Ảnh hưởng của một số thông số phun tới mức độ phát thải ô nhiễm, khi phun trực tiếp CNG vào buồng đốt động cơ

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
68 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC
ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ PHUN TỚI MỨC ĐỘ PHÁT THẢI 
Ô NHIỄM, KHI PHUN TRỰC TIẾP CNG VÀO BUỒNG ĐỐT ĐỘNG CƠ 
EFFECTS OF SOME INJECTION PARAMETERS TO EMISSION POLLUTION 
CONCENTRATION, IN THE DIRECT INJECTION CNG INTO THE INTERNAL 
COMBUSTION ENGINE CHAMBER
Nguyễn Thanh Tuấn1, Lê Bá Khang2, Huỳnh Trọng Chương3
Ngày nhận bài: 14/12/2014; Ngày phản biện thông qua: 26/01/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015
TÓM TẮT
CNG hay còn gọi là khí thiên nhiên có nguồn trữ lượng phong phú và có đầy đủ những yếu tố cần thiết của một loại 
nhiên liệu của động cơ, đặc biệt nó được hứa hẹn là loại nhiên liệu làm giảm quá trình phát sinh ô nhiễm môi trường. Tuy 
nhiên mức độ phát thải ô nhiễm có khác nhau tùy thuộc vào loại động cơ, cách thức hòa trộn nhiên liệu, chế độ hoạt động... 
Trong khuôn khổ bài báo này sẽ đề cập tới quá trình phun CNG trực tiếp vào buồng đốt với một số ảnh hưởng của thông 
số phun tới mức độ phát thải ô nhiễm ra môi trường. Thêm vào đó bài báo cũng tổng hợp kết quả và so sánh nồng độ HC, 
NOx, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng phương pháp phun trực tiếp vào buồng đốt (DI) với phun đa điểm 
trên đường ống nạp (MPI). 
Từ khóa: CNG, khí thiên nhiên, phát thải ô nhiễm
ABSTRACT
CNG or natural gas reserves has full richness, it has also properties of an internal combustion engine fuel. 
Especially, it is particularly promising as fuel reduces the pollution to environment. However, the concentration of pollution 
emissions can vary depending on the type of engines, mixture formation method, modes of engine operation ... This paper 
will refer to the CNG injection directly into the engine chamber with affecting of some injection parameters to pollution 
emissions concentration of environment. Further this paper was synthesis and compare the concentration HC, NOx, fuel 
consumption of the engine when using direct injection into the engine chamber (DI) with multi-point injection on the intake 
manifold (MPI).
Keywords:CNG, compressed natural gas, pollution emissions
1 TS. Nguyễn Thanh Tuấn, 2 TS. Lê Bá Khang, 3 ThS. Huỳnh Trọng Chương: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Với đòi hỏi ngày càng cao về sự giảm chất phát 
thải và sự phát triển liên tục của hiệu suất nhiệt cho 
động cơ đốt trong, con người đã đưa ra nhiều giải 
pháp trong đó có giải pháp sử dụng nhiên liệu thay 
thế. Khí thiên nhiên được xem là một trong những 
nhiên liệu thay thế với nhiều thuận lợi và đặc biệt nó 
được kỳ vọng là loại nhiên liệu thân thiện với môi 
trường vì không giải phóng nhiều khí độc như NOx, 
CO, SO2 khi cháy và hầu như không phát sinh bụi 
[1]. Các động cơ sử dụng CNG có thể làm giảm đến 
93% lượng CO2, 33% lượng NOx và đến 50% lượng 
hydrocarbon thải ra khi so sánh với động cơ xăng. 
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 [3][4]. Do khí cháy hoàn toàn, 
không gây đóng cặn trong thiết bị đốt và tại bộ chế 
hòa khí của các phương tiện nên CNG giúp nâng 
cao hiệu suất, kéo dài được chu kỳ bảo dưỡng và 
tuổi thọ máy móc thiết bị [2][4]. Hơn nữa, với chỉ số 
octan cao của khí tự nhiên có thể giúp động cơ vận 
hành với tỷ số nén cao và do đó mang lại hiệu suất 
nhiệt cao hơn.
Đối với động cơ nhiên liệu phun trực tiếp, thời 
gian phun ảnh hưởng mạnh mẽ tới chất lượng đốt 
cháy nhiên liệu. Hiện nay, các công trình nghiên cứu 
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 69
đối với quá trình phun trực tiếp khí thiên nhiên đã 
được được đề cập và đang trong các quá trình thử 
nghiệm khác nhau. Trong khuôn khổ bài báo này 
sẽ trình bày ảnh hưởng của một số thông số phun 
nhiên liệu khí thiên nhiên đến mức độ phát phát thải 
ô nhiễm của động cơ khi phun trực tiếp CNG vào 
buồng đốt. 
