MỞ ĐẦU 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Năng lượng và môi trường đang là vấn đề quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia trên thế giới. Cho đến nay, việc sử dụng các loại nhiên liệu truyền thống (xăng và dầu diesel) cho các động cơ nhiệt trên ô tô và nhiều phương tiện giao thông, máy tĩnh tại khác đang đặt ra một số tồn tại và những khó khăn mà chúng ta phải đối mặt như: - Nguồn dầu mỏ trên thế giới ngày càng cạn kiệt nên chúng ta đang bị phụ thuộc và chịu sức ép lớn từ nguồn nhiên liệu này cả về nguồn cung cấp và giá thành; - Thành phần khí xả từ các nguồn nhiên liệu xăng và dầu diesel đang là một trong những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường sống nghiêm trọng (ô nhiễm không khí, tiếng ồn, hiệu ứng nhà kính,…).
Để giải quyết vấn đề trên, phần lớn các nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào hướng cải tiến động cơ và tìm nguồn nhiên liệu mới để thay thế một phần hay hoàn toàn các loại nhiên liệu truyền thống nhằm mục đích nâng cao hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, tăng tính hiệu quả kinh tế và giảm sức ép lên nguồn nhiên liệu hiện tại, giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường do nguồn khí thải động cơ gây ra. Đây là một trong những yêu cầu cấp bách đặt ra cần phải giải quyết trong giai đoạn hiện nay. Mỗi giải pháp trên đều có các ưu và nhược điểm riêng. Trong đó, nghiên cứu sử dụng nguồn nhiên liệu sạch CNG trên các động cơ nhiệt nhằm góp phần đa dạng hóa nguồn nhiên liệu và giảm khí phát thải gây ô nhiễm môi trường là vấn đề đang được quan tâm, đặc biệt là hướng tận dụng, nghiên cứu chuyển đổi các động cơ diesel hiện có sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel để tiết kiệm chi phí đầu tư.
Các kết quả nghiên cứu và thực tiễn cho thấy các động cơ sử dụng khí CNG có thể giảm đến 93% lượng CO2, 33% lượng NOx và đến 50% lượng hydrocarbon thải ra khi so sánh với động cơ xăng. Với số lượng lớn nguồn động cơ và ô tô sử dụng diesel tại các thành phố lớn, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG thành công sẽ đem lại hiệu quả rất lớn cả về mặt kinh tế lẫn môi trường. Ngoài ra, với các sản phẩm động cơ tĩnh tại sản xuất trong nước cũng cần nghiên cứu cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu, cũng như nghiên cứu sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch nhằm tiết kiệm nhiên liệu, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường và nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm. Nhằm góp phần nghiên cứu ứng dụng CNG trên các động cơ nhiệt, đặc biệt là các động cơ sử dụng nhiên liệu diesel hiện có sang sử dụng nhiên liệu kép Luan van CNG-Diesel, nhóm nghiên cứu thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-Diesel trên động cơ VIKYNO RV125-2”, trong đó diesel đóng vai trò phun mồi tạo ra tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG.
Dựa trên kết quả nghiên cứu, thiết kế, lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-diesel trên động cơ VIKYNO RV125-2 [1] [2] [5], Nhóm nghiên cứu tiến hành thực nghiệm đo đạc các đặc tính kỹ thuật của động cơ như áp suất cháy, mô-men, công suất và mức độ phát thải của động cơ nhằm đánh giá khả năng đáp ứng của động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ sử dụng CNG- Diesel (CNG thay đổi từ 20†70%) đến các đặc tính của động cơ, trên cơ sở đó đề xuất xây dựng bản đồ tỉ lệ CNG-diesel phù hợp nhất cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép VIKYNO RV125-2. Nghiên cứu này là cơ sở để góp phần đánh giá tính khoa học và khả thi của việc ứng dụng nguồn nhiên liệu sạch CNG trên động cơ có tỷ số nén cao và đề xuất được phương pháp điều khiển cung cấp hệ thống nhiên liệu kép CNG-diesel theo hướng nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên các động cơ diesel hiện có. Mục tiêu nghiên cứu. Xây dựng cơ sở lý thuyết và các điều kiện cho việc chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG–Diesel.
