Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu

MỤC LỤC
MỤC LỤC .......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................. vi
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ ......................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... xi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................... xiii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
i. Sự cần thiết của đề tài ..................................................................................................... 1
ii. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................... 2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
iv. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................. 2
v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ......................................................................... 2
vi. Nội dung chính của đề tài ............................................................................................. 3

CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ................................................... 4
1.1. Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong ...................................................... 4
1.1.1. Sự cần thiết của việc sử dụng nhiên liệu thay thế .................................................. 4
1.1.2. Yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế ......................................................................... 5
1.1.3. Một số nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng......................................................... 5
1.1.3.1. Nhiên liệu sinh học cồn ......................................................................................... 5
1.1.3.2. Khí tổng hợp giàu hydro ....................................................................................... 5
1.1.3.3. Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) .................................................................................. 6
1.1.3.4. Nhiên liệu khí thiên nhiên...................................................................................... 6
1.2. Đặc điểm của khí thiên nhiên ..................................................................................... 7
1.2.1. Nguồn gốc và thành phần của khí thiên nhiên ...................................................... 7
1.2.2. Tính chất của khí thiên nhiên ................................................................................. 9
1.2.3. Các phương pháp tích trữ và vận chuyển khí thiên nhiên ................................... 10
1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ đốt cháy cưỡng bức .............. 12
1.3.1. Sự phát triển của các phương tiện GTVT sử dụng nhiên liệu CNG ................... 12
1.3.2. Các phương pháp cung cấp CNG và tạo hỗn hợp trên động cơ .......................... 14

1.3.2.1. Hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn .................................................... 15
1.3.2.2. Hệ thống phun CNG vào cửa nạp ....................................................................... 17
1.3.2.3. Hệ thống phun trực tiếp CNG vào trong xi lanh động cơ ................................... 17
i


1.3.3 Chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG ...............................................18
1.3.3.1. Giới thiệu chung.................................................................................................. 18
1.3.3.2. Chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG ............................................ 19
1.3.4. Các nghiên cứu sử dụng CNG cho ĐCĐT ............................................................ 20
1.3.4.1. Các nghiên cứu sử dụng CNG cho ĐCĐT trên thế giới ..................................... 20
1.3.4.2. Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí và CNG cho ĐCĐT ở Việt Nam ........... 22
1.3.4.3. Nhận xét chung về sử dụng CNG cho ĐCĐT...................................................... 23
1.3.5. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ chuyển đổi .............24
1.3.5.1. Thay đổi kết cấu động cơ .................................................................................... 24
1.3.5.2. Bổ sung hydro ..................................................................................................... 25
1.3.5.3. Sử dụng phụ gia nhiên liệu ................................................................................. 25
1.3.5.4. Phụ gia Maz-nitro ............................................................................................... 26
1.4. Kết luận Chương 1 .................................................................................................... 28

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỬ DỤNG CNG TRÊN ĐỘNG
CƠ XĂNG HIỆN HÀNH BẰNG PHẦN MỀM AVL-BOOST ..................... 31
2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................................ 31
2.2. Cơ sở lý thuyết của phần mềm AVL-Boost ............................................................ 33
2.2.1. Mô hình hỗn hợp nhiên liệu...................................................................................33
2.2.2. Mô hình cháy ..........................................................................................................34
2.2.3. Mô hình truyền nhiệt .............................................................................................. 38
2.2.4. Quá trình hình thành phát thải ..............................................................................42
2.2.4.1. Hình thành phát thải CO..................................................................................... 42
2.2.4.2. Hình thành HC .................................................................................................... 42

2.2.4.3. Hình thành phát thải NOx ................................................................................... 45
2.3. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ 1NZ-FE ..................................................... 46
2.3.1. Giao diện của AVL-Boost ....................................................................................... 46
2.3.2. Các phần tử của chương trình ...............................................................................46
2.3.3. Thiết lập mô hình động cơ 1NZ-FE trên AVL-Boost............................................48
2.3.4. Nhập dữ liệu cho mô hình ...................................................................................... 49
2.4. Đánh giá độ tin cậy của mô hình ............................................................................. 50
2.5. Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ 1NZ-FE khi
chuyển sang sử dụng nhiên liệu CNG ............................................................................ 52
2.5.1. Công suất .................................................................................................................52
2.5.2. Suất tiêu hao nhiên liệu .......................................................................................... 54
2.5.3. Phát thải của động cơ ............................................................................................. 55
ii


2.5.4. Đánh giá chung ...................................................................................................... 56
2.6. Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ CNG ........................................................... 57
2.6.1. Giới thiệu chung..................................................................................................... 57
2.6.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đặc điểm làm việc của động cơ.............. 58
2.6.2.1. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến BMEP .................................................... 58
2.6.2.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải
của động cơ ...................................................................................................................... 59
2.6.3. Xác định góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ khi sử dụng CNG ..................... 62
2.7. Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 63

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ
THỐNG CUNG CẤP CNG VÀ PHỤ GIA CHO ĐỘNG CƠ 1NZ-FE ......... 65
3.1. Giới thiệu chung ........................................................................................................ 65
3.2. Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn ........... 66
3.2.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn .................... 66

3.2.1.1. Sơ đồ bố trí chung ............................................................................................... 66
3.2.1.2. Cấu tạo bộ hòa trộn ............................................................................................ 67
3.2.2. Các bộ phận khác của hệ thống ............................................................................ 68
3.2.2.1. Bình chứa CNG ................................................................................................... 68
3.2.2.2. Van đầu bình chứa CNG ..................................................................................... 68
3.2.2.3. Van điện từ .......................................................................................................... 69
3.2.2.4. Bộ giảm áp .......................................................................................................... 70
3.2.2.5. Van công suất ...................................................................................................... 71
3.2.3. Tính toán thiết kế bộ hòa trộn ............................................................................... 72
3.2.3.1. Lựa chọn kết cấu bộ hòa trộn.............................................................................. 72
3.2.3.2. Tính toán kích thước bộ hòa trộn ........................................................................ 73
3.2.3.3. Bản vẽ thiết kế bộ hòa trộn.................................................................................. 78
3.2.4. Lắp đặt và điều chỉnh hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn ................. 78
3.3. Tính toán thiết kế hệ thống phun CNG vào cửa nạp ............................................. 78
3.3.1 Sơ đồ bố trí chung ................................................................................................... 78
3.3.2. Tính toán, thiết kế hệ thống phun CNG ................................................................ 80
3.3.2.1. Tính toán lượng nhiên liệu CNG phun ................................................................ 80
3.3.2.2. Tính toán điều khiển phun CNG trên động cơ 1NZ-FE ...................................... 83
3.3.3. Lắp và hiệu chỉnh hệ thống phun CNG trên động cơ 1NZ-FE ........................... 85
3.4. Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro ...................................... 86
3.4.1. Yêu cầu đối với hệ thống cung cấp phụ gia .......................................................... 86
iii


