Nghiên cứu thử nghiệm hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 227 NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM HAO MÒN ĐỘNG CƠ CHẠY XĂNG PHA CỒN A RESEARCH ON THE ATTRITION TEST OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE RUNNING ETHANOL GASOLINE MIXTURE Lê Văn Tụy, Trần Văn Nam, Huỳnh Bá Vang Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Xăng pha cồn đã được nhiều quốc gia áp dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong để giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên để có thể tổng quát hóa việc áp dụng, động cơ chạy nhiên liệu xăng pha cồn cần được đánh giá bằng thực nghiệm. Bài báo này so sánh hao mòn động cơ khi chạy xăng pha cồn và động cơ chạy xăng thị trường có chỉ số Octan tương đương. Sai lệch về tuổi thọ động cơ khi chạy hai loại nhiên nliệu là không đáng kể nằm trong giới hạn 0,1% sau khi chạy 455giờ mang tải trên băng thử APA. ABSTRACT The mixture of gasoline and alcohol E5 was used by many countries as the fuel with low emission for the Internal Combustion Engine. However, in general application, the engine that runs on gasoline and alcohol should be assessed by the results of experiments. This paper shows the comparison of attrition in cylinders between the engine running on gasoline without alcohol and the engine running on gasoline with alcohol E5, which have the same Octane. The difference in results of attrition is less than 0.1% after 455 hours of operation on the APA test bed. 1. Giới thiệu Xăng - dầu pha cồn là một loại sản phẩm hỗn hợp được pha trộn từ xăng có nguồn gốc từ dầu mỏ được pha với cồn (ethanol) có nguồn gốc từ các sản phẩm nông nghiệp như mía đường, ngô, khoai, sắn Chính vì vậy, các sản phẩm này thường được gọi sản phẩm sinh học (xăng sinh học). Ý tưởng sử dụng cồn để thay thế cho nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ đã có từ khá lâu. Ngay từ những năm 20 của thế kỷ trước, cồn đã được nghiên cứu để làm nhiên liệu cho động cơ ô tô, xe máy. Điển hình cho hướng đi tiên phong này là Braxin và Mỹ. Tuy nhiên, khi công nghệ hóa dầu ra đời, những sản phẩm xăng dầu có chất lượng cao đã nhanh chóng đẩy lùi ý tưởng sử dụng cồn làm nhiên liệu cho động cơ ô tô, xe máy. Song, đến những năm 70 của thế kỷ 20, khi thế giới bắt đầu có sự khủng hoảng dầu mỏ thì cồn và nhiên liệu sinh học mới thực sự được khởi động trở lại và đến những năm đầu của thế kỷ 21 đã trở thành một trong những ưu tiên hàng đầu trong những định hướng chiến lược nghiên cứu về năng lượng của nhiều quốc gia phát triển trên thế giới mà điển hình là Mỹ, Tây Âu (Đức, Pháp, Na Uy, Thụy Điển), Nhật, Thái Lan, Trung Quốc [5]. Tại Việt Nam xăng pha cồn đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng thử nghiệm tại Hà Nội và tại một số phòng nghiên cứu ở TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 228 Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng trên một số loại ô tô và xe máy. Kết quả cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu giảm, công suất động cơ có cải thiện, lượng khí thải độc hại giảm nhiều, khả năng tăng tốc của xe tốt hơn... [6]. Tuy nhiên, do nhiều đặc tính của cồn có thể gây ra ăn mòn kim loại hoặc làm hư hại các chi tiết cao su, nhựa có trong động cơ xe máy nên để có thể có cơ sở khoa học áp dụng rộng rãi xăng pha cồn cần thiết phải