Áo cáo kết thúc học phần năng lượng mới sử dụng trên ô tô chủ đề sử dụng nhiên liệu cng cho động cơ diesel

lOMoARcPSD|11346942

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

BÁO CÁO KẾT THÚC HỌC PHẦN
NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN Ô TÔ
Chủ đề: Sử dụng nhiên liệu CNG cho động cơ diesel

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Thanh Tuấn
Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 4

Lê Minh Huy 62130739 62-CNOT.3
Hồ Trung Hiếu 62130554 62-CNOT.3
Nguyễn Duy 62132975 62-CNOT.3
Nguyễn Thành Phi 62131546 62-CNOT.3

Khánh Hòa – 2023

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 4
NỘI DUNG BÁO CÁO................................................................................................5

I. Tổng quan về CNG-nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường............5
II. Tổng quan các nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel..........................7
1. Các nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel..............................................7
1.1. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu

CNG........................................................................................................................... 7
1.2. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-
diesel.......................................................................................................................... 8
2. Kết quả nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel từ một động cơ nguyên
thủy (động cơ chạy bằng nhiên liệu diesel).............................................................8
III. Kết luận............................................................................................................13
V. Tài liệu tham khảo.............................................................................................13

MỤC LỤC HÌNH
Hình 1 Hệ thơng cung cấp nhiên liệu CNG trên động cơ diesel sang sử dụng hồn tồn
nhiên liệu CNG..............................................................................................................7
Hình 2 Động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel........................8
Hình 3 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG-diesel................................................................8
Hình 4 Đặc tính ngồi và hệ số λ của động cơ CNG-diesel.........................................11
Hình 5 Tỷ lệ CNG thay thế ở các chế độ làm việc của động cơ...................................11
Hình 6 Suất tiêu thụ nhiên liệu ở các chế độ làm việc của động cơ.............................11
Hình 7 Hàm lượng phát thải NOx và CO2 ở đặc tính ngồi của động cơ....................11
Hình 8 Độ khói ở các chế độ làm việc của động cơ.....................................................11
Hình 9 Phát thải CO và HC của động cơ CNG-diesel so với động cơ diesel...............12

3

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

MỞ ĐẦU
Trước sức ép ngày càng lớn của việc cạn kiệt nhiên liệu, ơ nhiễm mơi trường và hiệu
ứng nhà kính, các loại nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống sử
dụng cho động cơ đốt trong như xăng và diesel đang được quan tâm và phát triển. Các

loại nhiên liệu thay thế này có các nguồn gốc và được phân loại như sau:
Nguồn hóa thạch như: khí thiên nhiên nén CNG, khí thiên nhiên hóa lỏng LNG
(liquefied natural gas), khí dầu mỏ hóa lỏng LPG (liquefied petroleum gas), khí lị
ga…
Nguồn gốc sinh học như các loại nhiên liệu được chiết suất từ dầu hoặc tinh bột của
các loại cây (cọ, dừa, hướng dương, jatropha, tảo, mía, sắn, ngơ…), mỡ động vật hay
khí biogas sản xuất từ phế thải (rác thải, chất thải từ động vật,…). Trong các dạng
nhiên liệu thay thế đó biodiesel dùng để thay thế cho diesel, còn bioethanol,
biomethanol dùng để thay thế cho nhiên liệu xăng.
Sử dụng nhiên liệu thay thế, ngoài việc giải quyết vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa
thạch, tận dụng triệt để các nguồn năng lượng sẵn có trong thiên nhiên, nó cịn tạo
cơng ăn việc làm cho người dân, giải quyết phần nào vấn đề ô nhiễm mơi trường.
Ngồi ra, nếu có sự quy hoạch tốt về sử dụng đất thì việc sử dụng nhiên liệu thay thế,
đặc biệt là nhiên liệu sinh học còn tạo động lực cho sự phát triển, giảm triệt để phát
thải gây hiệu ứng nhà kính nhờ vịng khép kín CO2 (cây hấp thụ khí CO2 từ động cơ -
trồng cây để sản xuất nhiên liệu sinh học cho động cơ).

