Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế CNG cho động cơ xe buýt

So sánh giá của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống Một ưu điểm nữa của việc sử dụng nhiên liệu CNG đó là giảm được đáng kể lượng khí thải độc hại đồng thời không bị phụ thuộc

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

NGUYỄN VĂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU THAY THẾ

CNG CHO ĐỘNG CƠ XE BUÝT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỘI - 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU THAY THẾ

CNG CHO ĐỘNG CƠ XE BUÝT

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn là do bản thân thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn khoa học TS.Trần Đăng Quốc Ngoài tài liệu tham khảo đã liệt kê, các số liệu tính toán và thử nghiệm trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2018

Giáo viên hướng dẫn Học viên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ các thầy

cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Trần Đăng Quốc 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 Bộ môn, Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực - 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

Xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí động lực và các thầy cô trong Bộ môn, Xưởng thực hành ô tô – Trường Đại học Sư phạm

kỹ thuật Vinh đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm nghiên cứu học tập

Cảm ơn anh chị em học viên cao học khóa 2015 B chuyên ngành thạc sỹ kỹ thuật động lực, bạn bè đồng nghiệp và những người thân trong gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua

Hà Nội,ngày 26 tháng 09 năm 2018 Tác giả

Nguyễn Văn Đại

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC HÌNH VẼ VI DANH MỤC BẢNG BIỂU VIII

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

1.1 Ô nhiễm môi trường 1

1.2 Thiếu hụt dầu mỏ 2

1.3 Tầm quan trọng của việc sử dụng nhiên liệu thay thế 3

2 Mục tiêu nghiên cứu 5

2.1 MỤC TIÊU TỔNG QUÁT 5

2.2 MỤC TIÊU CỤ THỂ 5

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 6

3.1 Đối tượng nghiên cứu 6

3.2 Phạm vi nghiên cứu 6

4 Phương pháp nghiên cứu 6

5 Ý nghĩa khoa học của luận văn 6

6 Cấu trúc luận văn 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CNG 8

1.1 Tổng quan về khí thiên nhiên 8

1.1.1 Sự hình thành của khí thiên nhiên 8

1.1.2 Quá trình sử dụng khí thiên nhiên 8

1.1.3 Phân loại 9

1.2 Tính chất lý hóa của khí thiên nhiên nén (CNG) 9

1.2.1 Thành phần hóa học 9

1.2.2 Đặc tính cơ bản của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống 10

1.2.3 So sánh CNG và các loại nhiên liệu thay thế khác 11

1.3 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước 12

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước 12

1.3.2 Sử dụng nhiên liệu CNG trên phương tiện vận tải ở Việt Nam 18

1.4 Phân loại hệ thống nhiên liệu CNG 19

1.4.1 Lưỡng nhiên liệu (Dual fuel) 20

1.4.2 Đơn nhiên liệu (Single fuel) 26

1.5 Bố trí trạm nạp CNG 32

1.6 Bình dự trữ nhiên liệu CNG 34

1.6.1 Các yêu cầu chung 34

1.6.2 Cấu tạo bình dự trữ CNG 35

1.6.3 Thời gian nạp nhiên liệu CNG 36

1.6.4 Vị trí đặt bình nhiên liệu CNG trên phương tiện vận tải 36

CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM XE BUÝT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL D1146 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG 41

2.1 Đặc điểm và phân loại xe buýt 41

2.1.1 Đặc điểm của xe buýt 41

2.1.2 Kết cấu khung vỏ 42

2.1.3 Bố trí ghế trên xe buýt 42

2.1.4 Bố trí các cụm xe 44

2.1.5 Các thông số cơ sở của xe buýt 46

2.2 Giới thiệu động cơ D1146 47

2.3 Mô phỏng động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG 51

2.3.1 Cở sở lý thuyết mô phỏng động cơ 51

2.3.2 Mô phỏng động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG 61

2.3.3 Nhập dữ liệu cho mô hình 62

CHƯƠNG III: ĐẶC TÍNH NGOÀI ĐỘNG CƠ D1146 NHIÊN LIỆU CNG VÀ BỐ TRÍ BÌNH DỰ TRỮ NHIÊN LIỆU TRÊN XE BUÝT DAEWOO 74

3.1 Xây dựng đặc tính ngoài động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG 74

3.1.1 Cơ sở lựa chọn thông số để xác định đặc tính ngoài 74

3.1.2 So sánh hiệu suất làm việc của động cơ D1146 nhiên liệu diesel với động cơ chuyển đổi nhiên liệu CNG 74

3.1.3 Xác định đặc tính ngoài của động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG 77

3.2 Kiểm nghiệm tính năng động học của xe 78

3.3 Bố trí bình dự trữ nhiên liệu trên xe buýt 84

3.3.1 Tính toán dung tích bình dự trữ nhiệu liệu 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CNG Khí nén thiên nhiên (Compressed Natural Gas) - LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas) - LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas) -

HDPE High Density Polyethylene (Nhựa polyethylene đặc biệt) -

AVL-Boost Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) -

ĐCD Điểm chết dưới

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 So sánh giá của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống 5

Hình 1.1 Xe sử dụng khí thiên nhiên nén ở Italia năm 1936 14

Hình 1.2 Xe buýt Mercedes-Benz OC500LE tại Sydney, Australia 14

Hình 1.3 Xe buýt trường học sử dụng CNG ở Mỹ 15

Hình 1.4 Biểu đồ thống kê 10 nước có xe sử dụng CNG nhiều nhất 16

Hình 1.5 Đầu máy xe lửa CNG tuyến Opava – Hlučín 16

Hình 1.6 Động cơ sử dụng CNG trên xe chở rác Volvo FE 17

Hình 1.7 Xe buýt CNG tại thành phố Hồ Chí Minh 19

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống liệu Xăng-CNG song song 22

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG lắp trên đường nạp động cơ diesel 23

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG Bosch trên xe buýt 25

Hình 1.11 Cung cấp khí CNG sử dụng họng khuếch tán 27

Hình 1.12 Cung cấp khí CNG dùng bộ hoà trộn kết hợp van tiết lưu 28

Hình 1.13 Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trên đường nạp 30

Hình 1.14 Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp 31

Hình 1.15 Trạm nạp nhiên liệu CNG 32

Hình 1.16 Vị trí lắp bình dự trữ CNG trên xe cá nhân 37

Hình 1.17 Vị trí lắp bình dự trữ CNG trên xe VW Touran TSI EcoFuel MPV 37

Hình 1.18 Bình dự trữ CNG trên school bus 38

Hình 1.19 Vị trí bình dự trữ CNG trên xe chở khách 38

Hình 1.20 Bỗ trí bình dự trữ CNG trên xe lửa 39

Hình 1.21 Mặt cắt toa tàu chứa nhiên liệu CNG 39

Hình 1.22 Nhiên liệu dự trữ đặt sau ca-bin lái 40

Hình 1.23 Nhiên liệu dự trữ đặt phía dưới khung gầm 40

Hình 2.1 Bố trí tổng thể trên xe khách thành phố TRANSINCO 42

Hình 2.2 Bố trí ghế trên xe khách thành phố của hãng Deawoo, Transinco 43

Hình 2.3 Bố trí ghế trên xe khách thành phố hãng Mercedes-Benz 43

Hình 2.4 Bố trí ghế trên xe khách thành phố hãng Renault 43

Hình 2.5 Phương án bố trí bên một dãy và một bên hai dãy ghế 44

Hình 2.6 Phương án bố trí mỗi bên một dãy ghế 44

Hình 2.7 Phương án bố trí động cơ đặt trước 45

Hình 2.8 Phương án bố trí động cơ đặt sau 45

Hình 2.9 Động cơ D1146 47

Hình 2.10 Mặt cắt dọc động cơ D1146 48

Hình 2.11 Hệ thống nhiên liệu động cơ D1146 49

Hình 2.12 Hệ thống bôi trơn động cơ D1146 51

Hình 2.13 Sự tiếp xúc thành xylanh của ngọn lửa 59

Hình 2.14 Động cơ nghiên cứu được mô phỏng bằng AVL Boost 63

Hình 2.15 Cửa sổ nhập thông số phần tử động cơ 66

Hình 2.16 Nhập thông số ma sát động cơ 66

Hình 2.17 Lựa chọn mô hình cháy cho mô hình mô phỏng 67

Hình 2.18 Nhập thông số mô hình cháy Fractal 67

Hình 2.19 Các thông số xác định hiện tượng kích nổ 68

Hình 2.20 Pha phối khí của động cơ 68

Hình 2.21 Nhập thông sổ điều khiển vòi phun nhiên liệu 71

Hình 2.22 Hiệu chuẩn mô hình theo đặc tính mô men động cơ 73

Hình 3.1 Hệ số nạp thay đổi theo tốc độ động cơ 75

Hình 3.2 Công suất động cơ thay đổi theo tốc độ động cơ 76

Hình 3.3 Mô men của động cơ thay đổi theo tốc độ động cơ 77

Hình 3.4 Đặc tính ngoài động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG 77

Hình 3.5 Đồ thị gia tốc 80

Hình 3.6 Đồ thị gia tốc ngược 82

Hình 3.7 Đồ thị thời gian tăng tốc 83

Hình 3.8 Đồ thị quảng đường tăng tốc 84

Hình 3.9 Sơ đồ tính tiêu thụ nhiên liệu theo thời gian 85

Hình 3.10 Đồ thị thời gian tăng tốc 86

Hình 3.11 Đồ thị quãng đường tăng tốc 87

Hình 3.12 Bố trí thùng chứa nhiên liệu CNG trên chassis xe buýt 88

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thành phần cơ bản của khí thiên nhiên trước khi tinh chế 10

Bảng 1.2 Bảng so sánh đặc tính của CNG với xăng và diesel 10

Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của xe buýt 46

Bảng 2.2 Mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ D1146 50

Bảng 2.3 Ký hiệu các phần tử mô hình động cơ 62

Bảng 2.4 Thông số nhập ở điều kiện biên đầu vào (SB1) 63

Bảng 2.5 Thông số nhập ở điều kiện biên đầu ra (SB2) 64

Bảng 2.6 Độ nâng và hệ số lưu lượng của xupap 69

Bảng 2.7 Các thông số đường ống 71

Bảng 2.8 Các thông số nhập cho phần tử Measuring Point 73

Bảng 3.1 Các thông số đặc trưng khả năng tăng tốc của xe 80

Bảng 3.2 Bảng số liệu gia tốc ngược cho các tay số 81

Bảng 3.3 Thời gian tăng tốc của động cơ 82

Bảng 3.4 Quãng đường tăng tốc của xe 84

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

1.1 Ô nhiễm môi trường

Hiện nay thế giới có khoảng 1,5 triệu ô tô, số lượng này thải ra môi trường hàng trăm triệu tấn khí thải độc hại mỗi năm Riêng ở Việt Nam, hiện nay cả nước

có khoảng 3,7 triệu ô tô và 55 triệu xe máy đang hoạt động Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, tốc độ tăng hàng năm của các phương tiện nêu trên khá cao

Trong quý một năm 2018, hơn 800.000 xe máy được đăng ký mới, nâng tổng số loại phương tiện này trên cả nước lên hơn 55 triệu, đã vượt quy hoạch năm 2030 Số lượng lớn ôtô xe máy thường tập trung ở các đô thị lớn như TP HCM và Hà Nội, theo đánh giá của các chuyên gia môi trường, ô nhiễm không khí ở đô thị do giao thông vận tải gây ra chiếm t lệ khoảng 70% Những phương tiện giao thông này khi hoạt động sẽ thải ra một lượng lớn khí thải từ quá trình đốt cháy của nhiên liệu Khí thải do động cơ đốt trong thải ra từ sự đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu bên trong xylanh động cơ gồm các thành phần sau:

+ Ôxit Cacbon (CO): là chất khí không màu, không thấy được, được tạo ra khi

nhiên liệu chứa cacbon cháy không hết – đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe con người, cản trở vận chuyển ôxy từ máu vào tới các mô CO2 gây ra hiệu ứng nhà kính cùng với sự nóng lên của trái đất

+ Ôxit Nitơ (NOx): là một dạng hợp chất Dioxit Nitơ (NO2) gắn liền với việc

gia tăng ô nhiễm đường hô hấp, làm nghẽn thở ở người mắc bệnh hen, giảm chức năng của phổi NOx góp phần làm tăng lượng bụi hạt bằng cách chuyển thành axit nitric trong không khí và tạo hạt nitrat

+ Ôzôn (O 3 ): có thể làm tổn hại đến hô hấp bao gồm đau ngực, ho và thở ngắn

Ôzôn làm hư hại cây cối, tăng khả năng côn trùng gây hại cho cây, hư hỏng vật liệu, tầm nhìn

+ Hydrocacbon (HC): gây ô nhiễm độc hại trong không khí có thể tác động

đến sức khỏe cộng đồng Các hydrocacbon thơm thường rất độc, có thể gây ung thư

HC tồn tại trong khí quyển còn gây sương mù, gây tác hại cho mắt và đường hô hấp

+ Chì (Pb): Đối với tế bào sống chì rất độc, làm giảm khả năng hấp thụ ô xy

trong máu

+ SO 2 : lưu huỳnh dioxit là một chấu háu nước, dễ hòa tan vào nước mũi, giảm

khả năng đề khàng của cơ thể và làm tăng cường độ tác hại chất ô nhiễm khác

+ Chất thải dạng hạt (PM): làm giảm tầm nhìn và hủy hoại các vật chất, gây

hại tới sức khỏe con người

+ Khí cacbonic (CO 2 ): là sản phẩm cháy hoàn toàn của cacbon với ô xy Tuy

CO2 không độc đối với sức khỏe con người nhưng với nồng độ quá lớn sẽ gây ngạt Ngoài ra CO2 là thủ phạm chính gây ra hiệu ứng nhà kính

Sự hiện diện các chất ô nhiễm, đặc biệt những chất khí gây hiệu ứng nhà kính ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển Với tốc độ gia tăng nồng độ khí cacbonic như hiện nay, người ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22 nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2°C đến 3°C, một phần băng ở vùng Bắc cực

và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nước biển, biến đổi khí hậu Sự gia tăng

NOx, đặc biệt là N2O có nguy cơ gia tăng sự hủy hoại lớp ôzôn ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học Vì vậy việc nghiên cứu để hạn chế ô nhiễm do khí thải động cơ là một yêu cầu cấp bách không chỉ riêng đối với một quốc gia nào

1.2 Thiếu hụt dầu mỏ

Hiện nay, thế giới đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch, hầu hết các phương tiện giao thông như: ô tô cá nhân, xe lửa, các loại xe buýt, các loại xe tải, máy bay, tàu thủy… vẫn sử dụng chủ yếu xăng và dầu diesel làm nhiên liệu chính Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, nền kinh tế cùng với các phương tiện giao thông liên lạc, vận tải, sẽ rơi vào khủng hoảng, ngưng trệ Gần như toàn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã hội hiện đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Kết quả tính toán dựa trên tốc độ khai thác và sử dụng các nhiên liệu hóa thạch hiện nay đã chỉ ra rằng trữ lượng dầu mỏ trên toàn thế giới chỉ có thể đáp ứng khoảng gần 40 năm nữa Kết quả này là nguyên nhân chính đẩy giá xăng dầu ngày càng tăng cao hơn dẫn đến nền kinh tế có nguy cơ rơi vào khủng hoảng kèm theo đó là nguy cơ về khả năng giao thông ngưng trệ Tuy nhiên, khi nhu cầu về dầu mỏ vượt quá nguồn cung thì giá của sản phẩm phụ thuộc dầu mỏ như lương thực sẽ tăng giá với tốc độ rất nhanh chưa từng có

Điều này cũng sẽ gây ra hậu quả khôn lường cho nền kinh tế toàn cầu và những người dân có mức thu nhập trung bình Các chuyên gia cũng cảnh báo rằng nếu con người không chuyển hướng khỏi việc xây dựng một xã hội dựa trên dầu mỏ thì nền kinh tế của chúng ta sẽ sụp đổ Xăng và diesel có gốc từ dầu mỏ là những nhiên liệu

có hạn và khó có thể tái tạo được, nếu muốn tái tạo lại cần phải mất hàng triệu năm nhưng con người chỉ mất chưa đầy 200 năm để tiêu thụ hết nguồn cung dầu mỏ trên trái đất

1.3 Tầm quan trọng của việc sử dụng nhiên liệu thay thế

Hiện nay, trữ lượng dầu mỏ đang dần cạn kiệt và theo ước tính nếu không phát hiện thêm được trữ lượng mới thì nguồn dầu mỏ chỉ đủ dùng cho tới năm 2050 Bên cạnh đó, nguồn nhiên liệu truyền thống còn gây ra những vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính gây biến đổi khí hậu Trước thực trạng đó, nhiên liệu thay thế cho các nhiên liệu truyền thống đóng một vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp năng lượng trong tương lai Các loại nhiên liệu thay thế được phân loại như sau:

+ Nhiên liệu gốc hóa thạch như: khí nén thiên nhiên CNG (Compressed

Natural Gas), khí thiên nhiên hóa lỏng LNG (Liquefied natural gas), khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas)

+ Nhiên liệu sinh học được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động,

thực vật như diesel sinh học (biodiesel), xăng sinh học (Biogasoline), khí sinh học (Biogas)

Ngoài ra còn có những loại nhiên liệu thay thế khác đang được sử dụng hoặc nghiên cứu như Hidro (H2), pin nhiên liệu (fuel cell), Amoniac (NH3), v.v… Những nhiên liệu điển hình có thể thay thế cho nhiên liệu truyền thống gốc từ dầu mỏ hiện được nhiều quốc gia trên thế giới sử dụng có thể kể đến như:

+ Khí hóa lỏng (LPG) là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô

Nhiên liệu khí hóa lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu Động cơ sử dụng LPG ít gây ô nhiễm nhờ giảm lượng lớn chất độc hại như hydro cacbon (H-C), oxit nitơ (NOx), khí cacbonic (CO2), oxit cac bon (CO) LPG có chỉ số chống kích nổ cao, chi phí sản xuất thấp, có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với nhiên liệu xăng truyền thống Nhiệt trị theo khối lượng của LPG lỏng tương đương với xăng Trữ

lượng LPG ở nước ta rất dồi dào, sản lượng của LPG dự báo đến năm 2015 sẽ đạt khoảng 2 triệt tấn

+ Khí thiên nhiên nén (CNG) là khí được khai thác từ các mỏ khí có sẵn trong

tự nhiên Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là Metan (CH4) chiếm khoảng 90% Sản phẩm cháy thu được sau khi đốt cháy CNG ít gây ô nhiễm môi trường hơn, sản xuất đơn giản, an toàn, có trữ lượng rất lớn trên thế giới và ở Việt Nam Nhiệt trị khối lượng của CNG cao hơn 10% so với nhiên liệu xăng truyền thống Ngày nay khí thiên nhiên có thể chế tạo từ rác thải mà không phụ thuộc vào các mỏ khí thiên nhiên, quốc gia đứng đầu trong việc sử dụng khí thiên nhiên nhân tạo phải

80-kể đến Hàn Quốc

+ Khí Hydro (H 2 ) là nhiên liệu sạch, thân thiện môi trường, có thể tái sinh,

nhiệt lượng tỏa ra cao, trữ lượng vô cùng phong phú H2 được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời Nhiệt lượng tỏa ra khi cháy cao gấp 3 lần xăng

+ Ethanol là một loại rượu làm từ thực vật, có hàm lượng octane cao nên

ethanol là loại nhiên liệu lý tưởng cho động cơ có t số nén cao, lượng khí thải thấp Ethanol có giá trị nhiệt trị thấp nhỏ hơn xăng và bay hơi kém hơn xăng

Một trong số những nhiên liệu thay thế sử dụng cho động cơ đốt trong có thể thỏa mãn đồng thời hai vấn đề quan trọng đó là môi trường và không phụ thuộc vào nhiên liệu gốc dầu mỏ, đó là nhiên liệu khí thiên nhiên nén viết tắt là CNG Các kết quả nghiên cứu về so sánh chi phí sử dụng giữa nhiên liệu CNG với xăng và diesel

đã chỉ ra rằng chi phí cho phương tiện vận tải sử dụng nhiên liệu CNG thấp hơn khoảng 40% (Hình 1) Giá của nhiên liệu CNG ổn định cao hơn so với dầu mỏ, chi phí sửa chữa và bảo dưỡng của động cơ nhiên liệu CNG thấp hơn so với các động

cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống (xăng và diesel) Mặc dù giá thành của các xe chạy CNG hoặc bộ chuyển đổi còn khá cao nhưng trong tương lai hứa hẹn giá sẽ giảm bên cạnh đó là những cải tiến về hiệu suất và tính năng sử dụng

Hình 1 So sánh giá của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống

Một ưu điểm nữa của việc sử dụng nhiên liệu CNG đó là giảm được đáng kể lượng khí thải độc hại đồng thời không bị phụ thuộc vào các nguồn cung cấp nhiên liệu xăng và diesel truyền thống Tuy nhiên, để có được các động cơ đốt trong chỉ

sử dụng nhiên liệu CNG thỏa mãn được các yêu cầu trên thì cần phải hiểu được tính chất vật lý và hóa học của khí thiên nhiên

Trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế CNG cho động

cơ xe buýt” được thực hiện nhằm có cơ sở và phù hợp với thực tiễn ở nước ta và kết

quả thu được từ nghiên cứu này sẽ là nguồn tài liệu quan trọng bổ sung cho định hướng phát triển xe buýt sử dụng nhiên liệu CNG ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung

2 Mục tiêu nghiên cứu

+ Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng động cơ diesel D1146 bằng phần mềm AVL Boost và tiến hành chạy động cơ mô phỏng

+ Xây dựng đặc tính sơ bộ động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG và thiết lập sơ đồ bố trí các thùng chứa nhiên liệu trên xe buýt Deawoo

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Động cơ diesel D1146 có 6 xylanh một hàng trang bị trên xe buýt Deawoo hoạt động trong nội thành Hà Nội

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Xây dựng đặc tính sơ bộ động cơ diesel D1146 chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG bằng phần mềm AVL Boost Thiết lập sơ đồ bố trí thùng dự trữ nhiên liệu CNG trên xe buýt Deawoo

4 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, Luận văn phải tiến hành theo các phương pháp sau: + Phương pháp phân tích là tập trung vào nghiên cứu các tài liệu như: Nhiên liệu CNG, các hệ thống cấp nhiên liệu CNG, các phương tiện vận tải sử dụng nhiên liệu CNG và các trang thiết bị hậu cần phục vụ cho các phương tiện vận tải sử dụng nhiên liệu CNG (trạm nạp CNG, thùng chứa nhiên liệu CNG) Từ các phân tích này

có thể lựa chọn giải pháp cấp nhiên liệu cho động cơ chuyển đổi

+ Phương pháp mô hình hóa được thực hiện bằng cách xây dựng mô hình động

cơ diesel D1146 bằng phần mềm AVL Boost Sau đó tiến hành chạy mô hình động

cơ mô phỏng với nhiên liệu CNG, các kết quả thu được sẽ là cơ sở để phục vụ cho tính toán tiếp theo

5 Ý nghĩa khoa học của luận văn

Kết quả của luận văn là một tài liệu tham khảo chuyên sâu phục vụ cho đào tạo

và nghiên cứu phát triển xe buýt chuyển đổi từ nhiên liệu diesel sang sử dụng hoàn

toàn CNG thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được trình bày trong 3 chương với

cấu trúc như sau:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CNG

CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM XE BUÝT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL D1146 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG

CHƯƠNG III: ĐẶC TÍNH NGOÀI ĐỘNG CƠ D1146 NHIÊN LIỆU CNG VÀ BỐ

TRÍ HỆ THỐNG CẤP NHIÊN LIỆU TRÊN XE BUÝT DEAWOO

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CNG

1.1 Tổng quan về khí thiên nhiên

1.1.1 Sự hình thành của khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên được hình thành từ các vật chất hữu cơ được nén ép trong lòng đất dưới áp suất và nhiệt độ cao trong một thời gian dài Quá trình này được gọi là quá trình tạo Methane do nhiệt Khí mỏ loại này thường đi đồng hành với dầu trong các lớp trầm tích nằm sâu trong lòng đất Khí thiên nhiên cũng có thể được tạo thành qua quá trình vận chuyển các vật chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật Loại Metan này được gọi là Metan sinh học Sự hình thành Metan theo phương thức này thường xảy ra gần bề mặt trái đất, và Metan sinh ra thường bay vào trong khí quyển Tuy nhiên, trong những trường hợp nhất định nó có thể bị giữ lại trong lòng đất, và có thể thu hồi được dưới dạng khí mỏ Một cách nữa trong đó Metan (và khí thiên nhiên) được cho là hình thành qua các quá trình tự sinh Tại độ sâu rất lớn trong vỏ Trái Đất,

có chứa các phân tử cacbon và khí gas thiên nhiên giàu hydro Khi các khí này chuyển động hướng lên trên bề mặt trái đất, chúng có thể tương tác với các khoáng vật có trong lòng đất, trong điều kiện không có oxy Sự tương tác này có thể dẫn đến xảy ra phản ứng hoá học tạo thành các đơn chất và hợp chất gặp nhiều trong khí quyển như N2, O2,

CO2, Ar, và hơi nước Nếu các chất khí này tồn tại dưới áp suất lớn khi di chuyển lên trên bề mặt, chúng có xu hướng tạo thành các tích tụ khí Metan, tương tự như Metan tạo thành dưới tác dụng nhiệt

1.1.2 Quá trình sử dụng khí thiên nhiên

Khí thiên nhiên đã được con người sử dụng trong nhiều thế kỉ, theo ghi chép lịch sử đã cho thấy người Trung Quốc lần đầu tiên sử dụng khí thiên nhiên để tách muối khỏi nước biển vào khoảng năm 500 TCN Trong khoảng từ thế kỉ 17 đến cuối thế kỉ 19, khí thiên nhiên được sử dụng phục vụ cho mục đích chiếu sáng và sưởi ấm Đặc biệt vào năm 1885, Robert Bunsen phát minh ra buồng đốt Bunsen là một thiết bị trộn khí thiên nhiên với không khí với các tỉ lệ thích hợp, tạo ra ngọn lửa có thể sử dụng một cách an toàn để nấu ăn và sưởi ấm Phát minh này đã mở ra một phương thức mới cho việc sử dụng khí thiên nhiên của con người

