Nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG) làm nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng

Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu động cơ đang muốn tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế và phương pháp sử dụng hiệu quả nhất nhằm khắc phục nguy cơ thiếu nhiên liệu và cắt giảm thành p

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

LỜI CAM ĐOAN

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

Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong các công trình nào khác

Hà Nội, tháng 9 năm 2013

Tác giả

Vũ Ngọc Hải

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

LỜI NÓI ĐẦU 8

ĐẶT VẤN ĐỀ 9

1 Lý do nghiên cứu đề tài 9

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 10

4 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 10

5 Các nội dung chính trong luận văn 11

Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined. 1.1 Sự cần thiết sử dụng nhiên liệu thay thế 12

1.2 Các loại nhiên liệu thay thế 16

1.3 Tình hình sản xuất và sử dụng CNG cho động cơ trên thế giới và Việt Nam 17

1.3.1 Đặc điểm của CNG 17

1.3.1.1 Thành phần hóa học 17

1.3.1.2 Công nghệ tích trữ bảo quản CNG 19

1.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng CNG cho động cơ 21

1.3.2.1 Trên thế giới 21

1.3.2.2 Tại Việt Nam 23

1.3.3 Khả năng ứng dụng khí CNG cho động cơ 26

1.3.4 Sự ô nhiễm môi trường của động cơ CNG 27

Chương 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN HÀNH SANG CHẠY CNG 30

2.1 Động cơ chuyển đổi 30

2.1.1 Đặc điểm động cơ 30

2.1.2 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu nguyên thủy 30

2.1.3 Mô tả hệ thống cung cấp nhiên liệu nguyên thủy 31

2.2 Nghiên cứu phương pháp cung cấp CNG cho động cơ 33

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

2.2.1 Các phương pháp cung cấp CNG 33

2.2.1.1 Cung cấp CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn 33

2.2.1.2 Phương pháp phun CNG vào đường ống nạp 36

2.2.1.3 Phương pháp phun CNG trực tiếp vào xi lanh 38

2.2.2 Chọn phương pháp cung cấp CNG 39

2.3 Thiết kế bố trí chung hệ thống cung cấp CNG trên động cơ 39

2.3.1 Sơ đồ bố trí chung hệ thốngcung cấp CNG 39

2.3.2 Các bộ phận chính của hệ thống 40

2.3.2.1 Bình chứa CNG 40

2.3.2.2 Van đầu bình (van cơ khí, van điện từ) 44

2.3.2.3 Bộ giảm áp 45

2.3.2.4 Bộ hòa trộn 48

2.3.2.5 Van công suất 49

2.4 Tính toán thiết kế chế tạo bộ hoà trộn 49

2.4.1 Tính toán các thông số hình học của bộ hòa trộn 49

2.4.2 Xây dựng bản vẽ thiết kế và chế tạo 52

Chương 3: THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ 54

3.1 Mục đích thử nghiệm 54

3.2 Trang thiết bị thí nghiệm 54

3.2.1 Băng thử động cơ và trang bị đi kèm 54

3.2.1.1 Cụm phanh APA 100 55

3.2.1.2 Cụm làm mát dầu bôi trơn AVL 554 56

3.2.1.3 Cụm điều chỉnh nhiệt độ nước AVL 553 57

3.2.2 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 58

3.2.3 Thiết bị đo tiêu hao không khí 59

3.2.4 Thiết bị phân tích khí thải 60

3.2.4.1 Thiết bị đo CO 60

3.2.4.2 Thiết bị đo HC 61

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

3.2.4.3 Thiết bị đo NOx và NO 63

3.2.4.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống đo O2 64

3.3 Nội dung thử nghiệm 66

3.4 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 66

3.4.1 Đánh giá công suất động cơ chạy CNG so với chạy xăng 66

3.4.2 Đánh giá tính kinh tế của động cơ so với chạy xăng 67

3.4.3 Đánh giá sự giảm phát thải của động cơ khi chạy CNG so với khi chạy xăng 68

3.4.3.1 Phát thải CO 68

3.4.3.2 Phát thải HC 69

3.4.3.3 Phát thải NOx 70

3.4.3.4 Phát thải CO2 71

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP CỦA ĐỀ TÀI 73

4.1 Kết luận 73

4.2 Hướng phát triển của đề tài 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần CNG 17

Bảng 1.2 Thành phần của khí CNG tại các vùng khai thác khác nhau 18

Bảng 1.3 Top mười quốc gia với hầu hết các xe CNG -2011 (triệu) 21

Bảng 1.4 So sánh đặc tính của CNG với xăng 26

Bảng 1.5 Mức độ ô nhiễm của động cơ CNG 28

Bảng 1.6 So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ dùng xăng, diesel, và CNG (gCO2/Km), theo chu trình ECE 28

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của bình chứa CNG 41

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của van bình chứa 42

Bảng 2.3 Thông số của van nạp 44

Bảng 2.4 Thông số kĩ thuật của van điện từ 45

Bảng 2.5 Thông số kĩ thuật bộ giảm áp 48

Bảng 2.6 Bảng giá trị an 50

Bảng 3.1 Thông số làm việc cơ bản của băng thử 55

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 Trạm dịch vụ công cộng cung cấp CNG cho động cơ 26

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống xăng động cơ 1NZ-FE 30

Hình 2.2 Cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn 33

Hình 2.3 Cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn điều khiển điện tử 35

Hình 2.4 Cung cấp CNG bằng phương pháp phun trên đường ống nạp 36

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu trên động cơ phun gián tiếp 37

Hình 2.6 Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp 38

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG lắp trên động cơ 1NZ-FE 39

Hình 2.8 Bình chứa CNG 41

Hình 2.9 Van bình chứa 42

Hình 2.10 Van nạp 43

Hình 2.11 Kết cấu van nạp 43

Hình 2.12 Kết cấu van điện từ 44

Hình 2.13 Bộ giảm áp 45

Hình 2.14 Kết cấu bộ giảm áp 46

Hình 2.15 Sơ đồ bộ hòa trộn 48

Hình 2.16 Van công suất 49

Hình 2.17 Sơ đồ tính toán đường kính lỗ phun .51

Hình 2.18 Bản vẽ thiết kế bộ hoà trộn 52

Hình 2.19 Bộ hoà trộn sau khi chế tạo và lắp lên đường nạp của động cơ 53

Hình 2.20 Động cơ thí nghiệm lắp trên băng thử 53

Hình 3.1 Băng thử tính năng động lực học cao 54

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Hình 3.2 Mặt cắt ngang của phanh 56

