Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng và môi trường là những vấn đề cấp bách được quan tâm trên toàn cầu, đặc biệt trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch như xăng và dầu diesel ngày càng cạn kiệt. Theo Hội đồng Năng lượng Thế giới, trữ lượng dầu mỏ còn khoảng 223 tỷ tấn và khí đốt khoảng 209.000 tỷ m³, đủ dùng trong khoảng 50 năm tới với mức tiêu thụ hiện nay. Việc sử dụng nhiên liệu truyền thống cho động cơ nhiệt trên ô tô và máy móc công nghiệp gây ra ô nhiễm không khí nghiêm trọng, bao gồm khí CO2, NOx, SO2 và bụi mịn, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.

Trong bối cảnh đó, khí thiên nhiên nén (CNG) được xem là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng với nhiều ưu điểm về môi trường và kinh tế. CNG có thể giảm đến 93% lượng CO2, 33% NOx và 50% hydrocarbon so với động cơ xăng. Việt Nam sở hữu trữ lượng khí thiên nhiên lớn, với khoảng 2.694 tỷ m³ dự kiến, trong đó đã phát hiện 962 tỷ m³, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển nhiên liệu sạch này.

Luận văn tập trung nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của điều kiện cung cấp nhiên liệu đến đặc tính phát thải trên động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel. Mục tiêu chính là đánh giá các chế độ điều khiển động cơ ảnh hưởng đến phát thải, từ đó đề xuất phương án điều khiển tối ưu cho hệ thống nhiên liệu kép. Thời gian nghiên cứu từ tháng 3/2015 đến tháng 2/2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu sạch, giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí vận hành cho các động cơ diesel hiện có.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết động cơ diesel và nhiên liệu kép: Động cơ diesel sử dụng nguyên lý tự cháy nhiên liệu lỏng, trong khi nhiên liệu kép CNG-diesel kết hợp phun diesel làm tia lửa mồi để đốt cháy hỗn hợp khí CNG trong buồng đốt, giúp giảm phát thải và tiết kiệm nhiên liệu.
  • Mô hình cung cấp nhiên liệu Common Rail Diesel Injection (CRDI): Hệ thống phun nhiên liệu diesel áp suất cao, điều khiển điện tử chính xác, giúp tối ưu hóa quá trình cháy và giảm phát thải.
  • Khái niệm về phát thải khí động cơ: Bao gồm các chỉ tiêu CO, HC, NOx và độ mờ khói (PM), được đo bằng thiết bị phân tích khí thải chuyên dụng.
  • Mô hình điều khiển điện tử (ECU): Thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý và điều khiển kim phun diesel và CNG để cung cấp nhiên liệu phù hợp với từng chế độ vận hành.
  • Khái niệm về tỷ lệ nhiên liệu kép CNG-Diesel: Tỷ lệ phần trăm CNG thay thế diesel ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và mức độ phát thải của động cơ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực nghiệm từ động cơ VIKYNO RV125-2 được cải tiến lắp đặt hệ thống nhiên liệu kép CNG-diesel. Các cảm biến áp suất, nhiệt độ, lưu lượng khí nạp, oxy, kích nổ và thiết bị phân tích khí thải được sử dụng để đo đạc.
  • Phương pháp phân tích: Phân tích số liệu thực nghiệm về công suất, mô-men, áp suất buồng cháy và mức độ phát thải khí CO, HC, NOx, độ mờ khói theo các tỷ lệ cung cấp nhiên liệu CNG từ 20% đến 70%. So sánh kết quả với động cơ chạy diesel truyền thống.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng động cơ VIKYNO RV125-2 một xy-lanh, công suất 12,5 mã lực, tỷ số nén 18:1, được cải tạo để chạy nhiên liệu kép. Lựa chọn mẫu động cơ này do phổ biến trong các máy nông nghiệp và thiết bị công nghiệp nhỏ tại Việt Nam.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 3/2015 đến tháng 2/2016, bao gồm thiết kế, lắp đặt hệ thống, xây dựng mô hình thực nghiệm, thu thập và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ CNG đến công suất và mô-men: Khi tăng tỷ lệ CNG từ 20% lên 70%, công suất động cơ giảm khoảng 10-15%, mô-men giảm tương ứng khoảng 12%. Tuy nhiên, động cơ vẫn duy trì hoạt động ổn định ở tỷ lệ CNG cao, chứng tỏ khả năng ứng dụng nhiên liệu kép hiệu quả.
  2. Giảm phát thải CO và HC: Mức phát thải CO giảm từ 0,6% xuống còn 0,2% khi tỷ lệ CNG tăng lên 70%, tương đương giảm 66%. Hydrocarbon (HC) cũng giảm khoảng 50% so với chạy diesel thuần túy.
  3. Giảm độ mờ khói (PM): Độ mờ khói giảm đáng kể, từ 40% xuống còn 15% khi sử dụng nhiên liệu kép với tỷ lệ CNG cao, giảm khoảng 62,5%. Điều này cho thấy hiệu quả trong việc giảm bụi và muội than.
  4. Tăng nhẹ NOx: Mức phát thải NOx có xu hướng tăng nhẹ khoảng 10-15% khi tăng tỷ lệ CNG, do nhiệt độ cháy cao hơn trong buồng đốt hỗn hợp khí CNG-diesel.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel trên động cơ VIKYNO RV125-2 giúp giảm đáng kể các khí độc hại CO, HC và bụi mịn, góp phần cải thiện chất lượng không khí và giảm ô nhiễm môi trường. Sự giảm phát thải CO và HC là do quá trình cháy sạch hơn của khí CNG với thành phần chủ yếu là metan (CH4). Độ mờ khói giảm nhờ CNG không sinh ra muội than như diesel.

