Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNGNghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG

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

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ PHUN NHIÊN LIỆU ĐẾN ĐẶC TÍNH

LÀM VIỆC ĐỘNG CƠ CNG

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS Trần Đăng Quốc

2 PGS.TS Cao Hùng Phi

HÀ NỘI – 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các

số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan

Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực phù hợp với thực tiễn của Việt Nam và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày tháng năm 2024

Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh

TS Trần Đăng Quốc PGS.TS Cao Hùng Phi Hồ Hữu Chấn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Cơ khí, Phòng đào tạo, Khoa Cơ khí động lực, Nhóm chuyên môn Hệ thống động lực ô tô, đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

và thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trần Đăng Quốc và PGS.TS Cao Hùng Phi, hai người thầy đã hướng dẫn tôi rất tận tình, chu đáo về chuyên môn trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, khoa

Cơ khí động lực đã tạo điều kiện, động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô, cán bộ Khoa Cơ khí động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long đã hỗ trợ, động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô phản biện, thầy cô trong Hội đồng đánh giá luận án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án cũng như đưa ra những định hướng nghiên cứu trong tương lai Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã luôn động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án

Nghiên cứu sinh

Hồ Hữu Chấn

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv

MỞ ĐẦU 1

i Lý do chọn đề tài 1

ii Mục tiêu của luận án 2

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iv Phương pháp nghiên cứu 2

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

vi Các điểm mới của luận án 3

vii Bố cục của luận án 3

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về nhiên liệu thay thế 4

Nhiên liệu sinh học (Biofuel) 5

Nhiên liệu hydrogen 8

1.2 Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên 10

Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên 10

Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) 13

Nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) 14

1.3 Các nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên nén 15

Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG 16

Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu 19

Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng 21

Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel 22

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên 23

Các nghiên cứu ngoài nước 23

Các nghiên cứu trong nước 24

1.5 Kết luận chương 1 25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ 27

2.1 Cơ sở hình thành hỗn hợp 27

2.2 Cơ sở lý thuyết quá trình cháy 29

Các giả thuyết 31

Mô hình cháy không chiều 32

Khối lượng hỗn hợp đã cháy 33

Mô hình cháy một vùng: Tốc độ giải phóng nhiệt 33

2.3 Khái quát về mô phỏng 33

Phần mềm AVL Boost 34

Phần mềm Ansys Fluent 34

2.4 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ 37

Lựa chọn động cơ 37

Nghiên cứu chuyển đổi của tác giả Trần Thanh Tâm 38

Chuyển đổi động cơ diesel S1100 thành động cơ CNG điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa điện tử: 39

2.5 Xây dựng đặc tính làm việc của động cơ sau chuyển đổi 45

Phương pháp thí nghiệm 45

Kết quả thí nghiệm 47

2.6 Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 51

3.1 Mục đích 51

3.2 Xây dựng mô hình động cơ nghiên cứu 51

Nghiên cứu động cơ mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost 51

Xây dựng mô hình bằng Ansys Fluent 55

3.3 Hiệu chuẩn và điều khiển mô hình 57

Hiệu chuẩn mô hình trên AVL Boost 57

Điều khiển mô hình trên Ansys Fluent 58

3.4 Ảnh hưởng của thông số phun 59

Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun 59

Ảnh hưởng của lambda 65

Ảnh hưởng của thời gian phun 66

Ảnh hưởng của đường kính ống nạp 70

Ảnh hưởng của vị trí đặt vòi phun 75

Ảnh hưởng của áp suất phun 77

3.5 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc 79

3.6 Kết luận chương 3 82

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 84

4.1 Mục đích… 84

4.2 Lựa chọn vòi phun điều khiển bằng điện 84

4.3 Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng cơ khí đến chất lượng làm việc của động cơ 86

Ảnh hưởng đến mô men và công suất 86

Ảnh hưởng đến phát thải của động cơ 87

4.4 Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến chất lượng làm việc của động cơ 89

Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến lượng nhiên liệu cung cấp 89

Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất và mô men động cơ 91

Ảnh hưởng của áp suất phun đến khí thải 92

4.5 So sánh ảnh hưởng của giải pháp phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động cơ 94

4.6 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng 97

4.7 Kết luận chương 4 100

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

PHỤ LỤC 113

Phụ lục 1 Kết quả mô phỏng Ansys Fluent 113

Phụ lục 2 Kết quả mô phỏng AVL Boost 114

Phụ lục 3 Kết quả thực nghiệm 121

Phụ lục 4 Quá trình chuyển đổi hệ thống làm mát động cơ thí nghiệm S1100: 123

Phụ lục 5 Hệ thống điều khiển đánh lửa và vòi phun 126

Phụ lục 6: Thiết bị phân tích khí thải KEG – 500 CE 131

Phụ lục 7: Thiết lập các thông số cần thiết cho mô hình 138

25 𝐺𝑒 Lượng nhiên liệu cấp cho động cơ (lít/phút)

26 𝑚𝑑𝑒𝑙𝑖𝑣𝑒𝑟𝑦 Lượng nhiên liệu phun (g/s)

33 𝑚𝐹,𝑒𝑓𝑓 Tổng lưu lượng nhiên liệu phun (kg/s)

34 𝑚𝐹,𝑖𝑛𝑗 Lưu lượng nhiên liệu phần tia phun (kg/s)

35 𝑚𝐹,𝑝𝑢𝑑𝑑𝑙𝑒 Lưu lượng nhiên liệu bám đọng trên thành ống

(kg/s)

36 A Lượng không khí nạp vào trong xylanh động cơ

(g/s)

37 F Khối lượng nhiên liệu cấp (g/s)

38 (𝐴/𝐹) 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 Tỷ số giữa không khí và nhiên liệu thực tế nạp vào

49 Aw Diện tích thành vách buồng cháy (m2)

50 Tw Nhiệt độ thành vách buồng cháy (K)

54 𝐶𝑉 Nhiệt dung riêng đẳng tích (J/kmol.K)

55 𝐶𝑝 Nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kmol.K)

56 𝑀𝐹𝐵𝜃 Phần khối lượng được đốt cháy tại góc quay trục

60 𝑉𝑑 Dung tích xylanh (Lít)

61 𝜃𝑠, 𝜃𝑒 Góc quay bắt đầu và kết thúc của quá trình đốt cháy

69 𝛼𝑘 Tỷ lệ khối lượng của pha K trong hỗn hợp

70 𝛼𝑗,𝑘 Enthalpy của chất j trong pha k

71 𝐽⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑗,𝑘 Thông lượng khuếch tán của chất j trong pha k

73 𝐺𝑘 Động năng rối được tạo ra bởi gradient vận tốc

74 𝐺𝑏 Động năng rối được tạo ra bởi ảnh hưởng của

buoyancy

75 𝑌𝑚 Ảnh hưởng của độ giãn nở do dao động trong dòng

chảy rối nén được đến hệ số phân tán rối

76 𝐶1, 𝐶2, 𝐶3 Hằng số mô hình

80 𝑤𝑥, 𝑤𝑦, 𝑤𝑧 Vận tốc góc tức thời của dòng khí nạp với các trục

85 h Vị trí đặt vòi phun so với cửa nạp (mm)

86 𝐶𝑂𝑉𝑖𝑚𝑒𝑝 Hệ số đánh giá sự thay đổi áp suất có ích trung bình

89 𝑚𝑓_𝑜 Lưu lượng nhiên liệu tính toán tại vị trí cửa ra ống

nạp (g/s)

90 pro_k Production of k (kG/ms3)

91 𝑆𝑝𝑡𝑏 Tốc độ trung bình piston (m/s)

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

19 ICEVs Internal Combustion Engine Vehicles

30 PEMFCs Protons Exchange Membrane Fuel Cells

33 RON Research Octane Number

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050 theo lĩnh vực

sử dụng[8] 4

Hình 1.2 Số lượng phương tiện và trạm nạp nhiên liệu khí thiên nhiên trên thế giới năm 2019[95] 12

Hình 1.3 Các loại bồn lưu trữ nhiên liệu CNG 14

Hình 1.4 Phân loại hệ thống đánh lửa và cấp nhiên liệu động cơ CNG[109] 16

Hình 1.5 Các hệ thống trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel[112] 17

Hình 1.6 Các hệ thống trên động cơ phun gián tiếp CNG[117] 18

Hình 1.7 Sơ đồ bộ hòa trộn CNG[118] 18

Hình 1.8 Ví dụ về các chi tiết của bộ hòa trộn CNG[119] 19

Hình 1.9 Bốn chu trình của động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel[132] 21

Hình 2.1 Phân chia quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức 30

Hình 2.2 Hình ảnh chuyển động của dòng khí theo các trục 36

Hình 2.3 Động cơ S1100 38

Hình 2.4 Cảm biến CKP và cảm biến CMP 39

Hình 2.5 Cảm biến lượng khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga 40

Hình 2.6 Bộ điều khiển điện tử 40

Hình 2.7 Ống nạp và vòi phun điều khiển bằng điện 41

Hình 2.8 Bô bin đánh lửa và bugi 41

Hình 2.9 Bình chứa khí CNG và cụm van giảm áp 42

Hình 2.10 Thiết bị đo lưu lượng khí thiên nhiên 42

Hình 2.11 Hình dạng đỉnh piston sau chuyển đổi 43

Hình 2.12 Hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải 44

Hình 2.13 Hệ thống khởi động điện 44

Hình 2.14 Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức 45

Hình 2.15 Sơ đồ bố trí thiết bị phục vụ thí nghiệm 46

Hình 2.16 Động cơ và thiết bị thí nghiệm 46

Hình 2.17 Kết quả thí nghiệm ban đầu của động cơ sau khi chuyển đổi 47

Hình 2.18 Kết quả thí nghiệm của NOx và HC 49

Hình 2.19 Kết quả thí nghiệm của CO và CO2 49

Hình 3.1 Động cơ một xylanh mô phỏng bằng AVL Boost 51

Hình 3.2 Các thông số nhập vào trong mô hình cháy Fractal 52

Hình 3.3 Nhập thông số điều khiển vòi phun nhiên liệu 53

Hình 3.4 Cửa sổ chọn kiểu phun nhiên liệu 53

Hình 3.5 Thông số mô hình truyền nhiệt 54

Hình 3.6 Mô hình ma sát 54

Hình 3.7 Mô phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent 55

Hình 3.8 Giao diện Mô-đun Fluid Flow (Fluent) 55

Hình 3.9 Giao diện xây dựng mô hình Geometry 56

Hình 3.10 Mô hình sau chia lưới 56

Hình 3.11 Kết quả hiệu chuẩn mô hình 57

Hình 3.12 Hiệu chuẩn mô hình theo khí thải động cơ 58

Hình 3.13 Mô phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent 58

Hình 3.14 Mô hình sau chia lưới 59

Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ theo độ mở bướm

ga 59

Hình 3.16 Sự thay đổi của HC theo thời điểm bắt đầu phun theo độ mở bướm ga 60

Hình 3.17 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO theo độ mở bướm ga 61

Hình 3.18 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx theo độ mở bướm ga 62

Hình 3.19 Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau 63

Hình 3.20 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx tại các tốc độ động cơ khác nhau 64

Hình 3.21 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO tại các tốc độ động cơ khác nhau 65

Hình 3.22 Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun đến thành phần phát thải HC theo tốc độ động cơ 65

Hình 3.23 Ảnh hưởng của hệ số dư lượng không khí đến mô men 66

Hình 3.24 Ảnh hưởng thời gian phun đến mô men 66

Hình 3.25 Ảnh hưởng của thời gian phun đến lamda 67

Hình 3.26 Ảnh hưởng của thời gian phun đến diễn biến áp suất trong xylanh 68

Hình 3.27 Ảnh hưởng của thời gian phun đến tổng thời gian cháy của hỗn hợp 68 Hình 3.28 Ảnh hưởng của thời gian phun đến tỉ lệ khối lượng cháy của hỗn hợp 69

Hình 3.29 Ảnh hưởng của thời gian phun đến tốc độ giải phóng nhiệt 69

Hình 3.30 Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu nạp vào động cơ theo sự thay đổi của đường kính ống nạp khi thay đổi tốc độ động cơ 70

Hình 3.31 Ảnh hưởng của đường kính ống nạp tới mô men theo tốc độ động cơ 71

Hình 3.32 Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới mô men động cơ 72

Hình 3.33 Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới công suất động cơ 72

Hình 3.34 Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải NOx 73

Hình 3.35 Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải CO 74

Hình 3.36 Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải HC 75

Hình 3.37 Ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến vận tốc trung bình của hỗn hợp 76 Hình 3.38 Ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến vận tốc trung bình của nhiên liệu 76

