Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu

- Điều này đang gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống và gây ô nhiễm môi trường trầm trọng do phát thải độc hại của các động cơ sử dụng nhiên liệu này.
- Trong khi đó nhập khấu các động cơ này cũng rất đắt so với động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống nên khó đáp ứng được khả năng chi trả của người sử dụng.
- Việc chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang sử dụng CNG bằng phương pháp cấp CNG vào đường nạp sẽ khắc phục được khó khăn về chi phí và có ý nghĩa thực tiễn cao nhưng công suất động cơ giảm nhiều do CNG là nhiên liệu khí chiếm nhiều chỗ của không khí nạp.
- Do đó, cần nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến tính năng làm việc của động cơ khi sử dụng CNG và từ đó nghiên cứu giải pháp khắc phục một phần sự suy giảm công suất này.
- Đây cũng chính là lý do để tác giả thực hiện đề tài “Nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu” để góp phần vào đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho động cơ và giảm ô nhiễm môi trường.
- Làm chủ công nghệ chuyển đổi động cơ xăng đang lưu hành sang sử dụng CNG và đưa ra giải pháp công nghệ sử dụng phụ gia cho CNG để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu này.
- Đánh giá ảnh hưởng của CNG và các phương pháp cung cấp CNG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi chuyển đổi sang sử dụng hoàn toàn CNG.
- Đánh giá ảnh hưởng của phụ gia nhiên liệu đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng hiện hành sử dụng CNG.
- Lý thuyết: Sử dụng phần mềm AVL-Boost nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng 1NZ-FE sử dụng CNG nhằm đánh giá chỉ các tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ và ảnh hưởng của phương pháp cung cấp CNG và góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc của động cơ.
- từ đó đề xuất hướng nghiên cứu thực nghiệm chuyển đổi động cơ sang sử dụng CNG.
- Thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo và trang bị các hệ thống cung cấp CNG và cung cấp phụ gia nhiên liệu để phục vụ nghiên cứu thực nghiệm sử dụng CNG và nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ xăng đang lưu hành.
- nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của CNG và phụ gia đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ.
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Xây dựng được mô hình mô phỏng đánh giá các các thông số ảnh hưởng đến tính năng kinh tế kỹ thuật và hình thành phát thải trong động cơ sử dụng CNG.
- Hoàn thiện giải pháp chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang sử dụng CNG phù hợp với điều kiện thực tế và lần đầu tiên đưa ra được giải pháp công nghệ hiệu quả sử dụng phụ gia lỏng cho động cơ chạy nhiên liệu khí.
- Đánh giá được ảnh hưởng của CNG, phương pháp cung cấp CNG và sử dụng phụ gia đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ.
- Điểm mới của luận án - Luận án đã đánh giá được ảnh hưởng của CNG, các phương pháp cung cấp CNG, góc đánh lửa sớm và việc bổ sung phụ gia Maz-nitro đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng sử dụng CNG, làm cơ sở để chọn và hoàn thiện các giải pháp công nghệ phù hợp để sử dụng CNG một cách hiệu quả.
- Kết quả luận án cho biết, khi sử dụng hệ thống phun CNG thì công suất động cơ tăng, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải giảm so với hệ thống cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn.
- Do đó, việc chọn phụ gia Maz-nitro để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu là hợp lý, cải thiện được công suất động cơ và giảm lượng phát thải độc hại.
- Nghiên cứu mô phỏng sử dụng CNG trên động cơ xăng hiện hành bằng phần mềm AVL-Boost - Chương 3.
- Nghiên cứu tính toán thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp CNG và phụ gia cho động cơ 1NZ-FE - Chương 4.
- Các phương pháp cung cấp CNG và tạo hỗn hợp trên động cơ 1.3.2.1.
- Thêm nữa, động cơ diesel khi đã được chuyển đổi sang động cơ CNG thì động cơ sẽ không thể sẵn sàng quay lại sử dụng nhiên liệu diesel khi cần được nữa.
- Trong khi đó nếu chuyển đổi động cơ xăng thì chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG nên giá thành chuyển đổi rẻ hơn nhiều.
- Chính vì vậy đề tài này hướng tới nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chuyển đổi động xăng hiện hành sang sử dụng CNG và nghiên cứu công nghệ nâng cao hiệu quả sử dụng CNG của động cơ chuyển đổi.
- Động cơ.
- Sơ đồ hệ thống phun đa điểm CNG 5CNGECU động cơ sử dụng CNG giảm 18,5% so với sử dụng xăng ở cùng chế độ tải và tốc độ do lượng khí nạp giảm đến 14,5% vì bị nhiên liệu khí chiếm chỗ.
- Aslam và cộng sự so sánh việc sử dụng CNG và xăng trên cùng một động cơ xăng hoán cải cho thấy áp suất có ích trung bình giảm khoảng 16% khi sử dụng CNG so với khi sử dụng xăng.
- Evans và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của CNG đến tính năng làm việc và phát thải độc hại của động cơ thí nghiệm 1 xylanh Ricardo bằng phương pháp phun CNG vào cửa nạp.
- Kết quả cho thấy, công suất của động cơ giảm trung bình khoảng 12%, hiệu suất nhiệt của động cơ gần tương tự như sử dụng nhiên liệu xăng và cải thiện một chút ở vùng hỗn hợp nghèo.
- Kalam cùng cộng sự, khi chuyển đổi động cơ sử dụng xăng sang phun CNG trực tiếp, hiệu suất động cơ tăng lên khá nhiều, công suất của động cơ tăng 10% so với trường hợp sử dụng nhiên liệu xăng với cùng hệ số dư lượng không khí.
- Ở Việt Nam Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí biogas và LPG, còn việc nghiên cứu sử dụng CNG trên động cơ thì chưa nhiều.
- Nghiên cứu nâng cao hiệu quả sử dụng CNG trên động cơ chuyển đổi Nói chung các kết quả nghiên cứu đều chỉ ra rằng khi chuyển động cơ xăng sang sử dụng CNG bằng việc cung cấp CNG vào đường ống nạp, phát thải của động cơ cải thiện nhiều nhưng công suất động cơ giảm đến 20% so với khi sử dụng xăng.
- Do đó, cần nghiên cứu áp dụng một số giải pháp công nghệ để hạn chế sự suy giảm công suất của động cơ chuyển đổi, có thể gồm: 1.3.5.1.
- Tuy nhiên, các biện pháp này cần thay đổi nhiều về kết cấu động cơ, làm tăng chi phí nên khó áp dụng cho việc chuyển đổi động cơ hiện hành sang sử dụng CNG.
- Bổ sung hydro Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng bổ sung hydro vào động cơ CNG là một phương pháp hữu hiệu để cải thiện quá trình cháy, từ đó giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải của động cơ.
- Trong các loại phụ gia này, Maz-nitro, một phụ gia hữu cơ dạng lỏng, được chứng 6 minh là có hiệu quả cao về cải thiện công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng.
- Công Thức “MAZ-NITRO” Thành phần Thành phần khối lượng 1-nitropropane Nitroethane Nitromethane Toluen Chất bôi trơn (dầu Ete cải tiến) Tổng Đề tài luận án này chọn nghiên cứu sử dụng phụ gia Maz-nitro để khắc phục một phần sự suy giảm công suất của động cơ CNG so với động cơ xăng và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và phát thải của động cơ.
- Kết luận chƣơng 1 Việc sử dụng nhiên liệu thay thế trong ĐCĐT là cần thiết để khắc phục tình trạng thếu nhiên liệu và phát thải độc hại của động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống.
- Trong số các nhiên liệu thay thế thì khí thiên nhiên có trữ lượng lớn, phát thải độc hại thấp, đồng thời có trị số octane cao nên thích hợp sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ xăng.
- Các động cơ CNG chuyển đổi có tính kinh tế nhiên liệu cao và phát thải độc hại thấp hơn nhiều so với động cơ xăng nguyên thủy.
- Tuy nhiên, vấn đề tồn tại là động cơ chuyển đổi sử dụng hệ thống cung cấp CNG vào đường nạp có công suất giảm nhiều so với động cơ nguyên thủy, giảm tới 20%.
- Đề tài này sẽ nghiên cứu biện pháp để tối ưu hóa quá trình làm việc của động cơ với CNG để hạn chế sự suy giảm công suất và cải thiện tính năng kinh tế và phát thải của động cơ.
- 2- Nghiên cứu điều chỉnh góc đánh lửa sớm phù hợp trong động cơ chuyển đổi.
- 3- Nghiên cứu sử dụng phụ gia Maz-nitro cải thiện đặc tính làm việc của động cơ.
- Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo và trang bị các hệ thống cung cấp CNG và hệ thống cung cấp phụ gia cho động cơ.
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của CNG, các phương pháp cung cấp CNG và phụ gia Maz-nitro đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ .
- NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỬ DỤNG CNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG HIỆN HÀNH BẰNG PHẦN MỀM AVL BOOST 2.1.
- Giới thiệu chung Việc nghiên cứu mô phỏng động cơ xăng sử dụng CNG là nhằm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ xăng khi chuyển sang sử dụng CNG và ảnh hưởng của phương pháp cung cấp CNG và góc đánh lửa sớm đến đặc tính làm việc của động cơ đề xuất hướng nghiên cứu thực nghiệm hiệu quả cho việc chuyển đổi động cơ sang sử dụng nhiên liệu khí này.
- Mô hình mô phỏng động cơ 1NZ-FE Mô phỏng trên Boost trải qua các bước sau.
- Để tính toán mô phỏng các thông số đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ 1NZ-FE khi sử dụng CNG được cung cấp bằng phương pháp phun và bằng bộ hòa trộn kiểu ống venturi so với động cơ khi phun xăng, cần thiết lập mô hình động cơ này trên phần mềm AVL-Boost cho 3 trường hợp cung cấp nhiên liệu đã nói.
- Hình 2.1 thể hiện các mô hình động cơ 1NZ-FE trên phần mềm AVL-Boost, trong đó mô hình (a) được thiết lập cho động cơ khi sử dụng xăng hoặc CNG phun vào đường nạp, còn mô hình (b) là cho động cơ khi sử dụng CNG được cung cấp bởi bộ hòa trộn kiểu ống venturi.
- (a) Mô hình mô phỏng động cơ phun xăng và phun CNG.
- (b) Mô hình mô phỏng động cơ cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn kiểu ống venturi Hình 2.1.
- Mô hình động cơ 1NZ-FE trên AVL Boost.
- Đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ 2.4.1.
- Công suất Hình 2.4 thể hiện công suất của động cơ ở chế độ toàn tải từ tốc độ 1000 vòng/phút đến 4000 vòng/phút với hai loại nhiên liệu là xăng và CNG.
- Suất tiêu hao nhiên liệu Hình 2.5 so sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ toàn tải từ tốc độ 1000v/ph ÷ 4000v/ph khi sử dụng xăng RON 92, CNG phun vào cửa nạp và CNG dùng bộ hòa trộn.
- Đồ thị cho thấy, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ được cải thiện rõ rệt khi sử dụng CNG so với xăng.
- Phát thải của động cơ Kết quả tính toán mô phỏng phát thải các thành phần CO, HC và NOx của động cơ khi sử dụng 2 loại nhiên liệu xăng và CNG được thể hiện trên các đồ thị hình 2.6 đến hình 2.8.
- Các đồ thị chỉ ra sự cải thiện phát thải một cách rõ rệt của động cơ khi sử dụng CNG so với khi sử dụng xăng.
- Hình 2.6 cho thấy, phát thải CO của động cơ khi sử dụng CNG giảm trung bình 80% trên toàn dải tốc độ và giảm lớn nhất đến 87% ở tốc độ 4000v/p.
- Thêm nữa, CNG có tỷ số C/H nhỏ hơn so với xăng trong khi phát thải HC cùng được tính quy về hàm lượng C3H8 nên hàm lượng phát thải HC của động cơ khi sử dụng CNG sẽ thấp hơn nhiều so với khi sử dụng xăng.
- Động cơ phun CNG phát thải HC thấp hơn không nhiều so với động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn, mức chênh lệch lớn nhất khoảng 10%.
- Động cơ phun CNG phát thải NOx cao hơn một chút so với động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn, mức chênh lệch trung bình khoảng 15%.
- Đánh giá chung Động cơ phun xăng khi chuyển sang sử dụng CNG cấp vào đường nạp và không thay đổi kết cấu cũng như góc đánh lửa sớm của động cơ thì công suất giảm nhiều nhưng hàm lượng phát thải được cải thiện đáng kể so với động cơ nguyên thủy.
- Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ CNG cũng được cải thiện so với động cơ xăng nguyên thủy.
- Động cơ phun CNG có hàm lượng phát thải CO và HC thấp hơn so với động cơ CNG sử dụng bộ hòa trộn trong khi phát thải NOx cao hơn.
- Góc đánh lửa sớm tối ƣu của động cơ CNG 2.5.1.
- Giới thiệu chung Kết quả tính toán mô phỏng động cơ 1NZ-FE khi sử dụng CNG so với khi sử dụng xăng ở mục 2.4 nói trên được thực hiện trên cùng một động cơ được thiết kế tối ưu cho việc sử dụng xăng.
- Động cơ không thay đổi gì về kết cấu ngoài trang bị thêm hệ thống cung cấp CNG.
- Do đó, động cơ này làm việc không tối ưu với CNG.
- Thay đổi hình dạng và kết cấu buồng cháy, tăng tỷ số nén để tăng công suất và hiệu suất của động cơ.
- Mặt khác, nếu thay đổi kết cấu như vậy thì động cơ sau khi chuyển đổi sang sử dụng CNG sẽ khó quay lại sử dụng xăng khi cần được.
- Việc điều chỉnh thay đổi góc đánh lửa sớm đơn giản hơn nên nếu cần điều chỉnh để động cơ làm việc tốt hơn với CNG thì có thể nghiên cứu thực hiện.
- Chính vì vậy, phần mô phỏng sẽ nghiên cứu xác định góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ khi sử dụng CNG ở các tốc độ khác nhau.
- Từ đó xác định sự điều chỉnh cần thiết đối với động cơ xăng nguyên thủy khi chuyển sang sử dụng CNG để cải thiện các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ.
- Ảnh hưởng của góc đánh lửa sớm đến công suất, tiêu hao nhiên liệu và phát thải Kết quả tính toán mô phỏng công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và hàm lượng các thành phần phát thải độc hại của động cơ sử dụng CNG ở chế độ toàn tải, tốc độ 4000v/p khi thay đổi góc đánh lửa sớm φs theo hướng tăng dần so với góc đánh lửa sớm nguyên bản đến giá trị tăng 12 độ có BMEP lớn nhất được chỉ ra trong bảng 2.2.
- Sự thay đổi Ne, ge và hàm lượng phát thải của động cơ khi thay đổi góc đánh lửa sớm Sự thay đổi φs (độ) Thông số 0 4 8 12 Công suất Trị số (kW Tỷ lệ thay đổi.
- Cụ thể, khi tăng góc đánh lửa sớm thêm lần lượt 4, 8 và 12 độ góc quay trục khuỷu so với góc đánh lửa sớm nguyên bản của động cơ khi sử dụng xăng thì công suất tăng tương ứng và 6,4%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm với tỷ lệ tương tự.
- So sánh kết quả tính toán mô phỏng Ne và ge khi áp dụng góc đánh lửa sớm nguyên bản (NB) và khi áp dụng góc đánh lửa sớm cho BMEP lớn nhất (OP) 11 hại của động cơ khi tăng góc đánh lửa sớm cũng diễn ra tương tự như ở tốc độ 4000v/p.
- Ở đây, chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cải thiện được ít trong khi phát thải HC và NOx tăng quá lớn không đáp ứng được mục tiêu chuyển đổi động cơ sang sử dụng CNG để giảm phát thải.
- Do đó mặc dù Ne và ge cải thiện được xung quanh 3%, góc đánh lửa sớm này cũng chưa phải là tối ưu nếu quan tâm đến vẫn đề giảm phát thải cho động cơ.
- Nếu với mục tiêu giảm phát thải được coi trọng hơn khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG thì có thể không cần điều chỉnh góc đánh lửa sớm.
- Chính vì vậy, kết hợp các lý do trên, trong đề tài luận án này tác giả chọn hướng không điều chỉnh thay đổi góc đánh lửa sớm khi chuyển đổi động cơ sang sử dụng CNG.
- Việc nghiên cứu mô phỏng trên phần mềm AVL-Boost động cơ xăng 1NZ-FE chuyển sang sử dụng CNG đã được thực hiện với 2 phương pháp cung cấp CNG là phun CNG vào đường nạp và sử dụng bộ hòa trộn CNG kiểu ống venturi.
- Khi chuyển sang sử dụng CNG, sử dụng phương pháp phun CNG công suất động cơ giảm 9%-14%, và giảm đến 19% khi sử dụng bộ hòa trộn.
- Phát thải các thành phần độc hại CO, HC và NOx của động cơ sử dụng CNG giảm đáng kể so với sử dụng xăng.
- Động cơ sử dụng CNG theo phương pháp phun CNG vào đường nạp có chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải cải thiện hơn so với phương pháp cấp CNG bằng bộ hòa trộn kiểu ống venturi.
- Khi điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm so với nguyên bản, công suất và tiêu hao nhiên liệu của động cơ sử dụng CNG được cải thiện đến 6% nhưng phát thải HC và NOx tăng mãnh liệt.
- Sử dụng CNG trên động cơ xăng là phương pháp tốt để giảm phát thải độc hại và tiết kiệm nhiên liệu.
- Khi chuyển đổi động xăng sang sử dụng CNG có thể không cần thay đổi kết cấu của động cơ cũng như điều chỉnh tăng góc đánh lửa sớm mà có thể áp dụng một phương pháp khác như sử dụng phụ gia nhiên liệu để hạn chế sự giảm công suất động cơ khi chuyển sang sử dụng CNG.
- Khi chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng CNG, có thể áp dụng phương pháp phun CNG và phương pháp cung cấp CNG bằng bộ hòa trộn.
- NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP CNG VÀ PHỤ GIA CHO ĐỘNG CƠ 1NZ-FE 3.1.
- Giới thiệu chung Động cơ 1NZ-FE là động cơ phun xăng vào cửa nạp điều khiển bằng điện tử.
- Việc điều khiển đánh lửa và điều khiển phun xăng được thực hiện theo trình tự làm việc của các xi lanh động cơ.
- Các điều kiện ban đầu Thông số Giá trị Thể tích công tác của động cơ (dm3) 1,5 Tốc độ động cơ (v/ph) 6000 Áp suất không khí vào bộ hòa trộn (bar) 1 Nhiệt độ không khí vào bộ hòa trộn (oC) 35 Áp suất nhiên liệu khí vào khoang nhiên liệu bao quanh họng (bar) 1 Lưu lượng không khí nạp ở áp suất và nhiệt độ môi trường (m3/s) 0,0545 Tỷ lệ không khí/nhiên liệu cân bằng lý thuyết lt (kg/kg) 17 Hệ số lưu lượng của lỗ phun nhiên liệu 0,9 Bảng 3.2.
- Sơ đồ hệ thống cung cấp phun CNG Nhiên liệu CNG cho động cơ trong nghiên cứu này được thực hiện theo phương pháp phun đa điểm vào cửa nạp theo thứ tự làm việc của các xi lanh của động cơ.
- Ống nạp của động cơ.
- Xi lanh động cơ.
- Trong đề tài này việc cung cấp phụ gia được thực hiện bằng phương pháp phun gián đoạn, cứ 100 vòng quay của động cơ phun một lần

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt