Sử dụng LPG giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm ô nhiễm môi trường

Khoá luận tốt nghiệp
PHN 1: M U

1. Lớ do chn ti
Ngy nay, vn phỏt trin bn vng, tc l phỏt trin nhng vn bo
v c mụi trng l vn bc xỳc i vi mi quc gia v cú ý ngha ton
cu. Mụi trng ca con ngi ang b hu hoi nghiờm trng t nhiu ngun
khỏc nhau. Mt trong nhng ngun ụ nhim ch yu l khớ x ca ng c t
trong - thit b cung cp ti 80% tng s nng lng tiờu th hng nm trờn
ton th gii. Vỡ vy, ngay t nhng nm 50 ca th k XX ngi ta ó quan
tõm n vn ụ nhim mụi trng do khớ x ca ng c t trong.
Mc dự ó cú nhiu ci tin k thut trờn ng c t trong nhng vn
cha lm gim mt cỏch trit nng cỏc cht ụ nhim trong khớ x.
Do ú, nõng cao hiu qu chng ụ nhim mụi trng do ng c t trong
gõy ra, chỳng ta cn s dng cỏc loi nhiờn liu sch. S dng ngun nhiờn
liu khớ chy ng c ngoi vic a dng hoỏ ngun nng lng cũn gúp
phn ỏng k vo vic gii quyt vn ụ nhim mụi trng v nõng cao hiu
sut ca ng c t trong.
Vic s dng nhiờn liu khớ du m hoỏ lng LPG cho ng c t
trong trờn phng tin giao thụng vn ti ó c bt u trong nhng nm
gn õy, Vit Nam õy l mt lnh vc mi. L sinh viờn ngnh s phm k
thut, vi s ham mun tỡm hiu, nghiờn cu, ng thi gúp mt phn cụng
sc ca mỡnh bo v mụi trng, tụi khụng th lc hu vi tri thc thi i.
ú l lớ do tụi chn ti: "S dng LPG - gii phỏp k thut nõng cao
hiu sut nhit v gim ụ nhim mụi trng."
2. Mc ớch nghiờn cu
- Tỡm hiu thnh phn, tỏc hi ca cỏc cht trong khớ x ca ng c xng.
- Tỡm hiu c ch hỡnh thnh cỏc cht trong khớ x ca ng c xng.

Dương Thị Thanh

1

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
- Tìm hiểu thành phần, tính chất của LPG.
- Tìm hiểu ưu nhược điểm của động cơ khi sử dụng nhiên liệu LPG.
- Tìm hiểu tại sao động cơ sử dụng LPG lại giảm ô nhiễm môi trường và nâng
cao hiệu suất nhiệt.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu chu trình làm việc của động cơ đốt trong, biểu thức hiệu suất nhiệt
và quá trình cháy của động cơ đốt cháy cưỡng bức.
- Tìm hiểu hiện tượng cháy kích nổ, đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu.
- Khái quát tìm hiểu một số vấn đề về xăng.
- Tìm hiểu thành phần, tác hại của các chất trong khí xả của động cơ xăng.
- Nghiên cứu cơ chế hình thành các chất trong khí xả.
- Nghiên cứu thành phần, tính chất của LPG, hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG.
- Đánh giá kết quả thảo luận chuyên môn.
4. Đối tượng nghiên cứu
- Thành phần, tác hại của các chất trong khí xả của động cơ xăng.
- Cơ chế hình thành các chất trong khí xả của động cơ xăng.
- Thành phần, tính chất của LPG.
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG.
- Ưu nhược điểm giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu suất nhiệt của
động cơ khi sử dụng nhiên liệu LPG.
5. Tính khoa học và thực tiễn
Hiện nay, động cơ đốt trong đã phát triển rộng khắp trên tất cả các
lĩnh vực trong ngành kinh tế quốc dân: công nghiệp, nông nghiệp, giao thông
vận tải, xây dựng, quốc phòng... Động cơ đốt trong là nguồn cung cấp năng

lượng chủ yếu cho con người nhưng cũng là một thủ phạm chính gây ô nhiễm
môi trường do độc hại trong khí xả. Việc sử dụng nhiên liệu “sạch” là khí dầu
mỏ hoá lỏng LPG tuy phải sử dụng những thiết bị cồng kềnh nhưng đã phần

D­¬ng ThÞ Thanh

2

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
nào giải quyết được vấn ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu suất của động
cơ, đảm bảo sự phát triển bền vững cho mỗi quốc gia.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lí luận, tài liệu tham khảo, báo cáo khoa học.
- Tìm hiểu thực tế.
- Thảo luận chuyên môn.
7. Cấu trúc luận văn
Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:
- Chương 1: Chu trình làm việc của động cơ đốt trong.
- Chương 2: Khí xả của động cơ đốt trong và sự ô nhiễm môi trường.
- Chương 3: Sử dụng LPG - giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu suất
nhiệt và giảm ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra luận văn còn có các phần: mở đầu, mục lục, chú thích, kết
luận chung.

D­¬ng ThÞ Thanh

3

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
PHẦN 2: NỘI DUNG

CHƯƠNG 1:
CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.1. Chu trình lý thuyết của động cơ đốt trong
1.1.1. Các giả thiết
- Môi chất công tác trong chu trình là khí lý tưởng, nhiệt dung riêng là
hằng số, không phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ môi chất.
- Chu trình diễn biến với số lượng môi chất làm việc không thay đổi, do
đó không để ý tới những tổn thất khí nạp và khí thải, cũng như sự hao hụt
trong xilanh. Như vậy, ta có thể coi nó là chu trình kín, thuận nghịch, trong đó
không có sự tổn thất năng lượng phụ nào ngoài tổn thất do nhả nhiệt cho
nguồn lạnh.
- Quá trình cháy của nhiên liệu được thay bằng quá trình cấp nhiệt
lượng Q1 từ nguồn nóng trong điều kiện đẳng tích (V = const), đẳng áp (P =
const) hoặc hỗn hợp (một phần đẳng tích, một phần đẳng áp), do đó không xét
đến quá trình tổn thất nhiệt khi nhiên liệu cháy. Quá trình thải được thay thế
bằng quá trình truyền nhiệt cho nguồn lạnh trong điều kiện đẳng tích hoặc
đẳng áp.
- Quá trình nén và quá trình cháy - giãn nở được coi là hai quá trình đoạn
nhiệt, do đó không tính đến tổn thất nhiệt trong 2 quá trình này.
Từ những giả thiết trên có thể tính được hiệu suất nhiệt và mối quan hệ
giữa các thống số đặc trưng. Từ những quan hệ sau khi làm thực nghiệm đã
có phép hiệu chỉnh, ta có thể áp dụng chúng cho những chu trình thực tế của

động cơ đốt trong. Giữa chu trình thực tế và chu trình lý thuyết có sự chênh
lệch hiệu suất của chu trình.

D­¬ng ThÞ Thanh

4

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
Các dạng chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong:
- Chu trình lý tưởng tổng quát.
- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích, V = const.
- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp, P = const.
- Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.
Chu trình cấp nhiệt đẳng tích và chu trình cấp nhiệt đẳng áp là hai trường
hợp riêng của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích là
chu trình lý tưởng cho các loại động cơ xăng, máy ga, đốt cháy cưỡng bức
bằng tia lửa điện.
1.1.2. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (V = const)
P
z
Q1

Q  0

c

b

Q2

Q  0

a
V
Hình 1.1. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích
Chu trình cấp nhiệt đẳng tích được đặc trưng bởi sự cấp nhiệt ban đầu Q1
với thể tích không đổi, tương ứng với đường thẳng cz.
- Tại thời điểm a: môi chất có các thông số đặc trưng là Va, Ta, Pa.
- Tiếp theo môi chất thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt theo đường ac và
tại c có các thông số Vc, Tc, Pc.
- Tiếp theo môi chất nhận nhiệt lượng Q1 trong quá trình đẳng tích theo
đường cz, tại z các thông số là Vz = Vc, Tz, Pz.

D­¬ng ThÞ Thanh

5

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
- Tiếp theo môi chất thực hiện quá trình giãn đoạn nhiệt theo đường zb
và tại b các thông số đặc trưng là Vb, Tb, Pb.
- Môi chất thực hiện truyền nhiệt cho nguồn lạnh một nhiệt lượng Q2
trong điều kiện đẳng tích rồi trở về trạng thái ban đầu.
1.1.3. Hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng tích


Q1  Q 2
Q
1 2
Q1
Q1

Đối với chất khí lý tưởng thì nhiệt dung riêng của nó không thay đổi,
ta có:
Q1 = Cv(Tz − Tc)
Q2 = Cv(Tb − Ta)
Trong đó Q2 lấy giá trị tuyệt đối
Vậy ta có:   1 

C v Tb  Ta 
C v Tz  Tc 

T V 
- Do ac là quá trình đoạn nhiệt nên: c   a 
Ta  Vc 

k 1

  k 1

→ Tc   k 1Ta
- Do cz là quá trình đẳng tích nên: Vc = Vz,

TZ Pz
 
Tc Pc

→ Tz  Tc   k 1Ta
T V 
- Do zb là quá trình đoạn nhiệt nên: b   z 
Tz  Vb 
k 1

k 1

k 1

V 
V 
→ Tb   z  Tz   z   k 1Ta
 Vb 
 Vb 

- Do ba là quá trình đẳng tích nên Va = Vb

D­¬ng ThÞ Thanh

6

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
V
Tb z
Vb

k 1

k 1

Va
T a Ta
Vc

Vy ta cú hiu sut nhit ca chu trỡnh:
1

Trong ú:


k

Ta Ta
1
1 k 1
k 1
Ta Ta

k 1

Va
l t s nộn
Vc

Pz

l t s tng ỏp
Pc
Cp
Cv

l ch s on nhit (t s nhit dung)

Nhn xột: Nh vy hiu sut nhit ca chu trỡnh ng tớch ch ph thuc
vo t s nộn v ch s on nhit k ca mụi cht.
1.2. Chu trỡnh thc t ca ng c t trong
Theo lý thuyt, chu trỡnh cụng tỏc ca ng c khụng cú s tht thoỏt
v nhit, c gii... Trong thc t, chu trỡnh cụng tỏc ca ng c c thc
hin ngay trong xilanh ca ng c v chu trỡnh thc t cú tn tht v nhit,
c gii..., nhng cỏi ú ch nh hng n hiu sut.
Chu trỡnh thc t ca ng c t trong l tng hp ca cỏc quỏ trỡnh
ni tip nhau. Mt ng c t trong bao gm 4 quỏ trỡnh: np, nộn, chỏy gión n, x. Tu theo loi ng c m 4 quỏ trỡnh y c hỡnh thnh sau my
hnh trỡnh ca pittụng. Vi ng c 4 k: 4 hnh trỡnh, vi ng c 2 k: 2
hnh trỡnh. Sau õy chỳng ta ch xột quỏ trỡnh chỏy gión n.
1.2.1. Quỏ trỡnh chỏy ca ng c t chỏy cng bc
Din bin bỡnh thng ca quỏ trỡnh chỏy trong ng c xng u bt
u t cc bugi, to nờn mng la ri lan truyn vi tc tng dn theo mi
hng ti khi t ht ho khớ.

Dương Thị Thanh

7

K31c - Spkt

p (105 Pa)

Khoá luận tốt nghiệp

III

42

3

35
28

II

21
I

14
1

7

2



100

80

60

40

20

0

20

40

60

80

0

Hỡnh 1.2. Quỏ trỡnh chỏy ca ng c xng t chỏy cng bc
I - chỏy tr, II - chỏy nhanh, III - chỏy rt
1- ỏnh la, 2 - ng ỏp sut tỏch khi ng nộn, 3 - ỏp sut cc i
1.2.1.1. Giai on 1: thi kỡ chỏy tr I (t im 1 n im 2)
Thi kỡ chỏy tr tớnh t lỳc bt u ỏnh la n khi ỏp sut p tng t
ngt. Sau khi bugi bt tia la in, ho khớ trong xilanh cha chỏy ngay m
phi thc hin mt s phn ng s b to nờn cỏc sn phm trung gian. Thi
kỡ ny nhit lng nh ra ca cỏc phn ng l rt nh. Sau mt thi gian ngn
xy ra cỏc phn ng hoỏ hc, ngun la xut hin v c gi l mng la
trung tõm. Mng la l mt loi phn ng hoỏ hc mónh lit, to ra mt lng
nhit lng rt ln. Vỡ vy, sau khi xut hin mng la trung tõm thỡ ỏp sut p

trong xilanh tng t ngt.
Thi kỡ chỏy tr di hay ngn ph thuc vo nhiu yu t: tớnh cht,
trng thỏi (ỏp sut, nhit ) ca ho khớ trc khi ỏnh la, nng lng ca
tia la in . . .

Dương Thị Thanh

8

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
1.2.1.2. Giai on 2: thi kỡ chỏy nhanh II (t im 2 n im 3)
Thi kỡ ny tng ng vi thi kỡ lan truyn mng la tớnh t lỳc xut
hin mng la trung tõm ti khi mng la lan khp bung chỏy. Trong thi k
ny, mng la c lan truyn vi tc tng dn, ho khớ trong xilanh cú
phn ng oxy hoỏ ngy cng mónh lit v nh ra mt s nhit lng ln trong
khi dung tớch xilanh thay i ớt, do ú lm cho ỏp sut v nhit mụi cht
tng nhanh.
Thi k chỏy nhanh l giai on chớnh trong quỏ trỡnh chỏy ho khớ
ca ng c t chỏy cng bc, phn ln nhit lng c nh ra trong giai
on ny. Quy lut nh nhit quyt nh vic tng ỏp sut, tc l quyt nh
kh nng y pittụng sinh cụng, vỡ vy thi kỡ ny cú nh hng quyt nh
ti tớnh nng ca ng c.
Thi gian chỏy cng nhanh thỡ hiu sut nhit ca chu trỡnh cng cao.
Mun rỳt ngn thi gian chỏy phi nõng cao tc chỏy, lm cho ỏp sut cc
i v nhit cc i xut hin ti v trớ gn sỏt CT, khin s nhit lng
nh ra c li dng y , lm tng cụng sut v hiu sut ca ng c.
Sr: tc lan truyn mng la (m/s), th hin tc chuyn dch ca

mng la theo hng phỏp tuyn.
U: tc chỏy (kg/m2s), th hin khi lng ho khớ c mt n v
din tớch mng la t chỏy trong mt n v thi gian.
U .Sr

Vi l khi lng riờng ca ho khớ (kg/m3).
Nhit lng Q nh ra trong mt n v thi gian:
Q U.FT .H m .Sr .FT .H m (kJ/s)

Trong ú: FT l din tớch mng la (m2)
Hm l nhit tr ca ho khớ (kJ/kg)

Dương Thị Thanh

9

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
Như vậy, nhiệt lượng nhả ra phụ thuộc vào tốc độ lan truyền màng lửa
Sr, diện tích màng lửa FT và mật độ môi chất  . Màng lửa lan càng rộng thì 
càng lớn vì lúc đó số hoà khí chưa cháy phải chịu sự chèn ép của phần đã
cháy gây ra.
Tốc độ lan truyền và diện tích màng lửa càng lớn sẽ làm cho tốc độ
cháy, tốc độ nhả nhiệt, áp suất và nhiệt độ môi chất trong xilanh trong thời kì
cháy nhanh tăng lên càng nhiều làm cho công suất và hiệu suất của động cơ
đều được cải thiện tốt hơn. Tuy vậy, tốc độ cháy không thể quá lớn, nếu
không sẽ làm tăng nhanh tốc độ tăng áp suất, gây va đập cơ khí, tăng tiếng ồn
làm cho động cơ bị rung khi hoạt động, gây tăng mài mòn chi tiết, giảm tuổi

thọ sử dụng động cơ. Thông thường phải hạn chế tốc độ tăng áp suất trung
bình của thời kì cháy nhanh trong giới hạn từ (1,75  2,5) x 105 Pa/độ góc
quay của trục khuỷu; mặt khác phải điều khiển để áp suất cực đại xuất hiện
sau điểm chết trên khoảng từ 10  150 góc quay trục khuỷu, lúc ấy động cơ sẽ
chạy êm, nhẹ nhàng và có tính năng động lực tốt.
1.2.1.3. Giai đoạn 3: thời kì cháy rớt III (tính từ điểm 3 trở đi)
Cuối thời kì II màng lửa đã lan truyền khắp buồng cháy nhưng do hoà
khí phân bố không thật đều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong
buồng cháy không hoàn toàn giống nhau nên có những khu vực hoà khí chưa
cháy hết. Trong quá trình giãn nở, số hoà khí đó được bốc cháy tiếp tạo nên
thời kì cháy rớt. Trong thời kì này nhiệt lượng nhả ra rất nhỏ, dung tích xilanh
tăng nhanh nên áp suất trong xilanh giảm dần. Thời kì cháy rớt dài hay ngắn
phụ thuộc vào số lượng hoà khí cháy rớt, giai đoạn này không có lợi cho động cơ.
1.2.2. Hiện tượng cháy kích nổ
Quá trình cháy của động cơ đốt cháy cưỡng bức bắt đầu từ lúc bugi
bật tia lửa điện, màng lửa lan tràn từ bugi ra khắp buồng cháy để đốt cháy hỗn
hợp. Trong trường hợp cháy bình thường, tốc độ lan của màng lửa vào

D­¬ng ThÞ Thanh

10

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
khoảng từ 20  30m/s. Có trường hợp số hoà khí ở xa bugi bị màng lửa dồn ép
tới một lúc nào đó nhiệt độ và áp suất của chúng đạt tới độ tự cháy khi màng
lửa chưa lan tới, đó là hiện tượng cháy kích nổ. Tốc độ của màng lửa kích nổ
rất lớn, có thể tới 1500  2000m/s khiến áp suất tăng quá nhanh tạo ra sóng áp

suất truyền đi theo mọi phương đập vào thành xilanh và sinh ra sóng phản
hồi. Kích nổ gây phá hoại bề mặt thành xilanh nhiệt độ và áp suất cao khiến
nhiên liệu bị phân huỷ, động cơ rung, công suất giảm . . .
1.2.3. Đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt
cháy cưỡng bức
Tính chống kích nổ có liên hệ trực tiếp với tính tự cháy của nhiên liệu.
Nhiên liệu khó tự cháy sẽ khó sinh ra kích nổ và ngược lại. Nhiên liệu có cấu
trúc phân tử càng bền vững thì tính tự cháy càng khó. Isôôctan C8H18 có kết
cấu phân tử mạch vòng nên rất bền vững, có tính chống kích nổ cao. Nhiên
liệu có tỉ lệ isôôctan càng cao thì có tính chống kích nổ càng lớn.
Để đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu dùng cho động cơ đốt
cháy cưỡng bức người ta dùng thông số ốctan (O). Nhiên liệu có trị số ốctan
càng cao thì tính chống kích nổ càng lớn.

D­¬ng ThÞ Thanh

11

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
CHƯƠNG 2:
KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ SỰ Ô NHIỄM
MÔI TRƯỜNG
2.1. Xăng
2.1.1 Thành phần chính của xăng
Xăng là sản phẩm được chưng cất từ dầu mỏ, trong thành phần của
xăng có 85%C, 15%H. Xăng là hỗn hợp của nhiều hydrocacbon, xăng là loại
nhiên liệu nhẹ, ρ=0,65÷0,8g/cm3, dễ bay hơi và có tính chất tự cháy kém.

Thành phần chính của xăng gồm hydrocacbon no nhưng có dạng mạch nhánh
và hydrocacbon thơm nhân benzen là các kết cấu rất bền vững. Ví dụ như
isôôctan C8H18 và metylbenzen C6H5CH3.

H

H

CH3

H

CH3

H

C

C

C

C

C

H

CH3

H

H

H

H

a. isôôctan
H
H

H

H

C
C

C

C

C

H

C

H

C
H
H

b. metylbenzen
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo phân tử

D­¬ng ThÞ Thanh

12

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
2.1.2. Tớnh cht ca xng
Tr nhit ca xng c 10000ữ11000 Kcal/kg (giỏ tr nhiờn liu ca
xng). Tớnh bay hi ca xng ph thuc vo nhit . Nhit thp bay hi
chm, nhit cao bay hi nhanh nhng khụng hon ton tuyn tớnh. T
trng ca xng nh hn nc 0,75kg/lớt.
Xng ụ tụ thng cú tr s ctan trong khong 80 n gn 100. Hin
nay nc ta ph bin 3 loi xng cú tr s ctan tng ng l 90, 92, 95.
tng kh nng chng kớch n ca xng ngi ta pha nc chỡ vo xng vi t
l 1/1000 (hay 1cc/lớt). Nc chỡ ny rt c, phõn bit xng pha chỡ v
xng khụng pha chỡ ngi ta dựng ch th mu. Hin nay ó cm s dng loi
xng ny.
2.2. Thnh phn cỏc cht trong khớ x ca ng c xng
Quỏ trỡnh chỏy lý tng ca hn hp hydrocacbon vi khụng khớ sinh
ra CO2, H2O v N2. Tuy nhiờn, cng nh do tớnh cht phc tp ca cỏc hin

tng lớ hoỏ din ra ngay trong quỏ trỡnh chỏy nờn trong khớ x ca ng c
t chỏy cng bc luụn cha mt hm lng ỏng k nhng cht c hi
nh cỏc oxit nit (NO, N2O, NO2, gi chung l NOx), monoxit cacbon (CO),
cỏc hydrocacbon cha chỏy (HC).
Mt khỏc tng cng tớnh chng kớch n ca xng, ngi ta pha
vo xng cht ph gia cha chỡ l tetraetyl chỡ Pb(C2H5)4. Sau khi chỏy nhng
ht chỡ cú ng kớnh cc bộ thoỏt ra theo khớ x, l lng trong khụng khớ v
tr thnh cht ụ nhim i vi bu khớ quyn.
2.3. Tỏc hi ca cỏc cht trong khớ x ca ng c xng
2.3.1. i vi sc kho con ngi
- CO: monoxit cacbon l sn phm khớ khụng mu, khụng mựi, khụng
v, sinh ra do oxy hoỏ khụng hon ton cacbon trong nhiờn liu trong iu
kin thiu oxy. CO ngn cn s dch chuyn ca hng cu trong mỏu lm cho

Dương Thị Thanh

13

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
các bộ phận của cơ thể bị thiếu oxy. Khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn
1000ppm thì 70% số hồng cầu bị khống chế dẫn tới tử vong. Ở nồng độ thấp
hơn, CO cũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng
cầu bị khống chế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỷ số
này lên đến 50%, não bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh.
- NOx: NOx là họ các oxit nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận. NOx
được hình thành do N2 tác dụng với O2 với điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá
1100oC). NO không nguy hiểm mấy nhưng nó là cơ sở để tạo ra NO2, độc tính

của NO2 cao hơn gấp nhiều lần so với NO. NO2 là chất khí có màu hơi hồng,
có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt
khoảng 0,12ppm. NO2 là chất khó hoà tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp
đi sâu vào trong phổi gây viêm và làm huỷ hoại các tế bào của cơ quan hô
hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở.
- HC: hydrocacbon có mặt trong khí xả do quá trình cháy không hoàn
toàn khi hỗn hợp giàu, do cháy bỏ lửa khi hỗn hợp nghèo hoặc do hiện tượng
cháy không bình thường. Chúng gây tác hại đến sức khoẻ con người chủ yếu
là do các hydrocacbon thơm. Khi nồng độ của benzen trong máu lớn hơn
40ppm thì nó có tác dụng gây ung thư máu và gây rối loạn hệ thần kinh trung
ương khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, nó cũng là nguyên nhân gây các bệnh về gan.
- Chì: chì có mặt trong khí xả do tetraetyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào
xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu. Chì trong khí xả động cơ tồn
tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên dễ xâm nhập vào cơ thể
qua da hoặc qua đường hô hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30
đến 40% lượng chì này đi vào máu. Sự hiện diện của chì gây xáo trộn sự trao
đổi iôn ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzim để hình thành hồng cầu,
đặc biệt nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ. Chì

D­¬ng ThÞ Thanh

14

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó trong máu vượt
quá 200 đến 250mg/lít.
2.3.2. Đối với môi trường

2.3.2.1. Thay đổi nhiệt độ khí quyển
Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là các chất gây hiệu ứng
nhà kính trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nhiệt
của bầu khí quyển. Trong số những chất gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan
tâm đến khí cacbonic (CO2) vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy
của nhiên liệu có chứa thành phần cacbon.
Quả đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một
phần nhiệt lượng mà nó nhận được. Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng
ánh sáng thấy được (có bước sóng trong khoảng 0,4÷0,73mm) còn bức xạ cực
đại của vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (có bước sóng trong khoảng
7÷15mm).
Các chất khí khác nhau có dải hấp thụ, bức xạ khác nhau. Do đó,
thành phần các chất khí có mặt trong khí quyển có ảnh hưởng đến sự trao đổi
nhiệt giữa mặt trời, quả đất và không gian. Cacbonic là chất khí có dải hấp thụ
bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, vì vậy nó được xem như trong suốt
đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng đối với tia bức xạ
hồng ngoại từ mặt đất. Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO2 giữ lại sẽ bức xạ
trở lại về trái đất làm nóng thêm bầu khí quyển.
Nồng độ khí CO2 càng tăng làm cho nhiệt độ trái đất cũng tăng dần
dẫn tới những thảm hoạ thiên tai như: một phần băng ở hai cực tan ra làm
tăng chiều cao mực nước biển, gây lũ lụt; làm thay đổi chế độ mưa gió và sa
mạc hoá thêm bề mặt trái đất.

D­¬ng ThÞ Thanh

15

K31c - Spkt

Khoá luận tốt nghiệp
2.3.2.2. nh hng n sinh thỏi
S gia tng ca NOx, c bit l N2O cú nguy c lm hu hoi lp ụzụn
thng tng khớ quyn, lp khớ cn thit lc tia cc tớm phỏt x t mt
tri.
Mt khỏc, cỏc cht khớ cú tớnh axit nh SO2, NO2 b oxy hoỏ thnh
thnh axit sunfuric, axit nitric ho tan trong ma, trong tuyt, trong sng
to thnh ma axit lm hu hoi thm thc vt, gõy n mũn cỏc cụng trỡnh
kim loi.
2.3.2.3. nh hng n thc vt

T l gia tng CO2
100
2,5ppm
80

60

40

8ppm

9ppm
nh hng

Phc hi
t(s)

20

0
100
200 2.2: nh hng ca NO n quang hp
Hỡnh

Dương Thị Thanh

16

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
Tỉ lệ gia tăng CO2
100
1,6ppm
80

3,2ppm

60

5,8ppm

40

Ảnh hưởng

Phục hồi
t(s)

20

0
100
200 2.3: Ảnh hưởng của NO đến quang hợp
Hình
2

Khi nồng độ NOx lớn hơn 0,5÷0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang
hợp của cây. Sự giảm quang hợp đạt đến trạng thái cân bằng đối với NO
nhanh hơn đối với NO2 và sau khi môi trường hêt ô nhiễm thì sự quay trở lại
trạng thái ban đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO2.
2.4. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí xả của động cơ xăng
2.4.1. Cơ chế hình thành NOx
NOx được hình thành từ phản ứng oxy hoá nitơ trong điều kiện nhiệt
độ cao của quá trình cháy. Thành phần của NOx phụ thuộc nhiều vào nồng độ
oxy của hỗn hợp và nhiệt độ của quá trình cháy. Trong điều kiện nhiệt độ cao,
nồng độ oxy càng nhiều thì nồng độ NOx càng lớn.
2.4.1.1. Sự hình thành NO (monoxit nitơ)
Trong thành phần của NOx, NO chiếm tới từ 90÷98%. Sự hình thành
của NO được mô tả bởi cơ chế Zeldovich. Trước hết, oxy bị phân huỷ thành
oxy nguyên tử ở nhiệt độ cao:
O2

D­¬ng ThÞ Thanh

2O

(2.1)

17

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
Tip theo l cỏc phn ng vi s tham gia ca cỏc nguyờn t cú tớnh
nng hot hoỏ cao:
N2 + O

NO + N

(2.2)

N + O2

NO + O

(2.3)

Ngoi ra NO cũn c hỡnh thnh t cỏc phn ng sau:
N + OH

NO + H

(2.4)

N2 + O2
2NO

(2.3)
NO c to thnh trong mng la v trong sn phm chỏy phớa sau
mng la. Trong ng c, quỏ trỡnh chỏy din ra trong iu kin ỏp sut cao,
vựng phn ng rt mng, thi gian chỏy rt ngn, thờm vo ú ỏp sut trong
xilanh tng trong quỏ trỡnh chỏy, iu ny lm nhit ca b phn khớ chỏy
trc cao hn nhit t c ngay sau khi ra khi mng la nờn i b
phn NO hỡnh thnh trong khu vc sau mng la.
2.4.1.2. S hỡnh thnh NO2 (peoxit nit)
NO2 c hỡnh thnh t NO v cỏc cht trung gian ca sn phm chỏy
theo phn ng:
NO + HO2

NO2 + OH

(2.6)

Trong iu kin nhit cao NO2 to thnh cú th c phõn gii theo
phn ng:
NO2 + O

NO + O2

(2.7)

Khi NO2 sinh ra trong ngn la b lm mỏt ngay bi mụi cht cú nhit
thp thỡ phn ng (2.7) b khng ch, ngha l NO2 tip tc tn ti trong
sn vt chỏy.
2.4.1.3. S hỡnh thnh N2O
N2O ch yu hỡnh thnh t cỏc cht trung gian NH v NCO khi chỳng
tỏc dng vi NO:

NH + NO

N2O + H

NCO + NO

N2O + CO

Dương Thị Thanh

18

(2.8)
(2.9)

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
N2O ch yu c hỡnh thnh vựng oxy hoỏ cú nng nguyờn t H
cao m H l cht to ra s phõn hu mnh N2O theo phn ng:
N2O + H

NH + NO

(2.10)

N2O + H

N2

(2.11)

+ OH

Chớnh vỡ vy N2O chim t l rt thp trong khớ thi ca ng c t trong.
2.4.2. C ch hỡnh thnh CO (monoxit cacbon)
CO c hỡnh thnh trong phn ng chỏy thiu oxy
2C + O2 = 2CO
Khi h s d lng khụng khớ cng nh tc l nng oxy trong
hn hp ớt thỡ nng CO trong khớ x cng ln.
+ Khi 1 , quỏ trỡnh chỏy thiu oxy nờn sinh ra nhiu CO.
+ Khi 1, v lý thuyt tha oxy nhng vn cú mt lng nh CO.
Lý do l trong bung chỏy vn cú nhng vựng cc b cú 1 , ti ú quỏ
trỡnh chỏy thiu oxy.
2.4.3. C ch hỡnh thnh HC (hydrocacbon)
S phỏt sinh HC l do quỏ trỡnh chỏy khụng hon ton hoc do mt b
phn hn hp nm ngoi khu vc lan trn mng la. iu ny xy ra do s
khụng ng nht ca hn hp hoc do s dp tt ca mng la khu vc gn
thnh hay trong cỏc khụng gian cht, ngha l khu vc cú nhit thp. s
hỡnh thnh HC trong ng c ỏnh la cng bc c gii thớch theo cỏc c
ch sau:
- S tụi mng la trờn thnh bng chỏy: trong quỏ trỡnh chỏy, mng
la lan trn khp bung chỏy. Lp ho khớ sỏt vỏch cỏc chi tit cú nhit
thp nờn khi mng la lan trn ti õy s b dp tt, do ú nhiờn liu ti õy
khụng c t chỏy.

Dương Thị Thanh

19

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
- nh hng ca cỏc khụng gian cht: cỏc khụng gian cht c xem
l nguyờn nhõn ch yu phỏt sinh HC nh: khe h gia pittụng, xecmng v
xilanh, khụng gian quanh nm v xupap . . . Trong quỏ trỡnh nộn, hn hp
b y vo cỏc khụng gian cht. Do t s gia din tớch b mt v th tớch ca
khụng gian cht ln nờn lng hn hp dn vo õy b lm mỏt nhanh chúng.
Trong quỏ trỡnh chỏy, do s dn ộp ca mng la, ho khớ tip tc c y
vo khụng gian cht. Khi mng la lan trn ti khụng gian cht thỡ b dp tt
do nhit thp, ho khớ ti õy khụng c t chỏy.
- S hp th v gii phúng HC mng du bụi trn: pha du bụi trn
vo nhiờn liu s lm gia tng mc phỏt sinh HC. Khi pha 5% du bụi trn
vo nhiờn liu thỡ nng HC trong khớ x cú th tng gp ụi hay gp 3 so
vi trng hp ng c lm vic vi nhiờn liu khụng pha du bụi trn.
Trong quỏ trỡnh np, mng du bụi trn c trỏng trờn mt gng xilanh.
Khi chỏy ht nhiờn liu, mng du bay hi, gii phúng hi nhiờn liu v quỏ
trỡnh ny tip tc trong thi kỡ gión n v thi. Trong quỏ trỡnh ú, mt b
phn hi ny s ho trn vi khớ chỏy nhit cao v b oxy hoỏ, mt b
phn khỏc ho trn vi hn hp khớ chỏy nhit thp, khụng b oxy hoỏ,
lm tng HC.
- Nng HC tng theo m c ca hn hp. Tuy nhiờn, khi
m c ca hn hp quỏ thp, HC cng tng do s b la hay do s chỏy
khụng hon ton mt s chu trỡnh cụng tỏc.

Dương Thị Thanh

20

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
CHƯƠNG 3:
SỬ DỤNG LPG - GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU SUẤT
NHIỆT VÀ GIẢM Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

3.1. Đặc tính của LPG
3.1.1. Thành phần chính của LPG
LPG là khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas), là hỗn hợp
khí chủ yếu gồm 2 hydrocacbon no là propan (C3H8) và butan (C4H10) đã
được hóa lỏng với áp suất khoảng 7atm. Thành phần hỗn hợp LPG có tỉ lệ
propan/butan: 50/50 ± 10% (mol).
3.1.2. Tính chất của LPG
Ở nhiệt độ 0oC trong môi trường không khí bình thường, với áp suất
bằng áp suất khí quyển, LPG bị biến dạng từ thể lỏng sang thể hơi theo tỉ lệ
thể tích 1lít LPG thể lỏng hóa thành khoảng 250 lít ở thể hơi.
LPG là nhiên liệu nhẹ, ρ=0,51÷0,58 (g/cm3), vận tốc bay hơi nhanh, dễ
dàng khuếch tán hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy nổ.
Ở thể lỏng, tỷ trọng của LPG nhẹ hơn nước: butan từ 0,55÷0,58 lần,
propan từ 0,5÷0,53 lần; ở thể hơi trong môi trường không khí với áp suất bằng
áp suất khí quyển, LPG nặng hơn so với không khí: butan 2,07 lần, propan
1,55 lần.
LPG không mùi, không màu, không vị, không có độc tố. Nhiệt độ của
LPG khi cháy rất cao khoảng 1900oC÷1950oC. Trị nhiệt của LPG vào khoảng
12000 kcal/kg.
LPG không lẫn tạp chất ăn mòn và các tạp chất có chứa lưu huỳnh, vì

vậy không làm ăn mòn các thiết bị sử dụng.

D­¬ng ThÞ Thanh

21

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
3.1.3. Ch s ctan
LPG cú ch s ctan cao khong t 98ữ100, vỡ vy LPG cú tớnh chng
kớch n cao m khụng cn pha thờm cht ph gia.
3.2. H thng cung cp nhiờn liu LPG
H thng phun nhiờn liu khớ vo ng ng np nh chõn khụng
ti hng venturi c dựng ph bin. Tuy nhiờn, nhng h thng phun nhiờn
liu mi th hin nhiu u im hn, c bit l h thng phun nhiờn liu khớ
húa lng ngay trc xupap np. H thng ny cú u im l ngn chn s bc
chỏy ca hn hp trờn ng np, hiu sut ca ng c c nõng cao v
mc phỏt ụ nhim gim i rừ rt.
LPG cú th cung cp cho ng c dng khớ hay dng lng. u im
ca vic s dng LPG di dng khớ l s ng nht hon ho ca hn hp
ga-khụng khớ v trỏnh hin tng t thnh ng np bi nhiờn liu lng,
hin tng ny rt nhy cm khi ng c khi ng v khi lm vic ch
chuyn tip. iu ny cho phộp gim mc phỏt sinh ụ nhim (t 30 n
80% so vi ng c xng). Nhc im ca vic cung cp dng ny l quỏ
trỡnh iu khin di v s cung cp ga liờn tc lm hn ch kh nng khng
ch t l khụng khớ/ga, c bit l giai on quỏ ca ng c; cụng sut ca
ng c gim i khong t 5 n 8% do tn tht lng khụng khớ np do khớ
ga chim ch.

H thng cung cp nhiờn liu LPG bng cỏch phun dng lng cú th
s dng u th ca LPG hn ch nhng nhc im trờn. u im ca
vic phun LPG lng l to kh nng kim soỏt c m c mi ln
phun vi thi gian rt ngn, t ú cú th khng ch c mc phỏt ụ
nhim khi ng c lm vic ch quỏ . S bc hi ca LPG lm gim
ỏng k nhit khớ np, do ú lm tng h s np ca ng c. Mt khỏc,

Dương Thị Thanh

22

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
màng nhiên liệu mỏng bám trên đường nạp không đáng kể so với khi động cơ
làm việc với xăng. Điều này cho phép 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.
3.2.1. Bộ chế hòa khí
3.2.1.1. Bộ chế hòa khí dạng màng

Không khí

Hình 3.1: Sơ đồ mặt cắt bộ chế hoà khí dạng màng
Khi dừng động cơ, van C mở 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, 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.
- Bướm V tạo ra một tổn thất áp suất thay đổi và tác động chủ yếu khi
công suất động cơ đạt cực đại.

D­¬ng ThÞ Thanh

23

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
3.2.1.2. B ch hũa khớ dng van modul húa
Khụng khớ

Hỡnh 3.2: B ch ho khớ dng modul hoỏ
Trc khi c hỳt vo phớa sau bm, khớ ga ó c modul húa bi
mt b nh lng. Khi s dng h thng ny trờn cỏc ng c khỏc nhau ch
cn thay i b nh lng v gicl tiờu chun. H thng ny cho phộp ng
c lm vic lng nhiờn liu xng v ga, b ch hũa khớ xng c lp phớa
trc hng ga.
3.2.1.3. Hng venturi

Hỡnh 3.3: Hng Venturi
Hng venturi dựng to ra chõn khụng nhm hỳt nhiờn liu vo

ng ng np. Nú cú th c lp t gia bu lc giú v b ch hũa khớ
xng hoc ch hũa khớ, phớa trc bm ga.

Dương Thị Thanh

24

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
3.2.1.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu venturi trên ô tô

Venturi
Ống xả xúc tác

Hình 3.4: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu ống Venturi trên ô tô hiện đại
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 thấp hơn áp suất khí trời. Nhờ độ chân
không tại họng Venturi, LPG được hút vào đường nạp.
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 nhiên liệu này đi kèm với ống xả xúc tác giúp làm giảm
lượng phát sinh ô nhiễm môi trường rất tốt. 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.

D­¬ng ThÞ Thanh

25

K31c - Spkt