ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


LÊ VIỆT HÙNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TƯƠNG ĐƯƠNG TỐI ƯU ỨNG
VỚI CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG
ETHANOL-XĂNG RON 92

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số: 60520116

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHĐN
Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Trần Văn Nam

Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Đông
Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Phụng
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc
sĩ kỹ thuật cơ khí động lực họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày
30 tháng 09 năm 2017
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
 Thư viện Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


hợp, phân tích cơ sở lý thuyết liên quan đến tính chất lý hóa của


- 2 -

nhiên liệu, môi chất và quá trình cháy của động cơ đánh lửa cưỡng
bức nhằm định hướng cho xây dựng mô hình, chế độ thực nghiệm và
quy trình thực nghiệm.Phương pháp thực nghiệm nhằm xây dựng đặc
tính tốc độ, đặc tính hiệu chỉnh hệ số dư lượng làm cơ sở để đánh giá
tính năng kinh tế, kỹ thuật và ô nhiễm đối với đối tượng cụ thể là
động cơ Daewoo A16-DMS.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Việc pha trộn thêm nhiên liệu sinh học ethanol vào nhiên
liệu xăng A92 sẽ làm thay đối tính chất lý hóa đối với nhiên liệu
dùng cho động cơ xăng, do đó sẽ làm cho quá trình gia nhiệt chuẩn
bị cho quá trình cháy của nhiên liệu mới trong buồng cháy bị thay
đổi. Vì vậy kết quả nghiên cứu của luận văn cho phép xác định tỷ lệ
ethanol có lợi và bất lợi cho động cơ, cơ chế và phạm vi điều chỉnh
hệ số tương đương nhằm hạn chế bất lợi của xăng sinh học có tỷ lệ
ethanol cao. Vì vậy ý nghĩa thực tiễn của luận văn là góp phần nâng
cao tỷ lệ ethanol trong xăng sinh học.
CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Đề tài: Nghiên cứu xác định hệ số tương đương tối ưu ứng với
các chế độ vận hành của động cơ sử dụng Ethanol-xăng RON 92”
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của đề tài luận vănđược
trình bày trong 04 chươngvới cấu trúc như sau:
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Những vấn đề về môi trường và năng lượng
1.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học trên
thế giới và ở Việt nam

1.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do nguồn năng lƣợng hóa thạch
gây ra
Ô nhiễm bầu khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả
thế giới chứ không phải riêng của một quốc gia nào. Môi trường
khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đến
con người và các sinh vật. Hàng năm con người khai thác và sử dụng


- 4 -

hàng tỉ tấn than đá, dầu mỏ, khí đốt. Đồng thời cũng thải vào
môi trường một khối lượng lớn các chất thải khác nhau như: chất thải
sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xí nghiệp làm cho hàm lượng
các loại khí độc hại tăng lên ngày càng nhanh chóng.
1.1.3 Vấn đề an ninh năng lƣợng của thế giới và các nƣớc
trong khu vực
Trữ lượng dầu mỏ đang cạn đi một cách nhanh chóng,
nhiều lần hơn so với người ta tưởng... Theo số liệu của hãng dầu lửa
khổng lồ BP thì trữ lượng dầu thế giới còn đủ thỏa mãn nhu cầu toàn
cầu trong vòng 40 năm nữa, tính theo mức tiêu thụ như hiện nay.
1.2 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN
THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.2.1 Sử dụng nhiên liệu sinh thế giới
Brazil, Trung Quốc và Mỹ là các quốc gia sản xuất và sử dụng
cồn nhiên liệu lớn trên thế giới. Họ đã khai thác và tận dụng nguồn
nhiên liệu sạch này từ rất lâu và đã mang lại nhiều lợi thế cũng như
tiết kiệm được nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng khan hiếm.
Ấn Độ đã sử dụng xăng pha 5% cồn ở 9 bang và 4 vùng
từ ngày 1/1/2003, các bang còn lại sử dụng ở giai đoạn 2, giai đoạn 3
sẽ tăng 10% cồn pha trong xăng. Các nước EU năm 2010 sẽ sử dụng


(psi)
Ethanol 0,794 19,6
0,720-

Xăng

0,775

32

2,00
4,50

107
9099

9,0

34,7

2378

363

1,2

14,6


2.3 PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH
HƢỞNG QUÁ TRÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƢỞNG
BỨC
2.3.1 Diễn biễn quá trình cháy của động cơ châm cháy cƣỡng bức

