songhan
Thanh niên Ngõ chợ
Nghiên cứu về xăng pha 10% phụ gia Ethanol dưới các chiến lược cung cấp nhiên liệu khác nhau** [
*Tóm tắt*
Việc sử dụng rộng rãi xăng pha 10% ethanol (E10) làm dấy lên những câu hỏi về hiệu suất động cơ và khí thải khi nguồn cung ethanol bị gián đoạn và xăng nguyên chất (E0) được sử dụng thay thế tạm thời [2]. Nghiên cứu này thực hiện thực nghiệm nhằm điều tra tác động của nhiên liệu E0 và E10 đối với mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải trên động cơ đánh lửa cưỡng bức được trang bị hai hệ thống cung cấp nhiên liệu khác nhau: phun nhiên liệu đa điểm (MPI) và bộ chế hòa khí (CARB) [2].
Các thử nghiệm được thực hiện trên bệ thử (chassis dynamometer) với hai loại xe du lịch ở điều kiện tải một phần ổn định tại các tốc độ 60, 90 và 120 km/h, cũng như khi mở hoàn toàn bướm ga [2]. Kết quả cho thấy xe trang bị MPI có mức tiêu thụ nhiên liệu khi chạy bằng E0 thấp hơn ổn định so với E10, chủ yếu do nhiệt trị thể tích của ethanol thấp hơn [2]. Ngược lại, động cơ dùng bộ chế hòa khí cho thấy độ nhạy mạnh hơn với thành phần nhiên liệu; E10 dẫn đến sự hình thành hỗn hợp nghèo hơn và làm thay đổi đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu cũng như khí thải [2]. Lượng phát thải CO và HC ở động cơ MPI thấp hơn đáng kể nhờ kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp cân bằng (stoichiometric) vòng lặp kín kết hợp với bộ chuyển đổi xúc tác ba đường (TWC) [2]. Trong khi đó, ở động cơ dùng bộ chế hòa khí, E10 giúp giảm đáng kể lượng CO và HC so với E0 do hình thành hỗn hợp nghèo [2]. Tóm lại, các động cơ MPI hiện đại ít nhạy cảm hơn với việc thay đổi giữa E10 và E0, trong khi động cơ dùng bộ chế hòa khí có thể cho thấy những thay đổi đáng kể về hiệu suất và khí thải [2].
#### **1. Giới thiệu**
Nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng trong khi nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, dẫn đến nhu cầu sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn và khám phá các nguồn năng lượng thay thế [3]. Trong lĩnh vực vận tải, việc giảm tiêu thụ nhiên liệu gốc dầu mỏ là mục tiêu chính để cải thiện điều kiện môi trường, đặc biệt là ở các đô thị đông đúc [3]. Việc pha trộn bioethanol vào xăng là một giải pháp được áp dụng rộng rãi để giảm khí nhà kính [4].
Tuy nhiên, việc sử dụng bioethanol bị hạn chế bởi tính hút ẩm của nó; sự tách pha có thể xảy ra khi nồng độ nước chỉ ở mức 0,5% thể tích [4]. Khi hàm lượng nước tăng, nhiệt trị thấp của hỗn hợp giảm và quá trình cháy chậm lại, dẫn đến giảm hiệu suất nhiệt, tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và tăng khí thải CO, HC [4]. Ethanol cũng làm tăng áp suất hơi nhiên liệu và nguy cơ tách pha [5].
Nghiên cứu cho thấy việc thêm ethanol có thể cải thiện hiệu suất, đặc biệt là ở động cơ dùng bộ chế hòa khí (hỗn hợp 10% bioethanol có thể tăng hiệu suất khoảng 6%) [5]. Ở động cơ phun nhiên liệu hiện đại, hỗn hợp ethanol-xăng thường giảm phát thải CO và HC do hàm lượng oxy cao giúp quá trình cháy hoàn toàn hơn [6]. Tuy nhiên, ethanol có tính hút ẩm nên dễ hấp thụ độ ẩm, đẩy nhanh quá trình oxy hóa và hình thành các hợp chất axit, có thể gây tắc nghẽn kim phun hoặc giclơ [7]. Nó cũng làm tăng tốc độ ăn mòn các thành phần kim loại trong hệ thống nhiên liệu, đặc biệt là hợp kim nhôm [8].
Dù E10 đã trở thành tiêu chuẩn tại EU, nhưng tính ổn định của chuỗi cung ứng không phải lúc nào cũng được đảm bảo [9]. Trong bối cảnh bất ổn địa chính trị, việc tạm dừng pha trộn ethanol có thể xảy ra, khiến các nhà máy lọc dầu cung cấp trực tiếp xăng nền (E0) cho người tiêu dùng [9]. Do đó, nghiên cứu này so sánh hiệu suất của E0 và E10 trên hai hệ thống: bộ chế hòa khí (đại diện cho công nghệ cũ và máy phát điện cầm tay) và hệ thống phun nhiên liệu đa điểm (MPI) [10, 11].
#### **2. Vật liệu và Phương pháp**
* **Quy trình thử nghiệm
* Xe được kiểm tra với E10 trước, sau đó lặp lại với E0 [12]. Quy trình bao gồm xác định đặc tính tăng tốc, thử nghiệm trên bệ thử ở các chế độ tải khác nhau (đo mức tiêu thụ, thành phần khí thải, hệ số dư lượng không khí λ) và đo ở chế độ mở hoàn toàn bướm ga từ 1500 đến 5500 vòng/phút [12].
* **Xe thử nghiệm* (1) Toyota Corolla (MPI, có bộ xúc tác) và (2) Audi 80 (CARB, bộ chế hòa khí Keihin I, không có bộ xúc tác) [13, 14].
* **Thiết bị* Sử dụng bệ thử MAHA LPS 2000 (cho phép thử công suất tới 260 kW) và máy phân tích khí thải AVL DiCom 4000 (đo CO, CO2, O2, HC và tính toán λ) [13, 15, 16].
* **Nhiên liệu* E0 (xăng không oxy hóa) và E10 (xăng EN 228 chứa 9,85% ethanol) [10, 17]. Nhiệt trị thấp của E10 (42,11 MJ/kg) thấp hơn E0 (43,3 MJ/kg) [17].
#### **3. Kết quả và Thảo luận**
* **Tiêu thụ nhiên liệu ở chế độ ổn định* Với xe MPI (Toyota), sử dụng E0 giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng 3–5% so với E10 ở hầu hết các điểm tải một phần (đạt mức giảm 7,9% ở 60 km/h và tải 5 kW) [18]. Điều này phù hợp với việc E10 có nhiệt trị thể tích thấp hơn khoảng 3,3% so với E0 [18]. Ngược lại, xe CARB (Audi) không cho thấy sự sai lệch ổn định như vậy; mức tiêu thụ của nó phụ thuộc mạnh vào điểm vận hành do độ nhạy của bộ chế hòa khí với tốc độ và tải trọng [18].
* **Chế độ mở hoàn toàn bướm ga (Kickdown)* Hỗn hợp trong cả hai xe đều được làm giàu để tăng công suất và giảm tiếng gõ [19]. Xe MPI làm giàu hỗn hợp mạnh hơn (λ = 0,83–0,86) so với xe CARB (λ = 0,935–1,037) [19].
* **Khí thải CO2* Ở xe MPI, nồng độ CO2 tương đối ổn định và chênh lệch giữa E0 và E10 là nhỏ (0 đến –0,6%) [20]. Ở xe CARB, nồng độ CO2 thấp hơn, chủ yếu phản ứng với các hiệu ứng làm loãng hỗn hợp (λ và nồng độ O2) thay vì hiệu suất chuyển đổi carbon [20].
* **Khí thải CO* Ở chế độ tải một phần, xe MPI có mức CO gần bằng 0 nhờ bộ xúc tác TWC [21]. Xe CARB có nồng độ CO cao hơn đáng kể, đặc biệt khi chạy bằng E0 [22]. Tuy nhiên, khi chuyển sang E10, lượng CO của xe CARB giảm khoảng 56–60% do ethanol chứa oxy và tạo ra hỗn hợp nghèo hơn [22, 23].
* **Khí thải HC* Tương tự như CO, lượng HC ở xe MPI rất thấp [24]. Ở xe CARB, HC cao hơn nhiều nhưng việc sử dụng E10 giúp giảm lượng HC khoảng 1,5–2,5 lần so với E0 tại cùng các điểm vận hành [24].
* **Tỷ lệ không khí–nhiên liệu (λ)* Xe MPI hoạt động gần điều kiện stoichiometric (λ ≈ 1,0) nhờ hệ thống điều khiển vòng lặp kín [25]. Xe CARB hoạt động ở điều kiện nghèo hơn (λ > 1) và trở nên nghèo hơn nữa khi dùng E10 [26]. Điều này là do giclơ của bộ chế hòa khí là cố định, trong khi E10 có tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết thấp hơn E0 [27].
* **Tiêu thụ nhiên liệu có ích (BSFC)* BSFC ở cả hai cấu hình đều đạt mức tối thiểu ở dải tốc độ trung bình (khoảng 2500–4500 vòng/phút) [28]. Nhìn chung, việc chạy bằng E0 cho kết quả BSFC thấp hơn một chút so với E10 ở hầu hết các điểm tốc độ [28].
#### **4. Kết luận** [29]
1. **Với xe MPI* Việc dùng E0 giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu (3–5% ở tải phần và lên tới 8% ở tải thấp) so với E10. Hệ thống điều khiển λ vòng lặp kín bù đắp tốt cho hàm lượng oxy của ethanol nhưng không thể bù đắp cho mật độ năng lượng thấp hơn của nó.
2. **Với xe CARB* Sự khác biệt về tiêu thụ nhiên liệu giữa E0 và E10 không có hệ thống và phụ thuộc mạnh vào tốc độ/tải. E10 dẫn đến hỗn hợp nghèo hơn, làm thay đổi hiệu suất vận hành.
3. **Khí thải* Ở xe MPI, CO và HC rất thấp nhờ bộ xúc tác và kiểm soát hỗn hợp. Ở xe CARB (không có bộ xúc tác), CO và HC rất cao khi dùng E0, nhưng giảm mạnh khi dùng E10 nhờ oxy trong ethanol và hỗn hợp nghèo hơn.
4. **Tổng kết lại* Động cơ phun nhiên liệu điện tử mạnh mẽ hơn trước những thay đổi đột ngột của thành phần nhiên liệu giữa E10 và E0. Ngược lại, động cơ dùng bộ chế hòa khí nhạy cảm hơn, cho thấy những biến động rõ rệt về sự hình thành hỗn hợp, tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Việc chuyển đổi tạm thời từ E10 sang E0 sẽ ít tác động đến các xe MPI hiện đại nhưng có thể gây ra những thay đổi đáng kể cho các xe cũ dùng bộ chế hòa khí hoặc máy phát điện nhỏ.
*Tóm tắt*
Việc sử dụng rộng rãi xăng pha 10% ethanol (E10) làm dấy lên những câu hỏi về hiệu suất động cơ và khí thải khi nguồn cung ethanol bị gián đoạn và xăng nguyên chất (E0) được sử dụng thay thế tạm thời [2]. Nghiên cứu này thực hiện thực nghiệm nhằm điều tra tác động của nhiên liệu E0 và E10 đối với mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải trên động cơ đánh lửa cưỡng bức được trang bị hai hệ thống cung cấp nhiên liệu khác nhau: phun nhiên liệu đa điểm (MPI) và bộ chế hòa khí (CARB) [2].
Các thử nghiệm được thực hiện trên bệ thử (chassis dynamometer) với hai loại xe du lịch ở điều kiện tải một phần ổn định tại các tốc độ 60, 90 và 120 km/h, cũng như khi mở hoàn toàn bướm ga [2]. Kết quả cho thấy xe trang bị MPI có mức tiêu thụ nhiên liệu khi chạy bằng E0 thấp hơn ổn định so với E10, chủ yếu do nhiệt trị thể tích của ethanol thấp hơn [2]. Ngược lại, động cơ dùng bộ chế hòa khí cho thấy độ nhạy mạnh hơn với thành phần nhiên liệu; E10 dẫn đến sự hình thành hỗn hợp nghèo hơn và làm thay đổi đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu cũng như khí thải [2]. Lượng phát thải CO và HC ở động cơ MPI thấp hơn đáng kể nhờ kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp cân bằng (stoichiometric) vòng lặp kín kết hợp với bộ chuyển đổi xúc tác ba đường (TWC) [2]. Trong khi đó, ở động cơ dùng bộ chế hòa khí, E10 giúp giảm đáng kể lượng CO và HC so với E0 do hình thành hỗn hợp nghèo [2]. Tóm lại, các động cơ MPI hiện đại ít nhạy cảm hơn với việc thay đổi giữa E10 và E0, trong khi động cơ dùng bộ chế hòa khí có thể cho thấy những thay đổi đáng kể về hiệu suất và khí thải [2].
#### **1. Giới thiệu**
Nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng trong khi nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, dẫn đến nhu cầu sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn và khám phá các nguồn năng lượng thay thế [3]. Trong lĩnh vực vận tải, việc giảm tiêu thụ nhiên liệu gốc dầu mỏ là mục tiêu chính để cải thiện điều kiện môi trường, đặc biệt là ở các đô thị đông đúc [3]. Việc pha trộn bioethanol vào xăng là một giải pháp được áp dụng rộng rãi để giảm khí nhà kính [4].
Tuy nhiên, việc sử dụng bioethanol bị hạn chế bởi tính hút ẩm của nó; sự tách pha có thể xảy ra khi nồng độ nước chỉ ở mức 0,5% thể tích [4]. Khi hàm lượng nước tăng, nhiệt trị thấp của hỗn hợp giảm và quá trình cháy chậm lại, dẫn đến giảm hiệu suất nhiệt, tăng mức tiêu thụ nhiên liệu và tăng khí thải CO, HC [4]. Ethanol cũng làm tăng áp suất hơi nhiên liệu và nguy cơ tách pha [5].
Nghiên cứu cho thấy việc thêm ethanol có thể cải thiện hiệu suất, đặc biệt là ở động cơ dùng bộ chế hòa khí (hỗn hợp 10% bioethanol có thể tăng hiệu suất khoảng 6%) [5]. Ở động cơ phun nhiên liệu hiện đại, hỗn hợp ethanol-xăng thường giảm phát thải CO và HC do hàm lượng oxy cao giúp quá trình cháy hoàn toàn hơn [6]. Tuy nhiên, ethanol có tính hút ẩm nên dễ hấp thụ độ ẩm, đẩy nhanh quá trình oxy hóa và hình thành các hợp chất axit, có thể gây tắc nghẽn kim phun hoặc giclơ [7]. Nó cũng làm tăng tốc độ ăn mòn các thành phần kim loại trong hệ thống nhiên liệu, đặc biệt là hợp kim nhôm [8].
Dù E10 đã trở thành tiêu chuẩn tại EU, nhưng tính ổn định của chuỗi cung ứng không phải lúc nào cũng được đảm bảo [9]. Trong bối cảnh bất ổn địa chính trị, việc tạm dừng pha trộn ethanol có thể xảy ra, khiến các nhà máy lọc dầu cung cấp trực tiếp xăng nền (E0) cho người tiêu dùng [9]. Do đó, nghiên cứu này so sánh hiệu suất của E0 và E10 trên hai hệ thống: bộ chế hòa khí (đại diện cho công nghệ cũ và máy phát điện cầm tay) và hệ thống phun nhiên liệu đa điểm (MPI) [10, 11].
#### **2. Vật liệu và Phương pháp**
* **Quy trình thử nghiệm
* Xe được kiểm tra với E10 trước, sau đó lặp lại với E0 [12]. Quy trình bao gồm xác định đặc tính tăng tốc, thử nghiệm trên bệ thử ở các chế độ tải khác nhau (đo mức tiêu thụ, thành phần khí thải, hệ số dư lượng không khí λ) và đo ở chế độ mở hoàn toàn bướm ga từ 1500 đến 5500 vòng/phút [12].* **Xe thử nghiệm
* (1) Toyota Corolla (MPI, có bộ xúc tác) và (2) Audi 80 (CARB, bộ chế hòa khí Keihin I, không có bộ xúc tác) [13, 14].* **Thiết bị
* Sử dụng bệ thử MAHA LPS 2000 (cho phép thử công suất tới 260 kW) và máy phân tích khí thải AVL DiCom 4000 (đo CO, CO2, O2, HC và tính toán λ) [13, 15, 16].* **Nhiên liệu
* E0 (xăng không oxy hóa) và E10 (xăng EN 228 chứa 9,85% ethanol) [10, 17]. Nhiệt trị thấp của E10 (42,11 MJ/kg) thấp hơn E0 (43,3 MJ/kg) [17].#### **3. Kết quả và Thảo luận**
* **Tiêu thụ nhiên liệu ở chế độ ổn định
* Với xe MPI (Toyota), sử dụng E0 giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng 3–5% so với E10 ở hầu hết các điểm tải một phần (đạt mức giảm 7,9% ở 60 km/h và tải 5 kW) [18]. Điều này phù hợp với việc E10 có nhiệt trị thể tích thấp hơn khoảng 3,3% so với E0 [18]. Ngược lại, xe CARB (Audi) không cho thấy sự sai lệch ổn định như vậy; mức tiêu thụ của nó phụ thuộc mạnh vào điểm vận hành do độ nhạy của bộ chế hòa khí với tốc độ và tải trọng [18].* **Chế độ mở hoàn toàn bướm ga (Kickdown)
* Hỗn hợp trong cả hai xe đều được làm giàu để tăng công suất và giảm tiếng gõ [19]. Xe MPI làm giàu hỗn hợp mạnh hơn (λ = 0,83–0,86) so với xe CARB (λ = 0,935–1,037) [19].* **Khí thải CO2
* Ở xe MPI, nồng độ CO2 tương đối ổn định và chênh lệch giữa E0 và E10 là nhỏ (0 đến –0,6%) [20]. Ở xe CARB, nồng độ CO2 thấp hơn, chủ yếu phản ứng với các hiệu ứng làm loãng hỗn hợp (λ và nồng độ O2) thay vì hiệu suất chuyển đổi carbon [20].* **Khí thải CO
* Ở chế độ tải một phần, xe MPI có mức CO gần bằng 0 nhờ bộ xúc tác TWC [21]. Xe CARB có nồng độ CO cao hơn đáng kể, đặc biệt khi chạy bằng E0 [22]. Tuy nhiên, khi chuyển sang E10, lượng CO của xe CARB giảm khoảng 56–60% do ethanol chứa oxy và tạo ra hỗn hợp nghèo hơn [22, 23].* **Khí thải HC
* Tương tự như CO, lượng HC ở xe MPI rất thấp [24]. Ở xe CARB, HC cao hơn nhiều nhưng việc sử dụng E10 giúp giảm lượng HC khoảng 1,5–2,5 lần so với E0 tại cùng các điểm vận hành [24].* **Tỷ lệ không khí–nhiên liệu (λ)
* Xe MPI hoạt động gần điều kiện stoichiometric (λ ≈ 1,0) nhờ hệ thống điều khiển vòng lặp kín [25]. Xe CARB hoạt động ở điều kiện nghèo hơn (λ > 1) và trở nên nghèo hơn nữa khi dùng E10 [26]. Điều này là do giclơ của bộ chế hòa khí là cố định, trong khi E10 có tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết thấp hơn E0 [27].* **Tiêu thụ nhiên liệu có ích (BSFC)
* BSFC ở cả hai cấu hình đều đạt mức tối thiểu ở dải tốc độ trung bình (khoảng 2500–4500 vòng/phút) [28]. Nhìn chung, việc chạy bằng E0 cho kết quả BSFC thấp hơn một chút so với E10 ở hầu hết các điểm tốc độ [28].#### **4. Kết luận** [29]
1. **Với xe MPI
* Việc dùng E0 giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu (3–5% ở tải phần và lên tới 8% ở tải thấp) so với E10. Hệ thống điều khiển λ vòng lặp kín bù đắp tốt cho hàm lượng oxy của ethanol nhưng không thể bù đắp cho mật độ năng lượng thấp hơn của nó.2. **Với xe CARB
* Sự khác biệt về tiêu thụ nhiên liệu giữa E0 và E10 không có hệ thống và phụ thuộc mạnh vào tốc độ/tải. E10 dẫn đến hỗn hợp nghèo hơn, làm thay đổi hiệu suất vận hành.3. **Khí thải
* Ở xe MPI, CO và HC rất thấp nhờ bộ xúc tác và kiểm soát hỗn hợp. Ở xe CARB (không có bộ xúc tác), CO và HC rất cao khi dùng E0, nhưng giảm mạnh khi dùng E10 nhờ oxy trong ethanol và hỗn hợp nghèo hơn.4. **Tổng kết lại
* Động cơ phun nhiên liệu điện tử mạnh mẽ hơn trước những thay đổi đột ngột của thành phần nhiên liệu giữa E10 và E0. Ngược lại, động cơ dùng bộ chế hòa khí nhạy cảm hơn, cho thấy những biến động rõ rệt về sự hình thành hỗn hợp, tiêu thụ nhiên liệu và khí thải. Việc chuyển đổi tạm thời từ E10 sang E0 sẽ ít tác động đến các xe MPI hiện đại nhưng có thể gây ra những thay đổi đáng kể cho các xe cũ dùng bộ chế hòa khí hoặc máy phát điện nhỏ.
