(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng và đánh giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG - DIESEL

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 10 năm 2016
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Võ Văn Mẫn

iv


LỜI CẢM ƠN

V

ới lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin bày tỏ lời cảm ơn chân
thành tới Thầy TS.Lý Vĩnh Đạt cùng với Thầy ThS.Huỳnh Phƣớc

Sơn. Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng
Thầy vẫn dành nhiều sự quan tâm và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hồn
thành luận văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn q Thầy, Cơ trong Ban Giám Hiệu, phịng Đào
tạo Sau Đại Học, các Thầy khoa cơ khí Động lực, các anh và các bạn trong lớp cao
học CKD14B – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí minh đã tận
tình giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn Thầy phản biện đã dành thời gian và cơng sức để đọc
và đóng góp ý kiến quý báu giúp em hoàn thiện nội dung của đồ án luận văn.
Con xin gửi lời biết ơn chân thành đến Bố Mẹ và gia đình đã ln bên cạnh
ủng hộ, hết lòng động viên, tạo điều kiện tốt nhất để con có thể yên tâm học tập,
làm việc và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.

Mặc dù đã hết sức cố gắng để hoàn thành luận văn một cách tốt nhất có thể,
nhưng khơng tránh khỏi những thiếu xót. Rất mong sẽ nhận được sự đóng góp, chia
sẻ ý kiến và kinh nghiệm của quý Thầy, Cô cùng các anh, các bạn để đề tài có thể
hồn thiện và phát triển ở mức cao hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
TPHCM, ngày 30 tháng 10 năm 2016
Học viên thực hiện

Võ Văn Mẫn

v


TÓM TẮT
Để đánh giá hiệu quả sử dụng nhiên liệu CNG trên động cơ Vikyno RV125 sử
dụng nhiên liệu kép CNG diesel, việc đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ CNG diesel
đến các đặc tính của động cơ là cần thiết. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu
giữa mơ phỏng và thực nghiệm về các đặc tính kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125
sử dụng nhiên liệu kép thông qua việc so sánh moment, công suất và mức độ phát
thải của động cơ khi thay đổi tỷ lệ sử dụng CNG diesel. Kết quả nghiên cứu mô
phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm trên băng thử, qua đó có thể định hướng
cho cơng việc thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nguyên liệu kép
CNG diesel trên mơ hình thực nghiệm. Đây là cơ sở cho việc xây dựng bản đồ tỷ lệ
CNG diesel (engine map) cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép, góp phần nghiên
cứu, ứng dụng nguồn nhiên liệu sạch CNG trên các động cơ nén cháy có tỷ số nén
cao.

vi

ABSTRACT
To evaluate the effect of using CNG on Vikyno RV125 that uses dual fuel
CNG diesel, the examining of CNG diesel rate to engine performnce is addressed
in paper. This work compares the research results between simulation and
experiment for engine performance, emissions and fuel consumption for dual fuel
CNG diesel engine at different CNG fuel rates.The study shows that the
simulation results are totally agreeable to experimental results. Hence, it has
advances in designing, manufactering, improving dual fuel system on original fuel
system in RV125 engine. The research is fundamental for setting up the map of
CNG diesel rate for dual fuel engin, this results in studying, applying fuel dual
CNG diesel in CI engines.

vii


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Lời cam đoan ................................................................................................................ i
Lời cảm ơn ..................................................................................................................ii
Tóm tắt ...................................................................................................................... iii
Danh mục các bảng .................................................................................................... vi
Danh mục các hình .................................................................................................. viii
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
CHƢƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 8
CHƢƠNG 3.XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ VIKYNO
RV125 ......................................................................... Error! Bookmark not defined.5
CHƢƠNG 4.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG................................................................... 73

CHƢƠNG 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 104
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 107

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Thành phần CNG ....................................................................................... 8
Bảng 2.2. Các phần tử và tính năng cơ bản của chúng ............................................. 38
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 ....................................... 46
Bảng 3.2. Thống kê các phần tử trong mơ hình mơ phỏng ..................................... 49
Bảng 3.3. Dữ liệu các phần tử đường ống ................................................................ 56
Bảng 3.4. Chi tiết các thông số của phần tử điểm đo ............................................... 58
Bảng 3.5. Chi tiết các thông số của phần tử tiết lưu ................................................. 59
Bảng 3.6. Chi tiết các thông số của phần tử lọc khí ................................................. 60
Bảng 3.7. Chi tiết các thông số của phần tử xy lanh ................................................ 62
Bảng 3.8. Độ nâng xupáp nạp theo góc quay trục khuỷu ......................................... 64
Bảng 3.9. Độ nâng xupáp thải theo góc quay trục khuỷu ......................................... 65
Bảng 3.10. Các thông số của phần tử bình ổn áp ..................................................... 68
Bảng 3.11. Tỷ lệ nhiên liệu CNG diesel.................................................................. 71
Bảng 4.1. Kết quả mô phỏng đặc tính tốc độ của moment động cơ và tỷ lệ hòa trộn
CNG–diesel .............................................................................................................. 74
Bảng 4.2. Độ sai lệch Moment giữa mô phỏng và thực nghiệm ứng vơi tỷ lệ
70%CNG 30%DO ................................................................................................... 77
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng công suất động cơ theo tốc độ động cơ và tỷ lệ hòa
trộn CNG–diesel........................................................................................................ 77
Bảng 4.4. Độ sai lệch công suất giữa mô phỏng và thực nghiệm ứng với tỷ lệ
70%CNG 30%DO ................................................................................................... 80

