Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu

Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN vi

LỜI CẢM ƠN vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xiii

MỞ ĐẦU 1

i Sự cần thiết của đề tài 1

ii Mục đích nghiên cứu 2

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iv Phương pháp nghiên cứu 2

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 2

vi Nội dung chính của đề tài 3

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 4

1.1 Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong 4

1.1.1 Sự cần thiết của việc sử dụng nhiên liệu thay thế 4

1.1.2 Yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế 5

1.1.3 Một số nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng 5

1.1.3.1 Nhiên liệu sinh học cồn 5

1.1.3.2 Khí tổng hợp giàu hydro 5

1.1.3.3 Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) 6

1.1.3.4 Nhiên liệu khí thiên nhiên 6

1.2 Đặc điểm của khí thiên nhiên 7

1.2.1 Nguồn gốc và thành phần của khí thiên nhiên 7

1.2.2 Tính chất của khí thiên nhiên 9

1.2.3 Các phương pháp tích trữ và vận chuyển khí thiên nhiên 10

1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ đốt cháy cưỡng bức 12

1.3.1 Sự phát triển của các phương tiện GTVT sử dụng nhiên liệu CNG 12

1.3.2 Các phương pháp cung cấp CNG và tạo hỗn hợp trên động cơ 14

1.3.2.1 Hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn 15

1.3.2.2 Hệ thống phun CNG vào cửa nạp 17

1.3.2.3 Hệ thống phun trực tiếp CNG vào trong xi lanh động cơ 17

1.3.3 Chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG 18

1.3.3.1 Giới thiệu chung 18

1.3.3.2 Chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG 19

1.3.4 Các nghiên cứu sử dụng CNG cho ĐCĐT 20

1.3.4.1 Các nghiên cứu sử dụng CNG cho ĐCĐT trên thế giới 20

1.3.4.2 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí và CNG cho ĐCĐT ở Việt Nam 22

1.3.4.3 Nhận xét chung về sử dụng CNG cho ĐCĐT 23

1.3.5 Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ chuyển đổi 24

1.3.5.1 Thay đổi kết cấu động cơ 24

1.3.5.2 Bổ sung hydro 25

1.3.5.3 Sử dụng phụ gia nhiên liệu 25

1.3.5.4 Phụ gia Maz-nitro 26

1.4 Kết luận Chương 1 28

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỬ DỤNG CNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN HÀNH BẰNG PHẦN MỀM AVL-BOOST 31

2.1 Giới thiệu chung 31

2.2 Cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL-Boost 33

2.2.1 Mô hình hỗn hợp nhiên liệu 33

2.2.2 Mô hình cháy 34

2.2.3 Mô hình truyền nhiệt 38

2.2.4 Quá trình hình thành phát thải 42

2.2.4.1 Hình thành phát thải CO 42

2.2.4.2 Hình thành HC 42

2.2.4.3 Hình thành phát thải NO x 45

2.3 Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 1NZ-FE 46

2.3.1 Giao diện của AVL-Boost 46

2.3.2 Các phần tử của chương trình 46

2.3.3 Thiết lập mô hình động cơ 1NZ-FE trên AVL-Boost 48

2.3.4 Nhập dữ liệu cho mô hình 49

2.4 Đánh giá độ tin cậy của mô hình 50

2.5 Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ 1NZ-FE khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu CNG 52

2.5.1 Công suất 52

2.5.2 Suất tiêu hao nhiên liệu 54

2.5.3 Phát thải của động cơ 55

2.5.4 Đánh giá chung 56

2.6 Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ CNG 57

2.6.1 Giới thiệu chung 57

2.6.2 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đặc điểm làm việc của động cơ 58

2.6.2.1 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến BMEP 58

2.6.2.2 Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ 59

2.6.3 Xác định góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ khi sử dụng CNG 62

2.7 Kết luận chương 2 63

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP CNG VÀ PHỤ GIA CHO ĐỘNG CƠ 1NZ-FE 65

3.1 Giới thiệu chung 65

3.2 Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn 66

3.2.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn 66

3.2.1.1 Sơ đồ bố trí chung 66

3.2.1.2 Cấu tạo bộ hòa trộn 67

3.2.2 Các bộ phận khác của hệ thống 68

3.2.2.1 Bình chứa CNG 68

3.2.2.2 Van đầu bình chứa CNG 68

3.2.2.3 Van điện từ 69

3.2.2.4 Bộ giảm áp 70

3.2.2.5 Van công suất 71

3.2.3 Tính toán thiết kế bộ hòa trộn 72

3.2.3.1 Lựa chọn kết cấu bộ hòa trộn 72

3.2.3.2 Tính toán kích thước bộ hòa trộn 73

3.2.3.3 Bản vẽ thiết kế bộ hòa trộn 78

3.2.4 Lắp đặt và điều chỉnh hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn 78

3.3 Tính toán thiết kế hệ thống phun CNG vào cửa nạp 78

3.3.1 Sơ đồ bố trí chung 78

3.3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống phun CNG 80

3.3.2.1 Tính toán lượng nhiên liệu CNG phun 80

3.3.2.2 Tính toán điều khiển phun CNG trên động cơ 1NZ-FE 83

3.3.3 Lắp và hiệu chỉnh hệ thống phun CNG trên động cơ 1NZ-FE 85

3.4 Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro 86

3.4.1 Yêu cầu đối với hệ thống cung cấp phụ gia 86

3.4.2 Sơ đồ bố trí chung của hệ thống 86

3.4.3 Tính toán thiết kế bộ điều khiển phun phụ gia 87

3.4.3.1.Tính lưu lượng phụ gia cấp và chọn vòi phun và phương pháp điều khiển 87

3.4.3.2 Tính toán hệ thống điều khiển phun 89

3.4.3.3 Thiết kế chế tạo bộ điều khiển phun phụ gia 90

3.4.3.4 Thiết kế chế tạo bình chứa và tạo áp phụ gia 90

3.4.4 Tính toán thiết kế bộ hóa hơi tận dụng nhiệt khí thải 91

3.4.4.1 Nhiệt lượng yêu cầu để hóa hơi phụ gia 91

3.4.4.2 Tính toán thiết kế bộ hóa hơi phụ gia tận dụng nhiệt khí thải 92

3.4.5 Lắp và hiệu chỉnh hệ thống cung cấp phụ gia 95

3.5 Kết luận chương 3 95

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 97

4.1 Mục đích, phạm vi và chương trình thử nghiệm 97

4.1.1 Mục đích thử nghiệm 97

4.1.2 Phạm vi thử nghiệm 97

4.1.3 Chương trình thử nghiệm 97

4.1.3.1 Hiệu chỉnh thiết bị thí nghiệm 97

4.1.3.2 Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ 98

4.2 Trang thiết bị thử nghiệm 98

4.2.1 Động cơ thử nghiệm 98

4.2.2 Băng thử động lực học cao ETB 99

4.2.3 Thiết bị và phương pháp đo tiêu thụ nhiên liệu 99

4.2.3.1 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu xăng 99

4.2.3.2 Phương pháp và thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu CNG 100

4.2.4 Thiết bị đo phát thải 101

4.2.4.1 Nguyên lý làm việc của bộ phân tích CO 102

4.2.4.2 Nguyên lý làm việc của bộ phân tích NO và NO x 103

4.2.4.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo HC 104

4.3 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 104

4.3.1 Đánh giá độ tin cậy của thiết bị cung cấp CNG và phụ gia Maz-nitro 104

4.3.1.1 Thiết bị cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn 105

4.3.1.2 Thiết bị phun CNG 106

4.3.1.3 Thiết bị cung cấp phụ gia 107

4.3.2 Đánh giá chỉ tiêu công suất của động cơ 108

4.3.3 Đánh giá tiêu hao nhiên liệu của động cơ 110

4.3.4 Đánh giá phát thải của động cơ 113

4.3.4.1 Phát thải CO 113

4.3.4.2 Phát thải HC 115

4.3.4.3 Phát thải NO x 117

4.3.5 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm động cơ 119

4.4 Kết luận Chương 4 121

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 123

Kết luận chung: 123

Hướng phát triển của đề tài: 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 132

PHỤ LỤC 133

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, tháng năm 2016

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Trung

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long đã hướng dẫn tận tình và chu đáo về phương pháp và chuyên môn để em có thể thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, quý thầy cô và các đồng nghiệp khoa Động lực trường Cao đẳng nghề Cơ khí nông nghiệp đã luôn giúp đỡ và dành cho những điều kiện hết sức thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong Hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để em có thể hoàn chỉnh luận

án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Trung

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ

Hình 1.1 Bản đồ trữ lượng khí thiên nhiên phân bố theo khu vực [92] 6

Hình 1.2 Sơ đồ trạm sản xuất CNG trực tiếp từ khí thiên nhiên 11

Hình 1.3 Quá trình công nghệ sản xuất CNG từ LNG 11

Hình 1.4 Tổng số ô tô thế giới sử dụng CNG trong các năm 1996-2016 [94] 12

Hình 1.5 Phương tiện giao thông sử dụng CNG 14

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn kiểu ống venturi 15

Hình 1.7 Các dạng kết cấu venturi 15

Hình 1.8 Sơ đồ cung cấp CNG trên động cơ dùng bộ hòa trộn và điều khiển điện tử 16

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun đa điểm CNG vào đường nạp 17

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống phun CNG trực tiếp 18

Hình 2.1 Hiện tượng cháy sát vách 37

Hình 2.2 Sự trao đổi nhiệt 38

Hình 2.3 Mô hình động cơ 1NZ-FE trên AVL-Boost 48

Hình 2.4 So sánh kết quả mô phỏng công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ với số liệu thực nghiệm khi sử dụng xăng RON 92 50

Hình 2.5 So sánh kết quả mô phỏng phát thải CO, HC, NOx của động cơ với số liệu thực nghiệm khi sử dụng xăng RON 92 51

Hình 2.6 So sánh công suất mô phỏng khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ 52

Hình 2.7 So sánh suất tiêu hao nhiên liệu mô phỏng khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ 54

Hình 2.8 So sánh phát thải CO khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ 55

Hình 2.9 So sánh phát thải HC khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ 56

Hình 2.10 So sánh phát thải NOx khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ 56

Hình 2.11 Sự thay đổi BMEP theo góc đánh lửa sớm 59

Hình 2.12 Chỉ số Octan yêu cầu theo góc đánh lửa sớm 59

Hình 2.13 So sánh kết quả tính toán mô phỏng Ne và ge khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và khi áp dụng góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) 60

Hình 2.14 So sánh kết quả mô phỏng nhiệt độ khí thể cực đại trong xi lanh khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) 61

Hình 2.15 So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải CO khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) 61

Hình 2.16 So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải HC khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) 61

Hình 2.17 So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải NOx khi áp dụng góc đánh lửa

sớm nguyên bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) 62

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống phun xăng của động cơ 1NZ-FE 65

