Bùi Văn Ga (1), Bùi Văn Tấn (2), Nguyễn Văn Đông (3)

1. Bộ Giáo dục và Đào tạo; buivanga@dongcobiogas.com

2. Trung tâm Đăng kiểm xe cơ giới Đà Nẵng 

3. Trường Đại học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu, các thông số kết cấu và vận hành động cơ đến quá trình cháy và tính năng của động cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng xăng pha ethanol. Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng ethanol pha vào xăng từ 10% lên 20%, công chỉ thị chu trình của động cơ giảm nhẹ khoảng 1% nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm. Khi hàm lượng cồn trong xăng tăng thì có thể tăng tỷ số nén động cơ. Đối với động cơ Daewoo chạy bằng xăng E15 khi tăng tỉ số nén từ 9,5 lên 10,3 thì công chỉ thị chu trình tăng khoảng 12%. Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ Daewoo chạy bằng xăng E15 với tỷ số nén nguyên thủy 9,5 thay đổi từ 25^o  đến 32^o trong phạm vi tốc độ động cơ từ 1500 vòng/phút đến 4000 vòng/phút. Góc đánh lửa sớm tối ưu giảm khi tăng tỷ số nén động cơ nhưng tăng nhẹ theo hàm lượng cồn trong xăng. Khi tăng hàm lượng cồn trong xăng từ 10% lên 20% thì góc đánh lửa sớm tối ưu tăng khoảng 2^o-3^o ở tốc độ động cơ 1500 vòng/phút.

The paper presents the results of research on effects of fuel components, structural and operational parameters of engine to the combustion in spark ignition engine fueled with gasoline-ethanol blended fuel. Results showed that while increasing ethanol content in fuel mixture from 10% to 20%, indicated engine cycle work slightly decreases about 1% if advance ignition is kept constant. Compression ratio of engine can be increased with increasing of methanol component in fuel mixture. Indicated engine cycle work of Daewoo engine fueled with E15 gasoline-ethanol blended fuel increases about 12% as compression ratio increases from 9.5 to 10.3. Optimal advance ignition angle of Daewoo engine fueled with E15 with original compression ratio of 9.5 increases from 25⁰ to 32⁰ as engine speed increases from 1500rpm to 4000rpm. Optimal advance ignition angle decreases with increasing compression ratio but slightly increases with ethanol content in fuel mixture. As ethanol content in fuel mixture increases from 10% to 20%, the optimal advance ignition angle increased approximately 2^o-3^o at engine speed 1500rpm.

Keywords: Renewable energy; alternative fuel; gasoline-ethanol blended fuel combustion 

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]. 

Mustafa Koc nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha ethanol E50 và E85 đến tính năng động cơ và 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. Kết quả cho thấy khi pha ethanol vào xăng, momen động cơ và tiêu hao nhiên liệu tăng nhưng mức độ phát thải ô nhiễm giảm [2]. 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 chạy bằng xăng pha ethanol chúng ta cần tăng góc đánh lửa sớm của động cơ theo hàm lượng ethanol. Richie Daniel nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến tính năng động cơ chạy bằng xăng pha ethanol [3]. Kết quả cho thấy ở tốc độ 1500 vòng/phút, góc đánh lửa sớm động cơ chạy bằng xăng khoảng 7-8^o, trong khi đó góc đánh lửa sớm của ethanol khoảng 22^o [3]. Phuangwongtrakul thử nghiệm xăng pha cồn với thành phần khác nhau. Kết quả cho thấy momen lớn nhất khi động cơ chạy ở 5000 vòng/phút đạt được với góc đánh lửa sớm là 30^o, 35^o và 40^o ứng với xăng E10, E30 và E85 [4].

Trong nghiên cứu này chúng tôi khảo sát quá trình cháy và tính năng động cơ khi chạy bằng xăng pha ethanol với hàm lượng khác nhau. Ảnh hưỏng của góc đánh lửa sớm và tỷ số nén động cơ cũng được khảo sát, đánh giá.

