Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 9 docx

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


153
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.

Cuối cùng cần nói thêm rằng, khi cung cấp NGV, máy định lượng thường được
chia không phải theo m
3
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

Giảm chấn

Bình ga NGV
Thanh gia cố
Tiết lưu
Xả khí
Cửa thông gió động cơ
Thành kín
Bộ giãn n
ở
Van điện t
ừ
Động cơ
Hộp nạp khí
Đường dẫn khí
Đường nạp NGV
Van một chiều
Van điện từ

Hình 8.21: Sơ đồ bố trí tổng thể hệ thống cung cấp NGV trên ô tô bus
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


154
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 h
ỏi 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 l
ưu 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.



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


155















Hình 8.22: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu NGV trên động cơ phun tập trung

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

Động cơ
Bộ hỗn hợp
Nạp
Xả
Van định lượng
Bộ giảm áp
Máy tính
điều khiển
thời gian phun

Máy tính
điều khiển
động cơ

Lưu lượng
khí mong
muốn

Nhiên liệu khí
- Nhiệt độ khí
- Áp suất khí
- Chênh lệch áp suất

- Áp suất khí nạp
- Nhiệt độ khí nạp
- Tín hiệu cảm biến Oxy
- Vị trí bướm ga

Van định l
ư

ợng
Bộ Giảm áp

Động cơ
Cảm biến Oxy
Bộ xúc tác
3 chức năng
Bộ chấp hành
Máy tính
T
ố
c độ độn
g
c
ơ
Á
p
su
ấ
t nạ
p
Vị trí b
ư
ớm ga
Nhiên liệu khí
Thải
Nạp
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

156
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
soupape
nạp
Phun
trực tiếp
Cơ khí Điện tử Phun
liên tục
Phun gián
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.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


157

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 Khí thiên
nhiên
Đuốc đốt khí trong quá
trình khai thác
3,0 3,0 3,0 1,8
Tiêu thụ trên hiện trường 1,0 1,0 1,0 -
Vận tải 1,9 1,9 1,9 8,0
Lọc 12,5 6,5 3,5 -
Tổn thất lọc 0,3 0,1 0,1 -
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


158
Phân phối 0,5 0,5 1,0 0,5
Nén - - - -
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 li
ệu 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%.

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


159
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 NGV Xăng NGV
Méthane 64 360 Ethane 28,3 50
Ethylene 117,4 40 Propane 100 45,6
Propylene 72,8 10,2 Acétylène 57,9 20,0
Butanes 12,9 10,3 (E) But-2-ène 6,1 0
But-1-ène 7,8 0 Isobutène 40 0
(Z)-But-2-ène 4,6 0 Isopentane 39,9 0
n-Pentane 15 0 Propyne 15 0
Buta-1,3-diène 18 0 Pent-1-ène 8,7 0
Benzène 65 0 Iso-octane 46,1 0
Toluène 130,1 0 Ethylbenzène 15,9 0
(m+p)-Xylène 84,6 0 (o)-Xylène 19 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(%) HC(%) NO

x
(%) HC+NO
x
(%) CO
2
(%)
Không có bộ
xúc tác
44 52 34 42 20,5
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 Khí thiên nhiên
PCI (kJ/kg) 42800 49100
Chế độ 1400 1260
Momen 1180 1000
Công suất 173 185
Độ đậm đặc 0,56 0,61
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

160
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 Mức độ
CO (g/mile) 0,655
HC tổng 0,230
HC không mèthane 0,016
NO
x
(g/mile) 0,112
CO
2
(g/mile) 226,6
Tiêu thụ nhiên liệu 28,5
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 NO
x
, khí xả động cơ NGV có nồng độ NO
x
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/m
3
) 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 CO
2
và N
2
O 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
thu
y
ế
t với b
ộ
xúc tác
Cháy hỗn hợp nghèo
với bộ xúc tác oxy hóa
Tiêu chuẩn
Euro 1996
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


161
3 chức năng
CO 2,5 0,3 4
HC 0,5 0,2 1,1
NO
x
3,5 2,5 7,0
Bồ hóng 0,05 0,05 0,15
(Đơn vị tính: g/kWh)

Trong thực tế, động cơ NGV phát sinh nhiều méthane nhưng ít CO
2
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 (gCO
2
/km), theo chu trình ECE

Xăng Diesel NGV
Trước bộ xúc tác 356 280 267
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 c
ủa 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
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


162
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

163
Hình 8.25: Máy nén cá nhân cung cấp NGV cho ô tô
165

Chương 9

XU HƯỚNG PHÁT TRI
Ể
N
ĐỘNG CƠ Ô TÔ NH
Ằ
M
LÀM GI
Ả
M Ô NHI
Ễ
M
MÔI TRƯỜNG



Để đáp ứng với yêu cầu của luật bảo vệ môi trường ngày càng trở nên khắt khe,
các nhà chế tạo ô tô đã không ngừng cải tiến sản phẩm của mình. Những tiến bộ mới đây
trong lĩnh vực tổ chức quá trình phun nhiên liệu nhờ ứng dụng thành tựu của kĩ thuật điều
khiển cũng như sử dụng các loại nhiên liệu khí để chạy động cơ đã tạo ra một viễn ảnh
khá lạc quan cho sự phát triển động cơ nhiệt truyền thống. Trong chương này, chúng ta sẽ
đề cập đến các xu hướng hoàn thiện động cơ đốt trong lắp trên các phương tiện giao thông
vận tải.

9.1. Cải thiện tính năng của động cơ truyền thống

9.1.1. Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp
cháy hoàn toàn lí thuyết


Động cơ này được phát triển để bảo đảm tính hiệu quả của việc xử lí khí xả bằng
bộ xúc tác 3 chức năng. Trong nhiều năm qua, loại động cơ này chưa có những cải tiến gì
đáng kể. Các cải tiến hiện nay tập trung vào việc nâng cao tính kinh tế và giảm thời gian
khởi động của bộ xúc tác.

9.1.1.1 Cải thiện hiệu suất

Hiệu suấ
t thực tế mà động cơ đạt được hiện nay còn cách xa so với hiệu suất lí
thuyết mà nó đạt được khi làm việc trong điều kiện khí trời. Kĩ thuật nâng cao hiệu suất
được quan tâm hiện nay là giảm tổn thất bơm trong chu trình công tác và giảm tổn thất
nhiệt ở tải cục bộ nhờ hồi lưu khí xả. Kĩ thuật này đồng thời cũng góp phần làm giảm NO
x

và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lí khí xả bằng bộ xúc tác.

Sự khác biệt giữa các kĩ thuật này thể hiện ở cách thức nạp khí xả hồi lưu. Chẳng
hạn theo phương pháp Ricardo, khí mới nạp vào động cơ được thực hiện nhờ hai ống dẫn
khác nhau: một ống dẫn không khí giống như ống nạp truyền thống và ống còn lại, có độ
tiết lưu thay đổi theo điều kiện làm việc, dẫn hỗn hợp không khí và khí xả hồi lưu. Sự
phân lớp khí nạp như vậy cần thiết trong trường hợp tỉ lệ khí xả hồi lưu cao.

Hệ thống vừa mô tả có thể làm tăng hiệu suất khoảng từ 6÷8% đối với động cơ làm
việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết. Sự phát sinh NO

x
ở nguồn, nghĩa là trước khi
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường

166
vào ống xả xúc tác, giảm từ 85÷90% nhưng nồng độ HC gia tăng khoảng 10%. Điều này
không gây khó khăn gì trong việc xử lí khi bộ xúc tác làm việc bình thường.

Một hệ động cơ khác ngày nay đang được nghiên cứu áp dụng, đó là động cơ làm
việc theo chu trình Miller. Khác với chu trình Beau de Rochas, ở động cơ này hành trình
nạp và nén khác với hành trình giãn nở và thải. Thực ra chỉ có quá trình nạp và nén được
thực hiện khác với động cơ truyền thống: soupape nạp đóng trước ĐCD khi piston đi
xuống. Kết quả là tỉ số nén thực bị giảm nhưng điều đó không gây ảnh hưởng đến hiệu
suất chu trình nhiệt của động cơ vì hiệu suất của chu trình bị ảnh hưởng chủ yếu bởi tỉ số
giãn nở của khí cháy.

Sử dụng chu trình Miller cho phép giảm tổn thất bơm. Bướm ga trở nên không cần
thiết vì thời gian mở soupape nạp quyết định lượng khí nạp vào cylindre. Hãng Mazda từ
năm 1993 đã thương mại hóa ô tô trang bị động cơ làm việc theo chu trình này. Động cơ
Mazda làm việc theo chu trình Miller có tỉ số nén và giãn nở khác nhau, nhưng soupape
nạp đóng sau ĐCD chứ không phải trước ĐCD như chu trình Miller cổ điển. Thêm vào đó,
sự định lượng khí nạp mới cũng được thực hiện nhờ bướm ga. Mặt khác động cơ cũng
được trang hệ thống tăng áp và hệ thống làm mát trung gian khí nạp. Việc áp dụng các hệ
thống này cho phép nâng cao tính năng của động cơ dù tỉ số nén thực tế bé. Thêm vào đó,
việc sử dụng hệ thống tăng áp hạn chế được hiện tượng quay ngược khí ga vào đường nạp.
So với động cơ cổ điển có cùng dung tích cylindre, động cơ Mazda có công suất và
momen cao gấp 1,5 lần và suất tiêu hao nhiên liệu giảm từ 10 đến 15%.

Một phương án khác nhằm cải thiện hiệu suất động cơ là cho ngưng hoạt động của
soupape nạp và xả của một vài cylindre khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ và tốc độ

thấp. Lợi ích chủ yếu của giải pháp này là giảm vùng áp suất thấp của chu trình. Khi đó
một vài cylindre không hoạt động còn các cylindre khác hoạt động ở tải lớn hơn so với khi
nó làm việc theo phương pháp phối khí cổ điển. Kết quả là tổn thất bơm giảm. Kĩ thuật
này làm giảm ma sát động cơ và cải thiện được quá trình cháy trong trường hợp tải rất
thấp.

Hãng Mitsubishi từ năm 1994 đã phát triển hệ thống này. Hệ thống có tên gọi là
MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control). Ngoài việc cho
ngừng họat động một s
ố soupape ở tải thấp, hệ thống này còn được trang bị thêm một hệ
thống điều chỉnh góc phối khí và độ nâng soupape. Động cơ trang bị hệ thống MIVEC cho
phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu đến 30% ở chế độ không tải và giảm hơn 15% khi thử
theo chu trình tiêu chuẩn của Nhật. Công suất và momen của động cơ có thể cao hơn 15%
so với động cơ cổ điển.

Kĩ thu
ật điều chỉnh góc độ phối khí theo tải động cơ cũng là hướng nghiên cứu
được nhiều nhà chế tạo quan tâm. Thường hướng lựa chọn thiên về việc làm giảm đến
mức thấp nhất khoảng trùng điệp của các soupape ở chế độ tải thấp để làm giảm lượng khí
sót trong cylindre và cải thiện quá trình cháy. Trong trường hợp tải lớn, góc độ trùng điệp
của các soupape phải tăng lên để tạo điều kiện thuận lợi cho việc nạp đầy cylindre nghĩa là
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường

167
cải thiện hệ số nạp và từ đó làm tăng hiệu suất động cơ. Mặt khác, sự modul hóa khoảng
trùng điệp của soupape cho phép làm giảm mức độ phát sinh HC và NO
x
.

Trong thực tế, người ta có thể phối hợp giữa việc điều chỉnh góc độ phối khí với sự

thay đổi luật nâng soupape. Nhìn chung, độ nâng của soupape ở chế độ tốc độ thấp nhỏ
hơn độ nâng ở chế độ tốc độ cao. Hệ thống này đã được hãng Honda phát triển với tên gọi
là VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control). Nó được trang bị trên động
cơ có 4 soupape cho mỗi cylindre. Mỗi soupape mở theo một một luật riêng phụ thuộc chế
độ làm việc của động cơ.

9.1.1.2. Gia tốc quá trình khởi động bộ xúc tác

Các bộ xúc tác 3 chức năng hiện nay được lắp đặt trên ô tô chỉ hoạt động hiệu quả
sau khi động cơ đã làm việc khoảng 2-3 phút. Thường sau khoảng thời gian này bộ xúc tác
mới đạt được nhiệt độ khởi động.

Để gia tốc giai đoạn sấy, người ta có thể đặt ống xúc tác gần động cơ nhưng điều
này không phù hợp khi động cơ làm việc ở tải cao. Vì vậy, người ta nghiên cứu những giải
pháp khác phức tạp hơn. Một trong những giải pháp đó là lắp đặt ở trước bộ xúc tác chính
một bộ xúc tác khởi động. Bộ xúc tác khởi động này có đặc điểm là nhiệt dung thấp và
khởi động nhanh do đó nó cho phép xử lí khí xả ngay sau khi khởi động động cơ.

Ngoài ra người ta cũng áp dụng một số những kĩ thuật khác như:

- Sấy bộ xúc tác bằng điện: Bộ xúc tác này cho phép xử lí triệt để khí xả để đạt
được tiêu chuẩn ULEV. Việc sấy thường được thực hiện ở bộ xúc tác khởi động. Công
suất điện (cũng chính là năng lượng cần thiết) để gia tốc việc khử các chất ô nhiễm tới một
giới hạn cho trước trong trường hợp đó thấp hơn là trong trường hợp sấy trực tiếp bộ xúc
tác chính. Trong trường hợp cụ thể người ta sử dụng bộ sấy có công suất điện khoảng
1kW tiêu thụ chưa đầy 4Wh để đảm bảo khí xả động cơ thỏa mãn tiêu chuẩn ULEV. Các
giá trị năng lượng tiêu tốn này sẽ tăng lên ít nhất 2 lần khi bộ sấy đặt ngay ở ống xúc tác
chính.

- Sấy bằng nhiệt do đốt nhiên liệu: năng lượng tỏa ra có thể do đốt cháy bộ phận

nhiên liệu còn sót hoặc lượng nhiên liệu phun vào khí xả (hình 9.1). Cả 2 trường hợp đều
cần phải cấp thêm một lượng không khí phụ vào ống xả để đảm bảo đốt cháy lượng nhiên
liệu này. Hình 9.2 giới thiệu một ví dụ về giảm ô nhiễm nhờ sấy bộ xúc tác.








Không khí thứ cấp
N
hiên liệu
Vòi đốt
Bộ xúc tác
–
ng xả
Động cơ
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường

168



Hình 9.1: Gia nhiệt bộ xúc tác bằng vòi đốt nhiên liệu

Hình 9.2: Hiệu quả xử lí khí xả nhờ sấy bộ xúc tác

- Phun không khí: Việc phun không khí được thực hiện ngay sau soupape xả bắt
đầu khi khởi động động cơ. Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần khí xả phù hợp
với điều kiện xử lí tối ưu bằng bộ xúc tác ba chức năng, đồng thời nó cũng tạo điều kiện
oxy hóa trước CO và HC góp phần làm tăng nhiệt độ bộ xúc tác.

- Lưu giữ tạm thời HC: Việc lưu giữ tạm thời HC trong khí xả được thực hiện ở
bộ hấp thụ (hình 9.3). Hệ thống này có thể đi kèm với bộ xúc tác khởi động.

Hình 9.3: Hệ thống xúc tác có thêm bộ lưu giữ tạm thời HC

Hiện nay các nhà chế tạo đang tiếp tục nghiên cứu các hệ thống này để có thể phát
triển áp dụng trong những năm tới. Mặc dù chúng cần có một hệ thống điều khiển phức
tạp và đắt tiền nhưng mang lại hiệu quả rất cao trong xử lí khí xả.

9.1.1.3. Động cơ đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp,
Mức độ ô nhiễm khi động cơ
hoạt động với bộ xúc tác cũ
Sãy bằng đốt nhiên liệu còn lại
trong khí xả (15kW)
Sãy điện 3,5kW
Sãy bằng vòi đốt nhiên liệu
trên đường xả (15kW)
Mức độ ô nhiễm
(giá trị tương đối)
‘Bẫy’ chứa than
hoạt tính
Bộ xúc tác ba
chức năng
Van điều khiển
Bộ xúc tác
khởi động
Động cơ
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường

169
làm việc với hỗn hợp nghèo

Loại động cơ này cho phép nâng cao hiệu suất bằng cách cho động cơ làm việc với
hỗn hợp nghèo. Việc thiết kế chế tạo động cơ này rất phức tạp nên cho tới nay chúng vẫn
chưa được áp dụng rộng rãi (chủ yếu áp dụng ở Nhật). Tuy nhiên do tính ưu việt của
chúng về nhiều mặt, các nhà chế tạo đang khẩn trương nghiên cứu phát triển loại động cơ
này.