Tuy nhiên, sự tăng nhẹ NOx là hệ quả của nhiệt độ cháy cao hơn, cần được kiểm soát bằng các biện pháp điều khiển khí thải hoặc công nghệ xử lý sau. So với các nghiên cứu quốc tế về động cơ nhiên liệu kép, kết quả này tương đồng với mức giảm phát thải CO2 đến 30% và HC đến 50%, đồng thời giữ được hiệu suất động cơ ổn định.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ CNG và các chỉ tiêu phát thải, cũng như bảng so sánh công suất và mô-men động cơ ở các chế độ vận hành khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ cung cấp nhiên liệu CNG-diesel: Đề xuất duy trì tỷ lệ CNG trong khoảng 50-60% để cân bằng giữa hiệu suất động cơ và giảm phát thải, áp dụng trong vòng 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất và cải tiến động cơ.
  2. Phát triển hệ thống điều khiển điện tử (ECU) thông minh: Nâng cấp phần mềm điều khiển để tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu theo tải và tốc độ động cơ, giảm NOx và tối ưu hiệu suất. Thời gian triển khai 12-18 tháng, do các công ty công nghệ và viện nghiên cứu đảm nhiệm.
  3. Xây dựng cơ sở hạ tầng cung cấp CNG rộng khắp: Mở rộng mạng lưới trạm nạp CNG tại các thành phố lớn và khu công nghiệp trong 3-5 năm tới nhằm thúc đẩy sử dụng nhiên liệu sạch. Chủ thể: chính quyền địa phương và doanh nghiệp năng lượng.
  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức người sử dụng: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật và tuyên truyền lợi ích của nhiên liệu kép CNG-diesel cho các chủ phương tiện và kỹ thuật viên trong 1-2 năm. Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo nghề và cơ quan quản lý giao thông.
  5. Nghiên cứu bổ sung về xử lý khí thải NOx: Áp dụng công nghệ xử lý khí thải như bộ lọc xúc tác chọn lọc (SCR) để giảm NOx, nghiên cứu trong 2-3 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí động lực và kỹ thuật môi trường: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình điều khiển hệ thống nhiên liệu kép, hỗ trợ nghiên cứu phát triển động cơ sạch.
  2. Doanh nghiệp sản xuất và cải tiến động cơ diesel: Tham khảo để ứng dụng công nghệ nhiên liệu kép CNG-diesel, nâng cao hiệu suất và giảm phát thải, tăng tính cạnh tranh sản phẩm.
  3. Cơ quan quản lý môi trường và giao thông: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng nhiên liệu sạch, giảm ô nhiễm không khí tại các đô thị lớn.
  4. Các đơn vị vận tải và nông nghiệp sử dụng động cơ diesel cỡ nhỏ: Áp dụng hệ thống nhiên liệu kép để tiết kiệm chi phí nhiên liệu và giảm thiểu tác động môi trường trong hoạt động sản xuất và vận chuyển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nhiên liệu kép CNG-diesel là gì và có ưu điểm gì?
    Nhiên liệu kép CNG-diesel là sự kết hợp sử dụng khí thiên nhiên nén (CNG) và diesel trong cùng một động cơ, trong đó diesel đóng vai trò tia lửa mồi. Ưu điểm gồm giảm phát thải CO, HC, bụi mịn, tiết kiệm nhiên liệu và chi phí vận hành thấp hơn so với chạy diesel thuần túy.

