NGHIÊN cứu đặc điểm PHÁT THẢI HC TRÊN ĐỘNG cơ DIESEL sử DỤNG NHIÊN LIỆU CNG

Sự thay đổi của hàm lượng phát thải HC tính toán của động cơ D12 chạy lưỡng nhiên liệu CNG/diesel theo hệ số dư lượng không khí lamda chung ở các lượng phun nhiên liệu diesel khác nhau 6

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS HOÀNG ĐÌNH LONG

Hà Nội - 2015

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

i Lý do chọn đề tài 1

ii Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iii Phương pháp nghiên cứu 2

iv Các nội dung chính trong luận văn 2

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 4

1.1 Đặc điểm của CNG 4

1.1.1 Đặc điểm, tính chất, thành phần hóa học của CNG 4

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ CNG 8

1.1.3 Công nghệ tích trữ bảo quản CNG 12

1.2 Tình hình sử dụng CNG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức 13

1.2.1 Đặc điểm kết cấu động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức 13

1.2.2 Phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp 14

1.2.3 Đặc điểm làm việc và phát thải của động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức .20

1.3 Tình hình sử dụng CNG cho động cơ diesel 21

3.1.1 Các phương pháp chuyển đổi động cơ diesel sang chạy CNG 22

1.3.2 Các phương pháp cung cấp nhiên liệu trên động cơ CNG/diesel 23

1.3.3 Đặc tính làm việc của động cơ CNG/diesel cấp CNG vào ống nạp 25

1.4 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA SỰ HÌNH THÀNH HC TRONG ĐỘNG CƠ

CNG/DIESEL 29

2.1 Giới thiệu chung 29

2.2 Mô hình phản ứng cháy 30

2.2.1 Quá trình cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong xilanh 30

2.2.2 Quá trình cháy 31

2.2.3 Mô hình phản ứng cháy 33

2.3 Mô hình nhiệt động 40

2.4 Mô hình hình thành phát thải HC 42

2.4.1 Cơ sở lý thuyết quá trình hình thành HC trong động cơ CNG/diesel 42

2.4.2 Các nguồn tạo HC ban đầu 43

2.4.3 Sự ôxi hoá HC phía sau màng lửa 50

2.5 Kết luận chương 2 51

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN PHÁT THẢI HC TRONG ĐỘNG CƠ D12 CHẠY CNG/DIESEL 52

3.1 Mục đích và phương pháp tính HC 52

3.1.1 Mục đích 52

3.1.2 Phương pháp tính toán HC 52

3.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình thiết lập 55

3.3 Kết quả tính toán phát thải HC 61

3.4 Kết luận chương 3 66

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 68

Kết luận 68

Hướng nghiên cứu tiếp 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

Bảng 3.2 Áp suất và nhiệt độ khí thể tính toán của động cơ D12 chạy

nhiên liệu diesel ở toàn tải, tốc độ 2200v/p

56

Bảng 3.3 Hàm lượng HC tính toán của động cơ D12 chạy lưỡng

nhiên liệu CNG/diesel ở các tỷ lệ khối lượng CNG thay thế và các

chế độ tải khác nhau

62

Bảng 3.4 Hàm lượng HC tính toán của động cơ D12 chạy lưỡng

nhiên liệu CNG/diesel ở các hệ số dượng không khí  và lượng phun

Hình 1.3 Hệ thống cung cấp CNG 12Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng ống venturi với lỗ

Hình 1.5 Họng venturi với một đường CNG vào loại cùng chiều 16Hình 1.6 Họng Venturi với một đường CNG vào loại trực giao 16Hình 1.7 Kết cấu bộ chế hòa khí dạng modul hóa 16Hình 1.8 Sơ đồ cung cấp CNG trên động cơ dùng bộ trộn và điều

Hình 3.2 Áp suất khí thể tính toán theo góc quay trục khuỷu của

động cơ D12 chạy nhiên liệu diesel ở toàn tải 60Hình 3.3 Nhiệt độ khí thể tính toán theo góc quay trục khuỷu của

động cơ D12 chạy nhiên liệu diesel ở toàn tải 60Hình 3.4 So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu tính toán với

kết quả đo của động cơ D12 chạy nhiên liệu diesel ở toàn tải 61Hình 3.5 Sự thay đổi của hàm lượng phát thải HC tính toán của động

cơ D12 chạy lưỡng nhiên liệu CNG/diesel theo tỷ lệ khối lượng CNG

Hình 3.6 Sự thay đổi của hàm lượng phát thải HC tính toán của động

cơ D12 chạy lưỡng nhiên liệu CNG/diesel theo hệ số dư lượng không

khí lamda chung ở các lượng phun nhiên liệu diesel khác nhau

66

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CNG Khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas)

-CO Mônôxit cácbon

- Hệ số dư lượng không khí

AVL-Boost Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) GDI Hệ thống phun xăng trực tiếp (Gas Direct Injection)

-KCN Khu công nghiệp

LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas) CGT Công ty cổ phần dịch vụ vận tải Dầu khí Cửu Long

MỞ ĐẦU

i Lý do chọn đề tài

Hiện nay, số lượng các phương tiện giao thông và thiết bị động lựctrang bị động cơ diesel ngày càng tăng cao Điều này làm tăng lượng tiêu thụnhiên liệu diesel truyền thống, do đó làm tăng lượng phát thải độc hại gây ônhiễm môi trường trầm trọng và làm cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyềnthống gây thiếu nhiên liệu Để đối phó với tình trạng này, các nước trên thếgiới trong đó có Việt nam đã và đang hướng tới nghiên cứu sử dụng các loạinhiên liệu thay thế có mức phát thải độc hại thấp cho các động cơ này Trong

đó, khí thiên nhiên nén (CNG) là một nhiên liệu thay thế rất có tiềm năng vì

có nguồn cung lớn, giá rẻ và phát thải thấp Tuy nhiên, do CNG có số Cetanthấp nên không thể sử dụng CNG thay thế hoàn toàn nhiên liệu diesel truyềnthống trên các động cơ diesel hiện hành được mà chỉ có thể sử dụng kết hợpvới diesel ở dạng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel

Đã có nhiều công trình nghiên cứu về sử dụng lưỡng nhiên liệuCNG/diesel trên các động ơ diesel hiện hành Kết quả nghiên cứu cho thấyviệc sử dụng CNG trên động cơ diesel vẫn đảm bảo được các chỉ tiêu kinh tế

kỹ thuật của động cơ so với khi chạy với nhiên liệu diesel trong khi giúp giảmđáng kể hàm lượng phát thải khói bụi và NOx là các thành phần độc hại rấtkhó xử lý của động cơ diesel Tuy nhiên, phát thải hydrocacbon HC lại tăngđáng kể và bị ảnh hưởng nhiều của tỷ lệ CNG thay thế và các thông số làmviệc của động cơ Chính vì vậy, việc nghiên cứu đặc điểm phát thải HC trênđộng cơ sử dụng nhiên liệu CNG để từ đó xác định được các nhân tố ảnhhưởng để tìm biện pháp kiểm soát chất phát thải độc hại này là rất cần thiết để

có thể triển khai sử dụng CNG rộng rãi trên động cơ diesel Đề tài luận văn

thạc sỹ “Nghiên cứu đặc điểm phát thải HC trên động cơ diesel sử dụng

nhiên liệu CNG” cũng là nhằm hướng tới điều đó.

ii Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu: Xác định được cơ chế hình thành phát thải HC

trên động cơ diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel và đặc điểm phátthải chất độc hại HC cũng như các nhân tố ảnh hưởng đến hàm lượng chấtphát thải độc hại này của động cơ để đề xuất giải pháp kiểm soát chất phátthải độc hại này

