Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên nén (cng) trên động cơ đốt trong

Các loại nhiên liệu thay thế được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên liệu sạch phát thải độc hại thấp, trữ lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên động cơ truyền thống mà k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ĐỨC KHÁNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) TRÊN

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ĐỨC KHÁNH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU

KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN (CNG) TRÊN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Hoàng Đình Long

Hà Nội – 2014

i

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi

Các s ố liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố

trong các công trình nào khác!

Hà N ội, tháng 11 năm 2014

H ọc viên

Nguy ễn Đức Khánh

ii

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại

học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện

luận văn trong thời gian công tác tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long đã hướng dẫn tôi hết

sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành

luận văn

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô, đồng nghiệp Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận văn đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận văn này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và

thực hiện công trình này

H ọc viên

Nguy ễn Đức Khánh

iii

M ỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN i

L ỜI CẢM ƠN ii

DANH M ỤC HÌNH VẼ v

DANH M ỤC BẢNG BIỂU vii

DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

M Ở ĐẦU 1

i M ục đích nghiên cứu của đề tài 2

ii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

iii N ội dung nghiên cứu 3

iv Ph ương pháp nghiên cứu 3

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 3

vi Các n ội dung chính của đề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 5

1.1 T ổng quan về nhiên liệu thay thế 5

1.1.1 Nhiên liệu sinh học cồn 6

1.1.2 Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG 7

1.1.3 Nhiên liệu hydro 7

1.1.4 Một số loại nhiên liệu khác 8

1.2 Nhiên li ệu khí thiên nhiên nén 9

1.2.1 Tính chất của khí thiên nhiên nén 9

1.2.2 Ưu điểm của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống 10

1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng CNG 11

1.3 Tình hình nghiên c ứu sử dụng nhiên liệu CNG trên động cơ đánh lửa cưỡng bức 17

1.3.1 Đặc điểm kết cấu động cơ đánh lửa cưỡng bức sử dụng nhiên liệu CNG17 1.3.2 Các phương pháp cung cấp nhiên liệu CNG 19

1.3.3 Bộ phụ kiện chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bức sang chạy nhiên liệu CNG 24

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 27

1.4 K ết luận Chương 1 31

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG C ẤP CNG CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC 32

2.1 Gi ới thiệu chung 32

iv

2.2 Thi ết kế, chế tạo hệ thống cung cấp CNG trên động cơ 1NZ-FE 34

2.2.1 Các cảm biến sử dụng trên động cơ 34

2.2.2 Lựa chọn các cơ cấu chấp hành 35

2.2.3 Sơ đồ thiết kế phần cứng bộ điều khiển 40

2.2.4 Thuật toán đọc và tính các giá trị cảm biến tốc độ động cơ 43

2.2.5 Chương trình điều khiển ECC 44

2.2.6 Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu ECC 45

2.2.7 Kết quả 46

2.3 K ết luận Chương 2 47

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 48

3.1 M ục tiêu và phạm vi thử nghiệm 48

3.2 Thi ết bị thử nghiệm 48

3.2.1 Băng thử động lực học cao ETB 48

3.2.2 Hệ thống đo phát thải 49

3.3 Động cơ thử nghiệm 53

3.4 Điều kiện thử nghiệm 54

3.5 B ố trí, phương pháp và chương trình thử nghiệm 54

3.5.1 Bố trí lắp đặt và hiệu chỉnh động cơ trên băng thử 54

3.5.2 Phương pháp và chương trình thử nghiệm 55

3.6 K ết quả thử nghiệm và đánh giá 58

3.6.1 Đánh giá tính năng làm việc của động cơ 58

3.6.2 So sánh thành phần phát thải độc hại 61

3.7 K ết luận Chương 3 63

K ẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 65

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 67

v

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phân loại nhiên liệu thay thế dùng trên ĐCĐT 5

Hình 1.2 Bản đồ sản lượng khí thiên nhiên phân bố theo khu vực 12

Hình 1.3 Số lượng NGV trên thế giới theo năm và khu vực 13

Hình 1.4 Xe buýt chạy bằng khí CNG 16

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng ống venturi có lỗ xung quanh họng 20 Hình 1.5 Họng venturi với một đường CNG vào loại cùng chiều 20

Hình 1.6 Kết cấu bộ chế hòa khí dạng modul hóa 20

Hình 1.7 Họng venturi với một đường CNG vào loại trực giao 21

Hình 1.8 Sơ đồ cung cấp CNG trên động cơ dùng bộ trộn và điều khiển điện tử 22

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun CNG vào đường nạp theo nguyên lý phun đa điểm23 Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống phun CNG trực tiếp 24

Hình 1.11 Bộ kít chuyển đổi theo nguyên lý ống venturi 25

Hình 1.12 Bộ kít chuyển đổi theo nguyên lý phun đa điểm 26

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG 32

Hình 2.2 Nguyên lý của cảm biến tốc độ và thời điểm 34

Hình 2.3 Tín hiệu vị trí trục khuỷu và vị trí trục cam 35

Hình 2.4 Hình ảnh bộ giảm áp 36

Hình 2.5 Kết cấu vòi phun khí kiểu điện từ 37

Hình 2.6 Vòi phun khí của hãng LGC 37

Hình 2.7 Đặc tính lưu lượng theo thời gian mở vòi phun 38

Hình 2.8 Kết cấu van điện từ 39

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 5V 40

Hình 2.10 Mạch xử lý tín hiệu tốc độ 41

Hình 2.11 Mạch điều khiển vòi phun CNG 41

Hình 2.12 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển van điện từ và rơle đóng mở CNG 42

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối theo chuẩn RS232 42

vi

Hình 2.14 Sơ đồ thuật toán đọc tốc độ động cơ 44

Hình 2.15 Nguyên lý điều khiển phun 44

Hình 2.16 Giao diện phần mềm kết nối bộ điều khiển với máy tính 45

Hình 2.17 Mạch in và mạch điều khiển sau khi hoàn thành 46

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm 48

Hình 3.2 Sơ đồ phòng thử động cơ 49

Hình 3.3 Mô hình tủ CEB-II 50

Hình 3.4 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích CO 51

Hình 3.5 Sơ đồ cấu tạo của bộ phân tích NO và NOx 52

Hình 3.6 Sơ đồ cấu tạo hệ thống đo HC 52

Hình 3.7 Động cơ 1NZ-FE thử nghiệm 53

Hình 3.8 Sơ đồ lắp đặt hệ thống vòi phun khí CNG 55

Hình 3.9 So sánh công suất, mô men khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngoài 59

