báo cáo kết thúc học phần năng lượng mới sử dụng trên ô tô chủ đề sử dụng nhiên liệu cng cho động cơ diesel

MỞ ĐẦU Trước sức ép ngày càng lớn của việc cạn kiệt nhiên liệu, ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính, các loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống sử dụng cho độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

BÁO CÁO KẾT THÚC HỌC PHẦN

NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ

Chủ đề: Sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ diesel

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Tuấn Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 4

Hồ Trung Hiếu 62130554 62-CNOT.3

Nguyễn Thành Phi 62131546 62-CNOT.3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

BÁO CÁO KẾT THÚC HỌC PHẦN

NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ

Chủ đề: Sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ diesel

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Tuấn Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 4

Khánh Hòa – 2023

Hồ Trung Hiếu 62130554 62-CNOT.3

Nguyễn Thành Phi 62131546 62-CNOT.3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

NỘI DUNG BÁO CÁO 5

I Tổng quan về CNG-nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường 5

II Tổng quan các nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel 7

1 Các nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel 7

1.1 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG 7

1.2 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 8

2 Kết quả nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel từ một động cơ nguyên thủy (động cơ chạy bằng nhiên liệu diesel) 8

III Kết luận 13

V Tài liệu tham khảo 13

MỤC LỤC HÌNH Hình 1 Hệ thông cung cấp nhiên liệu CNG trên động cơ diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG 7

Hình 2 Động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 8

Hình 3 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG-diesel 8

Hình 4 Đặc tính ngoài và hệ số λ của động cơ CNG-diesel 11

Hình 5 Tỷ lệ CNG thay thế ở các chế độ làm việc của động cơ 11

Hình 6 Suất tiêu thụ nhiên liệu ở các chế độ làm việc của động cơ 11

Hình 7 Hàm lượng phát thải NOx và CO ở đặc tính ngoài của động cơ 112 Hình 8 Độ khói ở các chế độ làm việc của động cơ 11

Hình 9 Phát thải CO và HC của động cơ CNG-diesel so với động cơ diesel 12

MỞ ĐẦU

Trước sức ép ngày càng lớn của việc cạn kiệt nhiên liệu, ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính, các loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống sử dụng cho động cơ đốt trong như xăng và diesel đang được quan tâm và phát triển Các loại nhiên liệu thay thế này có các nguồn gốc và được phân loại như sau:

Nguồn hóa thạch như: khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG (liquefied natural gas), khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (liquefied petroleum gas), khí lò ga…

Nguồn gốc sinh học như các loại nhiên liệu được chiết suất từ dầu hoặc tinh bột của các loại cây (cọ, dừa, hướng dương, jatropha, tảo, mía, sắn, ngô…), mỡ động vật hay khí biogas sản xuất từ phế thải (rác thải, chất thải từ động vật,…) Trong các dạng nhiên liệu thay thế đó biodiesel dùng để thay thế cho diesel, còn bioethanol, biomethanol dùng để thay thế cho nhiên liệu xăng

Sử dụng nhiên liệu thay thế, ngoài việc giải quyết vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, tận dụng triệt để các nguồn năng lượng sẵn có trong thiên nhiên, nó còn tạo công ăn việc làm cho người dân, giải quyết phần nào vấn đề ô nhiễm môi trường Ngoài ra, nếu có sự quy hoạch tốt về sử dụng đất thì việc sử dụng nhiên liệu thay thế, đặc biệt là nhiên liệu sinh học còn tạo động lực cho sự phát triển, giảm triệt để phát thải gây hiệu ứng nhà kính nhờ vòng khép kín CO2 (cây hấp thụ khí CO2 từ động cơ - trồng cây để sản xuất nhiên liệu sinh học cho động cơ)

NỘI DUNG BÁO CÁO

I Tổng quan về CNG-nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường.

