Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường không khí do khí thải từ các phương tiện giao thông vận tải sử dụng động cơ đốt trong đang là thách thức lớn trên phạm vi toàn cầu. Nhằm giảm thiểu các chất phát thải độc hại, hai giải pháp kỹ thuật chính được áp dụng gồm: cải tạo buồng cháy động cơ để hoàn thiện quá trình cháy và chuyển đổi sang sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường như dầu sinh học và khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas - CNG). Tại Việt Nam, việc ứng dụng nhiên liệu khí CNG trên các phương tiện cơ giới đường bộ vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu, còn tồn tại nhiều rào cản kỹ thuật trong quá trình chuyển đổi, khai thác và mở rộng hạ tầng trạm cấp.

Đề tài đồ án môn học "Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu CNG cho động cơ đốt trong" (thuộc học phần Đồ án Động cơ đốt trong ô tô, ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Viện Kỹ thuật HUTECH – Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh) được nhóm sinh viên Trịnh Chí Bảo, Huỳnh Tấn Thông và Nguyễn Xuân Hậu thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Văn Kiên nhằm giải quyết bài toán kỹ thuật chuyển đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống sang sử dụng khí nén thiên nhiên.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được xác lập theo văn bản giao đề tài gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về nguồn gốc, thành phần hóa học, tính chất vật lý và cơ chế cháy của nhiên liệu khí CNG.
  2. Nghiên cứu cấu tạo, sơ đồ nguyên lý và quy trình làm việc của các phương án cấp nhiên liệu CNG cho động cơ đốt trong (hệ thống sử dụng bộ hòa trộn, hệ thống phun trên đường nạp, hệ thống phun trực tiếp).
  3. Nghiên cứu các giải pháp chuyển đổi nhiên liệu trên động cơ: hệ thống nhiên liệu kép CNG - Diesel (Dual Fuel), hệ thống song song CNG - Xăng (Bi-fuel) và động cơ chuyên dụng dùng đơn nhiên liệu CNG.
  4. Xác định thông số kỹ thuật và tính toán thiết kế các cụm chi tiết cơ bản của hệ thống cấp nhiên liệu CNG (bình chứa, van bình chứa, van nạp, van điện từ, bộ giảm áp hai cấp, cơ cấu tiết lưu và bộ hòa trộn).
  5. Nghiên cứu khai thác, tính toán thiết kế bộ hòa trộn và lập quy trình chẩn đoán hư hỏng của hệ thống nhiên liệu khí CNG trên động cơ điển hình 1TR-FE trang bị cho xe Toyota Innova.
  6. Đánh giá mức độ phát thải ô nhiễm môi trường và đề xuất các khuyến nghị kỹ thuật phục vụ ứng dụng thực tiễn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở lý thuyết của nhiên liệu khí CNG và các giải pháp kỹ thuật chuyển đổi hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ đốt trong.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các thông số kỹ thuật của hệ thống cấp khí CNG, tính toán thiết kế các mạch cung cấp nhiên liệu (mạch chính, mạch không tải, mạch công suất), áp dụng thử nghiệm tính toán trên động cơ xăng 1TR-FE (Toyota Innova) và phân tích các số liệu thực nghiệm đo phát thải khí xả từ các nghiên cứu điển hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên nền tảng nhiệt động lực học động cơ đốt trong, lý thuyết quá trình cháy của môi chất khí hydrocacbon (với thành phần chính là Methane - $CH_4$) và lý thuyết hình thành khí hỗn hợp trong động cơ nhiệt. Các đặc tính nhiệt lý và động học của nhiên liệu khí được sử dụng làm cơ sở so sánh với nhiên liệu lỏng truyền thống (xăng và diesel):

