BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ
THÔNG SỐ PHUN NHIÊN LIỆU ĐẾN ĐẶC TÍNH
LÀM VIỆC ĐỘNG CƠ CNG
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. Trần Đăng Quốc
2. PGS.TS. Cao Hùng Phi

HÀ NỘI – 2024


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các
số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng
quy định. Kết quả nghiên cứu trong luận án do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách
trung thực, khách quan.
Tơi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực phù hợp với
thực tiễn của Việt Nam và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác.
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2024.

Người hướng dẫn 1

Người hướng dẫn 2

Nghiên cứu sinh

TS. Trần Đăng Quốc

PGS.TS. Cao Hùng Phi

Hồ Hữu Chấn

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến Đại học Bách khoa Hà
Nội, Trường Cơ khí, Phịng đào tạo, Khoa Cơ khí động lực, Nhóm chun mơn Hệ
thống động lực ơ tơ, đã giúp đỡ và hỗ trợ tơi trong suốt q trình học tập, nghiên cứu
và thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Đăng Quốc và PGS.TS Cao Hùng Phi, hai
người thầy đã hướng dẫn tôi rất tận tình, chu đáo về chun mơn trong q trình học
tập, nghiên cứu và thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, khoa
Cơ khí động lực đã tạo điều kiện, động viên tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy, cô, cán bộ Khoa Cơ khí động lực, trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long đã hỗ trợ, động viên tơi trong q trình học tập,

nghiên cứu.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến q thầy cơ phản biện, thầy cô trong Hội
đồng đánh giá luận án đã đồng ý đọc duyệt và đóng góp các ý kiến q báu để tơi có
thể hồn chỉnh luận án cũng như đưa ra những định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp,
những người đã ln động viên khuyến khích tơi trong suốt thời gian học tập, nghiên
cứu và thực hiện luận án.
Nghiên cứu sinh

Hồ Hữu Chấn

iii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... xv
MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1
i. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1
ii. Mục tiêu của luận án .............................................................................................. 2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 2
iv. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 2
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài................................................................ 2
vi. Các điểm mới của luận án ..................................................................................... 3

vii. Bố cục của luận án ............................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ......................................................... 4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu thay thế ......................................................................... 4
Nhiên liệu sinh học (Biofuel) ............................................................. 5
Nhiên liệu hydrogen ........................................................................... 8
1.2. Tổng quan về nhiên liệu khí thiên nhiên............................................................ 10
Đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên .................................................. 10
Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) ............................................. 13
Nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) ..................................... 14
1.3. Các nghiên cứu về động cơ đốt trong sử dụng khí thiên nhiên nén................... 15
Hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG.................................................. 16
Động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu ................................................... 19
Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ xăng ..................................... 21
Động cơ CNG chuyển đổi từ động cơ diesel.................................... 22
1.4. Tổng quan các nghiên cứu về động cơ sử dụng khí thiên nhiên........................ 23
Các nghiên cứu ngoài nước .............................................................. 23
Các nghiên cứu trong nước .............................................................. 24
1.5. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 25
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU CHUYỂN ĐỔI ĐỘNG
CƠ ............................................................................................................................ 27
2.1. Cơ sở hình thành hỗn hợp .................................................................................. 27
2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy ........................................................................... 29

iv


Các giả thuyết ................................................................................... 31
Mơ hình cháy khơng chiều ............................................................... 32
Khối lượng hỗn hợp đã cháy ............................................................ 33
Mơ hình cháy một vùng: Tốc độ giải phóng nhiệt ........................... 33

2.3. Khái quát về mô phỏng ...................................................................................... 33
Phần mềm AVL Boost...................................................................... 34
Phần mềm Ansys Fluent ................................................................... 34
2.4. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ ........................................................................ 37
Lựa chọn động cơ ............................................................................. 37
Nghiên cứu chuyển đổi của tác giả Trần Thanh Tâm ...................... 38
Chuyển đổi động cơ diesel S1100 thành động cơ CNG điều khiển phun
nhiên liệu và đánh lửa điện tử: ........................................................... 39
2.5. Xây dựng đặc tính làm việc của động cơ sau chuyển đổi .................................. 45
Phương pháp thí nghiệm................................................................... 45
Kết quả thí nghiệm ........................................................................... 47
2.6. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 49
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ......................................................... 51
3.1. Mục đích..... ....................................................................................................... 51
3.2. Xây dựng mơ hình động cơ nghiên cứu ............................................................. 51
Nghiên cứu động cơ mô phỏng bằng phần mềm AVL Boost .......... 51
Xây dựng mơ hình bằng Ansys Fluent ............................................. 55
3.3. Hiệu chuẩn và điều khiển mơ hình .................................................................... 57
Hiệu chuẩn mơ hình trên AVL Boost ............................................... 57
Điều khiển mơ hình trên Ansys Fluent ............................................. 58
3.4. Ảnh hưởng của thông số phun ........................................................................... 59
Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun ........................................... 59
Ảnh hưởng của lambda..................................................................... 65
Ảnh hưởng của thời gian phun ......................................................... 66
Ảnh hưởng của đường kính ống nạp ................................................ 70
Ảnh hưởng của vị trí đặt vịi phun.................................................... 75
Ảnh hưởng của áp suất phun ............................................................ 77
3.5. Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc .................................. 79
3.6. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 82
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.................................................. 84

4.1. Mục đích…. ....................................................................................................... 84
4.2. Lựa chọn vịi phun điều khiển bằng điện ........................................................... 84
4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng cơ khí đến chất lượng làm việc của
động cơ....... ........................................................................................................ 86
Ảnh hưởng đến mô men và công suất .............................................. 86
v


Ảnh hưởng đến phát thải của động cơ .............................................. 87
4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến chất lượng làm việc của
động cơ....... ........................................................................................................ 89
Ảnh hưởng của áp suất phun điều khiển bằng điện đến lượng nhiên
liệu cung cấp ....................................................................................... 89
Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất và mô men động cơ ... 91
Ảnh hưởng của áp suất phun đến khí thải ........................................ 92
4.5. So sánh ảnh hưởng của giải pháp phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc của động
cơ................ ........................................................................................................ 94
4.6. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng ....................................................... 97
4.7. Kết luận chương 4 ............................................................................................ 100
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 101
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 104
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 113
Phụ lục 1. Kết quả mô phỏng Ansys Fluent ........................................................... 113
Phụ lục 2. Kết quả mô phỏng AVL Boost .............................................................. 114
Phụ lục 3. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 121
Phụ lục 4. Quá trình chuyển đổi hệ thống làm mát động cơ thí nghiệm S1100:.... 123
Phụ lục 5. Hệ thống điều khiển đánh lửa và vòi phun............................................ 126
Phụ lục 6: Thiết bị phân tích khí thải KEG – 500 CE ............................................ 131
Phụ lục 7: Thiết lập các thông số cần thiết cho mơ hình ........................................ 138


vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
STT

Kí hiệu

Chú thích

1

HC

Hydrocacbon

2

CO

Carbon monoxit

3

𝑁𝑂𝑋

Nitric oxide (Nitơ monoxide)

4


𝑂2

5

𝐶𝐻4

Metan

6

𝐻2 𝑆

Hidro sunfua

7

𝐻𝐸

Heli

8

𝐶𝑂2

Carbon dioxide

9

𝑁2


Nito

10

𝑆𝑂2

Lưu huỳnh dioxide

11

𝐶2 𝐻6

Ethan

12

A/F

Tỉ lệ khơng khí/ nhiên liệu

14

n

Tốc độ động cơ (vòng/phút)

15

𝑃𝑓


Áp suất nhiên liệu (bar)

16

𝐷𝑓

Đường kính lỗ (mm)

17

𝑡𝑓

Thời gian duy trì phun của role điện từ (s)

18



Tỷ số nén

19



Hệ số dư lượng khơng khí

20

𝑀𝑒


Mơ men (Nm)

21

𝑁𝑒

Cơng suất (kW)

22

𝐷𝑥𝑙

Đường kính xylanh (mm)

23

S

Hành trình piston (mm)

24

𝑉𝑡𝑝

Dung tích xylanh (Lít)

25

𝐺𝑒


Lượng nhiên liệu cấp cho động cơ (lít/phút)

26

𝑚𝑑𝑒𝑙𝑖𝑣𝑒𝑟𝑦

27

η𝑣

28

𝜌𝑟𝑒𝑓

Khối lượng riêng khơng khí (kG/m3)

29

𝑉𝑑𝑖𝑠𝑝

Thể tích cơng tác xylanh (m3)

30

(𝐴/𝐹) 𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑒

31

𝑁𝑐𝑦𝑙


Số xylanh động cơ

32

Δ𝛼𝑖𝑛𝑗

Thời gian phun (CAD)

Oxy

Lượng nhiên liệu phun (g/s)
Hệ số nạp

Tỷ lệ A/F của nhiên liệu

vii


33

𝑚𝐹,𝑒𝑓𝑓

Tổng lưu lượng nhiên liệu phun (kg/s)

34

𝑚𝐹,𝑖𝑛𝑗

Lưu lượng nhiên liệu phần tia phun (kg/s)


35

𝑚𝐹,𝑝𝑢𝑑𝑑𝑙𝑒

Lưu lượng nhiên liệu bám đọng trên thành ống
(kg/s)

36

A

Lượng khơng khí nạp vào trong xylanh động cơ
(g/s)

37

F

Khối lượng nhiên liệu cấp (g/s)

38

(𝐴/𝐹) 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙

39

(𝐴/𝐹) 𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐ℎ𝑖𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐

40


δQ

Lượng năng lượng được thêm vào (J)

41

dU

Nội năng (J)

42

δW

Cơng (J)

43

P

Áp suất (Pa)

44

V

Thể tích (m3)

45


m

Khối lượng khí (kG)

46

R

Hằng số khí

47

T

Nhiệt độ (K)

48

hc

Hệ số truyền nhiệt

49

Aw

Diện tích thành vách buồng cháy (m2)

50


Tw

Nhiệt độ thành vách buồng cháy (K)

51

𝑑𝑄𝐻
𝑑𝜃

52

𝜃

Góc quay trục khuỷu

53

𝛾

Hệ số đoạn nhiệt

54

𝐶𝑉

Nhiệt dung riêng đẳng tích (J/kmol.K)

55


𝐶𝑝

Nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kmol.K)

56

𝑀𝐹𝐵𝜃

57

Δ𝑝𝑐,𝑖

58

i

59

ign

Tỷ số giữa khơng khí và nhiên liệu thực tế nạp vào
xylanh
Tỷ số giữa khơng khí và nhiên liệu tính theo lý
thuyết

Nhiệt truyền cho thành vách buồng cháy bởi khí
trong xylanh

Phần khối lượng được đốt cháy tại góc quay trục
khuỷu

Mức tăng áp suất được hiệu chỉnh do q trình đốt
cháy
Số ngun của góc quay
Góc đánh lửa (CA)

viii


60

𝑉𝑑

61

𝜃𝑠 , 𝜃𝑒

62

n

Chỉ số nén đa biến trung bình

63

t

Thời gian phun nhiên liệu (s)

64


D

Đường kính ống nạp (mm)

65

𝜌𝑛

Tỷ trọng của hỗn hợp (kG/m3)

66

𝑣𝑚
⃗⃗⃗⃗⃗

Vận tốc của hỗn hợp (m/s)

67

𝐹

Nội lực của thể tích tính tốn (N)

68

𝜇𝑚

Độ nhớt của hỗn hợp (m2/s)

69


𝛼𝑘

Tỷ lệ khối lượng của pha K trong hỗn hợp

70

𝛼𝑗,𝑘

Enthalpy của chất j trong pha k

71

⃗⃗⃗⃗⃗
𝐽𝑗,𝑘

Thông lượng khuếch tán của chất j trong pha k

72

𝑘𝑒𝑓𝑓

Hệ số dẫn nhiệt

73

𝐺𝑘

Động năng rối được tạo ra bởi gradient vận tốc


74

𝐺𝑏

Động năng rối được tạo ra bởi ảnh hưởng của
buoyancy

75

𝑌𝑚

Ảnh hưởng của độ giãn nở do dao động trong dòng
chảy rối nén được đến hệ số phân tán rối

76

𝐶1 , 𝐶2 , 𝐶3

77

𝑆𝑟

Swirl ratio

78

𝑇𝑟

Tumble ratio


79

𝐶𝑇𝑟

Cross tumble ratio

80

𝑤𝑥 , 𝑤𝑦 , 𝑤𝑧

Vận tốc góc tức thời của dịng khí nạp với các trục
x, y, z tương ứng (rad/s)

81

𝐿𝑥 , 𝐿𝑦 , 𝐿𝑧

Mô men động lượng của dịng khí nạp ứng với các
trục x, y, z (kg.m2/s)

82

𝐼𝑥 , 𝐼𝑦 , 𝐼𝑧

83

k

Động năng rối (m2/s2)


84



Tốc độ tiêu tán

85

h

Vị trí đặt vịi phun so với cửa nạp (mm)

86

𝐶𝑂𝑉𝑖𝑚𝑒𝑝

87

l

Chiều dài đường ống nạp (mm)

88

𝛼

Góc đặt vịi phun (độ)

Dung tích xylanh (Lít)
Góc quay bắt đầu và kết thúc của q trình đốt cháy


Hằng số mơ hình

Mơ men qn tính tương ứng với các trục x y z
(kg.m2)

Hệ số đánh giá sự thay đổi áp suất có ích trung bình

ix


89

𝑚𝑓_𝑜

Lưu lượng nhiên liệu tính tốn tại vị trí cửa ra ống
nạp (g/s)

90

pro_k

Production of k (kG/ms3)

91

𝑆𝑝𝑡𝑏

Tốc độ trung bình piston (m/s)


x


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Diễn tả

1

A/F

Air/ Fuel

2

AFCs

Alkaline Fuel Cells

3

AFR

Air Fuel Ratio

4


ATDC

After Top Dead Center

5

BDC

Bottom Dead Center

6

BTE

Brake Thermal Efficiency

7

BTDC

Before Top Dead Center

8

CNG

Compressed Natural Gas

9


CA

Crank Angle

10

C

Cylinder

11

CL

Air Cleaner

12

DI

Direct Injection

13

ĐTC

Điểm Chết Trên

14


ĐCD

Điểm Chết Dưới

15

FCVs

Fuel Cell Vehicles

16

E

Engine

17

IT

Ignition Timing

18

I

Injection

19


ICEVs

Internal Combustion Engine Vehicles

20

LPG

Liquified Petroleum Gas

21

LNG

Liquefied Natural Gas

22

MAF

Mass Air Flow

23

MFC

Mass Flow Controller

24


MBT

Max Brake Torque

25

MCFCs

Molten Carbonate Fuel Cells

26

MP

Measuring Point

27

NG

Natural Gas

28

NDIR

Non-Dispersive Infra-Red

29


PL

Plenum

30

PEMFCs

Protons Exchange Membrane Fuel Cells

31

PAFCs

Phosphoric Acid Fuel Cells

32

P

Pipe

xi


33

RON

Research Octane Number


34

RNG

Renewable Natural Gas

35

R

Restriction

36

SOFCs

Solid Oxide Fuel Cells

37

SOI

Start of Injection

38

SI

Spark Ignition


39

SB

System Boundary

40

TH

Throttle

41

TDC

Top Dead Center

42

TKE

Turbulent Kinetic Energy

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050 theo lĩnh vực

sử dụng[8] ................................................................................................................... 4
Hình 1.2. Số lượng phương tiện và trạm nạp nhiên liệu khí thiên nhiên trên thế
giới năm 2019[95] .................................................................................................... 12
Hình 1.3. Các loại bồn lưu trữ nhiên liệu CNG ................................................... 14
Hình 1.4. Phân loại hệ thống đánh lửa và cấp nhiên liệu động cơ CNG[109]..... 16
Hình 1.5. Các hệ thống trên động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel[112] ........... 17
Hình 1.6. Các hệ thống trên động cơ phun gián tiếp CNG[117] ......................... 18
Hình 1.7. Sơ đồ bộ hịa trộn CNG[118] ............................................................... 18
Hình 1.8. Ví dụ về các chi tiết của bộ hòa trộn CNG[119].................................. 19
Hình 1.9. Bốn chu trình của động cơ lưỡng nhiên liệu CNG-diesel[132] ........... 21
Hình 2.1. Phân chia quá trình cháy ở động cơ cháy cưỡng bức .......................... 30
Hình 2.2. Hình ảnh chuyển động của dịng khí theo các trục .............................. 36
Hình 2.3. Động cơ S1100 ..................................................................................... 38
Hình 2.4. Cảm biến CKP và cảm biến CMP........................................................ 39
Hình 2.5. Cảm biến lượng khí nạp và cảm biến vị trí bướm ga ........................... 40
Hình 2.6. Bộ điều khiển điện tử ........................................................................... 40
Hình 2.7. Ống nạp và vịi phun điều khiển bằng điện.......................................... 41
Hình 2.8. Bơ bin đánh lửa và bugi ....................................................................... 41
Hình 2.9. Bình chứa khí CNG và cụm van giảm áp ............................................ 42
Hình 2.10. Thiết bị đo lưu lượng khí thiên nhiên ................................................ 42
Hình 2.11. Hình dạng đỉnh piston sau chuyển đổi ............................................... 43
Hình 2.12. Hệ thống lấy mẫu và phân tích khí thải ............................................. 44
Hình 2.13. Hệ thống khởi động điện .................................................................... 44
Hình 2.14. Hệ thống làm mát bằng nước tuần hồn cưỡng bức .......................... 45
Hình 2.15. Sơ đồ bố trí thiết bị phục vụ thí nghiệm ............................................ 46
Hình 2.16. Động cơ và thiết bị thí nghiệm ........................................................... 46
Hình 2.17. Kết quả thí nghiệm ban đầu của động cơ sau khi chuyển đổi............ 47
Hình 2.18. Kết quả thí nghiệm của NOx và HC .................................................. 49
Hình 2.19. Kết quả thí nghiệm của CO và CO2 ................................................... 49
Hình 3.1. Động cơ một xylanh mơ phỏng bằng AVL Boost ............................... 51

Hình 3.2. Các thơng số nhập vào trong mơ hình cháy Fractal ............................. 52
Hình 3.3. Nhập thơng số điều khiển vịi phun nhiên liệu .................................... 53
Hình 3.4. Cửa sổ chọn kiểu phun nhiên liệu ........................................................ 53
Hình 3.5. Thơng số mơ hình truyền nhiệt ............................................................ 54
Hình 3.6. Mơ hình ma sát ..................................................................................... 54
Hình 3.7. Mơ phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent ................... 55
Hình 3.8. Giao diện Mơ-đun Fluid Flow (Fluent)................................................ 55
Hình 3.9. Giao diện xây dựng mơ hình Geometry ............................................... 56
Hình 3.10. Mơ hình sau chia lưới......................................................................... 56
Hình 3.11. Kết quả hiệu chuẩn mơ hình .............................................................. 57
Hình 3.12. Hiệu chuẩn mơ hình theo khí thải động cơ ........................................ 58
Hình 3.13. Mơ phỏng đường ống nạp bằng phần mềm Ansys Fluent ................. 58
Hình 3.14. Mơ hình sau chia lưới......................................................................... 59

xiii


Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mơ men động cơ theo độ mở bướm
ga .............................................................................................................................. 59
Hình 3.16. Sự thay đổi của HC theo thời điểm bắt đầu phun theo độ mở bướm ga
.................................................................................................................................. 60
Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO theo độ mở
bướm ga .................................................................................................................... 61
Hình 3.18. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx theo độ mở
bướm ga .................................................................................................................... 62
Hình 3.19. Ảnh hưởng của thời điểm phun đến mô men động cơ tại các tốc độ
động cơ khác nhau ................................................................................................... 63
Hình 3.20. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải NOx tại các tốc
độ động cơ khác nhau .............................................................................................. 64
Hình 3.21. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun tới phát thải CO tại các tốc độ

động cơ khác nhau ................................................................................................... 65
Hình 3.22. Ảnh hưởng của thời điểm bắt đầu phun đến thành phần phát thải HC
theo tốc độ động cơ .................................................................................................. 65
Hình 3.23. Ảnh hưởng của hệ số dư lượng khơng khí đến mơ men .................... 66
Hình 3.24. Ảnh hưởng thời gian phun đến mơ men ............................................ 66
Hình 3.25. Ảnh hưởng của thời gian phun đến lamda ......................................... 67
Hình 3.26. Ảnh hưởng của thời gian phun đến diễn biến áp suất trong xylanh .. 68
Hình 3.27. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tổng thời gian cháy của hỗn hợp 68
Hình 3.28. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tỉ lệ khối lượng cháy của hỗn hợp
.................................................................................................................................. 69
Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời gian phun đến tốc độ giải phóng nhiệt .............. 69
Hình 3.30. Ảnh hưởng của lượng nhiên liệu nạp vào động cơ theo sự thay đổi của
đường kính ống nạp khi thay đổi tốc độ động cơ ..................................................... 70
Hình 3.31. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp tới mơ men theo tốc độ động cơ
.................................................................................................................................. 71
Hình 3.32. Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới mơ men động cơ ...... 72
Hình 3.33. Ảnh hưởng của kích thước đường ống nạp tới cơng suất động cơ .... 72
Hình 3.34. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải NOx ................... 73
Hình 3.35. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải CO ..................... 74
Hình 3.36. Ảnh hưởng của đường kính ống nạp đến phát thải HC ..................... 75
Hình 3.37. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun đến vận tốc trung bình của hỗn hợp . 76
Hình 3.38. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun đến vận tốc trung bình của nhiên liệu
.................................................................................................................................. 76
Hình 3.39. Ảnh hưởng của vị trí vịi phun đến động năng rối của hỗn hợp ........ 77
Hình 3.40. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lưu lượng phun nhiên liệu ............ 77
Hình 3.41. Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc của dòng nhiên liệu trên
đường nạp ................................................................................................................. 78
Hình 3.42. Ảnh hưởng của áp suất phun đến vận tốc trung bình của dịng khí ... 79
Hình 3.43. Ảnh hưởng của áp suất phun đến động năng rối của hỗn hợp ........... 79
Hình 3.44. Mơ men thay đổi theo tốc độ động cơ................................................ 80

Hình 3.45. Công suất thay đổi theo tốc độ động cơ của động cơ ........................ 80
Hình 3.46. Khí thải HC theo tốc độ động cơ ....................................................... 81
Hình 3.47. Khí thải CO theo tốc độ động cơ ....................................................... 81

xiv


Hình 3.48. Khí thải NOx theo tốc độ động cơ ...................................................... 82
Hình 4.1. Lưu lượng CNG cấp vào xylanh theo mơ phỏng ................................. 85
Hình 4.2. Vịi phun khí Hana H2100 ................................................................... 85
Hình 4.3. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến mơ men động cơ ............ 86
Hình 4.4. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến công suất của động cơ ... 87
Hình 4.5. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải CO .................. 88
Hình 4.6. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải HC .................. 88
Hình 4.7. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến phát thải NOx ................ 89
Hình 4.8. Ảnh hưởng của áp suất phun đến lượng nhiên liệu cung cấp tại các tốc
độ động cơ khác nhau .............................................................................................. 89
Hình 4.9. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến hệ số dư lượng khơng khí
lambda ...................................................................................................................... 90
Hình 4.10. Ảnh hưởng của áp suất phun đến công suất của động cơ tại các tốc độ
động cơ khác nhau .................................................................................................... 91
Hình 4.11. Ảnh hưởng của áp suất phun đến mô men của động cơ tại các tốc độ
động cơ khác nhau .................................................................................................... 91
Hình 4.12. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO ...... 92
Hình 4.13. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải HC ...... 92
Hình 4.14. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải NOx..... 93
Hình 4.15. Ảnh hưởng của áp suất phun nhiên liệu đến lượng phát thải CO2 ..... 93
Hình 4.16. So sánh ảnh hưởng của chế độ phun đến mô men ............................. 94
Hình 4.17. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến cơng suất động cơ ........ 95
Hình 4.18. Ảnh hưởng của chế độ phun đến khí thải NOx .................................. 95

Hình 4.19. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải HC ................. 96
Hình 4.20. Ảnh hưởng của chế độ phun nhiên liệu đến phát thải CO ................. 96
Hình 4.21. So sánh mô men động cơ giữa thực nghiệm và mơ phỏng ................ 97
Hình 4.22. So sánh cơng suất động cơ giữa thực nghiệm và mơ phỏng .............. 98
Hình 4.23. So sánh lượng khí thải HC giữa kết quả thực nghiệm và mơ phỏng . 99
Hình 4.24. So sánh lượng khí thải NOx giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng 99

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. So sánh đặc tính nhiên liệu khí thiên nhiên với xăng và diesel [96] ... 13
Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ S1100................................................. 38
Bảng 3.1. Các phần tử trong mô hình động cơ .................................................... 52
Bảng 4.1. Thơng số kỹ thuật của động cơ sau chuyển đổi ................................... 84

xv


MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn đề tài
Tình trạng nóng lên tồn cầu và ơ nhiễm khơng khí đã và đang là một trong những
vấn đề lớn nhất thế giới [1]. Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp và sự
gia tăng không ngừng của các phương tiện vận tải, việc giảm thiểu khí thải nhà kính
ln nhận được rất nhiều sự quan tâm từ chính phủ cũng như các nhà khoa học[2]
Nguồn gây ô nhiễm vô cùng đa dạng trong đó ơ nhiễm do sử dụng nhiên liệu hóa
thạch có thể coi là một trong những nguồn chính gây độc hại đến sức khỏe con người.
Báo cáo về mơi trường có tên gọi là “The Environmental Performance Index” đã chỉ
ra Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chất lượng khơng khí thấp gây ảnh hưởng
đến sức khỏe con người [3]. Trên cơ sở tiêu chuẩn cho phép của thế giới về đánh giá
chất lượng khơng khí (Air Quality Index- AQI), nếu mức độ sạch của không khí từ
150 – 200 điểm thì đã bị coi là ô nhiễm, từ 201 – 300 thì coi là cực kỳ cấp bách, sẽ
ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người dân[4]. Trong khi đó, tại Việt Nam,

cụ thể hai khu vực ô nhiễm nhất là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, chỉ số trong ngày lúc
nào cũng ở mức 152 – 156 nhưng vào giờ giao thông cao điểm phải lên tới gần 200
điểm. Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục Môi trường Việt Nam lại đưa ra
một con số khi đo được tại nhiều trục giao thông lớn như Khuất Duy Tiến, Phạm
Hùng, Nguyễn Trãi, Nguyễn Văn Linh… những khu vực đông dân cư, nồng độ bụi
thường cao hơn mức cho phép lên đến 11 lần. Chưa kể đến các khí thải như SO2,
NO2, CO… Theo số liệu thống kê của Bộ Y tế, các đơ thị bị ơ nhiễm khơng khí có tỷ
lệ người nhiễm khuẩn hô hấp cao gấp nhiều lần so với các đơ thị khác. Chẳng hạn ở
thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Hải Phòng, tỷ lệ bệnh nhân lao được phát hiện
cao gấp 4 – 5 lần những địa phương có hoạt động cơng nghiệp ít phát triển như Bắc
Kạn, Điện Biên, Lai Châu. Trong những năm gần đây, các bệnh nhân về đường hơ
hấp có tỷ lệ mắc cao nhất trên toàn quốc, nguyên nhân chủ yếu là do ơ nhiễm khơng
khí gây ra. Kết quả thống kê cứ 100.000 dân có đến 4,1% số người mắc các bệnh về
phổi; 3,8% viêm họng và viêm Amidan cấp; 3,1% viêm phế quản và viêm tiểu phế
quản, riêng ở Hà Nội 72% hộ gia đình có người mắc bệnh do ô nhiễm không khí. Từ
các kết quả nghiên cứu và số liệu điều tra trên có thể thấy rằng “Ơ nhiễm khơng khí
là một vấn đề đáng báo động ở nước ta”. Ngun nhân chính dẫn tới tình trạng ơ
nhiễm này chính là do giao thơng đơ thị với lưu lượng phương tiện dày đặc, đặc biệt
là phương tiện giao thông cá nhân. Lượng phương tiện giao thông ấy thải ra một
lượng lớn khí độc hại như SO2, NO2, CO… và tạo ra bụi khí. Hướng tới mục tiêu
“Tăng trưởng xanh, tiến tới nền kinh tế các-bon thấp, làm giàu vốn tự nhiên trở thành
xu hướng chủ đạo trong phát triển kinh tế bền vững; giảm phát thải và tăng khả năng
hấp thụ khí nhà kính dần trở thành chỉ tiêu bắt buộc và quan trọng trong phát triển
kinh tế- xã hội”, ngày 25 tháng 09 năm 2012, Thủ Tướng Chính phủ đã ra Quyết định
số 1393/QĐ-TTg, về việc “Phê duyệt chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh”. Nội
dung của Quyết định có đề cập vấn đề “Thay đổi cơ cấu nhiên liệu trong công nghiệp
và giao thông”[5].
Từ các số liệu nghiên cứu trên có thể thấy rằng phát triển nhiên liệu thay thế phục
vụ cho các phương tiện giao thông vận tải là hết sức cần thiết, bởi vì thỏa mãn được
các u cầu về kiểm sốt khí thải và giảm được sự phụ thuộc vào nhiên liệu dầu mỏ.

Tuy nhiên, để đảm bảo được những yêu cầu này cần thiết phải có các nghiên cứu cơ
1


bản chuyên sâu. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên
liệu đến đặc tính làm việc đợng cơ CNG” sẽ góp phần giải quyết được ô nhiễm không
khí do khí thải động cơ đốt trong thải ra trong quá trình làm việc.

ii. Mục tiêu của luận án
 Mục tiêu chung
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thơng số phun nhiên liệu đến đặc tính làm việc
và khí thải ở động cơ khí thiên nhiên phun trên đường nạp.
 Mục tiêu cụ thể
 Đánh giá được ảnh hưởng của một số thông số phun nhiên liệu đến tính năng
kinh tế, kỹ thuật của động cơ CNG thông qua các chế độ vận hành.
 Cải thiện chất lượng phát thải của động cơ CNG theo hướng giảm phát thải NOx.

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: Động cơ diesel một xylanh sau khi chuyển đổi thành
động cơ phun khí thiên nhiên trên đường ống nạp.
 Phạm vi nghiên cứu:
+ Chuyển đổi hệ thống điểu khiển phun nhiên liệu cơ khí sang phun điện tử ở
động cơ diesel một xylanh sử dụng nhiên liệu CNG. Đánh giá định lượng ảnh
hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun, vị trí đặt vịi
phun, áp suất phun nhiên liệu) đến đặc tính làm việc và khí thải của động cơ.
+ Các nội dung thí nghiệm của luận án được thực hiện trong phạm vi Phịng thí
nghiệm động cơ đốt trong, Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Sư phạm
kỹ thuật Vĩnh Long.

iv. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án là kết hợp lý thuyết mô hình hóa
với thực nghiệm. Trong đó:
 Nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở thiết kế hệ thống nhiên liệu điện tử phun khí
thiên nhiên trên đường ống nạp và thiết lập các thông số phun cho các chế độ
vận hành động cơ CNG.
 Nghiên cứu mô phỏng động cơ bằng phần mềm AVL Boost để xem xét ảnh
hưởng của các thơng số như: Đường kính ống nạp, hệ số dư lượng khơng khí
(λ), thời điểm phun và thời gian phun đến mơ men, cơng suất và khí thải động
cơ.
 Nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng hóa và đánh giá ảnh hưởng của áp
suất phun khí thiên nhiên đến mơ men, cơng suất và khí thải của động cơ.

v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học: Luận án đã khảo sát thành công một số thơng số phun
(đường kính ống nạp, thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun, vị trí đặt vịi phun,
áp suất phun nhiên liệu), phương pháp phun đến đặc tính làm việc và khí thải
của động cơ CNG phun trên đường nạp.
 Ý nghĩa thực tiễn: Với áp suất phun, vị trí đặt vịi phun hợp lý đã xử lý được
hiện tượng dịng khí ngược trên đường nạp, nhờ vậy đặc tính làm việc và khí
2


thải của động cơ đã được cải thiện. Đây là cơ sở để phát triển thế hệ động cơ
CNG mới đạt được hiệu suất nhiệt cao và khí thải thấp.

vi. Các điểm mới của luận án
 Luận án đã xây dựng thành cơng mơ hình mơ phỏng động cơ sử dụng khí thiên
nhiên phun trên đường nạp bằng phần mềm AVL Boost và Ansys Fluent để
khảo sát ảnh hưởng của một số thông số phun (thời điểm phun, thời gian phun,
vị trí đặt vịi phun, áp suất phun nhiên liệu) đến tính năng làm việc và phát thải

của động cơ.
 Kế thừa từ nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel S1100 một xylanh thành động
cơ khí thiên nhiên của Trần Thanh Tâm về hình dạng của đỉnh piston và vị trí
lắp bugi trên nắp máy, vịi phun điều khiển bằng cơ khí, ɛ = 11,5. NCS đã nghiên
cứu thiết kế và chế tạo mô đun điều khiển phun nhiên liệu và thời điểm đánh
lửa, xác định được vị trí đặt vòi phun và áp suất phun tốt nhất để triệt tiêu dịng
khí ngược xuất hiện trên đường nạp. Thêm vào đó, luận án đã thiết lập được hệ
thống làm mát bằng nước tuần hồn cưỡng bức, tự động kiểm sốt nhiệt độ nước
làm mát. Để đảm bảo động cơ làm việc an toàn và giảm thiểu tiếng ồn, tỷ số nén
của động cơ đã giảm xuống ɛ = 10; bổ sung thêm hệ thống van giảm áp và ổn
định áp suất phun từ 1 ÷ 5 bar trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm.

vii. Bố cục của luận án
Thuyết minh của luận án bao gồm các nội dung chính sau:
 Mở đầu
 Chương 1: Nghiên cứu tổng quan.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nghiên cứu chuyển đổi động cơ.
 Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng động cơ.
 Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
 Kết luận chung và hướng phát triển.

3


CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu thay thế
Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu và các vấn đề ô nhiễm môi
trường đang ngày một tăng, việc tìm ra những nguồn năng lượng mới phải thỏa mãn
các yêu cầu như: sạch, có khả năng tái tạo và bền vững hơn để dần thay thế các nguồn
năng lượng hóa thạch đang ngày càng bị cạn kiệt. Những nguồn năng lượng thay thế

này sẽ là nguồn lực cơ bản đáp ứng được nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội của đất
nước, đồng thời cũng giảm nhẹ được những thách thức về chính trị và an ninh quốc
phòng. Theo báo cáo của “BP Statistical Review of World Energy”, Năng lượng tái
tạo đóng góp 15% tổng năng lượng sản xuất trên toàn thế giới, con số này được kỳ
vọng tăng lên đến 85% trước năm 2050 [6]. Trong đó, đối với các phương tiện giao
thơng vận tải nói riêng, nhiên liệu thay thế chiếm khoảng 4% lượng tiêu thụ và được
kỳ vọng sẽ đóng góp hơn 50% trong ba thập kỷ tới[7]. Hình 1.1 thể hiện mức tiêu
thụ của nhiên liệu tái tạo và năng lượng điện năm 2015 và số liệu dự đoán năm 2050.
Rõ ràng rằng, cả năng lượng tái tạo và năng lượng điện đang được kỳ vọng rất nhiều
sẽ đóng vai trị chủ đạo cho nguồn năng lượng thế giới trong tương lai.

Hình 1.1. Mức tiêu thụ năng lượng tái tạo và điện năm 2015 và 2050

theo lĩnh vực sử dụng[8]
Thuật ngữ nhiên liệu thay thế (alternative fuel) được đưa ra vào cuối những năm
1970 để chỉ những nhiên liệu mới không phải xăng, diesel hay nhiên liệu chuyên dụng
cho hàng không [9]. Nhiên liệu thay thế và năng lượng thay thế (alternative energy)
thường bị nhầm lẫn với nhau khi cả hai đều không bao gồm các nguồn nhiên liệu hóa
thạch và hạt nhân. Năng lượng thay thế thường đến từ các nguồn năng lượng tự nhiên
như gió, mặt trời, sóng… được chuyển đổi thành năng lượng điện. Trong khi đó,
nhiên liệu tái tạo chủ yếu được biết đến với các nhiên liệu cho phương tiện giao thông
và nhà máy điện như nhiên liệu sinh học (Biofuel), ethanol, khí thiên nhiên. Để đảo
bảo vấn đề an ninh năng lượng cũng như giảm thiểu phát thải từ các nguồn nhiên liệu
hóa thạch, việc nghiên cứu phát triển và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế là vô
cùng quan trọng.
4


Nhiên liệu sinh học (Biofuel)
Nhiên liệu sinh học thường được sản xuất từ sinh khối (Biomass) chủ yếu là các

sản phẩm của nông nghiệp. Nhiên liệu sinh học bao gồm cả nhiên liệu dạng khí và
dạng lỏng, trong đó nhiên liệu sinh học dạng lỏng bao gồm Ethanol sinh học
(Bioethanol), Methanol sinh học (Bio methanol), Diesel sinh học (Biodiesel); dạng
khí gồm Hydro sinh học (Bio hydro) và Methane sinh học (Biomethane) [10, 11].
Dựa vào nguồn gốc, nhiên liệu sinh học được chia thành bốn thế hệ như sau [12]
Thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất (First-generation biofuel) được tạo ra từ các
nguồn nguyên liệu từ thực phẩm hay thức ăn như: gạo, ngô, lúa mạch, lúa mỳ, củ cải
đường..., hoặc các loại hạt có dầu như: dầu cọ, đậu tương, dầu hạt cải... hoặc từ mỡ
động vật. Các loại nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất cũng bao gồm: Dầu thực vật,
Diesel sinh học, Ethanol sinh học, Khí sinh học (Biogas), nhiên liệu sinh học thể rắn,
khí đốt tổng hợp (Syngas) [13]. Với nguồn nguyên liệu sinh học này có thể giảm đáng
kể lượng CO2 phát thải ra mơi trường nhưng khơng phát triển bền vững, bởi vì nguyên
liệu được sử dụng thường là một phần nguồn thức ăn cho người và động vật nuôi.
Nếu gia tăng sử dụng nguồn nguyên liệu nêu trên sẽ làm gia tăng giá cả các loại cây
trồng này và bất ổn lương thực, quỹ đất trồng cho các loại cây lương thực bị cạnh
tranh gây ảnh hưởng đến an ninh lượng thực quốc gia[2]. Vì vậy cần phải tìm kiếm
các loại nhiên liệu thay thế đảm bảo an ninh lương thực và năng lượng quốc gia cũng
như cải tiến hơn về mặt cơng nghệ, đây cũng là lý do để tìm kiếm nguồn nguyên liệu
cho thế hệ nhiên liệu sinh học thứ hai ra đời.
Nhằm hạn chế những nhược điểm của thế hệ nhiên liệu sinh học thứ nhất, nguồn
nguyên liệu sử dụng để tạo ra nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể lấy từ nguồn
nguyên liệu phế thải của nông nghiệp hay các cây được trồng trên đất bạc màu, bỏ
hoang (sản xuất từ Cellulose), ví dụ như cỏ Switchgrass, cây cọc rào (Jatropha) [14].
Về cơ bản nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai có thể khơng đe dọa đến an ninh lương
thực quốc gia nhưng có thể gây ô nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên nước, giảm
diện tích rừng, nguy cơ từ sự độc canh, thêm vào đó là chi phí để chuyển hóa Sen-lulơ thành đường đắt hơn so với chi phí chuyển tinh bột thành đường. Chính vì vậy,
nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba đã ra đời, được cho là có thể giải quyết được hầu hết
các vấn đề đang tồn tại.
Có thể nói nhiên liệu sinh học từ tảo chính là nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba có
thể thỏa mãn đồng thời được hai mục tiêu: tạo ra năng lượng và góp phần làm sạch

mơi trường. Bởi vì mỗi tế bào tảo là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng q trình
quang hợp để chuyển hóa CO2 và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế
bào và tạo ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao, hoạt động này có thể tăng gấp nhiều
lần trong một ngày[15]. Trong quá trình quang hợp, tảo sẽ sản xuất ra dầu ngay trong
tế bào của chúng, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần so với lượng dầu từ hạt
đậu nành ở cùng một đơn vị diện tích. Đồng thời tảo có thể tăng khả năng sản xuất
dầu bằng cách bổ sung khí CO2 trong q trình ni trồng chúng hoặc sử dụng các
môi trường giàu chất hữu cơ như nước thải để nuôi trồng. Điều này vừa tạo ra nhiên
liệu sinh học, vừa làm giảm lượng CO2 cũng như làm sạch môi trường [16]. Tuy
nhiên, trở ngại lớn nhất đối với thế hệ thứ ba là vấn đề về việc sản xuất dầu tảo vẫn
có giá thành cao hơn nhiều so với sản xuất nhiên liệu diesel từ dầu mỏ[17].
Ngoài ra, một thế hệ thứ tư của nhiên liệu sinh học đã được đề xuất và phát triển
dựa trên sự ứng dụng của ảnh hay điện sinh học. Trong đó, các thiết bị quang – điện
5