Hình 3.39 Ảnh hưởng của vị trí vòi phun đến động năng rối của hỗn hợp 77

Hình 3.40 Ảnh hưởng của áp suất phun đến lưu lượng phun nhiên liệu 77

Hình 3.41 Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc của dòng nhiên liệu trên đường nạp 78

Hình 3.42 Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc trung bình của dòng khí 79

Hình 3.43 Ảnh hưởng của áp suất phun đến động năng rối của hỗn hợp 79

Hình 3.44 Mô men thay đổi theo tốc độ động cơ 80

Hình 3.45 Công suất thay đổi theo tốc độ động cơ của động cơ 80

Hình 3.46 Khí thải HC theo tốc độ động cơ 81

Hình 3.47 Khí thải CO theo tốc độ động cơ 81

Hình 3.48 Khí thải NOx theo tốc độ động cơ 82

Hình 4.1 Lưu lượng CNG cấp vào xylanh theo mô phỏng 85

Hình 4.2 Vòi phun khí Hana H2100 85

Hình 4.3 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến mô men động cơ 86

Hình 4.4 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến công suất của động cơ 87

Hình 4.5 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải CO 88

Hình 4.6 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải HC 88

Hình 4.7 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải NOx 89

Hình 4.8 Ảnh hưởng của áp suất phun đến lượng nhiên liệu cung cấp tại các tốc độ động cơ khác nhau 89

Hình 4.9 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến hệ số dư lượng không khí lambda 90

Hình 4.10 Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất của động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau 91

Hình 4.11 Ảnh hưởng của áp suất phun đến mô men của động cơ tại các tốc độ động cơ khác nhau 91

Hình 4.12 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO 92

Hình 4.13 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải HC 92

Hình 4.14 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải NOx 93

Hình 4.15 Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO2 93

Hình 4.16 So sánh ảnh hưởng của chế độ phun đến mô men 94

Hình 4.17 Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến công suất động cơ 95

Hình 4.18 Ảnh hưởng của chế độ phun đến khí thải NOx 95

Hình 4.19 Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải HC 96

Hình 4.20 Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải CO 96

Hình 4.21 So sánh mô men động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng 97

Hình 4.22 So sánh công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng 98

Hình 4.23 So sánh lượng khí thải HC giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng 99 Hình 4.24 So sánh lượng khí thải NOx giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng 99 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên với xăng và diesel [96] 13

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ S1100 38

Bảng 3.1 Các phần tử trong mô hình động cơ 52

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của động cơ sau chuyển đổi 84

MỞ ĐẦU

i Lý do chọn đề tài

Tình trạng nóng lên toàn cầu và ô nhiễm không khí đã và đang là một trong những vấn đề lớn nhất thế giới [1] Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp và sự gia tăng không ngừng của các phương tiện vận tải, việc giảm thiểu khí thải nhà kính luôn nhận được rất nhiều sự quan tâm từ chính phủ cũng như các nhà khoa học[2] Nguồn gây ô nhiễm vô cùng đa dạng trong đó ô nhiễm do sử dụng nhiên liệu hóa thạch có thể coi là một trong những nguồn chính gây độc hại đến sức khỏe con người Báo cáo về môi trường có tên gọi là “The Environmental Performance Index” đã chỉ

ra Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chất lượng không khí thấp gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người [3] Trên cơ sở tiêu chuẩn cho phép của thế giới về đánh giá chất lượng không khí (Air Quality Index- AQI), nếu mức độ sạch của không khí từ

150 – 200 điểm thì đã bị coi là ô nhiễm, từ 201 – 300 thì coi là cực kỳ cấp bách, sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người dân[4] Trong khi đó, tại Việt Nam,

cụ thể hai khu vực ô nhiễm nhất là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, chỉ số trong ngày lúc nào cũng ở mức 152 – 156 nhưng vào giờ giao thông cao điểm phải lên tới gần 200 điểm Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường Việt Nam lại đưa ra một con số khi đo được tại nhiều trục giao thông lớn như Khuất Duy Tiến, Phạm Hùng, Nguyễn Trãi, Nguyễn Văn Linh… những khu vực đông dân cư, nồng độ bụi thường cao hơn mức cho phép lên đến 11 lần Chưa kể đến các khí thải như SO2,

NO2, CO… Theo số liệu thống kê của Bộ Y tế, các đô thị bị ô nhiễm không khí có tỷ

lệ người nhiễm khuẩn hô hấp cao gấp nhiều lần so với các đô thị khác Chẳng hạn ở thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Hải Phòng, tỷ lệ bệnh nhân lao được phát hiện cao gấp 4 – 5 lần những địa phương có hoạt động công nghiệp ít phát triển như Bắc Kạn, Điện Biên, Lai Châu Trong những năm gần đây, các bệnh nhân về đường hô hấp có tỷ lệ mắc cao nhất trên toàn quốc, nguyên nhân chủ yếu là do ô nhiễm không khí gây ra Kết quả thống kê cứ 100.000 dân có đến 4,1% số người mắc các bệnh về phổi; 3,8% viêm họng và viêm Amidan cấp; 3,1% viêm phế quản và viêm tiểu phế quản, riêng ở Hà Nội 72% hộ gia đình có người mắc bệnh do ô nhiễm không khí Từ các kết quả nghiên cứu và số liệu điều tra trên có thể thấy rằng “Ô nhiễm không khí

là một vấn đề đáng báo động ở nước ta” Nguyên nhân chính dẫn tới tình trạng ô nhiễm này chính là do giao thông đô thị với lưu lượng phương tiện dày đặc, đặc biệt

là phương tiện giao thông cá nhân Lượng phương tiện giao thông ấy thải ra một lượng lớn khí độc hại như SO2, NO2, CO… và tạo ra bụi khí Hướng tới mục tiêu

“Tăng trưởng xanh, tiến tới nền kinh tế các-bon thấp, làm giàu vốn tự nhiên trở thành

xu hướng chủ đạo trong phát triển kinh tế bền vững; giảm phát thải và tăng khả năng hấp thụ khí nhà kính dần trở thành chỉ tiêu bắt buộc và quan trọng trong phát triển kinh tế- xã hội”, ngày 25 tháng 09 năm 2012, Thủ Tướng Chính phủ đã ra Quyết định

số 1393/QĐ-TTg, về việc “Phê duyệt chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh” Nội dung của Quyết định có đề cập vấn đề “Thay đổi cơ cấu nhiên liệu trong công nghiệp

và giao thông”[5]

Từ các số liệu nghiên cứu trên có thể thấy rằng phát triển nhiên liệu thay thế phục

vụ cho các phương tiện giao thông vận tải là hết sức cần thiết, bởi vì thỏa mãn được các yêu cầu về kiểm soát khí thải và giảm được sự phụ thuộc vào nhiên liệu dầu mỏ Tuy nhiên, để đảm bảo được những yêu cầu này cần thiết phải có các nghiên cứu cơ

bản chuyên sâu Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên

liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG” sẽ góp phần giải quyết được ô nhiễm không

khí do khí thải động cơ đốt trong thải ra trong quá trình làm việc

ii Mục tiêu của luận án

 Mục tiêu chung

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc

và khí thải ở động cơ khí thiên nhiên phun trên đường nạp

 Mục tiêu cụ thể

 Đánh giá được ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ CNG thông qua các chế độ vận hành

 Cải thiện chất lượng phát thải của động cơ CNG theo hướng giảm phát thải NOx

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel một xylanh sau khi chuyển đổi thành động cơ phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp

 Phạm vi nghiên cứu:

+ Chuyển đổi hệ thống điểu khiển phun nhiên liệu cơ khí sang phun điện tử ở động cơ diesel một xylanh sử dụng nhiên liệu CNG Đánh giá định lượng ảnh hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun, vị trí đặt vòi phun, áp suất phun nhiên liệu) đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ + Các nội dung thí nghiệm của luận án được thực hiện trong phạm vi Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm

kỹ thuật Vĩnh Long

iv Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp lý thuyết mô hình hóa

với thực nghiệm Trong đó:

 Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở thiết kế hệ thống nhiên liệu điện tử phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp và thiết lập các thông số phun cho các chế độ vận hành động cơ CNG

 Nghiên cứu mô phỏng động cơ bằng phần mềm AVL Boost để xem xét ảnh hưởng của các thông số như: Đường kính ống nạp, hệ số dư lượng không khí (λ), thời điểm phun và thời gian phun đến mô men, công suất và khí thải động

cơ

 Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá ảnh hưởng của áp suất phun khí thiên nhiên đến mô men, công suất và khí thải của động cơ

v Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Ý nghĩa khoa học: Luận án đã khảo sát thành công một số thông số phun

(đường kính ống nạp, thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, vị trí đặt vòi phun,

áp suất phun nhiên liệu), phương pháp phun đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ CNG phun trên đường nạp

 Ý nghĩa thực tiễn: Với áp suất phun, vị trí đặt vòi phun hợp lý đã xử lý được

hiện tượng dòng khí ngược trên đường nạp, nhờ vậy đặc tính làm việc và khí

thải của động cơ đã được cải thiện Đây là cơ sở để phát triển thế hệ động cơ CNG mới đạt được hiệu suất nhiệt cao và khí thải thấp

vi Các điểm mới của luận án

 Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ sử dụng khí thiên nhiên phun trên đường nạp bằng phần mềm AVL Boost và Ansys Fluent để khảo sát ảnh hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun,

vị trí đặt vòi phun, áp suất phun nhiên liệu) đến tính năng làm việc và phát thải của động cơ

 Kế thừa từ nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel S1100 một xylanh thành động

cơ khí thiên nhiên của Trần Thanh Tâm về hình dạng của đỉnh piston và vị trí lắp bugi trên nắp máy, vòi phun điều khiển bằng cơ khí, ɛ = 11,5 NCS đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô đun điều khiển phun nhiên liệu và thời điểm đánh lửa, xác định được vị trí đặt vòi phun và áp suất phun tốt nhất để triệt tiêu dòng khí ngược xuất hiện trên đường nạp Thêm vào đó, luận án đã thiết lập được hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức, tự động kiểm soát nhiệt độ nước làm mát Để đảm bảo động cơ làm việc an toàn và giảm thiểu tiếng ồn, tỷ số nén của động cơ đã giảm xuống ɛ = 10; bổ sung thêm hệ thống van giảm áp và ổn định áp suất phun từ 1 ÷ 5 bar trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm

vii Bố cục của luận án

Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau:

 Mở đầu

 Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động cơ

 Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ

 Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

 Kết luận chung và hướng phát triển

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nhiên liệu thay thế

Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu và các vấn đề ô nhiễm môi trường đang ngày một tăng, việc tìm ra những nguồn năng lượng mới phải thỏa mãn các yêu cầu như: sạch, có khả năng tái tạo và bền vững hơn để dần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt Những nguồn năng lượng thay thế này sẽ là nguồn lực cơ bản đáp ứng được nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của đất nước, đồng thời cũng giảm nhẹ được những thách thức về chính trị và an ninh quốc phòng Theo báo cáo của “BP Statistical Review of World Energy”, Năng lượng tái tạo đóng góp 15% tổng năng lượng sản xuất trên toàn thế giới, con số này được kỳ vọng tăng lên đến 85% trước năm 2050 [6] Trong đó, đối với các phương tiện giao thông vận tải nói riêng, nhiên liệu thay thế chiếm khoảng 4% lượng tiêu thụ và được

kỳ vọng sẽ đóng góp hơn 50% trong ba thập kỷ tới[7] Hình 1.1 thể hiện mức tiêu

thụ của nhiên liệu tái tạo và năng lượng điện năm 2015 và số liệu dự đoán năm 2050

Rõ ràng rằng, cả năng lượng tái tạo và năng lượng điện đang được kỳ vọng rất nhiều

sẽ đóng vai trò chủ đạo cho nguồn năng lượng thế giới trong tương lai

Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050

theo lĩnh vực sử dụng[8]

Thuật ngữ nhiên liệu thay thế (alternative fuel) được đưa ra vào cuối những năm

1970 để chỉ những nhiên liệu mới không phải xăng, diesel hay nhiên liệu chuyên dụng cho hàng không [9] Nhiên liệu thay thế và năng lượng thay thế (alternative energy) thường bị nhầm lẫn với nhau khi cả hai đều không bao gồm các nguồn nhiên liệu hóa thạch và hạt nhân Năng lượng thay thế thường đến từ các nguồn năng lượng tự nhiên như gió, mặt trời, sóng… được chuyển đổi thành năng lượng điện Trong khi đó, nhiên liệu tái tạo chủ yếu được biết đến với các nhiên liệu cho phương tiện giao thông

và nhà máy điện như nhiên liệu sinh học (Biofuel), ethanol, khí thiên nhiên Để đảo bảo vấn đề an ninh năng lượng cũng như giảm thiểu phát thải từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch, việc nghiên cứu phát triển và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế là vô cùng quan trọng

