Báo cáo 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 (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo 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 (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CUNG CẤP ĐẾN ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG S K CƠC 0 0 3 9 5 9 VIKYNO RV125-2 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG - DIESEL MÃ SỐ: T2015 - 53TD S KC 0 0 4 8 0 8 Tp. Hồ Chí Minh, 2015
2. MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CNG 1 1.1. Nhiên liệu và tình trạng ô nhiễm môi trường. 1 1.2. Khí thiên nhiên nén CNG – Nguồn nhiên liệu thay thế phù hợp. 3 1.2.1. Trữ lượng và tình hình khai thác. 4 1.2.2. Tính chất vật lý của khí CNG. 6 1.2.3. Đặc tính kỹ thuật của khí CNG. 6 1.2.4. Ưu nhươc̣ điểm của CNG. 7 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC ỨNG DỤNG VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU KÉP ĐÃ CÓ. 10 2.1 Tình hình ứng dụng nhiên liệu CNG trên ô tô. 10 2.2. Các phương pháp chuyển đổi động cơ xăng – diesel hiện có sang sử dụng CNG. 14 2.2.1. Chuyển đổi đôṇ g cơ xăng sang đôṇ g cơ sử duṇ g hoàn toàn bằng CNG. 14 2.2.2. Chuyển đổi đôṇ g cơ xăng thành đôṇ g cơ sử duṇ g xăng – CNG. 15 2.2.3. Chuyển đổi đôṇ g cơ diesel sang sử duṇ g khí CNG , đốt cháy hỗn hơp̣ nhờ tia lử a điêṇ của bugi. 16 2.2.4. Chuyển đổi đôṇ g cơ diesel sang hoaṭ đôṇ g bằng nhiên liệu kép CNG –Diesel. 17 2.3. Các phương pháp cung cấp nhiên liệu trên động cơ nhiên liệu kép. 20 2.3.1. Cung cấp khí CNG cho đôṇ g cơ sử duṇ g bô ̣hòa trôṇ . 20 2.3.2. Cung cấp CNG cho đôṇ g cơ sử duṇ g bô ̣hòa trôṇ kết hơp̣ với van tiết lưu và van công suất. 21 2.3.3. Cung cấp CNG cho đôṇ g cơ bằng phương pháp phun CNG trên đường nạp. 22 2.3.4. Cung cấp CNG cho đôṇ g cơ bằng phương pháp phun CNG trực tiếp vào buồng cháy. 23 2.4. Chọn phương án cung cấp nhiên liệu cho động cơ VIKINO RV125-2. 24 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU COMMON RAIL DIESEL INJECTION (CRDI) VÀ CNG
3. TRÊN ĐỘNG CƠ VIKYNO RV125-2. 26 3.1. Thông số kỹ thuật động cơ VIKYNO RV125-2. 26 3.1.1. Thông số kỹ thuật động cơ. 27 3.1.2. Đồ thị đặc tính động cơ. 28 3.2. Thiết kế hệ thống nhiên liệu CRDI và CNG. 28 3.2.1. Phương án thiết kế. 28 3.2.2. Xây dựng mô hình hệ thống. 30 3.2.3. Thiết kế, lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu diesel CRDI. 32 3.2.3.1. Bơm cao áp HP3. 32 3.2.3.2. Ống phân phối và cảm biến áp suất. 34 3.2.3.3. Kim phun diesel. 35 3.2.4. Thiết kế, lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG 35 3.2.4.1. Bình chứa và van điện từ cấp CNG. 35 3.2.4.2. Bộ giảm áp CNG. 36 3.2.4.3. Kim phun CNG. 36 3.2.5. Thiết kế, lắp đặt cụm cảm biến tín hiệu đầu vào. 37 3.3. Mô hình toán học xác định các thông số cơ bản trong hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-Diesel. 38 3.3.1. Lượng nhiên liệu cung cấp cho một xylanh trong một chu trình công tác. 38 3.3.2. Lượng nhiên liệu lý thuyết bơm phải cung cấp để bảo đảm cho động cơ hoạt động. 39 3.3.3. Thiết lập các phương trình động lực học khí CNG qua các van tiết lưu. 40 3.3.4. Thiết lập các điều kiện biên cho hệ thống phun nhiên liệu khí CNG điều khiển điện tử 41 3.4. Xây dựng mô hình thuật toán hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG- Diesel. 42 3.4.1. Thuật toán điều khiển chung của bộ điều khiển (ECU) 42 3.4.2. Lập trình điều khiển phun CNG-Diesel. 43 3.5. Thiết kế mạch điều khiển. 45 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM ĐO CÔNG SUẤT VÀ MỨC ĐỘ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ VIKYNO RV 125-2 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG-
