Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu

1
MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn 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 các động cơ sử dụng nhiên liệu này. 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 và có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được để một mặt giảm ô nhiễm môi trường, mặt khác bù đắp
một phần sự thiếu hụt nhiên liệu truyền thống về lâu dài. Trong số các nhiên liệu thay thế, khí
thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas – CNG) là một nhiên liệu đáp ứng được các yêu cầu
nói trên và rất thích hợp với động cơ đánh lửa cưỡng bức nên rất có tiềm năng để sử dụng làm
nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng. Tuy nhiên, do CNG là nhiên liệu khí có nhiều tính chất
khác với nhiên liệu lỏng truyền thống nên cần có những thay đổi về kết cấu động cơ cho phù hợp.
Việc chế tạo động cơ mới dùng CNG với sản lượng nhỏ thường có giá thành rất cao nên khó khả
thi. Trong khi đó nhập khấu các động cơ này cũng rất đắt so với động cơ sử dụng nhiên liệu
truyền thống nên khó đáp ứng được khả năng chi trả của người sử dụng. Việc chuyển đổi động cơ
xăng hiện hành sang sử dụng CNG bằng phương pháp cấp CNG vào đường nạp sẽ khắc phục
được khó khăn về chi phí và có ý nghĩa thực tiễn cao nhưng công suất động cơ giảm nhiều do
CNG là nhiên liệu khí chiếm nhiều chỗ của không khí nạp. Do đó, cần nghiên cứu các nhân tố
ảnh hưởng đến tính năng làm việc của động cơ khi sử dụng CNG và từ đó nghiên cứu giải pháp
khắc phục một phần sự suy giảm công suất này. Đây cũng chính là lý do để tác giả thực hiện đề
tài “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên
liệu” để góp phần vào đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động cơ và giảm ô nhiễm môi trường.
ii. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
* 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.
* 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.
iii. 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 các tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ và ảnh hưởng
của phương pháp cung cấp CNG và góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc của động cơ; từ đó
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.


2
iv. Ý nghĩa khoa học và 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 chạy nhiên liệu khí.
- 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.
v. Điểm mới của luận án
- Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của CNG, các phương pháp cung cấp CNG, góc đánh lửa
sớm và việc bổ sung phụ gia Maz-nitro đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ
xăng sử dụng CNG, làm cơ sở để chọn và hoàn thiện các giải pháp công nghệ phù hợp để sử dụng
CNG một cách hiệu quả.
- Đã hoàn thiện các giải pháp công nghệ cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn và phun CNG phù hợp
với các loại động cơ xăng hiện hành, đặc biệt là giải pháp công nghệ phun CNG tận dụng hệ
thống điều khiển phun xăng của động cơ nguyên thủy đã giúp việc chuyển đổi động cơ phun xăng
sang phun CNG trở nên đơn giản với chi phí thấp.
- Lần đầu tiên đưa ra và hoàn thiện giải pháp công nghệ sử dụng phụ gia lỏng cho nhiên liệu khí
để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
- Kết quả luận án cho biết, khi sử dụng hệ thống phun CNG thì công suất động cơ tăng, suất tiêu
hao nhiên liệu và phát thải giảm so với hệ thống cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn. Nếu bổ sung
phụ gia, công suất tăng thêm 6,5%, tiêu hao nhiên liệu giảm tiếp 5,0%, phát thải CO, HC giảm
khoảng 30%. Do đó, việc chọn phụ gia Maz-nitro để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu là hợp
lý, cải thiện được công suất động cơ và giảm lượng phát thải độc hại.
vi. Bố cục của luận án
- 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

CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 Nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong
Do sự phát thải gây ô nhiễm môi trường trầm trọng và sự cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu
truyền thống của động cơ đốt trong hiện hành nên việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế là
giải pháp tất yếu. Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên nghiên cứu sử dụng là các loại nhiên liệu
có mức phát thải thấp và có trữ lượng lớn hoặc tái tạo được, đồng thời có thể sử dụng cho các
động cơ đang lưu hành mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu. Các nhiên liệu đó có thể là
hydro, biogas, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, các loại nhiên liệu sinh học và nhiên liệu khí thiên
nhiên. Trong đó khí nhiên nhiên có trữ lượng rất lớn, giá thành rẻ và rất thích hợp sử dụng cho
động cơ đốt cháy cưỡng bức nên là một nhiên liệu thay thế rất có tiềm năng cho động cơ xăng.


3
1.2 Đặc điểm của khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên là một loại khí không màu, không mùi, có tỷ trọng nhẹ hơn không khí, được
tìm thấy ở các mỏ khí và mỏ dầu. Thành phần của khí thiên nhiên thường khác nhau tùy thuộc
vào nơi khai thác chế biến nhưng thành phần chính của nó là khí methane. Thành phần của mẫu
khí thiên nhiên sử dụng trong nghiên cứu này được thể hiện trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Thành phần cơ bản của khí thiên nhiên

Thành phần
Kí hiệu
Hàm lượng (%)
Methane
CH4
93,3
Ethane
C2H6
2,16
Propane

C3H8
0,19
Ethylene
C2H4
0,14
Nitrogen
N2
2,21
Carbondioxide
CO2
2.0
Khí thiên nhiên khi được nén với áp suất cao để dễ dàng cho việc bảo quản, tích trữ và vận
chuyển được gọi là khí thiên nhiên nén. Một số tính chất của khí thiên nhiên nén so với nhiên liệu
truyền thống xăng và dầu diesel được chỉ ra trên bảng 1.2.
Bảng 1.2. So sánh đặc tính của CNG với nhiên liệu truyền thống

TT

Nhiên liệu

Thông số

Xăng
CNG
1
Trị số octane
95
≈ 130
2
Nhiệt trị thấp LHV (kJ/kg)

43690
50009
3
Giới hạn dưới thể tích bốc cháy (%V)
0,60
0,50
4
Nhiệt độ bốc cháy (0C)
650
250 ÷ 275
5
Nồng độ giới hạn tự bốc cháy (%)
5 ÷ 15
0,6 ÷ 7,6
6
Tốc độ cháy ở độ ngọn lửa (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
1/3

10 Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết
14,7
16,8
1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ đốt cháy cưỡng bức
1.3.1 Sự phát triển của các phương tiện GTVT sử dụng nhiên liệu CNG
Số lượng các phương tiện sử dụng CNG trên thế giới ngày càng tăng cao, hiện nay có trên
23 triệu ô tô CNG đang sử dụng, và dự đoán con số sẽ đạt trên 65 triệu chiếc vào năm 2020. Việt
Nam có trữ lượng và sản lượng khí thiên nhiên lớn và việc sử dụng CNG cho ô tô cũng đã bắt đầu
được quan tâm.
1.3.2. Các phương pháp cung cấp CNG và tạo hỗn hợp trên động cơ
1.3.2.1. Hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn

Bướm ga

Đường
không
tải

Van công suất
Bộ giảm áp
Van điện từ

Họng khuếch tán

Không
khí
Hỗn hợp

Nước nóng

CNG

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn có lỗ xung quanh họng


4
Hệ thống cung cấp CNG vào đường nạp (hình 1.1) sử dụng bộ hòa trộn có kết cấu rất đơn
giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt và giá thành rất rẻ. Ngày nay hệ thống này vẫn được sử dụng rất rộng
rãi, đặc biệt là trên các động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng vì chỉ cần lắp thêm hệ thống
này lên động cơ và khóa đường xăng lại là động cơ có thể làm việc với CNG.
1.3.2.2. Hệ thống phun CNG vào cửa nạp
6
5
Hình 1.2 trình bày sơ đồ nguyên lý
ECU
7
của hệ thống phun CNG vào đường nạp
4
theo nguyên lý phun đa điểm. Nguyên lý
8
2
3
điều khiển phun CNG đa điểm bằng điện tử
9
10
hoàn toàn tương tự như hệ thống phun
xăng đa điểm. Chỉ có một điểm khác là các
vòi phun CNG được bố trí trên một cụm và
1
từ mỗi vòi phun này có một đường dẫn

CNG
nhiên liệu khí tới cửa nạp của mỗi xi lanh
động cơ. Áp suất hơi sau bộ giảm áp và
trước vòi phun được duy trì là khoảng
1. Bình CNG; 2. Van điện từ; 3. Bộ giảm áp; 4. Ống phân
2,53 bar tùy theo yêu cầu của mỗi hệ phối; 5. ECU điều khiển vòi phun CNG; 6. Tín hiệu từ các
thống.
cảm biến; 7. Tín hiệu điều khiển vòi phun; 8. Vòi phun
CNG; 9. Đường cấp CNG vào cửa nạp; 10. Động cơ.
c. Hệ thống phun trực tiếp CNG vào xi
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống phun đa điểm CNG
lanh
Theo sơ đồ hình 1.3, CNG từ bình
2
3
chứa được dẫn tới bộ điều áp rồi đưa tới
5
vòi phun. Áp suất khí được điều chỉnh ổn
định nhờ bộ điều áp CNG thông qua ECU.
Hệ thống phun trực tiếp CNG phức tạp nên
6
thường chỉ được áp dụng trên các động cơ
1
CNG chế tạo mới và khó áp dụng được
7
trên các động cơ chuyển đổi.
4
Từ các kết nghiên cứu nêu trên, trong
khuôn khổ đề tài, tác giả lựa chọn theo hai
cách là dùng bộ hòa trộn và phun trên

đường nạp (gần phía xupap nạp) để nghiên
1. Bình CNG; 2. Đồng hồ áp suất; 3. Van điện từ; 4.
Máy tính điều khiển; 5. Bộ giảm áp; 6. Vòi phun khí
cứu cung cấp CNG trang bị cho động cơ
CNG; 7. Động cơ.
xăng có hệ thống phun xăng điện tử đang
Hình
1.3.
Sơ
đồ hệ thống phun CNG trực tiếp
lưu hành.
1.3.3 Chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG
Động cơ CNG làm việc theo nguyên lý đốt cháy cưỡng bức nên nếu chuyển đổi động cơ
diesel sang sử dụng CNG thì ngoài việc trang bị mới hệ thống cung cấp CNG cần phải thực hiện
thay đổi nhiều về kết cấu động cơ hơn so với việc chuyển đổi động cơ xăng. Đặc biệt là phải
giảm tỷ số nén và trang bị mới hệ thống đánh lửa là các công việc khá phức tạp và đòi hỏi chi phí
lớn. Thêm nữa, động cơ diesel khi đã được chuyển đổi sang động cơ CNG thì động cơ sẽ không
thể sẵn sàng quay lại sử dụng nhiên liệu diesel khi cần được nữa. Trong khi đó nếu chuyển đổi
động cơ xăng thì chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG nên giá thành chuyển đổi rẻ hơn
nhiều. Đồng thời động có có thể giữ nguyên hệ thống cung cấp xăng và sẵn sàng có thể quay lại
sử dụng xăng bất cứ khi nào muốn. Chính vì vậy đề tài này hướng tới nghiên cứu hoàn thiện công
nghệ chuyển đổi động xăng hiện hành sang sử dụng CNG và nghiên cứu công nghệ nâng cao hiệu
quả sử dụng CNG của động cơ chuyển đổi.
1.3.4. Các nghiên cứu sử dụng CNG cho ĐCĐT
1.3.4.1 Trên thế giới
Nghiên cứu của Tahir và cộng sự, với phương pháp cấp CNG vào đường ống nạp, công suất