II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Đối tượng nghiên cứu 
Đối tượng nghiên cứu là nhiên liệu khí thiên 
nhiên CNG được sử dụng thay thế cho xăng trên 
động cơ, căn cứ vào các thông số phun để đánh giá 
mức độ phát thải của các chất gây ô nhiễm sinh ra 
khi vận hành động cơ ra môi trường.
2. Thiết bị phục vụ nghiên cứu
Quá trình nghiên cứu được thực hiện trên động 
cơ xăng EA111.03D từ công ty Skoda Auto. Các 
thông số cơ bản của động cơ được miêu tả tại bảng 
1. Việc cải hoán lắp đặt thiết bị thí nghiệm được 
thực hiện bởi nhóm nghiên cứu tại Bộ môn Giao 
thông - Đại học Liberec - Cộng hòa Séc. Mô tả chi 
tiết của động cơ thử nghiệm được thể hiện trong 
hình 1. Hệ thống nhiên liệu dùng cho nhiên liệu khí 
được dựa trên nguyên lý phun áp suất cao bằng kim 
phun đặc biệt được lắp đặt trên đỉnh xi lanh với một 
ống tích trữ và dẫn nhiên liệu. Hệ thống nhiên liệu 
và việc thiết lập các thông số vận hành của động 
cơ được quản lý và điều khiển bằng hệ thống ECU 
đặc biệt, được phát triển bởi công ty ADCIS. Giao 
tiếp với các thiết bị gắn trên động cơ thông qua một 
phần mềm Monitor 3. Phần mềm này có thể cho 
phép điều chỉnh các thông số cơ bản của quá trình 
phun nhiên liệu, cũng như ghi lại dữ liệu thí nghiệm 
cần thiết. 
Bảng 1. Thông số cơ bản của động cơ [4]
Thông số Đơn vị (Giá trị)
Loại ĐC 3 xy lanh
Thể tích xy lanh công tác 1198 cm3
Đường kính xy lanh 76,5 mm 
Hành trình piston 86,9 mm
Tỉ số nén 10
Số lượng xu páp 2
Tốc độ quay tối đa 6000v/ph
Nhiên liệu CNG
Kiểu làm mát Bằng nước
 Hình 1. Thiết bị thí nghiệm
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm. Tất 
cả các chế độ thiết lập trong thí nghiệm đều được 
thực hiện ở chế độ hoạt động của động cơ với tốc 
độ trung bình là 3000 v/ph, đây cũng chính là tốc độ 
quay trung bình trong thiết kế của loại động cơ này 
và cũng là lí do tác giả lựa chọn trong khuôn khổ bài 
báo. Cùng với đó trong thiết lập chế độ hoạt động là 
sự thay đổi của thời điểm bắt đầu phun, áp suất phun, 
thời điểm đánh lửa và hệ số dư lượng không khí. Các 
thông số phun này được nghiên cứu và lựa chọn dựa 
trên những nghiên cứu trước đó đối với việc sử dụng 
CNG làm nhiên liệu thay thế. Chính vì vậy, tác giả 
đã sử dụng số liệu từ những thí nghiệm trước đây 
của các đồng nghiệp cùng nhóm nghiên cứu, khi tiến 
hành thí nghiệm trên cùng loại động cơ và sử dụng hệ 
thống phun nhiên liệu đa điểm CNG. Các chế độ đo 
được thiết lập và được thể hiện trong bảng 2.
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
70 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
Kết quả thí nghiệm đã được xử lý bởi các bước 
thực hiện tính toán thông thường (như phân tích 
thống kê, chọn lấy giá trị trung bình). Các kết quả 
đã được lựa chọn từ nghiên cứu thực nghiệm trên 
động cơ phun CNG trực tiếp với giá trị nồng độ HC 
và NOx sinh ra phụ thuộc vào tải và các chế độ áp 
suất phun 100bar, 50bar; góc phun nhiên liệu 1300, 
sự khác nhau của góc phun nhiên liệu 1300 và 1100 
tại áp suất phun 100 bar (trong hình 3 và hình 4) và 
sự so sánh kết quả phun trực tiếp và phun đa điểm 
được thể hiện tại hình 5.
Bảng 2. Thiết lập chế độ thí nghiệm 
Thông số Áp suất phun Góc phun nhiên liệu Góc đánh lửa sớm Hệ số □
Đơn vị [bar] [độ] [độ] [-]
Thiết lập ECU
100
75
50
130
110 15
1,0
1,2
Tất cả các dữ liệu đo được thực hiện khi động cơ chạy ở trạng thái ổn định và đã được ghi lại bởi các hệ 
thống thu thập dữ liệu điện tử với tần số 1Hz. Sơ đồ đo và bố trí thiết bị được thể hiện trong hình 2.
Hình 2. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm phun trực tiếp khí thiên nhiên vào buồng đốt
1 - Cảm biến lưu lượng khí nạp, 2 - Bộ lọc không khí; 3 - Luồng không khí; 4 – Bướm ga; 5 – Vòi phun CNG áp suất cao; 
6 - Ống nhiên liệu; 7- Cảm biến áp suất; 8 - Cảm biến nhiệt độ nhiên liệu trong ống; 9 - Cảm biến áp suất nhiên liệu trong ống; 
10 - Bình chứa nhiên liệu; 11 - Van; 12 - Bộ lọc; 13 – Đo áp suất nhiên liệu; 14, 15, - Cảm biến tốc độ; 16 – Cảm biến trục cam, 
17 - Bugi; 18 – Nguồn cấp điện từ; 19 và 20 – Cảm biến oxy, tỷ lệ pha trộn; 21 - Ống dẫn khí xả vào máy đo; 
22 – Bộ xúc tác ba chức năng; 23 - Ống giảm thanh; 24 - Cảm biến áp suất trong xy lanh
(3a) (3b)
Hình 3. Nồng độ HC và NO
x 
sinh ra phụ thuộc vào tải và các chế độ áp suất phun với góc đánh lửa sớm 
và hỗn hợp làm giàu tại giá trị (α
IGN
=150, □=1,0)
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 71
Các giá trị nồng độ HC và NOx trong khí thải 
trước khi qua bộ xúc tác phụ thuộc vào tải động cơ 
ở các chế độ khác nhau ứng với áp suất phun nhiên 
liệu là 100 bar và 50 bar và góc phun nhiên liệu không 
đổi αINJ = 130
0 trên đồ thị 4a, và sự khác nhau của 
góc phun 130o và 110o tại áp suất phun pINJ=100 bar 
trên đồ thị 4b. Góc đánh lửa sớm và hỗn hợp làm 
giàu được giữ cố định tại một giá trị (αIGN=15
0, 
□=1,0). Sự thay đổi các thông số của phun nhiên 
liệu đối với khí độc hại NOx là không thay đổi nhiều, 
tuy nhiên đối với HC chưa cháy có sự khác biệt rõ 
rệt, đặc biệt là ở chế độ tải thấp của động cơ.
(4a) (4b)
Hình 4. Nồng độ HC và NO
x
 sinh ra phụ thuộc vào tải và các thông số phun với góc đánh lửa sớm 
và hỗn hợp làm giàu tại giá trị (α
IGN
=150, □=1,2) 
Các giá trị nồng độ HC và NOx trong khí thải 
trước khi qua bộ xúc tác phụ thuộc vào tải động cơ 
ở các chế độ khác nhau của áp suất phun nhiên liệu 
là 100 bar và 50 bar với góc phun nhiên liệu αINJ = 
1300 trên đồ thị 4a và sự khác nhau của góc phun 
nhiên liệu 130o và 110o tại áp suất phun pINJ=100 bar 
trên đồ thị 4b. Góc đánh lửa sớm và hỗn hợp làm 
giàu được giữ cố định tại một giá trị (αIGN=15
0, 
□=1,2). Sự thay đổi các thông số của phun nhiên 
liệu đối với NOx và HC thực tế là không đáng kể, 
nhưng ở chế độ tải thấp nồng độ HC có giá trị tương 
đối cao.
Hình 5. So sánh nồng độ HC, NO
x
, suất tiêu hao nhiên liệu theo tải động cơ khi tiến hành thí nghiệm 
với hệ thống phun đa điểm MPI và hệ thống phun trực tiếp DI
Nồng độ các chất độc hại thải ra môi trường là 
những thông số quan trọng phản ánh chất lượng 
của quá trình cháy trong quá trình phun trực tiếp 
CNG vào buồng đốt. Để có cách nhìn tổng quát hơn 
và dựa trên cơ sở dữ liệu trước đó của cùng nhóm 
nghiên cứu, tác giả đã tổng hợp và so sánh giữa 
phun trực tiếp và phun đa điểm CNG với cùng các 
chế độ vận hành và thông số phun, tuy nhiên có sự 
khác biệt ở góc đánh lửa sớm khi quá trình phun 
trực tiếp đang là nghiên cứu bước đầu nên mới chỉ 
thực hiện tại góc đánh lửa sớm 15O gqtk trước ĐCT, 
để điều chỉnh thời điểm đánh lửa theo tốc độ, tải... 
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015
72 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
cần thêm những nghiên cứu khác nhằm đảm bảo 
các yếu tố về quá trình cháy, lượng tiêu thụ nhiên 
liệu hay tính năng động cơ. Chính vì vậy so sánh 
này mang tính chất tham khảo và định hướng trong 
những nghiên cứu tiếp theo.
Hệ thống phun đa điểm MPI: Phun nhiên liệu 
khí CNG trên đường ống nạp cùng với sự biến đổi 
giá trị góc đánh lửa sớm. Hệ thống phun trực tiếp DI: 
Phun trực tiếp nhiên liệu khí CNG trong xi lanh động 
cơ, góc phun nhiên liệu 130° trong hành trình nén, 
áp lực phun 75 bar và góc đánh lửa sớm 15°góc 
quay trục khuỷu trước ĐCT. Thí nghiệm được thực 
hiện trên cùng một loại động cơ với hệ số dư lượng 
không khí □=1,0 cho mỗi chế độ vận hành.
Đối với nhiệt lượng thu được trong cả hai trường 
hợp thí nghiệm có ít sự chênh lệch. Tuy nhiên khi so 
sánh nồng độ NOx giữa phương pháp MPI và DI là 
sự khác biệt lớn, điều này xuất phát từ sự thay đổi 
góc đánh lửa sớm đối với phương pháp MPI. Còn 
đối với nồng độ HC chưa cháy cũng cho kết quả 
chênh lệch đáng kể (khoảng 3 lần) điều này có thể 
được lí giải rõ ràng là do sự không đồng nhất của 
hỗn hợp với sự hình thành bên trong xy lanh (thời 
gian hòa trộn nhiên liệu ngắn hơn). Để tránh tình 
trạng này đòi hỏi cần thiết kế, điều chỉnh để tăng 
cường độ chuyển động rối trong xi lanh động cơ.
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Chương trình mang tính chất thử nghiệm phun 
trực tiếp CNG vào buồng đốt nhưng đã mở ra hy 
vọng có thể ứng dụng vào thực tế động cơ. Thực 
nghiệm cho thấy rằng, tất cả các phạm vi vận hành 
động cơ sử dụng DI có nồng độ HC cao hơn nếu 
so sánh với động cơ sử dụng MPI. Bởi vì thời gian 
hình thành hỗn hợp ngắn, sẽ làm chậm quá trình đốt 
cháy của hỗn hợp, dẫn đến có sự dao động lớn giữa 
các chu trình, và làm giảm hiệu suất động cơ, cùng 
với đó sẽ làm tăng nồng độ HC không cháy trong khí 
thải. Tuy nhiên điều này có thể sẽ sớm khắc phục 
bằng cách tăng khả năng xoáy lốc khi thiết kế, điều 
chỉnh hình dáng buồng đốt động cơ. Để tối ưu hóa 
cơ chế hình thành hỗn hợp bên trong buồng đốt, 
trong các nghiên cứu tiếp theo sẽ mô phỏng khí 
động học trong xy lanh bằng phương pháp sử dụng 
phần mềm CFD để lựa chọn chế tạo buồng đốt với 
hình dạng cấu trúc nhằm tối ưu hóa quá trình hình 
thành hỗn hợp nhiên liệu và quá trình cháy. Ngoài ra 
cũng cần nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông 
số vận hành tới sự phát thải các chất độc hại khác 
như CO, CO2 để đồng bộ đưa các giải pháp phù 
hợp trong tính toán thiết kế buồng đốt và các chế 
độ sử dụng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyen Thanh Tuan., 2010. Compressed natural gas (CNG) as an alternative fuel for internal combustion engine, prob-
lems and propose technical solutions for growth CNG vehiles in Vietnam. XLI. International scientific conference of Czech 
and Slovak university departments and institutions dealing with the research of combustion engines, Czech republic. ISBN 
978-80-7372-632-4.
2. Hassan Ibrahim., 2010. Natural gas in South east Asia. Asia research center, ISBN 4-931482-07-4.
3. Semin., R.Bakar., A.R. Ismail., 2009. Green engine development Using compressed natural gas as an alternative fuel. 
American journal environment sciences 5, 2009, ISSN 1553-345X, 371-381.
4. Website: