Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 7 doc

Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

117
Phản ứng trên cho phép loại trừ được 70-80% NO chứa trong khí xả. Tuy nhiên, kĩ
thuật này hiện nay chưa được áp dụng trên động cơ ô tô (thời gian tiếp xúc cần thiết lớn,
độc tính của ammoniac )

Các nghiên cứu mới đây được tiến hành theo hướng khử NO bằng hydrocarbure đã
có mặt hay được cung cấp thêm vào trong khí xả. Phản ứng khử được viết như sau:

NO + Hydrocarbure > N
2
+ CO
2
+ H
2
O

Phản ứng trên thực tế xảy ra với tỉ lệ biến đổi từ 40-80% nhờ bộ xúc tác đồng phủ
trên nền zéolithe hay platine phủ trên nền zéolithe. Tuy nhiên, điều kiện trong khí xả động
cơ còn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm tối ưu đối với phản ứng trên vì:

- Nhiệt độ khí xả quá thấp (150-250
°C so với điều kiện thí nghiệm 400-500°C).
- Nồng độ hydrocarbure không đủ (thấp hơn điều kiện thí nghiệm từ 20-40 lần).

Tuy điều kiện thực tế còn khác biệt nhiều so với điều kiện thí nghiệm nhưng
phương pháp khử NO
x
bằng hydrocarbure có rất nhiều hứa hẹn. Hình 7.10 giới thiệu một
vài kết quả được công bố trong những năm gần đây.

Ngoài những khó khăn vừa nêu, trước khi đưa bộ xúc tác khử NO
x
bằng
hydrocarbure vào ứng dụng trong công nghiệp, người ta cũng cần phải giải quyết một số
vấn đề kĩ thuật khác chẳng hạn như khống chế phản ứng tạo N
2
O và kéo dài tính ổn định
của bộ xúc tác theo thời gian. Trong thực tế, bộ xúc tác khử NO
x
ở động cơ Diesel không
cần phải đạt tính năng cao như bộ xúc tác ba chức năng. Tỉ số biến đổi NO
x
chừng 30-
40% là có thể chấp nhận được. Cũng giống như các bộ xúc tác khác, việc xử dụng bộ xúc
tác khử NO
x
trên đường xả động cơ Diesel cần phải đi kèm với việc sử dụng nhiên liệu
không chứa lưu huỳnh.


7.3. Lọc hạt rắn

Nhờ những thành tựu trong nghiên cứu hoàn thiện việc tổ chức quá trình cháy
trong động cơ Diesel mà trong hai mươi năm qua, mức độ phát sinh hạt rắn của động cơ
Diesel đã giảm đi rất nhiều. Mức độ phát sinh bồ hóng của động cơ Diesel lắp trên ô tô du
lịch ở Châu Âu đã giảm từ 0,50 g/km xuống 0,08g/km, thỏa mãn tiêu chuẩn ô nhiễm năm
1996 của EU. Với tốc độ tiến bộ như
hiện nay trong nghiên cứu quá trình cháy và nâng
cao tính chất nhiên liệu, trong những năm tới đây, các thế hệ động cơ Diesel mới có thể

thỏa mãn được tiêu chuẩn Euro 2000 (khoảng 0,05 g/km).

Nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy có thể làm giảm nồng độ bồ hóng trong điều
kiện cháy bình thường. Tránh tập trung nhiên liệu ở những vùng có nhiệt độ cao là điều
kiện tiên quyết để hạn chế mức độ phát sinh bồ hóng. Tuy nhiên, trên các phương tiện vậ
n
tải động cơ thường xuyên tăng giảm tải trong khi vận hành và đó là nguyên nhân cơ bản
phát sinh bồ hóng trong động cơ Diesel hiện đại.
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