4

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

NỘI DUNG BÁO CÁO
I. Tổng quan về CNG-nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với mơi trường.
1. Khí thiên nhiên nén CNG
- CNG (Compressed Natural Gas) là một loại khí thiên nhiên có thành phần chính là
khí methane - CH4 (chiếm 85-95%). CNG được khai thác từ các mỏ khí thiên nhiên
hoặc từ khí đồng hành trong các mỏ dầu. Khí thiên nhiên nén CNG thường được nén
trong các bồn chuyên dụng dưới áp suất cao (từ 200 - 250 bar) giúp dễ dàng vận

chuyển đến nơi tiêu thụ.

5

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

2. Tính chất cơ bản của khí thiên nhiên CNG
2.1. Đặc điểm nổi bật của CNG

- Về thành phần, CNG có thành phần chính gồm: 87% Methane, 10% Etan, 2%
Propan và 1% các loại khí khác. Do vậy, khí thiên nhiên nén CNG nhẹ, dễ tan
trong khơng khí, khơng màu, khơng mùi khơng gây độc hại..

- Trong quá trình bảo quản và vận chuyển CNG, mùi lưu huỳnh thường được
thêm vào giúp phát hiện các sự cố rò rỉ dễ dàng hơn. Khi đốt cháy ở nhiệt độ
cao, CNG có thể tạo ra nhiệt độ khoảng 19490C và có lượng khí thải thấp hơn
nhiều so với xăng và dầu diesel.

- Ngoài những đặc điểm cơ bản kể trên, CNG cịn có một số đặc điểm nổi bật
như sau:

 Giảm khí thải: các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, quá trình đốt cháy
CNG có lượng khí thải thấp hơn rất nhiều so với động cơ xăng, dầu và hầu như
không sinh ra khói bụi.

 Hiệu năng vượt trội: CNG được nén ở áp suất 200-250 bar giúp tiết kiệm đáng
kể chi phí vận chuyển và lưu trữ.

 Hiệu quả về chi phí: Sử dụng CNG, giúp tiết kiệm chi phí từ 10% đến 30% so
với các loại nhiên liệu khác từ dầu mỏ, mức giá CNG cũng rất ổn định và ít
biến động trong thời gian dài.

 An tồn: Với đặc điểm nhẹ hơn khơng khí, CNG sẽ ít gây thiệt hại hơn khi xảy
ra sự cố khi so sánh với xăng dầu. Tăng tuổi thọ máy móc: Do CNG cháy
hồn tồn và khơng đóng cặn nên giúp tăng tuổi thọ, hiệu quả cho buồng đốt và
bộ chế hịa khí của thiết bị.

 Nhiên liệu xanh: xu hướng sử dụng khí thiên nhiên nén CNG ngày càng phổ
biến hơn trên thế giới. Do được khai thác muộn hơn so với dầu mỏ nên CNG có
trữ lượng rất dồi dào, đủ cho nhân loại sử dụng trong khoảng 1000 năm nữa.
CNG sẽ là nhiên liệu thay thế cho dầu diesel và xăng trong vài năm tới.

- Không giống như xăng và dầu diesel, CNG không gây nguy hiểm cho đất và nước
vì nó khơng độc hại. Là loại nhiên liệu tương đối an toàn, khi bị tràn sẽ phân tán
nhanh, giảm thiểu nguy cơ cháy nổ. CNG là một lựa chọn thông minh hơn nhiều
so với dầu diesel hoặc xăng nên nó ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là trên xe
buýt.

6

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

- CNG có giá thấp hơn khoảng 50% so với xăng hoặc dầu diesel, thải ra lượng khí
thải ít hơn tới 90% so với xăng'. CNG có thể giảm chi phí nhiên liệu khoảng 50%
trong khi vẫn cung cấp cùng một lượng điện năng. Ở Mỹ, các hồ chứa đã tiết lộ
trữ lượng khí đốt tự nhiên lớn cung cấp cho chúng ta nguồn cung cấp cho 100

năm tới. Nguồn cung này đang tăng nhanh do những đột phá gần đây trong công
nghệ đã mang lại khả năng tiếp cận nguồn dự trữ mà trước đây rất khó tìm được.