Do khí thiên nhiên ở dạng khí nên rất khó khăn trong việc vận chuyển do vậy trước đây khí thiên nhiên chỉ được sử dụng ở các khu vực gần mỏ khí Khi ngành công

nghiệp dầu khí phát triển hơn vào thế k 19 và thế k 20, khí thiên nhiên được phát hiện cùng dầu mỏ (khí đồng hành) thường được xử lý như chất phụ phẩm và thường được đốt bỏ ngay trên giàn khoan Ngày nay, khí thiên nhiên được vận chuyển bằng các mạng lưới đường ống dẫn khí rộng lớn hoặc được hóa lỏng và được vận chuyển bằng phương tiện vận tải

1.1.3 Phân loại

Khí khô là khí thiên nhiên sau khi đã xử lí tách loại nước và các tạp chất cơ học, tách khí hóa lỏng và khí ngưng tụ (condensate) tại nhà máy xử lí khí Khí khô được sử dụng rộng rãi trên thế giới làm nhiên liệu cho các nhà máy điện và làm nguyên liệu cho các nhà máy hóa dầu để sản xuất phân đạm, methanol, DME,… Khí nén thiên nhiên (CNG) là khí thiên nhiên được xử lý và nén ở áp suất cao

để tồn trữ và vận chuyển, CNG chỉ chiếm khoảng 1/200 diện tích so với khí thiên nhiên ở trạng thái bình thường, dễ chuyên chở đi xa và có trị số octan cao nên được

sử dụng rộng rãi trên thế giới là nhiên liệu động cơ thay thế xăng dầu

Khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) là khí thiên nhiên được hóa lỏng khi làm lạnh sâu tới – 162 ºC sau khi đã loại bỏ các tạp chất Do chỉ chiếm 1/600 thể tích so với khí ở điều kiện tiêu chuẩn LNG có thể được vận chuyển với khối lượng lớn bằng tàu vượt đai dương có tải trọng từ 140.000 đến 260.000 m3 đến nhiều nước trên thế giới Sau khi được vẫn chuyển đến nơi tiêu thụ, LNG được chuyển trở lại ở trạng thái khí sau đó bơm và đường ống vận chuyển đến các hộ tiêu thụ Khi đó LNG được sử dụng tương tự như khí khô làm nguyên nhiên liệu cho máy phát điện, sản xuất phân đạm, methanol, DME, hộ công nghiệp, khu đô thị,…

1.2 Tính chất lý hóa của khí thiên nhiên nén (CNG)

1.2.1 Thành phần hóa học

CNG (Compressed Natural Gas) là khí thiên nhiên được nén ở áp suất nhất định (200 ÷ 250 bar) Khí thiên nhiên là một hỗn hợp khí bao gồm phần lớn là hydrocacbon Khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu từ Metan (CH4) và cũng có thể bao gồm Etan (C2H6), Propan (C3H8), Butan (C4H10), Pentan (C5H12) và các alkan khác Thành phần của khí thiên nhiên có thể thay đổi tùy theo từng mỏ khai thác Tuy nhiên bảng dưới đây chỉ ra thành phần cơ bản thường thấy của khí thiên nhiên trước khi tinh chế

Bảng 1.1 Các thành phần cơ bản của khí thiên nhiên trước khi tinh chế

Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất, bao gồm điôxít cacbon (CO2), hyđrô sulfít (H2S), và nitơ (N2) Do các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên, chúng thường được tách khỏi khí thiên nhiên trong quá trình tinh lọc khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ

1.2.2 Đặc tính cơ bản của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống

Bảng 1.2 Bảng so sánh đặc tính của CNG với xăng và diesel

0,72 ÷ 0,87 (nước = 1) Nhiệt độ sôi (ngưng tụ) (°C) -162 175 ÷370 40 ÷ 200

Chỉ số octan của CNG vào khoảng 130, điều này giúp cho động cơ có thể hoạt động ở t số nén lên đến 16:1 mà không gây kích nổ Nhờ đó có thể cải thiện hiệu suất động cơ khoảng 10% so với động cơ xăng Bên cạnh đó CNG có nhiệt trị cao hơn (hơn 10%) so với xăng và diesel Đồng nghĩa với việc khi hoạt động với hiệu suất như nhau thì suất tiêu hao nhiên liệu của CNG cũng giảm tương đương

Ưu điểm quan trọng của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống đó chính là phát thải CNG giảm đáng kể khí thải CO2 từ 20 – 25% so với xăng vì cấu trúc hóa học của khí thiên nhiên (chủ yếu là Metan – CH4) chứa một nguyên tử Cacbon so với diesel (C15H32) và xăng (C8H18) Bên cạnh đó HC được giảm khoảng 50%, CO khoảng 70 – 95%, NOx là 50 – 87% và gần như không phát thải bụi Sử dụng CNG làm nhiên liệu còn mang lại những lợi ích trong hoạt động của các thành phần động cơ CNG không pha trộn hoặc làm loãng dầu bôi trơn nên sẽ không gây đóng cặn ở buồng cháy và bugi ở mức độ như động cơ xăng và diesel, do đó chu kỳ bão dưỡng và tuổi thọ của xéc măng và bugi thường được kéo dài Mặc dù là nhiên liệu dạng khí nhưng phạm vi cháy hẹp (5 – 15%) và nhiệt độ bắt cháy cao nên CNG được coi là nhiên liệu an toàn Khi bị rò rỉ ra ngoài, CNG không gây hại cho môi trường và khả năng phân tán nhanh trong không khí giảm thiểu khả năng gây cháy

nổ Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của động cơ chạy CNG có thể kể đến là phạm vi hoạt động của xe, so với xe dùng xăng thông thường thì xe sử dụng CNG chỉ đạt được một nửa quãng đường Hơn nữa ở thời điểm hiện tại thì các trạm cấp nạp nhiên liệu CNG vẫn chưa phổ biến như các nhiên liệu truyền thống

1.2.3 So sánh CNG và các loại nhiên liệu thay thế khác

1.2.3.1 So với LPG (Liquefied Petroleum Gas)

LPG (Liquefied Petroleum Gas) là hỗn hợp hydrocacbon nhẹ chủ yếu gồm Propan (C3H8) và Butan (C4H10), có thể bảo quản và vận chuyển dưới dạng lỏng trong điều kiện áp suất trung bình ở nhiệt độ thường Bản thân LPG không độc, không gây ô nhiễm môi trường, không ảnh hưởng đến thực phẩm và sức khỏe con người Tuy khi cháy LPG có lượng phát thải CO2 lớn hơn so với CNG nhưng lại không tạo ra các khí độc như CO, NOx Về năng suất tỏa nhiệt, LPG (94 MJ/m3) cao hơn hẳn so với CNG (38MJ/m3) Do đó dù CNG có giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất kinh tế của hai loại nhiên liệu lại tương đương nhau Nếu coi tính tương thích

và phổ biến của xe chạy xăng là 100% thì xe sử dụng LPG là 74% và CNG là 25%

Tương tự như xăng hay diesel đều ở dạng lỏng thì LPG có những lợi thế về vấn đề tồn trữ và vận chuyển nhiên liệu nhưng lại không an toàn bằng CNG

1.2.3.2 So với Biogas (Biological Gas)

Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí Metan (CH4) và một số khí phát sinh từ

sự phân hủy của các vật chất hữu cơ Biogas gồm 45 – 85 % Metan (CH4), 15 – 45

% cacbon dioxit (CO2) và một lượng nhỏ hơi nước, Hydro sunfua (H2S), Amoniac (NH3), Nitơ (N2), … Hàm lượng CO2 và hơi nước khiến cho hiệu suất nhiệt của Biogas giảm đáng kể so với CNG Nhiệt trị thấp của Biogas là 23 MJ m3

so với CNG 38MJ/m3 Khí H2S sẽ tạo axit ăn mòn các chi tiết trong động cơ và tạo ra sản phầm cháy SOx là mộtkhí rất độc Không như CNG là một loại nhiên liệu hóa thạch Biogas là nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo như: được sản xuất dễ dàng từ phân thải, phân hữu cơ, bùn cống rãnh với công nghệ đơn giản

1.2.3.3 So với Hydro (H 2 )

Hydro là một loại nhiên liệu không phát thải được dùng cho pin điện hóa, động

cơ đốt trong, xe điện hoặc thiết bị điện Sản phẩm cháy của hydro chỉ là hơi nước và một lượng không đáng kể NOx nên hoàn toàn không gây ảnh hưởng đến môi trường Hydro có nhiệt trị gấp gần 2,4 lần so với CNG do đó với cùng một lượng nhiên liệu thì Hydro tạo ra năng lượng cao hơn rất nhiều so với CNG Bên cạnh đó tốc độ ngọn lửa của Hydro (2,65 – 3,25 m s) cũng lớn hơn nhiều so với CNG (0,45 m/s) Với những đặc điểm cháy vượt trội như vậy khiến cho phạm vi cháy của Hydro rộng hơn so với CNG Hydro có thể cháy ở hỗn hợp rất nghèo như λ = 10 hay giàu như λ = 0.14, thêm vào đó là nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu Hydro là thấp hơn so với nhiên liệu CNG Từ những ưu điểm này của nhiên liệu Hydro đưa đến những yêu cầu về an toàn trong sử dụng phải khắt khe hơn so với nhiên liệu CNG

1.3 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước

An ninh năng lượng và ô nhiễm môi trường hiện đang là một trong những ưu tiên hàng đầu không chỉ ở các nước phát triển mà ngay cả ở các quốc gia đang phát triển trong đó có cả Việt Nam Hầu hết các thành phố lớn là nơi tập trung dân cư và giao thông rất cao, chủng loại phương tiện giao thông rất đa dạng trong đó bao gồm phương tiện vận tải: đường bộ, đường sắt, đường thủy và đường hàng không Trong

đó, phương tiện vận tải đường bộ chiếm đa số, mật độ phương tiện giao thông đường bộ thường tập trung rất lớn ở những giờ cao điểm Các phương tiện giao thông đường bộ sử dụng nhiên liệu lỏng như xăng, diesel đóng góp tỉ lệ rất quan trọng trong việc duy trì và phát triển của nền kinh tế Tuy nhiên, chính việc sử dụng quá nhiều những phương tiện này đã thải ra rất nhiều khí thải độc hại, gây tác hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người cũng như phá hủy môi trường và là một trong những tác nhân chính dẫn đến việc gia tăng hiệu ứng nhà kính (khí CO2) và cạn kiệt nguồn dự trữ nhiên liệu dầu mỏ Chính phủ và các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều giải pháp khoa học kỹ thuật nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường đồng thời đảm bảo nguồn an ninh năng lượng Một trong những ưu tiên hàng đầu hiện nay là

sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng ít gây ô nhiễm như sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên, khí hydro, nhiên liệu sinh học (biodiesel, bioethanol) Ở các nước Mỹ,

Úc, Italia, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Thái Lan đã thành công trong việc nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG) làm nhiên liệu thay thế xăng và diesel Các nước này đã chế tạo hàng loạt phụ kiện đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật và

an toàn dùng để chuyển đổi các loại ô tô sử dụng nhiên liệu xăng, diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG Việc sử dụng các loại nhiên liệu khí này chủ yếu được áp dụng cho các loại ô tô buýt chạy trong thành phố hoặc các xe buýt chuyên chở học sinh (School bus) như ở Mỹ (200,000 xe), Thái Lan (200,000 xe), Hàn Quốc (277,000 xe), Nhật (400,000 xe), Úc (400,000 xe), Hà lan (750,000 xe), Italia (khoảng 1,7 triệu xe)

Sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông được phát triển vào đầu năm 1930 tại Italia Đến nay Italia có những công ty hàng đầu chuyên sản xuất động cơ và phụ tùng CNG điển hình là công ty Lavota, sản phẩm của tập đoàn này đã thâm nhập được vào thị trường vận tải của một số quốc gia, khu vực khác nhau Tại Australia, xe buýt sử dụng nhiên liệu CNG đã được bắt đầu từ những năm 1970 và 1980, tại thời điểm cao nhất chuyển đổi được khoảng 110.000

xe Năm 2004 chính phủ Pakistan đã bắt buộc đối với tất cả các xe buýt thành phố đều phải sử dụng CNG nhằm làm giảm thiểu sự ô nhiễm không khí Năm 2005 Bộ Giao thông vận tải của Myanmar đã yêu cầu tất cả các phương tiện giao thông công cộng - xe buýt, xe tải và xe taxi, được chuyển đổi sang chạy CNG Chính phủ cho phép một số công ty tư nhân để xử lý các chuyển đổi của động cơ diesel và xăng xe hiện có, và cũng để bắt đầu nhập các các loại xe buýt và taxi sử dụng CNG

Năm 2009 Argentina đã có 1.807.186 xe sử dụng khí CNG với 1851 trạm tiếp nhiên liệu trên toàn quốc tương ứng khoảng 15% tổng số xe Brazil đã có 1.632.101

xe và 1.704 trạm tiếp nhiên liệu Xe chạy bằng nhiên liệu khí thiên nhiên đã được

sử dụng trên khắp đất nước Mỹ, với khoảng 250 triệu chiếc xe được đăng ký sử dụng trong 140 khu vực trường học ở 17 bang đang sử dụng hơn 3.000 xe buýt trường học để vận chuyển sinh viên mỗi ngày

Hình 1.1 Xe sử dụng khí thiên nhiên nén ở Italia năm 1936

Hình 1.2 Xe buýt Mercedes-Benz OC500LE tại Sydney, Australia

Nhiên liệu CNG được ứng dụng rộng rãi cho cả động cơ xăng lẫn động cơ diesel chuyển đổi ở nhiều quốc gia trên khắp các châu lục Theo hiệp hội quốc tế về ôtô sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên – IANGV (International Association for Natural Gas Vehicles), cho đến tháng 12 năm 2006 trên toàn thế giới đã có tới 72 quốc gia với hơn 6 triệu phương tiện các loại sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên trong đó chủ yếu là xe buýt công cộng Về ôtô cá nhân thì Honda Civic GX được cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ EPA đánh giá là ôtô cá nhân sạch nhất thế giới năm 1998

Hình 1.3 Xe buýt trường học sử dụng CNG ở Mỹ

Số lượng xe sử dụng khí thiên nhiên trên toàn thế giới đang tăng nhanh chóng, hiện đã có hơn 18 triệu xe sử dụng khí thiên nhiên phân bố trên hơn 86 quốc gia trên thế giới với mật độ lớn tập trung ở Iran với 4.070.000 xe, Trung Quốc 3,99 triệu xe, Pakistan, Argentina, Ấn Độ, Brazil, Ý và Colombia Xu hướng này được

dự báo sẽ tiếp tục sẽ tăng với t lệ trung bình hàng năm tăng khoảng 3,7% lên đến năm 2030 Hình 1.5 cho thấy tốp 10 nước trên thế giới sử dụng xe nhiên liệu khí thiên nhiên có số lượng cao nhất

Ngày 30 tháng 01 năm 2015, Viện nghiên cứu đường sắt Cộng hòa Czech đã đưa vào vận hành chạy thử nghiệm so sánh giữa hai đầu máy xe lửa sử dụng nhiên liệu khác nhau, một đầu máy sử dụng nhiên liệu diesel và đầu máy còn lại có động

cơ diesel chuyển đổi thành sử dụng nhiên liệu CNG Cả hai đầu máy xe lửa này cùng kéo theo bốn toa chở hành khách thiết kế theo tiêu chuẩn và di chuyển trên

một quãng đường như nhau Điểm xuất phát của cả hai đoàn tàu là thành phố Opava đến thành phố Hlučín phía tây của Cộng hòa Czech với tần xuất 3 chuyến trong một ngày Đầu máy sử dụng động cơ diesel chuyển đổi thành nhiên liệu CNG có bình

dự trữ dung tích 3.430 lít (khoảng 530 kG nhiên liệu CNG) Kết quả đã chỉ ra rằng,

sử dụng nhiên liệu CNG tiết kiệm được kinh tế hơn so với diesel và thỏa mãn được tiêu chuẩn khí thải EURO5 EEV mà không cần lắp thêm bất cứ hệ thống nào

Hình 1.4 Biểu đồ thống kê 10 nước có xe sử dụng CNG nhiều nhất

Hình 1.5 Đầu máy xe lửa CNG tuyến Opava – Hlučín

Tập đoàn Volvo cho ra đời một mẫu xe sử dụng động cơ nhiên liệu CNG để chuyển rác thải từ khu đô thị đến địa điểm tập kết ở ngoại thành Các xe tải chở rác

do hãng Volvo sản xuất có tên gọi là Volvo FE được trang bị một động cơ 9 lít sử dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG, công suất của động cơ đạt 320 mã lực và mô-men xoắn cực đại là 1000Nm Tuy nhiên, điểm đặc biệt của xe Volvo FE không phải là thiết kế của động cơ hay khung vỏ xe mà là công nghệ bugi mới phát triển đặc biệt cho sử dụng nhiên liệu CNG Chuyển đổi từ động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu CNG sẽ giảm được 70% lượng khí thải CO2 Tuy nhiên, giám đốc môi trường của Volvo thì cho rằng nhiên liệu CNG chỉ là nhiên liệu chuyển tiếp mà nhiên liệu khí Methane (CH4) sẽ trở thành một trong những nhiên liệu thay thế bền vững cho động

cơ diesel trong tương lai Tiềm năng của xe chở rác sử dụng nhiên liệu khí Methane

là rất lớn bởi vì việc cung cấp và tiêu thụ nhiên liệu của những xe này theo một vòng tròn khép kín Rác thải sẽ được các hộ dân gom lại tập kết tại một địa điểm nhỏ, xe chở rác đến các địa điểm gom lại và chở về bãi rác chính Tại nơi này rác thải sẽ là nguồn đầu vào cho nhà máy sử lý rác thải, khí Methane (CH4) sẽ là một trong những sản phẩm đầu ra của nhà máy xử lý rác thải Chính khí này sẽ được nạp vào làm nhiên liệu cho các xe chở rác thực hiện nhiệm vụ của mình