có những nghiên cứu ảnh hưởng của xăng pha cồn đối với độ bền và tuổi thọ của động cơ. Với mục đích đó, nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Cơ khí Giao thông – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã hợp tác nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng xăng pha cồn đến độ bền động cơ. Công trình đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm quá trình hao mòn động cơ khi chạy xăng pha cồn E5 (có chỉ số RON 92 tương đương xăng thị trường có chỉ số Octan 92) trên hệ thống băng thử động cơ APA đặt tại phòng thí nghiệm Động cơ và Ôtô – thuộc Khoa Cơ khí Giao thông. 2. Nghiên cứu thực nghiệm Động cơ dùng cho việc nghiên cứu thử nghiệm hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn E5 là 02 động cơ SUZUKI phun xăng điện tử, còn mới 100% với các thông số kỹ thuật sau: Bảng 1. Thông số kỹ thuật động cơ thử nghiệm Loại động cơ Thử nghiệm Kiểu động cơ thử nghiệm Hệ thống cung cấp nhiên liệu Công suất Max Nemax [kW] Số vòng quay ở Nemax [rpm] 02 động cơ SUZUKI mới 100% Phun xăng, 4 kỳ, 4 xy lanh Phun xăng điều khiển điện tử 31 5500 Chế độ thử nghiệm được tiến hành theo một qui trình thống nhất cho hai động cơ mới 100%, cùng kiểu – cùng hãng và cùng kích thước, sử dụng hai loại nhiên liệu xăng pha cồn có chỉ số RON 92 và xăng thị trường A92 có chỉ số Octan tương đương. Qui trình thử nghiệm được thực hiện theo chu trình 455 giờ tương đương khoảng 30.000km quãng đường chạy, gồm có hai chế độ chạy máy: chế độ chạy để đo đặc tính tổng hợp của động cơ (Short-Term Performance Test); và chế độ chạy máy mang tải nặng trong thời gian lâu dài (Long-Term Performance Test), chế độ này động cơ được vận hành mang tải từ trung bình đến chế độ đầy tải và vận hành ở tất cả các số vòng quay từ min đến max của động cơ. Chỉ tiêu hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn được đánh giá so sánh với động cơ chạy xăng thị trường theo ba chỉ tiêu đánh giá sau: - Lượng mòn xy-lanh động cơ và bộ đôi xu-pap (đo bằng máy đo 3D MITSUTOYO – của Nhật Bản), - Độ kín khít buồng cháy động cơ (đo bằng hệ thống băng thử APA-204/E8), - Hàm lượng các hạt mòn kim loại hình thành trong dầu nhờn động cơ (đo bằng máy phát xạ nguyên tử ICP-AES). TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 229 3. Kết quả và bình luận Kết quả thử nghiệm được ghi nhận và phân tích đánh giá theo ba chỉ tiêu như sau. 3.1. Đánh giá theo chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tổng hợp động cơ Kết quả diễn biến công suất động cơ xác định ở 95% mức tải và ở số vòng quay 5500[rpm] sau 440 giờ chạy và 15 giờ chạy rà cho thấy: cả hai động cơ sử dụng hai loại nhiên liệu xăng pha cồn E5 và xăng thị trường đều giảm như nhau theo thời gian chạy thử nghiệm (Hình 1). Mức độ giảm công suất của động cơ chạy xăng pha cồn E5 khoảng 1,9% so với dùng xăng A92 khoảng 2,2% (chỉ lệch nhau khoảng 0,3% với động cơ dùng xăng giảm nhiều hơn – do nó có độ ô-van của xy lanh lớn hơn). Như vậy ảnh hưởng hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn đến chỉ tiêu công suất là không đáng kể so với động cơ chạy xăng thị trường. Kết quả đánh giá so sánh diễn biến tiêu hao nhiên liệu động cơ (ở 95% mức tải và ở số vòng quay 5500 rpm sau 455 giờ chạy của hai động cơ với hai loại nhiên liệu: xăng thị trường A92 và xăng pha cồn E5 được cho trên bảng 2 và được thể hiện trên Hình 2. So sánh diễn biến tiêu hao nhiên liệu ở tốc độ 5500[rpm] 4 6 8 10 12 14 16 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Thời gian tx10 [h] Tiêu hao nhiên liệu BH [l/min] FB_A92 FB_X_E5 Linear (FB_X_E5) Linear (FB_A92) Hình 2. So sánh diễn biến tiêu hao nhiên liệu của động cơ chạy xăng pha cồn E5 và A92 (tải 95% và tốc độ cực đại 5500rpm). So sánh diễn biến công suất động cơ dùng xăng pha cồn E5 và xăng A92 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Thời gian tx10 [h] P [kW] P_A92 P_X_E5 Linear (P_X_E5) Linear (P_A92) Hình 1. So sánh diễn biến công suất động cơ chạy xăng pha cồn E5 và A92 (tải 95% và tốc độ cực đại 5500rpm). TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 230 Bảng 2. Mức độ tiêu hao nhiên liệu động cơ ở 5500rpm. Nhiên liệu thử nghiệm Mức tiêu hao ở 5500[rpm] ban-đầu/sau-thử [kg/h] Mức độ giảm [%] tiêu hao nhiên liệu ở 5500rpm Xăng A92 13,344 / 12,756 - 4,406 Xăng pha cồn E5 13,677 / 13,133 - 3,977 Kết quả cho thấy động cơ chạy xăng pha cồn E5 có mức độ giảm tiêu hao nhiên liệu (giảm 3,977[%]) thấp hơn chút ít so với dùng xăng A92 (giảm khoảng 4,406%) chênh lệch khoảng 0,429%; Điều này phản ánh đúng qui luật cân bằng năng lượng của động cơ còn mới và được điều khiển bằng điện tử; đồng thời khẳng định tính đúng đắn và tin cậy của dữ liệu thu nhận được qua việc thử nghiệm. 3.2. Đánh giá theo chỉ tiêu về độ kín khít buồng cháy động cơ Kết quả thử nghiệm việc đo 3D kích thước xy lanh động cơ sau khi thử 455 giờ khi chạy xăng pha cồn E5 so với xăng A92 cho thấy: chênh lệch về độ mòn xy lanh khi chạy xăng pha cồn E5 so với xăng A92 trên động cơ SUZUKI là không đáng kể (khoảng 0,018% ÷0,064%). Bảng 3. Mức độ tăng lớn nhất kích thước xy lanh động cơ do hao mòn sau khi chạy thử nghiệm 455 giờ. Động cơ với nhiên liệu thử nghiệm Mức tăng lớn nhất XL_1 [mm/mm], [% ] Mức tăng lớn nhất XL_4 [mm/mm], [% ] SUZUKI_Xăng A92 [0,133/65,379], [0,203%] [0,087/65,414], [0,133%] SUZUKI_Xăng_cồn E5 [0,091/65,436], [0,139%] [0,075/65,431], [0,115%] Bảng 4: So sánh mức độ tăng (+)/giảm (-) độ mòn kích thước xy lanh động cơ khi dùng xăng pha cồn E5 so với xăng A92 sau khi chạy 455 giờ. So sánh xăng pha cồn E5/A92 Xăng pha E5/A92 [%] ± [%] Mức độ tăng kích thước XL_1 0,139 / 0,203 Ít hơn (-) 0,064 Mức độ tăng kích thước XL_4 0,115 / 0,133 Ít hơn (-) 0,018 Kết quả thử nghiệm về độ hao mòn xu-pap động cơ sau khi thử 455 giờ khi chạy xăng pha cồn E5 so với xăng A92 cho thấy: độ mòn xu-pap khi chạy xăng pha cồn E5 so với xăng A92 trên động cơ SUZUKI có tăng chút ít: từ 0,003[mm] đến 0,037[mm]. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 231 3.3. Đánh giá theo chỉ tiêu về hàm lượng hạt mòn có trong dầu bôi trơn động cơ Các kết quả đo đạc về quá trình hao mòn động cơ khi chạy xăng pha cồn E5 và xăng thị trường A92 ở các phần trên được phản ánh lại một lần nữa qua kết quả xử lý phân tích chất lượng dầu nhờn và sự hình thành các hạt mài kim loại trong dầu nhờn bôi trơn động cơ. Bảng 5. Diễn biến độ nhớt động học trong dầu nhờn cac-ter động cơ Nhiên liệu thử nghiệm Sau chạy rà [cSt] ở 100oC Sau 100 giờ [cSt] ở 100oC Sau 220 giờ [cSt] ở 100oC Sau 370 giờ [cSt] ở 100oC Xăng A92 15,45 16,49 16,46 16,24 Xăng pha cồn E5 15,48 16,52 16,30 14,90 Mặc dầu đã được chạy rà khoảng 15 giờ, song vẫn có sự lọt khí xuống cac-te do các bề mặt làm việc của sec-măng và xy lanh chưa được rà khít nên độ nhớt bị giảm đôi chút, chỉ còn khoảng 15,5[cSt] (bảng 5). Sau thời gian khoảng 100giờ, các bề mặt đã được rà kín khít, hạn chế đến mức thấp nhất sự rò khí xuống cac-te động cơ, thì độ nhớt động học của dầu nhờn của cả hai động cơ dùng hai loại nhiên liệu đều tăng lên khoảng 16,5[cSt] (tăng khoảng 6,7% so với ban đầu khi động cơ còn mới, sau chạy rà). Sau thời gian 220 giờ, độ nhớt bắt đầu giảm nhẹ về khoảng 16,30 đến 16,46[cSt] do khe hở giữa sec-măng và xy-lanh bắt đầu tăng đôi chút. Mãi cho đến thời gian sau 370 giờ chạy máy thì độ nhớt của cả hai động cơ mới thấy giảm rõ ràng hơn; trong đó động cơ dùng xăng pha cồn E5 có dấu hiệu giảm rõ hơn (còn khoảng 14,90[cSt], giảm khoảng 9,8%; trong khi đó động cơ dùng xăng A92 vẫn còn duy trì tốt ở giá trị 16,24[cSt], chỉ giảm khoảng 1,52%). Diễn biến kích thước XL_4 động cơ chạy xăng A92 65.00 65.10 65.20 65.30 65.40 65.50 65.60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Chiều sâu xy lanh [mm] Đường kính xy lanh [mm] Trước TN Sau TN Hình 3. Diễn biến kích thước xy lanh 4 động cơ chạy xăng A92 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 232 Bảng 6. Mức độ tăng (+)/giảm (-) độ nhớt dầu nhờn trong cac-ter động cơ. Nhiên liệu thử nghiệm Mức độ tăng (+) sau 100 giờ [% ] Mức độ giảm (-) sau 370 giờ [% ] Xăng A92 + 6,73 - 1,52 Xăng pha cồn E5 + 6,72 - 9,81 Vậy ở tải lớn và tốc độ cao, sau hơn 370giờ chạy máy, tương đương khoảng 25.000km quãng đường chạy, động cơ dùng xăng pha cồn E5 sẽ có ảnh hưởng rõ nét đến độ nhớt của dầu nhờn dùng để bôi trơn cho động cơ. Để khắc phục điều này thì cần có các giải pháp hỗ trợ như rút ngắn hơn thời gian giữa hai lần thay dầu; tăng cường sấy nóng hỗn hợp nhiên liệu xăng E5 để hạn chế lượng cồn không bay hơi tồn tại trong xy lanh động cơ. Kết quả phân tích cường độ hình thành các hạt mòn kim loại trong dầu nhờn bôi trơn động cơ có thể được minh họa trên các hình 5 và hình 6 biểu diễn sự biến thiên nồng độ Cr hình thành trong dầu nhờn bôi trơn động cơ chạy xăng pha cồn E5 và xăng A92: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 t x10 [h] C [ppm] of mass. Cr_A92 Cr_X_E5 Log. (Cr_A92) Log. (Cr_X_E5) Hình 5. Diễn biến nồng độ hạt mòn kim loại Cr [ppm] hình thành trong dầu nhờn bôi trơn động cơ chạy xăng pha cồn E5 và xăng A92. 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 t x10 [h] C [ppm] of mass. Fe_A92 Fe_X_E5 Log. (Fe_A92) Log. (Fe_X_E5) Hình 6. Diễn biến nồng độ hạt mòn kim loại Fe [ppm] hình thành trong dầu nhờn bôi trơn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 233 động cơ chạy xăng pha cồn E5 và xăng A92. Lúc đầu các thành phần Cr của động cơ chạy xăng A92 có nồng độ hình thành cao hơn do sec-măng mòn vì độ-côn và ô-van ban đầu của động cơ chạy xăng A92 lớn hơn. Sau khi đã san phẳng độ nhấp nhô của các bề mặt tiếp xúc thì thành phần Crôm hình thành trong dầu nhờn của hai động cơ là tiệm cận nhau (sai lệch không quá 0,006[ppm]). Về sự hình thành Fe (chủ yếu do hao mòn xy-lanh), lúc đầu do độ ô-van và độ- côn xy-lanh động cơ chạy A92 lớn hơn, nên cường độ hao mòn Fe của xylanh động cơ dùng xăng A92 cao hơn động cơ dùng xăng pha cồn E5 chút ít (hình 6); nhưng sau khi đã san phẳng độ ô van và độ côn thì cường độ mài mòn Fe của xy-lanh động cơ dùng xăng pha cồn và xăng