- Đối tượng nghiên cứu: Các động cơ diesel hiện hành sử dụng lưỡng

nhiên liệu CNG/diesel, áp dụng tính toán cho một động cơ diesel D12

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sự hình thành phát thải HC trên

động cơ CNG/diesel bằng phương pháp mô hình hóa

iii Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp mô hình hóa, phân tích kết quả tính toán để thấyđược cơ chế và đặc điểm quá trình hình thành HC

iv Các nội dung chính trong luận văn

- Nghiên cứu phương pháp sử dụng nhiên liệu CNG trên động cơ dieselhiện hành;

- Nghiên cứu cơ chế và đặc điểm hình thành phát thải HC từ bên trong

xi lanh động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel;

- Mô hình hóa tính toán làm lượng phát thải HC trong động cơ;

- Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến hàm lượng phát thải HC như

tỷ lệ CNG thay thế, các thông số làm việc và thông số điều chỉnh của động cơ;

- Đề xuất biện pháp giảm phát thải HC

Các nội dung trên được phân bổ thành 3 chương cùng với phần mở đầu

cứu sử dụng nhiên liệu CNG trên động cơ đốt trong nói chung và động cơdiesel nói riêng.

- Chương 2: Mô hình hóa sự tạo thành HC trong động cơ CNG/Diesel

- Chương 3: Tính toán phát thải HC trong động cơ D12 chạyCNG/diesel

- Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Do các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên,

do vậy chúng thường được tách khỏi khí thiên nhiên trong quá trình tinh lọckhí và được sử dụng làm sản phẩm phụ

Bảng 1.1 Thành phần của khí CNG tại một số khu vực khai thác khác nhau

Khu vực Methane Ethane Propane Butane C 5- Nitơ H 2 S CO 2

Thành phần chính của CNG và các loại nhiên liệu khí khác được thểhiện trong bảng 1.2

Bảng 1.3 Một số tính chất của CNG

2 Khối lượng riêng ở 16oC, 101,3 kPa, kg/m3 0,6776

3 Nhiệt độ sôi ở áp suất 101,3 kPa, oC -161,5

5 Áp suất hơi bão hòa ở 38oC, kPa 0,5094

13 Giới hạn tự bốc cháy với không khí 5,0: 15,0

CNG là một loại nhiên liệu ở dạng khí không màu, không mùi, khônghòa tan trong nước So sánh các đặc tính của nhiên liệu CNG với các nhiênliệu khác như xăng, diesel, LPG, methanol, ethanol được cho trong Bảng 1.4

Từ bảng này thấy vì sao CNG có thể làm nhiên liệu thay thế tốt trên động cơđốt trong

CNG là loại nhiên liệu có tỷ trọng nhỏ nhất, loại nhiên liệu dễ bay hơinhất, tỷ trọng của CNG ở 20,7 MPa chỉ đạt giá trị 170 kg/m3 và của diesel là

860 kg/m3 Nhiệt trị tính theo đơn vị MJ/kg của CNG cao hơn nhiệt trị của tất

cả các nhiên liệu đang so sánh CNG có nhiệt trị là 50 MJ/kg, LPG có nhiệt trị

là 46,2 MJ/kg, xăng và diesel có nhiệt trị thấp hơn Methanol là loại nhiên liệu

có nhiệt trị thấp nhất (20MJ/kg)

CNG là nhiên liệu có nhiệt độ bốc cháy cao nhất khi so sánh với cácnhiên liệu khác, nhiệt độ bốc cháy của CNG khoảng 550 oC Tỷ lệ A/F tínhtheo khối lượng của nhiên liệu CNG cũng cao hơn các loại nhiên liệu khác,

đối với CNG hệ số này đạt giá trị 17,21 Các nhiên liệu LPG, xăng, diesel,ethanol, methanol theo thứ tự lần lượt có các giá trị về hệ số A/F giảm dần.Methanol là nhiêu liệu có hệ số A/F nhỏ nhất, giá trị của nó là 6,46

Nhìn chung động cơ CNG có rất nhiều hứa hẹn đối với ô tô hoạt độngtrong thành phố hay vùng ven đô, những khu vực mà tình trạng ô nhiễm môitrường do phương tiện vận hành gây ra ngày càng trở nên trầm trọng

Bảng 1.4 So sánh CNG với các nhiên liệu khác [1]

11297

10692

10789

9880

-

-(*)Khí thiên nhiên được nén đến áp suất 20,7 MPa ở nhiệt độ phòng

1.1.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ CNG

1.1.2.1 Trên thế giới

Năm 2011 trên thế giới có khoảng 14.8 triệu xe sử dụng khí đốt thiênnhiên và kể từ năm 2001 tới nay mức tăng trung bình hàng năm số lượngphương tiện sử dụng CNG là khoảng 23.7% Các nước có xe chạy bằng CNGnhiều nhất thế giới là những nước có nguồn và sản lượng khí thiên nhiên lớnnhư Iran với 2.86 triệu xe, Pakistan 2.85 triệu xe… [2]

Bảng 1.5 giới thiệu một số quốc gia đã và đang sử dụng các phươngtiện giao thông chạy nhiên liệu CNG, trong đó các nước có số lượng phươngtiện chạy CNG nhiều nhất phải kể đến là Iran, Pakistan và Argentina

Bảng 1.5 Các quốc gia có phương tiện sử dụng nhiên liệu CNG - 2011 (triệu)

Cũng theo WEO-IEA, 2011 thì tình hình sử dụng CNG tại các khu vực

khác trên thế giới như sau

Khu vực Nam Mỹ:

Xe CNG được sử dụng phổ biến ở khu vực Nam Mỹ, chủ yếu là nhữngchiếc xe Taxi tại các thành phố chính của Argentina và Braxin Đây là hainước có số lượng xe sử dụng nhiên liệu CNG lớn nhất, với tổng cộng hơn 3,4triệu xe vào năm 2009 Tính đến năm 2009 Argentina có 1.807.186 CNG và1.851 trạm tiếp nhiên liệu trên toàn quốc và Braxin có 1.632.101 xe và 1.704trạm tiếp nhiên liệu Colombia có 300.000 xe và 460 trạm tiếp nhiên liệu năm

2009 Bolivia đã tăng từ 10.000 xe trong năm 2003 đến 121.908 xe trong năm

2009 Peru có 81.024 xe và 94 trạm tiếp nhiên liệu trong năm 2009, nhưng dựđoán sẽ tăng vọt khi Peru nằm trên trữ lượng khí lớn nhất Nam Mỹ

Khu vực Nam và Đông Á

Tại Singapore, CNG ngày càng được sử dụng rộng rãi, với các phươngtiện công cộng như xe buyt, taxi, cũng như xe vận chuyển hàng hóa Hiện naycác xe tư nhân cũng được chuyển đổi sang sử dụng CNG do giá xăng dầu cao

Tại Trung Quốc, trong năm 2010 hơn 60 nhà sản xuất xe khí đốt thiênnhiên, và khoảng 20 nhà sản xuất động cơ có khả năng sản xuất 1 triệu động

cơ khí đốt hàng năm Trong đó xe khách và taxi là mục tiêu cho các động cơ

khí đốt vì khả năng tiết kiệm chi phí hoạt động Tổng khối lượng taxi trêntoàn Trung Quốc là hơn 1,1 triệu xe, có khoảng hơn 50% động cơ CNG.Trung Quốc là một trong bảy thị trường xe khí hàng đầu trên thế giới, với cácquy định phát thải chặt chẽ cung cấp các loại xe sạch Theo kế hoạch, sẽ có1,5 triệu xe vào năm 2015 và năm 2020 là 3 triệu xe.

