Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế CNG cho động cơ xe buýt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU THAY THẾ
CNG CHO ĐỘNG CƠ XE BUÝT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU THAY THẾ
CNG CHO ĐỘNG CƠ XE BUÝT

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số : 62520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : TS. Trần Đăng Quốc

HÀ NỘI - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn là do bản thân thực hiện
dưới sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn khoa học TS.Trần Đăng Quốc. Ngoài
tài liệu tham khảo đã liệt kê, các số liệu tính tốn và thử nghiệm trong luận văn là
trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ cơng trình nào khác.

Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2018

Giáo viên hướng dẫn

Học viên

TS. Trần Đăng Quốc

Nguyễn Văn Đại

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận đƣợc nhiều sự giúp đỡ từ các thầy
cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Trần Đăng Quốc đã hƣớng dẫn tơi
hết sức tận tình và chu đáo về mặt chun mơn để tơi có thể thực hiện và hồn thành
luận văn.
Tơi xin chân thành biết ơn q thầy, cơ Bộ mơn, Phịng thí nghiệm Động cơ đốt
trong, Viện Cơ khí động lực - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và
dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận văn này.

Xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí động
lực và các thầy cơ trong Bộ môn, Xƣởng thực hành ô tô – Trƣờng Đại học Sƣ phạm
kỹ thuật Vinh đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi trong q trình thực nghiệm
nghiên cứu học tập.
Cảm ơn anh chị em học viên cao học khóa 2015 B chuyên ngành thạc sỹ kỹ
thuật động lực, bạn bè đồng nghiệp và những ngƣời thân trong gia đình đã động viên,
giúp đỡ tơi trong thời gian vừa qua.
Hà Nội,ngày 26 tháng 09 năm 2018
Tác giả

Nguyễn Văn Đại

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... II
MỤC LỤC ............................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ V
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... VI
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. VIII
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................1
1.1. Ơ nhiễm mơi trƣờng...........................................................................................1
1.2. Thiếu hụt dầu mỏ ...............................................................................................2
1.3. Tầm quan trọng của việc sử dụng nhiên liệu thay thế ....................................3
2. Mục tiêu nghiên cứu..............................................................................................5
2.1. MỤC TIÊU TỔNG QUÁT ................................................................................5
2.2. MỤC TIÊU CỤ THỂ .........................................................................................5

3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.....................................................6
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu.........................................................................................6
3.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................6
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.....................................................................................6
5. Ý nghĩa khoa học của luận văn ...........................................................................6
6. Cấu trúc luận văn ..................................................................................................6
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CNG............................................8
1.1. Tổng quan về khí thiên nhiên............................................................................8
1.1.1. Sự hình thành của khí thiên nhiên .....................................................................8
1.1.2. Q trình sử dụng khí thiên nhiên.....................................................................8
1.1.3. Phân loại ...........................................................................................................9
1.2. Tính chất lý hóa của khí thiên nhiên nén (CNG) ............................................9
1.2.1. Thành phần hóa học ..........................................................................................9
1.2.2. Đặc tính cơ bản của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống .............10
1.2.3. So sánh CNG và các loại nhiên liệu thay thế khác .........................................11
1.3. Một số nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .........................................................12
1.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước ............................................................................12
1.3.2. Sử dụng nhiên liệu CNG trên phương tiện vận tải ở Việt Nam ......................18

iii


1.4. Phân loại hệ thống nhiên liệu CNG ................................................................19
1.4.1. Lưỡng nhiên liệu (Dual fuel) ...........................................................................20
1.4.2. Đơn nhiên liệu (Single fuel) ............................................................................26
1.5. Bố trí trạm nạp CNG .......................................................................................32
1.6. Bình dự trữ nhiên liệu CNG ............................................................................34
1.6.1. Các yêu cầu chung ..........................................................................................34
1.6.2. Cấu tạo bình dự trữ CNG................................................................................35
1.6.3. Thời gian nạp nhiên liệu CNG ........................................................................36

1.6.4. Vị trí đặt bình nhiên liệu CNG trên phương tiện vận tải ................................36
CHƢƠNG II: ĐẶC ĐIỂM XE BUÝT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL
D1146 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG ..................................................................41
2.1. Đặc điểm và phân loại xe buýt ........................................................................41
2.1.1. Đặc điểm của xe buýt .....................................................................................41
2.1.2. Kết cấu khung vỏ .............................................................................................42
2.1.3. Bố trí ghế trên xe buýt .....................................................................................42
2.1.4. Bố trí các cụm xe .............................................................................................44
2.1.5. Các thông số cơ sở của xe buýt .......................................................................46
2.2. Giới thiệu động cơ D1146 ................................................................................47
2.3. Mô phỏng động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG ...........................51
2.3.1. Cở sở lý thuyết mô phỏng động cơ ..................................................................51
2.3.2. Mô phỏng động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG ............................61
2.3.3. Nhập dữ liệu cho mơ hình ...............................................................................62
CHƢƠNG III: ĐẶC TÍNH NGỒI ĐỘNG CƠ D1146 NHIÊN LIỆU CNG VÀ
BỐ TRÍ BÌNH DỰ TRỮ NHIÊN LIỆU TRÊN XE BT DAEWOO .............74
3.1. Xây dựng đặc tính ngồi động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG ..74
3.1.1. Cơ sở lựa chọn thơng số để xác định đặc tính ngồi ......................................74
3.1.2. So sánh hiệu suất làm việc của động cơ D1146 nhiên liệu diesel với động cơ
chuyển đổi nhiên liệu CNG .......................................................................................74
3.1.3. Xác định đặc tính ngồi của động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG
...................................................................................................................................77
3.2. Kiểm nghiệm tính năng động học của xe .......................................................78
3.3. Bố trí bình dự trữ nhiên liệu trên xe bt .....................................................84
3.3.1. Tính tốn dung tích bình dự trữ nhiệu liệu ....................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................91
iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Diễn giải

Đơn vị

CNG

Khí nén thiên nhiên (Compressed Natural Gas)

-

LNG

Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas)

-

LPG

Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas)

-

SO2

Lƣu huỳnh điơxít

-

O3

Ơzơn

-

CO

Mơnơxit cácbon

-

HC

Hyđrơ cácbon

-

NOx

Ơxit nitơ

-

CO2

Cácbonníc

-

Hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol

-

Hội kỹ sƣ ơ tơ thế giới

-

NLBT

Nhiên liệu biến tính

-

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

-

NLSH

Nhiên liệu sinh học

-

HDPE

High Density Polyethylene (Nhựa polyethylene đặc biệt)

-

E-Diesel
SAE

FC
AVL-Boost

Tiêu thụ nhiên liệu

l/100km

Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo)

-

ĐCT

Điểm chết trên

-

ĐCD

Điểm chết dƣới



Hệ số dƣ lƣợng khơng khí

-

A/F

T lệ khơng khí nhiên liệu

-

EURO

Tiêu chẩn khí thải Châu Âu

-

Ne

Công suất

kW

Me

Mômen

Nm

ge

Suất tiêu thụ nhiên liệu

UN

g/kW.h

Xác định các hóa chất nguy hiểm.

v

-


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. So sánh giá của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống ...................5
Hình 1.1. Xe sử dụng khí thiên nhiên nén ở Italia năm 1936 ...................................14
Hình 1.2. Xe buýt Mercedes-Benz OC500LE tại Sydney, Australia........................14
Hình 1.3. Xe buýt trƣờng học sử dụng CNG ở Mỹ ..................................................15
Hình 1.4. Biểu đồ thống kê 10 nƣớc có xe sử dụng CNG nhiều nhất.......................16
Hình 1.5. Đầu máy xe lửa CNG tuyến Opava – Hlučín............................................16
Hình 1.6. Động cơ sử dụng CNG trên xe chở rác Volvo FE ....................................17
Hình 1.7. Xe bt CNG tại thành phố Hồ Chí Minh ............................................... 19
Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống liệu Xăng-CNG song song ...............................................22
Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG lắp trên đƣờng nạp động cơ diesel.........23
Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống lƣỡng nhiên liệu Diesel-CNG Bosch trên xe buýt .........25
Hình 1.11. Cung cấp khí CNG sử dụng họng khuếch tán .........................................27
Hình 1.12. Cung cấp khí CNG dùng bộ hồ trộn kết hợp van tiết lƣu .....................28
Hình 1.13. Cung cấp khí CNG bằng phƣơng pháp phun trên đƣờng nạp .................30
Hình 1.14. Cung cấp khí CNG bằng phƣơng pháp phun trực tiếp............................31
Hình 1.15. Trạm nạp nhiên liệu CNG .......................................................................32
Hình 1.16. Vị trí lắp bình dự trữ CNG trên xe cá nhân.............................................37
Hình 1.17. Vị trí lắp bình dự trữ CNG trên xe VW Touran TSI EcoFuel MPV.......37

Hình 1.18. Bình dự trữ CNG trên school bus ...........................................................38
Hình 1.19. Vị trí bình dự trữ CNG trên xe chở khách ..............................................38
Hình 1.20. Bỗ trí bình dự trữ CNG trên xe lửa .........................................................39
Hình 1.21. Mặt cắt toa tàu chứa nhiên liệu CNG ......................................................39
Hình 1.22. Nhiên liệu dự trữ đặt sau ca-bin lái .........................................................40
Hình 1.23. Nhiên liệu dự trữ đặt phía dƣới khung gầm ............................................40
Hình 2.1. Bố trí tổng thể trên xe khách thành phố TRANSINCO ...........................42
Hình 2.2. Bố trí ghế trên xe khách thành phố của hãng Deawoo, Transinco ...........43
Hình 2.3. Bố trí ghế trên xe khách thành phố hãng Mercedes-Benz ........................43
Hình 2.4. Bố trí ghế trên xe khách thành phố hãng Renault .....................................43
Hình 2.5. Phƣơng án bố trí bên một dãy và một bên hai dãy ghế ............................44
Hình 2.6. Phƣơng án bố trí mỗi bên một dãy ghế .....................................................44

vi


Hình 2.7. Phƣơng án bố trí động cơ đặt trƣớc...........................................................45
Hình 2.8. Phƣơng án bố trí động cơ đặt sau ..............................................................45
Hình 2.9. Động cơ D1146 .........................................................................................47
Hình 2.10. Mặt cắt dọc động cơ D1146 ....................................................................48
Hình 2.11. Hệ thống nhiên liệu động cơ D1146 .......................................................49
Hình 2.12. Hệ thống bơi trơn động cơ D1146 ..........................................................51
Hình 2.13. Sự tiếp xúc thành xylanh của ngọn lửa ...................................................59
Hình 2.14. Động cơ nghiên cứu đƣợc mơ phỏng bằng AVL Boost .........................63
Hình 2.15. Cửa sổ nhập thơng số phần tử động cơ ...................................................66
Hình 2.16. Nhập thơng số ma sát động cơ ................................................................66
Hình 2.17. Lựa chọn mơ hình cháy cho mơ hình mơ phỏng.....................................67
Hình 2.18. Nhập thơng số mơ hình cháy Fractal ......................................................67
Hình 2.19. Các thơng số xác định hiện tƣợng kích nổ ..............................................68
Hình 2.20. Pha phối khí của động cơ ........................................................................68

Hình 2.21. Nhập thơng sổ điều khiển vịi phun nhiên liệu........................................71
Hình 2.22. Hiệu chuẩn mơ hình theo đặc tính mơ men động cơ ..............................73
Hình 3.1. Hệ số nạp thay đổi theo tốc độ động cơ ....................................................75
Hình 3.2. Cơng suất động cơ thay đổi theo tốc độ động cơ .....................................76
Hình 3.3. Mô men của động cơ thay đổi theo tốc độ động cơ ..................................77
Hình 3.4. Đặc tính ngồi động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG ...............77
Hình 3.5. Đồ thị gia tốc .............................................................................................80
Hình 3.6. Đồ thị gia tốc ngƣợc .................................................................................82
Hình 3.7. Đồ thị thời gian tăng tốc ............................................................................83
Hình 3.8. Đồ thị quảng đƣờng tăng tốc. ....................................................................84
Hình 3.9. Sơ đồ tính tiêu thụ nhiên liệu theo thời gian .............................................85
Hình 3.10. Đồ thị thời gian tăng tốc..........................................................................86
Hình 3.11. Đồ thị quãng đƣờng tăng tốc ...................................................................87
Hình 3.12. Bố trí thùng chứa nhiên liệu CNG trên chassis xe buýt ..........................88

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các thành phần cơ bản của khí thiên nhiên trước khi tinh chế ....................................... 10
Bảng 1.2. Bảng so sánh đặc tính của CNG với xăng và diesel .......................................................... 10
Bảng 2.1. Các thông số cơ bản của xe buýt ........................................................................................... 46
Bảng 2.2. Mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ D1146 ....................................................................... 50
Bảng 2.3. Ký hiệu các phần tử mơ hình động cơ .................................................................................. 62
Bảng 2.4. Thông số nhập ở điều kiện biên đầu vào (SB1) .................................................................. 63
Bảng 2.5. Thông số nhập ở điều kiện biên đầu ra (SB2)..................................................................... 64
Bảng 2.6. Độ nâng và hệ số lưu lượng của xupap ............................................................................... 69
Bảng 2.7. Các thông số đường ống ......................................................................................................... 71
Bảng 2.8. Các thông số nhập cho phần tử Measuring Point ............................................................. 73
Bảng 3.1. Các thông số đặc trưng khả năng tăng tốc của xe ............................................................. 80

Bảng 3.2. Bảng số liệu gia tốc ngược cho các tay số........................................................................... 81
Bảng 3.3 Thời gian tăng tốc của động cơ .............................................................................................. 82
Bảng 3.4 Quãng đường tăng tốc của xe................................................................................................. 84

viii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
1.1. Ơ nhiễm mơi trường
Hiện nay thế giới có khoảng 1,5 triệu ơ tơ, số lƣợng này thải ra môi trƣờng
hàng trăm triệu tấn khí thải độc hại mỗi năm. Riêng ở Việt Nam, hiện nay cả nƣớc
có khoảng 3,7 triệu ơ tơ và 55 triệu xe máy đang hoạt động. Cùng với sự phát triển
kinh tế - xã hội, tốc độ tăng hàng năm của các phƣơng tiện nêu trên khá cao.
Trong quý một năm 2018, hơn 800.000 xe máy đƣợc đăng ký mới, nâng tổng số
loại phƣơng tiện này trên cả nƣớc lên hơn 55 triệu, đã vƣợt quy hoạch năm 2030. Số
lƣợng lớn ôtô xe máy thƣờng tập trung ở các đô thị lớn nhƣ TP HCM và Hà Nội,
theo đánh giá của các chuyên gia môi trƣờng, ô nhiễm không khí ở đơ thị do giao
thơng vận tải gây ra chiếm t lệ khoảng 70%. Những phƣơng tiện giao thông này
khi hoạt động sẽ thải ra một lƣợng lớn khí thải từ q trình đốt cháy của nhiên liệu .
Khí thải do động cơ đốt trong thải ra từ sự đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu bên trong
xylanh động cơ gồm các thành phần sau:
+ Ôxit Cacbon (CO): là chất khí khơng màu, khơng thấy đƣợc, đƣợc tạo ra khi
nhiên liệu chứa cacbon cháy không hết – đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe con
ngƣời, cản trở vận chuyển ôxy từ máu vào tới các mô. CO2 gây ra hiệu ứng nhà
kính cùng với sự nóng lên của trái đất.
+ Ôxit Nitơ (NOx): là một dạng hợp chất. Dioxit Nitơ (NO2) gắn liền với việc
gia tăng ô nhiễm đƣờng hô hấp, làm nghẽn thở ở ngƣời mắc bệnh hen, giảm chức
năng của phổi. NOx góp phần làm tăng lƣợng bụi hạt bằng cách chuyển thành axit
nitric trong khơng khí và tạo hạt nitrat.

+ Ơzơn (O3): có thể làm tổn hại đến hô hấp bao gồm đau ngực, ho và thở ngắn.
Ơzơn làm hƣ hại cây cối, tăng khả năng cơn trùng gây hại cho cây, hƣ hỏng vật liệu,
tầm nhìn.
+ Hydrocacbon (HC): gây ơ nhiễm độc hại trong khơng khí có thể tác động
đến sức khỏe cộng đồng. Các hydrocacbon thơm thƣờng rất độc, có thể gây ung thƣ.
HC tồn tại trong khí quyển cịn gây sƣơng mù, gây tác hại cho mắt và đƣờng hô
hấp.

1


+ Chì (Pb): Đối với tế bào sống chì rất độc, làm giảm khả năng hấp thụ ô xy
trong máu.
+ SO2: lƣu huỳnh dioxit là một chấu háu nƣớc, dễ hòa tan vào nƣớc mũi, giảm
khả năng đề khàng của cơ thể và làm tăng cƣờng độ tác hại chất ô nhiễm khác.
+ Chất thải dạng hạt (PM): làm giảm tầm nhìn và hủy hoại các vật chất, gây
hại tới sức khỏe con ngƣời.
+ Khí cacbonic (CO2): là sản phẩm cháy hồn tồn của cacbon với ơ xy. Tuy
CO2 khơng độc đối với sức khỏe con ngƣời nhƣng với nồng độ quá lớn sẽ gây ngạt.
Ngoài ra CO2 là thủ phạm chính gây ra hiệu ứng nhà kính.
Sự hiện diện các chất ơ nhiễm, đặc biệt những chất khí gây hiệu ứng nhà kính
ảnh hƣởng đến q trình cân bằng nhiệt của bầu khí quyển. Với tốc độ gia tăng
nồng độ khí cacbonic nhƣ hiện nay, ngƣời ta dự đốn vào khoảng giữa thế kỉ 22
nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2°C đến 3°C, một phần băng ở vùng Bắc cực
và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mực nƣớc biển, biến đổi khí hậu. Sự gia tăng
NOx, đặc biệt là N2O có nguy cơ gia tăng sự hủy hoại lớp ơzơn ở thƣợng tầng khí
quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tím phát xạ từ mặt trời. Tia cực tím gây ung
thƣ da và gây đột biến sinh học. Vì vậy việc nghiên cứu để hạn chế ơ nhiễm do khí
thải động cơ là một yêu cầu cấp bách không chỉ riêng đối với một quốc gia nào.
1.2. Thiếu hụt dầu mỏ

Hiện nay, thế giới đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu
hóa thạch, hầu hết các phƣơng tiện giao thông nhƣ: ô tô cá nhân, xe lửa, các loại xe
buýt, các loại xe tải, máy bay, tàu thủy… vẫn sử dụng chủ yếu xăng và dầu diesel
làm nhiên liệu chính. Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện
dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu khơng có nhiên liệu hóa thạch, nền
kinh tế cùng với các phƣơng tiện giao thông liên lạc, vận tải, sẽ rơi vào khủng
hoảng, ngƣng trệ. Gần nhƣ tồn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã hội hiện
đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Kết quả tính tốn dựa trên tốc độ khai
thác và sử dụng các nhiên liệu hóa thạch hiện nay đã chỉ ra rằng trữ lƣợng dầu mỏ
trên tồn thế giới chỉ có thể đáp ứng khoảng gần 40 năm nữa. Kết quả này là
nguyên nhân chính đẩy giá xăng dầu ngày càng tăng cao hơn dẫn đến nền kinh tế có
nguy cơ rơi vào khủng hoảng kèm theo đó là nguy cơ về khả năng giao thông ngƣng
trệ. Tuy nhiên, khi nhu cầu về dầu mỏ vƣợt quá nguồn cung thì giá của sản phẩm
phụ thuộc dầu mỏ nhƣ lƣơng thực sẽ tăng giá với tốc độ rất nhanh chƣa từng có.
2


Điều này cũng sẽ gây ra hậu quả khôn lƣờng cho nền kinh tế tồn cầu và những
ngƣời dân có mức thu nhập trung bình. Các chuyên gia cũng cảnh báo rằng nếu con
ngƣời không chuyển hƣớng khỏi việc xây dựng một xã hội dựa trên dầu mỏ thì nền
kinh tế của chúng ta sẽ sụp đổ. Xăng và diesel có gốc từ dầu mỏ là những nhiên liệu
có hạn và khó có thể tái tạo đƣợc, nếu muốn tái tạo lại cần phải mất hàng triệu năm
nhƣng con ngƣời chỉ mất chƣa đầy 200 năm để tiêu thụ hết nguồn cung dầu mỏ trên
trái đất.
1.3. Tầm quan trọng của việc sử dụng nhiên liệu thay thế
Hiện nay, trữ lƣợng dầu mỏ đang dần cạn kiệt và theo ƣớc tính nếu khơng phát
hiện thêm đƣợc trữ lƣợng mới thì nguồn dầu mỏ chỉ đủ dùng cho tới năm 2050. Bên
cạnh đó, nguồn nhiên liệu truyền thống cịn gây ra những vấn đề nghiêm trọng về ô
nhiễm môi trƣờng và hiệu ứng nhà kính gây biến đổi khí hậu. Trƣớc thực trạng đó,
nhiên liệu thay thế cho các nhiên liệu truyền thống đóng một vai trị rất quan trọng

trong việc cung cấp năng lƣợng trong tƣơng lai. Các loại nhiên liệu thay thế đƣợc
phân loại nhƣ sau:
+ Nhiên liệu gốc hóa thạch như: khí nén thiên nhiên CNG (Compressed
Natural Gas), khí thiên nhiên hóa lỏng LNG (Liquefied natural gas), khí dầu mỏ hóa
lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas).
+ Nhiên liệu sinh học đƣợc hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động,
thực vật nhƣ diesel sinh học (biodiesel), xăng sinh học (Biogasoline), khí sinh học
(Biogas).
Ngồi ra cịn có những loại nhiên liệu thay thế khác đang đƣợc sử dụng hoặc
nghiên cứu nhƣ Hidro (H2), pin nhiên liệu (fuel cell), Amoniac (NH3), v.v… Những
nhiên liệu điển hình có thể thay thế cho nhiên liệu truyền thống gốc từ dầu mỏ hiện
đƣợc nhiều quốc gia trên thế giới sử dụng có thể kể đến nhƣ:
+ Khí hóa lỏng (LPG) là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thơ.
Nhiên liệu khí hóa lỏng có thể thu đƣợc từ cơng đoạn lọc dầu. Động cơ sử dụng
LPG ít gây ơ nhiễm nhờ giảm lƣợng lớn chất độc hại nhƣ hydro cacbon (H-C), oxit
nitơ (NOx), khí cacbonic (CO2), oxit cac bon (CO). LPG có chỉ số chống kích nổ
cao, chi phí sản xuất thấp, có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn so với nhiên liệu xăng
truyền thống. Nhiệt trị theo khối lƣợng của LPG lỏng tƣơng đƣơng với xăng. Trữ

3


lƣợng LPG ở nƣớc ta rất dồi dào, sản lƣợng của LPG dự báo đến năm 2015 sẽ đạt
khoảng 2 triệt tấn.
+ Khí thiên nhiên nén (CNG) là khí đƣợc khai thác từ các mỏ khí có sẵn trong
tự nhiên. Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là Metan (CH4) chiếm khoảng 8090%. Sản phẩm cháy thu đƣợc sau khi đốt cháy CNG ít gây ơ nhiễm mơi trƣờng
hơn, sản xuất đơn giản, an tồn, có trữ lƣợng rất lớn trên thế giới và ở Việt Nam.
Nhiệt trị khối lƣợng của CNG cao hơn 10% so với nhiên liệu xăng truyền thống.
Ngày nay khí thiên nhiên có thể chế tạo từ rác thải mà không phụ thuộc vào các mỏ
khí thiên nhiên, quốc gia đứng đầu trong việc sử dụng khí thiên nhiên nhân tạo phải

kể đến Hàn Quốc.
+ Khí Hydro (H2) là nhiên liệu sạch, thân thiện mơi trƣờng, có thể tái sinh,
nhiệt lƣợng tỏa ra cao, trữ lƣợng vô cùng phong phú. H2 đƣợc sản xuất từ nƣớc và
năng lƣợng mặt trời. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi cháy cao gấp 3 lần xăng.
+ Ethanol là một loại rƣợu làm từ thực vật, có hàm lƣợng octane cao nên
ethanol là loại nhiên liệu lý tƣởng cho động cơ có t số nén cao, lƣợng khí thải thấp.
Ethanol có giá trị nhiệt trị thấp nhỏ hơn xăng và bay hơi kém hơn xăng.
Một trong số những nhiên liệu thay thế sử dụng cho động cơ đốt trong có thể
thỏa mãn đồng thời hai vấn đề quan trọng đó là môi trƣờng và không phụ thuộc vào
nhiên liệu gốc dầu mỏ, đó là nhiên liệu khí thiên nhiên nén viết tắt là CNG. Các kết
quả nghiên cứu về so sánh chi phí sử dụng giữa nhiên liệu CNG với xăng và diesel
đã chỉ ra rằng chi phí cho phƣơng tiện vận tải sử dụng nhiên liệu CNG thấp hơn
khoảng 40% (Hình 1). Giá của nhiên liệu CNG ổn định cao hơn so với dầu mỏ, chi
phí sửa chữa và bảo dƣỡng của động cơ nhiên liệu CNG thấp hơn so với các động
cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống (xăng và diesel). Mặc dù giá thành của các xe
chạy CNG hoặc bộ chuyển đổi còn khá cao nhƣng trong tƣơng lai hứa hẹn giá sẽ
giảm bên cạnh đó là những cải tiến về hiệu suất và tính năng sử dụng.

4


Hình 1. So sánh giá của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống
Một ƣu điểm nữa của việc sử dụng nhiên liệu CNG đó là giảm đƣợc đáng kể
lƣợng khí thải độc hại đồng thời khơng bị phụ thuộc vào các nguồn cung cấp nhiên
liệu xăng và diesel truyền thống. Tuy nhiên, để có đƣợc các động cơ đốt trong chỉ
sử dụng nhiên liệu CNG thỏa mãn đƣợc các u cầu trên thì cần phải hiểu đƣợc tính
chất vật lý và hóa học của khí thiên nhiên.
Trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế CNG cho động
cơ xe buýt” đƣợc thực hiện nhằm có cơ sở và phù hợp với thực tiễn ở nƣớc ta và kết
quả thu đƣợc từ nghiên cứu này sẽ là nguồn tài liệu quan trọng bổ sung cho định

hƣớng phát triển xe buýt sử dụng nhiên liệu CNG ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam
nói chung.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát
Xây dựng đặc tính làm việc sơ bộ của động cơ xe buýt khi chuyển sang sử dụng
nhiên liệu CNG và thiết lập sơ đồ vị trí lắp hệ thống nhiên liệu CNG trên xe buýt.
2.2. Mục tiêu cụ thể
+ Nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu CNG nhằm làm rõ tính cấp thiết của của
việc sử dụng nhiên liệu thay thế.
+ Nghiên cứu tổng quan về hệ thống hậu cần và các hệ thống nhiên liệu CNG
trang bị trên các phƣơng tiện vận tải trên thế giới
+ Đề xuất một phƣơng án chuyển đổi động cơ diesel D1146 trang bị trên xe
buýt Deawoo thành động cơ sử dụng nhiên liệu CNG.
5


+ Nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ phỏng động cơ diesel D1146 bằng phần
mềm AVL Boost và tiến hành chạy động cơ mơ phỏng.
+ Xây dựng đặc tính sơ bộ động cơ diesel D1146 sử dụng nhiên liệu CNG và
thiết lập sơ đồ bố trí các thùng chứa nhiên liệu trên xe buýt Deawoo.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Động cơ diesel D1146 có 6 xylanh một hàng trang bị trên xe buýt Deawoo hoạt
động trong nội thành Hà Nội.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Xây dựng đặc tính sơ bộ động cơ diesel D1146 chuyển đổi sang sử dụng nhiên
liệu CNG bằng phần mềm AVL Boost. Thiết lập sơ đồ bố trí thùng dự trữ nhiên liệu
CNG trên xe buýt Deawoo.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu trên, Luận văn phải tiến hành theo các phƣơng pháp sau:

+ Phƣơng pháp phân tích là tập trung vào nghiên cứu các tài liệu nhƣ: Nhiên
liệu CNG, các hệ thống cấp nhiên liệu CNG, các phƣơng tiện vận tải sử dụng nhiên
liệu CNG và các trang thiết bị hậu cần phục vụ cho các phƣơng tiện vận tải sử dụng
nhiên liệu CNG (trạm nạp CNG, thùng chứa nhiên liệu CNG). Từ các phân tích này
có thể lựa chọn giải pháp cấp nhiên liệu cho động cơ chuyển đổi.
+ Phƣơng pháp mơ hình hóa đƣợc thực hiện bằng cách xây dựng mơ hình động
cơ diesel D1146 bằng phần mềm AVL Boost. Sau đó tiến hành chạy mơ hình động
cơ mơ phỏng với nhiên liệu CNG, các kết quả thu đƣợc sẽ là cơ sở để phục vụ cho
tính tốn tiếp theo.
5. Ý nghĩa khoa học của luận văn
Kết quả của luận văn là một tài liệu tham khảo chuyên sâu phục vụ cho đào tạo
và nghiên cứu phát triển xe buýt chuyển đổi từ nhiên liệu diesel sang sử dụng hoàn
toàn CNG thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực.
6. Cấu trúc luận văn
Ngồi phần mở đầu và kết luận, luận văn đƣợc trình bày trong 3 chƣơng với
cấu trúc nhƣ sau:

6


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CNG.
CHƢƠNG II: ĐẶC ĐIỂM XE BUÝT VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ DIESEL
D1146 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG
CHƢƠNG III: ĐẶC TÍNH NGỒI ĐỘNG CƠ D1146 NHIÊN LIỆU CNG VÀ BỐ
TRÍ HỆ THỐNG CẤP NHIÊN LIỆU TRÊN XE BUÝT DEAWOO
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN

7

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CNG
1.1. Tổng quan về khí thiên nhiên
1.1.1. Sự hình thành của khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên đƣợc hình thành từ các vật chất hữu cơ đƣợc nén ép trong lòng
đất dƣới áp suất và nhiệt độ cao trong một thời gian dài. Quá trình này đƣợc gọi là
quá trình tạo Methane do nhiệt. Khí mỏ loại này thƣờng đi đồng hành với dầu trong
các lớp trầm tích nằm sâu trong lịng đất. Khí thiên nhiên cũng có thể đƣợc tạo
thành qua q trình vận chuyển các vật chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật. Loại Metan
này đƣợc gọi là Metan sinh học. Sự hình thành Metan theo phƣơng thức này thƣờng
xảy ra gần bề mặt trái đất, và Metan sinh ra thƣờng bay vào trong khí quyển. Tuy
nhiên, trong những trƣờng hợp nhất định nó có thể bị giữ lại trong lịng đất, và có
thể thu hồi đƣợc dƣới dạng khí mỏ. Một cách nữa trong đó Metan (và khí thiên nhiên)
đƣợc cho là hình thành qua các quá trình tự sinh. Tại độ sâu rất lớn trong vỏ Trái Đất,
có chứa các phân tử cacbon và khí gas thiên nhiên giàu hydro. Khi các khí này chuyển
động hƣớng lên trên bề mặt trái đất, chúng có thể tƣơng tác với các khống vật có trong
lịng đất, trong điều kiện khơng có oxy. Sự tƣơng tác này có thể dẫn đến xảy ra phản
ứng hoá học tạo thành các đơn chất và hợp chất gặp nhiều trong khí quyển nhƣ N2, O2,
CO2, Ar, và hơi nƣớc. Nếu các chất khí này tồn tại dƣới áp suất lớn khi di chuyển lên
trên bề mặt, chúng có xu hƣớng tạo thành các tích tụ khí Metan, tƣơng tự nhƣ Metan
tạo thành dƣới tác dụng nhiệt.
1.1.2. Q trình sử dụng khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên đã đƣợc con ngƣời sử dụng trong nhiều thế kỉ, theo ghi chép
lịch sử đã cho thấy ngƣời Trung Quốc lần đầu tiên sử dụng khí thiên nhiên để tách
muối khỏi nƣớc biển vào khoảng năm 500 TCN. Trong khoảng từ thế kỉ 17 đến
cuối thế kỉ 19, khí thiên nhiên đƣợc sử dụng phục vụ cho mục đích chiếu sáng và
sƣởi ấm. Đặc biệt vào năm 1885, Robert Bunsen phát minh ra buồng đốt Bunsen là
một thiết bị trộn khí thiên nhiên với khơng khí với các tỉ lệ thích hợp, tạo ra ngọn
lửa có thể sử dụng một cách an toàn để nấu ăn và sƣởi ấm. Phát minh này đã mở ra
một phƣơng thức mới cho việc sử dụng khí thiên nhiên của con ngƣời.
Do khí thiên nhiên ở dạng khí nên rất khó khăn trong việc vận chuyển do vậy

trƣớc đây khí thiên nhiên chỉ đƣợc sử dụng ở các khu vực gần mỏ khí. Khi ngành công
8


nghiệp dầu khí phát triển hơn vào thế k 19 và thế k 20, khí thiên nhiên đƣợc phát
hiện cùng dầu mỏ (khí đồng hành) thƣờng đƣợc xử lý nhƣ chất phụ phẩm và thƣờng
đƣợc đốt bỏ ngay trên giàn khoan. Ngày nay, khí thiên nhiên đƣợc vận chuyển bằng
các mạng lƣới đƣờng ống dẫn khí rộng lớn hoặc đƣợc hóa lỏng và đƣợc vận chuyển
bằng phƣơng tiện vận tải.
1.1.3. Phân loại
Khí khơ là khí thiên nhiên sau khi đã xử lí tách loại nƣớc và các tạp chất cơ
học, tách khí hóa lỏng và khí ngƣng tụ (condensate) tại nhà máy xử lí khí. Khí khơ
đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới làm nhiên liệu cho các nhà máy điện và làm
nguyên liệu cho các nhà máy hóa dầu để sản xuất phân đạm, methanol, DME,…
Khí nén thiên nhiên (CNG) là khí thiên nhiên đƣợc xử lý và nén ở áp suất cao
để tồn trữ và vận chuyển, CNG chỉ chiếm khoảng 1/200 diện tích so với khí thiên
nhiên ở trạng thái bình thƣờng, dễ chuyên chở đi xa và có trị số octan cao nên đƣợc
sử dụng rộng rãi trên thế giới là nhiên liệu động cơ thay thế xăng dầu.
Khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) là khí thiên nhiên đƣợc hóa lỏng khi làm lạnh
sâu tới – 162 ºC sau khi đã loại bỏ các tạp chất. Do chỉ chiếm 1/600 thể tích so với
khí ở điều kiện tiêu chuẩn. LNG có thể đƣợc vận chuyển với khối lƣợng lớn bằng
tàu vƣợt đai dƣơng có tải trọng từ 140.000 đến 260.000 m3 đến nhiều nƣớc trên thế
giới. Sau khi đƣợc vẫn chuyển đến nơi tiêu thụ, LNG đƣợc chuyển trở lại ở trạng
thái khí sau đó bơm và đƣờng ống vận chuyển đến các hộ tiêu thụ. Khi đó LNG
đƣợc sử dụng tƣơng tự nhƣ khí khô làm nguyên nhiên liệu cho máy phát điện, sản
xuất phân đạm, methanol, DME, hộ công nghiệp, khu đô thị,…
1.2. Tính chất lý hóa của khí thiên nhiên nén (CNG)
1.2.1. Thành phần hóa học
CNG (Compressed Natural Gas) là khí thiên nhiên đƣợc nén ở áp suất nhất định
(200 ÷ 250 bar). Khí thiên nhiên là một hỗn hợp khí bao gồm phần lớn là

hydrocacbon. Khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu từ Metan (CH4) và cũng có thể
bao gồm Etan (C2H6), Propan (C3H8), Butan (C4H10), Pentan (C5H12) và các alkan
khác. Thành phần của khí thiên nhiên có thể thay đổi tùy theo từng mỏ khai thác. Tuy
nhiên bảng dƣới đây chỉ ra thành phần cơ bản thƣờng thấy của khí thiên nhiên trƣớc
khi tinh chế.

9


Bảng 1.1. Các thành phần cơ bản của khí thiên nhiên trước khi tinh chế
Thành phần

Kí hiệu hóa học

Tỉ lệ
70 – 90%

Metan

CH4

Etan

C2H6

Propan

C3H8

Butan

C4H10

Cacbonic

CO2

0 – 8%

Oxy

O2

0 – 0.2%

Nitơ

N2

0 – 5%

Hydro Sunfua

H2 S

0 – 5%

Khí hiếm

A, He, Ne, Xe

Rất ít

0 – 20%

Khí thiên nhiên chứa lƣợng nhỏ các tạp chất, bao gồm điơxít cacbon (CO2),
hyđrơ sulfít (H2S), và nitơ (N2). Do các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị và đặc
tính của khí thiên nhiên, chúng thƣờng đƣợc tách khỏi khí thiên nhiên trong q
trình tinh lọc khí và đƣợc sử dụng làm sản phẩm phụ.
1.2.2. Đặc tính cơ bản của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống
Bảng 1.2. Bảng so sánh đặc tính của CNG với xăng và diesel
Đặc tính

CNG
Khơng

Diesel
Có

Xăng
Có

0,64

0,82 ÷ 0,87

0,72 ÷ 0,87

(kk = 1)

(nƣớc = 1)

(nƣớc = 1)

-162

175 ÷370

40 ÷ 200

Nhiệt trị (MJ kg)

50

42,7

42,9

Nhiệt độ cháy(°C)

1900

1780

2030

Nhiệt độ tự bốc cháy (°C)

540

280

264

Tỉ số A F

17,2

14,7

14,5

Chỉ số octan

130

N/A

83 ÷ 95

Màu, mùi
T trọng
Nhiệt độ sôi (ngƣng tụ) (°C)

10


Chỉ số octan của CNG vào khoảng 130, điều này giúp cho động cơ có thể hoạt
động ở t số nén lên đến 16:1 mà khơng gây kích nổ. Nhờ đó có thể cải thiện hiệu
suất động cơ khoảng 10% so với động cơ xăng. Bên cạnh đó CNG có nhiệt trị cao

hơn (hơn 10%) so với xăng và diesel. Đồng nghĩa với việc khi hoạt động với hiệu
suất nhƣ nhau thì suất tiêu hao nhiên liệu của CNG cũng giảm tƣơng đƣơng.
Ƣu điểm quan trọng của nhiên liệu CNG so với nhiên liệu truyền thống đó
chính là phát thải. CNG giảm đáng kể khí thải CO2 từ 20 – 25% so với xăng vì cấu
trúc hóa học của khí thiên nhiên (chủ yếu là Metan – CH4) chứa một nguyên tử
Cacbon so với diesel (C15H32) và xăng (C8H18). Bên cạnh đó HC đƣợc giảm khoảng
50%, CO khoảng 70 – 95%, NOx là 50 – 87% và gần nhƣ không phát thải bụi. Sử
dụng CNG làm nhiên liệu còn mang lại những lợi ích trong hoạt động của các thành
phần động cơ. CNG khơng pha trộn hoặc làm lỗng dầu bơi trơn nên sẽ khơng gây
đóng cặn ở buồng cháy và bugi ở mức độ nhƣ động cơ xăng và diesel, do đó chu kỳ
bão dƣỡng và tuổi thọ của xéc măng và bugi thƣờng đƣợc kéo dài. Mặc dù là nhiên
liệu dạng khí nhƣng phạm vi cháy hẹp (5 – 15%) và nhiệt độ bắt cháy cao nên CNG
đƣợc coi là nhiên liệu an tồn. Khi bị rị rỉ ra ngồi, CNG khơng gây hại cho mơi
trƣờng và khả năng phân tán nhanh trong khơng khí giảm thiểu khả năng gây cháy
nổ. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của động cơ chạy CNG có thể kể đến là phạm vi
hoạt động của xe, so với xe dùng xăng thông thƣờng thì xe sử dụng CNG chỉ đạt
đƣợc một nửa quãng đƣờng. Hơn nữa ở thời điểm hiện tại thì các trạm cấp nạp
nhiên liệu CNG vẫn chƣa phổ biến nhƣ các nhiên liệu truyền thống.
1.2.3. So sánh CNG và các loại nhiên liệu thay thế khác
1.2.3.1. So với LPG (Liquefied Petroleum Gas)
LPG (Liquefied Petroleum Gas) là hỗn hợp hydrocacbon nhẹ chủ yếu gồm
Propan (C3H8) và Butan (C4H10), có thể bảo quản và vận chuyển dƣới dạng lỏng
trong điều kiện áp suất trung bình ở nhiệt độ thƣờng. Bản thân LPG không độc,
không gây ô nhiễm môi trƣờng, không ảnh hƣởng đến thực phẩm và sức khỏe con
ngƣời. Tuy khi cháy LPG có lƣợng phát thải CO2 lớn hơn so với CNG nhƣng lại
khơng tạo ra các khí độc nhƣ CO, NOx. Về năng suất tỏa nhiệt, LPG (94 MJ/m3)
cao hơn hẳn so với CNG (38MJ/m3). Do đó dù CNG có giá thành rẻ hơn nhƣng hiệu
suất kinh tế của hai loại nhiên liệu lại tƣơng đƣơng nhau. Nếu coi tính tƣơng thích
và phổ biến của xe chạy xăng là 100% thì xe sử dụng LPG là 74% và CNG là 25%.

11


Tƣơng tự nhƣ xăng hay diesel đều ở dạng lỏng thì LPG có những lợi thế về vấn đề
tồn trữ và vận chuyển nhiên liệu nhƣng lại khơng an tồn bằng CNG.
1.2.3.2. So với Biogas (Biological Gas)
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí Metan (CH4) và một số khí phát sinh từ
sự phân hủy của các vật chất hữu cơ. Biogas gồm 45 – 85 % Metan (CH4), 15 – 45
% cacbon dioxit (CO2) và một lƣợng nhỏ hơi nƣớc, Hydro sunfua (H2S), Amoniac
(NH3), Nitơ (N2), …. Hàm lƣợng CO2 và hơi nƣớc khiến cho hiệu suất nhiệt của
Biogas giảm đáng kể so với CNG. Nhiệt trị thấp của Biogas là 23 MJ m3 so với
CNG 38MJ/m3. Khí H2S sẽ tạo axit ăn mòn các chi tiết trong động cơ và tạo ra sản
phầm cháy SOx là một khí rất độc. Khơng nhƣ CNG là một loại nhiên liệu hóa thạch
Biogas là nhiên liệu sinh học có khả năng tái tạo nhƣ: đƣợc sản xuất dễ dàng từ
phân thải, phân hữu cơ, bùn cống rãnh với công nghệ đơn giản.
1.2.3.3. So với Hydro (H2)
Hydro là một loại nhiên liệu khơng phát thải đƣợc dùng cho pin điện hóa, động
cơ đốt trong, xe điện hoặc thiết bị điện. Sản phẩm cháy của hydro chỉ là hơi nƣớc và
một lƣợng khơng đáng kể NOx nên hồn tồn khơng gây ảnh hƣởng đến mơi
trƣờng. Hydro có nhiệt trị gấp gần 2,4 lần so với CNG do đó với cùng một lƣợng
nhiên liệu thì Hydro tạo ra năng lƣợng cao hơn rất nhiều so với CNG. Bên cạnh đó
tốc độ ngọn lửa của Hydro (2,65 – 3,25 m s) cũng lớn hơn nhiều so với CNG (0,45
m/s). Với những đặc điểm cháy vƣợt trội nhƣ vậy khiến cho phạm vi cháy của
Hydro rộng hơn so với CNG. Hydro có thể cháy ở hỗn hợp rất nghèo nhƣ λ = 10
hay giàu nhƣ λ = 0.14, thêm vào đó là nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu Hydro là
thấp hơn so với nhiên liệu CNG. Từ những ƣu điểm này của nhiên liệu Hydro đƣa
đến những yêu cầu về an toàn trong sử dụng phải khắt khe hơn so với nhiên liệu
CNG.
1.3. Một số nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.3.1. Các nghiên cứu ngồi nước

An ninh năng lƣợng và ơ nhiễm mơi trƣờng hiện đang là một trong những ƣu
tiên hàng đầu không chỉ ở các nƣớc phát triển mà ngay cả ở các quốc gia đang phát
triển trong đó có cả Việt Nam. Hầu hết các thành phố lớn là nơi tập trung dân cƣ và
giao thông rất cao, chủng loại phƣơng tiện giao thơng rất đa dạng trong đó bao gồm
phƣơng tiện vận tải: đƣờng bộ, đƣờng sắt, đƣờng thủy và đƣờng hàng không. Trong

12


đó, phƣơng tiện vận tải đƣờng bộ chiếm đa số, mật độ phƣơng tiện giao thông
đƣờng bộ thƣờng tập trung rất lớn ở những giờ cao điểm. Các phƣơng tiện giao
thông đƣờng bộ sử dụng nhiên liệu lỏng nhƣ xăng, diesel đóng góp tỉ lệ rất quan
trọng trong việc duy trì và phát triển của nền kinh tế. Tuy nhiên, chính việc sử dụng
quá nhiều những phƣơng tiện này đã thải ra rất nhiều khí thải độc hại, gây tác hại
nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời cũng nhƣ phá hủy mơi trƣờng và là một trong
những tác nhân chính dẫn đến việc gia tăng hiệu ứng nhà kính (khí CO2) và cạn kiệt
nguồn dự trữ nhiên liệu dầu mỏ. Chính phủ và các nhà khoa học đã đƣa ra rất nhiều
giải pháp khoa học kỹ thuật nhằm giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng đồng thời
đảm bảo nguồn an ninh năng lƣợng. Một trong những ƣu tiên hàng đầu hiện nay là
sử dụng hiệu quả các nguồn năng lƣợng ít gây ơ nhiễm nhƣ sử dụng nhiên liệu khí
thiên nhiên, khí hydro, nhiên liệu sinh học (biodiesel, bioethanol). Ở các nƣớc Mỹ,
Úc, Italia, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Thái Lan đã thành công trong
việc nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG) làm nhiên liệu thay thế xăng và
diesel. Các nƣớc này đã chế tạo hàng loạt phụ kiện đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật và
an tồn dùng để chuyển đổi các loại ơ tô sử dụng nhiên liệu xăng, diesel sang sử
dụng nhiên liệu CNG. Việc sử dụng các loại nhiên liệu khí này chủ yếu đƣợc áp
dụng cho các loại ô tô buýt chạy trong thành phố hoặc các xe buýt chuyên chở học
sinh (School bus) nhƣ ở Mỹ (200,000 xe), Thái Lan (200,000 xe), Hàn Quốc
(277,000 xe), Nhật (400,000 xe), Úc (400,000 xe), Hà lan (750,000 xe), Italia
(khoảng 1,7 triệu xe).

Sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho phƣơng tiện giao thông đƣợc phát
triển vào đầu năm 1930 tại Italia. Đến nay Italia có những cơng ty hàng đầu chun
sản xuất động cơ và phụ tùng CNG điển hình là cơng ty Lavota, sản phẩm của tập
đồn này đã thâm nhập đƣợc vào thị trƣờng vận tải của một số quốc gia, khu vực
khác nhau. Tại Australia, xe buýt sử dụng nhiên liệu CNG đã đƣợc bắt đầu từ
những năm 1970 và 1980, tại thời điểm cao nhất chuyển đổi đƣợc khoảng 110.000
xe. Năm 2004 chính phủ Pakistan đã bắt buộc đối với tất cả các xe buýt thành phố
đều phải sử dụng CNG nhằm làm giảm thiểu sự ô nhiễm khơng khí. Năm 2005 Bộ
Giao thơng vận tải của Myanmar đã yêu cầu tất cả các phƣơng tiện giao thông công
cộng - xe buýt, xe tải và xe taxi, đƣợc chuyển đổi sang chạy CNG. Chính phủ cho
phép một số công ty tƣ nhân để xử lý các chuyển đổi của động cơ diesel và xăng xe
hiện có, và cũng để bắt đầu nhập các các loại xe buýt và taxi sử dụng CNG.

13


Năm 2009 Argentina đã có 1.807.186 xe sử dụng khí CNG với 1851 trạm tiếp
nhiên liệu trên toàn quốc tƣơng ứng khoảng 15% tổng số xe. Brazil đã có 1.632.101
xe và 1.704 trạm tiếp nhiên liệu. Xe chạy bằng nhiên liệu khí thiên nhiên đã đƣợc
sử dụng trên khắp đất nƣớc Mỹ, với khoảng 250 triệu chiếc xe đƣợc đăng ký sử
dụng trong 140 khu vực trƣờng học ở 17 bang đang sử dụng hơn 3.000 xe buýt
trƣờng học để vận chuyển sinh viên mỗi ngày.

Hình 1.1. Xe sử dụng khí thiên nhiên nén ở Italia năm 1936

Hình 1.2. Xe buýt Mercedes-Benz OC500LE tại Sydney, Australia
14


Nhiên liệu CNG đƣợc ứng dụng rộng rãi cho cả động cơ xăng lẫn động cơ

diesel chuyển đổi ở nhiều quốc gia trên khắp các châu lục. Theo hiệp hội quốc tế về
ơtơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên – IANGV (International Association for
Natural Gas Vehicles), cho đến tháng 12 năm 2006 trên tồn thế giới đã có tới 72
quốc gia với hơn 6 triệu phƣơng tiện các loại sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên
trong đó chủ yếu là xe bt cơng cộng. Về ơtơ cá nhân thì Honda Civic GX đƣợc cơ
quan bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ EPA đánh giá là ôtô cá nhân sạch nhất thế giới
năm 1998.

Hình 1.3. Xe buýt trường học sử dụng CNG ở Mỹ
Số lƣợng xe sử dụng khí thiên nhiên trên tồn thế giới đang tăng nhanh chóng,
hiện đã có hơn 18 triệu xe sử dụng khí thiên nhiên phân bố trên hơn 86 quốc gia
trên thế giới với mật độ lớn tập trung ở Iran với 4.070.000 xe, Trung Quốc 3,99
triệu xe, Pakistan, Argentina, Ấn Độ, Brazil, Ý và Colombia. Xu hƣớng này đƣợc
dự báo sẽ tiếp tục sẽ tăng với t lệ trung bình hàng năm tăng khoảng 3,7% lên đến
năm 2030. Hình 1.5 cho thấy tốp 10 nƣớc trên thế giới sử dụng xe nhiên liệu khí
thiên nhiên có số lƣợng cao nhất.
Ngày 30 tháng 01 năm 2015, Viện nghiên cứu đƣờng sắt Cộng hòa Czech đã
đƣa vào vận hành chạy thử nghiệm so sánh giữa hai đầu máy xe lửa sử dụng nhiên
liệu khác nhau, một đầu máy sử dụng nhiên liệu diesel và đầu máy cịn lại có động
cơ diesel chuyển đổi thành sử dụng nhiên liệu CNG. Cả hai đầu máy xe lửa này
cùng kéo theo bốn toa chở hành khách thiết kế theo tiêu chuẩn và di chuyển trên

15