
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
,
Vũ Quang Anh
3 ,
Nguyễn Thành Trung
4
Tóm tắt: Khí thiên nhiên là nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong có tiềm năng lớn vì đáp ứng
được các tiêu chí về phát thải và trữ lượng lớn. Tuy nhiên, khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng
CNG mà không thay đổi kết cấu làm giảm công suất động cơ. Để khắc phục nhược điểm này, có thể
sử dụng một biện pháp đơn giản và hiệu quả là sử dụng phụ gia nhiên liệu. Bài báo này trình bày kết
quả nghiên cứu 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. Kết quả cho thấy, khi bổ sung phụ gia 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 dụng là các loại nhiên liệu có trữ lượng
lớn và có thể sử dụng dễ dàng cho các động cơ
đang tồn tại mà không cần thay đổi nhiều về kết
cấu, đồng thời có mức độ ô nhiễm khí thải thấp
(H. Knapp, 1990; Mahmood Farzaneh-Gord và
cộng sự, 2011). Trong số này, khí thiên nhiên là
nhiên liệu thay thế có tiềm năng hơn cả vì đáp
ứng được các tiêu chí trên và có trữ lượng lớn,
trên thế giới ước tính có trên 190 nghìn tỷ 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 cơ cháy tốt hơn và có thể làm việc với
hỗn hợp nghèo hơn. Nhiệt độ màng lửa của hỗn
hợp thấp nên nồng độ NOx trong sản phẩm cháy
cũng thấp. Nhiên liệu có thể được lưu giữ ở dạng
khí thiên nhiên nén (CNG) để cung cấp cho động
cơ của các phương tiện vận tải (H. Knapp, 1990;
1
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp
2
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì
3
Khoa Công nghệ ô tô, Trường Cao Đẳng Cơ khí nông nghiệp
4
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghệ Giao thông
vận tải
Mahmood Farzaneh-Gord và cộng sự, 2011). Vì
vậy, khí thiên nhiên có các thành phần phát thải
thấp hơn so với nhiên liệu xăng và 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, công suất động cơ giảm 9% ÷ 19% khi
phun CNG hay sử dụng bộ hòa trộn (Nguyễn
Thành Trung, 2019; M. Pourkhesalian Ali, 2010;
Musthafah Mohd và cộng sự, 2015).
Khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng
CNG có thể không cần thay đổi kết cấu của động
cơ mà cần áp dụng một phương pháp khác như
sử dụng phụ gia nhiên liệu để hạn chế sự giảm
công suất động cơ khi chuyển sang sử dụng CNG
(Arthur R. Foote và cộng sự, 2015; Ridwan
Gunawan và cộng sự, 2010).
Bài báo này tập trung vào nghiên cứu đánh giá
hiệu quả của phụ gia Maz-nitro trên động cơ
CNG được chuyển đổi từ động cơ xăng.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên
động cơ Toyota Vios 1NZ-FE sử dụng nhiên liệu
xăng truyền thống và nhiên liệu khí thiên nhiên
nén (CNG) được cung cấp bằng 03 cách (Bộ đĩa

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
67
CD đào tạo Kỹ thuật viên Toyota (Team 21)):
một là từ một bộ hoà trộn kiểu ống venturi bố trí
trên đường nạp, hai là sử dụng hệ thống điều
khiển điện tử phun vào đường nạp động cơ, ba là
là sử dụng hệ thống điều khiển điện tử phun vào
đường nạp động cơ có phụ gia. Sau đó công suất,
mô men, tiêu thụ nhiên liệu và phát thải của động
cơ nguyên bản (ký hiệu trên đồ thị: RON 92)
được so sánh với 03 phương pháp trên (ký hiệu
trên đồ thị: Bộ trộn CNG, Phun CNG, Phun
CNG+PG) và đưa ra nhận xét. Các trang thiết bị
thí nghiệm và sơ đồ bố trí thí nghiệm được thực
hiện tại Phòng thí nghiệm Động lực và phương
tiện tự hành, trường Cơ khí, Đại học Bách Khoa
Hà Nội (Nguyễn Thành Trung, 2019).