Hình 2. 1.Quá trình cháy của động cơ xăng châm cháy cưỡng bức
I – cháy trễ, II – cháy nhanh, III – cháy rớt;
1 – đánh lửa; 2 – hình thành màng lửa trung tâm; 3 – áp suất lớn
nhấtpz
Trong động cơ châm cháy cưỡng bức, quá trình cháy được bắt
đầu từ nguồn lửa xuất hiện ở điện cực bugi trong môi trường hòa khí
đều được hòa trộn trước, sau đó xuất hiện màng lửa theo mọi hướng
tới khắp không gian buồng cháy. Trong quá trình cháy hóa năng của
nhiên liệu được chuyển thành nhiệt năng làm tăng áp suất và nhiệt độ
của môi chất. Nếu nhiên liệu được cháy càng kiệt, kịp thời thì năng


- 8 -

lượng nhiệt nhả ra được chuyển thành công càng tốt làm tăng công
suất và hiệu suất động cơ.
2.3.2 . Các nhân tố chính ảnh hƣởng đến quá trình cháy động cơ
đánh lửa cƣỡng bức
a) Ảnh hưởng của chất lượng hòa khí đến quá trình cháy
b) Ảnh hưởng của tia lửa điện
c) Ảnh hưởng của tốc độ và phụ tải đến quá trình cháy
d) Ảnh hưởng của kết cấu động cơ
2.4 QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH VỚI CÁC
CHỈ TIÊU KINH TẾ, KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ
2.4.1. Đặc tính động cơ xăng

cơ cấu điều khiển nhiên liệu ở những vị trí trung gian nhỏ hơn giới
hạn ngoài.
2.4.2 Suất tiêu hao năng lƣợng
Suất tiêu hao năng lượng W[kJ/kW/h]

W

G
Wh
; Wh  nl ( E %. E .WE  Xa%. xa .Wxa )
Ne
H
(2. 2)

2.5 NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA HỆ SỐ DƢ LƢỢNG
KHÔNG KHÍ ĐẾN CÁC TÍNH NĂNG KINH TẾ KỸ THUẬT
CỦA ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƢỠNG BỨC
2.5.1 Hệ số dƣ lƣợng không khí ()
a) Ảnh hưởng của  đến công suất và suất tiêu hao nhiên
liệu (ge) của động cơ

Hình 2. 2. Ảnh hưởng của  đến Ne và ge của động cơ xăng
b) Ảnh hưởng của  đến quá trình cháy của động cơ
c) Ảnh hưởng của  tới hiệu suất của động cơ


- 10 -

Hình 2. 3.Ảnh hưởng của  đến t và i
1-Với tải bộ phận; 2- Với 100%tải; 3 - Với 2 bugi cho mỗi xylanh;


Máy tính điều khiển trung tâm
Trung tâm xử lý dữ liệu Puma.
Bộ điều khiển tay ga THA-100.
Bộ đo lưu lượng khí nạp.
Hộp thu nhận các tín hiệu nhiệt độ và áp suất từ động cơ thí
nghiệm.

6. Bộ đo độ lọt khí Cacter.
7. Các cảm biến gắn trên động cơ.
8. Bộ cấp và đo tiêu hao nhiên liệu.


- 12 -

9. Băng thử APA 204/8.
10. Bộ cấp và điều hoà nhiệt độ nước làm mát động cơ.
11. Thiết bị đo ô nhiễm khí thải KME500
12. Bộ giảm chấn khí nén.
13. Bệ thử nghiệm.
3.1.2 Đối tƣợng thí nghiệm
Động cơ Daewoo A16DMS, là động cơ ô tô được lắp trên dòng
xe Nubira.
3.1.3 Trang thiết bị thí nghiệm
3.1.3.1 Băng thử công suất động cơ APA
3.1.3.2 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL-733
3.1.3.3 Thiết bị đo tốc độ động cơ và vị trí trục khuỷu ( AVL 364C
và 364X encoder) và thiết bị đo áp suất AVL Indiset 620
3.1.3.4 Thiết bị làm mát nước AVL 553
3.1.3.5 Các thiết bị cảm biến

liệu E20.
4.1. ẢNH HƢỞNG CỦA TỶ LỆ ETHANOL ĐẾN TÍNH
KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ
4.1.1. Ảnh hƣởng của tỷ lệ ethanol đến hệ số tƣơng
đƣơng của hỗn hợp.
Đối với trường hợp động cơ sử dụng xăng RON 92, hệ số
tương đương thay đổi tương đối lớn theo tải và tốc độ của động cơ.
Khi tải động cơ tăng lên hệ số tương đương tăng, nghĩa là hỗn hợp
đậm lên để cải thiện công suất động cơ. Diễn biến của hệ số tương
đương tương tự khi động cơ sử dụng nhiên liệu E10, E15 và E20, chỉ
có điểm khác là ở cùng tốc độ và độ mở bướm ga hệ số tương đương
giảm xuống khi tăng tỷ lệ ethanol trong xăng, mức giảm của hệ số
tương đương  khoảng 0,05 ứng với tỷ lệ ethanol tăng khoảng 5%.


- 14 -

4.1.2. Ảnh hƣởng của tỷ lệ ethanol đến tính kỹ thuật, kinh tế của
động cơ
a) Đến mô men và công suất có ích
Mô men có ích ở 30%BG
120
110

Me (Nm)

100
90
80
70


Mô men có ích ở 70%BG
130

120
110
Me (Nm)

100
90

80
70
60
50

40
1000

1500

RON92
RON92

2000

2500
E10
E10


tăng trở lại và qe có cùng quy luật. Khi động cơ sử dụng nhiên liệu
xăng RON 92, ge của động cơ đạt giá trị cực tiểu 306g/kWh,
308g/kWh ở 3250 vòng/phút và 301g/kWh ở 3500 vòng/phút lần
lượt ứng với các mức tải 30, 50 và 70%BG. Khi động cơ sử dụng
xăng pha ethanol diễn biến của ge và qe có cùng qui luật nhưng có sự
thay đổi về giá trị.
4.1.3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ ethanol đến phát thải ô nhiễm
Từ những kết quả thí nghiệm cho thấy nhiên liệu E10 và E15
sử dụng trên động cơ Daewoo A16DMS cho công suất, mô men có
ích, cũng như suất tiêu hao nhiên liệu có ích tương đương và thậm
chí tốt hơn so với RON 92; đồng thời phát thải CO và HC thấp hơn
hơn so với xăng RON 92. Tuy nhiên đối với E20 thì tỏ ra bất lợi về
mô men và công suất có ích, đặc biệt mô men, công suất có ích giảm
đến 14% và suất tiêu hao nhiên liệu có ích tăng đến 10% ở pham vi
tốc độ thấp. Nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến đông cơ khi sử
dụng E20 chính là nhiệt ẩn hóa hơi của E20 cao và nhiệt trị của E20
thấp hơn xăng khá nhiều. Điều này làm gia tăng thời gian cháy trễ
của hỗn hợp khi động cơ sử dụng nhiên liệu E20.


- 16 -

Vì vậy cần có sự hiệu chỉnh về thông số vận hành như tăng
nhiệt độ nước làm mát, tăng hệ số tương đương (tăng lượng nhiên
liệu cung cấp), làm sớm góc đánh lửa để hạn chế nhược điểm nói
trên của nhiên liệu E20.
4.2. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA HỆ SỐ TƢƠNG ĐƢƠNG
CỦA HỖN HỢP ĐẾN TÍNH KINH TẾ, KỸ THUẬT VÀ Ô
NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU E20
Bảng 4.1:Thông số kỹ thuật và kinh tế của động cơ ứng với 30% BG ở 1250

8.44
8.83
12.42
9.95

ge
(g/kWh)
423.98
444.92
355.84
460.17

qe
(MJ/kWh)
16.18
17.76
14.20
18.37

Bảng 4.2:Thông số kỹ thuật và kinh tế của động cơ ứng với 30% BG ở 2000
vòng/phút
Gnl
(kg/h)
5.65
6.14
6.88
7.01

Gkk
(kg/h)

391.80

qe
(MJ/kWh)
15.39
14.27
14.58
15.64

Bảng 4.3:Thông số kỹ thuật và kinh tế của động cơ ứng với 30% BG ở 2500
vòng/phút
Gnl
(kg/h)
6.67
7.19
8.09
8.96