Hình 3.10 So sánh Gkk chạy xăng và CNG ở đặc tính ngoài 60

Hình 3.11 So sánh Gkk chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 60

Hình 3.12 So sánh BSEC chạy xăng và CNG ở đặc tính ngoài 60

Hình 3.13 So sánh BSEC chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 60

Hình 3.14 So sánh phát thải CO khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngoài 61

Hình 3.15 So sánh phát thải CO khi chạy xăng và CNG ở các tải 61

Hình 3.16 So sánh phát thải HC khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngoài 61

Hình 3.17 So sánh phát thải HC khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 61

Hình 3.18 So sánh phát thải NOx khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngoài 62

Hình 3.19 So sánh phát thải NOx khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 62

Hình 3.20 So sánh phát thải CO2 khi chạy xăng và CNG ở đặc tính ngoài 62

Hình 3.21 So sánh phát thải CO2 khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 62

vii

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh một số tính chất của CH4 và nhiên liệu truyền thống 10

Bảng 1.2 Thành phần khí thiên nhiên theo khu vực 12

Bảng 1.3 Thống kê tình hình phát triển chung ở khu vực Châu Á 14

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của bình chứa CNG 36

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật bộ giảm áp 36

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của vòi phun 38

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của van điện từ 39

Bảng 3.1 Những thông số cơ bản của động cơ Toyota Vios 1NZ-FE 53

NGV Xe chạy nhiên liệu khí thiên nhiên

CNG Nhiên liệu khí thiên nhiên nén

HCNG Hỗn hợp nhiên liệu hydro/CNG

ETB Băng thử động lực học cao

CEB-II Hệ thống phân tích khí thải

BSEC Suất tiêu hao năng lượng có ích

LHV Nhiệt trị thấp

1

M Ở ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của công nghiệp là sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông vận tải, các thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong (ĐCĐT) Từ đó, nhu cầu sử dụng nhiên liệu càng ngày càng trở lên cấp thiết, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch truyền thống xăng và dầu diesel Nhu cầu sử

dụng nhiên liệu tăng, gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống Thêm nữa, khi tiêu thụ nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống sẽ thải ra môi trường một lượng lớn các chất độc hại Điều này dẫn đến những tác động xấu đến môi trường sinh thái, biến đổi khí hậu, trái đất nóng lên và hiện tượng băng tan ở hai địa cực và đặc biệt ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người

Việt Nam là nước đang phát triển nên cũng không nằm ngoài quy luật phát triển chung của thế giới Tình trạng thiếu nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí

thải động cơ đang ở mức báo động Do đó, vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu và sử

dụng các loại nhiên liệu thay thế có mức độ phát thải độc hại thấp để một mặt giảm

ô nhiễm môi trường, mặt khác có thể bù đắp một phần nhu cầu sử dụng nhiên liệu truyền thống Các loại nhiên liệu thay thế được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên

liệu sạch (phát thải độc hại thấp), trữ lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên động cơ truyền thống mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu Có thể kể đến một số loại nhiên liệu như hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng, khí thiên nhiên, khí sinh

khối Trong các loại nhiên liệu đó, khí thiên nhiên là nhiên liệu có tiềm năng lớn, đáp ứng được các yêu cầu trên

Khí thiên nhiên NG (Natural Gas) là loại nhiên liệu thông dụng và thân thiện

với môi trường NG không những được dùng phổ biến trong công nghiệp và gia

dụng mà còn được sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên ĐCĐT Do NG có sản phẩm cháy thân thiện với môi trường và có năng suất tỏa nhiệt cao nên khi được sử dụng trên ĐCĐT không chỉ giúp giảm phát thải độc hại mà còn giảm được nhu cầu sử

dụng nhiên liệu truyền thống Trên thế giới đã có nhiều quốc gia lưu hành các

cơ xăng truyền thống đã có sẵn hệ thống đánh lửa và tỷ số nén cũng gần với động

cơ sử dụng nhiên liệu khí nên việc chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng nhiên

liệu CNG tương đối dễ dàng Chính vì vậy, việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng nhiên liệu CNG có ý nghĩa thực tiễn và khoa học cao Để thực

hiện việc chuyển đổi, cần nghiên cứu bổ sung thêm hệ thống cung cấp CNG cho động cơ Trong đó hệ thống phun CNG có ưu điểm hơn cả so với các hệ thống cung

cấp CNG khác nên rất được quan tâm Đó cũng chính là lý do tác giả đã chọn đề tài

“Nghiên c ứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiê n nén (CNG) trên động cơ đốt trong” cho luận văn thạc sỹ của mình

Nội dung nghiên cứu của luận văn góp phần nhỏ trong lộ trình nghiên cứu chuyển đổi động cơ truyền thống sang sử dụng nhiên liệu thay thế dạng khí nói chung và nhiên liệu CNG nói riêng Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, đặc biệt là ở điều kiện Việt Nam, khi mà công nghiệp chế tạo động cơ mới sử

dụng nhiên liệu CNG chưa phát triển, trong khi một số lượng lớn các động cơ xăng

vẫn đang lưu hành

i M ục đích nghiên cứu của đề tài

- Đưa ra giải pháp chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành sang chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG theo nguyên lý phun đa điểm điều khiển điện tử

- Đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu CNG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát

thải của động cơ khi chuyển đổi sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG

ii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là động cơ xăng đang lưu hành 1NZ-FE lắp trên xe Toyota Vios

3

- Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong,

Viện Cơ khí Động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội

iii Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp cung cấp nhiên liệu dạng khí và hình thành hỗn hợp trong động cơ đánh lửa cưỡng bức

- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển cung cấp CNG theo nguyên lý phun

đa điểm

- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu CNG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ

iv Ph ương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện bài bản, kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

+ Lý thuy ết: Trên cơ sở phân tích đánh giá các nghiên cứu trong và ngoài nước về

sử dụng nhiên liệu CNG trên động cơ đánh lửa cưỡng bức, lựa chọn được phương pháp cung cấp CNG phù hợp cho động cơ xăng đang lưu hành

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Hệ thống điều khiển cung cấp CNG theo nguyên lý phun đa điểm được ứng dụng

để chế tạo bộ chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG

hoặc sử dụng dưới dạng động cơ lưỡng nhiên liệu lỏng/khí

- Đánh giá được ảnh hưởng của nhiên liệu CNG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ

4

vi Các n ội dung chính của đề tài

Luận văn bao gồm các nội dung chính sau:

- Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan về sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ đốt trong

- Chương 2 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp CNG cho động cơ đánh lửa cưỡng bức

- Chương 3 Thực nghiệm và đánh giá

- Kết luận và hướng phát triển

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG CHO

ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 T ổng quan về nhiên liệu thay thế

Hiện nay, sự gia tăng nhanh chóng số lượng các phương tiện vận tải và các thiết bị động lực sử dụng ĐCĐT chạy bằng nhiên liệu xăng và diesel đang gây ô nhiêm môi trường trầm trọng đặc biệt là ở các thành phố lớn [5,28] và gây nguy cơ

cạn kiệt nguồn nhiên liệu này [56] Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên

liệu thay thế trên ĐCĐT để giảm ô nhiễm môi trường và bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn [37]

Nhiều nước trên thế giới đã và đang tìm cách phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế khác nhau Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm Nhóm các nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch gồm: khí thiên nhiên NG, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG- Liquefied Petroleum Gas), khí hóa lỏng (GTL-Gas To Liquid), than đá hóa

lỏng (CTL-Coal To Liquid) và Dimethyl ether (DME) Nhóm các loại nhiên liệu có nguồn gốc tái tạo gồm: khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh học (bio-methanol), hyđrô, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay FAME – Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hyđrô hóa (HVO – Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hóa lỏng (BTL – Bio-mass To Liquid)

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

cho các động cơ đang lưu hành

mà không cần thay đổi nhiều

về kết cấu, đồng thời có mức

độ ô nhiễm khí thải thấp hơn

xăng và diesel Đáp ứng các

yêu cầu này có thể sử dụng các

Hình 1.1 Phân lo ại nhiên liệu thay thế dùng

trên ĐCĐT

6

loại nhiên liệu như nhiên liệu sinh học cồn ethanol [36], biogas [17] và biodiesel [35], nhiên liệu hydro [20], khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và nhiên liệu khí thiên nhiên

NG [23] Phân loại nhiên liệu thay thế theo nguồn gốc hình thành và phạm vi sử

dụng được trình bày trên Hình 1.1 Sau đây tác giả xin trình bày sơ lược đặc điểm

của một số loại nhiên liệu điển hình

1.1.1 Nhiên liệu sinh học cồn

Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động vật (mỡ động vật), ngũ cốc (lúa mì, ngô…) chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân…), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…) Nhiên

liệu sinh học được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là nhiên liệu sinh

học dùng cho động cơ xăng Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ xăng có thể kể đến như bioethanol và biomethanol, trong đó đặc biệt là bioethanol, đây là loại nhiên liệu sinh học được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới

Bioethanol hay còn gọi là cồn có công thức hoá học là CnH2n+1OH được xem

là nhiên liệu phù hợp nhất để sử dụng cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số Octane cao và tính chất vật lý, hoá học tương tự như xăng [51] Hiện nay, cồn tồn

tại ở bốn dạng là ethanol (C2H5OH), methanol (CH3OH), butanol (C4H9OH) và propanol (C3H7OH), tất cả đều là chất lỏng không màu, tuy nhiên methanol và butanol rất độc, giá thành sản xuất butanol khá cao so với giá thành sản xuất ethanol

và metanol Vì vậy hiện tại ethanol được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương

tiện GTVT [59]

Các loại nhiên liệu sinh học đáp ứng được các yêu cầu sử dụng cho động cơ và

có mức độ phát thải độc hại thấp, có thể thay thế nhiên liệu xăng và diesel với các tỷ

lệ tùy chọn tùy thuộc vào sự thay đổi kết cấu động cơ Nhiên liệu sinh học ngoài

chức năng như một phụ gia tăng cường hàm lượng ôxy cho quá trình cháy, còn có

thể thay thế hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, bởi đây là nhiên liệu

có thể tái sinh từ các nguồn nguyên liệu nuôi trồng được Việt Nam là quốc gia có

vị trí địa lý nằm trong vùng nhiệt đới, với hàng trăm loại động thực vật khác nhau sẽ

7

là nguồn cung cấp nguyên liệu vô tận cho quá trình sản xuất nhiên liệu như biodiesel, ethanol sinh học, dimetyl este, methanol…Tuy nhiên, hiên nay việc sản

xuất nhiên liệu cồn ở Việt Nam còn hạn chế do chi phí công nghệ sản xuất quá cao

và thiếu đất đai để nuôi trồng phát triển nguồn nguyên liệu Do đó, trước mắt nguồn nhiên liệu cồn chỉ đáp ứng được tỷ lệ thay thế nhỏ

1.1.2 Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG

LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể

sản xuất ở các nhà máy lọc dầu LPG là sản phẩm của quá trình hoá lỏng khí đồng hành thu được trong quá trình chưng cất dầu mỏ Thành phần chính của LPG là hỗn

hợp hydrocacbone chủ yếu là butan (C4H10) và propan (C3H8) chiếm 99% [51] Tỷ

lệ giữa propan và butan thay đổi giữa các quốc gia cũng như từng thời điểm sản

xuất Loại nhiên liệu này được phát triển và thương mại hóa từ những năm 1950 LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng

bức hoặc cũng có thể sử dụng trên động cơ diesel theo dạng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel Giá trị áp suất hóa lỏng phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp, khoảng 2,2 bar đối với C4H10 tại 20oC và khoảng 22 bar đối với C3H8 tại 55oC Thông thường, LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ propan/butan khoảng 60/40

LPG có năng suất tỏa nhiệt cao và ô nhiễm khí thải thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống, có thể sử dụng tốt cho ĐCĐT đặc biệt là động cơ xăng [22] Trên thế

giới, LPG đã được áp dụng trên nhiều động cơ xăng ở một số nước như Australia,

Mỹ, Hàn Quốc…[49] Trên động cơ diesel, việc sử dụng LPG còn ít nhưng cũng bắt đầu được nghiên cứu [4] Tuy nhiên, nhiên liệu này cũng có nguồn gốc từ dầu mỏ nên cũng bị hạn chế và cạn kiệt theo nguồn nhiên liệu hóa thạch

