Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc động cơ CNG

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các
số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng
quy định. Kết quả nghiên cứu trong luận án do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách
trung thực, khách quan.
Tơi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực phù hợp với
thực tiễn của Việt Nam và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác.
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2023.

Người hướng dẫn 1

Người hướng dẫn 2

Nghiên cứu sinh

TS. Trần Đăng Quốc

PGS.TS. Cao Hùng Phi

Hồ Hữu Chấn

i


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến Đại học Bách khoa Hà
Nội, Trường Cơ khí, Phịng đào tạo, Khoa Cơ khí động lực, Nhóm chun mơn Hệ
thống động lực ơ tơ, đã giúp đỡ và hỗ trợ tơi trong suốt q trình học tập, nghiên cứu
và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Đăng Quốc và PGS.TS Cao Hùng Phi, hai
người thầy đã hướng dẫn tôi rất tận tình, chu đáo về chun mơn trong q trình học
tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long đã
tạo điều kiện, động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến q thầy, cơ, cán bộ Khoa Cơ khí động lực, trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long đã hỗ trợ, động viên tơi trong q trình học tập,
nghiên cứu.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô phản biện, thầy cô trong Hội
đồng đánh giá luận án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp các ý kiến q báu để tơi có
thể hoàn chỉnh luận án cũng như đưa ra những định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp,
những người đã ln động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian học tập, nghiên
cứu và thực hiện luận án.
Nghiên cứu sinh

Hồ Hữu Chấn

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ............................................................................... vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... xv
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
i. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................1
ii. Mục tiêu của luận án ............................................................................................2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2
iv. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................2
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..............................................................2
vi. Các điểm mới của luận án ...................................................................................3
vii. Bố cục của luận án .............................................................................................3
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ........................................................ 4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu thay thế .......................................................................4
Nhiên liệu sinh học (Biofuel) ............................................................5
Nhiên liệu hydrogen .........................................................................8
1.2. Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên .......................................................... 10
Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên ................................................. 10
Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) ............................................ 13
Nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) ..................................... 14
1.3. Các nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên nén................... 15
Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG ................................................ 16
Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu .................................................. 19
Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng ....................................21
Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel ...................................22
1.4. Tổng quan các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên ....................... 23
Các nghiên cứu ngoài nước ............................................................ 23
Các nghiên cứu trong nước ............................................................. 24
1.5. Kết luận chương 1 ........................................................................................... 25
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG

CƠ ........................................................................................................................ 27
2.1. Cơ sở hình thành hỗn hợp................................................................................ 27
2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ......................................................................... 29

iii


Các giả thuyết ................................................................................. 31
Mơ hình cháy khơng chiều.............................................................. 32
Khối lượng hỗn hợp đã cháy ........................................................... 33
Mơ hình cháy một vùng: Tốc độ giải phóng nhiệt ........................... 33
2.3. Khái quát về mô phỏng.................................................................................... 33
Phần mềm AVL Boost ....................................................................34
Phần mềm Ansys Fluent .................................................................34
2.4. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ ...................................................................... 37
Lựa chọn động cơ ........................................................................... 37
Nội dung kế thừa từ nghiên cứu của Trần Thanh Tâm .................... 38
Nội dung phát triển trong chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng
nhiên liệu CNG ................................................................................. 39
2.5. Xây dựng đặc tính làm việc của động cơ sau chuyển đổi .................................45
Thiết bị thí nghiệm ......................................................................... 45
Phương pháp thí nghiệm .................................................................51
Kết quả thí nghiệm ......................................................................... 53
2.6. Kết luận chương 2 ........................................................................................... 55
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG........................................................ 56
3.1. Mục đích ..................................................................................................... 56
3.2. Xây dựng mơ hình động cơ nghiên cứu ........................................................... 56
Nghiên cứu động cơ mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost .......... 56
Xây dựng mô hình bằng Ansys Fluent ............................................ 60
3.3. Hiệu chuẩn và điều khiển mơ hình...................................................................67

Hiệu chuẩn mơ hình trên AVL Boost.............................................. 67
Điều khiển mơ hình trên Ansys Fluent ............................................ 69
3.4. Ảnh hưởng của thông số phun ......................................................................... 69
Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun .......................................... 69
Ảnh hưởng của lambda ...................................................................75
Ảnh hưởng của thời gian phun ........................................................ 76
Ảnh hưởng của đường kính ống nạp ............................................... 80
Ảnh hưởng của vị trí đặt vịi phun .................................................. 85
Ảnh hưởng của áp suất phun........................................................... 87
3.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc..................................89
3.6. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 92
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................ 94
4.1. Mục đích ..................................................................................................... 94
4.2. Lựa chọn vòi phun điều khiển bằng điện ......................................................... 94

iv


4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng cơ khí đến chất lượng làm việc của
động cơ
..................................................................................................... 96
Ảnh hưởng đến mô men và công suất ............................................. 96
Ảnh hưởng đến phát thải của động cơ ............................................. 97
4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến chất lượng làm việc của
động cơ
..................................................................................................... 99
Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến lượng nhiên
liệu cung cấp..................................................................................... 99
Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất và mô men động cơ .. 101
Ảnh hưởng của áp suất phun đến khí thải ..................................... 102

4.5. So sánh ảnh hưởng của giải pháp phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động
cơ
................................................................................................... 104
4.6. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng .................................................... 107
4.7. Kết luận chương 4 ......................................................................................... 110
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 111
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.............. 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 114
PHỤ LỤC
................................................................................................... 128
Phụ lục 1. Kết quả mô phỏng Ansys Fluent.......................................................... 128
Phụ lục 2. Kết quả mô phỏng AVL Boost ............................................................ 129
Phụ lục 3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 136
Phụ lục 4. Quá trình chuyển đổi hệ thống làm mát động cơ thí nghiệm S1100: .... 138
Phụ lục 5. Hệ thống điều khiển đánh lửa và vòi phun........................................... 141

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
STT

Kí hiệu

Chú thích

1

HC

Hydrocacbon

2

CO

Carbon monoxit

3

𝑁𝑂𝑋

Nitric oxide (Nitơ monoxide)

4

𝑂2

5

𝐶𝐻4

Metan

6

𝐻2 𝑆

Hidro sunfua

7

𝐻𝐸

Heli

8

𝐶𝑂2

Carbon dioxide

9

𝑁2

Nito

10

𝑆𝑂2

Lưu huỳnh dioxide

11

𝐶2 𝐻6

Ethan

12

A/F

Tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu

14

n

Tốc độ động cơ (vòng/phút)

15

𝑃𝑓

Áp suất nhiên liệu (bar)

16

𝐷𝑓

Đường kính lỗ (mm)

17

𝑡𝑓

Thời gian duy trì phun của role điện từ (s)

18



Tỷ số nén

19



Hệ số dư lượng khơng khí

20

𝑀𝑒

Mơ men (Nm)

21

𝑁𝑒

Cơng suất (kW)

22

𝐷𝑥𝑙

Đường kính xylanh (mm)

23

S

Hành trình piston (mm)

24

𝑉𝑡𝑝

Dung tích xylanh (Lít)

25

𝐺𝑒

Lượng nhiên liệu cấp cho động cơ (lít/phút)

26

𝑚𝑑𝑒𝑙𝑖𝑣𝑒𝑟𝑦

27

η𝑣

28

𝜌𝑟𝑒𝑓

Khối lượng riêng khơng khí (kG/m3)

29

𝑉𝑑𝑖𝑠𝑝

Thể tích cơng tác xylanh (m3)

30

(𝐴/𝐹) 𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑒

31

𝑁𝑐𝑦𝑙

Số xylanh động cơ

32

Δ𝛼𝑖𝑛𝑗

Thời gian phun (CAD)

Oxy

Lượng nhiên liệu phun (g/s)
Hệ số nạp

Tỷ lệ A/F của nhiên liệu

vi


33

𝑚𝐹,𝑒𝑓𝑓

Tổng lưu lượng nhiên liệu phun (kg/s)

34

𝑚𝐹,𝑖𝑛𝑗

Lưu lượng nhiên liệu phần tia phun (kg/s)

35

𝑚𝐹,𝑝𝑢𝑑𝑑𝑙𝑒

36

A

Lượng khơng khí nạp vào trong xylanh động cơ
(g/s)

37

F

Khối lượng nhiên liệu cấp (g/s)

38

(𝐴/𝐹) 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙

39

(𝐴/𝐹) 𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐ℎ𝑖𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐

40

δQ

Lượng năng lượng được thêm vào (J)

41

dU

Nội năng (J)

42

δW

Công (J)

43

P

Áp suất (Pa)

44

V

Thể tích (m3)

45

m

Khối lượng khí (kG)

46

R

Hằng số khí

47

T

Nhiệt độ (K)

48

hc

Hệ số truyền nhiệt

49

Aw

Diện tích thành vách buồng cháy (m2)

50

Tw

Nhiệt độ thành vách buồng cháy (K)

51

𝑑𝑄𝐻
𝑑𝜃

52

𝜃

Góc quay trục khuỷu

53

𝛾

Hệ số đoạn nhiệt

54

𝐶𝑉

Nhiệt dung riêng đẳng tích (J/kmol.K)

55

𝐶𝑝

Nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kmol.K)

56

𝑀𝐹𝐵𝜃

57

Δ𝑝𝑐,𝑖

58

i

59

ign

Lưu lượng nhiên liệu bám đọng trên thành ống
(kg/s)

Tỷ số giữa khơng khí và nhiên liệu thực tế nạp vào
xylanh
Tỷ số giữa khơng khí và nhiên liệu tính theo lý
thuyết

Nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy bởi khí
trong xylanh

Phần khối lượng được đốt cháy tại góc quay trục
khuỷu
Mức tăng áp suất được hiệu chỉnh do q trình đốt
cháy
Số ngun của góc quay
Góc đánh lửa (CA)

vii


60

𝑉𝑑

61

𝜃𝑠 , 𝜃𝑒

62

n

Chỉ số nén đa biến trung bình

63

t

Thời gian phun nhiên liệu (s)

64

D

Đường kính ống nạp (mm)

65

𝜌𝑛

Tỷ trọng của hỗn hợp (kG/m3)

66

𝑣𝑚
⃗⃗⃗⃗⃗

Vận tốc của hỗn hợp (m/s)

67

𝐹

Nội lực của thể tích tính tốn (N)

68

𝜇𝑚

Độ nhớt của hỗn hợp (m2/s)

69

𝛼𝑘

Tỷ lệ khối lượng của pha K trong hỗn hợp

70

𝛼𝑗,𝑘

Enthalpy của chất j trong pha k

71

𝐽⃗⃗⃗⃗⃗
𝑗,𝑘

Thông lượng khuếch tán của chất j trong pha k

72

𝑘𝑒𝑓𝑓

Hệ số dẫn nhiệt

73

𝐺𝑘

Động năng rối được tạo ra bởi gradient vận tốc

74

𝐺𝑏

Động năng rối được tạo ra bởi ảnh hưởng của
buoyancy

75

𝑌𝑚

Ảnh hưởng của độ giãn nở do dao động trong dòng
chảy rối nén được đến hệ số phân tán rối

76

𝐶1 , 𝐶2 , 𝐶3

77

𝑆𝑟

Swirl ratio

78

𝑇𝑟

Tumble ratio

79

𝐶𝑇𝑟

Cross tumble ratio

80

𝑤𝑥 , 𝑤𝑦 , 𝑤𝑧

81

𝐿𝑥 , 𝐿𝑦 , 𝐿𝑧

82

𝐼𝑥 , 𝐼𝑦 , 𝐼𝑧

83

k

Động năng rối (m2/s2)

84



Tốc độ tiêu tán

85

h

Vị trí đặt vịi phun so với cửa nạp (mm)

86

𝐶𝑂𝑉𝑖𝑚𝑒𝑝

87

l

Chiều dài đường ống nạp (mm)

88

𝛼

Góc đặt vịi phun (độ)

Dung tích xylanh (Lít)
Góc quay bắt đầu và kết thúc của q trình đốt cháy

Hằng số mơ hình

Vận tốc góc tức thời của dịng khí nạp với các trục
x, y, z tương ứng (rad/s)
Mơ men động lượng của dịng khí nạp ứng với các
trục x, y, z (kg.m2/s)
Mơ men qn tính tương ứng với các trục x y z
(kg.m2)

Hệ số đánh giá sự thay đổi áp suất có ích trung bình

viii


89

𝑚𝑓_𝑜

90

pro_k

91

𝑆𝑝𝑡𝑏

Lưu lượng nhiên liệu tính tốn tại vị trí cửa ra ống
nạp (g/s)
Production of k (kG/ms3)
Tốc độ trung bình piston (m/s)

ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Diễn tả

1

A/F

Air/ Fuel

2

AFCs

Alkaline Fuel Cells

3

AFR

Air Fuel Ratio

4

ATDC

After Top Dead Center

5

BDC

Bottom Dead Center

6

BTE

Brake Thermal Efficiency

7

BTDC

Before Top Dead Center

8

CNG

Compressed Natural Gas

9

CA

Crank Angle

10

C

Cylinder

11

CL

Air Cleaner

12

DI

Direct Injection

13

ĐTC

Điểm Chết Trên

14

ĐCD

Điểm Chết Dưới

15

FCVs

Fuel Cell Vehicles

16

E

Engine

17

IT

Ignition Timing

18

I

Injection

19

ICEVs

Internal Combustion Engine Vehicles

20

LPG

Liquified Petroleum Gas

21

LNG

Liquefied Natural Gas

22

MAF

Mass Air Flow

23

MFC

Mass Flow Controller

24

MBT

Max Brake Torque

25

MCFCs

Molten Carbonate Fuel Cells

26

MP

Measuring Point

27

NG

Natural Gas

28

NDIR

Non-Dispersive Infra-Red

29

PL

Plenum

30

PEMFCs

Protons Exchange Membrane Fuel Cells

31

PAFCs

Phosphoric Acid Fuel Cells

32

P

Pipe

x


33

RON

Research Octane Number

34

RNG

Renewable Natural Gas

35

R

Restriction

36

SOFCs

Solid Oxide Fuel Cells

37

SOI

Start of Injection

38

SI

Spark Ignition

39

SB

System Boundary

40

TH

Throttle

41

TDC

Top Dead Center

42

TKE

Turbulent Kinetic Energy

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050 theo lĩnh vực
sử dụng [9] ..............................................................................................................4
Hình 1.2. Lượng sản xuất xăng sinh học và diesel sinh học trên thế giới từ 2005 đến
2017 (tỉ tấn) [51] ......................................................................................................9
Hình 1.3. Sơ đồ phản ứng và trao đổi ion của một pin nhiên liệu màng trao đổi proton
[73]. .........................................................................................................................7
Hình 1.4. Số lượng phương tiện và trạm nạp nhiên liệu khí thiên nhiên trên thế giới
năm 2019 [109]...................................................................................................... 12
Hình 1.5. Các loại bồn lưu trữ nhiên liệu CNG ...................................................... 14
Hình 1.6. Phân loại hệ thống đánh lửa và cấp nhiên liệu động cơ CNG [126] ........ 16
Hình 1.7. Các hệ thống trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [127] ............... 17
Hình 1.8. Các hệ thống trên động cơ phun gián tiếp CNG [132] ............................ 18
Hình 1.9. Sơ đồ bộ hịa trộn CNG [133] .................................................................18
Hình 1.10. Ví dụ về các chi tiết của bộ hịa trộn CNG [134] ..................................19
Hình 1.11. Bốn chu trình của động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [151] ............. 21
Hình 2.1. Phân chia quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức .............................. 30
Hình 2.2. Hình ảnh chuyển động của dịng khí theo các trục ..................................36
Hình 2.3. Động cơ S1100....................................................................................... 38
Hình 2.4. Cảm biến CKP và cảm biến CMP........................................................... 39
Hình 2.5. Cảm biến lượng khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga............................... 40

Hình 2.6. Bộ điều khiển điện tử ............................................................................. 40
Hình 2.7. Ống nạp và vịi phun điều khiển bằng điện ............................................. 41
Hình 2.8. Bơ bin đánh lửa và bugi.......................................................................... 41
Hình 2.9. Bình chứa khí CNG và cụm van giảm áp................................................ 42
Hình 2.10. Thiết bị đo lưu lượng khí thiên nhiên.................................................... 42
Hình 2.11. Hình dạng đỉnh piston sau chuyển đổi .................................................. 43
Hình 2.12. Hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải ................................................. 43
Hình 2.13. Hệ thống khởi động điện ...................................................................... 44
Hình 2.14. Hệ thống làm mát bằng nước tuần hồn cưỡng bức .............................. 44
Hình 2.15. Bảng điều khiển của băng thử MP 100S ............................................... 45
Hình 2.16. Đặc tính làm việc của băng thử MP 100S ............................................. 46
Hình 2.17. Mặt trước của máy phân tích khí thải KEG 500CE ............................... 48
Hình 2.18. Mặt sau của máy phân tích khí thải KEG 500CE ..................................49
Hình 2.19. Sơ đồ lắp đặt máy phân tích KEG 500 .................................................. 50
Hình 2.20. Màn hình hiển thị chọn loại nhiên liệu sử dụng ....................................... 51
Hình 2.21. Sơ đồ bố trí thiết bị phục vụ thí nghiệm ................................................ 51
Hình 2.22. Động cơ và thiết bị thí nghiệm ............................................................. 52
Hình 2.23. Kết quả thí nghiệm ban đầu của động cơ sau khi chuyển đổi. ............... 53
Hình 2.24. Kết quả thí nghiệm của NOx và HC ..................................................... 54
Hình 2.25. Kết quả thí nghiệm của CO và CO2 ...................................................... 54
Hình 3.1. Động cơ một xylanh mô phỏng bằng AVL Boost ...................................56
Hình 3.2. Các thơng số nhập vào trong mơ hình cháy Fractal .................................57
Hình 3.3. Nhập thơng sổ điều khiển vịi phun nhiên liệu ........................................ 58
Hình 3.4. Cửa sổ chọn kiểu phun nhiên liệu ........................................................... 58

xii


Hình 3.5. Thơng số mơ hình truyền nhiệt ............................................................... 59
Hình 3.6. Mơ hình ma sát....................................................................................... 59

Hình 3.7. Mơ phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent ....................... 60
Hình 3.8. Giao diện Mơ-đun Fluid Flow (Fluent) ................................................... 60
Hình 3.9. Giao diện xây dựng mơ hình Geometry .................................................. 61
Hình 3.10. Mơ hình sau chia lưới ........................................................................... 61
Hình 3.11 Bảng tùy chọn thiết lập chung ............................................................... 62
Hình 3.12. Kích hoạt phương trình năng lượng ...................................................... 62
Hình 3.13. Bảng tùy chọn mơ hình rối ...................................................................63
Hình 3.14. Bảng tùy chọn loại mơ hình ..................................................................63
Hình 3.15. Bảng chọn chế độ pha .......................................................................... 64
Hình 3.16. Bảng tùy chọn nhiên liệu ...................................................................... 64
Hình 3.17. Bảng nhiên liệu .................................................................................... 65
Hình 3.18. Bảng tùy chọn thành phần khí .............................................................. 65
Hình 3.19. Khai báo đầu vào cho đường nạp.......................................................... 66
Hình 3.20. Khai báo áp suất phun nhiên liệu .......................................................... 66
Hình 3.21. Cài đặt số vịng lặp ............................................................................... 67
Hình 3.22. Kết quả hiệu chuẩn mơ hình .................................................................67
Hình 3.23. Hiệu chuẩn mơ hình theo khí thải động cơ............................................ 68
Hình 3.24. Mơ phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent ..................... 69
Hình 3.25. Mơ hình sau chia lưới ........................................................................... 69
Hình 3.26. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ theo độ mở bướm
ga........................................................................................................................... 70
Hình 3.27. Sự thay đổi của HC theo thời điểm bắt đầu phun theo độ mở bướm ga .71
Hình 3.28. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO theo độ mở bướm
ga........................................................................................................................... 72
Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx theo độ mở
bướm ga................................................................................................................. 72
Hình 3.30. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ tại các tốc độ động
cơ khác nhau ......................................................................................................... 73
Hình 3.31. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx tại các tốc độ
động cơ khác nhau ................................................................................................ 74

Hình 3.32. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO tại các tốc độ
động cơ khác nhau ................................................................................................ 75
Hình 3.33. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun đến thành phần phát thải HC theo
tốc độ động cơ ....................................................................................................... 75
Hình 3.34. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí đến mơ men ........................ 76
Hình 3.35. Ảnh hưởng thời gian phun đến mô men ................................................ 76
Hình 3.36. Ảnh hưởng của thời gian phun đến lamda............................................. 77
Hình 3.37. Ảnh hưởng của thời gian phun đến diễn biến áp suất trong xylanh ....... 78
Hình 3.38. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tổng thời gian cháy của hỗn hợp ....78
Hình 3.39. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tỉ lệ khối lượng cháy của hỗn hợp ..79
Hình 3.40. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tốc độ giải phóng nhiệt .................. 79
Hình 3.41. Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu nạp vào động cơ theo sự thay đổi của
đường kính ống nạp khi thay đổi tốc độ động cơ .................................................... 80
Hình 3.42. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp tới mô men theo tốc độ động cơ...81

xiii


Hình 3.43. Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới mơ men động cơ ........... 82
Hình 3.44. Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới cơng suất động cơ ......... 82
Hình 3.45. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải NOx ....................... 83
Hình 3.46. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải CO.......................... 84
Hình 3.47. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải HC.......................... 85
Hình 3.48. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun đến vận tốc trung bình của hỗn hợp ...... 86
Hình 3.49. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun đến vận tốc trung bình của nhiên liệu ...86
Hình 3.50. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun đến động năng rối của hỗn hợp ............. 87
Hình 3.51. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lưu lượng phun nhiên liệu ................. 87
Hình 3.52. Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc của dịng nhiên liệu trên đường
nạp ......................................................................................................................... 88
Hình 3.53. Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc trung bình của dịng khí........ 89