3.4.2. Sơ đồ bố trí chung của hệ thống ............................................................................86
3.4.3. Tính toán thiết kế bộ điều khiển phun phụ gia ..................................................... 87
3.4.3.1.Tính lưu lượng phụ gia cấp và chọn vòi phun và phương pháp điều khiển......... 87
3.4.3.2. Tính toán hệ thống điều khiển phun .................................................................... 89
3.4.3.3. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển phun phụ gia ...................................................... 90
3.4.3.4. Thiết kế chế tạo bình chứa và tạo áp phụ gia ..................................................... 90

3.4.4. Tính toán thiết kế bộ hóa hơi tận dụng nhiệt khí thải ..........................................91
3.4.4.1. Nhiệt lượng yêu cầu để hóa hơi phụ gia ............................................................. 91
3.4.4.2. Tính toán thiết kế bộ hóa hơi phụ gia tận dụng nhiệt khí thải ............................ 92
3.4.5. Lắp và hiệu chỉnh hệ thống cung cấp phụ gia ...................................................... 95
3.5. Kết luận chương 3 ..................................................................................................... 95

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................ 97
4.1. Mục đích, phạm vi và chương trình thử nghiệm ................................................... 97
4.1.1. Mục đích thử nghiệm .............................................................................................. 97
4.1.2. Phạm vi thử nghiệm ................................................................................................ 97
4.1.3. Chương trình thử nghiệm ...................................................................................... 97
4.1.3.1. Hiệu chỉnh thiết bị thí nghiệm ............................................................................. 97
4.1.3.2. Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ .......................... 98
4.2. Trang thiết bị thử nghiệm ........................................................................................ 98
4.2.1. Động cơ thử nghiệm ............................................................................................... 98
4.2.2. Băng thử động lực học cao ETB ............................................................................99
4.2.3. Thiết bị và phương pháp đo tiêu thụ nhiên liệu .................................................... 99
4.2.3.1. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu xăng .................................................................... 99
4.2.3.2. Phương pháp và thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu CNG ....................................... 100
4.2.4. Thiết bị đo phát thải .............................................................................................. 101
4.2.4.1. Nguyên lý làm việc của bộ phân tích CO .......................................................... 102
4.2.4.2. Nguyên lý làm việc của bộ phân tích NO và NOx ............................................. 103
4.2.4.3. Nguyên lý làm việc của hệ thống đo HC ........................................................... 104
4.3. Kết quả thử nghiệm và thảo luận .......................................................................... 104
4.3.1. Đánh giá độ tin cậy của thiết bị cung cấp CNG và phụ gia Maz-nitro ..............104
4.3.1.1. Thiết bị cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn .................................................... 105
4.3.1.2. Thiết bị phun CNG ............................................................................................ 106
4.3.1.3. Thiết bị cung cấp phụ gia.................................................................................. 107
4.3.2. Đánh giá chỉ tiêu công suất của động cơ ............................................................. 108

iv


4.3.3. Đánh giá tiêu hao nhiên liệu của động cơ .......................................................... 110
4.3.4. Đánh giá phát thải của động cơ .......................................................................... 113
4.3.4.1. Phát thải CO...................................................................................................... 113
4.3.4.2. Phát thải HC...................................................................................................... 115
4.3.4.3. Phát thải NOx .................................................................................................... 117
4.3.5. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm động cơ .......................................... 119
4.4. Kết luận Chương 4 .................................................................................................. 121

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............. 123
Kết luận chung: .............................................................................................................. 123
Hướng phát triển của đề tài: ......................................................................................... 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 125
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........ 132
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 133

v


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong các công trình nào khác.
Hà Nội, tháng

năm 2016

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Trung

vi


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,
Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép và giúp đỡ tôi thực hiện
luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long đã hướng dẫn tận tình và chu
đáo về phương pháp và chuyên môn để em có thể thực hiện và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, quý thầy cô và các đồng nghiệp khoa
Động lực trường Cao đẳng nghề Cơ khí nông nghiệp đã luôn giúp đỡ và dành cho những
điều kiện hết sức thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong Hội đồng
chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để em có thể hoàn chỉnh luận
án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã
luôn động viên khuyến khích trong suốt thời gian tham gia nghiên cứu và thực hiện công
trình này.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thành Trung

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ SƠ ĐỒ
Hình 1.1. Bản đồ trữ lượng khí thiên nhiên phân bố theo khu vực [92] ............................... 6
Hình 1.2. Sơ đồ trạm sản xuất CNG trực tiếp từ khí thiên nhiên ........................................ 11
Hình 1.3. Quá trình công nghệ sản xuất CNG từ LNG ....................................................... 11
Hình 1.4. Tổng số ô tô thế giới sử dụng CNG trong các năm 1996-2016 [94] ................... 12
Hình 1.5. Phương tiện giao thông sử dụng CNG ................................................................ 14
Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn kiểu ống venturi .................... 15
Hình 1.7. Các dạng kết cấu venturi ..................................................................................... 15
Hình 1.8. Sơ đồ cung cấp CNG trên động cơ dùng bộ hòa trộn và điều khiển điện tử ....... 16
Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống phun đa điểm CNG vào đường nạp ............................................ 17
Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống phun CNG trực tiếp .................................................................. 18
Hình 2.1. Hiện tượng cháy sát vách .................................................................................... 37
Hình 2.2. Sự trao đổi nhiệt .................................................................................................. 38
Hình 2.3. Mô hình động cơ 1NZ-FE trên AVL-Boost ........................................................ 48
Hình 2.4. So sánh kết quả mô phỏng công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ với
số liệu thực nghiệm khi sử dụng xăng RON 92 .................................................................. 50
Hình 2.5. So sánh kết quả mô phỏng phát thải CO, HC, NOx của động cơ với số liệu thực
nghiệm khi sử dụng xăng RON 92 ...................................................................................... 51
Hình 2.6. So sánh công suất mô phỏng khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ ................ 52
Hình 2.7. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu mô phỏng khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc
độ ......................................................................................................................................... 54
Hình 2.8. So sánh phát thải CO khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ ............................ 55
Hình 2.9. So sánh phát thải HC khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ ............................ 56
Hình 2.10. So sánh phát thải NOx khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ ........................ 56
Hình 2.11. Sự thay đổi BMEP theo góc đánh lửa sớm ....................................................... 59
Hình 2.12. Chỉ số Octan yêu cầu theo góc đánh lửa sớm ................................................... 59
Hình 2.13. So sánh kết quả tính toán mô phỏng Ne và ge khi áp dụng góc đánh lửa sớm
nguyên bản (NB) và khi áp dụng góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) ................. 60
Hình 2.14. So sánh kết quả mô phỏng nhiệt độ khí thể cực đại trong xi lanh khi áp dụng

góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) ........ 61
Hình 2.15. So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải CO khi áp dụng góc đánh lửa sớm
nguyên bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) ..................................... 61
Hình 2.16. So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải HC khi áp dụng góc đánh lửa sớm
nguyên bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) ..................................... 61