II. Tổng quan các nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel
1. Các nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel
- Có hai hướng nghiên cứu và ứng dụng chính đã được triển khai bao gồm: Chuyển đổi
động cơ diesel sang sử dụng CNG, đốt cháy hỗn hợp nhờ tia lửa điện của bugi; Động
cơ diesel sang sử dụng CNG-diesel, trong đó diesel đóng vai trị nhiên liệu phun mồi
tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG.
1.1. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng hoàn toàn nhiên liệu
CNG.

Hình 1 Hệ thơng cung cấp nhiên liệu CNG trên động cơ diesel sang sử dụng hoàn
toàn nhiên liệu CNG

7

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

1.2. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-
diesel.

Hình 2 Động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel
2. Kết quả nghiên cứu sử dụng CNG cho động cơ diesel từ một động cơ nguyên
thủy (động cơ chạy bằng nhiên liệu diesel)

- Động cơ nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG diesel là động cơ diesel 1
xi lanh Kubota SKD80 có dung tích 0,465 lít, S/D=84/84 (mm), cơng suất định

mức 5,15 kW (7 ml) ở 2200 v/p, mô men lớn nhất đạt 26,5 Nm ở 1800 v/p,
vùng tốc độ làm việc 1500-2200 v/p. Động cơ sử dụng bơm nhiên liệu cao áp
kiểu bơm Bosch cùng bộ điều tốc cơ khí đa chế.

Hình 3 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG-diesel
- Chế độ làm việc của động cơ diesel được kiểm soát theo tốc độ và tải dựa vào
việc điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình. Bộ điều tốc sẽ
điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu cung cấp khi động cơ giảm tốc (do sức cản

8

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

tăng) và giảm nhiên liệu khi tăng tốc (do sức cản giảm), nhờ đó giúp động cơ
chạy ổn định, tránh trường hợp vượt tốc. Nếu để nguyên bộ điều tốc cơ khí của
động cơ thì khi cấp CNG vào buồng cháy, nó trở thành một phần nhiên liệu
cung cấp cho quá trình sinh công, làm cho tốc độ động cơ tăng lên. Khi đó, bộ
điều tốc sẽ giảm lượng diesel, giảm đến khi lượng diesel phun mồi còn lại
không đủ đốt cháy CNG, động cơ sẽ mất ổn định. Chờ cho tốc độ động cơ giảm
xuống, lượng diesel tăng lại, tiếp tục q trình cháy và sinh cơng. Vì vậy, nếu
không cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel động cơ sẽ hoạt động không
ổn định, khơng kiểm sốt được lượng diesel cung cấp. Giải pháp thực hiện
trong nghiên cứu này là thiết kế trang bị thêm hệ thống phun CNG vào đường
nạp điều khiển bằng điện tử. Bộ điều khiển phun (ECU) sẽ thực hiện điều khiển
cả lượng phun CNG và lượng phun diesel theo chế độ tải của động cơ (sức cản
của máy cơng tác) và vị trí tay điều khiển (xác định tốc độ). Giải pháp cải tiến
đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel là sử dụng một motor bước lắp đặt
thay thế cho bộ điều tốc cơ khí để điều chỉnh lượng cấp nhiên liệu diesel. Motor

bước được lập trình để dẫn động xoay pít tơng bơm cao áp để thay đổi lượng
cấp nhiên liệu diesel cùng với việc điều chỉnh lượng cấp CNG khi tốc độ thay
đổi để đảm bảo động cơ làm việc ổn định.
- Sơ đồ động cơ thí nghiệm với hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu CNG-diesel
được thể hiện trên Hình 1. Khi động cơ làm việc, nhiên liệu CNG từ bình chứa
1 được cấp qua van điện từ 2 đến van giảm áp 3, tại đây áp suất khí CNG được
điều chỉnh giảm đến áp suất ổn định 3kg/cm2 , nhiên liệu khí ở áp suất này đi
tiếp đến khơng gian tích áp của vịi phun 4. ECU 6 điều khiển đóng mở vịi
phun 4 một lần trên một chu kỳ làm việc của động cơ với độ dài thời gian mở
tùy thuộc vào vị trí tay ga và tốc độ động cơ. Đồng thời, ECU cũng cấp tín hiệu
điều khiển đến motor bước 10 để điều chỉnh góc xoay pít tơng bơm cao áp 11
để điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel cấp chu trình cho động cơ qua vịi phun
diesel 12 đảm bảo tỷ lệ CNG/diesel theo lập trình phù hợp với chế độ làm việc
của động cơ. ECU cho phép kết nối với máy tính để lập trình xác định độ dài
thời gian mở vòi phun CNG và góc xoay của pít tơng xi lanh bơm nhiên liệu
diesel cao áp theo vị trí tay ga và đặc điểm thay đổi tốc độ và tải của động cơ.
- Kết quả thực nghiệm:

+ Kết quả thí nghiệm đo các thơng số đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật và
phát thải của động cơ được trình bày trên các độ thị Hình 3 đến Hình 8. Các đồ thị
Hình 4 thể hiện đặc tính ngồi và hệ số λ của động cơ CNG-diesel. Động cơ CNG-
diesel được điều chỉnh nhiên liệu CNG-diesel cấp vào để duy trì cơng suất và mơ
men động cơ khơng đổi so với đường đặc tính ngồi của động cơ diesel nguyên
thủy. Khi đó hệ số lamda ở 2200v/p bị giảm đến giá trị nhỏ nhất là 1,17 vẫn đảm
bảo đủ khơng khí để động cơ làm việc khơng có khói đen.

+ Tỷ lệ CNG thay thế ở đặc tính ngồi và đặc tính tải ở các tốc độ 1800-
2200v/p được chỉ ra trên các đồ thị Hình 5. Có thể thấy tỷ lệ CNG cực đại cho phép

9

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

về mặt kích nổ đạt đến hơn 60% ở 1800v/p và gần 55% ở tốc độ 2200v/p. Ở các
chế độ tải nhỏ hơn, tỷ lệ CNG được điều chỉnh giảm để giảm phát thải HC [13].
Với các tỷ lệ CNG thay thế này, suất tiêu thụ nhiên liệu giảm trung bình đến 4% so
với khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel ở cùng chế độ tải và tốc độ như chỉ ra trên
Hình 6. Sự giảm suất tiêu thụ nhiên liệu CNG-diesel là do nhiên liệu CNG có nhiệt
trị cao hơn so với nhiên liệu diesel.

+ Kết quả thí nghiệm đánh giá đặc tính phát thải của động cơ khi sử dụng CNG-
diesel ở các chế độ tải và tốc độ khác nhau được thể hiện trên các đồ thị trên Hình
7 đến Hình 9. Các đồ thị Hình 7 chỉ rõ phát thải NOx và CO2 của động cơ CNG-
diesel đều giảm. Mức giảm NOx đến đến 50% so với động cơ nguyên thủy sử dụng
diesel trên toàn bộ phạm vi tải và tốc độ thí nghiệm. Điều này được giải thích là do
nhiệt độ cháy của CNG thấp hơn của nhiên liệu diesel. Hàm lượng phát thải CO2
giảm khoảng 10% do mức tiêu hao nhiên liệu CNG-diesel giảm và thêm nữa là
hàm lượng thành phần các bon trong CNG thấp hơn nhiều so với trong nhiên liệu
diesel. Độ khói giảm đến 10 lần (Hình 8) trên tồn bộ phạm vi tải và tốc độ thí
nghiệm vì thực tế nhiên liệu khí tạo hỗn hợp đồng nhất trong lưỡng nhiên liệu này
chiếm trên 50%.

+ Phát thải CO và HC của động cơ CNG-diesel cao hơn so với động cơ diesel
nguyên thủy (Hình 9) do CNG tạo hỗn hợp đồng nhất với khơng khí trong xi lanh
nên sẽ bị hiệu ứng tắt màng lửa sát vách và ở các khe kẽ như trong các động cơ nạp
hỗn hợp đồng nhất. Tuy nhiên, vì hàm lượng CNG trong hỗn hợp đồng nhất với
khơng khí thấp hơn so với trong động cơ xăng đốt cháy cưỡng bức nên hàm lượng
phát thải CO và HC vận thấp hơn.

