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 CƠ VIKYNO RV125-2
SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP CNG - DIESEL
S
K
C
0
0
3
9
5
9
MÃ SỐ: T2015 - 53TD
S KC 0 0 4 8 0 8
2.3.4. Cung cấ p CNG cho đô ̣ng cơ bằ ng phương pháp phun CNG trực tiếp vào
buồ ng
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
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
TÀI LIỆU THAM KHẢO
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
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 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
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Diễn giải
CNG
Compressed Natural Gas (khí thiên nhiên nén)
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
Quantity ( mức tải)
HC
Hydro Carbure
LHV
Low Heating Value (nhiệt trị thấp)
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:
(ký, họ và tên)
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.
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
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 CNGDiesel (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.
Năng lươ ̣ng là mô ̣t trong những vấ n đề đươ ̣c quan tâm hàng đầ u trên thế giới ,
đă ̣c biê ̣t là nhiên liê ̣u hóa tha ̣ch . Theo hô ̣i đồ ng năng lươ ̣ng thế giới (WEC): trong lòng
đấ t còn 223 tỷ tấn dầu và 209.000 tỷ m3 khí đốt. Với mức đô ̣ tiêu thu ̣ hiê ̣n nay , khố i
lươ ̣ng 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
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
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
kW < 8
(hp < 11)
8 ≤ kW < 19
(11 ≤ hp < 25)
Năm
2008
-
0.4 (0.3)
-
7.5 (5.6)
-
-
4.7 (3.5)
-
-
4.7 (3.5)
-
-
4.7 (3.5)
-
19 ≤ kW < 37
130 ≤ kW ≤ 560
2011-
3.5
0.19
2014
(2.6)
(0.14)
(175 ≤ hp ≤ 750)
(4.1)
5.5
(4.1)
5.0
(3.7)
5.0
(3.7)
2
-
-
Bảng 1.3: Giai đoạn III và IV - Tiêu chuẩn phát thải cho động cơ Diesel Nonroad.
Loại
Ne
Đơn vị: kW
Năm
CO
HC
HC+NOx
NOx
PM
Đơn vị: g/kWh
Giai đoạn III A
H
130 ≤ P ≤ 560
2006
3.5
-
-
4.7
-
0.4
K
19 ≤ P < 37
2007
5.5
-
7.5
-
0.6
Giai đoạn III B
L
130 ≤ P ≤ 560
56 ≤ P < 75
2012
5
0.2
-
3.3
0.03
P
37 ≤ P < 56
2013
5
-
4.7
-
0.03
R
56 ≤ P < 130
2014
5
0.2
0.4
0.03
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
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.
Liên Bang Nga
47,700
24,9%
Iran
33,610
17,5%
Qatar
25,200
13,1%
Quốc gia
4
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
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
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.
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
48-104
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
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 SO 2, 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.
-
Copyright: Tài liệu đại học ©