Hình 3.2 Sơ đồ bộ hòa trộn 67

Hình 3.3 Bình chứa CNG 68

Hình 3.4 Van đầu bình chứa CNG 69

Hình 3.5 Kết cấu van điện từ thấp áp 69

Hình 3.6 Bộ giảm áp 70

Hình 3.7 Kết cấu bộ giảm áp 70

Hình 3.8 Van công suất 71

Hình 3.9 Các loại bộ hòa trộn 72

Hình 3.10 Các kiểu hòa trộn trực giao 73

Hình 3.11 Mô hình dòng khí qua ống venturi của bộ hòa trộn 74

Hình 3.12 Bản vẽ kết cấu bộ hòa trộn 78

Hình 3.13 Sơ đồ hệ thống cung cấp phun CNG 79

Hình 3.14 Sơ đồ lắp hệ thống điều khiển phun CNG 85

Hình 3.15 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG và phụ gia Maz-nitro trên động cơ 87

Hình 3.16 Sơ đồ hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro trên động cơ 88

Hình 3.17 Sơ đồ bình cân bằng và hóa hơi phụ gia 93

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm 99

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S 100

Hình 4.3 Mô hình tủ CEB-II 102

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý của bộ phân tích CO 102

Hình 4.5 Nguyên lý phân tích NO và NOx 103

Hình 4.6 Nguyên lý hệ thống đo HC 104

Hình 4.7 Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph của động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn 106

Hình 4.8 Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph của động cơ phun CNG 107

Hình 4.9 Tiêu hao không khí, phụ gia và tỷ lệ phụ gia/không khí ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph của động cơ phun CNG 108

Hình 4.10 Công suất động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 109

Hình 4.11 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 112

Hình 4.12 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở đặc tính tải ở 3000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia 113Hình 4.13 Phát thải CO ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 115Hình 4.14 Phát thải CO ở các chế độ tải ở tốc độ 3000v/ph khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 115Hình 4.15 Phát thải HC ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 116Hình 4.16 Phát thải HC ở các chế độ tải ở 3000v/ph khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 117Hình 4.17 Phát thải NOx ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 118Hình 4.18 Phát thải NOx ở các chế độ tải ở tốc độ 3000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 118Hình 4.19 So sánh kết quả mô phỏng công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn với số liệu thực nghiệm 119Hình 4.20 So sánh kết quả mô phỏng công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ phun CNG với số liệu thực nghiệm 119Hình 4.21 So sánh kết quả mô phỏng phát thải CO, HC, NOx của động cơ CNG sử dụng

bộ hòa trộn với số liệu thực nghiệm 120Hình 4.22 So sánh kết quả mô phỏng phát thải CO, HC, NOx của động cơ phun CNG với

số liệu thực nghiệm 120

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số nhiên liệu thay thế dùng trên ĐCĐT [10, 52] 4

Bảng 1.2 Thành phần cơ bản của mẫu khí thiên nhiên phục vụ thí nghiệm 8

Bảng 1.3 Thành phần khí thiên nhiên tại các vùng khai thác khác nhau trên thế giới [67] 8 Bảng 1.4 So sánh đặc tính của CNG với nhiên liệu xăng và Diesel [45] 9

Bảng 1.5 Công thức chất phụ gia Maz-nitro [68] 26

Bảng 2.1 Chuỗi phản ứng hình thành NOx và hệ số tốc độ của mô hình  E T AT k  Bexp  / 45

Bảng 2.2 Thông số cơ bản của động cơ Toyota Vios 1NZ-FE [97 - phụ lục 2.1] 49

Bảng 2.3 Số lượng các phần tử cho mô hình mô phỏng 49

Bảng 2.4 Thông số dữ liệu nhập cho mô hình 50

Bảng 2.5 Sự thay đổi công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lượng phát thải của động cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm so với nguyên bản (ở toàn tải, tốc độ 4000v/p) 60

Bảng 3.1 Các điều kiện ban đầu 77

Bảng 3.2 Tỷ lệ không khí / nhiên liệu với các đường kính họng khác nhau khi Anl=59mm2 77

Bảng 3.3 Tỷ lệ  khi thay đổi tổng tiết diện lỗ phun nhiên liệu ở đường kính họng 26mm 77

Bảng 3.4 Thành phần và tính chất của phụ gia Maz-nitro [68] 92

Bảng 4.1 Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph của động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn 105

Bảng 4.2 Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph của động cơ phun CNG 106

Bảng 4.3 Tiêu hao không khí, phụ gia và tỷ lệ phụ gia/không khí ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph của động cơ phun CNG 107

Bảng 4.4 Công suất động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 108

Bảng 4.5 Tỷ lệ thay đổi công suất của động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 108

Bảng 4.6 Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 111

Bảng 4.7 Tỷ lệ thay đổi công suất của động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 111

Bảng 4.8 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở đặc tính tải ở 3000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 112

Bảng 4.9 Phát thải CO ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 114Bảng 4.10 Phát thải CO ở các chế độ tải ở 3000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG với

bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 114Bảng 4.11 Phát thải HC ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 116Bảng 4.12 Phát thải HC ở các chế độ tải ở 3000v/ph khi động cơ sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 116Bảng 4.13 Phát thải NOx ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 117Bảng 4.14 Phát thải NOx ở các chế độ tải ở 3000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG với

bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro 117

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu/

viết tắt

Đơn vị đo Tiếng Anh/ tiếng Việt Diễn giải

BMEP Brake Mean Effective Pressure Áp suất có ích trung bình

States

Cộng đồng các quốc gia độc lập

CNG Compressed Natural Gas Nhiên liệu khí thiên nhiên nén

ECU Electronic Control Unit Bộ điều khiển điện tử

GDI Gasoline Direct Injection Động cơ phun xăng trực tiếp

thiên nhiên

HVO Hydrotreating Vegetable Oil dầu thực vật hydro hóa

0TK Độ trục khuỷu (góc quay)

xi lanh

không có cháy (nén thuần túy)

tại thời điểm đóng xupap nạp

lanh tại thời điểm đóng xupap nạp

MỞ ĐẦU

i Sự cần thiết của đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của kinh tế, xã hội là sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong (ĐCĐT) Do đó, mức tiêu thụ nhiên liệu ngày càng tăng, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch truyền thống xăng và dầu diesel Điều này đang gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống và gây ô nhiễm môi trường trầm trọng do phát thải độc hại của động cơ Việt Nam là nước đang phát triển nên cũng không nằm ngoài quy luật phát triển chung của thế giới Tình trạng thiếu nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ

sử dụng nhiên liệu truyền thống đang ở mức báo động Do đó, vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu và sử dụng các loại nhiên liệu thay thế có mức phát thải độc hại thấp để một mặt giảm

ô nhiễm môi trường, mặt khác có thể bù đắp một phần sự thiếu hụt nhiên liệu truyền thống Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên liệu có mức phát thải độc hại thấp, trữ lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên các động cơ hiện hành mà không cần phải thay đổi nhiều về kết cấu Có thể kể ra một số loại nhiên liệu thay thế điển hình như hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng, khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas - CNG), khí sinh khối Trong số các nhiên liệu này, CNG là một nhiên liệu đáp ứng được các yêu cầu nói trên nên rất có tiềm năng để sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên ĐCĐT Mỗi loại nhiên liệu đều có các tính chất lý hóa và đặc tính cháy riêng, đặc biệt là đối với CNG, là nhiên liệu khí có nhiều tính chất khác với nhiên liệu lỏng truyền thống nên động cơ cần có những thay đổi về kết cấu cho phù hợp để đảm bảo có thể làm việc tối ưu với nhiên liệu này Việc chế tạo động cơ mới sử dụng CNG với sản lượng nhỏ thường có giá thành rất cao nên khó khả thi Việc nhập khẩu các động cơ này cũng rất đắt so với các động cơ dùng nhiên liệu truyền thống nên không phải khách hàng nào cũng có thể có đủ điều kiện chi trả Trong khi đó các loại động cơ xăng thì đang tồn tại rất nhiều mà các động cơ này có thể sử dụng CNG một cách dễ dàng Ở Việt Nam hiện nay cũng đang tồn tại và lưu hành một số lượng lớn các động cơ xăng Do đó, việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ truyền thống này sang sử dụng CNG sẽ có ý nghĩa thực tiễn cao

Do CNG được cung cấp ở dạng khí nên khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG theo phương pháp thông dụng cấp nhiên liệu vào đường nạp, CNG sẽ chiếm nhiều chỗ của không khí nạp hơn so với nhiên liệu lỏng nên công suất động cơ giảm Do đó, việc nghiên cứu cơ sở khoa học sử dụng CNG trên động cơ xăng hiện hành và các nhân tố ảnh hưởng để tìm biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng CNG để khắc phục một phần sự suy giảm công suất và cải thiện tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử

dụng CNG là rất cần thiết Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu” làm đề tài

luận án tiến sĩ của mình

ii Mục đích nghiên cứu

- Làm chủ công nghệ chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành sang sử dụng CNG và đưa

ra giải pháp công nghệ sử dụng phụ gia cho CNG để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu này

- Đánh giá ảnh hưởng của CNG và các phương pháp cung cấp CNG đến tính năng kinh tế,

kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi chuyển đổi sang sử dụng hoàn toàn CNG

- Đánh giá ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng hiện hành sử dụng CNG

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là động cơ xăng đang lưu hành và thực hiện nghiên cứu trên động

cơ 1NZ-FE lắp trên xe Toyota Vios tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Việc nghiên cứu được giới hạn ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ, chưa đề cập đến chế độ khởi động và chuyển tiếp, và chưa nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu và phụ gia đến độ bền và tuổi thọ của động cơ

iv Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

- Lý thuyết: Sử dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng 1NZ-FE

sử dụng CNG nhằm:

+ Đánh giá chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử dụng CNG và ảnh hưởng của phương pháp cung cấp CNG và góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc của động cơ;

+ Đề xuất hướng nghiên cứu thực nghiệm chuyển đổi động cơ sang sử dụng CNG

- Thực nghiệm:

+ Thiết kế, chế tạo và trang bị các hệ thống cung cấp CNG và cung cấp phụ gia nhiên liệu để phục vụ nghiên cứu thực nghiệm sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ xăng đang lưu hành;

+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của CNG và phụ gia đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Xây dựng được mô hình mô phỏng đánh giá các các thông số ảnh hưởng đến tính năng kinh tế kỹ thuật và hình thành phát thải trong động cơ sử dụng CNG

- Hoàn thiện giải pháp chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang sử dụng CNG phù hợp với điều kiện thực tế và lần đầu tiên đưa ra được giải pháp công nghệ hiệu quả sử dụng phụ gia lỏng cho động cơ sử dụng nhiên liệu khí

- Đánh giá được ảnh hưởng của CNG, phương pháp cung cấp CNG và sử dụng phụ gia đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ

- Góp phần giảm các thành phần phát thải độc hại, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, cũng như định hướng trong việc nhiên cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế trên các phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT

vi Nội dung chính của đề tài

- Mở đầu

- Chương 1 Nghiên cứu tổng quan

- Chương 2 Nghiên cứu mô phỏng sử dụng CNG trên động cơ xăng hiện hành bằng phần mềm AVL-Boost

- Chương 3 Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp CNG và phụ gia cho động cơ 1NZ-FE

- Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

- Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong

1.1.1 Sự cần thiết của việc sử dụng nhiên liệu thay thế

Hiện nay, sự bùng nổ dân số, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghiệp và mức sống con người được nâng cao đang kéo theo sự gia tăng nhanh về số lượng các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực trang bị ĐCĐT sử dụng nhiên liệu truyền thống xăng và diesel Các phương tiện này đang gây ô nhiễm môi trường trầm trọng đặc biệt là ở các thành phố lớn [41, 69] và gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống [75]

Theo dự báo của Bộ năng lượng Mỹ, năm 2030 tỷ lệ năng lượng hoá thạch truyền thống trong tổng năng lượng sử dụng vẫn ở mức cao, trên 86%, các loại năng lượng có thể tái tạo cũng chỉ tăng không đáng kể, khoảng 8,1% Thêm nữa, sự ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính đặt ra cho con người nhiều thách thức khó khăn Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu các phương pháp sử dụng nhiên liệu tiết kiệm hơn (dùng các phụ gia tiết kiệm nhiên liệu, dùng các thiết bị nhiệt và động cơ có hiệu suất cao ) và phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế, nguồn nhiên liệu mới, có thể tái tạo được, giảm được phát thải ô nhiễm môi trường

Ở nước ta trong những năm gần đây, sự gia tăng mạnh mẽ số lượng các phương tiện giao thông (ô tô, xe máy) đã làm tăng nhu cầu tiêu thụ xăng dầu, và dự báo còn tăng trong các năm tới Do đó, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế cho ĐCĐT để giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch truyền thống và giảm phát thải độc hại là rất cần thiết [10, 52] Một số nhiên liệu thay thế cho ĐCĐT được giới thiệu trên bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số nhiên liệu thay thế dùng trên ĐCĐT [10, 52]

Sinh khối hoá lỏng

Nhiều nước trên thế giới đã và đang tìm cách phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế khác nhau Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm Nhóm thứ nhất là nhiên liệu có nguồn gốc hoá thạch gồm: khí thiên nhiên (NG - Natural Gas), khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG- Liquefied Petroleum Gas), khí hoá lỏng (GTL-Gas To Liquids), than đá hoá lỏng

(CTL-Coal To Liquids) và Dimethyl ether (DME) Nhóm thứ hai là các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-methanol), hydro, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME – Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hoá (HVO – Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hoá lỏng (BTL – Bio-mass To Liquids)

1.1.2 Yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế

Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên nghiên cứu sử dụng là các loại nhiên liệu có trữ lượng lớn và có thể sử dụng cho các động cơ đang lưu hành mà không cần thay đổi nhiều

về kết cấu, đồng thời có mức độ ô nhiễm khí thải thấp hơn xăng và diesel Đáp ứng các yêu cầu này có thể sử dụng các loại nhiên liệu như nhiên liệu hydro [29, 55], biogas [36], khí dầu mỏ hoá lỏng LPG [33], biodiesel [50], nhiên liệu sinh học cồn ethanol [52] và nhiên liệu khí thiên nhiên [31, 46, 47, 61]

1.1.3 Một số nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng

1.1.3.1 Nhiên liệu sinh học cồn

Cồn là một loại nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật như ngũ cốc (lúa mì, ngô…) chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân hữu cơ…), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…) và được sử dụng phổ biến cho động cơ xăng Các loại nhiên liệu cồn có thể kể đến như bioethanol và biomethanol, trong đó đặc biệt là bioethanol, đây là loại nhiên liệu sinh học được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới

Bioethanol hay còn gọi là cồn có công thức hoá học là CnH2n+1OH là nhiên liệu rất phù hợp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane cao và tính chất vật lý, hoá học tương tự như xăng [67] Hiện nay, cồn tồn tại ở các dạng là ethanol (C2H5OH), methanol (CH3OH) và butanol (C4H9OH); tất cả đều là chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol và butanol rất độc và giá thành sản xuất khá cao Vì vậy hiện tại chỉ có ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện giao thông vận tải (GTVT) [51, 77] Các loại nhiên liệu cồn đáp ứng được các yêu cầu sử dụng cho ĐCĐT và có mức độ phát thải độc hại thấp, có thể thay thế nhiên liệu xăng với các tỷ lệ tuỳ chọn tuỳ thuộc vào

sự thay đổi kết cấu động cơ Nhiên liệu cồn ngoài chức năng như một phụ gia tăng cường hàm lượng ôxy cho quá trình cháy, còn có thể thay thế hoàn toàn nhiên liệu hoá thạch ngày càng cạn kiệt bởi đây là nhiên liệu có thể tái sinh từ các nguồn nguyên liệu nuôi trồng được Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay việc sản xuất nhiên liệu cồn còn hạn chế do chi phí công nghệ sản xuất quá cao nên nhiên liệu này hiện chỉ đáp ứng được tỷ lệ thay thế nhỏ

1.1.3.2 Khí tổng hợp giàu hydro

Khí tổng hợp giàu hydro hoặc khí hydro được coi là các nhiên liệu sạch của ĐCĐT [29], sản phẩm cháy chủ yếu là nước, ít gây ô nhiễm môi trường Nhiên liệu này có tiềm năng vô tận vì có thể sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như nhiệt phân hoặc điện phân nước [67, 72] hay biến đổi nhiệt hoá (reforming) các loại nhiên liệu nhiên liệu

hydrocacbon và nhiên liệu sinh học [5] Tuy nhiên với công nghệ hiện nay, giá thành sản xuất, bảo quản và vận chuyển hydro và khí giàu hydro còn khá cao Hơn nữa khí này có tỷ trọng rất thấp, nhiệt trị mol thấp nên nếu sử dụng cho các ĐCĐT truyền thống thì công suất công suất động cơ sẽ giảm nhiều [55] Do đó, hiện tại hydro chưa được sử dụng phổ biến

để làm nhiên liệu thay thế hoàn toàn trên ĐCĐT mà chỉ được coi là nhiên liệu của tương lai

1.1.3.3 Khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG)

LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể được sản xuất ở các nhà máy chưng cất, lọc hoá dầu mỏ Thành phần chính của LPG là hỗn hợp butan (C4H10) và propan (C3H8); hỗn hợp này chiếm đến 99% [67] Tỷ lệ giữa propan và butan thay đổi giữa các quốc gia cũng như từng thời điểm sản xuất Loại nhiên liệu này được phát triển và thương mại hoá từ những năm 1950

LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức Thông thường, LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ propan/butan khoảng 60/40 LPG có năng suất toả nhiệt cao và ô nhiễm khí thải thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống, có thể sử dụng tốt cho ĐCĐT đặc biệt là động cơ xăng [32] Trên thế giới, LPG đã được áp dụng trên nhiều động cơ xăng ở một số nước như Hongkong, Australia, Mỹ, Hàn Quốc…[65] Tuy nhiên, nhiên liệu này cũng có nguồn gốc từ dầu mỏ nên cũng bị hạn chế và cạn kiệt theo nguồn nhiên liệu hoá thạch

1.1.3.4 Nhiên liệu khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên đã được phát hiện ở hầu hết các vùng, lãnh thổ trên thế giới Trữ lượng khí thiên nhiên thế giới tổng cộng vào khoảng 175,4 nghìn tỷ m³ (175,4×1012m3) Trong đó, khu vực có trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhất thế giới là Nga, Mỹ, Canada và Trung Đông

Hình 1.1 Bản đồ trữ lượng khí thiên nhiên phân bố theo khu vực [92]

Bản đồ trữ lượng khí thiên nhiên theo vùng, quốc gia được thể hiện trên Hình 1.1 Các nước như Nga, Mỹ, Canada có trữ lượng khí thiên nhiên lớn hơn 100 tỷ m3 Nhiều quốc gia khác có trữ lượng trên 10 tỷ m3 như khu vực Nam Mỹ, Trung Quốc

Khí thiên nhiên sau khi được khai thác từ mỏ khí, trải qua một số công đoạn xử lý rồi được nén vào bình chứa ở dạng khí thiên nhiên nén (CNG) hoặc hoá lỏng ở dạng khí thiên nhiên lỏng (LNG) để cung cấp đến các nơi tiêu thụ Từ những năm 1990, việc nghiên cứu

sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông và làm chất đốt công nghiệp đã được thực hiện ở nhiều quốc gia trên thế giới như Nga, Nam Mỹ, Bắc Mỹ, New Zealand, Iran, Ấn Độ, Pakistan, Trung Quốc, Indonesia Các phương tiện sử dụng khí thiên nhiên được gọi là NGV (Natural Gas Vehicle)

Cùng với xu thế nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chung trên thế giới, Việt Nam đã xây dựng và khai trương nhà máy CNG đầu tiên vào năm 2008 tại khu công nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu Với việc mở rộng thăm dò, khai thác các mỏ khí mới từ năm 2008 đến nay đã có thêm nhiều nhà máy CNG như nhà máy CNG Mỹ Xuân, nhà máy CNG Hiệp Phước, nhà máy CNG Tiền Hải ở Thái Bình Trong buổi hội thảo

“Sử dụng nhiên liệu CNG trong vận tải hành khách công cộng” diễn ra tại Hà Nội, 27/8/2015, Tổng công ty dầu khí Việt Nam (PetroVietNam Gas - PV Gas) thông báo công suất đang cung cấp khoảng 10 tỷ m3 khí/ năm, sản lượng này sẽ còn tăng trong các năm tiếp theo, trong đó các phương tiện giao thông vận tải chỉ tiêu thụ khoảng 3 ÷ 5 triệu m3khí/ năm, chiếm 0,05% nguồn cung cấp Gần đây nhất trong buổi Hội thảo “Sử dụng nhiên liệu CNG trong giao thông vận tải khu vực miền Nam” tại thành phố Hồ Chí Minh, 6/4/2016, Công ty cổ phần Kinh doanh khí hoá lỏng miền Nam (PetroVietNam Gas South -

PV Gas South) cho biết đang sản xuất và tiêu thụ khoảng 150 triệu m3 khí/năm tại ba nhà máy thuộc PV Gas South, và trữ lượng khí thiên nhiên ở Việt Nam hiện nay gần 2700 tỷ

m3 Trữ lượng này cùng với các dự án nhập khẩu khí thì nguồn nhiên liệu cung cấp được xem là ổn định trong khoảng 100 năm

Có thể thấy, khí thiên nhiên có trữ lượng rất lớn trên thế giới cũng như tại Việt Nam, được nhiều quốc gia nghiên cứu sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ nhằm giảm

sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu dầu mỏ và góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường Do đó, Việt Nam cũng rất cần nghiên cứu sử dụng nguồn nhiên liệu tiềm năng này cho các phương tiện giao thông vận tải