Hình 3.3 Bộ điều chỉnh nhiệt độ dầu bôi trơn 56

Hình 3.4 Cụm điều chỉnh nhiệt độ nước 57

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 733S 58

Hình 3.6 Sơ đồ bộ phân tích khí CO 60

Hình 3.7 Sơ đồ bộ phân tích HC 62

Hình 3.8 Sơ đồ bộ phân tích khí NOx 63

Hình 3.9 Sơ đồ bộ phân tích O2 64

Hình 3.10 So sánh công suất động cơ khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 66

Hình 3.11 So sánh tiêu hao nhiên liệu khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 68

Hình 3.12 So sánh tiêu hao nhiên liệu khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 68

Hình 3.13 So sánh phát thải CO khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 69

Hình 3.14 So sánh phát thải CO khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 69

Hình 3.15 So sánh phát thải HC khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 69

Hình 3.16 So sánh phát thải HC khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 70

Hình 3.17 So sánh phát thải NOx khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 70

Hình 3.18 So sánh phát thải NOx khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 71

Hình 3.19 So sánh phát thải CO2 khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 72

Hình 3.20 So sánh phát thải CO2 khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 72

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân vì nó là nguồn động lực cho hầu hết các phương tiện giao thông vận tải, hay các máy công tác khác như máy phát điện, máy xây dựng, máy móc phục vụ trong nông nghiệp…Năng lượng do động cơ đốt trong phát ra chiếm khoảng 80% tổng số năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới

Tuy nhiên, vấn đề luôn song song với sự phát triển đó là nguồn nhiên liệu truyền thống đang cạn dần và khí thải động cơ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu động cơ đang muốn tìm kiếm các nguồn nhiên liệu thay thế và phương pháp sử dụng hiệu quả nhất nhằm khắc phục nguy cơ thiếu nhiên liệu và cắt giảm thành phần khí thải độc hại của động cơ

Nhìn chung các biện pháp kiểm soát lượng khí thải độc hại có thể chia thành ba nhóm chính:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng cách tối ưu hoá chất lượng đốt cháy thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động cơ

- Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý xúc tác

- Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên

liệu truyền thống và sử dụng nhiên liệu thay thế

Trong nhóm thứ ba, việc sử dụng nhiên liệu thay thế đang được quan tâm nghiên cứu nhiều, đặc biệt là sử dụng nhiên liệu thay thế có nồng độ phát thải độc hại thấp như khí thiên nhiên nén CNG

Vì vậy việc chọn đề tài “Nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG) làm

nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng” là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao

E xin chân thành cảm ơn thày hướng dẫn PGS.TS Hoàng Đình Long đã tận tình

giúp đỡ cùng với sự giúp đỡ của các thày cô trong bộ môn “Động cơ đốt trong” và

“Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong” đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Hà nội, ngày 24 tháng 9 năm 2013 Học viên thực hiện

Vũ Ngọc Hải

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Lý do nghiên cứu đề tài

Động cơ đốt trong sử dụng các loại nhiên liệu truyền thống cùng với các phương tiện giao thông vận tải là nguồn gây ô nhiễm chủ yếu và nghiêm trọng cho môi trường không khí Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật các quá trình làm việc của động cơ đốt trong đã được điện tử hoá, tin học hoá tạo ra những thành công đáng kể về cải thiện công suất động cơ, nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường Nhưng với sự khắt khe của các tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường của khí thải của một số nước thì các giải pháp trên cũng không đáp ứng được các tiêu chuẩn khắt khe đó Mặt khác, nguồn nhiên liệu truyền thống (xăng và diesel) đang ngày càng cạn kiệt Dự báo không lâu nữa nguồn nhiên liệu cho động cơ sẽ bị thiếu trầm trọng

Vì vậy chúng ta cần có các giải pháp hữu hiệu hơn để khắc phục hiện tượng trên Một trong những giải pháp đó là sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch ít gây ô nhiễm để thay thế và bình đẳng sự thiếu hụt các loại nhiên liệu truyền thống

Với tình hình khan hiếm nhiên liệu và mức độ ô nhiểm bầu khí quyển như hiện nay thì việc ứng dụng nhiên liệu khí CNG vào các phương tiện vận tải là một thiết yếu để đa dạng hóa nguồn nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiểm môi trường Chính vì lí

do đó việc chọn đề tài “Nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG) làm

nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng” là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục đích của đề tài

Nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong của Việt nam và các nước trên thế giới ngày càng gia tăng, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt Vậy mục đích là con người cần tìm ra nguồn năng lượng thay thế nhiên liệu hóa thạch

Xuất phát từ các nhu cầu thực tiễn và cấp bách đó, các nhà khoa học, các công

ty, tập đoàn, chính phủ các nước đẩy mạnh nghiên cứu và đưa vào sử dụng các loại

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm sự ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc giữa các nước với nhau trong việc cung cấp nhiên liệu hóa thạch phục vụ sinh hoạt và sản xuất Tuy nhiên nhiên liệu sinh học có thể làm ảnh hưởng tới tính năng làm việc và đặc tính phát thải của động cơ Chính vì vậy mà mục đích của đề tài nghiên cứu là “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ chạy xăng sang chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG)” với các mục đích cụ thể như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về tiềm năng sử dụng CNG cho động cơ đốt trong

- Nghiên cứu toàn bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ xăng hiện hành