Để xác định tỷ lệ phụ gia, nhóm nghiên cứu
cho vận hành động cơ ở toàn tải trong 1 giờ, đo
tiêu hao nhiên liệu và tiêu hao phụ gia trong ống
chứa phụ gia rồi tính tỷ lệ phụ gia/nhiên liệu. Từ
đó, cho kết quả tỷ lệ phụ gia là 0,8% và đảm bảo
tỷ lệ tối ưu định trước khi cố định ở mọi chế độ
làm việc của động cơ.
Bảng 1. Thông số cơ bản của động cơ Toyota Vios 1NZ-FE
Thông số Ký 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 mức (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 sử dụng
nhiên liệu khí CNG với bộ hòa trộn, phun CNG
và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro
so với công suất của động cơ xăng nguyên thủy
sử dụng xăng thương phẩm RON 92 được thực
hiện ở các chế độ làm việc trên đường đặc tính
ngoài 100% tải của động cơ với với dải tốc độ từ
1000 v/ph đến 4000 v/phút để đảm bảo an toàn
cho động cơ và hệ thống thiết bị thử nghiệm khi
chạy với thời gian dài. Kết quả thử nghiệm đo
công suất động cơ và đánh giá sự thay đổi công
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 cơ nguyên thủy sử dụng xăng RON 92 với
hệ thống phun xăng điện tử đa điểm. Đối với
trường hợp sử dụng CNG với bộ hòa trộn, công
suất động cơ giảm khá lớn, trung bình giảm 20,8%
trên toàn dải tốc độ khảo nghiệm, trong khi đối
với trường hợp sử dụng hệ thống phun CNG, công
suất động cơ chỉ giảm trung bình khoảng 15,9%
so với khi sử dụng xăng RON 92.
Nguyên nhân cơ bản của sự giảm công suất
nói trên là do khi sử dụng nhiên liệu khí CNG
theo phương pháp cấp nhiên liệu khí vào đường
nạp của động cơ thì lượng không khí nạp bị giảm
do nhiên liệu khí chiếm chỗ nên lượng hỗn hợp
cháy giảm so với khi sử dụng xăng. Thực vậy,
trong cùng điều kiện nạp với động cơ xăng và với
hỗn hợp có = 1 thì lượng không khí nạp trong
động cơ CNG theo tính toán giảm khoảng 11%.
Thêm nữa, tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
68
của nhiên liệu CNG là 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
có nhiệt năng nhỏ hơn hỗn hợp nạp của động cơ
xăng khoảng 15% ÷ 16%.
3.2. Đánh giá tiêu hao nhiên liệu của động cơ
So sánh đánh giá được thực hiện ở các chế độ
làm việc trên đường đặc tính ngoài và đặc tính
tải. Kết quả thử nghiệm được thể hiện trên đồ thị
Hình 2 cho thấy, trên toàn dải tốc độ và tải khi sử
dụng CNG tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm
đáng kể so với khi sử dụng xăng.
Ở đặc tính ngoài, suất tiêu hao nhiên liệu nói
chung khá cao ở tốc độ nhỏ (trên 350g/kW.h ở
1000v/ph), giảm nhanh khi tốc độ tăng và đạt
nhỏ nhất ở vùng tốc độ 2500v/ph ÷ 3500v/ph.
Đây là vùng tốc độ làm việc kinh tế và cũng là
vùng tốc độ làm việc thường xuyên của động cơ.
Khi sử dụng CNG với bộ hòa trộn, mức giảm
tiêu hao nhiên liệu trung bình khoảng 2,4% so
với khi sử dụng xăng. Trong trường hợp này,
công suất động cơ giảm trung bình 20,8% như đã
nói ở trên nhưng suất tiêu hao nhiên liệu không
những không tăng mà còn giảm 2,4%. Lý do là vì
khối lượng nhiên liệu CNG cấp vào động cơ thấp
hơn nhiều so với nhiên liệu xăng trong khi nhiệt
trị khối lượng của nhiên liệu CNG (50 MJ/kg)
lớn hơn nhiệt trị của xăng (44 MJ/kg) đến 13,6%.
Động cơ sử dụng hệ thống phun CNG có suất
tiêu hao nhiên liệu thấp hơn 3,1% so với khi sử
dụng hệ thống cấp CNG bằng bộ hòa trộn và thấp
hơn 5,4% so với suất tiêu hao nhiên liệu khi sử
dụng xăng RON 92. Lý do là vì tổn thất khí động
và sự không đồng đều về hỗn hợp giữa các xi
lanh của động cơ phun CNG thấp hơn so với
động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn.
Trong trường hợp phun CNG và bổ sung phụ
gia thì suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm
ở hầu hết trên toàn dải tốc độ và mức giảm trung
bình 5,0% so với trường hợp phun CNG không
bổ sung phụ gia. Lý do và vì quá trình cháy được
cải thiện, nhiên liệu cháy kiệt và hiệu quả của
quá trình cháy sinh nhiệt và giãn nở cao hơn. Ở
tốc độ thấp thì suất tiêu hao nhiên liệu có xu
hướng tăng nhưng không đáng kể, điều này có
thể giải thích là do ở tốc độ nhỏ thì thời gian của
quá trình cháy đủ dài để cháy hết nhiên liệu mà
không cần phụ gia nên tác dụng 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
Ở đặc tính tải, suất tiêu hao nhiên liệu của
động cơ sử dụng CNG khá cao ở tải nhỏ và còn
cao hơn suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ sử
dụng xăng ở tải này. Điều này có thể do ở tải
nhỏ, chất lượng tạo hỗn hợp và nhiệt độ cháy hỗn
hợp CNG-không khí thấp hơn nhiều so với ở tải
lớn và so với động cơ xăng ở cùng chế độ tải,
dẫn đến chất lượng và hiệu quả cháy kém. Khi
tăng tải thì chất lượng hỗn hợp và nhiệt độ cháy
của động cơ CNG tăng nhanh giúp cho quá trình
tạo hỗn hợp và cháy tốt hơn nên suất tiêu hao
nhiên liệu giảm nhanh hơn so với suất tiêu hao
nhiên liệu của động cơ sử dụng xăng RON 92.
Trên toàn dải công suất, suất tiêu hao nhiên liệu
của động cơ khi sử dụng CNG được cải thiện
nhiều so với suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
khi sử dụng xăng RON 92 với tỷ lệ cải thiện
trung bình tương tự như ở đặc tính ngoài. Đặc
biệt là ở trường hợp phun CNG kết hợp bổ sung
phụ gia, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
được cải thiện trên toàn dải công suất, mức cải
thiện so với trường hợp phun CNG không bổ
sung phụ gia từ 5% ÷ 6%.
Với kết quả phân tích như trên có thể thấy
rằng phụ gia Maz-nitro giúp cải thiện tốt quá
trình cháy của động cơ làm cho quá trình cháy
kiệt hơn và 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 mà công suất động cơ tăng lên và
suất tiêu hao nhiên liệu giảm. Việc cấp phụ gia
cũng không phức tạp bằng thay đổi góc đánh lửa
sớm của động cơ nên động cơ chuyển đổi có thể
không cần tối ưu hóa góc đánh lửa sớm khi sử
dụng CNG, mà thay vào đó là sử dụng phụ gia
cải thiện quá trình cháy CNG. Với phương pháp
này thì cho phép quay lại sử dụng xăng một cách
dễ dàng khi cần mà không cần phải trang bị hai
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 phụ gia Maz-
nitro trên động cơ xăng tác động trực tiếp đến sự
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 ở các chế
độ toàn tải trên đường đặc tính ngoài của động cơ
được thể hiện trên Hình 3. Kết quả cho thấy, trên
toàn dải tốc độ của đường đặc tính ngoài, phát
thải CO của động cơ sử dụng CNG và
(CNG+PG) đều giảm đáng kể so với phát thải
của động cơ khi sử dụng xăng RON 92. Mức
giảm phát thải CO từ 65% ÷ 95%, trung bình
giảm khoảng 80%. Phát thải CO của động cơ
phun CNG có cải thiện so với động cơ CNG sử
dụng bộ hòa trộn nhưng mức cải thiện không
nhiều. Trong khi đó, bổ sung phụ gia Maz-nitro
trong động cơ 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 là do sự khác biệt về cấu
trúc nhiên liệu CNG và xăng, thành phần chủ yếu
của CNG là CH4 có tỷ lệ C/H nhỏ, trong khi
nhiên liệu xăng có thành phần chính là octane
(C
8
H
18
) có tỷ lệ C/H lớn nên phát thải độc hại
CO giảm đáng kể. Một yếu tố nữa là hỗn hợp
CNG và 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 thải 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 quả đo hàm lượng phát thải HC ở các chế độ
toàn tải trên đường đặc tính ngoài của động cơ được
thể hiện trên Hình 4. Kết quả cho thấy động cơ sử
dụng CNG giảm được hàm lượng phát thải HC từ
82% ÷ 95%, trung bình 85% so với khi sử dụng xăng
RON 92 trên toàn dải tốc độ. Động cơ CNG khi được
bổ sung phụ gia Maz-nitro, phát thải HC của động cơ
giảm từ 5% ÷ 48% ở các tốc độ khác nhau so với khi
cấp CNG không bổ sung phụ gia. Mức giảm HC
trung bình trên toàn dải tốc độ là 27%.
Nguyên nhân chính làm giảm phát thải HC đó
là do CNG ở dạng khí sẽ hòa trộn tốt hơn với
không khí nạp vào trong xi lanh làm cho quá trình
cháy triệt để hơn, và vì CNG cung cấp ở dạng khí
nên sẽ giảm thiểu được phát thải HC sinh ra do cơ
chế hấp thụ và giải phóng HC trên bề mặt gương
xi lanh. Khi bổ sung phụ gia thì quá trình cháy
nhanh và kiệt hơn nên phát thải HC giảm tương tự
như phát thải CO đã nói ở trên.

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 88 (3/2024)
70
Hình 4. Phát thải 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 và biểu diễn kết
quả đo hàm lượng phát thải NOx của động cơ ở
các chế độ tốc độ và tải ổn định trên đường đặc
tính ngoài của động cơ khi sử dụng xăng RON
92, CNG với bộ hòa trộn, CNG phun và CNG
phun có bổ sung phụ gia Maz-nitro (CNG+PG).
Các số liệu bảng và đồ thị cho thấy phát thải NO
x
của động cơ CNG khi có hay không bổ sung phụ
gia đều giảm đáng kể so với động cơ khi sử dụng
xăng. Mức giảm NOx từ 50% ÷ 65%, trung bình
giảm khoảng 58%. Khi động cơ sử dụng CNG
kết hợp bổ sung phụ gia (CNG+PG) thì NOx
thay đổi không đáng kể so với khi động cơ sử
dụng CNG không có phụ gia trên toàn dải tốc độ
và tải.
Có thể giải thích nguyên nhân giảm phát thải
NO
x
là do tốc độ lan tràn màng lửa của CNG
thấp hơn xăng nên quá trình cháy diễn ra chậm
hơn làm tăng tổn thất nhiệt qua thành vách xi
lanh dẫn đến nhiệt độ giảm. Ngoài ra, CNG có
nhiệt độ màng lửa nhỏ hơn của nhiên liệu xăng
và có trị số octance cao hơn xăng nên quá trình
cháy trễ kéo dài hơn cũng làm giảm nhiệt độ quá
trình cháy. Những yếu tố trên đều dẫn tới kết quả
là nhiệt độ quá trình cháy giảm, từ đó giảm phát
thải NO
x
.
Hình 5. Phát thải 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 độ NOx (ppm)
RON 92
Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG
n (v/ph)
nồng độ NOx (ppm)