Khu vực Trung Đông và Châu Phi

Iran có số xe sử dụng CNG rất lớn khoảng 2,6 triệu và có mạng lướiphân phối CNG trên toàn thế giới, và khoảng 1800 trạm tiếp nhiên liệu

AiCập là một trong mười nước hàng đầu trong việc áp dụng CNG với128.754 xe sử dụng CNG và 124 trạm tiếp nhiên liệu

Khu vực Châu Âu

Việc sử dụng CNG cho xe ở Ý bắt đầu năm 1930 và vẫn tiếp tục chođến ngày hôm nay Kể từ năm 2008 thị trường xe sử dụng khí đốt được mởrộng bởi sự gia tăng của giá xăng dầu và sự cần thiết giảm ô nhiễm môitrường

Ở Ý có hơn 800 trạm tiếp nhiên liệu CNG Tại Đức xe CNG dự kiến sẽtăng lên 2 triệu đơn vị vận tải vào năm 2020 Chi phí cho nhiên liệu CNG là

từ 1/3÷1/2 so với nhiên liệu hóa thạch khác ở Châu Âu Trong năm 2008 cókhoảng 800 trạm tiếp nhiên liệu CNG ở Đức

Tại Bulgaria có 96 trạm tiếp nhiên liệu đến tháng 7/2011 được phân bố

rộng vận chuyển khí thiên nhiên từ khu vực sản xuất sang các thị trường củaCanada Ở Mỹ có hơn 480.000 km đường ống dẫn khí an toàn và tin cậy vậnchuyển khí thiên nhiên trên khắp Bắc Mỹ Trong năm 2008, Canada xuấtkhẩu trị giá hơn 33 tỷ đô la khí đốt thiên nhiên Canada là nhà cung cấp khí đốtthiên nhiên hàng đầu của Hoa Kỳ.

Tại Hoa Kỳ, khí CNG được sử dụng rộng rãi do có hệ thống các đườngống từ các giếng tới người tiêu dùng Kết quả Mỹ có 1300 trạm tiếp nhiên liệutrong 46 tiểu bang và con số này sẽ tiếp tục phát triển Ngoài ra Chính Phủ hỗtrợ 50% vốn chuyển đổi xe sang nhiên liệu CNG

Qua đó ta thấy nhiên liệu khí nén CNG đã đang được dùng phổ biếntrên toàn thế giới và sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai

1.1.2.2 Tại Việt Nam

Việt Nam tự hào có 2000 tỷ m3 trữ lượng khí đốt thiên nhiên, vì vậy

mà đây sẽ là nguồn nguyên liệu sạch dồi dào cho phát triển kinh tế quốc dân,trong đó có giao thông vận tải

Hiện nay tổng công ty dầu khí Việt Nam (PV Gas) là đơn vị duy nhấtcung cấp CNG cho thị trường trong nước, chiếm 100% thị trường CNG toànquốc Đối với CNG ứng dụng trong giao thông vận tải thì CNG được vậnchuyển bằng xe bồn tới các trạm nạp CNG cho xe buýt, taxi…PV Gas hiện có

2 thành viên đang đầu tư, kinh doanh, sản xuất CNG phục vụ cho côngnghiệp, giao thông vận tải Công ty cổ phần CNG Việt Nam (CNG VN) đã đivào hoạt động năm 2008 có công suất giai đoạn I là 30 triệu m3 khí/1 năm chuyếu phục vụ công nghiệp Trong giai đoạn II CNG VN sẽ tăng lên công suất

250 triệu m3 khí/năm CNG VN đã làm việc với PV Trans-CGT trong việccung cấp CNG để CGT phục vụ trong giao thông vận tải Ngoài ra công ty CổPhần Khí hóa lỏng miền Nam (PV GAS South) đang đầu tư nhà máy nén khíCNG tại KCN Mỹ Xuân A, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu với công suất ban đầu là

10 triệu m3 /năm.

Hình 1.2 Trạm dịch vụ công cộng cung cấp CNG cho động cơ

1.1.3 Công nghệ tích trữ bảo quản CNG

Nhiêu liệu CNG được chứa trong các bình chứa làm bằng thép, nhôm

có đai bọc, vỏ bình làm bằng vật liệu composit Việc sử dụng vật liệucomposit giúp làm giảm đáng kể khối lượng bình chứa

CNG có tỷ trọng thấp hơn xăng nên thể tích ứng với cùng một đơn vịkhối lượng của CNG lớn hơn xăng (giá trị này của CNG gấp khoảng 3,9 lầngiá trị của xăng) Bình chứa CNG có thể tích và khối lượng lớn hơn bình chứaxăng Để chứa cùng một đơn vị khối lượng nhiên liệu thì bình chứa CNG có

thể tích lớn gấp 4,3 lần, khối lượng lớn gấp 3,7 lần bình chứa xăng Nếu dùngbình chứa có cùng thể tích với bình chứa xăng thì phạm vi hoạt động của xechạy CNG sẽ nhỏ hơn phạm vi hoạt động của xe chạy bằng xăng, nếu xe chạyxăng đi được quãng đường 483 km thì xe chạy CNG mới chỉ đi được 129 km.

Do đó để tăng phạm vi hoạt động của xe chạy CNG thì cần phải dùng nhữngbình chứa lớn hơn và dùng nhiều bình chứa để tăng dung tích của nhiên liệucủa nhiên liệu dự trữ trên xe

Hình 1.3 Hệ thống cung cấp CNG

Sau khi được sản xuất, CNG có thể được cấp đến nơi sử dụng bằng cácđường ống dẫn khí Để đảm bảo quá trình cung cấp CNG ổn định và liên tụcđến nơi sử dụng cần có các trạm nén được lắp đặt dọc theo đường ống

Khi khí thiên nhiên cũng có thể được vận chuyển bằng các phương tiệnvận tải đến nơi tiêu thụ, các công ty khí đốt thường chứa vào các bồn hoặc bểchứa Do đó, các công ty kinh doanh khí đốt thường chứa khí thiên nhiên vàocác bể chứa lớn chịu áp lực cao hoặc chứa vào các tầng đá xốp Trong nhiềutrường hợp, các khu vực lưu trữ khí thiên nhiên được sử dụng là các mỏ than

Đường ống

dẫn khí

Trạm bơm chính

Bồn chứa áp suất cao

Trạm bơm cấp trực tiếp

Trạm bơm phụ

Trạm cấp thủy lực

hoặc các giếng dầu đã bị bỏ hoang Khi cần sử dụng khí thiên nhiên lại đượcbơm lên mặt đất.

1.2 Tình hình sử dụng CNG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức

1.2.1 Đặc điểm kết cấu động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức

Nhiên liệu CNG có đặc điểm cháy tương tự xăng, có tính bay hơi vàhòa trộn tốt với không khí và có trị số octan cao hơn xăng nên rất thích lợplàm nhiên liệu cho động cơ đốt cháy cưỡng bức Do vậy, đặc điểm kết cấuchung của động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức hoàn toàn tương tự động cơxăng và chỉ khác ở hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp Các nghiêncứu đã chỉ ra rằng động cơ chạy CNG có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn động

cơ xăng do suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn và giá nhiên liệu CNG trên thếgiới hiện nay thường thấp hơn nhiều so với giá xăng Mặt khác, phát thải cácthành phần độc hại của của động cơ chạy nhiên liệu CNG thấp hơn nhiều sovới chạy xăng nên CNG được coi là nhiên liệu sạch và do vậy có xu hướngđược sử dụng ngày càng rộng rãi để làm nhiên liệu thay thế trong động cơ đốtcháy cưỡng bức [3]

Các động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu CNG hiện nay cóthể đến từ hai nguồn, đó là các động cơ được thiết kế chế tạo mới chuyên sửdụng nhiên liệu CNG và các động cơ được hoán cải chuyển đổi từ các động

cơ chạy xăng hoặc các động cơ chạy nhiên liệu diesel hiện hành sang chạynhiên liệu CNG

1.2.2 Phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp

Việc cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ CNG chế tạomới hay trong động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ chạy nhiên liệu truyềnthống sang thường không có gì khác biệt và đều là đối tượng được quan tâmnghiên cứu nhiều để nâng cao tính kinh tế, tính hiệu quả và giảm phát thải chođộng cơ Có nhiều phương pháp cung cấp CNG và tạo hỗn hợp cho động cơ

CNG tương tự như các phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trongđộng cơ xăng Đó là phương pháp cung cấp nhiên liệu CNG vào đường nạpbằng cách sử dụng bộ hòa trộn (hay bộ chế hóa khí) có họng venturi hay cungcấp CNG bằng cách phun CNG vào đường nạp, và phương pháp phun trực tiếpnhiên liệu CNG vào trong xilanh động cơ

1.2.2.1 Phương pháp cung cấp CNG vào đường nạp sử dụng bộ hòa trộn

Hệ thống cung cấp CNG vào đường nạp sử dụng bộ hòa trộn có kết cấurất đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt và giá thành rất rẻ nên được sử dụng từ lâugiống như trên các động cơ gas nói chung Ngày nay hệ thống này vẫn được

sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trên các động cơ CNG chuyển đổi từ động cơxăng truyền thống vì chỉ cần lắp thêm hệ thống này lên động cơ và khóađường xăng lại là động cơ có thể chạy với nhiên liệu CNG [4] Hình 1.4 trìnhbày sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống cung cấp CNG kiểu này cùng với sơ đồ

bộ hòa trộn có họng khuyếch tán kiểu ống venturi Áp suất hơi CNG sau bộ giảm áp

và hóa hơi dẫn vào bộ hòa trộn được duy trì ở giá trị ổn định bằng áp suất môi trường nên việc cung cấp nhiên liệu khí vào họng venturi hoàn toàn phụ thuộc vào kết cấu họng và lưu lượng không khí nạp đi qua họng (phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ) tương tự như nguyên lý tạo hỗn hợp trong bộ chế hòa khí của động cơ xăng.

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng ống venturi với lỗ

khoan xung quanh họng

Bộ hòa trộn trên hình 1.4 có chất lượng tạo hỗn hợp tốt, độ đồng nhấtcủa hỗn hợp cao và đường dẫn nhiên liệu vào họng không làm cản trở dòngkhông khí nạp nên được sử dụng rộng rãi nhất Một số kết cấu khác của bộhòa trộn như giới thiệu trên các hình từ hình 1.5 đến 1.7 Các bộ hòa trộn này

có thể đơn giản về kết cấu, tuy nhiên có một số nhược điểm Ví dụ, bộ hòatrộn trên hình 1.5 và 1.7 có đường dẫn nhiên liệu nằm trong dòng khí nạp nênlàm tăng tổn thất dòng khí nạp; bộ hòa trộn hình 1.6 có đường cấp nhiên liệu

ở một phía của họng nên chất lượng hòa trộn nhiên liệu với không khí khôngtốt bằng họng khuyếch tán cấp nhiên liệu vào đều xung quanh họng

Các hệ thống cung cấp CNG và tạo hỗn hợp nhờ sử dụng bộ hòa trộn có các

ưu điểm nổi bật là thiết kế, chế tạo, lắp đặt và điều chỉnh dễ dàng, giá thành rẻ nên

dễ dàng áp dụng để chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang chạy CNG; mắt khác

có thể sử dụng song song hoặc độc lập 2 loại nhiên liệu xăng và CNG tùy theo điều kiện sử dụng Tuy nhiên, hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn cũng có nhược điểm như của bộ chế hòa khí trong động cơ xăng là có tổn thất khí động do sức cản của ống venturi và sự không đồng nhất của hỗn hợp giữa các xilanh Điều này sẽ làm xấu đi các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ so với phương pháp phun CNG vào cửa nạp.

Hình 1.5 Họng venturi với một đường CNG vào loại cùng chiều

1 - Bầu lọc gió; 2- Đường ống dẫn khí gas; 3- Bướm gas; 4 - Họng

phun gas

Hình 1.6 Họng Venturi với một đường CNG vào loại trực giao

Hình 1.7 Kết cấu bộ chế hòa khí dạng modul hóa

1 - Bướm ga; 2- Đường ống dẫn gas; 3- Cơ cấu điều khiển; 4- Vít điều chỉnh.Hiện nay để nâng cao chất lượng hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạohỗn hợp bằng phương pháp sử dụng bộ hòa trộn, người ta sử dụng phươngpháp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp bằng điện tử Trên hệ thống cung cấpnhiên liệu này người ta trang bị thêm một van tiết lưu nhiên liệu điều khiểnđiện tử trên đường dẫn nhiên liệu CNG từ bộ giảm áp đến bộ hòa trộn nhưgiới thiệu trên sơ đồ hình 1.8 Áp suất hơi của nhiên liệu sau bộ giảm áp đượcduy trì lớn hơn áp suất khí trời một chút Van tiết lưu nhiên liệu được điềukhiển mở to nhỏ nhờ bộ điều khiển điện tử để điều chỉnh lưu lượng nhiên liệuCNG vào họng luôn phù hợp với chế độ làm việc của động cơ, tức là đảm bảo

hệ số dư lượng không khí  luôn tối ưu ở các chế độ làm việc của động cơ

Hình 1.8 Sơ đồ cung cấp CNG trên động cơ dùng bộ trộn và điều khiển

điện tử1- Bình nhiên liệu CNG; 2- Van điện từ đóng mở đường CNG; 3- Bộgiảm áp và hóa hơi; 4- Van tiết lưu điều khiển bằng điện tử;5- Bộ hòa trộn; 6-

Bộ chế hòa khí xăng; 7- Van điện từ đóng mở đường xăng; 8- Bình xăng

1.2.2.2 Phương pháp phun CNG vào đường nạp

Hình 1.9 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun CNG vào cửanạp (hệ thống phun đa điểm) Nguyên lý điều khiển phun CNG đa điểm bằngđiện tử hoàn toàn tương tự như của hệ thống phun xăng đa điểm Chỉ có mộtđiểm khác là các vòi phun CNG được bố trí trên một cụm và từ mỗi vòi phunnày có một đường dẫn nhiên liệu khí tới cửa nạp của mỗi xilanh động cơ Ápsuất hơi sau bộ giảm áp và trước vòi phun được duy trì vào khoảng 1-2kgf/cm2 tùy theo yêu cầu của mỗi hệ thống

Hệ phống phun CNG vào cửa nạp khắc phục được các nhược điểm của

hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn đã được mô tả ở trên Hệ thốngkhông bị tổn thất khí động qua họng khuyếch tán và lại đảm bảo định lượngchính xác và đồng đều nhiên liệu giữa các xilanh nên tăng được công suất,giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải so với sử dụng bộ chế hòa khí hay bộhòa trộn Kết quả nghiên cứu so sánh đặc tính làm việc của động cơ sử dụng

các hệ thống cấp nhiên liệu CNG khác nhau của các nhà nghiên cứu cho thấykhi sử dụng hệ thống phun CNG vào đường nạp công suất động cơ tăng sovới động cơ xăng dùng bộ trộn.

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun CNG vào cửa nạp điều khiển điện tử

1 Thùng chứa CNG, 2 Van điện từ, 3 Bộ hóa hơi, 4.Ống phân phối,

5 Vòi phun CNG, 6 Bộ điều khiển phun CNG, 7.Cảm biến vị trí chân ga,

8.Cảm biến vị trí trục khuỷu, 9 Đường nước vào và ra

1.2.2.3 Phương pháp phun trực tiếp CNG vào trong xilanh động cơ

Hệ thống phun trực tiếp CNG vào trong xilanh động cơ được mô tả trênHình 1.10 Nguyên lý làm việc của hệ thống phun trực tiếp CNG cũng tương

tự hệ thống phun xăng trực tiếp GDI

Khí thiên nhiên được cung cấp vào động cơ ở thể khí cao áp (CNG)hoặc thể lỏng (LNG) được phun tơi dưới áp suất cao qua vòi phun điện từ.Hỗn hợp nhiên liệu - không khí được tạo thành trong xilanh động cơ dướidạng phân lớp hoặc đồng nhất tùy theo chế độ làm việc ít tải hay toàn tải củađộng cơ

Theo sơ đồ hình 1.10, LNG thể lỏng từ đáy bình chứa được bơm đẩylên bơm cao áp dẫn động bằng cam ở trục cam Tiếp theo, LNG được bơm lênđường cao áp đến vòi phun Áp suất nhiên liệu cao áp được điều chỉnh ổn định nhờ

bộ điều áp CNG nhận sự điều khiển từ ECU ECU điều khiển mở vòi phun để phun nhiên liệu vào động cơ đảm bảo đúng thời điểm, đủ lượng phun phù hợp với các chế

độ làm việc của động cơ.

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp CNG hoặc LNG vào trong

xilanh động cơ

Hệ thống phun trực tiếp CNG cũng có tính ưu việt hơn hẳn các hệthống cung cấp CNG vào đường nạp như của hệ thống phun xăng trực tiếp sovới bộ chế hòa khí và phun xăng đa điểm về các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật vàphát thải của động cơ Tuy nhiên, do kết cấu động cơ phun CNG trực tiếpphức tạp hơn nhiều so với động cơ cấp CNG vào đường nạp nên phương phápphun trực tiếp CNG thường chỉ được sử dụng trên các động cơ CNG chế tạomới mà ít được áp dụng cho các động cơ chuyển đổi nhiên liệu sử dụng

1.2.3 Đặc điểm làm việc và phát thải của động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức

Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ đốt cháy cưỡngbức của các tác giả đều chỉ ra rằng nhiên liệu CNG rất thích hợp cho loạiđộng cơ này Các động cơ xăng chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG vớiviệc cấp CNG vào đường nạp bằng bộ hòa trộn hay phun nhiên liệu vào cửanạp đều có hàm lượng phát thải các thành phần độc hại thấp hơn đáng kể sovới động cơ xăng nguyên thủy Đặc biệt là phát thải CO của động cơ CNG

giảm đến 80% so với động cơ nguyên thủy chạy xăng như một số nghiên cứuchỉ ra và phát thải rắn và khói thấp hơn đến 60% so với động cơ chạy xăngnhư công bố của một số nhà nghiên cứu [4] Sự giảm phát thải của động cơchạy CNG đạt được là do nhiên liệu CNG có tỷ lệ H/C cao hơn xăng, thêmnữa do CNG có tốc độ bay hơi cao hơn, hòa trộn tốt hơn với không khí và cótốc độ cháy cao hơn so với xăng làm cho nhiên liệu cháy kiệt hơn

Động cơ CNG có ưu điểm nữa so với động cơ xăng là có thể chạy tốtvới hỗn hợp nhạt, điều đó giúp tăng tính kinh tế và giảm phát thải CO và HC[3, 4] Kết quả cho thấy hỗn hợp càng nhạt thì mức độ dao động của áp suấtcực đại trong xilanh và dao động của áp suất chỉ thị trung bình càng lớn vàthời gian cháy càng kéo dài Tuy nhiên với hỗn hợp nhạt, mức độ dao độngcủa áp suất cực đại trong xilanh và dao động của áp suất chỉ thị trung bình củađộng cơ CNG nhỏ hơn nhiều so với động cơ xăng Tức là, ở hỗn hợp nhạt,động cơ CNG chạy ổn định hơn động cơ xăng và thời gian cháy của động cơCNG bị kéo dài ít hơn Phát thải CO và HC khi chạy với hỗn hợp có =1-1,3của động cơ CNG trung bình thấp hơn phát thải CO, HC của động cơ xănglần lượt là 80% và 30%

1.3 Tình hình sử dụng CNG cho động cơ diesel

Động cơ diesel được sử dụng rất phổ biến, mặc dù tổng số lượng ít hơnđộng cơ xăng nhưng tổng công suất có thể lớn hơn nhiều vì động cơ dieselthường được sử dụng trên các phương tiện vận tải công suất lớn và các trang

bị động lực khác Ở Việt Nam theo thống kê năm 2007, số lượng ô tô trang bịđộng cơ diesel chiếm khoảng 22% tổng số ô tô đang hoạt động Tuy nhiên, tỷ

lệ phương tiện trang bị động cơ diesel ngày càng tăng Theo quyết định

356 QĐ-TTg ngày 25-2-2013 của Thủ tướng Chính phủ về điều chỉnh quyhoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ đến năm 2020 và định hướngđến năm 2030 [5], đến năm 2020, định hướng phát triển phương tiện vận tải

gồm ô tô các loại có khoảng 3,2 - 3,5 triệu xe, trong đó xe con 57%, xe khách14% và xe tải 29% (2 loại xe khách và xe tải hầu hết là trang bị động cơdiesel) và khoảng 36 triệu xe và máy chuyên dùng khác Như vậy, số lượngđộng cơ diesel đến năm 2020 có thể lên đến trên 1,5 triệu chiếc Số lượng và

tỷ lệ động cơ diesel ngày càng tăng do động cơ diesel có ưu điểm nổi trội làtính kinh tế nhiên liệu cao hơn động cơ xăng do hiệu suất cao hơn, suất tiêuhao nhiên liệu thấp hơn và giá nhiên liệu rẻ hơn [5] Tuy nhiên, động cơdiesel có mức phát thải khói bụi (phát thải rắn) khá cao [26] Do đó, đã cónhiều công trình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế có mức phát thải thấphơn như nhiên liệu CNG cho động cơ diesel để thay thế một phần nguồnnhiên liệu diesel đang cạn dần và đồng thời giảm phát thải cho động cơ trongkhi vẫn tận dụng được tính ưu việt về hiệu suất cao và tiêu hao nhiên liệu thấpcủa loại động cơ này Việt Nam có số lượng động cơ diesel không nhỏ nênviệc nghiên cứu sử dụng CNG trên các động cơ này sẽ có ý nghĩa kinh tế xãhội rất cao đối với việc giảm tiêu thụ nhiên liệu truyền thống và bảo vệ môitrường

3.1.1 Các phương pháp chuyển đổi động cơ diesel sang chạy CNG

3.1.1.1 Chuyển đổi động cơ diesel sang chạy hoàn toàn bằng CNG

Phương pháp này được thực hiện bằng cách giảm bớt tỷ số nén củađộng cơ diesel thông thường, loại bỏ hệ thống phun nhiên liệu diesel, trang bịthêm hệ thống cung cấp CNG và hệ thống đánh lửa để chạy CNG như trongđộng cơ xăng đánh lửa cưỡng bức Với phương án này quá trình chuyển đổirất phức tạp chi phí lớn nên không phù hợp với khả năng chi trả của đại đa sốngười sử dụng Bên cạnh đó động cơ diesel khi đã được chuyển đổi sang động

cơ CNG đốt cháy cưỡng bức thì động cơ sẽ chỉ chạy được với nhiên liệu CNG

mà không thể quay về chạy nhiên liệu diesel theo ý muốn được nữa, nênphương pháp này thường ít được áp dụng để chuyển đổi động cơ diesel sang

chạy CNG.

