Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, KỸ
THUẬT VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN
LIỆU DIESEL-ETHANOL
EXPERIMENTAL RESEARCH ON PERFORMANCE OF DIESEL ENGINE USING
DUAL FUEL DIESEL-ETHANOL
ThS. Nguyễn Thành Bắc1a, GS.TS. Phạm Minh Tuấn2b, TS. Trần Anh Trung2c
1
Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2
Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
a
b
[email protected]; [email protected]; [email protected]
TÓM TẮT
Việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các loại nhiên liệu thay thế đang là xu hướng
chung của nhiều nước trên thế giới nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và giảm ô nhiễm môi
trường. Trong đó, ethanol được xem là một trong các nhiên liệu tiềm năng sử dụng cho động
cơ diesel. Bài báo này trình bày nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ
thuật và phát thải của động cơ diesel D4BB lắp trên xe HYUNDAI 1,25 tấn khi sử dụng
lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol tại 100% tải với tỷ lệ ethanol thay thế được lựa chọn ở gần
giới hạn kích nổ. Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ ethanol thay thế giảm khi tăng tốc độ
động cơ; suất tiêu hao năng lượng, phát thải CO và smoke nhỏ hơn; phát thải CO2, HC và
NOx lớn hơn so với trường hợp chạy diesel gốc trên toàn dải tốc độ.
Từ khóa:lưỡng nhiên liệu diesel-ethanol;tỷ lệ ethanol thay thế; suất tiêu hao năng
lượng; phát thải CO, CO2, HC, NOx và smoke; động cơ diesel-ethanol
ABSTRACT
Research, development and application of alternative fuels are tendency of many
countries to ensure energy security and reduce environmental pollution. In particular, ethanol
is considered as one of the potential fuel used for diesel engines. This paper presents an

Biện pháp phun ethanol trực tiếp vào trong xy lanh bằng cách 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. Phương pháp này cho phép tỷ
lệ ethanol lên tới 90% trong điều kiện lý tưởng [6]. Công nghệ này còn tạo ra quá trình cháy
êm 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.
Biện pháp phun ethanol trên đường ống nạp cho thấy có thể thay đổi tỷ lệ thay thế
ethanol theo từng chế độ làm việc của động cơ, cho phép tối ưu lượng ethanol theo các tiêu
chí khác nhau như khí thải, tỷ lệ thay thế và đạt tỷ lệ thay thế cao hơn biện pháp hòa trộn
trước [7, 10, 11]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng tỷ lệ thay thế góc cháy trễ và tốc
độ tăng áp suất tăng, độ khói giảm mạnh trong khi NOx, HC và CO ít thay đổi.
Từ ba biện pháp trên cho thấy biện pháp phun ethanol trên đường ống nạp đạt được các
ưu điểm như: Không phải thay đổi lớn kết cấu của động cơ, do vòi phun đặt ở trên đường ống
nạp. Hệ thống nhiên liệu ethanol đơn giản giá thành thấp. Hơn nữa, do dùng hai hệ thống
nhiên liệu riêng, nên việc ngắt phun và điều khiển phun ethanol dễ dàng. Ethanol bay hơi
trong đường ống nạp sẽ làm giảm nhiệt độ khí nạp giúp cho tăng mật độ khí nạp vào động cơ,
dễ dàng tối ưu tỷ lệ giữa ethanol và diesel theo chế độ làm việc của động cơ. Bài viết này thực
hiện nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ
diesel buồng cháy ngăn cách (IDI engine - indirect diesel injection engine) khi sử dụng lưỡng
nhiên liệu diesel-ethanol với tỷ lệ ethanol thay thế khác nhau tại 100% tải.
2. TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU, ĐỐI TƯỢNG, TRANG THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
VÀ CHẾ ĐỘ THỬ NGHIỆM
Nghiên cứu sử dụng hai loại nhiên liệu là diesel và ethanol với một số tính chất cơ bản
được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1. Các thông số kỹ thuật của nhiên liệu diesel và ethanol [8, 15]
Thông số
Diesel
Ethanol
Khối lượng riêng ở 20oC (kg/m3)


