BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐOÀN VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM BỀN ĐỘNG CƠ Ô TÔ
ĐỜI CŨ SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC E10

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS LÊ ANH TUẤN

HÀ NỘI – 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ đề tài
nghiên cứu nào khác.

Hà nội, ngày

tháng

năm 2014

Đoàn Văn Tuấn


nước ............................................................................................................... 22
1.4. Kết luận chương I ....................................................................................... 25
Chương II : XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM BỀN ĐỘNG CƠ Ô TÔ
SỬ DỤNG XĂNG SINH HỌC E10 ................................................................. 27
2.1. Mục tiêu thử nghiệm .................................................................................... 27

2


2.2. Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm ............................................................ 27
2.2.1. Động cơ thử nghiệm ............................................................................ 27
2.2.2. Nhiên liệu thử nghiệm ......................................................................... 28
2.3. Trang thiết bị thử nghiệm ............................................................................ 29
2.3.1. Băng thử công suất và thiết bị ............................................................ 29
2.3.2. Thiết bị đánh giá phát thải .................................................................. 40
2.4. Xây dựng quy trình thử nghiệm................................................................... 42
2.4.1 Quy trình thử nghiệm đối chứng .......................................................... 42
2.4.2. Quy trình thử nghiệm bền ................................................................... 42
2.5. Phương pháp đánh giá hao mòn các chi tiết của động cơ ........................... 44
2.5.1. Thiết bị đánh giá hao mòn chi tiết ...................................................... 44
2.5.2. Phương pháp đánh giá ........................................................................ 46
2.6. Kết luận chương II ....................................................................................... 60
Chương III : ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ............. 61
3.1. Đánh giá công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu và độ lọt khí các te trong 300h
chạy bền trên băng thử....................................................................................... 61
3.2. Mức độ hao mòn của các chi tiết động cơ trong thời gian chạy bền 300h .. 63
3.2.1. Kết quả đo chi tiết xy lanh và píttông ............................................... 63
3.2.2. Kết quả đo chi tiết xéc măng ............................................................ 67
3.2.3. Kết quả đo chi tiết trục khuỷu ........................................................... 69
3.3. Đánh giá áp suất nén của hai động cơ trong quá trình thử nghiệm bền ..... 69


Góc đánh lửa tối ưu

ISAC

Phần mềm thử nghiệm

VI

Chỉ số độ nhớt

TBN

Trị số kiềm tổng

COC

Nhiệt độ cháy

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TCB

Trước chạy bền

Hình 2.2. Phanh điện APA 100 ................................................................................ 30
Hình 2.3. Đặc tính phanh ở chế độ máy phát ........................................................... 32
Hình 2.4. Đặc tính phanh ở chế độ động cơ điện ..................................................... 32
Hình 2.5. Sơ đố khối thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 ................................. 33
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554 ........................ 34
Hình 2.7. Sơ đồ khối cụm làm mát nước, làm mát AVL 553 .................................. 34
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm mát nước AVL 553 .................................... 35

5


Hình 2.9. Hệ thống đo tiêu thụ nhiên liệu AVL 733S ............................................. 36
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống AVL733 ................................ 37
Hình 2.11. Hệ thống ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753..................................... 38
Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát nhiên liệu ........................................ 39
Hình 2.13. Hệ thống tay ga điều khiển THA-100 .................................................... 40
Hình 2.14. Tủ phân tích khí thải CEBII ................................................................... 41
Hình 2.15. Cấu tạo Panme đo ngoài ......................................................................... 45
Hình 2.16. Đồng hồ lò xo ......................................................................................... 46
Hình 2.17. Biên dạng xy lanh mòn theo phương dọc trục ....................................... 48
Hình 2.18. Ảnh hưởng của hàm lượng ..................................................................... 50
Hình 2.19. Ảnh hưởng của phụ gia .......................................................................... 50
Hình 2.20. Hao mòn xy lanh lúc khởi động khi dùng dầu có độ nhớt khác nhau.... 50
Hình 2.21. Hao mòn xy lanh lúc khởi động khi có sấy nóng (b) và không sấy nóng
dầu - nước (a) ........................................................................................................... 50
Hình 2.22. Ảnh hưởng của chất lượng lọc dầu bôi trơn và lọc không khí mài mòn
động cơ ..................................................................................................................... 51
Hình 2.23. Đặc điểm sự phân bố lượng mòn mặt gương xi lanh theo đường sinh (a)
và theo chu vi (b)...................................................................................................... 52
Hình 2.24. Vị trí mòn và phương pháp đo ............................................................... 52

