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 1)
ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU KHÍ:
Chương 8
MỘT GIẢI PHÁP LÀM GIẢM
Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
Các giải pháp kĩ thuật cải thiện quá trình cháy và tăng cường xử lí trên đường xả
như đã mô tả ở chương 7 chưa đủ để làm giảm một cách triệt để nồng độ các chất ô nhiễm
trong khí thải động cơ đốt trong. Do đó, để nâng cao hiệu quả của việc chống ô nhiễm môi
trường do phương tiện vận tải gây ra, chúng ta cần tác động đến nhiên liệu: nâng cao tính
năng của nhiên liệu truyền thống hoặc sử dụng các loại nhiên liệu ‘sạch’. Sử dụng nguồn
nhiên liệu khí để chạy động cơ ngoài việc đa dạng hóa nguồn năng lượng còn góp phần
đáng kể vào việc giải quyết vần đề ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra.
Phần 1: NHIÊN LIỆU KHÍ HÓA LỎNG LPG
Nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG: khí dầu mỏ hóa lỏng) thường thuộc nhóm
hydrocarbure có 3 hay 4 nguyên tử C (C3-C4). Loại nhiên liệu này được phát triển và
thương mại hóa từ những năm 1950. Mấy thập kỉ qua chúng được dùng chủ yếu cho công
nghiệp và sinh nhiệt gia dụng. Việc nghiên cứu sử dụng chúng cho động cơ đốt trong trên
phương tiện giao thông vận tải đã bắt đầu trong những năm gần đây. Tuy việc áp dụng loại
nhiên liệu này trên ô tô cần những thiết bị cồng kềnh hơn nhiên liệu lỏng nhưng nó cho
phép giảm được mức độ phát ô nhiễm và đó chính là điểm mà các nhà chế tạo ô tô quan
tâm nhất hiện nay.
8.1. Trữ lượng LPG và thị trường tiêu thụ
Là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí hóa lỏng có
thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên. Vì vậy, nguồn gốc
khí hóa lỏng phụ thuộc vào xuất xứ nhiên liệu. Nói chung trên thế giới có khoảng 40%
LPG thu được từ quá trình lọc dầu thô.
Sản lượng khí hóa lỏng trên thế giới năm 1995 là 130 triệu tấn, chiếm 2% tổng
năng lượng tiêu thụ dưới các dạng khác nhau. Người ta dự kiến trong những năm đầu của
thế kỉ 21, tổng sản lượng LPG trên thế giới sẽ đạt khoảng 200 triệu tấn/năm.
Phần lớn lượng khí hóa lỏng thu được hiện nay được sử dụng làm nguồn chất đốt
để sinh nhiệt gia dụng hay công nghiệp. Lượng khí hóa lỏng làm nhiên liệu cho ô tô
đường trường hiện chỉ chiếm một tỉ lệ khiêm tốn: 1% ở Pháp, 3% ở Mỹ, 8% ở Nhật...
(hình 8.1). Tuy nhiên ở một số nước có chính sách khuyến khích sử dụng LPG làm nhiên
128
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
liệu cho ô tô nhằm mục đích giảm ô nhiễm môi trường thì tỉ lệ này rất đáng kể, chẳng hạn
như Hà Lan, Ý (42%)... Các số liệu trên chưa kể những động cơ trên các ô tô chuyên dụng
sử dụng LPG (chẳng hạn ô tô chạy trong sân bay, xe nâng chuyển, máy móc nông
nghiệp...).
Nhiên liệu (1%)
Công nghiệp (15%)
Nông nghiệp (17%)
Gia dụng (67%)
Pháp (tổng cộng 3Mt/năm)
Nông nghiệp (14%)
Gia dụng (20%)
Nhiên liệu (42%)
Công nghiệp (24%)
Hà Lan (tổng cộng 3,4 Mt/năm)
Hình 8.1: Tỉ lệ tiêu thụ LPG ở vài nước tiêu biểu
Sự phát triển ô tô dùng
Hàn Quốc
Nhật
7,6%
LPG phụ thuộc vào chủ trương của
mỗi quốc gia, đặc biệt là phụ thuộc
vào chính sách bảo vệ môi trường
(hình 8.2). Sự khuyến khích sử
dụng ô tô LPG thể hiện qua chính
sách thuế ưu đãi của mỗi quốc gia
đối với loại nhiên liệu này.
0,7%
0,4%
0,1%
Mĩ
Pháp
4,4%
8,7%
Ý
Hà Lan
Hình 8.2: Tỉ lệ ô tô sử dụng LPG
Ở một số nước Châu Á, Hàn Quốc và Nhật Bản chẳng hạn, để giảm ô nhiễm môi
trường đô thị, chính phủ các nước này khuyến khích, tiến tới bắt buộc taxi phải dùng nhiên
liệu khí hóa lỏng. Hiện nay toàn bộ taxi Hàn Quốc đều dùng loại nhiên liệu này.
129
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
n-Penten
0%
0,03%
Isopentane
0%
0,06%
Buta-1,3-diène
0%
LPG California
(Z)-but-2-ène
LPG Pháp
0%
1,8%
(E)-but-2-ène
0%
2,7%
Isobutene+but-1-ène
0%
6,1%
n-Butane
Isobutane
Propane
Propylène
Ethane
0,03%
28,3%
0,3%
19,6%
91,3%
31,8%
1,1%
9,1%
6,6%
Méthane
0,4%
0,6%
0%
Hình 8.3: Thành phần LPG tiêu biểu
8.2. Đặc tính nhiên liệu khí hóa lỏng
8.2.1. Thành phần hóa học
Theo tiêu chuẩn Châu Âu, nhiên liệu khí hóa lỏng phải có từ 19 đến 50%
hydrocabure C3 (propane và propylène). Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng
khá ổn định, chứa chủ yếu là hydrocarbure C4, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ có butane là
khí hóa lỏng được sử dụng chính thức. Ngược lại ở Mĩ thì chỉ có hydrocarbure C3 được sử
dụng. Hình 8.3 so sánh thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng của Pháp và Mĩ.
Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng nhiên liệu khí hóa lỏng chứa rất ít lưu huỳnh.
Thường nó chỉ chứa từ 40 ÷ 60ppm, thấp hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn Cộng đồng Châu
Âu (200ppm). Do đó, động cơ dùng LPG phát rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và
hiệu quả của bộ lọc xúc tác được cải thiện.
8.2.2. Lí tính
130
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Nhiên liệu khí hóa lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng (PCIm) cao, cao hơn cả
xăng hay dầu diesel (bảng 8.1). Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó thấp, nhiệt trị riêng
theo thể tích (PCI) thấp hơn nhiên liệu lỏng.
Bảng 8.1: So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển
Thông số đặc trưng
Eurosuper
Diesel
Propane
thương
mại
Butane
thương
mại
LPG
Khối lượng riêng (kg/dm3)
0,725-
0.780
0,820-
0,860
0,51
0,58
0,51-0,58
Nhiệt trị thấp PCI
- theo khối lượng (MJ/kg)
- theo thể tích (MJ/dm3)
42,7
32,0
42,6
35,8
46,0
23,5
45,6
26,4
45,8
25,0
8.2.3. Chỉ số Octane
Nhiên liệu khí hóa lỏng được đặc trưng bởi chỉ số octane nghiên cứu (RON) cao,
có thể dễ dàng đạt đến 98. Bảng 8.2 giới thiệu RON của các loại khí khác nhau. Chỉ số
octane động cơ (MON) của LPG cũng cao hơn xăng.
Bảng 8.2: Chỉ số octane của một số chất
Chất
RON
>100
102
MON
100
85
Propane
Propène
n-Butane
Isobutane
But-1-ène
But-2-ène
95
92
>100
(98)
100
99
80
83
8.3. Sử dụng LPG trên ô tô
Có hai dạng động cơ sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng hiện nay. Dạng thứ nhất
nguyên thủy là động cơ xăng, được lắp đặt thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu đặc biệt để
làm việc với LPG. Dạng thứ hai là động cơ đánh lửa cưỡng bức được thiết kế để dùng
nhiên liệu LPG. Trong cả hai trường hợp, nguyên lí cũng như kết cấu của hệ thống cung
cấp nhiên liệu cho ô tô có những đặc điểm giống nhau. Phần sau đây sẽ trình bày những
cải tạo kĩ thuật khi chuyển động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng nhiên liệu lỏng sang dùng
nhiên liệu khí.
8.3.1. Cải tạo hệ thống đánh lửa
131
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Có hai dạng đánh lửa, mỗi dạng có những ưu nhược điểm riêng.
8.3.1.1. Đánh lửa bằng tia lửa điện
Dạng đánh lửa này được áp dụng cho động cơ ô tô và động cơ công nghiệp có
công suất trung bình.
Bougie gồm cực trung tâm và một hay bốn cực chung quanh nối liền với thân máy.
Khoảng cách giữa các điện cực được chỉnh cẩn thận (thường là 0,3 đến 0,4mm tùy theo
loại bougie) sao cho đảm bảo được hiệu quả đánh lửa cao nhất. Đối với động cơ ga dùng
cho ô tô, hệ thống đánh lửa giống như hệ thống đánh lửa của động cơ xăng nguyên thủy.
8.3.1.2. Đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi
Đánh lửa được thực hiện bằng sự tự cháy của một lượng nhỏ nhiên liệu lỏng phun
trước khi piston đến ĐCT.
Nguyên tắc này giống như ở động cơ Diesel, chỉ có khác là việc điều chỉnh công
suất được thực hiện bằng cách điều chỉnh thể tích khí ga nạp vào xi lanh còn lượng nhiên
liệu lỏng phun mồi vẫn giữ cố định. Người ta gọi loại động cơ này là Diesel-ga hay lưỡng
nhiên liệu (Dual-fioul). Phương pháp này chỉ được áp dụng cho động cơ công nghiệp công
suất lớn (lớn hơn 1000kW).
Các hạt nhiên liệu lỏng phun vào buồng cháy sẽ tự bốc cháy và tạo ra chừng ấy
điểm đánh lửa trong hỗn hợp nhiên liệu-không khí.
So với hệ thống đánh lửa cổ điển dùng tia lửa điện, người ta thấy hệ thống đánh
lửa kiểu này hiệu quả hơn nhiều vì năng lượng do nó tỏa ra cao gấp nghìn lần so với hệ
thống đánh lửa bằng tia lửa điện truyền thống và nó hầu như không phụ thuộc vào sự phân
bố hỗn hợp trong buồng cháy. Trong trường hợp đó, sự gia tăng áp suất diễn ra nhanh
chóng hơn và hiệu suất động cơ được cải thiện đáng kể.
Phân tích đường cong áp suất cho thấy ở chế độ làm việc ổn định, sự gia tăng áp
suất của loại động cơ này tương tự động cơ Diesel.
Lượng nhiên liệu phun mồi rất nhỏ, nhỏ hơn cả lượng nhiên liệu cần thiết để duy
trì chế độ không tải của động cơ Diesel. Vòi phun vì vậy không được làm mát đầy đủ nên
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 ga-không khí để tránh
hiện tượng cháy kích nổ. Tỉ số nén thông thường là 13 đối với động cơ có đường kính xi
lanh D=150mm; 11,5 đối với động cơ có D=250mm và 10,5 đối với động cơ có
D=500mm.
8.3.1.3. So sánh hai phương pháp đánh lửa
132
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
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 ga-không khí đủ
lớn.
- Dễ dàng chuyển đổi sang lại động cơ Diesel khi có sự cố hệ thống ga.
- 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 ga sử dụng. Tuy nhiên việc giảm tỉ số nén sẽ
dẫn tới việc giảm hiệu suất nhiệt của động cơ.
8.3.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu
Cho đến nay, hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân không tại
họng Venturi 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, đặc biệt là hệ thống phun
nhiên liệu ở dạng khí hóa lỏng ngay trước soupape nạp. Hệ thống này có ưu điểm là ngăn
chặn sự bốc cháy của hỗn hợp trên đường nạp, hiệu suất của động cơ được nâng cao và
mức độ phát ô nhiễm giảm đi rõ rệt.
LPG có thể cung cấp cho động cơ ở dạng khí hay dạng lỏng. Ưu điểm của việc sử
dụng GPL dưới dạng khí là sự đồng nhất hoàn hảo của hỗn hợp ga-không khí và tránh
hiện tượng ướt thành đường nạp bởi nhiên liệu lỏng, hiện tượng này rất nhạy cảm khi
động cơ khởi động và khi động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiếp. Điều này cho phép làm
giảm được mức độ phát sinh ô nhiễm (từ 30 đến 80% so với động cơ xăng nguyên thủy).
Nhược điểm của việc cung cấp dạng này là quá trình điều khiển dài và sự cung cấp ga liên
tục làm hạn chế khả năng khống chế tỉ lệ không khí/ga, đặc biệt là giai đoạn quá độ của
động cơ. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng công suất động cơ giảm đi khoảng từ 5 đến 8%
do tổn thất lượng không khí nạp do khí ga chiếm chỗ.
Hệ thống cung cấp LPG bằng cách phun ở dạng lỏng cho phép sử dụng ưu thế của
LPG để hạn chế những nhược điểm trên đây. Ưu điểm của việc phun LPG lỏng là tạo khả
năng kiểm soát được độ đậm đặc ở mỗi lần phun với thời gian rất ngắn vì vậy có thể áp
dụng các biện pháp hữu hiệu nhằm giới hạn mức độ phát ô nhiễm khi động cơ làm việc ở
chế độ quá độ. Sự bốc hơi LPG làm giảm đáng kể nhiệt độ khí nạp do đó làm tăng hệ số
nạp của động cơ. Mặt khác, màng nhiên liệu lỏng bám trên đường nạp không đáng kể gì so
với khi động cơ làm việc với xăng. Điều này thuận lợi cho việc làm giảm mức độ phát
sinh HC.
Tuy nhiên việc sử dụng vòi phun thay vì bộ chế hòa khí do làm giảm thời gian tạo
hỗn hợp và mật độ nhiên liệu cung cấp dẫn đến sự không đồng nhất của hỗn hợp và do đó
có nguy cơ làm tăng nồng độ CO trong khí xả.
133
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
8.3.2.1. Bộ chế hòa khí
Có nhiều dạng bộ chế hòa khí dựa trên nguyên tắc ống Venturi. Sau đây chúng ta
sẽ nghiên cứu một số dạng chính.
1. Bộ chế hòa khí dạng màng
Hình 8.4 thể hiện sơ đồ mặt cắt của một bộ chế hòa khí dạng màng. Khi dừng động
cơ, van C đóng đồng thời đường vào không khí và ga dưới tác dụng của lò xo R. Màng M
chịu áp suất của khí nạp ở một bên còn bên kia, chịu áp suất sau họng venturi được truyền
qua nhờ bốn lỗ F. Khi lưu lượng không khí tăng dần, van xa dần khỏi đế, tạo ra một tiết
diện lưu thông cho bởi lõi định dạng O. Biên dạng của lõi này được xác định theo nhiệt trị
của nhiên liệu. Bộ phận này cho phép đạt được hỗn hợp có thành phần không đổi trong
toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ. Sự điều chỉnh tinh được thực hiện nhờ tác động
vào hai bộ phận sau:
- Bộ giãn nở trên đường ga cho phép điều chỉnh áp suất ga-không khí và tác động
lên độ đậm đặc của hỗn hợp chủ yếu ở chế độ tải thấp.
- Bướm V tạo ra một tổn thất áp suất thay đổi và tác động chủ yếu khi công suất
động cơ đạt cực đại.
Ga
Không
Hình 8.4 : Bộ chế hòa khí dạng màng
2. Bộ chế hòa khí dạng van modul hóa
Hình 8.5 biểu diễn mặt cắt của bộ chế hòa khí kiểu van modul hóa. Khí ga được
hút vào phía sau bướm sau khi modul hóa lưu lượng nhờ một bộ định lượng. Khi sử dụng
hệ thống này trên các động cơ khác nhau chỉ cấn thay đổi bộ định lượng và gicleur tiêu
chuẩn. Hệ thống này cho phép động cơ làm việc lưỡng nhiên liệu xăng và ga, bộ chế hòa
khí xăng được lắp phía trước họng ga.
Không
Vb: Vít chống xoay
134
Ga
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Hình 8.5: Bộ chế hòa khí dạng
Hình 8.6 : Họng Venturi vạn năng
van modul hóa
3. Họng Venturi vạn năng
Họng Venturi vạn năng (hình 8.6) được thiết kế để dùng cho bộ chế hòa khí hỗn
hợp. Nó giống như một chiếc đệm và có thể được lắp đặt ở bất cứ nơi nào trên đường nạp:
- Giữa bầu lọc gió và bộ chế hòa khí xăng.
- Ở đế chế hòa khí, phía trước bướm ga.
Hình 8.7: Tạo hỗn hợp bằng cách dẫn khí ga
vào họng bộ chế hòa khí nguyên thủy
4. –ng ga đặt thẳng vào họng
Dạng cải tạo này dùng họng Venturi nguyên thủy của động cơ xăng. Ga được một
ống dẫn tới vùng chân không của họng (hình 8.7). –ng này có thể dẫn theo đường trục của
chế hòa khí hay vuông góc với đường trục bằng cách khoan xuyên qua thành bộ chế hòa
khí.
5. Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu Venturi trên ô tô hiện đại
Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu khí nhờ độ chân không tại họng ống Venturi
trên ô tô hiện đại được trình bày trên hình 8.8. LPG được nén trong bình chứa với áp suất
từ 7 ÷ 10 bar sau đó được giãn nở và bay hơi đến một áp suất nạp thấp hơn áp suất khí
trời. Nhờ độ chân không tại họng, LPG được hút vào đường nạp.
135
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Lưu lượng LPG cung cấp được khống chế bởi bộ phận giãn nở và độ chân không ở
ống Venturi. Với bộ chế hòa khí hiện đại, lưu lượng LPG được điều khiển bởi một bộ vi
xử lý chuyên dụng.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu này đi kèm với ống xả xúc tác là giải pháp rất lí
tưởng để làm giảm ô nhiễm. Tuy nhiên, việc nạp nhiên liệu dưới dạng khí ảnh hưởng xấu
đến hệ số nạp làm giảm công suất và momen động cơ so với động cơ cùng cỡ chạy bằng
nhiên liệu lỏng.
Bộ giãn nở
Bình nhiên liệu LPG
Lọc khí
Venturie
–ng xả xúc tác
Cảm biến
Phun xăng
Máy tính LPG
Bộ chuyển xăng/LPG
Hình 8.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu ống Venturi trên ô tô hiện đại
8.3.2.2. Cung cấp ga trực tiếp nhờ soupape ga
Hình 8.9: Cung cấp ga bằng soupape ga
136
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Đối với động cơ ga công suất lớn, ga thường được cung cấp bởi một soupape đặc
biệt được đặt trước cửa nạp hay ngay trong xi lanh (hình 8.9).
Soupape này có thể điều khiển bởi một cánh tay đòn hay bởi một xi lanh thủy lực.
Soupape ga được mở trễ hơn một chút so với soupape nạp để tránh thất thoát ga ra đường
xả trong giai đoạn trùng điệp. Lượng ga nạp vào được điều chỉnh nhờ thời gian mở
soupape ga hay độ chênh áp giữa ga và không khí.
8.3.2.3. Phun nhiên liệu
Nhiên liệu LPG có thể được cung cấp bằng hệ thống phun vào cổ góp (phun tập
trung) hay phun vào trước soupape nạp của từng cylindre (phun riêng rẽ). Áp suất nhiên
liệu trước vòi phun của hai kiểu phun này đều cao hơn áp suất khí quyển. Nhiên liệu phun
vào đường nạp động cơ có thể dưới dạng khí hay lỏng, trong đó phun nhiên liệu dạng lỏng
có nhiều hứa hẹn nhất.
Hình 8.10 trình bày sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG (phun nhiên liệu dưới
dạng lỏng) của động cơ lưỡng nhiên liệu (LPG và xăng). Nhiên liệu LPG dưới dạng lỏng
từ bình nhiên liệu được hút nhờ một bơm chuyển và duy trì áp suất dư trên đường ống
khoảng 5 bar để tránh sự bốc hơi. Nhiên liệu sau đó được đưa qua bộ lọc và bộ điều áp
trước khi dẫn đến vòi phun .
Vòi phun được một bộ vi xử lý chuyên dụng điều khiển một cách tự động. Bộ vi
xử lý này nhận phần lớn các tín hiệu cần thiết từ hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng đã có
và được bổ sung thêm những thông tin đặc thù khác của hệ thống cung cấp nhiên liệu
LPG.
Bộ vi xử lý
Bộ vi xử lý
đối với xăng
đối với LPG
Cảm biến oxy
–ng xả xúc tác
Vòi phun xăng
Lọc gió
Vòi phun
LPG
Hòi lưu LPG
Bình chứa LPG
Bơm
Điều hòa áp suất
137
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Hình 8.10: Hệ thống phun nhiên liệu LPG dưới dạng lỏng
Hệ thống phun LPG lỏng cải thiện rất đáng kể tính năng của động cơ cả về hiệu
suất cũng như mức độ phát sinh ô nhiễm. Công suất và momen tăng do tăng hệ số nạp còn
suất tiêu hao nhiên liệu giảm do điều chỉnh tốt lượng nhiên liệu cung cấp theo chế độ làm
việc của động cơ.
8.3.3. Lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên ô tô
Ngày nay, phần lớn các hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG được lắp đặt trên các ô
tô thông dụng hay taxi nguyên thủy được thiết kế để dùng nhiên liệu xăng. Thông thường
các ô tô này có lắp bộ xúc tác 3 chức năng. Do kết cấu kĩ thuật như vậy, các động cơ phải
làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết không phân biệt loại nhiên liệu sử dụng.
Ở một số vùng trên thế giới chẳng hạn ở vài nước Châu Á, chính quyền sở tại
khuyến khích, và đôi lúc bắt buộc sử dụng LPG nên một số nhà chế tạo đã sản xuất ô tô
chuyên sử dụng loại nhiên này. Hiện nay, những ô tô LPG thường được lắp đặt trên taxi
cũng như các xe tải nhỏ, tầm hoạt động của chúng thường giới hạn trong thành phố hay
ven đô.
Dĩ nhiên là ô tô tải đường trường cũng có thể được thiết kế để sử dụng LPG. Tuy
nhiên dạng áp dụng này thường ít được phổ biến do giá thành cao. Người ta có thể chế tạo
mới hoàn toàn động cơ sử dụng LPG hoặc cải tạo động cơ đã có sẵn. Hướng thứ hai này rẻ
tiền hơn tuy nhiên động cơ phải được cải tạo rất nhiều vì đa số xe tải dùng động cơ Diesel.
Do tình hình ô nhiễm môi trường do giao thông vận tải gây ra trong thành phố ngày càng
trở nên trầm trọng nên ở một số thành phố lớn, người ta khuyến khích sử dụng LPG trên
các phương tiện vận tải công cộng cho dù giá thành đầu tư ban đầu của chúng còn cao.
8.3.3.1. Hệ thống bốc hơi-giãn nở LPG
LPG được chứa dưới dạng lỏng vì vậy cần làm bốc hơi trước khi đưa vào động cơ.
Năng lượng cần thiết cho sự bốc hơi này do hệ thống nước làm mát cung cấp.
Trong nhiều trường hợp, sự bốc hơi và giãn nở được thực hiện trong một bộ phận
duy nhất, đó là bộ bốc hơi-giãn nở (hình 8.11). Nguyên lý làm việc của bộ phận này như
sau: Ga lỏng được cung cấp dưới áp suất khoảng vài bars phụ thuộc vào nhiệt độ lưu trữ
và được hút vào lỗ A và van thứ nhất B.
Trong khoang đầu tiên C thực hiện đồng thời sự bốc hơi và giãn nở sơ bộ đến áp
suất khoảng 0,7 bar. Khoang này được cấp nhiệt bởi hệ thống làm mát động cơ D.
Sự giãn nở tiếp theo được thực hiện nhờ van E đến áp suất định trước phụ thuộc
vào áp suất chuẩn do lỗ F tạo ra.
LPG lỏng
138
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Để khởi động dễ dàng khi động cơ
ở trạng thái nguội, lưu lượng khí ga được
gia tăng nhờ mở van ở tầng thứ hai do một
nút điều khiển bằng tay G hay một chốt
điện từ điều khiển từ xa.
Hiện nay phổ biến trong thương mại
là phương pháp tạo hỗn hợp bằng bộ chế
hòa khí. Các trang bị chế tạo sẵn để cải tạo
động cơ xăng sang động cơ LPG gồm: bình
chứa LPG, bộ bốc hơi-giãn nở được sấy
nóng bởi trích nước làm mát từ động cơ và
bộ hỗn hợp dạng Venturi. Lưu lượng ga
được khống chế đồng thời bởi bộ giãn nở
và hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu
điện tử thông qua các thông tin cần thiết để
Hình 8.11: Bộ bốc hơi-giãn nở
8.3.3.2. Bình chứa nhiên liệu
Hình 8.12: Các dạng bình chứa nhiên liệu LPG
Nhiên liệu LPG trên ô tô thường được nén trong bình chứa dưới áp suất khoảng 10
bar. Bình chứa nhiên liệu khí thường có dạng trụ và hai đầu hình bán cầu. Đôi khi bình
chứa cũng có dạng hình xuyến (hình 8.12). Dạng bình chứa này giống hệt bánh xe, thường
được sử dụng đối với động cơ lưỡng nhiên liệu vì nó có thể đặt vào không gian của bánh
xe dự trữ.
139
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Nhìn chung, trọng lượng của bình chứa lớn vì phải chế tạo bằng thép dày khoảng
vài mm để đảm bảo an toàn cho ô tô và hành khách đặc biệt là khi xảy ra tai nạn. Ở Pháp
bình chứa LPG trên ô tô phải qua thử nghiệm hai bước: bước đầu dưới áp suất tĩnh 30 bar;
bước thứ hai thử va chạm (50km/h và dừng) ở áp suất 11 bar trong bình chứa.
Bố trí hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên ô tô được trình bày trên hình 8.13.
Đầu nối để nạp LPG
Bộ chuyển xăng/LPG
Đồng hồ xăng/LPG
Hỗn hợp không khí-gas
Bộ giãn nở-bốc hơi
Bình chứa LPG
Đường nạp LPG
Bộ vi xử lý LPG
Cảm biến lambda
Hình 8.13: Bố trí các hệ thống trên ô tô LPG
8.4. Tổng hợp kinh nghiệm về ô tô dùng LPG
Sử dụng LPG làm nhiên liệu cho động cơ nói chung là rất có lợi không những về
tính kinh tế mà còn làm giảm rất rõ rệt mức độ ô nhiễm môi trường so với động cơ sử
dụng nhiên liệu cổ điển (xăng, diesel).
8.4.1. Tính năng của ô tô LPG
Tính năng của động cơ LPG thường được so sánh với động cơ xăng cùng cỡ.
8.4.1.1. Momen, công suất
Trước đây động cơ dùng LPG có momen, công suất thấp hơn động cơ xăng cùng
cỡ do phun nhiên liệu khí vào đường nạp qua họng Venturi làm giảm hệ số nạp động cơ.
Tuy nhiên, trên những động cơ LPG hiện đại, nhiên liệu khí được phun trực tiếp ở dạng
lỏng, nên chúng có tính năng kinh tế-kĩ thuật tương đương với động cơ xăng. Thật vậy, so
sánh nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí-xăng và không khí-LPG (ở độ đậm đặc bằng
1) cho thấy xăng cho giá trị cao hơn 3%. Tuy nhiên, không phải chỉ có nhiên liệu gây ra sự
khác biệt về momen và công suất động cơ mà các đặc trưng của hệ thống cung cấp nhiên
liệu LPG cũng gây ảnh hưởng đáng kể. Chẳng hạn khi LPG được phun dưới dạng lỏng, sự
140
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
bốc hơi của nó trên đường nạp làm giảm nhiệt độ khí và do đó làm tăng khối lượng riêng
của hỗn hợp, cải thiện được hệ số nạp. Ngược lại khi phun nhiên liệu dạng khí, hệ số nạp
bị giảm so với động cơ xăng. Thêm vào đó, sự hiện diện của họng Venturi trên đường nạp
gây ra sự xáo trộn động lực học và đó cũng là nguyên nhân làm giảm momen động cơ.
8.4.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu
Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo thể tích và tính theo khối lượng nhiên liệu của
động cơ LPG so với động cơ xăng có lợi thế khác nhau. Trong thực tế nếu so sánh năng
lượng tiêu hao trên 100km hành trình (J/100km) thì nhiên liệu LPG được xếp ở vị trí
tương đối tốt, thấp hơn động cơ xăng khoảng vài phần trăm. Điều này là do sự lắp đặt hệ
thống cung cấp nhiên liệu LPG mới có khả năng phun nhiên liệu với độ chính xác cao.
Mặt khác, hệ thống mới còn dự kiến cả việc cắt nhiên liệu khi giảm tốc độ cho phép giảm
suất tiêu hao nhiên liệu đến mức thấp nhất. Thêm vào đó, nếu LPG giàu propane, chỉ số
octane của nó rất cao nên có thể tăng tỉ số nén động cơ dẫn đến giảm suất tiêu hao nhiên
liệu khoảng 5%.
8.4.2. Mức độ phát ô nhiễm
Ô tô sử dụng LPG phát sinh rất ít ô nhiễm. Đây là đặc điểm rất đáng quan tâm đối
với công tác bảo vệ môi trường.
8.4.2.1. Các chất ô nhiễm thông thường
Như được giới thiệu trên hình 8.14, sự phát sinh ô nhiễm trong khí xả động cơ
LPG giảm đi rất đáng kể so với động cơ xăng. Bảng 8.3 cho thấy một ô tô sử dụng LPG
thõa mãn một cách dễ dàng tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu 2000 và tiêu chuẩn California
ULEV (ô tô phát ô nhiễm cực thấp). Nổi bật nhất là mức độ giảm CO. Điều này một mặt
là do tỉ số H/C đối với LPG cao hơn xăng mặt khác do hỗn hợp được hòa trộn đồng đều
hơn khi động cơ sử dụng LPG.
Mức độ giảm NOx cũng quan trọng, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở khu vực
gần đầy tải do nhiệt độ màng lửa nhiên liệu khí thấp hơn màng lửa xăng.
Còn mức độ phát sinh HC thấp chủ yếu là do LPG bay hơi rất dễ dàng (không có
lớp nhiên liệu lỏng trên đường nạp), lượng nhiên liệu lỏng bám trên thành buồng cháy
thấp và lượng nhiên liệu hấp thụ bởi lớp dầu bôi trơn bé. Chúng ta cũng thấy trên hình
8.15 rằng HC trong khí xả chủ yếu là sản phẩm nhẹ (C1-C4) ít độc hơn hydrocabure nặng
trong khí xả động cơ xăng hay Diesel.
141
NOx (g/km)
Xăng
1,0
0,8
LPG
Giới hạn Euro 93
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
0,6
Giới hạn Euro 96
0,4
0,2
HC (g/km)
0,8
1,0
0,6
0,2
0,4
1
2
3
CO (g/km)
Hình 8.14: So sánh mức độ phát ô nhiễm của ô tô dùng xăng và LPG
Bảng 8.3: Mức độ phát ô nhiễm của ô tô sử dụng LPG so với các tiêu chuẩn
khắt khe nhất hiện nay
Chất ô nhiễm
Giới hạn cho phép
Mức độ phát ô nhiễm
Europe 2000
California
ULEV
(g/mile)
1,70
Chu trình
Europe (g/km)
Chu trình
FTP75
(g/mile)
0,14
0,032
0,065
(g/km)
CO
HC
NOx
2,30
0,20
0,15
0,16
0,031
0,02
0,04
0,20
Quá trình thử theo tiêu chuẩn không hoàn toàn thích hợp với điều kiện vận hành
trong thực tế vì nhiệt độ môi trường có thể gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm
của động cơ. Tuy nhiên, đối với động cơ LPG ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường không
đáng kể (hình 8.16). Kết quả này làm tăng thêm ưu điểm của động cơ LPG về mặt phát
sinh ô nhiễm, đặc biệt đối với dự luật về ô nhiễm môi trường khi động cơ làm việc ở nhiệt
độ nạp thấp.
142
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
Hình 8.15: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả của ô tô dùng xăng và LPG
HC+NOx (g/km)
1,2
-15°C
-7°C
Euro 93
0,97
0,8
-7°C
22°C
0°C
Euro 96
-7°C
22°C
Diesel
LPG
7°C
0,5
0,4
14°C
22°C
Xăng
CO (g/km)
2,2
2,72
10
5
Hình 8.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô
8.4.2.2. Các chất ô nhiễm đặc biệt
Nói chung, các chất ô nhiễm đặc biệt trong khí xả động cơ sử dụng LPG rất thấp.
Những chất độc là những chất có nguồn gốc benzène. Mức độ phát sinh của chúng trong
khí xả khoảng 0,1mg/dặm đối với động cơ LPG. Trong khi đó đối với động cơ xăng, mức
độ phát sinh là 8mg/dặm. Nồng độ buta-1,3-diène cũng thấp, 10 lần thấp hơn động cơ
143
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
xăng. Sự cải thiện nồng độ aldéhydes dù có ít hơn những chất khác nhưng cũng làm giảm
đi 50% so với động cơ xăng.
Một ưu thế đặc biệt của nhiên liệu LPG là không cần pha thêm những chất phụ gia
để làm tăng chỉ số octane nên trong sản phẩm cháy của nó không có chứa những chất độc
như chì.
8.4.3. Viễn ảnh phát triển động cơ LPG
Sự phát triển của động cơ LPG trong tương lai phụ thuộc nhiều vào chính sách
thuế của từng nước đối với loại nhiên liệu này. Một số nước (Ý, Hà Lan, Hàn Quốc...) từ
lâu đã có chính sách thuế ưu đãi để phổ biến nhiên liệu LPG. Tuy nhiên, việc sử dụng
rộng rãi LPG trên hầu hết các phương tiện vận tải là khó có thể thực hiện được. Trước
mắt, việc áp dụng LPG trên xe bus, taxi, xe tải giao hàng... là rất thực tế. Trong lĩnh vực
đó, chỉ có một loại nhiên liệu có thể cạnh tranh với LPG là khí thiên nhiên dùng cho ôtô
NGV, nhiên liệu có mức độ phát ô nhiễm còn thấp hơn LPG đối với một số chất.
Theo những phân tích trên đây, ô tô nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng LPG rất có lợi
đối với công tác bảo vệ môi trường. Ở nước ta, việc phát triển loại động cơ này ngoài mục
đích bảo vệ môi trường còn góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp dầu khí phát triển. Thật
vậy, trong một tương lai gần, các nhà máy lọc dầu của ta sẽ bắt đầu hoạt động, sản phẩm
LPG nếu được tiêu thụ ngay trên thị trường nội địa sẽ góp phần không nhỏ cho giải quyết
vấn đề lưu kho của nhiên liệu khí hóa lỏng. Để các chủng loại động cơ LPG có thể phát
triển rộng rãi, một mặt, chúng ta nên có một chính sách khuyến khích ở tầm vĩ mô trong
việc điều tiết giá cả và thuế giữa các loại nhiên liệu và mặt khác, chúng ta cũng cần đầu tư
cơ sở hạ tầng nhất định cho hệ thống cung cấp LPG. Hình 8.17 giới thiệu một trạm cung
cấp LPG cho ô tô ở Pháp.
Hình 8.17: Một trạm cung cấp
LPG cho ô tô ở Pháp
144
17 trang
22040
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 1)", 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