5÷8

Hàm lượng các bon (% khối lượng)

87

52,2

Hàm lượng hydro (% khối lượng)

13

13

Hàm lượng ô xy (% khối lượng)

0

34,8

Trị số cetan

373


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Động cơ thử nghiệm được lựa chọn là loại động cơ diesel D4BB lắp trên xe tải
HYUNDAI 1,25 tấn, 4 xy lanh, 4 kỳ, buồng cháy ngăn cách, sử dụng bơm phân phối, các thông
số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 2. Động cơ được đặt trên băng thử động lực

Mô men lớn nhất (N.m – vg/ph)

165 – 2200

Tỷ số nén ε

22
AVL
CEB-II

1

AVL 735S
AVL 733S

INDICATING

AVL
PUMA

2
3

COMPUTER

4

16

15

Hình 1. Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm.
AVL 733 và 735- Thiết bị đo tiêu hao và điều chỉnh nhiệt độnhiên liệu; Indicating- Thiết bị đo
áp suất; AVL PUMA- Thiết bị xử lý trung tâm; Computer- Máy tính; AVL 553- Thiết bị cung
cấp và điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát; ECU- Bộ điều khiển vòi phun ethanol; AVL CEBII- Thiết bị phân tích khí xả; 1- Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu diesel; 2- Bơm cao áp; 3- Cảm
biến vị trí thanh răng; 4- Lọc không khí; 5- Bơm ethanol; 6- Thùng chứa ethanol; 7- Lọc
ethanol; 8- Cảm biến lưu lượng không khí; 9- Cảm biến vị trí piston; 10- Cảm biến tốc độ
động cơ; 11- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát ra; 12- Cảm biến nhiệt độ nước làm mát vào;
13- Cảm biến Lambda; 14- Cảm biến áp suất; 15- Vòi phun diesel; 16- Vòi phun ethanol
374


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Chế độ thử nghiệm được lựa chọn tại 100% tải với tốc độ động cơ thay đổi từ 1000 đến
3500 v/ph với bước nhảy là 500. Thời điểm bắt đầu phun ethanol, từng vòi phun được điều
khiển độc lập tại vị trí cuối nén đầu cháy của mỗi xylanh và phun lên xu páp nạp nhằm tận
dụng nhiệt của xu páp giúp ethanol bay hơi tốt hơn. Tại từng tốc độ, lượng ethanol thay thế
được xác định bằng cách tăng lượng phun ethanol và giảm lượng diesel sao cho giữ cố định
mô men ở chế độ 100% tải, lượng ethanol tăng cho đến khi động cơ đạt gần giới hạn kích nổ
thông qua cảm biến kích nổ gắn trên thân thì tiến hành lấy số liệu.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ được thể hiện trên hình 2, kết
quả cho thấy tỷ lệ ethanol thay thế giảm dần khi tăng tốc độ động cơ. Biến thiên của lambda ở
hai trường hợp có phun và không phun ethanol được thể hiện trên hình 3, kết quả cho thấy
lambda của động cơ nguyên bản xấp xỉ 1,1 và ít thay đổi khi tăng tốc độ động cơ. Trong khi
trường hợp có phun ethanol, lambda giảm từ 1,45 ở tốc độ 1000 vg/ph xuống 1,25 ở 3500
vg/ph. Biến thiên của lambda ở trường hợp có phun ethanol đồng dạng với tỷ lệ thay thế, đồng
thời lambda trường hợp này cao hơn động cơ nguyên bản là do trong ethanol có chứa oxy.

Hình 2. Mối quan hệ giữa tỷ lệ ethanol thay thế và tốc độ động cơ
Biến thiên suất tiêu hao năng lượng theo tốc độ động cơ ở hai trường hợp phun và không

xuất hiện màng dập lửa. Các nghiên cứu [2, 7] cũng cho thấy kết quả tương tự.

Hình 5. Biến thiên phát thải CO theo tốc độ
động cơ với tỷ lệ ethanol thay thế thay đổi
so với trường hợp chạy diesel gốc

Hình 6. Biến thiên phát thải HC theo tốc
độ động cơ với tỷ lệ ethanol thay thế thay
đổi so với trường hợp chạy diesel gốc

Biến thiên phát thải CO2và smoke theo tốc độ động cơ với tỷ lệ ethanol thay thế thay
đổi so với trường hợp chạy diesel gốc tại cùng chế độ 100% mô men được thể hiện trên hình
7 và hình 8. Từ hình 7 cho thấy phát thải CO2 tăng khi tăng tốc độ động cơ. Hình 8 cho thấy,
trường hợp có ethanol thay thế thì phát thải smoke nhỏ hơn nhiều khi so sánh với trường hợp
chạy diesel gốc. Nghiên cứu của M. Abu-Qudais và các cộng sự [7] cũng có kết quả tương
đồng. Cụ thể, khi có ethanol thay thế tại tốc độ 1000 (vg/ph) phát thải smoke giảm nhiều nhất
đạt 64.92%, tại tốc độ 3000 (vg/ph) phát thải smoke giảm ít nhất đạt 12,92%. Phát thải CO2
tăng và smoke giảm có thể là do trong ethanol có 34,8% khối lượng là oxy làm cho quá trình
cháy hoàn thiện hơn giúp diesel cháy kiệt hơn.

Hình 7. Biến thiên phát thải CO2 theo tốc
độ động cơ với tỷ lệ ethanol thay thế thay
đổi so với trường hợp chạy diesel gốc

Hình 8. Biến thiên phát thải smoke theo
tốc độ động cơ với tỷ lệ ethanol thay thế
thay đổi so với trường hợp chạy diesel gốc

Biến thiên phát thải NOx được thể hiện trên hình 9. Kết quả cho thấy trường hợp có
ethanol thay thế phát thải NOx cao hơn nhiều khi so với trường hợp chạy diesel gốc. Nguyên

[3] E.A. Ajav, Bachchan Singh và T.K. Bhattacharya (1999), "Experimental study of some
performance parameters of a constant speed stationary diesel engine using ethanol-diesel
blends as fuel", Biomass and Bioenergy (17(4): 357-365).
[4] Eugene EE và các cộng sự. (1984), "State-of-the-art report on the use of alcohols in
diesel engines", SAE Paper 840118.
[5] F. G. Kremer and A. Fachetti (2000), "Alcohol as automotive Fuel – Brazilian
Experience", Presented at CEC/SAE Spring Fuels & Lubricants Meeting & Exposition,
France(2000-01-1965).
377


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[6] Hayes TK và các cộng sự. (1988), "The effect of fumigation of different ethanol proofs
on a turbo-charged diesel engine", SAE Paper 880497.
[7] M. Abu-Qudais, O. Haddad và M. Qudaisat (2000), "The effect of alcohol fumigation on
diesel engine performance and emissions"(Energy Conversion & Management 41 (2000)
389-399).
[8] Mohamed H. Morsy (2015), "Assessment of a direct injection diesel engine fumigated
with ethanol/water mixtures"(Energy Conversion and Management 94 (2015) 406–414).
[9] Murayama T và các cộng sự. (1982), "A method to improve the solubility and
combustion characteristics of alcohol diesel fuel blends.", SAE Paper 821113.
[10] Ogawa H, Setiapraja H và Nakamura T (2010), "Improvements to Premixed Diesel
Combustion with Ignition Inhibitor Effects of Premixed Ethanol by Intake Port
Injection", SAE Technical Paper 2010-01-0866.
[11] Orlando Volpato và các cộng sự. (2010), "Control System for Diesel-Ethanol
Engines"(XIX Congresso e Exposição Internacionais de Tecnologia da Mobilidade São
Paulo, Brasil 05 a 07 de Outubro de 2010 ).
[12] Ozer Cana, Ismet Celikten và Nazım Usta (2004), "Effects of ethanol addition on
performance and emissions of a turbocharged indirect injection Diesel engine running at
different injection pressures"(Energy Conversion and Management 45 (2004) 2429–2440).