Giáo trình - Ô tô và ô nhiễm môi trường - chương 8 potx

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

135









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.

Hình 8.5: Bộ chế hòa khí dạng
van modul hóa
Hình 8.6 : Họng Venturi vạn năng

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

136
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.




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
Bộ giãn nở
Bình nhiên liệu LPG Lọc khí
Venturie
Phun xăng
Máy tính LPG
–
ng xả xúc tác
Cảm biến
Bộ chuyển xăng/LPG
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

137

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 đượ
c 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 nhi

ều 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
đối với xăng

Bộ vi xử lý
đối với LPG

Vòi phun xăng
Vòi phun
LPG
Lọc gió
Hòi lưu LPG
Bình chứa LPG
–ng xả xúc tác
Cảm biến oxy
Bơm
Điều hòa áp suất

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

138

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

139

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.

Để khởi động dễ dàng khi động c
ơ

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 n
ở

và hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu
điện tử thông qua các thông tin cần thiết để
đi
ềuchỉnh l
ư
ợng xăng
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

140
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.

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 nă
ng 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
Đầu nối để nạp LPG
Bộ chuyển xăng/LPG
Đồng hồ xăng/LPG
Hỗn hợp không khí-gas
Bộ giãn nở-bốc hơi
Cảm biến lambda

Bộ vi xử lý LPG
Đường nạp LPG
Bình chứa LPG
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

141
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 NO
x
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 th
ấy trên hình
8.15 rằng HC trong khí xả chủ yếu là sản phẩm nhẹ (C
1
-C
4
) ít độc hơn hydrocabure nặng
trong khí xả động cơ xăng hay Diesel.






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

142










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
(g/km)
California
ULEV
(g/mile)
Chu trình
Europe (g/km)
Chu trình
FTP75
(g/mile)
CO 2,30 1,70 0,16 0,14
HC 0,20 0,04 0,031 0,032

NO
x
0,15 0,20 0,02 0,065

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.

0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1
2
3
N
O
x
(g/km)
HC (g/km)
CO (g/km)

Giới hạn Euro 93
Giới hạn Euro 96
Xăng
LPG
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

143


Hình 8.15: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả của ô tô dùng xăng và LPG















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
0,4
0,8
1,2
5
10
0,97
0,5

2,2
2,72
Euro 93
Euro 96
22°C
14°C
7°C
0°C

-7°C
-15°C

22°C
-7°C
22°C
-7°C
HC+NO
x

(g/km)
CO (g/km)
Diesel
LPG
Xăng
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

144
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
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


146
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 (1000m
3
=
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 -161
0
C 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
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


147
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 (CH
4
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%), CO
2
(0,2 - 1,5%). Trong
những phần sau, chúng ta chỉ xét khí NGV là khí thiên nhiên chứa ít nhất 80% methane.


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


148
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 C
5+
Nitơ H

2
S CO
2

Pháp 69,0 3,0 0,9 0,5 0,5 1,5 15,3 9,3
Algérie 83,7 6,8 2,1 0,8 0,4 5,8 - 0,2
Đông Âu 85,3 5,8 5,3 2,1 0,2 0,9 - 0,4
Irak 56,9 21,2 6,0 3,7 1,6 - 3,5 7,1
Mĩ 86,5 8,0 1,9 0,3 0,2 2,6 - 0,5
Indonesi
a
65,7 8,5 14,5 5,1 0,8 1,3 - 4,1

8.6.2. Nhiệt trị

Thông thường, nhiệt trị của khí thiên nhiên được tính theo kWh/m
3
ở điều kiện
thường (101,3 kPa và 0
0
C). 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/m
3
). 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
khí
Khối
lượng
riêng ở
thể khí
Tỉ lệ hỗn
hợp cháy
hoàn toàn
lí thuyết

PCI
(kg/m
3
N
) r
(MJ/kg) (kWh/kg) (MJ/m
3
N
) (kWh/m
3
N
)
Lacq 0,73 17,09 49,64 13,79 36,42 10,12
Algérie
(Fos)

0,76

16,77

48,89

13,58

37,06

10,29
Algérie
(Montoir)

0,80

16,79

48,95

13,60

39,40

10,94
Mer du
Nord

0,81

15,63

45,46

12,63

36,80

10,22
URSS 0,74 16,53 47,99 13,33 35,70 9,92
Gronigue 0,82 13,87 40,27 11,19 33,17 9,21

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 (CO
2
, N
2
) tăng.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


149

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:

W
PCS
d
=
trong đó:

PCS: nhiệt trị cao MJ/m
3

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:
rk.Cte
W
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 c
ủa
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
≈ 130
95
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


150
Nhiệt trị khối lượng (kJ/kg) 50009 42690
Năng lượng hỗn hợp (kJ/dm
3
) 3,10 3,46
Giới hạn dưới bốc cháy 0,50 0,60
Tốc độ cháy chảy tầng ở độ đậm đặc
0,80 (cm/s)
30

37,5
Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ) 0,33 0,26
Nhiệt độ đoạn nhiệt của màng lửa (K) 2227 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 h

ỗn hợp méthane-
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 ồ
n của quá
ì h há h
ờ di á ấ













Hình 8.19: Tốc độ cháy (m/s) của méthane, propane

và isooctane (điều kiện ban đầu: áp suất 30bar,
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
0,5
1,0
1,5
2,0
Propane-không khí
Isooctane-không khí
Méthane-không khí
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


151
trình cháy nhờ gradient áp suất
nhỏ.

nhiệt độ 900K).

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 CO
2

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 NO
x
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 0,15m
3
N
NGV đối với 1kg vỏ bình chứa).
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 lầ
n so với bình bằng thép có cùng khối lượng.

Bảng 8. 7: Khả năng chứa (m
3
N
) đối với 1 kg bình chứa làm bằng
các vật liệu khác nhau ở áp suất 200 bar

Vật liệu Khả năng chứa
m
n
3
/kg bình chứa ở 200bar
Thép thường 0,13-0,14
Thép tốt 0,18-0,20
Nhôm thường 0,19-0,20
Nhôm gia cố sợi thủy tinh 0,28-0,38
Com
p
osite sườn bằn
g
s
ợ
i 0,40-0,50
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

152
thủy tinh
Composite sườn bằng sợi
carbon
0,50-0,70
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.

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.













Hình 8.20: Khả năng chứa khí trên than
hoạt tính ở 210
o
C
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.

10
20
30
40
10
20
30
Khả năng chứa
(kg/m
3
)
Carbon
hoạt tính

Bình chứa
cổ điển

Áp suất trong bình chứa
(b )
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