Thí nghiệm được tiến hành tại Trung tâm thí nghiệm động cơ-ô tô, Trường Đại học Bách Khoa-Đại học Đà Nẵng. Hệ thống thí nghiệm được trang bị đồng bộ của hãng AVL. Mô tả chi tiết hệ thống thí nghiệm động cơ được trình bày trong [5]. Động cơ Daewoo A16DMS được cải tạo để thí nghiệm chạy bằng hỗn hợp xăng pha ethanol. Đó là động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh, đường kính xi lanh 79 mm, hành trình piston 81,5mm, thể tích tổng cộng xi lanh 1598 cm³, tỉ số nén động cơ 9,5. Công suất cực đại của động cơ khi chạy bằng xăng là 78 kW ở 5800 vòng/phút. 

Hỗn hợp nhiên liệu thí nghiệm chính là E15 được pha trộn 15% thể tích ethanol và 85% thể tích xăng thương mại RON92.

Hình 4a biểu diễn đồ thị công của động cơ Daewoo giữ nguyên tỷ số nén nguyên thủy, góc đánh lửa sớm 20^o chạy bằng nhiên liệu E10, E15 và E20. Công chỉ thị tương ứng là 522J, 520J và 517J. Điều này cho thấy khi tăng hàm lượng cồn trong xăng nếu giữ nguyên góc đánh lửa sớm thì công chỉ thị của động cơ có giảm nhưng rất nhẹ. Khi tăng thể tích cồn pha vào xăng từ 10% thể tích lên 20% thể tích thì công chỉ thị động cơ giảm chưa đến 1%.

Hình 4b biểu diễn biến thiên của Wi theo góc đánh lửa sớm khi động cơ chạy bằng nhiên liệu E10 và E20 ở tốc độ 1500 vòng/phút. Ta thấy khi góc đánh lửa sớm tăng thì đỉnh đường cong áp suất dịch chuyển về gần ĐCT và áp suất cực đại tăng. Tuy nhiên phân tích đồ thị công cho thấy, công chỉ thị của động cơ không tăng theo áp suất cực đại mà tăng theo diện tích đồ thị công. Biến thiên công chỉ thị theo góc đánh lửa sớm được trình bày trên hình 4b. Kết quả cho thấy trong trường hợp này góc đánh lửa sớm tối ưu nằm trong khoảng từ 25-27^o.

Do xăng E15 có chỉ số octan cao hơn xăng A92 nên nếu động cơ được cải tạo để chạy bằng nhiên liệu này thì ta có thể tăng tỉ số nén để tăng hiệu quả công tác của động cơ. Hình 5a và hình 5b so sánh đồ thị công chỉ thị của động cơ khi chạy bằng xăng E15 khi giữ nguyên tỉ số nén ban đầu 9,5 và khi tăng tỉ số nén động cơ lên 10,3 ở tốc độ 3000 vòng/phút và 4000 vòng/phút. Tính toán công chỉ thị cho thấy ở tốc độ 4000 vòng/phút công chỉ thị của động cơ có tỉ số nén 10,3 là 504J, tăng so với động cơ có tỉ số nén 9,5 (463J). Ở tốc độ 3000 vòng/phút, giá trị công chỉ thị là 458J và 421J tương ứng với tỉ số nén động cơ là 9,5 và 10,3.

  Hình 6 so sánh biến thiên công chỉ thị chu trình theo tốc độ động cơ chạy bằng xăng E15 với tỉ số nén 9,5 và 10,3 và góc đánh lửa sớm được giữ cố định 25^o trước ĐCT. Chúng ta thấy khi tốc độ động cơ tăng mà không thay đổi góc đánh lửa sớm thì công chu trình giảm. Chênh lệch công chỉ thị chu trình khi động cơ có tỉ số nén 9,5 và 10,3 hầu như ít thay đổi theo tốc độ động cơ. Ở tốc độ 1500 vòng/phút mức chênh lệch này là 30J/chu trình và ở tốc độ 4000 vòng/phút, mức chênh lệch này là 32J/chu trình.

 

Hình 10 so sánh kết quả cho bởi mô phỏng và thực nghiệm đường đặc tính ngoài của động cơ Daewoo khi chạy bằng xăng E15 với góc đánh lửa sớm 20^o và 25^o. Công suất có ích của động cơ được tính toán dựa trên công chỉ thị chu trình và hiệu suất cơ giới. Ở đây hiệu suất cơ giới được chọn =0,8. Kết quả cho thấy đường đặc tính ngoài cho bởi mô phỏng phù hợp với đường đặc tính ngoài thực nghiệm. Khi đánh lửa muộn (20^o), công suất ngoài của động cơ hơi thấp hơn công suất khi đánh lửa sớm (25^o).