Hình 4 Đặc tính ngồi và hệ số λ của động cơ CNG-diesel

10

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

Hình 5 Tỷ lệ CNG thay thế ở các chế độ làm việc của động cơ

Hình 6 Suất tiêu thụ nhiên liệu ở các chế độ làm việc của động cơ

Hình 7 Hàm lượng phát thải NOx và CO2 ở đặc tính ngồi của động cơ

Hình 8 Độ khói ở các chế độ làm việc của động cơ

Hình 9 Phát thải CO và HC của động cơ CNG-diesel so với động cơ diesel
- Ngoài ra các phương pháp cung cấp nhiên liệu CNG và diesel trên động cơ
nhiên liệu kép:
 Cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn: phương pháp này phụ hợp đối với nhiên
liệu khí. Tuy nhiên khi sử dụng bộ hịa trộn, do tổn thất lượng khí nạp tại
họng và do CNG chiểm chỗ nên hệ số nạp bị giảm, dẫn đến công suất của

11

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

động cơ giảm khoảng (5-8)%, đồng thời sự cung cấp nhiên liệu CNG liên
tục nhằm hạn chế khả năng kiểm sốt tỷ lệ CNG/ khơng khí.
 Cung cấp CNG bằng vịi phun trên đường ốn nạp.
 Cung cấp CNG bằng vòi phun trực tiếp vào buồng cháy.

12

Downloaded by Quang Tr?n ()

lOMoARcPSD|11346942

III. Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu trong bài báo, có thể rút ra một số kết luận sau:
- Các nghiên cứu chứng minh khí nén tự nhiên là cách cung cấp nhiên liệu an tồn
nhất, hiệu quả cho xe bt. CNG có lượng phát thải thấp do tỷ lệ carbon và hydro thấp,
điều này cũng dẫn đến việc tạo ra ít carbon dioxit hơn.
- Đã thiết kế trang bị thành công hệ thống phun CNG vào đường nạp kết hợp điều
chỉnh lượng cấp nhiên liệu diesel để chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng
lưỡng nhiên liệu CNG-diesel với việc kiểm soát tỷ lệ CNG thay thế theo ý muốn và
phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ.
- Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG-diesel là giải pháp thích hợp cho việc sử dụng
nhiên liệu CNG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel. Kết quả nghiên cứu cho
thấy tỷ lệ CNG thay thế lớn nhất ở chế độ tồn tải đảm bảo khơng xảy ra kích nổ có
thể đạt tới 55%-60%. Cơng suất động cơ vẫn được đảm bảo so với động cơ nguyên
thủy trong khi suất tiêu thụ nhiên liệu giảm trên 4%, hệ số dư lượng khơng khí lamda ở
tồn tải giảm xuống nhỏ nhất là 1,17 so với 1,22 ở động cơ nguyên thủy. Phát thải
NOx giảm trên 50%, độ khói giảm hơn 10 lần, CO2 giảm trên 10% trong khi hàm
lượng phát thải CO và HC tăng nhưng mức phát thải vẫn thấp hơn nhiều so với động
cơ xăng.
- Có thể khẳng định rằng việc sử dụng lưỡng nhiên liệu CNG-diesel trên động cơ

diesel là giải pháp hữu hiệu để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải NOx và khói bụi.
V. Tài liệu tham khảo
1. Hồng Đình Long (2016), “Nghiên cứu đặc điểm phát thải hydrocarbon của động cơ
lưỡng nhiên liệu CNG-diesel bằng phương pháp mơ hình hóa”, Tạp chí Cơ khí Việt
Nam, (9):87-92.
2. Resitoglu I.A., et al. (2015), “The pollutant emissions from diesel-engine vehicles
and exhaust aftertreatment systems”, Clean Technologies and Environmental Policy,
17:15-27.
3. Sahoo B.B., Sahoo N., Saha U.K. (2009), “Effect of engine parameters and type of
gaseous fuel on the performance of dual-fuel gas diesel engines - A critical review”,
Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13:1151-1184.

13

Downloaded by Quang Tr?n ()