viii


Hình 2.17. So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải NOx khi áp dụng góc đánh lửa
sớm nguyên bản (NB) và góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) .............................. 62
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống phun xăng của động cơ 1NZ-FE ................................................ 65
Hình 3.2. Sơ đồ bộ hòa trộn................................................................................................. 67
Hình 3.3. Bình chứa CNG ................................................................................................... 68
Hình 3.4. Van đầu bình chứa CNG ..................................................................................... 69
Hình 3.5. Kết cấu van điện từ thấp áp ................................................................................. 69
Hình 3.6. Bộ giảm áp ........................................................................................................... 70
Hình 3.7. Kết cấu bộ giảm áp .............................................................................................. 70
Hình 3.8. Van công suất ...................................................................................................... 71
Hình 3.9. Các loại bộ hòa trộn ............................................................................................. 72
Hình 3.10. Các kiểu hòa trộn trực giao................................................................................ 73
Hình 3.11. Mô hình dòng khí qua ống venturi của bộ hòa trộn .......................................... 74
Hình 3.12. Bản vẽ kết cấu bộ hòa trộn ................................................................................ 78
Hình 3.13. Sơ đồ hệ thống cung cấp phun CNG ................................................................. 79
Hình 3.14. Sơ đồ lắp hệ thống điều khiển phun CNG ......................................................... 85
Hình 3.15. Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG và phụ gia Maz-nitro trên động cơ .................. 87
Hình 3.16. Sơ đồ hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro trên động cơ ................................. 88
Hình 3.17. Sơ đồ bình cân bằng và hóa hơi phụ gia ............................................................ 93
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thử nghiệm ........................................................................... 99
Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S............................. 100

Hình 4.3. Mô hình tủ CEB-II............................................................................................. 102
Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý của bộ phân tích CO ............................................................... 102
Hình 4.5. Nguyên lý phân tích NO và NOx ....................................................................... 103
Hình 4.6. Nguyên lý hệ thống đo HC ................................................................................ 104
Hình 4.7. Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tải khác
nhau ở 3000v/ph của động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn ................................................. 106
Hình 4.8. Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tải khác
nhau ở 3000v/ph của động cơ phun CNG ......................................................................... 107
Hình 4.9. Tiêu hao không khí, phụ gia và tỷ lệ phụ gia/không khí ở các chế độ tải khác
nhau ở 3000v/ph của động cơ phun CNG ......................................................................... 108
Hình 4.10. Công suất động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa
trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro................................. 109
Hình 4.11. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 92,
CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro ..... 112

ix


Hình 4.12. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở đặc tính tải ở 3000v/ph khi sử dụng xăng
RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia ...... 113
Hình 4.13. Phát thải CO ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92,
CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro ..... 115
Hình 4.14. Phát thải CO ở các chế độ tải ở tốc độ 3000v/ph khi động cơ sử dụng xăng
RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maznitro ................................................................................................................................... 115
Hình 4.15. Phát thải HC ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92,
CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro ..... 116
Hình 4.16. Phát thải HC ở các chế độ tải ở 3000v/ph khi động cơ sử dụng xăng RON 92,
CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro ..... 117
Hình 4.17. Phát thải NOx ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi sử dụng xăng RON 92, CNG
với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro .............. 118

Hình 4.18. Phát thải NOx ở các chế độ tải ở tốc độ 3000v/ph khi sử dụng xăng RON 92,
CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro ..... 118
Hình 4.19. So sánh kết quả mô phỏng công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
CNG sử dụng bộ hòa trộn với số liệu thực nghiệm ......................................................... 119
Hình 4.20. So sánh kết quả mô phỏng công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
phun CNG với số liệu thực nghiệm ................................................................................. 119
Hình 4.21. So sánh kết quả mô phỏng phát thải CO, HC, NOx của động cơ CNG sử dụng
bộ hòa trộn với số liệu thực nghiệm ................................................................................ 120
Hình 4.22. So sánh kết quả mô phỏng phát thải CO, HC, NOx của động cơ phun CNG với
số liệu thực nghiệm .......................................................................................................... 120

x


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số nhiên liệu thay thế dùng trên ĐCĐT [10, 52] ........................................... 4
Bảng 1.2. Thành phần cơ bản của mẫu khí thiên nhiên phục vụ thí nghiệm ......................... 8
Bảng 1.3. Thành phần khí thiên nhiên tại các vùng khai thác khác nhau trên thế giới [67] . 8
Bảng 1.4. So sánh đặc tính của CNG với nhiên liệu xăng và Diesel [45] ............................. 9
Bảng 1.5. Công thức chất phụ gia Maz-nitro [68]. .............................................................. 26
Bảng 2.1. Chuỗi phản ứng hình thành NOx và hệ số tốc độ của mô hình
k  AT B exp  E / T  ........................................................................................................... 45
Bảng 2.2. Thông số cơ bản của động cơ Toyota Vios 1NZ-FE [97 - phụ lục 2.1].............. 49
Bảng 2.3. Số lượng các phần tử cho mô hình mô phỏng..................................................... 49
Bảng 2.4. Thông số dữ liệu nhập cho mô hình .................................................................... 50
Bảng 2.5. Sự thay đổi công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lượng phát thải của động
cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm so với nguyên bản (ở toàn tải, tốc độ 4000v/p) ............. 60
Bảng 3.1. Các điều kiện ban đầu ......................................................................................... 77
Bảng 3.2. Tỷ lệ không khí / nhiên liệu với các đường kính họng khác nhau khi Anl=59mm2
............................................................................................................................................. 77

Bảng 3.3. Tỷ lệ  khi thay đổi tổng tiết diện lỗ phun nhiên liệu ở đường kính họng 26mm
............................................................................................................................................. 77
Bảng 3.4. Thành phần và tính chất của phụ gia Maz-nitro [68] .......................................... 92
Bảng 4.1. Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tải khác
nhau ở 3000v/ph của động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn ................................................. 105
Bảng 4.2. Tiêu hao không khí, CNG và hệ số dư lượng không khí  ở các chế độ tải khác
nhau ở 3000v/ph của động cơ phun CNG ......................................................................... 106
Bảng 4.3. Tiêu hao không khí, phụ gia và tỷ lệ phụ gia/không khí ở các chế độ tải khác
nhau ở 3000v/ph của động cơ phun CNG ......................................................................... 107
Bảng 4.4. Công suất động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 92, CNG với bộ hòa
trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro................................. 108
Bảng 4.5. Tỷ lệ thay đổi công suất của động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng CNG với bộ
hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro .......................... 108
Bảng 4.6. Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng RON 92,
CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro ..... 111
Bảng 4.7. Tỷ lệ thay đổi công suất của động cơ ở đặc tính ngoài khi sử dụng CNG với bộ
hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro .......................... 111
Bảng 4.8. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở đặc tính tải ở 3000v/ph khi sử dụng xăng
RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maznitro.................................................................................................................................... 112
xi