Hình 3.54. Ảnh hưởng của áp suất phun đến động năng rối của hỗn hợp ............... 89
Hình 3.55. Mô men thay đổi theo tốc độ động cơ ................................................... 90
Hình 3.56. Cơng suất thay đổi theo tốc độ động cơ của động cơ ............................ 90
Hình 3.57. Khí thải HC theo tốc độ động cơ .......................................................... 91
Hình 3.58. Khí thải CO theo tốc độ động cơ .......................................................... 91
Hình 3.59. Khí thải NOx theo tốc độ động cơ ......................................................... 92
Hình 4.1. Lưu lượng CNG cấp vào xylanh theo mô phỏng..................................... 95
Hình 4.2. Vịi phun khí Hana H2100 ...................................................................... 95
Hình 4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến mô men động cơ................. 96
Hình 4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến công suất của động cơ ........ 97
Hình 4.5. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải CO ....................... 98
Hình 4.6. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải HC ....................... 98
Hình 4.7. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải NOx..................... 99
Hình 4.8. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lượng nhiên liệu cung cấp tại các tốc độ
động cơ khác nhau ................................................................................................ 99
Hình 4.9. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến hệ số dư lượng khơng khí
lambda ................................................................................................................. 100
Hình 4.10. Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất của động cơ tại các tốc độ
động cơ khác nhau ............................................................................................... 101
Hình 4.11. Ảnh hưởng của áp suất phun đến mô men của động cơ tại các tốc độ động
cơ khác nhau ........................................................................................................ 101
Hình 4.12. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO ......... 102
Hình 4.13. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải HC ......... 102
Hình 4.14. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải NOx ....... 103
Hình 4.15. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO2 ....... 103
Hình 4.16. So sánh ảnh hưởng của chế độ phun đến mơ men ............................... 104
Hình 4.17. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến công suất động cơ ........... 105
Hình 4.18. Ảnh hưởng của chế độ phun đến khí thải NOx ................................... 105
Hình 4.19. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải HC ................... 106
Hình 4.20. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải CO ................... 106

Hình 4.21. So sánh mơ men động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng .................. 107
Hình 4.22. So sánh cơng suất động cơ giữa thực nghiệm và mơ phỏng ................ 108
Hình 4.23. So sánh lượng khí thải HC giữa kết quả thực nghiệm và mơ phỏng .... 109
Hình 4.24. So sánh lượng khí thải NOx giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng .. 109

xiv


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên với xăng và diesel [110],
[111] ...................................................................................................................... 13
Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ S1100 ............................................... 38
Bảng 2.2. Chức năng điều khiển của băng thử MP 100S ....................................46
Bảng 2.3 Thông số cơ bản của máy phân tích khí thải KEG – 500 CE ............... 47
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật động cơ sau chuyển đổi nghiên cứu ...................... 52
Bảng 3.1. Các phần tử trong mơ hình động cơ ................................................... 57
Bảng 4.1. Thơng số kỹ thuật của động cơ sau chuyển đổi ..................................94

xv


MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn đề tài
Tình trạng nóng lên tồn cầu và ơ nhiễm khơng khí đã và đang là một trong những
vấn đề lớn nhất thế giới [1]. Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp và sự
gia tăng không ngừng của các phương tiện vận tải, việc giảm thiểu khí thải nhà kính
ln nhận được rất nhiều sự quan tâm từ chính phủ cũng như các nhà khoa học [2].
Nguồn gây ô nhiễm vô cùng đa dạng trong đó ơ nhiễm do sử dụng nhiên liệu hóa
thạch có thể coi là một trong những nguồn chính gây độc hại đến sức khỏe con người.
Báo cáo về mơi trường có tên gọi là “The Environmental Performance Index” đã chỉ

ra Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chất lượng khơng khí thấp gây ảnh hưởng
đến sức khỏe con người [3]. Trên cơ sở tiêu chuẩn cho phép của thế giới về đánh giá
chất lượng không khí (Air Quality Index- AQI), nếu mức độ sạch của khơng khí từ
150 – 200 điểm thì đã bị coi là ơ nhiễm, từ 201 – 300 thì coi là cực kỳ cấp bách, sẽ
ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người dân [4]. Trong khi đó, tại Việt Nam,
cụ thể hai khu vực ô nhiễm nhất là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, chỉ số trong ngày lúc
nào cũng ở mức 152 – 156 nhưng vào giờ giao thông cao điểm phải lên tới gần 200
điểm. Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường Việt Nam lại đưa ra
một con số khi đo được tại nhiều trục giao thông lớn như Khuất Duy Tiến, Phạm
Hùng, Nguyễn Trãi, Nguyễn Văn Linh… những khu vực đông dân cư, nồng độ bụi
thường cao hơn mức cho phép lên đến 11 lần. Chưa kể đến các khí thải như SO2,
NO2, CO… Theo số liệu thống kê của Bộ Y tế, các đơ thị bị ơ nhiễm khơng khí có tỷ
lệ người nhiễm khuẩn hô hấp cao gấp nhiều lần so với các đô thị khác. Chẳng hạn ở
thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Hải Phịng, tỷ lệ bệnh nhân lao được phát hiện
cao gấp 4 – 5 lần những địa phương có hoạt động cơng nghiệp ít phát triển như Bắc
Kạn, Điện Biên, Lai Châu. Trong những năm gần đây, các bệnh nhân về đường hơ
hấp có tỷ lệ mắc cao nhất trên toàn quốc, nguyên nhân chủ yếu là do ơ nhiễm khơng
khí gây ra. Kết quả thống kê cứ 100.000 dân có đến 4,1% số người mắc các bệnh về
phổi; 3,8% viêm họng và viêm Amidan cấp; 3,1% viêm phế quản và viêm tiểu phế
quản, riêng ở Hà Nội 72% hộ gia đình có người mắc bệnh do ơ nhiễm khơng khí. Từ
các kết quả nghiên cứu và số liệu điều tra trên có thể thấy rằng “Ơ nhiễm khơng khí
là một vấn đề đáng báo động ở nước ta”. Ngun nhân chính dẫn tới tình trạng ơ
nhiễm này chính là do giao thơng đơ thị với lưu lượng phương tiện dày đặc, đặc biệt
là phương tiện giao thông cá nhân. Lượng phương tiện giao thông ấy thải ra một
lượng lớn khí độc hại như SO2, NO2, CO… và tạo ra bụi khí. Hướng tới mục tiêu
“Tăng trưởng xanh, tiến tới nền kinh tế các-bon thấp, làm giàu vốn tự nhiên trở thành
xu hướng chủ đạo trong phát triển kinh tế bền vững; giảm phát thải và tăng khả năng
hấp thụ khí nhà kính dần trở thành chỉ tiêu bắt buộc và quan trọng trong phát triển
kinh tế- xã hội”, ngày 25 tháng 09 năm 2012, Thủ Tướng Chính phủ đã ra Quyết định
số 1393/QĐ-TTg, về việc “Phê duyệt chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh”. Nội

dung của Quyết định có đề cập vấn đề “Thay đổi cơ cấu nhiên liệu trong công nghiệp
và giao thơng” [5].
Từ các số liệu nghiên cứu trên có thể thấy rằng phát triển nhiên liệu thay thế phục
vụ cho các phương tiện giao thông vận tải là hết sức cần thiết, bởi vì thỏa mãn được
các yêu cầu về kiểm sốt khí thải và giảm được sự phụ thuộc vào nhiên liệu dầu mỏ.
Tuy nhiên, để đảm bảo được những yêu cầu này cần thiết phải có các nghiên cứu cơ
1


bản chuyên sâu. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên
liệu đến đặc tính làm việc đợng cơ CNG” sẽ góp phần giải quyết được ô nhiễm không
khí do khí thải động cơ đốt trong thải ra trong quá trình làm việc.

ii. Mục tiêu của luận án
• Mục tiêu chung
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thơng số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc
và khí thải ở động cơ khí thiên nhiên phun trên đường nạp.
• Mục tiêu cụ thể
− Đánh giá được ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến tính năng
kinh tế, kỹ thuật của động cơ CNG thông qua các chế độ vận hành.
− Cải thiện chất lượng phát thải của động cơ CNG theo hướng giảm phát thải NOx.

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
− Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel một xylanh sau khi chuyển đổi thành
động cơ phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp.
− Phạm vi nghiên cứu:
+ Chuyển đổi hệ thống điểu khiển phun nhiên liệu cơ khí sang phun điện tử ở
động cơ diesel một xylanh sử dụng nhiên liệu CNG. Đánh giá định lượng ảnh
hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun, vị trí đặt vịi
phun, áp suất phun nhiên liệu) đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ.

