intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 8

Chia sẻ: Dqwdwegrth Vdhrdthergw | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST
Báo xấu
117
lượt xem 30
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Môi Trường - Khí Thải Động Cơ Đốt Trong phần 8

  1. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Hình 8.6 : Họng Venturi vạn năng Hình 8.5: Bộ chế hòa khí dạng van modul hóa 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. 135
  2. 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. Bộ giãn nở Bình nhiên liệu LPG Lọc khí Venturie –ng xả xúc tác Cảm biến Phun xăng Máy tính LPG Bộ chuyển xăng/LPG 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 136
  3. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 Bộ vi xử lý đối với xăng đối với LPG Cảm biến oxy Vòi phun xăng –ng xả xúc tác Lọc gió Vòi phun LPG Hòi lưu LPG Bình chứa LPG Bơm Điều hòa áp suất 137
  4. 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 138
  5. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 Hình 8.11: Bộ bốc hơi-giãn nở điện tử thông qua các thông tin cần thiết để điều ch.3.3.2.ợBìnhăchứa nhiên liệu 8ỉnh lư ng x ng 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. 139
  6. 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. Đầu nối để nạp LPG Bộ chuyển xăng/LPG Đồng hồ xăng/LPG Hỗn hợp không khí-gas Bộ giãn nở-bốc hơi Bình chứa LPG Đường nạp LPG Bộ vi xử lý LPG Cảm biến lambda 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 140
  7. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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. 141
  8. NOx (g/km) Xăng 1,0 LPG 0,8 Giới hạn Euro 93 Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 0,6 Giới hạn Euro 96 0,4 0,2 HC (g/km) 0,8 1,0 0,6 0,2 0,4 1 2 3 CO (g/km) 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 Chất ô nhiễm Giới hạn cho phép Mức độ phát ô nhiễm Europe 2000 California Chu trình Chu trình (g/km) ULEV Europe (g/km) FTP75 (g/mile) (g/mile) CO 2,30 1,70 0,16 0,14 HC 0,20 0,04 0,031 0,032 NOx 0,15 0,20 0,02 0,065 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. 142
  9. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Hình 8.15: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả của ô tô dùng xăng và LPG HC+NOx (g/km) -15°C 1,2 -7°C Euro 93 0,97 -7°C 0,8 22°C 0°C Euro 96 Diesel 7°C 0,5 0,4 -7°C 14°C LPG 22°C Xăng 22°C CO (g/km) 2,2 2,72 10 5 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 143
  10. 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 144
  11. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 146
  12. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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. 147
  13. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 H2S 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 65,7 8,5 14,5 5,1 0,8 1,3 - 4,1 a 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 Khối Tỉ lệ hỗn khí lượng hợp cháy PCI riêng ở hoàn toàn thể khí lí thuyết (kg/m3N) (MJ/m3N) (kWh/m3N) (MJ/kg) (kWh/kg) r 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. 148
  14. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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: PCS W= 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: W r = k.Cte. 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 ≈ 130 Chỉ số octane 95 149
  15. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 30 37,5 0,80 (cm/s) 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 2,0 lửa của hỗn hợp méthane- không khí tương đối thấp (hình Propane-không khí 8.19). Đặc điểm này làm giảm 1,5 tính năng của động cơ vì làm Isooctane-không khí tăng truyền nhiệt từ môi chất 1,0 công tác qua thành. Để khắc Méthane-không khí phục tình trạng này người ta tăng cường thêm vận động rối 0,5 của hỗn hợp trong buồng cháy. Tuy nhiên tốc độ lan tràn màng lửa thấp của hỗn hợp 1,3 1,4 0,7 0,8 0,9 1,1 1,0 1,2 méthane-không khí có ưu điểm Hình 8.19: Tốc độ cháy (m/s) của méthane, propane là làm giảm độ ồn của quá và isooctane (điều kiện ban đầu: áp suất 30bar, ì h há hờ di á ấ 150
  16. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường nhiệt độ 900K). trình cháy nhờ gradient áp suất nhỏ. 8.6.4.3. Thành phần và nhiệt độ của sản phẩm cháy Méthane chỉ chứa 75% khối lượng carbon so với 87 ÷ 88% đối với nhiên liệu lỏng truyền thống. Trong điều kiện cháy hoàn toàn lí thuyết, thành phần CO2 cực đại trong sản phẩm cháy chỉ đạt 11,7% so với 14,5% đối với iso-octane. Cũng nhờ hàm lượng carbon trong méthane thấp nên khi động cơ làm việc với hỗn hợp giàu, thành phần CO trong khí xả thấp hơn khi sử dụng các hydrocarbure khác. Ứng với độ đậm đặc 1,1, thành phần CO trong sản phẩm cháy chiếm khoảng 2,2% đối với méthane và 3,3% đối với toluen. Nhiệt độ màng lửa của hỗn hợp méthane-không khí thấp nên nồng độ NOx trong sản phẩm cháy cũng thấp. 8.7. Các kĩ thuật liên quan đến ô tô sử dụng NGV Giống như khi vận hành, sử dụng các thiết bị áp lực khác, đối với ô tô NGV chúng ta cũng cần phải xem xét các điều kiện về khối lượng, thể tích, độ an toàn của bình chứa nhiên liệu khí ở áp suất cao. 8.7.1. Chứa nhiên liệu NGV trên ô tô và hệ thống cung cấp 8.7.1.1. Bình chứa NGV trên ô tô Giải pháp cổ điển nhất là sử dụng bình thép để chứa NGV dưới áp suất khoảng 200 bar. Theo qui định an toàn, bình chứa phải chịu được áp suất thử nghiệm 600 bar để đề phòng nổ vỡ trong trường hợp nó bị sấy nóng (khi bị hỏa hoạn chẳng hạn). Điều này làm giảm khả năng chứa cực đại của bình (khoảng 0,15m3N NGV đối với 1kg vỏ bình chứa). Ngày nay, người ta ưa chuộng những loại vật liệu khác, chẳng hạn như nhôm thường hay nhôm gia cố thêm sợi thủy tinh, vật liệu composite với sườn bằng sợi thủy tinh hay sợi carbon. Khả năng chứa khí của các bình chế tạo từ các vật liệu khác nhau trình bày trên bảng 8.7. Bảng này cho thấy rằng những vật liệu mới có thể cho phép nâng sức chứa NGV lên gấp 4 lần so với bình bằng thép có cùng khối lượng. Bảng 8. 7: Khả năng chứa (m3N) đối với 1 kg bình chứa làm bằng các vật liệu khác nhau ở áp suất 200 bar Vật liệu Khả năng chứa 3 mn /kg bình chứa ở 200bar Thép thường 0,13-0,14 Thép tốt 0,18-0,20 Nhôm thường 0,19-0,20 Nhôm gia cố sợi thủy tinh 0,28-0,38 Composite sườn bằng sợi 0,40-0,50 151
  17. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường thủy tinh Composite sườn bằng sợi 0,50-0,70 carbon Người ta nhận thấy dù sử dụng loại vật liệu nào đi nữa thì áp suất khí trong bình khoảng 200 bar là tối ưu nhất. Một phương pháp khác để chứa NGV trên ô tô là dùng vật liệu hấp thụ. Vật liệu này có thể là than hoạt tính hay oxyde kim loại. Ưu điểm của chúng thể hiện ở khả năng chứa khí (trên một đơn vị khối lượng) cao (hình 8.20) và có thể làm việc ở áp suất thấp (30÷40 bar). Trong điều kiện đó, giá thành nén khí thấp hơn và bình chứa có thể được chế tạo theo những hình dạng khác nhau cho phù hợp với sự bố trí bình chứa trên xe (bình chứa NGV thông thường ở áp suất 200 bar phải có dạng hình trụ). Bình chứa nhiên liệu kiểu hấp thụ hiện đang được nghiên cứu để hoàn thiện. Vấn đề cần giải quyết là khống chế quá trình nhiệt diễn ra khi hấp thụ khí (tỏa nhiệt) và khi giải phóng khí (thu nhiệt), khả năng hấp thụ khí, tuổi thọ của vật liệu hấp thụ... Hiện nay, người ta đã đạt được áp suất làm việc 35bar với khả năng chứa khí từ 125 ÷ 180 lít đối với một lít thể tích bình chứa, nghĩa là đạt được khoảng từ 50 - 80% khả năng chứa của bình thép thông thường ở áp suất 200 bar. Khả năng chứa Tuy nhiên cho đến nay, (kg/m3) việc chứa khí NGV dưới áp suất Carbon hoạt tính cao vẫn là giải pháp thông dụng 40 nhất. Vì vậy, trên ô tô sử dụng loại nhiên liệu này người ta phải Bình chứa 30 lắp các thiết bị an toàn để tránh cổ điển sự cố cháy nổ trong trường hợp khí bị rò rỉ. Trong thực tế rủi ro 20 này rất ít khi xảy ra vì méthane nhẹ hơn rất nhiều so với không 10 khí (tỉ trọng so với không khí là 0,55) nên bị khuếch tán nhanh Áp suất trong bình chứa chóng, khả năng để đạt được hỗn (b ) Hình 8.20: Khả năng chứa 20 trên than 0 khí hợp trong giới hạn bốc cháy là rất 10 3 hoạt tính ở 210oC thấp. Để đảm bảo an toàn về áp suất, trên hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV ngườI ta lắp đặt một van an toàn tác độn ở áp suất 350bar. Áp suất này có thể xảy ra khi ô tô bị hỏa hoạn. Kết quả thí nghiệm trong trường hợp cháy xe cho thấy khí thoát ra khỏi van an toàn gây cháy nhưng không nổ. Đối với xe bus chạy ga, bình chứa khí thường đặt trên trần xe (hình 8.21). 8.7.1.2. Hệ thống cung cấp NGV: Chúng ta phân biệt hai trường hợp: trạm dịch vụ cung cấp khí tập trung và máy nén gia đình giúp cho người sử dụng nạp GNV ngay tại garage của mình. 152
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2