Bảng 4.9. Phát thải CO ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92,
CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro ..... 114
Bảng 4.10. Phát thải CO ở các chế độ tải ở 3000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG với
bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro..................... 114
Bảng 4.11. Phát thải HC ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi động cơ sử dụng xăng RON 92,
CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro ..... 116
Bảng 4.12. Phát thải HC ở các chế độ tải ở 3000v/ph khi động cơ sử dụng xăng RON 92,
CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro ..... 116

Bảng 4.13. Phát thải NOx ở toàn tải ở tốc độ khác nhau khi sử dụng xăng RON 92, CNG
với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro .............. 117
Bảng 4.14. Phát thải NOx ở các chế độ tải ở 3000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG với
bộ hòa trộn, phun CNG, và phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro..................... 117

xii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu/
viết tắt

Đơn vị đo

Tiếng Anh/ tiếng Việt

Diễn giải

BMEP

Brake Mean Effective Pressure

Áp suất có ích trung bình

BTL

Bio-mass To Liquids

Khí sinh khối hóa lỏng

CIS

Commonwealth of Independent Cộng đồng các quốc gia độc
States
lập

CNG

Compressed Natural Gas

Nhiên liệu khí thiên nhiên nén

CTL

Coal To Liquids

Than đá hóa lỏng

ĐCĐT

-

Động cơ đốt trong

ECU

Electronic Control Unit

Bộ điều khiển điện tử

FFV

Flexible Fuel Vehicle

Động cơ đa nhiên liệu

GDI

Gasoline Direct Injection

Động cơ phun xăng trực tiếp

GTL

Gas To Liquids

Khí hóa lỏng

GTVT

-

Giao thông vận tải

LNG

Liquefied Natural Gas

Khí thiên nhiên hóa lỏng

LPG

Liquefied Petroleum Gas

Khí dầu mỏ hóa lỏng

NG

Natural Gas

Khí thiên nhiên

NGV

Natural Gas Vehicle

Xe ô tô sử dụng nhiên liệu khí
thiên nhiên

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PG

-

Phụ gia

PPM

Part Per Milion

Phần triệu

DME

Dimethyl Ether

FAME

Fatty Acid Methyl Ester

Diesel sinh học

HVO

Hydrotreating Vegetable Oil

dầu thực vật hydro hóa

CO

Carbon monoxide

HC

Hydrocarbon

CO2

Carbon dioxide

NOx

Oxyde Nito



Tỷ số nén của động cơ

[-]

xiii


0

Độ trục khuỷu (góc quay)

TK

Ai

[m2]

Diện tích truyền nhiệt

D

[mm]

Đường kính xi lanh

ge

[g/kW.h]

Suất tiêu hao nhiên liệu

M

[kg/kmol]

Khối lượng mol phân tử

mC

[kg]

Me

[N.m]

Mô men xoắn

ndm

[v/p]

Số vòng quay định mức

Ne

[kW]

Công suất có ích của động cơ

pC

[Pa]

Áp suất môi chất trong xi lanh

pcyl,0

[Pa]

Áp suất bên trong xi lanh khi
không có cháy (nén thuần túy)

Pcyl,1

[Pa]

Áp suất môi chất trong xi lanh
tại thời điểm đóng xupap nạp

QF

[J]

Nhiệt lượng của nhiên liệu

Khối lượng môi chất bên trong
xi lanh

cung cấp
Qwi

Nhiệt lượng truyền cho thành,
vách

[J]

R

[J/(kmol.K]

Hằng số khí

S

[mm]

Tc

[K]

Nhiệt độ môi chất trong xi
lanh

Tcyl,1

[K]

Nhiệt độ môi chất trong xi

Hành trình của pít tông

lanh tại thời điểm đóng xupap
nạp
Twi

[K]

Nhiệt độ thành, vách.

u

[J]

Nội năng

Vh

[dm3]

α

[độ]

αW

Thể tích công tác của xi lanh
Góc quay trục khuỷu

[J/kg.m2]

Hệ số truyền nhiệt

xiv


MỞ ĐẦU
i. Sự cần thiết của đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của kinh tế, xã hội là sự gia tăng nhanh chóng
của các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong
(ĐCĐT). Do đó, mức tiêu thụ nhiên liệu ngày càng tăng, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch
truyền thống xăng và dầu diesel. Điều này đang gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên
liệu truyền thống và gây ô nhiễm môi trường trầm trọng do phát thải độc hại của động cơ.
Việt Nam là nước đang phát triển nên cũng không nằm ngoài quy luật phát triển
chung của thế giới. Tình trạng thiếu nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ
sử dụng nhiên liệu truyền thống đang ở mức báo động. Do đó, vấn đề đặt ra là cần nghiên
cứu và sử dụng các loại nhiên liệu thay thế có mức phát thải độc hại thấp để một mặt giảm
ô nhiễm môi trường, mặt khác có thể bù đắp một phần sự thiếu hụt nhiên liệu truyền thống.
Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên liệu có mức phát thải độc hại
thấp, trữ lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên các động cơ hiện hành mà

không cần phải thay đổi nhiều về kết cấu. Có thể kể ra một số loại nhiên liệu thay thế điển
hình như hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng, khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas CNG), khí sinh khối ... Trong số các nhiên liệu này, CNG là một nhiên liệu đáp ứng được
các yêu cầu nói trên nên rất có tiềm năng để sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên ĐCĐT.
Mỗi loại nhiên liệu đều có các tính chất lý hóa và đặc tính cháy riêng, đặc biệt là đối
với CNG, là nhiên liệu khí có nhiều tính chất khác với nhiên liệu lỏng truyền thống nên
động cơ cần có những thay đổi về kết cấu cho phù hợp để đảm bảo có thể làm việc tối ưu
với nhiên liệu này. Việc chế tạo động cơ mới sử dụng CNG với sản lượng nhỏ thường có
giá thành rất cao nên khó khả thi. Việc nhập khẩu các động cơ này cũng rất đắt so với các
động cơ dùng nhiên liệu truyền thống nên không phải khách hàng nào cũng có thể có đủ
điều kiện chi trả. Trong khi đó các loại động cơ xăng thì đang tồn tại rất nhiều mà các
động cơ này có thể sử dụng CNG một cách dễ dàng. Ở Việt Nam hiện nay cũng đang tồn
tại và lưu hành một số lượng lớn các động cơ xăng. Do đó, việc nghiên cứu chuyển đổi
động cơ truyền thống này sang sử dụng CNG sẽ có ý nghĩa thực tiễn cao.
Do CNG được cung cấp ở dạng khí nên khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng
CNG theo phương pháp thông dụng cấp nhiên liệu vào đường nạp, CNG sẽ chiếm nhiều
chỗ của không khí nạp hơn so với nhiên liệu lỏng nên công suất động cơ giảm. Do đó, việc
nghiên cứu cơ sở khoa học sử dụng CNG trên động cơ xăng hiện hành và các nhân tố ảnh
hưởng để tìm biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng CNG để khắc phục một phần sự suy
giảm công suất và cải thiện tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử
dụng CNG là rất cần thiết. Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu chuyển đổi
động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu” làm đề tài
luận án tiến sĩ của mình.

1


ii. Mục đích nghiên cứu
- Làm chủ công nghệ chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành sang sử dụng CNG và đưa
ra giải pháp công nghệ sử dụng phụ gia cho CNG để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu
này.

- Đánh giá ảnh hưởng của CNG và các phương pháp cung cấp CNG đến tính năng kinh tế,
kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi chuyển đổi sang sử dụng hoàn toàn CNG.
- Đánh giá ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải
của động cơ xăng hiện hành sử dụng CNG.

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là động cơ xăng đang lưu hành và thực hiện nghiên cứu trên động
cơ 1NZ-FE lắp trên xe Toyota Vios tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí
Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
- Việc nghiên cứu được giới hạn ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ, chưa đề cập
đến chế độ khởi động và chuyển tiếp, và chưa nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu và phụ
gia đến độ bền và tuổi thọ của động cơ.

iv. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
- Lý thuyết: Sử dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng 1NZ-FE
sử dụng CNG nhằm:
+ Đánh giá chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử
dụng CNG và ảnh hưởng của phương pháp cung cấp CNG và góc đánh lửa sớm đến đặc
tính làm việc của động cơ;
+ Đề xuất hướng nghiên cứu thực nghiệm chuyển đổi động cơ sang sử dụng CNG.
- Thực nghiệm:
+ Thiết kế, chế tạo và trang bị các hệ thống cung cấp CNG và cung cấp phụ gia nhiên
liệu để phục vụ nghiên cứu thực nghiệm sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng CNG
trên động cơ xăng đang lưu hành;
+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của CNG và
phụ gia đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ.

v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Xây dựng được mô hình mô phỏng đánh giá các các thông số ảnh hưởng đến tính

năng kinh tế kỹ thuật và hình thành phát thải trong động cơ sử dụng CNG.
- Hoàn thiện giải pháp chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang sử dụng CNG phù
hợp với điều kiện thực tế và lần đầu tiên đưa ra được giải pháp công nghệ hiệu quả sử dụng
phụ gia lỏng cho động cơ sử dụng nhiên liệu khí.

2


- Đánh giá được ảnh hưởng của CNG, phương pháp cung cấp CNG và sử dụng phụ
gia đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ.
- Góp phần giảm các thành phần phát thải độc hại, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu
truyền thống, cũng như định hướng trong việc nhiên cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế trên
các phương tiện giao thông sử dụng ĐCĐT.

vi. Nội dung chính của đề tài
- Mở đầu
- Chương 1. Nghiên cứu tổng quan
- Chương 2. Nghiên cứu mô phỏng sử dụng CNG trên động cơ xăng hiện hành bằng
phần mềm AVL-Boost
- Chương 3. Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp CNG và phụ
gia cho động cơ 1NZ-FE
- Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
- Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục

3


CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1. Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong
1.1.1. Sự cần thiết của việc sử dụng nhiên liệu thay thế
Hiện nay, sự bùng nổ dân số, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công
nghiệp và mức sống con người được nâng cao đang kéo theo sự gia tăng nhanh về số lượng
các phương tiện giao thông vận tải và các thiết bị động lực trang bị ĐCĐT sử dụng nhiên
liệu truyền thống xăng và diesel. Các phương tiện này đang gây ô nhiễm môi trường trầm
trọng đặc biệt là ở các thành phố lớn [41, 69] và gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên
liệu truyền thống [75].
Theo dự báo của Bộ năng lượng Mỹ, năm 2030 tỷ lệ năng lượng hoá thạch truyền
thống trong tổng năng lượng sử dụng vẫn ở mức cao, trên 86%, các loại năng lượng có thể
tái tạo cũng chỉ tăng không đáng kể, khoảng 8,1%. Thêm nữa, sự ô nhiễm môi trường và
hiệu ứng nhà kính đặt ra cho con người nhiều thách thức khó khăn. Điều đó đã thúc đẩy
các nhà khoa học nghiên cứu các phương pháp sử dụng nhiên liệu tiết kiệm hơn (dùng các
phụ gia tiết kiệm nhiên liệu, dùng các thiết bị nhiệt và động cơ có hiệu suất cao...) và phát
triển các nguồn nhiên liệu thay thế, nguồn nhiên liệu mới, có thể tái tạo được, giảm được
phát thải ô nhiễm môi trường.
Ở nước ta trong những năm gần đây, sự gia tăng mạnh mẽ số lượng các phương tiện
giao thông (ô tô, xe máy) đã làm tăng nhu cầu tiêu thụ xăng dầu, và dự báo còn tăng trong
các năm tới. Do đó, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế cho ĐCĐT để giảm sự
phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch truyền thống và giảm phát thải độc hại là rất cần
thiết [10, 52]. Một số nhiên liệu thay thế cho ĐCĐT được giới thiệu trên bảng 1.1.
Bảng 1.1. Một số nhiên liệu thay thế dùng trên ĐCĐT [10, 52]

hoá thạch
tái tạo

Nguồn

Nguồn

Động cơ đánh lửa

Động cơ cháy do nén

Khí thiên nhiên

Than đá hoá lỏng

Khí dầu mỏ hoá lỏng

Khí hoá lỏng
Dimethyl Ether

Bio-ethanol/ bio-methanol

Diesel sinh học (biodiesel)

Bio-buthanol

Dầu thực vật

Khí sinh học (biogas)

Sinh khối hoá lỏng

Hydro
Nhiều nước trên thế giới đã và đang tìm cách phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế
khác nhau. Nhiên liệu thay thế có thể được phân thành 2 nhóm. Nhóm thứ nhất là nhiên
liệu có nguồn gốc hoá thạch gồm: khí thiên nhiên (NG - Natural Gas), khí dầu mỏ hoá lỏng
(LPG- Liquefied Petroleum Gas), khí hoá lỏng (GTL-Gas To Liquids), than đá hoá lỏng

4


(CTL-Coal To Liquids) và Dimethyl ether (DME). Nhóm thứ hai là các loại nhiên liệu có
nguồn gốc tái tạo gồm: khí sinh học (biogas), ethanol sinh học (bio-ethanol)/methanol sinh
học (bio-methanol), hydro, dầu thực vật (vegetable oil), diesel sinh học (bio-diesel hay
FAME – Fatty Acid Methyl Ester), dầu thực vật/mỡ động vật hydro hoá (HVO –
Hydrotreating Vegetable Oil) và sinh khối hoá lỏng (BTL – Bio-mass To Liquids).
1.1.2. Yêu cầu đối với nhiên liệu thay thế
Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên nghiên cứu sử dụng là các loại nhiên liệu có trữ
lượng lớn và có thể sử dụng cho các động cơ đang lưu hành mà không cần thay đổi nhiều
về kết cấu, đồng thời có mức độ ô nhiễm khí thải thấp hơn xăng và diesel. Đáp ứng các yêu
cầu này có thể sử dụng các loại nhiên liệu như nhiên liệu hydro [29, 55], biogas [36], khí
dầu mỏ hoá lỏng LPG [33], biodiesel [50], nhiên liệu sinh học cồn ethanol [52] và nhiên
liệu khí thiên nhiên [31, 46, 47, 61].
1.1.3. Một số nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng
1.1.3.1. Nhiên liệu sinh học cồn
Cồn là một loại nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật như ngũ cốc (lúa mì,
ngô…) chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân hữu cơ…), sản phẩm thải trong công
nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…) và được sử dụng phổ biến cho động cơ xăng. Các
loại nhiên liệu cồn có thể kể đến như bioethanol và biomethanol, trong đó đặc biệt là
bioethanol, đây là loại nhiên liệu sinh học được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới.
Bioethanol hay còn gọi là cồn có công thức hoá học là CnH2n+1OH là nhiên liệu rất
phù hợp cho động cơ đánh lửa cưỡng bức nhờ có trị số octane cao và tính chất vật lý, hoá
học tương tự như xăng [67]. Hiện nay, cồn tồn tại ở các dạng là ethanol (C2H5OH),
methanol (CH3OH) và butanol (C4H9OH); tất cả đều là chất lỏng không màu, tuy nhiên
methanol và butanol rất độc và giá thành sản xuất khá cao. Vì vậy hiện tại chỉ có ethanol
được sử dụng rộng rãi hơn cả cho các phương tiện giao thông vận tải (GTVT) [51, 77].
Các loại nhiên liệu cồn đáp ứng được các yêu cầu sử dụng cho ĐCĐT và có mức độ
phát thải độc hại thấp, có thể thay thế nhiên liệu xăng với các tỷ lệ tuỳ chọn tuỳ thuộc vào

sự thay đổi kết cấu động cơ. Nhiên liệu cồn ngoài chức năng như một phụ gia tăng cường
hàm lượng ôxy cho quá trình cháy, còn có thể thay thế hoàn toàn nhiên liệu hoá thạch ngày
càng cạn kiệt bởi đây là nhiên liệu có thể tái sinh từ các nguồn nguyên liệu nuôi trồng được.
Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay việc sản xuất nhiên liệu cồn còn hạn chế do chi phí công
nghệ sản xuất quá cao nên nhiên liệu này hiện chỉ đáp ứng được tỷ lệ thay thế nhỏ.
1.1.3.2. Khí tổng hợp giàu hydro
Khí tổng hợp giàu hydro hoặc khí hydro được coi là các nhiên liệu sạch của ĐCĐT
[29], sản phẩm cháy chủ yếu là nước, ít gây ô nhiễm môi trường. Nhiên liệu này có tiềm
năng vô tận vì có thể sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau như nhiệt phân hoặc điện phân
nước [67, 72] hay biến đổi nhiệt hoá (reforming) các loại nhiên liệu nhiên liệu
5


hydrocacbon và nhiên liệu sinh học [5]. Tuy nhiên với công nghệ hiện nay, giá thành sản
xuất, bảo quản và vận chuyển hydro và khí giàu hydro còn khá cao. Hơn nữa khí này có tỷ
trọng rất thấp, nhiệt trị mol thấp nên nếu sử dụng cho các ĐCĐT truyền thống thì công suất
công suất động cơ sẽ giảm nhiều [55]. Do đó, hiện tại hydro chưa được sử dụng phổ biến
để làm nhiên liệu thay thế hoàn toàn trên ĐCĐT mà chỉ được coi là nhiên liệu của tương
lai.
1.1.3.3. Khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG)
LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể được
sản xuất ở các nhà máy chưng cất, lọc hoá dầu mỏ. Thành phần chính của LPG là hỗn hợp
butan (C4H10) và propan (C3H8); hỗn hợp này chiếm đến 99% [67]. Tỷ lệ giữa propan và
butan thay đổi giữa các quốc gia cũng như từng thời điểm sản xuất. Loại nhiên liệu này
được phát triển và thương mại hoá từ những năm 1950.
LPG có thể sử dụng trực tiếp thay thế cho xăng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Thông thường, LPG được chứa trong bình ở áp suất khoảng 8 bar với tỷ lệ propan/butan
khoảng 60/40. LPG có năng suất toả nhiệt cao và ô nhiễm khí thải thấp hơn so với nhiên
liệu truyền thống, có thể sử dụng tốt cho ĐCĐT đặc biệt là động cơ xăng [32]. Trên thế
giới, LPG đã được áp dụng trên nhiều động cơ xăng ở một số nước như Hongkong,

Australia, Mỹ, Hàn Quốc…[65]. Tuy nhiên, nhiên liệu này cũng có nguồn gốc từ dầu mỏ
nên cũng bị hạn chế và cạn kiệt theo nguồn nhiên liệu hoá thạch.
1.1.3.4. Nhiên liệu khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên đã được phát hiện ở hầu hết các vùng, lãnh thổ trên thế giới. Trữ
lượng khí thiên nhiên thế giới tổng cộng vào khoảng 175,4 nghìn tỷ m³ (175,4×1012m3).
Trong đó, khu vực có trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhất thế giới là Nga, Mỹ, Canada và
Trung Đông.

Hình 1.1. Bản đồ trữ lượng khí thiên nhiên phân bố theo khu vực [92]

6


Bản đồ trữ lượng khí thiên nhiên theo vùng, quốc gia được thể hiện trên Hình 1.1.
Các nước như Nga, Mỹ, Canada có trữ lượng khí thiên nhiên lớn hơn 100 tỷ m3. Nhiều
quốc gia khác có trữ lượng trên 10 tỷ m3 như khu vực Nam Mỹ, Trung Quốc ...
Khí thiên nhiên sau khi được khai thác từ mỏ khí, trải qua một số công đoạn xử lý rồi
được nén vào bình chứa ở dạng khí thiên nhiên nén (CNG) hoặc hoá lỏng ở dạng khí thiên
nhiên lỏng (LNG) để cung cấp đến các nơi tiêu thụ. Từ những năm 1990, việc nghiên cứu
sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông và làm chất đốt
công nghiệp đã được thực hiện ở nhiều quốc gia trên thế giới như Nga, Nam Mỹ, Bắc Mỹ,
New Zealand, Iran, Ấn Độ, Pakistan, Trung Quốc, Indonesia. Các phương tiện sử dụng khí
thiên nhiên được gọi là NGV (Natural Gas Vehicle).
Cùng với xu thế nghiên cứu, sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chung trên thế giới,
Việt Nam đã xây dựng và khai trương nhà máy CNG đầu tiên vào năm 2008 tại khu công
nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu. Với việc mở rộng thăm dò, khai thác các mỏ khí
mới từ năm 2008 đến nay đã có thêm nhiều nhà máy CNG như nhà máy CNG Mỹ Xuân,
nhà máy CNG Hiệp Phước, nhà máy CNG Tiền Hải ở Thái Bình ... Trong buổi hội thảo
“Sử dụng nhiên liệu CNG trong vận tải hành khách công cộng” diễn ra tại Hà Nội,
27/8/2015, Tổng công ty dầu khí Việt Nam (PetroVietNam Gas - PV Gas) thông báo công

