17
điểm bắt đầu triển khai hoạt động, mỗi xe buýt “xanh”, sau khi được nạp đầy nhiên liệu CNG có thể chạy được quãng đường khoảng 300 km.
Dù được biết đến với nhiều ưu điểm, song việc đưa khí thiên nhiên nén CNG
vào ứng dụng rộng rãi trong giao thông vận tải không thể một sớm một chiều, mà cần có thời gian và những bước chuẩn bị. Muốn triển khai rộng rãi sử dụng nhiên liệu CNG thì ngồi việc xây dựng các đường ống vận chuyển khí, các trạm tiếp nhiên liệu, cịn phải có nhiều động cơ chạy CNG. Việc mua các động cơ mới chạy nhiên liệu CNG rất đắt nên việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành
sang chạy CNG với chi phí thấp sẽ là giải pháp hợp lý để mở rộng sử dụng CNG
cho các phương tiện giao thông vận tải. Việc nghiên cứu chuyển đổi chỉ là trang bị
hệ thống cung cấp CNG cho động cơ.
1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG trên động cơ đánh lửa cưỡng bức cưỡng bức
1.3.1. Đặc điểm kết cấu động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu CNG
Nhiên liệu CNG có đặc điểm cháy gần tương tự nhiên liệu xăng, có khả năng
hịa trộn tốt với khơng khí và có trị số Octane cao hơn xăng nên rất thích lợp làm nhiên liệu cho động cơ đánh lửa cưỡng bức [47,69]. Do vậy, đặc điểm kết cấu chung của động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức hoàn toàn 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 chạy 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 chạy nhiên liệu CNG thấp hơn nhiều so với chạy xăng [6,12,13,15,25-27,29,34,41,43,47,54,60,63-66]. Hiện nay, CNG được coi là nhiên liệu sạch, có xu hướng được sử dụng ngày càng rộng rãi để làm nhiên liệu thay thếtrong động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Các động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu CNG hiện nay chia thành hai nhóm. Nhóm thứ nhất, đó là các động cơ được thiết kế, chế tạo mới chuyên sử
dụng nhiên liệu CNG. Nhóm thứ hai là các động cơ được hoán cải, chuyển đổi từ các động cơ chạy xăng hoặc các động cơ chạy nhiên liệu diesel đang lưu hành sang
18
chạy nhiên liệu CNG. Việc thiết kế chế tạo mới các động cơ CNG sẽ tốn kém kinh
phí tương tự việc nghiên cứu thiết kế và phát triển một sản phẩm mới của các hãng chế tạo động cơ nên giá thành đến người sử dụng sẽ cao. Tuy nhiên, các động cơ
CNG thiết kế mới sẽ đảm bảo quá trình làm việc tối ưu khi chạy nhiên liệu CNG nên sẽ có tính kinh tế và tính hiệu quả cao hơn động cơ chuyển đổi [31,58]. Việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng và động cơ diesel đang lưu hành sang chạy nhiên liệu CNG có ý nghĩa thực tếhơn vì sốlượng ĐCĐT hiện hành sử dụng nhiên liệu truyền thống đang rất lớn trong khi nguồn nhiên liệu này đang cạn kiệt, cần sử
dụng nhiên liệu thay thếđể bổ sung. Mặt khác, việc chuyển đổi các động cơ có sẵn sẽ rẻhơn so với chế tạo mới rất nhiều nên dễ dàng đáp ứng được khả năng chi trả
của nhiều đối tượng sử dụng.
Qua nghiên cứu đặc tính làm việc của cùng một động cơ đánh lửa cưỡng bức khi chạy nhiên liệu xăng và khi chạy nhiên liệu CNG, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ chạy CNG nên được thiết kế tăng tỷ số nén của động cơ và thay đổi
góc đánh lửa sớm theo hướng tăng một chút so với động cơ chạy xăng để tăng hiệu suất, công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu [8,19,2432,46,48].
Việc chuyển đổi động cơ xăng mà điển hình là động cơ xăng hình thành hỗn hợp bên ngồi như các động cơ dùng bộ chế hịa khí hoặc động cơ phun xăng trên đường nạp sang chạy CNG khá đơn giản và rẻ tiền. Chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG cho động cơ, còn các hệ thống khác vẫn được giữ nguyên là có thể
làm việc được với nhiên liệu CNG. Các động cơ này có thể tháo bỏ hệ thống cung cấp xăng để chạy chỉ với CNG hoặc để tồn tại song song cả hai hệ thống cung cấp
xăng và CNG dưới dạng động cơ lưỡng nhiên liệu Bi-fuel. Tuy nhiên, đối với các
động cơ xăng hoán cải sang sử dụng nhiên liệu CNG, để giảm thiểu chi phí thì
khơng thay đổi kết cấu của động cơ. Do không thay đổi kết cấu động cơ nên tỷ số
nén của động cơ khơng đổi và do đó khơng phát huy được ưu điểm trị số Octane cao của nhiên liệu CNG.
19
Việc chuyển đổi động cơ diesel sang chạy CNG đốt cháy cưỡng bức phức tạp và tốn kém hơn so với chuyển đổi động cơ xăng. Ngoài việc thay thế hệ thống phun nhiên liệu diesel cao áp bằng hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG, còn cần phải trang bị thêm hệ thống đánh lửa và thay đổi kết cấu động cơ để giảm tỷ số nén. Như vậy,
động cơ diesel khi đã được chuyển đổi sang động cơ CNG đốt cháy cưỡng bức thì
động cơ sẽ chỉ chạy được với nhiên liệu CNG mà không thể quay về chạy nhiên liệu diesel theo ý muốn được. Do chi phí cao và sự phức tạp của việc thay đổi kết cấu
động cơ nên việc chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG thường
không được áp dụng rộng rãi bằng chuyển đổi động cơ xăng.
1.3.2. Các phương pháp cung cấp nhiên liệu CNG
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 khơng 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 nhiên liệu CNG vào đường nạp bằng cách sử dụng bộ hòa trộn (hay bộ chế hóa khí) có họng venturi hay cung cấp CNG bằng cách phun vào đường nạp, sát xupap nạp và phương pháp phun trực tiếp nhiên liệu vào trong xylanh động cơ. Mỗi
phương pháp đều có một ưu nhược điểm nhất định [16,38,68,69].
1.3.2.1. Phương pháp cung cấp CNG vào đường nạp sử dụng bộ hịa trộn
Hình 1.4 trình bày sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống cung cấp CNG sử
dụng bộ hòa trộn có họng khuếch tán kiểu ống venturi. Áp suất khí CNG sau bộ
giảm áp được duy trì ở giá trị ổn định bằng áp suất môi trường nên việc cung cấp nhiên liệu khí vào ống venturi hồn tồn phụ thuộc vào kết cấu họng và lưu lượng khơng khí nạp đi qua họng, tức là phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ tương tự như nguyên lý tạo hỗn hợp trong bộ chế hịa khí của động cơ xăng.
20 Khơng khí Hỗn hợp Bướmga CNG Họng khuếchtán
Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng ống venturi có lỗ xung quanh họng
Hệ thống cung cấp CNG vào đường nạp sử dụng bộ hịa trộn có kết cấu rất
đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt và giá thành rất rẻ nên được sử dụng từ lâu giống
như trên các động cơ chạy khí (CNG, LPG, biogas) nói chung. Ngày nay hệ thống này vẫn được sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trên các động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng truyền thống vì chỉ cần lắp thêm hệ thống này lên động cơ và khóa đường xăng lại là động cơ có thể làm việc với nhiên liệu CNG.
Hình 1.5. Họng venturi với một đường CNG vào loại cùng chiều
1 - Bầu lọc gió; 2 - Đường ống dẫn khí; 3 – Bướm gas; 4 - Họng phun gas.