để chuyển sang sử dụng CNG

- Đánh giá đặc tính kinh tế kỹ thuật của động cơ CNG chuyển đổi

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Sự gia tăng mạnh về số lượng các phương tiện vận tải và các thiết bị động lực trang bị động cơ xăng đang gây ô nhiễm môi trường trầm trọng và đồng thời làm cho nguồn cung nhiên liệu này ngày càng cạn kiệt và trở lên đắt đỏ Do đó, việc nghiên cứu sử dụng một nhiên liệu thay thế trên động cơ là rất cần thiết Khí thiên nhiên là một khí nhẹ (thành phần chính là mê tan) có đặc điểm cháy tương tự xăng (đốt cháy bằng tia lửa điện) Mặt khác, do tồn tại ở dạng khí và tỷ lệ H/C lớn hơn xăng nên sản phẩm cháy sạch, ít gây ô nhiễm môi trường, đồng thời khí thiên nhiên ở Việt Nam có trữ lượng khá lớn Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

4 Phạm vi và đối tƣợng nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm ĐCĐT - Viện Cơ

khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là động cơ ô tô du lịch loại đang

chạy xăng và thực nghiệm động cơ 1NZ-FE của xe Toyota Vios

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

5 Các nội dung chính trong luận văn

Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần:

- Chương 1 Nghiên cứu tổng quan

- Chương 2 Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang chạy CNG

- Chương 3 Thử nghiệm đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chuyển đổi

- Chương 4 Kết luận và hướng phát triển của đề tài

cơ nhỏ gọn hơn nhưng có hiệu quả cao hơn hẳn

Cùng với những khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diezel đã thúc đẩy xã hội loài người đạt những bước phát triển vượt bậc, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng tỷ người trên thế giới

Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự không ai có thể phủ nhận Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu thế hoàn toàn Do vậy mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế

và chủ động về nguồn dầu mỏ

Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và cho toàn thế giới Nhưng theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của Trái Đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong vòng không quá 40 năm nữa

Bên cạnh đó những hậu quả mà khi chúng ta sử dụng dầu mỏ và động cơ đốt trong gây ra từ các chất thải khí làm ô nhiễm không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính.Trong các chất độc hại thì CO, NOx, HC do các loại động cơ thải

ra là nguyên nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người Do đó, con người đang đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Các khí thải động cơ đốt trong được thải ra ngoài theo các con đường sau đây:

- Theo đường ống xả: Đây là con đường chiếm tỷ lệ khí thải chủ yếu gây ra ô nhiễm môi trường, phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu và thải ra ngoài thông qua đường ống xả Khí thải bao gồm các thành phần chính là N2, và hơi nước chiếm khoảng 83%, còn lại là CO, CO2, HC, và các loại ôxít Nitơ (NOx ) và chì (đối với xăng pha chì)

- Các khí rò lọt: bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa piston và xilanh, chủ yếu là Nitơ và ôxi chiếm tỷ lệ lớn trên 90%, phần còn lại là CO2 và HC hơi nước, và một lượng nhỏ CO, NOx

- Hơi xăng bay hơi từ thùng nhiên liệu và bộ chế hoà khí, các vị trí không kín khít của đường ống nên chủ yếu là HC (thành phần chính của nhiên liệu xăng) Trên bảng 2.1 trình bày tỷ lệ trung bình tính theo khối lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng theo chương trình thử đặc trưng của châu Âu

Trong số này chỉ có một số thành phần có tính độc hại đối với môi trường và sức khoẻ của con người nên được gọi là thành phần độc hại Cụ thể như sau:

+ CO: ô-xýt-các-bon hay còn gọi là mô-nô-xít-các-bon là sản phẩm cháy của C

trong nhiên liệu trong điều

kiện thiếu ôxy Hàm lượng

CO tăng nhanh khi hệ số dư

lượng không khí  < 1 Một

nguyên nhân nữa là sự hoà

trộn không đều giữa nhiên

liệu và không khí hoặc

nhiên liệu không hoàn toàn

ở trạng thái hơi Do vậy, mặc

dù  chung có thể >1 nhưng

vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Mô-nô-xít-các-bon ở dạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ ô xy của hê-mô-glô-bin trong máu, làm giảm khả năng cung cấp ôxy cho các tế bào trong cơ thể Mô-nô-xít-các-bon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây cho con người tử vong Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3

+ HC: Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC là do sự cháy không hoàn toàn

của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra Nguồn chính của khí thải HC là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở khi áp suất giảm Màng dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn nở Một phần Hydrocacbon này được ôxyhoá khi được trộn với khí đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC Mức độ ôxyhóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh lửa Nguồn phát sinh khác của HC là sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy kém Hàm lượng HC chưa cháy trong khí thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệu Các-bua-hy-đrô có rất nhiều loại Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên không thể đánh giá chung một cách trực tiếp Ví dụ, pa-ra-phin và náph-ta-nin có thể coi là vô hại Trái lại, các loại các-bua-hy-đrô thơm thường rất độc, ví dụ như các-bua-hy-đrô có nhân ben-zen

có thể gây ung thư Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn về môi trường, người ta chỉ đưa ra thành phần các-bua-hy-đrô tổng cộng trong khí thải (Total Hydrocarbon viết tắt là TH) Các-bua-hy-đrô tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho mắt và niêm mặc đường hô hấp

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

+ NOx : ô-xýt-ni-tơ là sản phẩm ô xy hoá ni-tơ có trong không khí (một thành

phần của khí nạp mới) trong điều kiện nhiệt độ cao Do ni-tơ có nhiều hoá trị nên xýt-ni-tơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx Trong khí thải của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO, NO chiếm đa phần, có thể tới 90-98% Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt độ, ôxy và thời gian Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx sẽ cao, tức là khi động cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp

ô-và =1,05-1,1 thì NOx lớn cụ thể như sau:

* NO2: pe-ô-xýt-ni-tơ là một khí có mùi gắt và mầu nâu đỏ Với một hàm lượng nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng với hơi nước

sẽ tạo thành a-xit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật [NO2] = 9mg/m3

*NO: Mô-nô-xýt ni-tơ NO là thành phần chủ yếu của NOx trong khí thải NO

là một khí không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm mạc Trong khí quyển, NO không ổn định nên bị ô-xy hoá tiếp thành NO2 và kết hợp với hơi nước tạo thành a-xit ni-tơ-ríc HNO3 [NO] = 9 mg/m3

Tóm lại, trong các thành phần khí thải ôtô thì CO, HC, NOx là những chất rất nguy hại Sự hình thành các chất độc hại này liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng

Với mục đích giảm ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ đốt trong gây ra Cho đến nay đã có rất nhiều biện pháp cụ thể được sử dụng trong thực tế, và trong tương lai sẽ còn có các biện pháp khác được nghiên cứu nhằm giải quyết triệt để hơn vấn đề quan trọng này

Nhìn chung các biện pháp kiểm soát lượng khí thải độc hại có thể chia thành

ba nhóm chính:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng cách tối ưu hoá chất lượng đốt cháy thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động cơ

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

- Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý xúc tác

- Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên liệu truyền thống và sử dụng nhiên liệu thay thế

Nhóm thứ nhất và nhóm thứ hai đã được sử dụng rộng rãi với công nghệ kỹ thuật tiên tiến và đã đạt đỉnh cao của khoa học công nghệ Tuy nhiên do yêu cầu khắt khe về tiêu chuẩn khí thải và cần tiết kiệm nhiên liệu nên nhóm thứ ba ngày nay được quan tâm nghiên cứu nhiều, đặc biệt là sử dụng nhiên liệu thay thế có

Trong các loại nhiên liệu trên, khí thiên nhiên là nguồn năng lượng sơ cấp rất

có tiềm năng Trong những năm gần đây, sản lượng khí thiên nhiên hàng năm trên thế giới đạt xấp xỉ 2 tỉ Tép (1000m3 = 0,85 Tep), tương đương khoảng 60% sản lượng dầu thô Người ta ước tính đến năm 2020, sản lượng khí thiên nhiên trên thế giới sẽ là 2,6 tỉ Tép/năm so với sản lượng dầu thô là 3,5 tỉ Tép

Trữ lượng khí thiên nhiên hiện nay khoảng 150 tỉ Tép, xấp xỉ với trữ lượng dầu thô Mặt khác, khí thiên nhiên có ưu điểm là phân bố hầu như trên khắp địa cầu nên đảm bảo được sự cung cấp an toàn và thuận tiện hơn dầu thô

CNG còn có thêm một vài ưu điểm khác như giá thành rẻ hơn so với giá của các loại nhiên liệu khác từ 10% ÷ 30% Nếu so với dầu FO, DO, LPG thì dùng CNG trong sản xuất giá rẻ hơn 10% ÷ 15%, dùng trong vận tải giá rẻ hơn 30÷40%,

vì thế dùng nhiên liệu này có thể giảm tối đa chi phí nhiên liệu Theo tính toán của một số nhà khoa học, giá 1 tấn khí CNG khoảng 318 USD, chỉ bằng 53,3% giá

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

xăng, 42% giá dầu, vì thế mỗi xe buýt sử dụng CNG hoạt động 1 năm tiêt kiệm 8.308 USD nhiên liệu so với dầu diesel

Từ những năm 1990, việc nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu

đã được thực hiện ở nhiều khu vực trên thế giới Khí thiên nhiên được xem là nhiên liệu sạch vì vậy việc sử dụng nó để chạy động cơ ngoài mục đích đa dạng hóa nguồn nhiên liệu còn góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường một cách đáng kể

1.3 Tình hình sản xuất và sử dụng CNG cho động cơ trên thế giới và Việt Nam

1.3.1 Đặc điểm của CNG

1.3.1.1 Thành phần hóa học

Khí nén CNG (Compressed Natural Gas) là khí thiên nhiên được nén dưới áp suất nhất định (205 ÷ 275 bar) Khí thiên nhiên là hỗn hợp chất khí cháy được bao gồm phần lớn là các hydrocacbon (hợp chất hoá học chứa cacbon và hyđrô) Cùng với than đá và dầu mỏ, khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch Khí thiên nhiên có thành phần thay đổi theo từng nơi khai thác Tuy nhiên thành phần của nó có thể chứa đến 85% - 95% mêtan (CH4) và khoảng 10% êtan (C2H6), và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), và các alkan khác Khí thiên nhiên, thường được tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung năng thế giới Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất, bao gồm điôxít cacbon (CO2), hyđrô sulfít (HS), và nitơ (N2) Do các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị

và đặc tính của khí thiên nhiên, chúng thường được tách khỏi khí thiên nhiên trong quá trình tinh lọc khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ

Bảng 1.2 Thành phần của khí CNG tại một số vùng khai thác khác nhau

Cấu trúc phân tử của thành phần trong khí CNG:

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

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

1.3.1.2 Công nghệ tích trữ bảo quản CNG

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 trên đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm tích Trải qua hàng triệu năm, áp suất và nhiệt do các lớp trầm tích chồng lên nhau tạo nên trên xác các loại sinh vật này đã chuyển hoá hoá học các chất hữu cơ này thành khí thiên nhiên Do dầu

mỏ và khí thiên nhiên thường được tạo ra bằng các quá trình tự nhiên tương tự nhau, hai loại hydrocacbon này thường được tìm thấy cùng nhau trong các bể chứa ngầm tự nhiên Sau khi dần được tạo nên trong lòng vỏ Trái Đất, dầu mỏ và khí thiên nhiên đã dần chui vào các lỗ nhỏ của các tầng đá xốp xung quanh, những tầng đá xốp này có vai trò như các

bể chứa tự nhiên Do các lớp đá xốp này thường có nước chui vào, khí thiên nhiên vốn nhẹ hơn nước và kém dày đặc các tầng đá xung quanh nên chúng chuyển lên trên qua lớp vỏ, đôi khi cách xa nơi chúng tạo ra

Cuối cùng, một số hydrocacbon này bị bẫy lại bởi các lớp đá không thấm (đá không xốp), các lớp đá này được gọi là đá “mũ chụp”

Khí thiên nhiên nhẹ hơn dầu mỏ, do đó nó tạo ra một lớp nằm trên dầu mỏ Lớp khí này được gọi là “mũ chụp khí” Các lớp than đá có chứa lượng mêtan đáng kể, mêtan là thành phần chính của khí thiên nhiên Trong các trữ lượng than đá, mêtan thường bị phân tán vào các lỗ các vết nứt của tầng than Khí thiên nhiên này thường được gọi là khí mêtan trong tầng than đá

Để định vị được các mỏ khí, các nhà địa chất học thăm dò những khu vực có chứa những thành phần cần thiết cho việc tạo ra khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu cơ, các điều kiện chôn vùi đủ cao để tạo ra khí tự nhiên từ các chất hữu cơ, các kiến tạo đá có thể "bẫy" các hydrocacbon

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Khi các kiến tạo địa chất có thể chứa khí tự nhiên được xác định, thông thường chứ không phải luôn ở bể trầm tích, người ta tiến hành khoan các giếng các kiến tạo đá Nếu giếng khoan đi vào lớp đá xốp có chứa trữ lượng đáng kể khí thiên nhiên, áp lực bên trong lớp đá xốp có thể ép khí thiên nhiên lên bề mặt Nhìn chung, áp lực khí thường giảm sút dần sau một thời gian khai thác và người ta phải dùng bơm hút khí lên bề mặt Khi khí thiên nhiên được khai thác khỏi mặt đất, nó được vận chuyển bằng đường ống dẫn khí đến một nhà máy tinh lọc và xử lý, nơi nó được chế biến

Khí thiên nhiên được chế biến bằng các thiết bị tách lọc khí để loại bỏ các hợp chất không phải là hyđrôcacbon, đặc biệt là hyđrô sulfit và điôxit cacbon Hai quá

trình sử dụng cho mục đích này là hấp thụ và hút bám (absorption and adsorption)

Quá trình hấp thụ sử dụng một chất lỏng hấp thụ khí tự nhiên và các tạp chất và phân tán chúng trong chất lỏng này Trong một quá trình được gọi là hấp thụ hóa học, các tạp chất phản ứng với chất lỏng hấp thụ Khí thiên nhiên sau đó thoát ra khỏi chất hấp thụ còn chất hấp thụ còn tạp chất ở lại trong chất lỏng Các chất lỏng

hấp thụ thường được sử dụng là nước, các dung dịch amin nước (aqueous amine) và

cacbonat natri

Quá trình hút bám là một quá trình cô đặc khí tự nhiên trên bề mặt một chất rắn hoặc một chất lỏng để loại bỏ tạp chất Một chất thường được sử dụng cho mục đích này là cacbon (than), là chất có diện tích bề mặt trên đơn vị trọng lượng rộng Ví dụ, các hợp chất lưu huỳnh trong phí tự nhiên được bề mặt hấp thụ của cacbon giữ lấy Các hợp chất lưu huỳnh được kết hợp với hyđrô và oxy để tạo thành axít sulphuric

 Tại khu vực Nam Mỹ:

Xe CNG được sử dụng phổ biến ở khu vực Nam Mỹ ,chủ yếu là những chiếc xe Taxi tại các thành phố chính của Argentina và Braxin Đây là hai nước có đội xe CNG lớn nhất, với tổng cộng hơn 3,4 triệu xe vào năm 2009 Tính đến năm 2009 Argentina có 1.807.186 CNG và 1.851 trạm tiếp nhiên liệu trên toàn quốc và Braxin

có 1.632.101 xe và 1.704 trạm 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

Tại Trung Quốc, trong năm 2010 hơn 60 nhà sản xuất xe khí đốt tự nhiên, và khoảng 20 nhà sản xuất động cơ có khả năng sản xuất1 triệu động cơ khí đốt hằng 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 trên toàn 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 các quy định phát thải chặt chẽ cung cấp các loại xe sạch Theo kế hoạch, sẽ

có 1,5 triệu xe vào năm 2015 và năm 2020 có 3 triệu xe

 Trung Đông và Châu Phi

Iran có số xe sử dụng CNG rất lớn khoảng 2,6 triệu và có mạng lưới phân 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 với 128.754

xe sử dụng CNG và 124 trạm tiếp nhiên liệu

 Châu Âu

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

Ở Ý có hơn 800 trạm tiếp nhiên liệu CNG Tại Đức xe CNG dự kiến sẽ tăng 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 có khoảng 800 trạm tiếp nhiên liệu CNG ở Đức

Tại Bulgaria có 96 trạm tiếp nhiên liệu đến tháng 7/2011 được phân bố ở hầu hết các thành phố lớn

Mỹ Trong năm 2008, Canada xuất khẩu trị giá hơn 33 tỷ đô la khí đốt tự nhiên Canada là nhà cung cấp khí đốt tự nhiên hàng đầu của Hoa Kỳ

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

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

1.3.2.2 Tại Việt Nam

Việt Nam tự hào có 2000 tỷ m3 trữ lượng khí đốt tự 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 nhất cung cấp CNG cho thị trường trong nước, chiếm 100% thị trường CNG toàn quốc Đối với CNG ứng dụng trong giao thông vận tải thì CNG được vận chuyển 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 công nghiệp, giao thông vận tải Công ty cổ phần CNG Việt Nam (CNG VN) đã đi vào hoạt động năm 2008 có công suất giai đoạn I là 30 triệu m3khí/1 năm chu yếu phục vụ công nghiệp Trong giai đoạn II CNGVN sẽ tăng lên công suất 250 triệu m3 khí/năm CNGVN đã làm việc với PV

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Trans-CGT trong việc cung cấp CNG để CGT phục vụ trong giao thông vận tải Ngoài ra công ty Cổ Phần Khí hóa lỏng miền Nam (PV GAS South) đang đầu tư nhà máy nén khí CNG tại KCN Mỹ Xuân A, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu với công suất ban đầu là 10 triệu m3/năm

Ngày 24/12/2006 UBND TP.HCM và Tập đoàn Dầu Khí Việt Nam đã kí thỏa 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 và bảo vệ môi trường Trên tinh thần

đó, Sở giao thông vận tải TP.HCM và công ty Cổ Phần Khí hóa lỏng miền Nam đã triển khai kế hoạch nghiên cứu ứng dụng khí nén CNG cho xe buyt ở TP.HCM Chương trình này còn có sự phối hợp Tập Đoàn Sunjin (Hàn Quốc), một trong những doanh nghiệp lớn vận chuyển hành khách bằng xe buýt công cộng với 90%

số lượng xe buýt sử dụng CNG

Theo sở GTVT TP.HCM, việc chuyển đổi các xe buýt chạy xăng sang chạy CNG sẽ được thực hiện bằng 3 phương pháp đó là: Lắp thêm bộ chuyển đổi, thay thế động cơ CNG, đầu tư mua xe buýt mới sử dụng CNG

Quá trình được thực hiện trước mắt bằng cách chuyển đổi dần dần xe buýt loại lớn (B80) và loại trung (B50) sang sử dụng CNG Hiện tại 2 chiếc xe buýt sử dụng CNG đã được nhập khẩu về từ Hàn Quốc và giao cho công ty xe khách Sài Gòn và Liên Hiệp HTX vận tải TP quản lý Ông Dương Hồng Thanh-Phó Giám Đốc Sở Giao Thông vận tải cho biết: Qua tính toán các thông số kĩ thuật, kinh tế cho thấy

xe buýt sử dụng CNG tiết kiệm 50%-60% giá thành vận chuyển, chi phí nhiên liệu

và ô nhiễm môi trường Chính kết quả này Thường Trực UBND TPHCM vùa chấp thuận cho chạy thử xe buýt chạy bằng CNG thay cho Diesel Kết quả thực tế cũng

đã chứng minh: Việc sử dụng xe buýt CNG đã tiết kiệm được 30%-40% nhiên liệu

so với xe buýt sử dụng dầu diesel, và giảm 100% khói đen, không có mùi hôi Mức

độ ồn giảm được khoảng 3dB so với nhiên liệu lỏng Lượng phát thải khí CO2

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

giảm 20%, NOx giảm 57%,CO giảm 63%.Theo kế hoạch, trong giai đoạn

2009-2010, Sở GTVT sẽ tiến hành đưa vào hoạt động 38 chuyến xe buýt trên 2 tuyến số 30( Chợ Tân Hương-Suối Tiên) và số 91( Bến xe miền Tây-chợ nông sản Thủ Đức) Cũng trong năm 2009, Tập đoàn ô tô Thành Công đã tổ chức lễ kí kết và giao lô hàng 50 xe đầu tiên trong hợp đồng cung cấp 500 chiếc xe buýt hiệu Daewoo chạy bằng khí thiên nhiên cho công ty Sonadezi ở Đồng Nai Số xe buýt này sẽ được sử dụng trong việc đưa đón công nhân ở các khi công nghiệp cũng như vận chuyển hành khách công cộng tại các tính Đồng Nai Ở Hà Nội hãng taxi dầu khí cũng đã và đang sử dụng loại nhiên liệu này

Như vậy có thể thấy rằng tiềm năng của khí CNG trong giao thông vận tải cũng như công nghiệp tại Việt Nam là rất lớn Xu hướng sử dụng nhiên liệu tiết kiệm, thân thiện với môi trường tại Việt Nam sẽ tăng mạnh trong tương lai gần PV GAS đang chuẩn bị các kế hoạch đảm bảo nguồn cung CNG để kịp thời đáp ứng nhu cầu thị trường và xu hướng của thế giới Tuy nhiên giá xe buýt nhập khẩu về còn khá đắt (trên 2,4 tỷ đồng/ xe cao hơn khoảng từ 25-30% so với xe buýt chạy bằng dầu diesel) Chính vì vậy việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ sang sử dụng nhiên liệu khí CNG có ý nghĩa thực tế cao với các lí do:

- Chi phí chế tạo bộ chuyển đổi( hệ thống cung cấp CNG) thấp

- Tận dụng động cơ sẵn có

Cuối cùng như nhiên liệu khác việc sử dụng CNG đòi hỏi:

- Chính sách thuế khuyến khích người sử dụng

- Cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấp CNG cho động cơ

Bảng 1.4 So sánh đặc tính của CNG với xăng

0

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Năng lượng hỗn hợp của CNG cao hơn so với xăng, trong động cơ chuyên dụng, công suất, tính gia tốc và tốc độ tiết kiệm của ô tô CNG tốt hơn ô tô dùng động cơ xăng Do quá trình cháy của CNG có đặc điểm sạch hơn, nên ô tô sử dụng động cơ CNG hoạt động hiệu quả hơn so với ô tô xăng, làm tăng tuổi thọ cho ô tô Ở những ô

tô làm việc nặng thì động cơ sử dụng CNG sẽ ít ồn hơn so với động cơ diesel

Mặc dù CNG là khí đốt, nhưng phạm vi cháy hẹp, làm cho nó là nhiên liệu an toàn Mức độ an toàn của ô tô CNG ngang hàng với ô tô xăng Khi bị tràn ra ngoài

do tai nạn, thì CNG không gây hại cho đất và nước, nó không độc Khả năng phân tán của CNG nhanh, giảm tối thiểu sự nguy hiểm cháy nổ liên quan đến xăng

1.3.4 Sự ô nhiễm môi trường của động cơ CNG

Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động cơ dùng CNG liên quan đến thành phần hydrocarbure của nhiên liệu, ( thường nhiên liệu CNG chứa ít nhất 90% methane) Khác với động cơ xăng, trong khí xả động cơ CNG hầu như không có hydrocarbure nào có hơn 4 nguyên tử cacbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện của thành phần hydrocarbure thơm

Liên quan đến vấn đề tạo ozone ở hạ tầng khí quyển, khí thải động cơ CNG có hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến hai lần Tính chất này chủ yếu do nhiên liệu CNG chứa phần lớn methane, thành phần các chất hoạt tính (butenes, buta-1, 3-diene, xylenes) rất thấp hoặc có thể bỏ qua

Mặt khác, nhiên liệu CNG không bao giờ gây trở ngại đối với bộ xúc tác ba chức năng do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp lỏng Tuy nhiên sự ôxy hóa methane còn lại trong khí xả rất khó khăn Muốn loại trừ chất này cần sử dụng một bộ xúc tác đặc biệt