Nhiên liệu sinh học (Biofuel)

Nhiên liệu sinh học thường được sản xuất từ sinh khối (Biomass) chủ yếu là các sản phẩm của nông nghiệp Nhiên liệu sinh học bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng, trong đó nhiên liệu sinh học dạng lỏng bao gồm Ethanol sinh học (Bioethanol), Methanol sinh học (Bio methanol), Diesel sinh học (Biodiesel); dạng khí gồm Hydro sinh học (Bio hydro) và Methane sinh học (Biomethane) [10, 11] Dựa vào nguồn gốc, nhiên liệu sinh học được chia thành bốn thế hệ như sau [12] Thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất (First-generation biofuel) được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu từ thực phẩm hay thức ăn như: gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải đường , hoặc các loại hạt có dầu như: dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải hoặc từ mỡ động vật Các loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất cũng bao gồm: Dầu thực vật, Diesel sinh học, Ethanol sinh học, Khí sinh học (Biogas), nhiên liệu sinh học thể rắn, khí đốt tổng hợp (Syngas) [13] Với nguồn nguyên liệu sinh học này có thể giảm đáng

kể lượng CO2 phát thải ra môi trường nhưng không phát triển bền vững, bởi vì nguyên liệu được sử dụng thường là một phần nguồn thức ăn cho người và động vật nuôi Nếu gia tăng sử dụng nguồn nguyên liệu nêu trên sẽ làm gia tăng giá cả các loại cây trồng này và bất ổn lương thực, quỹ đất trồng cho các loại cây lương thực bị cạnh tranh gây ảnh hưởng đến an ninh lượng thực quốc gia[2] Vì vậy cần phải tìm kiếm các loại nhiên liệu thay thế đảm bảo an ninh lương thực và năng lượng quốc gia cũng như cải tiến hơn về mặt công nghệ, đây cũng là lý do để tìm kiếm nguồn nguyên liệu cho thế hệ nhiên liệu sinh học thứ hai ra đời

Nhằm hạn chế những nhược điểm của thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất, nguồn nguyên liệu sử dụng để tạo ra nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể lấy từ nguồn nguyên liệu phế thải của nông nghiệp hay các cây được trồng trên đất bạc màu, bỏ hoang (sản xuất từ Cellulose), ví dụ như cỏ Switchgrass, cây cọc rào (Jatropha) [14]

Về cơ bản nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể không đe dọa đến an ninh lương thực quốc gia nhưng có thể gây ô nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên nước, giảm diện tích rừng, nguy cơ từ sự độc canh, thêm vào đó là chi phí để chuyển hóa Sen-lu-

lô thành đường đắt hơn so với chi phí chuyển tinh bột thành đường Chính vì vậy, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba đã ra đời, được cho là có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề đang tồn tại

Có thể nói nhiên liệu sinh học từ tảo chính là nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba có thể thỏa mãn đồng thời được hai mục tiêu: tạo ra năng lượng và góp phần làm sạch môi trường Bởi vì mỗi tế bào tảo là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để chuyển hóa CO2 và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế bào và tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao, hoạt động này có thể tăng gấp nhiều lần trong một ngày[15] Trong quá trình quang hợp, tảo sẽ sản xuất ra dầu ngay trong

tế bào của chúng, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần so với lượng dầu từ hạt đậu nành ở cùng một đơn vị diện tích Đồng thời tảo có thể tăng khả năng sản xuất dầu bằng cách bổ sung khí CO2 trong quá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ như nước thải để nuôi trồng Điều này vừa tạo ra nhiên liệu sinh học, vừa làm giảm lượng CO2 cũng như làm sạch môi trường [16] Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất đối với thế hệ thứ ba là vấn đề về việc sản xuất dầu tảo vẫn

có giá thành cao hơn nhiều so với sản xuất nhiên liệu diesel từ dầu mỏ[17]

Ngoài ra, một thế hệ thứ tư của nhiên liệu sinh học đã được đề xuất và phát triển dựa trên sự ứng dụng của ảnh hay điện sinh học Trong đó, các thiết bị quang – điện

được sử dụng để thúc đẩy quá trình lên men của các nguồn nhiên liệu Với sự kết hợp của phản ứng lên men và các phương pháp xúc tác, các tế bào glucose được tách ra

và tạo ra nhiên liệu mà không cần sử dụng đến O2 [18] Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của thế hệ nhiên liệu sinh học này là sự phức tạp của phương pháp lên men cũng như các thiết bị đắt tiền và khó khăn trong việc vận hành

Với nguồn nguyên liệu đa dạng và dồi dào, nhiên liệu sinh học đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình thay thế và giảm thiểu các nguồn nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, việc sản xuất và sử dụng nguồn nhiên liệu này cũng luôn phải cân đối với việc đảm bảo an ninh thực phẩm cũng như các vấn đề về nguồn nước sạch[19] Trong ngành giao thông vận tải và động cơ đốt trong nói riêng, nhiên liệu sinh học được sử dụng và biết đến nhiều nhất dưới dạng diesel sinh học (biodiesel), thường được sản xuất từ dầu thực vật hay động vật với tiềm năng thay thế nhiên liệu diesel truyền thống

Nhiên liệu ethanol hay cồn ethanol đã và đang được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới như một nhiên liệu tự nhiên có khả năng tái tạo với mục tiêu giảm thiểu phát thải

và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch [20] Ethanol (CH3CH2OH) là một chất lỏng không màu, sạch, dễ bay hơi và dễ cháy [21] Nhiên liệu ethanol được biết đến là một nhiên liệu sinh khối với nguồn gốc chế xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu trong thiên nhiên như chất béo động thực vật, ngũ cốc, lúa mỳ, khoai, ngô, đậu tương, hay từ chất thải nông nghiệp cũng như công nghiệp [22] Thông thường, ethanol được sử dụng

để thay thế một phần cho nhiên liệu xăng hoặc diesel Ngoài những ưu điểm về nguồn nguyên liệu chế xuất lớn cũng như lượng phát thải nhỏ, ưu điểm lớn nhất cho việc sử dụng nhiên liệu ethanol là khả năng ứng dụng và thích ứng trên các động cơ sẵn có [23] Theo đó, ethanol được hòa trộn trực tiếp vào nhiên liệu xăng hoặc diesel trước khi được cung cấp vào động cơ trên đường ống nạp hoặc trong xylanh mà không cần thay đổi kết cấu động cơ [24] Tại Mỹ nói riêng, hơn 98% nhiên liệu xăng được hòa trộn cùng ethanol để giảm phát thải cũng như lượng tiêu thụ xăng [25] Với trị số Octane cao hơn xăng, ethanol cung cấp khả năng hòa trộn tốt hơn cho nhiên liệu xăng, giảm chất lượng xăng yêu cầu cũng như tăng khả năng chống kích nổ cho động cơ xăng [26] Hỗn hợp nhiên liệu xăng và ethanol, còn được gọi là xăng sinh học (gasohol hay bio gasoline) được hòa trộn từ nhiên liệu xăng thông thường và cồn sinh học khan (anhydrous ethanol) theo một tỉ lệ nhất định [27] Theo tỷ lệ hòa trộn ethanol, xăng sinh học với tỷ lệ ethanol từ 5 tới 25% (E5 tới E25) được gọi là hỗn hợp ethanol thấp, E30 đến E85 được gọi là hỗn hợp ethanol cao Khi lượng ethanol hòa trộn cao, lượng phát thải càng thấp, tuy nhiên, một số yêu cầu về kỹ thuật và an toàn trên động cơ cần được đảm bảo[28] Với những ưu điểm trên, ethanol đang được phát triển, sản xuất và sử dụng tại hầu hết các quốc gia trên thế giới Riêng tại Việt Nam, tính đến năm 2015, có 6 nhà máy ethanol đang hoạt động với tổng công suất là

512 triệu lít một năm [29] Hiện nay, xăng E10 với 10% ethanol là xăng sinh học được sử dụng phổ biến nhất tại nhiều quốc gia trên thế giới [30] Tại Việt Nam, xăng E5 đang được sử dụng thay thế cho xăng RON92 đồng thời đảm bảo các bài toán về

an toàn phương tiện [31] Với tính toán và kỳ vọng sử dụng xăng E10 trong tương lai, ethanol cũng như xăng sinh học đã, đang và sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu phát thải giao thông và đảm bảo an ninh năng lượng trong nước[32] Ngoài

ra, xăng sinh học bio methanol hay biopropal cũng có thể được sử dụng để thay thế

một phần nhiên liệu xăng, tuy nhiên với các ưu điểm về sản xuất, xăng ethanol vẫn được áp dụng rộng rãi nhất[33]

Nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) là một nhiên liệu thay thế có tính tự phân hủy được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật cũng như rác thải sinh hoạt[34] Tùy thuộc vào nguồn gốc và phương pháp chế suất khác nhau, diesel sinh học có nhiều dạng và thành phần khác nhau, tuy nhiên mọi hỗn hợp alkyl ester của dầu thực vật hay mỡ động vật đều được coi là biodiesel [34] Biodiesel có nhiều ưu điểm so với diesel từ dầu mỏ như có tính linh động, có sẵn, có khả năng tái tạo, hiệu suất cháy cao, tỷ lệ lưu huỳnh thấp, trị số cetane cao cũng như khả năng tự phân hủy[35] Với thành phần chứa nhiều oxygen và quá trình cháy được cải thiện so với diesel thông thường, động cơ biodiesel giảm đáng kể phát thải, đặc biệt là PM và phát thải lưu huỳnh[36] Ngoài ra, tính tự phân hủy cũng là ưu điểm quan trọng của diesel sinh học giúp gia tăng tính an toàn và thân thiện với môi trường trong quá trình sử dụng, vận chuyển và lưu trữ[37] Tương tự với nhiên liệu xăng sinh học, nhiên liệu biodiesel được hòa trộn từ các nhiên liệu sinh học (B100 hay biodiesel nguyên chất) với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ với tỉ lệ khác nhau[38] Động cơ diesel thông thường có thể sử dụng nhiên liệu biodiesel mà không cần thay đổi về cấu tạo Tuy nhiên khác với ethanol, biodiesel có nhược điểm lớn về tính không nguyên chất cũng như nguy cơ

ăn mòn các chi tiết động cơ và tạo cặn[39] Ngoài ra, diesel sinh học cũng dễ bị đóng băng, đặc biệt với các nước có nhiệt độ xuống rất thấp vào mùa đông Nhiệt độ đông đặc của biodiesel phụ thuộc vào nguyên liệu và phương pháp sản xuất, tuy nhiên, nhiệt độ đông đặc cao vẫn là một hạn chế lớn trong việc sử dụng biodiesel với hàm lượng cao[40] Do đó, diesel sinh học thường được sử dụng với tỷ lệ hòa trộn sinh học không quá 20%[41] Tuy có nhiều ưu điểm và vẫn là một loại nhiên liệu thay thế

có nhiều tiềm năng, nhưng với các khó khăn chưa được khắc phục, biodiesel vẫn còn

nhiều hạn chế trong việc phát triển và sử dụng Hình 1.2 so sánh sản lượng xăng sinh

học và diesel sinh học qua các năm từ 2005 tới 2017 Rõ ràng rằng, lượng sản xuất bio gasoline là vượt trội so với biodiesel tính theo khối lượng Ngoài ra, có sự khác biệt về khu vực sử dụng khi Mỹ sản xuất nhiều xăng sinh học hơn trong khi đó châu

Âu chiếm phần lớn sản lượng diesel sinh học trên thế giới

Hình 1.2 Lượng sản xuất xăng sinh học và diesel sinh học trên thế giới

từ 2005 đến 2017 (tỉ tấn)