  2. Tỷ lệ CNG tối ưu trong nhiên liệu kép là bao nhiêu?
    Theo nghiên cứu, tỷ lệ CNG từ 50% đến 60% là tối ưu để cân bằng giữa hiệu suất động cơ và giảm phát thải. Tỷ lệ này giúp duy trì công suất ổn định và giảm đáng kể khí độc hại.

  3. Hệ thống điều khiển nhiên liệu kép hoạt động như thế nào?
    Hệ thống sử dụng bộ điều khiển điện tử (ECU) nhận tín hiệu từ các cảm biến về tốc độ, áp suất, nhiệt độ và oxy, từ đó điều chỉnh thời gian và lượng phun nhiên liệu diesel và CNG phù hợp với chế độ vận hành, tối ưu hóa hiệu suất và phát thải.

  4. Việc chuyển đổi động cơ diesel sang nhiên liệu kép có phức tạp không?
    Việc chuyển đổi tương đối dễ dàng, giữ nguyên cơ cấu sinh lực và tỷ số nén, chỉ cần lắp đặt thêm hệ thống cung cấp CNG và điều khiển phun nhiên liệu. Diesel vẫn có thể chạy độc lập khi cần thiết, đảm bảo tính linh hoạt.

  5. Tác động môi trường của nhiên liệu kép CNG-diesel ra sao?
    Nhiên liệu kép giúp giảm đến 66% CO, 50% HC và 62,5% độ mờ khói so với diesel truyền thống, góp phần giảm ô nhiễm không khí và cải thiện chất lượng môi trường sống, mặc dù có thể tăng nhẹ NOx cần được kiểm soát thêm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thiết kế, lắp đặt thành công hệ thống nhiên liệu kép CNG-diesel trên động cơ VIKYNO RV125-2, đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ nhiên liệu đến đặc tính phát thải và hiệu suất động cơ.
  • Tỷ lệ CNG từ 50-60% là phù hợp để giảm phát thải CO, HC và bụi mịn mà không làm giảm đáng kể công suất và mô-men.
  • Hệ thống điều khiển điện tử (ECU) đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa cung cấp nhiên liệu kép, nâng cao hiệu quả và giảm ô nhiễm.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng nhiên liệu sạch CNG trong các động cơ diesel hiện có, đặc biệt tại các khu vực có trữ lượng khí thiên nhiên lớn như Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu xử lý khí thải NOx, phát triển hệ thống điều khiển thông minh và xây dựng cơ sở hạ tầng cung cấp CNG để ứng dụng rộng rãi hơn.

Hành động ngay hôm nay: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời chính quyền cần hỗ trợ phát triển hạ tầng và chính sách khuyến khích sử dụng nhiên liệu sạch nhằm bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.