Nghiên cứu mô ̣t số đặc tính đô ̣ng cơ khi sử du ̣ng nhiên liệu kép. Nội dung nghiên cứu. - Nghiên cứu cải tạo động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng nhiên liệu diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-Diesel. - Xây dựng mô hình thực nghiệm.
- Thực nghiệm đo đạc các đặc tính kỹ thuật của động cơ. - Đánh giá kết quả và so sánh với kế t quả mô ph ỏng để đề xuất phương pháp điều khiển cung cấp hệ thống nhiên liệu kép, hoàn thiện mô hình th ực nghiệm, góp phầ n nghiên cứu ứng dụng CNG trên động cơ diesel. Đối tƣợng nghiên cứu. Động cơ VIKYNO RV125-2, lắp đặt hệ thống nhiên liê ̣u kép CNG-diesel.
Phƣơng pháp nghiên cứu. - Phương pháp tổng hợp, phân tích: bao gồm thu thập, phân tích, xử lý, tổng hợp số liệu từ các tài liệu và kết quả nghiên cứu liên quan. - Phương pháp nghiên cứu lý thuy ết và thực nghiệm, xây dựng mô hình thực nghiệm. - Phương pháp nghiên cứu, đánh giá.
Luan van Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của điều kiện cung cấp đến đặc tính phát thải trên động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG – DIESEL CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CNG 1. Nhiên liệu và tình trạng ô nhiễm môi trƣờng. Năng lươ ̣ng là mô ̣t trong những vấ n đề đươ ̣c quan tâm hàng đầ u trên thế giới , đă ̣c biê ̣t là nhiên liê ̣u hóa tha ̣ch. Theo hô ̣i đồ ng năng lươ ̣ng thế giới (WEC): trong lòng đấ t còn 223 tỷ tấn dầu và 209.000 tỷ m3 khí đốt.
Với mức đô ̣ tiêu thu ̣ hiê ̣n nay , khố i lươ ̣ng này chỉ đủ dùng trong khoảng 50 năm nữa [1]. Cho đến nay, việc sử dụng các loại nhiên liệu truyền thống (xăng và dầu diesel) cho các động cơ nhiệt trên ô tô và nhiều phương tiện giao thông, máy tĩnh tại khác đang tồn tại những khó khăn mà chúng ta cần phải giải quyết. Đó là nguồn nhiên liệu xăng và dầu diesel đang ngày càng cạn kiệt, chúng ta đang phụ thuộc và chịu sức ép lớn từ nguồn nhiên liệu này cả về nguồn cung cấp và giá thành. Thành phần khí xả từ các nguồn nhiên liệu xăng và dầu diesel đang là một trong những tác nhân lớn gây ô nhiểm môi trường sống nghiêm trọng (ô nhiểm không khí, tiếng ồn, hiệu ứng nhà kính…).1 : Mức độ các chất độc hại của các nhiên liệu (EIA-1998) Đơn vị: Pounds/109Btu.