3.1.1.2 Động cơ lưỡng nhiên liệu CNG/diesel

Phương pháp sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel được thực hiệnbằng cách trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG tạo hỗn hợp đồng nhất vàđiều chỉnh giảm lượng cấp diesel làm nhiên liệu phun mồi Phương pháp sửdụng CNG này không làm thay đổi nhiều về kết cấu động cơ, do đó chi phíchuyển đổi thấp và tận dụng được tỷ số nén cao của động cơ để tăng hiệu suấtkhi chạy CNG, đồng thời có thể quay lại sử dụng chỉ nhiên liệu diesel nếu cầnbằng cách giảm CNG cung cấp đến 0 (cắt CNG và tăng diesel) Kết quảnghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel cho thấy đây là phươngpháp hứa hẹn để kiểm soát hiệu quả phát thải dạng hạt PM và NOx của động

cơ là những thành phần phát thải rất khó kiểm soát trong động cơ diesel.Thêm nữa, ở hầu hết các chế độ làm việc, hiệu suất có ích của động cơ CNG/diesel cao hơn đáng kể so với động cơ diesel truyền thống, do đó tính kinh tếnhiên liệu cao hơn Tuy nhiên, đặc tính làm việc và phát thải của động cơ phụthuộc nhiều vào chế độ và các thông số làm việc của động cơ Ở chế độ tảinhỏ, hiệu suất của động cơ CNG/diesel thấp hơn của động cơ diesel truyềnthống

1.3.2 Các phương pháp cung cấp nhiên liệu trên động cơ CNG/diesel

Do nhiên liệu CNG có trị số octan cao và số Cetan thấp, nhiệt độ tựcháy cao (788 K) so với nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu diesel (525 K) nênCNG khó có thể được sử dụng theo cách thức tự cháy do nén thông thườngnhư nhiên liệu diesel và thay thế hoàn toàn nhiên liệu diesel trong động cơdiesel hiện hành được Do đó, CNG thường được sử dụng để thay thế mộtphần nhiên liệu diesel trên động cơ này, tức là động cơ diesel sẽ hoạt độngđồng thời với một phần nhiên liệu CNG và một phần nhiên liệu diesel và

được gọi là động cơ chạy lưỡng nhiên liệu CNG/diesel Việc cung cấp lưỡngnhiên liệu CNG/diesel được thực hiện theo cách hoặc là CNG được tạo hỗnhợp trước với không khí còn nhiên liệu diesel được phun vào cuối quá trìnhnén để khởi tạo quá trình cháy hoặc CNG được phun trước vào trong xi lanhrồi sau đó diesel được phun vào để khởi tạo quá trinh cháy.

1.3.2.1 Cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn (ống venturi)

Thiết bị cung cấp CNG vào đường nạp kiểu này sử dụng bộ hòa trộnCNG vào cửa nạp tương tự như thiết bị cấp CNG vào đường nạp của động cơCNG đốt cháy cưỡng bức được giới thiệu trên hình 1.5, hình 1.6 và hình 1.7.Tuy nhiên, bộ hòa trộn ít được sử dụng vì gây tổn thất khí nạp, thêm nữa, bộhòa trộn cơ khí không giúp được việc thay đổi lượng nhiên liệu CNG cấp vàotheo tải vì lưu lượng khí nạp trong động cơ diesel ít thay đổi theo tải

1.3.2.2 Phương pháp phun CNG vào đường nạp

Phương pháp phun CNG vào đường ống nạp, tạo hỗn hợp với khôngkhí rồi nạp vào xilanh còn nhiên liệu diesel thì được phun vào cuối kỳ nén đểkhởi tạo quá trình cháy được thực hiện rộng rãi nhất trong các động cơ lưỡngnhiên liệu khí-diesel nói chung cũng như động cơ lưỡng nhiên liệuCNG/diesel nói riêng [6] Lý do là thiết bị cung cấp nhiên liệu khí vào đườngnạp đã được sử dụng phổ biến trong các động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức vàrất sẵn có trên thị trường, lắp đặt dễ dàng, chi phí thấp trong khi không phảithay đổi kết cấu động cơ Còn đối với hệ thống cung cấp phun nhiên liệudiesel cao áp vào động cơ thì chỉ cần điều chỉnh giảm lượng nhiên liệu phuntheo tính toán ở mỗi chế độ làm việc Trong hệ thống cấp nhiên liệu này,CNG được cấp và tạo hỗn hợp với không khí trong đường nạp của động cơrồi nạp vào xilanh tương tự như phương pháp cung cấp CNG vào đường nạpcủa động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức đã nói ở trên Do đó, môi chất trongquá trình nén của động cơ là hỗn hợp không khí và nhiên liệu CNG ở trạng

thái hơi Cuối quá trình nén, hỗn hợp nhiên liệu không khí đã ở trạng tháiđồng nhất có nhiệt độ và áp suất cao nhưng không tự cháy được do nhiệt độ

tự cháy của CNG lớn hơn nhiệt độ của hỗn hợp trong quá trình nén Khi đónhiên liệu diesel được phun vào, tự bốc cháy và làm mồi lửa đốt cháy tiếpnhiên liệu CNG trong hỗn hợp với không khí

Thiết bị cung cấp CNG vào đường nạp sử dụng thiết bị phun CNG vàocửa nạp tương tự như thiết bị cấp CNG vào đường nạp của động cơ CNG đốtcháy cưỡng bức được giới thiệu trên Hình 1.9, Hình 1.10 Hệ thống phunCNG này dễ dàng định lượng chính xác lượng nhiên liệu phun theo tải nênđược sử dụng rộng rãi hơn trong các động cơ lưỡng nhiên liệu CNG/diesel

Khác với động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức thường có hệ số dư lượngkhông khí gần bằng 1, trong động cơ lưỡng nhiên liệu CNG/diesel, tổng nhiênliệu CNG và diesel được cung cấp cần đảm bảo hệ số dư lượng không khíchung >1 (thường là >1,2) để nhiên liệu có thể cháy hết vì hỗn hợp cháy làkhông đồng nhất Trong động cơ này, tỷ lệ CNG thay thế diesel tối đa thường

bị giới hạn bởi sự cháy kích nổ vì sự cháy kích nổ của nhiên liệu CNG phụthuộc vào nhiệt độ hỗn hợp và hàm lượng của nhiên liệu CNG trong hỗn hợptrước khi cháy [6]

1.3.2.3 Phương pháp phun trực tiếp CNG/diesel vào xilanh động cơ

Phương pháp phun trực tiếp lưỡng nhiên liệu nhiên liệu CNG/dieselvào các xilanh động cơ có tính ưu việt nổi bật là có thể định lượng chính xác

và đều các thành phần nhiên liệu vào các xilanh giúp kiểm soát tối ưu thànhphần hỗn hợp ở tất cả các xilanh Việc phun trực tiếp CNG và diesel có thểđược thực hiện riêng rẽ, trong đó việc phun CNG được thực hiện ở đầu hànhtrình nén để tạo hỗn hợp đồng nhất với không khí trong xilanh trước khi nhiênliệu diesel được phun vào để khởi tạo quá trình cháy Tuy nhiên, trong trườnghợp này sẽ phải bố trí lắp đặt hai hệ thống phun nhiên liệu cao áp vào trong

xilanh Điều này làm phức tạp không những về kết cấu của hệ thống cung cấpnhiên liệu mà cả của nắp xilanh nên rất khó khả thi đối với việc chuyển đổicác động cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu CNG/diesel

1.3.3 Đặc tính làm việc của động cơ CNG/diesel cấp CNG vào ống nạp

Mục tiêu chính của việc sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel trongđộng cơ diesel là sử dụng nguồn nhiên liệu tiềm năng có giá thành rẻ và ít gây

ô nhiễm để làm nhiên liệu thay thế một phần cho nhiên liệu diesel đang cạnkiệt trên các động cơ diesel hiện hành và giảm phát thải gây ô nhiễm môitrường Trong mọi trường hợp sử dụng nhiên liệu thay thế, yêu cầu đặt ra làđộng cơ phải làm việc ổn định và đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật mongmuốn trong các điều kiện nhất định Chính vì vậy đã có nhiều công trìnhnghiên cứu về quá trình cháy của động cơ, cũng như đánh giá tính năng làmviệc và phát thải của động cơ khi chạy lưỡng nhiên liệu CNG/diesel trong cácđiều kiện vận hành khác nhau nhằm đánh giá đặc tính làm việc và đưa rađược phương pháp cấp nhiên liệu phù hợp, xác định được các thông số điềuchỉnh tối ưu và điều kiện vận hành hợp lý của động cơ Các vấn đề chínhđược các nhà nghiên cứu quan tâm là nghiên cứu quá trình cháy cũng như đặctính làm việc và phát thải của động cơ để đánh giá xem:

- Động cơ diesel hiện hành có vận hành bình thường được với lưỡngnhiên liệu khí-diesel không, quá trình cháy của động cơ diễn ra như thế nào

- Ảnh hưởng của tỷ lệ CNG thay thế đến công suất, hiệu suất, suất tiêuhao nhiên liệu và phát thải của động cơ như thế nào

- Các thông số kỹ thuật của động cơ (kết cấu, tốc độ, tải, góc phunsớm…) ảnh hưởng thế nào đến đặc tính làm việc của động cơ lưỡng nhiênliệu CNG/diesel

- Các thông số điều chỉnh của động cơ cần thay đổi thế nào khi chuyển

từ động cơ chạy nhiên liệu diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu CNG/diesel.

1.3.3.1 Hiệu suất của động cơ

Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu ở tải nhỏ hầu như không có cải thiện vềhiệu suất nhiệt Ở tải lớn, hiệu suất chỉ thị và hiệu suất có ích của động cơchạy lưỡng nhiên liệu CNG/diesel tăng theo tỷ lệ CNG thay thế so với hiệusuất động cơ khi chạy với chỉ nhiên liệu diesel

1.3.3.2 Đặc điểm phát thải

Kết quả nghiên cứu về phát thải NOx cho thấy khi tăng tỷ lệ CNG thìphát thải NOx giảm Ở tải lớn và toàn tải, NOx giảm nhẹ khi tăng tỷ lệ CNGnhưng ở tải nhỏ thì NOx giảm mạnh Điều này được giải thích là do khi tăng tỷ

lệ CNG thì hàm lượng ôxy trong hỗn hợp cháy bị giảm một chút và thể tíchchùm tia phun nhiên liệu diesel cũng giảm làm giảm các điều kiện tạo thành

NOx vì NOx chủ yếu tạo ra ở vùng cháy của nhiên liệu diesel với ôxy Nghiêncứu chỉ ra sự giảm NOx và khói khi tăng tỷ lệ CNG thay thế

Về phát thải HC trong động cơ lưỡng nhiên liệu khí-diesel nói chunghay CNG/diesel nói riêng, hầu hết các nhà nhiên cứu đều chỉ ra rằng phát thải

HC tăng khi tăng tỷ lệ nhiên liệu khí thay thế, đặc biệt là ở chế độ tải nhỏ, HCtăng mạnh khi tăng tỷ lệ nhiên liệu khí thay thế Phát thải HC (g/kWh) ở tảithấp cao hơn rất nhiều so với phát thải HC ở tải cao khi tiêu thụ cùng tỷ lệnhiên liệu khí

Về phát thải CO, phát thải CO tăng khi tăng tỷ lệ CNG thay thế Mức

độ tăng CO theo tỷ lệ CNG thay thế gần giống nhau ở các chế độ tải Tuynhiên khác với xu hướng thay đổi so với HC là phát thải CO (g/kWh) ở tảicao thường cao hơn so với phát thải CO ở tải thấp

1.3.3.5 Nghiên cứu giảm phát thải

Để giảm phát thải, một số nhà nghiên cứu đã bổ sung H2 vào đường nạpcùng CNG H2 có đặc tính cháy nhanh và cháy kiệt sẽ giúp mở rộng giới hạn

cháy cho hỗn hợp CNG/không khí để cải thiện quá trình cháy diesel và CNG.Kết quả nghiên cứu cho thấy :

- Càng tăng tỷ lệ hydro trong hỗn hợp hydro và CNG thì áp suất lớnnhất trong xilanh càng giảm do không khí nạp bị giảm

- Hỗn hợp diesel - CNG, diesel - CNG - hydro, diesel - hydro đều choquá trình cháy sớm hơn so với khi sử dụng hoàn toàn nhiên liệu diesel

- Sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/hỗn hợp hydro - CNG cho phép giảmthành phần HC, NOx và độ khói ở chế độ tải trọng cao

- Kích nổ xảy ra ở tải lớn khi tỷ lệ CNG tăng cao

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel trênđộng cơ diesel chưa được quan tâm nhiều do đặc tính làm việc của động cơphụ thuộc vào nhiều thông số mà cần phải nghiên cứu sâu và bài bản để xácđịnh được các thông số điều chỉnh tối ưu

1.4 Kết luận chương 1

Việc sử dụng CNG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ xăng đã trởnên phổ biến và đem lại hiệu quả lớn về kinh tế nhiên liệu và giảm phát thảibảo vệ môi trường Công nghệ chuyển đổi khá đơn giản và việc vận hànhđộng cơ CNG cũng dễ dàng

Với số lượng đáng kể và thị phần cao về tổng công suất của động cơdiesel so với động cơ xăng và đặc điểm phát thải khói bụi cao của động cơdiesel thì việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG trên động cơ diesel có ýnghĩa kinh tế và thực tiễn cao

Nhiên liệu CNG không thể sử dụng được theo cách thức tự cháy do nénthông thường như nhiên liệu diesel và thay thế hoàn toàn nhiên liệu dieselđược nên CNG thường được sử dụng trên động cơ diesel hiện hành theo cáchkết hợp với nhiên liệu diesel gọi là lưỡng nhiên liệu CNG/diesel

Việc sử dụng CNG trên động cơ diesel vẫn đảm bảo được các chỉ tiêu

kinh tế kỹ thuật của động cơ so với khi chạy với nhiên liệu diesel trong khigiúp giảm đáng kể hàm lượng phát thải khói bụi và NOx là các thành phầnđộc hại rất khó xử lý của động cơ diesel

