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

Cũng như động cơ xăng, để nâng cao hiệu quả của việc xử lí ô nhiễm bằng bộ xúc tác ba chức năng, bộ tạo hỗn hợp phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp f quanh giá trị cháy hoàn toàn lí thuyế

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 m3 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 nở

Van điện từ

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

Hai dạng ô tô có thể dùng NGV đó là ô tô chuyên dụng và ô tô bus Tùy theo dạng

sử dụng, giải pháp kĩ thuật về tổ chức quá trình cháy có thể khác nhau

Ô tô chuyên dụng thường dùng động cơ xăng nên khi cải tạo nó sang dùng NGV cần chú ý đến việc tăng tỉ số nén Tỉ số nén của động cơ chạy NGV có thể chọn cao hơn nhiều so với động cơ xăng do chỉ số octane của méthane lớn Thường tỉ số nén của động

cơ NGV là 12 hoặc 13 Cũng như động cơ xăng, để nâng cao hiệu quả của việc xử lí ô nhiễm bằng bộ xúc tác ba chức năng, bộ tạo hỗn hợp phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp f quanh giá trị cháy hoàn toàn lí thuyết

Việc cải tạo xe bus nguyên thủy dùng động cơ Diesel sang dùng nhiên liệu khí NGV phức tạp hơn vì phải thêm hệ thống đánh lửa cưỡng bức và tổ chức quá trình cháy như động cơ xăng Trong điều kiện đó để giảm ô nhiễm và tăng tính kinh tế của động cơ, người ta có thể áp dụng hai giải pháp kĩ thuật sau đây và hai giải pháp này đang là đối tượng nghiên cứu để tiếp tục phát triển:

Giải pháp thứ nhất là cho động cơ luôn luôn làm việc với thành phần hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết kết hợp với việc xử lí khí thải bằng bộ xúc tác ba chức năng Ưu điểm của nó là làm giảm mức độ phát ô nhiễm nhưng nhược điểm là hiệu suất giảm so với động cơ Diesel

Giải pháp thứ hai, ít có tham vọng làm giảm ô nhiễm môi trường hơn nhưng có khả năng làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo điều kiện vận hành và ưu tiên sử dụng hỗn hợp nghèo

8.7.3 Kĩ thuật tạo hỗn hợp

Việc định lượng chính xác nhiên liệu cung cấp ở mỗi chế độ làm việc của động cơ NGV đôi khi khó thực hiện Mặt khác, khi động cơ hoạt động, thành phần hỗn hợp giữa các cylindre cần phải đồng đều và tổn thất trên đường nạp cần phải giảm đến mức thấp nhất Vì vậy hệ thống nạp của động cơ NGV đòi hỏi những kĩ thuật phức tạp

8.7.3.1 Bộ chế hòa khí

Có nhiều kĩ thuật chế hòa khí nhưng hiện nay kĩ thuật phổ biến nhất vẫn là kĩ thuật ống Venturi Trong hệ thống này, khí NGV không những chỉ định lượng bởi độ chân không trong ống Venturi mà còn bởi sự thay đổi độ tiết lưu trên đường nạp Sự điều chỉnh mức độ tiết lưu này được thực hiện nhờ một động cơ bước qua trung gian một bộ vi xử lí chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm biến

Phương án dùng bộ chế hòa khí có nhược điểm là hệ số nạp của động cơ bị giảm ở chế độ quá độ Để khắc phục nhược điểm này, người ta nghiên cứu áp dụng phương án phun nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp

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

Hình 8.23: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu NGV trên động cơ phun riêng rẽ

8.7.3.2 Phun gián tiếp

Hệ thống phun gián tiếp cho phép cải thiện được tính năng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm Khác với bộ chế hòa khí, hệ thống này phun nhiên liệu dưới áp suất Điều này cho phép cung cấp một lượng nhiên liệu chính xác theo chế độ làm việc của động cơ Mặt khác, do không có họng Venturi, hệ số được nạp vào động cơ được cải thiện đáng kể Cũng như động cơ xăng, phun nhiên liệu có thể được thực hiện theo phương án tập trung (một điểm) tại cổ góp đường nạp (hình 8.22) hay riêng rẽ (phun vào trước soupape nạp của mỗi cylindre) (hình 8.23) Hệ thống phun riêng rẽ có nhiều ưu điểm so với hệ thống phun tập trung vì nó làm giảm khả năng hồi lưu ngọn lửa vào đường nạp, cải thiện được

Bộ hỗn hợp

Nạp

Van định lượng

Bộ giảm áp

Máy tính điều khiển thời gian phun

Máy tính điều khiển động cơ

Lưu lượng khí mong muốn Nhiên liệu khí

- Nhiệt độ khí

- Áp suất khí

- Chênh lệch áp suất

- Áp suất khí nạp

- Nhiệt độ khí nạp

- Tín hiệu cảm biến Oxy

- Vị trí bướm ga

Van định lượng

Bộ Giảm áp

Động cơ

Cảm biến Oxy

Bộ xúc tác

3 chức năng

Bộ chấp hành Máy tính

Tốc độ động cơ

Áp suất nạp

Vị trí bướm ga

Nhiên liệu khí

Thải

Nạp

sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các cylindre của động cơ Việc khống chế lưu lượng NGV nạp vào xi lanh được thực hiện nhờ một bộ vi xử lí chuyên dụng

8.7.3.3 Phun trực tiếp

Kĩ thuật này rất có rất nhiều ưu điểm vì nó cho phép đồng thời làm giảm mức độ gây ô nhiễm và làm tăng tính kinh tế của động cơ Phun trực tiếp NGV vào buồng cháy cho phép kết hợp các ưu điểm của khí thiên nhiên và quá trình cháy của hỗn hợp nghèo phân lớp Mặt khác, hệ thống phun NGV còn thừa hưởng ưu thế của nhiên liệu nén ban đầu nên không cần bơm nhiên liệu áp suất cao Động cơ có thể hoạt động không có tổn thất hệ số nạp và ở điều kiện hỗn hợp nghèo Kĩ thuật này đòi hỏi chế tạo và điều chỉnh chính xác hệ thống phun vì vậy đắt tiền nên hiện nay nó chưa được phổ biến rộng rãi

Bảng 8.8: So sánh các hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV khác nhau trên động cơ

trước soupape nạp

Phun trực tiếp

Cơ khí Điện tử Phun

liên tục

Phun gián đoạn

Hoạt động

quá độ

- - + +

Phân bố giữa

các xilanh

++ ++

Nguy cơ

quay ngược

màng lửa

+ ++

8.7.3.4 So sánh các hệ thống khác nhau

Bảng 8.8 cho thấy ưu nhược điểm của các kĩ thuật tạo hỗn hợp khác nhau đối với động cơ NGV Qua bảng này chúng ta thấy rằng kiểu chế hòa khí có rất ít ưu điểm Do đó, việc phát triển hệ thống phun tập trung hay riêng rẽ là cần thiết để tăng tính năng kinh tế

kĩ thuật của động cơ NGV

8.8 Cân bằng năng lượng và ảnh hưởng đến môi trường

của hệ ô tô NGV

Sau đây chúng ta sẽ khảo sát sự cân bằng năng lượng liên quan đến quá trình cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên (vận chuyển, nén và phân phối) và tính năng của động cơ sử dụng NGV, đặc biệt là tính năng liên quan đến vấn đề ô nhiễm

8.8.1 Tiêu tốn năng lượng liên quan đến việc vận hành hệ thống NGV

Việc đánh giá tính kinh tế của hệ ô tô NGV cần phải xem xét đến sự cân bằng năng

lượng trên toàn bộ các công đoạn từ khi khai thác khí ở mỏ đến khi sử dụng trên ô tô

Bảng 8.9 giới thiệu những số liệu so sánh về cân bằng năng lượng của GNV và nhiên liệu

lỏng truyền thống Tiêu tốn năng lượng được phân bố trong 5 công đoạn: sản xuất, vận

chuyển, lọc, phân phối và nén (khí) trước khi sử dụng Đối với khí NGV, năng lượng tiêu

thụ của các công đoạn trước khi nạp vào động cơ chiếm khoảng 16% Mức độ tiêu tốn

này tương đối tốt so với xăng Về phương diện này, dầu Diesel kinh tế nhất, ngay cả

trường hợp dầu Diesel chứa tỉ lệ lưu huỳnh thấp (0,05%)

8.8.2 Tính năng của ô tô

8.8.2.1 Đối với ô tô thông dụng

Như chúng ta đã trình bày việc chuyển đổi ô tô thông dụng sử dụng nhiên liệu lỏng

sang sử dụng khí thiên nhiên NGV đòi hỏi một sự cải tạo đáng kể đối với động cơ: nâng

cao tỉ số nén, nâng cao công suất hệ thống đánh lửa, đặc biệt là phải cải tạo hệ thống cung

cấp nhiên liệu và bình chứa Trong phần này chúng ta sẽ đánh giá tính năng của động cơ

và vấn đề ô nhiễm

A Tính năng:

Về hiệu suất, động cơ dùng NGV có thể dễ dàng đạt được hiệu suất cao hơn động

cơ xăng khoảng10% nhờ tỉ số nén cao Khi nạp trực tiếp nhiên liệu thể khí vào đường nạp,

hệ số nạp của động cơ bị giảm dẫn đến công suất động cơ giảm (khoảng 10%) Tuy nhiên

sự tụt giảm công suất có thể bù trừ nhờ sự gia tăng hiệu suất động cơ Động cơ sử dụng

NGV có các tính năng về động học (gia tốc, quá độ, tốc độ cực đại ) tương đương động

cơ xăng Mặt khác, nhiên liệu NGV do ở dạng khí nên ít bị ảnh hưởng bởi quán tính trong

giai đoạn quá độ nên động cơ làm việc mềm mại hơn Cuối cùng, động cơ sử dụng NGV

không có những nhược điểm liên quan đến nhiệt độ môi trường như động cơ dùng nhiên

liệu lỏng

Bảng 8.9: Phân bố năng lượng tiêu thụ trước khi đến nơi sử dụng của

các loại nhiên liệu khác nhau

Các công đoạn Xăng Dầu Diesel GPL-C Khí thiên

nhiên Đuốc đốt khí trong quá

trình khai thác

3,0 3,0 3,0 1,8

Tiêu thụ trên hiện trường 1,0 1,0 1,0 -

Phân phối 0,5 0,5 1,0 0,5

B Ô nhiễm:

Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động

cơ dùng NGV liên quan đến thành phần hydrocarbure của nhiên liệu, (thường nhiên liệu NGV chứa ít nhất 90% méthane) Bảng 8.10 so sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả trước khi vào bộ xúc tác 3 chức năng khi động cơ sử dụng nhiên liệu NGV và xăng Khác với động cơ xăng, trong khí xả động cơ NGV hầu như không có hydrocarbure nào có hơn

4 nguyên tử carbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện của thành phần hydrocarbure thơm

Liên quan đến vấn đề tạo ozone ở hạ tầng khí quyển, khí thải của động cơ NGV có hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến 2 lần Tính chất này chủ yếu là do nhiên liệu NGV chứa phần lớn méthane, thành phần các chất hoạt tính (butènes, buta-1,3-diène, xylènes) rất thấp hoặc có thể bỏ qua

Mặt khác, nhiên liệu NGV không bao giờ gây trở ngại đối với bộ xúc tác ba chức năng do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp nhiên liệu lỏng Tuy nhiên, sự ôxy hóa méthane còn lại trong khí xả rất khó khăn Muốn loại trừ triệt để chất khí này cần sử dụng một bộ xúc tác đặc biệt

C Số liệu so sánh trong vài trường hợp điển hình:

Sau đây là số liệu so sánh của vài trường hợp động cơ xăng và động cơ NGV Trường hợp thứ nhất (bảng 8.11), nếu xét hai động cơ có cùng tỉ số nén, cùng kết cấu đường nạp, cùng hệ thống đánh lửa và hệ thống phân phối khí thì ô tô NGV có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn động cơ xăng khoảng 50%.Trường hợp thứ hai, nếu xét một động cơ đã được thiết kế chuyển đổi để chuyên dùng nhiên liệu NGV thì động cơ dùng NGV có mức độ phát ô nhiễm rất thấp so với động cơ xăng có cùng công suất và momen (bảng 8.12)

8.8.2.2 Xe bus và xe vận tải

Đánh giá mức độ phát ô nhiễm cũng như tính năng của ô tô phụ thuộc nhiều vào kĩ thuật tạo hỗn hợp: hỗn hợp nghèo hay hỗn hợp có thành phần cháy hoàn toàn lí thuyết với

bộ xúc tác 3 chức năng

A Tính năng:

Động cơ Diesel tăng áp khi chuyển sang sử dụng NGV với bộ xúc tác 3 chức năng

và hỗn hợp có thành phần cháy hoàn toàn lí thuyết thì tổn thất hiệu suất sẽ rất lớn, có thể tới 20%

Bảng 8.10: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí thải của động cơ dùng xăng và dùng NGV

Mẫu được lấy phía trước bộ xúc tác, thử theo chu trình ECE+EUDC

(Khối lượng khí phát thải tính theo mg)

Bảng 8.11: Giảm ô nhiễm nhờ bộ xúc tác đối với động cơ NGV (tỉ lệ hỗn hợp f=1)

Không có bộ

Ngược lại nếu dùng kĩ thuật hỗn hợp nghèo, khi động cơ NGV làm việc với bộ

tăng áp thì hiệu suất cao hơn (xấp xỉ động cơ Diesel nguyên thủy) và momen cực đại chấp

nhận được Bảng 8.12 cho chúng ta thấy sự so sánh giữa động cơ NGV và động cơ Diesel

nguyên thủy

Bảng 8.12: So sánh momen cực đại và hiệu suất của động cơ Diesel

và động cơ NGV

So sánh tính năng động

cơ dùng gasole và khí thiên nhiên

Nhiên liệu

Diesel Khí thiên nhiên

Suất tiêu hao nhiên liệu

(g/kWh)

204 186

Bảng 8.13: Mức độ phát ô nhiễm của động cơ dùng NGV

Chất ô nhiễm Mức độ

HC tổng 0,230

HC không mèthane 0,016

Tiêu thụ nhiên liệu 28,5 Hoạt động độc lập 175

B Ô nhiễm:

Bảng 8.13 cho chúng ta một vài ví dụ liên quan đến mức độ phát ô nhiễm của ô tô vận tải sử dụng NGV Chúng ta nhận thấy trong mọi trường hợp, mức độ CO và bồ hóng rất thấp, mức độ HC đôi lúc gần với giá trị cho phép bởi luật môi trường, nhưng chỉ chứa phần lớn méthane (khoảng 90%), còn lại các thành phần khác rất thấp

Còn về mức độ phát sinh NOx, khí xả động cơ NGV có nồng độ NOx rất thấp nếu động cơ làm việc với f=1 và có lắp bộ xúc tác 3 chức năng Nồng độ này cao hơn một chút nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép nếu dùng hỗn hợp nghèo

Những phiền phức đặc biệt của động cơ Diesel (ồn, hôi, khói đen ) sẽ được giảm

đi rất nhiều đối với động cơ NGV Mức độ ồn giảm được khoảng 3 db khi động cơ hoạt động không tải đối với ô tô bus thành phố

Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh (THT: Télrahydrothiophène) để phát hiện

sự rò rỉ được thêm vào khí thiên nhiên với thành phần rất thấp (20 hay 25mg/m3) nên bị đốt cháy hoàn toàn Vì vậy nên khí xả động cơ NGV rất ít hôi so với khí xả động cơ Diesel

8.8.3 Ảnh hưởng đối với hiệu ứng nhà kính

Méthane cũng như CO2 và N2O là khí gây hiệu ứng nhà kính một cách trực tiếp vì vậy người ta rất quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc phát triển động cơ NGV đến việc nóng lên của bầu khí quyển

Bảng 8.14: Phát ô nhiễm của động cơ công nghiệp dùng NGV

Cháy hoàn toàn lí thuyết với bộ xúc tác

Cháy hỗn hợp nghèo với bộ xúc tác oxy hóa

Tiêu chuẩn Euro 1996

3 chức năng

(Đơn vị tính: g/kWh)

Trong thực tế, động cơ NGV phát sinh nhiều méthane nhưng ít CO2 so với động cơ nhiên liệu lỏng Vì vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ NGV thấp hơn khoảng 25% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ Diesel (bảng 8.15) Do

đó, việc sử dụng NGV sẽ làm giảm đi đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính trên phạm

vi toàn cầu

Bảng 8.15: So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ

dùng xăng, Diesel và NGV (gCO 2 /km), theo chu trình ECE

Xăng Diesel NGV

8.9 Viễn cảnh của động cơ dùng NGV

Nhìn chung, động cơ dùng NGV có rất nhiều hứa hẹn đối với ô tô hoạt động trong thành phố hay vùng ven đô, những khu vực mà tình trạng ô nhiễm môi trường do phương tiện vận tải gây ra ngày càng trở nên trầm trọng Ở một số khu vực trên thế giới, người ta

đã bắt đầu sử dụng NGV cho ô tô chạy trong thành phố Chẳng hạn ở Buenos-Aires, tất cả taxi đều dùng NGV Ở những thành phố lớn của Mỹ, chẳng hạn ở NewYork, người ta đã xây dựng nhiều dự án quan trọng cho việc chuyển ô tô nhiên liệu lỏng sang NGV Nhiều quốc gia khác như Ý, Canada, Hà lan cách đây khá lâu đã xây dựng những cơ sở hạ tầng phục vụ cho việc phát triển ôtô dùng NGV Ở các nước này ô tô NGV ngày càng được nhân rộng

Cuối cùng người ta dự kiến sự gia tăng ô tô NGV ở những quốc gia sản xuất khí thiên nhiên như Malaysia, Trung Quốc Ở những quốc gia này số lượng ô tô ngày một gia tăng nên vấn đề ô nhiễm môi trường khiến người ta phải quan tâm đến NGV Những

dữ kiện trên cho phép chúng ta dự đoán được rằng, trong thời gian trước mắt (trong vòng

từ 5 đến 10 năm tới), số lượng ô tô dùng NGV trên thế giới sẽ tăng từ 2 đến 5 lần Vì vậy đến những năm 2000, trên thế giới sẽ có khoảng 5 triệu ô tô NGV

Dĩ nhiên sự phát triển NGV nhanh hơn cũng có thể diễn ra nhưng với một số điều kiện Trước hết loại nhiên liệu này cần cho thấy được tính ưu việt chắc chắn so với những nhiên liệu đang cạnh tranh như nhiên liệu khí hóa lỏng LPG Hiện tại NGV có ưu điểm

không thể phủ nhận nhưng ưu thế này chưa chắc còn được duy trì trong tương lai Mặt khác, người ta chỉ tiếp tiếp tục nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí nếu như những giải pháp

kĩ thuật về xử lí ô nhiễm khí xả động cơ nhiên liệu lỏng không cải thiện được so với yêu cầu của luật môi trường Cuối cùng, như những nhiên liệu khác, sự thâm nhập của NGV đòi hỏi:

- Chính sách thuế khuyến khích người sử dụng

- Cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấp NGV cho ô tô

(Trạm dịch vụ công cộng hay cá nhân, hình 8.24 và 8.25)

- Giải quyết được vấn đề tâm lí của người sử dụng liên quan đến tính an toàn của

ô tô dùng NGV

Hình 8.24: Trạm dịch vụ công cộng cung cấp NGV cho ô tô