118
Cải tiến hình dạng buồng cháy, thay đổi thành phần nhiên liệu, pha các chất phụ
gia có ít nhiều tác dụng làm giảm nồng độ bồ hóng trong khí xả. Giảm công suất động
cơ cũng là cách giảm nồng độ bồ hóng nhưng công suất động cơ Diesel càng lớn thì hiệu
quả kinh tế càng cao. Các nhà khoa học đã và đang ra sức tìm kiếm các giải pháp hoàn
thiện quá trình cháy trong động cơ Diesel để giảm nồng độ bồ
hóng trong khí xả đến mức
thấp nhất.
Tuy nhiên cho dù nồng độ bồ hóng trong khí xả Diesel giảm đi nhiều, nó vẫn luôn
là mối quan tâm của các nhà khoa học vì bồ hóng rất dễ đi sâu vào phổi, bị giữ lại ở phế
nang gây nhiều tác hại đối với cơ quan hô hấp. Người ta thấy rằng trong số những hạt bụi
có mặt trong khí quyển thì những hạt có kích thước tương ứng với hạ
t bồ hóng bị giữ lại
trong phổi dễ dàng nhất và tồn tại ở đó trong thời gian dài nhất.

Chính vì lẽ đó, việc lọc bồ hóng trên đường xả của động cơ Diesel rất được quan
tâm trong những năm gần đây cho dù kĩ thuật này còn phức tạp và tốn kém.
Bồ hóng trong khí xả có kích thước rất bé. Đa số hạt bồ hóng (hơn 90% số hạt) có
đường kính trung bình khoảng 1
µm. Lọc hạt cỡ này rất khó vì nó sẽ gây tổn thất lớn trên

đường thải. Hạt bồ hóng xốp, có khối lượng riêng trung bình khoảng 0,07g/cm
3
nên lọc bị
tắt rất nhanh. Làm sạch thường xuyên bồ hóng bám trên lõi lọc là điều kiện cần thiết để
đảm bảo lọc hoạt động bình thường. Lọc bồ hóng tập trung giải quyết hai vấn đề cơ bản đó
là lựa chọn kĩ thuật lọc và phương pháp tái sinh lọc.


7.3.1. Kĩ thuật lọc
bồ hóng

Có nhiều phương án lọc bồ
hóng khác nhau nhưng nhìn chung
chúng dựa trên cùng nguyên tắc là
bẫy hạt bồ hóng.





Hình 7.11 : Lõi lọc
1. Kĩ thuật lọc
Hai mươi năm qua, nhiều công trình nghiên cứu về lọc bồ hóng đã được tiến hành
nhưng chưa có một loại lọc nào được ứng dụng rộng rãi. Giá thành lọc vẫn còn cao, hệ
thống lọc còn phức tạp và tuổi thọ của lọc thấp. Lọc chế tạo bằng vật liệu gốm đã được áp
dụng từ năm 1981. Hiệu quả lọc của chúng rất cao (có th
ể đạt 90%), nhưng sự phát triển
loại lọc này còn bị hạn chế do chưa tìm ra được một hệ thống tái sinh tin cậy với giá thành
hạ. Thành lọc có bề dày 0,3mm, vật liệu có độ xốp 40
÷50% với đường kính lỗ xốp trung

bình 14
µm. Lõi lọc được chế tạo thành dạng tổ ong và được làm kín ở một đầu xen kẽ
nhau (hình 7.11). Khí xả vào đầu hở của lọc, khi qua các lỗ xốp của thành bồ hóng bị giữ
lại. Trong lõi lọc hiện đại, dây điện trở được bố trí trong thành gốm để đốt bồ hóng trong
quá trình tái sinh. Lọc bằng vật liệu gốm thường hay bị nứt hỏng do ứng suất nhiệt khi tái
sinh và xung lực c
ủa dòng khí thải.

Thành xốp
N
út gốm
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

119
Lọc gốm monolithe là dạng lọc được
nghiên cứu và thử nghiệm nhiều nhất kể từ
khi đề ra giải pháp lọc bồ hóng. Lọc được cải
tạo từ gộp của bộ xúc tác ba chức năng bằng
cách làm kín xen kẽ đầu các rãnh thông sao
cho khí thải buộc phải qua lớp xốp của thành
gốm ngăn cách hai rãnh thông liền nhau (hình
7.12). Phương pháp lọc này gọi là phương
pháp 'thổi qua tường' (wall flow). Hiệ
u quả
của lọc rất cao (lớn hơn 90%) nhưng trở lực
trên đường xả lớn và gradient nhiệt độ trong
lõi lọc cao khi tái sinh lọc. Vật liệu gốm
thường được sử dụng là cordiérite
(2MgO,2Al
2

O
3
,5SiO
2
) hoặc carbure silic
(SiC).







