Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
146
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
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
147
trạng này gây tổn thất một bộ phận nhiên liệu (có thể đến 1%) không cần thiết, nhưng
nguy hiểm nhất là sự cháy nổ nếu sự bay hơi diễn ra trong môi trường không khí kín. Do
vậy hiện nay trên thế giới người ta thường dùng khí thiên nhiên dạng khí để chạy ô tô. Tuy
nhiên, ở một số nước như Mĩ, Úc... người ta đang tiếp tục nghiên cứu sử dụng khí thiên
nhiên hóa lỏng để sử dụng trên các động cơ công suất lớn (xe tải, tàu lửa, tàu biển...).
8.5.2. Ô tô sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên NGV
Năm 1996 người ta ước tính có khoảng 1 triệu xe ô tô chạy bằng khí thiên nhiên
trên thế giới. Hình 8.18 giới thiệu sự phân bố lượng ô tô dùng nhiên liệu khí thiên nhiên ở
các lục địa khác nhau. Các quốc gia sử dụng nhiều nhất là CEI (Cộng đồng các quốc gia
độc lập), Ý, Argentina, Canada, Newzealand, Mĩ. Trong năm 1996 người ta tính được
2700 trạm phân phối NGV dưới dạng khí nén, trong đó 600 trạm ở Canada và Hà Lan
được lắp đặt máy nén gia dụng ngay tại nhà người sử dụng.
Con số ước tính này sẽ thay đổi rất nhiều trong một tương lai gần vì người ta dự
kiến một sự gia tăng nhanh chóng cả về số các quốc gia sử dụng (50 quốc gia vào năm
1996) cũng như số lượng ô tô sử dụng NGV ở từng nước. Theo ước tính, vào đầu những
năm 2000, số lượng xe sử dụng NGV sẽ đạt đến 750.000 chiếc ở CEI, 300.000 chiếc ở
Canađa, 200.000 ở Nhật, 50.000 chiếc ở Pháp và 200.000 chiếc ở Anh... Tuy nhiên, dù số
lượng có tăng nhanh như vậy, ô tô sử dụng NGV cũng chỉ được chú ý trên một số dạng xe
dịch vụ công cộng (taxi, xe bus...) vì loại nhiên liệu này giúp cho động cơ làm việc tốt
hơn, ít ồn, phát sinh ít ô nhiễm hơn động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng.
8.6. Tính chất của NGV
Khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu là méthane (CH4 chiếm từ 80 - 90% tùy
theo nguồn khai thác). Vì vậy, tính chất của khí thiên nhiên gần với tính chất của khí
méthane.
8.6.1. Thành phần hóa học
Bảng 8.4 giới thiệu thành phần tiêu biểu của một số mẫu khí thiên nhiên từ một số
khu vực trên thế giới. Ngoài methane, những thành phần hydrocacbure khác theo thứ tự
thành phần giảm dần: éthane (1-8%), propane (2%), butane và pentane (nhỏ hơn 1%). Khí
thiên nhiên cũng chứa những chất khí trơ như nitơ (10,8%), CO2 (0,2 - 1,5%). Trong
những phần sau, chúng ta chỉ xét khí NGV là khí thiên nhiên chứa ít nhất 80% methane.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
148
Hình 8.18: Sự phân bố lượng ô tô sử dụng nhiên liệu khí trên thế giới
Bảng 8.4: Thành phần của khí thiên nhiên ở các vùng khai thác khác nhau
Méthane Ethane Propane Butane C5+ Nitơ H
2S CO2
Pháp 69,0 3,0 0,9 0,5 0,5 1,5 15,3 9,3
Algérie 83,7 6,8 2,1 0,8 0,4 5,8 - 0,2
Đông Âu 85,3 5,8 5,3 2,1 0,2 0,9 - 0,4
Irak 56,9 21,2 6,0 3,7 1,6 - 3,5 7,1
Mĩ 86,5 8,0 1,9 0,3 0,2 2,6 - 0,5
Indonesi
a
65,7 8,5 14,5 5,1 0,8 1,3 - 4,1
8.6.2. Nhiệt trị
Thông thường, nhiệt trị của khí thiên nhiên được tính theo kWh/m3 ở điều kiện
thường (101,3 kPa và 00C). Trong sử dụng NGV làm nhiên liệu cho ô tô, để tiện so sánh
với nhiên liệu cổ điển như xăng, Diesel, người ta thường tính nhiệt trị theo MJ/kg. Bảng
8.5 giới thiệu một vài giá trị tiêu biểu PCI của khí thiên nhiên từ các vùng khác nhau. Sự
chuyển đổi từ PCI thể tích sang PCI khối lượng cần phải biết khối lượng riêng r(kg/m3). Tỉ
lệ nhiên liệu/không khí trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết có thể được xác định
theo thành phần của khí thiên nhiên (bảng 8.4).
Bảng 8.5: Nhiệt trị khi
φ
= 1 đối với các mẫu khí thiên nhiên
Xuất xứ
khí
Khối
lượng
riêng ở
thể khí
Tỉ lệ hỗn
hợp cháy
hoàn toàn
lí thuyết
PCI
(kg/m3N) r (MJ/kg) (kWh/kg) (MJ/m3N) (kWh/m3N)
Lacq 0,73 17,09 49,64 13,79 36,42 10,12
Algérie
(Fos)
0,76
16,77
48,89
13,58
37,06
10,29
Algérie
(Montoir)
0,80
16,79
48,95
13,60
39,40
10,94
Mer du
Nord
0,81
15,63
45,46
12,63
36,80
10,22
URSS 0,74 16,53 47,99 13,33 35,70 9,92
Gronigue 0,82 13,87 40,27 11,19 33,17 9,21
Chúng ta có thể thấy rằng khí thiên nhiên có nhiệt trị riêng khối lượng 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 NGV cũng giảm chừng ấy lần. Dĩ
nhiên PCI của NGV giảm khi thành phần các chất khí trơ (CO2, N2) tăng.
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
149
Vì tỉ lệ nhiên liệu/không khí trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết thay đổi
trong phạm vi tương đối rộng, từ 14 đến 17, tùy theo thành phần của khí thiên nhiên nên
trên động cơ làm việc với NGV, cần phải dự kiến những hệ thống điều chỉnh thành phần
hỗn hợp có thể làm việc trong một dải tương đối rộng. Ngược lại, năng lượng chứa đựng
trong hỗn hợp nhiên liệu - không khí, với độ đậm đặc như nhau, ít phụ thuộc vào thành
phần khí thiên nhiên, điều ấy cho phép duy trì công suất riêng của động cơ khi sử dụng
các nguồn khí khác nhau.
8.6.3. Chỉ số Wobbe
Chỉ số Wobbe W là một đặc trưng được sử dụng từ lâu để so sánh tính năng tỏa
nhiệt của hệ thống cháy. Chỉ số Wobbe được tính theo biểu thức sau đây:
WPCS
d
=
trong đó:
PCS: nhiệt trị cao MJ/m3
d: Tỉ trọng của ga so với không khí
Quan hệ giữa W và tỉ lệ hỗn hợp trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết r rất có
ý nghĩa thực tiễn:
rk.Cte
W
d
=.
k=0,95; Cte=0,90
Biểu thức này cho thấy rằng r là hàm đồng biến theo chỉ số Wobbe. Nếu chỉ số
Wobbe tăng, tỉ lệ cháy hoàn toàn lí thuyết, và do đó độ đậm đặc của hỗn hợp, cũng tăng
đối với cùng sự điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu khí.
Vì vậy đối với nhà chế tạo ô tô, giá trị của chỉ số Wobbe và nhất là sự thay đổi của
nó từ mẫu khí này đến mẫu khí khác là một thông tin cần thiết đối với sự điều chỉnh hệ
thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
8.6.4. Đặc điểm liên quan đến quá trình cháy trong động cơ
So sánh một số tính chất đặc trưng của khí thiên nhiên (chủ yếu là khí méthane) và
xăng được trình bày trên bảng 8.6.
Bảng 8.6: So sánh đặc tính của méthane và xăng
Đặc trưng Méthane Xăng
Chỉ số octane ≈ 130 95
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường
150
Nhiệt trị khối lượng (kJ/kg) 50009 42690
Năng lượng hỗn hợp (kJ/dm3) 3,10 3,46
Giới hạn dưới bốc cháy 0,50 0,60
Tốc độ cháy chảy tầng ở độ đậm đặc
0,80 (cm/s)
30
37,5
Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ) 0,33 0,26
Nhiệt độ đoạn nhiệt của màng lửa (K) 2227 2266
8.6.4.1. Chỉ số Octane
Chỉ số RON và MON của méthane theo thứ tự là 130 và 115. Đây là một ưu thế
của khí NGV sử dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức. Do tính chống kích nổ tốt nên
NGV cũng được sử dụng trên động cơ có tỉ số nén cao được cải tạo từ động cơ Diesel
nguyên thủy. Trong trường hợp đó, người ta thường sử dụng phương pháp đánh lửa bằng
cách phun mồi (động cơ lưỡng nhiên liệu). Kĩ thuật này có nhiều lợi thế trên động cơ tĩnh
tại nhưng sử dung rất hạn chế trên động cơ vận tải do việc điều chỉnh phức tạp ở chế độ
quá độ. Vì vậy, hiện nay gần như hầu hết các ô tô sử dụng GVN đều hoạt động theo chu
trình động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền thống.
8.6.4.2. Đánh lửa và lan truyền màng lửa trong buồng cháy
động cơ sử dụng NGV
Năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp méthane-không
khí cao hơn nhiều so với trường hợp các hydrocacbure khác. Vì vậy, hệ thống đánh lửa
của động cơ sử dụng NGV phải có tính năng cao hơn (bobine phải có công suất cao hơn)
để bảo đảm tạo ra một năng lượng đánh lửa từ 100 đến 110mJ so với 30 ÷ 40mJ đối với
động cơ xăng truyền thống.
Mặt khác, giới hạn thành phần hỗn hợp có thể cháy được đối với khí méthane rộng
hơn các loại hydrocarbure khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn.
Tốc độ lan tràn màng
lửa của hỗn hợp méthane-
không khí tương đối thấp (hình
8.19). Đặc điểm này làm giảm
tính năng của động cơ vì làm
tăng truyền nhiệt từ môi chất
công tác qua thành. Để khắc
phục tình trạng này người ta
tăng cường thêm vận động rối
của hỗn hợp trong buồng cháy.
Tuy nhiên tốc độ lan tràn
màng lửa thấp của hỗn hợp
méthane-không khí có ưu điểm
là làm giảm độ ồn của quá
ì h há h
ờdi á ấ
Hình 8.19: Tốc độ cháy (m/s) của méthane, propane
và isooctane (điều kiện ban đầu: áp suất 30bar,
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4
0,5
1,0
1,5
2,0
Propane-không khí
Isooctane-không khí
Méthane-không khí