5
động cơ sử dụng CNG giảm 18,5% so với sử dụng xăng ở cùng chế độ tải và tốc độ do lượng khí

nạp giảm đến 14,5% vì bị nhiên liệu khí chiếm chỗ.
Kết quả nghiên cứu của M.U. Aslam và cộng sự so sánh việc sử dụng CNG và xăng trên
cùng một động cơ xăng hoán cải cho thấy áp suất có ích trung bình giảm khoảng 16% khi sử
dụng CNG so với khi sử dingj xăng. Tuy nhiên, suất tiêu hao năng lượng có ích lại cải thiện trung
bình khoảng 1,65 MJ/kWh ở chế độ toàn tải. Hàm lượng các phát thải độc hại CO giảm trung
bình 80%, CO2 giảm 20% và HC giảm 50%, trong khi đó NOx lại tăng 33%.
R.L. Evans và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của CNG đến tính năng làm việc và phát
thải độc hại của động cơ thí nghiệm 1 xylanh Ricardo bằng phương pháp phun CNG vào cửa nạp.
Kết quả cho thấy, công suất của động cơ giảm trung bình khoảng 12%, hiệu suất nhiệt của động
cơ gần tương tự như sử dụng nhiên liệu xăng và cải thiện một chút ở vùng hỗn hợp nghèo. Tất cả
các thành phần phát thải đều giảm trong khoảng từ 5 đến 50% tùy theo từng loại.
Kết quả nghiên cứu của Ali M. Pourkhesalian và cộng sự chuyển đổi động cơ xăng 4 xylanh
nhãn hiệu Mazda B2000i thành động cơ lưỡng nhiên liệu xăng/CNG theo nguyên lý phun trên
đường nạp cho thấy nhiên liệu khí làm giảm khoảng 12% lượng không khí nạp, và do đó, công
suất giảm tới 20%. Phát thải CO và HC cũng giảm mạnh tương tự kết quả của các tác giả khác.
Theo kết quả nghiên cứu của M.A. Kalam cùng cộng sự, khi chuyển đổi động cơ sử dụng
xăng sang phun CNG trực tiếp, hiệu suất động cơ tăng lên khá nhiều, công suất của động cơ tăng
10% so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng với cùng hệ số dư lượng không khí.
1.3.4.2. Ở Việt Nam
Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí biogas và LPG, còn việc
nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ thì chưa nhiều. Tác giả Lê Văn Tụy nghiên cứu mô phỏng
cung cấp CNG cho động cơ có tỷ số nén cao (động cơ KamAZ 740) mới chỉ dừng lại ở kết quả
mô phỏng mà chưa đánh giá đầy đủ bằng thực nghiệm; Nguyễn Sĩ Thắng và cộng sự đã nghiên
cứu sử dụng CNG trên hai xe Innova và Altis nhưng sử dụng các bộ kít chuyển đổi cung cấp
CNG bán trên thị trường nên có vẻ không tối ưu với động cơ thí nghiệm và kết quả thu được
không được như mong đợi.
1.3.5. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ chuyển đổi
Nói chung các kết quả nghiên cứu đều chỉ ra rằng khi chuyển động cơ xăng sang sử dụng
CNG bằng việc cung cấp CNG vào đường ống nạp, phát thải của động cơ cải thiện nhiều nhưng
công suất động cơ giảm đến 20% so với khi sử dụng xăng. Do đó, cần nghiên cứu áp dụng một số

giải pháp công nghệ để hạn chế sự suy giảm công suất của động cơ chuyển đổi, có thể gồm:
1.3.5.1. Thay đổi kết cấu động cơ
Một số biện pháp thay đổi kết cấu có thể áp dụng để cải thiện tính năng công suất của động
cơ chuyển đổi gồm tăng tỷ số nén động cơ, thiết kế đường ống nạp tạo xoáy để tăng tốc độ cháy
của động cơ, tăng góc đánh lửa sớm để khắc phục thời gian cháy trễ dài của CNG. Tuy nhiên, các
biện pháp này cần thay đổi nhiều về kết cấu động cơ, làm tăng chi phí nên khó áp dụng cho việc
chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG.
1.3.5.2. Bổ sung hydro
Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng bổ sung hydro vào động cơ CNG là một phương
pháp hữu hiệu để cải thiện quá trình cháy, từ đó giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải của
động cơ. Tuy nhiên vì hydro là khí nhẹ nên công suất động cơ không cải thiện được bao nhiêu,
thậm chí bị giảm khi tỷ lệ hydro bổ sung trong nhiên liệu cao. Mặt khác công nghệ này cũng phức
tạp nên khó áp dụng thực tế.
1.3.5.3. Sử dụng phụ gia nhiên liệu
Việc sử dụng phụ gia đối với nhiên liệu lỏng để cải thiện tính năng của nhiên liệu nhằm
nâng cao hiệu quả quá trình cháy giúp cháy nhanh, cháy kiệt để tăng công suất, giảm tiêu hao
nhiên liệu và phát thải đã được quan tâm từ lâu. Một số loại phụ gia cải thiện đặc tính cháy đã
được sử dụng nhiều như ether, các loại hydrocarbon dễ cháy, nitromethane, butyl rubber, Maznitro, v.v. Trong các loại phụ gia này, Maz-nitro, một phụ gia hữu cơ dạng lỏng, được chứng


6
minh là có hiệu quả cao về cải thiện công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ sử
dụng nhiên liệu lỏng. Maz-nitro cũng đã được thử nghiệm với nhiên liệu khí thiên nhiên đốt lò
hơi và thể hiện hiệu quả như sử dụng với nhiên liệu lỏng. Thành phần phụ gia này được chỉ ra ở
bảng 1.3. Tỷ lệ pha phụ gia trong nhiên liệu được nhà sáng chế khuyến cáo ở tỷ lệ khối lượng 500
ppm đến 1000 ppm và tỷ lệ tối ưu đã được chứng minh bằng thực nghiệm là 800ppm.
Bảng 1.3. Công thức chất phụ gia Maz-nitro.

Công Thức “MAZ-NITRO”
Thành phần

Thành phần khối lượng
1-nitropropane
29/55
Nitroethane
10/55
10/55
Nitromethane
5/55
Toluen
1/55
Chất bôi trơn (dầu Ete cải tiến)
Tổng:
55/55
Đề tài luận án này chọn nghiên cứu sử dụng phụ gia Maz-nitro để khắc phục một phần sự
suy giảm công suất của động cơ CNG so với động cơ xăng và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và
phát thải của động cơ.
1.4. Kết luận chương 1
Việc sử dụng nhiên liệu thay thế trong ĐCĐT là cần thiết để khắc phục tình trạng thếu nhiên
liệu và phát thải độc hại của động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống. Trong số các nhiên liệu
thay thế thì khí thiên nhiên có trữ lượng lớn, phát thải độc hại thấp, đồng thời có trị số octane cao
nên thích hợp sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ xăng.
Các động cơ CNG chuyển đổi có tính kinh tế nhiên liệu cao và phát thải độc hại thấp hơn
nhiều so với động cơ xăng nguyên thủy. Tuy nhiên, vấn đề tồn tại là động cơ chuyển đổi sử dụng
hệ thống cung cấp CNG vào đường nạp có công suất giảm nhiều so với động cơ nguyên thủy,
giảm tới 20%. Đề tài này sẽ nghiên cứu biện pháp để tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ
với CNG để hạn chế sự suy giảm công suất và cải thiện tính năng kinh tế và phát thải của động
cơ. Các biện pháp được nghiên cứu sử dụng gồm:
1- Nghiên cứu sử dụng phương pháp cung cấp CNG hợp lý;
2- Nghiên cứu điều chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp trong động cơ chuyển đổi;
3- Nghiên cứu sử dụng phụ gia Maz-nitro cải thiện đặc tính làm việc của động cơ.

Các nội dung nghiên cứu gồm:
- Nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo và trang bị các hệ thống cung cấp CNG và hệ thống cung
cấp phụ gia cho động cơ.
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của CNG, các phương pháp cung cấp CNG và phụ
gia Maz-nitro đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ .
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, chưa nghiên cứu độ bền và tuổi thọ của động cơ.
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỬ DỤNG CNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG
HIỆN HÀNH BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST
2.1. Giới thiệu chung
Việc nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng sử dụng CNG là nhằm đánh giá tính năng kinh tế,
kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng 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 hiệu quả cho việc chuyển đổi động cơ sang sử dụng nhiên liệu khí này.
Việc nghiên cứu được thực hiện trên các phần mềm mô phỏng nên rất tiện lợi và giúp rút
ngắn thời gian nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và chạy thử nghiệm. Trong đề tài này, phần mềm
AVL-Boost được chọn để thực hiện nhiệm vụ đặt ra.


7
2.2. Mô hình mô phỏng động cơ 1NZ-FE
Mô phỏng trên Boost trải qua các bước sau:
- Thiết lập mô hình: Gồm việc định nghĩa các phần tử rồi kết nối chúng với nhau;
- Lựa chọn thuật toán và nhập các dữ liệu điều kiện biên và điều kiện đầu liên quan vào mô hình;
- Chạy mô hình và xuất ra kết quả.
Để tính toán mô phỏng các thông số đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của
động cơ 1NZ-FE khi sử dụng CNG được cung cấp bằng phương pháp phun và bằng bộ hòa trộn
kiểu ống venturi so với động cơ khi phun xăng, cần thiết lập mô hình động cơ này trên phần mềm
AVL-Boost cho 3 trường hợp cung cấp nhiên liệu đã nói. Hình 2.1 thể hiện các mô hình động cơ

1NZ-FE trên phần mềm AVL-Boost, trong đó mô hình (a) được thiết lập cho động cơ khi sử dụng
xăng hoặc CNG phun vào đường nạp, còn mô hình (b) là cho động cơ khi sử dụng CNG được
cung cấp bởi bộ hòa trộn kiểu ống venturi. Các thông số động cơ cho 2 trường hợp phun xăng và
phun CNG là hoàn toàn như nhau, chỉ khác nhau ở các mô hình cấp nhiên liệu, còn mô hình động
cơ sử dụng CNG được cấp bởi bộ hòa trộn kiểu ống venturi thì kết cấu động cơ có thay đổi ở
đường ống nạp so với mô hình (a) là có đặt ống venturi. Dựa trên các số liệu của động cơ thực
(bảng 2.1) được lấy từ bộ đĩa CD đào tạo kỹ thuật viên của hãng Toyota và những thành phần có
sẵn trong AVL Boost.
Đường cấp CNG
Venturi

(a)

(b)

(a) Mô hình mô phỏng động cơ phun xăng và phun CNG;
(b) Mô hình mô phỏng động cơ cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn kiểu ống venturi
Hình 2.1. Mô hình động cơ 1NZ-FE trên AVL Boost.
Bảng 2.1. Thông số cơ bản của động cơ Toyota Vios 1NZ-FE [99 - phụ lục 2.1]

Thông số
Ký hiệu
Giá trị
Hành trình piston (mm)
S
84,7
Đường kính xi lanh (mm)
D
75
Số xi lanh (-)

I
4
Công suất định mức (kW)
Ne
80
140
Mô men cực đại ở n = 4200 v/phh (Nm)
Me max
6000
Số vòng quay định mức (v/phh)
nđm
Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất (g/kWh)
ge
244
Tỉ số nén (-)
10,5: 1

2.3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình
Đồ thị Hình 2.2 cho thấy sai lệch trung bình 3,26% trên toàn dải tốc độ. Với sai lệch của kết
quả mô phỏng so với thực nghiệm nhỏ hơn 5% nên mô hình động cơ xây dựng được coi là đảm
bảo độ tin cậy và có thể sử dụng để tính toán mô phỏng các thông số làm việc khi sử dụng xăng.


8

40

ge-thực nghiệm
ge-mô phỏng

350

30

300

20
250
10
0
500

1000

1500

2000

2500
n (v/p)

3000

3500

4000

200
4500

Nồng độ khí thải độc hại (ppm)

50

Ne-thực nghiệm
Ne-mô phỏng

ge (g/kW.h)

Ne (kW)

8000

400

60

Xăng RON 92

7000
CO-thực nghiệm

6000

CO-mô phỏng

5000

NOx-thực nghiệm

4000

NOx-mô phỏng

3000

HC-thực nghiệm

2000

HC-mô phỏng
1000
500

1000 1500 2000

2500 3000 3500 4000 4500

n (v/ph)

Hình 2.2. So sánh mô phỏng với thực nghiệm

Hình 2.3. So sánh mô phỏng với thực nghiệm

Đồ thị Hình 2.3 cho thấy sai lệch trung bình giữa kết quả mô phỏng và số liệu đo của HC
nhỏ hơn 5%, của CO và NOx không quá 7%, đều nhỏ hơn 10%, nên có thể nói mô hình mô phỏng
động cơ được xây dựng đảm bảo độ tin cậy và có thể sử dụng để tính toán mô phỏng các thông số
làm việc của động cơ.
2.4. Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ
2.4.1. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu

a. Công suất
Hình 2.4 thể hiện công suất của động cơ ở chế độ toàn tải từ tốc độ 1000 vòng/phút đến
4000 vòng/phút với hai loại nhiên liệu là xăng và CNG. Trên toàn dải tốc độ, phương pháp phun
CNG cho công suất giảm từ 9 đến 14% khi sử dụng CNG, còn phương pháp sử dụng bộ hòa trộn
kiểu ống venturi cho công suất thấp hơn khoảng 19% so với khi sử dụng xăng.
60

350

Xăng RON 92
50

CNG-bộ trộn

CNG-trộn

300

CNG-phun

ge (kW)

40

Ne (kW)

Xăng RON 92

CNG-phun

30
20

250

10
0

200

500

1000

1500

2000

2500 3000 3500 4000 4500
n (v/p)

Hình 2.4. So sánh công suất mô phỏng khi sử
dụng xăng và CNG ở các tốc độ

500

1000

1500 2000 2500 3000
n (v/p)

3500 4000 4500

Hình 2.5. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu mô
phỏng khi sử dụng xăng và CNG ở các tốc độ

b. Suất tiêu hao nhiên liệu
Hình 2.5 so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ toàn tải từ tốc độ 1000v/ph ÷
4000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG phun vào cửa nạp và CNG dùng bộ hòa trộn. Đồ thị
cho thấy, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ được cải thiện rõ rệt khi sử dụng CNG so với xăng.
Mức giảm tiêu hao nhiên liệu trung bình khoảng 6% khi sử dụng phun CNG và giảm 3% khi sử
dụng bộ hòa trộn so với khi sử dụng xăng. Do CNG có nhiệt trị khối lượng cao hơn xăng nên
công suất sinh ra tính trên một đơn vị khối lượng nhiên liệu tiêu thụ cao hơn.
2.4.2. Phát thải của động cơ
Kết quả tính toán mô phỏng phát thải các thành phần CO, HC và NOx của động cơ khi sử
dụng 2 loại nhiên liệu xăng và CNG được thể hiện trên các đồ thị hình 2.6 đến hình 2.8. Các đồ
thị chỉ ra sự cải thiện phát thải một cách rõ rệt của động cơ khi sử dụng CNG so với khi sử dụng
xăng.
Hình 2.6 cho thấy, phát thải CO của động cơ khi sử dụng CNG giảm trung bình 80% trên
toàn dải tốc độ và giảm lớn nhất đến 87% ở tốc độ 4000v/p. Vì CNG (thành phần chính là CH4)
có tỷ lệ C/H nhỏ hơn so với xăng (thành phần chính gần với C8H18), hỗn hợp cháy đồng nhất hơn
và cháy kiệt hơn nên phát thải CO của động cơ khi sử dụng CNG thấp hơn nhiều so với khi sử
dụng xăng. Khi phun CNG phát thải CO thấp hơn không nhiều so với khi sử dụng bộ hòa trộn,
mức chênh lệch trung bình < 10%.


9
8000

2000

1800

6000

Nồng độ HC (ppm)

Nồng độ CO (ppm)

7000

Xăng RON 92

5000

CNG-trộn

4000

CNG-phun

3000
2000
1000

1600
1400
Xăng RON 92

1200
1000

800

CNG-trộn
CNG-phun

600
400
200
0

0
500

1000

1500

2000

2500 3000
n (v/ph)

3500

4000

4500

Hình 2.6. So sánh phát thải CO khi sử
dụng xăng và CNG ở các tốc độ

500

1000

1500

2000

2500 3000
n (v/ph)

3500

4000

4500

Hình 2.7. So sánh phát thải HC khi sử
dụng xăng và CNG ở các tốc độ

Nồng độ NOx (ppm)

Phát thải HC (hình 2.7) giảm nhiều so với khi sử dụng xăng trên toàn dải tốc độ của động
cơ, trung bình 85% trên toàn dải tốc độ, và giảm lớn nhất đến 90% ở tốc độ 3000v/p. Phát thải
HC giảm mạnh như vậy là do hỗn hợp CNG-không khí đồng nhất hơn so với hỗn hợp xăngkhông khí nên cháy kiệt hơn. Thêm nữa, CNG có tỷ số C/H nhỏ hơn so với xăng trong khi phát
thải HC cùng được tính quy về hàm lượng C3H8 nên hàm lượng phát thải HC của động cơ khi sử
dụng CNG sẽ thấp hơn nhiều so với khi sử dụng
5000
Xăng RON 92

xăng. Động cơ phun CNG phát thải HC thấp hơn
4000
CNG-trộn
không nhiều so với động cơ CNG sử dụng bộ hòa
CNG-phun
3000
trộn, mức chênh lệch lớn nhất khoảng 10%.
2000
Hình 2.8 cho thấy hàm lượng phát thải NOx
giảm đáng kể khi sử dụng CNG so với khi sử dụng
1000
xăng, mức giảm trung bình trên 50%. Điều này được
0
giải thích do nhiệt độ cháy của CNG thấp hơn xăng,
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
n (v/ph)
do đó làm giảm nhiệt độ quá trình cháy dẫn tới phát
thải NOx giảm. Động cơ phun CNG phát thải NOx
Hình 2.8. So sánh phát thải NOx khi sử dụng
cao hơn một chút so với động cơ CNG sử dụng bộ
xăng và CNG ở các tốc độ
hòa trộn, mức chênh lệch trung bình khoảng 15%.
2.4.3. Đánh giá chung
Động cơ phun xăng khi chuyển sang sử dụng CNG cấp vào đường nạp và không thay đổi
kết cấu cũng như góc đánh lửa sớm của động cơ thì công suất giảm nhiều nhưng hàm lượng phát
thải được cải thiện đáng kể so với động cơ nguyên thủy. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
CNG cũng được cải thiện so với động cơ xăng nguyên thủy.
Động cơ phun CNG có hàm lượng phát thải CO và HC thấp hơn so với động cơ CNG sử
dụng bộ hòa trộn trong khi phát thải NOx cao hơn. Tuy nhiên mức chênh lệch hàm lượng phát
thải giữa hai phương pháp cấp CNG không nhiều, chỉ từ 5% ÷ 15%.

2.5. Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ CNG
2.5.1. Giới thiệu chung
Kết quả tính toán mô phỏng động cơ 1NZ-FE khi sử dụng CNG so với khi sử dụng xăng ở
mục 2.4 nói trên được thực hiện trên cùng một động cơ được thiết kế tối ưu cho việc sử dụng
xăng. Động cơ không thay đổi gì về kết cấu ngoài trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG. Do đó,
động cơ này làm việc không tối ưu với CNG. Chính vì vậy, nếu muốn động cơ chuyển đổi làm
việc tối ưu với CNG để nâng cao các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ, có thể
phải nghiên cứu điều chỉnh thay đổi các kết cấu sau đây của động cơ nguyên thủy cho phù hợp:
- Thay đổi kết cấu đường ống nạp để tăng hệ số nạp khí và tạo xoáy giúp hòa trộn hỗn hợp tốt và
tăng tốc độ cháy hỗn hợp CNG-không khí giúp tăng công suất động cơ;
- Thay đổi hình dạng và kết cấu buồng cháy, tăng tỷ số nén để tăng công suất và hiệu suất của
động cơ; CNG có trị số ốc tan 120 cao hơn xăng nên cho phép thực hiện điều này;
- Điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm cho phù hợp với CNG ở các chế độ làm việc.


10

Ne (kW)

ge (g/kWh)

Trong các yêu cầu thay đổi trên, việc thay đổi kết cấu đường ống nạp, hình dạng buồng cháy
và tăng tỷ số nén là các thay đổi lớn và có chi phí cao nên khó áp dụng trong chuyển đổi động cơ.
Mặt khác, nếu thay đổi kết cấu như vậy thì động cơ sau khi chuyển đổi sang sử dụng CNG sẽ khó
quay lại sử dụng xăng khi cần được. Việc điều chỉnh thay đổi góc đánh lửa sớm đơn giản hơn nên
nếu cần điều chỉnh để động cơ làm việc tốt hơn với CNG thì có thể nghiên cứu thực hiện.
Chính vì vậy, phần mô phỏng sẽ nghiên cứu xác định góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ
khi sử dụng CNG ở các tốc độ khác nhau. Từ đó xác định sự điều chỉnh cần thiết đối với động cơ
xăng nguyên thủy khi chuyển sang sử dụng CNG để cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và
phát thải của động cơ.

Để xác định được góc đánh lửa sớm tối ưu, trước tiên cần nghiên cứu sự ảnh hưởng của
góc đánh lửa sớm đến các thông số công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ, tiếp
theo là xác định giá trị điều chỉnh thay đổi cần thiết của góc đánh lửa so với nguyên thủy sao cho
đảm bảo hài hòa được các chỉ tiêu công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ.
2.5.2. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải
Kết quả tính toán mô phỏng công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lượng các thành
phần phát thải độc hại của động cơ sử dụng CNG ở chế độ toàn tải, tốc độ 4000v/p khi thay đổi
góc đánh lửa sớm φs theo hướng tăng dần so với góc đánh lửa sớm nguyên bản đến giá trị tăng 12
độ có BMEP lớn nhất được chỉ ra trong bảng 2.2. Số liệu trong bảng cho thấy khi tăng góc đánh
lửa sớm φs thì công suất và suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện được một chút, phát thải CO cải
thiện không đáng kể trong khi hàm lượng phát thải HC và NOx tăng mãnh liệt.
Bảng 2.2. Sự thay đổi Ne, ge và hàm lượng phát thải của động cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm
Sự thay đổi φs (độ)
0
4
8
12
Thông số
Trị số (kW)
46,10
47,55
48,75
49,05
Công suất
Tỷ lệ thay đổi (%)
0
3,1
5,7
6,4
Trị số (g/kW.h)

241
234
229
225
Suất tiêu hao nhiên liệu
Tỷ lệ thay đổi (%)
0
-2,9
-5,0
-6,6
Hàm lượng (ppm)
3420
3375
3553
3693
CO
Tỷ lệ thay đổi (%)
0
-1,5
-3,9
-8,2
Hàm lượng (ppm)
5522
8935
11645
15262
HC
Tỷ lệ thay đổi (%)
0
61,8

110,9
176,4
Hàm lượng (ppm)
2779
3051
3222
3283
NOx
Tỷ lệ thay đổi (%)
0
9,7
15,8
18,0
Cụ thể, khi tăng góc đánh lửa sớm thêm lần lượt 4, 8 và 12 độ góc quay trục khuỷu so với
góc đánh lửa sớm nguyên bản của động cơ khi sử dụng xăng thì công suất tăng tương ứng 3,1%,
5,7% và 6,4%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm với tỷ lệ tương tự; trong khi đó hàm lượng phát thải
450
CO giảm tối đa 6,6% còn HC và NOx thì
50
Ne_NB
tăng mãnh liệt. Phát thải HC tăng lần lượt là
400
Ne_OP
40
61,8%, 110,9% và 176,4% khi tăng góc đánh
ge_NB
350
lửa sớm 4, 8 và 12 độ góc quay trục khủy so
30
ge_OP

300
với nguyên bản. Phát thải NOx cũng tăng
20
mạnh, với tỷ lệ lần lượt là 9,7%, 15,8% và
250
10
18,0% ứng với các mức tăng góc đánh lửa
0
200
sớm như trên.
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Ở các chế độ tốc độ khác, xu hướng
Tốc độ (v/ph)
thay đổi Ne, ge và hàm lượng phát thải độc
Hình 2.9. So sánh kết quả tính toán mô phỏng Ne và ge
khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và khi
hại của động cơ khi tăng góc đánh lửa sớm
áp dụng góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP)
cũng diễn ra tương tự như ở tốc độ 4000v/p.


11
Kết quả tính toán mô phỏng công suất Ne, suất tiêu hao nhiên liệu ge, nhiệt độ khí thể lớn
nhất trong xi lanh và hàm lượng phát thải CO, HC và NOx của động cơ ở góc đánh lửa sớm

nguyên bản (NB) và ở góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) ở các tốc độ 1000v/p đến
4000v/p ở toàn tải và sự so sánh các thông số này giữa hai trường hợp góc đánh lửa sớm được thể
hiện trên các đồ thị hình 2.9 đến hình 2.13. Đồ thị hình 2.9 cho thấy trên toàn dải tốc độ 1000v/p
÷ 4000v/p Ne và ge ở góc đánh lửa sớm có BMEP lớn nhất cải thiện được 5%÷8%, trung bình
6%, so với ở góc đánh lửa sớm nguyên bản. Lý do là quá trình cháy chính dịch về gần điểm chết
trên làm nhiệt độ cao nhất của khí thể tăng khoảng 100K (hình 2.10), áp suất tăng và quá trình
giản nở sinh công hiệu quả hơn.
18

2800

CO_NB

T_NB
15

T_OP
CO(g/kWh)

T(K)

2700

2600

CO_OP

12

9

2500

2400
1000

1500

2000

2500

3000

3500

6
1000

4000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Tốc độ (v/ph)

Tốc độ (v/ph)

Hình 2.10. 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)

Hình 2.11. 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)

Đồ thị hình 2.11 cho thấy phát thải CO cải thiện trung bình khoảng 20% trên toàn dải tốc độ
và khoảng 8% ở tốc độ 4000v/p, trong khi đồ thị hình 2.12 cho thấy phát thải HC tăng mãnh liệt,
tăng trung bình khoảng 180%, còn đồ thị hình 2.13 chỉ ra phát thải NOx tăng trung bình khoảng
25% ở góc đánh lửa sớm có BMEP lớn nhất so với ở góc đánh lửa sớm nguyên bản.
15

12
HC_NB

NOx_OP
NOx (g/kWh)

HC(g/kWh)

NOx_NB

HC_OP

9

6

12

9

3

0
1000

1500

2000

2500
Tốc độ (v/ph)

3000

3500

4000

6

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Tốc độ (v/ph)

Hình 2.12. So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải Hình 2.13. So sánh kết quả tính toán mô phỏng phát thải
HC khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và
NOx khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và
góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP)
góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP)

Phát thải CO giảm và NOx tăng là do nhiệt độ quá trình cháy tăng như đã nói ở trên. Nhiệt
độ tăng làm gia tăng phản ứng cháy nhiên liệu nên cơ hội tạo CO giảm, nhiệt độ tăng cũng đồng
thời làm tăng phản ứng tạo NOx từ ni tơ và ô xy.
Phát thải HC, một phần là sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn nhưng phần lớn là
kết quả của quá trình khuếch tán và thẩm thấu nhiên liệu vào lớp dầu, sự bay hơi của dầu bôi trơn
cũng như phần nhiên liệu thành vách khe kẽ thoát tra trong quá trình giãn nở và thải. Nhiệt độ
cháy cao và quá trình cháy tập trung gần điểm chết trên khi tăng góc đánh lửa sớm làm cho quá
trình cháy và giãn nở hiệu quả hơn và do đó nhiệt độ quá trình giãn nở giảm nên phản ứng ô xi

hóa HC thoát ra từ các khe kẽ và màng dầu giảm nên phát thải HC tăng mạnh.
2.5.3. Xác định góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ khi sử dụng CNG
Nghiên cứu sự thay đổi của các thông số Ne, ge và hàm lượng các thành phần phát thải độc
hại của động cơ sử dụng CNG ở mục 2.5.2 khi tăng góc đánh lửa sớm đến góc đánh lửa sớm có
BMEP lớn nhất (tăng 12 độ ở chế độ tốc độ 1000v/p, 3000v/p và 4000v/p và 16 độ ở chế độ tốc
độ 2000v/p) cho thấy việc điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm đem lại các kết quả sau:
- Kết quả tích cực: Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu được cải thiện trung bình 6%, CO
cải thiện đến 20% trên toàn dải tốc độ.
- Kết quả tiêu cực: Phát thải HC tăng mãnh liệt, trung bình 180%, NOx tăng trung bình 25%.


12
Do đó, nếu quan tâm đến các chỉ tiêu tổng thể của động cơ thì không nên coi góc đánh lửa
sớm có BMEP lớn nhất là góc đánh lửa sớm tối ưu vì không đảm bảo hài hòa các chỉ tiêu kinh tế,
kỹ thuật và phát thải của động cơ. Ở đây, chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cải thiện được ít trong khi phát
thải HC và NOx tăng quá lớn không đáp ứng được mục tiêu chuyển đổi động cơ sang sử dụng
CNG để giảm phát thải.
Theo kết quả nghiên cứu ở bảng 2.2 thì nếu muốn phát thải HC và NOx không tăng nhiều
quá thì có thể chỉ nên tăng góc đánh lửa sớm khoảng 4 độ góc quay trục khuỷu so với góc đánh
lửa sớm nguyên bản vì khi đó Ne và ge cải thiện được khoảng 3% trong khi HC tăng gần 62% và
NOx tăng gần 10%. Tuy nhiên, ở mức điều chỉnh tăng góc đánh lửa 4 độ, phát thải CO chỉ cải
thiện được 1,5% trong khi phát thải HC vẫn cao so với sử dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản.
Do đó mặc dù Ne và g e cải thiện được xung quanh 3%, góc đánh lửa sớm này cũng chưa phải là
tối ưu nếu quan tâm đến vẫn đề giảm phát thải cho động cơ.
Nếu với mục tiêu giảm phát thải được coi trọng hơn khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử
dụng CNG thì có thể không cần điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Ngoài lý do làm tăng hàm lượng
phát thải HC và NOx, việc điều chỉnh thay đổi góc đánh lửa sớm của động cơ khi chuyển sang sử
dụng CNG đối với động cơ phun xăng điều khiển bằng điện tử tích hợp điều khiển đánh lửa khá
khó khăn vì khó có thể can thiệp và lập trình lại ECU nguyên bản của nhà chế tạo mà phải trang
bị thêm một ECU đánh lửa mới làm tăng kinh phí chuyển đổi động cơ.

Chính vì vậy, kết hợp các lý do trên, trong đề tài luận án này tác giả chọn hướng không điều
chỉnh thay đổi góc đánh lửa sớm khi chuyển đổi động cơ sang sử dụng CNG. Việc nghiên cứu
nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu (tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải) được
thực hiện bằng phương pháp sử dụng phụ gia Maz nitro cho CNG.
2.6. Kết luận chương 2
Kết quả nghiên cứu mô phỏng được tóm tắt như sau:
- Việc nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost động cơ xăng 1NZ-FE chuyển sang sử
dụng CNG đã được thực hiện với 2 phương pháp cung cấp CNG là phun CNG vào đường nạp và
sử dụng bộ hòa trộn CNG kiểu ống venturi.
- Khi chuyển sang sử dụng CNG, sử dụng phương pháp phun CNG công suất động cơ giảm 9%14%, và giảm đến 19% khi sử dụng bộ hòa trộn; suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện 3%-6%.
- Phát thải các thành phần độc hại CO, HC và NOx của động cơ sử dụng CNG giảm đáng kể so
với sử dụng xăng; CO gảm trung bình 80%, HC giảm trung bình 85% và NOx giảm 50%.
- Động cơ sử dụng CNG theo phương pháp phun CNG vào đường nạp có chỉ tiêu kinh tế, kỹ
thuật và phát thải cải thiện hơn so với phương pháp cấp CNG bằng bộ hòa trộn kiểu ống venturi.
Công suất trung bình khi sử dụng phương pháp phun CNG cao hơn đến 6% và suất tiêu hao nhiên
liệu thấp hơn 3% so với sử dụng bộ hòa trộn; phát thải CO, HC, CO2 thấp hơn, NOx cao hơn
nhưng không nhiều.
- Khi điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm so với nguyên bản, công suất và tiêu hao nhiên liệu của
động cơ sử dụng CNG được cải thiện đến 6% nhưng phát thải HC và NOx tăng mãnh liệt; HC
tăng 180% và NOx tăng 25%.
Từ các kết quả trên có thể rút ra kết luận như sau:
- Sử dụng CNG trên động cơ xăng là phương pháp tốt để giảm phát thải độc hại và tiết kiệm
nhiên liệu.
- Khi chuyển đổi động xăng sang sử dụng CNG có thể không cần thay đổi kết cấu của động cơ
cũng như điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm mà có thể áp dụng một phương pháp khác như sử
dụng phụ gia nhiên liệu để hạn chế sự giảm công suất động cơ khi chuyển sang sử dụng CNG.
- Khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG, có thể áp dụng phương pháp phun CNG và
phương pháp cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn. Tuy nhiên cần nghiên cứu thực nghiệm trang bị
các hệ thống này và khảo nghiệm đánh giá tính năng làm việc của động cơ trong điều kiện thực tế
để đề xuất ứng dụng phương pháp cấp CNG hợp lý cho từng loại động cơ, đảm bảo hài hòa giữa

sự tiện lợi áp dụng và chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ chuyển đổi.


13
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG
CẤP CNG VÀ PHỤ GIA CHO ĐỘNG CƠ 1NZ-FE
3.1. Giới thiệu chung
Động cơ 1NZ-FE là động cơ phun xăng vào cửa nạp điều khiển bằng điện tử. Trong đó, hệ
thống điều khiển điện tử tích hợp điều khiển cả hệ thống phun xăng và hệ thống đánh lửa. Bộ
điều khiển trung tâm ECU tiếp nhận các tín hiệu điện từ các cảm biến phản ánh trạng thái làm
việc của động cơ kể cả tác nhân điều khiển từ bên ngoài, sau đó tính toán xuất ra các tín hiệu điều
khiển để điều khiển phun nhiên liệu và đánh lửa. Việc điều khiển đánh lửa và điều khiển phun
xăng được thực hiện theo trình tự làm việc của các xi lanh động cơ. Để góp phần thực hiện các
mục tiêu nghiên cứu của đề tài, chương này sẽ đề cập đến các vấn đề sau:
- Tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn;
- Tính toán thiết kế hệ thống phun CNG vào cửa nạp;
- Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro.
3.2. Tính toán thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn
3.2.1. Sơ đồ chung
Họng khuếch tán

Bướm ga

Đường
không tải

Không
khí

Van công suất

Bộ giảm áp
Van điện từ
Hỗn hợp

Nước nóng
CNG

Hình 3.1. Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn

Khi động cơ làm việc, CNG trong bình chứa cao áp (có thể đến 200-250 bar) qua các van cơ
khí và van điện từ đến van giảm áp. Tại đây, áp suất CNG giảm xuống bằng áp suất khí trời và đi
qua van công suất (điều chỉnh lưu lượng) đến bộ hòa trộn và bị hút vào họng thắt và vào không
gian hỗn hợp của bộ hòa trộn, hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp không khí-nhiên liệu đi
vào xi lanh động cơ.
3.2.2. Tính toán kích thước bộ hòa trộn
Có nhiều phương pháp xác định kích thước bộ hòa trộn, tuy nhiên phương pháp đơn giản,
nhanh chóng nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy và đáp ứng yêu cầu làm việc của bộ hòa trộn mà
nhiều nhà nghiên cứu sử dụng là phương pháp xác định theo quy trình sau:
- Bước 1: Chọn sơ bộ kích thước bộ hòa trộn theo kinh nghiệm và dựa trên lưu lượng khí nạp;
- Bước 2: Tính toán lưu lượng nhiên liệu khí vào bộ hòa trộn dựa trên lý thuyết thủy khí động học;
- Bước 3: Tính toán hệ số dư lượng không khí  ứng với các tiết diện lỗ phun đã chọn và đã sử
dụng để tính toán lượng nhiên liệu ở bước 2;
- Bước 4: Chọn tiết diện lỗ phun có lưu lượng nhiên liệu đảm bảo  lân cận 1.
Sau đây là tóm tắt điều kiện ban đầu và kết quả tính toán các thông số kích thước ống
venturi của bộ hòa trộn (Bảng 3.1 đến bảng 3.3):
Bảng 3.1. Các điều kiện ban đầu

Thông số
Thể tích công tác của động cơ (dm )
Tốc độ động cơ (v/ph)

Áp suất không khí vào bộ hòa trộn (bar)
Nhiệt độ không khí vào bộ hòa trộn (oC)
Áp suất nhiên liệu khí vào khoang nhiên liệu bao quanh họng (bar)
Lưu lượng không khí nạp ở áp suất và nhiệt độ môi trường (m3/s)
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu cân bằng lý thuyết lt (kg/kg)
Hệ số lưu lượng của lỗ phun nhiên liệu
3

Giá trị
1,5
6000
1
35
1
0,0545
17
0,9


14
Bảng 3.2. Tỷ lệ không khí / nhiên liệu với các đường kính họng khác nhau khi Anl=59mm2

Đường kính họng (mm)
22
24
26
28

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu  (kg/kg)
14,5

15.4
17.0
20,9

Bảng 3.3. Tỷ lệ  khi thay đổi tổng tiết diện lỗ phun nhiên liệu ở đường kính họng 26mm

Số lỗ phun đường kính 2,5mm
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu  (kg/kg)
8
20,8
10
18,9
12
16,9
14
15,1
Từ kết quả tính toán tỷ lệ không khí/nhiên liệu ở các thông số kích thước lân cận thông số
tính toán sơ bộ cho thấy đường kính họng d2=26mm và 12 lỗ phun nhiên liệu với đường kính các
lỗ 2,5mm cho tỷ lệ không khí/nhiên liệu  gần với tỷ lệ cân bằng lý thuyết (lt = 16,8). Các thông
số kích thước này được chọn để chế tạo bộ hòa trộn phục vụ thí nghiệm.
3.2.2. Bản vẽ bộ hòa trộn
Từ các kích thước cơ bản xác định ở trên và đặc điểm kích thước cũng như vị trí lắp của ống
nạp chung của động cơ, các kích thước khác của bộ hòa trộn được xác định và bản vẽ chế tạo
được thể hiện trên hình 3.2. Chiều dòng khí đi vào bộ hòa trộn từ phía miệng đường kính 62mm.
A-A

R25

Ø56
Ø52

Ø26±0,1
R4

47
32

12 loã Ø2,5

A
24

A

55°

Ø13

15

60°

R1

3

12
15

Ø44

6

3 loã M6
Ø62±0,1
Ø71

Hình 3.2. Bản vẽ kết cấu bộ hòa trộn

3.3. Tính toán thiết kế hệ thống phun CNG vào cửa nạp
3.3.1. Sơ đồ chung
Hệ thống cung cấp CNG với phương pháp phun vào cửa nạp được sơ đồ hóa như hình 3.3.
6

7

5
4

Nước nóng

1
3

2

1

8

9

1. Bình nhiên liệu CNG;
2. Van cơ khí; 3. Van điện từ ;
4. Bộ giảm áp;
5. Bộ lọc nhiên liệu;
10
6. Ống nhiên liệu chung;
7. Các vòi phun;
8. Đường nhiên liệu đến cửa nạp của các
ECU-Gas
11
xi lanh;
9. Ống nạp của động cơ;
13
12
10. Xi lanh động cơ;
11. Tín hiệu vào hộp điều khiển;
12. Hộp điều khiển phun;
13. Dây tín hiệu điều khiển vòi phun;
14. Ống chân không nối ống nạp.
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống cung cấp phun CNG


15
Nhiên liệu CNG cho động cơ trong nghiên cứu này được thực hiện theo phương pháp phun
đa điểm vào cửa nạp theo thứ tự làm việc của các xi lanh của động cơ. Việc điều khiển thay đổi
lượng nhiên liệu phun được thực hiện thông qua điều khiển thay đổi độ dài thời gian mở vòi phun
với áp suất phun được giữ cố định ở 3 kG/cm2.
Độ dài thời gian mở vòi phun CNG được xác định theo công thức: t 

k
p

 t xang , trong đó, k

là hệ số điều chỉnh, p là áp suất tuyệt đối đường ống nạp, txang là độ dài thời gian phun xăng. Như
vậy, bộ điều khiển ECU-gas cần thông số vào là thông số ra của ECU điều khiển phun xăng và tín
hiệu áp suất đường ống nạp. Chính vì vậy ECU-gas chỉ là một bô khuếch đại tín hiệu điều khiển
phun xăng với hệ số khuếch đại k có thể điều chỉnh được khi hiệu chỉnh hệ thống để =1. Bộ
khuếch đại này được thiết kế và đặt hàng mua của hãng LGC, Hong Kong.
3.4. Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro
3.4.1. Sơ đồ bố trí chung
11
10

9

12
14

13
7

Không
khí

15

Khí thải

6
5

4

16
3
2
1
CNG

8

1. Bộ giảm áp;
2. Nước sấy nóng;
3. Giắc nối tín hiệu điều khiển phun
CNG;
4. Vòi phun CNG;
5. Bướm ga;
6. Bầu lọc khí;
7. Đường ống nạp;
8. Đường khí nén;
9. Van giảm và ổn áp khí nén;
10. Áp kế;
11. Bình chứa phụ gia Maz;
12. Vòi phun phụ gia Maz;
13. Bình hóa hơi phụ gia Maz;
14. Đường cấp khí thải sấy nóng
bình hóa hơi Maz;

15. Đường ống thải;
16. Động cơ.

Hình 3.4. Sơ đồ cung cấp CNG và phụ gia Maz trên động cơ

Phụ gia Maz-nitro được chứa trong ống 11 và được tạo áp 3 bar nhờ không khí nén từ hệ
thống khí nén 8 của phòng thí nghiệm cấp vào qua van điều áp 9. Nếu sử dụng trên xe CNG thì
đường khí áp này được thay bằng đường khí CNG sau bộ giảm áp, tức là cùng chung đường CNG
cấp cho ống nhiên liệu chung của vòi phun CNG. Phụ gia Maz-nitro dưới áp suất ổn định 3 bar
trong ống 11 được thông với vòi phun điện từ 12. Khi vòi phun được điều khiển mở thì phụ gia
được phun vào ống hóa hơi 13 và được sấy nóng từ 150oC - 200oC nhờ nhiệt khí thải nên phụ gia
hóa hơi và được hút vào ống nạp sau bướm ga và hòa trộn với hỗn hợp không khí – nhiên liệu đi
vào động cơ (hình 3.4).
3.4.2. Tính toán thiết kế bộ điều khiển phun phụ gia
Lưu lượng phụ gia cấp vào mpg được tính toán đảm bảo tỷ lệ khối lượng với CNG là
800ppm, với hỗn hợp cháy có  =1 thì tỷ lệ khối lượng phụ gia và lưu lượng khí nạp mkk là
48ppm. Do đó, lượng cung cấp phụ gia được điều chỉnh theo lưu lượng khí nạp. Trong đề tài này
việc cung cấp phụ gia được thực hiện bằng phương pháp phun gián đoạn, cứ 100 vòng quay của
động cơ phun một lần. Độ dài thời gian phun được tính toán là t p  k p

mkk
, trong đó, n là tốc độ
n

động cơ kp là hệ số điều chỉnh có thể thay đổi được trên giao diện điều chỉnh ECU điều khiển
phun phụ gia để đạt được khối lượng phun phụ gia theo yêu cầu khi hiệu chỉnh hệ thống.
Mạch xử lý tín hiệu cảm biến được thiết kế để sử dụng các tín hiệu từ các cảm biến lưu
lượng và nhiệt độ của khí nạp và cảm biến tốc độ có sẵn trên động cơ. Tín hiệu tốc độ được lấy từ

16
cảm biến trục cam là loại cảm biến điện từ với 1 xung trên 1 vòng quay trục cam hay 1 xung ứng
với 2 vòng quay trục khuỷu. Cảm biến lưu lượng khí nạp là cảm biến dây nóng với tín hiệu ra là
tín hiệu điện áp 0-5V, còn cảm biến nhiệt độ khí nạp là cảm biến nhiệt điện trở (hình 3.5).
1. Khối nguồn 5V;
2. Khối xử lý tín hiệu đầu vào từ các
cảm biến.
3. Khối điều khiển vòi phun;
4. Khối kết nối với máy tính;
5. Khối xử lý trung tâm.

Ø21

3.4.3. Thiết kế chế tạo bình chứa và tạo áp phụ gia
Bình chứa phụ gia có nhiệm vụ chứa
phụ gia đảm bảo đủ cung cấp cho động cơ hoạt
động trong thời gian ít nhất là một ca làm việc
và đồng thời là nơi tạo áp suất phục vụ việc
phun phụ gia, việc tạo áp được thực hiện nhờ
khí nén trong hệ thống khí nén 6 ÷ 8 kG/cm2
của phòng thí nghiệm.

Ø42

Hình 3.5. ECU điều khiển phun phụ gia

200
260

Hình 3.6 Ống chứa phụ gia lỏng

Trên ô tô chạy CNG thì sử dụng ngay khí CNG của đường khí sau van giảm áp đến vòi
phun CNG (áp suất 3 bar) làm khí tạo áp cho bình phụ gia. Động cơ 1NZ-FE vận hành trong một
ngày tiêu tốn khoảng 100 cm 3 phụ gia nên có thể chọn bình chứa có dung tích 250 cm3 để chứa
200 cm3 phụ gia và để 50 cm 3 làm không gian chứa khí tạo áp. Ống chứa phụ gia được làm bằng
ống thép Inox đường kính trong 40mm, cao 260mm (hình 3.6).
3.4.4. Tính toán thiết kế bộ hóa hơi tận dụng nhiệt khí thải
a. Sơ đồ bố trí chung
Yêu cầu chung đối với ống hóa hơi là dễ bố trí ống hóa hơi trên động cơ, đồng thời đường
dẫn khí thải từ ống thải đến ống hóa hơi phải ngắn để giảm mất nhiệt, thêm nữa đường dẫn hơi
phụ gia từ ống hóa hơi đến đường nạp của động cơ cũng không được dài quá để giảm sức cản.
Mặt khác, ống hóa hơi được kết hợp làm bình cân bằng để dòng hơi phụ gia chảy ổn định vào ống
nạp động cơ nên cần có thể tích tối thiểu nhất định (hình 3.7).
5
6

4

7

3
2
1

9

8

1. Lưới chắn hạt oxit nhôm;
2. Hạt oxit nhôm Al2O3 sấy nóng;

3. Ống hóa hơi và cân bằng;
4. Không gian khí thải trao đổi nhiệt;
5, 9. Đường khí thải vào, ra sấy nóng
ống hóa hơi;
6. Vòi phun;
7. Lỗ lắp cặp nhiệt ngẫu đo nhiệt độ ống
hóa hơi;
8. Van điều chỉnh lượng khí thải qua ống
hóa hơi.

Hình 3.7. Sơ đồ bình cân bằng và hóa hơi phụ gia.

b. Ống hóa hơi
Ống hóa hơi được chọn có dạng hình trụ, bên trong chứa các hạt oxit nhôm hình cầu đường
kính 2mm. Kích thước được chọn để đảm bảo tỷ lệ diện tích xung quanh/thể tích đủ lớn để trao
đổi nhiệt tốt với khí thải bao quanh, đồng thời dung tích đủ lớn để thực hiện vai trò bình cân bằng


17

160

200

Ø52

Ø21

giảm dao động dòng khí phụ gia đi vào ống nạp
của động cơ nhưng khối lượng phải đủ nhỏ để

được sấy nóng nhanh. Ống hóa hơi cần đảm bảo
dòng khí phụ gia chảy liên tục vào động cơ mà
không cần thể tích quá lớn. Với đặc điểm như vậy,
có thể chọn ống hóa hơi phụ gia có đường kính
trong 50mm, dài 200mm, dung tích gần 0,4 lít
Hình 3.8. Ống hóa hơi phụ gia
(hình 3.8).
c. Ống trao đổi nhiệt
Ống trao đổi nhiệt được chọn để đảm bảo tiết diện lưu thông của khí thải dọc theo chiều dài
ống không bị cản lớn nhưng phải có tốc độ thích hợp để tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng
bức với ống hóa hơi. Trong trường hợp này chọn đường kính 76mm, với đường kính ngoài của
ống hóa hơi 52mm thì tạo ra tiết diện lưu thông của khí thải diện tích là 19 cm2 lớn gấp đôi tiết
diện đường ống dẫn khí thải vào và ra. Trên thân ống trao đổi nhiệt có bố trí một lỗ để đặt đầu đo
nhiệt độ ống hóa hơi khi cần kiểm tra và điều chỉnh nhiệt độ của nó. Ống trao đổi nhiệt có hình
trụ bao mặt xung quanh của ống hóa hơi, dẫn khí thải chảy dọc và bao quanh ống hóa hơi để sấy
nóng nó. Lưu lượng khí thải cấp vào ống trao đổi nhiệt chỉ cần bằng khoảng 1,6% tổng lưu lượng
khí thải của động cơ là đủ cấp nhiệt cho ống hóa hơi. Để kiểm soát tỷ lệ lưu lượng này, có thể
chọn sơ bộ tiết diện ống dẫn khí thải vào ống trao đổi nhiệt bằng khoảng 5% tiết diện ống thải của
động cơ và khi lắp đặt sẽ dùng một van để điều chỉnh lưu lượng khí thải sao cho ống hóa hơi đạt
được nhiệt độ yêu cầu. Đường kính ống thải của động cơ là 6,5cm, diện tích tiết diện là 33cm 2
nên có thể chọn ống dẫn khí thải đến ống trao đổi nhiệt có d= 2cm, tiết diện là 3,14cm2.
3.5. Kết luận chương 3
Đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công các hệ thống cung cấp CNG và cung cấp phụ
gia Maz để phục vụ chuyển đổi động cơ 1NZ-FE loại phun xăng điện tử đa điểm sang sử dụng
CNG với phụ gia Maz. Các hệ thống được thiết kế, chế tạo có kết cấu không phức tạp và rất dễ
lắp đặt và điều chỉnh. Hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn đơn giản, giá thành rẻ và có
thể áp dụng để chuyển đổi được tất cả các loại động cơ xăng sang CNG mà không cần phải thay
đổi kết cấu động cơ nguyên thủy.
Hệ thống phun CNG được thiết kế theo nguyên lý sử dụng và khuếch đại tín hiệu điều khiển
phun của hệ thống phun xăng nguyên thủy nên đã tận dụng được hầu hết các bộ phận của hệ

thống phun xăng nên giá thành thấp và rất dễ lắp đặt và hiệu chỉnh.
Hệ thống cung cấp phụ gia Maz-nitro được thiết kế chế tạo theo nguyên lý phun gián đoạn
và hóa hơi phụ gia cho phép sử dụng được phụ gia lỏng trên động cơ chạy nhiên liệu khí, giúp có
thêm điều kiện để cải thiện tính năng kinh tế, kỹ thuật và giảm phát thải của động cơ này.
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Mục đích, phạm vi và chương trình thử nghiệm
4.1.1 Mục đích thử nghiệm
- Hiệu chỉnh và đánh giá ưu nhược điểm và tính năng làm việc của các hệ thống cung cấp CNG
và hệ thống cung cấp phụ gia Maz đã thiết kế chế tạo.
- Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi sử dụng CNG với các
phương pháp cấp CNG khác nhau và với phụ gia Maz-nitro so với khi sử dụng xăng.
4.1.2 Phạm vi thử nghiệm
Thử nghiệm được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp cấp CNG và phụ
gia đến tính năng làm việc của động cơ ở các chế độ tải và tốc độ ổn định của động cơ 1NZ-FE ở
quy mô phòng thí nghiệm trên băng thử động lực học cao tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt
trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Thử nghiệm chưa đề cập đến các chế độ khởi động, chuyển tiếp và chưa đánh giá độ bền và
tuổi thọ của hệ thống cung cấp CNG, phụ gia và động cơ.


18
4.1.3 Chương trình thử nghiệm
- Kiểm tra, hiệu chỉnh các thiết bị phân tích khí theo quy trình nhà sản xuất.
- Hiệu chỉnh hệ thống cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn: điều chỉnh van công suất để đạt =1.
- Hiệu chỉnh hệ thống phun CNG vào cửa nạp: Vận hành động cơ ở chế độ toàn toàn tải, tốc độ
3000v/ph, qua giao diện điều khiển ECU, điều chỉnh hệ số khuếch đại k và theo dõi hệ số dư
lượng không khí  trên thiết bị phân tích khí cho đến khi đạt được =1.
- Hiệu chỉnh hệ thống cung cấp phụ gia: Vận hành động cơ ở chế độ toàn tải, tốc độ 3000v/ph, đo
kiểm tra nhiệt độ ống hóa hơi và điều chỉnh van lưu lượng khí xả sao cho nhiệt độ ống hóa hơi
đạt khoảng 200oC; đo tiêu hao không khí và tiêu hao phụ gia rồi tính và kiểm tra tỷ lệ phụ

gia/không khí so với số liệu đã chọn trong thiết kế 48 ppm, sai số trong phạm vi 5% là được,
nếu không thì điều chỉnh lại hệ số kp qua giao diện điều khiển ECU trên máy tính.
+ Kiểm tra ở các chế độ tải khác nếu nhiệt độ ống hóa hơi  130 oC và sai lệch tỷ lệ phụ gia trong
khoảng 10% là được.
4.2. Kết quả thử nghiệm và thảo luận
4.2.1. Đánh giá độ tin cậy của thiết bị cung cấp CNG và phụ gia Maz-nitro

80.00

1.02
60.00

1
0.98

Gkk (kg/h)
Gcng(kh/h)
λ

40.00

0.96

20.00

0.94
0.92

0.00

0.9
0

5

10

15
20
Công suất (kW)

25

100.00

1.08
1.06
1.04

80.00

1.02
1

60.00

0.98
40.00

0.96

0.94

20.00

0.92
0.00
0.00

30

0.9
5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

Công
uất (kW)
N s(kW)
e

Ne (kW)

Hình 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

Gkk (kg/h)
Gcng(kh/h)
λ

Lambda

1.04

Tiêu hao không khí, CNG
(kg/h)

1.06
Lambda

Tiêu hao không khí, CNG
(kg/h)

1.08
100.00

1.1

120.00

1.1

120.00

Hình 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

Công suất (kW)

Hình 4.1 chỉ ra sự thay đổi ge, tiêu hao không khí và sự thay đổi của hệ số dư lượng không
khí  của động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn khi tăng tải. Đồ thị cho thấy khi tăng tải, tiêu hao
CNG và tiêu hao không khí của động cơ tăng đều đặn đảm bảo hệ số dư lượng không khí lambda
 của động cơ thay đổi dao động trong phạm vi nhỏ từ 1 ÷ 1,07. Điều này khẳng định hệ thống
cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn đã thiết kế chế tạo đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Do vậy, thiết
bị cung cấp CNG này đảm bảo độ tin cậy để nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tính năng làm việc
của động cơ với CNG.
Hình 4.2 thể hiện sự thay đổi ge, tiêu hao
50
không khí và sự thay đổi của hệ số dư lượng
RON 92
không khí  của động cơ sử dụng hệ thống phun
Phun CNG+PG
40
Phun CNG
Bộ trộn CNG
CNG đã thiết kế trang bị. Đồ thị cho thấy  của
30
động cơ CNG sử dụng hệ thống phun CNG thay
20
đổi dao động từ 0,99 ÷ 1,03 trong toàn bộ phạm vi
tải, tức là  chỉ dao động trong phạm vi 4% và giá

10
trị rất gần 1 nên đảm bảo động cơ cho tính năng
0
kinh tế, kỹ thuật và phát thải tốt hơn hệ thống
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn. Kết quả kiểm
Tốc độ động cơ (v/p)
tra này cũng khẳng định hệ thống phun CNG
Hình 4.3. Ne ở đặc tính ngoài khi sử dụng xăng
được trang bị đảm bảo độ tin cậy và đáp ứng được
RON 92, CNG với bộ hòa trộn, phun CNG, và phun
yêu cầu nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ
CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro
chuyển đổi.


19
4.2.2. Đánh giá chỉ tiêu công suất của động cơ
Đối với trường hợp sử dụng CNG với bộ hòa trộn, công suất động cơ giảm khá lớn, trung
bình giảm 20,8% trên toàn dải tốc độ khảo nghiệm, trong khi đối với trường hợp sử dụng hệ
thống phun CNG, công suất động cơ chỉ giảm trung bình khoảng 15,9% so với khi sử dụng xăng
RON 92 (hình 4.3).
4.2.2. Đánh giá tiêu hao nhiên liệu của động cơ
RON 92
Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

375

g (g/kW.h)

e
Suất tiêu
hao nl (g/kW.h)

ge nhiên
(g/kW.h)
Suất tiêu hao
liệu ge (g/kW.h)

400

350
325
300
275
250
225
200
500

1000

1500 2000 2500 3000

450.00

350.00
300.00

250.00
200.00

3500 4000 4500

0

Tốc độ động cơ (v/p)

n (v/ph)

Hình 4.4. ge 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

RON 92
Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

400.00

5

10
15
20
25
Công suất động cơ Ne (kW)

30

35

Ne (kW)

Hình 4.5. ge 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

9000

1800

8000

1600

7000
6000
5000
4000
3000
2000

RON 92
Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

Nồng độ CO (ppm)

Nồng độ CO (ppm)

Tiêu hao nhiêu liệu ở đặc tính ngoài và đặc tính tải đươc thể hiện trên hình 4.4 và hình 4.5.
Ở đặc tính ngoài (hình 4.4), nói chung ge khá cao ở tốc độ nhỏ (trên 350g/kW.h ở 1000v/ph),
giảm nhanh khi tốc độ tăng và đạt nhỏ nhất ở vùng tốc độ 2500v/ph ÷ 3500v/ph. Đây là vùng tốc
độ làm việc kinh tế và cũng là vùng tốc độ làm việc thường xuyên của động cơ.
Khi sử dụng CNG với bộ hòa trộn, ge giảm trung bình khoảng 2,4% so với xăng. Khi phun
CNG thì ge thấp hơn 3,1% so với hệ thống cấp CNG bằng bộ hòa trộn và thấp hơn 5,4% so với
khi sử dụng xăng RON 92. Trường hợp phun CNG và bổ sung phụ gia thì ge giảm trên toàn dải
tốc độ, trung bình 5,0%, so với phun CNG không bổ sung phụ gia.
Ở đặc tính tải (hình 4.5), ge của động cơ sử dụng CNG khá cao ở tải nhỏ và còn cao hơn của
động cơ sử dụng xăng ở tải này. Trên toàn dải công suất, khi sử dụng CNG thì ge được cải thiện
nhiều so với xăng, tỷ lệ cải thiện trung bình tương tự như ở đặc tính ngoài. Đặc biệt, ở trường hợp
phun CNG+PG, thì ge của động cơ được cải thiện trên toàn dải công suất, mức cải thiện so với
trường hợp phun CNG không bổ sung phụ gia từ 5% ÷ 6%.
4.2.3. Đánh giá phát thải của động cơ
a. Phát thải CO
Kết quả đo hàm lượng phát thải CO ở đặc tính ngoài của động cơ được thể hiện trên hình
4.6. Mức giảm phát thải CO từ 65 ÷ 95%, trung bình giảm khoảng 80%. Phát thải CO của động
cơ phun CNG có cải thiện so với động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn nhưng mức cải thiện không
nhiều. Trong khi đó, bổ sung phụ gia Maz trong động cơ phun CNG (CNG+PG) giúp giảm đáng
kể với mức giảm trung bình 35%.

1400

Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

1200
1000
800
600

1000
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tốc độ động cơ (v/p)

n (v/ph)

400
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tốc độ nđộng
cơ (v/p)
(v/ph)

Hình 4.6. 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


20
Phát thải CO ở các chế độ tải khác nhau thể hiện trên đồ thị hình 4.7, cho thấy CO giảm
nhiều so với khi động cơ sử dụng xăng, cụ thể CO giảm từ 80 ÷ 85%, trung bình giảm 83%. Động
cơ CNG có phụ gia thì CO giảm ít ở tải nhỏ và trung bình, nhưng giảm mạnh ở tải lớn, mức giảm
từ 10 ÷ 40%, trung bình giảm 25%, so với khi không có phụ gia.
1000
RON 92

Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

7000
6000

Nồng độ CO (ppm)

Nồng độ CO (ppm)

8000

5000
4000
3000
2000

800
700
600
500

1000

400

0

300

0

5

10
15
20
25
Công suất động cơ (kW)

30

Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

900

0

35

5

Ne (kW)

10
15
20
25

Công suất động cơ (kW)

30

35

Ne (kW)

Hình 4.7. 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 Maz-nitro
2000
1800
1600
1400
1200
RON 92
1000
Bộ trộn CNG
Phun CNG
800
Phun CNG+PG
600
400
200
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tốc độ nđộng
(v/ph)cơ (v/p)

250

Nồng độ HC (ppm)

Nồng độ HC (ppm)

b. Phát thải HC
Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

200

150

100

50
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tốc độ động cơ (v/p)

n (v/ph)

Hình 4.8. 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

450

2000
1800
1600

1400
1200
1000
800
600
400
200
0

400

RON 92
Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

Nồng độ HC (ppm)

Nồng độ HC (ppm)

Phát thải HC ở đặc tính ngoài của động cơ được thể hiện trên hình 4.8, cho thấy HC giảm từ
82% ÷ 95%, trung bình 85%, so với khi sử dụng xăng trên toàn dải tốc độ. Động cơ CNG khi
được bổ sung phụ gia Maz-nitro, có phát thải HC giảm từ 5% ÷ 48% ở các tốc độ khác nhau so
với khi không bổ sung phụ gia. Mức giảm HC trung bình trên toàn dải tốc độ là 27%.
Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

350
300

250
200
150
100
50

0

5

10
15
20
25
Công suất
Neđộng
(kW)cơ (kW)

30

35

0

5

10
15
20
25

Công suất động cơ (kW)

30

35

N e (kW)

Hình 4.9. 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

Ở các chế độ tải khác nhau ở 3000v/ph (hình 4.9), phát thải HC của động cơ sử dụng CNG
giảm từ 56% ÷ 79%, trung bình giảm 68% so với khi sử dụng xăng. Còn khi động cơ khi sử dụng
CNG có bổ sung phụ gia Maz-nitro thì HC còn giảm thêm nữa, giảm từ 32% ÷ 36%, trung bình
giảm 34%, so với khi sử dụng CNG không phụ gia.


21

5000
RON 92
4500
Bộ trộn CNG
4000
Phun CNG
Phun CNG+PG
3500
3000
2500
2000

1500
1000
500
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tốc độnđộng
(v/ph)cơ (v/p)

1800

nồng độ NO x (ppm)
Nồng độ NOx (ppm)

nồng
Nồngđộ
độNO
NOxx (ppm)
(ppm)

c. Phát thải NOx
1600
1400
1200
1000
800

Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

600
400
200

0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tốc độ động cơ (v/p)

n (v/ph)

Hình 4.10. 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
RON 92
Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

3500
3000

nồng độ NOx (ppm)
Nồng độ NOx (ppm)

nồng độ NOx (ppm)
Nồng độ NOx (ppm)

4000

2500
2000

1500
1000
500
0
0

5

10
15
20
25
Công suất
N động
(kW)cơ (kW)

30

1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0

35

Bộ trộn CNG
Phun CNG
Phun CNG+PG

0

e

5

10
15
20
25
Công suất
Neđộng
(kW)cơ (kW)

30

35

Hình 4.11. 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

Các đồ thị hình 4.10 và 4.11 thể hiện kết quả đo hàm lượng phát thải NOx của động cơ ở
các chế độ tốc độ và tải ổn định trên đường đặc tính ngoài và đặc tính tải của động cơ khi sử dụng
xăng, CNG với bộ hòa trộn, CNG phun và CNG phun có bổ sung phụ gia Maz-nitro (CNG+PG).
Kết quả cho thấy phát thải NOx của động cơ CNG khi có hay không bổ sung phụ gia đều giảm

đáng kể so với khi sử dụng xăng. Mức giảm NOx từ 50% ÷ 65%, trung bình giảm 58%. Khi động
cơ sử dụng (CNG+PG) thì NOx thay đổi không đáng kể so với khi động cơ sử dụng CNG không
có phụ gia trên toàn dải tốc độ và tải.
4.2.4. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm động cơ
Để đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng động cơ 1NZ-FE sử dụng CNG với việc cung
cấp CNG bằng bộ hòa trộn và bằng phương pháp phun đã xây dựng và phát triển ở Chương 2, kết
quả tính toán mô phỏng công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lượng các thành phần phát thải
độc hại của động cơ sử dụng CNG được so sánh với số liệu thực nghiệm ở chương này. Kết quả
được thể hiện trên các đồ thị hình 4.12 đến 4.15.
360

280
20

380
Ne-mô phỏng
Ne-thực nghiệm
ge-mô phỏng
ge-thực nghiệm

40

320
300

30

50

340

260

Ne (kW)

Ne (kW)

40

CNG-trộn

ge (g/kW.h)

Ne-mô phỏng
Ne-thực nghiệm
ge-mô phỏng
ge-thực nghiệm

30

220
0

200
500

1000

1500 2000

2500 3000 3500

4000 4500

Tốc độ động cơ n (v/p)

Hình 4.12. So sánh kết quả mô phỏng Ne và ge của động
cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn với số liệu thực nghiệm

360
340
320
300
280

20

260

240

10

CNG-phun

ge (g/kWh)

50

240

10

220
0

200
500

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Tốc độ động cơ n (v/p)

Hình 4.13. So sánh kết quả mô phỏng Ne và ge của động
cơ phun CNG với số liệu thực nghiệm


22

Nồng độ khí thải độc hại (ppm)

Nồng độ khí thải độc hại (ppm)

Đồ thị hình 4.12 so sánh kết quả tính toán mô phỏng Ne và ge của động cơ CNG sử dụng bộ
hòa trộn ở đường đặc tính ngoài với số liệu thực nghiệm. Đồ thị cho thấy sự sai lệch lớn nhất giữa
Ne tính toán và số liệu đo là 10% tại tốc độ 4000v/ph và sai lệch trung bình 5% trên toàn dải tốc
độ của động cơ. Còn ge mô phỏng có sai lệch lớn nhất 8,5% so với thực nghiệm và sai lệch trung
bình 4,5% trên toàn dải tốc độ.
Đồ thị hình 4.13 so sánh kết quả tính toán mô phỏng Ne và ge của động cơ phun CNG vào
đường nạp ở toàn tải với số liệu thực nghiệm. Trong trường hợp này, sự sai lệch lớn nhất giữa Ne
tính toán và số liệu đo là 8,5% tại tốc độ 4000v/ph và sai lệch trung bình 4,5% trên toàn dải tốc

độ của động cơ. Còn ge mô phỏng có sai lệch lớn nhất 8% so với thực nghiệm và sai lệch trung
bình 4,2% trên toàn dải tốc độ.
Đồ thị hình 4.14 so sánh kết
1600
CNG-trộn
quả tính toán mô phỏng hàm lượng
1400
các thành phần phát thải CO, HC
NOx-thực nghiệm
1200
và NOx của động cơ CNG sử dụng
1000
NOx-mô phỏng
bộ hòa trộn ở đường đặc tính ngoài
800
CO-thực nghiệm
với số liệu thực nghiệm. Đồ thị cho
600
CO-mô phỏng
thấy sai lệch trung bình giữa kết
400
HC-thực nghiệm
quả tính toán mô phỏng và số liệu
200
HC-mô phỏng
đo của hàm lượng HC là 6%, của
0
CO là 11% và NOx khoảng 15%.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Đồ thị hình 4.15 so sánh kết

Tốc độ động cơ n (v/ph)
quả tính toán mô phỏng hàm lượng Hình 4.14. So sánh kết quả mô phỏng phát thải CO, HC, NOx của
các thành phần phát thải CO, HC
động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn với số liệu thực nghiệm
và NOx của động cơ phun CNG ở
toàn tải với số liệu thực nghiệm. Đồ thị cho thấy sai lệch trung bình giữa kết quả tính toán mô
phỏng và số liệu đo của hàm lượng HC là 4,5%, của CO 9% và NOx 13%.
Tóm lại, với sai lệch trung
1800
CNG-phun
bình của kết quả mô phỏng so với
1600
số liệu thực nghiệm về Ne và ge
1400
NOx-thực nghiệm
1200
không quá 5% và sai lêch của kết
NOx-mô phỏng
1000
quả mô phỏng các hàm lượng phát
CO-thực nghiệm
800
thải không quá 15% nên có thể nói
CO-mô phỏng
600
mô hình mô phỏng động cơ sử
400
HC-thực nghiệm
dụng CNG theo cả hai phương
200

HC-mô phỏng
pháp cấp CNG bằng bộ hòa trộn và
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
phun được xây dựng ở chương 2
Tốc độ động cơ n (v/ph)
đảm bảo độ tin cậy. Như vậy, các
Hình 4.15. So sánh kết quả mô phỏng phát thải CO, HC, NOx
kết quả mô phỏng và việc sử dụng
của động cơ phun CNG với số liệu thực nghiệm
kết quả mô phỏng cũng như các
nhận xét đánh giá ở chương 2 là hoàn toàn có giá trị, và các mô hình mô phỏng này có thể sử
dụng được để tính toán mô phỏng nghiên cứu đặc tính làm việc của động cơ CNG này khi không
có điều kiện thực nghiệm.
4.3. Kết luận chương 4
Qua nội dung và kết quả nghiên cứu thực nghiệm, có thể rút ra các kết luận như sau:
1. Các thiết bị cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn, thiết bị phun CNG và thiết bị cung cấp phụ
gia Maz-nitro đã thiết kế và trang bị trong đề tài luận án đã đáp ứng được yêu cầu làm việc và
đảm bảo độ tin cậy để sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm của đề tài trong toàn bộ dải công
suất khảo nghiệm của động cơ. Cụ thể như sau:
- Thiết bị cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn đảm bảo duy trì được hệ số dư lượng không khí  trong
phạm vi =11,07, sai lệch trong phạm vi 7% (<10%) là chấp nhận được.


23
- Thiết bị phun CNG đảm bảo duy trì được hệ số dư lượng không khí  trong phạm vi
=0,991,03, sai lệch trong phạm vi 3% (<5%) là chấp nhận được.
- Thiết bị cung cấp phụ gia Maz-nitro đảm bảo duy trì được tỷ lệ khối lượng phụ gia/không khí
nạp trong phạm vi 47ppm55ppm, sai lệch trong phạm vi <15% là được.
2. Sử dụng các phương pháp cấp CNG/ (CNG+PG) tuy làm giảm Ne nhưng lại giảm đáng kể ge

và phát thải độc hại CO, HC và NOx. Khi dùng hệ thống phun CNG cải thiện được các chỉ tiêu
công suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ so với sử dụng bộ hòa trộn. Việc bổ sung phụ gia
Maz-nitro giúp cải thiện đáng kể được Ne, ge và phát thải của động cơ. Cụ thể như sau:
- Sử dụng bộ hòa trộn: Ne giảm trung bình 20,8% so với khi sử dụng xăng RON 92 nhưng ge
giảm 2,4%, phát thải CO giảm trung bình 80%-85%, HC giảm 68%-85%, NOx giảm trung bình
58% ở các chế độ tải và tốc độ.
- Sử dụng hệ thống phun CNG: Ne giảm trung bình 15,9% nhưng ge được cải thiện đáng kể, giảm
5,4% so với khi sử dụng xăng RON 92, mức giảm phát thải cũng tương tự trường hợp sử dụng bộ
hòa trộn. So sánh với trường hợp sử dụng bộ hòa trộn thì Ne tăng 5,9% và ge giảm 3,1%.
- Sử dụng hệ thống phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia Maz-nitro giúp cải thiện đáng kể cả Ne, g e
và phát thải so với trường hợp phun CNG không bổ sung phụ gia. Cụ thể: Ne tăng 6,5%, ge giảm
5,0%, phát thải CO giảm trung bình 25%-35%, HC giảm trung bình 27%-34%, NOx không cải
thiện nhiều.
3. Phương pháp phun CNG kết hợp bổ sung phụ gia cho tinh năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải
của động cơ tốt và nâng cao được hiệu quả sử dụng CNG trên độngc ơ xăng chuyển đổi nhưng
cần có hệ thống điều khiển điện tử nên nên được áp dụng để chuyển đổi động cơ phun xăng điều
khiển điện tử sang sử dụng CNG. Còn hệ thống cung cấp CNG dùng bộ hòa trộn tuy làm giảm
công suất động cơ nhiều hơn hệ thống phun CNG nhưng kết cấu đơn giản nên sử dụng để chuyển
đổi các động cơ xăng đời cũ dùng bộ chế hóa khí sang sử dụng CNG.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Kết luận chung:
- Luận án đã phân tích, đánh giá được tình hình nghiên cứu sử dụng CNG trên các động đốt cháy
cưỡng bức và đã đưa ra được hướng nghiên cứu hoàn thiện và làm chủ giải pháp chuyển đổi động
cơ xăng hiện hành sang sử dụng CNG, đồng thời đưa ra được giải pháp công nghệ sử dụng phụ
gia lỏng cho nhiên liệu khí để nâng cao hiệu quả sử dụng CNG.
- Đã nghiên cứu mô phỏng tính toán các thông số, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát
thải của động cơ xăng hiện hành sử dụng CNG và nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp cung
cấp CNG và góc đánh lửa sớm đến các chỉ tiêu này. Từ đó cho thấy có thể sử dụng CNG trên
động cơ xăng hiện hành, đảm bảo hài hòa các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải mà không cần
thay đổi kết cấu chính cũng như điều chỉnh hệ thống đánh lửa của động cơ. Mô hình mô phỏng đã

được kiểm nghiệm với kết quả thực nghiệm đảm bảo độ tin cậy.
- Đã nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo được các thiết bị cung cấp CNG sử dụng bộ hòa trộn,
thiết bị phun CNG và thiết bị cung cấp phụ gia Maz-nitro đảm bảo dễ dàng lắp đặt và điều chỉnh
đáp ứng được yêu cầu làm việc và đảm bảo độ tin cậy để sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm
của đề tài. Cụ thể:
+ Hệ thống cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn có chi phí thấp, quá trình lắp đặt và điều chỉnh
đơn giản, có thể lắp đặt được cho tất cả các loại động cơ xăng. Tuy nhiên, tính năng động cơ
chuyển đổi kém hơn so với sử dụng hệ thống phun CNG nên chỉ nên sử dụng khi khó trang bị
được hệ thống phun CNG, ví dụ như trên động cơ xăng đời cũ trang bị bộ chế hòa khí.
+ Hệ thống phun CNG được thiết kế tận dụng lại được hoàn toàn các trang bị của hệ thống
phun xăng nên rất đơn giản, có thể lắp đặt dễ dàng trên các động cơ phun xăng điều khiển điện tử
để chuyển sang sử dụng CNG. Hệ thống cải thiện được công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của
động cơ hơn so với sử dụng bộ hòa trộn.
+ Hệ thống cung cấp phụ gia đã được thiết kế và chế tạo cho phép sử dụng được phụ gia
lỏng cho nhiên liệu khí và đảm bảo cung cấp phụ gia với tỷ lệ ổn định.


24
- Đã nghiên cứu khảo nghiệm động cơ xăng sử dụng CNG và phụ gia. Đánh giá được ảnh hưởng
của các phương pháp cấp CNG cũng như ảnh hưởng của phụ gia Maz-nitro đến công suất, tiêu hao
nhiên liệu và hàm lượng phát thải các thành phần độc hại CO, HC, NOx của động cơ, cụ thể là:
+ Khi sử dụng CNG, Ne giảm đến 20,8% đối với trường hợp sử dụng bộ hòa trộn, giảm
15,9% đối với trường hợp sử dụng hệ thống phun, nhưng ge giảm tương ứng 2,4% và 3,1% khi sử
dụng hai hệ thống cấp khí này. Phát thải CO và HC giảm đến 85%, còn NOx giảm đến 58% .
+ Khi bổ sung phụ gia trong động cơ CNG, Ne tăng đến 6,5%, ge giảm 5,0%, phát thải CO
và HC giảm trung bình 30% so với trường hợp không bổ sung phụ gia.
- Việc lựa chọn phụ gia Maz-nitro để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu là hợp lí, phụ gia
Maz-nitro giúp cải thiện được công suất của động cơ và hầu hết các thành phần phát thải đều có
xu hướng giảm. Vì vậy, việc chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành sang sử dụng CNG với việc
sử dụng phụ gia để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu là khả thi và có ý nghĩa thực tiễn cao.

Hướng phát triển của đề tài:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng CNG đến các tính năng làm việc của động cơ ở các chế
độ khởi động, chế độ chuyển tiếp.
- Thực hiện các nghiên cứu ảnh hưởng của góc đánh lửa, tỷ số nén của động cơ đến tính năng
kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ sau chuyển đổi.
- Nghiên cứu chạy bền động cơ sử dụng CNG và (CNG+PG) để đánh giá ảnh hưởng của CNG và
(CNG+PG) đến tính năng mài mòn, tuổi thọ các chi tiết của động cơ.
- Nghiên cứu phát triển các bộ chuyển đổi cho động cơ thương mại để sử dụng trong thực tế và
đảm bảo có thể chuyển đổi qua lại sử dụng giữa xăng và CNG.