1
MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn 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 các động cơ sử dụng nhiên liệu này. 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 và có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được để một mặt giảm ô nhiễm môi trường, mặt khác bù đắp
một phần sự thiếu hụt nhiên liệu truyền thống về lâu dài. Trong số các nhiên liệu thay thế, khí
thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas – CNG) là một nhiên liệu đáp ứng được các yêu cầu
nói trên và rất thích hợp với động cơ đánh lửa cưỡng bức nên rất có tiềm năng để sử dụng làm
nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng. Tuy nhiên, do CNG là nhiên liệu khí có nhiều tính chất
khác với nhiên liệu lỏng truyền thống nên cần có những thay đổi về kết cấu động cơ cho phù hợp.
Việc chế tạo động cơ mới dùng CNG với sản lượng nhỏ thường có giá thành rất cao nên khó khả
thi. Trong khi đó nhập khấu các động cơ này cũng rất đắt so với động cơ sử dụng nhiên liệu
truyền thống nên khó đáp ứng được khả năng chi trả của người sử dụng. Việc chuyển đổi động cơ
xăng hiện hành sang sử dụng CNG bằng phương pháp cấp CNG vào đường nạp sẽ khắc phục
được khó khăn về chi phí và có ý nghĩa thực tiễn cao nhưng công suất động cơ giảm nhiều do
CNG là nhiên liệu khí chiếm nhiều chỗ của không khí nạp. Do đó, cần nghiên cứu các nhân tố
ảnh hưởng đến tính năng làm việc của động cơ khi sử dụng CNG và từ đó nghiên cứu giải pháp
khắc phục một phần sự suy giảm công suất này. Đây cũng chính là lý do để tác giả thực hiện đề
tài “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên
liệu” để góp phần vào đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động cơ và giảm ô nhiễm môi trường.
ii. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
* 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.
* 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.
iii. 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 các tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ và ảnh hưởng
của phương pháp cung cấp CNG và góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc của động cơ; từ đó
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.
2
iv. Ý nghĩa khoa học và 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 chạy 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.
v. Điểm mới của luận án
- Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của CNG, các phương pháp cung cấp CNG, góc đánh lửa
sớm và việc bổ sung phụ gia Maz-nitro đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ
xăng sử dụng CNG, làm cơ sở để chọn và hoàn thiện các giải pháp công nghệ phù hợp để sử dụng
CNG một cách hiệu quả.
- Đã hoàn thiện các giải pháp công nghệ cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn và phun CNG phù hợp
với các loại động cơ xăng hiện hành, đặc biệt là giải pháp công nghệ phun CNG tận dụng hệ
thống điều khiển phun xăng của động cơ nguyên thủy đã giúp việc chuyển đổi động cơ phun xăng
sang phun CNG trở nên đơn giản với chi phí thấp.
- Lần đầu tiên đưa ra và hoàn thiện giải pháp công nghệ sử dụng phụ gia lỏng cho nhiên liệu khí
để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
- Kết quả luận án cho biết, khi sử dụng hệ thống phun CNG thì công suất động cơ tăng, suất tiêu
hao nhiên liệu và phát thải giảm so với hệ thống cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn. Nếu bổ sung
phụ gia, công suất tăng thêm 6,5%, tiêu hao nhiên liệu giảm tiếp 5,0%, phát thải CO, HC giảm
khoảng 30%. Do đó, việc chọn phụ gia Maz-nitro để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu là hợp
lý, cải thiện được công suất động cơ và giảm lượng phát thải độc hại.
vi. Bố cục của luận án
- 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
Do sự phát thải gây ô nhiễm môi trường trầm trọng và sự cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu
truyền thống của động cơ đốt trong hiện hành nên việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế là
giải pháp tất yếu. Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên nghiên cứu sử dụng là các loại nhiên liệu
có mức phát thải thấp và có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có thể sử dụng cho các
động cơ đang lưu hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu. Các nhiên liệu đó có thể là
hydro, biogas, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, các loại nhiên liệu sinh học và nhiên liệu khí thiên
nhiên. Trong đó khí nhiên nhiên có trữ lượng rất lớn, giá thành rẻ và rất thích hợp sử dụng cho
động cơ đốt cháy cưỡng bức nên là một nhiên liệu thay thế rất có tiềm năng cho động cơ xăng.
3
1.2 Đặc điểm của khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên là một loại khí không màu, không mùi, có tỷ trọng nhẹ hơn không khí, được
tìm thấy ở các mỏ khí và mỏ dầu. Thành phần của khí thiên nhiên thường khác nhau tùy thuộc
vào nơi khai thác chế biến nhưng thành phần chính của nó là khí methane. Thành phần của mẫu
khí thiên nhiên sử dụng trong nghiên cứu này được thể hiện trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Thành phần cơ bản của khí thiên nhiên
Thành phần Kí hiệu Hàm lượng (%)
Methane CH
4
93,3
Ethane C
2
H
6
2,16
Propane C
3
H
8
0,19
Ethylene C
2
H
4
0,14
Nitrogen N
2
2,21
Carbondioxide CO
2
2.0
Khí thiên nhiên khi được nén với áp suất cao để dễ dàng cho việc bảo quản, tích trữ và vận
chuyển được gọi là khí thiên nhiên nén. Một số tính chất của khí thiên nhiên nén so với nhiên liệu
truyền thống xăng và dầu diesel được chỉ ra trên bảng 1.2.
Bảng 1.2. So sánh đặc tính của CNG với nhiên liệu truyền thống
TT Thông số Nhiên liệu
Xăng CNG
1 Trị số octane 95 ≈ 130
2 Nhiệt trị thấp LHV (kJ/kg) 43690 50009
3 Giới hạn dưới thể tích bốc cháy (%V) 0,60 0,50
4 Nhiệt độ bốc cháy (
0
C) 650 250 ÷ 275
5 Nồng độ giới hạn tự bốc cháy (%) 5 ÷ 15 0,6 ÷ 7,6
6 Tốc độ cháy ở độ ngọn lửa (m/s) 0,43 0,38
7 Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ) 0,26 0,33
8 Nhiệt độ màng lửa (K) 2266 2227
9 Tỷ lệ H/C 1/5,7 1/3
10 Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết 14,7 16,8
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
Số lượng các phương tiện sử dụng CNG trên thế giới ngày càng tăng cao, hiện nay có trên
23 triệu ô tô CNG đang sử dụng, và dự đoán con số sẽ đạt trên 65 triệu chiếc vào năm 2020. Việt
Nam có trữ lượng và sản lượng khí thiên nhiên lớn và việc sử dụng CNG cho ô tô cũng đã bắt đầu
được quan tâm.
1.3.2. Các phương pháp cung cấp CNG và tạo hỗn hợp trên động cơ
1.3.2.1. Hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn có lỗ xung quanh họng
CNG
Không
khí
Họng khuếch tán
Bướm ga
Hỗn hợp
Nước nóng
Van công suất
Bộ giảm áp
Van điện từ
Đườ
ng
không
tải
4
Hệ thống cung cấp CNG vào đường nạp (hình 1.1) sử dụng bộ hòa trộn có kết cấu rất đơn
giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt và giá thành rất rẻ. 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 vì chỉ cần lắp thêm hệ thống
này lên động cơ và khóa đường xăng lại là động cơ có thể làm việc với CNG.
1.3.2.2. Hệ thống phun CNG vào cửa nạp
Hình 1.2 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
2,53 bar tùy theo yêu cầu của mỗi hệ
thống.
c. Hệ thống phun trực tiếp CNG vào xi
lanh
Theo sơ đồ hình 1.3, 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 ECU.
Hệ thống phun trực tiếp CNG 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.
Từ các kết nghiên cứu nêu trên, trong
khuôn khổ đề tài, tác giả lựa chọn theo hai
cách là dùng bộ hòa trộn và phun trên
đường nạp (gần phía xupap nạp) để nghiên
cứu cung cấp CNG trang bị cho động cơ
xăng có hệ thống phun xăng điện tử đang
lưu hành.
1.3.3 Chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG
Động cơ CNG làm việc theo nguyên lý đốt cháy cưỡng bức nên nếu chuyển đổi động cơ
diesel sang sử dụng CNG thì ngoài việc trang bị mới hệ thống cung cấp 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 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 chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG 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. Chính vì vậy đề tài này 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 CNG của động cơ chuyển đổi.
1.3.4. Các nghiên cứu sử dụng CNG cho ĐCĐT
1.3.4.1 Trên thế giới
Nghiên cứu của Tahir và cộng sự, với phương pháp cấp CNG vào đường ống nạp, công suất
1
2
3
4
5
6
7
1. Bình 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 1.3. Sơ đồ hệ thống phun CNG trực tiếp
1. Bình CNG; 2. Van điện từ; 3. Bộ giảm áp; 4. Ống phân
phối; 5. ECU điều khiển vòi phun CNG; 6. Tín hiệu từ các
cảm biến; 7. Tín hiệu điều khiển vòi phun; 8. Vòi phun
CNG; 9. Đường cấp CNG vào cửa nạp; 10. Động cơ.