Hình 1.6 Động cơ sử dụng CNG trên xe chở rác Volvo FE

1.3.2 Sử dụng nhiên liệu CNG trên phương tiện vận tải ở Việt Nam

Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống (xăng và diesel) và giảm phát thải ô nhiễm không khí do động cơ đốt trong trang bị trên các xe buýt gây ra, năm 2011 lãnh đạo TPHCM đã cho phép Tổng công ty SAMCO thí điểm đầu tư mới 21 xe buýt CNG nhập khẩu từ Hàn Quốc để khai thác trên tuyến buýt Bến Thành- Bình Tây Kết quả khảo sát tiêu hao nhiên liệu cho thấy xe buýt CNG tiết kiệm 23% chi phí cho nhiên liệu so với xe buýt diesel, giảm lượng khí thải độc hại như sau: giảm đến 20% lượng CO2, 30% lượng NOx, 70% SOx so với các nhiên liệu từ dầu Khi sử dụng trong động cơ, CNG cũng làm giảm đến 50% lượng hydrocarbon thải ra so với động cơ xăng, thêm vào đó là giảm được đáng kể tiếng

ồn và sự rung động của xe Thử nghiệm so sánh đối chứng giữa 3 xe buýt trang bị động cơ nhiên liệu CNG với 3 xe buýt trang bị động cơ diesel, trong khoảng thời gian là 1 năm Kết quả đã chỉ ra rằng 03 xe buýt sử dụng động cơ nhiên liệu CNG

đã tiết kiệm hơn 2 t đồng so với xe buýt sử dụng động cơ nhiên liệu diesel ở cùng

cự ly hoạt động Từ kết quả thu được trên và hướng đến việc phát triển hệ thống giao thông xanh, năm 2013 Lãnh đạo thành phố Hồ Chí Minh phê duyệt đề án sản xuất 300 xe buýt CNG và giao cho Tổng công ty SAMCO triển khai với mục tiêu thay thế dần các xe buýt đã xuống cấp Nhà máy ô tô Củ Chi thuộc SAMCO đã sản xuất và lắp ráp xe buýt CNG với sự hỗ trợ tư vấn, chuyển giao kỹ thuật của các chuyên gia cao cấp đến từ Hyundai- Hàn Quốc Cuối năm 2015, SAMCO cũng đã cung cấp một số xe buýt cho tuyến buýt mới kết nối thành phố Thủ Dầu Một và thành phố mới Bình Dương, tỉnh Bình Dương Ngày 1 3 2016, 23 chiếc xe buýt CNG đầu tiên của đề án 300 xe buýt CNG đã được SAMCO bàn giao cho Hợp tác

xã Vận tải 19 5 đưa vào vận hành trên tuyến buýt số 33 giữa Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh và bến xe An Sương Cho đến nay, SAMCO là doanh nghiệp đầu tiên trên cả nước sản xuất thành công xe buýt CNG

Lợi ích của xe buýt CNG về kinh tế cũng như môi trường là điều dễ thấy nhưng đầu tư xe buýt CNG không phải đơn giản Hai vấn đề khó khăn lớn nhất mà các doanh nghiệp phải đối mặt đó là vốn đầu tư và nguồn cung cấp nhiên liệu Trước hết là vốn đầu tư cho xe buýt chạy bằng CNG khá cao, kể cả có chính sách hỗ trợ thì khi vay vốn đầu tư 1 xe CNG có giá khoảng 2,75 t đồng, mỗi tháng doanh nghiệp phải trả các khoản vay là 35 triệu đồng tháng và kéo dài trong 7 năm Đối với nguồn cung nhiên liệu, theo Công ty Cổ phần Kinh doanh Khí hóa lỏng Miền

Nam- PV Gas South cho biết, ngoài nguồn cung từ trữ lượng khí thiên nhiên của Việt Nam vào khoảng 2,694 t m3 thì còn có các dự án nhập khẩu khí nên nguồn nhiên liệu cung cấp cho xe buýt động cơ nhiên liệu CNG được đảm bảo ổn định trong khoảng 100 năm Tuy nhiên việc phát triển cở sở hạ tầng hiện rất hạn chế đặc biệt là các trạm cung cấp nhiên liệu CNG cho xe buýt sử dụng động cơ đốt trong CNG Hiện nay PV Gas South có 2 trạm mẹ đặt tại Khu công nghiệp Mỹ Xuân - Bà Rịa Vũng Tàu và tại Khu công nghiệp Hiệp Phước – Thành phố Hồ Chí Minh, 7 trạm con đặt tại Vũng Tàu 3 trạm và 4 trạm đặt tại thành phố Hồ Chí Minh Trong năm 2016, PV Gas South sẽ đầu tư thêm một trạm con tại Bến xe Quận 8- Thành phố Hồ Chí Minh và nâng công suất 2 trạm con tại Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh và trạm Phổ Quang Về dài hạn trong những năm tiếp theo, đơn vị sẽ đầu

tư các trạm phù hợp với tình hình thực tế và nhu cầu của khách hàng sử dụng CNG trong lĩnh vực GTVT

Hình 1.7 Xe buýt CNG tại thành phố Hồ Chí Minh

1.4 Phân loại hệ thống nhiên liệu CNG

Do thành phần nhiên liệu không chứa các tạp chất như lưu huỳnh, chì…, kết quả thử nghiệm trên động cơ – ô tô cho thấy khi sử dụng nhiên liệu CNG trên các phương tiện cơ giới đường bộ ô nhiễm môi trường không khí giảm một cách đáng

kể Bằng chính sách hỗ trợ của các chính phủ nêu trên, hiệu quả kinh tế-môi trường khi sử dụng nhiên liệu khí CNG đã được cải thiện đáng kể Điều này tạo điều kiện

rất lớn trong việc phát triển những xe buýt chạy bằng nhiên liệu CNG hướng đến kết quả là không phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống đồng thời cắt giảm đáng kể lượng khí thải độc hại ngoài môi trường Hầu hết các nghiên cứu về sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ đốt trong nói chung và động cơ đốt trong trang bị trên xe buýt nói riêng đều tập trung vào hai hướng chính sau: Lưỡng nhiên liệu (Dual fuel)

và Đơn nhiên liệu (Single fuel)

1.4.1 Lưỡng nhiên liệu (Dual fuel)

Sử dụng động cơ nhiên liệu truyền thống kết hợp với nhiên liệu CNG mà không cần thay đổi hình dạng và kết cấu buồng cháy, tuy nhiên cần phải lắp thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG trên đường ống nạp Với giải pháp công nghệ này nhiên liệu CNG chỉ thay thế được một phần nhiên liệu truyền thống là xăng hoặc diesel

mà không thay thế hoàn toàn được Điều này có nghĩa rằng, hệ thống nhiên liệu trên

xe sẽ phức tạp hơn nhưng có ưu điểm là không phụ thuộc quá nhiều vào cơ sở hạ tầng cấp CNG Cho đến nay các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, với các trang bị động lực đường sắt lượng CNG có thể thay thế đến 80% nhiên liệu diesel Tuy nhiên đối với những động cơ cháy cưỡng bức điển hình là động cơ nhiên liệu xăng, động cơ này

có thể sử dụng đồng thời hai loại nhiên liệu độc lập, hoặc chạy hết nhiên liệu CNG rồi chuyển sang nhiên liệu xăng hoặc ngược lại

1.4.1.1 Hệ thống nhiên liệu Xăng - CNG mắc song song

Nguyên lý hoạt động của hệ thống xăng-CNG mắc song song hình 1.8: CNG từ bình chứa (1) đi qua đường ống dẫn CNG áp suất cao đến bộ giảm áp (3) và bộ cấp nhiệt (4), tại đây khí CNG nén áp suất cao được giảm áp đến áp suất thích hợp và chuyển đến lọc khí (14) trước khi đến ống tích áp (13) Trên ống tích áp các kim phun ứng với từng động cơ sẽ đóng mở để phun lượng nhiên liệu xác định vào đường nạp của động cơ Việc điều khiển hoạt động của các kim phun do bộ điều khiển ECU-CNG (5) thực hiện ECU-CNG điều khiển hoạt động của các vòi phun CNG điện tử sẽ lấy tín hiệu điều khiển từ vòi phun xăng kết hợp với các tín hiệu gồm: cảm biến oxy (10) trên đường khí thải, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến nhiệt độ nước làm mát (11), cảm biến áp suất đường ống nạp, cảm biến áp suất và nhiệt độ khí CNG để quyết định chế độ hoạt động của xe theo chương trình cài đặt sẵn trong ECU trung tâm (6) Theo đó nếu động cơ vừa khởi động và nhiệt độ nước làm mát thấp, bộ ECU–CNG sẽ truyền trực tiếp tín hiệu từ ECU xăng đến vòi phun

xăng để điều khiển vòi phun xăng mở và phun xăng vào động cơ trong khoảng 03s đầu tiên khi khởi động lạnh Sau khi khởi động và nhiệt độ nước làm mát tăng, bộ ECU-CNG sẽ cắt tín hiệu điều khiển đến kim phun xăng và gửi tín hiệu điều khiển đến vòi phun CNG để phun vào động cơ Tùy theo chế độ hoạt động của xe, mà ECU trung tâm sẽ lựa chọn chế độ điều khiển thích hợp theo chế độ vòng lặp kín (closed cloop) hay chế độ vòng lặp hở (open loop) Khi lượng CNG trong bình hết thì ECU-CNG sẽ cắt tín hiệu điều khiển đến vòi phun CNG và truyền trực tiếp tín hiệu điều khiển từ ECU-xăng sang vòi phun xăng điện tử để chuyển sang chế độ hoạt động xăng Ngoài ra trên bảng điều khiển của xe còn gắn thêm công tắc kiểm soát xăng-CNG (9) và mức CNG còn trong bình (8) Nút công tắc điều khiển cho phép người lái xe chọn chế độ hoạt động bằng nhiên liệu xăng cưỡng bức hoặc bằng nhiên liệu CNG cưỡng bức Do đó khi lắp đặt hệ thống nhiên liệu CNG sẽ không ảnh hưởng gì đến hệ thống xăng hiện tại của xe Trong trường hợp bình CNG hết, vòi nhiên liệu của trạm cấp sẽ được nối vào van cấp nạp nhiên liệu (2) gắn trên xe

và nạp vào thùng chứa nhiên liệu (1) Hệ thống nhiên liệu xăng và CNG mắc song song có đặc điểm sau:

Ưu điểm: Có khả năng dự trữ năng lượng trên động cơ lớn hơn so với hệ thống

nhiên liệu lỏng hoặc hệ thống nhiên liệu CNG đơn Khắc phục được tình trạng tiếp nhiên liệu do sự hạn chế về cơ sở hạ tầng của CNG

Nhược điểm: Cấu tạo động cơ trở nên phức tạp, rất khó khăn trong việc bố trí,

lắp đặt hệ thống nhiên liệu mới và vận hành, bảo trì, sửa chữa động cơ

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống liệu Xăng-CNG song song

1 Thùng nhiên liệu CNG 8 Đồng hồ áp suất CNG

2 Van nạp nhiên liệu CNG 9 Công tắc kiểm soát xăng-CNG

3 Bộ giảm áp CNG 10 Cảm biến O 2

4 Bộ hóa hơi CNG 11 Cảm biết nhiệt nước làm mát

5 ECU-CNG 12 Thùng chứa nhiên liệu xăng

6 ECU trung tâm 13 Ống tích áp CNG

7 ECU-xăng 14 Lọc hơi nước CNG

1.4.1.2 Hệ thống nhiên liệu CNG

1 2

3

4 5

6

8

10 11

12

13

14

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG lắp trên đường nạp động cơ diesel

1 Van nạp nhiên liệu CNG 13 Không khí nạp

2 Thùng nhiên liệu CNG 14 Ziclơ mạch công suất

3 Van cấp nhiên liệu CNG 15 Bộ hòa trộn

4 Đồng hồ báo nhiên liệu CNG 16: Van điều chỉnh cấp CNG

5 Van đóng mở điện 17 Bướm ga

6 Bộ giảm áp suất nhiên liệu CNG 18 Ống góp đường nạp

7 Đường nước nóng vào bộ gia nhiệt 19 Van không tải

8 Đường nước nóng ra khỏi bộ gia nhiệt 20 Vít điều chỉnh không tải

9 Van điện từ bộ giảm áp 21 ECU-CNG

10 Đường cấp khí cho mạch không tải 22 Đồng hồ báo mức nhiên liệu CNG

11 Đường cấp khí cho mạch chính 23 Tín hiệu từ công tắc chuyển đổi

12 Van tiết lưu 24: Tín hiệu cảm biến chân ga

2 1

3 4

5 6 7

8

11 9

Đối với động cơ diesel khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG vẫn giữ nguyên hệ thống nhiên liệu diesel nhưng phải lắp thêm vào một số bộ phân của hệ thống nhiên liệu CNG trên đường nạp động cơ diesel nguyên bản (Hình 2.9) Các bộ phận lắp đặt thêm của hệ thống nhiên liệu CNG gồm: Bình chứa nhiên liệu CNG, van ngắt CNG khẩn cấp, đồng hồ hiển thị áp suất bình, thiết bị điều khiển cấp CNG Trên đường nạp của động cơ phải lắp thêm bộ van giảm áp để giảm

Diesel-áp suất nhiên liệu đến Diesel-áp suất làm việc và bộ gia nhiệt để cấp thêm nhiệt cho CNG trước khi đi vào xylanh động cơ Khi thiết bị điều khiển nhận tín hiệu từ công tắc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG, thiết bị điều khiển tạo ra một dòng điện làm mở van điện từ (5) cho CNG nén từ thùng chứa CNG (2) có áp suất cao đến bộ giảm áp (6), tại bộ giảm áp (6) áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc

và được cấp cho đường nạp động cơ theo hệ thống cung cấp chính Tại hệ thống này, nhiên liệu từ bộ giảm áp (6) theo đường ống dẫn nhiên liệu (11) cấp cho động

cơ theo hai mạch: mạch cung cấp chính và mạch công suất Trong đó, mạch công suất làm việc tùy thuộc vào sự đóng mở của van công suất (16) được điều khiển bởi

bộ điều khiển CNG (21) thông qua cảm biến vị trí bàn đạp ga (24) Van điều khiển CNG (16) bắt đầu mở khi đạt 80% hành trình bàn đạp ga Trên mạch cung cấp chính có van tiết lưu (12) dùng để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động

cơ Hệ thống không tải: Kết cấu của bộ giảm áp có mạch không tải cấp vào cùng mạch chính Trong quá trính làm việc mạch không tải sẽ ngắt không sử dụng bởi vì vít không tải trên bộ giảm áp nhận tín hiệu từ ECU-CNG đóng hoàn toàn Nhiên liệu từ bộ giảm áp (6) qua van điện từ (9) theo đường ống dẫn nhiên liệu (10) đến van không tải (19) đến tiết lưu (20) cấp vào đường ống nạp ở phía sau bướm ga để cung cấp cho CNG cho động cơ Mạch nhiên liệu không tải làm việc dựa vào sự đóng mở của van không tải (19), van điện từ được điều khiển bởi bộ điều khiển hệ thống nhiên liệu ECU-CNG (21) thông qua công tắc chuyển đổi (23) Van điện từ (9) sẽ được đóng lại khi tắt hế độ chạy CNG

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG Bosch trên xe buýt

1 Đồng hồ báo áp suất CNG 12 Cảm biến kích nổ

2 Cảm biến nhiệt độ và áp suất khí nạp 13 Cảm biến nhiệt độ động cơ

3 Bướm gió 14 Vòi phun nhiên liệu diesel

4 Van điện điều khiển tu-bô tăng áp 15 Cảm biến vị trí trục cam

5 Cảm biến Ô-xy 16 Bơm cao áp

6 ECU điều khiển CNG 17 Ống tích áp diesel (Common Rail)

7 ECU điều khiển diesel 18 Lọc nhiên liệu diesel

8 Thùng chứa CNG 19 Bộ xử lý khí thải

9 Cảm biến tốc độ động cơ 20 Thùng chứa diesel

10 Cảm biến vị trí chân ga 21 Cảm biến nhiệt độ và áp suất

11 Vòi phun nhiên liệu CNG 22 Bộ ổn định áp suất CNG

Đối với các động cơ diesel khi chuyển đổi sang sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG sẽ không phải gia công lại nắp máy để lắp bugi (Hình 1.10), nhiên liệu diesel sẽ đóng vai trò như một bugi đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp không khí-CNG ở bên trong xylanh Tùy theo tín hiệu áp suất-nhiệt độ của đường ống nạp và áp suất-nhiệt độ của nhiên liệu CNG, bộ điều khiển trung tâm sẽ quyết định điều chỉnh lượng diesel cấp vào trong xylanh động cơ Lượng nhiên liệu diesel tối thiểu cấp vào trong xylanh động cơ có thể đạt đến 8% và CNG lên đến 92%, vì vậy hiệu suất

sử dụng nhiên liệu luôn luôn rất cao nhưng lượng khí thải CO2 luôn luôn thấp nhất

