Đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG chuyển đổi từ động cơ xăng

Đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG chuyển đổi từ động cơ xăng Đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG chuyển đổi từ động cơ xăng luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

HOÀNG PHÚC THỌ

ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ CHẠY NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN

(CNG) CHUYỂN ĐỔI TỪ ĐỘNG CƠ XĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

1

LỜI CAM ĐOAN

Tác gi ả

Hoàng Phúc Th ọ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

2

MỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN 1

M ỤC LỤC 2

DANH M ỤC CÁC BẢNG 4

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5

M Ở ĐẦU 8

1 Lý do nghiên c ứu của đề tài 8

2 M ục tiêu của đề tài 9

3 Ph ạm vi và đối tượng nghiên cứu 10

4 Các n ội dung chính trong luận văn 10

CH ƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU 11

THAY TH Ế TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG 11

1.1 S ự cần thiết sử dụng nhiên liệu thay thế 11

1.1.1 Sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch 11

1.1.2 Phát thải độc hại của động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch 11

1.2 Các lo ại nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng 15

1.2.1 Cồn 15

1.2.2 LPG 16

1.2.3 Khí sinh học 17

1.2.4 Hydro 18

1.2.5 Khí thiên nhiên (CNG, LNG) 18

1.3 Nhiên li ệu CNG 19

1.3.1 Đặc điểm của CNG 19

1.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng CNG cho động cơ 23

1.3.3.Tình hình sử dụng khí CNG cho động cơ xăng 28

1.3.4 Sự ô nhiễm môi trường của động cơ CNG 29

CH ƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT KHẢ NĂNG 31

S Ử DỤNG CNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG 31

2.1 Gi ới thiệu chung 31

2.2 Mô hình hóa chu trình nhi ệt của động cơ xăng chạy CNG 32

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

3

2.3 K ết quả tính toán 42

CH ƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH 46

LÀM VI ỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ 46

3.1 M ục đích thử nghiệm 46

3.2 Trang b ị hệ thống cung cấp CNG cho động cơ 46

3.3 Trang thi ết bị thí nghiệm 48

3.3.1 Băng thử động cơ và trang bị đi kèm 49

3.3.2 Thiết bị phân tích khí thải 56

3.4 N ội dung thử nghiệm 64

3.5 K ết quả thử nghiệm và thảo luận 65

3.5.1 Đánh giá công suất động cơ chạy CNG so với chạy xăng 65

3.5.2 Đánh giá tính kinh tế của động cơ so với chạy xăng 66

3.5.3 Đánh giá sự giảm phát thải của động cơ khi chạy CNG so với khi chạy xăng 67

K ẾT LUẬN 71

H ƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 72

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 73

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

B ảng 1.1 Thành phần một loại CNG điển hình 20

B ảng 1.2 Thành phần của khí CNG tại một số vùng khai thác khác nhau 20

B ảng 1.3 Top mười quốc gia với hầu hết các xe CNG -2011 (đơn vị: triệu) 23

B ảng 1.4 So sánh đặc tính của CNG với xăng 28

B ảng 1.5 Mức độ ô nhiễm của động cơ CNG 30

B ảng 1.6 So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ dùng xăng, diesel, và CNG (gCO2/Km), theo chu trình ECE 30

B ảng 3.1 Thông số làm việc cơ bản của băng thử 50

B ảng 3.2 Một số thông số cơ bản của nhiên liệu thử nghiệm 65

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tỷ lệ các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng 12

Hình 1.2 Saab 9-5 chạy bằng bioethanol 15

Hình 1.3 Xe taxi ở thành phố Hồ Chí Minh sử dụng nhiên liệu LPG 16

Hình 1.4 Xe chở rác chạy bằng khí sinh học ở thành phố Toronto 17

Hình 1.5 BMW Hydrogen 7 chạy bằng H2 18

Hình 1.6 Xe buýt chạy CNG tại thành phố Hồ Chí Minh 19

Hình 1.7 Trạm dịch vụ công cộng cung cấp CNG cho động cơ 28

Hình 2.1 Áp suất khí thể của động cơ khi chạy với 2 loại nhiên liệu 43

Hình 2.2 Áp suất chỉ thị trung bình của động cơ khi chạy với 2 loại nhiên liệu 43

Hình 2.3 Nhiệt độ trung bình của khí thể của động cơ khi chạy với 2 loại nhiên liệu 44

Hình 2.4 Phát thải NOx của động cơ khi chạy với 2 loại nhiên liệu 44

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống cung cấp CNG cho động cơ 46

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thử nghiệm 48

Hình 3.4 Mặt cắt ngang của phanh 51

Hình 3.5 Bộ điều chỉnh nhiệt độ dầu bôi trơn 51

Hình 3.6 Cụm điều chỉnh nhiệt độ nước 52

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống 733S 53

Hình 3.8 Sơ đồ bộ phân tích khí CO 57

Hình 3.9 Sơ đồ bộ phân tích HC 59

Hình 3.10 Sơ đồ bộ phân tích khí NOx 60

Hình 3.11 Sơ đồ bộ phân tích O2 61

Hình 3.12 Sơ đồ bộ phân tích HC 63

Hình 3.13 So sánh công suất động cơ khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 65

Hình 3.14 So sánh tiêu hao nhiên liệu khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 66

Hình 3.15 So sánh tiêu hao nhiên liệu khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 67

Hình 3.16 So sánh phát thải CO khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 67

Hình 3.17 So sánh phát thải CO khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 68

Hình 3.18 So sánh phát thải HC khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 68

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

6

Hình 3.19 So sánh phát thải HC khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 68

Hình 3.20 So sánh phát thải NOx khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 69

Hình 3.21 So sánh phát thải NOx khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 69

Hình 3.22 So sánh phát thải CO2 khi chạy xăng và CNG ở các tốc độ 70

Hình 3.23 So sánh phát thải CO2 khi chạy xăng và CNG ở các chế độ tải 70

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

7

L ỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, sự gia tăng nhanh chóng số lượng các phương tiện vận tải và các thiết bị động lực sử dụng động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu xăng và diesel đang gây ô nhiêm môi trường trầm trọng đặc biệt là ở các thành phố lớn và gây nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu này Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên

liệu thay thế trên các động cơ này để giảm ô nhiễm môi trường và bù đắp phần nhiên liệu thiếu hụt là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao Các nhiên liệu thay

thế được ưu tiên nghiên cứu sử dụng là các loại nhiên liệu có trữ lượng lớn, có thể tái tạo và có thể sử dụng cho các động cơ đang tồn tại mà không cần thay đổi nhiều

về kết cấu, đồng thời có mức độ ô nhiễm khí thải thấp hơn xăng và diesel để giảm ô nhiễm môi trường Để đáp ứng các yêu cầu này có thể sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như nhiên liệu sinh học cồn ethanol, biogas và biodiesel, nhiên liệu hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và nhiên liệu khí thiên nhiên Trong đó, khí thiên nhiên