Gkk
(kg/h)
102.93
107.07
109.41
115.39


0.88
0.93
1.00
1.10

vòng/phút
Gnl
(kg/h)
7.45
8.48
10.11
10.44

Gkk
(kg/h)
119.03
129.64
127.81
123.63


0.87
0.94
1.09
1.17

Me
(Nm)
75.55
82.28
97.71
81.80

Ne
(kW)


Gnl (kg/h)

Gnl (kg/h)

Lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ ở 30%BG

16

10
8

10

6

8

6
4

4

2

2
1000

1500


4500

n (rpm)

n (rpm)
E20_Pf=3.2bar
A92_Pf=3.2bar

E20_Pf=4.5bar

E20_Pf=2.5bar

E20_Pf=3.2bar

E20_Pf=5bar

A92_3.2bar

E20_Pf=4.5bar

Hình 4.1.Sự thay đổi của lượng nhiên liệu cung cấp theo áp suất phun nhiên liệu
Công suất có ích của động cơ sử dụng nhiên liệu E20 ứng với 50%BG

Công suất có ích của động cơ sử dụng nhiên liệu E20 ứng với 30%BG
45

35
30

35

2500rpm

2000rpm

11

3

13

5

7

9

11

13

15

Gnl (kg/h)
3000rpm

1250rpm

3500rpm

2000rpm


1.05
1.00

1.00
0.95

0.95

0.90

0.90

0.85

0.85
0.80

0.80
3.0

5.0

7.0

9.0

11.0

13.0


1250rpm

2000rpm

2500rpm

3000rpm

3500rpm

Hình 4.3.Diễn biến của hệ số tương đương của hỗn hợptheo lượng nhiên liệu cung
cấp

Tính năng kinh tế, kỹ thuật và ô nhiễm của động cơ Daewoo
A16DMS sử dụng E20 có sự thay đổi khi thay đổi lượng nhiên liệu
cung cấp bằng cách thay đổi áp suất phun nhiên liệu. Như vậy chất
lượng hỗn hợp mà ở đây là độ đậm nhạt của hỗn hợp đã thay đổi,
nghĩa là hệ số tương đương  của hỗn hợp đã ảnh hưởng đến mô
men, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu có ích và phát thải của động
cơ.


- 18 -

4.2.1. Ảnh hƣởng của hệ số tƣơng đƣơng đến tính kinh tế, kỹ
thuật của động cơDaewoo A16DMS khi sử dụng nhiên liệu E20
a) Tính kỹ thuật của động cơ

Hình 4.4 Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến mô men có

2000rpm

2500rpm

3000rpm

3500rpm

Hình 4.5 Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến công suất có ích
của động cơ sử dụng nhiên liệu E20
Từ diễn biến ở trên cho thấy ở tốc độ từ 2000 đến 3500
vòng/phút khi hệ số tương đương trong khoảng từ 0,92-1,05 thì động
cơ phát huy được mô men và công suất có ích, ở tốc độ thấp 1250
vòng/phút do trạng thái nhiệt của động cơ thấp nên hệ số tương
đương giảm xuống còn 0,85-0,95. Như vậy xu hướng chung là để
động cơ Daewoo A16DMSphát huy tốt mô men và công suất khi sử
dụng E20 thì hệ số tương đương 0,90 ≤  ≤1,0để đảm bảo khả năng
bay hơi tốt cho nhiên liệu.


- 19 -

b) Tính kinh tế của động cơ
Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ ở 30%BG
550

ge (g/kWh)

500
450

qe (MJ/kWh)

Suất tiêu hao năng lượng có ích của động cơ ở 30%BG

30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10

25
20
15
10

0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25


0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25



1250rpm


2000rpm

2500rpm

3000rpm

3500rpm

Hình 4.7. Ảnh hưởng của hệ số tương đương đến suất tiêu hao năng
lượng có ích của động cơ sử dụng nhiên liệu E20
Từ diễn biến ở trên cho thấy ở tốc độ từ 2000 đến 3500
vòng/phút khi hệ số tương đương trong khoảng từ 0,90-0,97 thì động
cơ tiêu hao ít nhiên liệu và năng lượng, ở tốc độ thấp 1250 vòng/phút
do trạng thái nhiệt của động cơ thấp nên hệ số tương đương giảm
xuống còn 0,80-0,90. Như vậy xu hướng chung là để động cơ
Daewoo A16DMStiêu thụ ít nhiên liệu khi sử dụng E20 thì hệ số
tương đương 0,85 ≤ ≤ 0,97 để đảm bảo khả năng bay hơi tốt cho
nhiên liệu.