Hình 9.4: Tạo hỗn hợp ở tải thấp của động cơ Mitsubishi


Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo thế hệ đầu tiên được chế tạo dựa trên việc tối
ưu hóa sự đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu cũng như sự phân bố nhiên liệu trong buồng
cháy. Nhờ vậy, quá trình cháy trong các loại động cơ này được tiến hành một cách bình
thường với độ đậm đặc của hỗn hợp thấp hơn so với động cơ cổ điển khoảng (f=0,7 - 0,8).

N
ến đánh lửa
Vòi phun nhiên liệu
Các ống tách dòng
đường nạp
Đầu piston định hình
Hỗn hợp rất đậm
Không khí
Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh)
Mức độ phát sinh NOx (g/kWh)
f = 1
f điều chỉnh
Giới hạn ổn
định
Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường

170

Hình 9.5: Ảnh hưởng của độ đậm đặc đến suất tiêu hao nhiên liệu
và mức độ phát sinh NO
x
của động cơ Honda VTEC

Động cơ làm việc với hỗn hợp phân lớp cho phép nâng cao thêm hiệu suất công
tác. Việc thiết kế chế tạo loại động cơ này rất được quan tâm hiện nay. Kĩ thuật động cơ
làm việc với hỗn hợp phân lớp dựa trên việc tạo ra trong buồng cháy một hỗn hợp đậm
đặc cục bộ (gần nếu đánh lửa) đủ để khởi động và đảm bảo sự lan tràn màng lửa phù hợp
trong điều kiện thành phần hỗn hợp có độ đậm đặc thấp nhất. Hiện nay, hỗn hợp phân lớp
chỉ dùng khi động cơ làm việc ở tải thấp; khi động cơ làm việc với tải cao, động cơ sử hỗn
hợp cháy hoàn toàn lí thuyết.

9.1.2. Động cơ Diesel

Động cơ Diesel cũng sẽ được tiếp tục cải tiến để nâng cao hiệu suất dù hiện nay nó
đã có nhiều ưu điểm về mặt này.

Về phương diện hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel, các giải
pháp kĩ thuật nói chung vẫn còn ở trong giai đoạn thí nghiệm. Cho tới những năm cuối của
thập niên 1990, các kĩ thuật này vẫn còn áp dụng rất hạn chế vì nó đắt tiền và làm việc
chưa thật đáng tin cậy. Các giải pháp đó là:

. Bộ xúc tác giảm NO
x

. Lọc bồ hóng

Việc áp dụng bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel không vấp phải trở ngại gì
đặc biệt. Chỉ có điều cần chú ý là hiệu quả của nó cao khi hàm lượng lưu huỳnh trong
nhiên liệu thấp.

Kĩ thuật xúc tác loại trừ NO
x
đang được phát triển. Việc ứng dụng kĩ thuật này đặt
ra một số vấn đề về kĩ thuật, đặc biệt là vấn đề làm việc ổn định của bộ xúc tác theo thời
gian. Mặt khác, bộ xúc tác loại trừ NO
x
đòi hỏi nhiên liệu không được chứa lưu huỳnh.
Tuy hiện nay hiệu quả của nó thấp hơn bộ xúc tác 3 chức năng nhưng người ta có thể lạc
quan tin rằng kĩ thuật này sẽ được áp dụng trong một tương lai gần.

Kĩ thuật lọc bồ hóng có nhiều hứa hẹn sẽ được áp dụng trên ô tô du lịch cũng như
ô tô vận tải. Tuy nhiên, việc áp dụng kĩ thuật này
đòi hỏi những tiến bộ cả về lõi lọc lần kĩ
thuật tái sinh lọc (xem chương 7).