1 Khí thiên nhiên nén CNG

- CNG (Compressed Natural Gas) là một loại khí thiên nhiên có thành phần chính là khí methane - CH (chiếm 85-95%) CNG được khai thác từ các mỏ khí thiên nhiên 4 hoặc từ khí đồng hành trong các mỏ dầu Khí thiên nhiên nén CNG thường được nén trong các bồn chuyên dụng dưới áp suất cao (từ 200 - 250 bar) giúp dễ dàng vận chuyển đến nơi tiêu thụ

2 Tính chất cơ bản của khí thiên nhiên CNG

2.1 Đặc điểm nổi bật của CNG

- Về thành phần, CNG có thành phần chính gồm: 87% Methane, 10% Etan, 2% Propan và 1% các loại khí khác Do vậy, khí thiên nhiên nén CNG nhẹ, dễ tan trong không khí, không màu, không mùi không gây độc hại

- Trong quá trình bảo quản và vận chuyển CNG, mùi lưu huỳnh thường được thêm vào giúp phát hiện các sự cố rò rỉ dễ dàng hơn Khi đốt cháy ở nhiệt độ cao, CNG có thể tạo ra nhiệt độ khoảng 1949 C và có lượng khí thải thấp hơn0 nhiều so với xăng và dầu diesel

- Ngoài những đặc điểm cơ bản kể trên, CNG còn có một số đặc điểm nổi bật như sau:

 Giảm khí thải các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, quá trình đốt cháy:

CNG có lượng khí thải thấp hơn rất nhiều so với động cơ xăng, dầu và hầu như không sinh ra khói bụi

 Hiệu năng vượt trội CNG được nén ở áp suất 200-250 bar giúp tiết kiệm đáng:

kể chi phí vận chuyển và lưu trữ

 Hiệu quả về chi phí Sử dụng CNG, giúp tiết kiệm chi phí từ 10% đến 30% so:

với các loại nhiên liệu khác từ dầu mỏ, mức giá CNG cũng rất ổn định và ít biến động trong thời gian dài

 An toàn Với đặc điểm nhẹ hơn không khí, CNG sẽ ít gây thiệt hại hơn khi xảy:

ra sự cố khi so sánh với xăng dầu Tăng tuổi thọ máy móc: Do CNG cháy hoàn toàn và không đóng cặn nên giúp tăng tuổi thọ, hiệu quả cho buồng đốt và

bộ chế hòa khí của thiết bị

 Nhiên liệu xanh xu hướng sử dụng khí thiên nhiên nén CNG ngày càng phổ:

biến hơn trên thế giới Do được khai thác muộn hơn so với dầu mỏ nên CNG có trữ lượng rất dồi dào, đủ cho nhân loại sử dụng trong khoảng 1000 năm nữa CNG sẽ là nhiên liệu thay thế cho dầu diesel và xăng trong vài năm tới

- Không giống như xăng và dầu diesel, CNG không gây nguy hiểm cho đất và nước

vì nó không độc hại Là loại nhiên liệu tương đối an toàn, khi bị tràn sẽ phân tán nhanh, giảm thiểu nguy cơ cháy nổ CNG là một lựa chọn thông minh hơn nhiều

so với dầu diesel hoặc xăng nên nó ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là trên xe buýt

- CNG có giá thấp hơn khoảng 50% so với xăng hoặc dầu diesel, thải ra lượng khí thải ít hơn tới 90% so với xăng' CNG có thể giảm chi phí nhiên liệu khoảng 50% trong khi vẫn cung cấp cùng một lượng điện năng Ở Mỹ, các hồ chứa đã tiết lộ trữ lượng khí đốt tự nhiên lớn cung cấp cho chúng ta nguồn cung cấp cho 100 năm tới Nguồn cung này đang tăng nhanh do những đột phá gần đây trong công nghệ đã mang lại khả năng tiếp cận nguồn dự trữ mà trước đây rất khó tìm được

II Tổng quan các nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel

1 Các nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel

- Có hai hướng nghiên cứu và ứng dụng chính đã được triển khai bao gồm: Chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng CNG, đốt cháy hỗn hợp nhờ tia lửa điện của bugi; Động

cơ diesel sang sử dụng CNG-diesel, trong đó diesel đóng vai trò nhiên liệu phun mồi tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG

1.1 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG.

Hình 1 Hệ thông cung cấp nhiên liệu CNG trên động cơ diesel sang sử dụng hoàn

toàn nhiên liệu CNG

1.2 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel.