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống phun đa điểm CNG
5
CNG
ECU
4
32
1
7
8
910
6
5
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.
Kết quả nghiên cứu của M.U. Aslam và cộng sự so sánh việc sử dụng CNG và xăng trên
cùng một động cơ xăng hoán cải cho thấy áp suất có ích trung bình giảm khoảng 16% khi sử
dụng CNG so với khi sử dingj xăng. Tuy nhiên, suất tiêu hao năng lượng có ích lại cải thiện trung
bình khoảng 1,65 MJ/kWh ở chế độ toàn tải. Hàm lượng các phát thải độc hại CO giảm trung
bình 80%, CO2 giảm 20% và HC giảm 50%, trong khi đó NOx lại tăng 33%.
R.L. Evans và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của CNG đến tính năng làm việc và phát
thải độc hại của động cơ thí nghiệm 1 xylanh Ricardo bằng phương pháp phun CNG vào cửa nạp.
Kết quả cho thấy, công suất của động cơ giảm trung bình khoảng 12%, hiệu suất nhiệt của động
cơ gần tương tự như sử dụng nhiên liệu xăng và cải thiện một chút ở vùng hỗn hợp nghèo. Tất cả
các thành phần phát thải đều giảm trong khoảng từ 5 đến 50% tùy theo từng loại.
Kết quả nghiên cứu của Ali M. Pourkhesalian và cộng sự 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 cho thấy nhiên liệu khí làm giảm khoảng 12% lượng không khí nạp, và do đó, công
suất giảm tới 20%. Phát thải CO và HC cũng giảm mạnh tương tự kết quả của các tác giả khác.
Theo kết quả nghiên cứu của M.A. Kalam cùng cộng sự, khi chuyển đổi động cơ sử dụng
xăng sang phun CNG trực tiếp, 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 số dư lượng không khí.
1.3.4.2. Ở Việt Nam
Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí biogas và LPG, còn việc
nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ thì chưa nhiều. Tác giả Lê Văn Tụy nghiên cứu mô phỏng
cung cấp CNG cho động cơ có tỷ số nén cao (động cơ KamAZ 740) mới chỉ dừng lại ở kết quả
mô phỏng mà chưa đánh giá đầy đủ bằng thực nghiệm; Nguyễn Sĩ Thắng và cộng sự đã nghiên
cứu sử dụng CNG trên hai xe Innova và Altis nhưng sử dụng các bộ kít chuyển đổi cung cấp
CNG bán trên thị trường nên có vẻ không tối ưu với động cơ thí nghiệm và kết quả thu được
không được như mong đợi.
1.3.5. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ chuyển đổi
Nói chung các kết quả nghiên cứu đều chỉ ra rằng khi chuyển động cơ xăng sang sử dụng
CNG bằng việc cung cấp CNG vào đường ống nạp, phát thải của động cơ cải thiện nhiều nhưng
công suất động cơ giảm đến 20% so với khi sử dụng xăng. Do đó, cần nghiên cứu áp dụng một số
giải pháp công nghệ để hạn chế sự suy giảm công suất của động cơ chuyển đổi, có thể gồm:
1.3.5.1. Thay đổi kết cấu động cơ
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, thiết kế đường ống nạp tạo xoáy để tăng tốc độ cháy
của động cơ, tăng góc đánh lửa sớm để khắc phục thời gian cháy trễ dài của CNG. Tuy nhiên, các
biện pháp này cần thay đổi nhiều về kết cấu động cơ, làm tăng chi phí nên khó áp dụng cho việc
chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG.
1.3.5.2. Bổ sung hydro
Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng bổ sung hydro vào động cơ CNG là một phương
pháp hữu hiệu để cải thiện quá trình cháy, từ đó giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải của
động cơ. Tuy nhiên vì hydro là khí nhẹ nên công suất động cơ không cải thiện được bao nhiêu,
thậm chí bị giảm khi tỷ lệ hydro bổ sung trong nhiên liệu cao. Mặt khác công nghệ này cũng phức
tạp nên khó áp dụng thực tế.
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 nhằm
nâng cao hiệu quả quá trình cháy giúp cháy nhanh, cháy kiệt để tăng công suất, giảm tiêu hao
nhiên liệu và phát thải đã được quan tâm từ lâu. Một số loại phụ gia cải thiện đặc tính cháy đã
được sử dụng nhiều như ether, các loại hydrocarbon dễ cháy, nitromethane, butyl rubber, Maz-
nitro, v.v. Trong các loại phụ gia này, Maz-nitro, một phụ gia hữu cơ dạng lỏng, được chứng