Nhiên liệu hydrogen

Nhiên liệu hydrogen hay khí hydrogen là nguồn năng lượng không khí thải đầy hứa hẹn để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đặc biệt trong giao thông vận tải[42] Trong những năm gần đây, hydrogen đang nhận được rất nhiều sự quan tâm và đầu

tư từ các chính phủ và các nhà nhiên cứu với nhiều ưu điểm rõ ràng như: (i) sạch với sản phẩm của quá trình cháy chỉ chứa nước và một phần NOx; (ii) có thể sản xuất từ nhiều nguồn nhiên liệu; và (iii) pin nhiên liệu sử dụng hydrogen có khả năng thay thế động cơ truyền thống[43] Hydrogen là khí nhẹ nhất, không màu, không mùi và không độc hại[44] Ngoài ra hydrogen có tỉ lệ năng lượng cao gấp 2.7 lần các nhiên liệu hydrocarbon thông thường Do đó, nhiên liệu hydrogen được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp như phương tiện giao thông, công nghiệp hay thi công[45] Ngoài

ra, hydrogen cũng có thể được sử dụng như một phương án để dự trữ và chuyển đổi các nguồn năng lượng tự nhiên khác như gió hay năng lượng mặt trời[46] Trong giao thông vận tải nói riêng, hydrogen được dùng làm nhiên liệu cho phương tiện động cơ đốt trong truyền thống (internal combustion engine vehicles, ICEVs) hoặc các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu (Fuel cell vehicles, FCVs)

1.1.2.1 Hydrogen trong động cơ đốt trong

Bởi những đặc tính hóa lý như nhẹ và tỷ trọng nhỏ, nhiên liệu hydrogen được ứng dụng trong các động cơ đánh lửa cưỡng bức Có ba phương án chính để cung cấp nhiên liệu hydrogen cho động cơ bao gồm: (i) cung cấp nhiên liệu trên đường ống nạp; (ii) cung cấp nhiên liệu trực tiếp vào trong xylanh; (iii) thay thế một phần xăng hoặc diesel trong động cơ truyền thống[43] Trong động cơ cung cấp nhiên liệu trên đường ống nạp, hydrogen thường được lưu trữ dưới dạng lỏng và có nhiệt độ thấp, được dẫn qua một buồng chuyển pha, hòa trộn và giảm áp trước khi đưa vào đường ống nạp[47] Tương tự, với động cơ hydrogen cung cấp phun trực tiếp, nhiên liệu có thể được lưu trữ dưới dạng khí nén áp suất cao hoặc dạng lỏng Nhiên liệu được chuyển pha hoặc giảm áp qua nhiều bộ giảm áp nối tiếp nhau và được phun trực tiếp vào trong xylanh với áp suất khoảng 5 đến 15 bar[48] Ngoài ra, hydrogen cũng có thể được sử dụng trong động cơ lưỡng nhiên liệu cùng với các loại nhiên liệu truyền thống với việc phun riêng biệt hoặc hòa trộn trước với xăng hay diesel [49, 50] Hydrogen được coi là một nhiên liệu nhiều tiềm năng cho việc thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch với ưu điểm không phát thải và nguồn nguyên liệu dồi dào Tuy nhiên, động cơ đốt trong sử dụng hydrogen lại có hiệu suất nhiệt giảm đáng kể so với động cơ truyền thống khi cung cấp cùng một lượng nhiên liệu [51] Hơn nữa, với tỷ trọng thấp việc lưu trữ và vận chuyển khí hydrogen rất khó khăn đặc biệt là trên phương tiện giao thông Ngoài ra, an toàn khi sử dụng hydrogen cho động cơ đốt trong cũng là vấn đề cần được giải quyết bởi tính dễ cháy của khí hydrogen và nhiệt

độ cao của động cơ[52]

1.1.2.2 Hydrogen cho pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu (Fuel cells) là thiết bị ứng dụng phản ứng điện hóa (electrochemical reaction) giữa hydrogen và oxygen để tạo ra điện và nước mà không thải ra khí ô nhiễm Trong nhiều thập kỷ vừa qua, pin nhiên liệu đã được phát triển và ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật khoa học như sản xuất điện, giao thông vận tải hay các thiết bị nông nghiệp[53] Pin nhiên liệu thông thường bao gồm một anode – nơi xảy ra phản ứng của hydrogen, một cathode – nơi xảy ra phản ứng của oxygen

và một electrolyte nơi cho phép các ion trao đổi giữa anode và cathode [54] Dựa vào chất sử dụng làm electrolyte, pin nhiên liệu có thể được phân ra làm nhiều loại khác nhau Trong đó, màng trao đổi proton (protons exchange membrane fuel cells, PEMFCs) được biết đến và sử dụng rộng rãi nhất với nhiều ưu điểm như tỷ lệ năng lượng cao, thời gian khởi động nhanh, hiệu suất cao, nhiệt độ làm việc thấp cũng như

các ưu điểm về tính an toàn và dễ dàng trong vận hành [55] Hình 1.3 thể hiện các

thành phần và sơ đồ phản ứng, trao đổi ion của pin PEMFC Tuy nhiên, vấn đề giá thành khiến cho PEMFC còn đang gặp nhiều trở ngại trong việc áp dụng vào nhiều lĩnh vực Pin nhiên liệu alkaline (Alkaline fuel cells, AFCs) có giá thành rẻ hơn, tuy nhiên lại yêu cầu độ nhiên liệu có độ tinh khiết cao cùng với nhược điểm lớn về tuổi đời làm việc [56] Loại pin sử dụng axit phosphoric (Phosphoric acid fuel cells, PAFCs) có nhiều tiềm năng trong việc tăng tính kinh tế các ứng dụng cùng với một nhiệt độ làm việc trung bình và hiệu suất năng lượng cao [57] Thêm vào đó, pin molten carbonate (Molten carbonate fuel cells, MCFCs) và pin oxit kim loại (Solid oxide fuel cells, SOFCs) cũng là hai loại pin nhiên liệu có hiệu suất cao và giá thành thấp, tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hai loại pin này là nhiệt độ làm việc cao gây

ra khó khăn trong vận hành cũng như đòi hỏi nhiều hơn các yêu cầu về an toàn[58] Tuy có rất nhiều ưu điểm về hiệu suất và không phát thải, pin nhiên liệu sử dụng hydrogen cũng tồn tại nhiều những trở ngại lớn cần được xử lý [59] Các vấn đề về giá thành, trạm sạc và độ tin cậy cũng như an toàn là hạn chế lớn nhất của phương tiện sử dụng pin nhiên liệu hydrogen hiện nay Ngoài ra, những khó khăn về việc lưu trữ và vận chuyển hydrogen hay việc xử lý các chất hóa học độc hại trong pin nhiên liệu sau khi sử dụng cũng là những vấn đề cần được quan tâm và giải quyết [60]

Hình 1.3 Sơ đồ phản ứng và trao đổi ion của một pin nhiên liệu

màng trao đổi proton[61]

1.2 Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên

Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên được chiết xuất từ các giếng khí hoặc từ sản xuất dầu thô NG là hỗn hợp của các loại khí, chủ yếu bao gồm khí mê-tan (CH4) và lượng vi lượng của các hydrocarbon cao hơn khác như ethane, propane, n-butane, iso-butane và pentan

và một số khí khác bao gồm nitơ, helium, carbon dioxide, hydro, hydro sunfua và hơi nước [62] Khí thiên nhiên không màu, không mùi, do đó một vài chất tạo mùi có thể được sử dụng để phát hiện lưu huỳnh Tuy là một nhiên liệu thay thế tiềm năng nhưng khí thiên nhiên lại là một nguồn tài nguyên không thể tái tạo được chiết xuất từ hóa thạch hay các sinh vật phù du và vi sinh vật dưới nước như tảo và các động vật nguyên sinh[63] Dưới tác động đồng thời của áp suất và nhiệt độ cao, các liên kết carbon của các vật chất hữu cơ bị phá vỡ, tách ra và tạo thành methane thủy nhiệt (thermogenic methane) hay khí thiên nhiên [64] Khí thiên nhiên có thể được tìm thấy tại nhiều nơi trên thế giới trong các hồ chứa bên dưới bề mặt trái đất, các phân tử khí nằm trong các lỗ nhỏ hay vết nứt giữa các lớp đá trong quá trình phong hóa và bóc mòn bề mặt [65] Ngoài ra, khí thiên nhiên có thể được sản xuất từ các khí sinh học, các nguyên liệu hữu cơ được gọi là methane sinh học (biomethane) hay khí thiên nhiên tái tạo (renewable natural gas, RNG) Tuy nhiên, methane được chiết suất này chỉ chiếm một phần rất nhỏ so với lượng methane được khai thác từ tự nhiên, đồng thời, quá trình chiết suất và làm sạch cũng tương đối phức tạp [66] Mặc dù là một nhiên liệu hóa thạch, khí thiên nhiên lại có trữ lượng lớn hơn nhiều so với xăng và diesel cũng như dễ dàng hòa trộn với nhiều loại khí sinh học [67] Mặt khác, với thành phần chính

là methane, khí thiên nhiên là hydrocarbon sạch nhất khi chỉ thải là một lượng khí nhà kính rất nhỏ so với than đá hay các nhiên liệu động cơ truyền thống [68, 69] Với việc thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng đốt khí thiên nhiên từ năm 1995 đến 2012, các nhà máy điện đã giảm 23% lượng khí thải CO2, 44% khí thải SO2 và hơn 40% khí NOx [70] Đồng thời, việc sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cũng giúp nhà máy điện hoạt động linh hoạt hơn với việc khởi động và tạm dừng dễ dàng hơn, tăng khả năng kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo [71] Ngoài ra, khí thiên nhiên cũng giảm lượng hydrocarbon thải ra ngoài môi trường so với động cơ xăng, lượng khí chưa cháy hết trong khí thải hay bị rò rỉ trong quá trình sản xuất, lưu trữ và vận chuyển cũng dễ dàng phân tán trong khí quyển và tách ra thanh hơi nước và khí CO2 [72] Theo báo cáo của British Petroleum (BP) năm 2020 [73], trữ lượng khí thiên nhiên thế giới ước tính vào khoảng 150 nghìn tỷ m³ (150 × 1012) Trong đó Nga là nước có trữ lượng lớn nhất với 38 nghìn tỷ m³ (38 × 1012), đứng thứ hai là Iran với 32 nghìn

tỷ m³ (32 × 1012), theo sau là các quốc Qatar và Turkmenistan với lần lượt là 25 và

14 nghìn tỷ m3 Các quốc gia dầu mỏ tại Trung Đông cũng có nhiều hồ chứa với trữ lượng khí thiên nhiên rất lớn Riêng ở Hoa Kỳ tổng cộng 13 nghìn tỷ m³ (13 × 1012) phân bố ở các bang như: Texas, Vịnh Mexico ngoài khơi Louisiana, Oklahoma, New Mexico, Wyoming và ở Vịnh Prudhoe của Bắc Slope thuộc bang Alaska Ở Canada, tổng trữ lượng khí tự nhiên là 2 nghìn tỷ m³ (2 × 1012), phần lớn trữ lượng khí thiên nhiên ở Canada nằm ở Alberta Hiện nay, tại Mỹ nói riêng, khí thiên nhiên đóng góp khoảng 30% lượng năng lượng được sử dụng[74] Giống với hydrogen, khí thiên nhiên có tỉ trọng rất nhỏ, do đó, khó khăn lớn nhất của việc sử dụng khí thiên nhiên

là lưu trữ và vận chuyển [75, 76] Để giải quyết vấn đề này, khí thiên nhiên thường

được truyền tải trong hệ thống đường ống chuyên dụng (pipeline – natural gas pipeline) để giữ áp suất và nhiệt độ [77] Đồng thời, khí thiên nhiên được lưu trữ, vận chuyển và sử dụng dưới một trong hai dạng là khí nén thiên nhiên (compressed natural gas, CNG) hoặc khí thiên nhiên hóa lỏng (liquefied natural gas, LNG) [78] Hiện trong ứng dụng trên phương tiện giao thông nói riêng, ngoài các vấn đề về lưu trữ và vận chuyển nhiên liệu trên phương tiện, việc cải tiến và tối ưu hiệu suất cũng gây trở ngại rất đáng kể [79] Tuy nhiên với trữ lượng lớn và nhiều ưu điểm về hiệu suất, phát thải, nhiên liệu khí thiên nhiên vẫn đang thu hút rất nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu nhằm tối ưu hóa việc sử dụng [80]

Như đã đề cập trước đó, khí thiên nhiên là khí nhẹ hơn không khí, không màu và không mùi, có tỷ trọng bằng khoảng 1 phần 2 không khí Do đó, trong trường hợp rò

rỉ, khí thiên nhiên rất dễ tan vào trong khí quyển mà không gây nguy hiểm hay độc hại Khí thiên nhiên có thành phần chứa khoảng 85 đến 90% methane (CH4), khoảng

