(Luận án tiến sĩ) Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Một Số Thông Số Phun Nhiên Liệu Đến Đặc Tính Làm Việc Động Cơ CNG

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O Đ¾I HàC BÁCH KHOA HÀ NàI </b>

<b>Ngành: Kÿ thuÁt c khớ ỏng lc Mó sò: 9520116 </b>

<b>NGọI HõNG DắN KHOA HC: </b>

<b>1. PGS. Trn ng Quòc 2. PGS.TS. Cao Hùng Phi </b>

<b>HÀ NàI – 2024 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

i

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các sá liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gác rõ ràng, đã công bá theo đúng quy định. Kết quÁ nghiên cứu trong luận án do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan.

Tơi xin cam đoan các sá liệu kết quÁ nêu trong luận án là trung thực phù hợp với thực tiễn của Việt Nam và ch°a từng đ°ợc ai công bá trong các cơng trình nào khác.

<b> TÀP THà H¯âNG D¾N </b> <i>Hà Nội, ngày tháng năm 2024. </i>

<b>Ng°åi h°ãng d¿n 1 Ng°åi h°ãng d¿n 2 Nghiên cąu sinh </b>

<b>TS. TrÁn Đăng Qußc PGS.TS. Cao Hùng Phi Há Hÿu Ch¿n </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<small>iii </small>

<b>LäI CÀM ¡N </b>

Lßi đầu tiên cho phép tơi gửi lßi cÁm ¡n chân thành đến Đ¿i học Bách khoa Hà Nội, Tr°ßng C¡ khí, Phịng đào t¿o, Khoa C¡ khí động lực, Nhóm chun mơn Hệ tháng động lực ơ tô, đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong suát quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cÁm ¡n TS. Trần Đăng Quác và PGS.TS Cao Hùng Phi, hai ng°ßi thầy đã h°ớng dẫn tơi rÃt tận tình, chu đáo về chun mơn trong q trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.

Tôi xin cÁm ¡n Ban Giám hiệu tr°ßng Đ¿i học S° ph¿m Kỹ thuật Vĩnh Long, khoa C¡ khí động lực đã t¿o điều kiện, động viên tơi trong thßi gian học tập và nghiên cứu. Tơi xin gửi lßi cÁm ¡n đến q thầy, cơ, cán bộ Khoa C¡ khí động lực, tr°ßng Đ¿i học S° Ph¿m Kỹ Thuật Vĩnh Long đã hỗ trợ, động viên tơi trong q trình học tập, nghiên cứu.

Tơi xin bày tß lịng biết ¡n sâu sắc đến q thầy cô phÁn 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 nh° đ°a ra những định h°ớng nghiên cứu trong t°¡ng lai. Cuái cùng, xin gửi lßi cÁm ¡n chân thành tới gia đình, b¿n bè và đồng nghiệp, những ng°ßi đã ln động viên khuyến khích tơi trong st thßi gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.

<b>Nghiên cąu sinh </b>

<b>Há Hÿu Ch¿n </b>

<b> </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>DANH MĀC CÁC KÝ HIàU ... vii</b>

<b>DANH MĀC CÁC TĆ VI¾T TÂT ... xi</b>

<b>DANH MĀC CÁC HÌNH VẼ VÀ Đà THÞ ... xiii</b>

<b>DANH MĀC CÁC BÀNG BIàU ... xv</b>

<b>Mỉ ĐÀU ... 1</b>

i. Lý do chọn đề tài ... 1

ii. Mục tiêu của luận án ... 2

iii. Đái t°ợng và ph¿m vi nghiên cứu ... 2

iv. Ph°¡ng 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. Bá cục của luận án ... 3

<b>CH¯¡NG 1. NGHIÊN CĄU TâNG QUAN ... 4</b>

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 lßng (LNG) ... 14

1.3.Các nghiên cứu về động c¡ đát trong sử dụng khí thiên nhiên nén ... 15

Hệ tháng cung cÃp nhiên liệu CNG ... 16

Động c¡ sử dụng l°ỡng nhiên liệu ... 19

Động c¡ CNG chuyển đổi từ động c¡ xăng ... 21

Động c¡ CNG chuyển đổi từ động c¡ diesel ... 22

1.4.Tổng quan các nghiên cứu về động c¡ sử dụng khí thiên nhiên ... 23

Các nghiên cứu ngoài n°ớc ... 23

Các nghiên cứu trong n°ớc ... 24

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<small>v </small>

Các giÁ thuyết ... 31

Mơ hình cháy khơng chiều ... 32

Khái l°ợng hỗn hợp đã cháy ... 33

Mơ hình cháy một vùng: Tác độ giÁi phóng nhiệt ... 33

2.3.Khái quát về mơ phßng ... 33

Phần mềm AVL Boost... 34

Phần mềm Ansys Fluent ... 34

2.4.Nghiên cứu chuyển đổi động c¡ ... 37

Lựa chọn động c¡ ... 37

Nghiên cứu chuyển đổi của tác giÁ Trần Thanh Tâm ... 38

Chuyển đổi động c¡ diesel S1100 thành động c¡ CNG điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa điện tử: ... 39

2.5.Xây dựng đặc tính làm việc của động c¡ sau chuyển đổi ... 45

3.2.Xây dựng mơ hình động c¡ nghiên cứu ... 51

Nghiên cứu động c¡ mơ phßng bằng phần mềm AVL Boost ... 51

Xây dựng mơ hình bằng Ansys Fluent ... 55

3.3.Hiệu chuẩn và điều khiển mơ hình ... 57

Hiệu chuẩn mơ hình trên AVL Boost ... 57

Điều khiển mơ hình trên Ansys Fluent ... 58

3.4.Ành h°áng của thông sá phun ... 59

Ành h°áng của thßi điểm bắt đầu phun ... 59

Ành h°áng của lambda ... 65

Ành h°áng của thßi gian phun ... 66

Ành h°áng của đ°ßng kính áng n¿p ... 70

Ành h°áng của vị trí đặt vịi phun ... 75

Ành h°áng của áp suÃt phun ... 77

3.5.Ành h°áng của góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc ... 79

3.6.Kết luận ch°¡ng 3 ... 82

<b>CH¯¡NG 4. NGHIÊN CĄU THĀC NGHIàM ... 84</b>

4.1.Mục đích…. ... 84

4.2.Lựa chọn vịi phun điều khiển bằng điện ... 84

4.3.Ành h°áng của áp suÃt phun điều khiển bằng c¡ khí đến chÃt l°ợng làm việc của động c¡... ... 86

Ành h°áng đến mô men và công suÃt ... 86

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Ành h°áng của áp suÃt phun đến công suÃt và mô men động c¡ ... 91

Ành h°áng của áp suÃt phun đến khí thÁi ... 92

4.5.So sánh Ánh h°áng của giÁi pháp phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động c¡... ... 94

4.6.So sánh kết q thực nghiệm và mơ phßng ... 97

4.7.Kết luận ch°¡ng 4 ... 100

<b>K¾T LUÀN CHUNG VÀ H¯âNG PHÁT TRIàN ... 101</b>

<b>DANH MĀC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BÞ CĂA LUÀN ÁN ... 103</b>

<b>TÀI LIàU THAM KHÀO ... 104</b>

<b>PHĀ LĀC ... 113</b>

Phụ lục 1. Kết q mơ phßng Ansys Fluent ... 113

Phụ lục 2. Kết q mơ phßng AVL Boost ... 114

Phụ lục 3. Kết quÁ thực nghiệm ... 121

Phụ lục 4. Quá trình chuyển đổi hệ tháng làm mát động c¡ thí nghiệm S1100: .... 123

Phụ lục 5. Hệ tháng điều khiển đánh lửa và vòi phun ... 126

Phụ lục 6: Thiết bị phân tích khí thÁi KEG – 500 CE ... 131

Phụ lục 7: Thiết lập các thơng sá cần thiết cho mơ hình ... 138

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

25 ă_ă L°ợng nhiên liệu cÃp cho động c¡ (lít/phút)

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<small>viii </small>

(kg/s)

36 A L°ợng khơng khí n¿p vào trong xylanh động c¡ (g/s)

37 F Khái l°ợng nhiên liệu cÃp (g/s)

38 (ý/Ă) _ÿāāĂÿĂ ^{Tỷ sá giữa khơng khí và nhiên liệu thực tế n¿p vào}_xylanh39 (ý/Ă) _{Āāąÿā/ÿąăăāÿÿā} ^{Tỷ sá giữa khơng khí và nhiên liệu tính theo lý}_thuyết40 ·Q L°ợng năng l°ợng đ°ợc thêm vào (J)

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<small>ix </small>

61 Ā<small>Ā</small>, Ā<small>ă</small> Góc quay bắt đầu và kết thúc của quá trình đát cháy

63 t Thßi gian phun nhiên liệu (s)

65 Ā<small>Ą</small> Tỷ trọng của hỗn hợp (kG/m<small>3</small>) 66 ă⃗⃗⃗⃗⃗ _ă Vận tác của hỗn hợp (m/s)

67 Ă ^{Nội lực của thể tích tính tốn (N)}68 Ā<small>ă</small> Độ nhớt của hỗn hợp (m<small>2</small>/s)

69 Ā_ā Tỷ lệ khái l°ợng của pha K trong hỗn hợp 70 Ā_Ā,ā Enthalpy của chÃt j trong pha k

71 Ć⃗⃗⃗⃗⃗ <small>�㕗,ā</small> Thông l°ợng khuếch tán của chÃt j trong pha k

73 ă_ā Động năng rái đ°ợc t¿o ra bái gradient vận tác 74 ă_Ā ^{Động năng rái đ°ợc t¿o ra bái Ánh h°áng của}_buoyancy75 �㕌_ă ^{Ành h°áng của độ giãn ná do dao động trong dòng}_{chÁy rái nén đ°ợc đến hệ sá phân tán rái}76 ÿ<small>1</small>, ÿ<small>2</small>, ÿ<small>3</small> Hằng sá mơ hình

80 Ą<small>ą</small>, Ą<small>Ć</small>, Ą<small>ć</small> Vận tác góc tức thßi của dịng khí n¿p với các trục x, y, z t°¡ng ứng (rad/s)

81 ÿ<small>ą</small>, ÿ<small>Ć</small>, ÿ<small>ć</small> Mô men động l°ợng của dịng khí n¿p ứng với các trục x, y, z (kg.m<small>2</small>/s)

82 ą<small>ą</small>, ą<small>Ć</small>, ą<small>ć</small> Mô men quán tính t°¡ng ứng với các trục x y z (kg.m<small>2</small>)

83 k Động năng rái (m<small>2</small>/s<small>2</small>)

85 h Vị trí đặt vịi phun so với cửa n¿p (mm)

86 ÿĂĉ_ÿăăĆ Hệ sá đánh giá sự thay đổi áp st có ích trung bình

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<small>x </small>

89 ÿ_{Ą_ą} ^{L°u l°ợng nhiên liệu tính tốn t¿i vị trí cửa ra áng}n¿p (g/s)

90 pro_k Production of k (kG/ms<small>3</small>) 91 Ć_ĆāĀ Tác độ trung bình piston (m/s)

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<small>xi </small>

19 ICEVs Internal Combustion Engine Vehicles

30 PEMFCs Protons Exchange Membrane Fuel Cells

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<small>xii </small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 1.3. Các lo¿i bồn l°u trữ nhiên liệu CNG ... 14

Hình 1.4. Phân lo¿i hệ tháng đánh lửa và cÃp nhiên liệu động c¡ CNG[109] ... 16

Hình 1.5. Các hệ tháng trên động c¡ l°ỡng nhiên liệu CNG-diesel[112] ... 17

Hình 1.6. Các hệ tháng trên động c¡ phun gián tiếp CNG[117] ... 18

Hình 1.7. S¡ đồ bộ hịa trộn CNG[118] ... 18

Hình 1.8. Ví dụ về các chi tiết của bộ hịa trộn CNG[119] ... 19

Hình 1.9. Bán chu trình của động c¡ l°ỡng nhiên liệu CNG-diesel[132] ... 21

Hình 2.1. Phân chia quá trình cháy á động c¡ cháy c°ỡng bức ... 30

Hình 2.2. Hình Ánh chuyển động của dịng khí theo các trục ... 36

Hình 2.3. Động c¡ S1100 ... 38

Hình 2.4. CÁm biến CKP và cÁm biến CMP ... 39

Hình 2.5. CÁm biến l°ợng khí n¿p và cÁm biến vị trí b°ớm ga ... 40

Hình 2.6. Bộ điều khiển điện tử ... 40

Hình 2.7. àng n¿p 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 giÁm áp ... 42

Hình 2.10. Thiết bị đo l°u l°ợng khí thiên nhiên ... 42

Hình 2.11. Hình d¿ng đỉnh piston sau chuyển đổi ... 43

Hình 2.12. Hệ tháng lÃy mẫu và phân tích khí thÁi ... 44

Hình 2.13. Hệ tháng khái động điện ... 44

Hình 2.14. Hệ tháng làm mát bằng n°ớc tuần hoàn c°ỡng bức ... 45

Hình 2.15. S¡ đồ bá trí thiết bị phục vụ thí nghiệm ... 46

Hình 2.16. Động c¡ và thiết bị thí nghiệm ... 46

Hình 2.17. Kết q thí nghiệm ban đầu của động c¡ sau khi chuyển đổi. ... 47

Hình 2.18. Kết quÁ thí nghiệm của NOx và HC ... 49

Hình 2.19. Kết q thí nghiệm của CO và CO<small>2</small> ... 49

Hình 3.1. Động c¡ một xylanh mơ phßng bằng AVL Boost ... 51

Hình 3.2. Các thơng sá nhập vào trong mơ hình cháy Fractal ... 52

Hình 3.3. Nhập thơng sá điều khiển vịi phun nhiên liệu ... 53

Hình 3.4. Cửa sổ chọn kiểu phun nhiên liệu ... 53

Hình 3.5. Thơng sá mơ hình truyền nhiệt ... 54

Hình 3.6. Mơ hình ma sát ... 54

Hình 3.7. Mơ phßng đ°ßng áng n¿p bằng phần mềm Ansys Fluent ... 55

Hình 3.8. Giao diện Mơ-đun Fluid Flow (Fluent)... 55

Hình 3.9. Giao diện xây dựng mơ hình Geometry ... 56

Hình 3.10. Mơ hình sau chia l°ới ... 56

Hình 3.11. Kết q hiệu chuẩn mơ hình ... 57

Hình 3.12. Hiệu chuẩn mơ hình theo khí thÁi động c¡ ... 58

Hình 3.13. Mơ phßng đ°ßng áng n¿p bằng phần mềm Ansys Fluent ... 58

Hình 3.14. Mơ hình sau chia l°ới ... 59

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Hình 3.23. Ành h°áng của hệ sá d° l°ợng khơng khí đến mơ men ... 66

