CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng vấn đề ô nhiễm môi trường do khí thải từ các loại động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel tạo ra ngày càng trở nên nghiêm trọng. Quan trọng hơn là khi nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác như hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại chỉ đủ để con người khai thác trong vòng không quá 45 năm nữa (khoảng năm 2060).
Tất cả những điều này ảnh hưởng không nhỏ đến sự phát triển của nền công nghiệp ô tô trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Để giải quyết những khó khăn trên thì việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới để thay thế là vấn đề vô cùng cấp bách. Vấn đề được đặt ra là phải tìm một nguồn năng lượng sạch, trữ lượng lớn, không (hoặc ít) gây ô nhiễm môi trường. Những loại nhiên liệu có thể dùng thay thế cho xăng và dầu diesel hiện nay: Khí thiên nhiên: CNG (Compressed Natural Gas), LNG (Liquefied Natural Gas).
Khí gas hóa lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas). Khí Biogas, cồn Methanol, Ethanol, dầu thực vật, mỡ động vật,… Nhằm bắt kịp về sự phát triển năng lượng mới của thế giới, giải quyết vấn đề giảm ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống và nâng cao tính kinh tế. Gần đây những nghiên cứu về sử dụng khí thiên nhiên CNG trên động cơ đốt trong ở Việt Nam đã được triển khai. Tuy nhiên, giá thành của một động cơ nhập khẩu chạy hoàn toàn bằng CNG thì rất cao.
Do đó, phương án đặt ra là tận dụng động cơ diesel cũ, nghiên cứu chuyển đổi hệ thống nhiên liệu dùng diesel thông thường sang dùng CNG mang lại hiệu quả cao. Việc chuyển đổi bao gồm có hai phương án: Trang 1 Thay thế toàn bộ hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel truyền thống bằng hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG, lắp thêm hệ thống đánh lửa, bình chứa. Nhiên liệu CNG sẽ được đốt cháy cưỡng bức, hệ thống này có thể điều khiển bằng cơ khí hoặc điện tử. Cải tiến động cơ diesel truyền thống thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel, trong đó diesel đóng vai trò là nhiên liệu mồi được phun vào để đốt cháy lượng CNG trong buồng cháy, hệ thống này có thể điều khiển bằng cơ khí hoặc điện tử.
Từ những phân tích trên các nghiên cứu cải tiến hệ thống nhiên liệu cho động cơ Vikyno RV125 được thực hiện. Trong đó, nhóm tác giả đã chọn phương án cải tạo hệ thống nhiên diesel cơ khí thông thường thành hệ thống sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel điều khiển bằng điện tử CRDI (Common Rail Diesel Injection)[1]. Hệ thống nhiên liệu CRDI được điều khiển bằng điện tử có các ưu điểm lớn như: áp suất phun cao, có thể thay đổi áp suất và thời điểm phun phù hợp tùy theo chế độ làm việc của động cơ. Nhờ việc điều khiển thời điển phun chính xác, áp suất nhiêu liệu cao nên có thể cháy tốt trong điều kiện hỗn hợp nghèo.
Điều này thích hợp cho việc sử dụng nhiên liệu diesel làm tia phun mồi để đốt cháy hỗn hợp CNG với không khí trong buồng đốt. Sự kết hợp hệ thống CRDI sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel là một bước mới trong thiết kế cải tiến hệ thống nhiên liệu động cơ diesel. Nhằm góp phần nghiên cứu hoàn thiện hệ thống nhiên liệu cho động cơ Vikyno RV125 đã cải tạo, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng và đánh giá các đặc tính kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel”. Đề tài này sử dụng phần mềm AVL Boost để tính toán mô phỏng các đặc tính kỹ thuật của động cơ Vikyno RV125 dùng nhiên liệu kép CNG diesel.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel 1. Kết quả nghiên cứu trong nước Hiện nay, việc nghiên cứu chuyển đổi hệ thống nhiên liệu trên động cơ diesel đã và đang được tiến hành. Chủ yếu là các nhóm nghiên cứu của các trường tiêu biểu như: Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Hiện đã có một số ứng dụng trong việc sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel trên ôtô nhằm giảm ô nhiễm môi trường, đồng thời tiết kiệm nhiên liệu.
Điển hình là nghiên cứu chuyển đổi động cơ Diesel sang động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel trên ôtô bus năm 2011 của Sở Giao Thông Vận Tải Tp Hồ Chí Minh cùng Công Ty Saigon Bus. Nghiên cứu này, CNG thay thế tối ưu khoảng 26,5% nhiên liệu diesel, trong khi động cơ vẫn đạt được moment và công suất cực đại như động cơ nguyên thuỷ. Công trình nghiên cứu của Trần Thanh Hải Tùng và các cộng sự [1], kết quả thử nghiệm trên động cơ Vikyno RV125, bước đầu cho thấy động cơ hoạt động ổn định ở các tốc độ khác nhau. Kết quả này là cơ sở cho việc tổ chức điều khiển cung cấp CNG cho động cơ tự cháy.
