Giáo trình Hệ thống nhiên liệu động cơ ô tô

cần phải lưu ý hiện tượng kẹt kim phun. 
 Tỉ số nén của động cơ lưỡng nhiên liệu cũng được lựa chọn vừa đủ để đảm 
bảo nhiên liệu phun mồi tự bốc cháy nhưng không làm tự cháy hỗn hợp CNG - 
không khí để tránh hiện tượng cháy kích nổ. Tỉ số nén thông thường là 14 đến 
16. 
7.3.4. Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống nhiên liệu kép Diesel – CNG 
 Ưu điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu là: 
 − Độ tin cậy khi đánh lửa cao, hiệu quả đánh lửa kéo dài và có thể đánh lửa 
 với bất kỳ độ đậm đặc nào của hỗn hợp với điều kiện là mức độ rối của hỗn 
 hợp CNG-không khí đủ lớn. 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 336 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
 − Dễ dàng chuyển đổi sang lại động cơ Diesel khi có sự cố hệ thống khí 
 CNG. 
 − Hiệu suất nhiệt động học cao. 
 Nhược điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu là tỉ số nén cao làm hạn 
chế công suất cực đại theo tính chất nhiên liệu khí, trong khi đó việc đánh lửa 
bằng tia lửa điện cho phép lựa chọn tỉ số nén tối ưu cho từng loại khí sử dụng. 
Tuy nhiên việc giảm tỉ số nén sẽ dẫn tới việc giảm hiệu suất nhiệt của động cơ. 
7.4. Quá trình cháy trong động cơ Diesel 4 kỳ sử dụng nhiên liệu CNG 
 Động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu CNG có ưu điểm nổi bật so với động 
cơ diesel sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống là mức độ gây ô nhiễm thấp. 
Trong phần này ta tìm hiểu cơ bản về quá trình cháy trong động cơ sử dụng 
CNG cũng như các kết quả nghiên cứu về phương pháp tạo hỗn hợp (phương 
pháp sử dụng bộ chế hòa khí và phương pháp phun trực tiếp CNG vào buồng 
cháy) và ảnh hưởng của các thông số nhiệt độ, áp suất, khí thải... 
 Chỉ số RON và MON của CNG theo thứ tự là 130 và 115. Đây là một ưu 
thế của khí CNG sử dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức. Do tính chống kích 
nổ tốt nên CNG cũng được sử dụng trên động cơ có tỉ số nén cao được cải tạo từ 
động cơ Diesel. Trong trường hợp này người ta thường sử dụng phương pháp 
đánh lửa bằng cách phun mồi (động cơ lưỡng nhiên liệu). Kỹ thuật này có nhiều 
lợi thế trên động cơ tĩnh tại nhưng sử dụng rất hạn chết trên động cơ vận tải do 
việc điều chỉnh phức tạp ở chế độ quá độ. Vì vậy, hiện nay hầu hết các ô tô sử 
dụng CNG đều hoạt động theo chu trình động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền 
thống. 
7.4.1. Đánh lửa và lan truyền màn lửa trong buồng cháy động cơ sử dụng 
 CNG 
 Năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp CH4 - 
không khí cao hơn nhiều so với trường hợp các hydrocacbon khác. Vì vậy, hệ 
thống đánh lửa của động cơ sử dụng CNG phải có tính năng cao hơn (bobine 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 337 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
phải có công suất cao hơn) để đảm bảo tạo ra năng lượng đánh lửa từ 100 đến 
110mJ so với 30 – 40 mJ đối với động cơ xăng truyền thống. 
 Mặt khác, giới hạn thành phần hỗn hợp có thể cháy được với khí methane 
rộng hơn các loại hydrocacbon khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp 
nghèo hơn. 
 Tốc độ lan tràn màn lửa của hỗn hợp methane - không khí tương đối thấp. 
Đặc điểm này làm giảm tính năng của động cơ vì làm tăng truyền nhiệt từ môi 
chất công tác qua thành. Để khắc phục tình trạng này người ta tăng cường thêm 
vận động rối của hỗn hợp trong buồng cháy. Tuy nhiên, tốc độ lan truyền màng 
lửa thấp của hỗn hợp methane – không khí có ưu điểm là làm giảm độ ồn của 
quá trình cháy nhờ gradient áp suất nhỏ. 
7.4.2. Thành phần và nhiệt độ của sản phẩm cháy CNG 
 Methane chỉ chứa 75% khối lượng carbon so với 87 – 88% đối với nhiên 
liệu lỏng truyền thống. Trong điều kiện cháy hoàn toàn lí thuyết, thành phần 
CO2 cực đại trong sản phẩm cháy chỉ đạt 11,7% so với 14,5% đối với iso- 
octane. Cũng nhờ hàm lượng cacbon trong methane thấp nên khi động cơ làm 
việc với hỗn hợp giàu, thành phần CO trong khí xả thấp hơn khi sử dụng các 
hydrocacbon khác. Ứng với độ đậm đặc 1,1 thành phần CO trong sản phẩm cháy 
chiếm khoảng 2,2% đối với methane và 3,3% đối với toluen. 
 Nhiệt độ của màng lửa của hỗn hợp methane – không khí thấp nên nồng 
độ NOx trong sản phẩm cháy cũng thấp. 
7.4.3. Tổ chức quá trình cháy trong động cơ Diesel dùng CNG 
 Việc cải tạo động cơ diesel sang dùng nhiên liệu khí CNG có phần phức 
tạp vì phải thêm hệ thống đánh lửa cưỡng bức và tổ chức quá trình cháy như 
động cơ xăng. Trong điều kiện đó để giảm ô nhiễm và tăng tính kinh tế của động 
cơ, người ta có thể áp dụng hai giải pháp kỹ thuật sau đây và hai giải pháp này 
đang là đối tượng nghiên cứu để tiếp tục phát triển: 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 338 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
 ➢ Giải pháp thứ nhất là cho động cơ luôn luôn làm việc với thành phần hỗn 
 hợp cháy hoàn toàn lý thuyết kết hợp với việc xử lí khí thải bằng bộ xúc 
 tác ba chức năng. Ưu điểm của nó là làm giảm mức độ phát ô nhiễm 
 nhưng nhược điểm là hiệu suất giảm so với động cơ Diesel. 
 ➢ Giải pháp thứ hai, ít có tham vọng làm giảm ô nhiễm môi trường hơn 
 nhưng có khả năng làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Giải pháp này cho 
 phép điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo điều kiện vận hành và ưu tiên sử 
 dụng hỗn hợp nghèo. 
7.4.4. Kỹ thuật tạo hỗn hợp 
 Việc định lượng chính xác nhiên liệu cung cấp ở mỗi chế độ làm việc của 
động cơ CNG đôi khi khó thực hiện. Mặt khác, khi động cơ hoạt động, thành 
phần hỗn hợp giữa các xi-lanh cần phải đồng đều và tổn thất trên đường nạp cần 
phải giảm đến mức thấp nhất... Vì vậy, hệ thống nạp của động cơ CNG đòi hỏi 
những kỹ thuật phức tạp. 
7.4.4.1. Bộ chế hòa khí 
 Động cơ Xả 
 - Nhiệt độ khí 
 Máy tính điều 
 Bộ hỗn hợp 
 Van định khiển thời - Áp suất khí 
 gian phun 
 - Chênh lệch áp suất. 
 Nạp Bộ giảm áp 
 Lưu lượng khí 
 mong muốn 
 Nhiên liệu 
 - Áp suất khí nạp. 
 Máy tính điều - Nhiệt độ khí nạp 
 khiển động cơ - Tín hiệu cảm biến oxy 
 - Vị trí bướm ga 
 Hình 7.6: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu CNG trên động cơ phun tập trung. 
 Có nhiều kỹ thuật chế hòa khí nhưng hiện nay kỹ thuật phổ biến nhất vẫn 
là kỹ thuật ống Venturi. Trong hệ thống này, khí CNG không những chỉ định 
lượng bởi độ chân không trong ống Venturi mà còn bởi sự thay đổi độ tiết lưu 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 339 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
trên đường nạp. Sự điều chỉnh mức độ tiết lưu này được thực hiện nhờ một động 
cơ bước qua trung gian một bộ vi xử lí chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm 
biến. 
 Bộ xúc tác 3 
 Thải 
 chức năng 
 Cảm biến Oxy 
 Nạp Tốc độ động cơ 
 Động cơ 
 Áp suất nạp 
 Vị trí bướm ga 
 Van định lượng Bộ chấp hành Máy tính 
 Bộ giảm áp Nhiên liệu khí 
 Hình 7.7: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu CNG trên động cơ phun riêng rẽ. 
 Phương án dùng bộ chế hòa khí có nhược điểm là hệ số nạp của động cơ 
bị giảm ở chế độ quá độ. Để khắc phục nhược điểm này, người ta nghiên cứu áp 
dụng phương án phun nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp. 
7.4.4.2. Phun gián tiếp 
 Hệ thống phun gián tiếp cho phép cải thiện tính năng của động cơ và mức 
độ phát ô nhiễm. Khác với bộ chế hòa khí, hệ thống này phun nhiên liệu dưới áp 
suất. Điều này cho phép cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác theo chế độ 
làm việc của động cơ. Mặt khác, do không có họng Venturi, hệ số nạp của động 
cơ được cải thiện đáng kể. Cũng như động cơ xăng, phun nhiên liệu cũng có thể 
được thực hiện theo phương án tập trung (một điểm) tại cổ góp đường nạp hay 
riêng rẽ (phun vào trước xupap nạp của mỗi xi-lanh). Hệ thống phun riêng rẽ có 
nhiều ưu điểm so với hệ thống phun tập trung vì nó làm giảm khả năng hồi lưu 
ngọn lửa vào đường nạp, cải thiện sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 340 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
xylanh của động cơ. Việc khống chế lưu lượng CNG nạp vào xylanh được thực 
hiện nhờ một bộ vi xử lí chuyên dụng. 
7.4.4.3. Phun trực tiếp 
 Kỹ thuật này có rất nhiều ưu điểm vì nó cho phép đồng thời làm giảm mức 
độ gây ô nhiễm và làm tăng tính kinh thế của động cơ. Phun trực tiếp CNG vào 
buồng cháy cho phép kết hợp các ưu điểm của khí thiên nhiên và quá trình cháy 
của hỗn hợp nghèo phân lớp. Mặt khác, hệ thống phun CNG còn thừa hưởng ưu 
thế của nhiên liệu nén ban đầu nên không cần bơm nhiên liệu áp suất cao. Động 
cơ có thể hoạt động không có tổn thất hệ số nạp và ở điều kiện hỗn hợp nghèo. 
Kỹ thuật này đòi hỏi chế tạo và điều chỉnh chính xác hệ thống phun vì vậy đắt 
tiền. 
 Việc phát triển hệ thống phun tập trung hay riêng rẽ là cần thiết để tăng 
tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ sử dụng CNG. 
7.4.4.4. Ô nhiễm khí thải của động cơ Diesel sử dụng CNG 
 Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm 
của động cơ CNG liên quan đến thành phần hydrocacbon của nhiên liệu (thường 
nhiên liệu CNG chứa ít nhất 90% methane). Khác với động cơ xăng, trong khí 
xả động cơ CNG hầu như không có hydrocacbon nào có hơn 4 nguyên tử 
cacbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện của thành phần hydrocacbon 
thơm. 
 Liên quan đến vấn đề tạo ozone ở hạ tầng khí quyển, khí thải ở động cơ 
CNG có hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến hai lần. Tính chất này chủ yếu là 
do nhiên liệu CNG chứa phần lớn methane, thành phần các chất hoạt tính 
(butane, buta 1, 3-diene, xylene) rất thấp có thể bỏ qua. 
 Mặt khác, nhiên liệu CNG không bao giờ gây trở ngại đối với bộ xúc tác 3 
chức năng do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp nhiên liệu lỏng. Tuy 
nhiên, sự ô xi hóa methane còn lại trong khí xả rất khó khăn. Muốn loại trừ triệt 
để chất khí này cần sử dụng một bộ xúc tác đặc biệt. 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 341 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
 Động cơ diesel tăng áp khi chuyển sang sử dụng CNG với bộ xúc tác 3 
chức năng và hỗn hợp có thành phần cháy hoàn toàn lí thuyết thì tổn thất hiệu 
suất sẽ rất lớn, có thể tới 20%. Ngược lại, nếu dùng kỹ thuật hỗn hợp nghèo, khi 
động cơ CNG làm việc với bộ tăng áp thì hiệu suất cao hơn (xấp xỉ động cơ 
diesel nguyên thủy) và momen cực đại chấp nhận được. 
 Bảng 7.3: So sánh momen cực đại và hiệu suất của động cơ Diesel và động cơ 
 CNG. 
 So sánh tính năng động cơ dùng Nhiên liệu 
 Diesel và CNG Diesel CNG 
 PCI (kJ/kg) 42800 49100 
 Chế độ 1400 1260 
 Momen 1180 1000 
 Công suất 173 185 
 Độ đậm đặc 0,56 0,61 
 Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kW. h) 204 186 
 Hiệu suất toàn bộ 41,2 39,4 
 Bảng 7.4: Mức độ phát ô nhiễm của động cơ dùng CNG. 
 Chất ô nhiễm Mức độ 
 CO (g/mile) 0,655 
 HC tổng 0,230 
 HC không methane 0,016 
 NOx (g/mile) 0,112 
 CO2 (g/mile) 226,6 
 Tiêu thụ nhiên liệu 28,5 
 Hoạt động độc lập 175 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 342 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
 Chúng ta nhận thấy trong mọi trường hợp, mức độ CO và bồ hóng rất 
thấp, mức độ HC đôi lúc gần với giá trị cho phép bởi luật môi trường, nhưng chỉ 
chứa phần lớn methane (khoảng 90%), còn lại là các thành phần khác rất thấp. 
 Còn về mức độ phát sinh NOx, khí xả động cơ CNG có nồng độ NOx rất 
thấp, nếu động cơ làm việc với  = 1 và có lắp bộ xúc tác 3 chức năng. Nồng độ 
này cao hơn một chút nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép nếu dùng hỗn hợp 
nghèo. 
 Những phiền phức đặc biệt của động cơ Diesel (ồn, hôi, khói đen...) sẽ 
được giảm đi rất nhiều đối với động cơ CNG. Mức độ ồn giảm khoảng 3db khi 
động cơ hoạt động không tải đối với ô tô buýt thành phố. 
 Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh (THT: tetrahydrothiophene) để 
phát hiện sự rò rỉ được thêm vào khí thiên nhiên với thành phần rất thấp (20-25 
mg/m3) nên bị đốt cháy hoàn toàn. Vì vậy, khí xả động cơ CNG rất ít hôi so với 
động cơ Diesel. 
 Về sự ảnh hưởng của khí thải động cơ sử dụng CNG đến hiệu ứng nhà 
kính, Methane cũng như CO2 và N2O là khí gây hiệu ứng nhà kính một cách trực 
tiếp vì vậy ta rất quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc động cơ 
CNG đến việc nóng lên của bầu khí quyển. 
 Bảng 7.5: So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ 
 dùng xăng, diesel và CNG (gCO2/Km), theo chu trình ECE. 
 Xăng Diesel CNG 
 Trước bộ xúc tác 356 281 267 
 Sau bộ xúc tác 310 251 231 
 Trong thực tế động cơ CNG phát sinh ít CO2 so với động cơ nhiên liệu 
lỏng. Vì vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ CNG 
thấp hơn khoảng 25% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ Diesel. Do đó 
việc sử dụng CNG sẽ làm giảm đi đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính trên 
phạm vi toàn cầu. 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 343 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
 Nhìn chung, động cơ dùng CNG ngày càng được ứng dụng rộng rãi đối 
với ô tô hoạt động trong thành phố hay vùng ven đô, những khu vực mà tình 
trạng ô nhiễm môi trường do phương tiện vận hành gây ra ngày càng trở nên 
trầm trọng. Ở một số khu vực trên thế giới, người ta đã bắt đầu sử dụng CNG 
cho ô tô chạy trong thành phố. Các quốc gia như Mỹ, Ý, Canada, Hà lan, Hàn 
Quốc, Trung Quốc đã xây dựng những cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc phát 
triển ô tô dùng nhiên liệu khí CNG. 
 Sự phát triển CNG có thể diễn ra với một số điều kiện. Trước hết nhiên 
liệu này cần cho thấy được tính ưu việt chắc chắn so với những nhiên liệu đang 
cạnh tranh như nhiên liệu khí hóa lỏng LPG. Mặt khác, người ta chỉ tiếp tục 
nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí nếu như những giải pháp kỹ thuật về xử lí ô 
nhiễm khí xả động cơ nhiên liệu lỏng không cải thiện được so với yêu cầu của 
luật môi trường. Cuối cùng, như những nhiên liệu khác, sự thâm nhập của CNG 
đòi hỏi: 
 + Chính sách thuế khuyến khích người sử dụng. 
 + Cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấp CNG cho ô tô. 
 + Giải quyết vấn đề tâm lí của người sử dụng liên quan đến tính an toàn của ô 
 tô dùng CNG. 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 344 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
 CÂU HỎI ÔN TẬP 
 1. Hãy trình bày các phương án sử dụng CNG trên động cơ Diesel ? 
 2. Hãy trình bày chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ dùng nhiên liệu 
 kép Diesel – CNG ? 
 3. Hãy trình bày Quá trình cháy trong động cơ Diesel 4 kỳ sử dụng nhiên 
 liệu CNG ? 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 345 
 Chƣơng 7: Động cơ sử dụng nhiên liệu CNG 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 Tiếng Việt 
 [1] Nguyễn Tất Tiến – Nguyên lý động cơ đốt trong – NXB Giáo 
 Dục Hà Nội 2008. 
 [2] Dương Văn Đức – Ô tô – NXB Xây Dựng Hà Nội 2006. 
 [3] Phạm Minh Tuấn – Động cơ đốt trong – NXB Khoa học Kỹ thuật 
 Hà Nội 2006. 
 [4] Văn Thị Bông, Huỳnh Thành Công – Lý thuyết Động cơ đốt 
 trong – NXB Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh. 
 [5] Tài liệu trên internet 
 Tiếng Anh 
 [6] Pham Minh Tuan, Nguyen The Luong, Tran Quang Vinh, Tran 
 Đang Quoc, Le Anh Tuan - Evaluation of effect on reducing 
 emission of EMITEC three-way catalytic converter used for 
 motorcycles - Inter. Conference organized by VR, Hanoi, 
 November 5, 2006. 
 [7] Pham Minh Tuan, Le Anh Tuan, Hoang Minh Duc - Simulation 
 of turbocharged diesel engine D1146TIS designed and 
 manufactured by VEAM - Science and Technology Magazine 
 Nr. 61, Hanoi, 2007. 
 [8] The Internal Combustion Engine in Theory and Practice - The 
 M.I.T press (Masachusettes Institute of Technology) – 1998. 
Khoa Kỹ Thuật ô tô Trang 346