7


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, vấn đề phát triển bền vững, tức là phát triển nhưng vẫn bảo vệ môi
trường, theo ước tính hiện nay, có khoảng 80%CO, 60%HC, 40%NOx trong bầu
khí quyển là do khí thải động cơ đốt trong gây ra. Thời gian gần đây một số thành
phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh đã bắt đầu xuất hiện nhiều đám
sương mù do nồng độ khí thải quá lớp tích tụ. Khí thải ô nhiễm với nhiều loại chất
có hại cho con người như: Chì, benzene, toluene, xylene, hạt bụi lơ lửng, khí CO,
HC, SO2, NO, NO2, ozone và các thành phần gây hiệu ứng nhà kính như CO2, metal
và N2O. Ở nước ta luật bảo vệ môi trường đã được áp dụng năm 1994, đến năm
2005 Chính Phủ đã ban hành Quyết định số 249/2005/QĐ-TTg ngày 10 tháng 10
năm 2005 quy định lộ trình áp dụng tiêu chuẩn khí thải đối phương tiện giao thông
cơ giới đường bộ tương đương Euro 2. Cho dến nay một số nước tiên tiến đã áp
dụng đến tiêu chuẩn Euro 6.
Trong khí đó, thế giới ngày nay đã bị lệ thuộc quá nhiều vào dầu mỏ sắp cạn
kiệt các chuyên gia kinh tế năng lượng rằng nếu không phát triển thêm trữ lượng
mới, nguồn dầu mỏ khai thác cũng chỉ đủ dùng trong vòng 40 đến 50 năm nữa. Một
số giải pháp khắc phục tình trạng trên đã được thực hiện như: tập trung là hoàn
thiện quá trình cháy động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô
tô như khí dầu mỏ hóa lỏng, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện pin
nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid)… trong đó biện pháp sử dụng xăng
sinh học là một giải pháp phù hợp nền kinh tế nước ta.
Hiện nay một số nước trên thế giới đã bắt buộc sử dụng nhiên liệu sinh học
trong GTVT. Đi theo hướng này, vào năm 2007 Thủ tướng Chính phủ Việt Nam đã
ban hành Quyết định 177/2007/QĐ-TTg về việc “Phê duyệt đề án phát triển nhiên
liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” Tháng 8 năm 2010 Tập đoàn
dầu khí Việt Nam đã chính thức đưa xăng sinh học E5 (hỗn hợp 95% xăng không
chì với 5% ethanol, nồng độ 99,7%) ra bán chính thức. Tuy nhiên người sử dụng

Ý nghĩa khoa học và thưc tiễn đề tài
Luận văn góp phần xây dựng đánh giá bền động cơ sử dụng xăng sinh học
E10 cho động cơ và ứng dụng quá trình này đánh giá động cơ thực tế trong phòng

9


thí nghiệm. Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa định hướng sử dụng đại trà xăng E10
cho các phương tiện.
Cấu trúc luận văn
Đề tài của luận văn “Nghiên cứu thử nghiệm bền ô tô đời cũ sử dụng xăng
sinh học E10” được trình bày trong 4 chương có cấu trúc như sau:
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan về Ethanol và xăng sinh học, quy trình sản
xuất ethanol sinh học từ sắn, tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu xăng sinh học
dùng cho động cơ xăng trên thế giới.
Chương 2. Xây dựng quy trình thử nghiệm bền động cơ ô tô sử dụng xăng sinh
học E10. Từ đó đánh giá hao mòn các chi tiết của động cơ.
Chương 3. Đánh giá kết quả thử nghiệm và thảo luận, đưa ra kết luận khi sử
dụng nhiên liệu sinh học E10 trên ô tô đời cũ.

