Nghiên cứu quá trình tạo hỗn hợp của động cơ sử dụng nhiên liệu khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

TRƯƠNG CÔNG HUY

C
C

R
L
T.

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA
ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ

DU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Đà Nẵng – Năm 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

TRƯƠNG CÔNG HUY

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA ĐỘNG
CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ

C
C

R
L
T.

DU

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số
: 85.20.11.6

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Người hướng dẫn khoa học: GS. TSKH. BÙI VĂN GA

Đà Nẵng – Năm 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

TRƯƠNG CƠNG HUY

C

C

DU

R
L
T.


NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ
DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ
Học viên: Trương Cơng Huy
Chun ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 85.20.11.6

Khóa:K36

Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Luận văn trình bày kết quả mơ phỏng quá trình cung cấp nhiên liệu biogas-H2 cho
động cơ đánh lửa cưỡng bức dựa trên tính tốn độ chân khơng trên đường nạp. Kết quả
cho thấy khu vực có độ chân không lớn nhất nằm gần họng venturi và về phía hạ lưu.
Cùng độ mở bướm ga, khi tăng tốc độ động cơ thì độ chân khơng tăng mạnh và hệ số
tương đương của hỗn hợp giảm, đồng thời đỉnh đường cong chân khơng dịch chuyển
dần về phía cuối q trình nạp. Tốc độ động cơ là thơng số ảnh hưởng lớn nhất đến hệ
số tương đương. Nếu cấp nhiên liệu khí bằng van chân khơng phổ biến hiện nay thì khi
điều chỉnh hỗn hợp hợp lý ở tốc độ thấp, ở tốc độ cao hỗn hợp quá loãng; nếu điều chỉnh
hỗn hợp hợp lý ở tốc độ cao thì ở tốc độ thấp hỗn hợp quá đậm. Hệ thống cấp nhiên liệu
gồm van công suất cấp ga gián đoạn, van làm đậm cấp ga liên tục giúp điều chỉnh thành
phần hỗn hợp phù hợp với các chế độ công tác của động cơ đồng thời cải thiện độ đồng

đều của hỗn hợp, phù hợp động cơ chạy bằng nhiên liệu biogas nghèo được bổ sung H2.
Từ khóa: Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydrogen; HHO; Động cơ đánh lửa cưỡng bức

C
C

R
L
T.

DU

RESEARCH PROCESS OF COMBINATION OF GAS FUEL ENGINE

Abstract: The thesis presents the simulation results of biogas-H2 supply process for
spark ignition engine based on vacuum calculation in the intake manifold. The results
show that the largest vacuum area is located near the venturi throat toward the
downstream. At a given throttle valve position, as the engine speed increases, the
vacuum level increases sharply and the equivalence ratio of the mixture decreases, while
the vacuum curve peak gradually moves towards the end of the intake process. Engine
speed is the most important parameter that affects the equivalence ratio. If gas fuel is
supplied by a popular existing vacuum valve, when adjusting the mixture properly at
low speed, at high speed the mixture is too poor; if the mixture is adjusted properly at
high speed, at low speed the mixture is too rich. The fuel supply system consists of an
intermittent supply power valve and a continuous supply enriche valve that adjusts the
equivalence ratio in accordance with the engine operating modes and improves the
uniformity of the mixture, suitable for spark ignition engine fueled with poor biogas
enriched by H2.
Keywords: Renewable fuels; Biogas; Hydrogen;; Spark Ignition Engine

MỤC LỤC
TỔNG QUAN ...........................................................................................7
1.1. Tổng quan về môi trường .................................................................................7
1.1.1. Hệ lụy với môi trường của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch ............ 7
1.1.2. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu thay thế/ tái tạo trên động cơ đốt trong . 11
1.1.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu tái tạo ở nước ta .................................. 12
1.2. Tổng quan về Biogas ......................................................................................15
1.2.1. Giới thiệu về Biogas .......................................................................... 15
1.2.2. Sản xuất, tinh luyện Biogas ............................................................... 16
1.2.3. Đặc điểm nhiên liệu Biogas ............................................................... 23
CÁC PHƯƠNG ÁN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KHÍ CHO ĐỘNG CƠ
ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC .........................................................................................25

C
C

2.1. Tổng quan về hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ xăng .....................25
2.2. Hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ chế hịa khí ..................................................27

R
L
T.

2.3. Hệ thống phun xăng điện tử ...........................................................................29
2.3.1. Hệ thống phun xăng điện tử tập trung Mono – JetronicPhun ............ 30
2.3.2. Hệ thống phun xăng điện tử đa điểm ................................................. 31
2.3.3. Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI .................................................... 32
2.4. Phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp cung cấp nhiên liệu ..................33

DU

2.4.1. Ở chế độ không tải chuẩn................................................................... 33
2.4.2. Ở chế độ tăng tốc ............................................................................... 34
2.4.3. Chế độ khởi động động cơ ................................................................. 35
2.4.4. Chế độ toàn tải ................................................................................... 37
2.4.5. Chế độ giảm tốc đột ngột (Q trình khơng tải cưỡng bức) .............. 37
2.5. Công nghệ cải tạo động cơ chạy nhiên liệu lỏng sang chạy bằng nhiên liệu khí
biogas .........................................................................................................................38
2.5.1. Chuyển đổi động cơ xăng .................................................................. 38
2.5.2. Chuyển đổi động cơ diesel ................................................................. 38
2.6. Các giải pháp cấp nhiên liệu khí ....................................................................39
2.7. Phương án cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ đánh lửa cưỡng bức ..........40
2.7.1. Sử dụng bộ Gatec cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ .................... 40
2.7.2. Dùng bộ chế hịa khí .......................................................................... 41
2.7.3. Phun nhiên liệu khí trên đường nạp động cơ ..................................... 43
2.7.4. Phun trực tiếp nhiên liệu khí vào buồng cháy động cơ...................... 44


MƠ PHỎNG Q TRÌNH CUNG CẤP NHIÊN LIỆU VÀ HÌNH
THÀNH HỖN HỢP CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ BIOGAS HYDROGEN .................................................................................................................46
3.1. Mơ phỏng q trình phun biogas-hydrogen bằng phương pháp phun điều khiển
điện tử ........................................................................................................................46
3.1.1. Giới thiệu phần mềm FLUENT 6.3 ................................................... 46
3.1.2. Thiết lập mơ hình tính tốn bằng Fluent ............................................ 47
3.1.3. Kết quả mơ phỏng .............................................................................. 49
3.2. Mơ phỏng q trình cung cấp biogas-hydrogen bằng phương pháp hút .......52
3.2.1. Thiết lập mơ hình tính tốn bằng Fluent ............................................ 52
3.2.2. Kết quả mô phỏng .............................................................................. 54
THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC MỨC ĐỘ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ

SAMDI SB3600 CHẠY BẰNG BIOGAS BỔ SUNG H2 ............................................65

C
C

4.1. Trang thiết bị thực nghiệm .............................................................................65

R
L
T.

4.1.1. Máy phát điện Samdi ......................................................................... 65
4.1.2. Bộ phụ kiện Gatec 26 ......................................................................... 67
4.1.3. Máy đo nồng độ khí thải Opus 400 .................................................... 70
4.1.4. Đồng hồ đo cơng suất dịng điện ....................................................... 71
4.2. Q trình thực nghiệm ...................................................................................72

DU

4.3. Bố trí thiết bị thí nghiệm trong thực tế và kết quả đo ....................................72
4.4. Bảng kết quả thực nghiệm..............................................................................73
4.5. So sánh và đánh giá công suất của máy phát điện sinh ra: .........................732
4.6. So sánh ảnh hưởng nồng độ H2 đến mức độ phát thải CO giữa lý thuyết và
thực nghiệm .............................................................................................................743
4.7. So sánh mức độ phát thải HC khi thay đổi nồng độ H2 trong hỗn hợp nhiên
liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm ........................................................................754
4.8. Kết luận ........................................................................................................765
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………………………………………….76
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ……………………………………..77
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………….78

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Giới thiệu giá trị trung bình các thành phần hiện diện trong biogas. ....... 15
Bảng 1.2: Sản lượng CH4 theo lý thuyết .................................................................. 15
Bảng 1.3: Sản lượng CH4 với nguồn nguyên liệu khác nhau ................................... 16
Bảng 1.4: Giới thiệu sự cần thiết phải lọc các tạp chất phụ thuộc vào phương tiện sử
dụng biogas. ................................................................................................................... 19
Bảng 3.1: Bảng số liệu ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến
thiên áp suất trong xi lanh ............................................................................................. 59
Bảng 3.2 .................................................................................................................... 59
Bảng 3.3 .................................................................................................................... 60
Bảng 3.4: ................................................................................................................... 61

C
C

Bảng 4.1: Bảng số liệu thực nghiệm ......................................................................... 73

R
L
T.

Bảng 4.2: Bảng số liệu so sánh công suất động cơ ( mô phỏng) và công suất máy phát
điện ( thực nghiệm)........................................................................................................ 73

DU

Bảng 4.3: Bảng số liệu so sánh nồng độ phát thải CO trong khí xả giữa thực nghiệm
và mô phỏng .................................................................................................................. 74

Bảng 4.4: Bảng số liệu so sánh mức độ phát thải HC khi thay đổi nồng độ H2 trong
hỗn hợp nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm ...................................................... 75


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà.[1] .....7
Hình 1.2 Biến thiên nhiệt độ của khí quyển so với nhiệt độ trung bình 1961-1990 ...7
Hình 1.5: Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đơng Nam Á do sự dâng cao mực nước biển
.........................................................................................................................................9
Hình 1.6: Sự dịch chuyển tự nhiên của dịng đại dương ...........................................10
Hình 1.7: Kịch bản cắt giảm phát thải CO2 theo COP21 .........................................10
Hình 1.8: Cơ cấu năng lượng tương lai cho phương tiện giao thông cơ giới ...........11
Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas ................................................................16
Hình 1.10: Các giai đoạn hình thành biogas từ các chất hữu cơ. ..............................17
Hình 1.11 Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất, tinh lọc và lưu trữ. ...........................19
Hình 1.12 Yêu cầu lọc tạp chất trong biogas đối với các giải pháp sản xuất điện khác
nhau ...............................................................................................................................19
Hình 1.13 Phoi sắt đã bị oxy hóa ..............................................................................22
Hình 1.14 Diatomite Phú n ...................................................................................23
Hình 2.1: Hệ thống nhiên liệu sử dụng bộ ché hòa khí .............................................28
Hình 2.2: Ngun lý hoạt động của chế hịa khí ......................................................29
Hình 2.3: Hệ thống phun xăng điện tử một điểm Mono – Jetronic ..........................30
Hình 2.4: Hệ thống phun xăng cơ điện tử KE – Jetronic ..........................................31
Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu của một loại động cơ GDI..............................32
Hình 2.6: Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí sử dụng cơng nghệ Gatec 25 ..............41
Hình 2.7: Sơ đồ thiết kế bộ cấp từng loại nhiên liệu cho động cơ ..............................42
Hình 2.8 Sơ đồ thiết kế bộ cấp chung đa nhiên liệu cho động cơ...............................43
Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu khí trên đường nạp động cơ ...................44
Hình 2.10: Sơ đồ hệ thống phun nhiên liệu khí trực tiếp vào buồng cháy động cơ..45
Hình 3.1: Chia lưới khơng gian tính tốn q trình nạp Biogas -Hydrogen cho động

cơ Samdi SB3600 với phương pháp phun điều khiển điện tử .......................................48
Hình 3.2: Quá trình phun và tạo hỗn hợp Biogas - Hydrogen ..................................49
Hình 3.3: Sự thay đổi nồng độ CH4, H2,HC theo góc quay trục khuỷu ....................50
Hình 3.4: Sự biến thiên hệ số tương đương ϕ theo góc quay trục khuỷu ứng với các
tốc độ động cơ khác nhau. .............................................................................................50
Hình 3.5: Biến thiên nồng độ nhiên liệu theo góc quay trục khuỷu khi bướm ga đóng
0
50 ..................................................................................................................................51
Hình 3.6: Biến thiên hệ số tương đương ϕ theo góc quay trục khuỷu khi bướm ga
đóng 500 .........................................................................................................................51
Hình 3.7: Biến thiên góc phun Biogas theo tốc độ động cơ n ứng với độ mở của bướm
ga khác nhau ..................................................................................................................52

C
C

DU

R
L
T.


Hình 3.8: Sơ đồ bộ tạo hỗn hợp động cơ chạy bằng biogas nghèo được làm giàu bởi
H2 ..................................................................................................................................53
Hình 3.9: Đường đồng mức tốc độ và áp suất ở tốc độ quay trục khuỷu 1500
vịng/phút và 3500 vịng/phút (khơng cung cấp nhiên liệu) ..........................................53
Hình 3.10: Trường tốc độ, trường áp suất và trường nồng nộ nhiên liệu khi động cơ
chạy ở tốc độ 1500 vịng/phút và 4000 vịng/phút ........................................................54
Hình 3.11: Biến thiên áp suất tĩnh trung bình trên các mặt cắt ngang (a) và áp suất

tĩnh tại các điểm sát thành đường nạp (b) khi trục khuỷu động cơ quay với tốc độ 2000
vịng/phút, khơng cấp ga................................................................................................54
Hình 3.12: Ảnh hưởng của tốc độ quay trục khuỷu đến áp suất tĩnh trung bình trên
mặt cắt ngang số 3 .........................................................................................................55
Hình 3.13: Sơ đồ van cấp gas gián đoạn (a) và van cấp gas liên tục (b) ..................56
Hình 3.14: Biến thiên hệ số tương đương  của hỗn hợp trong xi lanh động cơ ứng
với các chế độ tốc độ khác nhau khi động cơ chạy bằng biogas theo phương thức cấp ga
gián đoạn (a) và liên tục (b) ...........................................................................................57
Hình 3.15: Biến thiên hệ số tương đương ϕ của hỗn hợp trong xi lanh động cơ ứng
với các chế độ tốc độ khác nhau khi động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi
hydrogen theo phương thức cấp ga gián đoạn (a) và liên tục (b) ..................................58
Hình 3.16 : Ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên áp
suất trong xi lanh ...........................................................................................................58
Hình 3.17: Ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên nồng
độ CO trong xi lanh .......................................................................................................60
Hình 3.18: Ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên nồng
độ HC trong xi lanh .......................................................................................................60
Hình 3.19: Ảnh hưởng của hàm lượng H2 làm giàu biogas M7C3 đến biến thiên nồng
độ NOx trong xi lanh .....................................................................................................61
Hình 3.20: So sánh biến thiên cơng chỉ thị chu trình theo hàm lượng LPG/H2 pha vào
biogas M7C3 (n=4000 vịng/phút, ϕ =1) ......................................................................62
Hình 3.21: So sánh biến thiên nồng độ CO, HC, NOx theo hàm lượng LPG/H2 pha
vào biogas M7C3 (n=4000 vịng/phút, ϕ =1) ..............................................................63
Hình 4.1 : Máy phát điện SAMDI S3600B ...............................................................65
Hình 4.2: Mơ hình động cơ kéo máy phát điện SAMDI S3600B. ............................65
Hình 4.3: Động cơ SAMDI S3600B ........................................................................66
Hình 4.4: Bộ Gatec-26-2 ...........................................................................................67
Hình 4.5: Mặt cắt bộ GATEC 26-2 ...........................................................................69
Hình 4.6: Máy đo nồng độ khí xả Opus400 ..............................................................70
Hình 4.7: Đồng hồ đo cơng suất dịng điện...............................................................71

Hình 4.8: Hình ảnh bố trí thực nghiệm tại xưởng AVL Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
.......................................................................................................................................73

C
C

DU

R
L
T.


Hình 4.9: Ảnh hưởng của %H2 trong hỗn hợp đến cơng suất của động cơ và máy phát
điện ................................................................................................................................74
Hình 4.10: So sánh mức phát thải CO trong khí xả động cơ Samdi S3600 sử dụng
nhiên liệu Biogas làm giàu bởi lượng H2 tăng dần ........................................................75
Hình 4.11: So sánh mức độ phát thải HC khi thay đổi nồng độ H2 trong hỗn hợp nhiên
liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm ..............................................................................76

C
C

DU

R
L
T.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH
Vh [m3]:
n [vòng/phút]:
Wi [J]:
f:
Pe [kW] :
QH [MJ/m3] :

Dung tích xi lanh
Số vịng quay
Cơng chỉ thị
Hệ số thành phần hỗn hợp
Công suất của động cơ
Nhiệt trị thấp cỦA hỗn hợp

2. CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP
φ [độ] :
ε:
λ:
ϕ:

Góc quay trục khủy
Tỉ số nén
Hệ số dư lượng khơng khí
Hệ số tương đương

3. CÁC CHỮ VIẾT TẮT
C:
CNG :

ĐCT:
LPG :
H2:

R
L
T.

C
C

Carbon
Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén)
Điểm chết trên
Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng)
Hydrogen

DU


1
MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
1.1. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu thay thế/tái tạo
 Ơ tơ là phương tiện giao thông cá nhân chủ yếu của thế giới văn minh. Lồi
ngồi khơng thể từ bỏ nó. Khi GDP tăng trên 1000 USD thì bắt đầu hình thành thị
trường ô tô.
 Bùng phát thị trường ô tô đặt ra những vấn đề lớn về cơ sở hạ tầng (đường
sá, parking, cơ sở dịch vụ…) và ô nhiễm môi trường

 Hơn 90% nguồn động lực của ô tô hiện nay trên thế giới sử dụng động cơ
đốt trong chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Dự báo trong vịng nửa thế kỷ tới, động
cơ đốt trong vẫn là nguồn động lực chính.
 CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính là thành phần chính có mặt trong sản
phẩm cháy của nhiên liệu hóa thạch là thủ phạm làm gia tăng nhiệt độ bầu khí
quyển.
 Cùng với việc khai thác và sử dụng tăng cường nhiên liệu hóa thạch, hàm
lượng CO2 trong bầu khí quyển đã gia tăng nhanh chóng kể từ khi thế giới phát
triển công nghiệp.
 Lịch sử biến đổi khí hậu của hành tinh trong quá khứ diễn ra có tính chu
kỳ. Nhưng những biến động chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển
diễn ra do các hiện tượng tự nhiên.
 Một bộ phận CO2 trong bầu khí quyển đã được chơn vùi cùng nhiên liệu
hóa thạch trong lòng đất hàng triệu năm đã giúp cho hàm lượng của nó cịn lại
trong bầu khí quyển ở mức vừa phải, giữ cho nhiệt độ bề mặt hành tinh ở mức độ
phù hợp cho sinh vật nẩy nở.
 Khi cơng nghiệp phát triển, lồi người đã khai thác nhiên liệu hóa thạch và
sử dụng chúng làm nhiên liệu giải phóng CO2 trở lại vào bầu khí quyển, làm mất
cân bằng carbon đã xác lập.
 Nhiệt độ bầu khí quyển đã tăng nhanh trong thế kỷ qua và đà gia tăng chưa
có dấu hiệu giảm do phát triển cơng nghiệp ồ ạt cùng với gia tăng mật độ phương
tiện giao thơng.
 Các nhà khoa học tính tốn khi nhiệt độ bầu khí quyển tăng quá 2 độ so với
thời tiền cơng nghiệp thì sẽ xảy ra tình trạng khí hậu cực đoan. Khi đó nhiệt độ
bầu khí quyển sẽ tiếp tục gia tăng ngay cả khi ngừng phát thải CO2.
 Đó là do hệ lụy của băng tan, giải phóng khí CH4 lưu giữ dưới lớp băng
này, đồng thời đảo lộn dòng chảy đại dương do giảm chênh lệch nhiệt độ giữa
xích đạo và các cực của trái đất. CH4 gây hiệu ứng nhà kính gấp 23 lần CO2.

C

C

DU

R
L
T.