ix


Bảng 4.5. Nhiệt độ quá trình cháy của động cơ theo tốc độ và tỷ lệ hòa trộn CNG
diesel.......................................................................................................................... 81
Bảng 4.6. Áp suất quá trình cháy của động cơ theo tốc độ và tỷ lệ hòa trộn CNG
diesel.......................................................................................................................... 83
Bảng 4.7. Giá trị đặc tính ngồi của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép
với tỷ lệ 30%DO 70%CNG ..................................................................................... 94
Bảng 4.8. Phần trăm mức tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu kép sơ với
động cơ đơn thuần .................................................................................................... 96
Bảng 4.9. Phần trăm lượng phát thải sinh ra khi sử dụng nhiên liệu kép sơ với động
cơ đơn thuần ............................................................................................................. 98

x


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1. Sự giảm phát thải khí CNG và nhiên liệu khác .......................................... 9
Hình 2.2. Trị số Octan của khí CNG và nhiên liệu khác ............................................ 9
Hình 2.3. Giá CNG so với giá LPG và giá FO ......................................................... 10
Hình 2.4. Biểu đồ sản xuất CNG trên tồn cầu ........................................................ 11
Hình 2.5. Ơtơ Bus Super Aero City_CNG do Huyndai sản xuất ............................. 12
Hình 2.6. Biểu đồ dự kiến tăng trưởng của phương tiện sử dụng CNG ................... 13
Hình 2.7. Xe bt TPHCM chạy bằng khí thiên nhiên CNG ................................... 15
Hình 2.8. Phân chia vùng cháy trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG

diesel18

Hình 2.9. Hướng lan truyền của màng lửa trong buồng cháy .................................. 19
Hình 2.10. Cân bằng năng lượng trong xy lanh động cơ ......................................... 21
Hình 2.11. Đường kính đế xupáp ............................................................................. 24
Hình 2.12. Sơ đồ tính tốn chuyển vị của piston...................................................... 25
Hình 2.13. Tóm tắt q trình hình thành bồ hóng của Fusco ................................... 34
Hình 2.14. Cơ chế trung gian về động hóa học của q trình hình thành bồ hóng từ
các phân tử aromatics ................................................................................................ 35
Hình 2.15. Mơ hình cơ chế tạo hạt bồ hóng từ aromatics và aliphatics ................... 36
Hình 2.16. Cửa sổ khởi động của phần mềm AVL Boost ........................................ 38
Hình 3.1. Động cơ Vikyno RV125 ........................................................................... 45
Hình 3.2. Mặt cắt ngang động cơ Vikyno RV125 .................................................... 47
Hình 3.3. Mặt cắt dọc động cơ Vikyno RV125 ........................................................ 47

xi


Hình 3.4. Đồ thị đặc tính ngồi của độ

............................... 48

Hình 3.5. Các phần tử của động cơ Vikyno RV125 trong AVL Boost .................. 50
Hình 3.6. Biểu tưởng Pipe ........................................................................................ 50
Hình 3.7. Mơ hình ban đầu khi chưa nhập dữ liệu của động cơ Vikyno RV125 ..... 51
Hình 3.8. Biểu tượng Simulation Control ................................................................ 52
Hình 3.9. Giao diện nhập dữ liệu chung cho mơ hình.............................................. 52
Hình 3.10. Giao diện chọn loại nhiên liệu ................................................................ 53
Hình 3.11. Giao diện điều kiện biên ......................................................................... 54
Hình 3.12. Giao diện nhập dữ liệu cho phần tử đường ống ..................................... 55
Hình 3.13. Giao diện khai báo điều kiện biên .......................................................... 57
Hình 3.14. Giao diện khai báo hệ số lưu lượng ........................................................ 57

Hình 3.15. Giao diện khai báo phần tử lọc khí ......................................................... 59
Hình 3.16. Giao diện chung của phần tử xy lanh ..................................................... 61
Hình 3.17. Giao diện chung của phần tử động cơ .................................................... 66
Hình 3.18. Khai báo tổn thất ma sát trong động cơ .................................................. 67
Hình 3.19. Khai báo dữ liệu chung của bình ổn áp .................................................. 68
Hình 3.20. Giao diện thiết lập tỷ lệ nhiên liệu CNG diesel .................................... 70
Hình 3.21. Giao diện tỷ lệ nhiên liệu 50%CNG 50%diesel .................................... 71
Hình 4.1. Đồ thị biểu diễn đặc tính tốc độ moment và tỷ lệ hịa trộn CNG–diesel
theo mơ phỏng ........................................................................................................... 75
Hình 4.2. Đồ thị so sánh đặc tính tốc độ của moment giữa mơ phỏng và thực
nghiệm ở chế độ 100% diesel ................................................................................... 75
Hình 4.3. Đồ thị so sánh đặc tính tốc độ của moment giữa mô phỏng và thực
nghiệm ở tỷ lệ 70DO, 30DO ..................................................................................... 76

xii


Hình 4.4. Đồ thị biểu diễn đặc tính tốc độ của cơng suất và tỷ lệ hịa trộn CNG–
diesel từ mơ phỏng .................................................................................................... 78
Hình 4.5. Đồ thị so sánh đặc tính tốc độ của cơng suất giữa mơ phỏng và thực
nghiệm ở chế độ 100% diesel ................................................................................... 79
Hình 4.6. Đồ thị so sánh đặc tính tốc độ của cơng suất giữa mô phỏng và thực
nghiệm ở tỷ lệ 70DO, 30DO ..................................................................................... 79
Hình 4.7. Đồ thị so sánh cơng suất theo tốc độ động cơ giữa mô phỏng và thực
nghiệm ở tỷ lệ 30%DO 70%CNG............................................................................ 81
Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn nhiệt độ quá trình cháy của động cơ theo tốc độ và tỷ lệ
hịa trộn CNG diesel ................................................................................................. 82
Hình 4.9. Đồ thị biểu diễn áp suất quá trình cháy của động cơ theo tốc độ và tỷ lệ
hòa trộn CNG diesel ................................................................................................. 84
Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn áp suất quá trình cháy của động cơ thay đổi theo tỷ lệ

hòa trộn nhiên liệu ở tốc độ động cơ 1800v/p.......................................................... 85
Hình 4.11. Đồ thị biểu diễn suất tiêu hao nhiên liệu theo tốc độ và tỷ lệ hòa trộn
CNG diesel theo mơ phỏng ...................................................................................... 86
Hình 4.12. Đồ thị biểu diễn suất tiêu hao năng lượng theo tốc độ và tỷ lệ hịa trộn
CNG diesel theo mơ phỏng ...................................................................................... 87
Hình 4.13. Đồ thị biểu diễn khí thải NOx theo tốc độ và tỷ lệ hịa trộn CNG diesel88
Hình 4.14. Đồ thị biểu diễn khí thải CO theo tốc độ và tỷ lệ hịa trộn CNG diesel 89
Hình 4.15. Đồ thị biểu diễn bồ hóng theo tốc độ và tỷ lệ hịa trộn CNG diesel .... 90
Đồ thị biểu diễn nồng độ NOx khi thay đổi góc phun sớm của động cơ
sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ 30%DO 70%CNG ................................................ 91
Đồ thị biểu diễn nồng độ CO khi thay đổi góc phun sớm của động cơ sử
dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ 30%DO 70%CNG ..................................................... 92

xiii


Đồ thị biểu diễn nồng độ SOOT khi thay đổi góc phun sớm của động cơ
sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ 30%DO 70%CNG ................................................ 93
Đồ thị biểu diễn moment của động cơ sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ
30%DO 70%CNG .................................................................................................... 95
Đồ thị biểu diễn công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ
30%DO 70%CNG .................................................................................................... 95
Đồ thị so sánh mức tiêu hao nhiên liệu khi sử dụng nhiên liệu kép với
nhiên liệu diesel đơn thuần........................................................................................ 97
Đồ thị so sánh lượng khí thải NOx khi sử dụng nhiên liệu kép so với
nhiên liệu diesel đơn thuần........................................................................................ 99
3. Đồ thị so sánh lượng khí thải CO khi sử dụng nhiên liệu kép so với
nhiên liệu diesel đơn thuần........................................................................................ 99
Đồ thị so sánh lượng khí thải SOOT khi sử dụng nhiên liệu kép so với
nhiên liệu diesel đơn thuần...................................................................................... 101

xiv


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan
Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng vấn đề ơ nhiễm mơi

trường do khí thải từ các loại động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng và dầu
diesel tạo ra ngày càng trở nên nghiêm trọng.
Quan trọng hơn là khi nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Theo dự
đốn của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác như hiện nay, trữ lượng dầu mỏ
còn lại chỉ đủ để con người khai thác trong vịng khơng q 45 năm nữa (khoảng
năm 2060). Tất cả những điều này ảnh hưởng không nhỏ đến sự phát triển của nền
công nghiệp ô tô trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
Để giải quyết những khó khăn trên thì việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới để
thay thế là vấn đề vô cùng cấp bách. Vấn đề được đặt ra là phải tìm một nguồn năng
lượng sạch, trữ lượng lớn, khơng (hoặc ít) gây ơ nhiễm mơi trường. Những loại
nhiên liệu có thể dùng thay thế cho xăng và dầu diesel hiện nay:
 Khí thiên nhiên: CNG (Compressed Natural Gas), LNG (Liquefied Natural Gas).
 Khí gas hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas).
 Khí Biogas, cồn Methanol, Ethanol, dầu thực vật, mỡ động vật,…
Nhằm bắt kịp về sự phát triển năng lượng mới của thế giới, giải quyết vấn đề
giảm ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống
và nâng cao tính kinh tế. Gần đây những nghiên cứu về sử dụng khí thiên nhiên
CNG trên động cơ đốt trong ở Việt Nam đã được triển khai. Tuy nhiên, giá thành
của một động cơ nhập khẩu chạy hồn tồn bằng CNG thì rất cao. Do đó, phương

án đặt ra là tận dụng động cơ diesel cũ, nghiên cứu chuyển đổi hệ thống nhiên liệu
dùng diesel thông thường sang dùng CNG mang lại hiệu quả cao. Việc chuyển đổi
bao gồm có hai phương án:

Trang 1




Thay thế toàn bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel truyền thống bằng hệ

thống cung cấp nhiên liệu CNG, lắp thêm hệ thống đánh lửa, bình chứa. Nhiên liệu
CNG sẽ được đốt cháy cưỡng bức, hệ thống này có thể điều khiển bằng cơ khí hoặc
điện tử.


Cải tiến động cơ diesel truyền thống thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép

CNGdiesel, trong đó diesel đóng vai trị là nhiên liệu mồi được phun vào để đốt
cháy lượng CNG trong buồng cháy, hệ thống này có thể điều khiển bằng cơ khí
hoặc điện tử.
Từ những phân tích trên các nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu cho động
cơ Vikyno RV125 được thực hiện. Trong đó, nhóm tác giả đã chọn phương án cải
tạo hệ thống nhiên diesel cơ khí thông thường thành hệ thống sử dụng nhiên liệu
kép CNGdiesel điều khiển bằng điện tử CRDI (Common Rail Diesel Injection)[1].
Hệ thống nhiên liệu CRDI được điều khiển bằng điện tử có các ưu điểm lớn
như: áp suất phun cao, có thể thay đổi áp suất và thời điểm phun phù hợp tùy theo
chế độ làm việc của động cơ. Nhờ việc điều khiển thời điển phun chính xác, áp suất
nhiêu liệu cao nên có thể cháy tốt trong điều kiện hỗn hợp nghèo. Điều này thích
hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel làm tia phun mồi để đốt cháy hỗn hợp CNG

với khơng khí trong buồng đốt. Sự kết hợp hệ thống CRDI sử dụng nhiên liệu kép
CNG diesel là một bước mới trong thiết kế cải tiến hệ thống nhiên liệu động cơ
diesel.
Nhằm góp phần nghiên cứu hồn thiện hệ thống nhiên liệu cho động cơ
Vikyno RV125 đã cải tạo, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu mơ phỏng và đánh
giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép
CNGdiesel”.
Đề tài này sử dụng phần mềm AVL Boost để tính tốn mơ phỏng các đặc tính
kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 dùng nhiên liệu kép CNG diesel.

Trang 2


1.2.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng nhiên liệu kép
CNGdiesel

1.2.1. Kết quả nghiên cứu trong nước
Hiện nay, việc nghiên cứu chuyển đổi hệ thống nhiên liệu trên động cơ diesel
đã và đang được tiến hành. Chủ yếu là các nhóm nghiên cứu của các trường tiêu
biểu như: Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại Học
Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ
Chí Minh.
Hiện đã có một số ứng dụng trong việc sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel
trên ôtô nhằm giảm ô nhiễm mơi trường, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu. Điển hình
là nghiên cứu chuyển đổi động cơ Diesel sang động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG
diesel trên ôtô bus năm 2011 của Sở Giao Thơng Vận Tải Tp Hồ Chí Minh cùng
Công Ty Saigon Bus. Nghiên cứu này, CNG thay thế tối ưu khoảng 26,5% nhiên
liệu diesel, trong khi động cơ vẫn đạt được moment và công suất cực đại như động

cơ ngun thuỷ.
Cơng trình nghiên cứu của Trần Thanh Hải Tùng và các cộng sự [1], kết quả
thử nghiệm trên động cơ Vikyno RV125, bước đầu cho thấy động cơ hoạt động ổn
định ở các tốc độ khác nhau. Kết quả này là cơ sở cho việc tổ chức điều khiển cung
cấp CNG cho động cơ tự cháy. Đây là bước khởi đầu trong việc ứng dụng hệ thống
nhiên liệu kép CNG – diesel trên động cơ diesel 1 xylanh, trong đó hệ thống CRDI
nhằm phun mồi tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG trong động cơ sử dụng nhiên
liệu kép CNG – diesel.
Mơ phỏng q trình cháy động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép
CNGdiesel bằng phần mềm Fluent của tác giả Trần Thanh Hải Tùng và các cộng
sự [2]. Cơng trình này trình bày kết quả nghiên cứu tính tốn mơ phỏng q trình
cháy động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel bằng phần mềm
FLUENT 6.3. Kết quả mô phỏng đã chỉ ra được sự biến thiên của các thông số áp
suất, nhiệt độ, nồng độ CH4, O2, CO trong quá trình cháy. Kết quả này giúp cho

Trang 3


việc định hướng thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép
CNGdiesel trên mơ hình thực nghiệm. Nghiên cứu này cũng có ý nghĩa cho phép
giảm bớt các thử nghiệm phức tạp, giảm chi phí cũng như tiết kiệm thời gian thử
nghiệm.
Việc thực nghiệm đánh giá công suất và mức độ phát thải của động cơ Vikyno
RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel [3], của tác giả Trần Thanh Hải Tùng
và các cộng sự đã cho thấy được thấy động cơ hoạt động ổn định ở các chế độ tải,
cơng suất động cơ được bảo tồn; mức độ phát thải ở hai chế độ công suất và
moment cực đại: CO giảm đến 90%, độ mờ khói giảm 30 ÷ 70% ứng với động cơ
sử dụng nhiên liệu kép với tỉ lệ khoảng 30% diesel/ 70% CNG so với động cơ
nguyên thủy sử dụng hoàn toàn diesel.
Bên cạnh, cịn có kết quả nghiên cứu của Trần Thanh Hải Tùng và Lê Minh

Xuân [4] đã cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp diesel – LPG đến các thành phần
khí thải của động cơ. Các tác giả cũng đã chỉ ra được những vấn đề kỹ thuật cần giải
quyết khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG trên động cơ diesel.
Ngoài ra, mức độ phát thải của các loại động cơ ơ tơ đã được nhóm nghiên cứu
gồm: Lê Anh Tuấn, Nguyễn Duy Vinh, Nguyễn Đức [5] xác định bằng thực nghiệm
tại phịng thí nghiệm động cơ thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Kết quả là
đã xác định được hệ số phát thải các chất độc hại của một số động cơ lắp trên các ô
tô như Ford Laser, Ford Ranger, Toyota Innova, Toyota Prado.
Tóm lại, ở trong nước đã có một số cơng trình nghiên cứu về động cơ sử dụng
nhiên liệu kép CNG  diesel. Các kết quả bước đầu đã cho thấy khả năng tiết kiệm
nhiên liệu, tăng công suất, cũng như giảm thiểu lượng khí thải độc hại gây ơ nhiễm
môi trường của ô tô khi sử dụng nhiên liệu kép CNG  diesel, đặc biệt là khả năng
giảm phát thải PM trên một số động cơ. Tuy nhiên, các cơng trình trong nước chỉ
dừng lại ở mức độ thử nghiệm một số trường hợp cụ thể như chế độ tải cố định, đo
một số thông số cụ thể về lượng tiêu hao nhiên liệu, nồng độ khí thải giữa hai chế

Trang 4


độ dùng nhiên liệu kép CNGdiesel và chế độ 100% diesel, nên việc đánh giá
chung nhất và toàn diện nhất vẫn còn hạn chế.
1.2.2. Kết quả nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về việc sử dụng động cơ nhiên
liệu kép CNG diesel, LPG diesel. Tuy nhiên việc nghiên cứu, chủ yếu tập trung
vào loại động cơ lắp trên ôtô khách, ôtô tải trọng lớn, ơtơ chun dùng,... Các cơng
trình nghiên cứu sử dụng động cơ CNG diesel lắp trên ôtô cỡ nhỏ còn rất hạn chế.
Việc đánh giá hiệu suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel và
phân tích khí thải với sự trợ giúp của mạng trí tuệ nhân tạo của tác giả Talal F.Yusaf
và các cộng sự được đề cập trong [8]. Trong nghiên cứu trên, tác giả đã sử dụng
động cơ diesel 1 xy lanh, 4 kỳ đã được sửa đổi thành động cơ sử dụng nhiên liệu

kép CNGdiesel. Tác giả đã sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo ANN (Artificial Neural
Network) để phân tích và mơ phỏng quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu
kép, và kết quả thu được là: hiệu suất nhiệt có ích tăng khoảng 13%, mức tiêu hao
nhiên liệu thấp, lượng khí thải NOx và CO giảm 30%, nhiệt độ khí thải giảm so với
động cơ dùng diesel đơn thuần.
Kết quả nghiên cứu của Bhaskor J. Bora and Ujjwal K. Saha [9] trên động cơ
diesel_1 xy lanh, 4 kỳ đã được cải tiến thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép
CNGdiesel. Nghiên cứu đã tối ưu hóa thời gian phun và tỉ số nén của động cơ sử
dụng nhiên liệu kép. Và đặc biệt kết quả nghiên cứu đã tối ưu hoá cho động cơ sử
dụng nhiên liệu kép này có thể tăng hiệu suất nhiệt có ích tối đa 25,44%. Hơn nữa,
sự phát thải nồng độ CO và HC là ít nhất.
Khả năng giảm phát thải độc hại của động cơ diesel khi sử dụng phương án
phun CNG vào đường ống nạp đã được các tác giả Dong Jian và các cộng sự [10]
nghiên cứu thành công trên một động cơ diesel lắp trên ô tô buýt. Kết quả nghiên
cứu cho thấy, khi đưa thêm CNG vào nhiên liệu diesel, lượng phát thải PM và NOx
giảm mạnh. Các tác giả cũng đã xem xét ảnh hưởng của các thông số như áp suất

Trang 5


phun, thời gian phun và đường kính lỗ phun đến độ ổn định của động cơ diesel khi
sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel...
Kết quả nghiên cứu của Thomas Renald C.Ja và Somasundaram P [11] trên
một động cơ diesel có hệ thống phun nhiên liệu điện tử cho thấy mức giảm phát thải
NOx khi pha thêm tỷ lệ % CNG khác nhau ở các chế độ tải trọng khác nhau.
Các công trình kể trên đã cho thấy các phương pháp xác định hàm lượng các
chất ơ nhiễm trong khí thải, cũng như hiệu suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép
CNGdiesel và động cơ diesel đơn thuần. Với các động cơ sử dụng nhiên liệu kép,
việc tính tốn các thành phần khí thải thường sử dụng phương pháp mơ phỏng kết
hợp với thực nghiệm. Chất lượng quá trình cháy và hàm lượng các chất ơ nhiễm

trong khí thải động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel phụ thuộc rất nhiều vào
các yếu tố như phương pháp hòa trộn hỗn hợp CNGdiesel, tỷ lệ hòa trộn, thành
phần nhiên liệu.
1.3.

Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng mô hình bằng phần mềm AVLBoost để mơ phỏng các đặc tính kỹ

thuật của động cơ 1 xy lanh Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel.
Dựa vào kết quả mô phỏng xác định các thông số tối ưu cho mơ hình để so
sánh với thực nghiệm.
Góp phần đánh giá hiệu quả của việc sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel trên
động cơ Vikyno RV125 nói riêng và động cơ cỡ nhỏ nói chung.
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành trên động cơ Vikyno RV125, đã được cải tạo
thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel điều khiển bằng điện tử.
1.4.

Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Nhiệm vụ của đề tài
Đề tài được tập trung nghiên cứu với những nhiệm vụ chính sau:



Tìm hiểu về nhiên liệu CNG: sản xuất và sử dụng trong và ngoài nước.

Trang 6



Tìm hiểu về phần mềm AVL Boost.



Ứng dụng phần mềm AVL Boost để mơ phỏng các đặc tính kỹ thuật của

động cơ 1 xy lanh Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel.


Phân tích và đánh giá kết quả mơ phỏng đồng thời so sánh với kết quả thực

nghiệm để hồn thành mơ hình mơ phỏng góp phần đánh giá việc sử dụng hệ thống
nhiên liệu kép trên động cơ diesel tĩnh tại cỡ nhỏ.
1.4.2. Phạm vi của đề tài
Đề tài chỉ giới hạn trong việc nghiên cứu tính tốn mơ phỏng q trình cháy
của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel. Từ đó, xác định
các thơng số tối ưu cho việc sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel trên động cơ diesel
cỡ nhỏ.
1.5.

Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu

như sau:


Phương pháp thống kê và phân tích tài liệu: thu thập, phân tích, xử lý, tổng

hợp số liệu từ các tài liệu sưu tầm được và kết quả nghiên cứu liên quan.


Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mơ hình hóa: nghiên cứu mơ hình hóa

q trình cháy hỗn hợp CNG diesel ứng với các chế độ vận hành của động cơ. Sử
dụng phần mềm AVL Boost để mơ phỏng q trình làm việc và phát thải của động
cơ.Kết quả mơ hình hóa giúp ta giảm bớt chi phí thực nghiệm.


Phương pháp nghiên cứu quan sát và phân tích tổng hợp: từ kết quả mơ

phỏng ta quan sát và phân tích các thơng số kỹ thuật, đồng thời kết hợp với kết quả
thực nghiệm của động cơ Vikyno RV125 khi sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel ta
so sánh với kết quả từ mơ hình mơ phỏng.

Trang 7


CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

Giới thiệu về khí thiên nhiên CNG

2.1.1. Tổng quát về khí thiên nhiên CNG
CNG (Compressed Natural Gas) là loại khí tự nhiên được tìm thấy phía trên
hoặc bên dưới mỏ dầu, hoặc trong các túi khí nằm sâu trong mặt đất, từ quá trình
phân hủy các chất hữu cơ. Và được nén dưới áp suất cao khoảng 200250bar tại
nhiệt độ mơi trường, về cơ bản đó là hợp chất hữu cơ, thành phần chủ yếu gồm CH4

(metane) chiếm 85% và C2H6(etane) khoảng 10%, và cũng có chứa số lượng nhỏ
hơn C3H8(propan), C4H10 (butan), C5H12 (pentan), và các chất khác.
Bảng 2.1. Thành phần CNG
Thành phần

Cấu tạo

Hàm lượng (%)

Methane

CH4

85

Ethane

C2H6

8,7

Ethylene

C2H4

0,14

Propane

C3H8

2,05

Nitrogen

N2

3,32

Khí thiên nhiên là nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với mơi trường, vì do
khơng chứa benzene và hydrocarbon thơm, nên khi đốt nhiên liệu này làm giảm đến
20% lượng CO2, 30% lượng NOx, 70% SOx so với các nhiên liệu từ xăng, dầu
diesel và hầu như khi cháy không phát sinh bụi. Khi sử dụng trong động cơ, CNG
cũng làm giảm đến 50% lượng hydrocarbon thải ra so sánh với động cơ xăng.

Trang 8


Hình 2.1. Lượng phát thải khí CNG và nhiên liệu khác khi cháy[6]
Khí thiên nhiên là khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, được tìm thấy sâu
trong lịng Trái Đất, là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành qua hàng triệu
năm dưới áp lực và sự thay đổi của địa chất. Khí thiên nhiên có hàm lượng ơ nhiễm
môi trường rất thấp, đặc biệt khi cháy không sinh ra lưu huỳnh cũng như các hợp
chất của lưu huỳnh.
Khí thiên nhiên là một loại nhiên liệu nhiều và rẻ với nồng độ phát thải khi
cháy thấp hơn so với Diesel và xăng. Trị số Octan nghiên cứu (RON) của khí thiên
nhiên là 120130, trong khi xăng là 92100, vì vậy khả năng chống kích nổ cao
hơn, có thể nâng cao tỉ số nén để tăng hiệu suất của động cơ.

Hình 2.2. Trị số Octan của khí CNG và nhiên liệu khác [6]

Giá bán khí nén thiên nhiên dựa theo giá LPG và dầu hỏa (FO) nội địa. Giá
CNG rẻ hơn giá dầu hỏa và LPG từ 10% đến 20% và tương đối ổn định, do đó ngày
càng hấp dẫn đối với người tiêu dùng sử dụng CNG làm nhiên liệu cho xe. Đối với

Trang 9


CNG Việt Nam, 85% tiêu thụ CNG có giá dựa theo giá FO, và phần còn lại được
tham chiếu theo giá LPG.

Hình 2.3. Giá CNG so với giá LPG và giá FO [6]
Khí thiên nhiên có rất nhiều ưu điểm như nó có thể thay thế hồn tồn xăng
mặc dù động cơ phải cải tiến cho phù hợp. Tuy nhiên cũng có nhược điểm về việc
lưu trữ, để đủ năng lượng cung cấp thì cần phải có bình chứa lớnvàáp suất cao. Khí
thiên nhiên có hai loại chính là khí nén thiên nhiên

(Compressed Natural

GasCNG) và khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural GasLNG).
2.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng CNG
2.1.2.1.

Tình hình sản xuất CNG

2.1.2.1.1. Tình hình sản xuất CNG trên thế giới
Theo số liệu thống kê của hãng tư vấn năng lượng quốc tế Purvin & Gertz của
Mỹ [12], sản lượng CNG sản xuất trên thế giới liên tục tăng (trung bình
510%/năm) kể từ thập kỷ 90 đến nay và dự đoán vẫn tiếp tục tăng trong những
năm tới. Tổng nguồn cung CNG trên thế giới năm 2000 đạt mức 198 triệu tấn, năm
2008 đạt 239 triệu tấn. Tốc độ tăng trưởng nguồn cung CNG thế giới tăng khoảng

2,4% một năm trong giai đoạn 20002008. Năm 2013 nguồn cung thế giới có thể
đạt 260 triệu tấn và dự báo năm 2015 đạt 291,7 triệu tấn. Trong tổng lượng CNG

Trang 10


cung cấp trên thị trường, 60% CNG được sản xuất từ q trình xử lý khí, 39,5% sản
xuất từ các nhà máy lọc dầu, còn lại 0,5% sản xuất từ các nguồn khác.

Hình 2.4. Sản lượng sản xuất CNG trên tồn cầu [12]
2.1.2.1.2. Tình hình sản xuất CNG ở Việt Nam
Nước ta có nguồn khí thiên nhiên tương đối dồi dào, theo nghiên cứu có thể
đạt tới 2694 tỷ m3, đã phát hiện khoảng 962 tỷ m3 và được tìm thấy trên khu vực
thềm lục địa của Việt Nam. Các mỏ: Bạch Hổ, Rạng Đông, Nam Côn Sơn được
khai thác với sản lượng trên 10 triệu m3/ngày [17].
Cơng nghệ khí nén CNG đã có mặt tại Việt Nam vào cuối tháng 82008, và
được đánh dấu bằng nhà máy sản xuất khí nén tại Khu Cơng nghiệp Phú Mỹ 1,
huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa  Vũng Tàu với tổng công suất 70 triệu m3 mỗi
năm[6].
Hiện nay, tổng sản lượng CNG sản xuất và tiêu thụ khoảng 150 triệu m3/năm
tại ba nhà máy thuộc PVGas South(CTCP Kinh doanh Khí hóa lỏng Miền Nam)
[18], bao gồm:
 Nhà máy CNG Phú Mỹ, công suất: 95 triệu m3/năm
 Nhà máy CNG Mỹ Xuân, công suất: 100 triệu m3/năm
 Nhà máy CNG Hiệp Phước, công suất: 20 triệu m3/năm.

Trang 11


2.1.2.2. Tình hình sử dụng CNG

2.1.2.2.1. Tình hình sử dụng CNG trên thế giới
Khí CNG được sử dụng cho ơtơ sớm nhất ở Italia vào những năm 30 thế kỷ
trước. Vào năm 1950, ở Pháp có khoảng 10.000 xe có động cơ chạy bằng nhiên liệu
CNG. Các nước New Zealand, Canada, Mỹ đã có xe chạy bằng khí CNG vào những
năm 1970 và 1980[19].
Năm 2001 hãng Huyndai của Hàn Quốc đã cho ra đời xe Bus cao cấp với tên
là Super Aero City có động cơ sử dùng hồn tồn CNG.

Hình 2.5. Ơtơ Bus Super Aero City_CNG do Huyndai sản xuất [19]
Năm 2008 để phục vụ cho thế vận hội, Trung Quốc đã có 90% trong số 11.000
xe chở khách ở Bắc Kinh dùng khí CNG [19].
Trong những năm trở lại đây để giảm thiểu tác hại của khí xả do động cơ
diesel thải ra, các nước trong khu vực Châu Á đã nghiên cứu chuyển đổi qua sử
dụng khí thiên nhiên CNG thay cho nhiên liệu diesel trong hoạt động vận tải hàng
khách cơng cộng với những lợi ích của xe CNG mang lại như: giảm thiểu ô nhiễm
môi trường, giảm chi phí nhiên liệu.
Theo thống kê của NGV Global (Natural Gas Vehicle), tính đến năm 2012
tồn thế giới có 15.192.884 phương tiện có động cơ sử dụng khí CNG và 19.963
trạm cung cấp nhiên liệu khí CNG [20].

Trang 12


Cũng theo NGV Global (Natural Gas Vehicle) thì dự báo mức tăng trưởng của
phương tiện sử dụng nhiên liệu thiên nhiên đến năm 2014 số lượng sẽ đạt gần 30
triệu phương tiện (hình 2.6)

Hình 2.6. Biểu đồ dự kiến tăng trưởng của phương tiện sử dụng CNG[20]
2.1.2.2.2. Tình hình sử dụng CNG ở Việt Nam
Nhu cầu khí thiên nhiên từ các nhà máy này chiếm 8590% nguồn cung khí

quốc gia, và các nhà máy phân bón chiếm 5%. Với sự phát triển của các khối sản
xuất mới tại các bể Cửu Long, Nam Côn Sơn và Malay Thổ Chu, nguồn cung khí
tại Việt Nam dự kiến sẽ tăng 11% trong vòng bốn năm tới, từ 9,2 tỷ m3 lên 13,8 tỷ
m3 vào năm 2016 [6].
Hộ công nghiệp chỉ chiếm 45% tổng nguồn cung khí, trong đó vận chuyển
bằng đường ống chiếm 80% và vận chuyển như khí nén thiên nhiên chiếm 20%.
Hiện nay, các sản phẩm CNG chỉ cung cấp cho miền Đơng Nam Việt Nam bởi
Cơng ty khí CNG Việt Nam và Cơng ty mẹ CTCP Kinh doanh Khí hóa lỏng Miền
Nam( PV Gas South), cả hai có tổng công suất là 150 triệu m3, chiếm 1,7% tổng
nguồn cung khí thiên nhiên. Theo nghiên cứu của VCSC [21], 477 cơng ty sản xuất
có thể là khách hàng tiềm năng của các sản phẩm CNG hoặc khí thiên nhiên theo
đường ống trong các khu công nghiệp tại các tỉnh Bà Rịa–Vũng Tàu, Bình Dương,

Trang 13


Thủ Đức và Long An. Các cơng ty có trong các khu công nghiệp này chủ yếu hoạt
động trong ngành vật liệu xây dựng (thủy tinh công nghiệp, sắt thép, gạch men...),
một ngành tiêu thụ một lượng lớn điện và nhiệt cho sản xuất.
Theo nghiên cứu của CNG Việt Nam, nhu cầu bổ sung tiềm năng đối với
CNG, được tính trên cơ sở nhu cầu dầu hỏa, dầu diesel và LPG, đạt 338,7 triệu m3
mỗi năm.
2.1.3. Triển vọng sử dụng khí thiên nhiên CNG trong động cơ
Khí thiên nhiên CNG chỉ chiếm khoảng 1/200 thể tích so với khí thiên nhiên ở
trạng thái bình thường, dễ chuyên chở đi xa và có chỉ số Octane cao nên được sử
dụng rộng rãi trên thế giới làm nhiên liệu động cơ thay thế xăng, dầu. Vì khơng giải
phóng nhiều khí độc như NO, CO, SO2 khi cháy và hầu như không phát sinh bụi.
Các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 93% lượng CO2, 33% lượng NO và
đến 50% lượng hydrocarbon thải ra khi so sánh với động cơ xăng. Giá thành CNG
rẻ hơn xăng khoảng 10% đến 30% và có tính ổn định trong thời gian dài so với giá

các sản phẩm dầu mỏ. Do khí cháy hồn tồn, khơng gây đóng cặn trong thiết bị đốt
và tại bộ chế hịa khí của các phương tiện nên CNG giúp nâng cao hiệu suất, kéo dài
được chu kỳ bảo dưỡng và tuổi thọ máy.
Ơ tơ sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG) đã khơng cịn là vấn đề mới mẻ trên
thế giới, đã từ lâu loại ô tô này đã được chế tạo thành công và đã được đưa vào sử
dụng. Ngày này nó đã trở nên rất phổ biến trên khắp thế giới. Trên tồn thế giới, đã
có 14,8 triệu ô tô sử dụng nhiên liệu CNG vào năm 2011, dẫn đầu là Iran với 2,86
triệu xe, Pakistan có 2,85 triệu xe, Argentina có 2,07 triệu xe, Brazil có 1,7 triệu xe,
và Ấn Độ có 1,1 triệu xe sử dụng nhiên liệu CNG. Khu vực Châu Á – Thái Bình
Dương dẫn đầu thế giới với 6,8 triệu ơ tô sử dụng nhiên liệu CNG, tiếp theo là Châu
Mỹ Latinh có 4,2 triệu xe. Ở khu vực Mỹ Latinh có đến gần 90% ơ tơ sử dụng nhiên
liệu kép, cho phép chúng có thể chạy với nhiên liệu xăng truyền thống hoặc với
nhiên liệu CNG. Những loại ô tô sử dụng nhiên liệu xăng hiện đang tồn tại có thể
được chuyển đổi thành ô tô sử dụng nhiên liệu CNG, hoặc ô tô nhiên liệu kép (chạy

Trang 14