10


Chương I: TỔNG QUAN
1.1. Ethanol và xăng sinh học
1.1.1. Khái niệm về ethanol và xăng sinh học
1.1.1.1. Khái niệm về ethanol
Etanol (công thức phân tử C2H5OH) là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy
đồng đẳng của ancol methylic. Etanol là chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu và
đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước, dễ bay hơi, sôi ở nhiệt độ 78,390C, hóa rắn ở

+ Có thể ôxy hóa bằng ôxy trong không khí có xúc tác sẽ tạo thành axit hữu
cơ:
CH3 - CH2 - OH + O2→ CH3 - COOH + H2O
+ Ôxy hóa hoàn toàn: C2H5OH + 3O2→ 2CO2 + 3H2O
Tính chất riêng:
- Nếu cho hơi etanol qua xúc tác hỗn hợp, ví dụ Cu + Al2O3 ở 380÷400ºC, lúc
đó xảy ra phản ứng loại nước tạo butadien:
2C2H5OH → CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2
- Phản ứng lên men giấm: Ôxy hóa rượu etylic có nồng độ 10% bằng ôxy không
khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 25ºC sẽ tạo thành dấm ăn:
CH3 - CH2 - OH + O2→ CH3 - COOH + H2O
Một số tính chất vật lý thể hiện trên bảng 1
Bảng 1. Tính chất của etanol
TT
1

Tính chất
Công thức phân tử

Giá trị
C2H5OH hay C2H6O

2

Phân tử gam

46,07 g/mol

3


Nhiệt độ sôi

78,4oC (351,6K)

9

Nhiệt độ tan

158,8 K (-114,3oC; -173,83oF)

10

Điểm tới hạn

514 K (241oC; 465,53oF) ở P = 63 bar

11

pH

7,0 (trung hòa)

12


12

Cp

65,21 J/mol.K

Sau khi phối trộn, xăng sinh học có tính chất mùi đặc trưng của xăng RON 92
do đó khó nhận biết được xăng sinh học E10. Những thay đổi nhất định về tính chất
so với xăng gốc, ví dụ về tính chất một số loại xăng sinh học thể hiện ở bảng 3 dưới
đây.
Bảng 2. Quy chuẩn tính chất của etanol nhiên liệu [1]
Tên chỉ tiêu
1. Hàm lượng etanol, % thể tích,

Mức

Phương pháp thử

92,1

TCVN 7864 (ASTM D 5501)

0,5

TCVN 7894 (EN 14110)

1,0

TCVN 7893 (ASTM E 1064)

0,007

TCVN 7892 (ASTM D 1613)

40



Bảng 3.Tính chất lý hóa của xăng sinh học
So sánh thuộc tính của xăng pha cồn và xăng nguyên chất
Đặc tính
Nhiên liệu
E0

E5

E10

E20

E30

0,7575

0,7591

0,7608

0,7645

0,7682

95,4

96,7

98,1


0,6

0,2

18,8

18,6

17,4

15

14,4

< 0,0025

< 0,0025

< 0,025

< 0,0025

< 0,0025

35,5
54,5

36,5
49,7

(wt%)
Hàm lượng
cặn (vol%)
Màu sắc

167,3

167,7

159,3

163

159,3

197,0

202,5

198,3

198,6

198,3

10176

9692

9511


1,5
vàng

1,5
vàng

1,5
vàng

Trọng lượng
riêng (kg/l ở
15,50C)
Chỉ số octan
(RON)
RVP(kPa ở
37,80C)
Hàmlượng lưu
huỳnh(wt%)
Hàm lượng chất
keo rửa trôi
(mg/100ml)
Hàm lượng chất
keo không rửa
trôi (mg/100ml)
Hàm lượng chì
(g/l)
Nhiệt độ chưng
cất (0C)
IBP


4

Hàm lượng nước, % thể tích, max

1,0

5

Hàm lượng chất biến tính (xăng, naphta), % thể tích,

1,96 - 5,0

min – max
6

Hàm lượng Clorua vô cơ, mg/l, max

32

7

Hàm lượng đồng, mg/kg, max

0,1

8

Độ axit (axit acetic), mg/l, max


Trong

1.2. Sản xuất ethanol sinh học từ sắn
1.2.1. Quy trình sản xuấtetanol
Etanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu là sắn (hoặc
ngũ cốc) chứa tinh bột (Hình 1.1). Sắn gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên
phải phân hủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men.
Sắn được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân bằng
enzym (ví dụ amylaza) để tạo đường. Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần
rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc

15


tiến mạnh khi có mặt một số chủng men ancol. Để thuận lợi cho quá trình lên men,
pH của dung dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Etanol sinh ra trong
quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh
cất để tạo etanol nguyên chất (có thể đạt mức etanol tuyệt đối- etanol khan).