Hình 2 Động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel

2 Kết quả nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel từ một động cơ nguyên thủy (động cơ chạy bằng nhiên liệu diesel)

- Động cơ nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG diesel là động cơ diesel 1

xi lanh Kubota SKD80 có dung tích 0,465 lít, S/D=84/84 (mm), công suất định mức 5,15 kW (7 ml) ở 2200 v/p, mô men lớn nhất đạt 26,5 Nm ở 1800 v/p, vùng tốc độ làm việc 1500-2200 v/p Động cơ sử dụng bơm nhiên liệu cao áp kiểu bơm Bosch cùng bộ điều tốc cơ khí đa chế

Hình 3 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG-diesel

- Chế độ làm việc của động cơ diesel được kiểm soát theo tốc độ và tải dựa vào việc điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình Bộ điều tốc sẽ điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cung cấp khi động cơ giảm tốc (do sức cản

tăng) và giảm nhiên liệu khi tăng tốc (do sức cản giảm), nhờ đó giúp động cơ chạy ổn định, tránh trường hợp vượt tốc Nếu để nguyên bộ điều tốc cơ khí của động cơ thì khi cấp CNG vào buồng cháy, nó trở thành một phần nhiên liệu cung cấp cho quá trình sinh công, làm cho tốc độ động cơ tăng lên Khi đó, bộ điều tốc sẽ giảm lượng diesel, giảm đến khi lượng diesel phun mồi còn lại không đủ đốt cháy CNG, động cơ sẽ mất ổn định Chờ cho tốc độ động cơ giảm xuống, lượng diesel tăng lại, tiếp tục quá trình cháy và sinh công Vì vậy, nếu không cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel động cơ sẽ hoạt động không

ổn định, không kiểm soát được lượng diesel cung cấp Giải pháp thực hiện trong nghiên cứu này là thiết kế trang bị thêm hệ thống phun CNG vào đường nạp điều khiển bằng điện tử Bộ điều khiển phun (ECU) sẽ thực hiện điều khiển

cả lượng phun CNG và lượng phun diesel theo chế độ tải của động cơ (sức cản của máy công tác) và vị trí tay điều khiển (xác định tốc độ) Giải pháp cải tiến đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel là sử dụng một motor bước lắp đặt thay thế cho bộ điều tốc cơ khí để điều chỉnh lượng cấp nhiên liệu diesel Motor bước được lập trình để dẫn động xoay pít tông bơm cao áp để thay đổi lượng cấp nhiên liệu diesel cùng với việc điều chỉnh lượng cấp CNG khi tốc độ thay đổi để đảm bảo động cơ làm việc ổn định

- Sơ đồ động cơ thí nghiệm với hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu CNG-diesel được thể hiện trên Hình 1 Khi động cơ làm việc, nhiên liệu CNG từ bình chứa

1 được cấp qua van điện từ 2 đến van giảm áp 3, tại đây áp suất khí CNG được điều chỉnh giảm đến áp suất ổn định 3kg/cm2 , nhiên liệu khí ở áp suất này đi tiếp đến không gian tích áp của vòi phun 4 ECU 6 điều khiển đóng mở vòi phun 4 một lần trên một chu kỳ làm việc của động cơ với độ dài thời gian mở tùy thuộc vào vị trí tay ga và tốc độ động cơ Đồng thời, ECU cũng cấp tín hiệu điều khiển đến motor bước 10 để điều chỉnh góc xoay pít tông bơm cao áp 11

để điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel cấp chu trình cho động cơ qua vòi phun diesel 12 đảm bảo tỷ lệ CNG/diesel theo lập trình phù hợp với chế độ làm việc của động cơ ECU cho phép kết nối với máy tính để lập trình xác định độ dài thời gian mở vòi phun CNG và góc xoay của pít tông xi lanh bơm nhiên liệu diesel cao áp theo vị trí tay ga và đặc điểm thay đổi tốc độ và tải của động cơ

- Kết quả thực nghiệm:

+ Kết quả thí nghiệm đo các thông số đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ được trình bày trên các độ thị Hình 3 đến Hình 8 Các đồ thị

về mặt kích nổ đạt đến hơn 60% ở 1800v/p và gần 55% ở tốc độ 2200v/p Ở các chế độ tải nhỏ hơn, tỷ lệ CNG được điều chỉnh giảm để giảm phát thải HC [13] Với các tỷ lệ CNG thay thế này, suất tiêu thụ nhiên liệu giảm trung bình đến 4% so với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel ở cùng chế độ tải và tốc độ như chỉ ra trên Hình 6 Sự giảm suất tiêu thụ nhiên liệu CNG-diesel là do nhiên liệu CNG có nhiệt trị cao hơn so với nhiên liệu diesel

+ Kết quả thí nghiệm đánh giá đặc tính phát thải của động cơ khi sử dụng CNG-diesel ở các chế độ tải và tốc độ khác nhau được thể hiện trên các đồ thị trên Hình

