CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CNG VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG TRÊN CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1. CNG – nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường và ứng dụng 1.1 Khí thiên nhiên nén CNG Khí thiên nhiên (Natural Gas - NG) là hỗn hợp khí cháy được bao gồm phần lớn là các hydrocarbon. Tùy theo nguồn khai thác, thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là methane (CH4) có thể chiếm đến 70÷90%, khoảng 8÷10% ethane (C2H6), còn lại là các thành phần khác như propane (C3H8), butane (C4H10), pentane (C5H12) và các anlkan khác [1], [11], [14] (hình 1. Một số tính chất lý hóa của khí CNG so với xăng và dầu diesel như bảng 1.1: Thành phần khí thiên nhiên và cấu trúc phân tử khí methane (CH4) Bảng 1.1: Tính chất vật lý, hóa học của CNG và xăng, dầu diesel Đặc tính Đơn vị CNG Diesel Xăng Trọng lượng phân tử N 16 100 - 105 199 Thành phần C:H:O % 75:25:0 86:13:01 85:13:01 Điểm ngưng tụ o C -182 -40 -40 -1 Điểm sôi o C -162 27 - 225 188-343 Áp suất hơi kPa-38oC 125 48-104 <0.1 Nhiệt lượng riêng kJ/kg oK 2,51 2,0 2,2 Độ nhớt mPa.s 0,01 0,37 - 0,44 2,6 - 4,1 Nhiệt trị thấp MJ/kg 50,003 43,138 35 - 37 Nhiệt độ tự cháy o C 540 257 280 Tỷ số A/F 16,8 14,9 14,7 Chỉ số octane ≈ 130 100 4 Luan van Khí thiên nhiên được tìm thấy từ những mỏ khí thiên nhiên hoặc cùng với các mỏ dầu nằm sâu trong lòng đất, được khai thác, tinh chế và nén ở áp suất cao khoảng 200÷250 bar để dễ tồn trữ và vận chuyển nên được gọi là khí thiên nhiên nén CNG.
Từ lâu, khí thiên nhiên đã được sử dụng nhiều trong hoạt động sản xuất và sưởi ấm, nấu ăn trong dân dụng. Trước đây, CNG cũng đã được nghiên cứu làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong [3], [19], [20], tuy nhiên do xăng và diesel có nhiều thuận lợi hơn về phương diện lưu trữ, nhiệt năng và các yếu tố khác nên được sử dụng phổ biến hơn. Vài thập niên trở lại đây, khí thiên nhiên được quan tâm như là nguồn nhiên liệu sạch cho động cơ nhiệt do áp lực bảo vệ môi trường và sự cạn kiệt của dầu mỏ.2: Các ưu điểm khi sử dụng nhiên liệu CNG thay cho xăng và dầu diesel CNG là nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường, không chứa chì, lưu huỳnh, benzene và hydrocarbon thơm nên khi cháy không phát thải nhiều khí độc như như CO, NOx, SO2 và hầu như không phát sinh bụi. CNG nhẹ hơn không khí, khả năng phân tán nhanh, giảm tối thiểu sự nguy hiểm cháy nổ liên quan đến nhiên liệu.
Các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 93% lượng CO2, 33% lượng NOx và đến 50% lượng HC thải ra khi so sánh với động cơ xăng. Giá thành CNG rẻ hơn xăng khoảng 10% đến 30% và có tính ổn định trong thời gian dài so với giá các sản phẩm dầu mỏ thay đổi thất thường [4]. Nhiệt trị riêng khối lượng của CNG cao hơn khoảng 10% so với nhiên liệu lỏng thông thường [1]. Do vậy, cùng hiệu suất như nhau, suất tiêu hao nhiên liệu (tính theo khối lượng) của động cơ dùng CNG giảm cũng chừng ấy 5 Luan van lần.
Trị số octane của CNG cao hơn so với xăng, phù hợp với động cơ có tỷ số nén cao. Trữ lượng và tình hình khai thác khí thiên nhiên Khí thiên nhiên đã được phát hiện trên khắp các châu lục. Trữ lượng khí thiên nhiên trên toàn thế giới tổng cộng khoảng 150 tỷ tỷ m³, xấp xỉ với trữ lượng dầu thô, tập trung nhiều nhất là ở Nga (48 tỷ tỷ m³), các nước vùng Trung Đông (50 tỷ tỷ m³), phần còn lại phân bố ở châu Á, châu Phi và Úc (hình 1. Dựa trên mức tiêu thụ năm 2015 của toàn thế giới, ước tính khoảng 3.400 km³ khí đốt/năm và sự gia tăng hàng năm từ 2-3%, trữ lượng khí thiên nhiên còn lại có thể sử dụng khoảng 80 đến 100 năm nữa [21].3: Bản đồ phân bố khí thiên nhiên trên toàn thế giới Việt Nam được đánh giá cao về tiềm năng khí thiên nhiên.
Theo cơ quan thông tin năng lượng Mỹ (EIA), ước tính trữ lượng khí thiên nhiên đã phát hiện được của Việt Nam năm 2012 là 699,4 tỷ m³ [2]. Với trữ lượng đã phát hiện, nước ta có khả năng tự đáp ứng được nhu cầu về sản lượng khí thiên nhiên trong nhiều thập kỷ tới. Tính đến 01/2012, Việt Nam có 27 mỏ khí được phát hiện, trong đó nhiều mỏ có trữ lượng lớn đã đưa vào khai thác như các mỏ ở các bể Nam Côn Sơn, Thổ Chu, Cửu Long, Sông Hồng. Tình hình sử dụng CNG làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, ô tô và xu hướng phát triển Từ những năm 1990, việc nghiên cứu sử dụng khí LPG, CNG làm nhiên liệu cho ô tô và các động cơ đốt trong đã được thực hiện mạnh mẽ ở nhiều khu vực trên thế 6 Luan van giới.
Tại các thành phố lớn, do mật độ giao thông lớn, ô nhiễm môi trường trầm trọng và thuận lợi trong việc lập các trạm cung cấp nhiên liệu, nên nhu cầu sử dụng các loại xe taxi, xe chuyên dụng, đặc biệt là xe buýt chạy bằng nhiên liệu CNG là rất lớn. Tính đến tháng 3/2015, toàn thế giới có khoảng 22,3 triệu xe sử dụng khí CNG trên 86 quốc gia, dẫn đầu là Trung Quốc (4,44 triệu), Iran (4,00 triệu), Pakistan (3,70 triệu), Argentina (2,48 triệu), Ấn Độ (1,80 triệu) và Brazil (1,78 triệu) [22]. Các nhà sản xuất ô tô đi đầu trong việc nghiên cứu và sản xuất ô tô sử dụng khí CNG có thể kể như Iveco (Ý), Honda, Ford, General Motors, Peugeot, Volkswagen,… [6], [7], [9], [12], [13]. Tại Việt Nam, Thành phố Hồ Chí Minh là nơi đi đầu trong việc đưa các xe buýt CNG vào sử dụng với mục đích thay thế dần các xe buýt sử dụng diesel, xem đây là giải pháp cho giao thông xanh, thân thiện môi trường và là xu hướng chung trong phát triển giao thông bền vững.
Từ năm 2011, thành phố đã đưa vào hoạt động thí điểm 21 xe buýt chạy bằng khí CNG.4: Ô tô buýt sử dụng nhiên liệu CNG tại TP.HCM Các công trình nghiên cứu về động cơ CNG trong những năm gần đây tập trung vào các hướng chính như: - Nghiên cứu các phương pháp chuyển đổi động cơ sử dụng xăng, dầu diesel sang sử dụng nhiên liệu mới CNG một phần hay hoàn toàn; - Nghiên cứu tối ưu hóa các phương pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu CNG; 7 Luan van - Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm đánh giá tổ chức quá trình cháy của động cơ sử dụng nhiên liệu CNG; so sánh, đánh giá các đặc tính kỹ thuật, mức độ phát thải của động cơ CNG với các động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel Trong phương án này, động cơ sử dụng đồng thời hai nhiên liệu CNG và diesel (dual-fuel) để hoạt động (hình 1. Trong đó, diesel đóng vai trò phun mồi để tạo tia lửa (pilot ignition) đốt cháy hỗn hợp khí CNG. Nhiên liệu CNG được cung cấp trên đường ống nạp, hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp hòa khí đưa vào động cơ.
Cuối thì nén, diesel được phun vào buồng đốt, tự cháy tạo nguồn lửa đốt cháy hỗn hợp hòa khí CNG. Khi chạy cầm chừng, động cơ này có khuynh hướng chạy 100% diesel. Khi động cơ bắt đầu chuyển sang chế độ chạy tải, tỷ lệ CNG được cung cấp tăng lên thay thế dầu diesel có thể lên đến 80% hay hơn nữa. Ưu điểm của động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép là nhờ tia lửa phun mồi của diesel có năng lượng lớn, hiệu quả đánh lửa kéo dài nên có độ tin cậy đánh lửa cao.
Nhược điểm của phương pháp này là CNG cháy trong điều kiện động cơ có tỷ số nén cao nên có xu hướng bị kích nổ. Van điều áp Vòiphun phunCNG CNG Phân Phân tích tích khíkhí thải thải Vòi Vòi phun diesel Lọc không khí Tia phun CNG Tia phun diesel Bệ thử công suất Động cơ cơ Động Hình 1.5: Động cơ diesel chuyển đổi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel Phương án này có đặc điểm là không cần phải thay đổi nhiều về kết cấu động cơ, vẫn giữ nguyên tỷ số nén, nhiên liệu diesel chủ yếu phun mồi để tạo tia lửa, công suất động cơ được điều khiển thông qua lượng khí CNG nạp vào buồng đốt. Loại này có khả năng chạy đa nhiên liệu, khi cần có thể chạy hoàn toàn bằng nhiên liệu diesel, nên phù hợp với điều kiện cung cấp nhiên liệu hiện nay. 8 Luan van Tuy nhiên ở phương án này, vấn đề khó khăn là việc tính toán và điều khiển tỷ lệ của hỗn hợp đa nhiên liệu CNG và diesel như thế nào cho phù hợp với các chế độ hoạt động của động cơ, để động cơ không bị cháy kích nổ.
Đây cũng là lĩnh vực cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá hơn nữa để góp phần tìm ra giải pháp điều khiển cung cấp nhiên liệu tốt nhất trong động cơ sử dụng nhiên liệu kép. Các phương pháp cung cấp CNG và diesel trên động cơ nhiên liệu kép Có nhiều phương pháp cung cấp và tạo hỗn hợp CNG trên động cơ. Theo Rosli Abu Bakar và các cộng sự (2012), Zastavniouk (1997) [5] có bốn phương pháp cơ bản cung cấp CNG vào xy-lanh động cơ: sử dụng bộ hòa trộn, sử dụng một vòi phun chung (phun đơn điểm), vòi phun đa điểm trên đường nạp và vòi phun trực tiếp vào buồng cháy (hình 1. 1- Bộ hòa trộn 2- Phun đơn điểm 3- Phun đa điểm 4- Phun trực tiếp Hình1.6: Bốn phương pháp cung cấp CNG trên động cơ Các phương pháp điều khiển tỷ lệ cung cấp CNG-diesel: Trong động cơ nhiên liệu kép, nhiên liệu CNG và diesel có thể cung cấp theo 03 phương án (hình 1.7): cố định một lượng nhỏ diesel phun vào cho tất cả chế độ tải trọng và tốc độ động cơ; cung cấp bổ sung diesel khi tải động cơ tăng; cung cấp CNG- diesel theo tỷ lệ cho các điều kiện làm việc của động cơ.
Trong phương án thứ ba, có thể tăng cao hiệu suất động cơ ở mọi chế độ tải và tốc độ, tuy nhiên phức tạp về điều khiển [10]. 9 Luan van Hình 1.7: Các phương án điều khiển cung cấp tỷ lệ CNG/diesel trong động cơ nhiên liệu kép ------------------------------------- 10 Luan van CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KÉP CNG-DIESEL 2.