5 đến 10% ethane (C2H6), một lượng rất nhỏ propane và các tạp chất khác như carbon dioxide, H2S và hơi nước Trong nhiều trường hợp methane với độ nguyên chất cao

có thể được coi là khí thiên nhiên Các ghi chép lịch sử đã cho thấy khí thiên nhiên

đã được sử dụng để đốt ở Trung Quốc năm 250, sử dụng để sưởi ấm và chiếu sáng ở miền Bắc Italia vào thế kỷ 17 và được phát hiện vào năm 1821 ở Fredonia, New York,

Mỹ [81] Với tính chất dễ cháy và sạch, khí thiên nhiên dần được sử dụng rộng rãi làm khí đốt để sưởi ấm và sản xuất điện tại nhiều quốc gia trên thế giới[82] Khí thiên nhiên được bắt đầu sử dụng trên động cơ đốt trong vào những năm 1930 tại Ý và theo sau đó là New Zealand Theo đó, khoảng 10% phương tiện quốc gia bắt đầu được chuyển đổi sang sử dụng khí thiên nhiên tại New Zealand [83] Tại Mỹ, 114 nghìn phương tiện công cộng, chủ yếu là xe bus được chuyển đổi sang sử dụng khí thiên nhiên [84] Thống kê về số lượng phương tiện khí thiên nhiên và trạm sạc nhiên liệu

được thể hiện ở Hình 1.2 Rõ ràng, về mặt đặc tính, khí thiên nhiên thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội so với xăng và diesel truyền thống Bảng 1.1 so sánh đặc tính của

nhiên liệu khí thiên nhiên với nhiên liệu xăng và diesel Khí thiên nhiên được coi là nhiên liệu hóa thạch sạch nhất với tỷ lệ khối lượng carbon tương đối nhỏ Nghiên cứu của Li Fubai và các cộng sự cũng đã chỉ ra rằng, quá trình cháy của nhiên liệu khí thiên nhiên sạch hơn so với động cơ thông thường [85] Nhiệt trị của khí thiên nhiên

có thể khác nhau phụ thuộc vào hàm lượng khí methane cũng như các tạp chất, tuy nhiên, nhiệt trị của khí thiên nhiên luôn cao hơn so với nhiên liệu xăng hay diesel [86] Thêm vào đó, hỗn hợp khí thiên nhiên – không khí có tỷ lệ không khí lý thuyết cao hơn, giúp cho động cơ có thể hoạt động trong điều kiện cháy nghèo, nhiều không khí hơn[87, 88] Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, động cơ khí thiên nhiên có thể đạt đến hiệu suất 45% [89-91] Năm 2018, Roll Royce cho ra mắt thị trường động cơ B36:45 sử dụng khí thiên nhiên với hiệu suất nhiệt lên tới 50% [89] Thêm vào đó, khí thiên nhiên có trị số Octane (130 so với 85~95 của xăng) và nhiệt độ tự kích nổ cao hơn nhiều so với xăng (600 so với 310 của xăng) [92] Đặc tính này giúp cho khí thiên nhiên trở nên an toàn khi lưu trữ và sử dụng, hạn chế khả năng cháy nổ và tự kích nổ cho động cơ Đồng thời, trị số Octane lớn hơn cũng giúp động cơ sử dụng khí thiên nhiên có thể hoạt động với tỷ số nén cao hơn so với động cơ xăng thông thường Olsson Jan-Ola và các cộng sự đã chứng minh rằng động cơ NG có thể hoạt động với

tỷ số nén lên tới 21:1[93] Tác giả Tran Dang Quoc cũng đã chỉ ra rằng tỷ số nén tối

ưu của động cơ CNG có thể phụ thuộc vào điều kiện làm việc của động cơ [94] Ngoài

ra, việc thay đổi tỷ số nén cũng góp phần làm tăng hiệu suất nhiệt và giảm phát thải của động cơ sử dụng khí thiên nhiên Với việc là một nhiên liệu sạch và có số lượng

hồ chứa lớn, khí thiên nhiên luôn có giá thành thấp hơn so với nguyên liệu truyền thống Trung bình trên thế giới, giá khí CNG là khoảng 0,063 USD/kWh, với LPG là 0,74 USD/lít, trong khi với xăng và diesel lần lượt là 1,34 và 1,36 USD/lít Như vậy, với cùng một suất tiêu hao nhiên liệu, động cơ sử dụng khí thiên nhiên có chi phí nhỏ hơn so với động cơ xăng và diesel truyền thống Quá trình cháy sạch hơn cũng góp phần làm giảm đáng kể các chi phí bảo dưỡng khi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên

Hình 1.2 Số lượng phương tiện và trạm nạp nhiên liệu khí thiên nhiên

trên thế giới năm 2019[95]

Với các đặc tính vượt trội so với xăng và diesel, các ưu điểm của động cơ sử dụng nhiên liệu có thể được tóm gọn dưới đây:

 Tiết kiệm tới 40% chi phí nhiên liệu

 Nguồn nguyên liệu dồi dào với trữ lượng lớn cũng như khả năng tái tạo từ các nguồn biomass

 Giảm chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng máy móc thiết bị

 Giảm đáng kể lượng phát thải CO2, HC và NOx ra môi trường và hầu như không phát sinh bụi

 Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, kéo dài tuổi thọ thiết bị

 An toàn trong quá trình lưu trữ và sử dụng

Tuy có nhiều ưu điểm rõ ràng, nhưng so với tuổi đời phát triển hàng trăm năm của động cơ xăng và diesel, động cơ khí thiên nhiên vẫn cần nhiều sự quan tâm và phát triển để tối ưu hóa được hiệu suất của động cơ cũng như ứng dụng rộng rãi trên các phương tiện không chỉ là phương tiện công cộng

Bảng 1.1 So sánh đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên với xăng và diesel [96]

Đặc tính nhiên liệu Khí thiên

nhiên Xăng Diesel

Tỉ lệ hòa khí lý thuyết (tính theo khối lượng) 17,2 14,7 14,6 Mật độ hỗn hợp lý thuyết (kG/m3) 1,25 1,42 1,46

Nhiệt trị thấp của hỗn hợp lý thuyết (MJ/kG) 2,62 2,85 2,75

Giới hạn cháy trong không khí (vol% in air) 4,315,2 1,47,6 16

Nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt (0C) 1890 2150 2054

Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG)

Bởi tỷ trọng nhỏ, khí thiên nhiên thường được nén tới áp suất cao để tăng hàm lượng năng lượng Khí thiên nhiên nén (compressed natural gas, CNG) được tạo ra bằng việc nén khí thiên nhiên tới nhỏ hơn 1% thể tích ban đầu ở điều kiện áp suất khí quyển [79] Theo đó, CNG sau khi nén tới áp suất được lưu trữ trong các bồn chứa hình trụ với áp suất khoảng 200 – 250 bar [97] Dựa theo ứng dụng và yêu cầu, có bốn loại bồn lưu trữ được sử dụng ngày nay được chia từ I đến IV [98]

Hình 1.3 thể hiện thành phần các lớp của bốn loại bồn lưu trữ nhiên liệu CNG

Loại I là các loại bồn kim loại (thép hoặc nhôm), có giá thành thấp, rất nặng, có nguy

cơ bị rỉ sét và ăn mòn Loại II sử dụng các kim loại nhẹ hơn, kết hợp với sợi carbon tại phần giữa thùng, vẫn nặng và có khả năng bị rỉ sét Loại III sử dụng một lớp nhôm mỏng và phủ sợi carbon toàn phần, gần như không bị ăn mòn và tương đối nhẹ so với hai loại bồn I, II Cuối cùng, loại IV là thế hệ mới nhất đang được sử dụng được thiết

kế với lớp polymer (pô ly me) không chứa kim loại kết hợp với sợi carbon Loại bồn chứa này được tối ưu, rất nhẹ, không rỉ sét, không ăn mòn, tuy nhiên, giá thành lại tương đối cao

Ban đầu, khí thiên nhiên nén được sử dụng cho các động cơ tĩnh tại nhưng với sự phát triển của các thế hệ bồn chứa áp suất cao nhẹ hơn, CNG bắt đầu được ứng dụng cho động cơ trên các phương tiện giao thông [99] Các chuyên gia đều đánh giá tiềm năng phát triển của thị trường CNG là rất lớn, hứa hẹn mang lại lợi nhuận cũng như tiếng vang cho ngành dầu khí trong việc đi tiên phong giữ gìn và làm trong sạch môi trường Trên thế giới, các phương tiện vận tải sử dụng nhiên liệu CNG đã được phổ biến ở những khu vực có nguồn khí tự nhiên dồi dào và được sự hỗ trợ của chính phủ

về chính sách cũng như chi phí Hiện tại, mọi xe chạy xăng đều có thể được chuyển đổi sang xe chạy nhiên liệu kép (xăng/CNG) bằng cách lắp đặt bộ chuyển đổi CNG

đã được thương mại hóa Mỗi xe buýt sử dụng CNG hoạt động 1 năm có thể tiết kiệm 8.308 USD nhiên liệu so với dầu diesel Vậy với 10.000 xe tại TP Hồ Chí Minh, nếu chuyển sang sử dụng khí CNG sẽ tiết kiệm 83.080.000 USD mỗi năm Như vậy, trong khoảng 3 năm, TP Hồ Chí Minh sẽ tiết kiệm được 250 triệu USD Điều này chứng

tỏ việc chuyển đổi các loại xe ôtô, xe buýt sử dụng diesel hiện tại sang sử dụng khí nén CNG không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn giúp tiết kiệm tiền bạc, giảm cước phí vận chuyển, tăng khả năng cạnh tranh của nền kinh tế Do vậy, tháng 5 năm 2010 tập đoàn Dầu khí Việt Nam đã ban hành Nghị quyết số 2958/NQ-DKVN thông qua việc chuyển đổi và sử dụng nhiên liệu khí nén CNG cho toàn bộ xe ôtô tại các đơn vị thành viên của tập đoàn trên địa bàn TP Hồ Chí Minh

và tỉnh Bà Rịa -Vũng Tàu Không chỉ dừng lại đó, giá CNG hiện nay thấp hơn giá xăng dầu và cả LPG (khí dầu mỏ hóa lỏng) Đây là nhiên liệu rẻ, sạch, phù hợp với dịch vụ tại các thành phố lớn và các khu công nghiệp, đặc biệt trong tình hình giá xăng dầu tăng cao trong những năm gần đây Đó cũng chính là lý do vì sao mà các chuyên gia đều đánh giá tiềm năng phát triển của thị trường CNG là rất lớn, hứa hẹn mang lại lợi nhuận cũng như tiếng vang cho ngành dầu khí trong việc đi tiên phong giữ gìn và làm trong sạch môi trường Hầu hết các nghiên cứu trên thế giới đều khẳng định rằng sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ đốt trong có tuổi thọ bền hơn, dầu bôi trơn ít bị bẩn hơn Tuy nhiên, một đặc điểm rất đáng lưu ý của nhiên liệu CNG là tốc độ cháy chậm gây ảnh hưởng tới quá trinh cháy và làm giảm giới hạn cháy cũng như giới hạn làm việc của động cơ[100] Do đó, việc nghiên cứu cải thiện quá trình cháy và tối ưu động cơ sử dụng khí thiên nhiên là rất cần thiết để đáp ứng được tiềm năng của nhiên liệu này

Hình 1.3 Các loại bồn lưu trữ nhiên liệu CNG

Nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG)

Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas, LNG) là khí thiên nhiên được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ hóa lỏng để lưu trữ và sử dụng như một phương án

song song với khí nhiên nhiên nén [101] LNG có thể tích chỉ bằng 1/600 khí thiên nhiên thông thường, giúp cho việc lưu trữ và sử dụng trên các phương tiện dễ dàng hơn Dù có tỷ trọng năng lượng lớn hơn CNG nhưng LNG lại có giá thành tương đối cao nên thường được sử dụng trên các phương tiện hạng nặng LNG đóng vai trò rất quan trọng trong ngành năng lượng đặc biệt là với xe tải và tàu thủy Từ 80 nghìn tấn tại năm 1964, lượng tiêu thụ LNG tăng từ 100 triệu tấn năm 2000, 340 triệu tấn năm

