a) Bộ điều áp và van điện từ; b) Cụm vòi phun; c) Bộ ECU điều khiển phun
Các động cơ CNG – xăng trang bị bộ điều khiển cung cấp CNG bằng điện tử
cho phép tự động chuyển đổi sang chế độ cung cấp CNG sau khi có tín hiệu thích hợp về các thơng số làm việc của động cơ như nhiệt độ và tốc độ động cơ. Ví dụ,
động cơ được khởi động với nhiên liệu xăng cho dễ, sau khi ấm máy sẽ chuyển sang sử dụng nhiên liệu CNG. Khi áp suất khí CNG trong bình chứa nhỏ hơn giá trị giới hạn thì động cơ lại tựđộng chuyển sang chạy xăng.
Ở Việt Nam, năm 2004-2005, tác giảBùi Văn Ga [1,2] đã nghiên cứu sử dụng LPG, biogas (thành phần chủ yếu là CH4) trên xe máy và ôtô chạy xăng cỡ nhỏ và
đã nghiên cứu 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 hòa trộn đảm bảo tính năng
kinh tế kỹ thuật tốt.
Các bộ kít có sẵn có thể giúp người sử dụng chuyển đổi động cơ xăng sang
chạy CNG một cách dễ dàng. Tuy nhiên, giá thành các bộ kít sẵn có cũng khá đắt và
đơi khi cũng khó phù hợp với động cơ cụ thể của người dùng đểđảm 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 hòa trộn hoặc bộđiều khiển phun CNG, để đảm bảo cung cấp CNG phù hợp với động cơ chuyển đổi vẫn luôn được các nhà khoa học quan tâm.
27
1.3.4. Tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ CNG đánh lửa cưỡng bức chuyển đổi từ động cơ xăng bức chuyển đổi từ động cơ xăng
Để cung cấp CNG từ bình chứa vào động cơ thì cần thiết sử dụng cụm van
điều áp để hạ áp suất khí từ áp suất lưu trữ trong bình khoảng 150 đến 220 bar khi
chưa sử dụng [62] xuống áp suất sử dụng (có thể là áp suất mơi trường nếu dùng bộ
hòa trộn hoặc 1 đến 3 bar nếu dùng phương pháp phun CNG vào cửa nạp). Khi hạ
áp, CNG giãn nở làm nhiệt độ giảm mạnh, vì vậy cần thiết phải bốtrí đường nước
nóng đi vào bộ giảm áp để ổn định nhiệt độ của CNG trước khi cung cấp vào động
cơ. Nếu nhiệt độ khí quá thấp sẽ làm giảm khả năng hòa trộn, hỗn hợp kém đồng nhất, dẫn tới chất lượng quá trình cháy giảm. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ khí q cao
thì làm tăng thể tích phần tử khí, từđó làm giảm lượng hỗn hợp nạp vào xylanh nên công suất động cơ giảm.
Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức của các tác giả đều chỉ ra rằng nhiên liệu CNG rất thích hợp cho loại động cơ này. Các động cơ xăng chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu với việc cấp vào đường nạp bằng bộ hòa trộn hay phun nhiên liệu vào cửa nạp đều có hàm lượng phát thải các thành phần độc hại thấp hơn đáng kể so với động cơ xăng nguyên thủy. Sự giảm phát thải CO, CO2 của động cơ chạy CNG đạt được là do nhiên liệu có tỷ lệ H/C cao hơn xăng [16,27,31,57], thêm nữa do CNG cấp vào đường nạp ở dạng khí nên hỗn hợp hịa trộn tốt hơn với khơng khí làm cho hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí dễ cháy hơn.
Phát thải HC do cháy khơng hồn tồn giảm so với trường hợp sử dụng nhiên liệu
xăng vì NG ở dạng khí nên hịa khí đồng đều hơn, ngồi ra giảm được cả thành phần HC sinh ra theo cơ chế giải phóng-hấp thụ nhiên liệu ở thành vách đường nạp,
xylanh đặc biệt là ở chếđộ khởi động lạnh [31].