1.2 Đặc điểm của khí thiên nhiên

1.2.1 Nguồn gốc và thành phần của khí thiên nhiên

Trong tự nhiên, khí thiên nhiên được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống dưới nước bao gồm tảo và động vật nguyên sinh Khi các vi sinh vật này chết đi và tích tụ dưới đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm tích Trải qua hàng triệu năm, các lớp trầm tích chồng lên nhau đã chuyển hoá hoá học

thành khí thiên nhiên Khí thiên nhiên được tìm thấy nhiều ở các mỏ khí hoặc các mỏ dầu trong vỏ trái đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu và hiện nay chiếm khoảng 25% nguồn cung năng lượng thế giới [93]

Khí thiên nhiên là một loại khí không màu, không mùi, có tỷ trọng nhẹ hơn không khí [8] và được phân loại tuỳ theo thành phần của từng mẫu khí cụ thể Khí thiên nhiên chứa thành phần chính là methane và một số thành phần khí khác với tỷ lệ nhỏ hơn; khí khô chứa tỷ lệ methane cao còn khí ướt có chứa thêm đáng kể khối lượng một số hydrocacbon có phân tử lượng cao hơn thuộc nhóm ankan như ethane, propane và butane [31, 45, 57, 76] Các khí thiên nhiên được khai thác chế biến ở các vùng khác nhau trong các điều kiện khác nhau sẽ có hàm lượng các thành phần khác nhau

Bảng 1.2 chỉ ra thành phần của một mẫu khí thiên nhiên được mua của Công ty cổ phần khí Bắc Hà để phục vụ nghiên cứu trong đề tài, trong khi bảng 1.3 giới thiệu thành phần tiêu biểu của một số mẫu khí thiên nhiên được khai thác và xử lý ở các vùng khác nhau trên thế giới [67, 93]

Bảng 1.2 Thành phần cơ bản của mẫu khí thiên nhiên phục vụ thí nghiệm

Khí thiên nhiên sau khi khai thác sẽ được xử lý để loại bỏ các tạp chất như SOx, NOx,

CO2 Do không có benzene và hydrocarbon thơm nên khi đốt nhiên liệu này không giải phóng nhiều khí độc hại và hầu như không phát sinh khói bụi [53, 54] Vì vậy, việc sử

dụng nhiên liệu khí thiên nhiên thay thế nhiên liệu xăng truyền thống sẽ giảm đáng kể các thánh phần phát thải độc hại ra môi trường

Khí thiên nhiên thường được nén với áp suất cao hoặc hoá lỏng để dễ dàng cho việc bảo quản, tích trữ và vận chuyển và sau đó được hoá khí và giảm đến áp suất thích hợp khi

sử dụng Khí thiên nhiên khi được nén với áp suất cao trong bình chứa được gọi là khí thiên nhiên nén, với áp suất bình chứa thường từ 150 đến 250 bar [67, 81]

1.2.2 Tính chất của khí thiên nhiên

Một số tính chất của CNG so với nhiên liệu truyền thống xăng và dầu diesel được chỉ

Nhiệt độ màng lửa của CNG thấp của xăng nên nồng độ NOx trong sản phẩm cháy cũng thấp hơn CNG không có chứa benzene và hydrocacbon thơm nên khi đốt không giải phóng nhiều khí độc CNG có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho cả động cơ xăng và động cơ diesel Do trị số octane của CNG cao nên tỷ số nén của động cơ sử dụng CNG có thể chọn cao hơn so với động cơ xăng để nâng cao tính hiệu quả Thông thường, tỷ số nén của động cơ CNG từ 11 đến 12 [54, 61] CNG cũng được nghiên cứu sử dụng trên động cơ diesel dưới dạng động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel đốt cháy do nén hoặc thay thế hoàn toàn nhiên liệu diesel khi giảm tỷ số nén và trang bị thêm hệ thống đánh lửa [83]

Tốc độ lan tràn màng lửa của CNG thấp hơn của nhiên liệu xăng Điều này có thể làm giảm tính năng của động cơ vì tăng truyền nhiệt từ môi chất công tác qua thành xi lanh

Để khắc phục tình trạng này, trên các động cơ CNG thiết kế mới người ta thường sử dụng các biện pháp kỹ thuật để tăng cường vận động rối của hỗn hợp trong buồng cháy, từ đó cải thiện được tốc độ cháy Biện pháp khác để cải thiện tốc độ cháy của CNG là trộn thêm hydro vào với tỷ lệ nhất định [89, 90]

Nhiệt trị khối lượng của CNG cao hơn (khoảng 13%) so với nhiên liệu lỏng thông thường nên nếu cùng hiệu suất như nhau thì suất tiêu hao nhiên liệu (tính theo khối lượng) của động cơ dùng CNG cũng thấp hơn Do sản phẩm cháy của CNG sạch hơn, nên ô tô sử dụng động cơ CNG hoạt động hiệu quả hơn so với ô tô xăng và tuổi thọ cao hơn

Phạm vi cháy của CNG hẹp, nhiệt độ bốc cháy cao hơn xăng nên ô tô sử dụng CNG

an toàn hơn so với ô tô sử dụng nhiên liệu xăng Thành phần CNG dễ phát tán, không tích

tụ như hơi xăng nên khi bị rò rỉ ra môi trường không khí thì nguy cơ cháy nổ thấp hơn nhiều so với xăng [66]

1.2.3 Các phương pháp tích trữ và vận chuyển khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên sau khi sản xuất có thể được tích trữ và vận chuyển đến nơi tiêu thụ bằng các cách khác nhau như qua hệ thống đường ống dẫn khí, bằng bình khí nén cao áp hoặc bằng bình khí hoá lỏng tuỳ thuộc vào quy mô sản lượng, điều kiện hạ tầng và đối tượng sử dụng Đối với các hộ tiêu thụ là các ĐCĐT tĩnh tại, các nhà máy điện tua bin khí, các lò đốt (luyện gang, thép hay sản xuất gạch ngói…) hoặc các thiết bị nhiệt gia đình (đun bếp, lò sưởi) thì khí thiên nhiên thường được vận chuyển qua được ống dẫn khí trực tiếp đến nơi tiêu thụ

Đối với phương tiện giao thông vận tải thì khí thiên nhiên thường được tích trữ dưới dạng khí thiên nhiên nén trong các bình chứa khí áp suất cao để cung cấp cho động cơ Việc nạp khí CNG vào bình cao áp có thể được thực hiện ngay tại nhà máy sản xuất khí hoặc tại các trạm nạp trung chuyển mà ở đó khí được chuyển đến qua đường ống dẫn khí hoặc bằng téc chứa khí hoá lỏng

Với cùng dung tích bình chứa nhiên liệu thì phạm vi hoạt động của xe sử dụng CNG nhỏ hơn phạm vi hoạt động của xe sử dụng xăng Do đó để tăng phạm vi hoạt động của xe

sử dụng CNG thì thường phải dùng các bình chứa nhiên liệu lớn hơn và dùng nhiều bình chứa để tăng dung tích của nhiên liệu dự trữ trên xe

Trên Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ một hệ thống thiết bị nạp CNG từ nguồn khí thiên nhiên cung cấp đến trạm Bộ phận chính của trạm là máy nén làm việc ở áp suất cao Các bình chứa CNG có thể có các kích thước khác nhau để có thể lựa chọn để lắp đặt phù hợp với các loại xe Bình dung tích 50 lít CNG nếu ở áp suất 200 bar có thể chứa được 7,06 kg, nếu ở áp suất 250 bar thì chứa được 8,8kg, ít hơn nhiều so với 50 lít xăng (35kg) Tuy nhiên bình CNG có thể có tổng khối lượng lớn hơn vì phải làm dày để chịu áp suất cao

2 3

khí; 9 Máy nén 4 cấp; 10 Động cơ điện

Hình 1.2 Sơ đồ trạm sản xuất CNG trực tiếp từ khí thiên nhiên

Để vận chuyển khí thiên nhiên đến các trạm trung chuyển khí hoặc các trạm nạp CNG khi không có hạ tầng hệ thống đường ống dẫn khí, người ta thường vận chuyển nhiên liệu khí này ở dạng khí hoá lỏng (LNG) trong các bình cách nhiệt LNG có tỷ trọng khoảng

430470 kg/m3 cao gấphơn 3 lần tỷ trọng của CNG ở 200 bar nên việc vận chuyển đến các trạm trung gian sản xuất và phân phối CNG sẽ dễ dàng và kinh tế hơn Tại nơi chuyển đến, LNG được đưa tới hệ thống bơm áp suất cao chạy bằng động cơ điện Ra khỏi bơm, LNG áp suất cao được đưa tới thiết bị trao đổi nhiệt bằng hơi nước, tại LNG được hoá hơi thành khí ở áp suất cao và nhận được CNG Sau đó CNG được đưa tới thiết bị phân phối

và nạp vào các bình chứa CNG như trên sơ đồ khối Hình 1.3

Hình 1.3 Quá trình công nghệ sản xuất CNG từ LNG

Trạm sản xuất CNG từ LNG có ưu điểm là có kích thước nhỏ gọn, cần ít thiết bị, chi phí dành cho xây dựng và lắp đặt trạm thấp, nguyên liệu của quá trình là LNG không có hoặc có ít các thành phần như H2O, CO2, H2S… Bộ phận chính của trạm là thiết bị bơm

Bình chứa CNG Thiết bị hóa hơi

Bơm

Bể chứa LNG

Thiết bị gia nhiệt

làm việc ở áp suất cao, bơm này làm việc trong môi trường lỏng ở nhiệt độ thấp nên tránh được các hiện tượng ăn mòn gây ra do ảnh hưởng của nhiệt, thời gian cần cho công việc bảo dưỡng ít hơn so với trạm nạp CNG từ nhiên liệu thể khí Thêm nữa, phương pháp này không cần phải sử dụng máy nén khí cao áp nên không gây ồn và đồng thời giảm được chi phí Tuy nhiên, việc sản xuất và bảo quản LNG thì lại đòi hỏi chi phí cao, nghĩa là chi phí đầu vào của quá trình sản xuất CNG theo phương pháp này khá cao

1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ đốt cháy cưỡng bức

1.3.1 Sự phát triển của các phương tiện GTVT sử dụng nhiên liệu CNG

CNG đang dần được sử dụng phổ biến và rộng rãi trên các phương tiện GTVT nói chung và trên ô tô nói riêng Theo ước tính sơ bộ, năm 1996 có khoảng 1 triệu xe ôtô chạy bằng CNG trên thế giới (tại thời điểm có khoảng 50 quốc gia đã sử dụng ô tô CNG) [93] Các quốc gia sử dụng nhiều nhất là Cộng đồng các quốc gia độc lập (Commonwealth of Independent States - CIS), Ý, Argentina, Canada, Newzealand và Mỹ Ngoài ra, để đáp ứng nhu cầu sử dụng CNG, có khoảng 2700 trạm phân phối CNG được xây dựng, trong đó

có khoảng 600 trạm ở Canada và Hà Lan được lắp đặt máy nén gia dụng ngay tại nhà của người sử dụng Vào đầu những năm 2000, số lượng xe sử dụng CNG là 300.000 chiếc ở Canađa, 200.000 ở Nhật, 50.000 chiếc ở Pháp và 200.000 chiếc ở Anh [93]

Hình 1.4 Tổng số ô tô thế giới sử dụng CNG trong các năm 1996-2016 [ 94 ]

Theo con số thống kê trên trang web ww.iangv.org, số lượng các phương tiện sử dụng CNG trên thế giới tăng rất mạnh trong những năm gần đây, tăng theo quy luật hàm

mũ như chỉ ra trên Hình 1.4 [94] Hiện nay có trên 23 triệu ô tô CNG đang sử dụng, và nếu theo xu hướng tăng này thì dự đoán con số sẽ đạt trên 65 triệu chiếc vào năm 2020 Trong tương lai gần, dự kiến sẽ có sự gia tăng nhanh chóng cả về số các quốc gia sử dụng cũng

Châu Phi

Mỹ La tinh Bắc Mỹ Châu Âu Châu Á-Thái Bình Dương

như số lượng xe sử dụng CNG ở từng nước Các xe sử dụng CNG có thể là các xe trang bị động cơ CNG được chế tạo mới chuyên sử dụng CNG hoặc các xe đang lưu hành với động

cơ sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống được hoán cải sang sử dụng CNG

Đối với các nước trong khu vực với chiến lược phát triển giao thông và năng lượng của mình, đa phần đều đã có sự chú ý nhất định đến loại hình phương tiện sử dụng CNG Điển hình là Thái Lan, đến năm 2011 đã có đến 256.600 xe sử dụng CNG và 535 trạm nạp khí CNG Malaysia là nước đứng thứ hai trong khu vực cả về trữ lượng khí thiên nhiên cũng như số lượng xe sử dụng CNG Năm 2008 quốc gia này đã có 60.000 xe sử dụng CNG và 200 trạm nạp CNG Trong giai đoạn đầu phát triển, mặc dù số lượng có tăng nhanh, nhưng xe sử dụng CNG cũng chỉ được chú ý trên một số dạng phương tiện dịch vụ công cộng như xe taxi, xe buýt

Còn tại Việt Nam, việc sử dụng CNG làm nhiên liệu cho động cơ bắt đầu phát triển

từ năm 2008 Trước đây, loại khí này chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu cho các cơ sở công nghiệp lớn như nhà máy thép Thủ Đức, Thép Biên Hoà, Thép Pomina, Công ty gạch men Bạch Thanh

Tổng Công ty Khí Việt Nam (PetroVietNam Gas - PV Gas) là đơn vị chính cung cấp CNG cho thị trường trong nước PVGas đã cam kết đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu không chỉ cho các ngành công nghiệp mà cả ngành giao thông vận tải CNG sử dụng trong giao thông vận tải sẽ được vận chuyển bằng xe bồn có sức chứa khoảng 3 tấn, với áp suất bồn tới 250 bar tới các trạm nạp CNG cho xe buýt, taxi, và các phương tiện giao thông khác sử dụng CNG TP Hồ Chí Minh là khu vực đầu tiên sử dụng CNG làm nhiên liệu cho ĐCĐT

và đã triển khai đối với một số hãng xe taxi Ngày 24/12/2006, UBND TP Hồ Chí Minh và Tập đoàn Dầu khí Việt Nam đã ký thoả thuận hợp tác, phát triển kinh tế - xã hội và thực hiện đầu tư tại TP.HCM, trong đó có nội dung đầu tư và phát triển hạ tầng đô thị, bảo vệ môi trường Trên tinh thần đó, Sở Giao thông Vận tải TP Hồ Chí Minh và Công ty Cổ phần Khí hoá lỏng miền Nam đã triển khai kế hoạch nghiên cứu ứng dụng CNG cho xe buýt của thành phố Chương trình còn có sự phối hợp của Tập đoàn Sunjin (Hàn Quốc), một trong những doanh nghiệp lớn về vận tải hành khách công cộng bằng xe buýt với hơn 90% số lượng xe buýt sử dụng CNG Theo Sở GTVT TP Hồ Chí Minh, việc chuyển đổi các xe buýt, xe taxi sang sử dụng CNG sẽ được thực hiện bằng ba phương pháp, đó là: lắp thêm bộ chuyển đổi; thay thế động cơ CNG và đầu tư mua mới xe buýt sử dụng CNG Quá trình được thực hiện trước mắt bằng cách chuyển đổi dần dần số xe buýt loại lớn và loại trung sang sử dụng CNG Trong năm 2009, Tập đoàn ôtô Thành Công đã tổ chức lễ ký kết

và giao lô hàng 50 xe đầu tiên trong hợp đồng cung cấp 500 chiếc xe buýt hiệu Daewoo chạy bằng CNG cho công ty Sonadezi ở Đồng Nai Số xe buýt này được sử dụng trong việc đưa đón công nhân ở các khu công nghiệp cũng như vận chuyển hành khách công cộng tại tỉnh Đồng Nai

Như vậy, có thể thấy rằng tiềm năng của CNG trong giao thông vận tải cũng như công nghiệp tại Việt Nam là rất lớn với một lợi thế của CNG hiện nay là giá thành khá thấp Đây chắc chắn là nhiên liệu rẻ, sạch giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong các thành phố lớn và các khu công nghiệp, đồng thời nâng cao tính kinh tế nhiên liệu trong khai thác

sử dụng xe, đặc biệt trong tình hình giá xăng dầu tăng cao trong những năm gần đây

Hình 1.5 Phương tiện giao thông sử dụng CNG

Chiếc xe “xanh” đầu tiên (Hình 1.5) chạy theo lộ trình Sài Gòn - Bình Tây sử dụng CNG đã được khai trương [95] Đây là bước ngoặt của loại hình vận tải hành khách công cộng theo hướng bền vững, thân thiện với môi trường Vào thời điểm bắt đầu triển khai hoạt động, mỗi xe “xanh”, sau khi được nạp đầy CNG có thể chạy được quãng đường khoảng 300 km

Với ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường nên xe sử dụng CNG ở Việt Nam cũng sẽ tăng mạnh trong tương lai gần Tuy nhiên, việc mua mới các xe ô tô có động cơ sử dụng CNG khá tốn kém, giá của mỗi chiếc xe buýt CNG của hãng Samco là 2,75 tỷ VNĐ, của hãng Hyundai là 3,5 tỷ VNĐ (*), vì vậy việc nghiên cứu chuyển đổi ĐCĐT đang lưu hành sang sử dụng CNG với chi phí ít hơn, tận dụng được các động cơ sẵn

có sẽ là giải pháp hợp lý để mở rộng sử dụng CNG cho các phương tiện giao thông vận tải

ở Việt Nam

(*) Hội thảo “Sử dụng nhiên liệu sạch CNG trong giao thông vận tải khu vực phía nam” diễn

ra tại Thành phố Hồ Chí Minh, 6/4/2016

1.3.2 Các phương pháp cung cấp CNG và tạo hỗn hợp trên động cơ

Việc cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ CNG chế tạo mới hay trong động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ chạy nhiên liệu truyền thống thường không có gì khác biệt và đều là đối tượng được quan tâm nghiên cứu nhiều để nâng cao tính kinh tế, tính hiệu quả và giảm phát thải cho động cơ Có nhiều phương pháp cung cấp và tạo hỗn hợp cho động cơ CNG tương tự như các phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ xăng Đó là phương pháp cung cấp CNG vào đường nạp bằng cách sử dụng

bộ hoà trộn (hay bộ chế hoá khí) có họng venturi hay cung cấp CNG bằng cách phun vào trước xupap nạp và phương pháp phun trực tiếp nhiên liệu vào trong xi lanh động cơ [24,

44, 53, 87] Mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm nhất định

1.3.2.1 Hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hoà trộn

Trên Hình 1.6 là sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hoà trộn có họng khuếch tán kiểu ống venturi Áp suất khí CNG sau bộ giảm áp được duy trì ở giá trị ổn định, có thể bằng hoặc lớn hơn áp suất môi trường một chút nên việc cung cấp nhiên liệu khí vào ống venturi hoàn toàn phụ thuộc vào kết cấu họng và lưu lượng không khí nạp đi qua họng, tức là phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ Nguyên lý định lượng CNG và tạo hốn hợp trong bộ hoà trộng cũng tương tự như nguyên lý tạo hỗn hợp trong bộ chế hoà khí của động cơ xăng Hình dạng và kích thước ống venturi và lỗ cấp CNG được tính toán xác định để đảm bảo tỷ lệ không khí-nhiên liệu luôn phù hợp với yêu cầu làm việc của động cơ ở các chế độ

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hoà trộn kiểu ống venturi

1

2

3 4

1 2

3

4

1 Bầu lọc gió; 2 Đường ống dẫn khí;

3 Họng phun gas; 4 Bướm gas

1 Đường ống dẫn gas; 2 Bướm ga;

3 Cơ cấu điều khiển; 4 Vít điều chỉnh

Họng khuếch tán Bướm ga

Hỗn hợp

Nước nóng

Van công suất

Bộ giảm áp Van điện từ

Đường không tải

như LPG hay biogas Ngày nay hệ thống này vẫn được sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trên các động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng truyền thống vì chỉ cần lắp thêm hệ thống này lên động cơ và khoá đường xăng lại là động cơ có thể làm việc với CNG

Ống venturi có thể có một số dạng kết cấu khác nhau (Hình 1.6 và 1.7) Kết cấu bộ hoà trộn trên Hình 1.7a,b có đường dẫn nhiên liệu nằm trong dòng khí nạp nên làm tăng tổn thất dòng khí nạp, trong đó bộ hoà trộn Hình 1.7b có đường cấp nhiên liệu ở một phía của họng nên chất lượng hoà trộn nhiên liệu với không khí không tốt bằng họng khuếch tán cấp nhiên liệu vào đều xung quanh họng như ở Hình 1.6

Hiện nay, để nâng cao chất lượng hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp bằng phương pháp sử dụng bộ hoà trộn, người ta sử dụng phương pháp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp bằng điện tử Trên hệ thống cung cấp nhiên liệu này người ta trang bị thêm một van tiết lưu nhiên liệu điều khiển điện tử trên đường dẫn CNG từ bộ giảm áp đến bộ hoà trộn như giới thiệu trên sơ đồ Hình 1.8 Áp suất hơi của nhiên liệu sau bộ giảm áp được duy trì lớn hơn áp suất khí trời một chút Van tiết lưu nhiên liệu được điều khiển mở to, nhỏ nhờ bộ điều khiển điện tử để điều chỉnh lưu lượng CNG 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

1 Bình chứa CNG; 2 Van điện từ ; 3 Bộ giảm áp; 4 Van tiết lưu điều khiển bằng điện tử;

5 ECU; 6 Bộ chế hoà khí xăng; 7 Bộ hoà trộn; 8 Van điện từ ; 9 Bình xăng.

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

Nhìn chung, các hệ thống cung cấp CNG và tạo hỗn hợp nhờ sử dụng bộ hoà trộn có

ưu điểm là lắp đặt và điều chỉnh rất dễ dàng trên bất kỳ loại động cơ nào, động cơ bộ chế hoà khí hay phun xăng Mặt khác, với bộ hoà trộn thì có thể sử dụng song song hoặc độc lập 2 loại nhiên liệu xăng và CNG tuỳ theo điều kiện sử dụng Tuy nhiên, hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hoà trộn cũng có nhược điểm như của bộ chế hoà khí trong động cơ xăng có tổn thất khí động do sức cản của ống venturi và sự không đồng nhất của hỗn hợp giữa các xi lanh 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 đường nạp

1.3.2.2 Hệ thống phun CNG vào cửa nạp

Hình 1.9 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun CNG vào đường nạp theo nguyên lý phun đa điểm Nguyên lý điều khiển phun CNG đa điểm bằng điện tử hoàn toàn tương tự như hệ thống phun xăng đa điểm Chỉ có một điểm khác là các vòi phun CNG được bố trí trên một cụm và từ mỗi vòi phun này có một đường dẫn nhiên liệu khí tới cửa nạp của mỗi xi lanh động cơ Áp suất hơi sau bộ giảm áp và trước vòi phun được duy trì là khoảng 2,53 bar [52, 63] tuỳ theo yêu cầu của mỗi hệ thống

5

CNG

ECU

4 3

phun; 8 Vòi phun CNG; 9 Đường cấp CNG vào cửa nạp; 10 Động cơ.

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun đa điểm CNG vào đường nạp

Hệ phống phun CNG vào cửa nạp khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hoà trộn Hệ thống giảm được tổn thất khí động qua họng khuếch tán và đảm bảo định lượng chính xác và đồng đều nhiên liệu giữa các xi lanh hơn so với khi sử dụng bộ hoà trộn nên sẽ cải thiện được đặc tính công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ Tuy nhiên, phương pháp cấp CNG vào đường nạp nhờ bộ hoà trộn hay phun đều gặp phải vấn đề là ảnh hưởng chiếm chỗ không khí nạp của nhiên liệu CNG nên làm giảm lượng hỗn hợp nạp vào xi lanh Điều đó sẽ làm giảm công suất riêng của động cơ, tức là giảm công suất trên một đơn vị thể tích công tác

1.3.2.3 Hệ thống phun trực tiếp CNG vào trong xi lanh động cơ

Hệ thống phun trực tiếp CNG vào trong xi lanh động cơ được mô tả trên Hình 1.10 Nguyên lý làm việc của hệ thống phun trực tiếp CNG cũng tương tự hệ thống phun xăng

trực tiếp GDI CNG được hạ áp tới áp suất phun phù hợp và phun trực tiếp vào xi lanh của động cơ qua vòi phun điều khiển bằng điện từ Hỗn hợp nhiên liệu-không khí được tạo thành trong xi lanh động cơ dưới dạng phân lớp hoặc đồng nhất tuỳ theo chế độ làm việc của động cơ Theo sơ đồ Hình 1.10, CNG từ bình chứa được dẫn tới bộ điều áp rồi đưa tới vòi phun Áp suất khí được điều chỉnh ổn định nhờ bộ điều áp CNG thông qua bộ điều khiển tử ECU Bộ điều khiển ECU điều khiển mở vòi phun để phun nhiên liệu vào động cơ đảm bảo đúng thời điểm và đủ lượng phun phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

1

23

4

5

6

7

1 Bình chứa CNG; 2 Đồng hồ áp suất; 3 Van điện từ; 4 Máy tính điều khiển;

5 Bộ giảm áp; 6 Vòi phun khí CNG; 7 Động cơ.

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống phun CNG trực tiếp

Hệ thống phun trực tiếp CNG khắc phục được ảnh hưởng chiếm chỗ không khí nạp của phương pháp cung cấp CNG vào đường nạp của động cơ nên có thể duy trì được công suất tương tự như khi sử dụng nhiên liệu xăng [53] Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp nên thường chỉ được áp dụng trên các động cơ CNG chế tạo mới và khó áp dụng được trên các động cơ chuyển đổi

1.3.3 Chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG

1.3.3.1 Giới thiệu chung

CNG là nhiên liệu khí có trị số ốc tan cao hơn xăng và nhiệt độ tự cháy cũng cao hơn

so với xăng và dầu diesel [45, 59] và có đặc điểm tạo hỗn hợp và cháy tương tự xăng nên rất thích hợp sử dụng cho động cơ đốt cháy cưỡng bức [16, 19,45, 74] CNG khó tự cháy

do nén nên nếu sử dụng hoàn toàn CNG trên động cơ diesel thì sẽ làm thời gian cháy trễ kéo dài và khó kiểm soát quá trình cháy [59] nên người ta thường chỉ sử dụng CNG trên động cơ diesel cùng với nhiên liệu diesel ở dạng lưỡng nhiên liệu CNG-diesel để thay thế một phần nhiên liệu diesel [18]

Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu, chế tạo và khai thác sử dụng động cơ khi muốn sử dụng CNG làm nhiên liệu thay thế hoàn toàn nhiên liệu lỏng truyền thống trên động cơ

hiện nay hầu hết đều quan tâm đến sử dụng CNG trên động cơ đốt cháy cưỡng bức Các động cơ CNG có thể là các động cơ được chế tạo mới để sử dụng CNG hoặc các động cơ được chuyển đổi từ các động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống đang lưu hành sang

sử dụng CNG

Các động cơ CNG chế tạo mới được thiết kế chế tạo để làm việc tối ưu với nhiên liệu CNG nên sẽ có các tính năng kinh tế kỹ thuật cao [45, 78] Tuy nhiên, việc chế tạo động cơ CNG mới với sản lượng nhỏ thường có giá thành rất cao nên khó khả thi Việc nhập khẩu các động cơ này cũng rất đắt so với các động cơ dùng nhiên liệu truyền thống nên không phải khách hàng nào cũng có thể có đủ điều kiện chi trả Mặt khác, các động cơ này sẽ không thích hợp hoặc không sẵn sàng để làm việc với nhiên liệu xăng khi cần (ví dụ trong trường hợp hết nhiên liệu CNG) Trong khi đó các loại động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống đang lưu hành thì khá nhiều nên có thể chuyển đổi sang sử dụng CNG để giảm chi phí so với mua mới

1.3.3.2 Chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG

Khi chuyển đổi các động cơ hiện hành (động cơ xăng hoặc động cơ diesel) sang sử dụng CNG, cần thay đổi kết cấu của động cơ để phù hợp làm việc với nhiên liệu CNG Mức độ thay đổi kết cấu phụ thuộc nhiều vào loại động cơ sử dụng trong chuyển đổi là động cơ diesel hay động cơ xăng

Với động cơ diesel, để chuyển đổi sang sử dụng CNG cần thực hiện các thay đổi cơ bản như sau:

- Giảm tỷ số nén của động cơ: có thể thực hiện bằng cách thay đổi nắp máy, hoặc pít tông, hoặc cả hai để tăng thể tích buồng cháy;

- Trang bị thêm hệ thống đánh lửa;

- Cắt bỏ hệ thống phun nhiên liệu diesel và trang bị mới hệ thống cung cấp CNG Với động cơ xăng, để chuyển đổi sang sử dụng CNG cần thực hiện các thay đổi chính như sau:

- Trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG, có thể cắt bỏ hoặc vẫn giữ lại hệ thống cung cấp xăng để có thể quay lại sử dụng xăng nếu cần

- Vẫn giữ và sử dụng hệ thống đánh lửa nhưng có thể điều chỉnh thay đổi theo hướng tăng năng lượng đánh lửa và điều chỉnh lại góc đánh lửa sớm cho phù hợp nếu cần

Như vậy có thể thấy, việc chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng CNG cần phải thực hiện thay đổi nhiều về kết cấu động cơ hơn so với việc chuyển đổi động cơ xăng Đặc biệt là phải giảm tỷ số nén và trang bị mới hệ thống đánh lửa là các công việc khá phức tạp

và đòi hỏi chi phí lớn Thêm nữa, động cơ diesel khi đã được chuyển đổi sang động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức thì động cơ sẽ không thể sẵn sàng quay lại sử dụng nhiên liệu diesel, khi cần, được nữa Trong khi đó nếu chuyển đổi động cơ xăng thì không cần thực

hiện công việc này nên giá thành chuyển đổi rẻ hơn nhiều Đồng thời động có có thể giữ nguyên hệ thống cung cấp xăng và sẵn sàng có thể quay lại sử dụng xăng bất cứ khi nào muốn

Do đó, việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang sử dụng CNG được người sử dụng quan tâm hơn Chính vì vậy đề tài này cũng hướng tới nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chuyển đổi động xăng hiện hành sang sử dụng CNG và nghiên cứu công nghệ nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu CNG của động cơ chuyển đổi

1.3.4 Các nghiên cứu sử dụng CNG cho ĐCĐT

1.3.4.1 Các nghiên cứu sử dụng CNG cho ĐCĐT trên thế giới

Hiện nay, CNG được coi là nhiên liệu sạch, có xu hướng được sử dụng ngày càng rộng rãi để làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ đánh lửa cưỡng bức [63, 89] Mặt khác, CNG là nhiên liệu khí nên trong quá trình hình thành hỗn hợp cháy không bị hoà trộn với các chất bôi trơn nên dầu bôi trơn không bị pha loãng hoặc giảm độ nhớt [70] Do vậy, đặc điểm kết cấu chung của động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức tương tự động cơ xăng và chỉ khác ở hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy động cơ CNG có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn động cơ xăng, mặt khác các thành phần phát thải độc hại của của động cơ sử dụng nhiên liệu CNG thấp hơn nhiều so với động cơ

sử dụng nhiên liệu xăng [19, 42, 48, 61, 62, 73, 82, 83]

Khi nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG, Tahir và cộng sự [58]

đã chỉ ra rằng với phương pháp cấp CNG vào đường ống nạp, công suất động cơ sử dụng CNG giảm 18,5% so với sử dụng xăng ở cùng chế độ tải và tốc độ do lượng khí nạp giảm đến 14,5% vì bị nhiên liệu khí chiếm chỗ Một lý do khác nữa có thể là tốc độ cháy của CNG chậm hơn so với xăng [84] trong khi góc đánh lửa sớm vẫn giữ nguyên không được điều chỉnh cho phù hợp với CNG, làm cho quá trình cháy không tối ưu

M.U Aslam và cộng sự [54] đã nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG và xăng trên cùng một động cơ xăng được hoán cải để có thể chuyển đổi sử dụng giữa xăng và CNG Nhiên liệu CNG được cung cấp vào đường nạp bằng bộ hoà trộn với áp suất khí cấp vào được duy trì khoảng 0,8 bar Trong quá trình thử nghiệm, góc đánh lửa sớm được điều chỉnh để động cơ đạt được công suất lớn nhất với cả hai loại nhiên liệu xăng và CNG Kết quả nghiên cứu cho thấy, áp suất có ích trung bình giảm khoảng 16% khi sử dụng nhiên liệu CNG Tuy nhiên, khi sử dụng CNG suất tiêu hao năng lượng có ích lại cải thiện trung bình khoảng 1,65 MJ/kWh ở chế độ toàn tải Về hàm lượng các chất phát thải độc hại, CO giảm trung bình 80%, CO2 giảm 20% và HC giảm 50%, trong khi đó NOx tăng một chút Tác giả Evans và cộng sự [27] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu CNG đến tính năng làm việc và phát thải độc hại của động cơ thí nghiệm 1 xylanh Ricardo bằng phương pháp phun nhiên liệu vào cửa nạp Thử nghiệm được thực hiện ở các chế độ tải khác nhau, tỷ lệ hỗn hợp được điều chỉnh thay đổi trong dải rộng từ λ =1,0 đến giới hạn

nghèo để xác định điểm đạt được mô men lớn nhất Kết quả cho thấy, công suất của động

cơ khi sử dụng CNG giảm trung bình khoảng 12% (kết quả của M.U Aslam là 16%) ở các chế độ thử nghiệm Hiện tượng suy giảm công suất cũng do ảnh hưởng chiếm chỗ không khí nạp làm giảm tổng năng lượng cung cấp vào động cơ Hiệu suất nhiệt của động cơ khi

sử dụng nhiên liệu CNG gần tương tự như sử dụng nhiên liệu xăng và cải thiện một chút ở vùng hỗn hợp nghèo Ngoài ra, Evans cũng đã nghiên cứu xác định góc đánh lửa sớm phù hợp khi sử dụng nhiên liệu CNG, kết quả cho thấy góc đánh lửa sớm cần tăng lên từ 2 đến

10oTK so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng để động cơ có thể đạt được công suất hay mô men cực đại Đối với phát thải độc hại, kết quả nghiên cứu cho thấy tất cả các thành phần phát thải đều giảm trong khoảng từ 5 đến 50%

Ali M Pourkhesalian và cộng sự [52] đã nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng 4 xylanh nhãn hiệu Maz-nitroda B2000i thành động cơ lưỡng nhiên liệu xăng/CNG theo nguyên lý phun trên đường nạp Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy nhiên liệu khí có ảnh hưởng lớn tới hệ số nạp khí, làm giảm khoảng 12% lưu lượng không khí nạp, và do đó cũng làm giảm tính năng kỹ thuật của động cơ, công suất giảm tới 20% (giảm nhiều hơn so với kết quả nghiên cứu của M.U Aslam, nguyên nhân có thể do chưa có sự điều chỉnh góc đánh lửa sớm Tuy nhiên, phát thải NOx thì lại tăng một chút, tức có xu hướng ngược lại so với kết quả nghiên cứu của R.L Evans và tương tự với kết quả nghiên cứu của M.U Aslam Theo Ali M Pourkhesalian, nhiên liệu tồn tại ở dạng khí nên không thu nhiệt như nhiên liệu lỏng, do đó nhiệt độ đầu quá trình cháy cao hơn so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng, do đó nhiệt độ quá trình cháy tăng lên khi sử dụng nhiên liệu CNG, điều này làm tăng hàm lượng phát thải NOx Phát thải CO và HC có xu hướng giảm mạnh do tỷ

lệ C/H của CNG nhỏ hơn của nhiên liệu xăng, tương tự như kết quả nghiên cứu của các tác giả khác Tác giả cũng đã đưa ra kết luận rằng, để nâng cao tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm phát thải độc hại của động cơ thì cần thiết phải thay đổi các thông số làm việc như tăng góc đánh lửa sớm (giống kết quả nghiên cứu của R.L Evans) hoặc thay đổi thông số kết cấu như tăng tỷ số nén của động cơ khi sử dụng CNG

Theo các kết quả nghiên cứu ở trên, có thể thấy nhược điểm của phương pháp cung cấp CNG và hình thành hỗn hợp trên đường nạp bằng bộ hoà trộn hay phun vào cửa nạp là làm công suất động cơ giảm so với động cơ nguyên thuỷ sử dụng xăng do lưu lượng không khí nạp giảm vì bị nhiên liệu khí chiếm chỗ M.A Kalam cùng cộng sự [53] cũng chỉ rõ điều này khi so sánh tính năng động cơ trong ba trường hợp cấp xăng vào đường nạp, cấp CNG vào đường ống nạp và phun trực tiếp CNG vào trong xi lanh động cơ Các tác giả đã nghiên cứu thực nghiệm trên một động cơ xăng 4 kỳ sử dụng 2 loại nhiên liệu xăng và CNG với bộ hoà trộn Kết quả cho thấy công suất của động cơ khi cấp CNG vào đường nạp thấp hơn so với khi sử dụng nhiên liệu xăng khoảng 20%, tương tự như nghiên cứu của Ali M Pourkhesalian [52], nhưng suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện được 11% Khi chuyển đổi động cơ từ sử dụng bộ hoà trộn sang sử dụng hệ thống phun khí trực tiếp, kết quả thử

nghiệm cho thấy hiệu suất động cơ tăng lên khá nhiều, công suất của động cơ tăng tới 10%

so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng với cùng hệ số dư lượng không khí

Như vậy, có thể thấy về mặt nguyên tắc phương pháp phun trực tiếp CNG sẽ khắc phục được nhược điểm làm giảm khí nạp của phương pháp cung cấp nhiên liệu trên đường nạp nên cải thiện được công suất Ngoài ra, phương pháp phun trực tiếp còn có thể tạo được hỗn hợp phân lớp, mở rộng được giới hạn cháy từ đó tăng được hiệu suất nhiệt của động cơ Tuy nhiên, phương pháp phun trực tiếp tương đối phức tạp, tốn kém khi chuyển đổi, hoán cải động cơ đang sử dụng nhiên liệu xăng sang CNG nên cũng ít được áp dụng Phương pháp cung cấp CNG bằng phun vào đường nạp sẽ khắc phục được một phần nhược điểm của phương pháp dùng bộ hoà trộn bởi loại bỏ được tổn thất khí động qua họng khuếch tán Phương pháp này tương đối đơn giản, có thể áp dụng trên các động cơ xăng đang lưu hành, vì đại đa số các động cơ này đều được trang bị hệ thống phun xăng điện tử nên rất thuận lợi cho việc thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp CNG Vì vậy, hiện nay phương pháp cung cấp CNG theo nguyên lý phun đa điểm trên đường nạp được

áp dụng phổ biến và hiệu quả hơn hẳn các phương pháp khác

Qua nghiên cứu đặc tính làm việc của cùng một động cơ đánh lửa cưỡng bức khi sử dụng nhiên liệu xăng và khi sử dụng nhiên liệu CNG, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ sử dụng CNG nên được thiết kế tăng tỷ số nén của động cơ và thay đổi góc đánh lửa sớm theo hướng tăng (từ 2 ÷ 50) với động cơ sử dụng xăng để tăng hiệu suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và vẫn đảm bảo công suất động cơ [27, 35, 46, 61, 64]

1.3.4.2 Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí và CNG cho ĐCĐT ở Việt Nam

CNG là nhiên liệu khí nên đặc điểm sử dụng CNG trên ĐCĐT cũng có sự tương đồng như sử dụng các nhiên liệu khí khác như biogas hay LPG Khí biogas là kết quả phân huỷ các chất hữu cơ (cây cối, rơm rạ, chất thải quá trình chăn nuôi .) trong môi trường thiếu không khí, thành phần chủ yếu của biogas là methane CH4 (50 ÷ 70%), CO2 (25 ÷ 50%) và các tạp chất khác như H2S, N2, O2 [3, 4], khi loại bỏ bớt các tạp chất khí biogas

sẽ có tính chất tương tự như CNG Do vậy, các kết quả nghiên cứu về biogas cũng là cơ sở

để tiếp tục nghiên cứu ứng dụng cho CNG

Ở Việt Nam, năm 2004-2005, tác giả Bùi Văn Ga đã nghiên cứu sử dụng LPG và biogas trên xe máy, xe buýt và động cơ xăng cỡ nhỏ Tác giả và nhóm nghiên cứu đã thiết

kế chế tạo thành công bộ phụ kiện chuyển đổi các động cơ xăng sang sử dụng LPG, biogas theo nguyên lý sử dụng bộ hoà trộn đảm bảo tính năng kinh tế kỹ thuật yêu cầu [1, 2] Khi thử nghiệm trên động cơ xe máy sử dụng nhiên liệu biogas, nhóm nghiên cứu đã đưa ra được phương pháp xử lý tạp chất trong biogas để cung cấp cho động cơ xe máy tĩnh tại thông qua bộ chuyển đổi GA5, đảm bảo hàm lượng CH4 trong nhiên liệu tăng từ 69,33% lên 88,09% (tăng 30%) sau khi loại bỏ H2S và CO2 Kết quả thử nghiệm cho thấy phát thải độc hại của động cơ thấp hơn so với động cơ nguyên thuỷ sử dụng xăng và thấp

hơn nhiều so với tiêu chuẩn Ở chế độ không tải thì nồng độ HC chưa tới 10% và CO chưa tới 1% so với giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Việt Nam [3, 4]

Trong nghiên cứu mô phỏng cung cấp nhiên liệu CNG cho động cơ có tỷ số nén cao KamAZ 740 của tác giả Lê Văn Tuỵ [9], kết quả cho thấy CNG có thể được phun theo hai giai đoạn mà không xảy ra hiện tượng kích nổ, có thể kiểm soát và định lượng lượng phun bằng điều khiển điện tử Tuy nhiên, nghiên cứu của tác giả mới chỉ dừng lại ở việc tính toán mô phỏng mà chưa nghiên cứu thực nghiệm để có được những đánh giá đầy đủ hơn

về các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cũng như phát thải độc hại của động cơ

Một nghiên cứu sử dụng CNG khác là của Nguyễn Sĩ Thắng và cộng sự được thực hiện trên hai xe Innova và Altis Các động cơ nguyên thuỷ đều là động cơ trang bị hệ thống phun xăng điện tử Nhóm nghiên cứu đã lắp đặt bộ kit cung cấp CNG sử dụng bộ hoà trộn cho động cơ và tiến hành thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với hai loại nhiên liệu là xăng và CNG Kết quả cho thấy công suất của hai xe bị giảm lần lượt 11,6% và 19,4%, phát thải CO giảm 60 ÷ 100%, CO2 giảm 21 ÷ 23,5% [8]

Các bộ kit có sẵn có thể giúp người sử dụng chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG một cách dễ dàng Tuy nhiên, giá thành các bộ kit sẵn có cũng khá đắt và đôi khi cũng khó phù hợp với động cơ cụ thể của người dùng để đảm bảo tính năng kinh tế, kỹ thuật yêu cầu Do vậy, việc nghiên cứu chế tạo các bộ phận chính của hệ thống cung cấp CNG, ví dụ bộ hoà trộn hay bộ điều khiển phun để đảm bảo cung cấp CNG phù hợp với động cơ chuyển đổi vẫn luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm

1.3.4.3 Nhận xét chung về sử dụng CNG cho ĐCĐT

Việc chuyển đổi động cơ xăng mà điển hình là động cơ xăng hình thành hỗn hợp bên ngoài như các động cơ dùng bộ chế hoà khí hoặc động cơ phun xăng trên đường nạp sang

sử dụng CNG theo phương pháp cấp CNG vào đường ống nạp của động cơ khá đơn giản,

rẻ tiền và rất được người sử dụng quan tâm Chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG cho động cơ, còn các hệ thống khác được giữ nguyên là động cơ có thể làm việc được với nhiên liệu CNG Các động cơ này có thể tháo bỏ hệ thống cung cấp xăng để sử dụng chỉ CNG hoặc để tồn tại song song cả hai hệ thống cung cấp xăng và CNG để có thể chuyển đổi sử dụng giữa hai nhiên liệu này theo tình hình nhiên liệu sẵn có và điều kiện làm việc của động cơ

Các kết quả nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ cho thấy phát thải CO và HC giảm đáng kể so với khi sử dụng xăng, giảm trung bình trên 50%, cá biệt giảm đến 80% Tuy nhiên, công suất động cơ CNG sử dụng phương pháp cấp CNG vào đường nạp (cả dùng bộ trộn và thiết bị phun) giảm nhiều, giảm 12% đến 20% so với động cơ nguyên thuỷ dùng xăng Động cơ sử dụng bộ hoà trộn có mức giảm nhiều hơn động cơ phun CNG vào cửa nạp Ngược lại, đối với động cơ phun trực tiếp CNG vào trong xi lanh thì công suất động cơ lại tăng so với động cơ nguyên thuỷ, tăng đến 10% Do đó, nguyên nhân giảm công suất của động cơ cấp CNG vào đường nạp được đánh giá là do sự giảm lưu lượng

không khí nạp vì ảnh hưởng chiếm chỗ của nhiên liệu khí, và đồng thời sự không tối ưu của kết cấu động cơ xăng với nhiên liệu CNG (ví dụ tỷ số nén và góc đánh lửa sớm) Chính

vì vậy, khi nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG cần nghiên cứu sâu các yếu tố ảnh hưởng đến sự suy giảm công suất để tìm biện pháp khắc phục hoặc khắc phục một phần sự suy giảm công suất này

1.3.5 Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ chuyển đổi

Như đã nói ở trên, nhược điểm chính của động cơ xăng chuyển đổi sang sử dụng CNG theo phương pháp cấp CNG vào đường nạp là công suất động cơ giảm do hệ số nạp khí giảm Do đó, cần áp dụng một số biện pháp để cải thiện tính năng công suất của động

cơ và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu Các biện pháp cơ bản có thể như sau:

1.3.5.1 Thay đổi kết cấu động cơ

Việc thay đổi kết cấu động cơ được thực hiện theo hướng có đặc điểm phù hợp với nhiên liệu mới CNG, nhằm đảm bảo động cơ làm việc tối ưu với nhiên liệu này Một số biện pháp thay đổi kết cấu có thể áp dụng để cải thiện tính năng công suất của động cơ chuyển đổi gồm tăng tỷ số nén động cơ [64], thiết kế đường ống nạp tạo xoáy để tăng tốc

độ cháy của động cơ [34], tăng góc đánh lửa sớm để khắc phục thời gian cháy trễ dài của nhiên liệu CNG [84] Theo Hosmath và cộng sự [64], do CNG có trị số octane cao hơn xăng nên có thể tăng tỷ số nén của động cơ chuyển đổi để cải thiện hiệu suất và công suất của động cơ Theo các tác giả, có thể tăng tỷ số nén thêm 2 đơn vị và cải thiện được công suất và hiệu suất đến 3%

Theo H.Reddy và J.Abraham [34], việc tăng tốc độ xoáy của hỗn hợp không khí – CNG trong xi lanh động cơ (có thể bằng cách tạo xoáy trong đường ống nạp) sẽ giúp rút ngắn thời gian cháy trễ và tăng tốc độ cháy của nhiên liệu

Theo nghiên cứu của S.Kaleemuddin và G.A.P Rao [81], khi chuyển động cơ xăng sang sử dụng CNG, góc đánh lửa sớm tối ưu có thể tăng từ 2 ÷ 5 độ

Một biện pháp thay đổi kết cấu giúp tăng công suất một cách hiệu quả của động cơ chuyển đổi là sử dụng hệ thống phun CNG trực tiếp vào trong xi lanh động cơ Kalam và cộng sự [53] đã chỉ ra rằng phun trực tiếp CNG giúp tăng công suất đến 10% so với động

cơ xăng nguyên thuỷ vì thực tế là trong trường hợp này lượng khí nạp không giảm trong khi năng lượng của nhiên liệu cấp vào tăng do nhiệt trị khối lượng của CNG lớn hơn nhiệt trị của xăng khoảng 11%

Trong các biện pháp trên, việc tăng tỷ số nén, thay đổi kết cấu đường ống nạp để tăng chuyển động rối của hỗn hợp hay phun trực tiếp CNG là các thay đổi lớn đòi hỏi chi phí cao nên khó áp dụng được trong chuyển đổi động cơ mà thường được áp dụng cho công nghệ chế tạo động cơ CNG mới; còn việc điều chỉnh thay đổi góc đánh lửa sớm khi

sử dụng CNG so với động cơ xăng nguyên thuỷ thì mức độ phức tạp tuỳ thuộc loại động

cơ nhưng nói chung có thể thực hiện được

1.3.5.2 Bổ sung hydro

Việc bổ sung hydro vào khí nạp trên ĐCĐT nói chung và động cơ CNG nói riêng được biết là một phương pháp hữu hiệu để cải thiện quá trình cháy, từ đó nâng cao công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ nên được các nhà nghiên cứu rất quan tâm [13, 15, 17, 25, 43, 71, 89, 90]

Các kết quả nghiên cứu cho thấy lợi ích rõ rệt của việc bổ sung hydro vào CNG là làm giảm đáng kể phát thải và tăng hiệu suất nhiệt của động cơ; ví dụ, khi bổ sung hydro đến 20% thể tích nhiên liệu giúp giảm đến 70% CO và HC, tăng hiệu suất 2% ÷ 3% trong khi không làm giảm nhiều công suất động cơ, còn NOx thì tăng nhẹ khi  = 0,95 ÷ 1,05 Còn đối với hỗn hợp nhạt hơn thì NOx không tăng khi bổ sung hydro[71, 89] Tuy nhiên, hydro là một khí nhẹ, nhẹ hơn 8 lần so với khí thiên nhiên nên nếu bổ sung hydro với tỷ lệ cao thì sẽ làm công suất động cơ giảm Mặt khác, vì rất khó hoà trộn và tích trữ hydro trong cùng một bình chứa khí áp cao với CNG nên phải có hệ thống cung cấp hydro riêng, làm phức tạp cho việc ứng dụng

1.3.5.3 Sử dụng phụ gia nhiên liệu

Việc sử dụng phụ gia đối với nhiên liệu lỏng để cải thiện tính năng của nhiên liệu giúp nhiên liệu cháy nhanh, cháy kiệt để nâng cao hiệu quả quá trình cháy nhằm tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải đã được quan tâm từ lâu trong chế biến nhiên liệu cũng như khai thác sử dụng động cơ Các loại phụ gia điển hình cải thiện đặc tính cháy đã được sử dụng nhiều phải kể đến có thể gồm:

- Ether và các loại hydrocarbon dễ cháy, được sử dụng như là một phụ gia khởi động cho các động cơ khó khởi động như động cơ diesel

- Nitromethane, được sử dụng như một nhiên liệu xe đua có tính năng cao

- Acetone, là một phụ gia hỗ trợ bay hơi được sử dụng để cải thiện tính bay hơi của nhiên liệu khi khởi động, đặc biệt sử dụng với nhiên liệu cồn cho xe đua khi khởi động

- Butyl rubber, là chất làm sạch để tránh cáu cặn ở vòi phun động cơ diesel

- Phụ gia nano-CeO2, là phụ gia gốc kim loại có tác dụng giữ nhiệt hỗ trợ sự tự cháy của nhiên liệu diesel Loại này chỉ dùng được với nhiên liệu lỏng như diesel

- Phụ gia Maz-nitro, là phụ gia cải thiện tính năng nhiên liệu có hiệu quả rất cao [14,

30] và đã được sử dụng phổ biến để cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu lỏng trên ĐCĐT [6, 38, 39, 68] và nhiên liệu khí đốt (CNG) sử dụng cho lò hơi [28] Phụ gia có tác dụng cải thiện quá trình cháy của nhiên liệu để tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ

Các phụ gia nói trên đều tồn tại ở dạng lỏng và có thể sử dụng dễ dàng với nhiên liệu lỏng như xăng và dầu diesel trên động cơ bằng cách pha trộn trực tiếp vào nhiên liệu theo một tỷ lệ nhất định trước khi sử dụng Trong các loại phụ gia này, phụ gia Maz-nitro là một loại phụ gia nhiên liệu công nghệ cao đã được chứng minh có hiệu quả tốt nhất về cả tăng

công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và cả giảm phát thải của động cơ qua nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm cũng như ở ngoài hiện trường Phụ gia cũng đã được sử dụng với nhiên liệu khí thiên nhiên đốt lò hơi và thể hiện sự tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải tốt Tuy nhiên, đây là một phụ gia khá mới nên chưa được nghiên cứu sử dụng với nhiên liệu khí trên ĐCĐT

Đề tài này sẽ nghiên cứu sử dụng phụ gia Maz-nitro cho động cơ CNG để nâng cao chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ và khắc phục một phần nhược điểm giảm công suất khi chuyển động cơ xăng sang sử dụng CNG

1.3.5.4 Phụ gia Maz-nitro

a) Công thức phụ gia Maz-nitro

Phụ gia Maz-nitro là phụ gia nhiên liệu tồn tại ở dạng lỏng có tỷ trọng khoảng 1÷1,03kg/lít, có gốc nitroparafin và một số chất khác gồm dầu ete và/hoặc hydrocacbon thơm Phụ gia Maz-nitro có nhiều loại khác nhau được sử dụng với các loại nhiên liệu khác nhau Ví dụ, Maz-nitro dùng với nhiên liệu xăng, Maz-nitro 200 dùng với diesel, Maz-nitro

300 dùng với xăng ethanol, Maz-nitro 400 dùng với nhiên liệu biodiesel

Công thức phụ gia Maz-nitro sử dụng cho động cơ dùng nhiên liệu xăng, bao gồm thành phần chính Maz-nitro gốc và thêm một phần OGA-72012 (hỗn hợp một số hydrocacbon thơm và vi chất do Công ty Chevron-Oronite cung cấp) [14, 68] Quy trình sản xuất (phụ lục 1.1) và thành phần trong các phát minh hiện có của phụ gia Maz-nitro được chỉ ra trong bảng 1.5 [68]

Bảng 1.5 Công thức chất phụ gia Maz-nitro [ 68 ]

Công thức “MAZ-NITRO”

1-nitropropane Nitroethane Nitromethane Toluen Chất bôi trơn dầu ete cải tiến

29/55 10/55 10/55 5/55 1/55

Tỷ lệ pha phụ gia trong nhiên liệu được lựa chọn theo gợi ý của nhà sản xuất phụ gia Maz-nitro và các báo cáo kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cũng như thử nghiệm ngoài hiện trường ở một số nước, hàm lượng phụ gia Maz-nitro thích hợp trong nhiên liệu xăng thay đổi trong khoảng 500 ppm đến 1000 ppm [30, 68]