hơn tương ứng 92% và 78% so với nhiên liệu xăng [1]. Tuy nhiên, bình chứa CNG cồng kềnh và lưu trữ nhiên liệu ở áp suất cao là những rào cản chính làm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi khí thiên nhiên trên xe gắn máy. 

LPG có áp suất hóa lỏng thấp nên có thể khắc phục được nhược điểm của CNG. Việc áp dụng LPG trên xe máy đã được chứng minh là một giải pháp thích hợp để giảm phát thải [2-4]. So với xăng, lượng phát thải NOx và CO của xe khi chạy bằng nhiên liệu LPG tương ứng thấp hơn 20% và 60% [5]. LPG có thể bay hơi và khuếch tán trong không khí ở nhiệt độ khí nạp thấp nên động cơ LPG có thể hoạt động tốt ở bất kỳ điều kiện nào, đặc biệt ở điều kiện tải thấp khi chạy trong đô thị.  

Mặc dù được xem là nhiên liệu “sạch” nhưng CNG cũng như LPG đều là những nhiên liệu hóa thạch nên việc sử dụng chúng làm tăng nồng độ CO2 trong bầu khí quyển. Vì vậy việc sử dụng kết hợp các loại nhiên liệu này với các loại nhiên liệu tái tạo khác sẽ mang lại lợi ích thiết thực trong công tác bảo vệ môi trường. Trên quan điểm đó thì việc sử dụng kết hợp LPG và ethanol là giải pháp phù hợp.

Ethanol có một số ưu điểm nổi bật so với xăng, như có khả năng chống kích nổ cao giúp tăng tỉ số nén động cơ; có nhiệt ẩn hóa hơi lớn giúp tăng hệ số nạp của động cơ. Mặt khác, sự hiện diện của oxygen trong ethanol giúp cải thiện tốc độ cháy, làm cho quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn, nhờ đó làm giảm phát thải HC và CO. Kết quả nghiên cứu của Lanje [6] cho thấy động cơ chạy bằng hỗn hợp nhiên liệu LPG-Ethanol có hiệu suất tương đương với động cơ chạy bằng xăng, nhưng nồng độ CO, CO2 và HC trong khí thải thấp hơn. Theo Paolo và cộng sự [7] khi hàm lượng oxygen trong nhiên liệu càng cao thì lượng phát thải CO và NOx càng thấp. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng hỗn hợp LPG-ethanol của Cetin [8] cho thấy phối hợp sử dụng ethanol với LPG là thích hợp để giảm phát thải CO và NOx do nhiệt độ quá trình cháy giảm. Những công trình nghiên cứu nhiên liệu LPG-ethanol áp dụng chủ yếu cho ô tô. 

Trong thực tế hiện nay ethanol được pha trộn vào xăng, gọi là xăng sinh học [9-11]. Xăng và ethanol đều ở trạng thái lỏng nên việc sử dụng xăng sinh học thuận lợi, không làm thay đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu. Việc ứng dụng LPG-ethanol trên xe gắn máy đòi hỏi những giải pháp kỹ thuật phức tạp hơn. Do đó việc nghiên cứu hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG/ethanol cũng như tính năng động cơ chạy bằng hai loại nhiên liệu này là cần thiết. Trong công trình này chúng tôi trình bày công nghệ phun riêng rẽ LPG và ethanol trên đường nạp đồng thời nghiên cứu đặc trưng quá trình cháy và mức độ phát thải ô nhiễm của xe gắn máy LPG-ethanol.

.............