NG là nhiên liệu thay thế có tiềm năng hơn cả Khí thiên nhiên có thành phần chính

là methane (70-90%) cộng thêm một số các hydrocacbon và các tạp chất khác Do

đó, sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu rất tốt cho động cơ đốt trong đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện như đối với nhiên liệu xăng Khí thiên nhiên có tỷ lệ C/H nhỏ hơn so với xăng và diesel nên phát thải CO và CO2 thấp hơn Mặt khác, khí thiên nhiên có giới hạn thành phần hỗn hợp cháy được rộng hơn các loại carbuahydro khác nên động cơ cháy tốt hơn và có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn Nhiệt độ màng lửa của hỗn hợp thấp nên nồng độ NOx trong sản phẩm cháy cũng thấp Nhiên liệu có thể được lưu giữ ở dạng khí thiên nhiên nén (CNG) để cung cấp cho động cơ của các phương tiện vận tải Vì vậy việc chọn đề tài “Đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) chuy ển đổi từ động cơ xăng” là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

cao

Em xin chân thành cảm ơn thày hướng dẫn PGS.TS Hoàng Đình Long đã tận

tình giúp đỡ cùng với sự giúp đỡ của các thày cô trong bộ môn “Động cơ đốt trong” và

“Phòng thí nghi ệm động cơ đốt trong” đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Hoàng Phúc Th ọ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

8

MỞ ĐẦU

1 Lý do nghiên cứu của đề tài

Hiện nay, sự gia tăng nhanh chóng số lượng các phương tiện vận tải và các thiết bị động lực sử dụng động cơ đốt trong (ĐCĐT) chạy bằng nhiên liệu xăng và diesel đang gây ô nhiêm môi trường trầm trọng đặc biệt là ở các thành phố lớn và gây nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu này Chính vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế trên các động cơ này để giảm ô nhiễm môi trưòng và bù đắp

phần nhiên liệu thiếu hụt là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao Các nhiên liệu thay thế được ưu tiên nghiên cứu sử dụng là các loại nhiên liệu có trữ lượng lớn, các loại nhiên liệu có thể tái tạo và có thể sử dụng cho các động cơ đang tồn tại mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu, đồng thời có mức độ ô nhiễm khí thải thấp hơn xăng và diesel để giảm ô nhiễm môi trường Để đáp ứng các yêu cầu này có thể sử

dụng các loại nhiên liệu thay thế như nhiên liệu sinh học cồn ethanol, biogas và biodiesel, nhiên liệu hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và nhiên liệu khí thiên nhiên CNG

Các loại nhiên liệu sinh học đáp ứng được các yêu cầu sử dụng cho động cơ và

có mức độ phát thải độc hại thấp, có thể thay thế nhiên liệu xăng và diesel với các tỷ

lệ tùy chọn tùy thuộc vào sự thay đổi kết cấu động cơ Tuy nhiên, giá thành nhiên

liệu sinh học hiện nay vẫn đang khá cao và việc sản xuất nhiên liệu này cần nhiều đất đai canh tác để nuôi trồng nên có thể ảnh hưởng đến tình hình an ninh lương

thực của các quốc gia, đặc biệt là ở các nước đang phát triển có nền kinh tế chủ yếu

phụ thuộc vào nông nghiệp

Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG có năng suất tỏa nhiệt cao và ô nhiễm khí thải thấp,

có thể sử dụng tốt cho ĐCĐT đặc biệt là động cơ xăng Tuy nhiên, nhiên liệu này cũng có nguồn gốc từ dầu mỏ nên cũng đang cạn kiệt theo nguồn nhiên liệu dầu mỏ Nhiên liệu hydro là nhiên liệu sạch, sản phẩm cháy của nó chỉ có nước, hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường, nguồn cung hydro có tiềm năng vô tận vì hydro có thể được tách ra từ nước Tuy nhiên, giá thành sản xuất hydro từ nước

bằng công nghệ hiện nay còn khá cao, hơn nữa hydro có tỷ trọng rất thấp, nhiệt trị

CO2, H2S, hơi nước Ví dụ, thành phần khí thiên nhiên tại một số vùng khai thác khác nhau được chỉ ra trên bảng 1.2 Khí thiên nhiên có trữ lượng rất lớn trên thế

giới, ước tính trên 190 nghìn tỷ m3, trong đó Việt Nam có trên 680 tỷ m3 Tổng sản lượng khai thác và sử dụng khí thiên nhiên của các nước trên thế giới năm 2010 đạt trên 3000 tỷ m3 Ở Việt Nam, sản lượng khí thiên nhiên được khai thác và sử dụng

cũng đang tăng nhanh Với lí do đó đề tài: “Đánh giá đặc tính làm việc và phát

th ải của động cơ chạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) chuyển đổi từ động

cơ xăng” của luận văn có ý nghĩa to lớn và hết sức cấp thiết trong đời sống hiện

nay

2 Mục tiêu của đề tài

Nhu cầu sử dụng nhiên liệu cho động cơ đốt trong của Việt nam và các nước trên thế giới ngày càng gia tăng, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn

kiệt Vậy mục đích là con người cần tìm ra nguồn năng lượng thay thế nhiên liệu hóa thạch

Xuất phát từ các nhu cầu thực tiễn và cấp bách đó, các nhà khoa học, các công

ty, tập đoàn, chính phủ các nước đẩy mạnh nghiên cứu và đưa vào sử dụng các loại nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm sự ô nhiễm môi trường, giảm sự phụ thuộc giữa các nước với nhau trong việc cung cấp nhiên liệu hóa thạch phục vụ sinh hoạt và sản xuất Tuy nhiên nhiên liệu sinh học có thể làm ảnh hưởng tới tính năng làm việc và đặc tính phát

thải của động cơ Chính vì vậy mà mục đích của đề tài là đánh giá khả năng sử dụng CNG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đánh giá tính năng làm việc và phát thải của động cơ xăng khi sử dụng nhiên liệu CNG

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

10

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm ĐCĐT - Viện Cơ

khí Động lực - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là động cơ ô tô du lịch loại đang

chạy xăng và thực nghiệm động cơ 1NZ-FE của xe Toyota Vios

4 Các nội dung chính trong luận văn

Thuyết minh của luận văn được trình bày gồm các phần:

- Chương 1 Tổng quan về nhiên liệu thay thế trên động cơ xăng

- Chương 2 Nghiên cứu lý thuyết khả năng sử dụng CNG trên động cơ xăng

- Chương 3 Thử nghiệm đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ xăng chạy CNG

- Chương 4 Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU THAY THẾ TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG 1.1 Sự cần thiết sử dụng nhiên liệu thay thế