Động cơ CNG có ưu điểm nữa so với động cơ xăng là có thể chạy tốt với hỗn hợp nhạt [9,11,12,18,21,32,54,60,63,66], điều đó giúp tăng tính kinh tế và giảm phát thải CO và HC. Tác giả Ting DSK và cộng sự [63] đã nghiên cứu đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy CNG so với chạy xăng ở chếđộ cháy nghèo với hệ sốdư lượng khơng khí từλ=1 đến λ=1,3 ở tỷ số nén cao. Kết quả cho thấy, khi
28
động cơ làm việc ở chếđộ cháy nghèo sẽ làm giảm mạnh phát thải độc hại, đặc biệt là CO và HC. Tuy nhiên, khi hỗn hợp càng nhạt (λ > 1,5), thì quá trình cháy diễn ra càng chậm hơn nên làm tăng tổn thất nhiệt qua thành vách xylanh, từđó làm giảm hiệu suất của động cơ.
Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng
với việc cung cấp nhiên liệu khí vào đường nạp thường có cơng suất thấp hơn động
cơ xăng nguyên thủy. Điều này cũng đã được trình bày trong nội dung về các
phương pháp cung cấp CNG cho động cơ. Sự giảm công suất này là do khi cung cấp CNG dạng khí vào đường nạp thì lượng khơng khí nạp bị giảm do ảnh hưởng chiếm chỗ của nhiên liệu nên tổng lượng hỗn hợp nạp xylanh của động cơ CNG ít hơn của động cơ xăng ở cùng một điều kiện làm việc. Ngoài ra, đối với động cơ
CNG sử dụng bộ hòa trộn kiểu venturi cịn có thêm tổn thất khí động qua họng khuếch tán.
Theo kết quả nghiên cứu của M.U. Aslam và cộng sự [39], nghiên cứu sử
dụng nhiên liệu CNG và xăng trên động cơ xăng hoán cải sang sử dụng lưỡng nhiên liệu. Nhiên liệu CNG được cung cấp vào đường nạp bằng bộ hịa 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 lại tăng 33%.
Để cải thiện công suất động cơ CNG khi chuyển đổi từđộng cơ xăng, người ta
đã sử dụng hệ thống cung cấp CNG kiểu phun trên đường nạp, gần sát cửa nạp.
Phương pháp này tuy có chi phí đắt hơn phương pháp dùng bộ hịa trộn nhưng giảm
được tổn thất khí động và điều chỉnh chính xác hơn lượng nhiên liệu cấp đảm bảo kiểm soát tốt thành phần hỗn hợp theo mong muốn.
29
R.L. Evan và cộng sự [48] 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 chếđộ tải, tỷ lệ hỗn hợp được điều chỉnh thay đổi trong dải rộng từλ =1,0 đến giới hạn nghèo đểxác 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% (so với kết quả của M.U. Aslam là 16%) ở các chếđộ thử nghiệm. Hiện tượng suy giảm cơng suất cũng
do ảnh hưởng chiếm chỗ khơng 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, R.L.
Evan 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 từ2 đến 10oTK so với trường hợp chạy xăng để động cơ có thể đạt được công suất hay mô men cực đại. Đối với phát thải độc hại, nghiên cứu cho thấy tất cả các thành phần phát thải đều giảm trong khoảng từ5 đến 50% tùy theo từng loại.
Nghiên cứu của Ali M. Pourkhesalian và cộng sự [7] chuyển đổi động cơ xăng
4 xylanh nhãn hiệu Mazda 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 (giảm khoảng 12%), từđó cũng làm giảm tính năng kỹ
thuật của động cơ, cơng 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 có xu hướng ngược lại so với kết quả nghiên cứu của R.L. Evan và tương tự với kết quả nghiên cứu của M.U. Aslam. Theo Ali M. Pourkhesalian, nhiên liệu tồn tại ở dạng khí nên khơng 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, từđó nhiệt độ q 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 H/C của CNG lớn hơn của nhiên liệu xăng, tương tự như kết quả
30
tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm phát thải độc hại của động cơ thì cần thiết phải
thay đổi các thơng số làm việc như tăng góc đánh lửa sớm (giống kết quả nghiên cứu của R.L. Evan) hoặc thay đổi thông số kết cấu như tăng tỷ số nén của động cơ
khi sử dụng CNG.
Một biện pháp khác để cải thiện công suất động cơ là sử dụng đồng thời một phần nhiên liệu CNG và một phần nhiên liệu hydro để cải thiện tốc độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí [16,30,70,71]. Theo nghiên cứu của Yujun Wang và cộng sự [70], ở cùng một chế độ tải, khi sử dụng nhiên liệu HCNG (tỷ lệ hydro/CNG = 20/80) tốc độ cháy cải thiện đáng kể, quá trình cháy ổn định hơn, phát thải CO giảm
đáng kể, tuy nhiên phát thải NOx có xu hướng tăng theo tỷ lệ hydro trong nhiên liệu.