thị trường cũng tiệm cận nhau với sai lệch không quá 0,05[ppm]. Một lần nữa qua phân tích các thành phần hạt mài kim loại có trong dầu nhờn đã cho ta bức tranh toàn cảnh rõ ràng hơn về ảnh hưởng của xăng pha cồn E5 đến sự hao mòn các chi tiết của động cơ. Sai lệch về hao mòn động cơ khi chạy xăng pha cồn E5 và xăng thị trường A92 có chỉ số Octane tương đương là không đáng kể. 4. Kết luận Qui trình chạy thử nghiệm hao mòn động cơ sử dụng xăng pha cồn E5 với chu trình 455 giờ là hoàn toàn đúng đắn và hợp lý so với trang thiết bị hiện có: nếu rút ngắn chu trình tối thiểu về 200 giờ (theo lời khuyên của Hiệp hội các nhà sản suất động cơ của Hoa kỳ), thì không thể phát hiện những dấu hiệu biến đổi chất lượng dầu bôi trơn do ảnh hưởng của xăng pha cồn E5; ngược lại nếu kéo dài thời gian chạy hơn 455 giờ sẽ không có lợi cho tuổi thọ của động cơ cũng như trang thiết bị thử nghiệm. Kết quả đo đạc và xử lý số liệu sau khi chạy thử nghiệm hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn E5 và xăng thị trường A92 với chu trình 455 giờ cho ta rút ra một số kết luận sau: 1. Với động cơ mới, dù chạy xăng pha cồn E5 hay xăng thị trường A92 đều có sự tăng nhẹ công suất động cơ do cụm sec-măng xy lanh cũng như các bộ đôi xu-pap đang được rà khít bởi các nhấp nhô của bề mặt làm việc trong 100giờ chạy đầu tiên. Vì vậy trong thời kỳ đầu của xe mới, không nên mang tải quá nặng cũng như chạy tốc độ quá cao làm hại đến tuổi thọ động cơ trong thời kỳ chạy rà nóng cần thiết phải có. 2. Không có sự khác biệt đáng kể nào về lượng mòn xy-lanh (0,018%-0,064%) cũng như về tính kinh tế kỹ thuật của động cơ (0,35%-0,43%) sau khi chạy thử nghiệm hao mòn động cơ trên băng thử 455giờ. Chỉ có những dấu hiệu biến đổi khác biệt không có lợi về chất lượng dầu nhờn và độ kín khít buồng cháy động cơ sau thời gian thử nghiệm từ 370giờ đến 400giờ xẫy ra đối với động cơ SUZUKI chạy nhiên liệu xăng pha cồn E5 với chế độ tải nặng; còn trước 370 giờ không có dấu hiệu khác biệt giữa hai động cơ chạy xăng pha cồn E5 và xăng thị trường A92. Chênh lệch hạt mòn kim loại giữa hai động cơ chạy xăng pha cồn và xăng thị trường sau 455giờ là không đáng kể TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 234 (với 0,006[ppm] đối với Cr và 0,05[ppm] đối với Fe). 3. Để bảo đảm tuổi thọ động cơ khi chạy xăng pha cồn E5 tương đương động cơ sử dụng xăng thị trường, cần thiết có giải pháp tăng cường sấy nóng hỗn hợp xăng pha cồn để cho cồn được bay hơi hoàn toàn; đồng thời nên có chu kỳ thay dầu sớm hơn so với chu kỳ thay dầu của xăng thị trường A92. TÀI IỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Tụy, Trần Văn Nam (2009), Báo cáo tóm tắt kết quả thử nghiệm hao mòn động cơ chạy xăng pha cồn trên băng thử APA-204, Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường, Đà Nẵng. [2] Ngô Thành Bắc, Nguyễn Đức Phú (1994), Chẩn đoán trạng thái kỹ thuật ôtô, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà nội. [3] Nguyễn Khác Trai (2001), Kỹ thuật chẩn đoán ôtô, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội. [4] L. Z. RUMSISKI (Biên dịch: Hoàng Hữu Như, Nguyễn Bác Văn 1972), Phương pháp tính toán xử lý các kết quả thực nghiệm, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [5] Kiều Đình Kiểm, Xăng pha cồn - Những hiểu biết tối thiểu với người tiêu dùng, VietnamNet 15.8.2006. [6]