Bảng 1.4 cho chúng ta một vài ví dụ liên quan đến mức độ phát ô nhiễm của ô

tô vận tải sử dụng CNG Chúng ta nhận thấy, mức độ CO và bồ hóng rất thấp Mức

độ HC đôi lúc gần với giá trị cho phép bởi luật môi trường, nhưng chỉ chứa phần lớn methane (khoảng 90%), còn lại các thành phần khác rất thấp

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Còn về mức độ phát sinh NOX khí xả động cơ CNG có nồng độ NOX rất thấp nếu động cơ làm việc với α = 1 và có lắp bộ xúc tác 3 chức năng Nồng độ này cao hơn một chút nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép nếu dùng hỗn hợp nghèo

Bảng 1.5 Mức độ ô nhiễm của động cơ CNG

Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh để phát hiện sự dò rỉ được thêm vào nhiên liệu với thành phần rất thấp (20 hay 25mg/m3) nên bị đốt cháy hoàn toàn Vì vậy nên khí xả động cơ CNG rất ít hôi so với khí xả động cơ diesel

Về sự ảnh hưởng của khí thải động cơ sử dụng CNG đến hiệu ứng nhà kính, Methane cũng như CO2 và N2O là khí gây hiệu ứng nhà kính một cách trực tiếp vì vậy ta rất quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc động cơ CNG đến việc nóng lên của bầu khí quyển

Bảng 1.6 So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ

dùng xăng, diesel, và CNG (gCO 2 /Km), theo chu trình ECE

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Trong thực tế động cơ CNG phát sinh ít CO2 so với động cơ nhiên liệu lỏng Vì vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ CNG thấp hơn khoảng 25% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ Diesel Do đó việc sử dụng CNG sẽ làm giảm đi đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính trên phạm vi toàn cầu

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Chương 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG CƠ XĂNG

HIỆN HÀNH SANG CHẠY CNG 2.1 Động cơ chuyển đổi

ECU động cơ tích hợp chức năng điều khiển hộp số ECT

Hệ thống thông tin đa chiều tốc độ cao (CAN) được ứng dụng cho việc trao đổi thông tin giữa ECU động cơ và các ECU khu vực khác

2.1.2 Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu nguyên thủy

6

17 22

3 2

1

18 20 19

15

5

16 14

7

9 10

12

13

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống xăng động cơ 1NZ-FE

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

1: Bình Xăng; 2: Bơm xăng điện; 3: Cụm ống của đồng hồ đo xăng và bơm; 4: Lọc Xăng; 5: Bộ lọc than hoạt tính; 6: Lọc không khí; 7: Cảm biến lưu lượng khí nạp; 8: Van điện từ; 9: Môtơ bước; 10: Bướm ga; 11: Cảm biến vị trí bướm ga; 12: Ống góp nạp; 13: Cảm biến vị trí bàn đạp ga; 14: Bộ ổn định áp suất;15: Cảm biến vị trí trục cam; 16: Bộ giảm chấn áp suất nhiên liệu; 17: Ống phân phối nhiên liệu; 18: Vòi phun; 19: Cảm biến kích nổ; 20: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 21: Cảm biến vị trí trục khuỷu; 22: Cảm biến ôxy

2.1.3 Mô tả hệ thống cung cấp nhiên liệu nguyên thủy

Hệ thống bao gồm ba khối thiết bị sau:

 Các cảm biến có nhiệm vụ ghi nhận các thông số hoạt động của động cơ gồm: + Lưu lượng khí nạp Qa đo qua lưu lượng kế

+ Tốc độ động cơ N - đo qua cảm biến tốc độ

+ Vị trí bướm ga n (pc) - đo qua cảm biến

+ Nhiệt độ máy Tm - đo qua nhiệt kế

+ Nhiệt độ khí nạp Ta - đo qua nhiệt kế

+ Điện áp ắcquy Ub - đo qua nhiệt kế (potentiometre)

+ Tín hiệu khởi động động cơ Sd - đo qua công tắc khởi động

+ Nồng độ oxy trong khí xả - đo qua cảm biến lambda

Các tín hiệu của cảm biến được chuyển thành tín hiệu điện

 Bộ xử lý và điều khiển trung tâm ECU (gọi tắt là bộ điều khiển trung tâm) tiếp nhận các tín hiệu dưới dạng tín hiệu điện do các cảm biến truyền tới, chuyển thành tín hiệu số sau đó được xử lý theo một chương trình đã vạch sẵn Những số liệu khác cần cho việc tính toán đã được ghi trong bộ nhớ của máy tính dưới dạng

đồ thị hoặc dạng số

 Các tín hiệu ra của bộ điều khiển trung tâm được khuếch đại và đưa vào khối thứ ba là bộ phận chấp hành (actuateur) Bộ phận này có nhiệm vụ phát các xung điện chỉ huy việc phun xăng cũng như chỉ huy một số cơ cấu thiết bị khác (hồi

Cảm biến tốc độ

Độ mở bướm ga

2.2.1.1 Cung cấp CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn

- Sử dụng bộ hòa trộn cơ khí

Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí sử dụng bộ hòa trộn có nhiều dạng khác nhau ,nhưng đối với CNG sử dụng dạng sơ đồ sau:

Hình 2.2 Cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn

Nhiên liệu được cấp vào không gian xung quanh bộ hòa trộn qua một đường gas chính, trên họng bộ hòa trộn có các lỗ phun nhỏ phân bố đều theo chu vi họng

để dẫn gas vào bên trọng họng Nhiên liệu CNG đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy

Bộ hòa trộn kiểu họng Venturi được sử dụng phổ biến cho tất cả những loại nhiên liệu khí (LPG, LNG, CNG,…) vì việc hòa trộn đơn giản, phù hợp đối với nhiên liệu khí Vì vậy kết cấu của hệ thống cung cấp sử dụng bộ hòa trộn sẽ đơn giản làm cho giá thành rẻ Sự cung cấp CNG liên tục làm hạn chế khả năng khống chế tỷ lệ không khí/CNG

- Cung cấp CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn điều khiển điện tử

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

Hình 2.3 Cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn điều khiển điện tử

Bộ hòa trộn điều khiển điện tử thực chất là sử dụng bộ hòa trộn kết hợp van tiết lưu điều khiển điện tử Khi bật khoá điện, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ mở ra cho khí CNG nén từ bình chứa áp suất cao đến bộ giảm

áp, tại bộ giảm áp áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc khoảng 0,8

†1,5 bar, sau đó nhiên liệu được qua bộ lọc áp suất thấp trước khi đi vào van tiết lưu, van tiết lưu được điều khiển tự động bởi bộ vi xử lý, lưu lượng CNG cung cấp được khống chế bởi bộ giảm áp, tiết diện lưu thông của van tiết lưu và độ chân không ở ống venture Tiết diện lưu thông của van tiết lưu được điều khiển tương ứng với phần trăm vị trí bướm ga thông qua cảm biến vị trí bướm ga và tốc độ đông

cơ Nhiên liệu đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy

Khí CNG không những chỉ định lượng bởi độ chân không trong ống venturi

mà còn bởi sự thay đổi độ tiết lưu trên đường cấp nhiên liệu, sự điều chỉnh mức độ tiết lưu trên đường cấp nhiên liệu được thực hiện nhờ bộ vi xử lí chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm biến

Khi sử dụng bộ hòa trộn điều khiển điện tử công suất của động cơ giảm đi khoảng (5-8)% so với xăng do tổn thất lượng không khí nạp tại họng và do CNG chiếm chỗ

Nhược điểm: chi phí tốn kém khi chế tạo, đắt tiền

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

2.2.1.2 Phương pháp phun CNG vào đường ống nạp

Nhiên liệu CNG được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar Khi bật khoá điện khởi động động cơ, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện

từ mở ra cho CNG nén từ bình chứa đến bộ giảm áp Tại bộ giảm áp, áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc, sau đó nhiên liệu qua bộ lọc áp suất thấp trước khi dẫn đến vòi phun Vòi phun được bộ vi xử lý điều khiển một cách tự động, thời gian phun được điều khiển tương ứng tỷ lệ với phần trăm vị trí tay ga thông qua cảm biến vị trí tay ga Bộ xử lý này nhận phần lớn các tín hiệu cần thiết

từ hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG Hệ thống phun CNG trên đường nạp bao gồm các hệ thống cơ bản sau

Hình 2.4 Cung cấp CNG bằng phương pháp phun trên đường ống nạp

Hệ thống cung cấp CNG: Gồm bình chứa, van điện từ, bộ điều hoà áp suất, vòi phun CNG Do đặc thù riêng của nhiên liệu CNG nên áp suất cần thiết để cung cấp

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

nhiên liệu đến vòi phun là 5 bar để tránh hiên tượng hoá hơi trên đường ống nhiên liệu Vì hoạt động của hệ thống nhiên liệu ở áp suất cao nên vấn đề an toàn của hệ thống được đặt lên hàng đầu

Hệ thống điều khiển gồm các cảm biến ghi nhận thông tin về chế độ làm việc của động cơ, ECU xử lý các thông tin nhận được từ các cảm biến và phát tín hiệu điều khiển đến các vòi phun CNG để điều khiển thời gian mở vòi phun cung cấp CNG Các tín hiệu điều khiển tới vòi phun là các xung thời gian có độ dài tương ứng tỷ lệ với lượng CNG cần phun vào ống góp nạp Các loại cảm biến trong hệ thống gồm: Cảm biến vị trí tay ga, cảm biến tốc độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, cảm biến nồng độ Oxy…Đồng thời trong bộ vi xử lý có bổ sung thêm cảm biến đo áp suất bình chứa nhiên liệu CNG, từ đó tín hiệu được ECU xử lý phát tín hiệu điều khiển tới vòi phun

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu trên động cơ phun gián tiếp

Hệ thống phun CNG trên đường nạp cho phép cải thiện được tính năng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm Khác với bộ hòa trộn, hệ thống này phun nhiên liệu dưới áp suất khoảng 5 bar Điều này cho phép cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác theo chế độ làm việc của động cơ Mặt khác do không có họng venturi nên hệ số nạp được cải thiện đáng kể Phun nhiên liệu CNG được thực hiện theo phương án riêng rẽ nên giảm khả năng hồi lưu ngọn lửa vào đường nạp, cải thiện được sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các xi lanh của động cơ Việc khống chế lưu lượng CNG nạp vào xi lanh được thực hiện nhờ bộ vi xử lí

Vũ Ngọc Hải Lớp 11BCKĐL-ST

2.2.1.3 Phương pháp phun CNG trực tiếp vào xi lanh

Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp hoạt động tương tự như hệ thống phun gián tiếp chỉ có khác là nhiên liệu được phun trực tiếp vào trong buồng cháy của động cơ

Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm vì nó cho phép đồng thời làm giảm mức

độ gây ô nhiễm và làm tăng tính kinh tế của động cơ Phun trực tiếp CNG vào buồng cháy cho phép kết hợp các ưu điểm của khí thiên nhiên và quá trình cháy của hỗn hợp nghèo phân lớp

9

34

57

ECU

Hình 2.6 Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp

1: Bình chứa CNG; 2: Van nạp; 3: Máy đo áp suất; 4: Lọc CNG; 5: Van 1 chiều; 6: Vòi phun CNG; 7: Bugi đánh lửa ; 8: Cuộn dây cao áp;9: Cảm biến ô xy; 10: Cảm biến tốc độ; 11: Cảm biến nước làm mát; 12: Cảm biến bướm ga; 13: Cảm biến áp suất khí nạp; 14: Bầu lọc khí; 15: Công tắc đánh lửa; 16: Công tắc CNG; 17: Ắc quy

Mặt khác, hệ thống phun CNG còn thừa hưởng ưu thế của nhiên liệu nén ban đầu nên không cần bơm nhiên liệu áp suất cao Động cơ có thể hoạt động không có tổn thất hệ số nạp và ở điều kiện hỗn hợp nghèo