Tuy nhiên, phát thải hydrocacbon HC tăng đáng kể và bị ảnh hưởngnhiều của tỷ lệ CNG thay thế và các thông số làm việc của động cơ Chính vìvậy, việc nghiên cứu đặc điểm phát thải HC trên động cơ sử dụng nhiên liệuCNG để từ đó xác định được các nhân tố ảnh hưởng để tìm biện pháp kiểmsoát chất phát thải độc hại này là rất quan trọng Đó cũng chính là lý do tác

giả chọn đề tài “Nghiên cứu đặc điểm phát thải HC trên động cơ diesel sử

ĐỘNG CƠ CNG/DIESEL 2.1 Giới thiệu chung

Việc sử dụng CNG trong động cơ diesel như một lưỡng nhiên liệuCNG/diesel với cách thức cung cấp và tạo hỗn hợp đồng nhất của nhiên liệuCNG với không khí từ bên ngoài vào xilanh còn nhiên liệu diesel được sửdụng làm nhiên liệu phun mồi đang ngày càng được quan tâm Mục đích củaviệc sử dụng lưỡng nhiên liệu trong động cơ diesel là để giảm phát thải khóibụi và thay thế một phần nhiên liệu diesel truyền thống đang ngày càng cạnkiệt Tuy nhiên, việc sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel trong động cơdiesel làm tăng mạnh phát thải HC

Do đó, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết về đặc điểm hình thành phátthải HC để có cái nhìn toàn diện về vấn đề này là rất cần thiết để tìm ra biệnpháp hữn hiệu giảm thiểu chất phát thải này Việc nghiên cứu đơn thuần bằngkhảo nghiệm động cơ trên băng thử khó có thể đạt được mục tiêu này vớikinh phí hạn hẹp

Đã có một số phần mềm mô phỏng cho phép tính toán được các thông

số đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ với độ tin cậycao như phần mềm AVL-BOOST Tuy nhiên, phần mềm này không cho phéptính toán được phát thải HC trong động cơ diesel

Trong đề tài này, tác giả sẽ xây dựng và phát triển mô hình mô phỏngcho phép tính toán được phát thải HC trong động cơ diesel chạy lưỡng nhiênliệu CNG/diesel Mô hình được áp dụng cho động cơ D12 chạy lưỡng nhiênliệu CNG/diesel Quá trình hình thành phát thải HC diễn ra trong chu trìnhcông tác trong xi lanh động cơ nên phụ thuộc rất nhiều vào các thông số nhiệtđộng của động cơ Chính vì thế mô hình tạo HC phải được tích hợp cùng môhình phản ánh chu trình công tác của động cơ

Mô hình toán chung được tích hợp từ các mô hình chi tiết riêng để mô

tả các quá trình diễn ra trong động cơ, gồm :

phép tính toán các thành phần của sản phẩm cháy cũng như năng lượng củamôi chất tại các thời điểm của chu trình công tác.

- Mô hình nhiệt động: Cho phép tính các thông số nhiệt động của chutrình như áp suất, nhiệt độ khí thể, công và nhiệt trao đổi tại các vị trí gócquay của trục khuỷu trong chu trình công tác, từ đó xác định được các thông

số làm việc của động cơ như công suất, hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu

- Mô hình tạo thành HC: Cho phép xác định được hàm lượng phát thải HC

2.2 Mô hình phản ứng cháy

2.2.1 Quá trình cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong xilanh

Với động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG/diesel với việc tạo hỗn hợpCNG/không khí được thực hiện bên ngoài xilanh của động cơ, CNG đượccung cấp vào đường nạp theo nguyên lý của bộ chế hòa khí hoặc phun vàođường nạp, sau đó CNG sẽ hòa trộn với không khí và bay hơi trong đườngnạp tạo hỗn hợp đi vào xilanh động cơ trong quá trình nạp Trong xilanh động

cơ, nhờ chuyển động rối và trao đổi nhiệt của hỗn hợp trong quá trình nạp vàquá trình nén, CNG sẽ tạo thành hỗn hợp đồng nhất với không khí Ngay từđầu quá trình nén, một số phản ứng hóa học của nhiên liệu với không khí đã

có thể xảy ra, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phầnhỗn hợp Tuy nhiên, tốc độ phản ứng hóa học trong quá trình này rất nhỏ,phản ứng chỉ có thể sinh ra một số thành phần hoạt tính trung gian chứ chưagiải phóng đủ nhiệt năng để có thể thấy được sự tăng áp suất của hỗn hợp sovới áp suất nén (trên đồ thị áp suất xi lanh, đường áp suất cháy chưa tách khỏiđường áp suát nén trong đồ thị áp suất khí thể)

Khi nhiên liệu diesel được phun vào thể tích hỗn hợp đồng nhất củaCNG và không khí trong buồng cháy dưới áp suất cao, nhiên liệu diesel được

xé nhỏ và bay hơi Do ma sát giữa các hạt nhiên liệu phun với hỗn hợp đồngnhất của CNG và không khí nên tốc độ của các hạt nhiên liệu phun giảm dần

và bề dày tia phun tăng dần tạo nên tia phun có dạng hình côn trong đó có sự

Trong động cơ phun nhiên liệu diesel trực tiếp (hình thành hỗn hợp thể tíchtrong buồng cháy thống nhất) thường người ta bố trí nhiều tia phun (4, 5, 6hoặc 8 tia) phân bố đều xung quanh vòi phun Trong các tia phun này có mộtlượng nhất định CNG và không khí bị cuốn vào và trộn lẫn với hơi nhiên liệudiesel và tạo hỗn hợp với CNG và không khí thành vùng hỗn hợp có khả năngcháy được (có thành phần hỗn hợp nằm trong giới hạn cháy với hệ số dưlượng không khí trung bình 1) Cường độ và hàm lượng CNG và khôngkhí thâm nhập vào tia phun phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện phun(áp suất phun, độ nhớt của nhiên liệu phun và kích thước và hình dạng lỗphun), lượng nhiên liệu diesel được phun và tỷ lệ CNG/không khí cũng như

áp suất môi chất trong xilanh ở thời điểm phun Phần hỗn hợp bao ngoàichùm tia phun là vùng hỗn hợp nhạt đồng nhất của CNG và không khí

Như vậy có thể mô tả sự phân bố nhiên liệu trong xilanh động cơ trướckhi sự cháy xảy ra gồm 3 vùng gồm vùng lõi tia phun có hàm lượng đậm đặccủa các hạt nhiên liệu diesel chưa kịp bay hơi, vùng hỗn hợp cháy được củahơi diesel-CNG-không khí và vùng hỗn hợp nhạt đồng nhất của CNG vớikhông khí Do đặc điểm của quá trình phun nhiên liệu nên vùng lõi tia phun làvùng có hàm lượng diesel đậm đặc, có rất ít hỗn hợp CNG/không khí, tỷ lệnhiên liệu/không khí rất cao nên không cháy được Tiếp theo là vùng hỗn hợpnhiên liệu diesel đã kịp hòa trộn với hỗn hợp CNG/không khí và có khả năngcháy được Vùng này có hệ số dư lượng không khí trung bình 1 được giớihạn bởi một bề mặt tượng trưng có thành phần hỗn hợp đậm nhất có thể cháyđược (0,5-0,6) bao quanh vùng lõi tia phun và bề mặt tiếp giáp với vùnghỗn hợp đồng nhất CNG/không khí Vùng còn lại là vùng hỗn hợp nhạt đồngnhất của CNG và không khí bao quanh tia phun

2.2.2 Quá trình cháy

Sự bốc cháy của nhiên liệu do nén trong động cơ lưỡng nhiên liệuCNG/diesel được coi là xảy ra trước tiên tại vùng hỗn hợp của nhiên liệu