1.1.3 Nhiên liệu hydro

Nhiên liệu hydro là nhiên liệu sạch, sản phẩm cháy chỉ có nước, hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường và có tiềm năng vô tận vì có thể tách ra từ nước [53] Tuy nhiên, giá thành sản xuất hydro từ nước bằng công nghệ hiện nay còn khá

dạng hydro lỏng (nhiệt độ hóa lỏng là -253oC ở điều kiện khí quyển) hoặc ở dạng nén (áp suất bình chứa lên tới 700 bar)

Hydro hiện được coi là nguồn nhiên liệu tiềm năng cho pin nhiên liệu để sản sinh điện năng và nguồn nhiên liệu sạch cho ĐCĐT Tuy nhiên, do còn có những

vấn đề khó khăn về quá trình tồn trữ và giá thành nên hiện tại hydro chưa được sử

dụng phổ biến mà chỉ được coi là nhiên liệu của tương lai

1.1.4 Một số loại nhiên liệu khác

1.1.4.1 Dimethyl Ether

Dimethyl Ether (DME), công thức hoá học là CH3-O-CH3, là loại nhiên liệu có

thể làm khí đốt và có khả năng thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ có

trị số Cetane cao DME có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như nhiên

liệu gốc hoá thạch, than đá, khí thiên nhiên và sinh khối [52] Đây là nhiên liệu có

thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel Tuy nhiên, giá thành khá cao nên chưa được sử dụng phổ biến

1.1.4.2 D ầu thực vật và bio-diesel

Dầu thực vật là dầu thu trực tiếp từ quá trình ép các hạt có dầu như hạt cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ, dừa, jatropha có thể được sử dụng trực tiếp cho động

cơ cháy do nén hoặc dùng trong lĩnh vực chế biến thực phẩm Bio-diesel thế hệ I là

sản phẩm của quá trình este hoá dầu thực vật hoặc mỡ động vật (ví dụ như mỡ cá basa [67]) Bio-diesel thế hệ II được sản xuất từ dầu ăn đã qua sử dụng [44], sinh

khối (BTL) và từ khí methane (từ quá trình lên men các chất thải hữu cơ và chất

thải của động vật – biogas) và từ vi tảo (thế hệ III) Sinh khối (gỗ, rơm, rạ, trấu ) được khí hoá tạo thành khí tổng hợp (syngas), sau đó thông qua quá trình Fischer-

9

Tropsch (FT) điều chế thành bio-diesel Bio-diesel được xem là nhiên liệu phù hợp

nhất để thay thế cho diesel trên động cơ cháy do nén nhờ có tính chất tương tự như diesel [51] Tuy nhiên, cũng như nhiên liệu cồn, việc phát triển dầu thực vật và bio-diesel cũng cần nhiều đất đai canh tác để nuôi trồng phát triển nên ảnh hưởng đến

an ninh lương thực của quốc gia, nhất là đối với nước đang phát triển như Việt Nam

1.2 Nhiên li ệu khí thiên nhiên nén

1.2.1 Tính chất của khí thiên nhiên nén

CNG là khí thiên nhiên nén với thành phần chủ yếu là CH4 được lấy từ các mỏ khí thiên nhiên, mỏ dầu (khí đồng hành) hoặc khí nhà máy (thu được trong quá trình

sản xuất của các nhà máy lọc dầu), qua xử lý và nén ở áp suất cao từ 200 đến 250 bar [62]để tồn trữ vào bồn chuyên dụng và vận chuyển tới các hộ tiêu thụ CNG có

thể chứa đến 85% CH4 và khoảng 10% ethane (C2H6) và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propane (C3H8), butane (C4H10), pentane (C5H12), và các alkan khác [27,31,57]

NG thường được tìm thấy ở các mỏ khí hoặc các mỏ dầu ở trong vỏ Trái đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung năng lượng thế giới [73] Do thành phần đơn giản dễ xử lý để loại bỏ các hợp chất độc hại như SOx, NOx, CO2, không có benzene và hydrocarbon thơm kèm theo nên khi đốt nhiên liệu này không giải phóng nhiều khí độc và hầu như không phát sinh

bụi [29] Vì vậy, sử dụng CNG thay thế các nhiên liệu truyền thống như xăng, diesel sẽ giảm thiểu tác động tới môi trường

NG là một loại khí không màu sắc và được phân loại tùy theo thành phần của

từng mẫu khí cụ thể Khí khô có chứa tỷ lệ methane cao còn khí ướt có chứa đáng

kể khối lượng hydrocacbon có phân tử lượng cao hơn thuộc nhóm ankan như ethane, propane và butane

Trong tự nhiên, NG được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống dưới nước bao gồm tảo và động vật nguyên sinh Khi các vi sinh vật này chết đi và tích

tụ dưới đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các

10

lớp trầm tích Trải qua hàng triệu năm, các lớp trầm tích chồng lên nhau đã chuyển hóa hóa học thành khí thiên nhiên

1.2.2 Ưu điểm của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống

Khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu là methane nên có thể làm nhiên liệu

rất tốt cho ĐCĐT đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện như đối với nhiên liệu xăng

Bảng 1.1 thể hiện so sánh một số tính chất đặc trưng của khí thiên nhiên (CH4) và nhiên liệu xăng, diesel truyền thống [55,57]

Bảng 1.1 So sánh một số tính chất của CH 4 và nhiên liệu truyền thống

thấp hơn Mặt khác, CNG có giới hạn thành phần hỗn hợp có thể cháy được

rộng hơn các loại hydrocacbon khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn nhờ đó giảm mạnh các thành phần phát thải độc hại như CO và HC [33,42,60] Nhiệt độ màng lửa của CNG thấp nên nồng độ NOx trong sản phẩm cháy cũng

thấp vì nhiệt độ là một yếu tố hình thành phát thải NOx Thành phần CNG dễ phát tán, không tích tụ như hơi xăng nên khi bị rò rỉ ra môi trường không khí nguy cơ cháy nổ thấp hơn nhiều so với xăng [50]

Nhiên liệu CNG không có chứa benzene và hydrocacbon thơm nên khi đốt không giải phóng nhiều khí độc, do đó ít gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người cũng như môi trường CNG có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho cả động cơ

11

xăng và động cơ diesel Do trị số Octane của CNG cao nên tỷ số nén của động cơ

chạy CNG có thể chọn cao hơn so với động cơ xăng để nâng cao tính hiệu quả Thông thường, tỷ số nén của động cơ CNG từ 11 đến 12 [40,45] Nhiên liệu CNG cũng được nghiên cứu sử dụng trên động cơ diesel dưới dạng động cơ lưỡng nhiên

liệu hoặc thay thế hoàn toàn diesel

Tốc độ lan tràn màng lửa của CNG thấp hơn của nhiên liệu xăng Điều này có

thể làm giảm tính năng của động cơ vì tăng truyền nhiệt từ môi chất công tác qua thành xylanh Để khắc phục tình trạng này, trên các động cơ CNG thiết kế mới thường sử dụng các biện pháp kỹ thuật để tăng cường thêm vận động rối của hỗn

hợp trong buồng cháy, từ đó cải thiện được tốc độ cháy hoặc trộn thêm hydro với tỷ

lệ nhất định để cải thiện tốc độ cháy [70]

CNG còn có một số điểm khác như giá thành rẻ hơn so với giá của các loại nhiên liệu khác từ 10 - 30% Nếu so với dầu FO, DO và LPG thì dùng CNG trong

sản xuất có giá rẻ hơn 10 -15%, dùng trong vận tải có giá rẻ hơn 30 - 40%.Vì thế, sử

dụng loại nhiên liệu này sẽ góp phần giảm được tối đa chi phí nhiên liệu Theo tính toán của một số nhà khoa học, giá 1 tấn khí CNG khoảng 318 USD, chỉ bằng 53,5% giá xăng, 42% giá diesel Vì thế, mỗi xe buýt sử dụng CNG hoạt động 1 năm tiết

kiệm 8.308 USD nhiên liệu so với dầu diesel [72]

1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng CNG

1.2.3.1 Trên th ế giới

Khí thiên nhiên đã được phát hiện trên khắp các châu lục, ngoại trừ châu Nam

Cực Trữ lượng khí thiên nhiên thế giới tổng cộng vào khoảng 150 tỷ tỷ m³ (150×1018) Trong đó, khu vực có trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhất thế giới là Nga

và Trung Đông Bản đồ sản lượng khí thiên nhiên theo quốc gia được thể hiện trên Hình 1.2 [73]

Khí thiên nhiên nén CNG đã được sử dụng phổ biến làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông và làm chất đốt công nghiệp ở nhiều nước trên thế giới như Nam Mỹ, Bắc Mỹ, New Zealand, Ấn Độ, Pakistan, Trung Quốc, Hàn Quốc,

12

Malaysia, lndonesia, Thái Lan… Tùy theo nguồn gốc, thành phần của CNG có sự khác biệt nhất định giữa các khu vực

Hình 1.2 B ản đồ sản lượng khí thiên nhiên phân bố theo khu vực

Bảng 1.2 giới thiệu thành phần tiêu biểu của một số mẫu khí thiên nhiên ở một

số khu vực trên thế giới [73] Ngoài methane, những thành phần hydrocacbon khác

với hàm lượng thay đổi tùy theo từng khu vực như ethane (1-8%), propane (2%), butane và pentane (nhỏ hơn 1%) và một số tạp chất như N2, CO2, H2S

B ảng 1.2 Thành phần khí thiên nhiên theo khu vực

NG đã được nghiên cứu và sử dụng phổ biến trên ĐCĐT để thay thế cho nhiên

liệu truyền thống nhất là các động cơ trang bị trên phương tiện giao thông vận tải

13

Các phương tiện sử dụng NG được gọi là NGV (Natural Gas Vehicle) Hình 1.3

giới thiệu sự phân bố số lượng NGV ở các lục địa khác nhau trong khoảng thời gian 1991-2011 theo thống kê của Hiệp hội xe chạy nhiên liệu khí thiên nhiên (IANGV - International Association of Natural Gas Vehicles) [77] Theo ước tính sơ bộ, năm

1996 có khoảng 1 triệu xe ôtô chạy bằng CNG trên thế giới (tại thời điểm có khoảng

50 quốc gia đã sử dụng NGV) [74] Các quốc gia sử dụng nhiều nhất là CEI (Cộng đồng các quốc gia độc lập), Ý, Argentina, Canada, Newzealand và Mỹ Ngoài ra, để đáp ứng nhu cầu sử dụng nhiên liệu CNG, có khoảng 2700 trạm phân phối CNG được xây dựng, trong đó có khoảng 600 trạm ở Canada và Hà Lan được lắp đặt máy nén gia dụng ngay tại nhà của người sử dụng

Trong tương lai gần, dự kiến có sự gia tăng nhanh chóng cả về số các quốc gia

sử dụng cũng như số lượng NGV ở từng nước Vào đầu những năm 2000, số lượng NGV đạt đến 750.000 chiếc ở CEI, 300.000 chiếc ở Canađa, 200.000 ở Nhật, 50.000 chiếc ở Pháp và 200.000 chiếc ở Anh [74]

Theo con số thống kê trên trang web fuelfix.com, tính đến năm 2011, trên thế

giới có tới 15 triệu NGV và con số này còn tiếp tục tăng mạnh tới 65 triệu đến năm

2020 [77] Trong giai đoạn đầu, mặc dù số lượng có tăng nhanh nhưng NGV cũng

chỉ được chú ý trên một số dạng phương tiện dịch vụ công cộng như taxi, xe buýt

Hình 1.3 S ố lượng NGV trên thế giới theo năm và khu vực

Bảng 1.3 thể hiện số liệu thống kê tình hình phát triển phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu khí ở khu vực Châu Á Trong đó, Indonesia và Malaysia là

14

hai quốc gia đứng đầu về trữ lượng NG ở khu vực và đứng thứ 11 và 13 trên thế

giới Thái lan là nước đứng thứ 3 về trữ lượng NG nhưng lại có số lượng phương

tiện NGV cao nhất ở khu vực

B ảng 1.3 Thống kê tình hình phát triển chung ở khu vực Châu Á

Qu ốc gia Dân s ố (triệu

Tr ữ lượng dầu (T ỷ thùng)

# Nguồn: Energy Information Administration, EIA, Jan 9, 2007 and World Bank, 2007

## Nguồn: Peter Boisen, ENGVA Mar 07 and internet news’07

### Nguồn: Energy Information Administration, EIA, Jan 9, 2007 (Oil & Gas Journal, Jan 2007) Theo như chiến lược phát triển giao thông và năng lượng của các nước trong khu vực, đa phần đã có sự chú ý nhất định đến loại hình phương tiện NGV Điển hình là Thái lan, dự kiến đến năm 2011sẽ có đến 256.600 NGV và 535 trạm nạp khí CNG Malaysia là nước đứng thứ hai trong khu vực cả về trữ lượng NG cũng như

số lượng NGV Theo kế hoạch phát triển, đến năm 2008 quốc gia này sẽ có 60.000 NGV và 200 trạm nạp CNG Tại Việt Nam, tính đến thời điềm 2007, chưa có con số

15

chính thức nào về phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu khí cũng như các trạm

cấp khí, mặc dù trữ lượng NG đứng thứ 6 trong khu vực

1.2.3.2 T ại Việt Nam

Công nghệ khí thiên nhiên nén CNG xuất hiện tại Việt Nam từ năm 2008 Trước đây, loại khí này chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu cho các cơ sở công nghiệp lớn như nhà máy thép Thủ Đức, Thép Biên Hòa, Thép Pomina, Công ty

gạch men Bạch Thanh và một số công ty thực phẩm khác…

Một sự kiện đóng vài trò dấu mốc quan trọng tại Việt Nam là sự ra đời của nhà máy khí thiên nhiên tại khu công nghiệp Phú Mỹ I, huyện Tân Thành Việc xây

dựng nhà máy khí thiên nhiên được coi là một bước đột phá cho việc sử dụng NG,

loại năng lượng rẻ và sạch, góp phần phát triển bền vững cho các công ty đang hoạt động tại Việt Nam

Qua một số thí điểm sử dụng nguồn nhiên liệu CNG thay thế cho nhiên liệu truyền thống xăng, diesel đối với một số phương tiện giao thông cho thấy hiệu quả

rõ rệt của việc sử dụng CNG làm nhiên liệu cho ĐCĐT Trên cơ sở đó, TP Hồ Chí Minh là khu vực đầu tiên có kế hoạch sử dụng CNG làm nhiên liệu cho ĐCĐT và

đã triển khai đối với một số hãng xe taxi TP Hồ Chí Minh chính là một điểm đến giàu tiềm năng có tỷ lệ tăng trưởng kinh tế cao, mật độ phương tiện giao thông dày đặc, nhu cầu sử dụng nhiên liệu lớn, yêu cầu bảo vệ môi trường ngày càng nghiêm

ngặt

Tổng Công ty Khí Việt Nam (PVGas) là đơn vị duy nhất cung cấp tới 100%

sản phẩm CNG cho thị trường trong nước PVGas đã cam kết đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu không chỉ cho ngành công nghiệp mà cả ngành giao thông vận tải Đối với CNG ứng dụng trong giao thông vận tải sẽ được vận chuyển bằng xe bồn có sức

chứa khoảng ba tấn, với áp suất bồn tới 250 bar tới các trạm nạp CNG cho xe buýt, taxi, ôtô

Ngày 24-12-2006, UBND TP Hồ Chí Minh và Tập đoàn Dầu khí Việt Nam

đã ký thỏa thuận hợp tác, phát triển kinh tế - xã hội và thực hiện đầu tư tại TP.HCM, trong đó có nội dung đầu tư và phát triển hạ tầng đô thị, bảo vệ môi

16

trường Trên tinh thần đó, Sở Giao thông Vận tải TP Hồ Chí Minh và Công ty CP Khí hóa lỏng miền Nam đã triển khai kế hoạch nghiên cứu ứng dụng CNG cho xe buýt của thành phố Chương trình còn có sự phối hợp của Tập đoàn Sunjin (Hàn

Quốc), một trong những doanh nghiệp lớn về vận tải hành khách công cộng bằng xe buýt với hơn 90% số lượng xe buýt sử dụng CNG Theo Sở GTVT TP Hồ Chí Minh, việc chuyển đổi các xe buýt chạy xăng sang sử dụng CNG sẽ được thực hiện

bằng ba phương pháp, đó là: lắp thêm bộ chuyển đổi; thay thế động cơ CNG và đầu

tư mua mới xe buýt sử dụng CNG Quá trình được thực hiện trước mắt bằng cách chuyển đổi dần dần số xe buýt loại lớn và loại trung sang sử dụng CNG

Cũng trong năm 2009, Tập đoàn

ôtô Thành Công đã tổ chức lễ ký kết và

giao lô hàng 50 xe đầu tiên trong hợp

đồng cung cấp 500 chiếc xe buýt hiệu

Daewoo chạy bằng CNG cho công ty

Sonadezi ở Đồng Nai Số xe buýt này

sẽ được sử dụng trong việc đưa đón

công nhân ở các khu công nghiệp cũng

như vận chuyển hành khách công cộng

tại tỉnh Đồng Nai Như vậy, có thể thấy rằng tiềm năng của CNG trong giao thông

vận tải cũng như công nghiệp tại Việt Nam là rất lớn Xu hướng sử dụng nhiên liệu

tiết kiệm, thân thiện với môi trường tại Việt Nam sẽ tăng mạnh trong tương lai gần [72]

Cụ thể tại Việt Nam, một lợi thế của khí CNG hiện nay là giá thành khá thấp Đây chắc chắn là nhiên liệu rẻ, sạch làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong các thành phố lớn và các khu công nghiệp, đặc biệt trong tình hình giá xăng dầu tăng cao trong những năm gần đây

Hình 1.4 là chiếc xe buýt “xanh” đầu tiên chạy theo tuyến Sài Gòn - Bình Tây

chạy bằng CNG đã được khai trương [76] Đây là bước ngoặt của loại hình vận tải hành khách công cộng theo hướng bền vững, thân thiện với môi trường Vào thời

Hình 1.4 Xe buýt ch ạy bằng khí CNG

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 ngoài việc xây dựng các đường ống vận chuyển khí, các trạm tiếp nhiên liệu, còn 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 c ứu sử dụng nhiên liệu CNG trên động cơ đánh lửa 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 hòa trộn tốt với không 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 thế trong 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

liệu truyền thống đang rất lớn trong khi nguồn nhiên liệu này đang cạn kiệt, cần sử

dụng nhiên liệu thay thế để bổ sung Mặt khác, việc chuyển đổi các động cơ có sẵn

sẽ rẻ hơn 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 ngoài như các động cơ dùng bộ chế hòa 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 không thay đổi kết cấu của động cơ Do không thay đổi kết cấu động cơ nên tỷ số nén của động cơ không đổi và do đó không 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 không 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 hòa 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 hoàn toàn phụ thuộc vào kết cấu họng và lưu lượng không 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 hòa khí của động cơ xăng

20

Không khí

Hỗn hợp Bướm ga

CNG

Họng khuếch tán

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 hòa 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 H ọng venturi với một đường

CNG vào lo ại cùng chiều

1 - B ầu lọc gió; 2 - Đường ống dẫn

khí; 3 – Bướm gas; 4 - Họng phun gas

Hình 1.6 K ết cấu bộ chế hòa khí dạng

modul hóa

1 - Bướm ga; 2 - Đường ống dẫn gas; 3 -

Cơ cấu điều khiển; 4 - Vít điều chỉnh

21

Hình 1.7 H ọng venturi với một đường CNG vào loại trực giao

a) B ộ hòa trộn với một lỗ phun, b) Bộ hòa trộn nhiều lỗ phun

Bộ hòa trộn trên Hình 1.4 có chất lượng tạo hỗn hợp tốt, độ đồng nhất của hỗn

hợp cao và đường dẫn nhiên liệu vào họng ít làm cản trở dòng không khí nạp nên được sử dụng rộng rãi nhất Một số kết cấu khác của bộ hòa trộn được giới thiệu từ Hình 1.5 đến 1.7 Các bộ hòa trộn này có kết cấu đơn giản, tuy nhiên có một số nhược điểm Ví dụ, bộ hòa trộn trên Hình 1.5 và 1.6 có đường dẫn nhiên liệu nằm trong dòng khí nạp nên làm tăng tổn thất dòng khí nạp; bộ hòa trộn trên Hình 1.7-a

có đường cấp nhiên liệu ở một phía của họng nên chất lượng hòa trộn nhiên liệu với không khí không tốt bằng họng khuếch tán cấp nhiên liệu vào đều xung quanh họng (Hình 1.7-b)

Hiện nay, để nâng cao chất lượng hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp

bằng phương pháp sử dụng bộ hòa trộn, người ta sử dụng phương pháp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp bằng điện tử Trên hệ thống cung cấp nhiên liệu này người ta trang bị thêm một van tiết lưu nhiên liệu điều khiển điện tử trên đường dẫn nhiên

liệu CNG từ bộ giảm áp đến bộ hòa trộn như giới thiệu trên sơ đồ Hình 1.8

Áp suất hơi của nhiên liệu sau bộ giảm áp được duy trì lớn hơn áp suất khí trời

một chút Van tiết lưu nhiên liệu được điều khiển mở to, nhỏ nhờ bộ điều khiển điện

tử để điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu CNG vào họng luôn phù hợp với chế độ làm

việc của động cơ, tức là đảm bảo hệ số dư lượng không khí luôn tối ưu ở các chế độ làm việc của động cơ

22

CNG 1

9 ECU

Hình 1.8 Sơ đồ cung cấp CNG trên động cơ dùng bộ trộn và điều khiển điện tử Chú thích: 1-Bình nhiên li ệu CNG; 2-Van điện từ đóng mở đường CNG; 3- Bộ giảm áp; 4- ECU; 5-Van ti ết lưu điều khiển bằng điện tử; 6-Bộ chế hòa khí xăng; 7-Bộ

hòa tr ộn; 8-Van điện từ đóng mở đường xăng; 9- Bình xăng

Nhìn chung, các hệ thống cung cấp CNG và tạo hỗn hợp nhờ sử dụng bộ hòa

trộn có ưu điểm là lắp đặt và điều chỉnh dễ dàng; mặt khác có thể sử dụng song song hoặc độc lập 2 loại nhiên liệu xăng và CNG tùy theo điều kiện sử dụng Tuy nhiên, hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn cũng có nhược điểm như của bộ

chế hòa khí trong động cơ xăng là có tổn thất khí động do sức cản của ống venturi

và sự không đồng nhất của hỗn hợp giữa các xylanh Điều này sẽ làm xấu đi các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ so với phương pháp phun CNG vào đường nạp

1.3.2.2 Phương pháp phun CNG vào đường nạp

Hình 1.9 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 xylanh động cơ Áp suất hơi sau bộ giảm áp

và trước vòi phun được duy trì vào khoảng 1-3 [7,47] bar tùy theo yêu cầu của mỗi

hệ thống

23

Hệ phống phun CNG vào cửa nạp khắc phục được một số nhược điểm của hệ

thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn Hệ thống không bị tổn thất khí động qua

họng khuếch tán và đảm bảo định lượng chính xác và độ đồng đều giữa các xylanh nên tăng được công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải so với sử dụng bộ

chế hòa khí hay bộ hòa trộn

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun CNG vào đường nạp theo nguyên lý phun đa điểm Chú thích: 1-Bình nhiên li ệu CNG; 2-Van điện từ đóng mở đường CNG; 3- Bộ

gi ảm áp; 4-Ống phân phối;5-Đường cấp CNG; 6-Động cơ; 7-ECU 8- Tín hiệu tốc

t ừ các cảm biến; 9- Dây điều khiển vòi phun

Hai phương pháp dùng bộ hòa trộn hay phun trên đường nạp có thể áp dụng để chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành sang sử dụng nhiên liệu CNG Tuy nhiên,

cả hai phương pháp đều gặp phải vấn đề là ảnh hưởng chiếm chỗ không khí nạp của nhiên liệu CNG làm giảm lượng hỗn hợp nạp vào xylanh, từ đó làm giảm tính năng

kỹ thuật của động cơ trên một đơn vị thể tích công tác Nhược điểm này được khắc

phục nhờ phương pháp phun trực tiếp CNG vào xylanh động cơ tương tự như động

cơ phun xăng trực tiếp GDI (Gasoline Direct Injection)

1.3.2.3 Phương pháp phun trực tiếp CNG vào trong xylanh động cơ

Hệ thống phun trực tiếp CNG vào trong xylanh động cơ được mô tả trên Hình 1.10 Nguyên lý làm việc của hệ thống phun trực tiếp CNG cũng tương tự hệ thống phun xăng trực tiếp GDI CNG được hạ áp tới áp suất phun phù hợp và phun trực

tiếp vào xylanh của động cơ qua vòi phun điện từ Hỗn hợp nhiên liệu-không khí

24

được tạo thành trong xylanh động cơ dưới dạng phân lớp hoặc đồng nhất tùy theo

chế độ làm việc của động cơ Theo sơ đồ Hình 1.10, 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 bộ điều khiển tử ECU Bộ điều khiển ECU mở vòi phun để phun nhiên liệu vào động cơ đảm bảo đúng thời điểm, đủ lượng phun phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

Hệ thống phun trực tiếp CNG khắc phục được ảnh hưởng chiếm chỗ không khí nạp của phương pháp cung cấp CNG vào đường nạp của động cơ nên có thể duy trì được công suất tương tự như khi chạy nhiên liệu xăng [38] Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp nên thường được áp dụng trên động cơ CNG chế tạo mới và khó

áp dụng được trên các động cơ chuyển đổi

1

2 3

4

5

6 7

Chú thích: 1- Bình ch ứa 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 1.10 Sơ đồ hệ thống phun CNG trực tiếp

1.3.3 B ộ phụ kiện chuyển đổi động cơ đánh lửa cưỡng bức sang chạy nhiên liệu CNG

Như giới thiệu ở trên, có thể thấy công việc chính của việc chuyển đổi động cơ đốt cháy cưỡng bức chạy nhiên liệu truyền thống sang chạy nhiên liệu CNG là trang

và sử dụng các loại động cơ theo gam công suất hay dung tích xylanh để giúp người

sử dụng có thể mua về và tự lắp đặt lên động cơ một cách dễ dàng

Sau khi lắp đặt bộ linh kiện, người dùng cần điều chỉnh theo tài liệu hướng

dẫn của nhà sản xuất để động cơ có thể vận hành bình thường Sau khi lắp bộ linh

kiện cung cấp CNG vẫn có thể cho phép giữ nguyên hệ thống nhiên liệu xăng để có

thể chuyển đổi linh hoạt từ chạy xăng sang CNG và ngược lại

Hiện nay, trên thị trường một số hãng công nghệ đã cho ra đời các bộ kít cho phép có thể chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng hoàn toàn CNG hoặc sử dụng dưới dạng động cơ lưỡng nhiên liệu Các bộ kít gồm 2 loại chính là sử dụng ống venturi và phun trên đường nạp

Hình 1.11 thể hiện bộ kít

chuyển đổi của hãng LGC (Hồng

Kông) theo nguyên lý ống venturi,

có thể lắp trên các động cơ xăng

dùng chế hòa khí hoặc phun xăng

điện tử [75] Khi trang bị bộ kít này,

người dùng có thể dễ dàng chuyển

đổi nhiên liệu sử dụng xăng/CNG

tùy theo điều kiện cụ thể Ngoài ra,

đi kèm với bộ kít là một ECU tự

động điều khiển thay đổi loại nhiên liệu dựa vào các tín hiệu từ các cảm biến của động cơ cũng như các cảm biến xác định mức nhiên liệu xăng/CNG

Hình 1.2 thể hiện một số chi tiết chính của bộ kít chuyển đổi theo nguyên lý phun trên đường nạp [75] Các bộ phận chính của bộ linh kiện chuyển đổi gồm bình

chứa CNG, van nạp, van điện từ, bộ giảm áp, bộ hòa trộn, vòi phun và hệ thống

Hình 1.11 B ộ kít chuyển đổi theo nguyên

lý ống venturi

26

điều khiển điện tử phun CNG Ngoài ra còn có các đường ống dẫn khí cao áp và

thấp áp cùng các van và đồng hồ kiểm tra, theo dõi…

sử dụng nhiên liệu CNG Khi áp suất khí CNG trong bình chứa nhỏ hơn giá trị giới

hạn thì động cơ lại tự động chuyển sang chạy xăng

Ở Việt Nam, năm 2004-2005, tác giả Bùi 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 đôi khi cũng khó phù hợp với động cơ cụ thể của người dùng để đảm 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 bộ điều 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

b ức 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 môi 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 bố trí 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 quá cao thì làm tăng thể tích phần tử khí, từ đó 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 hòa trộn tốt hơn với không khí làm cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí dễ cháy hơn Phát thải HC do cháy không hoàn toàn giảm so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng vì NG ở dạng khí nên hòa khí đồng đều hơn, ngoài 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 chế độ 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 chế độ cháy nghèo với

hệ số dư lượng không khí từ λ=1 đến λ=1,3 ở tỷ số nén cao Kết quả cho thấy, khi

28

động cơ làm việc ở chế độ 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, từ đó 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 công 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 không 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 còn 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 hòa 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 từ động 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 hòa 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

chế độ tải, tỷ lệ hỗn hợp được điều chỉnh thay đổi trong dải rộng từ λ =1,0 đến giới

hạn nghèo để xác 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 chế độ thử nghiệm Hiện tượng suy giảm công suất cũng

do ảnh hưởng chiếm chỗ không 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 từ 2 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 từ 5 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%), từ đó cũng làm giảm tính năng kỹ thuật của động cơ, công 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 không 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, từ đó nhiệt độ quá 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 nghiên cứu của các tác giả khác Tác giả cũng đã đưa ra kết luận rằng, để nâng cao

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-không 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 NOxcó 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, từ đó ảnh hưởng tới tính năng kỹ thuật của động cơ M.A Kalam cùng cộng sự [38], nghiên cứu nâng cao công suất của động cơ khi sử dụng khí thiên nhiên nén CNG Thí nghiệm của ông

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 số dư lượng không 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) Ngoài ra, phương pháp phun trực tiếp còn có thể tạo được

hỗn hợp phân lớp, mở rộng được giới hạn cháy từ đó tăng được hiệu suất nhiệt của động cơ Tuy nhiên, phương pháp phun trực tiếp tương đối phức tạp, tốn kém khi