2

Dịng đại dương giúp trao đổi chất giữa khí quyển và nước giúp hấp thụ O2, CO2
trong bầu khí quyển để nuôi dưỡng sinh thực vật dưới đáy đại dương.
 Khi tất cả băng tuyết tan chảy cùng với dãn nở nước do nhiệt độ gia tăng
thì mực nước biển có thể dâng lên đến 60m so với mức hiện nay. Hầu hết các
vùng ven biển sẽ ngập nước. Phần lớn vùng Đồng bằng Sông Cửu long sẽ ngập
nước khi mực nước biển dâng lên đến 3m.
 Trở lại tình trạng khí hậu cực đoan “hothouse”. Giới hạn để hành tinh tránh
được thảm họa này là ngưỡng 2 độ so với thời kỳ tiền cơng nghiệp. Vượt q
ngưỡng này thì sự gia tăng nhiệt độ sẽ theo quá tính của nó, khơng cịn được kiểm
sốt, điều chỉnh.
 Tại Hội nghị thượng đỉnh toàn cầu COP21 tại Paris năm 2015 hầu hết các
nước đã cam kết cùng hành động để giữ cho nhiệt độ bầu khí quyển khơng vượt
q 2 độ, cố gắng khơng vượt q 1,5 độ theo lộ trình cắt giảm phát thải các chất
khí gây hiệu ứng nhà kính.
 Theo lộ trình thì năm 2020 là đỉnh điểm phát thải CO2. Kể từ đó cả thế giới
cùng hành động để mức độ phát thải CO2 bắt đầu giảm, Đến giữa thế kỷ này, mức
độ phát thải CO2 do sử dụng nhiên liệu hóa thạch tiến về 0.
 Đây là thách thức rất lớn đối với mọi quốc gia, đặc biệt là các quốc gia công
nghiệp và các quốc gia đang phát triển để làm sao một mặt vẫn duy trì được tốc

độ tăng trưởng nhưng mặt khác, cắt giảm phát thải CO2.
 Ngành giao thông vận tải chịu tác động lớn trong nỗ lực cặt giảm phát thải
CO2 khi mà đại bộ nguồn động lực của ô tô vẫn dựa vào động cơ đốt trong.
 Giải pháp căn bản nói chung và cho ngành ơ tơ nói riêng là đổi mới công
nghệ, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng và sử dụng năng lượng tái tạo.
 Những thành quả chính cải thiện chất lượng cơng tác của động cơ đốt trong
trong những năm gần đây gồm: điều khiển điện tử hệ thống cung cấp nhiên liệu,
hệ thống đánh lửa, hệ thống phối khí, tổ chức cháy hỗn hợp phân lớp…
 Những tiến bộ về quá trình cháy đang được nghiên cứu phát triển gồm:
HCCI, RCCI.
 Sử dụng nhiên liệu khí thay thế cho nhiên liệu lỏng truyền thống: LPG,
CNG, LNG…
 Sử dụng nhiên liệu tái tạo: biodiesel, ethanol, DME, biogas, hydrogen…
 Việc nâng cao hiệu suất của động cơ đốt trong bị giới hạn về mặt lý thuyết
theo định luật nhiệt động 2 và về mặt công nghệ bởi tổ chức quá trình cháy. Hiệu
suất thực tế của động cơ khó có thể đạt được hiệu suất nhiệt lý thuyết giữa hai
nguồn nhiệt.

C
C

DU

R
L
T.


3

 Để đáp ứng được yêu cầu cắt giảm phát thải CO2 theo lộ trình COP21 thì
phải thay đổi căn bản về nguồn động lực ô tô, không sử dụng động cơ đốt trong
hay sử dụng động cơ đốt trong nhưng chạy bằng nhiên liệu tái tạo.
 Nhiên liệu tái tạo chủ yếu là nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ năng lượng
mặt trời và hydrogen.
Nghiên cứu tổng quan trên cho phép rút ra:
- Tương lai lâu dài thì ô tô, xe gắn máy sẽ chạy bằng điện.
- Trong khi chờ đợi xử lý vấn đề lưu trữ năng lượng điện thì động cơ đốt
trong vẫn là nguồn động lực chính, ít nhất trong 50 năm tới.
- Giảm phát thải CO2 đối với phương tiện vận tải cơ giới được thực hiện bằng
2 cách: (1) sử dụng nhiên liệu tái tạo và (2) nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt của
quá trình cháy nhiên liệu.
1.2. Đặc điểm cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ

C
C

 Hiệu quả sử dụng nhiên liệu tái tạo thể khí trên động cơ đốt trong phụ thuộc
mạnh vào quá trình tạo hỗn hợp. Khác với nhiên liệu lỏng, q trình cung cấp
nhiên liệu khí rất nhạy cảm với sự thay đổi tốc độ động cơ và chế độ tải. Việc
kiểm soát hệ số tương đương của hỗn hợp đảm bảo cho động cơ làm việc tối ưu ở
các chế độ khác nhau là một thách thức lớn đối với việc phát triển ứng dụng nhiên
liệu tái tạo.
 Cấp nhiên liệu khí bằng phương pháp hút phụ thuộc vào độ chân không trên
đường nạp. Độ chân khôn này biến thiên theo tốc độ di chuyển của dịng khí hút
vào xi lanh do sự dịch chuyển của piston theo phương trình Bernoulli. Khi piston
đến ĐCT hay ĐCD thì tốc độ của nó bằng khơng nhưng tốc độ dịng khơng khí
trên đường nạp vẫn khác 0 do qn tính.
 Kết quả nghiên cứu bước đầu chúng tơi đã thực hiện trên động cơ Samdi
SB3600 cho thấy khi tốc độ động cơ thay đổi thì tốc độ dịng khí trong đường nạp

cũng thay đổi. Độ chân khơng cực đại chỉ đạt khoảng 10.00Pa khi tốc độ động cơ
1000 vòng/phút nhưng đạt trên 70.000Pa ở tốc độ độn cơ 4000 vòng/phút. Thời
điểm đạt giá trị cực đại của độ chân khơng dịch chuyển dần về phía cuối q trình
nạp khi tốc độ động cơ tăng. Sự dịch chuyển này có thể được giải thích do qn
tính của dịng khí. Khi tốc độ động cơ tăng thì qn tính dịng khí lớn dẫn đến độ
chân khơng tiếp tục tăng ngay sau khi tốc độ piston đã bắt đầu giảm.

DU

R
L
T.


pres-vs-n_point3_sansfuel
4

0

60

0

120

 (TK)

180

240

1000 v/ph
1500 v/ph

-20000

2000 v/ph
2500 v/ph

p (Pa)

-40000

3500 v/ph
3000 v/ph

-60000

4000 v/ph

-80000

C
C

Hình 1: Ảnh hưởng của tốc fi-n_biogasseul
độ quay trục khuỷu đến áp suất tĩnh tại họng
Venturi

1



0.8

R
L
T.

DU

2000 v/ph

-

3000 v/ph
4000 v/ph

0.6
0.4
0.2

 (TK)

0
0

60

120

180 240 300 360

Hình 2: Biến thiên hệ số tương đương ϕ của hỗn hợp trong xi lanh động cơ
ứng với các chế độ tốc độ khác nhau
 Do độ chân không và thời gian nạp thay đổi mạnh theo tốc độ động cơ nên
hệ số tương đương cũng thay đổi dáng kể khi tốc độ động cơ biến thiên. Trong
các điều kiện và phương thức cấp ga, khi tốc độ động cơ tăng thì hệ số tương
đương giảm. Khi tăng tốc độ động cơ thì độ chân khơng tăng, khoảng góc quay


5

trục khuỷu mở van cấp ga tăng nhưng không tương ứng với mức giảm thời gian
mở van nên lượng nhiên liệu nạp vào động cơ giảm.
 Do hệ số tương đương ϕ thay đổi mạnh theo tốc độ động cơ trong cùng
điều kiện cung cấp nhiên liệu và cùng vị trí độ mở bướm ga nếu điều chỉnh cho
hỗn hợp tối ưu cho động cơ chạy ở tốc độ thấp thì khi chạy ở tốc độ cao, hỗn hợp
quá nghèo, động cơ không thể chạy được. Ngược lại khi chỉnh thành phần hỗn
hợp tối ưu ứng với tốc độ cao thì khi chạy ở tốc độ thấp, hỗn hợp sẽ q giàu,
ngồi giới hạn bốc cháy. Vì vậy để động cơ có thể làm việc tại mọi điểm trên
đường đặc tính (đặc tính ngồi và đặc tính cục bộ) chúng ta phải điều chỉnh thành
phần hỗn hợp theo tốc độ động cơ bằng cách bổ sung thêm nhiên liệu khi tốc độ
động cơ tăng.
 Trong khuôn khổ đề tài này, tôi sẽ nghiên cứu giải pháp điều chỉnh thành
phần hỗn hợp động cơ chạy bằng nhiên liệu khí dựa vào sự biến thiên độ chân
không trên đường nạp.
 Cách tiếp cận đề tài nghiên cứu này tóm tắt như sau:
- Khi tốc độ động cơ tăng thì thời gian nạp giảm nhưng độ chân không tại
họng khuếch tán tăng, do đó để cung cấp đủ nhiên liệu khí cho động cơ như trong

trường hợp động cơ chạy ở tốc độ thấp thì ta cung cấp thêm nhiên liệu khí qua
một van làm đậm. Van làm đậm chỉ mở khi độ chân không tại họng khuếch tán
đủ lớn. Nghĩa là van mở khi tốc độ động cơ lớn hơn một giá trị cho trước. Ở tốc
độ thấp, van làm đậm ở vị trí đóng.
- Đề tài sẽ nghiên cứu phối hợp hoạt động của van cung cấp ga chính và van
làm đậm để thành phần hỗn hợp nạp vào động cơ hợp lý ở các chế độ vận hành
khác nhau của động cơ.
- Nghiên cứu trên nhiên liệu khí nghèo có thành phần khí trơ trong nhiên liệu
cao (như biogas, syn gas…)

C
C

R
L
T.

DU

2. Mục tiêu nghiên cứu:
Góp phần giảm phát thải ơ nhiễm và nâng cao hiệu suất sử dụng nhiệt động
cơ đánh lửa cưỡng bức chạy bằng nhiên liệu khí bằng cách kiểm soát thành phần
hỗn hợp tối ưu ở các chế độ công tác khác nhau.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Động cơ đánh lửa cưỡng bức tĩnh tại Samdi SB3600
- Phạm vi nghiên cứu:
 Nhiên liệu: Hỗn hợp nhiên liệu nghèo Biogas bổ sung H2
 Về phương pháp cung cấp nhiên liệu: cung cấp nhiên liệu khí kiểu hút.
 Về mơ phỏng: Mơ phỏng q trình cung cấp nhiên liệu và hình thành hỗn
hợp cháy.

6

 Về thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu nghèo
Biogas bổ sung H2 cho động cơ Samdi SB3600.
4. Phương pháp nghiên cứu :
Sử dụng kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm để nghiên cứu q trình
cung cấp nhiên liệu khí.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm thông qua
việc kiểm soát hệ số tương đương của hỗn hợp tối ưu.
6. Dự kiến kết quả đạt được
Bộ tạo hỗn hợp nhiên liệu khí Biogas bổ sung H2 cho động cơ tĩnh tại.

C
C

DU

R
L
T.


7

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về môi trường
1.1.1. Hệ lụy với mơi trường của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Biến thiên nhiệt độ (C)

Trong vòng 400.000 năm trở lại đây, nhiệt độ khí quyển gần mặt đất đã trải qua 4
chu kỳ băng hà (hình 1.1). Sự thay đổi nhiệt độ bầu khí quyển trong quá khứ phụ thuộc
vào các hiện tượng tự nhiên. Từ khi bắt đầu thời kỳ cơng nghiệp, hoạt động của con
người là ngun nhân chính gây ra sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển. Điều này được
khẳng định bởi mơ hình tính tốn sự gia tăng nhiệt độ khi xem xét các yếu tố ảnh hưởng
khác nhau.

0

50

100

150

C
C

R
L
.

200

250

300

350

400

450

Nghìn năm về trước
Hình 1.1: Biến thiên nhiệt độ khí quyển gần mặt đất qua các thời kỳ băng hà.[1]
Theo diễn biến nhiệt độ khí quyển thì chúng
ta đang sống trong thời kỳ có nhiệt độ cao nhất
trong 2 thiên niên kỷ qua. Sự ấm lên của khí
Trung bình hằng năm
quyển diễn ra ở hai giai đoạn, giai đoạn đầu từ
Trung bình 5 năm
năm 1910 đến 1945 và giai đoạn sau từ 1976
đến nay. Sự gia tăng nhiệt độ khí quyển trong
khoảng 1906 đến 2005 ước chừng
0,74°C0,18 °C (hình 1.2). Trong khoảng
Năm
1956-2006, nhiệt độ tăng 0,65°C. Nhiệt độ
trung bình của mặt đất trong giai đoạn 2001Hình 1.2 Biến thiên nhiệt độ của khí
2007 là 14,44°C nghĩa là tăng thêm 0,21°C so
quyển so với nhiệt độ trung bình 1961với giai đoạn 1991-2000. Tốc độ gia tăng nhiệt
1990
độ trung bình hiện nay khoảng 2,5°C trong 100
năm. Nếu sự gia tăng nhiệt độ trong quá khứ gây ra do quá trình tự nhiên thì sự gia tăng
nhiệt độ ngày nay chủ yếu là do hoạt động của con người. Cân bằng nhiệt của quả đất
được đảm bảo khi hệ thống không tích lũy năng lượng thặng dư từ mặt trời. Ban ngày
bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi khí quyển, đại dương và đại lục và ban đêm các thành

phần này truyền ngược bức xạ ra không gian trong vùng hồng ngoại. Các tia bức xạ
hồng ngoại này đến lượt nó bị hấp thụ bởi mây và một số chất khí có mặt trong khí
quyển. Các chất khí gây hiệu ứng nhà kính phản xạ lại một phần bức xạ này về mặt đất
Biến thiên nhiệt độ (C)

D

T
U


8

Gia tăng mực nước biển (cm)

và làm nóng lớp khí quyển dưới cùng: Đó là hiệu ứng nhà kính. Khơng có hiệu ứng
này, nhiệt độ trung bình của mặt đất là -18°C thay vì +15°C như hiện nay. Hiệu ứng
nhà kính là một hiện tượng tự nhiên khơng thể thiếu trên hành tinh xanh của chúng ta.
Tuy nhiên khi tác động của nó vượt q mức cho phép thì nó gây ra những hậu quả
nghiêm trọng đối với mơi trường.

Năm

C
C

R
L
T.