Đây là bước khởi đầu trong việc ứng dụng hệ thống nhiên liệu kép CNG – diesel trên động cơ diesel 1 xylanh, trong đó hệ thống CRDI nhằm phun mồi tạo tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí CNG trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG – diesel. Mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel bằng phần mềm Fluent của tác giả Trần Thanh Hải Tùng và các cộng sự [2]. Công trình này trình bày kết quả nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình cháy động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel bằng phần mềm FLUENT 6. Kết quả mô phỏng đã chỉ ra được sự biến thiên của các thông số áp suất, nhiệt độ, nồng độ CH4, O2, CO trong quá trình cháy.
Kết quả này giúp cho Trang 3 việc định hướng thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNGdiesel trên mô hình thực nghiệm. Nghiên cứu này cũng có ý nghĩa cho phép giảm bớt các thử nghiệm phức tạp, giảm chi phí cũng như tiết kiệm thời gian thử nghiệm. Việc thực nghiệm đánh giá công suất và mức độ phát thải của động cơ Vikyno RV125 sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel [3], của tác giả Trần Thanh Hải Tùng và các cộng sự đã cho thấy được thấy động cơ hoạt động ổn định ở các chế độ tải, công suất động cơ được bảo toàn; mức độ phát thải ở hai chế độ công suất và moment cực đại: CO giảm đến 90%, độ mờ khói giảm 30 ÷ 70% ứng với động cơ sử dụng nhiên liệu kép với tỉ lệ khoảng 30% diesel/ 70% CNG so với động cơ nguyên thủy sử dụng hoàn toàn diesel. Bên cạnh, còn có kết quả nghiên cứu của Trần Thanh Hải Tùng và Lê Minh Xuân [4] đã cho thấy ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp diesel – LPG đến các thành phần khí thải của động cơ.
Các tác giả cũng đã chỉ ra được những vấn đề kỹ thuật cần giải quyết khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG trên động cơ diesel. Ngoài ra, mức độ phát thải của các loại động cơ ô tô đã được nhóm nghiên cứu gồm: Lê Anh Tuấn, Nguyễn Duy Vinh, Nguyễn Đức [5] xác định bằng thực nghiệm tại phòng thí nghiệm động cơ thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Kết quả là đã xác định được hệ số phát thải các chất độc hại của một số động cơ lắp trên các ô tô như Ford Laser, Ford Ranger, Toyota Innova, Toyota Prado. Tóm lại, ở trong nước đã có một số công trình nghiên cứu về động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel.
Các kết quả bước đầu đã cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất, cũng như giảm thiểu lượng khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường của ô tô khi sử dụng nhiên liệu kép CNG diesel, đặc biệt là khả năng giảm phát thải PM trên một số động cơ. Tuy nhiên, các công trình trong nước chỉ dừng lại ở mức độ thử nghiệm một số trường hợp cụ thể như chế độ tải cố định, đo một số thông số cụ thể về lượng tiêu hao nhiên liệu, nồng độ khí thải giữa hai chế Trang 4 độ dùng nhiên liệu kép CNGdiesel và chế độ 100% diesel, nên việc đánh giá chung nhất và toàn diện nhất vẫn còn hạn chế. Kết quả nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về việc sử dụng động cơ nhiên liệu kép CNG diesel, LPG diesel. Tuy nhiên việc nghiên cứu, chủ yếu tập trung vào loại động cơ lắp trên ôtô khách, ôtô tải trọng lớn, ôtô chuyên dùng,.
Các công trình nghiên cứu sử dụng động cơ CNG diesel lắp trên ôtô cỡ nhỏ còn rất hạn chế. Việc đánh giá hiệu suất của động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel và phân tích khí thải với sự trợ giúp của mạng trí tuệ nhân tạo của tác giả Talal F.Yusaf và các cộng sự được đề cập trong [8]. Trong nghiên cứu trên, tác giả đã sử dụng động cơ diesel 1 xy lanh, 4 kỳ đã được sửa đổi thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel. Tác giả đã sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo ANN (Artificial Neural Network) để phân tích và mô phỏng quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu kép, và kết quả thu được là: hiệu suất nhiệt có ích tăng khoảng 13%, mức tiêu hao nhiên liệu thấp, lượng khí thải NOx và CO giảm 30%, nhiệt độ khí thải giảm so với động cơ dùng diesel đơn thuần.
Kết quả nghiên cứu của Bhaskor J. Bora and Ujjwal K. Saha [9] trên động cơ diesel_1 xy lanh, 4 kỳ đã được cải tiến thành động cơ sử dụng nhiên liệu kép CNGdiesel. Nghiên cứu đã tối ưu hóa thời gian phun và tỉ số nén của động cơ sử dụng nhiên liệu kép.
Và đặc biệt kết quả nghiên cứu đã tối ưu hoá cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép này có thể tăng hiệu suất nhiệt có ích tối đa 25,44%. Hơn nữa, sự phát thải nồng độ CO và HC là ít nhất. Khả năng giảm phát thải độc hại của động cơ diesel khi sử dụng phương án phun CNG vào đường ống nạp đã được các tác giả Dong Jian và các cộng sự [10] nghiên cứu thành công trên một động cơ diesel lắp trên ô tô buýt. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi đưa thêm CNG vào nhiên liệu diesel, lượng phát thải PM và NOx giảm mạnh.