Chất ô nhiễm Khí thiên nhiên Dầu mỏ Than đá Carbon Dioxide (CO2) 117000 164000 208000 Carbon Monoxide (CO) 40 33 208 Nitrogen Oxides (NOx) 92 448 457 Sulfur Dioxide (SO2) 1 1,122 2,591 Particulates Matter (PM) 7 84 2,744 Liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường, ngoài nguồn khí thải của phần lớn ô tô lưu thông trên đường, còn phải kể đến nguồn phát thải đáng kể của các máy công, nông, ngư nghiệp và các động cơ tĩnh tại khác. Trước đây, người ta gần như quên đi đối tượng phát thải này, nhưng với mức độ ô nhiễm ngày càng trầm trọng, trong những năm gần đây nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã bắt đầu kiểm soát và đặt ra tiêu chuẩn bảo vệ môi trường đối với các đối tượng này. Hiện nay, ở Mỹ và một số nước khác đã có tiêu chuẩn TIER-4 áp dụng cho các dòng xe non-road và các động cơ tĩnh 1 Luan van Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của điều kiện cung cấp đến đặc tính phát thải trên động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG – DIESEL tại. Điều này cho thấy, đối với các máy nông nghiệp, các động cơ tĩnh tại cũng cần phải có sự cải tiến mạnh mẽ về công nghệ, tiết kiệm nhiên liệu và chuyển sang sử dụng nhiên liệu sạch để giảm chi phí sản xuất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra còn có tiêu chuẩn EU cho cộng đồng Châu Âu (CEC) [3][4][24].2: Tier 4 Emission Tiêu chuẩn động cơ lên đến 560 kW. Ne Năm CO NMHC NMHC+NOx NOx PM kW < 8 8.015) 2 Luan van Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của điều kiện cung cấp đến đặc tính phát thải trên động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG – DIESEL Tiêu chuẩn phát thải III và IV cho động cơ Nonroad của cộng đồng Châu Âu (CEC).3: Giai đoạn III và IV - Tiêu chuẩn phát thải cho động cơ Diesel Nonroad. Ne CO HC HC+NOx NOx PM Loại Năm Đơn vị: kW Đơn vị: g/kWh Giai đoạn III A H 130 ≤ P ≤ 560 2006 3.6 Giai đoạn III B L 130 ≤ P ≤ 560 2011 3.4: Giai đoạn IV - Tiêu chuẩn phát thải cho động cơ Diesel Nonroad. Ne CO HC NOx PM Loại Năm Đơn vị: kW Đơn vị: g/kWh Q 130 ≤ P ≤ 560 2014 3.
Khí thiên nhiên nén CNG – Nguồn nhiên liệu thay thế phù hợp. Để giải quyết vấn đề trên, có nhiều giải pháp đã được nghiên cứu, công bố và ứng dụng trong những năm gần đây như: Cải tiến công nghệ và vật liệu chế tạo động cơ, cải tiến quá trình cung cấp nhiên liệu và đánh lửa trên động cơ xăng, tập trung hoàn thiện quá trình cháy của động cơ diesel (phun nhiên liệu trực tiếp, điều khiển common rail,…) nhằm nâng cao công suất động 3 Luan van Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của điều kiện cung cấp đến đặc tính phát thải trên động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG – DIESEL cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu sự ô nhiễm môi trường từ nguồn khí thải của động cơ. Sử dụng các loại nhiên liệu sạch thay thế như: nhiên liệu khí hóa lỏng LPG (Liquid Petroleum Gas), khí thiên nhiên nén CNG (Compressed Natural Gas), khí Hydro, các loại nhiên liệu sinh học methanol, ethanol, biodiesel, các nguồn nhiên liệu điện năng như pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời,…. Sử dụng các nguồn động lực lai (hybrid) nhiệt - điện,.
Các kết quả nghiên cứu và thực tiễn cho thấy các động cơ sử dụng khí thiên nhiên có thể giảm đến 93% lượng CO2, 33% lượng NOx và đến 50% lượng hydrocarbon thải ra khi so sánh với động cơ xăng. Khí thiên nhiên dùng làm nhiên liệu cho động cơ ô tô thường được tích trữ ở hai dạng sau: - Khí thiên nhiên nén (CNG – Compressed Natural Gas): khí thiên nhiên được nén dưới dạng khí với thể tích nhỏ hơn ở áp suất cao (khoảng 200bar), và được chứa trong bình chứa an toàn.[2] - Khí thiên nhiên lỏng (LNG – Liquefied Natural Gas):khí thiên nhiên được hóa lỏng và tích trữ ở nhiệt độ thấp -1620C trong bình cách nhiệt.