suất đang cung cấp khoảng 10 tỷ m3 khí/ năm, sản lượng này sẽ còn tăng trong các năm
tiếp theo, trong đó các phương tiện giao thông vận tải chỉ tiêu thụ khoảng 3 ÷ 5 triệu m3
khí/ năm, chiếm 0,05% nguồn cung cấp. Gần đây nhất trong buổi Hội thảo “Sử dụng nhiên
liệu CNG trong giao thông vận tải khu vực miền Nam” tại thành phố Hồ Chí Minh,
6/4/2016, Công ty cổ phần Kinh doanh khí hoá lỏng miền Nam (PetroVietNam Gas South PV Gas South) cho biết đang sản xuất và tiêu thụ khoảng 150 triệu m3 khí/năm tại ba nhà
máy thuộc PV Gas South, và trữ lượng khí thiên nhiên ở Việt Nam hiện nay gần 2700 tỷ
m3. Trữ lượng này cùng với các dự án nhập khẩu khí thì nguồn nhiên liệu cung cấp được
xem là ổn định trong khoảng 100 năm.
Có thể thấy, khí thiên nhiên có trữ lượng rất lớn trên thế giới cũng như tại Việt Nam,
được nhiều quốc gia nghiên cứu sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ nhằm giảm
sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu dầu mỏ và góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường. Do đó,
Việt Nam cũng rất cần nghiên cứu sử dụng nguồn nhiên liệu tiềm năng này cho các
phương tiện giao thông vận tải.

1.2. Đặc điểm của khí thiên nhiên
1.2.1. Nguồn gốc và thành phần của khí thiên nhiên
Trong tự nhiên, khí thiên nhiên được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống
dưới nước bao gồm tảo và động vật nguyên sinh. Khi các vi sinh vật này chết đi và tích tụ
dưới đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm
tích. Trải qua hàng triệu năm, các lớp trầm tích chồng lên nhau đã chuyển hoá hoá học

7


thành khí thiên nhiên. Khí thiên nhiên được tìm thấy nhiều ở các mỏ khí hoặc các mỏ dầu
trong vỏ trái đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu và hiện nay chiếm khoảng
25% nguồn cung năng lượng thế giới [93].
Khí thiên nhiên là một loại khí không màu, không mùi, có tỷ trọng nhẹ hơn không
khí [8] và được phân loại tuỳ theo thành phần của từng mẫu khí cụ thể. Khí thiên nhiên
chứa thành phần chính là methane và một số thành phần khí khác với tỷ lệ nhỏ hơn; khí

khô chứa tỷ lệ methane cao còn khí ướt có chứa thêm đáng kể khối lượng một số
hydrocacbon có phân tử lượng cao hơn thuộc nhóm ankan như ethane, propane và butane
[31, 45, 57, 76]. Các khí thiên nhiên được khai thác chế biến ở các vùng khác nhau trong
các điều kiện khác nhau sẽ có hàm lượng các thành phần khác nhau.
Bảng 1.2 chỉ ra thành phần của một mẫu khí thiên nhiên được mua của Công ty cổ
phần khí Bắc Hà để phục vụ nghiên cứu trong đề tài, trong khi bảng 1.3 giới thiệu thành
phần tiêu biểu của một số mẫu khí thiên nhiên được khai thác và xử lý ở các vùng khác
nhau trên thế giới [67, 93].
Bảng 1.2. Thành phần cơ bản của mẫu khí thiên nhiên phục vụ thí nghiệm

Kí hiệu

Hàm lượng (%)

Methane

CH4

93,3

Ethane

C2H6

2,16

Propane

C3H8

0,19

Ethylene

C2H4

0,14

Nitrogen

N2

2,21

CO2

2

Thành phần

Carbondioxide

Bảng 1.3. Thành phần khí thiên nhiên tại các vùng khai thác khác nhau trên thế giới [67]

Methane

Ethane

Propane

Butane

C5- Nitơ

H2S

CO2

Pháp

69,0

3,0

0,9

0,5

0.5

1,5

15,3

9,3

Algérie

92,7

2,8

1,1

0,8

0,4

1,8

-

0,2

Đông Âu

85,3

5,8

5,3

2,1

0,2

0,9

-

0,4

Irak

56,9

21,2

6,0

3,7

1,6

-

3,5

7,1

Châu Mỹ

86,5

8,0

1,9

0,3

0,2

2,6

-

0,5

Indonesia

65,7

8,5

14,5

5,1

0,8

1,3

-

4,1

Thành phần
Vùng

Khí thiên nhiên sau khi khai thác sẽ được xử lý để loại bỏ các tạp chất như SOx, NOx,

CO2. Do không có benzene và hydrocarbon thơm nên khi đốt nhiên liệu này không giải
phóng nhiều khí độc hại và hầu như không phát sinh khói bụi [53, 54]. Vì vậy, việc sử
8


dụng nhiên liệu khí thiên nhiên thay thế nhiên liệu xăng truyền thống sẽ giảm đáng kể các
thánh phần phát thải độc hại ra môi trường.
Khí thiên nhiên thường được nén với áp suất cao hoặc hoá lỏng để dễ dàng cho việc
bảo quản, tích trữ và vận chuyển và sau đó được hoá khí và giảm đến áp suất thích hợp khi
sử dụng. Khí thiên nhiên khi được nén với áp suất cao trong bình chứa được gọi là khí
thiên nhiên nén, với áp suất bình chứa thường từ 150 đến 250 bar [67, 81].
1.2.2. Tính chất của khí thiên nhiên
Một số tính chất của CNG so với nhiên liệu truyền thống xăng và dầu diesel được chỉ
ra trên bảng 1.4.
Bảng 1.4. So sánh đặc tính của CNG với nhiên liệu xăng và Diesel [45]

Nhiên liệu
TT

Thông số

Xăng

Diesel

CNG
≈ 130

1

Trị số octane

95

2

Nhiệt trị thấp LHV (kJ/kg)

3

Giới hạn dưới thể tích bốc cháy (%V)

0,60

0,50

4

Nhiệt độ bốc cháy (oC)

650

250 ÷ 275

5

Nồng độ giới hạn tự bốc cháy (%)

5 ÷ 15

0,6 ÷ 7,6

6

Tốc độ cháy (m/s)

0,43

0,38

7

Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ)

0,26

0,33

8

Nhiệt độ màng lửa (K)

2266

2227

9

Tỷ lệ H/C

1/5,7

1/6,7

1/3

10

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết

14,7

14,4

16,8

43690

42500

50009

CNG có tỷ lệ C/H nhỏ hơn so với xăng và diesel nên phát thải CO2 thấp hơn. Mặt
khác, CNG có giới hạn thành phần hỗn hợp có thể cháy được rộng hơn các loại
hydrocacbon khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn, nhờ đó giảm mạnh
các thành phần phát thải độc hại như CO và HC [47, 57, 79].
Nhiệt độ màng lửa của CNG thấp của xăng nên nồng độ NOx trong sản phẩm cháy
cũng thấp hơn. CNG không có chứa benzene và hydrocacbon thơm nên khi đốt không giải
phóng nhiều khí độc. CNG có thể sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho cả động cơ xăng và
động cơ diesel. Do trị số octane của CNG cao nên tỷ số nén của động cơ sử dụng CNG có

thể chọn cao hơn so với động cơ xăng để nâng cao tính hiệu quả. Thông thường, tỷ số nén
của động cơ CNG từ 11 đến 12 [54, 61]. CNG cũng được nghiên cứu sử dụng trên động cơ
diesel dưới dạng động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel đốt cháy do nén hoặc thay thế hoàn
toàn nhiên liệu diesel khi giảm tỷ số nén và trang bị thêm hệ thống đánh lửa [83].