Hình 1.1. Sơ đồ quy trình sản xuất etanol từ sắn
1.2.2. Quy trình làm khan ethanol
*Phương pháp làm khan etanol
Thông thường etanol sản xuất theo các phương pháp nêu trên thường có nồng độ
≤ 96% vì vậy để tạo ra etanol có nồng độ lớn hơn 99% thì chúng ta phải sử dụng
các biện pháp loại nước, hay còn gọi là làm khan. Các phương pháp làm khan như
sau:
Làm khan bằng các chất hút nước: Có thể dùng các chất hút nước như: Clorua
canxi khan, vôi.… Tuy nhiên biện pháp này ít hiệu quả.
Chưng cất phân đoạn: Đó là phương pháp cho thêm một cấu tử vào hỗn hợp để
phá vỡ điểm sôi. Cấu tử thêm là benzen và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn

phần độc hại khác. Tuy nhiên do có một số tính chất khác với xăng truyền thống
nên để ứng dụng trong thực tế nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đánh giá
ảnh hưởng của xăng sinh học tới tính năng kỹ thuật, phát thải và độ bền của động
cơ.
- Ảnh hưởng của xăng sinh học tới tính năng kỹ thuật động cơ
Động cơ sử dụng xăng sinh học thường cho kết quả về công suất, mômen tốt

17


hơn, tuy nhiên tiêu hao nhiên liệu có thể cao hơn so với xăng truyền thống.
Thử nghiệm với động cơ 4 xylanh, phun xăng điện tử, tỷ số nén 9,8:1 với xăng
E10 tại chế độ toàn tải cho thấy công suất và suất tiêu hao nhiên liệu đều tăng chút
ít so với khi sử dụng xăng thông thường (Hình 1.2). Lượng ô xy sẵn có trong xăng
sinh học giúp cải thiện quá trình cháy tăng công suất động cơ, tuy nhiên nhiệt trị của
xăng sinh học thấp hơn nên suất tiêu hao nhiên liệu tăng so với khi sử dụng xăng
thông thường.

a)

b)

Hình 1.2. Công suất (a) và suất tiêu hao nhiên liệu
(b) khi sử dụng E0 và E10
Thử nghiệm tương tự với động cơ xăng 4 xylanh, tỷ số nén 9:1 đối với xăng sinh
học có tỷ lệ etanol biến thiên từ 0% đến 25%, ở các tốc độ 1000, 2000, 3000,
4000vòng/phút và bướm ga mở 75% cũng cho thấy tính năng kỹ thuật của động cơ
được cải thiện [10]. Khi tăng tỷ lệ etanol, hệ số dư lượng không khí tương đương (tỷ
lệ nghịch với hệ số dư lượng không khí lambda) giảm xuống, tức là hỗn hợp có xu
hướng nhạt dần (Hình 1.3a). Điều này gây bởi hai nguyên nhân:


19


a)

b)

Hình 1.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ etanol tới mômen động cơ (a) và
suất tiêu hao nhiên liệu (b) [10]
Với tỷ lệ etanol cao hơn, thử nghiệm trên động cơ phun xăng điện tử trong điều
kiện góc đánh lửa tối ưu (MBT, góc đánh lửa tại đó mômen đạt lớn nhất), hệ số dư
lượng không khí được duy trì bằng 1, tỷ số nén 10:1 cho thấy mômen tăng khoảng
2%, suất tiêu hao nhiên liệu tăng khoảng 20,3% và 45,6% đối với E50 và E85 so
với E0 [11]. Điều này cho thấy mặc dù nhiệt trị của xăng sinh học thấp hơn xăng
thông thường, tuy nhiên các yếu tố như sự có mặt của ôxy trong nhiên liệu, khối
lượng riêng tăng, nhiệt hóa hơi lớn làm giảm nhiệt độ khí nạp và tăng hệ số nạp đã
dẫn tới sự tăng mômen khi sử dụng xăng sinh học. Một thử nghiệm khác với dải tỷ
lệ etanol rộng hơn, từ 0 đến 100%, ở cùng chế độ tốc độ và công suất, hiệu suất
nhiệt động cơ đạt được lớn nhất với E60 và suất tiêu hao nhiên liệu tăng cùng với tỷ
lệ của etanol trong nhiên liệu [14].
Nghiên cứu trên động cơ có thiết kế cũ, trang bị bộ chế hòa khí cho thấy với
xăng E10, E20 và E30 công suất động cơ tăng và suất tiêu hao nhiên liệu giảm so
với xăng thông thường [12]. Nguyên nhân được giải thích là do sự tăng lên của khối
lượng nhiên liệu nạp vào, của hệ số nạp và trị số Octan.
Xăng sinh học có trị số Octan lớn hơn xăng thông thường nên có thể tăng tỷ số
nén của động cơ mà không gây hiện tượng kích nổ. Thông thường, khi trị số Octan
tăng 5 đơn vị thì có thể tăng tỷ số nén lên 1 đơn vị [14], như vậy nếu sử dụng etanol

