KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
66
BÀI BÁO KHOA HỌC
ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI
CỦA ĐỘNG CƠ CNG ĐƯỢC CHUYỂN ĐỔI TỪ ĐỘNG CƠ XĂNG
KHI SỬ DỤNG PHỤ GIA MAZ-NITRO
Nguyễn Thanh Bình
1*
, Vũ Quốc Hiến
2
,
Quang Anh
3 ,
Nguyễn Thành Trung
4
Tóm tắt: Khí thiên nhiên nhiên liệu thay thế cho động đốt trong tiềm năng lớn vì đáp ứng
được các tiêu chí về phát thải trữ lượng lớn. Tuy nhiên, khi chuyển đổi động xăng sang sử dụng
CNG không thay đổi kết cấu làm giảm công suất động . Đkhắc phục nhược điểm y, thể
sử dụng một biện pháp đơn giản hiệu quả sử dụng phụ gia nhiên liệu. Bài báo này trình bày kết
quả nghiên cứu đánh giá tính năng kỹ thuật phát thải của động CNG đưc chuyển đổi từ động
xăng khi sử dụng phgia maz-nitro. Kết qucho thấy, khi bổ sung phgia Maz-nitro trong động
cơ phun CNG thì công suất tăng 6,5%, tiêu hao nhiên liệu giảm 5,0%, phát thải CO giảm 25% ÷ 35%,
HC giảm 27% ÷ 34% trong khi NO
x
không cải thiện nhiều so với trường hợp phun CNG không bổ
sung phụ gia.
Từ khóa: Khí thiên nhiên nén (CNG), động cơ CNG, phụ gia Maz-nitro.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
*
Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên nghiên
cứu sử dng các loại nhiên liệu trữ ợng
lớn thể sdụng ddàng cho các động
đang tồn tại không cần thay đổi nhiều về kết
cấu, đồng thời mức đô nhiễm khí thải thấp
(H. Knapp, 1990; Mahmood Farzaneh-Gord
cộng sự, 2011). Trong snày, khí thiên nhiên
nhiên liệu thay thế tiềm năng hơn cả đáp
ứng được các tiêu chí trên trữ lượng lớn,
trên thế giới ưc tính trên 190 nghìn t m3,
trong đó Việt Nam chiếm trên 680 tỷ m3
(Nguyễn Thành Trung, 2019; BP report, 2011).
Khí thiên nhiên có giới hạn thành phần hỗn hợp
cháy được rộng hơn các loại carburhydro khác
nên động cy tốt hơn thể làm việc với
hỗn hợp nghèo hơn. Nhiệt đng lửa của hỗn
hợp thấp nên nồng độ NOx trong sản phẩm cy
cũng thấp. Nhiên liệu thể được lưu giữ dng
khí thiên nhiên nén (CNG) đcung cấp cho động
của các phương tiện vận tải (H. Knapp, 1990;
1
Khoa khí, Tng Đi hc Kinh tế K thut Công nghip
2
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì
3
Khoa Công ngh ô tô, Trường Cao Đng Cơ khí nông nghip
4
Khoa khí, Trường Đại học Công nghệ Giao thông
vận tải
Mahmood Farzaneh-Gord cộng sự, 2011).
vậy, khí thiên nhiên các thành phần phát thải
thấp hơn so với nhiên liệu xăng diesel truyền
thống (Nguyễn Thành Trung, Hoàng Đình Long,
Nguyễn Đức Khánh, Nguyễn Duy Tiến, Nguyễn
Thế Trực, 2013).
Tuy nhiên, khi chuyển sang sử dụng nhiên
liệu CNG, ng suất động giảm 9% ÷ 19% khi
phun CNG hay sử dụng b hòa trộn (Nguyễn
Thành Trung, 2019; M. Pourkhesalian Ali, 2010;
Musthafah Mohd và cộng sự, 2015).
Khi chuyn đổi động xăng sang sử dụng
CNG thể không cần thay đổi kết cấu của động
cần áp dụng một phương pháp khác như
sử dụng phụ gia nhiên liệu để hạn chế sự giảm
công suất động cơ khi chuyn sang sử dụng CNG
(Arthur R. Foote cộng sự, 2015; Ridwan
Gunawan và cộng sự, 2010).