7 đến Hình 9 Các đồ thị Hình 7 chỉ rõ phát thải NOx và CO2 của động cơ CNG-diesel đều giảm Mức giảm NOx đến đến 50% so với động cơ nguyên thủy sử dụng diesel trên toàn bộ phạm vi tải và tốc độ thí nghiệm Điều này được giải thích là do nhiệt độ cháy của CNG thấp hơn của nhiên liệu diesel Hàm lượng phát thải CO2 giảm khoảng 10% do mức tiêu hao nhiên liệu CNG-diesel giảm và thêm nữa là hàm lượng thành phần các bon trong CNG thấp hơn nhiều so với trong nhiên liệu diesel Độ khói giảm đến 10 lần (Hình 8) trên toàn bộ phạm vi tải và tốc độ thí nghiệm vì thực tế nhiên liệu khí tạo hỗn hợp đồng nhất trong lưỡng nhiên liệu này chiếm trên 50%

+ Phát thải CO và HC của động cơ CNG-diesel cao hơn so với động cơ diesel nguyên thủy (Hình 9) do CNG tạo hỗn hợp đồng nhất với không khí trong xi lanh nên sẽ bị hiệu ứng tắt màng lửa sát vách và ở các khe kẽ như trong các động cơ nạp hỗn hợp đồng nhất Tuy nhiên, vì hàm lượng CNG trong hỗn hợp đồng nhất với không khí thấp hơn so với trong động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức nên hàm lượng phát thải CO và HC vận thấp hơn

Hình 4 Đặc tính ngoài và hệ số λ của động cơ CNG-diesel

Hình 5 Tỷ lệ CNG thay thế ở các chế độ làm việc của động cơ

Hình 6 Suất tiêu thụ nhiên liệu ở các chế độ làm việc của động cơ

Hình 8 Độ khói ở các chế độ làm việc của động cơ

Hình 9 Phát thải CO và HC của động cơ CNG-diesel so với động cơ diesel

động cơ giảm khoảng (5-8)%, đồng thời sự cung cấp nhiên liệu CNG liên tục nhằm hạn chế khả năng kiểm soát tỷ lệ CNG/ không khí

 Cung cấp CNG bằng vòi phun trên đường ốn nạp

 Cung cấp CNG bằng vòi phun trực tiếp vào buồng cháy

III Kết luận

Từ kết quả nghiên cứu trong bài báo, có thể rút ra một số kết luận sau:

- Các nghiên cứu chứng minh khí nén tự nhiên là cách cung cấp nhiên liệu an toàn nhất, hiệu quả cho xe buýt CNG có lượng phát thải thấp do tỷ lệ carbon và hydro thấp, điều này cũng dẫn đến việc tạo ra ít carbon dioxit hơn

- Đã thiết kế trang bị thành công hệ thống phun CNG vào đường nạp kết hợp điều chỉnh lượng cấp nhiên liệu diesel để chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG-diesel với việc kiểm soát tỷ lệ CNG thay thế theo ý muốn và phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

- Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG-diesel là giải pháp thích hợp cho việc sử dụng nhiên liệu CNG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ CNG thay thế lớn nhất ở chế độ toàn tải đảm bảo không xảy ra kích nổ có thể đạt tới 55%-60% Công suất động cơ vẫn được đảm bảo so với động cơ nguyên thủy trong khi suất tiêu thụ nhiên liệu giảm trên 4%, hệ số dư lượng không khí lamda ở toàn tải giảm xuống nhỏ nhất là 1,17 so với 1,22 ở động cơ nguyên thủy Phát thải NOx giảm trên 50%, độ khói giảm hơn 10 lần, CO2 giảm trên 10% trong khi hàm lượng phát thải CO và HC tăng nhưng mức phát thải vẫn thấp hơn nhiều so với động

cơ xăng

- Có thể khẳng định rằng việc sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG-diesel trên động cơ diesel là giải pháp hữu hiệu để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải NOx và khói bụi

V Tài liệu tham khảo

1 Hoàng Đình Long (2016), “Nghiên cứu đặc điểm phát thải hydrocarbon của động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel bằng phương pháp mô hình hóa”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (9):87-92

2 Resitoglu I.A., et al (2015), “The pollutant emissions from diesel-engine vehicles and exhaust aftertreatment systems”, Clean Technologies and Environmental Policy, 17:15-27

3 Sahoo B.B., Sahoo N., Saha U.K (2009), “Effect of engine parameters and type of gaseous fuel on the performance of dual-fuel gas diesel engines - A critical review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13:1151-1184