9


Tốc độ lan tràn màng lửa của CNG thấp hơn của nhiên liệu xăng. Điều này có thể
làm giảm tính năng của động cơ vì tăng truyền nhiệt từ môi chất công tác qua thành xi lanh.
Để khắc phục tình trạng này, trên các động cơ CNG thiết kế mới người ta thường sử dụng
các biện pháp kỹ thuật để tăng cường vận động rối của hỗn hợp trong buồng cháy, từ đó
cải thiện được tốc độ cháy. Biện pháp khác để cải thiện tốc độ cháy của CNG là trộn thêm
hydro vào với tỷ lệ nhất định [89, 90].
Nhiệt trị khối lượng của CNG cao hơn (khoảng 13%) so với nhiên liệu lỏng thông
thường nên nếu cùng hiệu suất như nhau thì suất tiêu hao nhiên liệu (tính theo khối lượng)
của động cơ dùng CNG cũng thấp hơn. Do sản phẩm cháy của CNG sạch hơn, nên ô tô sử
dụng động cơ CNG hoạt động hiệu quả hơn so với ô tô xăng và tuổi thọ cao hơn.
Phạm vi cháy của CNG hẹp, nhiệt độ bốc cháy cao hơn xăng nên ô tô sử dụng CNG
an toàn hơn so với ô tô sử dụng nhiên liệu xăng. Thành phần CNG dễ phát tán, không tích
tụ như hơi xăng nên khi bị rò rỉ ra môi trường không khí thì nguy cơ cháy nổ thấp hơn
nhiều so với xăng [66].
1.2.3. Các phương pháp tích trữ và vận chuyển khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên sau khi sản xuất có thể được tích trữ và vận chuyển đến nơi tiêu thụ
bằng các cách khác nhau như qua hệ thống đường ống dẫn khí, bằng bình khí nén cao áp
hoặc bằng bình khí hoá lỏng tuỳ thuộc vào quy mô sản lượng, điều kiện hạ tầng và đối
tượng sử dụng. Đối với các hộ tiêu thụ là các ĐCĐT tĩnh tại, các nhà máy điện tua bin khí,
các lò đốt (luyện gang, thép hay sản xuất gạch ngói…) hoặc các thiết bị nhiệt gia đình (đun
bếp, lò sưởi) thì khí thiên nhiên thường được vận chuyển qua được ống dẫn khí trực tiếp
đến nơi tiêu thụ.

Đối với phương tiện giao thông vận tải thì khí thiên nhiên thường được tích trữ dưới
dạng khí thiên nhiên nén trong các bình chứa khí áp suất cao để cung cấp cho động cơ.
Việc nạp khí CNG vào bình cao áp có thể được thực hiện ngay tại nhà máy sản xuất khí
hoặc tại các trạm nạp trung chuyển mà ở đó khí được chuyển đến qua đường ống dẫn khí
hoặc bằng téc chứa khí hoá lỏng.
Với cùng dung tích bình chứa nhiên liệu thì phạm vi hoạt động của xe sử dụng CNG
nhỏ hơn phạm vi hoạt động của xe sử dụng xăng. Do đó để tăng phạm vi hoạt động của xe
sử dụng CNG thì thường phải dùng các bình chứa nhiên liệu lớn hơn và dùng nhiều bình
chứa để tăng dung tích của nhiên liệu dự trữ trên xe.
Trên Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ một hệ thống thiết bị nạp CNG từ nguồn khí thiên
nhiên cung cấp đến trạm. Bộ phận chính của trạm là máy nén làm việc ở áp suất cao. Các
bình chứa CNG có thể có các kích thước khác nhau để có thể lựa chọn để lắp đặt phù hợp
với các loại xe. Bình dung tích 50 lít CNG nếu ở áp suất 200 bar có thể chứa được 7,06 kg,
nếu ở áp suất 250 bar thì chứa được 8,8kg, ít hơn nhiều so với 50 lít xăng (35kg). Tuy
nhiên bình CNG có thể có tổng khối lượng lớn hơn vì phải làm dày để chịu áp suất cao.

10


5

6
7

8

9
4

10

3

2
1

1. Thiết bị thu hồi hơi; 2. Dãy bình chứa áp suất cao; 3. Hệ thống van ưu tiên; 4. Hệ thống van phân
phối; 5. Thiết bị phân phối; 6. Hàng rào cách nhiệt và tiếng ồn; 7. Thiết bị đo khí; 8. Thiết bị sấy
khí; 9. Máy nén 4 cấp; 10. Động cơ điện.
Hình 1.2. Sơ đồ trạm sản xuất CNG trực tiếp từ khí thiên nhiên

Để vận chuyển khí thiên nhiên đến các trạm trung chuyển khí hoặc các trạm nạp
CNG khi không có hạ tầng hệ thống đường ống dẫn khí, người ta thường vận chuyển nhiên
liệu khí này ở dạng khí hoá lỏng (LNG) trong các bình cách nhiệt. LNG có tỷ trọng khoảng
430470 kg/m3, cao gấp hơn 3 lần tỷ trọng của CNG ở 200 bar nên việc vận chuyển đến
các trạm trung gian sản xuất và phân phối CNG sẽ dễ dàng và kinh tế hơn. Tại nơi chuyển
đến, LNG được đưa tới hệ thống bơm áp suất cao chạy bằng động cơ điện. Ra khỏi bơm,
LNG áp suất cao được đưa tới thiết bị trao đổi nhiệt bằng hơi nước, tại LNG được hoá hơi
thành khí ở áp suất cao và nhận được CNG. Sau đó CNG được đưa tới thiết bị phân phối
và nạp vào các bình chứa CNG như trên sơ đồ khối Hình 1.3.
Bể chứa LNG

Thiết bị hóa hơi

Bơm

Bình chứa CNG

Thiết bị gia nhiệt

Hình 1.3. Quá trình công nghệ sản xuất CNG từ LNG

Trạm sản xuất CNG từ LNG có ưu điểm là có kích thước nhỏ gọn, cần ít thiết bị, chi
phí dành cho xây dựng và lắp đặt trạm thấp, nguyên liệu của quá trình là LNG không có
hoặc có ít các thành phần như H2O, CO2, H2S… Bộ phận chính của trạm là thiết bị bơm
11