Hình 1.3: Dự báo dâng cao mực nước
biển trong thế kỷ 21 theo các mơ hình
tốn họa khác nhau

DU

Hình 1.4: Biến thiên nhiệt độ trung
bình của khí quyển gần mặt đất và
nờng độ CO2 tương ứng

Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính thì CO2 chiếm vị trí quan trọng nhất.
Từ khi bắt đầu thời kỳ công nghiệp đến nay (khoảng 200 năm), sự phát thải CO 2 vào
bầu khí quyển đã khơng ngừng gia tăng. Nồng độ CO2 hiện nay đã tăng 35% so với hời
kỳ tiền công nghiệp, vượt xa nồng độ của chúng 600.000 năm trước (hình 1.3 ). Nồng
độ CO2 đã tăng từ 280ppm ở thời kỳ tiền công nghiệp đến 380ppm vào thời điểm hiện
nay.
Mức tăng trung bình của CO2 là +1,5 ppm/năm trong khoảng 1970 đến 2000 và
+2,1 ppm/năm hiện nay.
Sự gia tăng nhiệt độ khí quyển gần mặt đất gây ra những hậu quả năng nề đối với
môi trường. Cây cối lớn nhanh hơn và chết sớm hơn. Một số giống động thực vật biến
mất do biến đổi khí hậu. Nếu mơi trường tiếp tục bị tác động bởi sự khô hạn, bão lụt


9
thì sự cân bằng hệ thống sinh thái của hành tinh sẽ bị ảnh hưởng nặng nề.Cường độ
những cơn bão tăng mạnh hơn
nhưng số lượng các cơn bão có
giảm đi so với trước đây.
Nguyên nhân của những biến
động môi trường nêu trên là do

nhiệt độ khí quyển gia tăng.
Người ta ước tính đại
Độ cao so với mực nước biển hiện nay
dương hấp thụ trên 80% năng
Hình 1.3: Nguy cơ chìm ngập ở khu vực Đông
lượng cấp thêm vào hệ thống khí
Nam Á do sự dâng cao mực nước biển
hậu. Sự gia tăng nhiệt độ đại
dương khiến nước giãn nở và làm tăng cao mực nước biển. Các số liệu nghiên cứu do
vệ tinh cung cấp cho thấy trong thế kỷ 20, mực nước biển đã dâng cao khoảng vài chục
cm (0,1-0,2m). Riêng trong giai đoạn 1961 đến 2003, mực nước biển đã tăng
1,8mm/năm. Sự gia tăng mực nước biển chủ yếu là do giãn nở nhiệt. Ảnh hưởng của sự
tan băng ở các cực thể hiện trong quãng thời gian dài nhiều thế kỷ. Mực nước biển sẽ
dâng cao từ 18 đến 59cm vào năm 2100 (hình 1.4 ). Nó có thể dâng cao 2m vào năm
2300. Sự dâng cao mực nước biển vài cm không gây ảnh hưởng đáng kể đối với bờ biển
đá nhưng nó gây ảnh hưởng nghiêm trọng đối với động học bùn cát của các bãi biển
phẳng. Trong những vùng này, đang ở trạng thái cân bằng động học, sự dâng cao mực
nước biển tạo ra khả năng xâm thực mạnh và làm dịch chuyển sự cân bằng tồn bộ về
phía bãi biển bị xâm thực và lùi dần vào đất liền. Vì vậy sự dâng cao mực nước biển
gây ảnh hưởng quan trọng hơn nhiều so với việc dịch chuyển bờ biển đối với chiều cao
mực nước tương ứng. Việt Nam là một trong năm quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề
nhất của biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng. Hình 1.5 giới thiệu nguy cơ ngập
nước của một số nước trong khu vực Đơng nam Á.
Khi nồng độ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong bầu khí quyển vượt q một
giới hạn nào đó thì hiện tượng bùng nổ của hệ thống khí hậu sẽ diễn ra. Hiện tượng này
làm cho quả đất nóng lên nhanh hơn nhiều so tính tốn. Vào cuối kỷ ngun băng hà
khí hậu trong một vài năm có thể tăng lên nhiều độ. Trong quá khứ, chất khí gây hiệu
ứng nhà kính chủ yếu là methane. Tính chất gây hiệu ứng nhà kính của methane lớn
hơn khí CO2 đến 23 lần.
Methane được hình thành do phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường thiếu khơng

khí và dưới tác động của vi khuẩn. Nếu mặt đất bị đóng băng, methane bị nhốt trong
băng dưới dạng hydrate methane. Nếu mặt đất được sưởi nóng, băng tan ra, giải phóng
methane, gây hiệu ứng nhà kính mạnh làm nhiệt độ mặt đất tăng, dẫn đến băng tan
nhanh hơn, giải phóng methane nhiều hơn... và q trình đó làm cho tốc độ gia tăng

C
C

DU

R
L
T.


10
nhiệt độ khí quyển lớn hơn nhiều so
với bình thường.Trong thời đại chúng
Truyền nhiệt
ta, quả đất nóng lên chủ yếu là do khí
biển-khơng khí
Nước ấm
CO2 do hoạt động của con người thải
vào khí quyển. Nhờ sự chuyển động
Dịng nước ấm trên mặt
đại dương
của dòng đại dương, nước biển hấp
thụ hơn 50% lượng khí CO2 do con
người thải ra. Nếu có sự thay đổi bất
Dòng nước mặn và lạnh dưới đáy

kỳ nào đó đối với dịng đại dương,
đại dương
mức độ hấp thụ CO2 của nước biển Hình 1.4: Sự dịch chuyển tự nhiên của dòng đại
đều bị ảnh hưởng. Động cơ gây ra sự
dương
dịch chuyển nước trong đại dương là
do chênh lệch khối lượng riêng. Nước
lạnh gần các cực tiếp nhận lượng muối do nước đóng băng nhả ra nên khối lượng riêng
của nó lớn hơn nước ở vùng gần xích đạo. Do khối lượng riêng lớn, nước gần các cực
chìm xuống đáy đại dương hút nước nóng trên mặt vùng gần xích đạo về các cực. Nước
dưới đáy đại dương vùng gần các cực lại nổi lên và sự dịch chuyển này tạo nên dịng
đại dương (hình 1.6 ). Khi băng hà tan ra, động cơ tạo nên dịch chuyển của nước khơng
cịn nữa, nước trên mặt bão hịa CO2, mặt khác khi nhiệt độ nước biển tăng lên khả năng
hấp thụ CO2 của nó cũng giảm đi đáng kể. Do vậy lượng CO2 tích lũy trong bầu khí
quyển khơng giảm đi, làm cho nhiệt độ quả đất tăng nhanh hơn.
Như vậy vào cuối kỷ nguyên nhiên liệu hóa thạch, lượng CO2 trong bầu khí quyển
đạt cực đại, có thể gây ra sự bùng nổ khí hậu làm nhiệt độ bầu khí quyển gần mặt đất
tăng nhanh. Thiên nhiên và nhân loại khi đó sẽ chịu tác động khủng khiếp của sự gia
tăng nhiệt độ đó.

C
C

R
L
T.

DU

Hình 1.5: Kịch bản cắt giảm phát thải CO2 theo COP21

11
Để tránh thảm họa nhiệt độ cực đoan của bầu khí quyển, tại Hội nghị thượng đỉnh
về biến đổi khí hậu COP21 năm 2015 tại Paris nguyên thủ các quốc gia trên thế giới đã
thống nhất cùng hành động cắt giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Theo
kế hoạch hành động này thì kể từ năm 2020 lượng phát thải CO2 bắt đầu giảm để đến
năm 2050 mức phát thải CO2 do sử dụng nhiên liệu hóa thạch tiến về 0 (hình 1.7 ).
Trong số các nguồn phát thải CO2 thì phương tiện giao thơng cơ giới chiếm tỷ
trọng lớn nhất. Để giảm phát thải CO2 theo lộ trình COP21 thì ngành ơ tơ cần đi đầu
trong việc thay đổi cơ cấu năng lượng. Hiện nay xăng dầu truyền thống cung cấp trên
90% nhu cầu năng lượng cho giao thông vận tải. Theo kịch bản cắt giảm CO2 nêu trên
thì đến giữa thế kỷ này, năng lượng tái tạo/thay thế phải chiếm đến trên 60% tổng số
năng lượng sử dụng cho ngành giao
thông vận tải, trong đó năng lượng điện
và nhiên liệu sinh học chiếm tỉ lệ lớn
(hình 1.8).

1.1.2. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu
thay thế/ tái tạo trên động cơ đốt
trong

R
L
T.

C
C

Từ những năm 1849 - 1850, con

người đã biết chưng cất dầu mỏ để lấy
ra dầu hỏa, còn xăng là thành phần
chưng cất nhẹ hơn dầu hỏa thì chưa hề
được sử dụng đến và phải đem đổ đi
một nơi thật xa. Lúc đó con người tạo
Hình 1.6: Cơ cấu năng lượng tương lai cho
ra dầu hỏa với mục đích thắp sáng hoặc
phương tiện giao thơng cơ giới
đun nấu đơn thuần. Nhưng với sự tiến
hóa của khoa học và kỹ thuật, từ việc sử dụng những động cơ hơi nước cồng kềnh và
hiệu quả thấp, con người đã tìm cách để sử dụng xăng và dầu diezel cho động cơ đốt
trong, là loại động cơ nhỏ gọn hơn nhưng có hiệu quả cao hơn hẳn. Cùng với những
khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu
diezel đã thúc đẩy xã hội loài người đạt những bước phát triển vượt bậc, đem đến cuộc
sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng tỷ người trên thế giới.
Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự không ai
có thể phủ nhận được. Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu thế hoàn
toàn. Do vậy, mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế và chủ động
về nguồn dầu mỏ. Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã một
lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và cho
tồn thế giới. Nhưng theo dự đốn của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện

DU


12
nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của trái đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong
vịng khơng quá 40 năm nữa.
Bên cạnh đó những hậu quả mà khi chúng ta sử dụng dầu mỏ và động cơ đốt trongđem
lại từ các chất thải khí làm ơ nhiễm khơng khí, làm thủng tầng ơzơn, gây hiệu ứng nhà

kính.Trong các chất độc hại thì CO, NOx, HC… do các loại động cơ thải ra, là ngun
nhân chính gây ơ nhiễm bầu khơng khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do đó, con
người phải đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế.
Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền thống:Xăng,
dầu Diesel,… bằng các loại nhiên liệu mới “sạch”, nhiên liệu tái sinh cho các loại động
cơ như năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng, năng lượng điện, khí
sinh vật Biogas, năng lượng thủy điện…Việc chuyển dần sang sử dụng các loại nhiên
liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của nhiều
quốc gia phát triển.

1.1.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu tái tạo ở nước ta
1.1.3.1. Sử dụng các loại nhiên liệu sinh học lỏng

C
C

Đứng trước áp lực giá dầu mỏ tăng cao và ngày càng cạn kiệt, nhiều nước trên thế
giới đã có những nghiên cứu phát triển tìm nguồn nhiên liệu thay thế bổ sung từ dầu
thực vật hoặc khí sinh vât. Một số nước thuộc Châu Mỹ như Brazil, Hoa Kỳ đã nghiên
cứu áp dụng thành công nhiên liệu sạch chế biến từ thực vật như ethanol, methanol [62],
[82]. Do thành phần carbon trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất ơ
nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2 chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Tuy vậy
việc ứng dụng các loại nhiên liệu lỏng thay thế bổ sung từ dầu thực vật nói chung vẫn
cịn rất hạn chế do nhiên liệu đặc thù này vẫn còn hiếm và giá thành cao. Tuy nhiên giải
pháp này có lợi ở những nơi mà nguồn nhiên liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu
trên được chiết xuất từ các chất thải của q trình sản xuất cơng nghiệp [19].
Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây được cơng bố là Dimethyl ether
(DME) được chế tạo từ khí thiên nhiên. Đây là loại nhiên liệu thay thế cực sạch có thể
dùng cho động cơ diesel giống như LPG. Thử nghiệm trên ô tô cho thấy, ô tô dùng
DME có mức độ phát ơ nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ô tô phát ô nhiễm cực

thấp California ULEV [74]. Nếu việc sản xuất DME trên qui mô cơng nghiệp thành
hiện thực thì trong tương lai nó sẽ là nhiên liệu lỏng lý tưởng nhất. [19]

R
L
T.

DU

1.1.3.2. Sử dụng năng lượng điện cho ơ tơ
Trước hết có thể kể đến loại ôtô điện. Loại xe này dùng nguồn năng lượng điện chứa
trong bình ắc qui, năng lượng điện này sẽ được cung cấp cho mô-tơ điện dẫn động trực
tiếp hoặc gián tiếp đến bánh xe của ơtơ. Đây có thể nói là loại ơtơ sạch nhất vì khơng
có khí thải. Tuy vậy trở ngại lớn nhất cho ôtô loại này là sự hạn chế về hành trình của
xe do sự hạn chế về dung lượng điện của bình ắc qui; ngược lại thì quá kồng kềnh. Hơn
nữa độ bền của ắc qui cũng thấp và sự phiền toái của quá trình nạp điện [65], [ 86].


13
Công nghệ ôtô Hybrid dùng nhiều nguồn động lực, phổ biến là vừa dùng động cơ
nhiệt vừa dùng động cơ điện [63]. Tuỳ theo điều kiện chuyển động mà hai nguồn động
lực sẽ được vận hành đồng bộ hoặc riêng lẻ để tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô
nhiễm môi trường.
+ Khi chuyển động đều trên đường bằng phẳng, hai nguồn năng lượng làm việc đồng
bộ (trong đó chủ yếu dùng nguồn năng lượng điện lấy từ ắc-qui) hoặc chỉ có thể vận
hành một trong hai nguồn để tiết kiệm năng lượng.
+ Khi tăng tốc hoặc lên dốc, nguồn năng lượng được tăng cường từ động cơ đốt
trong; còn khi giảm tốc hoặc xuống dốc, năng lượng quán tính (hoặc thế năng xuống
dốc) được tận dụng để nạp cho ắc qui, nguồn động cơ đốt trong hoặc ngừng hoặc dùng
để nạp điện cho ắc qui.

Với chế độ vận hành đó, ơtơ Hybrid có thể tiết kiệm được đến 15% lượng tiêu thụ
năng lượng và giảm lượng khí độc hại đến mức thấp nhất (có thể xuống 130gCO2/km
quãng đường chạy). Nếu nguồn nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong là LPG hoặc
CNG hay một loại nhiên liệu sạch khác thì mức độ giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường tính
trên một km quãng đường chạy còn cao hơn [19], [21], [48], [54].

C
C

R
L
T.

1.1.3.3. Sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG

Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu ưa chuộng để chạy ô
tô do những đặc điểm nổi bật của nó về giảm ơ nhiễm mơi trường và cơng nghệ chuyển
đổi [46]. Ơ tơ dùng LPG có truyền thống lâu đời nhất là ở thủ đô Vienna của Áo. Từ
năm 1963 thành phố này đã sử dụng xe buýt chạy bằng LPG và cho tới nay, Vienna có
500 xe buýt LPG trong đội xe vận chuyển công cộng. Các thành phố khác ở Châu Âu
cũng sử dụng nguồn năng lượng này để chạy xe buýt như Đan Mạch (180 chiếc ), Hà
Lan (150 chiếc ), Tây Ban Nha (60 chiếc ) [32], [53].
Ơ tơ chạy bằng nhiên liệu LPG có thể được thực hiện theo ba hướng: sử dụng duy
nhất nhiên liệu LPG, sử dụng lưỡng nhiên liệu xăng và LPG, sử dụng đồng thời diesel
và LPG (dual fuel ). Việc tạo hỗn hợp LPG - khơng khí có thể thực hiện bằng bộ chế
hịa khí kiểu venturi thơng thường hay phun LPG khí hoặc phun LPG lỏng trên đường
nạp. Những hệ thống phun mới đang được nghiên cứu phát triển là phun LPG dạng lỏng
trong buồng cháy để tăng tính năng cơng tác của loại động cơ này. Cũng như các loại
nhiên liệu khí khác, việc lưu trữ LPG trên ô tô là vấn đề gây nhiều khó khăn nhất mặc
dù áp suất hóa lỏng của LPG thấp (7 bars ) [69]. Các loại bình chứa nhiên liệu LPG

cũng được cải tiến nhiều nhờ vật liệu và công nghệ mới. Ngày nay người ta có thể sản
xuất những bình chứa bằng vật liệu mới chịu được áp lực cao nhưng nhẹ hơn nhiều so
với bình bằng kim loại truyền thống. Mặt khác, vật liệu mới này cho phép chế tạo bình
chứa LPG có dạng phù hợp với khơng gian bố trí bình trên xe [19], [41].

DU

1.1.3.4. Sử dụng khí thiên nhiên
Sử dụng ơ tơ chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách rất hữu ích về năng lượng
thay thế trong tương lai, đặc biệt về phương diện giảm ô nhiễm môi trường. Cho tới nay


14
có hai giải pháp sử dụng khí thiên nhiên trên ơ tơ, đó là khí thiên nhiên dưới dạng khí
và khí thiên nhiên dưới dạng lỏng. Ơ tơ chạy bằng khí thiên nhiên thỏa mãn dễ dàng
các qui định khắt khe nhất về ô nhiễm đối với ô tô.
Ưu điểm của loại nhiên liệu này, ngồi mức độ phát ơ nhiễm thấp, nó cịn là nguồn
nhiên liệu dồi dào, phân bố đều khắp trên trái đất [20], [30], [33].
Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng lượng này chưa được áp dụng rộng
rãi trên phương tiện vận tải nói là vấn đề lưu trữ khí thiên nhiên (dạng khí hay dạng
lỏng) trên ô tô [20].

1.1.3.5. Sử dụng Pile nhiên liệu
Một trong những giải pháp của nguồn năng lượng sạch cung cấp cho ô tô trong tương
lai là pile nhiên liệu. Pile nhiên liệu là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng
trong nhiên liệu thành điện năng. Pile nhiên liệu trước đây chỉ được nghiên cứu để cung
cấp điện cho các con tàu không gian nhưng ngày nay pile nhiên liệu đã bước vào giai
đoạn thương mại hóa để cung cấp năng lượng cho ơ tơ [55]. Do khơng có q trình cháy
xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pile nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước. Xe chạy
bằng pile nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen. Khó khăn vì vậy

liên quan đến lưu trữ hydro dưới áp suất cao hoặc trong vật liệu hấp thụ trên phương
tiện vận tải. Nhiều nghiên cứu đề nghị điều chế hydro ngay trên xe để sử dụng cho pile
nhiên liệu nhưng hệ thống như vậy rất cồng kềnh và phức tạp [31]. Các công ty chế tạo
ô tô ở Đức (Daimler Benz ), ở Nhật (Toyota ), ở Mỹ (General Motors )... đang có kế
hoạch sản xuất ô tô sử dụng pile nhiên liệu và dự kiến sẽ thương mại hóa ơ tơ này vào
năm 2010 [19], [75].

C
C

R
L
T.

DU

1.1.3.6. Sử dụng động cơ đa nhiên liệu
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều kiểu động cơ Dual- Fuel [27], [28], [50], [90] cho
phép sử dụng đồng thời hai loại nhiên liệu: nhiên liệu thứ nhất là diesel và nhiên liệu
thứ hai chủ yếu là khí thiên nhiên NG, Biogas hoặc một nhiên liệu thay thế khác khác
có tính chịu nén cao. Nhiên liệu thứ hai thường có các thành phần khí xả ít độc hại nhằm
giảm thiểu ô nhiễm môi trường cho động cơ diesel. Việc cung cấp nhiên liệu thứ hai
vào xy lanh có thể thực hiện bằng cách phun gián tiếp IDI (Indirect Injection ) trên
đường nạp (ngay trước xu-pap nạp ) hoặc phun trực tiếp DI (Direct Injection ) nhiên
liệu vào buồng cháy ở thời điểm gần cuối cuối kỳ nén. Giải pháp này cho phép đa dạng
hóa nhiên liệu dùng cho dộng cơ điezel truyền thống, giảm áp lực phụ thuộc vào dầu
mỏ đang cạn kiệt [21], [50].
Kiểu động cơ Bi-Fuel cho phép sử dụng hai loại nhiên liệu song song như: động cơ
vừa sử dụng nhiên liệu xăng vừa sử dụng nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG ) hoặc
khí thiên nhiên nén (CNG) [87]. Kiểu động cơ Tri-Fuel cho phép sử dụng ba loại nhiên

liệu trong động cơ đốt trong. Phổ biến cho loại này là kiểu động cơ chạy xăng – ethanol
– biogas [21].