Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 8 pot

Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trườngLưu lượng LPG cung cấp được khống chế bởi bộ phận giãn nở và độ chân không ở ống Venturi.. Hình 8.10 tr

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

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

Venturie

Phun xăng Máy tính LPG

–ng xả xúc tác

Cảm biến

Bộ chuyển xăng/LPG

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 được 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 nhiều 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 đối với LPGBộ vi xử lý

Vòi phun xăng

Vòi phun LPG

Lọc gió Hòi lưu LPG

Bình chứa LPG

–ng xả xúc tác

Cảm biến oxy

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

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 hệ 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 thời 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

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 cơ

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 nở

và hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu

điện tử thông qua các thông tin cần thiết để

điều chỉnh lượng xăng

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

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 năng 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

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

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 NOx 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 thấy trên hình 8.15 rằng HC trong khí xả chủ yếu là sản phẩm nhẹ (C1-C4) 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

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

(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

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

1 2 3

NO x (g/km)

HC (g/km)

CO (g/km)

Giới hạn Euro 93 Giới hạn Euro 96

Xăng LPG

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

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+NOx (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

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

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 (1000m3 = 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 -1610C 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