Giáo trình động cơ đốt trong - Chương 8.1

128



Chương 8

ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU KHÍ:
MỘT GIẢI PHÁP LÀM GIẢM
Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG


Các giải pháp kĩ thuật cải thiện quá trình cháy và tăng cường xử lí trên đường xả
như đã mô tả ở chương 7 chưa đủ để làm giảm một cách triệt để nồng độ các chất ô nhiễm
trong khí thải động cơ đốt trong. Do đó, để nâng cao hiệu quả của việc chống ô nhiễm môi
trường do phương tiện vận tải gây ra, chúng ta cần tác động đến nhiên liệu: nâng cao tính
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%)
Nông nghiệp (17%)
Gia dụng (67%)
Nhiên liệu (42%)

Gia dụng (20%)
Nông nghiệp (14%)
Công nghiệp (24%)

8,7%
Hà Lan
Ý
Pháp
M
ĩ
Nhật
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.