ỨNG DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN (CNG) CHO ĐỘNG CƠ ĐÔT TRONG

BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

BÀI 3 : ứng dụng khí thiên Nhiên nén (cng) cho động cơ ô tô
Mục tiêu:

Học xong bài này học viên có khả năng:
- Mô tả được công thức hoá học và đặc điểm cấu tạo của nhiên
liệu khí thiên nhiên nén (CNG).
- Giải thích chính xác được đặc điểm kỹ thuật của nhiên liệu khí
thiên nhiên nén (CNG).
- Giải thích được các ưu nhược điểm và khả năng ứng của nhiên
liệu khí thiên nhiên nén (CNG).
- Đề ra được các giải pháp để ứng dụng nhiên liệu khí thiên
nhiên nén (CNG) làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
Nội dung

a. lý thuyết
1. Khí thiên nhiên:
Là khí được khai thác từ các mỏ khí có sẵn trong tự nhiên. Khí
thiên nhiên được dùng cho động cơ đốt trong bao gồm khí công
nghiệp lấy từ việc tinh luyện dầu mỏ, trong các lò luyện cốc, lò cao
và khí lò gas lấy từ việc khí hoá các nhiên liệu rắn trong các thiết
bị đặc biệt.
Nhiên liệu khí thiên nhiên dùng cho động cơ có những ưu
khuyết điểm sau:


Ưu điểm:
 Sản xuất đơn giản và an toàn hơn
 Lượng khí thiên nhiên ở Việt Nam có tiềm năng rất lớn
 Thành phần khí xả của khí thiên nhiên so với nhiên liệu xăng

và Diesel ít ô nhiễm môi trường hơn vì nó giảm được khí CO,
lượng Hydrocacbon, lượng Sunfuadioxit SO2 và không có chì
Trang-1-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Pb.


Khuyết điểm:
 Việc bảo quản khí thiên nhiên đòi hỏi phải kỹ lưỡng hơn vì nó
được nén ở áp suất nhất định.

1.1. Sự hình thành khí thiên nhiên:
Khí thiên nhiên được xem là “dry” khi nó gần như chỉ là
Metan thuần khiết, các hydrô các-bon có liên quan đã được loại bỏ.
Khi có mặt các hydrôcacbon khí thiên nhiên được cho là “wet”
Khí thiên nhiên được sử dụng cho nhiều mục đích khác như:
sưởi ấm, sử dụng trong công nghiệp, dịch vụ thương mại.
Khí thiên nhiên được hình thành trong những túi chứa bên
dưới lòng đất, nơi có những mỏ dầu.

Hình 2.3.1. Cấu trúc một mỏ khí thiên nhiên
Khi được mang từ dưới lòng đất lên khí thiên nhiên đã được
tinh chế lại để lọc bỏ nước, đất cát và những hỗn hợp khác.
Khí thiên nhiên cũng là một nguồn năng lượng hoá thạch
Trang-2-

BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

giống như dầu và than đá. Đó là sự còn sót lại của xác các cây cối,
động vật và những vi sinh vật sống hàng triệu năm trước đây. Có
nhiều giả thuyết về nguồn gốc của sự hình thành các nguồn nhiên
liệu hoá thạch. Giả thuyết được công nhận rộng rải nhất là được
hình thành khi các chất hửu cơ quan trọng của xác động thực vật bị
nén dưới lòng đất dưới một sức ép rất lớn trong một thời gian dài.
Tương tự như sự hình thành của dầu mỏ, khí metan được hình
thành từ các chất hữu cơ bị vùi lấp sâu dưới lòng đất tạo ra một
sứcc nén lớn. Sức nén này kết hợp với nhiệt độ cao trong lòng đất
theo thời gian làm phá vở những mối liên kết giửa các cácbon
trong hợp chất hửu cơ. Càng xuống sâu dưới lòng đất dưới lớp vỏ
trái đất nhiệt độ càng cao, và ở nhưng nơi có nhiệt độ thấp hơn dầu
được hình thành nhiều hơn khí thiên nhiên, ở những nơi có nhiệt
độ cao hơn thì khí thiên nhiên được tạo ra.
Khí thiên nhiên cũng đươc hình thành thông qua sự biến đổi
của các chất hửu cơ bởi các vi sinh vật. kiểu khí metan này được
gọi là “Metan biogenic”. Các vi sinh vật này thông thường được
tìm thấy ở những vùang gần mặt đất mà thiết ôxy. Metan được sản
sinh ra sẽ bay vào trong khí quyển .
Ngoài ra khi metan được hình thành qua quá trình
“abiogenic”, ở sâu dưới vỏ trái đất, tồn tại một lớp khí giàu hyđrô
và những phân tử cácbon. Chúng tương tác với các khoáng chât
trong điều kiện thiếu ôxy. Sự tác động này như một phản ứng hoá
học hình thành những phân tử và những hổn hợp mà được tìm thấy
trong khí quyển. Khi những chất khí này dươi áp suất cao, di
chuyển đến bề mặt của trái đất chúng có dạng tiền metan.
1.2. Thành phần:
Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là:

Metan

CH4

70 - 90 %

E-than

C2H6

0 - 20 %
Trang-3-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Propane

C3H8

Butan

C4H10

Khí cacbonat

CO2

08%

Oxi

O2

0 0.2 %

Nito

N2

05%

Hydrua sulphide

H 2S 0 5 %

Khí hiếm Ar, He, Ne, Xe
Khí thiên nhiên sử dụng cho động cơ ôtô có thể tồn tại dưới 2
dạng chính:
- Dạng khí ở nhiệt độ môi trường và áp suất cao (200 bar):
được gọi là Compressed Natural Gas (CNG). Khí được nén ở thể
tích nhỏ hơn với một áp suất cao và chứa trong một bình chứa
chắc chắn. Bình chứa được 40-50 lít khí.
- Dạng lỏng ở nhiệt độ 610C và áp suất khí quyển: được gọi là
Liquefied Natural Gas ( LNG ). Khí được làm lạnh ở nhiệt độ âm
1620C, áp suất khoảng 8,9 bar để chuyển sang trạng thái lỏng và
chứa trong các bình cách nhiệt.
Bảng 2.3.1. So sánh giữa 2 dạng tồn tại của khí thiên nhiên:

Tỷ lệ

LNG

CNG

Khối lượng

1

3,7

Thể tích

1

3

Tuy có khối lượng cũng như thể tích nhỏ hơn nhưng việc bảo
quản LNG cần đòi hỏi các công nghệ cách nhiệt cũng như làm lạnh
phức tạp hơn CNG.
1.3. Thành phần nguyên tố và nhiệt trị thấp của các loại khí
a. Nhiệt trị của nhiên liệu:
Trang-4-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Là số nhiệt lượng toả ra khi được đốt cháy hoàn toàn một đơn
vị khối lượng hoặc thể tích(kg hay m3) nhiên liệu. Nhiệt trị là một
đặc tính rất phổ biến của nhiên liệu, nó xác định giá trị nhiên liệu

dùng cho tất cả các loại động cơ. Căn cứ vào nhiệt trị thấp thì nhiên
liệu thể khí có thể chia làm 3 loại:
b. Nhiên liệu khí có nhiệt trị lớn:
Loại này bao gồm khí thiên nhiênvà khí thu được khi tinh
luyện dầu mỏ. Thành phần chủ yếu của loại khí này là mêtan (CH4)
chiếm khoảng 80_95%. Nhiên liệu này có nhiệt trị thấp là: QH=23
-38 MJ/ m3 (hoặc 5500 - 9000 Không khí Kcal/m3)
c. Nhiên liệu khí có nhiệt trị trung bình:
Loại này bao gồm các loại khí công nghiệp như khí than cốc,
khí thắp v.v… Thành phần chủ yếu của loại nhiên liệu khí này là:
Hydrô(H2) : chiếm khoảng 40 – 60% , còn lại là: CH4 và CO. Nhiên
liệu này có nhiệt trị thấp QH là:
QH=16 -23 MJ/m3(3500 - 5500 Kcal/m3) 1.3233
d. Nhiên liệu khí có nhiệt trị nhỏ
Loại khí này bao gồm khí lò cao và khí lò ga. Thành phần chủ
yếu của nhiên liệu khí này là: Oxytcacbon(CO) và Hydro(H 2) chiếm
khoảng 60%. Còn lại là các loại khí trơ như : Nitơ(N2) và CO2. Nhiên
liệu này có nhiệt trị thấp QH là : QH=4 -16 MJ/m3(1000 -3500
Kcal/m3).
1.4. Tiềm năng sử dụng
Trong tương lai, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ
nói chung cũng như ngành công nghệ vật liệu nói riêng sẽ hứa hẹn
giải quyết những vấn đề còn tồn tại trong việc tồn trữ khí thiên
nhiên trên xe ôtô. Và có thể nói, thế kỷ 21 chắc chắn sẽ là thế kỷ
của một nguồn năng lượng mới, một loại hình động cơ mới: Natural
Gas Vehicle.
Trang-5-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Tại Việt Nam, từ năm 1997 đã có khoảng 20 chiếc xe đầu tiên
chạy khí thiên nhiên, và từ đó đến nay đã có nhiều dự thảo, đề tài
cho dự án chuyển loại hình taxi chạy xăng sang chạy NG. Cùng với
sự đưa vào hoạt động của nhà máy sản xuất khí thiên nhiên lỏng
Dinh Cô vào đầu năm 1999, chắc chắn sẽ là một bước tiến quan
trọng cho giao thông sử dụng khí thiên nhiên tại nước ta.
1.5. Khí thiên nhiên - giải pháp môi trường hiện nay
Khí thiên nhiên là một nguồn nhiện liệu thay thế sạch nhất
hiện nay cho các phương tiện vận tải. Từ lâu nó được coi là một
nguồn nhiên liệu hiệu quả khi được sử dụng cho các mục đích như:
phát điện, sưởi ấm vàdùng cho công nghiệp. Khả năng sử dụng khí
thiên nhiên cho các phương tiện vận tải chỉ mới được áp dụng gần
đây.
Trong những năm gần đây, những nhà sản xuất thiết kế đã
thiết kế ra các loại xe sử dung khí thiên nhiên, bao gồm: xe khách,
xe đầu kéo, xe buýt và xe tải nặng. Các loại phương tiện này hoạt
động bởi động cơ đốt cháy nhiên liệu sạch đã từng được sản xuất.
Bằng mọi cách các nhà sản xuất đã tối ưu hoá các động cơ của
họ để tận dụng những lợi thế khi sử dụng khí thiên nhiên, các xe sử
dụng khí thiên nhiên có một sự vượt trội hơn do sự thải khí xả sạch
hơn. Xe sử dụng khí thiên nhiên đã được chứng nhận là đạt được
những tiêu chuan về khí xả ra môi trường đòi hỏi cao nhất.
Năm 1997, Hãng HONDA đã tung ra thị trường một loại xe sử
dụng NCGas có tên là “ Civic GX” do đó HONDA đã nhận được phần
thưởng của tạp chí ”Discover Magazine Technology” .
Có ba lý do căn bản để cho rằng khí thiên nhiên là một nguồn
nhiên liệu thân thiện với môi trường.
Trước hết, khí thiên nhiên chứa khoảng 90% metan (CH4), khí
thải ra từ các loại xe sử dụng khí thiên nhiên cũng chủ yếu là do

mêtan cháy không het. Metan là một hợp chất hữu cơ dể thay đổi,
Trang-6-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

điều này quan trọng, bởi vì lượng metan không cháy hết bay hơi
kết hợp với NOX trong điều kiện ánh sáng mặt trời để không ảnh
hưởng đến tầng ôzôn. Xe cộ sử dụng khí thiên nhiên thì ít ảnh
hưởng đến việc hình thành các khí gây “hiệu ứng nhà kính” bởi vì
khí thiên nhiên thải ra ít cacbon hơn động cơ xăng và động cơ dùng
nhiên liệu dầu mỏ khác. Những hydrô cacbon khác chìm trong khí
thiên nhiên vơi số lượng nhỏ gồm có: etan, propan và butan và gần
như không chứa các thành phần độc hại nào. Động cơ xăng và động
cơ diesel thải ra khí xả chứa nhiều tác nhân hoá học có hại.
Thứ ba là khi một động cơ nạp nhiên liệu, khí thiên nhiên đat tiêu
chuẩn phán tán nhiên liệu cao hơn động cơ xăng và động cơ diesel.
2. Khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas - CNG)
Khí thiên nhiên được nén ở áp suất cao, các áp suất thường sử
dụng là 2400 psi (165,5 bar), 3000 psi (206,9 bar), 3600 psi
(248,2 bar) chứa trong các bình chứa cao áp mắc song song.
CNG có thể sử dụng trên động cơ đốt trong (ĐCĐT) thay cho
nhiên liệu xăng và diesel, có thể sử dụng độc lập hay hỗn hợp đa
nhiên liệu trên ĐCĐT.
Trong thực tế, các ĐCĐT hiện nay thiết kế để sử dụng nhiên liệu
xăng hay diesel, do đó việc sử dụng nhiên liệu CNG cho ĐCĐT thì
không phù hợp.
Có thể chế tạo ra một động cơ chuyên dùng cho CNG hoặc có
thể cải tạo động cơ xăng, diesel hiện có cho phù hợp với đặc tính
của nhiên liệu CNG.

2.1. Hệ thống nhiên liệu CNG đơn
HTNL CNG đơn là hệ thống chỉ sử dụng duy nhất nhiên liệu
CNG.
Động cơ cải tiến sử dụng HTNL CNG đơn tháo bỏ toàn bộ HTNL
cũ và lắp đặt toàn bộ HTNL CNG.
Trang-7-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Các bộ phận tháo bỏ: Bình chứa xăng, đường ống dẫn xăng,
bơm xăng, lọc xăng, bộ chế hòa khí, đồng hồ báo xăng, bơm xăng . .
.
Các bộ phận lắp đặt: Bình chứa nhiên liệu CNG, bộ giảm áp –
hóa hơi, bộ trộn, đường ống dẫn nhiên liệu CNG, van an toàn, van
vận hành, đồng hồ hiển thị . . .

Hình 2.3.2. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG đơn
a. Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu CNG đơn
HTNL đơn giản, việc bố trí, lắp đặt lên động cơ dễ dàng và có
thể tối ưu hóa HTNL động cơ.
Do chỉ sử dụng một HTNL nên việc vận hành đơn giản, không
phức tạp.
b. Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu CNG đơn
Mật độ năng lượng của CNG thấp nên các bình chứa CNG có
khối lượng lớn và chiếm nhiều không gian.

Trang-8-

BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Khó khăn trong việc tiếp nhiên liệu khi cơ sở hạ tầng cung cấp
CNG vẫn còn rất hạn chế.
2.2. Hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song
HTNL lỏng và CNG song song là HTNL sử dụng cả hai loại nhiên
liệu vừa xăng vừa CNG.
Động cơ sử dụng HTNL xăng và CNG song song không cần phải
tháo bỏ HTNL cũ mà chỉ cần lắp đặt thêm HTNL CNG mới.
Các bộ phận lắp đặt thêm: Toàn bộ HTNL CNG như HTNL CNG
đơn, ngoài ra cần phải thêm các van đóng mở nhiên liệu xăng và
CNG khi ta cần thay đổi loại nhiên liệu sử dụng trên động cơ.

Hình 2.3.3. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song
song

Trang-9-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

a. Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song
song
HTNL lỏng và CNG song song có khả năng dự trữ năng lượng
trên động cơ lớn hơn so với HTNL CNG đơn.
HTNL lỏng và CNG song song khắc phục được tình trạng tiếp
nhiên liệu do sự hạn chế về cơ sở hạ tầng của CNG.
b. Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song
song
Cấu tạo động cơ trở nên phức tạp, rất khó khăn trong việc lắp

đặt bố trí HTNL mới, giá thành tăng.
Phải tính toán, thiết kế cho động cơ làm việc tương đối ổn định
ở cả hai loại nhiên liệu. Khó khăn trong việc vận hành, bảo trì, sửa
chữa động cơ.

Trang-10-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Bảng 2.3.2. So sánh tính năng của nhiên liệu
khí thiên nhiên nén CNG so với các nhiên liệu truyền thống
Đặc tính

CNG

Diezel

Xăng

Trọng lượng phân tử

16

Thành phần % trọng
lượng C:H:O

75:25:0 86:13:01 85:13:01

100-105 199

Trọng lượng riêng

0.81-0.89 0.69-0.79

Điểm ngưng tụ (0C)

-182

-40

-40 -1

Điểm sôi (0C)

-162

27-225

188-343

Ap suất hơi (kPa –38
0
C)

48-104

<0.1

Nhiệt lượng riêng

(kJ/kg0K)

2,0

1,8

Độ nhớt (mPa-s)

0,0
1

Nhiệt trị thấp
(x1000kJ/L)

0,37-0,44 2,6-4,1
30-33

35-37

Nhiệt độ tự đánh lửa
(0C)

540

257

316

Tỷ số A/F

17,2

14,7

14,7

Chỉ số octan

120

88-100

Chỉ số cetan

40-55

Thành phần chủ yếu của CNG là Methane ( từ 80  90% ) tùy
theo nguồn khai thác, tồn tại ở nhiệt độ môi trường và áp suất cao
(khoảng 200  250 bar).
3. ứng dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cho các phương tiện
Trang-11-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

giao thông
Khí thiên nhiên được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương
tiện giao thông đầu tiên ở ý vào những năm 1930. Vào thập kỷ
1950, Pháp đã có 10.000 phương tiện chạy nhiên liệu CNG. New
Zealand, Canada, Mỹ đã có thị trường về CNG vào những năm

1970 và 1980. Hiện nay, có hơn 1.000.000 phương tiện giao thông
sử dụng nhiên liệu CNG ở 47 quốc gia trên toàn thế giới. Năm 1994
có 2.700 trạm cung cấp CNG được báo cáo.
3.1. Biện pháp kỹ thuật
Thành phần hoá học của khí thiên nhiên chủ yếu là CH4 (chiếm
khoảng 80% đến 90% tuỳ theo nguồn khai thác). Nhiệt độ tự cháy
của khí thiên nhiên cao (540 oC) hơn diesel (260oC), chỉ số cetane
của khí thiên nhiên (4) thấp hơn diesel(450) rất nhiều, do đó khí
thiên nhiên khó tự bốc cháy hơn diesel. Ngoài ra chỉ số octane của
khí thiên nhiên cao hơn xăng. Vì vậy khí thiên nhiên là nhiên liệu
tốt cho động cơ đánh lửa cưỡng bức. Các phương pháp chuyển đổi
động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệu
khí thiên nhiên :
- Động cơ xăng chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu khí thiên
nhiên, đốt cháy hỗn hợp bằng tia lửa điện của bugi
- Động cơ xăng chuyển sang sử dụng đồng thời 2 nhiên liệu
:khí thiên nhiên và xăng, đốt cháy hỗn hợp bằng tia lửa điện của
bugi
- Động cơ diesel chuyển sang sử dụng nhiên liệu khí thiên
nhiên, đốt cháy hỗn hợp bằng tia lửa điện của bugi
- Động cơ diesel chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu khí
thiên nhiên và diesel, đốt cháy hỗn hợp bằng sự tự cháy của lượng
nhiên liệu diesel phun mồi (từ 5% đến 25% lượng nhiên liệu định
mức)
Các phương pháp tạo hỗn hợp của động cơ sử dụng nhiên liệu
khí thiên nhiên:
Trang-12-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

- Sử dụng bộ chế hoà khí
- Sử dụng phương pháp phun : phun tập trung hay phun riêng
rẽ.
Khí thiên nhiên sử dụng cho động cơ dưới các dạng sau:
- Khí thiên nhiên nén (CNG - Compressed Natural Gas): khí
thiên nhiên được nén dưới dạng khí ở áp suất cao (200kg/cm2)
trong bình hình trụ
- Khí thiên nhiên lỏng (LNG - Liquefied Natural Gas): khí thiên
nhiên được trữ ở nhiệt độ thấp (-162oC) trong bình cách nhiệt
- Khí thiên nhiên hấp thụ (ANG - Asorbed Natural Gas): khí
thiên nhiên được trữ ở áp suất vài chục kg/cm2 được hấp thụ vào
một vật liệu ở bên trong bình chứa hình trụ
- Khí thiên nhiên tổng hợp (SNG - Synthetic Natural Gas): khí
thiên nhiên được tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu là than đá
Trên động cơ ôtô sử dụng khí thiên nhiên ở dạng nén (CNG)
hoặc ở dạng lỏng (LNG).
3.2. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ CNG

Trang-13-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Hình 2.3.4. Một hệ thống nhiên liệu CNG
điển hình
3.3. Tính năng động cơ
So với xăng, nhiên liệu khí thiên nhiên có chỉ số octane cao hơn
nên có thể tăng tỉ số nén, làm cho hiệu suất nhiệt tăng. Khí thiên
nhiên có nhiệt trị riêng khối lượng cao hơn so với nhiên liệu lỏng

thông thường. Cho nên cùng hiệu suất như nhau, suất tiêu hao
nhiên liệu tính theo khối lượng của động cơ sử dụng khí thiên nhiên
thấp hơn khi sử dụng các loại nhiên liệu lỏng khác.
Khi cải tạo động cơ diesel thành động cơ sử dụng nhiên liệu khí
thiên nhiên thì moment cực đại, công suất cực đại có giảm đi so với
động cơ nguyên thủy.
3.4. Mức độ phát thải ô nhiễm

Trang-14-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Bảng 2.3.3. So sánh thành phần Hydrocarbure trong khí
thải của động cơ dùng xăng và dùng khí thiên nhiên.
(Mẫu được lấy phía trước bộ xúc tác, thử theo chu trình ECE
+ EUDC)
Chất gây ô
nhiễm
Methane
Ethylene
Propylene
Butanes
But-1-ene
(Z)-But-2-ene
n-Pentane
Buta-1,3-diene
Benzen
Toluene
(m+p)-Xylene

Ethane
Propane
Acetylene
(E)-But-2-ene
Isobutene
Isopentane
Propyne
Pen -1 - ene
Iso - o ctane
Ethylbenzene
(o) - Xylene

Nhiên liệu
Xăng
Khí thiên nhiên
64
360
117,4
40
72,8
10,2
12,9
10,3
7,8
0
4,6
0
15
0
18

0
65
0
130,1
0
84,6
0
28,3
50
100
45,6
57,9
20,0
6,1
0
40
0
39,9
0
15
0
8,7
0
46,1
0
15,9
0
19
0

(Khối lượng khí phát thải tính theo mg)
Trang-15-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Ta thấy rằng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chỉ
phát thải các chất hydrocarbure từ C1 đến C4, ít độc hơn so với các
chất như benzene và toluene có trong thành phần khí xả của động
cơ xăng.

Hình 2.3.5. Nồng độ khí thải của động cơ CNG so
với tiêu chuẩn

Hình 2.3.6. Mức độ phát thải tổng cộng của động cơ
sử dụng nhiên liệu Diesel, methanol và CNG
Hình 2.3.6 cho thấy mức độ phát thải của ôtô chạy nhiên liệu
CNG rất thấp so với tiêu chuẩn quy định. Nếu sử dụng nhiên liệu
Trang-16-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

CNG thì mức độ phát thải tổng cộng chỉ bằng khoảng 16% so với
nhiên liệu diesel. CNG là nhiên liệu thay thế có nhiều nhiều triển
vọng làm giảm ô nhiễm môi trường.
3.5. Khả năng áp dụng
Cũng như LPG, với điều kiên về kỹ thuật và kinh tế hiện nay,
nước ta hoàn toàn có thể sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu
cho động cơ ôtô

4. Sử dụng nhiên liệu khí cho động cơ trên xe bus:
Động cơ trên xe buýt hiện nay là động cơ Diesel 4 kỳ. Để sử
dụng nhiên liệu khí cho xe buýt ta phải có một số cải tiến về kết cấu
động cơ cũng như hệ thống nhiên liệu. Với hiện trạng về nhiên liệu
khí ở nước ta hiện nay, các loại nhiên liệu khí có thể sử dụng cho
động cơ trên xe buýt là khí thiên nhiên nén CNG.
4.1. Phương án sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cho xe buýt
Có hai cách sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho động cơ
disel.
a. Cách 1:
Chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ chạy khí thiên nhiên,
đánh lửa cưỡng bức, kết hợp thay đổi tỉ số nén cho phù hợp.
- Động cơ có sự thay đổi kết cấu nhiều, tốn chi phí gia công lắp
đặt. Phải thay kim phun bằng bugi, phải gia công lại lỗ kim phun
để lắp bugi. Buồng cháy cũng được gia công lại để giảm tỉ số nén.
- Trong điều kiện các trạm cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên
chưa phổ biến thì việc vận hành xe gặp khó khăn trong vấn đề
nạp nhiên liệu.
- Việc điều khiển động cơ dễ dàng
- Mức độ ô nhiễm thấp
b. Cách 2:
Chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ hai nhiên liệu : nhiên
liệu diesel phun mồi để đốt cháy hỗn hợp hoà khí trong xylanh.
- Động cơ ít thay đổi về kết cấu, chi phí chuyển đổi thấp
Trang-17-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

- Bố trí hệ thống nhiên liệu phức tạp, khó khăn cho lắp đặt và

sửa chữa.
- Mức độ ô nhiễm cao hơn.
- Chi phí bảo dưỡng sửa chữa nhiều hơn, vì có hai hệ thống
nhiên liệu
- Việc vận hành xe thuận lợi hơn trong vấn đền nạp nhiên liệu
c. Các phương án bố trí :
* Phương án 1:
Bình nhiên liệu được bố trí trên nóc xe, gần tâm cầu sau.
Trọng lượng cầu sau tăng lên rất nhiều so với cầu trước, tăng khả
năng bám của xe, nhưng giảm khả năng ổn định của xe khi quay
vòng, tăng tốc

Hình 2.3.7. Bố trí phương án 1
* Phương án 2:
Bình nhiên liệu bố trí gần tâm cầu trước. Trọng lượng phân bố
lên cầu trước tăng, khả năng ổn định khi quay vòng và khi tăng
tốc có tăng nhưng giảm khả năng ổn định khi phanh
Trang-18-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Hình 2.3.8. Bố trí phương án 2
* Phương án 3:
Như vậy cách tốt nhất là bố trí bình nhiên liệu có trọng tâm
trùng với trọng tâm của xe lúc ban đầu. Hai phương án trên, chiều
cao trọng tâm của xe sẽ tăng lên, giảm khả năng ổn định của xe.
Phương án thứ 3 là bố trí bình nhiên liệu bên dưới gầm xe, giữa hai
cầu xe. Bình nhiên liệu được lắp vào khung xe. Chiều cao trọng tâm
của xe sẽ giảm. Tăng khả năng ổn định của xe, nhưng lại khó khăn

khi bảo dưỡng, sữa chữa.

Trang-19-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Hình2.3.9. Bố trí phương án 3
Khi sử dụng nhiên liệu khí CNG cho động cơ trên xe buýt, có
một số thay đổi về bố trí chung trên xe buýt. Phần hệ thống nhiên
liệu được bố trí lại. Phải thiết kế lắp đặt một số cụm của hệ thống
nhiên liệu như : bình nhiên liệu CNG, bộ giảm áp, bộ hoà trộn, bố trí
đường ống dẫn nhiên liệu. Đặc biệt là bình nhiên liệu, do nó có khối
lượng khá lớn so với bình nhiên liệu diesel, kích thước chiếm chỗ
cũng lớn hơn, cho nên vấn đề tăng tải trọng lên các cầu xe, sự thay
đổi trong tâm của xe, không gian chiếm chỗ trên xe được quan
tâm. Theo phương án bố trí đã chọn, vấn đề trọng tâm đã ổn thỏa:
trọng tâm sẽ không thay đổi nhiều so với xe buýt trước khi bố trí,
thậm chí chiều cao trọng tâm còn hạ thấp xuống nữa, điều này
càng có lợi cho tính ổn định của xe. Khối lượng gia tăng sẽ được
tính toán kỹ để không vượt quá giá trị tối đa sức chịu tải cho phép
của các cầu xe. Đối với xe buýt, phần không gian gầm xe thường ít
sử dụng nên vấn đề choán chổ không gây ảnh hưởng gì, chỉ cần bảo
đảm khoảng sáng gần xe theo quy định là được.
4.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí CNG cho động cơ
4.2.1. Phần động cơ
Hỗn hợp được hoà trộn bên ngoài động cơ bằng một bộ trộn
Trang-20-

BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

tương tự như bộ chế hoà khí của động cơ xăng. Để thay đổi tốc độ
và công suất động cơ, lưu lượng hoà khí được điều chỉnh bằng một
bướm ga do người lái điều khiển từ buồng lái. CNG là nhiên liệu tốt
cho động cơ đánh lửa. Để không xảy ra hiện tượng kích nổ khi sử
dụng nhiên liệu CNG cho động cơ đánh lửa, tỉ số nén của động cơ
CNG nhỏ hơn động cơ diesel.
4.2.2. Phần hệ thống cung cấp nhiên liệu
a. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu

Hình2.3.10. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG
b. Nguyên lý làm việc
* Khi động cơ không làm việc:
Khi công tắc điện ở buồng lái ở vị trí mở, van khóa nhiên liệu ở
trạng thái đóng. Không có nhiên liệu trong hệ thống ống dẫn. Các
van có tải, van không tải, van một chiều ở trạng thái đóng.
Khi công tắc điện ở vị trí đóng, van khóa nhiên liệu mở cho khí
CNG có áp suất cao (khoảng 200kg/cm2) lưu thông đến bộ giảm áp.
Lúc này, do động cơ không hoạt động nên không tạo ra chênh áp
trong bộ giảm áp. Các van không tải và van có tải vẫn đóng
Trang-21-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

* Chế độ khởi động:
Khi khởi động, cánh bướm gió gần như đóng kín, không gian
đường nạp phía sau bướm gió có độ chân không lớn. Độ chân
không này làm mở van 1 chiều, đồng thời làm cho van không tải

mở ra, nhiên liệu từ bộ giảm áp đến bộ hòa trộn, cùng với không
khí lọt qua khe hở của bướm gió hòa trộn rồi vào xy lanh ở kỳ nạp.
Độ đậm đặc của hỗn hợp trong giai đoạn này lớn ( <1). Van không
tải của bộ giảm áp được mở do sự dịch chuyển của 1 màng cao su
thông qua một cơ cấu đòn bẩy. Khi có độ chân không thì màng cao
su dịch chuyển làm cho đòn bẩy mở van không tải.
* Chế độ không tải:
Khi động cơ bắt đầu hoạt động thì bướm gió từ từ mở ra. Khi
động cơ đã khởi động thì bướm gió mở hoàn toàn, bướm gas gần
như đóng kín. Lưu lượng không khí qua họng tiết lưu thấp nên độ
chênh áp nhỏ, không đủ lực để mở van một chiều. Độ chân không
sau bướm gas lớn, được truyền đến buồng của bộ giảm áp để mở
van không tải. Khí CNG áp suất thấp từ bộ giảm áp đến hòa trộn với
không khí ở bộ hòa trộn rồi vào xy lanh động cơ ở kỳ nạp. Lưu lượng
khí CNG qua van không tải bằng với lượng nghiên liệu mà động cơ
cần thiết ở chế độ không tải
* Chế độ tăng tốc:
Khi tăng tốc, bướm gas mở độ ngột, làm cho lưu lượng không
khí tăng lên rất nhanh. Nếu không bổ sung một lượng nhiên liệu kịp
thời thì hỗn hợp sẽ loãng, làm cho quá trình cháy diễn ra khó, có
thể động cơ bị ngừng hoạt động. Một cơ cấu sẽ mở van có tải rộng
hơn ngay khi bướm gas mở đột ngột, bổ sung kịp thời một lượng
nhiên liệu, hỗn hợp không bị làm loãng quá mức, bảo đảm động cơ
hoạt động bình thường.
* Chế độ có tải:
Khi động cơ chuyển từ chế độ không tải sang chế độ có tải,
bướm gas mở từ từ. Lưu lượng không khí qua họng tiết lưu tăng dần
Trang-22-

BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

làm cho độ chân không ở đây tăng dần, mở van một chiều. Độ chân
không này truyền đến buồng chân không của bộ giảm áp, làm mở
van có tải, một lượng khí CNG qua van này bổ sung vào lượng khí
CNG qua van không tải, đến hòa trộn với không khí ở bộ hòa trộn
rồi vào xy lanh ở kỳ nạp. Độ mở của van có tải phụ thuộc vào độ
chân không của họng tiết lưu, tức là độ mở bướm gas. Do đó lưu
lượng qua van có tải phụ thuộc vào độ mở của van này, tức là phụ
thuộc vào tải của động cơ.
4.2.3. Cấu tạo các bộ phận trong hệ thống CNG
Hệ thống nhiên liệu gồm có : bình chứa nhiên liệu CNG ở áp
suất cao, ống dẫn nhiên liệu, lọc nhiên liệu, bộ giảm áp, bộ hòa
trộn, các van.
a. Bình dự trữ nhiên liệu
Bình dự trữ nhiên liệu dùng để chứa khí CNG ở áp suất cao
(khoảng 200kG/cm2), lượng khí dự trữ đủ để động cơ hoạt động
trong 1 khoảng thời gian làm việc của xe búyt. Bình được thiết kế
chịu được áp suất cao, thường làm bằng thép, bằng composit, bằng
nhôm có gia cường sợi carbon, sợi thủy tinh. Yêu cầu là bình không
bị nổ vỡ trong trường hợp xảy ra tai nạn như cháy, va chạm.
Công tác nghiên cứu thiết kế bình khí nén đã được đầu tư và
phát triển từ rất lâu đời, vật liệu cơ bản và gắn bó lâu đời với bình
nhiên liệu là thép hợp kim chịu lực, trong đó năm 1950 đánh dấu
sự ra đời của một thế hệ bình nhiên liệu sử dụng vật liệu mới đầy
triển vọng : Composite, sợi Carbon - thủy tinh …

Trang-23-

BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Hình 2.3.11. Sơ đồ bố trí bình chứa CNG trên xe du lịch
* Lý thuyết chế tạo bình khí nén cho một ôtô:
- Thời gian hoạt động : binh nhiên liệu khí nén dự trữ cho ôtô
phải đảm bảo khoảng thời gian hoạt động tối thiểu là 200 dặm
( khoảng 300-350 km ).
- Các thông số vật lý chính của bình : trọng lượng, áp suất tới
hạn, khả năng chống thấm, độ dày, tính lão hóa theo thời gian …
- Việc thiết kế bình nhất thiết cần theo các tiêu chuẩn đã được
sử dụng : tiêu chuẩn của Mỹ (ANSI/AGA NGV2 standard) hay tiêu
chuẩn Canada (CANDDIAN standard, CSA B51 )

Trang-24-


BÀI 3 : øng dông khÝ thiªn Nhiªn nÐn (cng) cho ®éng c¬ « t«

Bảng 2.3.4. Thông số kỹ thuật của một bình khí nén
Đơn vị Anh

Đơn vị SI

17,461 cu in

286 lít

Đường kính mặt
ngoài

15,9 in

404 mm

Chiều dài tổng
thể

120 in

3,05 m

Thông số
Thể tích

Khối lượng
Ap suất tác động
Vòng đời
Nhiệt độ thiết kế
min

270 lb

122,5 kg

3600 psig

248 bar

20 năm ( US )

15 năm
(Canada)

-40 F

-400 C

Nhiệt độ thiết kế
180 F
820 C
max
* Cấu thành chính của một bình khí nén CNG:
Vỏ bình: bao gồm 2 phần chính được ghép lại với nhau, các bề
mặt tiếp xúc được đảm bảo khép kín với nhau. Vật liệu sử dụng là
loại sợi thép không rỉ 409. Bề mặt trên của bình nơi thường bố trí
các miệng xả cũng như các van thoát khí được tráng một lớp
composite dày khoảng 0,508.10-3 mm loại hybid Composite để
làm tăng độ cứng của cấu trúc và giảm độ thấm của bề mặt.
Hệ thống đảm bảo áp suất: mỗi bình dự trữ nhiên liệu
composite được trang bị nhiều đường cung cấp khí và đường khí
xả khác nhau trong các trường hợp khẩn cấp khi áp suất trong
bình có sự thay đổi đột ngột …thông thường người ta sử dụng 3
đường ống trên một bình khí với các vị trí : vị trí (1) nằm ở phần
trên của bình, vị trí (2) nằm khoảng giữa bình, vị trí (3) nằm thẳng
góc về phía cuối bình Đường kính của ống thiết kế là khoảng #
Trang-25-