  • Cơ chế bốc cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện đối với động cơ xăng chuyển đổi và cơ chế đánh lửa mồi bằng dầu diesel (pilot ignition) đối với động cơ diesel chuyển đổi sang nhiên liệu kép.
  • Lý thuyết dòng chảy qua tiết diện thu hẹp và nguyên lý tạo độ chân không tại họng Venturi để định lượng nhiên liệu khí trong bộ hòa trộn.
  • Cơ chế phát sinh chất ô nhiễm trong khí xả động cơ ($CO$, $HC$, $NO_x$, $CO_2$, muội than) và hiệu quả xử lý của bộ trung hòa xúc tác ba chức năng khi hòa khí duy trì ở hệ số dư lượng không khí $\alpha = 1$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý luận: Thu thập, tổng hợp, phân tích các tài liệu chuyên ngành về động cơ đốt trong và hệ thống nhiên liệu khí nén; nghiên cứu các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật cho thiết bị áp lực cao.
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán diện tích lưu thông của họng khuếch tán, tiết lưu mạch chính, ziclơ mạch công suất và lưu lượng dòng khí qua bộ giảm áp hai cấp nhằm đảm bảo tỷ lệ hòa khí $A/F$ tối ưu ở các chế độ làm việc của động cơ.
  • Phương pháp phân tích số liệu thực nghiệm: Kế thừa và xử lý các tập dữ liệu đo đạc khí thải thực tế bằng thiết bị đo trên xe OBM (On-Board Measurement) trên dòng xe thử nghiệm Opel Zafira 1.6 theo chu trình ECE, cùng các số liệu thống kê vận hành xe buýt CNG của Sở Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh và Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PV Gas).

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu địa chất và sản lượng khai thác khí thiên nhiên tại các mỏ Nam Côn Sơn, Bạch Hổ, Rạng Đông thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam.
  • Dữ liệu quy chuẩn kỹ thuật và định mức tiêu hao của PV Gas, Công ty Ô tô Samco.
  • Dữ liệu thống kê quốc tế từ Tổ chức Xe khí thiên nhiên thế giới (NGV Global).
  • Thông số kỹ thuật của dòng động cơ xăng 1TR-FE trang bị trên xe Toyota Innova.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí nén thiên nhiên CNG cho động cơ ô tô được thiết kế với cấu trúc phân cấp áp suất nghiêm ngặt nhằm đảm bảo an toàn cháy nổ và cung cấp hòa khí chính xác theo phụ tải động cơ.

[Bình chứa CNG (200-220 bar)] ---> [Van nạp & Van khóa bình] ---> [Van điện từ cao áp (12V)]
                                                                          |
                                                                          v
[Bộ hòa trộn / Kim phun] <--- [Van tiết lưu / Công suất] <--- [Bộ giảm áp 2 cấp (0.8-1.5 bar)]
         |                                                                ^
         v                                                                |
 [Cổ góp nạp động cơ]                                           [Đường nước làm mát]

Kiến trúc các cụm chức năng kỹ thuật

  1. Khối lưu trữ và an toàn cao áp:

    • Bình chứa khí nén bằng thép đúc nguyên khối dày 4–5 mm, chứa khí ở áp suất danh định 200–220 bar, áp suất thử nghiệm phá hủy đạt 600 bar.
    • Van bình chứa và van nạp tích hợp cơ cấu an toàn kép: đĩa chì xả nhiệt (nóng chảy khi nhiệt độ đạt $110^\circ\text{C}$) và van xả áp tự động khi áp suất vượt quá giới hạn làm việc ($300\ \text{bar}$).
    • Van ngắt điện từ cao áp (DC 12V – 15W) điều khiển đóng/ngắt mạch cấp khí từ cabin lái.

  2. Khối điều hòa và giảm áp (Pressure Reducer Unit):

    • Thiết kế dạng màng giảm áp hai cấp tích hợp khoang sấy nhiệt bằng nước làm mát động cơ:
      • Cấp 1: Hạ áp suất khí nén từ 200–220 bar xuống áp suất trung gian 3,8–4,8 bar nhờ cụm màng sơ cấp và lò xo định áp.
      • Cấp 2: Hạ áp suất từ 3,8–4,8 bar xuống áp suất làm việc 0,8–1,5 bar cung cấp cho buồng hòa trộn hoặc kim phun.
    • Bố trí các mạch khí riêng biệt: mạch không tải (điều khiển bởi vít điều chỉnh và độ chân không sau bướm ga) và mạch có tải (kích hoạt bởi màng chân không họng Venturi).

  3. Khối hòa trộn và định lượng hòa khí:

    • Bộ hòa trộn kiểu họng khuếch tán Venturi lắp đặt phía trước bướm ga cổ góp nạp.
    • Cơ cấu van tiết lưu có vít điều chỉnh dạng côn phi tuyến giúp điều chỉnh lưu lượng CNG cấp vào buồng hòa trộn tương thích với đường đặc tính nạp của động cơ theo vị trí bướm ga.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CNG

Chương 1 trình bày nguồn gốc hình thành, quy trình khai thác từ trầm tích sinh vật phù du và công nghệ xử lý khí thiên nhiên (hấp thụ tạp chất $H_2S$, $CO_2$ bằng dung dịch amin/nước/cacbonat natri; hút bám bằng than hoạt tính; làm khô bằng silicagen hoặc trietylenglycol). Tác giả phân tích cấu tạo hóa học và các đặc tính cơ bản của khí nén CNG so với xăng và diesel:

Đặc tính kỹ thuật Nhiên liệu CNG Nhiên liệu Diesel Nhiên liệu Xăng
Trọng lượng phân tử ($g/mol$) 16 100 – 105 199
Tỷ lệ thành phần khối lượng C : H : O 75 : 25 : 0 86 : 13 : 1 85 : 13 : 1
Trọng lượng riêng ($N/m^3$) 6,5 0,81 – 0,89 0,69 – 0,79
Nhiệt độ tự bốc cháy ($^\circ\text{C}$) 540 257 280
Nhiệt trị thấp ($MJ/kg$) 50,0 30 – 33 35 – 37
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu lý thuyết ($A/F$) 17,23 14,7 14,7
Chỉ số Octane nghiên cứu (RON) 130 - 88 – 100
Chỉ số Octane động cơ (MON) 115 - 80 – 92

Thành phần hóa học của khí CNG được xác định gồm: Methane ($CH_4$) chiếm 90,42%, Ethane ($C_2H_6$) chiếm 4,04%, Nitrogen ($N_2$) chiếm 3,32%, Propane ($C_3H_8$) chiếm 2,05%, và Ethylene ($C_2H_4$) chiếm 0,14%.

Về tình hình nghiên cứu và ứng dụng:

  • Trên thế giới: Theo NGV Global (2011), có 84 quốc gia sử dụng xe CNG với hơn 15.000 phương tiện và gần 20.000 trạm nạp; tiêu biểu tại Bắc Kinh (Trung Quốc), 90% trong số 11.000 xe buýt đã chuyển đổi sang CNG từ năm 2008.
  • Tại Việt Nam: Trữ lượng dự kiến khoảng 2.694 tỷ $m^3$ (đã phát hiện 962 tỷ $m^3$), sản lượng khai thác các mỏ Nam Côn Sơn, Bạch Hổ, Rạng Đông đạt trên 10 triệu $m^3$/ngày. Nhà máy CNG Phú Mỹ I đi vào hoạt động từ tháng 8/2008. Nghị quyết số 2958/NQ-DKVN (tháng 5/2010) đẩy mạnh chuyển đổi xe ô tô thuộc Tập đoàn Dầu khí; xây dựng 4 trạm nạp ban đầu (3 trạm tại TP.HCM: Phổ Quang, Nguyễn Hữu Cảnh, Tân Kiên và 1 trạm tại Vũng Tàu). Ngày 18/4/2013, Samco xuất xưởng xe buýt CNG đầu tiên và ký kết sản xuất 300 xe buýt CNG cho Sở GTVT TP.HCM.

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU CNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chương 2 đi sâu phân tích 4 phương án cung cấp nhiên liệu khí và 3 mô hình chuyển đổi động cơ:

  • Phương án cấp nhiên liệu:
    1. Bộ hòa trộn Venturi: Kết cấu đơn giản, giá thành thấp, tuy nhiên công suất động cơ giảm 5–8% do tổn thất trở lực nạp và CNG chiếm chỗ không khí.
    2. Bộ hòa trộn kết hợp van tiết lưu và van công suất: Bổ sung ECU điều khiển van tiết lưu theo tín hiệu cảm biến bướm ga, cải thiện tỷ lệ hòa khí ở các dải tải.
    3. Phun CNG trên đường nạp (phun gián tiếp): Nhiên liệu được cấp đến vòi phun dưới áp suất 5 bar, ECU điều khiển xung phun theo tải và tốc độ, loại bỏ hiện tượng nổ ngược đường nạp.
    4. Phun CNG trực tiếp vào buồng cháy: Phun khí áp suất cao vào cuối kỳ nén, kết hợp quá trình cháy hỗn hợp nghèo phân lớp, không gây tổn thất hệ số nạp, hiệu suất cao nhất nhưng chi phí chế tạo đắt.
  • Mô hình động cơ chuyển đổi:
    • Động cơ lưỡng nhiên liệu CNG - Diesel (Dual Fuel): Giữ nguyên tỷ số nén động cơ diesel; diesel đóng vai trò nguồn lửa mồi (chiếm >10% năng lượng). Ở chế độ đầy tải, CNG thay thế tới 75–80% lượng dầu diesel; sử dụng bộ điều tốc điện tử motor bước điều khiển thanh răng để ổn định tốc độ và chống vượt tốc.
    • Động cơ song song CNG - Xăng (Bi-fuel): Lắp đặt thêm hệ thống CNG độc lập song song với hệ thống xăng nguyên bản, chuyển đổi chế độ làm việc qua công tắc điều khiển.
    • Động cơ chuyên dụng CNG: Tháo bỏ hoàn toàn hệ thống nhiên liệu lỏng, hạ hoặc tăng tỷ số nén tối ưu ở mức 12:1 đến 14:1 (bằng cách thay đổi bề dày gioăng quy lát hoặc gia công đỉnh piston) và nâng cấp hệ thống đánh lửa tia lửa điện công suất cao.
  • Dữ liệu thực nghiệm phát thải: Nghiên cứu phân tích kết quả đo đạc từ thiết bị OBM trên xe Opel Zafira 1.6:
    • Khí thải trong đô thị: Xe CNG giảm 30% phát thải $CO_2$ so với xe diesel cùng loại.
    • Khí thải trên đường cao tốc (chạy ổn định 100 km/h): Xe CNG giảm 35% $CO_2$ so với xe diesel.
    • Mức độ phát thải thành phần: $CO$ đạt 0,655 g/mile; tổng $HC$ đạt 0,230 g/mile (trong đó $HC$ không phải methane chỉ chiếm 0,016 g/mile); $NO_x$ đạt 0,112 g/mile; lượng khói đen giảm trên 60% và tiếng ồn giảm 3 dB ở chế độ không tải.

CHƯƠNG 3: KẾT CẤU, TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN TRÊN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG

Chương này mô tả chi tiết kết cấu và xác lập các bảng thông số kỹ thuật định mức cho từng bộ phận trong hệ thống cấp khí:

  • Bình chứa khí CNG: Hình trụ hai đầu bán cầu, dung tích 57 lít, kích thước chiều dài 800 mm, vỏ thép dày 4–5 mm, trọng lượng 70 kg, ren kết nối xilanh PT3/4, áp suất làm việc định mức 220 $kg/cm^2$ (bar), áp suất phá hủy cực đại 400 $kg/cm^2$, áp suất thử nghiệm thủy tĩnh 600 bar.
  • Van bình chứa: Áp suất làm việc tối đa 200 bar, biên độ nhiệt độ hoạt động từ $-40^\circ\text{C}$ đến $85^\circ\text{C}$, lỗ kết nối kép bên trong M12x1 và bên ngoài 1/2" BSP, tích hợp đĩa chì an toàn xả áp ở 300 bar $\pm 10%$ hoặc nhiệt độ bảo vệ cách ly $110^\circ\text{C}$.
  • Van nạp khí: Áp suất làm việc 200 $kg/cm^2$, áp suất cực đại 400 $kg/cm^2$, áp suất nổ 300 $kg/cm^2$, lỗ nối M12x1.
  • Van điện từ cao áp: Điện áp hoạt động danh định DC 12V (dải làm việc 7,5 – 16V), công suất tiêu thụ 15W, áp suất làm việc 200 $kg/cm^2$, áp suất chịu đựng 400 $kg/cm^2$, dải nhiệt độ $-30^\circ\text{C}$ đến $120^\circ\text{C}$, đường kính lỗ van $\Phi 5\ \text{mm}$, đường kính ống dẫn $\Phi 6\ \text{mm}$, trọng lượng 650 g.
  • Bộ giảm áp hai cấp: Áp suất đầu vào 200 bar, điện áp cuộn sấy 12V (công suất 16W), kích thước lỗ nối vào M12x1, đường kính cửa ra hòa khí $\Phi 16\ \text{mm}$. Cấu tạo gồm màng sơ cấp, màng thứ cấp, các van đòn bẩy, mạch không tải và khoang áo nước sấy nóng kết nối với hệ thống làm mát động cơ để chống đóng băng khi khí dãn nở giảm áp.
  • Cơ cấu tiết lưu và van không tải: Thiết kế đầu vít điều chỉnh dạng mặt côn phi tuyến nhằm định hình chính xác đường cấp khí theo đặc tính phụ tải của động cơ.

CHƯƠNG 4: KHAI THÁC ĐỘNG CƠ ĐIỂN HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU CNG

Chương 4 triển khai tính toán hệ thống cấp khí CNG cho động cơ xăng 1TR-FE trang bị trên xe Toyota Innova:

  • Tính toán thiết kế kích thước hình học bộ hòa trộn kiểu Venturi: xác định đường kính họng khuếch tán, diện tích tiết diện lưu thông của dòng không khí và dòng khí nén.
  • Tính toán tiết lưu trong mạch cung cấp chính và định cỡ ziclơ mạch công suất nhằm đảm bảo tỷ lệ hòa khí $A/F = 17,23$ khi vận hành ở dải công suất cực đại.
  • Quy trình lắp đặt và bố trí hệ thống trên xe Toyota Innova: định vị bình chứa 57L tại khoang hành lý phía sau, bố trí đường ống thép chịu áp lực cao dưới gầm xe, lắp cụm giảm áp và bộ hòa trộn tại khoang động cơ.
  • Xây dựng bảng quy trình kiểm tra, chẩn đoán 3 nhóm hư hỏng điển hình:
    1. Động cơ khó hoặc không khởi động được: Kiểm tra áp suất bình chứa, sự cố kẹt van điện từ 12V, nghẹt van không tải hoặc rách màng giảm áp cấp 1.
    2. Động cơ tiêu hao nhiều nhiên liệu: Kiểm tra hiện tượng hở gioăng màng giảm áp cấp 2, vít điều chỉnh tiết lưu không tải mở quá lớn, kẹt van công suất ở trạng thái mở liên tục.
    3. Động cơ mất công suất ở tốc độ cao, gia tốc kém: Kiểm tra tắc nghẽn lưới lọc áp suất thấp, áp suất buồng C giảm dưới mức 0,8 bar, hoặc sai lệch điều chỉnh vít côn tiết lưu mạch chính.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu định lượng

  1. Xác lập hoàn chỉnh bộ thông số kết cấu và vận hành của hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG cho ô tô:
    • Bình chứa cao áp: 57 lít, áp suất làm việc 220 bar, khối lượng 70 kg.
    • Bộ giảm áp 2 cấp: hạ áp từ 200 bar $\rightarrow$ 3,8–4,8 bar (cấp 1) $\rightarrow$ 0,8–1,5 bar (cấp 2).
    • Van điện từ: DC 12V, 15W, chịu áp 400 bar.
  2. Chứng minh hiệu quả giảm thiểu ô nhiễm môi trường khi sử dụng CNG:
    • Lượng khí nhà kính ($CO_2$) giảm 25% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ diesel (đo sau bộ xúc tác: CNG phát thải 231 $gCO_2/km$, diesel 251 $gCO_2/km$, xăng 310 $gCO_2/km$).
    • Trong điều kiện thực nghiệm đô thị bằng thiết bị OBM, phát thải $CO_2$ giảm 30% và trên cao tốc giảm 35% so với xe diesel.
    • Thành phần muội than/bồ hóng giảm trên 60%; các hydrocacbon không phải methane giảm trên 70%; mức độ ồn không tải giảm 3 dB trên xe buýt.
  3. Đánh giá hiệu quả kinh tế: Giảm trên dưới 50% chi phí nhiên liệu so với dầu diesel trong hoạt động vận tải hành khách công cộng, góp phần cắt giảm hàng trăm tỷ đồng ngân sách trợ giá xe buýt hàng năm tại TP. Hồ Chí Minh.