Hình 7.12: Lõi lọc gốm


Lọc sợi gốm được chế tạo từ sợi silic hay hỗn hợp oxyde nhôm và silic, được cuộn
thành lớp dày khoảng 10-12mm quanh những ống bằng kim loại có đường kính 40mm.
Khí xả di chuyển từ bên trong ống ra ngoài. Lớp sợi này tạo thành lưới lọc với đường kính
trung bình của lỗ khoảng 10 micron. Dạng lọc này có ưu điểm là ít chịu ảnh hưởng của
ứng suất nhiệt và cơ khí, hiệu quả l
ọc vừa phải (75-80%).

Lọc lưới sợi gốm vừa mới được phát triển trong những năm gần đây nhưng có rất
nhiều hứa hẹn. Những sợi gốm có đường kính chừng 10 micron được đan lại thành tấm
(hình 7.13) mà dạng lỗ trống được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả lọc cao nhất và độ cứng
vững chấp nhận được. Các tấ
m này được dệt theo phương pháp cổ điển của công nghệ dệt.
Hiệu quả lọc, độ chịu đựng gradient nhiệt và rung động cơ học của lõi lọc này rất tốt.

Thành xốp
Nút gốm
Bồ hóng bị giữ lại
Khí xả
A
B
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

120




Hình 7.13: Lõi lọc bằng lưới sợi gốm

Lọc bằng sợi thép mạ nhôm có quy trình chế tạo đơn giản hơn. Nó có ưu điểm chịu
được sự thay đổi nhiệt độ, rung động và xung lực của khí xả. Thể tích của lõi lọc và kích
thước của sợi lọc được xác định theo lưu lượng khí xả và tổn thất áp suất cho phép. Sợi
thép sau khi mạ nhôm có bề dày 0,2mm là tối ưu nhất (hình 7.14).


Lõi lọc bằng kim loại xốp được áp dụng trong những năm gần đây. Kim loại xốp
có tên gọi là Celmet, đó là hợp kim Ni-Cr-Al, có thể chịu đựng được nhiệt độ 700
o
C trong
300 giờ. Tổn thất áp suất chỉ bằng khoảng 1/10 so với lọc bằng vật liệu gốm thông thường.
Lọc Celmet có đường kính lỗ xốp trung bình khoảng 500
µm (hình 7.15). Kích thước lỗ có
thể điều chỉnh bằng cách gây biến dạng lõi lọc hay ghép chồng lên nhau nhiều tấm lọc

đồng trục. Thường lõi lọc gồm hai lưới lọc hình trụ được bố trí đồng trục và giữa hai lõi
lọc này người ta bố trí một điện trở để tái sinh lọc. Khí xả vào không gian giữa hai lưới và
thoát qua các lỗ xốp của chúng. Bồ hóng bám trên thành lọc được đốt định kì bằng bứ
c xạ
của điện trở. Do không gian giữa hai lưới lọc nhỏ nên công suất điện tiêu tốn cho điện trở
đốt cũng giảm.


Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

121


Hình 7.14: Lõi lọc bằng sợi thép mạ nhôm

Lưới lọc tĩnh điện được áp dụng trong các thiết bị lọc bụi công nghiệp cũng có
nhiều triển vọng được sử dụng trong các bộ lọc bồ hóng động cơ Diesel. Ưu điểm của loại
lọc này là có thể kết hợp giữa nguyên lí lọc lưới cổ điển và lọc tĩnh điện. Nó gồm các lưới
bằng thép không rỉ, cách điệ
n và đặt xen kẽ nhau. Chúng được nối lần lượt các cực âm,
dương của accu. Khi dòng khí thải đi qua lưới, những hạt bồ hóng kích thước lớn bị giữ lại
và những hạt nhỏ thoát qua lọc nhưng bị nhiễm điện. Những hạt này sau đó bị giữ lại bằng
lực hút tĩnh điện trên lưới lọc phía sau có điện thế trái dấu (hình 7.16a). Điện áp càng lớ
n,
hiệu quả lọc càng cao (hình 7.16b).


Lọc bằng cách ngưng tụ hơi nước
để hấp thụ bồ hóng hiện cũng đang được
nghiên cứu. Khí xả qua bộ lọc được làm

lạnh đến dưới điểm ngưng tụ hơi nước
(khoảng 50
o
C) bằng một lưới gồm những
ống làm lạnh có đuờng kính bé. Khi dòng
khí xả đi qua, hạt bồ hóng bị giữ lại trên
bề mặt những giọt nước ngưng tụ. Nước
và bồ hóng sau đó được chứa vào bình
ngưng và định kì chúng được lấy ra để
xử lí.


Hình 7.15: Lọc celmet

Lọc bằng lưới
Lọc tĩnh điện
Lưới lọc
Bồ hóng
Lưới nhiễm điện dương
Khí xả

Khí xả
Lưới nhiễm
điện âm
Lưới nhiễm
điện âm
Bình điện
Cánh tản nhiệt

Khí sạch

Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

122


Hình 7.16a: Lọc tĩnh điện



7.3.2 Tái sinh lọc

Như trên đã phân tích, trong quá trình sử dụng, lọc bị tắc rất nhanh nên phải tái
sinh lọc để tránh tổn thất áp suất trên đường xả. Khi hiệu quả lọc càng cao thì lọc càng
nhanh bị tắc. Lượng bồ hóng phát sinh trung bình đối với ô tô Diesel du lịch là 0,10g/km,
do đó lọc phải giữ lại 100g bồ hóng trên quãng đường 1000km. Với khối lượng riêng bồ
hóng ước chừng 0,075g/cm
3
, thì lượng bồ hóng vừa nêu chiếm một thể tích 1,3 lít. Đối với
ô tô hạng nặng (xe tải, bus) thì khối lượng và thể tích bồ hóng phát sinh trên cùng quãng
đường sẽ gấp 10 lần so với ô tô du lịch! Sự tích tụ bồ hóng trên lõi lọc gây trở lực trên
đường xả và do đó làm giảm tính năng của động cơ (khi tổn thất áp suất bắt đầu vượt 100-
150 mbar).

Các giải pháp thông thường là đốt, rung, rửa hay dùng dòng khí thổi ngược. Đốt bồ
hóng
là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất. Thực nghiệm cho thấy sự oxy hoá bồ hóng
Hình 7.16b: Ảnh hưởng của điện
áp đến hiệu quả lọc tĩnh điện
Thời gian hoạt động (phút)

Hiệu quả lọc (%)
2 tầng
4 tầng
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

123
bắt đầu với tốc độ thấp ở 300
°C và gia tốc ở 400°C trong không khí hay dòng khí có chứa
10% oxy. Bồ hóng bám trên lọc có thể bị đốt cháy hoàn toàn ở nhiệt độ 540
°C với điều
kiện có đủ oxy. Nhiệt độ tái sinh càng cao, thời gian đốt hoàn toàn bồ hóng càng giảm.
Nhiệt độ cao của khí xả có thể tạo ra nhờ thay đổi chế độ làm việc của động cơ, tiết lưu
trên đường nạp hay thêm những thiết bị phụ như bộ sấy điện trở, vòi đốt, đuốc xúc tác
Phương pháp gia nhiệt khí thải bằng điện tr
ở không mấy triển vọng vì đòi hỏi công suất
điện lớn. Dùng vòi đốt bằng nhiên liệu Diesel trong đường xả hay đuốc xúc tác để gia
nhiệt dường như có nhiều triển vọng nhất.


Hình 7.17 giới thiệu bộ đốt bồ hóng để tái sinh lọc. Hệ thống này làm việc một
cách tự động. Trở lực trên đường xả được đo liên tục và ghi vào bộ nhớ ECU. Khi p
≥
p
max
, ECU khởi động vòi đốt. Nhiên liệu được phun bằng khí nén. Ngọn lửa được khơi
mào bằng tia lửa điện xuất hiện giữa hai điện cực của bộ đánh lửa. ECU cắt nhiên liệu qua
vòi đốt để kết thúc quá trình tái sinh khi áp suất trên đường xả nhỏ hơn một giá trị định
trước.
Nguyên lí của đuốc xúc tác là phun nhiên liệu hydrocarbure (lỏng hay khí) vào bộ
xúc tác đặt trong đường xả. Sự

toả nhiệt do oxy hóa lượng nhiên liệu này làm tăng nhiệt
độ khí để oxy hóa bồ hóng. Hệ thống tái sinh kiểu đuốt xúc tác chỉ gồm một bộ tạo xúc tác
đơn giản do đó giá thành hạ. Các nghiên cứu gần đây cho thấy một số oxyde kim loại có
khả năng làm giảm nhiệt độ xúc tác bồ hóng xuống xấp xỉ nhiệt độ khí xả khi động cơ làm
việc bình thường (350
°C). Sự Oxy hoá graphite trên oxyde đồng chẳng hạn được biểu diễn
bởi hai phản ứng sau:
C + 2CuO
→ CO
2
+ 2Cu
2Cu + O
2
→ 2CuO



Hình 7.17: Tái sinh lọc bằng đốt bồ hóng
Ngoài ra, các chất hoạt tính xúc tác khác như Oxide Vanadium V
2
O
5
, Oxyde
Cobal Co
3
O
4
/ CoO, Oxyde Cerium CeO
2
, Oxy kẽm ZnO, Oxyde Nikel NiO cũng có thể

được dùng để chế tạo bộ xúc tác bồ hóng. Hình 7.18 giới thiệu hiệu quả xúc tác của các
Khí nén
Khí xả
động cơ
Hệ th
ố
ng
điều khiển
N
hiên liệu
Khí xả
Giảm áp
Bu
ồ
ng
hỗn hợp

Bộ đánh
lửa

Van
p
hun
N
hiên
Böm N. liệu
Bơ
m
k.khí

Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

124
chất khác nhau đối với bồ hóng. Khi động cơ Diesel làm việc với tải trung bình, nhiệt độ
khí xả có thể đạt đến giới hạn cần thiết cho quá trình xúc tác. Trong trường hợp động cơ
làm việc ở chế độ tải thấp, cần gia nhiệt thêm cho khí thải nhưng năng lượng bổ sung thấp
hơn nhiều so với các bộ tái sinh lọc khác. Bộ xúc tác còn có tác dụng đốt những
hydrocarbure nặ
ng mà những chất này có thể thoát ra ngoài nếu chỉ dùng lọc bồ hóng
thông thường.
Dựa vào tính chất xúc tác của một số hợp chất hóa học người ta cũng có thể đốt
cháy lớp bồ hóng bám trên lõi lọc để tái sinh lọc. Chất xúc tác có thể được tráng trên thành
lõi lọc hay phun ngay trước lọc. Nó cũng có thể được pha vào dầu Diesel dưới dạng các
chất phụ gia. Những chất này không những cho phép làm giảm nhiệt độ tự cháy của bồ

hóng mà còn làm tăng tốc độ oxy hóa.










Hình 7.18: Hiệu quả xúc tác bồ hóng

Việc lắp đặt bộ xúc tác ngay trong lọc là tương đối hiệu quả nhất, nhất là trường
hợp mà gộp lọc làm bằng sợi gốm hay sợi kim loại. Tuy nhiên, trong trường hợp đó nó
cũng oxy hóa lưu huỳnh chứa trong nhiên liệu dẫn đến sự phát sinh SO
3
và acide sulfuric
làm giảm tuổi thọ của lọc. Vì vậy, bộ xúc tác này chỉ có lợi khi dầu Diesel chứa hàm
lượng lưu huỳnh rất thấp.

Một kĩ thuật tái sinh khác là phun hóa chất ngay trước lọc khi tiến hành quá trình
tái sinh. Phần lớn các hóa chất này đều có hoạt tính xúc tác riêng, chúng kích hoạt những
chất xúc tác đã chứa trong lọc hay làm gia tăng nhiệt độ tạo điều kiện thuận lợi cho bộ xúc
tác hoạt động.

Vi
ệc pha chất phụ gia vào dầu Diesel vừa có thể làm giảm bồ hóng ngay tại nguồn
vừa tạo điều kiện thuận lợi để thực hiện quá trình tái sinh lọc bằng cách giảm nhiệt độ
cháy của bồ hóng. Pha chất phụ gia vào nhiên liệu cho phép tái sinh lọc một cách liên tục,
không cần tác động gì đến động cơ hoặc đến lọc. Hình 7.19 giới thiệu dao động của trở lực
đường thải và nhi
ệt độ giữa đầu vào và đầu ra của lọc bồ hóng trong trường hợp dầu
Diesel có pha chất phụ gia.