Hình 3.24. Ành h°áng thßi gian phun đến mơ men ... 66

Hình 3.25. Ành h°áng của thßi gian phun đến lamda ... 67

Hình 3.26. Ành h°áng của thßi gian phun đến diễn biến áp suÃt trong xylanh .. 68

Hình 3.27. Ành h°áng của thßi gian phun đến tổng thßi gian cháy của hỗn hợp 68Hình 3.28. Ành h°áng của thßi gian phun đến tỉ lệ khái l°ợng cháy của hỗn hợp ... 69

Hình 3.29. Ành h°áng của thßi gian phun đến tác độ giÁi phóng nhiệt ... 69

Hình 3.30. Ành h°áng của l°ợng nhiên liệu n¿p vào động c¡ theo sự thay đổi của đ°ßng kính áng n¿p khi thay đổi tác độ động c¡ ... 70

Hình 3.31. Ành h°áng của đ°ßng kính áng n¿p tới mơ men theo tác độ động c¡ ... 71

Hình 3.32. Ành h°áng của kích th°ớc đ°ßng áng n¿p tới mơ men động c¡ ... 72

Hình 3.33. Ành h°áng của kích th°ớc đ°ßng áng n¿p tới cơng st động c¡ .... 72

Hình 3.34. Ành h°áng của đ°ßng kính áng n¿p đến phát thÁi NOx ... 73

Hình 3.35. Ành h°áng của đ°ßng kính áng n¿p đến phát thÁi CO ... 74

Hình 3.36. Ành h°áng của đ°ßng kính áng n¿p đến phát thÁi HC ... 75

Hình 3.37. Ành h°áng của vị trí vịi phun đến vận tác trung bình của hỗn hợp . 76Hình 3.38. Ành h°áng của vị trí vịi phun đến vận tác trung bình của nhiên liệu ... 76

Hình 3.39. Ành h°áng của vị trí vịi phun đến động năng rái của hỗn hợp ... 77

Hình 3.40. Ành h°áng của áp suÃt phun đến l°u l°ợng phun nhiên liệu ... 77

Hình 3.41. Ành h°áng của áp suÃt phun đến vận tác của dịng nhiên liệu trên đ°ßng n¿p ... 78

Hình 3.42. Ành h°áng của áp suÃt phun đến vận tác trung bình của dịng khí ... 79

Hình 3.43. Ành h°áng của áp suÃt phun đến động năng rái của hỗn hợp ... 79

Hình 3.44. Mơ men thay đổi theo tác độ động c¡... 80

Hình 3.45. Cơng st thay đổi theo tác độ động c¡ của động c¡ ... 80

Hình 3.46. Khí thÁi HC theo tác độ động c¡ ... 81

Hình 3.47. Khí thÁi CO theo tác độ động c¡ ... 81

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<small>xv </small>

Hình 3.48. Khí thÁi NO<small>x</small> theo tác độ động c¡ ... 82

Hình 4.1. L°u l°ợng CNG cÃp vào xylanh theo mơ phßng ... 85

Hình 4.2. Vịi phun khí Hana H2100 ... 85

Hình 4.3. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến mô men động c¡ ... 86

Hình 4.4. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến công suÃt của động c¡ ... 87

Hình 4.5. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến phát thÁi CO ... 88

Hình 4.6. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến phát thÁi HC ... 88

Hình 4.7. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến phát thÁi NOx ... 89

Hình 4.8. Ành h°áng của áp suÃt phun đến l°ợng nhiên liệu cung cÃp t¿i các tác độ động c¡ khác nhau ... 89

Hình 4.9. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến hệ sá d° l°ợng khơng khí lambda ... 90

Hình 4.10. Ành h°áng của áp st phun đến cơng suÃt của động c¡ t¿i các tác độ động c¡ khác nhau ... 91

Hình 4.11. Ành h°áng của áp suÃt phun đến mô men của động c¡ t¿i các tác độ động c¡ khác nhau ... 91

Hình 4.12. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến l°ợng phát thÁi CO ... 92

Hình 4.13. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến l°ợng phát thÁi HC ... 92

Hình 4.14. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến l°ợng phát thÁi NO<small>x</small> ... 93

Hình 4.15. Ành h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu đến l°ợng phát thÁi CO<small>2</small> ... 93

Hình 4.16. So sánh Ánh h°áng của chế độ phun đến mơ men ... 94

Hình 4.17. Ành h°áng của chế độ phun nhiên liệu đến công suÃt động c¡ ... 95

Hình 4.18. Ành h°áng của chế độ phun đến khí thÁi NOx ... 95

Hình 4.19. Ành h°áng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thÁi HC ... 96

Hình 4.20. Ành h°áng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thÁi CO ... 96

Hình 4.21. So sánh mơ men động c¡ giữa thực nghiệm và mơ phßng ... 97

Hình 4.22. So sánh cơng st động c¡ giữa thực nghiệm và mơ phßng ... 98

Hình 4.23. So sánh l°ợng khí thÁi HC giữa kết q thực nghiệm và mơ phßng . 99Hình 4.24. So sánh l°ợng khí thÁi NOx giữa kết q thực nghiệm và mơ phßng 99

<b>DANH MĀC CÁC BÀNG BIàU </b>

BÁng 1.1. So sánh đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên với xăng và diesel [96] ... 13

BÁng 2.1. Thông sá kỹ thuật của động c¡ S1100... 38

BÁng 3.1. Các phần tử trong mơ hình động c¡ ... 52

BÁng 4.1. Thông sá kỹ thuật của động c¡ sau chuyển đổi ... 84

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Từ các sá liệu nghiên cứu trên có thể thÃy rằng phát triển nhiên liệu thay thế phục vụ cho các ph°¡ng tiện giao thông vận tÁi là hết sức cần thiết, bái vì thßa mãn đ°ợc các u cầu về kiểm sốt khí thÁi và giÁm đ°ợc sự phụ thuộc vào nhiên liệu dầu mß. Tuy nhiên, để đÁm bÁo đ°ợc những yêu cầu này cần thiết phÁi có các nghiên cứu c¡

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

2

bÁn chuyên sâu. Đề tài <Nghiên cư뀁u 愃ऀnh hươꄉng c甃ऀa m⌀t sĀ thông sĀ phun nhiên

<i><b>li⌀u đĀn đặc t椃Ānh lcm vi⌀c đ⌀ng cơ CNG= sẽ góp phần giÁi quyết đ°ợc ơ nhiễm khơng </b></i>

khí do khí thÁi động c¡ đát trong thÁi ra trong quá trình làm việc.

<b>ii. Māc tiêu căa lu¿n án </b>

 CÁi thiện chÃt l°ợng phát thÁi của động c¡ CNG theo h°ớng giÁm phát thÁi NO<small>x</small>.

<b>iii. Đãi t°ÿng và ph¿m vi nghiên cąu </b>

 Đái t°ợng nghiên cứu: Động c¡ diesel một xylanh sau khi chuyển đổi thành động c¡ phun khí thiên nhiên trên đ°ßng áng n¿p.

 Ph¿m vi nghiên cứu:

+ Chuyển đổi hệ tháng điểu khiển phun nhiên liệu c¡ khí sang phun điện tử á động c¡ diesel một xylanh sử dụng nhiên liệu CNG. Đánh giá định l°ợng Ánh h°áng của một sá thông sá phun (thßi điểm phun, thßi gian phun, vị trí đặt vịi phun, áp suÃt phun nhiên liệu) đến đặc tính làm việc và khí thÁi của động c¡. + Các nội dung thí nghiệm của luận án đ°ợc thực hiện trong ph¿m vi Phịng thí

nghiệm động c¡ đát trong, Khoa C¡ khí động lực, Tr°ßng Đ¿i học S° ph¿m kỹ thuật Vĩnh Long.

<b>iv. Ph°¢ng pháp nghiên cąu </b>

Ph°¡ng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp lý thuyết mơ hình hóa với thực nghiệm. Trong đó:

 Nghiên cứu lý thuyết làm c¡ sá thiết kế hệ tháng nhiên liệu điện tử phun khí thiên nhiên trên đ°ßng áng n¿p và thiết lập các thông sá phun cho các chế độ vận hành động c¡ CNG.

 Nghiên cứu mơ phßng động c¡ bằng phần mềm AVL Boost để xem xét Ánh h°áng của các thơng sá nh°: Đ°ßng kính áng n¿p, hệ sá d° l°ợng khơng khí (λ), thßi điểm phun và thßi gian phun đến mơ men, cơng st và khí thÁi động c¡.

 Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định l°ợng hóa và đánh giá Ánh h°áng của áp st phun khí thiên nhiên đến mơ men, cơng st và khí thÁi của động c¡.

<b>v. Ý nghĩa khoa hßc và thÿc tißn căa đß tài </b>

 <b>Ý ngh*a khoa hác: Luận án đã khÁo sát thành công một sá thơng sá phun </b>

(đ°ßng kính áng n¿p, thßi điểm bắt đầu phun, thßi gian phun, vị trí đặt vịi phun, áp suÃt phun nhiên liệu), ph°¡ng pháp phun đến đặc tính làm việc và khí thÁi của động c¡ CNG phun trên đ°ßng n¿p.

 <b>Ý ngh*a thāc tißn: Với áp st phun, vị trí đặt vịi phun hợp lý đã xử lý đ°ợc </b>

hiện t°ợng dịng khí ng°ợc trên đ°ßng n¿p, nhß vậy đặc tính làm việc và khí

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

3

thÁi của động c¡ đã đ°ợc cÁi thiện. Đây là c¡ sá để phát triển thế hệ động c¡ CNG mới đ¿t đ°ợc hiệu suÃt nhiệt cao và khí thÁi thÃp.

<b>vi. Các điám mãi căa lu¿n án </b>

 Luận án đã xây dựng thành cơng mơ hình mơ phßng động c¡ sử dụng khí thiên nhiên phun trên đ°ßng n¿p bằng phần mềm AVL Boost và Ansys Fluent để khÁo sát Ánh h°áng của một sá thơng sá phun (thßi điểm phun, thßi gian phun, vị trí đặt vịi phun, áp st phun nhiên liệu) đến tính năng làm việc và phát thÁi của động c¡.

 Kế thừa từ nghiên cứu chuyển đổi động c¡ diesel S1100 một xylanh thành động c¡ khí thiên nhiên của Trần Thanh Tâm về hình d¿ng của đỉnh piston và vị trí lắp bugi trên nắp máy, vòi phun điều khiển bằng c¡ khí, ɛ = 11,5. NCS đã nghiên cứu thiết kế và chế t¿o mô đun điều khiển phun nhiên liệu và thßi điểm đánh lửa, xác định đ°ợc vị trí đặt vòi phun và áp suÃt phun tát nhÃt để triệt tiêu dịng khí ng°ợc xt hiện trên đ°ßng n¿p. Thêm vào đó, luận án đã thiết lập đ°ợc hệ tháng làm mát bằng n°ớc tuần hoàn c°ỡng bức, tự động kiểm soát nhiệt độ n°ớc làm mát. Để đÁm bÁo động c¡ làm việc an toàn và giÁm thiểu tiếng ồn, tỷ sá nén của động c¡ đã giÁm xuáng ɛ = 10; bổ sung thêm hệ tháng van giÁm áp và ổn định áp suÃt phun từ 1 ÷ 5 bar trong suát quá trình nghiên cứu thực nghiệm.

<b> vii. Bã cāc căa lu¿n án </b>

Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau:  Má đầu

 Ch°¡ng 1: Nghiên cứu tổng quan.

 Ch°¡ng 2: C¡ sá lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động c¡.  Ch°¡ng 3: Nghiên cứu mơ phßng động c¡.

 Ch°¡ng 4: Nghiên cứu thực nghiệm.  Kết luận chung và h°ớng phát triển.

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

4

<b>CH¯¡NG 1. NGHIÊN CĄU TÞNG QUAN </b>

Trong bái cÁnh khủng hoÁng năng l°ợng toàn cầu và các vÃn đề ơ nhiễm mơi tr°ßng đang ngày một tăng, việc tìm ra những nguồn năng l°ợng mới phÁi thßa mãn các u cầu nh°: s¿ch, có khÁ năng tái t¿o và bền vững h¡n để dần thay thế các nguồn năng l°ợng hóa th¿ch đang ngày càng bị c¿n kiệt. Những nguồn năng l°ợng thay thế này sẽ là nguồn lực c¡ bÁn đáp ứng đ°ợc nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của đÃt n°ớc, đồng thßi cũng giÁm nhẹ đ°ợc những thách thức về chính trị và an ninh qc phịng. Theo báo cáo của <BP Statistical Review of World Energy=, Năng l°ợng tái t¿o đóng góp 15% tổng năng l°ợng sÁn xuÃt trên toàn thế giới, con sá này đ°ợc kỳ vọng tăng lên đến 85% tr°ớc năm 2050 [6]. Trong đó, đái với các ph°¡ng tiện giao thơng vận tÁi nói riêng, nhiên liệu thay thế chiếm khoÁng 4% l°ợng tiêu thụ và đ°ợc kỳ vọng sẽ đóng góp h¡n 50% trong ba thập kỷ tới[7]. Hình 1.1 thể hiện mức tiêu thụ của nhiên liệu tái t¿o và năng l°ợng điện năm 2015 và sá liệu dự đoán năm 2050. Rõ ràng rằng, cÁ năng l°ợng tái t¿o và năng l°ợng điện đang đ°ợc kỳ vọng rÃt nhiều sẽ đóng vai trò chủ đ¿o cho nguồn năng l°ợng thế giới trong t°¡ng lai.