4. DIESEL 46 4.1. Đặt vấn đề. 46 4.2. Mô hình thực nghiệm. 47 4.2.1. Sơ đồ hệ thống thực nghiệm: 47 4.2.2. Cân nhiện liệu diesel. 48 4.2.3. Cân nhiên liệu CNG. 48 4.2.4. Hệ thống băng thử động cơ tĩnh tại 1 xylanh. 48 4.2.5. Thiết bị đo khí thải. 49 4.2.6. Máy phân tích độ mờ khói. 49 4.3. Kết quả thực nghiệm. 50 4.3.1. Thực nghiệm đánh giá đặc tính mô-men và công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel. 50 4.3.2. Thực nghiệm đánh giá đặc tính phát thải của động cơ khi sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel. 54 4.3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ CNG/diesel đến đặc tính phát thải của động cơ. 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận. 2. Kiến nghị. TÀI LIỆU THAM KHẢO
5. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Mức độ các chất độc hại của các nhiên liệu (EIA-1998) 1 Bảng 1.2: Tier 4 Emission Tiêu chuẩn động cơ lên đến 560 kW. 2 Bảng 1.3: Giai đoạn III và IV - Tiêu chuẩn phát thải cho động cơ Diesel Nonroad. 3 Bảng 1.4: Giai đoạn IV - Tiêu chuẩn phát thải cho động cơ Diesel Nonroad. 3 Bảng 1.5: Những nước có trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhất trên thế giới năm 2013. 4 Bảng 1. 6: Đặc tính kỹ thuật của CNG. 6 Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của động cơ VIKYNO RV125-2. 27 Bảng 3.2. Thông số cảm biến áp suất nhiên liệu diesel. 34 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật bình chứa CNG. 36 Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật của bộ giảm áp. 36 Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật kim phun CNG. 37 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật thiết bị đo khí xả HG-520: 49 Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật thiết bị đo độ mờ khói AVL Dismoke: 50 Bảng 4.3. Kết quả đo mô-men và công suất của động cơ thực nghiệm. 51 Bảng 4.4. Kết quả đo mô-men và công suất của động cơ thực nghiệm. 52 Bảng 4.5: Mức độ phát thải CO của động cơ RV 125-2. 54 Bảng 4.6: Mức độ phát thải HC của động cơ RV 125-2. 55 Bảng 4.7: Mức độ phát thải Opacity của động cơ RV 125-2. 56 Bảng 4.8: Độ mờ khói (%), CO (%) của động cơ ở tốc độ 1.800 v/ph, tải 100% theo tỷ lệ % CNG. 58
6. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Bản đồ phân bố các bể trầm tích trên thềm lục địa nước ta. 5 Hình 1.2: Một trạm nạp CNG đang hoạt động tại Việt Nam 8 Hình 2.1: Honda Civic GX 1.8L chạy hoàn toàn bằng CNG 11 Hình 2.2: Mẫu xe Ford F150 chạy hoàn toàn bằng CNG 11 Hình 2.3: Mẫu xe Volkswagen Eco-Up Bi-fuel 12 Hình 2.4: Mẫu xe Audi A3 Sportback G-Tron sử dụng nhiên liệu CNG. 13 Hình 2.5: Xe Bus chạy CNG của IVECO. 13 Hình 2.6: Xe đầu kéo chạy dual fuel của IVECO. 14 Hình 2.7:Một hệ thống nhiên liệu CNG đơn điển hình. 14 Hình 2.8: Hệ thống nhiên liệu kép xăng-CNG. 15 Hình 2.9: Động cơ diesel chuyển đổi sang hoạt đôṇ g 100% CNG. 16 Hình 2.10: Ảnh hưởng của tốc đô ̣quay đôṇ g cơ đến áp suất xilanh. 