100
200

300
400
500
600
700

20
40
60
80
100
V
2
O
5
CuO
NiO
Co
3
O
4
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

125




Hình 7.19: Sử dụng chất phụ gia và tái sinh lọc bồ hóng

Hình 7.20: Tái sinh lọc bằng cách phun ngược không khí

Tái sinh lọc bằng phun ngược không khí cũng được các nhà chế tạo ô tô quan tâm.
Trong trường hợp đó, lọc gồm 2 lõi được bố trí song song. Xung khí nén được thổi ngược
và thay phiên nhau qua các lõi lọc để làm sạch lớp bồ hóng bám trên thành xốp. Bồ hóng
tách ra khỏi lọc được chứa trong khoang bồ hóng và được đốt bằng điện trở. Hệ thống thổi
khí ngược gồm 1 van điện từ, vòi phun khí, bình chứa khí và máy nén khí. Áp suất khí nén
cần thiết kho
ảng 0,8MPa. Hệ thống làm việc một cách tự động (hình 7.20) nhờ hệ thống
N
hiệt độ khí (°C)
Trở lực (bar)
Thời gian (phút)
N
hiệt độ trước lọc
N
hiệt độ sau lọc
Trở lực
Khoang chứa bò hóng
Khí xả

Van
Phần tử l
ọ
c
Van điện từ
Buồng không khí
Máy nén
Bình điều hòa
Chương 7: Các biện pháp kĩ thuật làm giảm mức độ gây ô nhiễm của động cơ đốt trong

126
điều khiển van điện từ và các van tiết lưu trước và sau lọc. Quá trình tái sinh lọc có thể
thực hiện thường xuyên hay định kì.


7.3.3 Viễn ảnh tương lai

Lọc bồ hóng đã và đang được tiếp tục nghiên cứu nhằm làm giảm mức độ gây ô
nhiễm của khí xả động cơ Diesel. Tuy nhiên kĩ thuật này có được áp dụng một cách rộng
rãi trong tương lai hay không còn phụ thuộc vào những tiến bộ liên quan đến sự phát triển
của lõi lọc, sự bố trí hệ thống lọc trên ô tô và sự phát triển của các chất phụ gia. Điểm cuối
cùng này dườ
ng như quan trọng nhất. Trong bất kì trường hợp nào, việc sử dụng chất phụ
gia trong nhiên liệu phải thỏa mãn tiêu chuẩn an toàn đối với sức khỏe con người.

128



Chương 8

ĐỘNG CƠ S
Ử
DỤNG
NHIÊN LIỆU KHÍ:
MỘT GIẢI PHÁP LÀM GI
Ả
M
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
nă
ng 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 (C
3
-C
4
). 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
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

129
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 ).





Pháp (tổng cộng 3Mt/năm)




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
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.


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.

Nhiên liệu (1%)
Công nghiệp (15%)
N
ông nghiệp (17%)
Gia dụng (67%)
N
hiên liệu (42%)
Gia dụng (20%)
Nông nghiệp (14%)
Công nghiệp (24%)

8,7%

Hà Lan
Ý
Pháp
M
ĩ
Nhậ
t
Hàn Quốc
4,4%

0,1%
0
,
4%
0,7%
7,6%

Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

130


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 C
3
(propane và propylène). Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng
khá ổn định, chứa chủ yếu là hydrocarbure C
4
, 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 C
3
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

n-Penten
Isopentane
Buta-1,3-diène
(Z)-but-2-ène
(E)-but-2-ène
Isobutene+but-1-ène
n-Butane
Isobutane
Propane
Propylène
Ethane
Méthane

LPG California
LPG Pháp
0%
0
,
6%
0
,
4%
6
,
6%
9
,
1%
1
,
1%
31
,
8%
91
,
3%
19
,
6%
0
,
3%

28
,
3%
0
,
03%
6
,
1%
0%

2
,
7%
0%
1
,
8%
0%
0
,
06%
0% 0%
0%
0
,
03%
0%
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

131
Nhiên liệu khí hóa lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng (PCI
m
) 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/dm
3
) 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/dm
3
)

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 MON
Propane >100 100
Propène 102 85
n-Butane 95 92
Isobutane >100 99
But-1-ène (98) 80
But-2-ène 100 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
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

132
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

Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

133
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 n
ăng 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.

Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

134
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.











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 trướ
c họng ga.





Ga
Không
Không
Ga
Vb: Vít chống xoay