Bài báo y tập trung vào nghiên cứu đánh g
hiệu qu của phụ gia Maz-nitro trên động
CNG được chuyển đổi từ động cơ xăng.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu thc nghiệm được thực hiện trên
động Toyota Vios 1NZ-FE sdụng nhiên liệu
xăng truyền thống nhiên liệu khí thiên nhiên
nén (CNG) được cung cấp bằng 03 ch (Bđĩa
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
67
CD đào tạo K thuật viên Toyota (Team 21)):
một tmột b hoà trộn kiểu ống venturi bố trí
trên đường nạp, hai sử dụng hệ thống điều
khiển điện tử phun vào đường nạp động cơ, ba
sử dụng hệ thống điều khiển điện tử phun vào
đường nạp động cơ phụ gia. Sau đó công suất,
men, tiêu thụ nhiên liệu phát thải của động
nguyên bản (ký hiệu trên đồ thị: RON 92)
được so sánh với 03 phương pháp trên (hiệu
trên đồ thị: Bộ trộn CNG, Phun CNG, Phun
CNG+PG) đưa ra nhận xét. Các trang thiết b
thí nghiệm đồ b trí tnghiệm được thực
hiện tại Phòng thí nghiệm Động lực phương
tiện tự hành, trường Cơ khí, Đi học Bách Khoa
Hà Nội (Nguyễn Thành Trung, 2019).
Để xác định t lệ phụ gia, nhóm nghiên cứu
cho vận hành động toàn tải trong 1 giờ, đo
tiêu hao nhiên liệu tiêu hao phụ gia trong ống
chứa phụ gia rồi tính t lệ phụ gia/nhiên liệu. T
đó, cho kết quả t lệ phụ gia 0,8% đảm bo
tỷ lệ tối ưu định trước khi cđịnh mọi chế đ
làm việc của động cơ.
Bảng 1. Thông số cơ bản của động cơ Toyota Vios 1NZ-FE
Thông số hiệu Giá trị
Hành trình piston/Đường kính (mm) S/D 84,7/75
Số xylanh (-) i 4
Công suất định mức (kW) N
e
80
Mô men cực đại ở n = 4200 v/ph (Nm) M
e max
140
Số vòng quay định mc (v/ph) n
đm
6000
Tỷ số nén (-) 10,5:1
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đánh giá chỉ tiêu công suất của động cơ
Hình 1. 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
Chỉ tiêu công suất của động cơ khi s dng
nhiên liệu khí CNG với bhòa trộn, phun CNG
phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro
so với công suất của động xăng nguyên thủy
sử dụng xăng thương phẩm RON 92 được thực
hiện các chế đ làm việc trên đường đặc tính
ngoài 100% tải của động với với di tốc đ từ
1000 v/ph đến 4000 v/phút đđảm bảo an toàn
cho động hệ thống thiết bị thử nghiệm khi
chạy với thời gian dài. Kết qu thử nghiệm đo
công suất động cơ đánh gsự thay đổi ng
suất ứng với các loại nhiên liệu được thể hiện
bằng số trên đồ thị Hình 1.
Kết quả trên cho thấy công suất của động cơ
khi sử dụng CNG giảm nhiều so với công suất
động nguyên thy sử dụng xăng RON 92 vi
h thống phun xăng điện tử đa đim. Đối với
trường hợp sử dụng CNG với bhòa trộn, công
suất động cơ giảm khá lớn, trung bình giảm 20,8%
trên toàn dải tc độ khảo nghiệm, trong khi đi
với trường hợp sử dụng hthống phun CNG, công
suất động chỉ gim trung bình khoảng 15,9%
so với khi sử dụng xăng RON 92.
Nguyên nhân bản của sự giảm công suất
nói trên do khi sử dụng nhiên liệu khí CNG
theo phương pháp cấp nhiên liệu khí vào đường
nạp của động tlượng không khí nạp bị giảm
do nhiên liệu khí chiếm chỗ nên ợng hỗn hợp
cháy giảm so với khi s dng xăng. Thực vậy,
trongng điều kiện nạp với động cơ xăng và với
hỗn hợp = 1 thì lượng không khí nạp trong
động CNG theo tính toán giảm khoảng 11%.
Thêm nữa, t lệ không khí/nhiên liệu thuyết
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
68
của nhiên liệu CNG 16,8 lớn hơn 14,7 của
nhiên liệu xăng. Hai yếu tố này dẫn đến hỗn hợp
không khí-nhiên liệu nạp vào của động cơ CNG
nhiệt năng nhỏ hơn hỗn hợp nạp của động
xăng khoảng 15% ÷ 16%.
3.2. Đánh giá tiêu hao nhiên liệu của động cơ
So sánh đánh gđược thực hiện các chế đ
làm việc trên đường đặc tính ngoài đặc tính
tải. Kết quthử nghiệm được thể hiện trên đồ th
Hình 2 cho thấy, trên toàn dải tốc độ và tải khi sử
dụng CNG tiêu hao nhiên liệu của động giảm
đáng kể so với khi sử dụng xăng.