+ Các nội dung thí nghiệm của luận án được thực hiện trong phạm vi Phịng thí
nghiệm động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm
kỹ thuật Vĩnh Long.

iv. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp lý thuyết mô hình hóa
với thực nghiệm. Trong đó:
− Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở thiết kế hệ thống nhiên liệu điện tử phun khí
thiên nhiên trên đường ống nạp và thiết lập các thông số phun cho các chế độ
vận hành động cơ CNG.
− Nghiên cứu mô phỏng động cơ bằng phần mềm AVL Boost để xem xét ảnh
hưởng của các thơng số như: Đường kính ống nạp, hệ số dư lượng khơng khí
(λ), thời điểm phun và thời gian phun đến mơ men, cơng suất và khí thải động
cơ.
− Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá ảnh hưởng của áp
suất phun khí thiên nhiên đến mơ men, cơng suất và khí thải của động cơ.

v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
− Ý nghĩa khoa học: Luận án đã khảo sát thành công một số thơng số phun
(đường kính ống nạp, thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, vị trí đặt vịi phun,
áp suất phun nhiên liệu), phương pháp phun đến đặc tính làm việc và khí thải
của động cơ CNG phun trên đường nạp.
− Ý nghĩa thực tiễn: Với áp suất phun, vị trí đặt vịi phun hợp lý đã xử lý được
hiện tượng dịng khí ngược trên đường nạp, nhờ vậy đặc tính làm việc và khí
2


thải của động cơ đã được cải thiện. Đây là cơ sở để phát triển thế hệ động cơ
CNG mới đạt được hiệu suất nhiệt cao và khí thải thấp.

vi. Các điểm mới của luận án
− Luận án đã xây dựng thành cơng mơ hình mơ phỏng động cơ sử dụng khí thiên
nhiên phun trên đường nạp bằng phần mềm AVL Boost và Ansys Fluent để
khảo sát ảnh hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun,
vị trí đặt vịi phun, áp suất phun nhiên liệu) đến tính năng làm việc và phát thải
của động cơ.
− Kế thừa từ nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel S1100 một xylanh thành động
cơ khí thiên nhiên của Trần Thanh Tâm về hình dạng của đỉnh piston và vị trí
lắp bugi trên nắp máy, vịi phun điều khiển bằng cơ khí, ɛ = 11,5. NCS đã nghiên
cứu thiết kế và chế tạo mô đun điều khiển phun nhiên liệu và thời điểm đánh
lửa, xác định được vị trí đặt vòi phun và áp suất phun tốt nhất để triệt tiêu dịng
khí ngược xuất hiện trên đường nạp. Thêm vào đó, luận án đã thiết lập được hệ
thống làm mát bằng nước tuần hồn cưỡng bức, tự động kiểm sốt nhiệt độ nước
làm mát. Để đảm bảo động cơ làm việc an toàn và giảm thiểu tiếng ồn, tỷ số nén
của động cơ đã giảm xuống ɛ = 10; bổ sung thêm hệ thống van giảm áp và ổn
định áp suất phun từ 1 ÷ 5 bar trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm.

vii. Bố cục của luận án
Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau:
− Mở đầu
− Chương 1: Nghiên cứu tổng quan.
− Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động cơ.
− Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ.
− Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
− Kết luận chung và hướng phát triển.

3


CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về nhiên liệu thay thế
Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu và các vấn đề ô nhiễm môi
trường đang ngày một tăng, việc tìm ra những nguồn năng lượng mới phải thỏa mãn
các yêu cầu như: sạch, có khả năng tái tạo và bền vững hơn để dần thay thế các nguồn
năng lượng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt. Những nguồn năng lượng thay thế
này sẽ là nguồn lực cơ bản đáp ứng được nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của đất
nước, đồng thời cũng giảm nhẹ được những thách thức về chính trị và an ninh quốc
phòng. Theo báo cáo của “BP Statistical Review of World Energy”, Năng lượng tái
tạo đóng góp 15% tổng năng lượng sản xuất trên toàn thế giới, con số này được kỳ
vọng tăng lên đến 85% trước năm 2050 [6], [7]. Trong đó, đối với các phương tiện
giao thơng vận tải nói riêng, nhiên liệu thay thế chiếm khoảng 4% lượng tiêu thụ và
được kỳ vọng sẽ đóng góp hơn 50% trong ba thập kỷ tới [8]. Hình 1.1 thể hiện mức
tiêu thụ của nhiên liệu tái tạo và năng lượng điện năm 2015 và số liệu dự đoán năm
2050. Rõ ràng rằng, cả năng lượng tái tạo và năng lượng điện đang được kỳ vọng rất
nhiều sẽ đóng vai trị chủ đạo cho nguồn năng lượng thế giới trong tương lai.

Hình 1.1. Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050

theo lĩnh vực sử dụng [9]
Thuật ngữ nhiên liệu thay thế (alternative fuel) được đưa ra vào cuối những năm
1970 để chỉ những nhiên liệu mới không phải xăng, diesel hay nhiên liệu chuyên dụng
cho hàng không [10]. Nhiên liệu thay thế và năng lượng thay thế (alternative energy)
thường bị nhầm lẫn với nhau khi cả hai đều khơng bao gồm các nguồn nhiên liệu hóa
thạch và hạt nhân. Năng lượng thay thế thường đến từ các nguồn năng lượng tự nhiên
như gió, mặt trời, sóng… được chuyển đổi thành năng lượng điện. Trong khi đó,
nhiên liệu tái tạo chủ yếu được biết đến với các nhiên liệu cho phương tiện giao thông
và nhà máy điện như nhiên liệu sinh học (Biofuel), ethanol, khí thiên nhiên. Để đảo
bảo vấn đề an ninh năng lượng cũng như giảm thiểu phát thải từ các nguồn nhiên liệu
hóa thạch, việc nghiên cứu phát triển và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế là vô
cùng quan trọng.

4


Nhiên liệu sinh học (Biofuel)
Nhiên liệu sinh học thường được sản xuất từ sinh khối (Biomass) chủ yếu là các
sản phẩm của nông nghiệp. Nhiên liệu sinh học bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và
dạng lỏng, trong đó nhiên liệu sinh học dạng lỏng bao gồm Ethanol sinh học
(Bioethanol), Methanol sinh học (Bio methanol), Diesel sinh học (Biodiesel); dạng
khí gồm Hydro sinh học (Bio hydro) và Methane sinh học (Biomethane) [11], [12].
Dựa vào nguồn gốc, nhiên liệu sinh học được chia thành bốn thế hệ như sau [13]:
Thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất (First-generation biofuel) được tạo ra từ các
nguồn nguyên liệu từ thực phẩm hay thức ăn như: gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải
đường..., hoặc các loại hạt có dầu như: dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải... hoặc từ mỡ
động vật. Các loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất cũng bao gồm: Dầu thực vật,
Diesel sinh học, Ethanol sinh học, Khí sinh học (Biogas), nhiên liệu sinh học thể rắn,
khí đốt tổng hợp (Syngas) [14]. Với nguồn nguyên liệu sinh học này có thể giảm đáng
kể lượng CO2 phát thải ra mơi trường nhưng khơng phát triển bền vững, bởi vì nguyên
liệu được sử dụng thường là một phần nguồn thức ăn cho người và động vật nuôi.
Nếu gia tăng sử dụng nguồn nguyên liệu nêu trên sẽ làm gia tăng giá cả các loại cây
trồng này và bất ổn lương thực, quỹ đất trồng cho các loại cây lương thực bị cạnh
tranh gây ảnh hưởng đến an ninh lượng thực quốc gia [15]. Vì vậy cần phải tìm kiếm
các loại nhiên liệu thay thế đảm bảo an ninh lương thực và năng lượng quốc gia cũng
như cải tiến hơn về mặt cơng nghệ, đây cũng là lý do để tìm kiếm nguồn nguyên liệu
cho thế hệ nhiên liệu sinh học thứ hai ra đời.
Nhằm hạn chế những nhược điểm của thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất, nguồn
nguyên liệu sử dụng để tạo ra nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể lấy từ nguồn
nguyên liệu phế thải của nông nghiệp hay các cây được trồng trên đất bạc màu, bỏ
hoang (sản xuất từ Cellulose), ví dụ như cỏ Switchgrass, cây cọc rào (Jatropha) [16].
Về cơ bản nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể không đe dọa đến an ninh lương
thực quốc gia nhưng có thể gây ơ nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên nước, giảm

diện tích rừng, nguy cơ từ sự độc canh, thêm vào đó là chi phí để chuyển hóa Sen-lulơ thành đường đắt hơn so với chi phí chuyển tinh bột thành đường. Chính vì vậy,
nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba đã ra đời, được cho là có thể giải quyết được hầu hết
các vấn đề đang tồn tại.
Có thể nói nhiên liệu sinh học từ tảo chính là nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba có
thể thỏa mãn đồng thời được hai mục tiêu: tạo ra năng lượng và góp phần làm sạch
mơi trường. Bởi vì mỗi tế bào tảo là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng q trình
quang hợp để chuyển hóa CO2 và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế
bào và tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao, hoạt động này có thể tăng gấp nhiều
lần trong một ngày [17]. Trong quá trình quang hợp, tảo sẽ sản xuất ra dầu ngay trong
tế bào của chúng, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần so với lượng dầu từ hạt
đậu nành ở cùng một đơn vị diện tích. Đồng thời tảo có thể tăng khả năng sản xuất
dầu bằng cách bổ sung khí CO2 trong q trình ni trồng chúng hoặc sử dụng các
môi trường giàu chất hữu cơ như nước thải để nuôi trồng. Điều này vừa tạo ra nhiên
liệu sinh học, vừa làm giảm lượng CO2 cũng như làm sạch môi trường [18]. Tuy
nhiên, trở ngại lớn nhất đối với thế hệ thứ ba là vấn đề về việc sản xuất dầu tảo vẫn
có giá thành cao hơn nhiều so với sản xuất nhiên liệu diesel từ dầu mỏ [19].
Ngoài ra, một thế hệ thứ tư của nhiên liệu sinh học đã được đề xuất và phát triển
dựa trên sự ứng dụng của ảnh hay điện sinh học [20]. Trong đó, các thiết bị quang –
5


điện được sử dụng để thúc đẩy quá trình lên men của các nguồn nhiên liệu. Với sự
kết hợp của phản ứng lên men và các phương pháp xúc tác, các tế bào glucose được
tách ra và tạo ra nhiên liệu mà không cần sử dụng đến O2 [21]. Tuy nhiên, vấn đề lớn
nhất của thế hệ nhiên liệu sinh học này là sự phức tạp của phương pháp lên men cũng
như các thiết bị đắt tiền và khó khăn trong việc vận hành.
Với nguồn nguyên liệu đa dạng và dồi dào, nhiên liệu sinh học đóng vai trị rất
quan trọng trong quá trình thay thế và giảm thiểu các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tuy
nhiên, việc sản xuất và sử dụng nguồn nhiên liệu này cũng luôn phải cân đối với việc
đảm bảo an ninh thực phẩm cũng như các vấn đề về nguồn nước sạch [22]. Trong

ngành giao thơng vận tải và động cơ đốt trong nói riêng, nhiên liệu sinh học được sử
dụng và biết đến nhiều nhất dưới dạng diesel sinh học (biodiesel), thường được sản
xuất từ dầu thực vật hay động vật với tiềm năng thay thế nhiên liệu diesel truyền
thống [23], [24].
Nhiên liệu ethanol hay cồn ethanol đã và đang được sử dụng rộng rãi trên khắp thế
giới như một nhiên liệu tự nhiên có khả năng tái tạo với mục tiêu giảm thiểu phát thải
và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch [25]. Ethanol (CH3CH2OH) là một chất lỏng
không màu, sạch, dễ bay hơi và dễ cháy [26]. Nhiên liệu ethanol được biết đến là một
nhiên liệu sinh khối với nguồn gốc chế xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu trong thiên
nhiên như chất béo động thực vật, ngũ cốc, lúa mỳ, khoai, ngô, đậu tương, hay từ chất
thải nông nghiệp cũng như công nghiệp [27]. Thông thường, ethanol được sử dụng
để thay thế một phần cho nhiên liệu xăng hoặc diesel. Ngoài những ưu điểm về nguồn
nguyên liệu chế xuất lớn cũng như lượng phát thải nhỏ, ưu điểm lớn nhất cho việc sử
dụng nhiên liệu ethanol là khả năng ứng dụng và thích ứng trên các động cơ sẵn có
[28], [29]. Theo đó, ethanol được hịa trộn trực tiếp vào nhiên liệu xăng hoặc diesel
trước khi được cung cấp vào động cơ trên đường ống nạp hoặc trong xylanh mà không
cần thay đổi kết cấu động cơ [30], [31]. Tại Mỹ nói riêng, hơn 98% nhiên liệu xăng
được hịa trộn cùng ethanol để giảm phát thải cũng như lượng tiêu thụ xăng [32]. Với
trị số Octane cao hơn xăng, ethanol cung cấp khả năng hòa trộn tốt hơn cho nhiên
liệu xăng, giảm chất lượng xăng yêu cầu cũng như tăng khả năng chống kích nổ cho
động cơ xăng [28]. Hỗn hợp nhiên liệu xăng và ethanol, còn được gọi là xăng sinh
học (gasohol hay bio gasoline) được hòa trộn từ nhiên liệu xăng thông thường và cồn
sinh học khan (anhydrous ethanol) theo một tỉ lệ nhất định [33]. Theo tỷ lệ hòa trộn
ethanol, xăng sinh học với tỷ lệ ethanol từ 5 tới 25% (E5 tới E25) được gọi là hỗn
hợp ethanol thấp, E30 đến E85 được gọi là hỗn hợp ethanol cao. Khi lượng ethanol
hòa trộn cao, lượng phát thải càng thấp, tuy nhiên, một số yêu cầu về kỹ thuật và an
toàn trên động cơ cần được đảm bảo [34]. Với những ưu điểm trên, ethanol đang được
phát triển, sản xuất và sử dụng tại hầu hết các quốc gia trên thế giới. Riêng tại Việt
Nam, tính đến năm 2015, có 6 nhà máy ethanol đang hoạt động với tổng cơng suất là
512 triệu lít một năm [35]. Hiện nay, xăng E10 với 10% ethanol là xăng sinh học

được sử dụng phổ biến nhất tại nhiều quốc gia trên thế giới [36], [37], [38]. Tại Việt
Nam, xăng E5 đang được sử dụng thay thế cho xăng RON92 đồng thời đảm bảo các
bài tốn về an tồn phương tiện [39]. Với tính tốn và kỳ vọng sử dụng xăng E10
trong tương lai, ethanol cũng như xăng sinh học đã, đang và sẽ đóng vai trị quan
trọng trong việc giảm thiểu phát thải giao thông và đảm bảo an ninh năng lượng trong
nước [40]. Ngoài ra, xăng sinh học bio methanol hay biopropal cũng có thể được sử

6


dụng để thay thế một phần nhiên liệu xăng, tuy nhiên với các ưu điểm về sản xuất,
xăng ethanol vẫn được áp dụng rộng rãi nhất [41].
Nhiên liệu diesel sinh học (biodiesel) là một nhiên liệu thay thế có tính tự phân
hủy được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật cũng như rác thải sinh hoạt [24].
Tùy thuộc vào nguồn gốc và phương pháp chế suất khác nhau, diesel sinh học có
nhiều dạng và thành phần khác nhau, tuy nhiên mọi hỗn hợp alkyl ester (an kyl ét te)
của dầu thực vật hay mỡ động vật đều được coi là biodiesel [23], [42]. Biodiesel có
nhiều ưu điểm so với diesel từ dầu mỏ như có tính linh động, có sẵn, có khả năng tái
tạo, hiệu suất cháy cao, tỷ lệ lưu huỳnh thấp, trị số cetane cao cũng như khả năng tự
phân hủy [43]. Với thành phần chứa nhiều oxygen và quá trình cháy được cải thiện
so với diesel thông thường, động cơ biodiesel giảm đáng kể phát thải, đặc biệt là PM
và phát thải lưu huỳnh [44]. Ngồi ra, tính tự phân hủy cũng là ưu điểm quan trọng
của diesel sinh học giúp gia tăng tính an tồn và thân thiện với mơi trường trong q
trình sử dụng, vận chuyển và lưu trữ [45]. Tương tự với nhiên liệu xăng sinh học,
nhiên liệu biodiesel được hòa trộn từ các nhiên liệu sinh học (B100 hay biodiesel
nguyên chất) với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ với tỉ lệ khác nhau [46]. Động cơ diesel
thơng thường có thể sử dụng nhiên liệu biodiesel mà không cần thay đổi về cấu tạo.
Tuy nhiên khác với ethanol, biodiesel có nhược điểm lớn về tính khơng ngun chất
cũng như nguy cơ ăn mòn các chi tiết động cơ và tạo cặn [47]. Ngồi ra, diesel sinh
học cũng dễ bị đóng băng, đặc biệt với các nước có nhiệt độ xuống rất thấp vào mùa

đông. Nhiệt độ đông đặc của biodiesel phụ thuộc vào nguyên liệu và phương pháp
sản xuất, tuy nhiên, nhiệt độ đông đặc cao vẫn là một hạn chế lớn trong việc sử dụng
biodiesel với hàm lượng cao [48]. Do đó, diesel sinh học thường được sử dụng với tỷ
lệ hịa trộn sinh học khơng q 20% [49], [50]. Tuy có nhiều ưu điểm và vẫn là một
loại nhiên liệu thay thế có nhiều tiềm năng, nhưng với các khó khăn chưa được khắc
phục, biodiesel vẫn cịn nhiều hạn chế trong việc phát triển và sử dụng. Hình 1.2 so
sánh sản lượng xăng sinh học và diesel sinh học qua các năm từ 2005 tới 2017. Rõ
ràng rằng, lượng sản xuất bio gasoline là vượt trội so với biodiesel tính theo khối
lượng. Ngồi ra, có sự khác biệt về khu vực sử dụng khi Mỹ sản xuất nhiều xăng sinh
học hơn trong khi đó châu Âu chiếm phần lớn sản lượng diesel sinh học trên thế giới.

Hình 1.2. Lượng sản xuất xăng sinh học và diesel sinh học trên thế giới
từ 2005 đến 2017 (tỉ tấn) [51].

7


Nhiên liệu hydrogen
Nhiên liệu hydrogen hay khí hydrogen là nguồn năng lượng khơng khí thải đầy
hứa hẹn để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đặc biệt trong giao thơng vận tải [52].
Trong những năm gần đây, hydrogen đang nhận được rất nhiều sự quan tâm và đầu
tư từ các chính phủ và các nhà nhiên cứu với nhiều ưu điểm rõ ràng như: (i) sạch với
sản phẩm của quá trình cháy chỉ chứa nước và một phần NOx; (ii) có thể sản xuất từ
nhiều nguồn nhiên liệu; và (iii) pin nhiên liệu sử dụng hydrogen có khả năng thay thế
động cơ truyền thống [53]. Hydrogen là khí nhẹ nhất, khơng màu, khơng mùi và
khơng độc hại [54]. Ngồi ra hydrogen có tỉ lệ năng lượng cao gấp 2.7 lần các nhiên
liệu hydrocarbon thơng thường. Do đó, nhiên liệu hydrogen được ứng dụng trong rất
nhiều ngành công nghiệp như phương tiện giao thơng, cơng nghiệp hay thi cơng [55].
Ngồi ra, hydrogen cũng có thể được sử dụng như một phương án để dự trữ và chuyển
đổi các nguồn năng lượng tự nhiên khác như gió hay năng lượng mặt trời [56]. Trong

giao thơng vận tải nói riêng, hydrogen được dùng làm nhiên liệu cho phương tiện
động cơ đốt trong truyền thống (internal combustion engine vehicles, ICEVs) hoặc
các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu (Fuel cell vehicles, FCVs).
1.1.2.1. Hydrogen trong động cơ đốt trong
Bởi những đặc tính hóa lý như nhẹ và tỷ trọng nhỏ, nhiên liệu hydrogen được ứng
dụng trong các động cơ đánh lửa cưỡng bức. Có ba phương án chính để cung cấp
nhiên liệu hydrogen cho động cơ bao gồm: (i) cung cấp nhiên liệu trên đường ống
nạp; (ii) cung cấp nhiên liệu trực tiếp vào trong xylanh; (iii) thay thế một phần xăng
hoặc diesel trong động cơ truyền thống [53]. Trong động cơ cung cấp nhiên liệu trên
đường ống nạp, hydrogen thường được lưu trữ dưới dạng lỏng và có nhiệt độ thấp,
được dẫn qua một buồng chuyển pha, hòa trộn và giảm áp trước khi đưa vào đường
ống nạp [57]. Tương tự, với động cơ hydrogen cung cấp phun trực tiếp, nhiên liệu có
thể được lưu trữ dưới dạng khí nén áp suất cao hoặc dạng lỏng. Nhiên liệu được
chuyển pha hoặc giảm áp qua nhiều bộ giảm áp nối tiếp nhau và được phun trực tiếp
vào trong xylanh với áp suất khoảng 5 đến 15 bar [58]. Ngồi ra, hydrogen cũng có
thể được sử dụng trong động cơ lưỡng nhiên liệu cùng với các loại nhiên liệu truyền
thống với việc phun riêng biệt hoặc hòa trộn trước với xăng hay diesel [59], [60].
Hydrogen được coi là một nhiên liệu nhiều tiềm năng cho việc thay thế các nguồn
nhiên liệu hóa thạch với ưu điểm không phát thải và nguồn nguyên liệu dồi dào. Tuy
nhiên, động cơ đốt trong sử dụng hydrogen lại có hiệu suất nhiệt giảm đáng kể so với
động cơ truyền thống khi cung cấp cùng một lượng nhiên liệu [61]. Hơn nữa, với tỷ
trọng thấp việc lưu trữ và vận chuyển khí hydrogen rất khó khăn đặc biệt là trên
phương tiện giao thơng. Ngồi ra, an tồn khi sử dụng hydrogen cho động cơ đốt
trong cũng là vấn đề cần được giải quyết bởi tính dễ cháy của khí hydrogen và nhiệt
độ cao của động cơ [62].
1.1.2.2. Hydrogen cho pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu (Fuel cells) là thiết bị ứng dụng phản ứng điện hóa (electrochemical
reaction) giữa hydrogen và oxygen để tạo ra điện và nước mà khơng thải ra khí ô
nhiễm. Trong nhiều thập kỷ vừa qua, pin nhiên liệu đã được phát triển và ứng dụng
rất rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật khoa học như sản xuất điện, giao thông vận

tải hay các thiết bị nông nghiệp, … [63]. Pin nhiên liệu thông thường bao gồm một
anode – nơi xảy ra phản ứng của hydrogen, một cathode – nơi xảy ra phản ứng của
8


oxygen và một electrolyte nơi cho phép các ion trao đổi giữa anode và cathode [64].
Dựa vào chất sử dụng làm electrolyte, pin nhiên liệu có thể được phân ra làm nhiều
loại khác nhau. Trong đó, màng trao đổi proton (protons exchange membrane fuel
cells, PEMFCs) được biết đến và sử dụng rộng rãi nhất với nhiều ưu điểm như tỷ lệ
năng lượng cao, thời gian khởi động nhanh, hiệu suất cao, nhiệt độ làm việc thấp cũng
như các ưu điểm về tính an tồn và dễ dàng trong vận hành [65]. Error! Reference
source not found. thể hiện các thành phần và sơ đồ phản ứng, trao đổi ion của pin
PEMFC. Tuy nhiên, vấn đề giá thành khiến cho PEMFC còn đang gặp nhiều trở ngại
trong việc áp dụng vào nhiều lĩnh vực. Pin nhiên liệu alkaline (Alkaline fuel cells,
AFCs) có giá thành rẻ hơn, tuy nhiên lại yêu cầu độ nhiên liệu có độ tinh khiết cao
cùng với nhược điểm lớn về tuổi đời làm việc [66]. Loại pin sử dụng axit phosphoric
(Phosphoric acid fuel cells, PAFCs) có nhiều tiềm năng trong việc tăng tính kinh tế
các ứng dụng cùng với một nhiệt độ làm việc trung bình và hiệu suất năng lượng cao
[67]. Thêm vào đó, pin molten carbonate (Molten carbonate fuel cells, MCFCs) và
pin oxit kim loại (Solid oxide fuel cells, SOFCs) cũng là hai loại pin nhiên liệu có
hiệu suất cao và giá thành thấp, tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hai loại pin này
là nhiệt độ làm việc cao gây ra khó khăn trong vận hành cũng như đòi hỏi nhiều hơn
các yêu cầu về an tồn [68], [69]. Tuy có rất nhiều ưu điểm về hiệu suất và không
phát thải, pin nhiên liệu sử dụng hydrogen cũng tồn tại nhiều những trở ngại lớn cần
được xử lý [70], [71]. Các vấn đề về giá thành, trạm sạc và độ tin cậy cũng như an
toàn là hạn chế lớn nhất của phương tiện sử dụng pin nhiên liệu hydrogen hiện nay.
Ngồi ra, những khó khăn về việc lưu trữ và vận chuyển hydrogen hay việc xử lý các
chất hóa học độc hại trong pin nhiên liệu sau khi sử dụng cũng là những vấn đề cần
được quan tâm và giải quyết [72].

Hình 1.3. Sơ đồ phản ứng và trao đổi ion của một pin nhiên liệu

màng trao đổi proton [73]
9


1.2. Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên
Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên được chiết xuất từ các giếng khí hoặc từ sản xuất dầu thơ. NG là
hỗn hợp của các loại khí, chủ yếu bao gồm khí mê-tan (CH4) và lượng vi lượng của
các hydrocarbon cao hơn khác như ethane, propane, n-butane, iso-butane và pentan
và một số khí khác bao gồm nitơ, helium, carbon dioxide, hydro, hydro sunfua và hơi
nước [74]. Khí thiên nhiên khơng màu, khơng mùi, do đó một vài chất tạo mùi có thể
được sử dụng để phát hiện lưu huỳnh. Tuy là một nhiên liệu thay thế tiềm năng nhưng
khí thiên nhiên lại là một nguồn tài nguyên không thể tái tạo được chiết xuất từ hóa
thạch hay các sinh vật phù du và vi sinh vật dưới nước như tảo và các động vật nguyên
sinh [75]. Dưới tác động đồng thời của áp suất và nhiệt độ cao, các liên kết carbon
của các vật chất hữu cơ bị phá vỡ, tách ra và tạo thành methane thủy nhiệt
(thermogenic methane) hay khí thiên nhiên [76], [77]. Khí thiên nhiên có thể được
tìm thấy tại nhiều nơi trên thế giới trong các hồ chứa bên dưới bề mặt trái đất, các
phân tử khí nằm trong các lỗ nhỏ hay vết nứt giữa các lớp đá trong q trình phong
hóa và bóc mịn bề mặt [78]. Ngồi ra, khí thiên nhiên có thể được sản xuất từ các
khí sinh học, các nguyên liệu hữu cơ được gọi là methane sinh học (biomethane) hay
khí thiên nhiên tái tạo (renewable natural gas, RNG). Tuy nhiên, methane được chiết
suất này chỉ chiếm một phần rất nhỏ so với lượng methane được khai thác từ tự nhiên,
đồng thời, quá trình chiết suất và làm sạch cũng tương đối phức tạo [79]. Mặc dù là
một nhiên liệu hóa thạch, khí thiên nhiên lại có trữ lượng lớn hơn nhiều so với xăng
và diesel cũng như dễ dàng hòa trộn với nhiều loại khí sinh học [75], [80], [81]. Mặt
khác, với thành phần chính là methane, khí thiên nhiên là hydrocarbon sạch nhất khi
chỉ thải là một lượng khí nhà kính rất nhỏ so với than đá hay các nhiên liệu động cơ

truyền thống [82], [83]. Với việc thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng đốt khí thiên
nhiên từ năm 1995 đến 2012, các nhà máy điện đã giảm 23% lượng khí thải CO2,
44% khí thải SO2 và hơn 40% khí NOx [84]. Đồng thời, việc sử dụng nhiên liệu khí
thiên nhiên cũng giúp nhà máy điện hoạt động linh hoạt hơn với việc khởi động và
tạm dừng dễ dàng hơn, tăng khả năng kết hợp với các nguồn năng lượng tái tạo [85].
Ngồi ra, khí thiên nhiên cũng giảm lượng hydrocarbon thải ra ngồi mơi trường so
với động cơ xăng, lượng khí chưa cháy hết trong khí thải hay bị rị rỉ trong q trình
sản xuất, lưu trữ và vận chuyển cũng dễ dàng phân tán trong khí quyển và tách ra
thanh hơi nước và khí CO2 [86]. Theo báo cáo của British Petroleum (BP) năm 2020
[87], trữ lượng khí thiên nhiên thế giới ước tính vào khoảng 150 nghìn tỷ m³ (150 ×
1012). Trong đó Nga là nước có trữ lượng lớn nhất với 38 nghìn tỷ m³ (38 × 1012),
đứng thứ hai là Iran với 32 nghìn tỷ m³ (32 × 1012), theo sau là các quốc Qatar và
Turkmenistan với lần lượt là 25 và 14 nghìn tỷ m3. Các quốc gia dầu mỏ tại Trung
Đơng cũng có nhiều hồ chứa với trữ lượng khí thiên nhiên rất lớn. Riêng ở Hoa Kỳ
tổng cộng 13 nghìn tỷ m³ (13 × 1012) phân bố ở các bang như: Texas, Vịnh Mexico
ngoài khơi Louisiana, Oklahoma, New Mexico, Wyoming và ở Vịnh Prudhoe của
Bắc Slope thuộc bang Alaska. Ở Canada, tổng trữ lượng khí tự nhiên là 2 nghìn tỷ m³
(2 × 1012), phần lớn trữ lượng khí thiên nhiên ở Canada nằm ở Alberta. Hiện nay, tại
Mỹ nói riêng, khí thiên nhiên đóng góp khoảng 30% lượng năng lượng được sử dụng
[88]. Giống với hydrogen, khí thiên nhiên có tỉ trọng rất nhỏ, do đó, khó khăn lớn
nhất của việc sử dụng khí thiên nhiên là lưu trữ và vận chuyển [50], [89]. Để giải
10