2017 và 450 triệu tấn năm 2021[102] LNG được mong đợi sẽ cán mốc tiêu thụ 700 triệu tấn vào năm 2040 trong quá trình giảm thiểu sử dụng nhiên liệu dầu mỏ cũng như đảm bảo an ninh năng lượng Trong đó, tập đoàn dầu khí của Anh, Shell đóng góp rất lớn trong việc ứng dụng và thương mại hóa LNG khi tham gia vào tất cả các giai đoạn trong quá trình từ khai thác đến khách hàng như tìm kiếm hồ chứa, hóa lỏng khí thiên nhiên, phân phối tới khách hàng… Theo báo cáo của Shell năm 2022, Trung Quốc là nước nhập khẩu CNG nhiều nhất với 79 triệu tấn vào năm 2021, theo sau là Nhật Bản với 73 triệu tấn Trong khi đó, Úc là nước xuất khẩu LNG lớn nhất thế giới với khoảng 88 triệu tấn năm 2021[103] Với sự phát triển và nhu cầu tăng cao, LNG nhận được rất nhiều sự quan tâm từ chính phủ và các tập đoàn dầu khí, rất nhiều dự

án lớn được mở ra và đầu tư tại nhiều quốc gia trên thế giới Dự án North Field Expansion LNG (LNG hồ chứa phía bắc mở rộng) tại Qatar được xem là dự án LNG lớn nhất thế giới với công suất kỳ vọng lên tới 110 triệu tấn mỗi năm [104] Jafrabad Floating Storage and Regasification Unit (Jafrabad FSRU) tại Ấn Độ cũng là một dự

án rất lớn cung cấp 47.5 triệu tấn cho khu vực lân cận Mỹ cũng đã khởi động dự án Rio Grande LNG Plant tại Texas với công suất 27 triệu tấn mỗi năm Tại Việt Nam, chính phủ cũng đã định hướng sử dụng LNG cho sản xuất điện từ những năm đầu thế

kỷ 21 Theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh, giai đoạn 2025 – 2030, nhiều nhà mấy điện LNG được xây mới để đáp ứng công suất tổng 15000 – 19000 MW Đồng thời, Quy hoạch phát triển ngành Công nghiệp khí ở Việt Nam 2025 định hướng 2035 đã xác định rõ sự cần thiết về cơ sở hạ tầng để tiếp nhận LNG nhập khẩu với khối lượng

1 đến 4 tỷ m3/năm cho giai đoạn 2021-2025 và tăng lên 10 tỷ trong giai đoạn

2026-2035 Trong đó, chuỗi dự án điện LNG Thị Vải – Nhơn Trạch là chuỗi dự án lớn nhất với 4 nhà máy điện được chia làm nhiều giai đoạn thực hiện Trên thế giới, LNG cũng được sử dụng rất nhiều cho động cơ trên tàu thủy, tàu hỏa và xe tải Tuy nhiên, ở Việt Nam, do cơ sở hạ tầng thấp, giá nhập khẩu tương đối cao, LNG cho động cơ đốt trong không nhận được nhiều sự quan tâm

1.3 Các nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên nén

Khí thiên nhiên nén với tiềm năng rất lớn đã và đang được sử dụng rộng rãi cho động cơ đốt trong ở nhiều nước trên khắp thế giới cũng như tại Việt Nam Khí thiên nhiên thể hiện nhiều đặc tính vượt trội so với xăng và diesel, do đó động cơ CNG có nhiều ưu điểm rõ ràng so với các động cơ truyền thống [79] Động cơ sử dụng khí thiên nhiên hứa hẹn sẽ thay thế động cơ xăng và diesel truyền thống trong bối cảnh nhiên liệu từ dầu mỏ đang ngày một cạn kiệt cũng như giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường Khí thiên nhiên có trữ lượng dồi dào nên giá thành rẻ hơn nhiều so với nhiên liệu dầu mỏ Ngoài ra, chi phí vận hành và bảo dưỡng cũng giảm đi đáng kể so với các phương tiện thông thường Chandler cùng nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích 12 tháng trên xe bus sử dụng diesel và CNG Kết quả chỉ ra rằng, xe bus sử dụng

CNG giảm được tới 12% chi phí vận hành so với sử dụng xăng [105] Đồng thời, việc giảm tổn hại cho động cơ và giảm thiểu sửa chữa cũng giúp động cơ có tuổi thọ dài hơn, phương tiện có thời gian sử dụng dài hơn Với tính chất của một nhiên liệu khí

có khối lượng phân tử nhỏ, CNG hòa trộn tốt hơn với không khí tạo ra hỗn hợp nhiên liệu đồng nhất giúp cho quá trình cháy tốt hơn [106] CNG có trị số Octane cao hơn

so với xăng, cho phép động cơ CNG hoạt động với tỷ số nén lớn hơn mà vẫn đảm bảo chống kích nổ Việc tối ưu tỷ số nén của động cơ CNG có thể cải thiện hiệu suất nhiệt của động cơ lên tới 10% [99] Thêm vào đó, nhiều nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm từ 12 tới 20% khi sử dụng nhiên liệu CNG[107, 108] Ở một số khu vực trên thế giới, người ta đã bắt đầu sử dụng CNG cho ô tô chạy trong thành phố Các quốc gia như Mỹ, Ý, Canada, Hà Lan… đã xây dựng những cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc phát triển ô tô sử dụng nhiên liệu CNG Trên thế giới có 14,8 triệu phương tiện sử dụng CNG vào năm 2011 trong đó phải kể đến Iran là quốc gia hàng đầu với 2,86 triệu xe, Pakistan 2,85 triệu xe Để có được những động cơ sử dụng nhiên liệu CNG, nhiều nước đã có giải pháp khác nhau như chuyển đổi động cơ sử dụng xăng hoặc diesel sang sử dụng CNG và chế tạo một

hệ động cơ mới chỉ sử dụng nhiên liệu CNG Tuy nhiên, động cơ CNG cũng có một vài nhược điểm cần được khắc phục như hiệu suất nạp thấp hay tốc độ cháy chậm

Do đó, để tối ưu được hiệu suất làm việc và giảm thiểu phát thải của động cơ cần phải

có nhiều hơn các nghiên cứu hướng tới động cơ sử dụng nhiên liệu CNG

Các nghiên cứu cơ bản có thể phân thành ba hướng chính theo giải pháp đốt cháy nhiên liệu như sau:

 Hướng thứ nhất: Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp xăng – CNG hoặc diesel – CNG, gia tăng tỷ lệ sử dụng nhiên liệu CNG

 Hướng thứ hai: Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG trên các động cơ xăng hiện hành mà không cần phải thay đổi hình dạng và kết cấu buồng cháy động cơ

 Hướng thứ ba: Nghiên cứu phát triển động cơ sử dụng hoàn toàn nhiên liệu khí thiên nhiên trong đó có xem xét đến các yếu tố như hình dạng và kết cấu buồng cháy

Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG

Hình 1.4 Phân loại hệ thống đánh lửa và cấp nhiên liệu động cơ CNG[109]

Tùy thuộc vào thiết kế, phương án đánh lửa và phương pháp chuyển đổi, động cơ CNG được phân loại và cung cấp nhiên liệu khác nhau Error! Reference source not ound phân loại các động cơ CNG theo hệ thống đánh lửa và phun nhiên liệu Thông thường, trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel, khí thiên nhiên được phun gián tiếp trên đường ống nạp và hòa trộn với không khí trước khi đi vào động cơ và được

đánh lửa bởi diesel Hình 1.5 ví dụ về một sơ đồ thí nghiệm các hệ thống trên động

cơ lưỡng nhiên liệu trong đó CNG được cung cấp trên đường ống nạp Nhiên liệu CNG được giảm áp suất từ bình chứa và điều chỉnh lưu lượng thông qua hệ thống ống góp nhiên liệu trước khi phun vào trong đường ống và hòa trộn với không khí tại đây Hệ thống giảm áp suất nhiên liệu đóng vai trò tương đối quan trọng với mọi động

cơ CNG để đảm bảo nhiên liệu được phun với áp suất hợp lý từ hệ thống lưu trữ với

áp suất rất cao Khí thiên nhiên trong trường hợp này thường được phun với áp suất

từ 2 – 5 bar [110, 111] Hệ thống ống phân phối CNG được sử dụng để duy trì áp suất

và lưu lượng nhiên liệu cung cấp cho vòi phun

Hình 1.5 Các hệ thống trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [112]

Ngoài ra, động cơ CNG đơn nhiên liệu cũng có thể sử dụng hệ thống phun nhiên liệu gián tiếp với bugi đánh lửa tương tự với động cơ xăng Các động cơ diesel chuyển đổi sang sử dụng CNG thường tận dụng vị trí vòi phun diesel để lắp đặt bugi đánh

lửa Hình 1.6 là một ví dụ về sơ đồ các thiết bị trên động cơ CNG phun gián tiếp với

bugi được đặt trên nắp xylanh Các hệ thống cung cấp nhiên liệu như giảm áp suất, thiết bị đo lưu lượng hay ống góp nhiên liệu tương tự với động cơ lưỡng nhiên liệu Với động cơ lưỡng nhiên liệu, CNG có thể được phun với áp suất lên tới 10 - 15 bar [113] Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tăng áp suất phun nhiên liệu CNG trên đường ống nạp góp phần cải thiện quá trình hòa trộn cũng như tăng hiệu suất nạp và công suất của động cơ [114-116]

Hình 1.6 Các hệ thống trên động cơ phun gián tiếp CNG [117]

1 Bình khí thiên nhiên; 2 Van khóa bằng tay; 3 Lọc khí áp suất cao; 4 Đồng hồ

đo lưu lượng khí; 5 Van khóa; 6 Van điều chỉnh áp suất; 7 Lọc khí áp suất thấp;

8 ống dẫn khí; 9 Cảm biến áp suất khí; 10 Cảm biến nhiệt độ khí; 11 Vòi phun khí; 12 Mô đun điều khiển phun khí; 13 Bugi; 14 Cuộn dây đánh lửa; 15 Mô đun điều khiển đánh lửa; 16 Bướm ga; 17 Cảm biến nhiệt độ khí nạp; 18 Cảm biến áp suất nạp; 19 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 20 Cảm biến điểm chết trên;

21 Cảm biến góc quay trục khuỷu; 22 Bộ mã hóa góc quay trục khuỷu;

23 Động cơ khí thiên nhiên; 24 Cảm biến tiếng gõ; 25 Cảm biến nhiệt độ khí thải;

26 Cảm biến dư lượng không khí; 27 Cảm biến áp suất xylanh;

28 Bộ khuếch đại điện tích; 29 Máy phân tích quá trình đốt cháy; 30 Máy tính;

31 Hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu

Hình 1.7 Sơ đồ bộ hòa trộn CNG [118]

Hình 1.8 Ví dụ về các chi tiết của bộ hòa trộn CNG [119]

Sử dụng bộ hòa trộn CNG cũng là một phương án cung cấp nhiên liệu hiệu quả

với ưu điểm về tính ứng dụng dễ dàng Hình 1.7 và Hình 1.8 là một ví dụ về bộ hòa

trộn nhiên liệu CNG – không khí đơn giản Bộ hòa trộn thường được sử dụng trên động cơ lưỡng nhiên liệu hoặc sử dụng thay thế cho vòi phun trên đường ống nạp Bộ hòa trộn cũng thể hiện nhiều ưu điểm trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG – diesel Hỗn hợp nhiên liệu – không khí được hòa trộn một cách đồng nhất trước khi đi vào trong buồng cháy qua xupap nạp [120] R Papagiannakis cũng đã chỉ ra rằng công suất động cơ không bị sụt giảm ở tốc độ động cơ cao khi sử dụng bộ hòa trộn cho động cơ lưỡng nhiên liệu [121]

Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu

Tương tự như nhiều nhiên liệu thay thế khác, động cơ sử dụng khí thiên nhiên để thay thế một phần nhiên liệu truyền thống được nghiên cứu và đạt được hiệu quả cao Khí thiên nhiên là khí có nhiệt độ tự cháy cao, do đó khí thiên nhiên được sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức hoặc hòa trộn cùng nhiên liệu diesel như một phương

án đánh lửa Tùy thuộc vào phương án cung cấp nhiên liệu, có nhiều loại phương tiện khác nhau sử dụng kết hợp nhiên liệu dầu mỏ và khí thiên nhiên Những động cơ này được chia làm ba loại chính bao gồm động cơ nhiên liệu hòa trộn (mixed fuel hay blend fuel)[122], động cơ lưỡng nhiên liệu (dual fuel) [123] và động cơ song song hai nhiên liệu (bi-fuel) Về mặt bản chất, các loại động cơ này đều sử dụng đồng thời khí thiên nhiên và nhiên liệu khác nhưng nhiên liệu được cung cấp với các phương

án khác nhau, do đó hệ thống và hiệu suất động cơ cũng có vài điểm khác nhau Trên động cơ sử dụng nhiên liệu hòa trộn, CNG thường được hòa trộn với nhiên liệu khí khác như hydrogen trước khi cấp vào trong xylanh Ưu điểm của động cơ này

là nhiên liệu hydrogen và CNG có tính chất tương đối giống nhau, hệ thống lưu trữ

và cung cấp nhiên liệu có thể được sử dụng đồng thời cho cả hai nhiên liệu Qua đó, động cơ CNG – hydrogen giúp gia tăng tính ứng dụng của nhiên liệu hydrogen trên động cơ đốt trong Tuy nhiên, hỗn hợp nhiên liệu cần được hòa tộn bên ngoài hoặc trực tiếp tại hệ thống hòa trộn trên động cơ Do đó, động cơ trở nên phức tạp và khó đánh giá hiệu suất với thành phần hòa trộn khác nhau [124]

Động cơ lưỡng nhiên liệu (dual fuel) là loại động cơ phổ biến nhất với tính linh hoạt cao, yêu cầu ít sự thay đổi và khả năng ứng dụng thực tế lớn Nhiên liệu CNG

có thể được cung cấp đồng thời cùng nhiên liệu xăng (CNG-gasoline dual-fuel) hoặc nhiên liệu diesel (CNG-diesel dual-fuel) Tùy thuộc vào vị trí phun nhiên liệu mà hỗn hợp hai nhiên liệu và không khí sẽ được hòa trộn trên đường ống nạp hoặc trực tiếp bên trong xylanh [125] Trên động cơ xăng – CNG, nhiên liệu có thể được cung cấp trên đường ống nạp hoặc trong xylanh M Bysveen đã chứng minh rằng, nhiên liệu CNG phun trực tiếp sau khi xupap nạp đóng giúp cải thiện quá trình cháy của hỗn hợp [126] Tuy nhiên, động cơ vẫn yêu cầu hệ thống đánh lửa và năng lượng đánh lửa cao hơn động cơ xăng thông thường Thêm vào đó, với tỷ số nén ban đầu thấp, động cơ xăng – CNG không tận dụng được ưu điểm về trị số Octane cao và khả năng chống kích nổ của nhiên liệu CNG T.I Mohamad và các cộng sự đã chỉ ra rằng mô men và công suất của động cơ xăng – CNG giảm khoảng 14% so với động cơ xăng thông thường [127] Trong khi đó, động cơ diesel – CNG có nhiều ưu điểm hơn khi diesel đóng vai trò đánh lửa và lan tràn ngọn lửa Trong trường hợp này, nhiên liệu diesel được phun trực tiếp vào xylanh, bốc cháy khi chịu nén dưới áp suất cao trong chu trình nén của động cơ Trong khi đó, nhiên liệu CNG có thể được phun vào trong xylanh với lưu lượng và thời điểm khác nhau, hòa trộn trước với không khí trước khi

đi vào trong xylanh và tạo ra một hỗn hợp CNG – không khí đồng nhất giúp cải thiện được nhược điểm cháy chậm của CNG [123] J Liu và các cộng sự đã nghiên cứu một động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel với khí thiên nhiên được phun điều khiển bằng điện với thời điểm phun khác nhau [128] Kết quả chỉ ra rằng, khí thải NOx giảm được tới 30% so với động cơ diesel ban đầu C.S Weaver và S H Turner [129] cũng

đã chỉ ra rằng, động cơ lưỡng nhiên liệu có thể mở rộng giới hạn cháy của nhiên liệu khí thiên nhiên, động cơ có khả năng hoạt động với một điều kiện ít nhiên liệu hơn nhiều so với thông thường Thêm vào đó, tỷ lệ hòa trộn CNG và diesel trên động cơ lưỡng nhiên liệu cũng vô cùng linh hoạt Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng, có thể sử dụng tới 90% mà không cần hệ thống đánh lửa khi một lượng nhỏ diesel cũng

có khả năng lan tràn ngọn lửa [130] Ngoài ra, khi phương tiện hết nhiên liệu CNG, động cơ cũng có thể hoạt động hoàn toàn bằng diesel như một động cơ thông thường

Hình 1.9 thể hiện bốn chu trình của một động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel với

CNG được phun trên đường ống nạp

Trường hợp cuối cùng của động cơ kết hợp hai nhiên liệu là động cơ sử dụng song song nhiên liệu CNG và nhiên liệu xăng (switchable) với hệ thống cung cấp nhiên liệu riêng biệt (bi-fuel) Động cơ này chủ yếu sử dụng cho các xe tải hạng nhẹ với hệ thống nhiên liệu có khả năng chuyển đổi giữa CNG và xăng Về mặt hiệu quả, phương tiện này mang ưu điểm của động cơ CNG khi giảm lượng phát thải CO2 và HC cũng như hạn chế sử dụng nhiên liệu xăng [131] Omid Ghafarpasand và nhóm nghiên cứu

đã thực hiện thí nghiệm trên taxi và phương tiện cá nhận sử dụng bi-fuel Kết quả cho thấy, phương tiện cá nhân giảm được 70% khí thải trong khi taxi giảm được 42% CO

và 85% HC Về mặt kỹ thuật, động cơ này không có nhiều khác biệt với động cơ đơn nhiên liệu, tuy nhiên khả năng chuyển đổi giúp người dùng thuận tiện hơn trong quá trình sử dụng phương tiện Hầu hết các phương tiện này đều có khả năng chuyển đổi

tự động sang xăng khi hết CNG và chuyển đổi ngược lại khi nhiên liệu CNG được nạp đầy Hạn chế lớn nhất của phương tiện này là vấn đề về thùng chứa và cung cấp đồng thời hai nhiên liệu cũng như yêu cầu một hệ thống chuyển đổi phức tạp

Hình 1.9 Bốn chu trình của động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [132]

Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng

Do đặc điểm của nhiên liệu khí với nhiệt độ tự đánh lửa cao tương tự như nhiên liệu xăng, động cơ CNG có thể được chuyển đổi từ động cơ xăng một cách dễ dàng [133] Nếu bỏ qua vấn đề về tỷ số nén, động cơ CNG chỉ cần thay đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu từ động cơ xăng Thông thường, khi chuyển đổi từ động cơ xăng, hệ thống cấp nhiên liệu xăng cũng được giữ lại và một hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng và vòi phun chuyên dụng được thêm vào để có thể chuyển đổi giữa hai nhiên liệu khi cần thiết Lúc này, động cơ CNG còn được gọi là động cơ CNG bi-fuel Động

cơ CNG được chuyển đổi thường giữ các chiến lược cấp nhiên liệu của động cơ ban đầu như phương pháp cấp nhiên liệu (gián tiếp hay trực tiếp), vị trí hay góc đặt vòi phun, thời điểm phun,… M I Jahirul và các cộng sự đã lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG cho động cơ xăng 4 xylanh 1.6 L với một van solenoid có nhiệm vụ chuyển đổi giữa xăng và CNG [107] Các kết quả từ thí nghiệm đã chỉ ra rằng nhiên liệu CNG giảm 10% công suất động cơ nhưng đồng thời cũng giảm 15% suất tiêu hao nhiên liệu Ngoài ra, phát thải của động cơ cũng giảm đáng kể khi sử dụng nhiên liệu CNG A Gharehghani cũng đã chỉ ra rằng công suất đầu ra của động cơ giảm đi khi chuyển đổi sang sử dụng CNG [134] Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng việc tăng tỷ số nén của động cơ chuyển đổi [135] Nhờ vào trị số Octane lớn, động cơ CNG có thể hoạt động với tỷ số nén lớn hơn nhiều so với xăng để tối ưu công suất J Pradeep Bhasker và các cộng sự đã nghiên cứu thay đổi tỷ số nén của một động cơ CNG chuyển đổi và kết luận rằng tăng tỷ số nén của động cơ giúp cải thiện được hiệu suất nhiệt và công suất làm việc [136] Sridhar Sahoo đã thực hiện thí nghiệm trên động cơ CNG chuyển đổi với tỷ số nén lên tới 16 mà không có dấu hiệu kích nổ [135] Thêm vào đó, Liu Hui và nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng nghiên liệu CNG có khẳ năng chịu nén với tỷ trọng năng lượng tương đương với xăng [137] Ngoài ra, hiệu suất làm việc của động cơ CNG cũng có thể được cải thiện bằng việc tăng áp suất phun nhiên liệu và áp suất nạp Tennant và cộng sự đã ứng dụng hệ thống tăng áp trên động cơ CNG 1.9 L được chuyển đổi từ xăng để cải thiện quá trình

nạp của động cơ [138] Kết quả cho thấy rằng, áp suất nạp cao giúp cải thiện đáng kể nhược điểm nạp không khí của động cơ CNG, tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống tăng

áp giảm khi động cơ hoạt động ở tỷ số nén cao D Ramasamy cũng chỉ ra rằng, thay đổi thời điểm đóng mở xu páp cũng giúp cải thiện hiệu suất nạp và giảm suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG [139] Bởi CNG

là nhiên liệu khí, quá trình hòa trộn nhiên liệu CNG diễn ra khác với xăng Do đó, để

sử dụng CNG trên động cơ xăng, thời điểm đánh lửa hay chiến lược phun cũng là các yếu tố quan trọng khi sử dụng nhiên liệu CNG Nhiều nghiên cứu thay đổi chiến lược phun và đánh lửa cũng thu được những cải thiện đáng kể về hiệu suất làm việc cũng như phát thải và suất tiêu hao nhiên liệu [140] Ngoài ra, hòa trộn một lượng nhỏ hydrogen, biofuel hay giảm hàm lượng propane trong nhiên liệu cũng là một phương

án giúp nâng cao hiệu suất động cơ [122, 141]

Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel

Nghiên cứu của Krister Olsson và Bengt Johansson đã khẳng định rằng, trước đây những phương tiện vận tải thương mại sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên đều là những động cơ diesel cỡ lớn được chuyển đổi sang sử dụng khí thiên nhiên Hình dạng buồng cháy của những động cơ diesel chuyển đổi này đều có dạng: phần nắp máy có dạng phẳng, trong khi piston có dạng lõm ở phần đỉnh Mục đích của chuyển đổi từ động

cơ diesel thành động cơ khí thiên nhiên là để tận dụng ưu thế về sự chuyển động rối của đường nạp và sự xuất hiện của hiện tượng squish trong xylanh khi piston tiến gần đến điểm chết trên Đây là những ưu điểm cần thiết để hỗ trợ làm tăng khả năng đốt cháy nhiên liệu và giảm tổn thất nhiệt ra thành buồng cháy ở động cơ cháy cưỡng bức [142] Do sự khác biệt về tính chất vật lý và hóa học giữa CNG và diesel, khi chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ sử dụng hoàn toàn khí thiên nhiên cần có nhiều sự thay đổi trực tiếp Tuy nhiên, các nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel thành động

cơ sử dụng khí thiên nhiên đều chỉ ra rằng cần phải giảm tỷ số nén của động cơ diesel ban đầu và thêm vào hệ thống đánh lửa [143] Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel dễ dàng đạt được hiệu suất nhiệt cao hơn so với chuyển đổi từ động cơ xăng, bởi tận dụng được những ưu điểm về cải thiện động năng dòng môi chất bên trong xylanh động cơ [144] Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc thay đổi piston là cần thiết để tối ưu hiệu suất làm việc của động cơ CNG Johansson và nhóm nghiên cứu

đã thực hiện chuyển đổi động cơ VOLVO TD102 sang sử dụng CNG với mười hình dạng piston khác nhau [145] Kết quả cho thấy, hình dạng buồng cháy có ảnh hưởng lớn tới quá trình hòa trộn và dòng chảy rối trong buồng cháy từ đó cải thiện hiệu suất động cơ Nghiên cứu của Patrik Einewall cũng chỉ ra rằng hình dạng piston thích hợp góp phần cải thiện quá trình cháy và hòa trộn nhiên liệu của động cơ [146] B Yadollahi và M Boroomand đã thực hiện mô phỏng CFD trên phần mềm AVL Fire với nhiều hình dạng buồng cháy và vòi phun khác nhau[147] Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng, piston lõm giúp tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu và giảm thiểu được các vùng nhiên liệu không đều Vòi phun nhiều lỗ cũng thể hiện hiệu quả tốt hơn trong quá trình hòa trộn so với vòi phun đơn với cùng lượng nhiên liệu phun R Chandra

đã nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ tỷ số nén 12.65 với các thời điểm đánh lửa khác nhau [148] Kết quả chỉ ra công suất động cơ giảm so với động cơ diesel ban đầu tuy nhiên lượng khí thải CO2 cũng giảm tương đối đáng kể, thời điểm đánh lửa tối ưu được tìm ra ở 35 độ trước TDC Thời điểm phun nhiên liệu cũng có ảnh hưởng rất lớn tới động cơ CNG chuyển đổi đặc biệt với trường hợp động cơ phun trực tiếp

Ke Zeng [149] đã chỉ ra rằng, thời điểm phun muộn khiến cho quá trình hòa trộn không đủ thời gian diễn ra làm giảm chất lượng hỗn hợp nhiên liệu từ đó dẫn đến nhiều tổn thất như hiện tượng cháy chậm, thời gian cháy cao và tỷ lệ HC trong khí thải lớn Kết quả cũng chỉ ra rằng, thời điểm phun thích hợp giúp cải thiện cả quá trình cháy và khí thải của động cơ qua đó tăng áp suất trong xylanh, tăng tốc độ cháy

và tốc độ tỏa nhiệt cũng như giảm thiểu được khí thải CO và HC Thêm vào đó, thiết

kế vòi phun và áp suất phun cũng ảnh hưởng tới quá trình cháy cũng như hiệu suất của động cơ Nhóm nghiên cứu của Mindaugas Melaika [150] đã thực hiện thí nghiệm trên động cơ CNG phun trực tiếp với các thiết kế vòi phun có 7 lỗ phun và thời điểm bắt đầu phun cũng như áp suất phun khác nhau Kết quả cho thấy, sử dụng vòi phun nhiều lỗ giúp cho quá trình cháy diễn ra ổn định hơn Áp suất phun nhiên liệu tăng lên 50 bar cũng giúp quá trình hòa trộn tốt hơn đặc biệt là trong trường hợp phun muộn Dòng chảy rối của hỗn hợp nhiên liệu cũng tốt hơn trong trường hợp áp suất phun nhiên liệu lớn và vòi phun thiết kế nhiều lỗ

1.4 Tổng quan các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên

Các nghiên cứu ngoài nước

Hệ thống cung cấp nhiên liệu cũng như phương án cung cấp nhiên liệu có ảnh hưởng rất lớn tới hiệu quả làm việc của động cơ CNG Đối với mỗi phương án cung cấp nhiên liệu khác nhau các thông số phun nhiên liệu như lưu lượng phun, thời điểm phun, thời gian phun, áp suất phun hay tỷ lệ thay thế nhiên liệu CNG đều có các ảnh hưởng nhất định tới hiệu suất làm việc, thông số đặc tính hay phát thải của động cơ CNG Hiện tại, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số kể trên đối với động cơ CNG đơn hay lưỡng nhiên liệu Các nghiên cứu tiêu biểu có thể liệt kê như sau:

S Sahoo và các cộng sự [151] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm phun nhiên liệu đến quá trình cháy và hiệu suất của động cơ CNG – xăng Thực nghiệm được thực hiện chuyển đổi động cơ bốn xylanh sang sử dụng đồng thời nhiên liệu xăng và CNG Động cơ được vận hành với các thời điểm khác nhau để xem xét hiệu suất nhiệt,

mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Các kết quả chỉ ra rằng thời điểm phun nhiên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến công suất và mô men của động cơ lưỡng nhiên liệu Công suất và mô men lớn nhất đạt được với thời điểm phun tại 26 độ trước điểm chết trên (TDC)

S Aljamali và nhóm nghiên cứu [152] đã phân tích ảnh hưởng của thời điểm phun tới hiệu suất và khí thải của động cơ khí thiên nhiên phun trực tiếp Một động cơ bốn xylanh phun trực tiếp được nghiên cứu và đo đạt các thông số như công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải Các kết quả chỉ ra rằng, thời điểm phun nhiên liệu có ảnh hưởng tích cực tới công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ CNG Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu đạt được tối ưu khi phun tại 22 độ BTDC Các thông

số khí thải như CO, NOx và HC cũng giảm đi đáng kể với thời điểm phun nhiên liệu

22 độ BTDC

P.A Harari và cộng sự [153] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời điểm phun

và thời gian phun trên một động cơ CNG phun trên đường ống nạp Động cơ thí nghiệm được cung cấp đồng thời nhiên liệu CNG và diesel với vai trò đánh lửa do nén Các thời điểm và thời gian phun khác nhau được điều chỉnh để đánh giá sự thay

đổi của công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải của động cơ Kết quả cho thấy, thời điểm và thời gian phun có ảnh hưởng rất lớn đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu Các thông số hiệu suất đạt được giá trị tối ưu với thời điểm phun 25 độ BTDC

và thời gian phun 90 độ góc quay trục khuỷu Trong khi đó, với các chiến lược phun này, phát thải NOx và HC của động cơ cũng được giảm đáng kể

J Sevik và nhóm nghiên cứu [154] đã so sánh công suất, hiệu suất làm việc và khí thải giữa ba phương án phun nhiên liệu khác nhau trên cùng một động cơ Thực nghiệm được thực hiện trên động cơ một xylanh với các hệ thống phun trực tiếp nhiên liệu CNG, phun gián tiếp CNG và phun gián tiếp nhiên liệu xăng Kết quả chỉ ra rằng, động cơ CNG phun trực tiếp có công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tốt nhất Tuy nhiên, khí thải NOx tăng so với động cơ phun xăng và CNG trên đường ống nạp Động cơ phun trực tiếp cho thấy hiệu quả đốt nhiên liệu tốt hơn lên tới 10% Ngoài

ra, động cơ phun nhiên liệu CNG giảm khoảng 30% lượng phát thải CO2 khi động cơ làm việc toàn tải

M Chiodi [155] đã nghiên cứu các chiến lược phun khác nhau như phun đơn, phun kép, phun phụ và phun thêm trên động cơ CNG phun trực tiếp có tăng áp Thực nghiệm được thực hiện trên động cơ một xylanh với các thông số công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải CO, NOx và HC Các kết quả cho thấy, chế độ phun kép thu được công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tốt nhất Tuy nhiên, hàm lượng NOx trong khí thải lớn hơn so với các chế độ phun còn lại Suất tiêu hao nhiên liệu ít hơn cùng với công suất lớn hơn cho thấy hiệu suất nhiên liệu hiệu quả hơn khi sử dụng chế độ phun kép với hai lần phun chính

Y Chen và các cộng sự [156] nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu

và hệ thống tuần hoàn khí xả đến hiệu suất làm việc và khí xả của một động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel Thí nghiệm được thực hiện trên động cơ CNG một xylanh với các thông số công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, phát thải CO, NOx và HC được

đo đạt Kết quả chỉ ra rằng tăng áp suất phun nhiên liệu và tỷ lệ tuần hoàn khí xả có ảnh hưởng rõ ràng tới hiệu suất và khí thải của động cơ Tăng áp suất phun nhiên liệu giúp cải thiện đáng kể công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu Trong khi đó, tăng

tỷ lệ tuần hoàn khí xả giúp làm giảm phát thải NOx nhưng đồng thời tăng lượng phát thải CO và HC

K Pan và nhóm nghiên cứu [157] đã thực hiện mô phỏng CFD phun nhiên liệu hydrogen trên động cơ CNG phun trực tiếp Nghiên cứu so sánh dòng chảy và đặc tính cháy của động cơ CNG khi phun và không phun nhiên liệu hydrogen Kết quả chỉ ra rằng một lượng nhỏ hydrogen phun vào giúp cải thiện đáng kể đặc tính của động cơ và suất tiêu hao nhiên liệu Đồng thời lượng phát thải NOx và HC cũng giảm

đi khá nhiều so với động cơ phun CNG trực tiếp ban đầu

Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam hiện nay đã có một số công trình nghiên cứu nhằm thử nghiệm đưa nhiên liệu mới vào sử dụng cho động cơ đốt trong như: nhiên liệu sinh học, nhiên liệu khí hỏa lỏng, khí đốt tự nhiên Hầu hết các nghiên cứu bước đầu chủ yếu là thử nghiệm cho các động cơ thương mại sẵn có bằng các giải pháp kỹ thuật như sử dụng lưỡng nhiên liệu (Dual fuel) bằng cách kết hợp giữa các nhiên liệu truyền thống (xăng

và diesel) lượng nhiên liệu mới cũng chỉ chiếm một lượng nhỏ so với nhiên liệu truyền thống Các nghiên cứu cụ thể về động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) là rất hạn chế vì rất khó tiếp cận với các nghiên cứu này hoặc các kết quả

nghiên cứu về nhiên liệu CNG vẫn chưa được thỏa mãn để là cơ sở phát triển động

cơ nhiên liệu CNG Một số nghiên cứu đã được tiếp cận phần nào về động cơ sử dụng nhiên liệu CNG có thể liệt kê như sau:

Nguyen Thanh Tuan với một nghiên cứu năm 2010 đã chỉ ra các lợi thế của việc

sử dụng động cơ CNG tại Việt Nam Cùng với đó, các vấn đề về trang thiết bị, trạm nạp nhiên liệu, an toàn sử dụng cần được cải thiện và đảm bảo [158]

Nguyen Danh Chan và Le Hung Duong cũng đã nghiên cứu các dự án sử dụng nhiên liệu CNG cho xe buýt tại Việt Nam và chỉ ra rằng, chi phí cho các phương tiện công cộng sử dụng CNG cao hơn đáng kể so với sử dụng xăng Tuy nhiên các lợi ích khi giảm chi phí nhiên liệu sử dụng và phát thải môi trường là rất lớn [159]

Tác giả Hoàng Đình Long đã nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nhiên liệu khí nén thiên nhiên trên động cơ CNG [160] Nhóm nghiên cứu đã sử dụng động cơ diesel một xylanh Kubota SKD80 để cung cấp đồng thời nhiên liệu CNG và diesel với một

hệ thống phun nhiên liệu CNG được thêm vào trên đường ống nạp Các kết quả chỉ

ra rằng phát thải NOx có thể giảm trên 50%, lượng khói đen giảm hơn 10 lần Các kết quả có thể khẳng định rằng nhiên liệu CNG là giải pháp thiết thực cho việc tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải NOx và khói bụi

Tác giả Trần Đăng Quốc đã nghiên cứu hiệu suất làm việc của động cơ CNG được chuyển đổi từ động cơ diesel với các hình dạng piston khác nhau Nghiên cứu đánh giá các thông số làm việc của động cơ như mô men, áp suất, nhiệt độ động cơ Kết quả cho thấy hình dạng đỉnh piston có ảnh hưởng rõ ràng tới hiệu suất động cơ CNG Những ảnh hưởng này được giải thích bởi các yếu tốt như tỷ lệ khí và nhiên liệu trong hỗn hợp cháy, tỷ lệ áp suất và nhiệt độ Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tối ưu hóa hình dạng đỉnh piston cũng góp phần tăng hiệu suất và giảm phát thải của động cơ [161] Nguyen Thanh Tuan và Nguyen Phu Dong cũng đã nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ xe máy Suzuki Viva [162] Nghiên cứu xem xét các thông số của

hệ thống nhiên liệu CNG trên động cơ xe máy Kết quả chỉ ra rằng nhiên liệu CNG giúp giảm đáng kể các thông số phát thải của động cơ, tuy nhiên, hiệu suất làm việc cũng giảm một phần nhỏ so với động cơ ban đầu Ngoài ra, các vấn đề khi lắp đặt hệ thống nhiên liệu CNG trên xe máy cũng là vấn đề cần quan tâm

Trần Thanh Tâm đã “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ diesel chuyển đổi sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG)” sử dụng vòi phun điều khiển bằng cơ khí với áp phun 1 bar [163] Các kết quả đã chỉ ra rằng, ảnh hưởng của tỷ số nén, hình dạng đỉnh piston đến thời gian cháy

và phát thải của động cơ là rất lớn Các kết quả thu được từ thực nghiệm đã chứng minh rằng, sự thay đổi hình dạng buồng cháy trên đỉnh piston đã rút ngắn được thời gian cháy ở động cơ nghiên cứu Kết cấu hình học của đỉnh piston đã gián tiếp góp phần khắc phục được nhược điểm về tốc độ cháy chậm ở nhiên liệu khí thiên nhiên

1.5 Kết luận chương 1

Qua nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu và động cơ sử dụng khí thiên nhiên ở trong

và ngoài nước, các kết luận rút ra của chương được trình bày như sau:

 Chuyển đổi động cơ diesel thành động cơ sử dụng khí thiên nhiên sẽ hiệu quả hơn so với động cơ xăng, bởi vì tận dụng được tính năng động học của dòng khí nạp

đi vào trong xylanh của động cơ Không những thế tốc độ cháy được tăng lên và tổn