đặc nh ngoài, suất tiêu hao nhiên liệu nói
chung khá cao tốc đ nhỏ (trên 350g/kW.h
1000v/ph), giảm nhanh khi tốc độ tăng đạt
nhỏ nhất vùng tốc độ 2500v/ph ÷ 3500v/ph.
Đây vùng tốc độ làm việc kinh tế ng
vùng tốc độ làm việc thường xuyên của động cơ.
Khi sdụng CNG với bhòa trộn, mức giảm
tiêu hao nhiên liệu trung bình khong 2,4% so
với khi sử dụng xăng. Trong trường hợp này,
công suất động giảm trung bình 20,8% như đã
nói trên nhưng suất tiêu hao nhiên liệu không
những không tăng còn giảm 2,4%. Lý do là vì
khối ợng nhiên liệu CNG cấp vào động cơ thấp
hơn nhiều so với nhiên liệu xăng trong khi nhiệt
trị khi ợng ca nhiên liệu CNG (50 MJ/kg)
lớn hơn nhiệt trị của xăng (44 MJ/kg) đến 13,6%.
Động sdụng hệ thống phun CNG suất
tiêu hao nhiên liệu thấp hơn 3,1% so với khi sử
dụng hệ thống cấp CNG bằng b hòa trộn thấp
hơn 5,4% so với suất tiêu hao nhiên liệu khi s
dụng ng RON 92. do là tổn thất khí động
s không đồng đều về hỗn hợp giữa các xi
lanh của động phun CNG thấp hơn so với
động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn.
Trong trường hợp phun CNG bsung phụ
gia thì suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm
hầu hết trên toàn dải tốc đmức giảm trung
bình 5,0% so với trường hợp phun CNG không
bổ sung phụ gia. do quá trình cháy được
cải thiện, nhiên liệu cháy kiệt hiu quả của
quá trình cháy sinh nhiệt giãn nở cao hơn.
tốc độ thấp thì suất tiêu hao nhiên liệu xu
hướng tăng nhưng không đáng kể, điều này
thể giải thích do tốc đnhỏ tthời gian của
quá trình cháy đủ dài để cháy hết nhiên liệu
không cần phụ gia nên c dng của phụ gia
không được thể hiện.
Hình 2. 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
đặc tính tải, suất tiêu hao nhiên liệu của
động sử dụng CNG khá cao tải nhỏ còn
cao hơn suất tiêu hao nhiên liệu của động sử
dụng xăng tải này. Điều y thể do tải
nhỏ, chất lượng tạo hỗn hợp nhiệt độ cy hỗn
hợp CNG-không khí thấp hơn nhiều so với tải
lớn so với động cơ xăng cùng chế đ tải,
dẫn đến chất lượng hiệu quả cháy kém. Khi
tăng tải thì chất lượng hỗn hợp nhiệt đcháy
của động cơ CNG tăng nhanh giúp cho quá trình
tạo hỗn hợp cháy tốt hơn nên sut tiêu hao
nhiên liệu giảm nhanh hơn so với suất tiêu hao
nhiên liệu của động cơ sử dng xăng RON 92.
Trên toàn dải công suất, suất tiêu hao nhiên liệu
của động khi s dụng CNG được cải thiện
nhiều so với suất tiêu hao nhiên liệu của động
khi sử dụng ng RON 92 với t lệ cải thiện
trung bình tương t như đặc nh ngoài. Đặc
biệt trường hợp phun CNG kết hợp bổ sung
phụ gia, suất tiêu hao nhiên liệu của động
được cải thiện trên toàn dải công suất, mức cải
thiện so với trường hợp phun CNG không b
sung phụ gia từ 5% ÷ 6%.
Với kết quả phân tích như trên thể thấy
rằng phụ gia Maz-nitro giúp cải thiện tốt q
trình cháy của động cơ làm cho quá trình cy
kiệt hơn nhanh hơn nên tận dụng được nhiều
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
69
năng lượng của nhiên liệu hơn cho quá trình sinh
công. Nhờ đó ng suất động cơ ng lên
suất tiêu hao nhiên liệu giảm. Việc cấp phụ gia
cũng không phc tạp bằng thay đổi góc đánh lửa
sớm của động nên động chuyển đổi thể
không cần tối ưu hóa góc đánh lửa sm khi s
dụng CNG, thay vào đó s dụng phụ gia
cải thiện quá trình cháy CNG. Với phương pháp
này tcho phép quay lại sử dụng xăng một cách
dễ dàng khi cần không cần phải trang bhai
ECU riêng biệt cho hai hệ thống cung cấp nhiên
liệu và đánh lửa.
3.3. Đánh giá phát thải của động cơ
Việc sử dụng nhiên liệu CNG và phgia Maz-
nitro trên động cơ xăng tác động trực tiếp đến s
thay đổi hàm lượng các thành phần phát thải độc
hại CO, HC và NO
x
trong khí thải của động cơ.