20

học trực tiếp giữa etanol và một số kim loại . Etanol trong xăng sinh học có thể hấp
thụ và hòa tan nước tạo ra dung dịch có tính axít yếu.
Do vậy khi sử dụng xăng sinh học có tỷ lệ etanol lớn các chi tiết bằng vật liệu này
có thể bị ảnh hưởng và cần phải được bổ sung thêm các chất ức chế ăn mòn. Những
tác động của xăng sinh học ảnh hưởng tới chức năng làm việc của các chi tiết và
chất lượng động cơ. Mặc dù chưa nhiều nhưng đến nay đã có một số nghiên cứu
nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng cũng như khả năng tương thích của các chi tiết và
vật liệu các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu động cơ xăng truyền thống với xăng
sinh học có tỷ lệ etanol lớn.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng xăng sinh học cho động cơ xăng
trong nước
Ở Việt Nam, nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu sinh học etanol trên động
cơ xăng ở các tỷ lệ 5% và 10% (E5 và E10) đã được đề cập trong các nghiên cứu tại
Phòng Thí nghiệm Động cơ đốt trong, Đại học Bách khoa Hà Nội [5] và Đại học
Bách khoa Đà Nẵng [12]. Các kết quả nghiên cứu đều phản ánh tích cực tính tương
đồng về các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải cũng như một số kết quả khá
khiêm tốn liên quan đến độ bền, tuổi thọ của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng
truyền thống và xăng sinh học.
Thử nghiệm trên xe máy trang bị bộ chế hòa khí với nhiên liệu xăng RON92
thông thường, E5 và E10 [3] cho thấy khi sử dụng E5, công suất và lực kéo lần lượt
tăng 6,50% và 6,24% so với khi sử dụng nhiên liệu RON 92, suất tiêu thụ nhiên liệu
giảm tới 6,37% nhờ công suất được cải thiện trong khi lượng nhiên liệu tiêu thụ tính
theo kg trên giờ (kg/h) gần như không thay đổi (Hình 1.5).

22


Cải thiện(%)

40

-16,06

-17,21
-21,65

-30

Hình 1.5. So sánh các thông số của động cơ xe máy khi sử dụng
E5 và E10 với RON 92 [5]
Cùng với đó, các thành phần phát thải CO và HC giảm lần lượt là 14,40% và
21,65% đối với nhiên liệu E5 so với khi sử dụng xăng RON 92. Đây là kết quả rất
có lợi đối với môi trường, nhất là đối với thành phần phát thải CO, một thành phần
phát thải được quan tâm nhất đối với động cơ xe máy. Quá trình cháy được cải thiện
nhờ hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu đồng đều hơn do khả năng bay hơi tốt và
do lượng ôxy sẵn có của nhiên liệu E5. Tuy nhiên, phát thải NOx và CO2 trong
trường hợp sử dụng E5 và E10 cao hơn so với xăng RON92. Đây là hệ quả của việc
quá trình cháy trong động cơ được cải thiện, nhiệtđộ cháy tăng làm tăng phát thải
NOx, nhiên liệu cháy kiệt nên hầu hết hyđrô cácbon đều được chuyển thành CO2.
Nghiên cứu đánh giá độ bền động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu E5 so với nhiên
liệu xăng RON92 thị trường đãđược thực hiện khá bài bản và chi tiết [12]. Theo đó,
động cơ của hai ô tô tải hoàn toàn mới của hãng Suzuki đãđược vận hành trong điều
kiện đối chứng trên băng thử của phòng thí nghiệm, một xe sử dụng nhiên liệu E5,
xe còn lại sử dụng nhiên liệu xăng RON92 thị trường. Kết quả thử nghiệm bền cho
thấy, sau 455 giờ chạy động cơ (tương đương với khoảng 36.000km vận hành ô tô
trên đường) thì công suất ở tốc độ 5.500 v/ph và 95% tải của động cơ sử dụng xăng
E5 giảm 1,887% trong khi công suất ở cùng chếđộ của động cơ dùng nhiênliệu

23



24