Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG – diesel)

Để tận dụng được các ưu điểm của động cơ diesel có tỷ số nén cao, hạn chế các ảnh hưởng bất lợi về công suất, giảm chi phí cải tạo động cơ, đồng thời động cơ có thể vừa hoạt động bằng nh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được người nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác!

Đà Nẵng, tháng 04 năm 2018

Tác giả luận án

Huỳnh Phước Sơn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Nội dung nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 5

6 Tên đề tài 5

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 5

8 Cấu trúc nội dung luận án 5

9 Các điểm mới chủ yếu của luận án 6

10 Hạn chế của luận án 6

Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 7

1.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường 7

1.2 CNG – nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường và ứng dụng 10

1.2.1 Khí thiên nhiên nén CNG 10

1.2.2 Trữ lượng và tình hình khai thác kh thiên nhiên 12

1.2.3 Tình hình sử dụng CNG làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, ô tô và xu hướng phát triển 14

1.3 Các nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng, diesel sang sử dụng CNG 15

1.3.1 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng, diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG 16

1.3.2 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng nhiên liệu kép CNG – xăng 17

1.3.3 Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 18

1.4 Các phương pháp cung cấp CNG và diesel trên động cơ nhiên liệu kép 19

1.4.1 Cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn 19

1.4.2 Cung cấp CNG bằng vòi phun trên đường ống nạp 21

1.4.3 Cung cấp CNG bằng vòi phun trực tiếp vào buồng cháy 22

1.4.4 Các phương pháp điều khiển tỷ lệ cung cấp CNG-diesel 26

1.5 Các nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện cung cấp đến đặc t nh động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 26

1.5.1 Các nghiên cứu trên thế giới 26

1.5.2 Các nghiên cứu trong nước 30

1.6 Kết luận và định hướng nghiên cứu của đề tài 33

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 35

2.1 Lý thuyết điều khiển động cơ nhiên liệu kép 35

2.1.1 Hệ thống điều khiển động cơ đốt trong 35

2.1.2 Lý thuyết điều khiển động cơ đốt trong 38

2.1.3 Hệ thống điều khiển động cơ nhiên liệu kép 43

2.2 Mô hình hóa quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel trong động cơ VIKYNO RV125 bằng phần mềm CFD FLUENT 46

2.2.1 Quá trình cháy hòa trộn trước cục bộ của nhiên liệu kép CNG-diesel 47

2.2.2 Sự lan tràn màng lửa trong quá trình cháy của động cơ CNG-diesel 49

2.2.3 Thiết lập mô hình t nh toán mô ph ng quá trình cháy 51

2.2.4 Khảo sát diễn biến quá trình cháy 53

2.2.5 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến quá trình cháy động cơ nhiên liệu kép CNG-diesel 56

2.3 Mô ph ng t nh toán các đặc tính kỹ thuật của động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel bằng phần mềm AVL-BOOST 58

2.3.1 Phương trình nhiệt động học thứ nhất 59

2.3.2 Mô hình cháy Vibe 2 vùng trong xy-lanh 60

2.3.3 Xây dựng mô hình mô ph ng động cơ VIKYNO RV125 63

2.3.4 Kết quả mô ph ng động cơ nhiên liệu kép CNG-diesel 67

2.4 Phát thải của động cơ VIKYNO RV125 70

2.4.1 Phát thải NOx 71

2.4.2 Phát thải CO 71

2.4.3 Phát thải SOOT 72

2.5 Kết luận chương 2 73

Chương 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KÉP CNG-DIESEL VÀ THỰC NGHIỆM 75

3.1 Phương án thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel 76

3.2 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel 78

3.2.1 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu CRDI 79

3.2.2 Thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG 81

3.2.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép 82

3.3 Lập trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu 90

3.3.1 Thuật toán điều khiển cung cấp nhiên liệu diesel 90

3.3.2 Thuật toán điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG 92

3.4 Thiết kế, chế tạo ECU điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu 92

3.5 Mô hình thực nghiệm 95

3.5.1 Mục đ ch và nội dung thực nghiệm 96

3.5.2 Sơ đồ thực nghiệm 96

3.5.3 Quy trình thực nghiệm 99

3.6 Kết luận chương 3 101

Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 102

4.1 Thực nghiệm xác định đặc tính vòi phun diesel và vòi phun CNG 102

4.2 Thực nghiệm đánh giá đặc tính mô-men và công suất động cơ 104

4.3 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ CNG/DO đến mô-men và công suất của động cơ 107

4.4 Thực nghiệm đánh giá đặc tính phát thải của động cơ 109

4.5 Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ CNG/diesel đến đặc tính phát thải động cơ 112

4.6 Thực nghiệm xác định suất tiêu hao năng lượng 114

4.7 Thực nghiệm đo áp suất cháy của động cơ 117

4.8 Xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG/diesel 119

4.9 Kết luận chương 4 123

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 125

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Các ký hiệu mẫu tự La-tinh:

f [-] Giá trị trung bình của tỷ lệ hỗn hợp

ge [g/kW.h] Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ

ee [J/kW.h] Suất tiêu hao năng lƣợng động cơ

R [J/kg.oK] Hằng số kh

S [J/mol.oK] Entropy phân tử mol

t [ms], [s] Thời gian

Q [J] Tổng nhiệt lƣợng t a ra trong quá trình cháy

QF [J] Nhiệt lƣợng của nhiên liệu cung cấp

eeDO [kJ/kW.h] Suất tiêu hao năng lƣợng diesel

eeCNG [kJ/kW.h] Suất tiêu hao năng lƣợng CNG

mc [kg] Khối lượng môi chất trong xylanh

hBB [-] Trị số entanpy

dmi [kJ] Lượng kh vào xylanh

dme [kJ] Lượng kh ra kh i xylanh

hi [-] Entanpy của môi chất kh đi vào xylanh

he [-] Entanpy của môi chất khi đi kh i xylanh

qev [kJ] Nhiệt hóa hơi của nhiên liệu

mew [kJ] Khối lượng nhiên liệu bay hơi

 [ ] Độ lệch trung bình phương của hàm

nl [kg/m3] Khối lượng riêng của nhiên liệu

kk [kg/m3] Khối lượng riêng của không khí

 [N.s/m2], [kg/m.s] Hệ số nhớt động lực

 [kg/m3] Khối lượng riêng

λDiff

[-] Hệ số dư lượng không kh trong quá trình cháy

chính

3 Các chữ viết tắt:

A/F Air/Fuel (tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu)

CNG Compressed Natural Gas (khí thiên nhiên nén)

LNG Liquefied Natural Gas khí thiên nhiên h a l ng

LPG Liquefied Petroleum Gas khí d u m h a l ng

CRDI Commom Rail Diesel Injection

CFD Computational Fluid Dynamics

RNG Re-Normalisation Group (mô hình k - ɛ đơn giản hóa theo nhóm)

ECU Electronic Control Module (hộp điều khiển điện tử)

BTDC Before Top Dead Center (trước điểm chết trên)

CA Crankshaft Angle (góc quay trục khuỷu)

RSM Reynolds Stress Models (mô hình ứng suất Reynolds)

EVM Eddy Viscovity Models (mô hình độ nhớt động)

AVL MCC Mô hình cháy của hãng AVL

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Nguồn gốc kh thải gây hiệu ứng nhà k nh ở Mỹ năm 2013 8

Hình 1.2: Nguồn phát thải động cơ ô tô gây ô nhiễm môi trường trầm trọng 9

Hình 1.3: Thành phần kh thiên nhiên và cấu trúc phân tử kh methane (CH4) 11

Hình 1.4: Các ưu điểm khi sử dụng nhiên liệu CNG thay cho xăng và dầu diesel 12

Hình 1.5: Bản đồ phân bố kh thiên nhiên trên toàn thế giới 13

Hình 1.6: Bản đồ phân bố các vùng có trữ lượng kh thiên nhiên lớn ở Việt Nam 13

Hình 1.7: Ô tô buýt sử dụng nhiên liệu CNG tại TP.HCM 14

Hình 1.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG trên động cơ xăng, diesel chuyển sang sử dụng hoàn toàn CNG 16

Hình 1.9: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kép xăng-CNG 17

Hình 1.10: Động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 18

Hình1.11: Bốn phương pháp cung cấp CNG trên động cơ 19

Hình 1.12: Cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn 20

Hình 1.13: Cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn trên động cơ sử dụng nhiên liệu kép 20 Hình 1.14: Sơ đồ cung cấp CNG bằng vòi phun trên đường ống nạp 22

Hình 1.15: Sơ đồ cung cấp CNG với kiểu phun vào buồng cháy phụ 23

Hình 1.16: Phun trực tiếp CNG vào buồng cháy thống nhất 24

Hình 1.17: Vòi phun liên hợp kép CNG-diesel 25

Hình 1.18: Các phương án điều khiển cung cấp tỷ lệ CNG/diesel trong động cơ nhiên liệu kép 26

Hình 1.19: Mô-men, công suất và tỷ lệ CNG thay thế trên động cơ X6-130 sử dụng nhiên liệu kép 27

Hình 1.20: Hiệu suất nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ thử nghiệm khi thay đổi tỷ lệ CNG-diesel và tỷ số nén động cơ ở các chế độ tải 28

Hình 1.21: Tỷ lệ CNG-diesel trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép 29

Hình 1.22: Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ diesel và động cơ sử dụng nhiên liệu kép (CNG% = 65÷85%) 29

Hình 1.23: Áp suất và nhiệt độ cháy động cơ sử dụng diesel và nhiên liệu kép 30

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo chung của một hệ thống điều khiển động cơ 36

Hình 2.2: Sơ đồ mạch giao tiếp các ngõ vào và ra của ECU 36

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động 37

Hình 2.4: Cấu trúc bộ điều khiển PID 37

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển động cơ diesel 38

Hình 2.6: Mô hình mô men động cơ diesel 40

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển mô men động cơ diesel 40

Hình 2.8: Điều khiển giới hạn khói với tỷ lệ tối thiểu không kh /nhiên liệu 42

Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển chống k ch nổ kiểu hồi tiếp 43

Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu kép 43

Hình 2.11: Sự gia tăng áp suất theo thời gian trên động cơ nhiên liệu kép hoạt động bằng methane dưới điều kiện k ch nổ và không k ch nổ 46

Hình 2.12: Phân chia vùng cháy trong động cơ CNG-diesel 49

Hình 2.13: Hướng lan truyền của màng lửa trong buồng cháy 50

Hình 2.14: Sơ đồ xy-lanh và buồng cháy động cơ 51

Hình 2.15: Chia lưới và xác lập điều kiện biên cho mô hình 52

Hình 2.16: Diễn biến nồng độ CH4 và nhiệt độ trong buồng cháy động cơ 54

VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; s=20; =1) 54

Hình 2.17: Trường tốc độ ở vị tr 330 của môi chất công tác trong buồng cháy động cơ VIKYNO RV125 ở chế độ (n=2200v/ph; s=20; =1) 54

Hình 2.18: Biến thiên nồng độ O2 trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel của động cơ VIKYNO RV125(n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) 55

Hình 2.19: Biến thiên nồng độ CH4 trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel của động cơ VIKYNO RV125(n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) 55

Hình 2.20: Biến thiên nhiệt độ trong quá trình cháy nhiên liệu kép CNG-diesel của động cơ VIKYNO RV125 (n=2200v/ph; s=20; =1) 55

Hình 2.21: Biến thiên áp suất trong quá trình cháy nhiên liệu kép nhiên liệu kép CNG-diesel của động cơ VIKYNORV125(n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) 56

Hình 2.22: Đồ thị công p-Vcủa động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel(n=2200v/ph; φs=20o; ϕ=1) 56

Hình 2.23: Áp suất chỉ thị trong quá trình cháy ứng với s : 10, 20, 30 độ, 56

n=2000v/ph, =1 56

Hình 2.24: Đồ thị công P-V ứng với s: 10, 20, 30 độ, n=2000v/ph, =1 57

Hình 2.25: Ảnh hưởng của góc phun sớm đến công chỉ thị chu trình Wi ứng với φs:10, 20, 30 độ, n=2000v/ph, =1 57

Hình 2.26: Cân bằng năng lượng trong xy-lanh động cơ 60

Hình 2.27: Mô hình mô ph ng động cơ VIKYNO RV125 64

Hình 2.28: Đồ thị mô ph ng đặc t nh mô-men động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 68

Hình 2.29: Đồ thị mô ph ng công suất động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 69

Hình 2.30: Đồ thị suất tiêu hao năng lượng theo tỷ lệ CNG/diesel theo mô ph ng 70 Hình 2.31: Đồ thị biểu diễn kh thải NOx theo số vòng quay và tỷ lệ CNG/diesel 71

Hình 2.32: Đồ thị biểu diễn kh thải CO theo số vòng quay và tỷ lệ CNG/diesel 72

Hình 2.33: Đồ thị biểu diễn bồ hóng theo số vòng quay và tỷ CNG/diesel 73

Hình 3.1: Động cơ VIKYNO RV125 và đồ thị đặc t nh động cơ 76

Hình 3.2: Sơ đồ làm việc hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel 77

Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel 78

Hình 3.4: Hệ thống cung cấp nhiên liệu common rail diesel 79

Hình 3.5: Sơ đồ thiết kế hệ thống CRDI trên động cơ VIKYNO RV125 80

Hình 3.6: Lắp đặt bơm cao áp HP3 80

Hình 3.7: Ống cao áp, cảm biến áp suất và vòi phun diesel 80

Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG 81

Hình 3.9: Bình chứa CNG và van giảm áp 81

Hình 3.10: Vòi phun CNG 82

Hình 3.11: Các cảm biến tốc độ, lưu lượng kh nạp, k ch nổ và nhiệt độ nước 82

Hình 3.12: cấu trúc ECU điều khiển hệ thống nhiên liệu kép 83

Hình 3.13: Sơ đồ hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép 83

Hình 3.14: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID điều khiển áp suất nhiên liệu diesel 84

Hình 3.15: Sơ đồ khối bộ điều khiển phun nhiên liệu CNG và diesel 85

Hình 3.16: Giản đồ thời điểm phun nhiên liệu kép CNG-diesel 86

Hình 3.17: T n hiệu k ch nổ 90

Hình 3.18: Sơ đồ thuật toán điều khiển áp suất nhiên liệu diesel 91

Hình 3.19: Sơ đồ thuật toán điều khiển thời gian phun nhiên liệu diesel tD 91

Hình 3.20: Sơ đồ thuật toán điều khiển thời điểm phun sớm diesel 91

Hình 3.21: Sơ đồ thuật toán điều khiển thời gian mở vòi phun CNG 92

Hình 3.22: Sơ đồ mạch ECU điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu 93

Hình 3.23: Mạch cấp nguồn các thiết bị 93

Hình 3.24: Mạch điện nhận t n hiệu CKP 94

Hình 3.25: Mạch điện điều khiển các vòi phun diesel và CNG 95

Hình 3.26: Mô hình động cơ VIKYNO RV125 nhiên liệu kép CNG-diesel 95

Hình 3.27: Sơ đồ thực nghiệm động cơ VIKYNO RV125 sử dụng nhiên liệu kép 97 Hình 3.28: Bệ thử công suất động cơ một xy lanh 98

Hình 3.29: Cân nhiên liệu Vibra và thiết bị đo lưu lượng khí nạp ABB 98

Hình 3.30: Thiết bị phân tích khí xả và đo độ mờ khói 98

Hình 3.31: Thiết bị thu thập dữ liệu số vòng quay động cơ và áp suất cháy 98

Hình 3.32: Thiết bị thu thập dữ liệu số vòng quay động cơ và áp suất cháy 99

Hình 3.33: Sơ đồ quy trình thực nghiệm 100

Hình 4.1: Đồ thị đặc t nh vòi phun diesel trên mô hình thực nghiệm 103

Hình 4.2: Đồ thị đặc t nh vòi phun CNG trên mô hình thực nghiệm 103

Hình 4.3: Đồ thị đặc t nh mô-men và công suất động cơ VIKYNO RV125 105

Hình 4.4: Đồ thị so sánh kết quả công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô ph ng ở hai tỷ lệ CNG60 và DO100 106

Hình 4.5: Đồ thị đặc t nh ngoài của động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 107

Hình 4.6: Công suất cực đại của động cơ VIKYNO RV125 ở n= 2400v/ph, 100% tải khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 108

Hình 4.7: Đồ thị quy trình 8 điểm thử theo chu trình thử kh thải ISO 8178 C1 109

Hình 4.8: Nồng độ CO của động cơ RV125 theo chu trình đo ISO 8178 C1 110

Hình 4.9: Nồng độ HC của động cơ RV125 theo chu trình đo ISO 8178 C1 111

Hình 4.10: Độ mờ khói Opacity của động cơ RV125 theo ISO 8178 C1 111

Hình 4.11: Độ mờ khói Opacity của động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 113

Hình 4.12: Nồng độ CO của động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 114

Hình 4.13: Độ mờ khói Opacity ở số vòng quay 2400v/ph, tải 100% theo tỷ lệ CNG/diesel 114

Hình 4.14: Suất tiêu hao năng lƣợng eeDO khi động cơ hoạt động ở chế độ 100%diesel 115

Hình 4.15: Suất tiêu hao năng lƣợng thành phần diesel và CNG khi động cơ hoạt động ở chế độ nhiên liệu kép 116

Hình 4.16: So sánh suất tiêu hao năng lƣợng khi động cơ sử dụng 100% diesel và khi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel 117

Hình 4.17: Áp suất cháy động cơ ở chế độ 100% tải, số vòng quay 2000v/ph khi thay đổi tỷ lệ CNG-diesel 118

Hình 4.18: Áp suất cháy động cơ ở chế độ 100% tải, số vòng quay 1800v/ph khi thay đổi tỷ lệ CNG-diesel 118

Hình 4.19: Giản đồ thời gian phun nhiên liệu diesel theo số vòng quay và tải động cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép trong một chu trình 121

Hình 4.20: Giản đồ thời gian phun nhiên liệu CNG theo số vòng quay và tải động cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép trong một chu trình 121

Hình 4.21: Giản đồ lƣợng nhiên liệu diesel cung cấp theo số vòng quay và tải động cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép trong một chu trình 122

Hình 4.22: Giản đồ lƣợng nhiên liệu CNG cung cấp theo số vòng quay và tải động cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép trong một chu trình 123