3.3.1. Phát thải CO
Kết quả đo hàm lượng phát thải CO các chế
độ toàn tải trên đường đặc nh ngoài của động
được thể hiện trên Hình 3. Kết qucho thấy, trên
toàn dải tốc đ của đường đặc nh ngoài, phát
thải CO của động sử dụng CNG
(CNG+PG) đều giảm đáng kể so với phát thải
của động khi sử dụng xăng RON 92. Mức
giảm phát thải CO từ 65% ÷ 95%, trung nh
giảm khoảng 80%. Phát thải CO của động
phun CNG cải thiện so với động CNG sử
dụng b a trộn nhưng mức cải thiện không
nhiều. Trong khi đó, bsung phụ gia Maz-nitro
trong động phun CNG (CNG+PG) giúp giảm
đáng kể hàm lượng phát thải CO so với không bổ
sung phụ gia với mức giảm trung bình 35%.
Phát thải CO giảm do s khác biệt về cấu
trúc nhiên liệu CNG xăng, thành phần chủ yếu
của CNG CH4 tỷ lệ C/H nhỏ, trong khi
nhiên liu xăng thành phần chính octane
(C
8
H
18
) có tỷ lệ C/H lớn nên phát thải độc hại
CO giảm đáng kể. Một yếu t nữa hỗn hợp
CNG không khí được hòa trộn tốt hơn dẫn tới
quá trình cháy triệt để hơn, điều này cũng góp
phần làm giảm phát thải CO.
Hình 3. Phát thi 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
3.3.2. Phát thải HC
Kết qu đo hàm lượng phát thải HC các chế độ
toàn tải tn đưng đặc tính ngoài của động cơ được
th hin trên nh 4. Kết qu cho thấy động sử
dụng CNG gim đưc hàm lượng phát thải HC từ
82% ÷ 95%, trung bình 85% so với khi sử dụngng
RON 92 tn toàn dải tốc đ. Động CNG khi đưc
b sung phụ gia Maz-nitro, phát thải HC của đng cơ
gim từ 5% ÷ 48% ở các tc độ khác nhau so với khi
cấp CNG không bổ sung ph gia. Mức gim HC
trung bình tn toàn dải tc đ là 27%.
Nguyên nhân chính làm giảm phát thải HC đó
do CNG dạng khí sẽ hòa trộn tốt hơn vi
không khí nạp vào trong xi lanh làm cho quá trình
cháy triệt để hơn, và CNG cung cấp dạng khí
nên sẽ giảm thiểu được phát thải HC sinh ra do cơ
chế hấp thụ và gii phóng HC trên bmặt gương
xi lanh. Khi b sung phụ gia tquá trình cháy
nhanh và kiệt hơn nên phát thi HC giảm tương tự
như phát thi CO đã nói ở trên.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
70
Hình 4. Phát thi 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
3.3.3. Phát thải NOx
Các đồ thị Hình 5 thể hiện biểu diễn kết
quả đo hàm lượng phát thải NOx của động
các chế đtốc độ tải ổn định trên đường đặc
tính ngoài của động khi s dng xăng RON
92, CNG với b hòa trộn, CNG phun CNG
phun bsung phụ gia Maz-nitro (CNG+PG).
Các sliệu bảng và đồ th cho thấy phát thải NO
x
của động CNG khi hay không bsung phụ
gia đều giảm đáng kể so với động cơ khi sử dng
xăng. Mức giảm NOx từ 50% ÷ 65%, trung bình
giảm khoảng 58%. Khi động sử dụng CNG
kết hợp b sung phụ gia (CNG+PG) t NOx
thay đổi không đáng kể so với khi động s
dụng CNG không phụ gia trên toàn dải tốc đ
và tải.
thể giải thích nguyên nhân giảm phát thải
NO
x
do tốc đ lan tràn ng lửa ca CNG
thấp hơn xăng nên quá trình cy diễn ra chậm
hơn làm tăng tổn thất nhit qua thành vách xi
lanh dẫn đến nhiệt độ giảm. Ngoài ra, CNG
nhiệt đng lửa nhỏ hơn của nhiên liệu ng
có trị soctance cao hơn xăng nên quá trình
cháy trễ kéo dài hơn ng làm giảm nhiệt đq
trình cháy. Những yếu ttrên đều dẫn tới kết quả
nhiệt độ quá trình cháy giảm, từ đó giảm phát
thải NO
x
.
Hình 5. Phát thi 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
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tốc độ động cơ (v/p)
Nồng đNOx (ppm)
RON 92
Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG
n (v/ph)
nồng độ NOx (ppm)