<i>Hình 1.1. Mức tiêu thụ năng lượng tái t¿o và điện năm 2015 và 2050 theo lĩnh vực sử dụng[8]</i>

Thuật ngữ nhiên liệu thay thế (alternative fuel) đ°ợc đ°a ra vào cuái những năm 1970 để chỉ những nhiên liệu mới không phÁi xăng, diesel hay nhiên liệu chuyên dụng cho hàng không [9]. Nhiên liệu thay thế và năng l°ợng thay thế (alternative energy) th°ßng bị nhầm lẫn với nhau khi cÁ hai đều không bao gồm các nguồn nhiên liệu hóa th¿ch và h¿t nhân. Năng l°ợng thay thế th°ßng đến từ các nguồn năng l°ợng tự nhiên nh° gió, mặt trßi, sóng… đ°ợc chuyển đổi thành năng l°ợng điện. Trong khi đó, nhiên liệu tái t¿o chủ yếu đ°ợc biết đến với các nhiên liệu cho ph°¡ng tiện giao thông và nhà máy điện nh° nhiên liệu sinh học (Biofuel), ethanol, khí thiên nhiên. Để đÁo bÁo vÃn đề an ninh năng l°ợng cũng nh° giÁm thiểu phát thÁi từ các nguồn nhiên liệu hóa th¿ch, việc nghiên cứu phát triển và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế là vô cùng quan trọng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

5

<b> Nhiên liáu sinh hßc (Biofuel) </b>

Nhiên liệu sinh học th°ßng đ°ợc sÁn xuÃt từ sinh khái (Biomass) chủ yếu là các sÁn phẩm của nông nghiệp. Nhiên liệu sinh học bao gồm cÁ nhiên liệu d¿ng khí và d¿ng lßng, trong đó nhiên liệu sinh học d¿ng lßng bao gồm Ethanol sinh học (Bioethanol), Methanol sinh học (Bio methanol), Diesel sinh học (Biodiesel); d¿ng khí gồm Hydro sinh học (Bio hydro) và Methane sinh học (Biomethane) [10, 11]. Dựa vào nguồn gác, nhiên liệu sinh học đ°ợc chia thành bán thế hệ nh° sau [12]

Thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhÃt (First-generation biofuel) đ°ợc t¿o ra từ các nguồn nguyên liệu từ thực phẩm hay thức ăn nh°: g¿o, ngô, lúa m¿ch, lúa mỳ, củ cÁi đ°ßng..., hoặc các lo¿i h¿t có dầu nh°: dầu cọ, đậu t°¡ng, dầu h¿t cÁi... hoặc từ mỡ động vật. Các lo¿i nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhÃt cũng bao gồm: Dầu thực vật, Diesel sinh học, Ethanol sinh học, Khí sinh học (Biogas), nhiên liệu sinh học thể rắn, khí đát tổng hợp (Syngas) [13]. Với nguồn nguyên liệu sinh học này có thể giÁm đáng kể l°ợng CO<small>2</small> phát thÁi ra mơi tr°ßng nh°ng khơng phát triển bền vững, bái vì nguyên liệu đ°ợc sử dụng th°ßng là một phần nguồn thức ăn cho ng°ßi và động vật nuôi. Nếu gia tăng sử dụng nguồn nguyên liệu nêu trên sẽ làm gia tăng giá cÁ các lo¿i cây trồng này và bÃt ổn l°¡ng thực, quỹ đÃt trồng cho các lo¿i cây l°¡ng thực bị c¿nh tranh gây Ánh h°áng đến an ninh l°ợng thực quác gia[2]. Vì vậy cần phÁi tìm kiếm các lo¿i nhiên liệu thay thế đÁm bÁo an ninh l°¡ng thực và năng l°ợng quác gia cũng nh° cÁi tiến h¡n 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 đßi.

Nhằm h¿n chế những nh°ợc điểm của thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhÃt, nguồn nguyên liệu sử dụng để t¿o ra nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể lÃy từ nguồn nguyên liệu phế thÁi của nông nghiệp hay các cây đ°ợc trồng trên đÃt b¿c màu, bß hoang (sÁn xt từ Cellulose), ví dụ nh° cß Switchgrass, cây cọc rào (Jatropha) [14]. Về c¡ bÁn nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể khơng đe dọa đến an ninh l°¡ng thực quác gia nh°ng có thể gây ô nhiễm và c¿n kiệt nguồn tài nguyên n°ớc, giÁm diện tích rừng, nguy c¡ từ sự độc canh, thêm vào đó là chi phí để chuyển hóa Sen-lu-lơ thành đ°ßng đắt h¡n so với chi phí chuyển tinh bột thành đ°ßng. Chính vì vậy, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba đã ra đßi, đ°ợc cho là có thể giÁi quyết đ°ợc hầu hết các vÃn đề đang tồn t¿i.

Có thể nói nhiên liệu sinh học từ tÁo chính là nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba có thể thßa mãn đồng thßi đ°ợc hai mục tiêu: t¿o ra năng l°ợng và góp phần làm s¿ch mơi tr°ßng. Bái vì mỗi tế bào tÁo là một nhà máy sinh học nhß, sử dụng q trình quang hợp để chuyển hóa CO<small>2</small> và ánh sáng mặt trßi thành năng l°ợng dự trữ trong tế bào và t¿o ra các sÁn phẩm thứ cÃp có giá trị cao, ho¿t động này có thể tăng gÃp nhiều lần trong một ngày[15]. Trong quá trình quang hợp, tÁo sẽ sÁn xuÃt ra dầu ngay trong tế bào của chúng, l°ợng dầu mà tÁo t¿o ra nhiều gÃp 30 lần so với l°ợng dầu từ h¿t đậu nành á cùng một đ¡n vị diện tích. Đồng thßi tÁo có thể tăng khÁ năng sÁn xuÃt dầu bằng cách bổ sung khí CO<small>2</small> trong q trình ni trồng chúng hoặc sử dụng các mơi tr°ßng giàu chÃt hữu c¡ nh° n°ớc thÁi để nuôi trồng. Điều này vừa t¿o ra nhiên liệu sinh học, vừa làm giÁm l°ợng CO<small>2</small> cũng nh° làm s¿ch mơi tr°ßng [16]. Tuy nhiên, trá ng¿i lớn nhÃt đái với thế hệ thứ ba là vÃn đề về việc sÁn xuÃt dầu tÁo vẫn có giá thành cao h¡n nhiều so với sÁn xuÃt nhiên liệu diesel từ dầu mß[17].

Ngồi ra, một thế hệ thứ t° của nhiên liệu sinh học đã đ°ợc đề xuÃt và phát triển dựa trên sự ứng dụng của Ánh hay điện sinh học. Trong đó, các thiết bị quang – điện

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

6

đ°ợc sử dụng để thúc đẩy quá trình lên men của các nguồn nhiên liệu. Với sự kết hợp của phÁn ứng lên men và các ph°¡ng pháp xúc tác, các tế bào glucose đ°ợc tách ra và t¿o ra nhiên liệu mà không cần sử dụng đến O<small>2</small> [18]. Tuy nhiên, vÃn đề lớn nhÃt của thế hệ nhiên liệu sinh học này là sự phức t¿p của ph°¡ng pháp lên men cũng nh° các thiết bị đắt tiền và khó khăn trong việc vận hành.

Với nguồn nguyên liệu đa d¿ng và dồi dào, nhiên liệu sinh học đóng vai trị rÃt quan trọng trong quá trình thay thế và giÁm thiểu các nguồn nhiên liệu hóa th¿ch. Tuy nhiên, việc sÁn xuÃt và sử dụng nguồn nhiên liệu này cũng luôn phÁi cân đái với việc đÁm bÁo an ninh thực phẩm cũng nh° các vÃn đề về nguồn n°ớc s¿ch[19]. Trong ngành giao thông vận tÁi và động c¡ đát trong nói riêng, nhiên liệu sinh học đ°ợc sử dụng và biết đến nhiều nhÃt d°ới d¿ng diesel sinh học (biodiesel), th°ßng đ°ợc sÁn xuÃt từ dầu thực vật hay động vật với tiềm năng thay thế nhiên liệu diesel truyền tháng.

Nhiên liệu ethanol hay cồn ethanol đã và đang đ°ợc sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới nh° một nhiên liệu tự nhiên có khÁ năng tái t¿o với mục tiêu giÁm thiểu phát thÁi và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa th¿ch [20]. Ethanol (CH<small>3</small>CH<small>2</small>OH) là một chÃt lßng khơng màu, s¿ch, dễ bay h¡i và dễ cháy [21]. Nhiên liệu ethanol đ°ợc biết đến là một nhiên liệu sinh khái với nguồn gác chế xuÃt từ nhiều nguồn nguyên liệu trong thiên nhiên nh° chÃt béo động thực vật, ngũ các, lúa mỳ, khoai, ngô, đậu t°¡ng, hay từ chÃt thÁi nông nghiệp cũng nh° cơng nghiệp [22]. Thơng th°ßng, ethanol đ°ợc sử dụng để thay thế một phần cho nhiên liệu xăng hoặc diesel. Ngoài những °u điểm về nguồn nguyên liệu chế xuÃt lớn cũng nh° l°ợng phát thÁi nhß, °u điểm lớn nhÃt cho việc sử dụng nhiên liệu ethanol là khÁ năng ứng dụng và thích ứng trên các động c¡ sẵn có [23]. Theo đó, ethanol đ°ợc hịa trộn trực tiếp vào nhiên liệu xăng hoặc diesel tr°ớc khi đ°ợc cung cÃp vào động c¡ trên đ°ßng áng n¿p hoặc trong xylanh mà không cần thay đổi kết cÃu động c¡ [24]. T¿i Mỹ nói riêng, h¡n 98% nhiên liệu xăng đ°ợc hòa trộn cùng ethanol để giÁm phát thÁi cũng nh° l°ợng tiêu thụ xăng [25]. Với trị sá Octane cao h¡n xăng, ethanol cung cÃp khÁ năng hòa trộn tát h¡n cho nhiên liệu xăng, giÁm chÃt l°ợng xăng yêu cầu cũng nh° tăng khÁ năng cháng kích nổ cho động c¡ xăng [26]. Hỗn hợp nhiên liệu xăng và ethanol, còn đ°ợc gọi là xăng sinh học (gasohol hay bio gasoline) đ°ợc hịa trộn từ nhiên liệu xăng thơng th°ßng và cồn sinh học khan (anhydrous ethanol) theo một tỉ lệ nhÃt định [27]. Theo tỷ lệ hòa trộn ethanol, xăng sinh học với tỷ lệ ethanol từ 5 tới 25% (E5 tới E25) đ°ợc gọi là hỗn hợp ethanol thÃp, E30 đến E85 đ°ợc gọi là hỗn hợp ethanol cao. Khi l°ợng ethanol hòa trộn cao, l°ợng phát thÁi càng thÃp, tuy nhiên, một sá yêu cầu về kỹ thuật và an toàn trên động c¡ cần đ°ợc đÁm bÁo[28]. Với những °u điểm trên, ethanol đang đ°ợc phát triển, sÁn xuÃt và sử dụng t¿i hầu hết các quác gia trên thế giới. Riêng t¿i Việt Nam, tính đến năm 2015, có 6 nhà máy ethanol đang ho¿t động với tổng công suÃt là 512 triệu lít một năm [29]. Hiện nay, xăng E10 với 10% ethanol là xăng sinh học đ°ợc sử dụng phổ biến nhÃt t¿i nhiều quác gia trên thế giới [30]. T¿i Việt Nam, xăng E5 đang đ°ợc sử dụng thay thế cho xăng RON92 đồng thßi đÁm bÁo các bài tốn về an tồn ph°¡ng tiện [31]. Với tính tốn và kỳ vọng sử dụng xăng E10 trong t°¡ng lai, ethanol cũng nh° xăng sinh học đã, đang và sẽ đóng vai trị quan trọng trong việc giÁm thiểu phát thÁi giao thông và đÁm bÁo an ninh năng l°ợng trong n°ớc[32]. Ngoài ra, xăng sinh học bio methanol hay biopropal cũng có thể đ°ợc sử dụng để thay thế

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<i>Hình 1.2. Lượng sÁn xuất xăng sinh học và diesel sinh học trên thế giới từ 2005 đến 2017 (tỉ tấn) </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

8

<b> Nhiên liáu hydrogen </b>

Nhiên liệu hydrogen hay khí hydrogen là nguồn năng l°ợng khơng khí thÁi đầy hứa hẹn để thay thế cho nhiên liệu hóa th¿ch đặc biệt trong giao thông vận tÁi[42]. Trong những năm gần đây, hydrogen đang nhận đ°ợc rÃt nhiều sự quan tâm và đầu t° từ các chính phủ và các nhà nhiên cứu với nhiều °u điểm rõ ràng nh°: (i) s¿ch với sÁn phẩm của quá trình cháy chỉ chứa n°ớc và một phần NO<small>x</small>; (ii) có thể sÁn xuÃt từ nhiều nguồn nhiên liệu; và (iii) pin nhiên liệu sử dụng hydrogen có khÁ năng thay thế động c¡ truyền tháng[43]. Hydrogen là khí nhẹ nhÃt, khơng màu, khơng mùi và khơng độc h¿i[44]. Ngồi ra hydrogen có tỉ lệ năng l°ợng cao gÃp 2.7 lần các nhiên liệu hydrocarbon thơng th°ßng. Do đó, nhiên liệu hydrogen đ°ợc ứng dụng trong rÃt nhiều ngành công nghiệp nh° ph°¡ng tiện giao thơng, cơng nghiệp hay thi cơng[45]. Ngồi ra, hydrogen cũng có thể đ°ợc sử dụng nh° một ph°¡ng án để dự trữ và chuyển đổi các nguồn năng l°ợng tự nhiên khác nh° gió hay năng l°ợng mặt trßi[46]. Trong giao thơng vận tÁi nói riêng, hydrogen đ°ợc dùng làm nhiên liệu cho ph°¡ng tiện động c¡ đát trong truyền tháng (internal combustion engine vehicles, ICEVs) hoặc các ph°¡ng tiện sử dụng pin nhiên liệu (Fuel cell vehicles, FCVs).