17 Hình 2.11: Sơ đồ mô tả hệ thống nhiên liệu kép CNG-diesel. 18 Hình 2.12: Cung cấp khí CNG dùng bô ̣hòa trôṇ . 20 Hình 2.13: Cung cấp khí CNG dùng bô ̣hoà trôṇ kết hơp̣ van tiết lưu. 21 Hình 2.14: Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trên đường nạp. 22 Hình 2.15: Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp. 23 Hình 2.16: Sơ đồ một hệ thống sử dụng nhiên liệu kép Diesel-CNG điển hình. 24 Hình 3.1: Động cơ VIKYNO RV125-2. 26 Hình 3.2: Đồ thị đặc tính của động cơ. 28 Hình 3.3: Hệ thống nhiên liệu cũ động cơ VIKYNO RV125 29 Hình 3.4: Sơ đồ thiết kế hệ thống common rail trên động cơ Vikyno RV 125-2 29 Hình 3.5: Bố trí song song hai hệ thống nhiên liệu CRDI và CNG 30 Hình 3.6: Mô hình hệ thống cung cấp nhiên liệu kép CNG-Diesel 31 Hình 3.7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện tử điều khiển quá trình cung cấp hệ thống nhiên liệu kép CNG-diesel. 32 Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống dẫn động bơm cao áp HP3 và vị trí lắp 33 Hình 3.11: Kim phun nhiên liệu diesel và vị trí lắp đặt 35 Hình 3.12: Bình chứa làm bằng vật liệu composite và van điện từ cấp CNG. 35 Hình 3.13: Bộ giảm áp khí CNG. 36
7. Hình 3.14: Kim phun CNG. 37 Hình 3.15: Các cảm biến lắp trên động cơ. 38 Hình 3.16: Sơ đồ điều khiển chung ECU. 43 Hình 3.17: Giản đồ thời điểm phun nhiên liệu kép CNG-diesel. 44 Hình 3.18: Sơ đồ mạch điều khiển tổng thể. 45 Hình 4.1: Mô hình động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel. 47 Hình 4.2: Sơ đồ thực nghiệm động cơ VIKYNO RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép. 47 Hình 4.3: Cân điện tử Vibra. 48 Hình 4.4: Cân nhiên liệu CNG. 48 Hình 4.5: Hệ thống băng thử động cơ tĩnh tại. 49 Hình 4.6: Thiết bị phân tích khí xả Heshbon HG-520. 49 Hình 4.7: Thiết bị AVL Dismoke 4000. 50 Hình 4.8: Công suất của động cơ thực nghiệm VIKYNO RV125-2. 51 Hình 4.9: Mô-men của động cơ thực nghiệm VIKYNO RV125-2. 52 Hình 4.10: Công suất của động cơ thực nghiệm VIKYNO RV125-2. 53 Hình 4.11: Mô-men của động cơ thực nghiệm VIKYNO RV125-2. 53 Hình 4.12: Biểu đồ nồng độ CO của động cơ RV 125-2 ở các chế độ. 55 Hình 4.13: Biểu đồ nồng độ HC của động cơ RV 125-2 ở các chế độ. 56 Hình 4.14: Biểu đồ độ mờ khói của động cơ RV 125-2 ở các chế độ. 57 Hình 4.15: Độ mờ khói ở tốc độ 1.800 v/ph, tải 100% của động cơ theo tỷ lệ % CNG sử dụng. 58 Hình 4.16: Nồng độ CO ở tốc độ 1.800 v/ph, tải 100% của động cơ theo tỷ lệ % CNG sử dụng. 59
8. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Diễn giải CNG Compressed Natural Gas (khí thiên nhiên nén) LPG Liquefied Petroleum Gas (khí hóa lỏng) LNG Liquefied Natural Gas (khí thiên nhiên hóa lỏng) DO Diesel CRDI Common Rail Diesel Injection EPA Environmental Protection Agency (Cơ quan bảo vệ môi trường) EIA Energy Information Administration (Cơ quan quản lý thông tin năng lượng) SCV Suction Control Valve (Van điều khiển lượng nhiên liệu nạp) ECU Electronic Control Units φ Góc quay trục khuỷu n Tốc độ động cơ ge Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ASN Áp suất nén A/F Air/Fuel (tỷ số hỗn hợp không khí/nhiên liệu) Me Momen động cơ Ne Công suất động cơ t Thời gian CO2 Carbon Dioxide CO Carbon Monoxide NOx Nitrogen Oxides SO2 Sulfur Dioxide PM Particulates Matter (độ mờ khói) Hg Mercury QT Quantity ( mức tải) HC Hydro Carbure LHV Low Heating Value (nhiệt trị thấp)
9. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Tp. HCM, ngày 15 tháng 11 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của điều kiện cung cấp đến đặc tính phát thải trên động cơ VIKINO RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel - Mã số: T2015-53TĐ - Chủ nhiệm: ThS. Huỳnh Phƣớc Sơn - Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện: Từ tháng 3 năm 2015 đến tháng 02 năm 2016 2. Mục tiêu: Nghiên cứu các ảnh hưởng của một số chế độ điều khiển động cơ đến các đặc tính phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu CNG/diesel. Trên cơ sở đó đề xuất phương án điều khiển cho động cơ sử dụng nhiên liệu kép. 3. Tính mới và sáng tạo: Đánh giá mức độ phát thải của động cơ diesel khi chuyển sang sử dụng nhiên liệu kép CNG-diesel nhằm làm cơ sở cho việc nghiên cứu chuyển đổi nhiên liệu của các động cơ nhiệt. 4. Kết quả nghiên cứu: Các kết quả thực nghiệm đặc tính phát thải của động cơ VIKINO RV125-2 sử dụng nhiên liệu kép CNG-Diesel. 5. Sản phẩm: - Hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu kép CNG-Diesel áp dụng trên mẫu động cơ VIKINO RV125-2. - 01 bài báo khoa học. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Ứng dụng trong nghiên cứu sử dụng nhiên liệu CNG trên các động cơ nhiệt. Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên)
10. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Researching experiment influences of supply condition to emission characteristic on VIKYNO RV125-2 using CNG-Diesel dual fuel. Code number: T2015-53TĐ Coordinator: M.E. Huynh Phuoc Son Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education Duration: From March, 2015 to February, 2016 2. Objective(s): Research and assess effect of condition supply to emission characteristics of VIKYNO RV125-2 engine using dual fuel CNG-diesel. These research results are fundamental for propose solutions to control engine using dual fuel. 3. Creativeness and innovativeness: Design, manufacture a electronic control system for supplying dual fuel CNG-Diesel mixture in diesel engine with high compress ratio. Assess emission characteristics of diesel engine when using CNG/diesel to apply for study of engines using dual fuel. 4. Research results: The experimental results of emission characteristics on VIKYNO RV125-2 engine using dual fuel CNG-diesel. 5. Products: - The control system for CNG-Diesel dual fuel supplying system based on VIKINO RV125-2 engine. - 01 science paper. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: Apply for researching on use of CNG in combustion engine.
11. 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
12. 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. 2. 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 môṭ số đặc tính đôṇ g cơ khi sử duṇ g nhiên liệu kép. 3. 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 kết 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 phần nghiên cứu ứng dụng CNG trên động cơ diesel. 4. Đối tƣợng nghiên cứu. Động cơ VIKYNO RV125-2, lắp đặt hệ thống nhiên liêụ kép CNG-diesel.
13. 5. 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 cứ u lý thuy ết và thực nghiệm, xây dựng mô hình thực nghiệm. - Phương pháp nghiên cứu, đánh giá.
14. 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 1.1. Nhiên liệu và tình trạng ô nhiễm môi trƣờng. Năng lươṇ g là môṭ trong những vấn đề đươc̣ quan tâm hàng đầu trên thế giới , đăc̣ biêṭ là nhiên liêụ hóa thac̣ h . Theo hôị đồng năng lươṇ g thế giới (WEC): trong lòng đất còn 223 tỷ tấn dầu và 209.000 tỷ m3 khí đốt. Với mứ c đô ̣ tiêu thu ̣hiêṇ nay , khối lươṇ g 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 ). Bảng 1.1 : 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
15. 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]. Bảng 1.2: Tier 4 Emission Tiêu chuẩn động cơ lên đến 560 kW. Ne Năm CO NMHC NMHC+NOx NOx PM kW < 8 8.0 2008 - 7.5 (5.6) - 0.4(0.3) (hp < 11) (6.0) 8 ≤ kW < 19 6.6 2008 - 7.5 (5.6) - 0.4 (0.3) (11 ≤ hp < 25) (4.9) 5.5 0.3 19 ≤ kW < 37 2008 - 7.5 (5.6) - (4.1) (0.22) 5.5 0.03 (25 ≤ hp < 50) 2013 - 4.7 (3.5) - (4.1) (0.022) 5.0 0.3 37 ≤ kW < 56 2008 - 4.7 (3.5) - (3.7) -0.22 5.0 0.03 (50 ≤ hp < 75) 2013 - 4.7 (3.5) - (3.7) (0.022) 56 ≤ kW < 130 2012- 5.0 0.19 0.40 0.02 - (75 ≤ hp < 175) 2014 (3.7) (0.14) (0.30) (0.015) 130 ≤ kW ≤ 560 2011- 3.5 0.19 0.40 0.02 - (175 ≤ hp ≤ 750) 2014 (2.6) (0.14) (0.30) (0.015) 2
16. 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). Bảng 1.3: 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 3.5 - 4 - 0.2 I 75 ≤ P < 130 2007 5 - 4 - 0.3 J 37 ≤ P < 75 2008 5 - 4.7 - 0.4 K 19 ≤ P < 37 2007 5.5 - 7.5 - 0.6 Giai đoạn III B L 130 ≤ P ≤ 560 2011 3.5 0.2 - 2 0.03 M 75 ≤ P < 130 2012 5 0.2 - 3.3 0.03 N 56 ≤ P < 75 2012 5 0.2 - 3.3 0.03 P 37 ≤ P < 56 2013 5 - 4.7 - 0.03 Bảng 1.4: 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 3.5 0.2 0.4 0.03 R 56 ≤ P < 130 2014 5 0.2 0.4 0.03 1.2. 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
17. 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.[2] 1.2.1. Trữ lƣợng và tình hình khai thác. Hiện nay trên thế giới sản lượng khí thiên nhiên đạt khoảng 2 tỉ Tep/năm (1 Tep = 1176 m3 khí thiên nhiên). Theo ước tính đến năm 2020 sản lượng đó sẽ đạt 2.6 tỉ Tep/năm so với dầu thô là 3.5 tỉ Tep [3]. Trữ lượng trên toàn thế giới đạt khoảng 150 tỉ Tep tương đương với trữ lượng của dầu thô. Khí thiên nhiên là một nguồn cung cấp thuận tiện và an toàn hơn dầu mỏ do nó phân bố rộng khắp trên toàn cầu. Bảng 1.5: Những nước có trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhất trên thế giới năm 2013. Trữ lƣợng Tỷ lệ % Quốc gia (Nghìn tỷ mét khối) (So với thế giới) Liên Bang Nga 47,700 24,9% Iran 33,610 17,5% Qatar 25,200 13,1% 4
18. 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 Hoa Kỳ 9,459 4,9% Ả rập Saudi 8,150 4,2% Turkmenistan 7,504 3,9% Ả Rập Thống Nhất 6,089 3,2% Venezuela 5,524 2,9% Nigeria 5,153 2,7% Algeria 4,504 2,3% Việt Nam là một quốc gia được đánh giá cao về tiềm năng khí thiên nhiên. Các tính toán dự báo đã khẳng định tiềm năng dầu khí Việt Nam tập trung chủ yếu ở thềm lục địa, trữ lượng khí thiên nhiên có khả năng nhiều hơn trữ lượng dầu. 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. Hiện nay Việt Nam có trữ lượng khí thiên nhiên NG dự kiến vào khoảng 2.694 tỷ m3, đã phát hiện khoảng 962 tỷ m3. Các mỏ Nam Côn Sơn, Bách Hổ, Rạng Đông được khai thác với sản lượng trên 10 triệu m3/ngày. Nhà máy sản xuất CNG đầu tiên của Việt Nam được xây dựng tại KCN Phú Mỹ, Bà Rịa Vũng Tàu hoạt động từ năm 2007 với công suất 30 triệu m3/năm. Qua đánh giá về trữ lượng khí thiên nhiên của Việt Nam, cùng các lợi thế về địa lý của TP. HCM gần nơi tập trung các mỏ khí lớn, vì vậy việc đảm bảo cung cấp CNG cho phương tiện giao thông vận tải hoàn toàn khả thi. Hình 1.1: Bản đồ phân bố các bể trầm tích trên thềm lục địa nước ta. 5
19. 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 1.2.2. Tính chất vật lý của khí CNG. Khí CNG không màu, không mùi, không độc, nhẹ hơn không khí, không chứa chì hoặc lưu huỳnh, khi cháy hoàn toàn sinh ra CO2 và nước nên khi sử dụng vào động cơ sẽ làm giảm lượng khí thải có hại. Để nhận biết sự rò rỉ người ta thêm hóa chất vào để làm cho CNG có mùi. Khí thiên nhiên là hỗn hợp khí cháy được, bao gồm phần lớn là các hydrocarbon. Khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu là metan CH4 có thể chiếm 80-90% tùy theo nguồn khai thác, Etan (C2H6) chiếm khoảng 8,7% thể tích , còn lại là những thành phần khác như Ethylene (C2H4), Propane (C3H8). 1.2.3. Đặc tính kỹ thuật của khí CNG. Bảng 1. 6: Đặc tính kỹ thuật của CNG. Đặc tính CNG Diesel Xăng Thành phần % trọng lượng C:H:O 75:25:00 86:13:01 85:13:01 Trọng lượng riêng (N/m3) 6.5 0.81-0.89 0.69-0.79 Trọng lượng phân tử (N) 16 100-105 199 Nhiệt lượng riêng (kJ/kg0K) 2.51 2 2.2 Nhiệt trị thấp (x1000kJ/L) 50 43 35 - 37 Chỉ số octan 130 88 - 100 Nhiệt độ tự cháy (0C) 650 250 227 - 500 Điểm sôi (0C) -162 27- 225 188-343 Điểm ngưng tụ (0C) -182 -40 -40 ÷ -1 Áp suất hơi (kPa –38 0C) 125 48-104 <0.1 Độ nhớt (mPa.s) 0,01 0,37-0,44 2,6-4,1 Tỷ số A/F 17,24 14,7 14,7 Nhiệt trị riêng khối lượng của CNG cao hơn (khoảng 10%) so với nhiên liệu lỏng thông thường. Cùng hiệu suất như nhau, suất tiêu hao nhiên liệu (tính theo khối lượng) của động cơ dùng CNG giảm cũng chừng ấy lần. 6
20. 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 Trị số octane của CNG cao hơn so với xăng. Trong động cơ chuyên dụng dành cho CNG thì công suất, tính gia tốc và tốc độ tiết kiệm của ô tô CNG tốt hơn ô tô dùng động cơ xăng. Do quá trình cháy của CNG có đặc điểm sạch hơn, nên ô tô sử dụng động cơ CNG hoạt động hiệu quả hơn so với ô tô sử dụng xăng, làm tăng tuổi thọ cho ô tô. Ở những ô tô làm việc nặng thì động cơ sử dụng CNG sẽ ít ồn hơn so với động cơ diesel. Khi bị tràn ra ngoài do tai nạn, thì CNG không gây hại cho đất và nước, nó không độc. Khả năng phân tán của CNG nhanh, giảm tối thiểu sự nguy hiểm cháy nổ liên quan đến nhiên liệu. 1.2.4. Ƣu nhƣơc̣ điểm của CNG. Khí thiên nhiên nén CNG có rất nhiều ứng dụng trong dân dụng, thương mại và công nghiệp. Khí thiên nhiên nén đã thể hiện được rất nhiều tính năng vượt trội và ưu điểm hơn so với một số loại nhiên liệu khác, được đánh giá cao trên nhiều phương diện như: công nghệ, hiệu quả kinh tế và đặc biệt là về môi trường. - Về công nghệ: Quy trình công nghệ xử lý và chế biến khí thiên nhiên nén về nhiều mặt ít phức tạp hơn so với quy trình công nghệ xử lý và lọc dầu thô. Hiệu suất nhiệt của động cơ sự dụng khí thiên nén cũng cao hơn so với Xăng, Dầu DO, FO, Than, LPG. Khí thiên nhiên nén không chứa các tạp chất gây ăn mòn động cơ, khi đốt không sinh ra muội than đóng trên bề mặt làm việc của buồng đốt do đó làm tăng tuổi thọ của động cơ và các thiết bị sử dụng khí thiên nhiên nén. Có thể chuyển đổi động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống thành động cơ sự dụng hoàn toàn nhiên liệu CNG, hoặc động cơ sử dụng nhiên liệu kép. - Về hiệu quả kinh tế: 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, tiết kiệm được khoảng 50-60% giá thành vận chuyển so với động cơ xăng, dầu diesel. TS Phạm Xuân Mai, Trưởng khoa Kỹ thuật giao thông - ĐH Bách khoa TPHCM, tính toán: giá 1 tấn khí CNG là 318 USD, chỉ bằng 53,5% giá xăng, 42% giá dầu. Mỗi xe buýt sử dụng CNG hoạt động 1 năm tiết kiệm 8.308 USD nhiên liệu so với dầu diesel. Với 10.000 xe tại 7
21. 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 TPHCM, nếu chuyển sang sử dụng khí CNG sẽ tiết kiệm 83.080.000 USD mỗi năm.[5] - Về môi trƣờng: Do thành phần của khí thiên nhiên nén chủ yếu là metan, qua xử lý để loại bỏ các tạp chất độc hại như: H2S, NOx, CO2, N2 và đặc biệt là không chứa benzene và hydrocarbon thơm, nên khi đốt không sinh ra nhiều khí độc như SO2, NO2, CO , và hầu như không phát sinh bụi. Thành phần chính trong khí thải của quá trình đốt cháy khí thiên nhiên chủ yếu là H2O, CO2 và một tỷ lệ rất nhỏ các chất gây ô nhiễm môi trường là CO, NOx, và muội than. Hàm lượng hydrocarbon trong khí thải thấp hơn so với nhiên liệu xăng dầu. Khí tự nhiên được tồn trữ trong hệ thống khép kín và không bị bay hơi ra ngoài không khí như xăng dầu, do đó không thải hydrocarbon ra môi trường.  Bên cạnh những ưu điểm thì nhiên liệu CNG vẫn còn có các yếu tố hạn chế như: - Yêu cầu về thiết bị lưu trữ phải đủ bền, sức chứa thấp (bằng 40% LPG), yêu cầu kĩ thuật khắt khe do phải chứa khí nén ở áp suất cao (200 – 250 bar). Do đó chi phí vận chuyển và lưu trữ cao hơn các nhiên liệu truyền thống. - Các động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống hiện nay khi cải tạo để sử dụng nhiên liệu khí chưa phát huy hết tính năng của CNG. Dù có chuyển đổi cũng làm thay đổi thiết kế và các tính năng động lực học của xe. Yêu cầu thiết kế lại một động cơ mới hoàn toàn để sử dụng CNG chi phí khá cao. Hình 1.2: Một trạm nạp CNG đang hoạt động tại Việt Nam 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4