1.1.1 Sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch

Từ những năm 1849 - 1850, con người đã biết chưng cất dầu mỏ để lấy ra dầu

hỏa, còn xăng là thành phần chưng cất nhẹ hơn dầu hỏa thì chưa hề được sử dụng đến và phải đem đổ đi một nơi thật xa Lúc đó con người tạo ra dầu hỏa với mục đích thắp sáng hoặc đun nấu đơn thuần Nhưng với sự tiến hóa của khoa học và kỹ thuật, từ việc sử dụng những động cơ hơi nước cồng kềnh và hiệu quả thấp, con người đã tìm cách để sử dụng xăng và dầu diesel cho động cơ đốt trong, loại động

cơ nhỏ gọn hơn nhưng có hiệu quả cao hơn hẳn

Cùng với những khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diezel đã thúc đẩy xã hội loài người đạt những bước phát triển vượt bậc, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng tỷ người trên thế giới

Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự không ai có thể phủ nhận Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu

thế hoàn toàn Do vậy mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế

và chủ động về nguồn dầu mỏ

Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã một lần nữa

khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và cho toàn

thế giới Nhưng theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của Trái Đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong vòng không quá 40 năm nữa

1.1.2 Phát thải độc hại của động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Bên cạnh những hậu quả khi chúng ta sử dụng dầu mỏ, việc sử dụng động cơ đốt trong gây ra các chất thải khí làm ô nhiễm không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây

hiệu ứng nhà kính [1, 2] Trong các chất độc hại thì CO, NOx, HC do các loại động

cơ thải ra là nguyên nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng đến sức

khỏe con người Do đó, con người đang đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế [3,4]

Các khí thải động cơ đốt trong được thải ra ngoài theo các con đường sau đây:

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

12

- Theo đường ống xả: Đây là con đường chiếm tỷ lệ khí thải chủ yếu gây ra ô nhiễm môi trường, phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu và thải ra ngoài thông qua đường ống xả Khí thải bao gồm các thành phần chính là N2, và hơi nước chiếm khoảng 83%, còn lại là CO, CO2, HC, và các loại ôxít Nitơ (NOx) và chì (đối

với xăng pha chì)

- Các khí rò lọt: bao gồm những khí rò lọt qua khe hở giữa piston và xilanh, chủ

yếu là Nitơ và ôxi chiếm tỷ lệ lớn trên 90%, phần còn lại là CO2 và HC hơi nước, và

một lượng nhỏ CO, NOx

- Hơi xăng bay hơi từ thùng nhiên liệu và bộ chế hoà khí, các vị trí không kín khít của đường ống nên chủ yếu là HC (thành phần chính của nhiên liệu xăng) Trên hình 1.1 trình bày tỷ lệ trung bình tính theo khối lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng theo chương trình thử đặc trưng của châu Âu

Hình 1.1 T ỷ lệ các chất độc hại trong khí thải động cơ xăng

Trong số này chỉ có một số thành phần có tính độc hại đối với môi trường và

sức khoẻ của con người nên được gọi là thành phần độc hại Cụ thể như sau:

+ CO: ô-xýt-các-bon hay còn gọi là monoxit cacbon là sản phẩm cháy của C trong nhiên liệu trong điều kiện thiếu ôxy Hàm lượng CO tăng nhanh khi hệ số dư lượng không khí α < 1 Một nguyên nhân nữa là sự hoà trộn không đều giữa nhiên

liệu và không khí hoặc nhiên liệu không hoàn toàn ở trạng thái hơi Do vậy, mặc dù

α chung có thể >1 nhưng vẫn có những khu vực cháy trong xi lanh thiếu không khí,

dẫn đến sự tạo thành CO

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

13

Monoxit cacbon ở dạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố của máu sẽ tạo thành một hợp chất ngăn cản quá trình hấp thụ ô xy của hê-mô-glô-bin trong máu, làm giảm khả năng cung cấp ôxy cho các tế bào trong cơ

thể Mô-nô-xít-các-bon rất độc, chỉ với một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể gây cho con người tử vong Hàm lượng cực đại cho phép [CO] = 33 mg/m3

+ HC: Chất thải Hydrocacbon chưa cháy HC là do sự cháy không hoàn toàn

của nhiên liệu trong xylanh động cơ gây ra Nguồn chính của khí thải HC là do nhiên liệu thoát khỏi sự cháy trong buồng cháy của động cơ do quá trình chuyển

tiếp nhiên liệu nạp, do các khe hở, do sự nén hỗn hợp chưa cháy vào các khe giữa đầu pít tông và xi lanh trong quá trình nén khi áp suất cao và sự giải phóng hỗn hợp này vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời kỳ giãn nở khi áp suất giảm Màng

dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và giải phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn nở Một

phần Hydrocacbon này được ôxyhoá khi được trộn với khí đã cháy trong quá trình giãn nở và quá trình xả, phần còn lại thải ra ngoài cùng với khí thải nên gây ra sự phát thải HC Mức độ ôxyhóa HC phụ thuộc vào các điều kiện và chế độ vận hành động cơ như là tỷ số giữa nhiên liệu và không khí, tốc độ động cơ, tải, góc đánh

lửa Nguồn phát sinh khác của HC là sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ vận hành của động cơ (hoặc là đốt cháy từng phần hoặc hiện tượng bỏ lửa hoàn toàn) xảy ra khi chất lượng đốt cháy kém Hàm lượng HC chưa cháy trong khí

thải chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệu Hydrocacbon có rất nhiều

loại Mỗi loại có mức độ độc hại khác nhau nên không thể đánh giá chung một cách

trực tiếp Ví dụ, parafin và naphtalin có thể coi là vô hại Trái lại, các loại hydrocacbon thơm thường rất độc, ví dụ như hydrocacbon có nhân ben-zen có thể gây ung thư Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn về môi trường, người ta chỉ đưa

ra thành phần hydrocacbon tổng cộng trong khí thải (Total Hydrocarbon viết tắt là TH) Hydrocacbon tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho

mắt và niêm mặc đường hô hấp

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

14

+ NOx : oxit nitơ là sản phẩm ô xy hoá nitơ có trong không khí (một thành

phần của khí nạp mới) trong điều kiện nhiệt độ cao Do nitơ có nhiều hoá trị nên oxit nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx Trong khí thải

của động cơ đốt trong NOx tồn tại ở hai dạng chủ yếu là NO2 và NO, NO chiếm đa

phần, có thể tới 90-98% Trong buồng cháy động cơ, dưới áp suất cao, bề dày màng

lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOx hình thành phía sau màng lửa, tức là sau khi hỗn hợp bị đốt cháy Nhân tố chính ảnh hưởng tới với sự hình thành NOx là nhiệt độ, ôxy và thời gian Nhiệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx sẽ cao, tức là khi động cơ chạy toàn tải, tốc độ thấp

và α=1,05-1,1 thì NOx lớn cụ thể như sau:

* NO2: peoxit nitơ là một khí có mùi gắt và mầu nâu đỏ Với một hàm lượng

nhỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng với hơi nước sẽ tạo thành axit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ vật [NO2] = 9mg/m3

*NO: Monoxit nitơ NO là thành phần chủ yếu của NOx trong khí thải NO là

một khí không mùi, gây tác hại cho hoạt động của phổi, gây tổn thương niêm mạc Trong khí quyển, NO không ổn định nên bị ô-xy hoá tiếp thành NO2 và kết hợp với hơi nước tạo thành axit nitơríc HNO3 [NO] = 9 mg/m3

Tóm lại, trong các thành phần khí thải ôtô thì CO, HC, NOx là những chất rất nguy hại Sự hình thành các chất độc hại này liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm của nhiên liệu sử dụng

Với mục đích giảm ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ đốt trong gây ra Cho đến nay đã có rất nhiều biện pháp cụ thể được sử dụng trong thực tế, và trong tương lai sẽ còn có các biện pháp khác được nghiên cứu nhằm giải quyết triệt để hơn vấn đề quan trọng này

Nhìn chung các biện pháp kiểm soát lượng khí thải độc hại có thể chia thành

ba nhóm chính:

- Nhóm thứ nhất bao gồm các biện pháp giảm tối thiểu nồng độ độc hại bằng cách tối ưu hoá chất lượng đốt cháy thông qua việc tối ưu hoá kết cấu động cơ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

15

- Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thải để chuyển đổi khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý xúc tác

- Nhóm thứ ba bao gồm các biện pháp liên quan đến cách thức sử dụng nhiên

liệu truyền thống và sử dụng nhiên liệu thay thế

Nhóm thứ nhất và nhóm thứ hai đã được sử dụng rộng rãi với công nghệ kỹ thuật tiên tiến và đã đạt đỉnh cao của khoa học công nghệ Tuy nhiên do yêu cầu

khắt khe về tiêu chuẩn khí thải và cần tiết kiệm nhiên liệu nên nhóm thứ ba ngày nay được quan tâm nghiên cứu nhiều, đặc biệt là sử dụng nhiên liệu thay thế có

Hình 1.2 Saab 9-5 ch ạy bằng bioethanol

Ở châu Âu, Bioethanol chỉ là một loại nhiên liệu phụ nhưng nó đặc biệt thành công ở Brazil, và được sử dụng với các hỗn hợp tỷ lệ khác nhau ở các vùng vành đai nông nghiệp của Mỹ

Chúng ta có thể “trồng” được nhiên liệu không? Câu trả lời là có, nhưng đòi hỏi chuyên canh và kỹ thuật trồng cấy làm sao cây lấy được nhiều khí CO2 Lợi thế của

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

16

loại nhiên liệu này là có thể pha trộn được nhiều hỗn hợp và dùng được cho các xe

mà không cần sửa đổi gì nhưng vấn đề không chỉ nằm ở việc “trồng cấy”

1.2.2 LPG

LPG là khí thu được từ quá trình chế biến dầu được hóa lỏng Thành phần hóa

học chủ yếu của khí hóa lỏng LPG hỗn hợp gồm Propane C3H8 và Butane C4H10 Trong thực tế, thành phần hỗn hợp các chất có trong khí hóa lỏng LPG không thống

nhất Tùy theo tiêu chuẩn của các nước, của các khu vực mà tỉ lệ thành phần trong LPG khác nhau, có khi tỉ lệ giữa Propane và Butane là 50/50 hay 30/70 hoặc có thể lên đến 95/5 như tiêu chuẩn của HD-5 của Mỹ Ngoài ra, tùy thuộc vào phương pháp chế biến mà trong thành phần của nó còn có thể có mặt một lượng nhỏ olefin nhu propylen, butylen LPG được phát hiện và sử dụng từ những năm đầu thế kỷ 19, đến những năm 50 của thế kỷ 20 Ngày nay, LPG được sử dụng thay thế cho các

loại nhiên liệu truyền thống như than, củi điện… Việc sử dụng sản phẩm này mang đến nhiều ưu điểm thiết thực như chất lượng sản phẩm đồng đều, tiện lợi và tiết

kiệm

Hình 1.3 Xe taxi ở thành phố Hồ Chí Minh sử dụng nhiên liệu LPG

Do LPG có đặc tính chống kích nổ cao nên động cơ dùng LPG ít gây kích nổ hơn động cơ xăng nên làm tăng tuổi thọ của động cơ Mặt khác thành phần nhiên

liệu LPG có rất ít tạp chất ( không có chì và lưu huỳnh ) nên sản phẩm cháy không

có muội than, không có hiện tượng đóng màng, do đó các chi tiết ít bị mài mòn hơn

Một vấn đề quan trọng là động cơ dùng xăng hay có hiện tượng hơi xăng vào trong

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

17

buồng cháy có tác dụng phá hủy màng dầu bôi trơn và có một phần lọt vào cacte

dầu bôi trơn nên làm giảm khả năng bôi trơn, trong khi LPG hoàn toàn không có

hiện tượng này Điều này cũng làm giảm tiêu hao dầu bôi trơn

1.2.3 Khí sinh học

Khí Biogas là nhiên liệu trung hoà CO2 trong khí quyển Biogas là kết quả phân

huỷ các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí Các chất hữu cơ có thể là

thực vật (cây cối, rơm rạ…) hay động vật (xác sinh vật, các chất thải từ quá trình

chế biến thực phẩm…), các chất thải từ quá trình chăn nuôi… Quá trình diệp lục hoá của thực vật dưới tác động của ánh sáng mặt trời hấp thụ khí CO2 Nếu đốt nhiên liệu có nguồn từ thực vật thì CO2 trong khí thải sẽ được cân bằng Hai nguồn biogas chính là các hầm khí sinh học và khí phát sinh từ các bãi chôn lấp rác trong quá trình lên men hiếm khí của các chất hữu cơ Biogas chứa chủ yếu là CH4 (50-70%) và CO2 (22-50%) và các tạp chất khác như H2S Nếu khí Biogas được lọc

sạch các tạp chất này chúng có tính chất tương tự như khí thiên nhiên Các nước phát triển hiện nay (Mỹ, Pháp, Đức, Đan Mạch…) đều sử dụng khí biogas từ các bãi chôn lấp rác để sản xuất điện năng Công nghệ sản xuất biogas quy mô gia đình

đã được phổ biến rộng rãi ở các nước đang phát triển, đặc biệt là các nước Ấn Độ và Trung Quốc Ở nước ta, các dự án sản xuất điện năng từ khí biogas thu được từ các bãi chôn lấp rác cũng đã được xây dựng

Hình 1.4 Xe ch ở rác chạy bằng khí sinh học ở thành phố Toronto

thử nhưng quả là đắt đỏ Và vấn đề chính hiện nay là sản xuất và lưu trữ H2 như thế nào Người ta cô đặc CO2 để lấy H2, nhưng việc lưu giữ thì khó khăn hơn vì phụ thuộc vào áp suất yêu cầu cho dạng khí hay nhiệt độ thấp cho dạng lỏng Đây có thể

là tiềm năng cho tương lai của ngành ôtô nhưng vẫn chưa tìm được đường ra Một điều đặc biệt của loại nhiên liệu này là khí thải không phải là CO2 mà là nước

1.2.5 Khí thiên nhiên (CNG, LNG)

Trong các loại nhiên liệu trên, khí thiên nhiên là nguồn năng lượng sơ cấp rất

có tiềm năng Trong những năm gần đây, sản lượng khí thiên nhiên hàng năm trên

thế giới đạt xấp xỉ 2 tỉ Tép (1000m3 = 0,85 Tep), tương đương khoảng 60% sản lượng dầu thô [18] Người ta ước tính đến năm 2020, sản lượng khí thiên nhiên trên thế giới sẽ là 2,6 tỉ Tép/năm so với sản lượng dầu thô là 3,5 tỉ Tép

Trữ lượng khí thiên nhiên hiện nay khoảng 150 tỉ Tép, xấp xỉ với trữ lượng

dầu thô Mặt khác, khí thiên nhiên có ưu điểm là phân bố hầu như trên khắp địa

cầu nên đảm bảo được sự cung cấp an toàn và thuận tiện hơn dầu thô

CNG còn có thêm một vài ưu điểm khác như giá thành rẻ hơn so với giá của các loại nhiên liệu khác từ 10% ÷ 30% Nếu so với dầu FO, DO, LPG thì dùng CNG trong sản xuất giá rẻ hơn 10% ÷ 15%, dùng trong vận tải giá rẻ hơn 30÷40%,

vì thế dùng nhiên liệu này có thể giảm tối đa chi phí nhiên liệu Theo tính toán của

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

19

một số nhà khoa học, giá 1 tấn khí CNG khoảng 318 USD, chỉ bằng 53,3% giá xăng, 42% giá dầu, vì thế mỗi xe buýt sử dụng CNG hoạt động 1 năm tiêt kiệm 8.308 USD nhiên liệu so với dầu diesel

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 còn góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường một cách đáng kể

Hình 1.6 Xe buýt ch ạy CNG tại thành phố Hồ Chí Minh

1.3 Nhiên liệu CNG

1.3.1 Đặc điểm của CNG

1.3.1.1 Thành phần hóa học

Khí nén CNG (Compressed Natural Gas) là khí thiên nhiên được nén dưới áp

suất nhất định (205 ÷ 275 bar) Khí thiên nhiên là hỗn hợp chất khí cháy được bao

gồm phần lớn là các hydrocacbon (hợp chất hoá học chứa cacbon và hyđrô) Cùng

với than đá và dầu mỏ, khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch Khí thiên nhiên có thành phần thay đổi theo từng nơi khai thác Tuy nhiên thành phần của nó có thể

chứa đến 85% - 95% mêtan (CH4) và khoảng 10% êtan (C2H6), và cũng có chứa số lượng nhỏ hơn propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), và các alkan khác Khí thiên nhiên, thường được tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho khoảng 25% nguồn cung

1.3.1.2 Công nghệ tích trữ bảo quản CNG

Khí thiên nhiên được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống dưới nước bao gồm tảo và động vật nguyên sinh Khi các vi sinh vật này chết đi và tích tụ trên đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm tích Trải qua hàng triệu năm, áp suất và nhiệt do các lớp trầm tích chồng lên nhau

tạo nên trên xác các loại sinh vật này đã chuyển hoá hoá học các chất hữu cơ này thành khí thiên nhiên Do dầu mỏ và khí thiên nhiên thường được tạo ra bằng các quá trình tự nhiên tương tự nhau, hai loại hydrocacbon này thường được tìm thấy cùng nhau trong các bể chứa ngầm tự nhiên Sau khi dần được tạo nên trong lòng vỏ Trái Đất, dầu mỏ và khí thiên nhiên đã dần chui vào các lỗ nhỏ của các tầng đá xốp xung quanh, những tầng đá xốp này có vai trò như các bể chứa tự nhiên Do các lớp

đá xốp này thường có nước chui vào, khí thiên nhiên vốn nhẹ hơn nước và kém dày đặc các tầng đá xung quanh nên chúng chuyển lên trên qua lớp vỏ, đôi khi cách xa nơi chúng tạo ra

Để định vị được các mỏ khí, các nhà địa chất học thăm dò những khu vực có

chứa những thành phần cần thiết cho việc tạo ra khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu

cơ, các điều kiện chôn vùi đủ cao để tạo ra khí tự nhiên từ các chất hữu cơ, các kiến tạo đá có thể "bẫy" các hydrocacbon

Khi các kiến tạo địa chất có thể chứa khí tự nhiên được xác định, thông thường chứ không phải luôn ở bể trầm tích, người ta tiến hành khoan các giếng các kiến tạo

đá Nếu giếng khoan đi vào lớp đá xốp có chứa trữ lượng đáng kể khí thiên nhiên,

áp lực bên trong lớp đá xốp có thể ép khí thiên nhiên lên bề mặt Nhìn chung, áp lực khí thường giảm sút dần sau một thời gian khai thác và người ta phải dùng bơm hút khí lên bề mặt

Khi khí thiên nhiên được khai thác khỏi mặt đất, nó được vận chuyển bằng đường ống dẫn khí đến một nhà máy tinh lọc và xử lý, nơi nó được chế biến

Khí thiên nhiên được chế biến bằng các thiết bị tách lọc khí để loại bỏ các hợp chất không phải là hyđrôcacbon, đặc biệt là hyđrô sulfit và điôxit cacbon Hai quá trình sử dụng cho mục đích này là hấp thụ và hút bám (absorption and adsorption) Quá trình hấp thụ sử dụng một chất lỏng hấp thụ khí tự nhiên và các tạp chất và phân tán chúng trong chất lỏng này Trong một quá trình được gọi là hấp thụ hóa học, các tạp chất phản ứng với chất lỏng hấp thụ Khí thiên nhiên sau đó thoát ra khỏi chất hấp thụ còn chất hấp thụ còn tạp chất ở lại trong chất lỏng Các chất lỏng

hấp thụ thường được sử dụng là nước, các dung dịch amin nước (aqueous amine) và

cacbonat natri

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

23

Quá trình hút bám là một quá trình cô đặc khí tự nhiên trên bề mặt một chất rắn hoặc một chất lỏng để loại bỏ tạp chất Một chất thường được sử dụng cho mục đích này là cacbon (than), là chất có diện tích bề mặt trên đơn vị trọng lượng rộng Ví dụ, các hợp chất lưu huỳnh trong phí tự nhiên được bề mặt hấp thụ của cacbon giữ lấy Các hợp chất lưu huỳnh được kết hợp với hyđrô và oxy để tạo thành axít sulphuric

1.3.2 Tình hình sản xuất và sử dụng CNG cho động cơ

1.3.2.1 Trên thế giới

Trên thế giới có 14.8 triệu xe khí đốt tự nhiên vào năm 2011, dẫn đầu là Iran

với 2.86 triệu xe, Pakistan 2.85 triệu xe…

B ảng 1.3 Top mười quốc gia với hầu hết các xe CNG -2011 (đơn vị: triệu)

Pakistan 2.85 Argentina 2.07

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

24

Thailand 0.3

• Tại khu vực Nam Mỹ:

Xe CNG được sử dụng phổ biến ở khu vực Nam Mỹ, chủ yếu là những chiếc

xe Taxi tại các thành phố chính của Argentina và Braxin Đây là hai nước có đội xe CNG lớn nhất, với tổng cộng hơn 3,4 triệu xe vào năm 2009 Tính đến năm 2009 Argentina có 1.807.186 CNG và 1.851 trạm tiếp nhiên liệu trên toàn quốc và Braxin có 1.632.101 xe và 1.704 trạm tiếp nhiên liệu Colombia có 300.000 xe và

460 trạm tiếp nhiên liệu năm 2009 Bolivia đã tăng từ 10.000 xe trong năm 2003 đến 121.908 xe trong năm 2009 Peru có 81.024 xe và 94 trạm tiếp nhiên liệu trong năm 2009, nhưng dự đoán sẽ tăng vọt khi Peru nằm trên trữ lượng khí lớn nhất Nam Mỹ

• Nam và Đông Á:

Tại Singapore, CNG ngày càng được sử dụng rộng rãi, với các phương tiện công cộng như xe buyt, taxi, cũng như xe vận chuyển hàng hóa Hiện nay các xe tư nhân cũng được chuyển đổi sang sử dụng CNG do giá xăng dầu cao

Tại Trung Quốc, trong năm 2010 hơn 60 nhà sản xuất xe khí đốt tự nhiên, và khoảng 20 nhà sản xuất động cơ có khả năng sản xuất1 triệu động cơ khí đốt hằng năm Trong đó xe khách và taxi là mục tiêu cho các động cơ khí đốt vì khả năng tiết kiệm chi phí hoạt động Tổng khối lượng taxi trên toàn Trung Quốc là hơn 1,1 triệu xe, có khoảng hơn 50% động cơ CNG Trung Quốc là một trong bảy thị trường xe khí hàng đầu trên

thế giới, với các quy định phát thải chặt chẽ cung cấp các loại xe sạch Theo kế hoạch, sẽ

có 1,5 triệu xe vào năm 2015 và năm 2020 có 3 triệu xe

• Trung Đông và Châu Phi

Iran có số xe sử dụng CNG rất lớn khoảng 2,6 triệu và có mạng lưới phân phối CNG trên toàn thế giới, và khoảng 1800 trạm tiếp nhiên liệu

Ai Cập là một trong mười nước hàng đầu trong việc áp dụng CNG với 128.754

xe sử dụng CNG và 124 trạm tiếp nhiên liệu

• Châu Âu

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

25

Việc sử dụng CNG cho xe ở Ý bắt đầu năm 1930 và vẫn tiếp tục cho đến ngày hôm nay Kể từ năm 2008 thị trường xe sử dụng khí đốt được mở rộng bởi sự gia tăng của giá xăng dầu và sự cần thiết giảm ô nhiễm môi trường

Ở Ý có hơn 800 trạm tiếp nhiên liệu CNG Tại Đức xe CNG dự kiến sẽ tăng lên 2 triệu đơn vị vận tải vào năm 2020 Chi phí cho nhiên liệu CNG là từ 1/3÷1/2

so với nhiên liệu hóa thạch khác ở Châu Âu Trong năm 2008 có khoảng 800 trạm

Mỹ Trong năm 2008, Canada xuất khẩu trị giá hơn 33 tỷ đô la khí đốt tự nhiên Canada là nhà cung cấp khí đốt tự nhiên hàng đầu của Hoa Kỳ

Tại Hoa Kì, khí CNG được sử dụng rộng rãi do có hệ thống các đường ống từ các giếng tới người tiêu dùng Kết quả Mỹ có 1300 trạm tiếp nhiên liệu trong 46

tiểu bang và con số này sẽ tiếp tục phát triển Ngoài ra Chính Phủ hỗ trợ 50% vốn chuyển đổi xe sang nhiên liệu CNG

Qua đó ta thấy nhiên liệu khí nén CNG đã đang được dùng phổ biến trên toàn

thế giới và sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai

1.3.2.2 T ại Việt Nam

Việt Nam tự hào có 2000 tỷ m3 trữ lượng khí đốt tự nhiên, vì vậy mà đây sẽ là nguồn nguyên liệu sạch dồi dào cho phát triển kinh tế quốc dân, trong đó có giao thông vận tải [16,17]

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

26

Hiện nay tổng công ty dầu khí Việt Nam (PV Gas) là đơn vị duy nhất cung cấp CNG cho thị trường trong nước, chiếm 100% thị trường CNG toàn quốc Đối với CNG ứng dụng trong giao thông vận tải thì CNG được vận chuyển bằng xe bồn tới các trạm nạp CNG cho xe buýt, taxi…PV Gas hiện có 2 thành viên đang đầu tư, kinh doanh, sản xuất CNG phục vụ cho công nghiệp, giao thông vận tải Công ty cổ

phần CNG Việt Nam (CNG VN) đã đi vào hoạt động năm 2008 có công suất giai đoạn I là 30 triệu m3 khí/1 năm chu yếu phục vụ công nghiệp Trong giai đoạn II CNGVN sẽ tăng lên công suất 250 triệu m3 khí/năm CNGVN đã làm việc với PV Trans-CGT trong việc cung cấp CNG để CGT phục vụ trong giao thông vận tải Ngoài ra công ty Cổ Phần Khí hóa lỏng miền Nam (PV GAS South) đang đầu tư nhà máy nén khí CNG tại KCN Mỹ Xuân A, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu với công suất ban đầu là 10 triệu m3 /năm

Ngày 24/12/2006 UBND TP.HCM và Tập đoàn Dầu Khí Việt Nam đã kí thỏa thuận hợp tác phát triển kinh tế - xã hội và thực hiện đầu tư tại TP.HCM trong đó

có nội dung đầu tư và phát triển hạ tầng đô thị và bảo vệ môi trường Trên tinh thần

đó, Sở giao thông vận tải TP.HCM và công ty Cổ Phần Khí hóa lỏng miền Nam đã triển khai kế hoạch nghiên cứu ứng dụng khí nén CNG cho xe buyt ở TP.HCM Chương trình này còn có sự phối hợp Tập Đoàn Sunjin (Hàn Quốc), một trong

những doanh nghiệp lớn vận chuyển hành khách bằng xe buýt công cộng với 90%

số lượng xe buýt sử dụng CNG

Theo sở GTVT TP.HCM, việc chuyển đổi các xe buýt chạy xăng sang chạy CNG sẽ được thực hiện bằng 3 phương pháp đó là: Lắp thêm bộ chuyển đổi, thay

thế động cơ CNG, đầu tư mua xe buýt mới sử dụng CNG

Quá trình được thực hiện trước mắt bằng cách chuyển đổi dần dần xe buýt loại

lớn (B80) và loại trung (B50) sang sử dụng CNG Hiện tại 2 chiếc xe buýt sử dụng CNG đã được nhập khẩu về từ Hàn Quốc và giao cho công ty xe khách Sài Gòn và Liên Hiệp HTX vận tải TP quản lý Ông Dương Hồng Thanh-Phó Giám Đốc Sở Giao Thông vận tải cho biết: Qua tính toán các thông số kĩ thuật, kinh tế cho thấy

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

27

xe buýt sử dụng CNG tiết kiệm 50%-60% giá thành vận chuyển, chi phí nhiên liệu

và ô nhiễm môi trường Chính kết quả này Thường Trực UBND TPHCM vùa chấp thuận cho chạy thử xe buýt chạy bằng CNG thay cho Diesel Kết quả thực tế cũng

đã chứng minh: Việc sử dụng xe buýt CNG đã tiết kiệm được 30%-40% nhiên liệu

so với xe buýt sử dụng dầu diesel, và giảm 100% khói đen, không có mùi hôi Mức

độ ồn giảm được khoảng 3dB so với nhiên liệu lỏng Lượng phát thải khí CO2

giảm 20%, NOx giảm 57%,CO giảm 63%.Theo kế hoạch, trong giai đoạn

2009-2010, Sở GTVT sẽ tiến hành đưa vào hoạt động 38 chuyến xe buýt trên 2 tuyến số

30 (Chợ Tân Hương-Suối Tiên) và số 91( Bến xe miền Tây-chợ nông sản Thủ Đức) Cũng trong năm 2009, Tập đoàn ô tô Thành Công đã tổ chức lễ kí kết và giao lô hàng 50 xe đầu tiên trong hợp đồng cung cấp 500 chiếc xe buýt hiệu Daewoo chạy bằng khí thiên nhiên cho công ty Sonadezi ở Đồng Nai Số xe buýt này sẽ được sử dụng trong việc đưa đón công nhân ở các khi công nghiệp cũng như

vận chuyển hành khách công cộng tại các tính Đồng Nai Ở Hà Nội hãng taxi dầu khí cũng đã và đang sử dụng loại nhiên liệu này

Như vậy có thể thấy rằng tiềm năng của khí CNG trong giao thông vận tải cũng như công nghiệp tại Việt Nam là rất lớn [18] Xu hướng sử dụng nhiên liệu

tiết kiệm, thân thiện với môi trường tại Việt Nam sẽ tăng mạnh trong tương lai gần

PV GAS đang chuẩn bị các kế hoạch đảm bảo nguồn cung CNG để kịp thời đáp ứng nhu cầu thị trường và xu hướng của thế giới Tuy nhiên giá xe buýt nhập khẩu

về còn khá đắt (trên 2,4 tỷ đồng/ xe cao hơn khoảng từ 25-30% so với xe buýt chạy

bằng dầu diesel) Chính vì vậy việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ sang sử dụng nhiên liệu khí CNG có ý nghĩa thực tế cao với các lí do:

- Chi phí chế tạo bộ chuyển đổi( hệ thống cung cấp CNG) thấp

- Tận dụng động cơ sẵn có

Cuối cùng như nhiên liệu khác việc sử dụng CNG đòi hỏi:

- Chính sách thuế khuyến khích người sử dụng

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

28

- Cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấp CNG cho động cơ

Hình 1.7 Tr ạm dịch vụ công cộng cung cấp CNG cho động cơ

1.3.3.Tình hình s ử dụng khí CNG cho động cơ xăng

Nhiệt trị khối lượng của CNG 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 CNG giảm cũng chừng ấy lần [22]

B ảng 1.4 So sánh đặc tính của CNG với xăng

0 Năng lượng hỗn hợp của CNG cao hơn so với xăng, trong động cơ chuyên dụng, công suất, tính gia tốc và tốc độ tiết kiệm của ô tô CNG tốt hơn ô tô dùng động cơ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

29

xăng Do quá trình cháy của CNG có đặc điểm sạch hơn, nên ô tô sử dụng động cơ CNG hoạt động hiệu quả hơn so với ô tô xăng, làm tăng tuổi thọ cho ô tô Ở những ô

tô làm việc nặng thì động cơ sử dụng CNG sẽ ít ồn hơn so với động cơ diesel

Mặc dù CNG là khí đốt, nhưng phạm vi cháy hẹp, làm cho nó là nhiên liệu an toàn Mức độ an toàn của ô tô CNG ngang hàng với ô tô xăng Khi bị tràn ra ngoài do tai nạn, thì CNG không gây hại cho đất và nước, nó không độc Khả năng phân tán

của CNG nhanh, giảm tối thiểu sự nguy hiểm cháy nổ liên quan đến xăng [20, 21]

1.3.4 Sự ô nhiễm môi trường của động cơ CNG

Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động cơ dùng CNG liên quan đến thành phần hydrocarbure của nhiên liệu, ( thường nhiên liệu CNG chứa ít nhất 90% methane) Khác với động cơ xăng, trong khí xả động cơ CNG hầu như không có hydrocarbure nào có hơn 4 nguyên tử cacbon, 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 động cơ CNG có

hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến hai lần Tính chất này chủ yếu do nhiên liệu CNG chứa phần lớn methane, thành phần các chất hoạt tính (butenes, buta-1, 3-diene, xylenes) rất thấp hoặc có thể bỏ qua

Mặt khác, nhiên liệu CNG không bao giờ gây trở ngại đối với bộ xúc tác ba

chức năng do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp lỏng Tuy nhiên sự ôxy hóa methane còn lại trong khí xả rất khó khăn Muốn loại trừ chất này cần sử dụng

một bộ xúc tác đặc biệt

Bảng 1.5 cho chúng ta một vài ví dụ liên quan đến mức độ phát ô nhiễm của ô

tô vận tải sử dụng CNG Chúng ta nhận thấy, 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 methane (khoảng 90%), còn lại các thành phần khác rất thấp

Còn về mức độ phát sinh NOX khí xả động cơ CNG có nồng độ NOX rất thấp

nếu động cơ làm việc với α = 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

Hoạt động độc lập 175

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

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

Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh để phát hiện sự dò rỉ được thêm vào nhiên liệu với thành phần rất thấp (20 hay 25mg/m3) nên bị đốt cháy hoàn toàn Vì

vậy nên khí xả động cơ CNG rất ít hôi so với khí xả động cơ diesel

Về sự ảnh hưởng của khí thải động cơ sử dụng CNG đến hiệu ứng nhà kính, Methane cũng như CO2 và N2O là khí gây hiệu ứng nhà kính một cách trực tiếp vì

vậy ta rất quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc động cơ CNG đến việc nóng lên của bầu khí quyển

B ảng 1.6 So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ

dùng xăng, diesel, và CNG (gCO2/Km), theo chu trình ECE

Trước bộ xúc tác 356 281 267

Sau bộ xúc tác 310 251 231

Trong thực tế động cơ CNG phát sinh ít CO2 so với động cơ nhiên liệu lỏng Vì

vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ CNG thấp hơn khoảng 25% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ Diesel Do đó việc sử dụng CNG sẽ làm giảm đi đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính trên phạm vi toàn cầu

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

31

C HƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT KHẢ NĂNG

SỬ DỤNG CNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG 2.1 Giới thiệu chung

Khí thiên nhiên có thành phần chính là methane CH4 (75%-95%) tuỳ thuộc nơi khai thác) là loại khí nhẹ có H/C cao nên phát thải CO và CO2 sẽ thấp hơn xăng và diesel Tuy nhiên, khí thiên nhiên nén CNG là nhiên liệu khí nên có thể làm công

suất động cơ giảm so với chạy xăng và diesel khi dùng phương pháp tạo hỗn hợp bên ngoài Mặt khác, sự tạo thành và phát thải NOx cũng cần được nghiên cứu để

có hướng xử lý phù hợp Do đó, đề tài này thực hiện việc nghiên cứu mô phỏng đánh giá đặc tính làm việc và phát thải NOx của động cơ xăng khi chạy CNG sử

dụng phương pháp tạo hỗn hợp bên ngoài so với khi chạy xăng để làm cơ sở cho

việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang sử dụng CNG Ảnh hưởng

của 2 phương pháp tạo hỗn hợp khi chạy CNG được nghiên cứu là dùng bộ trộn có

họng khuyếch tán và phun gián tiếp đa điểm

Việc nghiên cứu mô phỏng được thực hiện với động cơ 1NZ-FE là động cơ xăng 4 kỳ 4 xi lanh sử dụng hệ thống phun xăng vào cửa nạp trên xe Toyota Vios

nhằm giảm chi phí thí nghiệm trước khi quyết định chọn phương án chuyển đổi động cơ này sang chạy CNG Hiện nay có nhiều phần mềm thương mại cho phép nghiên cứu mô phỏng động cơ để tính toán chu trình nhiệt và phát thải của động cơ Tuy nhiên, các phần mềm này đắt tiền nên không phải người nghiên cứu nào cũng

có thể tiếp cận và sử dụng được và mặt khác các phần mềm đó thường được xây

dựng dựa trên mô hình cháy hai vùng hoặc chuyển động rối của môi chất với giả thiết nhiệt độ khí đã cháy là đồng nhất trong khi thực tế nhiệt độ khí đã cháy trong

xi lanh là khác nhau tại các điểm không gian Điều này ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của việc tính toán sự tạo thành NOx Do đó, đề tài này chọn xây dựng và phát triển mô hình nhiệt động theo nguyên lý đa vùng cho phép tăng độ chính xác tính toán nhiệt độ khí cháy trong xi lanh để tăng độ chính xác các tính toán sự tạo thành NOx vì sự tạo thành NOx rất nhạy cảm với nhiệt độ khí cháy

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B-CKĐL

32

2.2 Mô hình hóa chu trình nhiệt của động cơ xăng chạy CNG

2.2.1 Mô hình nhi ệt động đa vùng trong xi lanh động cơ

Thực tế vì các vùng hỗn hợp khác nhau trong xylanh bốc cháy ở các thời điểm khác nhau phụ thuộc vào tốc độ lan tràn màng lửa nên điều kiện cháy và thời gian truyền nhiệt sẽ khác nhau Do vậy nhiệt độ của chúng tại cùng một thời điểm

sẽ khác nhau Do đó, để tính toán được nhiệt độ khí cháy tại các vùng khác nhau trong xylanh gần với giá trị đúng của nó, làm cơ sở để tính toán sự tạo thành các thành phần khí cháy được chính xác, cần phải xây dựng mô hình đa vùng [9, 10] Trong mô hình này, khác với mô hình hai vùng môi chất trong xylanh được phân chia thành nhiều vùng nhỏ theo thể tích, mỗi vùng có một nhiệt độ khác nhau, còn

áp suất thì được giả thiết là như nhau trong toàn bộ thể tích khí trong xylanh ở mỗi

thời điểm

Để cho đơn giản và đảm bảo tính toán nhiệt độ khí thể tại các vùng trong xylanh chính xác, ta giả thiết phân chia thể tích hỗn hợp cháy trong xylanh thành vùng hỗn hợp chưa cháy, các vùng hỗn hợp đã cháy và vùng hỗn hợp đang cháy ngăn cách nhau bằng các mặt đẳng nhiệt

Các vùng hỗn hợp đã cháy i có khối lượng bằng nhau và có nhiệt độ Ti Trong quá trình cháy, thể tích và khối lượng hỗn hợp chưa cháy giảm dần, số vùng

hỗn hợp đã cháy tăng dần cho đến khi quá trình cháy kết thúc thì đạt đến số vùng tối

đa đã định Tức là khi 1 vùng đang cháy hết phần hỗn hợp đã định thì chuyển sang cháy ở vùng tiếp theo [9]

Mô hình được xây dựng trên cơ sở coi thể tích khí trong xylanh như một hệ

thống hở, tức là có kể đến quá trình trao đổi khí (hút và thải khí), sự lọt khí, sự cháy sinh nhiệt và sự trao đổi nhiệt của khí trong xylanh với thành buồng cháy Phương trình cơ bản để xây dựng mô hình là phương trình bảo toàn khối lượng và phương trình bảo toàn năng lượng áp dụng cho thể tích khí trong xylanh ở mọi thời điểm [9]

dm h d

dV p d

dQ d

dm u d

du m

θθ

θθ

θ (2.2)

Ở đây:

m là khối lượng khí trong xylanh (kg)

u là nội năng khí trong xylanh (kJ/kg)

p là áp suất khí trong xylanh (kPa)

mj, hj, (j=khí nạp,thải và lọt) là khối lượng và enthalpy của khí nạp, thải,

và

lọt (kg) và (kJ/kg)

Q là nhiệt lượng trao đổi với thành buồng cháy (kJ)

Trong phương trình trên:

+ Kh ối lượng khí trong xilanh biến đổi theo góc quay trục khuỷu và được tính như sau:

u

V m

θ θ ω

υ

= tại θevo < ≤θ 360 (nổ và xả) (2.5)

Ở đây:

υu, υb là thể tích riêng của khí chưa cháy và đã cháy

m là kh ivc ối lượng khí nạp trong xylanh bắt đầu quá trình nén

C là h l ệ số phụ thuộc loại động cơ

kết cấu của động cơ:

1 1 2 2 1/ 2

1 1 cos (1 (1 sin ) )2

V V V

V V

V V V

V

c c h c

h c c

θ θ θ

= diện tích xylanh

với b là bán kính xylanh; h và hj là hệ số truyền nhiệt giữa hỗn hợp chưa cháy

và hệ số truyền nhiệt giữa khí đã cháy ở các vùng khác nhau với thành buồng cháy

và được xác định theo các biểu thức của Woschni [11]

c=6,18c m Cho quá trình trao đổi khí

= + Cho quá trình trao đổi khác

Tóm lại, tất cả các thông số trong phương trình (2.2) có thể xác định từ các phương trình từ (2.3) tới (2.22) Trong các phương trình này, Cl, ω và b là các hằng

số đặc trưng cho kiểu động cơ và đặc tính làm việc của nó Các biến như m, V và x

là các hàm theo góc quay trục khuỷu Tất cả các biến ln

ln

u u

bi bi