Theo như một số kết quả nghiên cứu ở trên, một nhược điểm của phương pháp
cung cấp và hình thành hỗn hợp trên đường nạp bằng bộ trộn hay phun vào cửa nạp là ảnh hưởng chiếm chỗ của nhiên liệu làm giảm hệ số nạp, từđó ảnh hưởng tới tính
năng kỹ thuật của động cơ. M.A. Kalam cùng cộng sự [38], nghiên cứu nâng cao cơng suất của động cơ khi sử dụng khí thiên nhiên nén CNG. Thí nghiệm của ơng thực hiện trên động cơ xăng 4 kỳ, dùng bộ hòa trộn. Khi thử nghiệm chạy bằng 2 loại nhiên liệu xăng và CNG, kết quả cho thấy công suất của động cơ khi sử dụng CNG thấp hơn so với khi sử dụng nhiên liệu xăng khoảng 20%, tương tự như
nghiên cứu của Ali M. Pourkhesalian [7]. Tuy nhiên, suất tiêu hao nhiên liệu lại cải thiện được 11%. Để nâng cao công suất động cơ M.A. Kalam đã chuyển đổi động
cơ từ sử dụng bộ hòa trộn sang động cơ phun khí trực tiếp. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất động cơ tăng lên khá nhiều, công suất của động cơ tăng 10% so với
trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng với cùng hệ sốdư lượng khơng khí.
Như vậy, có thể thấy về mặt nguyên tắc phương pháp phun trực tiếp sẽ khắc phục được hạn chế của phương pháp cung cấp nhiên liệu trên đường nạp (như đã
trình bày ở mục 1.3.2.3). Ngồi ra, phương pháp phun trực tiếp cịn có thể tạo được hỗn hợp phân lớp, mở rộng được giới hạn cháy từ đó tăng được hiệu suất nhiệt của
31
chuyển đổi, hoán cải động cơ đang sử dụng nhiên liệu xăng sang CNG (và cũng rất
ít được sử dụng trên động cơ xăng) 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 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.
Trong khuôn khổ đề tài, tác giả lựa chọn phương pháp cung cấp CNG bằng
cách phun vào đường nạp, gần phía xupap nạp để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cung cấp CNG trang bị cho động cơ xăng đang lưu hành, sử dụng hệ
thống phun xăng điện tử.
1.4. Kết luận Chương 1
Nội dung Chương 1 được tóm tắt như sau:
- Nhiên liệu CNG có trị số Octane cao, tồn tại dạng khí, hịa trộn tốt với khơng khí nên rất thích hợp để làm nhiên liệu thay thếtrên động cơ đốt cháy cưỡng bức.
- Việc chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG theo nguyên lý phun vào
đường nạp khá đơn giản, hiệu quả và giảm được đáng kểlượng phát thải các thành phần độc hại CO và HC nên được áp dụng rộng rãi nhất.
- Để ứng dụng phương pháp phun CNG vào đường nạp theo nguyên lý phun
32
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP CNG CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 2.1. Giới thiệu chung
Việc cung cấp nhiên liệu CNG cho động cơ trong nghiên cứu này được thực hiện theo phương pháp phun nhiên liệu dạng khí vào đường ống nạp theo nguyên lý
phun đa điểm. Quá trình phun nhiên liệu được thực hiện tuần tự theo thứ tự làm việc của động cơ. Lượng nhiên liệu phun được điều chỉnh thông qua thời gian mở vòi phun khi mà áp suất phun được giữ cố định. Việc điều khiển phun được thực hiện bằng cách thay đổi độ rộng xung phun nhờ bộđiều khiển điện tử. Phương pháp này
giúp dễ dàng điều chỉnh chính xác lượng nhiên liệu phun theo các chế độ làm việc khác nhau của động cơ.
Phương pháp phun tuần tự đảm bảo được chất lượng hỗn hợp đồng đều giữa các xylanh. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển sẽ phức tạp hơn vì phải quan tâm đến vị
trí góc quay trục khuỷu đểxác định được thời điểm phun phù hợp cho từng xylanh.