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Mức độ xả thải vào môi trường của xe buýt tại TP Hồ Ch Minh 8

Bảng 1.2: T nh chất vật lý, hóa học của CNG và xăng, dầu diesel 11

Bảng 2.1: Giá trị của các hệ số của phương trình (2.20) 48

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của động cơ VIKYNO RV125 51

Bảng 2.3: Các thông số ch nh của mô hình mô ph ng 64

Bảng 2.4: Thống kê các phần tử trong mô hình mô ph ng 65

Bảng 2.5: Kết quả mô ph ng đặc t nh mô-men động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG 68

Bảng 2.6: Kết quả mô ph ng công suất động cơ khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 69

Bảng 3.1: Các thiết bị ch nh trong hệ thống cung cấp nhiên liệu kép 78

Bảng 3.2: Điều kiện thực nghiệm 97

Bảng 4.1: Kết quả đo mô-men và công suất của động cơ thực nghiệm 104

Bảng 4.2 So sánh kết quả công suất động cơ giữa thực nghiệm và mô ph ng ở hai tỷ lệ CNG60 và DO100 106

Bảng 4.3 Kết quả đo mô-men và công suất của động cơ thực nghiệm khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel ở chế độ 100% tải 107

Bảng 4.4: Mức phát thải CO, HC và độ mờ khói Opacity của động cơ thực nghiệm 110

Bảng 4.5: Mức phát thải CO và độ mờ khói Opacity của động cơ thực nghiệm khi thay đổi tỷ lệ CNG/diesel 112

Bảng 4.6: Suất tiêu hao nhiên liệu và suất tiêu hao năng lượng diesel khi động cơ hoạt động ở chế độ 100% diesel 115

Bảng 4.7: Suất tiêu hao nhiên liệu và suất tiêu hao năng lượng diesel và CNG khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép 116

Bảng 4.8: Dữ liệu thời gian phun CNG và diesel theo số vòng quay và tải động cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép 120

Bảng 4.9: Dữ liệu lượng nhiên liệu CNG và diesel cung cấp theo số vòng quay và tải động cơ khi động cơ sử dụng nhiên liệu kép 122

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Năng lượng và môi trường đang là vấn đề quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia trên thế giới Với đà phát triển của thế giới hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng, đặc biệt là các loại nhiên liệu truyền thống xăng và dầu diesel trong công nghiệp, các phương tiện GTVT, động cơ tĩnh tại, thiết bị động lực ngày càng tăng Theo Tổ chức các nước sản xuất dầu OPEC, mỗi ngày thế giới tiêu thụ hết khoảng 92,7 triệu thùng dầu thô [91] Trữ lượng dầu m ngày càng cạn kiệt, đang gây sức

ép lớn về nguồn cung, giá thành và nguy cơ khủng hoảng an ninh năng lượng trong thời gian tới Đồng thời, một lượng lớn khí phát thải độc hại tạo ra từ các loại nhiên liệu này đang gây nên các hiện tượng ô nhiễm không khí, hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu, làm Trái đất nóng lên, băng tan chảy và mực nước dâng cao,… ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống và sức kh e con người Điều này sẽ dẫn đến những thảm họa ngày càng trầm trọng nếu chúng ta không có các giải pháp ngăn chặn kịp thời

Tại Việt Nam, với sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp và số lượng phương tiện GTVT trong những năm gần đây, tốc độ tiêu thụ nhiên liệu đang dẫn đầu khu vực với mức tăng 7,5% hàng năm [92], ảnh hưởng rất lớn đến chi phí sản xuất và giá thành sinh hoạt Mức độ ô nhiễm tại các thành phố lớn do mật độ giao thông đông đúc cũng đã đến mức báo động

Bên cạnh các phương tiện GTVT, một lượng lớn các động cơ diesel tĩnh tại phục vụ cho sản xuất công, nông, ngư nghiệp cũng đang góp phần phát thải gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, cần phải được đầu tư nghiên cứu chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu sạch nhằm giảm chi ph đầu vào của sản phẩm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng t nh cạnh tranh trên thị trường

Để giải quyết bài toán về năng lượng và môi trường nói trên, phần lớn các nghiên cứu hiện nay tập trung vào hướng cải tiến động cơ và tìm nguồn năng lượng mới để thay thế một phần hay hoàn toàn các loại nhiên liệu truyền thống nhằm mục

đ ch nâng cao hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, giảm sức ép lên nguồn nhiên liệu hiện tại và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Trong đó, hướng nghiên cứu sử

dụng khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas -CNG) làm nhiên liệu cho các

động cơ nhiệt là một trong những giải pháp rất được quan tâm hiện nay

CNG là nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường, có đặc tính kỹ thuật phù hợp với các động cơ nhiệt, khi cháy ít sinh ra sản phẩm độc hại Trữ lượng khí thiên nhiên trên thế giới còn rất dồi dào, giá thành rẻ Do vậy, việc sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu thay thế là giải pháp cho thấy có sự phù hợp, khả thi và triển vọng với điều kiện thực tế, đáp ứng được các mục tiêu tiết kiệm nhiên liệu và chi phí, bảo vệ môi trường và góp phần đảm bảo an ninh năng lượng

Bên cạnh việc nghiên cứu sản xuất mới các động cơ sử dụng CNG, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào hướng chuyển đổi các động cơ có sẵn, đặc biệt là động cơ diesel sang sử dụng CNG Để tận dụng được các ưu điểm của động cơ diesel có tỷ số nén cao, hạn chế các ảnh hưởng bất lợi về công suất, giảm chi phí cải tạo động cơ, đồng thời động cơ có thể vừa hoạt động bằng nhiên liệu CNG vừa trở

về hoạt động như một động cơ diesel bình thường, phù hợp với điều kiện hạ tầng về cung cấp nhiên liệu, lĩnh vực nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel được xem là có lợi thế nhất định và quan tâm nhiều nhất Tuy nhiên, do một số khác nhau về tính chất nhiên liệu, tổ chức quá trình cháy, nên

để động cơ lưỡng nhiên liệu có thể làm việc ổn định, đảm bảo các yêu cầu về đặc tính kỹ thuật, đòi h i phải có thêm các nghiên cứu về quá trình cháy của động cơ, tối ưu hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu Trong đó, nếu tổ chức tốt phương pháp điều khiển cung cấp hệ thống nhiên liệu kép, kiểm soát tốt tỷ lệ nhiên liệu CNG/diesel, khắc phục hiện tượng kích nổ của động cơ, … là các giải pháp quan trọng góp phần nâng cao hiệu quả làm việc của các động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel

Từ các lý do trên, cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nhiên liệu sạch CNG làm nhiên liệu thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống nhằm giải quyết bài toán khan hiếm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một nhu cầu xã

hội mang tính cấp thiết, có tính thời sự đang đặt ra trách nhiệm đối với các nhà hoạch định chính sách, các nhà khoa học và sự vào cuộc của cả cộng đồng xã hội cùng tham gia giải quyết

Trên thế giới, vấn đề sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel đã và đang được nghiên cứu ở nhiều qui mô khác nhau từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tiễn,

đã bắt đầu có một số sản phẩm thương mại, nhưng nhìn chung cần phải nghiên cứu hoàn thiện rất nhiều về công nghệ và kỹ thuật Đây có thể được xem là xuất phát điểm thuận lợi để chúng ta có thể chủ động tham gia nghiên cứu, làm chủ công nghệ, hướng đến các sản phẩm phù hợp với nền tảng công nghệ và điều kiện hạ tầng

kỹ thuật ở trong nước, phát triển sản phẩm có tính cạnh tranh cao ra thị trường khu vực và thế giới Trong các điều kiện vận hành cụ thể tại Việt Nam, việc nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel tương th ch cho các chế độ vận hành tốt nhất, quá trình cháy hoàn thiện nhất, đạt công suất cao

và khí thải thấp nhất là rất quan trọng và cần thiết

Với ý nghĩa đó, đề tài “Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên

liệu trên động cơ common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG–Diesel)” được

thực hiện nhằm góp phần nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên các động

cơ nhiệt Đề tài chọn hướng nghiên cứu ứng dụng các thành tựu công nghệ thông tin

và kỹ thuật điện tử vào nghiên cứu điều khiển cung cấp hỗn hợp nhiên liệu kép CNG-diesel cho động cơ diesel có tỷ số nén cao, kiểm soát tỷ lệ sử dụng CNG/diesel theo hướng bảo toàn công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí phát thải Kết quả nghiên cứu góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng cho các phương tiện GTVT và động cơ tĩnh tại, bảo vệ môi trường, đang là nhu cầu cấp thiết hiện nay

Nghiên cứu này là cơ sở để đề xuất phương pháp điều khiển cung cấp hệ thống nhiên liệu kép CNG-diesel trên các động cơ nhiệt, góp phần nghiên cứu chuyển đổi các động cơ diesel truyền thống sang sử dụng nguồn nhiên liệu sạch CNG, trước mắt đáp ứng nhu cầu thực tiễn của Việt Nam trong điều kiện hiện nay Nghiên cứu cũng có ý nghĩa đối với việc ứng dụng cải tiến hệ thống nhiên liệu trên

các động cơ tĩnh tại cỡ nh nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và tăng khả năng cạnh tranh sản phẩm Do vậy, đề tài có tính thực tiễn và ý nghĩa khoa học

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đưa ra giải pháp cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel trên động cơ diesel

có tỷ số nén cao, điều khiển phun diesel qua hệ thống CRDI và phun CNG trên đường nạp để động cơ làm việc ổn định, đảm bảo các t nh năng kinh tế, kỹ thuật và giảm mức phát thải; góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng CNG và làm chủ công nghệ chuyển đổi các động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép

- Đánh giá các t nh năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ tại các chế

độ cung cấp nhiên liệu khác nhau, xây dựng giản đồ tỷ lệ cung cấp CNG-diesel

(engine map) cho động cơ theo tiêu ch đảm bảo hài hòa các t nh năng kinh tế, kỹ

thuật và phát thải của động cơ là tốt nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel VIKYNO RV125 01 xy-lanh, giữ

nguyên tỷ số nén (18:1), được lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm động cơ đốt trong, trường Đại học Bách khoa TP.HCM

Phạm vi nghiên cứu:

Xây dựng phương án và thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel, điều khiển phun diesel qua hệ thống CRDI và phun CNG trên đường nạp Nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ cung cấp nhiên liệu kép đến các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển động cơ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và mô

ph ng các đặc tính kỹ thuật của động cơ diesel sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel điều khiển bằng điện tử trên động cơ diesel

- Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu kép CNG-diesel đến các tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ

- Nghiên cứu xây dựng giản đồ tỷ lệ CNG-diesel (engine map) cung cấp các

nhiên liệu thành phần cho động cơ theo các chế độ tải và số vòng quay động cơ

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá t nh phù hợp và khoa học của kết quả nghiên cứu

6 Tên đề tài

“Nghiên cứu phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu trên động cơ common rail diesel sử dụng nhiên liệu kép (CNG – Diesel)”

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG và diesel trong động cơ nhiên liệu kép theo các chế độ tải và số vòng quay động cơ, theo hướng nâng cao hiệu quả làm việc của động cơ, bảo toàn công suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm hàm lượng khí phát thải độc hại

Đề tài góp phần nghiên cứu ứng dụng, cải tiến, phát triển các dòng động cơ

sử dụng nhiên liệu sạch, giải quyết tình trạng khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường hiện nay; góp phần nghiên cứu, làm chủ công nghệ chuyển đổi một số lượng lớn động cơ diesel hiện có, cả trên ô tô và tĩnh tại sang sử dụng nguồn năng lượng sạch CNG nhằm tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu quả kinh tế và tính cạnh tranh sản phẩm

8 Cấu trúc nội dung luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận án được chia làm 04 chương trình bày các nội dung ch nh như sau:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel và thực nghiệm

Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận

9 Các điểm mới chủ yếu của luận án

1 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel bằng điện tử trên động cơ diesel 01 xy lanh VIKYNO RV125 phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam Trong đó, nhiên liệu diesel được cung cấp bởi hệ thống CRDI, nhiên liệu CNG được thiết kế phun trên đường ống nạp Kết quả các đặc tính mô-men, công suất, suất tiêu hao năng lượng và mức phát thải động cơ được cải thiện

2 Đề xuất tỷ lệ CNG tối đa trong hỗn hợp nhiên liệu kép

3 Xây dựng được giản đồ tỷ lệ CNG-diesel theo các chế độ tải và số vòng quay động cơ, làm cơ sở cho việc lập trình điều khiển động cơ nhiên liệu kép

10 Hạn chế của luận án

Luận án chưa nghiên cứu tối ưu áp suất phun nhiên liệu diesel và CNG theo các chế độ làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép; chưa đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ CNG/diesel đến độ bền của các chi tiết động cơ

Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường

Đến nay, dầu m là nguồn năng lượng ch nh cung cấp cho các hoạt động sản xuất trong công, nông, ngư nghiệp, giao thông và đời sống dân dụng Tiêu thụ nhiều nhất là các phương tiện GTVT và động cơ tĩnh tại Theo Hiệp hội Các nhà sản xuất

ô tô thế giới (OICA), đến năm 2012 toàn thế giới có khoảng 1,143 tỷ xe ô tô các loại

đang lưu hành, hàng năm có thêm hàng triệu chiếc ô tô ra đời thêm nữa, càng gia tăng mức độ tiêu thụ nhiên liệu xăng và dầu diesel nhiều hơn Với trữ lượng có hạn

và tốc độ tiêu thụ liên tục gia tăng như vậy, thế giới đang đối mặt với sự cạn kiệt dần của nguồn năng lượng này Theo các báo cáo của Trung tâm Nghiên cứu Năng

lượng Anh (UKERC), Hội đồng Năng lượng thế giới (WEC) và ngân hàng HSBC

[95], dựa trên ước t nh mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu hiện nay đều dự báo

nguồn dầu m sẽ cạn kiệt sau khoảng 40 năm nữa (2060) Thậm ch , với mức độ

tiêu thụ khoảng 90 triệu thùng/ngày kéo dài liên tục như hiện nay, hai nhà khoa học

Mỹ Campbell và Laharrere còn dự đoán những thay đổi nghiêm trọng sẽ xảy ra sau năm 2030-2035 Sự cạn kiệt nguồn năng lượng được xem là ”vàng đen” này đang khiến cho nguồn cung bấp bênh, giá thành tăng cao, đỉnh điểm là các đợt khủng hoảng dầu m gây ra nhiều bất ổn, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển kinh tế, xã hội của nhiều quốc gia, đã và đang là mầm móng gây ra các nguy cơ xung đột quyền lợi trên thế giới

Bên cạnh việc tiêu thụ một lượng lớn nguồn năng lượng tự nhiên, các phương tiện GTVT sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel còn thải ra môi trường một lượng rất lớn nguồn kh thải độc hại Do thành phần và t nh chất lý hóa, sự không đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu và diễn biến phức tạp của quá trình cháy, nên trong kh thải của động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kể các

chất độc hại như oxyde nitơ (NO x ), monoxyde carbon (CO), các hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng [4] Thành phần lưu huỳnh trong dầu

diesel khi cháy cũng sinh ra các chất độc hại SO2, SO3 Các thành phần kh thải độc hại nói trên đang là thủ phạm ch nh gây nhiễm bẩn bầu không kh , ảnh hưởng xấu

đến sức kh e con người và làm biến đổi môi trường sinh thái, kh hậu theo hướng ngày càng xấu đi Vấn nạn ô nhiễm môi trường trầm trọng nhất là ở các thành phố lớn, nơi đang tập trung một lượng lớn phương tiện GTVT và các khu công nghiệp Thống kê cho thấy không chỉ ở các nước chậm phát triển, vấn đề ô nhiễm mới trầm trọng, mà ngay tại các nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Nhật, các phương tiện GTVT cũng là thủ phạm ch nh gây ô nhiễm môi trường Tại Mỹ, khảo sát năm 2013 cho thấy lượng kh độc hại do các phương tiện giao thông thải vào kh quyển chiếm tới 27% [95], thể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1: Ngu n gốc khí thải gây hiệu ứng nhà kính M năm 2013

Tại Việt Nam, vấn nạn kẹt xe và ô nhiễm không khí tại các thành phố lớn đã

đến mức báo động (hình 1.2) Hàng năm, các phương tiện giao thông đã thải ra

khoảng 06 triệu tấn CO2, 61.000 tấn CO, 35.000 tấn NO2, 20.000 tấn SO2 và hơn 22.000 tấn CmHn Nồng độ các chất có hại trong không khí ở các đô thị lớn vượt quá mức cho phép nhiều lần Tại Thành phố Hồ Chí Minh, khảo sát mức độ phát thải của xe buýt sử dụng nhiên liệu diesel trên 01 km xe chạy bình quân, tổng lượng xe buýt đã thải ra một lượng đáng kể các chất thải độc hại, thể hiện như bảng 1.1 [11]

Bảng 1.1: Mức độ xả thải vào môi trường của xe buýt tại TP H Chí Minh

Loại nhiên liệu Đơn vị PM10 NO x CO NMHC

Hình 1.2: Ngu n phát thải động cơ ô tô gây ô nhi m môi trường tr m tr ng

Trước thực trạng trên, các quốc gia trên thế giới đã và đang tìm các giải pháp hạn chế các tác hại của nó và tìm kiếm những nguồn năng lượng mới để thay thế trong tương lai Tất cả các nước đều áp dụng các tiêu chuẩn kh thải kiểm soát hàm lượng kh thải độc hại từ các phương tiện GTVT ngày càng khắt khe nhằm bảo vệ môi trường và sức kh e người dân Nhiều quốc gia đã có các kế hoạch cắt giảm nguồn nhiên liệu dầu m Mỹ dự kiến sẽ giảm lượng tiêu thụ xăng dầu từ 10 đến 15% vào năm 2025 so với mức dùng của năm 2004 Các nguồn năng lượng mới đã

và đang được triển khai nghiên cứu và đưa vào sử dụng thay thế, bao gồm các nguồn nhiên liệu sạch CNG, LPG, nhiên liệu sinh học, năng lượng điện, năng lượng mặt trời, hydro, Nhờ các ưu điểm nổi trội như t nh chất lý hóa tương đương với xăng dầu, năng suất t a nhiệt lớn, cháy sạch, trữ lượng còn dồi dào và phân bố khắp thế giới, nên CNG và LPG đang là lựa chọn phù hợp trong giai đoạn hiện nay Từ

những năm 2008-2012, Liên minh châu Âu (EU) đã xem xét và xác định kh CNG

là nhiên liệu thay thế xăng và diesel phù hợp nhất vì đảm bảo về mặt công nghệ và khả năng đáp ứng

Ở Việt Nam, tiêu chuẩn kh thải Euro 2 đã được áp dụng từ năm 2007, lộ trình áp dụng tiêu chuẩn Euro 4 vào năm 2018 và Euro 5 vào năm 2022 Trong những năm gần đây, vấn đề nghiên cứu tìm nguồn nhiên liệu mới, sạch thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống cũng đang là vấn đề quan tâm đối với các nhà quản

lý và các nhà khoa học Nghị quyết số 41-NQ/TW (15/11/2004) của Bộ Ch nh trị về

bảo vệ môi trường đã chỉ rõ việc sử dụng các loại nhiên liệu sạch CNG, LPG là vấn

đề cần quan tâm trong xây dựng ch nh sách phát triển hệ thống GTVT trong thời gian tới Tại cuộc họp về Chương trình mục tiêu Quốc gia sử dụng năng lượng tiết

kiệm, hiệu quả (11/2009), Ch nh phủ cũng đã giao Bộ Giao thông vận tải nghiên

cứu, đề xuất các giải pháp phát triển các công trình hạ tầng cho việc phát triển các

phương tiện giao thông sử dụng các nguồn năng lượng mới (CNG, LPG, nhiên liệu

sinh h c) Gần đây nhất, tháng 01/2017, Thủ tướng Ch nh phủ đã ký Quyết định số

60/QĐ-TTg ”Phê duyệt quy hoạch phát triển ngành công nghiệp kh Việt Nam đến năm 2025, định hướng đến năm 2035”, trong đó nhấn mạnh mục tiêu tiếp tục duy trì

và mở rộng, phát triển đồng bộ hệ thống phân phối kh CNG để cung cấp cho giao thông vận tải, phục vụ sản xuất, phấn đấu phát triển thị trường kh đạt quy mô 11-15

tỷ m3/ năm (giai đoạn 2016-2020), 23-31 tỷ m3/ năm (giai đoạn 2026-2035)

Liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường, còn phải kể đến nguồn phát thải đáng kể của các máy công, nông, ngư nghiệp và các động cơ tĩnh tại khác Trước đây, người ta gần như quên đi đối tượng phát thải này, nhưng với mức độ ô nhiễm ngày càng trầm trọng, trong những năm gần đây nhiều nước tiên tiến trên thế giới

đã bắt đầu kiểm soát mức phát thải đối với các đối tượng này Hiện nay, ở Mỹ và một số nước khác đã có tiêu chuẩn TIER-4, TIER-5 áp dụng cho các dòng xe non-road và các động cơ tĩnh tại Điều này cho thấy, đối với các máy nông nghiệp, động

cơ tĩnh tại cũng cần phải có sự cải tiến mạnh mẽ về công nghệ, tiết kiệm nhiên liệu

và chuyển sang sử dụng nhiên liệu sạch để giảm chi ph sản xuất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường trong nước và xuất khẩu

1.2 CNG – nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường và ứng dụng

1.2.1 Khí thiên nhiên nén CNG

Kh thiên nhiên (Natural Gas - NG) là hỗn hợp khí cháy được bao gồm phần

lớn là các hydrocarbon Tùy theo nguồn khai thác, thành phần chủ yếu của kh thiên

nhiên là methane (CH 4 ) có thể chiếm đến 70÷90%, khoảng 8÷10% ethane (C 2 H 6),

còn lại là các thành phần khác như propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H 10 ), pentane (C 5 H 12)

và các anlkan khác [5], [67], [84] (hình 1.3) Một số t nh chất lý hóa của kh CNG

so với xăng và dầu diesel như bảng 1.2

Hình 1.3: Thành ph n khí thiên nhiên và cấu trúc phân tử khí methane CH 4 ) Bảng 1.2: Tính chất vật lý, h a h c của CNG và xăng, d u diesel

và sưởi ấm, nấu ăn trong dân dụng Trước đây, CNG cũng đã được nghiên cứu làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong [9], [93], [94], tuy nhiên do xăng và diesel có nhiều thuận lợi hơn về phương diện lưu trữ, nhiệtnăng và các yếu tố khác nên được

sử dụng phổ biến hơn Vài thập niên trở lại đây, kh thiên nhiên được quan tâm như

là nguồn nhiên liệu sạch cho động cơ nhiệt do áp lực bảo vệ môi trường và sự cạn kiệt của dầu m

Hình 1.4: Các ưu điểm khi sử dụng nhiên liệu CNG thay cho xăng và d u diesel

CNG là nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường, không chứa chì, lưu huỳnh, benzene và hydrocarbon thơm nên khi cháy không phát thải nhiều kh độc như như CO, NOx, SO2 và hầu như không phát sinh bụi CNG nhẹ hơn không

kh , khả năng phân tán nhanh, giảm tối thiểu sự nguy hiểm cháy nổ liên quan đến nhiên liệu Các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 93% lượng CO2, 33% lượng NOx và đến 50% lượng HC thải ra khi so sánh với động cơ xăng Giá thành CNG rẻ hơn xăng khoảng 10% đến 30% và có t nh ổn định trong thời gian dài so với giá các sản phẩm dầu m thay đổi thất thường [11] Nhiệt trị riêng khối lượng của CNG cao hơn khoảng 10% so với nhiên liệu l ng thông thường [5] Do vậy,

cùng hiệu suất như nhau, suất tiêu hao nhiên liệu (tính theo khối lượng) của động cơ

dùng CNG giảm cũng chừng ấy lần Trị số octane của CNG cao hơn so với xăng, phù hợp với động cơ có tỷ số nén cao

T

Kh thiên nhiên đã được phát hiện trên khắp các châu lục Trữ lượng khí thiên nhiên trên toàn thế giới tổng cộng khoảng 150 tỷ tỷ m³, xấp xỉ với trữ lượng

dầu thô, tập trung nhiều nhất là ở Nga (48 tỷ tỷ m³), các nước vùng Trung Đông (50

tỷ tỷ m³), phần còn lại phân bố ở châu Á, châu Phi và Úc (hình 1.5) Dựa trên mức

tiêu thụ năm 2015 của toàn thế giới, ước tính khoảng 3.400 km³ kh đốt/năm và sự

gia tăng hàng năm từ 2-3%, trữ lượng khí thiên nhiên còn lại có thể sử dụng khoảng

80 đến 100 năm nữa [96]

Hình 1.5: Bản đ phân bố khí thiên nhiên trên toàn thế giới

Việt Nam được đánh giá cao về tiềm năng kh thiên nhiên Theo cơ quan thông tin năng lượng Mỹ (EIA), ước tính trữ lượng kh thiên nhiên đã phát hiện được của Việt Nam năm 2012 là 699,4 tỷ m³ [8] Với trữ lượng đã phát hiện, nước

ta có khả năng tự đáp ứng được nhu cầu về sản lượng khí thiên nhiên trong nhiều thập kỷ tới T nh đến 01/2012, Việt Nam có 27 m khí được phát hiện, trong đó nhiều m có trữ lượng lớn đã đưa vào khai thác như các m ở các bể Nam Côn Sơn, Thổ Chu, Cửu Long, Sông Hồng như hình 1.6

Hình 1.6: Bản đ phân bố các vùng c trữ lượng khí thiên nhiên lớn Việt Nam

T

Từ những năm 1990, việc nghiên cứu sử dụng kh LPG, CNG làm nhiên liệu cho ô tô và các động cơ đốt trong đã được thực hiện mạnh mẽ ở nhiều khu vực trên thế giới Tại các thành phố lớn, do mật độ giao thông lớn, ô nhiễm môi trường trầm trọng và thuận lợi trong việc lập các trạm cung cấp nhiên liệu, nên nhu cầu sử dụng các loại xe taxi, xe chuyên dụng, đặc biệt là xe buýt chạy bằng nhiên liệu CNG là rất lớn T nh đến tháng 3/2015, toàn thế giới có khoảng 22,3 triệu xe sử dụng kh

CNG trên 86 quốc gia, dẫn đầu là Trung Quốc (4,44 triệu), Iran (4,00 triệu), Pakistan (3,70 triệu), Argentina (2,48 triệu), Ấn Độ (1,80 triệu) và Brazil (1,78

triệu) [97] Các nhà sản xuất ô tô đi đầu trong việc nghiên cứu và sản xuất ô tô sử

dụng kh CNG có thể kể như Iveco (Ý), Honda, Ford, General Motors, Peugeot,

Volkswagen,… [34], [42], [48], [72], [77]

Tại Việt Nam, Thành phố Hồ Ch Minh là nơi đi đầu trong việc đưa các xe buýt CNG vào sử dụng với mục đ ch thay thế dần các xe buýt sử dụng diesel, xem đây là giải pháp cho giao thông xanh, thân thiện môi trường và là xu hướng chung trong phát triển giao thông bền vững Từ năm 2011, thành phố đã đưa vào hoạt động th điểm 21 xe buýt chạy bằng kh CNG

Hình 1.7: Ô tô buýt sử dụng nhiên liệu CNG tại TP.HCM

Tháng 6/2012, Công ty Cổ phần Vận tải Phương Trang đã đưa vào khai thác

14 xe buýt CNG chạy tuyến Bến xe miền Tây – khu du lịch Đại Nam (Bình

Dương) Tháng 11/2013, UBND thành phố Hồ Ch Minh đã phê duyệt đề án giao Nhà máy Ô tô Củ Chi (thuộc Tổng Công ty Cơ kh Giao thông vận tải Sài Gòn – SAMCO) sản xuất 300 xe buýt sử dụng CNG Đến tháng 3/2016, tổng số xe buýt chạy CNG đã nâng lên 137 chiếc/3.000 xe buýt trong toàn thành phố (hình 1.7) Từ năm 2010, Tập đoàn Dầu kh Việt Nam cũng đã ban hành Nghị quyết số 2958/NQ-DKVN về việc chuyển đổi và sử dụng nhiên liệu CNG cho toàn bộ xe ô tô tại các đơn vị thành viên của tập đoàn trên địa bàn thành phố Hồ Ch Minh và tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu Phần lớn ô tô nói trên sử dụng động cơ được chế tạo mới chuyên sử dụng CNG, đốt cháy cưỡng bức bằng bu-gi, có giá thành cao Bên cạnh đó, số lượng ô tô sử dụng động cơ diesel hiện nay còn rất nhiều, nếu nghiên cứu chuyển đổi các động cơ này sang sử dụng CNG thành công sẽ tận dụng được nguồn lực to lớn và hiệu quả Đây là bài toán đang được các nhà khoa học quan tâm giải quyết trong nhiều năm qua Các công trình nghiên cứu về động cơ CNG trong những năm gần đây tập trung vào các hướng ch nh như:

- Nghiên cứu các phương pháp chuyển đổi động cơ sử dụng xăng, dầu diesel sang

sử dụng nhiên liệu mới CNG một phần hay hoàn toàn;

- Nghiên cứu tối ưu hóa các phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG;

- Nghiên cứu mô ph ng và thực nghiệm đánh giá tổ chức quá trình cháy của động

cơ sử dụng nhiên liệu CNG; so sánh, đánh giá các đặc t nh kỹ thuật, mức độ phát thải của động cơ CNG với các động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống

1.3 Các nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng, diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG

CNG có trị số octance cao hơn xăng và nhiệt độ tự cháy cũng cao hơn so với xăng và dầu diesel [5], [63], có đặc điểm tạo hỗn hợp và cháy tương tự xăng nên rất

th ch hợp sử dụng cho động cơ đốt cháy cưỡng bức [11], [14], [15], [18] CNG khó

tự cháy do nén nên nếu sử dụng hoàn toàn CNG trên động cơ diesel thì sẽ làm thời gian cháy trễ kéo dài và khó kiểm soát quá trình cháy [63], nên người ta thường chỉ

sử dụng CNG trên động cơ diesel cùng với nhiên liệu diesel ở dạng lưỡng nhiên liệu CNG-diesel để thay thế một phần nhiên liệu diesel [18] Do vậy, đối với các động

cơ xăng, diesel hiện có, khi muốn sử dụng CNG làm nhiên liệu thay thế, phần lớn các nghiên cứu đều quan tâm đến sử dụng CNG trên động cơ đốt cháy cưỡng bức Các hướng nghiên cứu đã được triển khai, bao gồm:

- Chuyển đổi động cơ xăng, diesel sang sử dụng hoàn toàn CNG, đốt cháy cưỡng bức nhờ tia lửa điện;

- Chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng nhiên liệu kép CNG–xăng (bi-fuel),

đốt cháy cướng bức nhờ tia lửa điện;

- Chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG–diesel

(dual-fuel), trong đó diesel đóng vai trò nhiên liệu phun mồi tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp

khí CNG

ứ y ổ ă e e

Trong phương án này, các hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng, diesel được tháo b hoàn toàn, thay vào đó là hệ thống cung cấp kh CNG bằng bộ hòa trộn hoặc vòi phun (hình 1.8) CNG được đốt cháy cưỡng bức nhờ bu-gi như xăng, khi

đó kết cấu của động cơ cần phải thay đổi để phù hợp làm việc với nhiên liệu CNG Đới động cơ diesel, cần cải tạo nắp máy hoặc pit-tông để giảm tỷ số nén của động

cơ, trang bị thêm hệ thống đánh lửa Với động cơ xăng, do trị số octane của CNG cao hơn so với xăng, nên để động cơ làm việc ổn định và đạt công suất cao, cần phải cải tạo kết cấu buồng đốt để nâng cao tỉ số nén động cơ

Hình 1.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG trên động cơ xăng, diesel chuyển sang

sử dụng hoàn toàn CNG

Khi nạp trực tiếp nhiên liệu thể kh vào đường ống nạp thông qua họng venturi, hệ số nạp của động cơ bị giảm dẫn đến công suất động cơ giảm Tuy nhiên,

sự sụt giảm này có thể bù trừ nhờ công suất động cơ tăng khi tăng tỷ số nén, cũng như khi sử dụng các vòi phun CNG thay cho bộ hòa trộn Do vậy, nếu tổ chức tốt quá trình cải tạo động cơ và cung cấp nhiên liệu, hiệu suất động cơ xăng sẽ được cải thiện khi chuyển sang sử dụng CNG

ứ y ổ ă é CNG – ă

Trong hệ thống nhiên liệu kép kiểu bi-fuel này, hệ thống nhiên liệu xăng được giữ lại và lắp đặt thêm hệ thống nhiên liệu CNG mới Động cơ có thể sử dụng độc lập nhiên liệu xăng hay CNG nhờ công tắc chuyển đổi (hình 1.9) CNG cũng được cung cấp thông qua bộ hòa trộn hoặc vòi phun, đốt cháy bằng bu-gi Ưu điểm của phương án này là có thể dự trữ năng lượng lớn hơn so với một hệ thống nhiên liệu xăng hoặc CNG, khắc phục được tình trạng tiếp nhiên liệu do sự hạn chế về cơ

sở hạ tầng cung cấp CNG Nhược điểm của phương án là cấu tạo động cơ trở nên phức tạp, khó khăn trong việc bố tr , lắp đặt hệ thống nhiên liệu mới Trong điều kiện tỷ số nén động cơ thấp, nên công suất động cơ khi chạy bằng CNG sẽ thấp hơn

so với khi chạy bằng xăng

Hình 1.9: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kép xăng-CNG

ứ y ổ e e é CNG-diesel

Trong phương án này, động cơ sử dụng đồng thời hai nhiên liệu CNG và

diesel (dual-fuel) để hoạt động (hình 1.10) [47], [85], [88] Trong đó, diesel đóng vai trò phun mồi để tạo tia lửa (pilot ignition) đốt cháy hỗn hợp kh CNG Nhiên

liệu CNG được cung cấp trên đường ống nạp, hòa trộn với không kh tạo thành hỗn hợp hòa kh đưa vào động cơ Cuối thì nén, diesel được phun vào buồng đốt, tự cháy tạo nguồn lửa đốt cháy hỗn hợp hòa kh CNG Khi chạy cầm chừng, động cơ này có khuynh hướng chạy 100% diesel Khi động cơ bắt đầu chuyển sang chế độ chạy tải, tỷ lệ CNG được cung cấp tăng lên thay thế dầu diesel có thể lên đến 80% hay hơn nữa Ưu điểm của động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép là nhờ tia lửa phun mồi của diesel có năng lượng lớn, hiệu quả đánh lửa kéo dài nên có

độ tin cậy đánh lửa cao Nhược điểm của phương pháp này là CNG cháy trong điều kiện động cơ có tỷ số nén cao nên có xu hướng bị k ch nổ

Hình 1.10: Động cơ diesel chuyển đ i sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel

Nhận xét chung:

Trong ba phương án đầu, khi chuyển đổi phải cải tạo động cơ để có tỷ số nén phù hợp với kh CNG hoặc lắp thêm hệ thống đánh lửa Đối với động cơ xăng, việc tăng tỷ số nén sẽ làm giảm độ bền của các chi tiết, đối với động cơ diesel phải giảm

tỷ số nén, lắp đặt thêm hệ thống đánh lửa, nên phức tạp và bất lợi về công suất Phương án thứ tư sử dụng nhiên liệu kép CNG – diesel có đặc điểm là không

Vòi phun CNG Phân tích khí thải

Vòi phun diesel

cần phải thay đổi nhiều về kết cấu động cơ, vẫn giữ nguyên tỷ số nén, nhiên liệu diesel chủ yếu phun mồi để tạo tia lửa, công suất động cơ được điều khiển thông qua lượng kh CNG nạp vào buồng đốt Loại này có khả năng chạy đa nhiên liệu, khi cần có thể chạy hoàn toàn bằng nhiên liệu diesel, nên phù hợp với điều kiện cung cấp nhiên liệu hiện nay Tuy nhiên ở phương án này, vấn đề khó khăn là việc

t nh toán và điều khiển tỷ lệ của hỗn hợp đa nhiên liệu CNG và diesel như thế nào cho phù hợp với các chế độ hoạt động của động cơ, để động cơ không bị cháy k ch

nổ Đây cũng là lĩnh vực cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá hơn nữa để góp phần tìm ra giải pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu tốt nhất trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép

1.4 Các phương pháp cung cấp CNG và diesel trên động cơ nhiên liệu kép

Có nhiều phương pháp cung cấp và tạo hỗn hợp CNG trên động cơ Theo

Rosli Abu Bakar và các cộng sự (2012), Zastavniouk (1997) [25] có bốn phương

pháp cơ bản cung cấp CNG vào xy-lanh động cơ: sử dụng bộ hòa trộn, sử dụng một

vòi phun chung (phun đơn điểm), vòi phun đa điểm trên đường nạp và vòi phun trực

tiếp vào buồng cháy (hình 1.11)

Hình1.11: Bốn phương pháp cung cấp CNG trên động cơ

4 ấ bằ b ò

Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống cung cấp CNG sử dụng

bộ hoà trộn có họng khuếch tán kiểu ống venturi Nhiên liệu CNG từ bình chứa, sau khi qua van giảm áp được đưa đến bộ hòa trộn CNG được hút vào đường ống nạp nhờ lực hút tạo bởi sự chênh áp ở họng venturi, hoà trộn với không kh tạo thành

1- Bộ hòa trộn 2- Phun đơn điểm 3- Phun đa điểm 4- Phun trực tiếp

hỗn hợp hòa kh đưa vào buồng cháy Nguyên lý định lượng CNG và tạo hỗn hợp trong bộ hoà trộn cũng tương tự như nguyên lý tạo hỗn hợp trong bộ chế hoà kh của động cơ xăng Hình dạng và k ch thước ống venturi và lỗ cấp CNG được t nh toán xác định để đảm bảo tỷ lệ không kh -nhiên liệu luôn phù hợp với yêu cầu làm việc của động cơ ở các chế độ

Hình 1.12: Cung cấp CNG b ng bộ h a trộn

Hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hoà trộn có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt và giá thành rẻ nên được sử dụng phổ biến giống như trên các động cơ chạy nhiên liệu kh LPG, Biogas Tuy nhiên, khi sử dụng bộ hòa trộn, do tổn thất lượng không kh nạp tại họng và do CNG chiếm chỗ nên hệ số nạp bị giảm, dẫn đến công suất của động cơ giảm khoảng 5÷8 (%), đồng thời CNG được cung cấp liên tục làm hạn chế khả năng kiểm soát tỷ lệ CNG/không kh

Hình 1.13: Cung cấp CNG b ng bộ h a trộn trên động cơ sử dụng nhiên liệu kép

Bộ hòa trộn CNG

Bệ thử công suất Động cơ

Krisada và các cộng sự [55] đã nghiên cứu cung cấp nhiên liệu kép diesel trên động cơ diesel 01 xy-lanh (tỷ số nén 20,3:1) như sau: CNG cung cấp trên đường nạp bằng bộ hòa trộn, diesel cung cấp bằng hệ thống bơm cao áp cơ kh với

CNG-áp suất phun 250 bar (hình 1.13) Kết quả thực nghiệm cho thấy khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép, ở số vòng quay 3600 v/ph, tỷ lệ CNG thay thế lên đến 68%, giới hạn tỷ lệ bắt đầu gây kích nổ là 72%

4 ấ bằ ò ờ ạ

Ngày nay, việc sử dụng vòi phun nhiên liệu CNG được áp dụng nhiều hơn thay thế cho các bộ hòa trộn [36], [71], [79] Có thể phun trên đường ống nạp hay phun trực tiếp vào buồng cháy Trong trường hợp phun trên đường ống nạp, có thể

sử dụng một vòi phun chung cho tất cả các xy-lanh hoặc sử dụng nhiều vòi phun độc lập Kiểu phun CNG độc lập cho từng xy-lanh được thực hiện theo phương án riêng rẽ nên giảm khả năng hồi lưu ngọn lửa vào đường nạp, cải thiện được sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các xy-lanh động cơ Áp suất CNG sau bộ giảm áp và trước vòi phun được duy trì khoảng 2,5÷3 (bar) [40], [56], [68] tuỳ theo yêu cầu của mỗi hệ thống

Hình 1.14 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun CNG trên đường nạp theo nguyên lý phun đa điểm của nhóm tác giả Youtong Zhang và các cộng sự [87] Trong đó, diesel được cung cấp kiểu cơ kh , CNG được thiết kế phun trên đường ống nạp, áp suất phun 1 MPa Hệ thống phun CNG được kiểm soát bằng điện tử Chương trình điều khiển được thiết kế bởi ngôn ngữ lập trình của Motorola

Hệ phống phun CNG trên đường ống nạp khắc phục được một số nhược điểm của hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hoà trộn Hệ thống giảm được tổn thất

kh động qua họng khuếch tán và đảm bảo định lượng ch nh xác và đồng đều nhiên liệu giữa các xy-lanh hơn so với khi sử dụng bộ hoà trộn nên sẽ cải thiện được đặc

t nh công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ Tuy nhiên, phương pháp cấp CNG vào đường nạp nhờ bộ hoà trộn hay phun đều gặp phải vấn đề là ảnh hưởng chiếm chỗ không kh nạp của nhiên liệu CNG nên làm giảm lượng hỗn hợp nạp vào xy-lanh [18]

Hình 1.14: ơ đ cung cấp CNG b ng v i phun trên đường ống nạp

1.4.3 ấ bằ ò ự ế b ồ y

Phương pháp phun CNG trực tiếp vào buồng cháy cũng đã được nghiên cứu thử nghiệm Phương pháp này cho phép kết hợp các ưu điểm của kh thiên nhiên với quá trình cháy của hỗn hợp nghèo phân lớp Nhiên liệu CNG trong trường hợp này

do không phải hòa trộn với không kh trước khi vào xy-lanh mà được phun trực tiếp vào động cơ nên không làm giảm áp suất nén và hệ số nạp gây tổn thất mô-men động cơ, ngoài ra còn hạn chế gây ra hiện tượng k ch nổ Nhược điểm của phương pháp này là đòi h i kỹ thuật chế tạo phức tạp và áp suất phun CNG cao Điều này dẫn đến những khó khăn mới về vấn đề làm k n đối với vòi phun nhiên liệu ở thể

kh ; đồng thời, sự dãn nở vì nhiệt do nhiệt độ cao trong buồng cháy nên vấn đề làm

k n giữa kim phun và đế vòi phun càng trở nên khó khăn hơn nhiều [46], [51] 1.4.3.1 Cung cấp CNG bằng vòi phun bào buồng cháy phụ

Giải pháp phun nhiên liệu CNG vào buồng cháy phụ (hình 1.15) cũng đã đạt được những kết quả nhất định [51], [66] Áp suất CNG phun vào buồng cháy phụ,

có thể giảm xuống 6001200 (psi) do lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy phụ là

không cần lớn; thậm ch chỉ cần đủ làm ngọn lửa mồi cho hỗn hợp đồng nhất loãng trong buồng cháy ch nh; vì vậy giảm bớt áp lực lọt kh vì áp suất lớn đối với vòi phun nhiên liệu kh Phần nhiên liệu CNG trong buồng cháy ch nh được cấp qua đường nạp có hỗn hợp loãng để tránh hiện tượng cháy k ch nổ Theo đó, hệ thống cung cấp CNG từ nguồn cung cấp (1) sau khi qua bộ lọc (4) sẽ được chia làm hai

Đường ống nạp động cơ

Cảm biến điểm

chết trên Mạch giao tiếp

nhánh Một nhánh với áp suất thấp 100120 (psi) cung cấp qua đường nạp, sau khi

qua van điều chỉnh áp suất (5), qua bộ hòa trộn (7), đến van tiết lưu (8) rồi vào lanh (9) Còn nhánh cao áp thì thông qua van điều chỉnh với áp suất cao hơn

xy-6001200 (psi); rồi qua vòi phun (11) để phun vào buồng cháy phụ (10)

Hình 1.15: ơ đ cung cấp CNG với kiểu phun vào bu ng cháy phụ

Phun nhiên liệu CNG vào buồng cháy phụ cho phép kiểm soát nồng độ hỗn hợp dễ dàng hơn so với phun trực tiếp trong buồng cháy thống nhất: trong không

gian hẹp của buồng cháy phụ có thể tích nh (khoảng 10% t ng thể tích bu ng

cháy) lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy phụ sẽ giữ được độ đậm cần thiết cho

hỗn hợp Tại lỗ thông giữa buồng cháy phụ và ch nh có hỗn hợp trung bình gần với giá trị lý thuyết giúp cho sự lan tràn màng lửa tốt nhất Với áp suất tăng cao của hỗn hợp cháy trong buồng cháy phụ, ngọn lửa sẽ phun từ buồng cháy phụ ra buồng cháy

ch nh tạo thành chùm lửa mạnh làm cho hỗn hợp loãng trong buồng cháy ch nh được đốt cháy kiệt Tốc độ lan tràn màng lửa của hỗn hợp loãng trong buồng cháy

ch nh diễn ra chậm hơn làm cho quá trình cháy êm, nhiệt độ lớn nhất của kh cháy thấp hơn so với kiểu buồng cháy thống nhất, điều này sẽ làm giảm hàm lượng NOx nhưng nhiệt độ trung bình vẫn cao nên quá trình oxy hóa HC vẫn diễn ra đầy đủ nên thành phần HC sẽ giảm

1.4.3.2 Cung cấp CNG bằng vòi phun trực tiếp vào buồng cháy thống nhất

Để lượng phun chu trình vào buồng cháy động cơ không bị hạn chế như kiểu phun vào buồng cháy phụ nêu trên, hệ thống phun trực tiếp với kiểu vòi phun CNG

vào buồng cháy thống nhất (hình 1.16) cũng đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả;

chẳng hạn như Ouellette P and Philip G Hill (1992) [62], Cox G B và cộng sự (2000) [46], John T Kubesh (2002) [51], Ranbir Singh [70],… Tuy vậy, khi phun trực tiếp vào buồng cháy thống nhất thì trở lại gặp phải khó khăn của vấn đề làm k n

do phải phun với áp suất cao hơn để đạt lượng phun chu trình lớn hơn

Hình 1.16: Phun trực tiếp CNG vào bu ng cháy thống nhất

Từ 2001 đến 2004, Isuzu Motor Limited và Westport Innovations Inc sử dụng công nghệ phun trực tiếp nhiên liệu kh vào động cơ trên dòng xe ISUZU Kết quả hiệu suất nhiệt được cải thiện tăng thêm 25%, kh phát thải thấp hơn t nhất 75% so với tiêu chuẩn kh thải hiện tại [97]

1.4.3.3 Cung cấp CNG bằng vòi phun liên hợp kép CNG-diesel

Giải pháp hệ thống phun trực tiếp kiểu vòi phun liên hợp kép CNG-diesel đã được tập đoàn năng lượng Westport nghiên cứu và ứng dụng thành công cho động

cơ diesel với áp suất phun cao lên đến 3500 (psi) [80] và đã áp dụng trên các loại xe

tải nặng, xe buýt sử dụng động cơ có tỷ số nén cao Theo đó, lượng phun diesel dùng làm mồi lửa cho nhiên liệu CNG; khi cần thiết có thể chạy hoàn toàn bằng diesel trong trường hợp hết nhiên liệu CNG trong bình chứa Tuy vậy, hệ thống vòi

phun liên hợp kép CNG-diesel có cấu tạo hết sức phức tạp, giá thành cao (hình 1.17)

Hình 1.17: V i phun liên hợp kép CNG-diesel

1.4.3.4 Phương pháp phun mồi diesel trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel

Quá trình phun mồi diesel để tạo năng lượng ban đầu và đốt cháy hỗn hợp CNG đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của động cơ nhiên liệu kép Điều này phụ thuộc vào một số đặc điểm của hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel như: vị tr lắp đặt và thông số kỹ thuật của kim phun, góc phun sớm, cố định hay thay đổi thời gian phun, phun một lần hay nhiều lần trong một chu kỳ, áp suất phun,… [49] Phần lớn các động cơ diesel cũng như các nghiên cứu về động cơ nhiên liệu kép hiện nay thường sử dụng các hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel truyền thống như PE, PF, VE,… [13], [14], [55], [87] Các hệ thống phun nhiên liệu kiểu cơ kh này có hạn chế về áp suất phun (trung bình 200 - 250 bar), độ ch nh xác và kỹ thuật điều khiển Việc điều khiển thời điểm, thời gian phun kém linh hoạt theo các chế độ làm việc của động cơ Ngày nay, nhờ sự phát triển của công nghệ và kỹ thuật điều khiển điện

tử đã cho ra đời hệ thống phun diesel điện tử kiểu t ch áp cao – common rail diesel (CRDI) Với khả năng đáp ứng tốt về áp suất nhiên liệu và độ ch nh xác, tốc độ xử lý,hệ thống common rail đã mang lại sự tối ưu hóa về hoạt động cho động cơ diesel Nhờ nhiên liệu được phun với áp suất cao (có thể đạt 1800 bar) nên tạo ra các hạt

Vòi phun

Bơm LNG

Đường cấp LNG

Bộ hóa hơi

Chùm tia NG Chùm tia diesel

nhiên liệu có k ch thước rất nh làm tăng chất lượng quá trình tạo hỗn hợp và cháy, tăng t nh kinh tế, giảm ô nhiễm môi trường và tăng khả năng gia tốc cho động cơ Đồng thời, hệ thống được điều khiển điện tử thông qua ECU t nh toán và điều khiển, giúp mang lại khả năng điều khiển ch nh xác và tối ưu, có thể thay đổi thời gian và áp suất phun, phun nhiều đợt nên giúp cho động cơ hoạt động êm dịu hơn, nhiên liệu cháy tốt hơn và giảm kh thải t ch cực hơn Điều này giúp cho quá trình cháy của động cơ nhiên liệu kép được cải thiện đáng kể Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng hệ thống CRDI để phun mồi tạo năng lượng đốt cháy hỗn hợp CNG trong động cơ nhiên liệu kép là vấn đề rất đáng quan tâm

1.4.4 ề ỷ ấ -diesel

Trong động cơ nhiên liệu kép, nhiên liệu CNG và diesel có thể cung cấp theo

03 phương án (hình 1.18): cố định một lượng nh diesel phun vào cho tất cả chế độ tải trọng và tốc độ động cơ; cung cấp bổ sung diesel khi tải động cơ tăng; cung cấp CNG-diesel theo tỷ lệ cho các điều kiện làm việc của động cơ Trong phương án thứ

ba, có thể tăng cao hiệu suất động cơ ở mọi chế độ tải và tốc độ, tuy nhiên phức tạp

cung cấp nhiên liệu đến đặc t nh của động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel Bosch [38], trong nghiên cứu so sánh các thông số kỹ thuật giữa động cơ diesel truyền thống và khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel cho thấy:

về mô-men và hiệu suất trong 2 trường hợp là tương đương nhau; áp suất cháy của động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép thấp hơn khi chạy hoàn toàn diesel; điểm vượt trội khi sử dụng nhiên liệu kép là suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn và kh phát thải độc hại giảm đáng kể

Youtong Zhang và các cộng sự [87] đã nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel

X6-130 (tỷ số nén 17:1) sang sử dụng CNG-diesel, cung cấp diesel kiểu cơ kh ,

CNG phun trên đường ống nạp Kết quả cho thấy khi sử dụng nhiên liệu kép, công suất của động cơ không khác biệt nhiều so với khi sử dụng diesel Ở chế độ đầy tải,

tỷ lệ CNG thay thế có thể lên đến 92% và trung bình là hơn 85% (hình 1.19)

Hình 1.19: Mô-men, công suất và tỷ lệ CNG thay thế trên động cơ X6-130 sử dụng

nhiên liệu kép

Trong nghiên cứu về đánh giá hiệu suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel và phân t ch kh thải, Talal F.Yusaf và các cộng sự [78] đã sử dụng

mạng tr tuệ nhân tạo ANN (Artificial Neural Network) để phân t ch và mô ph ng

quá trình cháy của động cơ 01 xy-lanh sử dụng nhiên liệu kép cho thấy hiệu suất nhiệt có ch tăng khoảng 13%, mức tiêu hao nhiên liệu thấp, lượng kh thải NOx và

CO giảm 30%, nhiệt độ kh thải giảm so với động cơ dùng diesel đơn thuần

Bhaskor J Bora và Ujjwal K Saha [41] đã nghiên cứu tối ưu hóa thời gian phun của động cơ sử dụng nhiên liệu kép trên nền động cơ diesel 1 xy-lanh, cho

thấy có thể tăng hiệu suất nhiệt có ch tối đa 25,44% Ranbir Singh và Sagar Maji (2012) đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ CNG-diesel và tỷ số nén đến hoạt động của động cơ khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép, cho thấy khi tăng tỷ lệ CNG-diesel (ở mức 30% và 60% CNG) và tỷ số nén (15:1 và 17,5:1) hiệu suất nhiệt đều tăng, lên đến hơn 5% so với động cơ nguyên thủy; suất tiêu hao nhiên liệu của động

cơ nhiên liệu kép tốt hơn khi nồng độ CNG và tỷ số nén tăng (hình 1.20)

Hình 1.20: Hiệu suất nhiệt và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ thử nghiệm khi

thay đ i tỷ lệ CNG-diesel và tỷ số nén động cơ các chế độ tải

Một số nghiên cứu khác tập trung vào ảnh hưởng của nhiên liệu diesel phun mồi [37], [43], [64], [65] Theo Slawomir Wierzbicki và các cộng sự [73], các thông

số cơ bản của sự phun mồi diesel như lượng nhiên liệu phun, thời điểm phun và áp suất phun có ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tăng lượng nhiên liệu diesel phun mồi, hay tăng góc phun sớm từ 12,50 BTDC lên 250 BTDC, áp suất cực đại trong xy-lanh sẽ tăng Nghiên cứu cho thấy, để đảm bảo năng lượng tia lửa đủ mạnh để đốt cháy hỗn hợp hòa kh CNG và động cơ làm việc ổn định, tránh hiện tượng k ch

nổ, bảo toàn công suất của động cơ trong các chế độ làm việc, tỷ lệ CNG-diesel cần được điều chỉnh phù hợp Thông thường, ở chế độ khởi động và số vòng quay