- 20 -

4.2.2. Ảnh hƣởng của hệ số tƣơng đƣơng đến ô nhiễm của
khí thải động cơ
Bảng 4. 5: Phát thải ô nhiễm ở 30%BG
CO(%) HC(ppm) CO2(%) NOx(ppm)

n=1250 vòng/phút
0.80
1.03

3.51
108.00
15.10
1561.00
1.08
5.35
146.00
13.90
1235.00
n=2500 vòng/phút
0.88
1.16
49.00
14.60
899.00
0.93
1.58
96.00
16.70
1229.00
1.00
3.02
94.00
16.30
1688.00
1.10
5.31
167.00
13.90
1021.00

16.00
894.00
1.15
5.52
273.00
12.90
671.00
1.22
8.61
499.00
12.10
349.00


- 21 -


0.80
0.85
0.92
0.96
0.82
0.88
0.96
1.01
0.83
0.90
0.99
1.04
0.84

913.00
n=2000 vòng/phút
1.11
35.00
16.10
1078.00
1.15
80.00
17.00
1311.00
2.43
107.00
16.80
1195.00
2.91
195.00
15.30
1011.00
n=2500 vòng/phút
1.15
27.00
15.60
1333.00
1.18
63.00
17.40
1428.00
2.64
80.00
16.60

1637.00
5.89
61.00
14.80
1056.00
9.30
575.00
13.70
552.00

Trên cơ sở số liệu khí thải động cơ ( Bảng 4.7, Bảng 4.8) khi
sử dụng nhiên liệu E20 theo hệ số tương đương ở 2 mức tải 30%BG
và 50%BG, xác định được qua hệ giữa quan hệ bậc 2 giữa nồng độ
các chất CO, CO2, HC và NOx với hệ số tương đương  ở ba mức
tốc độ đặc trưng là 1250, 2000-2500 và 3000-3500 vòng/phút (Hình
4.). Diễn biến cho thấy:


- 22 -

- Ở phạm vi hệ số tương đương =0,8-0,85, mức phát thải
CO và HC gần như thấp nhất. Do hỗn hợp nhạt khiến nhiệt độ cháy
thấp nên lượng CO2 và NOx sinh ra cũng chưa đạt giá trị lớn nhất.
- Ở phạm vi hệ số tương đương =0,85-0,92, mức phát thải
CO và HC tăng lên, mức phát thải NOx tăng lên và mức phát thải
CO2 đạt giá trị lớn nhất. Đây chính là phạm vị của hệ số tương
đương mà động cơ tiêu hao nhiên liệu ít nhất nghĩa là quá trình cháy
hoàn thiện nhất chính là lý do khiến phát thải CO2 đạt giá trị lớn.
- Ở phạm vi hệ số tương đương =0,92-1,0, mức phát thải
CO và HC tiếp tục tăng lên, mức phát thải CO2 giảm xuống và mức


HC (ppm), NOx (ppm)

CO (%), CO2 (%)

16.0

200

2.0
0.0

0
0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10



1400

12.0

1200

12.0

1200

10.0

1000

10.0

1000

8.0

800

8.0

800

6.0

600



0.95

1.00



CO2_2000rpm

1.05

HC_2000rpm

CO (%), CO2 (%)

18.0

1.10

200
0
0.80

NOx_2000rpm

HC (ppm), NOx (ppm)

Phát thải ô nhiễm ở 2000 vòng/phút tại 50%BG
1800


16.0

800

10.0
600
8.0
6.0

400

4.0
200

2.0

CO (%), CO2 (%)

12.0

HC (ppm), NOx (ppm)

CO (%), CO2 (%)

1000
14.0

20

1800


200

2

0.0

0
0.90

CO_3500rpm

0.95

1.00

1.05

CO2_3500rpm



1.10

1.15

HC_3500rpm

1.20



1.10

HC_3500rpm

1.15

1.20
NOx_3500rpm

Hình 4.10.Phát thải CO, CO2, HC và NOx theo hệ số tương đương
ở 3500 vòng/phút
Từ diễn biến ở trên cho thấy để phát thải CO, HC và NOx
thấp và CO2 hợp lý (giảm tiêu hao nhiên liệu) nên duy trì hệ số tương
đương  0,90.