Để đạt được kết quả trên ở động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG phải có một kết nối giao tiếp tín hiệu với tốc độ rất cao kiểu mạng CAN bus Nhờ có kiểu kết nối tín hiệu tốc độ cao nên động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG cũng dễ dàng kiểm soát được hiện tượng kích nổ xảy ra Trong trường hợp hệ thống cấp nhiên liệu CNG gặp trục trặc, ECU trung tâm sẽ cắt ngay tín hiệu đến ECU-CNG và động cơ ngay lập tức chuyển sang sử dụng 100% nhiên liệu diesel mà không bị ngắt dòng công suất Nhờ có mạng kết nối tín hiệu tốc độ cao (CAN bus) mà việc điều khiển lưu khối không khí nạp từ Tu-bô tăng áp cũng dễ dàng và phù hợp với điều kiện làm việc của động cơ hơn Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG kết hợp với luân hồi khí thải (EGR) hoàn toàn thỏa mãn được tiêu chuẩn khí thải EURO IV, tuy nhiên nếu động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel-CNG kết hợp với hệ thống sử lý khí thải SCR là dễ dàng đạt được tiêu chuẩn khí thải EURO VI mà không cần phải trang bị thêm hệ thống xử lý khí thải DPF và EGR

1.4.2 Đơn nhiên liệu (Single fuel)

Động cơ chỉ sử dụng duy nhất nhiên liệu CNG, với động cơ này trang bị trên các phương tiện vận tải chỉ duy nhất hệ thống dự trữ và cung cấp nhiên liệu CNG, kết cấu buồng cháy cũng được tối ưu cho chính nhiên liệu CNG Vì vậy hiệu suất nhiệt và chất lượng khí thải được cải thiện đáng kể hơn so với hướng thứ nhất Tuy nhiên, giá thành động cơ còn tương đối cao và hiệu suất nhiệt vẫn cần phải được cải thiện hơn nữa, đặc biệt phải phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu CNG Nhiên liệu CNG được cấp vào cho động cơ ở dạng khí có thể chia thành bốn phương án sau:

+ Hệ thống cấp nhiên liệu CNG sử dụng họng khuếch tán (ống Venturi)

+ Hệ thống cấp nhiên liệu CNG sử dụng bộ hòa trộn kết hợp với van tiết lưu

+ Hệ thống cấp nhiên liệu CNG bằng phương pháp phun trên đường ống nạp + Hệ thống cấp khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp vào buồng cháy

1.4.2.1 Hệ thống cấp nhiên liệu CNG sử dụng họng khuếch tán (ống Venturi)

Hình 1.11 Cung cấp khí CNG sử dụng họng khuếch tán

1 Bình chứa CNG 6 Công tắc

2 Van khóa CNG 7 Bộ giảm áp

3 Van nạp 8 Lọc không khí

4 Đồng hồ đo áp suất 9 Bộ hòa trộn

5 Van điện từ 10 Van tiết lưu

Nhiên liệu khí CNG sử dụng họng khuếch tán có nhiều dạng khác nhau, nhưng đối với CNG thường sử dụng dạng sơ đồ như hình 1.11 Tại bộ giảm

áp, áp suất nhiên liệu được giảm xuống đến áp suất môi trường, nhờ độ chân không

ở họng venturi thấp hơn áp suất khí trời nên CNG được hút vào trong xy lanh động

cơ bằng đường ống nạp, lưu lượng CNG cung cấp được khống chế bởi bộ giảm áp

và độ chân không ở họng ống venturi, nhiên liệu CNG đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn

8 9

5

10

3 2

với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy Bộ hòa trộn kiểu họng Venturi được sử dụng phổ biến cho tất cả những loại nhiên liệu khí (LPG, LNG, CNG,… ) vì việc hòa trộn đơn giản, phù hợp đối với nhiên liệu khí Vì vậy, kết cấu của hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG sử dụng bộ hòa trộn sẽ đơn giản và giá thành rẻ Tuy nhiên, sự cung cấp CNG liên tục lại

làm hạn chế khả năng khống chế t lệ không khí/nhiên liệu

1.4.2.2 Hệ thống cấp nhiên liệu CNG sử dụng bộ hòa trộn kết hợp với van tiết lưu

Hình 1.12 Cung cấp khí CNG dùng bộ hoà trộn kết hợp van tiết lưu

1 Bình chứa CNG 8 Bộ tiết kiệm nhiên liệu

2 Van khóa CNG 9 Lọc không khí

3 Van nạp 10 Van tiết lưu

4 Đồng hồ đo áp suất 11 Bộ hòa trộn

5 Van điện từ 12 Van điều khiển công suất

7 Bộ giảm áp 14 Cảm biến oxy

Để khắc phục những nhược điểm của việc sử dụng thuần túy bộ hòa trộn ta sử dụng phương án kết hợp bộ hòa trộn với van tiết lưu và van công suất với sơ đồ như trong hình 1.12 Khi bật khoá điện, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm

3 2

van điện từ mở ra cho khí CNG nén từ bình chứa áp suất cao đến bộ giảm áp, tại bộ giảm áp áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc khoảng 0,8 ÷1,5 bar, sau đó nhiên liệu được qua bộ lọc áp suất thấp trước khi đi vào van tiết lưu, van tiết lưu được điều khiển tự động bởi bộ vi xử lý, lưu lượng CNG cung cấp được khống chế bởi bộ giảm áp, tiết diện lưu thông của van tiết lưu và độ chân không ở ống venturi, tiết diện lưu thông của van tiết lưu được điều khiển tương ứng với phần trăm vị trí bướm ga thông qua cảm biến vị trí bướm ga Nhiên liệu đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy Khí CNG không những chỉ định lượng bởi độ chân không trong ống venturi mà còn bởi

sự thay đổi độ tiết lưu trên đường nạp, sự điều chỉnh mức độ tiết lưu trên đường nạp được thực hiện nhờ bộ vi xử lí chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm biến Khi sử dụng bộ hòa trộn công suất của động cơ giảm đi khoảng (5-8%) do tổn thất lượng không khí nạp tại họng và do CNG chiếm chỗ

1.4.2.3 Hệ thống cấp nhiên liệu CNG bằng phương pháp phun trên đường ống nạp

Hình 1.13 thể hiện sơ đồ hệ thống nhiên liệu phun CNG trên đường nạp Trong quá trình nạp, nhiên liệu được phun trên đường nạp bằng vòi phun và hòa trộn với không khí đang đi vào nhờ độ chân không Nhiên liệu CNG được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar Khi bật khoá điện khởi động động cơ, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ mở ra cho CNG nén từ bình chứa đến bộ giảm áp Tại bộ giảm áp, áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc, sau

đó nhiên liệu qua bộ lọc áp suất thấp trước khi dẫn đến vòi phun Vòi phun được bộ

vi xử lý điều khiển một cách tự động, thời gian phun được điều khiển tương ứng t

lệ với phần trăm vị trí tay ga thông qua cảm biến vị trí tay ga Bộ xử lý này nhận phần lớn các tín hiệu cần thiết từ hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG Do đặc thù riêng của nhiên liệu CNG nên áp suất cần thiết để cung cấp nhiên liệu đến vòi phun

là 5 bar để tránh hiên tượng hoá hơi trên đường ống nhiên liệu Vì hoạt động của hệ thống nhiên liệu ở áp suất cao nên vấn đề an toàn của hệ thống được đặt lên hàng đầu Hệ thống điều khiển gồm các cảm biến ghi nhận thông tin về chế độ làm việc của động cơ, ECU xử lý các thông tin nhận được từ các cảm biến và phát tín hiệu điều khiển đến các vòi phun CNG để điều khiển thời gian mở vòi phun cung cấp CNG Các tín hiệu điều khiển tới vòi phun là các xung thời gian có độ dài tương ứng t lệ với lượng CNG cần phun vào ống góp nạp Các loại cảm biến trong hệ thống gồm: Cảm biến vị trí tay ga, cảm biến tốc độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, cảm

biến nồng độ oxy, … Hệ thống phun CNG trên đường nạp cho phép cải thiện được tính năng của động cơ và mức độ phát thải Khác với bộ hòa trộn, hệ thống này phun nhiên liệu dưới áp suất khoảng 5 bar Điều này cho phép cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác theo chế độ làm việc của động cơ Mặt khác do không có họng venturi nên hệ số nạp được cải thiện đáng kể Phun nhiên liệu CNG 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 xi lanh của động cơ Việc khống chế lưu lượng CNG nạp vào xi lanh được thực hiện nhờ bộ vi xử lí Phương

án này đã cải thiện được rất nhiều nhược điểm của hai phương án trên nhưng vẫn chưa giải quyết được vấn đề không khí nạp bị chiếm chỗ bởi CNG

Hình 1.13 Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trên đường nạp

1 Bình chứa CNG 8 Lọc CNG

2 Van khóa CNG 9 Lọc không khí

4 Đồng hồ đo áp suất 11 Vòi phun CNG

5 Van điện từ 12 Cảm biến áp suất

6 Công tắc 13 Cảm biến oxy

7 Bộ giảm áp

3 2 1