Giải pháp và khuyến nghị tác giả đề xuất

  • Về chính sách: Nhà nước và các địa phương cần ban hành chính sách miễn thuế nhập khẩu khung gầm xe buýt CNG, hỗ trợ vốn đầu tư ban đầu cho doanh nghiệp vận tải chuyển đổi sang nhiên liệu sạch.
  • Về hạ tầng: Tổng Công ty Khí Việt Nam (PV Gas) cần phối hợp chặt chẽ với ngành giao thông mở rộng mạng lưới trạm nạp khí nén tại các bến bãi, trục giao thông chính.
  • Về mặt kỹ thuật: Khuyến khích ứng dụng công nghệ phun khí điện tử đa điểm trên đường nạp hoặc phun trực tiếp thay cho bộ hòa trộn cơ khí để khắc phục hoàn toàn hiện tượng sụt giảm 5–8% công suất động cơ.

Đóng góp của đề tài

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết và các giải pháp kỹ thuật chuyển đổi hệ thống nhiên liệu khí CNG trên cả hai nền tảng động cơ xăng và động cơ diesel.
  • Cung cấp mô hình tính toán thiết kế chi tiết bộ hòa trộn và mạch định lượng nhiên liệu áp dụng trực tiếp cho dòng động cơ 1TR-FE (Toyota Innova).
  • Xây dựng cẩm nang kỹ thuật về chẩn đoán hư hỏng, quy chuẩn kiểm định an toàn áp lực cao cho các thiết bị phụ trợ CNG trên ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu tập trung sâu vào tính toán lý thuyết và thiết kế bộ hòa trộn cơ khí; chưa tiến hành chế tạo thực nghiệm độc lập và đo đạc trực tiếp trên băng thử động cơ (Dynamometer) đối với động cơ 1TR-FE mà chủ yếu kế thừa dữ liệu đo thực nghiệm OBM từ các dòng xe đối chứng quốc tế.
    • Giải pháp bộ hòa trộn còn nhược điểm giảm 5–8% công suất động cơ do cản trở đường nạp.
    • Trọng lượng cụm bình chứa thép (70 kg) làm tăng tải trọng tĩnh của phương tiện.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu thiết kế, tối ưu hóa bản đồ điều khiển phun khí điện tử (ECU Calibration) cho hệ thống phun CNG đa điểm trên đường nạp và phun trực tiếp vào buồng cháy.
    • Ứng dụng vật liệu composite (sợi carbon) chế tạo bình chứa khí áp suất cao Type 3 hoặc Type 4 nhằm giảm khối lượng bình chứa trên xe.
    • Nghiên cứu hoàn thiện bộ xúc tác khí xả chuyên dụng có khả năng oxy hóa triệt để lượng khí Methane ($CH_4$) dư thừa trong khí thải động cơ CNG.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Tham khảo phương pháp tính toán nhiệt, thiết kế bộ hòa trộn khí nén, nguyên lý chuyển đổi hệ thống nhiên liệu kép Diesel-CNG và song song Xăng-CNG.
  • Kỹ sư thiết kế, cải tạo phương tiện cơ giới: Ứng dụng bảng thông số định mức kỹ thuật của bình chứa, van an toàn, bộ giảm áp hai cấp (tại Chương 3) để tính toán, lựa chọn thiết bị khi lập hồ sơ cải tạo xe cơ giới sang chạy nhiên liệu khí.
  • Kỹ thuật viên xưởng dịch vụ và đơn vị vận tải hành khách: Tham khảo quy trình bảo dưỡng, các triệu chứng hư hỏng và phương pháp kiểm tra xử lý sự cố hệ thống nhiên liệu khí nén (tại Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần hóa học chính và các chỉ số nhiên liệu quan trọng của khí CNG được xác định trong đồ án là gì?

Khí nén CNG có thành phần chính là Methane ($CH_4$) chiếm 90,42%, Ethane ($C_2H_6$) chiếm 4,04%, Nitrogen ($N_2$) chiếm 3,32%, Propane ($C_3H_8$) chiếm 2,05% và Ethylene ($C_2H_4$) chiếm 0,14%. Các chỉ số quan trọng gồm: nhiệt trị thấp đạt 50,0 MJ/kg (55.000 kJ/L), tỷ lệ hòa khí lý thuyết $A/F = 17,23$, nhiệt độ tự bốc cháy cao đạt $540^\circ\text{C}$, chỉ số Octane nghiên cứu RON đạt 130 và chỉ số Octane động cơ MON đạt 115.

2. Nguyên lý làm việc của hệ thống nhiên liệu kép CNG - Diesel (Dual Fuel) được giải thích như thế nào?

Động cơ Dual Fuel giữ nguyên cấu trúc động cơ diesel và tỷ số nén cao. Không khí cùng khí CNG được nạp vào xy-lanh ở kỳ nạp. Cuối kỳ nén, một lượng nhỏ dầu diesel mồi (>10%) được phun vào buồng cháy; do nhiệt độ và áp suất nén cao, diesel tự bốc cháy và kích nổ toàn bộ hỗn hợp khí CNG - không khí. Ở chế độ đầy tải, CNG có thể thay thế tới 75–80% lượng dầu diesel; động cơ sử dụng bộ điều tốc điện tử motor bước điều khiển thanh răng bơm cao áp để kiểm soát tốc độ và chống vượt tốc.

3. Thông số kỹ thuật định mức của bình chứa khí CNG và bộ giảm áp hai cấp là bao nhiêu?

  • Bình chứa CNG: Dung tích 57 lít, làm bằng thép dày 4–5 mm, khối lượng 70 kg, chiều dài 800 mm, ren nối PT3/4, áp suất làm việc 220 bar, áp suất cực đại 400 bar và áp suất thử nghiệm phá hủy 600 bar.
  • Bộ giảm áp 2 cấp: Chịu áp đầu vào 200 bar, điện áp cuộn sấy 12V (16W), lỗ ra $\Phi 16\ \text{mm}$; cấp 1 giảm áp suất xuống 3,8–4,8 bar và cấp 2 hạ áp suất xuống 0,8–1,5 bar trước khi cấp vào bộ hòa trộn.

4. Vì sao khi sử dụng phương án bộ hòa trộn kiểu họng Venturi thì công suất động cơ lại bị giảm 5–8%?

Hiện tượng giảm công suất (5–8%) xuất phát từ hai nguyên nhân cơ học: thứ nhất, họng khuếch tán Venturi bố trí trên đường nạp gây cản trở và tổn thất cục bộ lưu lượng không khí nạp vào xy-lanh; thứ hai, nhiên liệu CNG ở thể khí khi nạp vào cổ góp nạp sẽ chiếm một phần thể tích đáng kể của không khí, làm giảm hệ số nạp ($\eta_v$) của động cơ.

5. Hệ thống van an toàn trên bình chứa CNG hoạt động theo cơ chế nào để phòng chống cháy nổ?

Van bình chứa được trang bị cơ chế bảo vệ kép: khi áp suất trong bình tăng vượt ngưỡng an toàn ($300\ \text{bar} \pm 10%$), áp lực khí nén thắng lực cản lò xo để mở đường xả khí ra khí quyển làm hạ áp; khi bình chứa bị hun nóng do hỏa hoạn, đĩa chì an toàn sẽ tự động nóng chảy ở ngưỡng nhiệt độ $110^\circ\text{C}$ để giải phóng toàn bộ khí CNG ra môi trường một cách có kiểm soát, triệt tiêu nguy cơ nổ vỡ bình chứa.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu CNG cho động cơ đốt trong" của nhóm sinh viên Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết, đặc tính nhiệt lý và quy trình chuyển đổi hệ thống cấp nhiên liệu khí nén thiên nhiên trên động cơ ô tô. Nghiên cứu đã xác lập các thông số kỹ thuật định mức chuẩn xác cho cụm chi tiết chịu áp lực cao (bình chứa 57L – 220 bar, bộ giảm áp hai cấp 0,8–1,5 bar, van an toàn nhiệt $110^\circ\text{C}$), đồng thời hoàn thiện bài toán tính toán thiết kế bộ hòa trộn cho động cơ 1TR-FE (Toyota Innova). Các dữ liệu phân tích khẳng định việc sử dụng CNG giúp giảm 25–30% phát thải $CO_2$, cắt giảm trên 60% muội than và tiết kiệm xấp xỉ 50% chi phí nhiên liệu so với dầu diesel, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cao cho công tác đào tạo, cải tạo kỹ thuật và phát triển giao thông vận tải xanh tại Việt Nam.