<i>1.1.2.1. Hydrogen trong động cơ đốt trong </i>

Bái những đặc tính hóa lý nh° nhẹ và tỷ trọng nhß, nhiên liệu hydrogen đ°ợc ứng dụng trong các động c¡ đánh lửa c°ỡng bức. Có ba ph°¡ng án chính để cung cÃp nhiên liệu hydrogen cho động c¡ bao gồm: (i) cung cÃp nhiên liệu trên đ°ßng áng n¿p; (ii) cung cÃp nhiên liệu trực tiếp vào trong xylanh; (iii) thay thế một phần xăng hoặc diesel trong động c¡ truyền tháng[43]. Trong động c¡ cung cÃp nhiên liệu trên đ°ßng áng n¿p, hydrogen th°ßng đ°ợc l°u trữ d°ới d¿ng lßng và có nhiệt độ thÃp, đ°ợc dẫn qua một buồng chuyển pha, hòa trộn và giÁm áp tr°ớc khi đ°a vào đ°ßng áng n¿p[47]. T°¡ng tự, với động c¡ hydrogen cung cÃp phun trực tiếp, nhiên liệu có thể đ°ợc l°u trữ d°ới d¿ng khí nén áp suÃt cao hoặc d¿ng lßng. Nhiên liệu đ°ợc chuyển pha hoặc giÁm áp qua nhiều bộ giÁm áp nái tiếp nhau và đ°ợc phun trực tiếp vào trong xylanh với áp suÃt khoÁng 5 đến 15 bar[48]. Ngồi ra, hydrogen cũng có thể đ°ợc sử dụng trong động c¡ l°ỡng nhiên liệu cùng với các lo¿i nhiên liệu truyền tháng với việc phun riêng biệt hoặc hòa trộn tr°ớc với xăng hay diesel [49, 50]. Hydrogen đ°ợc coi là một nhiên liệu nhiều tiềm năng cho việc thay thế các nguồn nhiên liệu hóa th¿ch với °u điểm khơng phát thÁi và nguồn nguyên liệu dồi dào. Tuy nhiên, động c¡ đát trong sử dụng hydrogen l¿i có hiệu suÃt nhiệt giÁm đáng kể so với động c¡ truyền tháng khi cung cÃp cùng một l°ợng nhiên liệu [51]. H¡n nữa, với tỷ trọng thÃp việc l°u trữ và vận chuyển khí hydrogen rÃt khó khăn đặc biệt là trên ph°¡ng tiện giao thơng. Ngồi ra, an tồn khi sử dụng hydrogen cho động c¡ đát trong cũng là vÃn đề cần đ°ợc giÁi quyết bái tính dễ cháy của khí hydrogen và nhiệt độ cao của động c¡[52].

<i>1.1.2.2. Hydrogen cho pin nhiên liệu </i>

Pin nhiên liệu (Fuel cells) là thiết bị ứng dụng phÁn ứng điện hóa (electrochemical reaction) giữa hydrogen và oxygen để t¿o ra điện và n°ớc mà không thÁi ra khí ơ nhiễm. Trong nhiều thập kỷ vừa qua, pin nhiên liệu đã đ°ợc phát triển và ứng dụng rÃt rộng rãi trong nhiều ngành kỹ thuật khoa học nh° sÁn xuÃt điện, giao thông vận tÁi hay các thiết bị nơng nghiệp[53]. Pin nhiên liệu thơng th°ßng bao gồm một anode – n¡i xÁy ra phÁn ứng của hydrogen, một cathode – n¡i xÁy ra phÁn ứng của oxygen

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

9

và một electrolyte n¡i cho phép các ion trao đổi giữa anode và cathode [54]. Dựa vào chÃt sử dụng làm electrolyte, pin nhiên liệu có thể đ°ợc phân ra làm nhiều lo¿i khác nhau. Trong đó, màng trao đổi proton (protons exchange membrane fuel cells, PEMFCs) đ°ợc biết đến và sử dụng rộng rãi nhÃt với nhiều °u điểm nh° tỷ lệ năng l°ợng cao, thßi gian khái động nhanh, hiệu suÃt cao, nhiệt độ làm việc thÃp cũng nh°

<b>các °u điểm về tính an tồn và dễ dàng trong vận hành [55]. Hình 1.3 thể hiện các </b>

thành phần và s¡ đồ phÁn ứng, trao đổi ion của pin PEMFC. Tuy nhiên, vÃn đề giá thành khiến cho PEMFC còn đang gặp nhiều trá ng¿i trong việc áp dụng vào nhiều lĩnh vực. Pin nhiên liệu alkaline (Alkaline fuel cells, AFCs) có giá thành rẻ h¡n, tuy nhiên l¿i yêu cầu độ nhiên liệu có độ tinh khiết cao cùng với nh°ợc điểm lớn về tuổi đßi làm việc [56]. Lo¿i 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 suÃt năng l°ợng cao [57]. Thêm vào đó, pin molten carbonate (Molten carbonate fuel cells, MCFCs) và pin oxit kim lo¿i (Solid oxide fuel cells, SOFCs) cũng là hai lo¿i pin nhiên liệu có hiệu suÃt cao và giá thành thÃp, tuy nhiên, nh°ợc điểm lớn nhÃt của hai lo¿i pin này là nhiệt độ làm việc cao gây ra khó khăn trong vận hành cũng nh° địi hßi nhiều h¡n các u cầu về an tồn[58]. Tuy có rÃt nhiều °u điểm về hiệu suÃt và không phát thÁi, pin nhiên liệu sử dụng hydrogen cũng tồn t¿i nhiều những trá ng¿i lớn cần đ°ợc xử lý [59]. Các vÃn đề về giá thành, tr¿m s¿c và độ tin cậy cũng nh° an toàn là h¿n chế lớn nhÃt của ph°¡ng tiện sử dụng pin nhiên liệu hydrogen hiện nay. Ngồi ra, những khó khăn về việc l°u trữ và vận chuyển hydrogen hay việc xử lý các chÃt hóa học độc h¿i trong pin nhiên liệu sau khi sử dụng cũng là những vÃn đề cần đ°ợc quan tâm và giÁi quyết [60].

<i>Hình 1.3. Sơ đồ phÁn ứng và trao đổi ion của một pin nhiên liệu màng trao đổi proton[61]</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

10

<b>Đặc tính nhiên liáu khí thiên nhiên </b>

Khí thiên nhiên đ°ợc chiết xuÃt từ các giếng khí hoặc từ sÁn xuÃt dầu thơ. NG là hỗn hợp của các lo¿i khí, chủ yếu bao gồm khí mê-tan (CH<small>4</small>) và l°ợng vi l°ợng của các hydrocarbon cao h¡n khác nh° ethane, propane, n-butane, iso-butane và pentan và một sá khí khác bao gồm nit¡, helium, carbon dioxide, hydro, hydro sunfua và h¡i n°ớc [62]. Khí thiên nhiên khơng màu, khơng mùi, do đó một vài chÃt t¿o mùi có thể đ°ợc sử dụng để phát hiện l°u huỳnh. Tuy là một nhiên liệu thay thế tiềm năng nh°ng khí thiên nhiên l¿i là một nguồn tài nguyên không thể tái t¿o đ°ợc chiết xuÃt từ hóa th¿ch hay các sinh vật phù du và vi sinh vật d°ới n°ớc nh° tÁo và các động vật nguyên sinh[63]. D°ới tác động đồng thßi của áp suÃt và nhiệt độ cao, các liên kết carbon của các vật chÃt hữu c¡ bị phá vỡ, tách ra và t¿o thành methane thủy nhiệt (thermogenic methane) hay khí thiên nhiên [64]. Khí thiên nhiên có thể đ°ợc tìm thÃy t¿i nhiều n¡i trên thế giới trong các hồ chứa bên d°ới bề mặt trái đÃt, các phân tử khí nằm trong các lỗ nhß hay vết nứt giữa các lớp đá trong q trình phong hóa và bóc mịn bề mặt [65]. Ngồi ra, khí thiên nhiên có thể đ°ợc sÁn xt từ các khí sinh học, các nguyên liệu hữu c¡ đ°ợc gọi là methane sinh học (biomethane) hay khí thiên nhiên tái t¿o (renewable natural gas, RNG). Tuy nhiên, methane đ°ợc chiết suÃt này chỉ chiếm một phần rÃt nhß so với l°ợng methane đ°ợc khai thác từ tự nhiên, đồng thßi, q trình chiết suÃt và làm s¿ch cũng t°¡ng đái phức t¿p [66]. Mặc dù là một nhiên liệu hóa th¿ch, khí thiên nhiên l¿i có trữ l°ợng lớn h¡n nhiều so với xăng và diesel cũng nh° dễ dàng hòa trộn với nhiều lo¿i khí sinh học [67]. Mặt khác, với thành phần chính là methane, khí thiên nhiên là hydrocarbon s¿ch nhÃt khi chỉ thÁi là một l°ợng khí nhà kính rÃt nhß so với than đá hay các nhiên liệu động c¡ truyền tháng [68, 69]. Với việc thay thế nhiên liệu hóa th¿ch bằng đát khí thiên nhiên từ năm 1995 đến 2012, các nhà máy điện đã giÁm 23% l°ợng khí thÁi CO<small>2</small>, 44% khí thÁi SO<small>2</small> và h¡n 40% khí NO<small>x </small>[70]. Đồng thßi, việc sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cũng giúp nhà máy điện ho¿t động linh ho¿t h¡n với việc khái động và t¿m dừng dễ dàng h¡n, tăng khÁ năng kết hợp với các nguồn năng l°ợng tái t¿o [71]. Ngoài ra, khí thiên nhiên cũng giÁm l°ợng hydrocarbon thÁi ra ngồi mơi tr°ßng so với động c¡ xăng, l°ợng khí ch°a cháy hết trong khí thÁi hay bị rị rỉ trong quá trình sÁn xuÃt, l°u trữ và vận chuyển cũng dễ dàng phân tán trong khí quyển và tách ra thanh h¡i n°ớc và khí CO<small>2 </small>[72]. Theo báo cáo của British Petroleum (BP) năm 2020 [73], trữ l°ợng khí thiên nhiên thế giới °ớc tính vào khng 150 nghìn tỷ m³ (150 × 10<small>12</small>). Trong đó Nga là n°ớc có trữ l°ợng lớn nhÃt với 38 nghìn tỷ m³ (38 × 10<small>12</small>), đứng thứ hai là Iran với 32 nghìn tỷ m³ (32 × 10<small>12</small>), theo sau là các quác Qatar và Turkmenistan với lần l°ợt là 25 và 14 nghìn tỷ m<small>3</small>. Các qc gia dầu mß t¿i Trung Đơng cũng có nhiều hồ chứa với trữ l°ợng khí thiên nhiên rÃt lớn. Riêng á Hoa Kỳ tổng cộng 13 nghìn tỷ m³ (13 × 10<small>12</small>) phân bá á các bang nh°: Texas, Vịnh Mexico ngoài kh¡i Louisiana, Oklahoma, New Mexico, Wyoming và á Vịnh Prudhoe của Bắc Slope thuộc bang Alaska. à Canada, tổng trữ l°ợng khí tự nhiên là 2 nghìn tỷ m³ (2 × 10<small>12</small>), phần lớn trữ l°ợng khí thiên nhiên á Canada nằm á Alberta. Hiện nay, t¿i Mỹ nói riêng, khí thiên nhiên đóng góp khoÁng 30% l°ợng năng l°ợng đ°ợc sử dụng[74]. Giáng với hydrogen, khí thiên nhiên có tỉ trọng rÃt nhß, do đó, khó khăn lớn nhÃt của việc sử dụng khí thiên nhiên là l°u trữ và vận chuyển [75, 76]. Để giÁi quyết vÃn đề này, khí thiên nhiên th°ßng

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

11

đ°ợc truyền tÁi trong hệ tháng đ°ßng áng chuyên dụng (pipeline – natural gas pipeline) để giữ áp suÃt và nhiệt độ [77]. Đồng thßi, khí thiên nhiên đ°ợc l°u trữ, vận chuyển và sử dụng d°ới một trong hai d¿ng là khí nén thiên nhiên (compressed natural gas, CNG) hoặc khí thiên nhiên hóa lßng (liquefied natural gas, LNG) [78]. Hiện trong ứng dụng trên ph°¡ng tiện giao thơng nói riêng, ngồi các vÃn đề về l°u trữ và vận chuyển nhiên liệu trên ph°¡ng tiện, việc cÁi tiến và tái °u hiệu suÃt cũng gây trá ng¿i rÃt đáng kể [79]. Tuy nhiên với trữ l°ợng lớn và nhiều °u điểm về hiệu suÃt, phát thÁi, nhiên liệu khí thiên nhiên vẫn đang thu hút rÃt nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu nhằm tái °u hóa việc sử dụng [80].

Nh° đã đề cập tr°ớc đó, khí thiên nhiên là khí nhẹ h¡n khơng khí, khơng màu và khơng mùi, có tỷ trọng bằng khng 1 phần 2 khơng khí. Do đó, trong tr°ßng hợp rị rỉ, khí thiên nhiên rÃt dễ tan vào trong khí quyển mà khơng gây nguy hiểm hay độc h¿i. Khí thiên nhiên có thành phần chứa khoÁng 85 đến 90% methane (CH<small>4</small>), khoÁng 5 đến 10% ethane (C<small>2</small>H<small>6</small>), một l°ợng rÃt nhß propane và các t¿p chÃt khác nh° carbon dioxide, H<small>2</small>S và h¡i n°ớc. Trong nhiều tr°ßng hợp methane với độ nguyên chÃt cao có thể đ°ợc coi là khí thiên nhiên. Các ghi chép lịch sử đã cho thÃy khí thiên nhiên đã đ°ợc sử dụng để đát á Trung Quác năm 250, sử dụng để s°ái Ãm và chiếu sáng á miền Bắc Italia vào thế kỷ 17 và đ°ợc phát hiện vào năm 1821 á Fredonia, New York, Mỹ [81]. Với tính chÃt dễ cháy và s¿ch, khí thiên nhiên dần đ°ợc sử dụng rộng rãi làm khí đát để s°ái Ãm và sÁn xuÃt điện t¿i nhiều quác gia trên thế giới[82]. Khí thiên nhiên đ°ợc bắt đầu sử dụng trên động c¡ đát trong vào những năm 1930 t¿i Ý và theo sau đó là New Zealand. Theo đó, khoÁng 10% ph°¡ng tiện quác gia bắt đầu đ°ợc chuyển đổi sang sử dụng khí thiên nhiên t¿i New Zealand [83]. T¿i Mỹ, 114 nghìn ph°¡ng tiện cơng cộng, chủ yếu là xe bus đ°ợc chuyển đổi sang sử dụng khí thiên nhiên [84]. Tháng kê về sá l°ợng ph°¡ng tiện khí thiên nhiên và tr¿m s¿c nhiên liệu

