Đồ án Tốt nghiệp- Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động cơ 1TR-FE lắp trên ô tô INNOVA

Mục Lục Trang Mục Lục 1 LỜI NÓI ĐẦU 3 1. Tổng quan về hệ thống nhiên liệu khí động cơ đốt trong. 4 1.1. Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế nguồn nhiên liệu lỏng truyền thống. 4 1.2. Giới thiệu về khí nén thiên nhiên. 5 1.2.1. Nguồn gốc, quá trình khai thác và sử lý khí. 5 1.2.2. Tính chất của khí CNG. 7 1.3. Các phương án cung cấp khí CNG cho động cơ đốt trong. 10 1.3.1. Cung cấp khí CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn. 10 1.3.2. Cung cấp CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn kết hợp với van tiết lưu và van công suất. 12 1.3.3. Cung cấp CNG cho động cơ bằng phương pháp phun CNG trên đường nạp. 13 1.3.4. Cung cấp CNG cho động cơ bằng phương pháp phun CNG trực tiếp vào buồng cháy. 15 2. Giới thiệu tổng quát về ô tô INNOVA và động cơ 1TR-FE. 16 2.1. Giới thiệu chung về ô tô INNOVA. 16 2.2. Đặc điểm tổng quát động cơ 1TR-FE. 17 2.2.1. Động cơ. 17 2.2.2. Cơ cấu phối khí. 19 2.2.3. Hệ thống nhiên liệu. 20 2.2.4. Hệ thống kiểm soát khí xả. 22 2.2.5. Hệ thống xả. 22 2.2.6. Hệ thống làm mát. 23 2.2.7. Hệ thống bôi trơn. 23 2.2.8. Hệ thống đánh lửa. 24 2.2.9. Hệ thống khởi động. 25 2.2.10. Hệ thống nạp. 25 3. Thiết kế tổng quát hệ thống cung cấp khí CNG cho động cơ 1TR-FE lắp trên ô tô INNOVA. 26 3.1. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG. 26 3.2. Các bộ phận chính của hệ thống cung cấp khí CNG. 29 3.2.1. Bình chứa CNG. 29 3.2.2. Van bình chứa. 30 3.2.3. Van nạp. 31 3.2.4. Van điện từ. 32 3.2.5. Bộ giảm áp. 33 3.2.6. Bộ hoà trộn. 36 3.2.7. Cơ cấu tiết lưu. 37 3.2.8. Van công suất. 38 3.2.9. Van không tải 39 4. Tính toán nhiệt động cơ. 39 4.1. Tính toán nhiệt khi động cơ dùng xăng. 40 4.1.1. Các số liệu ban đầu. 40 4.1.2. Các thông số chọn. 40 4.1.3. Tính toán các chu trình công tác. 41 4.2. Tính toán nhiệt khi động cơ dùng CNG. 48 4.2.1. Các số liệu ban đầu. 48 4.2.2. Các thông số chọn. 49 4.2.3. Tính toán các chu trình công tác. 49 5. Thiết kế hệ thống nhiên liệu CNG. 57 5.1. Tính toán thiết kế bộ hoà trộn. 57 5.2. Tính toán tiết lưu trong mạch cung cấp chính. 62 5.3. Tính toán ziclơ mạch công suất. 64 6. Phương pháp lắp đặt bố trí hệ thống nhiên liệu khí CNG trên ô tô INNOVA. 65 6.1. Sơ đồ bố trí. 66 6.2. Các triệu chứng hư hỏng của hệ thống nhiên liệu CNG và biện pháp kiểm tra khắc phục. 68 6.2.1. Động cơ khó hoặc không khởi động được. 68 6.2.2. Tiêu thụ nhiều nhiên liệu. 68 6.2.3. Động cơ mất công suất ở tốc độ cao, gia tốc kém. 69 6.3. Quy trình kiểm tra và lắp đặt bộ giảm áp. 69 7. Kết luận 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 LỜI NÓI ĐẦU Động cơ đốt trong sử dụng các loại nhiên liệu truyền thống cùng với các phương tiện giao thông vận tải là nguồn gây ô nhiễm chủ yếu và nghiêm trọng cho môi trường không khí. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật các quá trình làm việc của động cơ đốt trong đã được điện tử hoá, tin học hoá tạo ra những thành công đáng kể về cải thiện công suất động cơ, nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường. Nhưng với sự khắt khe của các tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường của khí thải động cơ của một số nước thì các giải pháp trên cũng không đáp ứng được các tiêu chuẩn khắt khe đó. Vì vậy chúng ta cần có các giải pháp hữu hiệu hơn để khắc phục vấn đề trên. Một trong các giải pháp đó là sử dụng các loại nhiên liệu “sạch” ít gây ô nhiễm để thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống. Với tình hình khan hiếm nhiên liệu và mức độ ô nhiễm bầu khí quyển như hiện nay, việc ứng dụng CNG vào các phương tiện vận tải là một thiết yếu nhằm đa dạng hoá nguồn nhiên liệu và giải quyết hữu hiệu vấn để ô nhiễm môi trường do các phương tiện vận tải gây ra, chính vì lẽ đó mà em đã chọn đề tài ‘‘Thiết kế hệ thống cung cấp khí CNG cho động cơ 1TR-FE lắp trên ô tô INNOVA’’ để giải quyết các vấn đề trên. Cuối cùng em xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn Nguyễn Quang Trung đã chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó khăn vướng mắc trong khi hoàn thành đồ án của mình. Bên cạnh đó em cảm ơn các thầy trong khoa đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành thật tốt đồ án tốt nghiệp này. Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2009 Sinh viên thực hiện Đỗ Mạnh Cường 1. Tổng quan về hệ thống nhiên liệu khí động cơ đốt trong. 1.1. Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế nguồn nhiên liệu lỏng truyền thống. Từ những năm 1849 - 1850, con người đã biết chưng cất dầu mỏ để lấy ra dầu hỏa, còn xăng là thành phần chưng cất nhẹ hơn dầu hỏa thì chưa hề được sử dụng đến và phải đem đổ đi một nơi thật xa. Lúc đó con người tạo ra dầu hỏa với mục đích thắp sáng hoặc đun nấu đơn thuần. Nhưng với sự tiến hóa của khoa học và kỹ thuật, từ việc sử dụng những động cơ hơi nước cồng kềnh và hiệu quả thấp, con người đã tìm cách để sử dụng xăng và dầu diesel cho động cơ đốt trong, loại động cơ nhỏ gọn hơn nhưng có hiệu quả cao hơn hẳn. Cùng với những khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diezel đã thúc đẩy xã hội loài người đạt những bước phát triển vượt bậc, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng tỷ người trên thế giới. Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự không ai có thể phủ nhận được. Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu thế hoàn toàn. Do vậy, mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế và chủ động về nguồn dầu mỏ. Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và cho toàn thế giới. Nhưng theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của Trái Đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong vòng không quá 40 năm nữa. Bên cạnh đó những hậu quả mà khi chúng ta sử dụng dầu mỏ và động cơ đốt trong đem lại từ các chất thải khí làm ô nhiễm không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính.Trong các chất độc hại thì CO, NOx, HC do các loại động cơ thải ra là nguyên nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do đó, con người phải đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế. Những loại nhiên liệu có thể dùng thay thế cho xăng và dầu diesel là: + Những khí thiên nhiên: CNG, LNG … + Khí gas hoá lỏng (LPG) + Khí biogas + Cồn Ethanol + Cồn Methanol + Dầu thực vật + Hyđrô Trong các loại nhiên liệu trên, khí thiên nhiên là nguồn năng lượng sơ cấp rất quan trọng. Trong những năm gần đây, sản lượng khí thiên nhiên hàng năm trên thế giới đạt xấp xỉ 2 tỉ Tép (1000 m3 = 0,85 Tep), tương đương khoảng 60% sản lượng dầu thô. Người ta ước tính đến năm 2020, sản lượng khí thiên nhiên trên thế giới sẽ là 2,6 tỉ Tép/năm so với sản lượng dầu thô là 3,5 tỉ Tép. Trữ lượng khí thiên nhiên hiện nay khoảng 150 tỉ Tép, xấp xỉ với trữ lượng dầu thô. Mặt khác, khí thiên nhiên có ưu điểm là phân bố hầu như trên khắp địa cầu nên đảm bảo được sự cung cấp an toàn và thuận tiện hơn dầu thô. Từ những năm 1990, việc nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu đã được thực hiện ở nhiều khu vực trên thế giới. Khí thiên nhiên được xem là nhiện liệu sạch vì vậy việc sử dụng nó để chạy động cơ ngoài mục đích đa dạng hóa nguồn nhiên liệu còn góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường một cách đáng kể. Khí thiên nhiên có thể chứa trong bình nhiên liệu của ô tô ở hai dạng: + Dạng khí ở nhiệt độ môi trường và áp suất cao + Dạng lỏng ở nhiệt độ -1610C và áp suất môi trường không khí. Trong đồ án này, chủ yếu nghiên cứu nhiên liệu thiên nhiên ở dạng khí ở nhiệt độ môi trường và áp suất cao CNG (Compressed Natural Gas). 1.2. Giới thiệu về khí nén thiên nhiên. 1.2.1. Nguồn gốc, quá trình khai thác và sử lý khí. Khí thiên nhiên được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống dưới nước bao gồm tảo và động vật nguyên sinh. khi các vi sinh vật này chết đi và tích tụ trên đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm tích. Trải qua hàng triệu năm, áp suất và nhiệt do các lớp trầm tích chồng lên nhau tạo nên trên xác các loại sinh vật này đã chuyển hoá hoá học các chất hữu cơ này thành khí thiên nhiên. Do dầu mỏ và khí thiên nhiên thường được tạo ra bằng các quá trình tự nhiên tương tự nhau, hai loại hydrocacbon này thường được tìm thấy cùng nhau trong các bể chứa ngầm tự nhiên. Sau khi dần được tạo nên trong lòng vỏ Trái Đất, dầu mỏ và khí thiên nhiên đã dần chui vào các lỗ nhỏ của các tầng đá xốp xung quanh, những tầng đá xốp này có vai trò như các bể chứa tự nhiên. Do các lớp đá xốp này thường có nước chui vào, khí thiên nhiên vốn nhẹ hơn nước và kém dày đặc các tầng đá xung quanh nên chúng chuyển lên trên qua lớp vỏ, đôi khi cách xa nơi chúng tạo ra. Cuối cùng, một số hydrocacbon này bị bẫy lại bởi các lớp đá không thấm (đá không xốp), các lớp đá này được gọi là đá “mũ chụp”. Khí thiên nhiên nhẹ hơn dầu mỏ, do đó nó tạo ra một lớp nằm trên dầu mỏ. Lớp khí này được gọi là “mũ chụp khí”. Các lớp than đá có chứa lượng mêtan đáng kể, mêtan là thành phần chính của khí thiên nhiên. Trong các trữ lượng than đá, mêtan thường bị phân tán vào các lỗ các vết nứt của tầng than. Khí thiên nhiên này thường được gọi là khí mêtan trong tầng than đá. Để định vị được các mỏ khí, các nhà địa chất học thăm dò những khu vực có chứa những thành phần cần thiết cho việc tạo ra khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu cơ, các điều kiện chôn vùi đủ cao để tạo ra khí tự nhiên từ các chất hữu cơ, các kiến tạo đá có thể "bẫy" các hydrocacbon. Khi các kiến tạo địa chất có thể chứa khí tự nhiên được xác định, thông thường chứ không phải luôn ở bể trầm tích, người ta tiến hành khoan các giếng các kiến tạo đá. Nếu giếng khoan đi vào lớp đá xốp có chứa trữ lượng đáng kể khí thiên nhiên, áp lực bên trong lớp đá xốp có thể ép khí thiên nhiên lên bề mặt. Nhìn chung, áp lực khí thường giảm sút dần sau một thời gian khai thác và người ta phải dùng bơm hút khi lên bề mặt. Khi khí thiên nhiên được khai thác khỏi mặt đất, nó được vận chuyển bằng đường ống dẫn khí đến một nhà máy tinh lọc và xử lý, nơi nó được chế biến. Khí thiên nhiên được chế biến bằng các thiết bị tách lọc khí để loại bỏ các hợp chất không phải là hyđrôcacbon, đặc biệt là hyđrô sulfit và điôxit cacbon. Hai quá trình sử dụng cho mục đích này là hấp thụ và hút bám (absorption and adsorption). Quá trình hấp thụ sử dụng một chất lỏng hấp thụ khí tự nhiên và các tạp chất và phân tán chúng trong chất lỏng này. Trong một quá trình được gọi là hấp thụ hóa học, các tạp chất phản ứng với chất lỏng hấp thụ. Khí thiên nhiên sau đó thoát ra khỏi chất hấp thụ còn chất hấp thụ còn tạp chất ở lại trong chất lỏng. Các chất lỏng hấp thụ thường được sử dụng là nước, các dung dịch amin nước (aqueous amine) và cacbonat natri. Quá trình hút bám là một quá trình cô đặc khí tự nhiên trên bề mặt một chất rắn hoặc một chất lỏng để loại bỏ tạp chất. Một chất thường được sử dụng cho mục đích này là cacbon (than), là chất có diện tích bề mặt trên đơn vị trọng lượng rộng. Ví dụ, các hợp chất lưu huỳnh trong phí tự nhiên được bề mặt hấp thụ của cacbon giữ lấy. Các hợp chất lưu huỳnh được kết hợp với hyđrô và oxy để tạo thành axít sulphuric và có thể loại bỏ. Sau khi các tạp chất đã được loại bỏ trong các thiết bị tách lọc, khí thiên nhiên phải được làm khô. Kỹ thuật làm khô khí phân thành các nhóm: + Hấp phụ nước bằng các chất hút ẩm thể rắn như silicagen, nhôm oxit hoạt tính, zeolit NaA. + Hấp phụ bằng nước hút ẩm thể lỏng như dietylenglycol, trietylenglycol… + Ngưng tụ hơi nước hoặc đóng băng tạo tinh thể nước đá bằng kỹ thuật nén hoặc làm lạnh. 1.2.2. Tính chất của khí CNG. a) Thành phần hóa học. Khí nén CNG (Compressed Natural Gas) là khí thiên nhiên được nén dưới áp suất nhất định (205 ÷ 275 bar). Khí thiên nhiên là hỗn hợp chất khí cháy được bao gồm phần lớn là các hydrocacbon (hợp chất hoá học chứa cacbon và hyđrô). Cùng với than đá và dầu mỏ, Khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch. Khí thiên nhiên có thể chứa đến 85% mêtan (CH4) và khoảng 10% êtan (C2H6), và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), và các alkan khác. Khí thiên nhiên, thường tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung năng thế giới. Khí thiên nhiên chứa lượng nhỏ các tạp chất, bao gồm điôxít cacbon (CO2), hyđrô sulfít (HS), và nitơ (N2). Do các tạp chất này có thể làm giảm nhiệt trị và đặc tính của khí thiên nhiên, chúng thường được tách khỏi khí thiên nhiên trong quá trình tinh lọc khí và được sử dụng làm sản phẩm phụ. Bảng 1 – 1 Thành phần CNG. Thành phần  Cấu tạo  Hàm lượng (%)   Methane  CH4  90,42   Ethane  C2H6  4,04   Ethylene  C2H4  0,14   Propane  C3H8  2,05   Nitrogen  N2  3,32   b) Khả năng ứng dụng khí CNG cho động cơ. Bảng 1 – 2 So sánh đặc tính của CNG với xăng. Đặc trưng  CNG  Xăng   Chỉ số octan  130  95   Nhiệt trị khối lượng (KJ/Kg)  50009  42690   Năng lượng hỗn hợp (KJ/dm3)  3,10  3,46   Giới hạn dưới thể tích bốc cháy (%V)  0,50  0,60   Tốc độ cháy chảy tầng ở độ đậm đặc 0,80 (cm/s)  30  37,5   Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ)  0,33  0,26   Nhiệt độ đoạn nhiệt của màng lửa (K)  2227  2266   A/F (Kg KK/kg nhiên liệu)  17,23  14,60   Thành phần hoá học % C H O  75 25 0  85,4 14,6 0   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. TSOT của CNG cao hơn so với xăng, trong động cơ chuyên dụng, 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 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. Mặc dù CNG là khí đốt, nhưng phạm vi cháy hẹp, làm cho nó là nhiên liệu an toàn. Mức độ an toàn của ô tô CNG ngang hàng với ô tô xăng. 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 xăng. c) Sự ô nhiễm khí thải khi sử dụng CNG làm nhiên liệu. Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động cơ dùng CNG liên quan đến thành phần hydrocarbure 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 hydrocarbure nào có hơn 4 nguyên tử cacbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện của thành phần hydrocarbure thơm. Liên quan đến vấn đề tạo ozone ở hạ tầng khí quyển, khí thải động cơ CNG có hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến hai lần. tính chất này chủ yếu do nhiên liệu CNG chứa phần lớn methane, thành phần các chất hoạt tính (butenes, buta-1, 3-diene, xylenes) rất thấp hoặc có thể bỏ qua. Mặt khác, nhiên liệu CNG không bao giờ gây trở ngại đối với bộ xúc tác ba chức năng do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp lỏng. Tuy nhiên sự ôxy hóa methane còn lại trong khí xả rất khó khăn. Muốn loại trừ chất này cần sử dụng một bộ xúc tác đặc biệt. Bảng 1 – 3 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   Bảng 1 – 3 cho chúng ta một vài ví dụ liên quan đến mức độ phát ô nhiễm. của ô tô vận tải sử dụng CNG.Chúng ta nhận thấy, 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 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 α = 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 nhiềuđối với động cơ CNG. Mức độ ồn giảm được khoảng 3 db khi động cơ hoạt động không tải với ô tô bus thành phố. Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh để phát hiện sự dò rỉ được thêm vào nhiên liệu với thành phần rất thấp (20 hay 25mg/m3) nên bị đốt cháy hoàn toàn. Vì vậy nên khí xả động cơ CNG rất ít hôi so với khí xả 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 1 – 4 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. Nhìn chung, động cơ dùng CNG có rất nhiều hứa hẹn 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 …đã xây dựng những cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc phát triển ô tô dùng nhiên liệu khí. 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 kĩ 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. 1.3. Các phương án cung cấp khí CNG cho động cơ đốt trong. CNG được cung cấp vào động cơ ở dạng khí. Hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân không tại họng Venturi của bộ hòa trộn được dùng phổ biến nhất. Tuy nhiên, những hệ thống phun nhiên liệu mới đang được nghiên cứu áp dụng thể hiện nhiều ưu điểm hơn như phun khí trên đường nạp và đặc biệt là phun khí trực tiếp vào buồng đốt. 1.3.1. Cung cấp khí CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn. Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí sử dụng bộ hòa trộn có nhiều dạng khác nhau, nhưng đối với CNG thường sử dụng dạng sơ đồ sau.
Hình 1 – 1 Cung cấp khí CNG dùng bộ hòa trộn. Nhiên liệu CNG được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar, khi khởi động động cơ van bình sẽ mở ra cho nhiên liệu CNG đi vào bộ giảm áp. Tại bộ giảm áp, áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc, nhờ độ chân không ở họng venturi thấp hơn áp suất khí trời nên CNG được hút vào đường nạp, lưu lượng CNG cung cấp được khống chế bởi bộ giảm áp và độ chân không ở họng ống venturi, nhiên liệu CNG đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy. Bộ hòa trộn kiểu họng Venturi được sử dụng phổ biến cho tất cả những loại nhiên liệu khí (LPG, LNG, CNG,…) vì việc hòa trộn đơn giản, phù hợp đối với nhiên liệu khí. Vì vậy kết cấu của hệ thống cung cấp sử dụng bộ hòa trộn sẽ đơn giản làm cho giá thành rẻ. Sự cung cấp CNG liên tục làm hạn chế khả năng khống chế tỷ lệ không khí/ CNG, để khắc phục nhược điểm trên ta dùng phương án sử dụng bộ hoà trộn kết hợp với van tiết lưu và van công suất. 1.3.2. Cung cấp CNG cho động cơ sử dụng bộ hòa trộn kết hợp với van tiết lưu và van công suất.
Hình 1 – 2 Cung cấp khí CNG dùng bộ hoà trộn kết hợp van tiết lưu. Khi bật khoá điện, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ mở ra cho khí CNG nén từ bình chứa áp suất cao đến bộ giảm áp, tại bộ giảm áp áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc khoảng 0,8 ÷1,5 bar, sau đó nhiên liệu được qua bộ lọc áp suất thấp trước khi đi vào van tiết lưu, van tiết lưu được điều khiển tự động bởi bộ vi xử lý, lưu lượng CNG cung cấp được khống chế bởi bộ giảm áp, tiết diện lưu thông của van tiết lưu và độ chân không ở ống venturi, tiết diện lưu thông của van tiết lưu được điều khiển tương ứng với phần trăm vị trí bướm ga thông qua cảm biến vị trí bướm ga. Nhiên liệu đi vào bộ hỗn hợp hoà trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu đi vào buồng cháy. Khí CNG không những chỉ định lượng bởi độ chân không trong ống venturi mà còn bởi sự thay đổi độ tiết lưu trên đường nạp, sự điều chỉnh mức độ tiết lưu trên đường nạp được thực hiện nhờ bộ vi xử lí chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm biến. Khi sử dụng bộ hòa trộn công suất của động cơ giảm đi khoảng (5-8)% do tổn thất lượng không khí nạp tại họng và do CNG chiếm chỗ. 1.3.3. Cung cấp CNG cho động cơ bằng phương pháp phun CNG trên đường nạp.
Hình 1 – 3 Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trên đường nạp. Nhiên liệu CNG được nén trong bình chứa với áp suất 200 bar. Khi bật khoá điện khởi động động cơ, dòng điện qua cuộn dây sinh ra một từ tính làm van điện từ mở ra cho CNG nén từ bình chứa đến bộ giảm áp. Tại bộ giảm áp, áp suất nhiên liệu được giảm xuống giá trị làm việc, sau đó nhiên liệu qua bộ lọc áp suất thấp trước khi dẫn đến vòi phun. Vòi phun được bộ vi xử lý điều khiển một cách tự động, thời gian phun được điều khiển tương ứng tỷ lệ với phần trăm vị trí tay ga thông qua cảm biến vị trí tay ga. Bộ xử lý này nhận phần lớn các tín hiệu cần thiết từ hệ thống cung cấp nhiên liệu CNG. Hệ thống phun CNG trên đường nạp bao gồm các hệ thống cơ bản sau. Hệ thống cung cấp CNG: Gồm bình chứa , van điện từ , bộ điều hoà áp suất, vòi phun CNG . Do đặc thù riêng của nhiên liệu CNG nên áp suất cần thiết để cung cấp nhiên liệu đến vòi phun là 5 bar để tránh hiên tượng hoá hơi trên đường ống nhiên liệu. Vì hoạt động của hệ thống nhiên liệu ở áp suất cao nên vấn đề an toàn của hệ thống được đặt lên hàng đầu. Hệ thống điều khiển gồm các cảm biến ghi nhận thông tin về chế độ làm việc của động cơ, ECU xử lý các thông tin nhận được từ các cảm biến và phát tín hiệu điều khiển đến các vòi phun CNG để điều khiển thời gian mở vòi phun cung cấp CNG. Các tín hiệu điều khiển tới vòi phun là các xung thời gian có độ dài tương ứng tỷ lệ với lượng CNG cần phun vào ống góp nạp. Các loại cảm biến trong hệ thống gồm: Cảm biến vị trí tay ga, cảm biến tốc độ động cơ, nhiệt độ khí nạp, cảm biến nồng độ Oxy…Đồng thời trong bộ vi xử lý có bổ sung thêm cảm biến đo áp suất bình chứa nhiên liệu CNG, từ đó tín hiệu được ECU xử lý phát tín hiệu điều khiển tới vòi phun. Hệ thống phun CNG trên đường nạp cho phép cải thiện được tính năng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm. Khác với bộ hòa trộn, hệ thống này phun nhiên liệu dưới áp suất khoảng 5 bar. 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 nên hệ số nạp được cải thiện đáng kể. Phun nhiên liệu CNG được thực hiện theo phương án riêng rẽ nên giảm khả năng hồi lưu ngọn lửa vào đường nạp, cải thiện được sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các xi lanh của động cơ. Việc khống chế lưu lượng CNG nạp vào xi lanh được thực hiện nhờ bộ vi xử lí . 1.3.4. Cung cấp CNG cho động cơ bằng phương pháp phun CNG trực tiếp vào buồng cháy. Hệ thống cung cấp nhiên liệu khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp hoạt động tương tự như hệ thống phun gián tiếp chỉ có khác là nhiên liệu được phun trực tiếp vào trong buồng cháy của động cơ.
Hình 1 – 4 Cung cấp khí CNG bằng phương pháp phun trực tiếp. 1: Bình chứa CNG; 2: Van nạp; 3: Máy đo áp suất; 4: Lọc CNG; 5: Van 1 chiều; 6: Vòi phun CNG; 7: Bugi đánh lửa ; 8: Cuộn dây cao áp; 9: Cảm biến ô xy; 10: Cảm biến tốc độ; 11: Cảm biến nước làm mát; 12: Cảm biến bướm ga; 13: Cảm biến áp suất khí nạp; 14: Bầu lọc khí; 15: Công tắc đánh lửa; 16: Công tắc CNG; 17: Ắc quy. Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm vì nó cho phép đồng thời làm giảm mức độ gây ô nhiễm và làm tăng tính kinh tế 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. Nhược điểm chính của hệ thống này là đòi hỏi kĩ thuật chế