Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí Một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường (Phần 2)
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Phần 2: NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN NGV
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 (1000m3 =
0,85Tep), 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 Tep/năm so với sản lượng dầu thô là 3,5
tỉ Tep.
Trữ lượng khí thiên nhiên hiện nay khoảng 150 tỉ Tep, xấp xỉ với trữ lượng dầu
thô. Mặt khác, khí thiên nhiên có ưu điểm là phân bố gần như hầu khắp trên địa cầu nên
đảm bảo được sự cung cấp an toàn và thuận tiện hơn dầu thô.
Khí thiên nhiên hiện nay chủ yếu được sử dụng để sinh nhiệt gia dụng và công
nghiệp (sưởi, tạo nhiệt, công nghệ hóa học...). Tỉ lệ khí thiên nhiên sử dụng trong lĩnh vực
giao thông vận tải còn rất khiêm tốn.
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 nhiên liệu sạch
vì vậy việc sử dụng nó để chạy động cơ ngoài mục đích đa dạng hóa nguồn nhiên liệu nó
còn góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường một cách đáng kể.
Khí thiên nhiên thay nhiên liệu lỏng truyền thống để chạy ô tô gọi tắt là NGV.
Phần sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu những đặc trưng của NGV, tính năng kĩ thuật
cũng như mức độ phát ô nhiễm của ô tô sử dụng nguồn năng lượng này.
8.5. Những kết quả đã đạt được trên thế giới về ô tô NGV
Trước hết, chúng ta sẽ nghiên cứu trạng thái khí thiên nhiên có thể cung cấp và
chứa trong bình nhiên liệu của ô tô và sau đó chúng ta sẽ đề cập đến tình hình sử dụng ô tô
NGV hiện nay trên thế giới.
8.5.1. Dạng khí thiên nhiên có thể cung cấp và chứa trong
bình nhiên liệu ô tô
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 (khoảng 200bar).
. Dạng lỏng ở nhiệt độ -1610C và áp suất môi trường không khí.
Cùng một năng lượng như nhau, khí thiên nhiên hóa lỏng có thể tích và khối lượng
bình chứa nhỏ hơn khi nó ở dạng khí (thường tỉ lệ 1:3 đối với thể tích và 1:3,7 đối với
khối lượng). Tuy nhiên, việc sử dụng khí thiên nhiên ở trạng thái lỏng cần có kĩ thuật làm
lạnh phức tạp, bình chứa phải được cách nhiệt hoàn toàn. Khi không còn được cách nhiệt,
phải mở soupape an toàn (tác động ở áp suất 6 bar) để cho khí thiên nhiên thoát ra. Tình
146
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
trạng này gây tổn thất một bộ phận nhiên liệu (có thể đến 1%) không cần thiết, nhưng
nguy hiểm nhất là sự cháy nổ nếu sự bay hơi diễn ra trong môi trường không khí kín. Do
vậy hiện nay trên thế giới người ta thường dùng khí thiên nhiên dạng khí để chạy ô tô. Tuy
nhiên, ở một số nước như Mĩ, Úc... người ta đang tiếp tục nghiên cứu sử dụng khí thiên
nhiên hóa lỏng để sử dụng trên các động cơ công suất lớn (xe tải, tàu lửa, tàu biển...).
8.5.2. Ô tô sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên NGV
Năm 1996 người ta ước tính có khoảng 1 triệu xe ô tô chạy bằng khí thiên nhiên
trên thế giới. Hình 8.18 giới thiệu sự phân bố lượng ô tô dùng nhiên liệu khí thiên nhiên ở
các lục địa khác nhau. Các quốc gia sử dụng nhiều nhất là CEI (Cộng đồng các quốc gia
độc lập), Ý, Argentina, Canada, Newzealand, Mĩ. Trong năm 1996 người ta tính được
2700 trạm phân phối NGV dưới dạng khí nén, trong đó 600 trạm ở Canada và Hà Lan
được lắp đặt máy nén gia dụng ngay tại nhà người sử dụng.
Con số ước tính này sẽ thay đổi rất nhiều trong một tương lai gần vì người ta dự
kiến một sự gia tăng nhanh chóng cả về số các quốc gia sử dụng (50 quốc gia vào năm
1996) cũng như số lượng ô tô sử dụng NGV ở từng nước. Theo ước tính, vào đầu những
năm 2000, số lượng xe sử dụng NGV sẽ đạt đến 750.000 chiếc ở CEI, 300.000 chiếc ở
Canađa, 200.000 ở Nhật, 50.000 chiếc ở Pháp và 200.000 chiếc ở Anh... Tuy nhiên, dù số
lượng có tăng nhanh như vậy, ô tô sử dụng NGV cũng chỉ được chú ý trên một số dạng xe
dịch vụ công cộng (taxi, xe bus...) vì loại nhiên liệu này giúp cho động cơ làm việc tốt
hơn, ít ồn, phát sinh ít ô nhiễm hơn động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng.
8.6. Tính chất của NGV
Khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu là méthane (CH4 chiếm từ 80 - 90% tùy
theo nguồn khai thác). Vì vậy, tính chất của khí thiên nhiên gần với tính chất của khí
méthane.
8.6.1. Thành phần hóa học
Bảng 8.4 giới thiệu thành phần tiêu biểu của một số mẫu khí thiên nhiên từ một số
khu vực trên thế giới. Ngoài methane, những thành phần hydrocacbure khác theo thứ tự
thành phần giảm dần: éthane (1-8%), propane (2%), butane và pentane (nhỏ hơn 1%). Khí
thiên nhiên cũng chứa những chất khí trơ như nitơ (10,8%), CO2 (0,2 - 1,5%). Trong
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Hình 8.18: Sự phân bố lượng ô tô sử dụng nhiên liệu khí trên thế giới
Bảng 8.4: Thành phần của khí thiên nhiên ở các vùng khai thác khác nhau
Méthane Ethane Propane Butane
C5+
0,5
0,4
0,2
1,6
0,2
0,8
Nitơ
1,5
5,8
0,9
-
H2S
CO2
9,3
0,2
0,4
7,1
0,5
4,1
Pháp
69,0
83,7
85,3
56,9
86,5
65,7
3,0
6,8
0,9
2,1
0,5
0,8
2,1
3,7
0,3
5,1
15,3
Algérie
Đông Âu
Irak
-
-
5,8
21,2
8,0
8,5
5,3
6,0
3,5
-
Mĩ
1,9
2,6
1,3
Indonesi
a
14,5
-
8.6.2. Nhiệt trị
Thông thường, nhiệt trị của khí thiên nhiên được tính theo kWh/m3 ở điều kiện
thường (101,3 kPa và 00C). Trong sử dụng NGV làm nhiên liệu cho ô tô, để tiện so sánh
với nhiên liệu cổ điển như xăng, Diesel, người ta thường tính nhiệt trị theo MJ/kg. Bảng
8.5 giới thiệu một vài giá trị tiêu biểu PCI của khí thiên nhiên từ các vùng khác nhau. Sự
chuyển đổi từ PCI thể tích sang PCI khối lượng cần phải biết khối lượng riêng r(kg/m3). Tỉ
lệ nhiên liệu/không khí trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết có thể được xác định
theo thành phần của khí thiên nhiên (bảng 8.4).
Bảng 8.5: Nhiệt trị khi φ = 1 đối với các mẫu khí thiên nhiên
Xuất xứ
Khối
lượng
Tỉ lệ hỗn
hợp cháy
hoàn toàn
lí thuyết
r
khí
PCI
riêng ở
thể khí
(MJ/kg)
(kWh/kg)
(MJ/m3 )
(kWh/m3 )
(kg/m3 )
N
N
N
Lacq
Algérie
(Fos)
Algérie
(Montoir)
Mer du
Nord
0,73
0,76
0,80
17,09
49,64
13,79
36,42
10,12
10,29
10,94
16,77
16,79
48,89
48,95
13,58
13,60
37,06
39,40
0,81
0,74
0,82
15,63
16,53
13,87
45,46
47,99
40,27
12,63
13,33
11,19
36,80
35,70
33,17
10,22
9,92
9,21
URSS
Gronigue
Chúng ta có thể thấy rằng khí thiên nhiên có nhiệt trị riêng khối lượng 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 NGV cũng giảm chừng ấy lần. Dĩ
nhiên PCI của NGV giảm khi thành phần các chất khí trơ (CO2, N2) tăng.
148
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Vì tỉ lệ nhiên liệu/không khí trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết thay đổi
trong phạm vi tương đối rộng, từ 14 đến 17, tùy theo thành phần của khí thiên nhiên nên
trên động cơ làm việc với NGV, cần phải dự kiến những hệ thống điều chỉnh thành phần
hỗn hợp có thể làm việc trong một dải tương đối rộng. Ngược lại, năng lượng chứa đựng
trong hỗn hợp nhiên liệu - không khí, với độ đậm đặc như nhau, ít phụ thuộc vào thành
phần khí thiên nhiên, điều ấy cho phép duy trì công suất riêng của động cơ khi sử dụng
các nguồn khí khác nhau.
8.6.3. Chỉ số Wobbe
Chỉ số Wobbe W là một đặc trưng được sử dụng từ lâu để so sánh tính năng tỏa
nhiệt của hệ thống cháy. Chỉ số Wobbe được tính theo biểu thức sau đây:
PCS
W =
d
trong đó:
PCS: nhiệt trị cao MJ/m3
d: Tỉ trọng của ga so với không khí
Quan hệ giữa W và tỉ lệ hỗn hợp trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết r rất có
ý nghĩa thực tiễn:
W
r = k.Cte.
d
k=0,95; Cte=0,90
Biểu thức này cho thấy rằng r là hàm đồng biến theo chỉ số Wobbe. Nếu chỉ số
Wobbe tăng, tỉ lệ cháy hoàn toàn lí thuyết, và do đó độ đậm đặc của hỗn hợp, cũng tăng
đối với cùng sự điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu khí.
Vì vậy đối với nhà chế tạo ô tô, giá trị của chỉ số Wobbe và nhất là sự thay đổi của
nó từ mẫu khí này đến mẫu khí khác là một thông tin cần thiết đối với sự điều chỉnh hệ
thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
8.6.4. Đặc điểm liên quan đến quá trình cháy trong động cơ
So sánh một số tính chất đặc trưng của khí thiên nhiên (chủ yếu là khí méthane) và
xăng được trình bày trên bảng 8.6.
Bảng 8.6: So sánh đặc tính của méthane và xăng
Đặc trưng
Méthane
Xăng
Chỉ số octane
95
≈ 130
149
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Nhiệt trị khối lượng (kJ/kg)
Năng lượng hỗn hợp (kJ/dm3)
Giới hạn dưới bốc cháy
Tốc độ cháy chảy tầng ở độ đậm đặc
0,80 (cm/s)
50009
3,10
0,50
30
42690
3,46
0,60
37,5
Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ)
Nhiệt độ đoạn nhiệt của màng lửa (K)
0,33
2227
0,26
2266
8.6.4.1. Chỉ số Octane
Chỉ số RON và MON của méthane theo thứ tự là 130 và 115. Đây là một ưu thế
của khí NGV sử dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức. Do tính chống kích nổ tốt nên
NGV cũng được sử dụng trên động cơ có tỉ số nén cao được cải tạo từ động cơ Diesel
nguyên thủy. Trong trường hợp đó, người ta thường sử dụng phương pháp đánh lửa bằng
cách phun mồi (động cơ lưỡng nhiên liệu). Kĩ thuật này có nhiều lợi thế trên động cơ tĩnh
tại nhưng sử dung rất hạn chế trên động cơ vận tải do việc điều chỉnh phức tạp ở chế độ
quá độ. Vì vậy, hiện nay gần như hầu hết các ô tô sử dụng GVN đều hoạt động theo chu
trình động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền thống.
8.6.4.2. Đánh lửa và lan truyền màng lửa trong buồng cháy
động cơ sử dụng NGV
Năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp méthane-không
khí cao hơn nhiều so với trường hợp các hydrocacbure khác. Vì vậy, hệ thống đánh lửa
của động cơ sử dụng NGV phải có tính năng cao hơn (bobine phải có công suất cao hơn)
để bảo đảm tạo ra một năng lượng đánh lửa từ 100 đến 110mJ so với 30 ÷ 40mJ đối với
động cơ xăng truyền thống.
Mặt khác, giới hạn thành phần hỗn hợp có thể cháy được đối với khí méthane rộng
hơn các loại hydrocarbure khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn.
Tốc độ lan tràn màng
lửa của hỗn hợp méthane-
2,0
không khí tương đối thấp (hình
8.19). 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 tràn
màng lửa thấp của hỗn hợp
méthane-không khí có ưu điểm
là làm giảm độ ồn của quá
Propane-không khí
Isooctane-không khí
1,5
1,0
Méthane-không khí
0,5
1,4
1,3
0,7
0,8
0,9
1,1
1,0
1,2
Hình 8.19: Tốc độ cháy (m/s) của méthane, propane
và isooctane (điều kiện ban đầu: áp suất 30bar,
150
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
nhiệt độ 900K).
trình cháy nhờ gradient áp suất
nhỏ.
8.6.4.3. Thành phần và nhiệt độ của sản phẩm cháy
Méthane 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 carbon
trong méthane thấp nên khi động cơ làm việc với hỗn hợp giàu, thành phần CO trong khí
xả thấp hơn khi sử dụng các hydrocarbure khác. Ứng với độ đậm đặc 1,1, thành phần CO
trong sản phẩm cháy chiếm khoảng 2,2% đối với méthane và 3,3% đối với toluen.
Nhiệt độ màng lửa của hỗn hợp méthane-không khí thấp nên nồng độ NOx trong
sản phẩm cháy cũng thấp.
8.7. Các kĩ thuật liên quan đến ô tô sử dụng NGV
Giống như khi vận hành, sử dụng các thiết bị áp lực khác, đối với ô tô NGV chúng
ta cũng cần phải xem xét các điều kiện về khối lượng, thể tích, độ an toàn của bình chứa
nhiên liệu khí ở áp suất cao.
8.7.1. Chứa nhiên liệu NGV trên ô tô và hệ thống cung cấp
8.7.1.1. Bình chứa NGV trên ô tô
Giải pháp cổ điển nhất là sử dụng bình thép để chứa NGV dưới áp suất khoảng 200
bar. Theo qui định an toàn, bình chứa phải chịu được áp suất thử nghiệm 600 bar để đề
phòng nổ vỡ trong trường hợp nó bị sấy nóng (khi bị hỏa hoạn chẳng hạn). Điều này làm
giảm khả năng chứa cực đại của bình (khoảng 0,15m3 NGV đối với 1kg vỏ bình chứa).
N
Ngày nay, người ta ưa chuộng những loại vật liệu khác, chẳng hạn như nhôm thường hay
nhôm gia cố thêm sợi thủy tinh, vật liệu composite với sườn bằng sợi thủy tinh hay sợi
carbon. Khả năng chứa khí của các bình chế tạo từ các vật liệu khác nhau trình bày trên
bảng 8.7. Bảng này cho thấy rằng những vật liệu mới có thể cho phép nâng sức chứa NGV
lên gấp 4 lần so với bình bằng thép có cùng khối lượng.
Bảng 8. 7: Khả năng chứa (m3 ) đối với 1 kg bình chứa làm bằng
N
các vật liệu khác nhau ở áp suất 200 bar
Vật liệu
Thép thường
Khả năng chứa
mn /kg bình chứa ở 200bar
3
0,13-0,14
Thép tốt
0,18-0,20
Nhôm thường
0,19-0,20
Nhôm gia cố sợi thủy tinh
Composite sườn bằng sợi
0,28-0,38
0,40-0,50
151
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
thủy tinh
Composite sườn bằng sợi
0,50-0,70
carbon
Người ta nhận thấy dù sử dụng loại vật liệu nào đi nữa thì áp suất khí trong bình
khoảng 200 bar là tối ưu nhất.
Một phương pháp khác để chứa NGV trên ô tô là dùng vật liệu hấp thụ. Vật liệu
này có thể là than hoạt tính hay oxyde kim loại. Ưu điểm của chúng thể hiện ở khả năng
chứa khí (trên một đơn vị khối lượng) cao (hình 8.20) và có thể làm việc ở áp suất thấp
(30÷40 bar). Trong điều kiện đó, giá thành nén khí thấp hơn và bình chứa có thể được chế
tạo theo những hình dạng khác nhau cho phù hợp với sự bố trí bình chứa trên xe (bình
chứa NGV thông thường ở áp suất 200 bar phải có dạng hình trụ). Bình chứa nhiên liệu
kiểu hấp thụ hiện đang được nghiên cứu để hoàn thiện. Vấn đề cần giải quyết là khống chế
quá trình nhiệt diễn ra khi hấp thụ khí (tỏa nhiệt) và khi giải phóng khí (thu nhiệt), khả
năng hấp thụ khí, tuổi thọ của vật liệu hấp thụ... Hiện nay, người ta đã đạt được áp suất
làm việc 35bar với khả năng chứa khí từ 125 ÷ 180 lít đối với một lít thể tích bình chứa,
nghĩa là đạt được khoảng từ 50 - 80% khả năng chứa của bình thép thông thường ở áp suất
200 bar.
Khả năng chứa
Tuy nhiên cho đến nay,
việc chứa khí NGV dưới áp suất
cao vẫn là giải pháp thông dụng
nhất. Vì vậy, trên ô tô sử dụng
loại nhiên liệu này người ta phải
lắp các thiết bị an toàn để tránh
sự cố cháy nổ trong trường hợp
khí bị rò rỉ. Trong thực tế rủi ro
này rất ít khi xảy ra vì méthane
nhẹ hơn rất nhiều so với không
khí (tỉ trọng so với không khí là
0,55) nên bị khuếch tán nhanh
chóng, khả năng để đạt được hỗn
hợp trong giới hạn bốc cháy là rất
thấp.
(kg/m3)
Carbon
hoạt tính
40
Bình chứa
cổ điển
30
20
10
Áp suất trong bình chứa
Hình 8.20: Knăng chứa trên than
10
20
30
hoạt tính ở 210oC
Để đảm bảo an toàn về áp suất, trên hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV ngườI ta
lắp đặt một van an toàn tác độn ở áp suất 350bar. Áp suất này có thể xảy ra khi ô tô bị hỏa
hoạn. Kết quả thí nghiệm trong trường hợp cháy xe cho thấy khí thoát ra khỏi van an toàn
gây cháy nhưng không nổ. Đối với xe bus chạy ga, bình chứa khí thường đặt trên trần xe
(hình 8.21).
8.7.1.2. Hệ thống cung cấp NGV:
Chúng ta phân biệt hai trường hợp: trạm dịch vụ cung cấp khí tập trung và máy
nén gia đình giúp cho người sử dụng nạp GNV ngay tại garage của mình.
152
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Ở các nước có hệ thống ga thành phố, trạm dịch vụ NGV có ba chức năng:
. Nối vào mạng phân phối khí thiên nhiên của thành phố
. Nén khí đến áp suất hơn 200bar và dự trữ một số bình khí để cung cấp nhanh
trong những giờ cao điểm.
. Phân phối khí NGV cho ô tô bằng ống mềm
Thời gian nạp NGV càng nhỏ càng tốt, thường khoảng từ 2 đến 10 phút cho mỗi
xe. Điều này đòi hỏi phải chứa ga trong bình dự trữ ở trạm có áp suất cao hơn nhiều so với
áp suất bình chứa khí trên ô tô. Thông thường áp suất máy nén khoảng 250 bar. Đối với
một trạm dịch vụ nạp khí cho 1000 ô tô/ngày cần phải có máy nén có công suất khoảng
100kW.
Bình ga NGV
Giảm chấn
Thanh gia cố
Tiết lưu
Xả khí
Cửa thông gió động cơ
Thành kín
Bộ giãn nở
Van điện từ
Van một chiều
Đường nạp NGV
Đường dẫn khí
Van điện từ
Hộp nạp khí
Động cơ
Hình 8.21: Sơ đồ bố trí tổng thể hệ thống cung cấp NGV trên ô tô bus
Cuối cùng cần nói thêm rằng, khi cung cấp NGV, máy định lượng thường được
chia không phải theo m3 khí cung cấp mà theo lít xăng tương đương để cho người sử dụng
có thể so sánh với nhiên liệu lỏng truyền thống.
Ngoài ra, ở các nước phát triển có hệ thống cung cấp khí thiên nhiên trong thành
phố, người ta còn sử dụng máy nén cá nhân để cung cấp NGV cho ô tô ngay tại nhà người
sử dụng. Hệ thống này đảm bảo nạp ga chậm, khoảng 4lít/giờ với áp suất 200bar.
8.7.2. Tổ chức quá trình cháy
153
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Hai dạng ô tô có thể dùng NGV đó là ô tô chuyên dụng và ô tô bus. Tùy theo dạng
sử dụng, giải pháp kĩ thuật về tổ chức quá trình cháy có thể khác nhau.
Ô tô chuyên dụng thường dùng động cơ xăng nên khi cải tạo nó sang dùng NGV
cần chú ý đến việc tăng tỉ số nén. Tỉ số nén của động cơ chạy NGV có thể chọn cao hơn
nhiều so với động cơ xăng do chỉ số octane của méthane lớn. Thường tỉ số nén của động
cơ NGV là 12 hoặc 13. Cũng như động cơ xăng, để nâng cao hiệu quả của việc xử lí ô
nhiễm bằng bộ xúc tác ba chức năng, bộ tạo hỗn hợp phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp f
quanh giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết.
Việc cải tạo xe bus nguyên thủy dùng động cơ Diesel sang dùng nhiên liệu khí
NGV phức tạp hơn 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 kĩ thuật sau đây và hai giải pháp này đang là đối
tượng nghiên cứu để tiếp tục phát triển:
. Giải pháp thứ nhất là cho động cơ luôn luôn làm việc với thành phần hỗn hợp
cháy hoàn toàn lí 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.
8.7.3. Kĩ thuật tạo hỗn hợp
Việc định lượng chính xác nhiên liệu cung cấp ở mỗi chế độ làm việc của động cơ
NGV đôi khi khó thực hiện. Mặt khác, khi động cơ hoạt động, thành phần hỗn hợp giữa
các cylindre 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 NGV đòi hỏi những kĩ thuật phức tạp.
8.7.3.1. Bộ chế hòa khí
Có nhiều kĩ thuật chế hòa khí nhưng hiện nay kĩ thuật phổ biến nhất vẫn là kĩ thuật
ống Venturi. Trong hệ thống này, khí NGV 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 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.
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.
154
: Động hiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Động cơ
Xả
- Nhiệt độ khí
- Áp suất khí
- Chênh lệch áp suất
Máy tính
điều khiển
thời gian phun
Bộ hỗn hợp
Nạp
Van định lượng
Bộ giảm áp
Lưu lượng
khí mong
muốn
Nhiên liệu khí
- Áp suất khí nạp
Máy tính
điều khiển
động cơ
- Nhiệt độ khí nạp
- Tín hiệu cảm biến Oxy
- Vị trí bướm ga
Hình 8.22: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu NGV trên động cơ phun tậ
Bộ xúc tác
Thải
3 chức năng
Cảm biến Oxy
Nạp
Tốc độ động cơ
Áp suất nạp
Động cơ
Vị trí bướm ga
Máy tính
Bộ chấp hành
Van định lượng
Bộ Giảm áp
Nhiên liệu khí
Hình 8.23: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu NGV trên động cơ phun riêng rẽ
8.7.3.2. Phun gián tiếp
Hệ thống phun gián tiếp cho phép cải thiện được 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 được nạp vào động cơ được cải thiện đáng kể.
Cũng như động cơ xăng, phun nhiên liệu có thể được thực hiện theo phương án tập trung
(một điểm) tại cổ góp đường nạp (hình 8.22) hay riêng rẽ (phun vào trước soupape nạp
của mỗi cylindre) (hình 8.23). 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 được
155
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các cylindre của động cơ. Việc khống chế lưu lượng
NGV nạp vào xi lanh được thực hiện nhờ một bộ vi xử lí chuyên dụng.
8.7.3.3. Phun trực tiếp
Kĩ thuật này rất 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 NGV 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 NGV 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. Kĩ thuật này đòi hỏi chế tạo và điều chỉnh
chính xác hệ thống phun vì vậy đắt tiền nên hiện nay nó chưa được phổ biến rộng rãi.
Bảng 8.8: So sánh các hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV khác nhau trên động cơ
Chế hòa khí
Phun ở cổ góp
Phun
trước
Phun
trực tiếp
soupape
nạp
Cơ khí
Điện tử
Phun
Phun gián
liên tục
đoạn
Giá thành
Hoạt động
quá độ
++
--
+
-
+
-
-
+
-
+
--
--
Phân bố giữa
các xilanh
Tổn thất
--
--
--
--
++
++
--
--
--
--
-
--
-
--
+
+
++
++
Nguy cơ
quay ngược
màng lửa
8.7.3.4. So sánh các hệ thống khác nhau
Bảng 8.8 cho thấy ưu nhược điểm của các kĩ thuật tạo hỗn hợp khác nhau đối với
động cơ NGV. Qua bảng này chúng ta thấy rằng kiểu chế hòa khí có rất ít ưu điểm. Do đó,
việc phát triển hệ thống phun tập trung hay riêng rẽ là cần thiết để tăng tính năng kinh tế
kĩ thuật của động cơ NGV.
8.8. Cân bằng năng lượng và ảnh hưởng đến môi trường
của hệ ô tô NGV
Sau đây chúng ta sẽ khảo sát sự cân bằng năng lượng liên quan đến quá trình cung
cấp nhiên liệu khí thiên nhiên (vận chuyển, nén và phân phối) và tính năng của động cơ sử
dụng NGV, đặc biệt là tính năng liên quan đến vấn đề ô nhiễm.
156
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
8.8.1. Tiêu tốn năng lượng liên quan đến việc vận hành hệ thống NGV
Việc đánh giá tính kinh tế của hệ ô tô NGV cần phải xem xét đến sự cân bằng năng
lượng trên toàn bộ các công đoạn từ khi khai thác khí ở mỏ đến khi sử dụng trên ô tô.
Bảng 8.9 giới thiệu những số liệu so sánh về cân bằng năng lượng của GNV và nhiên liệu
lỏng truyền thống. Tiêu tốn năng lượng được phân bố trong 5 công đoạn: sản xuất, vận
chuyển, lọc, phân phối và nén (khí) trước khi sử dụng. Đối với khí NGV, năng lượng tiêu
thụ của các công đoạn trước khi nạp vào động cơ chiếm khoảng 16%. Mức độ tiêu tốn
này tương đối tốt so với xăng. Về phương diện này, dầu Diesel kinh tế nhất, ngay cả
trường hợp dầu Diesel chứa tỉ lệ lưu huỳnh thấp (0,05%).
8.8.2. Tính năng của ô tô
8.8.2.1. Đối với ô tô thông dụng
Như chúng ta đã trình bày việc chuyển đổi ô tô thông dụng sử dụng nhiên liệu lỏng
sang sử dụng khí thiên nhiên NGV đòi hỏi một sự cải tạo đáng kể đối với động cơ: nâng
cao tỉ số nén, nâng cao công suất hệ thống đánh lửa, đặc biệt là phải cải tạo hệ thống cung
cấp nhiên liệu và bình chứa. Trong phần này chúng ta sẽ đánh giá tính năng của động cơ
và vấn đề ô nhiễm.
A. Tính năng:
Về hiệu suất, động cơ dùng NGV có thể dễ dàng đạt được hiệu suất cao hơn động
cơ xăng khoảng10% nhờ tỉ số nén cao. Khi nạp trực tiếp nhiên liệu thể khí vào đường nạp,
hệ số nạp của động cơ bị giảm dẫn đến công suất động cơ giảm (khoảng 10%). Tuy nhiên
sự tụt giảm công suất có thể bù trừ nhờ sự gia tăng hiệu suất động cơ. Động cơ sử dụng
NGV có các tính năng về động học (gia tốc, quá độ, tốc độ cực đại...) tương đương động
cơ xăng. Mặt khác, nhiên liệu NGV do ở dạng khí nên ít bị ảnh hưởng bởi quán tính trong
giai đoạn quá độ nên động cơ làm việc mềm mại hơn. Cuối cùng, động cơ sử dụng NGV
không có những nhược điểm liên quan đến nhiệt độ môi trường như động cơ dùng nhiên
liệu lỏng.
Bảng 8.9: Phân bố năng lượng tiêu thụ trước khi đến nơi sử dụng của
các loại nhiên liệu khác nhau
Các công đoạn
Xăng
Dầu Diesel
GPL-C
3,0
Khí thiên
nhiên
1,8
Đuốc đốt khí trong quá
trình khai thác
Tiêu thụ trên hiện trường
Vận tải
3,0
3,0
1,0
1,9
12,5
0,3
1,0
1,9
6,5
0,1
1,0
1,9
3,5
0,1
-
8,0
-
Lọc
Tổn thất lọc
-
157
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Phân phối
Nén
0,5
-
0,5
-
1,0
-
0,5
-
Tổng cộng
19,2
13,0
10,5
16,3
B. Ô nhiễm:
Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động
cơ dùng NGV liên quan đến thành phần hydrocarbure của nhiên liệu, (thường nhiên liệu
NGV chứa ít nhất 90% méthane). Bảng 8.10 so sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả
trước khi vào bộ xúc tác 3 chức năng khi động cơ sử dụng nhiên liệu NGV và xăng. Khác
với động cơ xăng, trong khí xả động cơ NGV hầu như không có hydrocarbure nào có hơn
4 nguyên tử carbon, 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 của động cơ NGV có
hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến 2 lần. Tính chất này chủ yếu là do nhiên liệu NGV
chứa phần lớn méthane, thành phần các chất hoạt tính (butènes, buta-1,3-diène, xylènes)
rất thấp hoặc có thể bỏ qua.
Mặt khác, nhiên liệu NGV không bao giờ gây trở ngại đối với bộ xúc tác ba chức
năng do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp nhiên liệu lỏng. Tuy nhiên, sự ôxy
hóa méthane 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.
C. Số liệu so sánh trong vài trường hợp điển hình:
Sau đây là số liệu so sánh của vài trường hợp động cơ xăng và động cơ NGV.
Trường hợp thứ nhất (bảng 8.11), nếu xét hai động cơ có cùng tỉ số nén, cùng kết cấu
đường nạp, cùng hệ thống đánh lửa và hệ thống phân phối khí thì ô tô NGV có mức độ
phát sinh ô nhiễm thấp hơn động cơ xăng khoảng 50%.Trường hợp thứ hai, nếu xét một
động cơ đã được thiết kế chuyển đổi để chuyên dùng nhiên liệu NGV thì động cơ dùng
NGV có mức độ phát ô nhiễm rất thấp so với động cơ xăng có cùng công suất và momen
(bảng 8.12).
8.8.2.2. Xe bus và xe vận tải
Đánh giá mức độ phát ô nhiễm cũng như tính năng của ô tô phụ thuộc nhiều vào kĩ
thuật tạo hỗn hợp: hỗn hợp nghèo hay hỗn hợp có thành phần cháy hoàn toàn lí thuyết với
bộ xúc tác 3 chức năng.
A. Tính năng:
Động cơ Diesel tăng áp khi chuyển sang sử dụng NGV 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%.
158
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Bảng 8.10: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí thải của động cơ dùng xăng và dùng NGV.
Mẫu được lấy phía trước bộ xúc tác, thử theo chu trình ECE+EUDC
Xăng
64
NGV
360
40
10,2
10,3
0
Xăng
28,3
100
57,9
6,1
NGV
Méthane
Ethane
50
45,6
20,0
0
Ethylene
117,4
72,8
12,9
7,8
Propane
Propylene
Butanes
Acétylène
(E) But-2-ène
Isobutène
Isopentane
Propyne
But-1-ène
(Z)-But-2-ène
n-Pentane
Buta-1,3-diène
Benzène
40
0
4,6
0
39,9
15
0
15
0
0
18
0
Pent-1-ène
Iso-octane
Ethylbenzène
(o)-Xylène
8,7
0
65
0
46,1
15,9
19
0
Toluène
130,1
84,6
0
0
(m+p)-Xylène
0
0
(Khối lượng khí phát thải tính theo mg)
Bảng 8.11: Giảm ô nhiễm nhờ bộ xúc tác đối với động cơ NGV (tỉ lệ hỗn hợp f=1)
CO(%)
44
HC(%)
52
NOx(%)
34
HC+NOx(%)
42
CO2(%)
20,5
Không có bộ
xúc tác
Có bộ xúc tác
63,5
63
57
60
19
Ngược lại nếu dùng kĩ thuật hỗn hợp nghèo, khi động cơ NGV 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 8.12 cho chúng ta thấy sự so sánh giữa động cơ NGV và động cơ Diesel
nguyên thủy.
Bảng 8.12: So sánh momen cực đại và hiệu suất của động cơ Diesel
và động cơ NGV
So sánh tính năng động
cơ dùng gasole và khí
thiên nhiên
Nhiên liệu
Diesel
42800
1400
1180
173
Khí thiên nhiên
PCI (kJ/kg)
Chế độ
Momen
Công suất
Độ đậm đặc
49100
1260
1000
185
0,56
0,61
159
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Suất tiêu hao nhiên liệu
(g/kWh)
204
186
Hiệu suất toàn bộ
41,2
39,4
Bảng 8.13: Mức độ phát ô nhiễm của động cơ dùng NGV
Chất ô nhiễm
CO (g/mile)
HC tổng
HC không mèthane
NOx (g/mile)
CO2 (g/mile)
Mức độ
0,655
0,230
0,016
0,112
226,6
28,5
Tiêu thụ nhiên liệu
Hoạt động độc lập
175
B. Ô nhiễm:
Bảng 8.13 cho chúng ta một vài ví dụ liên quan đến mức độ phát ô nhiễm của ô tô
vận tải sử dụng NGV. 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 méthane (khoảng 90%), còn lại các thành phần khác rất thấp.
Còn về mức độ phát sinh NOx, khí xả động cơ NGV có nồng độ NOx rất thấp nếu
động cơ làm việc với f=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 NGV. Mức độ ồn giảm được khoảng 3 db khi động cơ hoạt
động không tải đối với ô tô bus thành phố.
Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh (THT: Télrahydrothiophène) để phát hiện
sự rò rỉ được thêm vào khí thiên nhiên với thành phần rất thấp (20 hay 25mg/m3) nên bị
đốt cháy hoàn toàn. Vì vậy nên khí xả động cơ NGV rất ít hôi so với khí xả động cơ
Diesel.
8.8.3. Ảnh hưởng đối với hiệu ứng nhà kính
Méthane cũng như CO2 và N2O là khí gây hiệu ứng nhà kính một cách trực tiếp vì
vậy người ta rất quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc phát triển động cơ
NGV đến việc nóng lên của bầu khí quyển.
Bảng 8.14: Phát ô nhiễm của động cơ công nghiệp dùng NGV
Cháy hoàn toàn lí
Cháy hỗn hợp nghèo
Tiêu chuẩn
thuyết với bộ xúc tác với bộ xúc tác oxy hóa
Euro 1996
160
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
3 chức năng
CO
2,5
0,3
4
HC
0,5
0,2
1,1
7,0
0,15
NOx
3,5
2,5
0,05
Bồ hóng
0,05
(Đơn vị tính: g/kWh)
Trong thực tế, động cơ NGV phát sinh nhiều méthane nhưng ít CO2 so với động cơ
nhiên liệu lỏng. Vì vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ NGV
thấp hơn khoảng 25% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ Diesel (bảng 8.15). Do
đó, việc sử dụng NGV sẽ làm giảm đi đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính trên phạm
vi toàn cầu.
Bảng 8.15: So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ
dùng xăng, Diesel và NGV (gCO2/km), theo chu trình ECE
Xăng
356
Diesel
280
NGV
267
Trước bộ xúc tác
Sau bộ xúc tác
310
251
231
8.9. Viễn cảnh của động cơ dùng NGV
Nhìn chung, động cơ dùng NGV 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 tải gây ra ngày càng trở nên trầm trọng. Ở một số khu vực trên thế giới, người ta
đã bắt đầu sử dụng NGV cho ô tô chạy trong thành phố. Chẳng hạn ở Buenos-Aires, tất cả
taxi đều dùng NGV. Ở những thành phố lớn của Mỹ, chẳng hạn ở NewYork, người ta đã
xây dựng nhiều dự án quan trọng cho việc chuyển ô tô nhiên liệu lỏng sang NGV. Nhiều
quốc gia khác như Ý, Canada, Hà lan... cách đây khá lâu đã xây dựng những cơ sở hạ tầng
phục vụ cho việc phát triển ôtô dùng NGV. Ở các nước này ô tô NGV ngày càng được
nhân rộng.
Cuối cùng người ta dự kiến sự gia tăng ô tô NGV ở những quốc gia sản xuất khí
thiên nhiên như Malaysia, Trung Quốc... Ở những quốc gia này số lượng ô tô ngày một
gia tăng nên vấn đề ô nhiễm môi trường khiến người ta phải quan tâm đến NGV. Những
dữ kiện trên cho phép chúng ta dự đoán được rằng, trong thời gian trước mắt (trong vòng
từ 5 đến 10 năm tới), số lượng ô tô dùng NGV trên thế giới sẽ tăng từ 2 đến 5 lần. Vì vậy
đến những năm 2000, trên thế giới sẽ có khoảng 5 triệu ô tô NGV.
Dĩ nhiên sự phát triển NGV nhanh hơn cũng có thể diễn ra nhưng với một số điều
kiện. Trước hết loại 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. Hiện tại NGV có ưu điểm
161
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
không thể phủ nhận nhưng ưu thế này chưa chắc còn được duy trì trong tương lai. Mặt
khác, người ta chỉ tiếp 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 NGV
đòi hỏi:
- Chính sách thuế khuyến khích người sử dụng
- Cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấp NGV cho ô tô
(Trạm dịch vụ công cộng hay cá nhân, hình 8.24 và 8.25)
- Giải quyết được vấn đề tâm lí của người sử dụng liên quan đến tính an toàn của
ô tô dùng NGV.
Hình 8.24: Trạm dịch vụ công cộng cung cấp NGV cho ô tô
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Hình 8.25: Máy nén cá nhân cung cấp NGV cho ô tô
163
18 trang
23380
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Ô tô và ô nhiễm môi trường - Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí Một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_o_to_va_o_nhiem_moi_truong_chuong_8_dong_co_su_du.pdf