<b>đ°ợc thể hiện á Hình 1.2. Rõ ràng, về mặt đặc tính, khí thiên nhiên thể hiện nhiều °u điểm v°ợt trội so với xăng và diesel truyền tháng. BÁng 1.1 so sánh đặc tính của </b>

nhiên liệu khí thiên nhiên với nhiên liệu xăng và diesel. Khí thiên nhiên đ°ợc coi là nhiên liệu hóa th¿ch s¿ch nhÃt với tỷ lệ khái l°ợng carbon t°¡ng đái nhß. Nghiên cứu của Li Fubai và các cộng sự cũng đã chỉ ra rằng, q trình cháy của nhiên liệu khí thiên nhiên s¿ch h¡n so với động c¡ thơng th°ßng [85]. Nhiệt trị của khí thiên nhiên có thể khác nhau phụ thuộc vào hàm l°ợng khí methane cũng nh° các t¿p chÃt, tuy nhiên, nhiệt trị của khí thiên nhiên ln cao h¡n so với nhiên liệu xăng hay diesel [86]. Thêm vào đó, hỗn hợp khí thiên nhiên – khơng khí có tỷ lệ khơng khí lý thuyết cao h¡n, giúp cho động c¡ có thể ho¿t động trong điều kiện cháy nghèo, nhiều khơng khí h¡n[87, 88]. Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, động c¡ khí thiên nhiên có thể đ¿t đến hiệu suÃt 45% [89-91]. Năm 2018, Roll Royce cho ra mắt thị tr°ßng động c¡ B36:45 sử dụng khí thiên nhiên với hiệu suÃt nhiệt lên tới 50% [89]. Thêm vào đó, khí thiên nhiên có trị sá Octane (130 so với 85~95 của xăng) và nhiệt độ tự kích nổ cao h¡n nhiều so với xăng (600 so với 310 của xăng) [92]. Đặc tính này giúp cho khí thiên nhiên trá nên an tồn khi l°u trữ và sử dụng, h¿n chế khÁ năng cháy nổ và tự kích nổ cho động c¡. Đồng thßi, trị sá Octane lớn h¡n cũng giúp động c¡ sử dụng khí thiên nhiên có thể ho¿t động với tỷ sá nén cao h¡n so với động c¡ xăng thơng th°ßng. Olsson Jan-Ola và các cộng sự đã chứng minh rằng động c¡ NG có thể ho¿t động với tỷ sá nén lên tới 21:1[93]. Tác giÁ Tran Dang Quoc cũng đã chỉ ra rằng tỷ sá nén tái °u của động c¡ CNG có thể phụ thuộc vào điều kiện làm việc của động c¡ [94]. Ngoài

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

12

ra, việc thay đổi tỷ sá nén cũng góp phần làm tăng hiệu suÃt nhiệt và giÁm phát thÁi của động c¡ sử dụng khí thiên nhiên. Với việc là một nhiên liệu s¿ch và có sá l°ợng hồ chứa lớn, khí thiên nhiên ln có giá thành thÃp h¡n so với nguyên liệu truyền tháng. Trung bình trên thế giới, giá khí CNG là khng 0,063 USD/kWh, với LPG là 0,74 USD/lít, trong khi với xăng và diesel lần l°ợt là 1,34 và 1,36 USD/lít. Nh° vậy, với cùng một suÃt tiêu hao nhiên liệu, động c¡ sử dụng khí thiên nhiên có chi phí nhß h¡n so với động c¡ xăng và diesel truyền tháng. Q trình cháy s¿ch h¡n cũng góp phần làm giÁm đáng kể các chi phí bÁo d°ỡng khi sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên.

<i>Hình 1.2. Sá lượng phương tiện và tr¿m n¿p nhiên liệu khí thiên nhiên trên thế giới năm 2019[95] </i>

Với các đặc tính v°ợt trội so với xăng và diesel, các °u điểm của động c¡ sử dụng nhiên liệu có thể đ°ợc tóm gọn d°ới đây:

 Tiết kiệm tới 40% chi phí nhiên liệu.

 Nguồn nguyên liệu dồi dào với trữ l°ợng lớn cũng nh° khÁ năng tái t¿o từ các nguồn biomass.

 GiÁm chi phí nhiên liệu và bÁo d°ỡng máy móc thiết bị.

 GiÁm đáng kể l°ợng phát thÁi CO<small>2</small>, HC và NO<small>x</small> ra mơi tr°ßng và hầu nh° khơng phát sinh bụi.

 Hiệu suÃt sử dụng nhiên liệu cao, kéo dài tuổi thọ thiết bị.  An toàn trong q trình l°u trữ và sử dụng.

Tuy có nhiều °u điểm rõ ràng, nh°ng so với tuổi đßi phát triển hàng trăm năm của động c¡ xăng và diesel, động c¡ khí thiên nhiên vẫn cần nhiều sự quan tâm và phát triển để tái °u hóa đ°ợc hiệu suÃt của động c¡ cũng nh° ứng dụng rộng rãi trên các ph°¡ng tiện không chỉ là ph°¡ng tiện công cộng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

13

<i>BÁng 1.1. So sánh đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên với xăng và diesel [96] </i>

<b>Đ¿c tính nhiên liáu ^{Khí thiên}</b>

<b>nhiên Xăng Diesel </b>

Tỉ lệ hịa khí lý thuyết (tính theo khái l°ợng) 17,2 14,7 14,6 Mật độ hỗn hợp lý thuyết (kG/m<small>3</small>) 1,25 1,42 1,46

Nhiệt trị thÃp của hỗn hợp lý thuyết (MJ/kG) 2,62 2,85 2,75

Giới h¿n cháy trong khơng khí (vol% in air) 4,3ø15,2 1,4ø7,6 1ø6

Nhiệt độ ngọn lửa đo¿n nhiệt (<small>0</small>C) 1890 2150 2054

<b> Nhiên liáu khí thiên nhiên nén (CNG) </b>

Bái tỷ trọng nhß, khí thiên nhiên th°ßng đ°ợc nén tới áp suÃt cao để tăng hàm l°ợng năng l°ợng. Khí thiên nhiên nén (compressed natural gas, CNG) đ°ợc t¿o ra bằng việc nén khí thiên nhiên tới nhß h¡n 1% thể tích ban đầu á điều kiện áp st khí quyển [79]. Theo đó, CNG sau khi nén tới áp suÃt đ°ợc l°u trữ trong các bồn chứa hình trụ với áp suÃt khoÁng 200 – 250 bar [97]. Dựa theo ứng dụng và yêu cầu, có bán lo¿i bồn l°u trữ đ°ợc sử dụng ngày nay đ°ợc chia từ I đến IV [98].

<b>Hình 1.3 th</b>ể hiện thành phần các lớp của bán lo¿i bồn l°u trữ nhiên liệu CNG. Lo¿i I là các lo¿i bồn kim lo¿i (thép hoặc nhơm), có giá thành thÃp, rÃt nặng, có nguy c¡ bị rỉ sét và ăn mịn. Lo¿i II sử dụng các kim lo¿i nhẹ h¡n, kết hợp với sợi carbon t¿i phần giữa thùng, vẫn nặng và có khÁ năng bị rỉ sét. Lo¿i III sử dụng một lớp nhơm mßng và phủ sợi carbon tồn phần, gần nh° khơng bị ăn mịn và t°¡ng đái nhẹ so với hai lo¿i bồn I, II. Cuái cùng, lo¿i IV là thế hệ mới nhÃt đang đ°ợc sử dụng đ°ợc thiết kế với lớp polymer (pô ly me) không chứa kim lo¿i kết hợp với sợi carbon. Lo¿i bồn chứa này đ°ợc tái °u, rÃt nhẹ, không rỉ sét, khơng ăn mịn, tuy nhiên, giá thành l¿i t°¡ng đái cao.

Ban đầu, khí thiên nhiên nén đ°ợc sử dụng cho các động c¡ tĩnh t¿i nh°ng với sự phát triển của các thế hệ bồn chứa áp suÃt cao nhẹ h¡n, CNG bắt đầu đ°ợc ứng dụng cho động c¡ trên các ph°¡ng tiện giao thông [99]. Các chuyên gia đều đánh giá tiềm năng phát triển của thị tr°ßng CNG là rÃt lớn, hứa hẹn mang l¿i lợi nhuận cũng nh° tiếng vang cho ngành dầu khí trong việc đi tiên phong giữ gìn và làm trong s¿ch mơi tr°ßng. Trên thế giới, các ph°¡ng tiện vận tÁi sử dụng nhiên liệu CNG đã đ°ợc phổ biến á những khu vực có nguồn khí tự nhiên dồi dào và đ°ợc sự hỗ trợ của chính phủ

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

14

về chính sách cũng nh° chi phí. Hiện t¿i, mọi xe ch¿y xăng đều có thể đ°ợc chuyển đổi sang xe ch¿y nhiên liệu kép (xăng/CNG) bằng cách lắp đặt bộ chuyển đổi CNG đã đ°ợc th°¡ng m¿i hóa. Mỗi xe buýt sử dụng CNG ho¿t động 1 năm có thể tiết kiệm 8.308 USD nhiên liệu so với dầu diesel. Vậy với 10.000 xe t¿i TP. Hồ Chí Minh, nếu chuyển sang sử dụng khí CNG sẽ tiết kiệm 83.080.000 USD mỗi năm. Nh° vậy, trong khoÁng 3 năm, TP. Hồ Chí Minh sẽ tiết kiệm đ°ợc 250 triệu USD. Điều này chứng tß việc chuyển đổi các lo¿i xe ôtô, xe buýt sử dụng diesel hiện t¿i sang sử dụng khí nén CNG khơng chỉ góp phần giÁm thiểu ơ nhiễm mơi tr°ßng mà cịn giúp tiết kiệm tiền b¿c, giÁm c°ớc phí vận chuyển, tăng khÁ năng c¿nh tranh của nền kinh tế. Do vậy, tháng 5 năm 2010 tập đồn Dầu khí Việt Nam đã ban hành Nghị quyết sá 2958/NQ-DKVN thông qua việc chuyển đổi và sử dụng nhiên liệu khí nén CNG cho tồn bộ xe ôtô t¿i các đ¡n vị thành viên của tập đồn trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh và tỉnh Bà Rịa -Vũng Tàu. Khơng chỉ dừng l¿i đó, giá CNG hiện nay thÃp h¡n giá xăng dầu và cÁ LPG (khí dầu mß hóa lßng). Đây là nhiên liệu rẻ, s¿ch, phù hợp với dịch vụ t¿i các thành phá lớn và các khu công nghiệp, đặc biệt trong tình hình giá xăng dầu tăng cao trong những năm gần đây. Đó cũng chính là lý do vì sao mà các chuyên gia đều đánh giá tiềm năng phát triển của thị tr°ßng CNG là rÃt lớn, hứa hẹn mang l¿i lợi nhuận cũng nh° tiếng vang cho ngành dầu khí trong việc đi tiên phong giữ gìn và làm trong s¿ch mơi tr°ßng. Hầu hết các nghiên cứu trên thế giới đều khẳng định rằng sử dụng nhiên liệu CNG cho động c¡ đát trong có tuổi thọ bền h¡n, dầu bơi tr¡n ít bị bẩn h¡n. Tuy nhiên, một đặc điểm rÃt đáng l°u ý của nhiên liệu CNG là tác độ cháy chậm gây Ánh h°áng tới quá trinh cháy và làm giÁm giới h¿n cháy cũng nh° giới h¿n làm việc của động c¡[100]. Do đó, việc nghiên cứu cÁi thiện q trình cháy và tái °u động c¡ sử dụng khí thiên nhiên là rÃt cần thiết để đáp ứng đ°ợc tiềm năng của nhiên liệu này.

<i>Hình 1.3. Các lo¿i bồn lưu trữ nhiên liệu CNG </i>

<b> Nhiên liáu khí thiên nhiên hóa láng (LNG) </b>

Khí thiên nhiên hóa lßng (Liquefied Natural Gas, LNG) là khí thiên nhiên đ°ợc làm l¿nh xng d°ới nhiệt độ hóa lßng để l°u trữ và sử dụng nh° một ph°¡ng án

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

15

song song với khí nhiên nhiên nén [101]. LNG có thể tích chỉ bằng 1/600 khí thiên nhiên thơng th°ßng, giúp cho việc l°u trữ và sử dụng trên các ph°¡ng tiện dễ dàng h¡n. Dù có tỷ trọng năng l°ợng lớn h¡n CNG nh°ng LNG l¿i có giá thành t°¡ng đái cao nên th°ßng đ°ợc sử dụng trên các ph°¡ng tiện h¿ng nặng. LNG đóng vai trị rÃt quan trọng trong ngành năng l°ợng đặc biệt là với xe tÁi và tàu thủy. Từ 80 nghìn tÃn t¿i năm 1964, l°ợng tiêu thụ LNG tăng từ 100 triệu tÃn năm 2000, 340 triệu tÃn năm 2017 và 450 triệu tÃn năm 2021[102]. LNG đ°ợc mong đợi sẽ cán mác tiêu thụ 700 triệu tÃn vào năm 2040 trong q trình giÁm thiểu sử dụng nhiên liệu dầu mß cũng nh° đÁm bÁo an ninh năng l°ợng. Trong đó, tập đồn dầu khí của Anh, Shell đóng góp rÃt lớn trong việc ứng dụng và th°¡ng m¿i hóa LNG khi tham gia vào tÃt cÁ các giai đo¿n trong quá trình từ khai thác đến khách hàng nh° tìm kiếm hồ chứa, hóa lßng khí thiên nhiên, phân phái tới khách hàng…. Theo báo cáo của Shell năm 2022, Trung Quác là n°ớc nhập khẩu CNG nhiều nhÃt với 79 triệu tÃn vào năm 2021, theo sau là Nhật BÁn với 73 triệu tÃn. Trong khi đó, Úc là n°ớc xuÃt khẩu LNG lớn nhÃt thế giới với khoÁng 88 triệu tÃn năm 2021[103]. Với sự phát triển và nhu cầu tăng cao, LNG nhận đ°ợc rÃt nhiều sự quan tâm từ chính phủ và các tập đồn dầu khí, rÃt nhiều dự án lớn đ°ợc má ra và đầu t° t¿i nhiều quác gia trên thế giới. Dự án North Field Expansion LNG (LNG hồ chứa phía bắc má rộng) t¿i Qatar đ°ợc xem là dự án LNG lớn nhÃt thế giới với công suÃt kỳ vọng lên tới 110 triệu tÃn mỗi năm [104]. Jafrabad Floating Storage and Regasification Unit (Jafrabad FSRU) t¿i Ân Độ cũng là một dự án rÃt lớn cung cÃp 47.5 triệu tÃn cho khu vực lân cận. Mỹ cũng đã khái động dự án Rio Grande LNG Plant t¿i Texas với công suÃt 27 triệu tÃn mỗi năm. T¿i Việt Nam, chính phủ cũng đã định h°ớng sử dụng LNG cho sÁn xuÃt điện từ những năm đầu thế kỷ 21. Theo Quy ho¿ch điện VII điều chỉnh, giai đo¿n 2025 – 2030, nhiều nhà mÃy điện LNG đ°ợc xây mới để đáp ứng công suÃt tổng 15000 – 19000 MW. Đồng thßi, Quy ho¿ch phát triển ngành Cơng nghiệp khí á Việt Nam 2025 định h°ớng 2035 đã xác định rõ sự cần thiết về c¡ sá h¿ tầng để tiếp nhận LNG nhập khẩu với khái l°ợng 1 đến 4 tỷ m<small>3</small>/năm cho giai đo¿n 2021-2025 và tăng lên 10 tỷ trong giai đo¿n 2026-2035. Trong đó, chuỗi dự án điện LNG Thị VÁi – Nh¡n Tr¿ch là chuỗi dự án lớn nhÃt với 4 nhà máy điện đ°ợc chia làm nhiều giai đo¿n thực hiện. Trên thế giới, LNG cũng đ°ợc sử dụng rÃt nhiều cho động c¡ trên tàu thủy, tàu hßa và xe tÁi. Tuy nhiên, á Việt Nam, do c¡ sá h¿ tầng thÃp, giá nhập khẩu t°¡ng đái cao, LNG cho động c¡ đát trong khơng nhận đ°ợc nhiều sự quan tâm.

<b>nén </b>

Khí thiên nhiên nén với tiềm năng rÃt lớn đã và đang đ°ợc sử dụng rộng rãi cho động c¡ đát trong á nhiều n°ớc trên khắp thế giới cũng nh° t¿i Việt Nam. Khí thiên nhiên thể hiện nhiều đặc tính v°ợt trội so với xăng và diesel, do đó động c¡ CNG có nhiều °u điểm rõ ràng so với các động c¡ truyền tháng [79]. Động c¡ sử dụng khí thiên nhiên hứa hẹn sẽ thay thế động c¡ xăng và diesel truyền tháng trong bái cÁnh nhiên liệu từ dầu mß đang ngày một c¿n kiệt cũng nh° giÁi quyết vÃn đề ơ nhiễm mơi tr°ßng. Khí thiên nhiên có trữ l°ợng dồi dào nên giá thành rẻ h¡n nhiều so với nhiên liệu dầu mß. Ngồi ra, chi phí vận hành và bÁo d°ỡng cũng giÁm đi đáng kể so với các ph°¡ng tiện thơng th°ßng. Chandler cùng nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích 12 tháng trên xe bus sử dụng diesel và CNG. Kết quÁ chỉ ra rằng, xe bus sử dụng

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

16

CNG giÁm đ°ợc tới 12% chi phí vận hành so với sử dụng xăng [105]. Đồng thßi, việc giÁm tổn h¿i cho động c¡ và giÁm thiểu sửa chữa cũng giúp động c¡ có tuổi thọ dài h¡n, ph°¡ng tiện có thßi gian sử dụng dài h¡n. Với tính chÃt của một nhiên liệu khí có khái l°ợng phân tử nhß, CNG hịa trộn tát h¡n với khơng khí t¿o ra hỗn hợp nhiên liệu đồng nhÃt giúp cho quá trình cháy tát h¡n [106]. CNG có trị sá Octane cao h¡n so với xăng, cho phép động c¡ CNG ho¿t động với tỷ sá nén lớn h¡n mà vẫn đÁm bÁo cháng kích nổ. Việc tái °u tỷ sá nén của động c¡ CNG có thể cÁi thiện hiệu suÃt nhiệt của động c¡ lên tới 10% [99]. Thêm vào đó, nhiều nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng suÃt tiêu hao nhiên liệu của động c¡ giÁm từ 12 tới 20% khi sử dụng nhiên liệu CNG[107, 108]. à một sá khu vực trên thế giới, ng°ßi ta đã bắt đầu sử dụng CNG cho ô tô ch¿y trong thành phá. Các quác gia nh° Mỹ, Ý, Canada, Hà Lan… đã xây dựng những c¡ sá h¿ tầng phục vụ cho việc phát triển ô tô sử dụng nhiên liệu CNG. Trên thế giới có 14,8 triệu ph°¡ng tiện sử dụng CNG vào năm 2011 trong đó phÁi kể đến Iran là quác gia hàng đầu với 2,86 triệu xe, Pakistan 2,85 triệu xe. Để có đ°ợc những động c¡ sử dụng nhiên liệu CNG, nhiều n°ớc đã có giÁi pháp khác nhau nh° chuyển đổi động c¡ sử dụng xăng hoặc diesel sang sử dụng CNG và chế t¿o một hệ động c¡ mới chỉ sử dụng nhiên liệu CNG. Tuy nhiên, động c¡ CNG cũng có một vài nh°ợc điểm cần đ°ợc khắc phục nh° hiệu suÃt n¿p thÃp hay tác độ cháy chậm. Do đó, để tái °u đ°ợc hiệu suÃt làm việc và giÁm thiểu phát thÁi của động c¡ cần phÁi có nhiều h¡n các nghiên cứu h°ớng tới động c¡ sử dụng nhiên liệu CNG.

Các nghiên cứu c¡ bÁn có thể phân thành ba h°ớng chính theo giÁi pháp đát cháy nhiên liệu nh° sau:

 H°ớng thứ nhÃt: Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp xăng – CNG hoặc diesel – CNG, gia tăng tỷ lệ sử dụng nhiên liệu CNG.

 H°ớng thứ hai: Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG trên các động c¡ xăng hiện hành mà không cần phÁi thay đổi hình d¿ng và kết cÃu buồng cháy động c¡.  H°ớng thứ ba: Nghiên cứu phát triển động c¡ sử dụng hồn tồn nhiên liệu khí

thiên nhiên trong đó có xem xét đến các yếu tá nh° hình d¿ng và kết cÃu buồng cháy.

<b> Há thãng cung c¿p nhiên liáu CNG </b>

<i>Hình 1.4. Phân lo¿i hệ tháng đánh lửa và cấp nhiên liệu động cơ CNG[109] </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

17

Tùy thuộc vào thiết kế, ph°¡ng án đánh lửa và ph°¡ng pháp chuyển đổi, động c¡ CNG đ°ợc phân lo¿i và cung cÃp nhiên liệu khác nhau. Error! Reference source not ound. phân lo¿i các động c¡ CNG theo hệ tháng đánh lửa và phun nhiên liệu. Thơng th°ßng, trên động c¡ l°ỡng nhiên liệu CNG-diesel, khí thiên nhiên đ°ợc phun gián tiếp trên đ°ßng áng n¿p và hịa trộn với khơng khí tr°ớc khi đi vào động c¡ và đ°ợc

<b>đánh lửa bái diesel. Hình 1.5 ví dụ về một s¡ đồ thí nghiệm các hệ tháng trên động </b>

c¡ l°ỡng nhiên liệu trong đó CNG đ°ợc cung cÃp trên đ°ßng áng n¿p. Nhiên liệu CNG đ°ợc giÁm áp suÃt từ bình chứa và điều chỉnh l°u l°ợng thơng qua hệ tháng áng góp nhiên liệu tr°ớc khi phun vào trong đ°ßng áng và hịa trộn với khơng khí t¿i đây. Hệ tháng giÁm áp st nhiên liệu đóng vai trị t°¡ng đái quan trọng với mọi động c¡ CNG để đÁm bÁo nhiên liệu đ°ợc phun với áp suÃt hợp lý từ hệ tháng l°u trữ với áp suÃt rÃt cao. Khí thiên nhiên trong tr°ßng hợp này th°ßng đ°ợc phun với áp suÃt từ 2 – 5 bar [110, 111]. Hệ tháng áng phân phái CNG đ°ợc sử dụng để duy trì áp suÃt và l°u l°ợng nhiên liệu cung cÃp cho vòi phun.

<i>Hình 1.5. Các hệ tháng trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [112] </i>

Ngoài ra, động c¡ CNG đ¡n nhiên liệu cũng có thể sử dụng hệ tháng phun nhiên liệu gián tiếp với bugi đánh lửa t°¡ng tự với động c¡ xăng. Các động c¡ diesel chuyển đổi sang sử dụng CNG th°ßng tận dụng vị trí vịi phun diesel để lắp đặt bugi đánh lửa. Hình 1.6 là một ví dụ về s¡ đồ các thiết bị trên động c¡ CNG phun gián tiếp với bugi đ°ợc đặt trên nắp xylanh. Các hệ tháng cung cÃp nhiên liệu nh° giÁm áp suÃt, thiết bị đo l°u l°ợng hay áng góp nhiên liệu t°¡ng tự với động c¡ l°ỡng nhiên liệu. Với động c¡ l°ỡng nhiên liệu, CNG có thể đ°ợc phun với áp suÃt lên tới 10 - 15 bar [113]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tăng áp suÃt phun nhiên liệu CNG trên đ°ßng áng n¿p góp phần cÁi thiện q trình hịa trộn cũng nh° tăng hiệu suÃt n¿p và công suÃt của động c¡ [114-116]

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

18

<i>Hình 1.6. Các hệ tháng trên động cơ phun gián tiếp CNG [117] </i>

<i>1. Bình khí thiên nhiên; 2. Van khóa bằng tay; 3. Lọc khí áp suất cao; 4. Đồng hồ đo lưu lượng khí; 5. Van khóa; 6. Van điều chỉnh áp suất; 7. Lọc khí áp suất thấp; </i>

<i>8. áng dẫn khí; 9. CÁm biến áp suất khí; 10. CÁm biến nhiệt độ khí; 11. Vịi phun khí; 12. Mơ đun điều khiển phun khí; 13. Bugi; 14. Cuộn dây đánh lửa; 15. Mô đun điều khiển đánh lửa; 16. Bướm ga; 17. CÁm biến nhiệt độ khí n¿p; 18. CÁm biến áp </i>

<i>suất n¿p; 19. CÁm biến nhiệt độ nước làm mát; 20. CÁm biến điểm chết trên; 21. CÁm biến góc quay trục khuỷu; 22. Bộ mã hóa góc quay trục khuỷu; 23. Động cơ khí thiên nhiên; 24. CÁm biến tiếng gõ; 25. CÁm biến nhiệt độ khí thÁi; </i>

<i>26. CÁm biến dư lượng khơng khí; 27. CÁm biến áp suất xylanh; </i>

<i>28. Bộ khuếch đ¿i điện tích; 29. Máy phân tích q trình đát cháy; 30. Máy tính; 31. Hệ tháng điều khiển và thu thập dữ liệu. </i>

<i>Hình 1.7. Sơ đồ bộ hòa trộn CNG [118] </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

19

<i>Hình 1.8. Ví dụ về các chi tiết của bộ hòa trộn CNG [119] </i>

Sử dụng bộ hòa trộn CNG cũng là một ph°¡ng án cung cÃp nhiên liệu hiệu quÁ với °u điểm về tính ứng dụng dễ dàng. Hình 1.7 và Hình 1.8 là một ví dụ về bộ hịa trộn nhiên liệu CNG – khơng khí đ¡n giÁn. Bộ hịa trộn th°ßng đ°ợc sử dụng trên động c¡ l°ỡng nhiên liệu hoặc sử dụng thay thế cho vịi phun trên đ°ßng áng n¿p. Bộ hịa trộn cũng thể hiện nhiều °u điểm trên động c¡ l°ỡng nhiên liệu CNG – diesel. Hỗn hợp nhiên liệu – khơng khí đ°ợc hịa trộn một cách đồng nhÃt tr°ớc khi đi vào trong buồng cháy qua xupap n¿p [120]. R. Papagiannakis cũng đã chỉ ra rằng công suÃt động c¡ không bị sụt giÁm á tác độ động c¡ cao khi sử dụng bộ hòa trộn cho động c¡ l°ỡng nhiên liệu [121].

<b>Đáng c¢ sử dāng l°ỡng nhiên liáu </b>

T°¡ng tự nh° nhiều nhiên liệu thay thế khác, động c¡ sử dụng khí thiên nhiên để thay thế một phần nhiên liệu truyền tháng đ°ợc nghiên cứu và đ¿t đ°ợc hiệu quÁ cao. Khí thiên nhiên là khí có nhiệt độ tự cháy cao, do đó khí thiên nhiên đ°ợc sử dụng cho động c¡ đánh lửa c°ỡng bức hoặc hòa trộn cùng nhiên liệu diesel nh° một ph°¡ng án đánh lửa. Tùy thuộc vào ph°¡ng án cung cÃp nhiên liệu, có nhiều lo¿i ph°¡ng tiện khác nhau sử dụng kết hợp nhiên liệu dầu mß và khí thiên nhiên. Những động c¡ này đ°ợc chia làm ba lo¿i chính bao gồm động c¡ nhiên liệu hịa trộn (mixed fuel hay blend fuel)[122], động c¡ l°ỡng nhiên liệu (dual fuel) [123] và động c¡ song song hai nhiên liệu (bi-fuel). Về mặt bÁn chÃt, các lo¿i động c¡ này đều sử dụng đồng thßi khí thiên nhiên và nhiên liệu khác nh°ng nhiên liệu đ°ợc cung cÃp với các ph°¡ng án khác nhau, do đó hệ tháng và hiệu suÃt động c¡ cũng có vài điểm khác nhau.

Trên động c¡ sử dụng nhiên liệu hòa trộn, CNG th°ßng đ°ợc hịa trộn với nhiên liệu khí khác nh° hydrogen tr°ớc khi cÃp vào trong xylanh. ¯u điểm của động c¡ này là nhiên liệu hydrogen và CNG có tính chÃt t°¡ng đái giáng nhau, hệ tháng l°u trữ và cung cÃp nhiên liệu có thể đ°ợc sử dụng đồng thßi cho cÁ hai nhiên liệu. Qua đó, động c¡ CNG – hydrogen giúp gia tăng tính ứng dụng của nhiên liệu hydrogen trên động c¡ đát trong. Tuy nhiên, hỗn hợp nhiên liệu cần đ°ợc hòa tộn bên ngồi hoặc trực tiếp t¿i hệ tháng hịa trộn trên động c¡. Do đó, động c¡ trá nên phức t¿p và khó đánh giá hiệu suÃt với thành phần hòa trộn khác nhau [124].

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

20

Động c¡ l°ỡng nhiên liệu (dual fuel) là lo¿i động c¡ phổ biến nhÃt với tính linh ho¿t cao, yêu cầu ít sự thay đổi và khÁ năng ứng dụng thực tế lớn. Nhiên liệu CNG có thể đ°ợc cung cÃp đồng thßi cùng nhiên liệu xăng (CNG-gasoline dual-fuel) hoặc nhiên liệu diesel (CNG-diesel dual-fuel). Tùy thuộc vào vị trí phun nhiên liệu mà hỗn hợp hai nhiên liệu và khơng khí sẽ đ°ợc hịa trộn trên đ°ßng áng n¿p hoặc trực tiếp bên trong xylanh [125]. Trên động c¡ xăng – CNG, nhiên liệu có thể đ°ợc cung cÃp trên đ°ßng áng n¿p hoặc trong xylanh. M. Bysveen đã chứng minh rằng, nhiên liệu CNG phun trực tiếp sau khi xupap n¿p đóng giúp cÁi thiện q trình cháy của hỗn hợp [126]. Tuy nhiên, động c¡ vẫn yêu cầu hệ tháng đánh lửa và năng l°ợng đánh lửa cao h¡n động c¡ xăng thơng th°ßng. Thêm vào đó, với tỷ sá nén ban đầu thÃp, động c¡ xăng – CNG không tận dụng đ°ợc °u điểm về trị sá Octane cao và khÁ năng cháng kích nổ của nhiên liệu CNG. T.I. Mohamad và các cộng sự đã chỉ ra rằng mô men và công suÃt của động c¡ xăng – CNG giÁm khoÁng 14% so với động c¡ xăng thơng th°ßng [127]. Trong khi đó, động c¡ diesel – CNG có nhiều °u điểm h¡n khi diesel đóng vai trị đánh lửa và lan tràn ngọn lửa. Trong tr°ßng hợp này, nhiên liệu diesel đ°ợc phun trực tiếp vào xylanh, bác cháy khi chịu nén d°ới áp suÃt cao trong chu trình nén của động c¡. Trong khi đó, nhiên liệu CNG có thể đ°ợc phun vào trong xylanh với l°u l°ợng và thßi điểm khác nhau, hịa trộn tr°ớc với khơng khí tr°ớc khi đi vào trong xylanh và t¿o ra một hỗn hợp CNG – khơng khí đồng nhÃt giúp cÁi thiện đ°ợc nh°ợc điểm cháy chậm của CNG [123]. J. Liu và các cộng sự đã nghiên cứu một động c¡ l°ỡng nhiên liệu CNG-diesel với khí thiên nhiên đ°ợc phun điều khiển bằng điện với thßi điểm phun khác nhau [128]. Kết quÁ chỉ ra rằng, khí thÁi NO<small>x</small> giÁm đ°ợc tới 30% so với động c¡ diesel ban đầu. C.S. Weaver và S. H. Turner [129] cũng đã chỉ ra rằng, động c¡ l°ỡng nhiên liệu có thể má rộng giới h¿n cháy của nhiên liệu khí thiên nhiên, động c¡ có khÁ năng ho¿t động với một điều kiện ít nhiên liệu h¡n nhiều so với thơng th°ßng. Thêm vào đó, tỷ lệ hịa trộn CNG và diesel trên động c¡ l°ỡng nhiên liệu cũng vô cùng linh ho¿t. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng, có thể sử dụng tới 90% mà không cần hệ tháng đánh lửa khi một l°ợng nhß diesel cũng có khÁ năng lan tràn ngọn lửa [130]. Ngoài ra, khi ph°¡ng tiện hết nhiên liệu CNG, động c¡ cũng có thể ho¿t động hồn tồn bằng diesel nh° một động c¡ thơng th°ßng.

<b>Hình 1.9 th</b>ể hiện bán chu trình của một động c¡ l°ỡng nhiên liệu CNG-diesel với CNG đ°ợc phun trên đ°ßng áng n¿p.

Tr°ßng hợp cuái cùng của động c¡ kết hợp hai nhiên liệu là động c¡ sử dụng song song nhiên liệu CNG và nhiên liệu xăng (switchable) với hệ tháng cung cÃp nhiên liệu riêng biệt (bi-fuel). Động c¡ này chủ yếu sử dụng cho các xe tÁi h¿ng nhẹ với hệ tháng nhiên liệu có khÁ năng chuyển đổi giữa CNG và xăng. Về mặt hiệu quÁ, ph°¡ng tiện này mang °u điểm của động c¡ CNG khi giÁm l°ợng phát thÁi CO<small>2</small> và HC cũng nh° h¿n chế sử dụng nhiên liệu xăng [131]. Omid Ghafarpasand và nhóm nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm trên taxi và ph°¡ng tiện cá nhận sử dụng bi-fuel. Kết quÁ cho thÃy, ph°¡ng tiện cá nhân giÁm đ°ợc 70% khí thÁi trong khi taxi giÁm đ°ợc 42% CO và 85% HC. Về mặt kỹ thuật, động c¡ này không có nhiều khác biệt với động c¡ đ¡n nhiên liệu, tuy nhiên khÁ năng chuyển đổi giúp ng°ßi dùng thuận tiện h¡n trong quá trình sử dụng ph°¡ng tiện. Hầu hết các ph°¡ng tiện này đều có khÁ năng chuyển đổi tự động sang xăng khi hết CNG và chuyển đổi ng°ợc l¿i khi nhiên liệu CNG đ°ợc n¿p đầy. H¿n chế lớn nhÃt của ph°¡ng tiện này là vÃn đề về thùng chứa và cung cÃp đồng thßi hai nhiên liệu cũng nh° yêu cầu một hệ tháng chuyển đổi phức t¿p.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

21

<i>Hình 1.9. Bán chu trình của động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel [132] </i>

<b> ỏng c CNG chuyỏn òi t ỏng c¢ xăng </b>

Do đặc điểm của nhiên liệu khí với nhiệt độ tự đánh lửa cao t°¡ng tự nh° nhiên liệu xăng, động c¡ CNG có thể đ°ợc chuyển đổi từ động c¡ xăng một cách dễ dàng [133]. Nếu bß qua vÃn đề về tỷ sá nén, động c¡ CNG chỉ cần thay đổi hệ tháng cung cÃp nhiên liệu từ động c¡ xăng. Thơng th°ßng, khi chuyển đổi từ động c¡ xăng, hệ tháng cÃp nhiên liệu xăng cũng đ°ợc giữ l¿i và một hệ tháng cung cÃp nhiên liệu xăng và vòi phun chuyên dụng đ°ợc thêm vào để có thể chuyển đổi giữa hai nhiên liệu khi cần thiết. Lúc này, động c¡ CNG còn đ°ợc gọi là động c¡ CNG bi-fuel. Động c¡ CNG đ°ợc chuyển đổi th°ßng giữ các chiến l°ợc cÃp nhiên liệu của động c¡ ban đầu nh° ph°¡ng pháp cÃp nhiên liệu (gián tiếp hay trực tiếp), vị trí hay góc đặt vịi phun, thßi điểm phun,… M. I. Jahirul và các cộng sự đã lắp đặt hệ tháng cung cÃp nhiên liệu CNG cho động c¡ xăng 4 xylanh 1.6 L với một van solenoid có nhiệm vụ chuyển đổi giữa xăng và CNG [107]. Các kết quÁ từ thí nghiệm đã chỉ ra rằng nhiên liệu CNG giÁm 10% cơng st động c¡ nh°ng đồng thßi cũng giÁm 15% suÃt tiêu hao nhiên liệu. Ngoài ra, phát thÁi của động c¡ cũng giÁm đáng kể khi sử dụng nhiên liệu CNG. A. Gharehghani cũng đã chỉ ra rằng công suÃt đầu ra của động c¡ giÁm đi khi chuyển đổi sang sử dụng CNG [134]. Nh°ợc điểm này có thể đ°ợc khắc phục bằng việc tăng tỷ sá nén của động c¡ chuyển đổi [135]. Nhß vào trị sá Octane lớn, động c¡ CNG có thể ho¿t động với tỷ sá nén lớn h¡n nhiều so với xăng để tái °u công suÃt. J. Pradeep Bhasker và các cộng sự đã nghiên cứu thay đổi tỷ sá nén của một động c¡ CNG chuyển đổi và kết luận rằng tăng tỷ sá nén của động c¡ giúp cÁi thiện đ°ợc hiệu suÃt nhiệt và công suÃt làm việc [136]. Sridhar Sahoo đã thực hiện thí nghiệm trên động c¡ CNG chuyển đổi với tỷ sá nén lên tới 16 mà khơng có dÃu hiệu kích nổ [135]. Thêm vào đó, Liu Hui và nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng nghiên liệu CNG có khẳ năng chịu nén với tỷ trọng năng l°ợng t°¡ng đ°¡ng với xăng [137]. Ngoài ra, hiệu suÃt làm việc của động c¡ CNG cũng có thể đ°ợc cÁi thiện bằng việc tăng áp suÃt phun nhiên liệu và áp suÃt n¿p. Tennant và cộng sự đã ứng dụng hệ tháng tăng áp trên động c¡ CNG 1.9 L đ°ợc chuyển đổi từ xăng để cÁi thiện quá trình

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

22

n¿p của động c¡ [138]. Kết quÁ cho thÃy rằng, áp suÃt n¿p cao giúp cÁi thiện đáng kể nh°ợc điểm n¿p khơng khí của động c¡ CNG, tuy nhiên, hiệu suÃt của hệ tháng tăng áp giÁm khi động c¡ ho¿t động á tỷ sá nén cao. D. Ramasamy cũng chỉ ra rằng, thay đổi thßi điểm đóng má xu páp cũng giúp cÁi thiện hiệu suÃt n¿p và giÁm suÃt tiêu hao nhiên liệu của động c¡ khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG [139]. Bái CNG là nhiên liệu khí, q trình hịa trộn nhiên liệu CNG diễn ra khác với xăng. Do đó, để sử dụng CNG trên động c¡ xăng, thßi điểm đánh lửa hay chiến l°ợc phun cũng là các yếu tá quan trọng khi sử dụng nhiên liệu CNG. Nhiều nghiên cứu thay đổi chiến l°ợc phun và đánh lửa cũng thu đ°ợc những cÁi thiện đáng kể về hiệu suÃt làm việc cũng nh° phát thÁi và suÃt tiêu hao nhiên liệu [140]. Ngồi ra, hịa trộn một l°ợng nhß hydrogen, biofuel hay giÁm hàm l°ợng propane trong nhiên liệu cũng là một ph°¡ng án giúp nâng cao hiệu sut ng cĂ [122, 141].

<b>ỏng c CNG chuyỏn òi tć đáng c¢ diesel </b>

Nghiên cứu của Krister Olsson và Bengt Johansson đã khẳng định rằng, tr°ớc đây những ph°¡ng tiện vận tÁi th°¡ng m¿i sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên đều là những động c¡ diesel cỡ lớn đ°ợc chuyển đổi sang sử dụng khí thiên nhiên. Hình d¿ng buồng cháy của những động c¡ diesel chuyển đổi này đều có d¿ng: phần nắp máy có d¿ng phẳng, trong khi piston có d¿ng lõm á phần đỉnh. Mục đích của chuyển đổi từ động c¡ diesel thành động c¡ khí thiên nhiên là để tận dụng °u thế về sự chuyển động rái của đ°ßng n¿p và sự xuÃt hiện của hiện t°ợng squish trong xylanh khi piston tiến gần đến điểm chết trên. Đây là những °u điểm cần thiết để hỗ trợ làm tăng khÁ năng đát cháy nhiên liệu và giÁm tổn thÃt nhiệt ra thành buồng cháy á động c¡ cháy c°ỡng bức [142]. Do sự khác biệt về tính chÃt vật lý và hóa học giữa CNG và diesel, khi chuyển đổi động c¡ diesel thành động c¡ sử dụng hồn tồn khí thiên nhiên cần có nhiều sự thay đổi trực tiếp. Tuy nhiên, các nghiên cứu chuyển đổi động c¡ diesel thành động c¡ sử dụng khí thiên nhiên đều chỉ ra rằng cần phÁi giÁm tỷ sá nén của động c¡ diesel ban đầu và thêm vào hệ tháng đánh lửa [143]. Động c¡ CNG chuyển đổi từ động c¡ diesel dễ dàng đ¿t đ°ợc hiệu suÃt nhiệt cao h¡n so với chuyển đổi từ động c¡ xăng, bái tận dụng đ°ợc những °u điểm về cÁi thiện động năng dịng mơi chÃt bên trong xylanh động c¡ [144]. Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc thay đổi piston là cần thiết để tái °u hiệu suÃt làm việc của động c¡ CNG. Johansson và nhóm nghiên cứu đã thực hiện chuyển đổi động c¡ VOLVO TD102 sang sử dụng CNG với m°ßi hình d¿ng piston khác nhau [145]. Kết q cho thÃy, hình d¿ng buồng cháy có Ánh h°áng lớn tới q trình hịa trộn và dịng chÁy rái trong buồng cháy từ đó cÁi thiện hiệu suÃt động c¡. Nghiên cứu của Patrik Einewall cũng chỉ ra rằng hình d¿ng piston thích hợp góp phần cÁi thiện quá trình cháy và hòa trộn nhiên liệu của động c¡ [146]. B. Yadollahi và M. Boroomand đã thực hiện mơ phßng CFD trên phần mềm AVL Fire với nhiều hình d¿ng buồng cháy và vịi phun khác nhau[147]. Các kết q mơ phßng chỉ ra rằng, piston lõm giúp tăng khÁ năng hòa trộn nhiên liệu và giÁm thiểu đ°ợc các vùng nhiên liệu khơng đều. Vịi phun nhiều lỗ cũng thể hiện hiệu q tát h¡n trong q trình hịa trộn so với vòi phun đ¡n với cùng l°ợng nhiên liệu phun. R. Chandra đã nghiên cứu sử dụng CNG trên động c¡ tỷ sá nén 12.65 với các thßi điểm đánh lửa khác nhau [148]. Kết quÁ chỉ ra công suÃt động c¡ giÁm so với động c¡ diesel ban đầu tuy nhiên l°ợng khí thÁi CO<small>2</small> cũng giÁm t°¡ng đái đáng kể, thßi điểm đánh lửa tái °u đ°ợc tìm ra á 35 độ tr°ớc TDC. Thßi điểm phun nhiên liệu cũng có Ánh h°áng rÃt lớn tới động c¡ CNG chuyển đổi đặc biệt với tr°ßng hợp động c¡ phun trực tiếp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

23

Ke Zeng [149] đã chỉ ra rằng, thßi điểm phun muộn khiến cho q trình hịa trộn khơng đủ thßi gian diễn ra làm giÁm chÃt l°ợng hỗn hợp nhiên liệu từ đó dẫn đến nhiều tổn thÃt nh° hiện t°ợng cháy chậm, thßi gian cháy cao và tỷ lệ HC trong khí thÁi lớn. Kết q cũng chỉ ra rằng, thßi điểm phun thích hợp giúp cÁi thiện cÁ q trình cháy và khí thÁi của động c¡ qua đó tăng áp suÃt trong xylanh, tăng tác độ cháy và tác độ tßa nhiệt cũng nh° giÁm thiểu đ°ợc khí thÁi CO và HC. Thêm vào đó, thiết kế vịi phun và áp suÃt phun cũng Ánh h°áng tới quá trình cháy cũng nh° hiệu suÃt của động c¡. Nhóm nghiên cứu của Mindaugas Melaika [150] đã thực hiện thí nghiệm trên động c¡ CNG phun trực tiếp với các thiết kế vịi phun có 7 lỗ phun và thßi điểm bắt đầu phun cũng nh° áp suÃt phun khác nhau. Kết quÁ cho thÃy, sử dụng vòi phun nhiều lỗ giúp cho quá trình cháy diễn ra ổn định h¡n. Áp suÃt phun nhiên liệu tăng lên 50 bar cũng giúp q trình hịa trộn tát h¡n đặc biệt là trong tr°ßng hợp phun muộn. Dịng chÁy rái của hỗn hợp nhiên liệu cũng tát h¡n trong tr°ßng hợp áp suÃt phun nhiên liệu lớn và vòi phun thiết kế nhiều lỗ.

<b>nhiên </b>

<b> Các nghiên cąu ngoài n°ãc </b>

Hệ tháng cung cÃp nhiên liệu cũng nh° ph°¡ng án cung cÃp nhiên liệu có Ánh h°áng rÃt lớn tới hiệu quÁ làm việc của động c¡ CNG. Đái với mỗi ph°¡ng án cung cÃp nhiên liệu khác nhau các thơng sá phun nhiên liệu nh° l°u l°ợng phun, thßi điểm phun, thßi gian phun, áp suÃt phun hay tỷ lệ thay thế nhiên liệu CNG đều có các Ánh h°áng nhÃt định tới hiệu suÃt làm việc, thông sá đặc tính hay phát thÁi của động c¡ CNG. Hiện t¿i, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đánh giá Ánh h°áng của các thông sá kể trên đái với động c¡ CNG đ¡n hay l°ỡng nhiên liệu. Các nghiên cứu tiêu biểu có thể liệt kê nh° sau:

S. Sahoo và các cộng sự [151] đã nghiên cứu Ánh h°áng của thßi điểm phun nhiên liệu đến quá trình cháy và hiệu suÃt của động c¡ CNG – xăng. Thực nghiệm đ°ợc thực hiện chuyển đổi động c¡ bán xylanh sang sử dụng đồng thßi nhiên liệu xăng và CNG. Động c¡ đ°ợc vận hành với các thßi điểm khác nhau để xem xét hiệu suÃt nhiệt, mô men và suÃt tiêu hao nhiên liệu của động c¡. Các kết quÁ chỉ ra rằng thßi điểm phun nhiên liệu có Ánh h°áng đáng kể đến cơng st và mô men của động c¡ l°ỡng nhiên liệu. Công suÃt và mơ men lớn nhÃt đ¿t đ°ợc với thßi điểm phun t¿i 26 độ tr°ớc điểm chết trên (TDC).

S. Aljamali và nhóm nghiên cứu [152] đã phân tích Ánh h°áng của thßi điểm phun tới hiệu suÃt và khí thÁi của động c¡ khí thiên nhiên phun trực tiếp. Một động c¡ bán xylanh phun trực tiếp đ°ợc nghiên cứu và đo đ¿t các thông sá nh° công suÃt, suÃt tiêu hao nhiên liệu và khí thÁi. Các kết quÁ chỉ ra rằng, thßi điểm phun nhiên liệu có Ánh h°áng tích cực tới cơng st và st tiêu hao nhiên liệu của động c¡ CNG. Công suÃt và suÃt tiêu hao nhiên liệu đ¿t đ°ợc tái °u khi phun t¿i 22 độ BTDC. Các thơng sá khí thÁi nh° CO, NO<small>x</small> và HC cũng giÁm đi đáng kể với thßi điểm phun nhiên liệu 22 độ BTDC.

P.A. Harari và cộng sự [153] cũng đã nghiên cứu Ánh h°áng của thßi điểm phun và thßi gian phun trên một động c¡ CNG phun trên đ°ßng áng n¿p. Động c¡ thí nghiệm đ°ợc cung cÃp đồng thßi nhiên liệu CNG và diesel với vai trò đánh lửa do nén. Các thßi điểm và thßi gian phun khác nhau đ°ợc điều chỉnh để đánh giá sự thay

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

24

đổi của công suÃt, suÃt tiêu hao nhiên liệu và khí thÁi của động c¡. Kết quÁ cho thÃy, thßi điểm và thßi gian phun có Ánh h°áng rÃt lớn đến công suÃt và suÃt tiêu hao nhiên liệu. Các thông sá hiệu suÃt đ¿t đ°ợc giá trị tái °u với thßi điểm phun 25 độ BTDC và thßi gian phun 90 độ góc quay trục khuỷu. Trong khi đó, với các chiến l°ợc phun này, phát thÁi NO<small>x</small> và HC của động c¡ cũng đ°ợc giÁm đáng kể.

J. Sevik và nhóm nghiên cứu [154] đã so sánh cơng st, hiệu st làm việc và khí thÁi giữa ba ph°¡ng án phun nhiên liệu khác nhau trên cùng một động c¡. Thực nghiệm đ°ợc thực hiện trên động c¡ một xylanh với các hệ tháng phun trực tiếp nhiên liệu CNG, phun gián tiếp CNG và phun gián tiếp nhiên liệu xăng. Kết quÁ chỉ ra rằng, động c¡ CNG phun trực tiếp có cơng st và suÃt tiêu hao nhiên liệu tát nhÃt. Tuy nhiên, khí thÁi NO<small>x</small> tăng so với động c¡ phun xăng và CNG trên đ°ßng áng n¿p. Động c¡ phun trực tiếp cho thÃy hiệu quÁ đát nhiên liệu tát h¡n lên tới 10%. Ngoài ra, động c¡ phun nhiên liệu CNG giÁm khoÁng 30% l°ợng phát thÁi CO<small>2</small> khi động c¡ làm việc toàn tÁi.

M. Chiodi [155] đã nghiên cứu các chiến l°ợc phun khác nhau nh° phun đ¡n, phun kép, phun phụ và phun thêm trên động c¡ CNG phun trực tiếp có tăng áp. Thực nghiệm đ°ợc thực hiện trên động c¡ một xylanh với các thông sá công suÃt, suÃt tiêu hao nhiên liệu, phát thÁi CO, NO<small>x</small> và HC. Các kết quÁ cho thÃy, chế độ phun kép thu đ°ợc công suÃt và suÃt tiêu hao nhiên liệu tát nhÃt. Tuy nhiên, hàm l°ợng NO<small>x</small> trong khí thÁi lớn h¡n so với các chế độ phun còn l¿i. SuÃt tiêu hao nhiên liệu ít h¡n cùng với cơng st lớn h¡n cho thÃy hiệu suÃt nhiên liệu hiệu quÁ h¡n khi sử dụng chế độ phun kép với hai lần phun chính.

Y. Chen và các cộng sự [156] nghiên cứu Ánh h°áng của áp suÃt phun nhiên liệu và hệ tháng tuần hồn khí xÁ đến hiệu st làm việc và khí xÁ của một động c¡ l°ỡng nhiên liệu CNG-diesel. Thí nghiệm đ°ợc thực hiện trên động c¡ CNG một xylanh với các thông sá công suÃt, suÃt tiêu hao nhiên liệu, phát thÁi CO, NO<small>x</small> và HC đ°ợc đo đ¿t. Kết quÁ chỉ ra rằng tăng áp suÃt phun nhiên liệu và tỷ lệ tuần hồn khí xÁ có Ánh h°áng rõ ràng tới hiệu suÃt và khí thÁi của động c¡. Tăng áp suÃt phun nhiên liệu giúp cÁi thiện đáng kể công suÃt và giÁm suÃt tiêu hao nhiên liệu. Trong khi đó, tăng tỷ lệ tuần hồn khí xÁ giúp làm giÁm phát thÁi NO<small>x</small> nh°ng đồng thßi tăng l°ợng phát thÁi CO và HC.

K. Pan và nhóm nghiên cứu [157] đã thực hiện mơ phßng CFD phun nhiên liệu hydrogen trên động c¡ CNG phun trực tiếp. Nghiên cứu so sánh dòng chÁy và đặc tính cháy của động c¡ CNG khi phun và không phun nhiên liệu hydrogen. Kết quÁ chỉ ra rằng một l°ợng nhß hydrogen phun vào giúp cÁi thiện đáng kể đặc tính của động c¡ và suÃt tiêu hao nhiên liệu. Đồng thßi l°ợng phát thÁi NO<small>x</small> và HC cũng giÁm đi khá nhiều so với động c¡ phun CNG trực tiếp ban đầu.

<b> Các nghiên cąu trong n°ãc </b>

T¿i Việt Nam hiện nay đã có một sá cơng trình nghiên cứu nhằm thử nghiệm đ°a nhiên liệu mới vào sử dụng cho động c¡ đát trong nh°: nhiên liệu sinh học, nhiên liệu khí hßa lßng, khí đát tự nhiên... Hầu hết các nghiên cứu b°ớc đầu chủ yếu là thử nghiệm cho các động c¡ th°¡ng m¿i sẵn có bằng các giÁi pháp kỹ thuật nh° sử dụng l°ỡng nhiên liệu (Dual fuel) bằng cách kết hợp giữa các nhiên liệu truyền tháng (xăng và diesel) l°ợng nhiên liệu mới cũng chỉ chiếm một l°ợng nhß so với nhiên liệu truyền tháng. Các nghiên cứu cụ thể về động c¡ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) là rÃt h¿n chế vì rÃt khó tiếp cận với các nghiên cứu này hoặc các kết quÁ

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

25

nghiên cứu về nhiên liệu CNG vẫn ch°a đ°ợc thßa mãn để là c¡ sá phát triển động c¡ nhiên liệu CNG. Một sá nghiên cứu đã đ°ợc tiếp cận phần nào về động c¡ sử dụng nhiên liệu CNG có thể liệt kê nh° sau:

Nguyen Thanh Tuan với một nghiên cứu năm 2010 đã chỉ ra các lợi thế của việc sử dụng động c¡ CNG t¿i Việt Nam. Cùng với đó, các vÃn đề về trang thiết bị, tr¿m n¿p nhiên liệu, an toàn sử dụng cần đ°ợc cÁi thiện và đÁm bÁo [158].

Nguyen Danh Chan và Le Hung Duong cũng đã nghiên cứu các dự án sử dụng nhiên liệu CNG cho xe buýt t¿i Việt Nam và chỉ ra rằng, chi phí cho các ph°¡ng tiện công cộng sử dụng CNG cao h¡n đáng kể so với sử dụng xăng. Tuy nhiên các lợi ích khi giÁm chi phí nhiên liệu sử dụng và phát thÁi mơi tr°ßng là rÃt lớn [159].

Tác giÁ Hồng Đình Long đã nghiên cứu thực nghiệm sử dụng nhiên liệu khí nén thiên nhiên trên động c¡ CNG [160]. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng động c¡ diesel một xylanh Kubota SKD80 để cung cÃp đồng thßi nhiên liệu CNG và diesel với một hệ tháng phun nhiên liệu CNG đ°ợc thêm vào trên đ°ßng áng n¿p. Các kết quÁ chỉ ra rằng phát thÁi NO<small>x</small> có thể giÁm trên 50%, l°ợng khói đen giÁm h¡n 10 lần. Các kết quÁ có thể khẳng định rằng nhiên liệu CNG là giÁi pháp thiết thực cho việc tiết kiệm nhiên liệu và giÁm phát thÁi NO<small>x</small> và khói bụi.

Tác giÁ Trần Đăng Quác đã nghiên cứu hiệu suÃt làm việc của động c¡ CNG đ°ợc chuyển đổi từ động c¡ diesel với các hình d¿ng piston khác nhau. Nghiên cứu đánh giá các thông sá làm việc của động c¡ nh° mô men, áp suÃt, nhiệt độ động c¡. Kết q cho thÃy hình d¿ng đỉnh piston có Ánh h°áng rõ ràng tới hiệu suÃt động c¡ CNG. Những Ánh h°áng này đ°ợc giÁi thích bái các yếu tát nh° tỷ lệ khí và nhiên liệu trong hỗn hợp cháy, tỷ lệ áp suÃt và nhiệt độ. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tái °u hóa hình d¿ng đỉnh piston cũng góp phần tăng hiệu suÃt và giÁm phát thÁi của động c¡ [161].

Nguyen Thanh Tuan và Nguyen Phu Dong cũng đã nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG cho động c¡ xe máy Suzuki Viva [162]. Nghiên cứu xem xét các thông sá của hệ tháng nhiên liệu CNG trên động c¡ xe máy. Kết quÁ chỉ ra rằng nhiên liệu CNG giúp giÁm đáng kể các thông sá phát thÁi của động c¡, tuy nhiên, hiệu suÃt làm việc cũng giÁm một phần nhß so với động c¡ ban đầu. Ngoài ra, các vÃn đề khi lắp đặt hệ tháng nhiên liệu CNG trên xe máy cũng là vÃn đề cần quan tâm.

Trần Thanh Tâm đã <Nghiên cứu Ánh h°áng của một sá thông sá kết cÃu đến đặc tính làm việc và phát thÁi của động c¡ diesel chuyển đổi sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG)= sử dụng vòi phun điều khiển bằng c¡ khí với áp phun 1 bar [163]. Các kết quÁ đã chỉ ra rằng, Ánh h°áng của tỷ sá nén, hình d¿ng đỉnh piston đến thßi gian cháy và phát thÁi của động c¡ là rÃt lớn. Các kết quÁ thu đ°ợc từ thực nghiệm đã chứng minh rằng, sự thay đổi hình d¿ng buồng cháy trên đỉnh piston đã rút ngắn đ°ợc thßi gian cháy á động c¡ nghiên cứu. Kết cÃu hình học của đỉnh piston đã gián tiếp góp phần khắc phục đ°ợc nh°ợc điểm về tác độ cháy chậm á nhiên liệu khí thiên nhiên.

</div>