Đánh giá đặ tính làm việ và phát thải ủa động ơ hạy nhiên liệu khí thiên nhiên nén (cng) huyển đổi từ động ơ xăng

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI------HOÀNG PHÚC THỌĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ CHẠY NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN NÉN CNG CHUYỂN ĐỔI

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

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS HOÀNG ĐÌNH LONG

HÀ NỘI - 2014

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên c u c a riêng tôi ứ ủ

Các k t qu , s li u trong lu ế ả ố ệ ận văn là trung thực và chưa từng đượ c ai công b trong các công trình nào khác ố

Hà N i, tháng ộ 3 năm 2014

Tác gi ả

Hoàng Phúc Th ọ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

MỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN 1

M C L C 2 Ụ Ụ DANH M C CÁC B NG 4 Ụ Ả DANH M C CÁC HÌNH V Ụ Ẽ VÀ ĐỒ TH 5 Ị M Ở ĐẦ U 8

1 Lý do nghiên cứu của đề tài 8

2 M c tiêu c ụ ủa đề tài 9

3 Ph ạm vi và đố ượng nghiên cứ i t u 10

4 Các n ội dung chính trong luận văn 10

CH ƯƠ NG 1: T NG QUAN V NHIÊN LI U 11 Ổ Ề Ệ THAY TH Ế TRÊN ĐỘ NG C Ơ XĂNG 11

1.1 S c ự ần thiế ử ụng nhiên liệ t s d u thay th 11 ế 1.1.1 S cự ạn kiệt ngu n nhiên li u hóa thồ ệ ạch 11

1.1.2 Phát thải độc hại của động c s d ng nhiên li u hóa thơ ử ụ ệ ạch 11

1.2 Các lo ại nhiên liệ u thay th ế trên động cơ xăng 15

1.2.1 C n 15ồ 1.2.2 LPG 16

1.2.3 Khí sinh h c 17ọ 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 c a CNG 19ủ 1.3.2 Tình hình s n xu t và s dả ấ ử ụng CNG cho động c 23ơ 1.3.3.Tình hình s d ng khí CNử ụ G cho động c ơ xăng 28

1.3.4 S ô nhi m môi tr ng cự ễ ườ ủa động c ơCNG 29

CH ƯƠ NG 2: NGHIÊN C U LÝ THUY T KH Ứ Ế Ả NĂNG 31

S D Ử ỤNG CNG TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG 31

2.1 Gi i thi ớ ệu chung 31

2.2 Mô hình hóa chu trình nhi ệ ủa độ t c ng c ơ xăng chạ y CNG 32

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

2.3 K t qu tính toán 42 ế ả

CH ƯƠ NG 3: TH NGHI Ử ỆM ĐÁNH GIÁ ĐẶ C TÍNH 46

LÀM VI C VÀ PHÁT TH Ệ ẢI CỦA ĐỘNG CƠ 46

3.1 M ục đích thử nghiệ m 46

3.2 Trang b h th ị ệ ống cung cấp CNG cho động cơ 46

3.3 Trang thi ết bị thí nghiệ m 48

3.3.1 Băng thử độ ng c và trang b ơ ị đi kèm 49

3.3.2 Thiết bị phân tích khí th i 56ả 3.4 N ội dung thử nghiệ m 64

3.5 K t qu th ế ả ử nghiệ m và th o lu n 65 ả ậ 3.5.1 Đánh giá công suất động c ch y CNG so v i chơ ạ ớ ạy xăng 65

3.5.2 Đánh giá tính kinh tế ủa độ c ng c so v i chơ ớ ạy xăng 66

3.5.3 Đánh giá sự ả gi m phát th i cả ủa động c khi ch y CNG so v i khi chơ ạ ớ ạy xăng 67

K T LU N 71 Ế Ậ H ƯỚNG PHÁT TRIỂ N C ỦA ĐỀ TÀI 72 TÀI LI U THAM KH O 73 Ệ Ả

B ng 1.6 ả So sánh mức độ phát sinh khí gây hi u ệ ứng nhà kính đố ới đội v ng c ơ

dùng xăng, diesel, và CNG (gCO2/Km), theo chu trình ECE 30

B ng 3.1 ả Thông số làm việc cơ ả ủa băng thử b n c 50

B ng 3.2 ả M t s thông s c b n c a nhiên li u th nghi m 65ộ ố ố ơ ả ủ ệ ử ệ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 T l ỷ ệcác chất độc hại trong khí thải động c ơ xăng 12

Hình 1.2 Saab 9-5 ch y b ng bioethanol 15ạ ằ Hình 1.3 Xe taxi thành ph H Chí Minh s d ng nhiên li u LPG 16ở ố ồ ử ụ ệ Hình 1.4 Xe chở rác chạ ằy b ng khí sinh học ở thành ph Toronto 17ố Hình 1.5 BMW Hydrogen 7 chạy bằng H2 18

Hình 1.6 Xe buýt ch y CNG tạ ại thành ph H Chí Minh 19ố ồ Hình 1.7 Tr m d ch v công c ng cung cạ ị ụ ộ ấp CNG cho động c 28ơ Hình 2.1 Áp su t khí th cấ ể ủa động c khi ch y v i 2 lo i nhiên li u 43ơ ạ ớ ạ ệ Hình 2.2 Áp su t ch trung bình cấ ỉthị ủa động c khi ch y v i 2 lo i nhiên li u 43ơ ạ ớ ạ ệ Hình 2.3 Nhiệt độ trung bình c a khí th củ ể ủa động c khi chơ ạy với 2 lo i nhiên ạ li u 44ệ Hình 2.4 Phát th i NOx cả ủa động cơ khi chạy với 2 lo i nhiên li u 44ạ ệ Hình 3.1 S h th ng cung cơ đồ ệ ố ấp CNG cho động c 46ơ Hình 3.2 S b ơ đồ ốtrí thử nghi m 48ệ Hình 3.4 M t c t ngang c a phanh 51ặ ắ ủ Hình 3.5 B u ch nh nhiộ điề ỉ ệt độ ầ d u bôi tr n 51ơ Hình 3.6 Cụm điều ch nh nhiỉ ệt độ ướ n c 52

Hình 3.7 S nguyên lý hoơ đồ ạt động của hệ thống 733S 53

Hình 3.8 S b phân tích khí CO 57ơ đồ ộ Hình 3.9 S b phân tích HC 59ơ đồ ộ Hình 3.10 S b phân tích khí NOx 60ơ đồ ộ Hình 3.11 S b phân tích O2 61ơ đồ ộ Hình 3.12 S b phân tích HC 63ơ đồ ộ Hình 3.13 So sánh công suất động c khi chơ ạy xăng và CNG ở các tốc độ 65

Hình 3.14 So sánh tiêu hao nhiên li u khi chệ ạy xăng và CNG ởcác tốc độ 66

Hình 3.15 So sánh tiêu hao nhiên li u khi chệ ạy xăng và CNG ởcác chế độ ả t i 67

Hình 3.16 So sánh phát th i CO khi chả ạy xăng và CNG ởcác tốc độ 67

Hình 3.17 sánh phát th i CO khi chSo ả ạy xăng và CNG ởcác chế độ ả t i 68

Hình 3.18 So sánh phát th i HC khi chả ạy xăng và CNG ởcác tốc độ 68

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

Hình 3.19 So sánh phát th i HC khi chả ạy xăng và CNG ởcác chế độ ả t i 68

Hình 3.20 So sánh phát th i NOx khi chả ạy xăng và CNG ởcác tố ộc đ 69

Hình 3.21 So sánh phát th i NOx khi chả ạy xăng và CNG ởcác chế độ ả t i 69

Hình 3.22 So sánh phát th i CO2 khi chả ạy xăng và CNG ởcác tố ộc đ 70

Hình 3.23 So sánh phát th i CO2 khi chả ạy xăng và CNG ởcác chế độ ả t i 70

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

L I NÓI Ờ ĐẦ U

Hiện nay, sự gia tăng nhanh chóng số lượng các phương tiện vận tải và các thiết bị động lực sử ụng động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu xăng và diesel dđang gây ô nhiêm môi trường tr m trầ ọng đặc bi t là các thành ph l n và gây ệ ở ố ớnguy cơ cạn ki t ngu n nhiên li u này Chính vì v y, vi c nghiên c u s d ng nhiên ệ ồ ệ ậ ệ ứ ử ụ

liệu thay thế trên các động cơ này để ảm ô nhiễm môi trường và bù đắp phầ gi n nhiên li u thiệ ếu hụt là r t c n thiấ ầ ết và có ý nghĩa thực ti n cao Các nhiên li u thay ễ ệ

th ế được ưu tiên nghiên cứu sử ụng là các loại nhiên liệu có trữ lượng lớn, có thể dtái t o và có thạ ể ử ụ s d ng cho các động cơ đang tồ ạn t i mà không cần thay đổi nhiều

v kề ết cấu, đồng thời có mứ ộc đ ô nhiễm khí thải thấp hơn xăng và diesel để ảm ô ginhiễm môi trường Để đáp ứng các yêu cầu này có thể ử ụng các loại nhiên liệu s dthay thế như nhiên liệu sinh học cồn ethanol, biogas và biodiesel, nhiên li u hydro, ệkhí dầu mỏ hóa lỏng LPG và nhiên liệu khí thiên nhiên Trong đó, khí thiên nhiên

NG là nhiên li u thay th có tiệ ế ềm năng hơn cả Khí thiên nhiên có thành phần chính

là methane (70 90%) c ng thêm m t s- ộ ộ ố các hydrocacbon và các t p chấạ t khác Do

đó, sử ụ d ng khí thiên nhiên làm nhiên li u r t tệ ấ ốt cho động cơ đốt trong đốt cháy cưỡng b c bằứ ng tia lửa điện như đối v i nhiên liớ ệu xăng Khí thiên nhiên có tỷ ệ l C/H nhỏ hơn so với xăng và diesel nên phát thải CO và CO2 thấp hơn Mặt khác, khí thiên nhiên có gi i h n thành ph n h n hớ ạ ầ ỗ ợp 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 l a c a h n h p th p nên nử ủ ỗ ợ ấ ồng độ NOx trong s n ph m cháy ả ẩcũng thấp Nhiên li u có th ệ ể được lưu giữ ở ạng khí thiên nhiên nén (CNG) để dcung cấp cho đ ng cơ cộ ủa các phương tiện v n tậ ải Vì v y viậ ệc chọn đề tài “Đánh

giá đặc tính làm việc và phát thải của độ ng cơ ch ạ y nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) chuyể n đ ổ ừ độ i t ng 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 b môn “Độộ ng cơ đ ố t trong” và

“Phòng thí nghiệm đ ng cơ đ ộ ố t trong” đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Hà N i, ngày 25 tháng ộ 3 năm 201 4

H ọ c viên thự c hi n ệ

Hoàng Phúc Thọ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

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 ụng động cơ đốt trong (ĐCĐT) chạy bằng nhiên liệu xăng và ddiesel đang gây ô nhiêm môi trường tr m trầ ọng đặc bi t là các thành ph l n và ệ ở ố ớgây nguy cơ cạn ki t ngu n nhiên li u này Chính vì v y, vi c nghiên c u s d ng ệ ồ ệ ậ ệ ứ ử ụnhiên li u thay thệ ế 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 tiễ cao Các nhiên liệu n thay thế được ưu tiên nghiên cứu sử ụ d ng là các lo i nhiên li u có trạ ệ ữ lượng lớn, các loại nhiên li u có thểệ tái t o và có th s dạ ể ử ụng cho các động cơ đang tồ ạn t i mà không cần thay đổi nhi u v k t cề ề ế ấu, đồng thời có mức độ ô nhiễm khí th i thả ấp hơn xăng và diesel để ả gi m ô nhiễm môi trường Để đáp ứng các yêu c u này có th s ầ ể ử

dụng các loại nhiên liệu thay thế như nhiên liệu sinh học cồn ethanol, biogas và biodiesel, nhiên li u hydro, khí d u m hóa l ng LPG và nhiên li u khí thiên nhệ ầ ỏ ỏ ệ iên CNG

Các lo i nhiên li u sinh hạ ệ ọc đáp ứng được các yêu cầ ử ụng cho động cơ và u s d

có mức độ phát thải độc hại th p, có th thay th nhiên liấ ể ế ệu xăng và diesel với các tỷ

l ệ 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 tr ng nên có th ồ ể 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 ếu y

ph thu c vào nông nghi p ụ ộ ệ

Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG có năng suấ ỏa nhiệt t t cao và ô nhi m khí th i thễ ả ấp,

có thể ử ụ s d ng tốt cho ĐCĐT đặc biệt là động cơ xăng Tuy nhiên, nhiên liệu này cũng có nguồn g c t d u m ố ừ ầ ỏ nên cũng đang cạn ki t theo ngu n nhiên li u d u m ệ ồ ệ ầ ỏNhiên li u hydro là nhiên li u s ch, s n ph m cháy c a nó chệ ệ ạ ả ẩ ủ ỉ có nước, hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường, ngu n cung hydro có tiồ ềm năng vô tận vì hydro có thể được tách ra từ nước Tuy nhiên, giá thành s n xu t hydro tả ấ ừ nước

bằng công nghệ ện nay còn khá cao, hơn nữa hydro có tỷ ọng rất thấp, nhiệt trị hi tr

CO2, H2S, hơi nước Ví d , thành ph n khí thiên nhiên t i m t s vùng khai thác ụ ầ ạ ộ ốkhác nhau được ch ra trên b ng 1 Khí thiên nhiên có trỉ ả 2 ữ lượng r t l n trên th ấ ớ ế

giới, ước tính trên 190 nghìn tỷ m3, trong đó Việt Nam có trên 680 t mỷ 3 Tổng sản lượng khai thác và s d ng khí thiên nhiên c a các nư c trên th giử ụ ủ ớ ế ới năm 2010 đạt trên 3000 tỷ m3 ViỞ ệt Nam, sản lượng khí thiên nhiên được khai thác và sử ụ d ng 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) chuyể n đ ổ i 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 c u sầ ử ụ d ng nhiên liệu cho động cơ đốt trong của Việt nam và các nước trên thế ới ngày càng gia tăng, trong khi nguồ gi n nhiên li u hóa thệ ạch đang dần cạn

ki t V y mệ ậ ục đích là con người cần tìm ra nguồn năng lượng thay thế nhiên liệu hóa th ch ạ

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

ty, tập đoàn, chính phủ các nư c đ y mạớ ẩ nh nghiên cứu và đưa vào sử ụ d ng các loại nhiên li u thay thệ ế cho động cơ đốt trong nh m gi m sằ ả ự ph thuụ ộc vào nhiên liệu hóa th ch, giạ ảm sự ô nhiễm môi trường, giảm sự ụ ph thu c giữộ a các nước với nhau trong vi c cung c p nhiên li u hóa th ch phệ ấ ệ ạ ục vụ sinh ho t và sạ ản xuất Tuy nhiên nhiên li u sinh hệ ọc có thể làm nả h hưởng tới tính năng làm việc và đặc tính phát

th i cả ủa động cơ Chính vì vậy mà mục đích của đề tài là đánh giá khả năng sử ụ d ng CNG làm nhiên li u thay thệ ế trên động cơ xăng qua nghiên cứu lý thuy t và thế ực nghiệm đánh giá tính năng làm việc và phát thải của động cơ xăng khi sử d ng ụnhiên liệu CNG

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứ Nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm ĐCĐT u: - Viện Cơ khí Động l c - ự Trường Đạ ọi h c Bách khoa Hà N i ộ

- Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là động cơô tô du lịch loại đang chạy xăng và thực nghiệm động cơ 1NZ-FE c a xe Toyota Vios ủ

4 Các nội dung chính trong luận văn

Thuy t minh c a luế ủ ận văn được trình bày gồm các phần:

- Chương 1 ổT ng quan v nhiên li u thay th ề ệ ế trên động cơ xăng

- Chương 2 Nghiên c u lý thuy t kh ứ ế ả năng sử ụng CNG trên động cơ xăng d

- Chương 3 Th nghiử ệm đánh giá đặc tính làm việc và phát thải của động cơ xăng chạy CNG

- Chương 4 ếK t luận và hướng phát tri n cể ủa đề tài

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

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

T nhừ ững năm 1849 1850, con người đã biết chưng cấ- t dầu mỏ để ấy ra dầu l

hỏa, còn xăng là thành phần chưng cất nhẹ hơn dầu hỏa thì chưa hề được sử ụ d ng

đến và phải đem đổ đi một nơi thật xa Lúc đó con ngườ ại t o ra d u h a v i m c ầ ỏ ớ ụđích thắp sáng ho c đun nặ ấu đơn thuần Nhưng vớ ự ếi s ti n hóa c a khoa h c và k ủ ọ ỹthuật, từ ệc sử ụng những động cơ hơi nước cồng kềnh và hiệu quả ấp, con vi d thngười đã tìm cách đ s dể ử ụng xăng và dầu diesel cho động cơ đốt trong, loại động

cơ nhỏ ọn hơn nhưng có hiệ g u qu ả cao hơn hẳn

t Cùng với những khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra động cơ đốtrong sử ụng xăng và dầu diezel đã thúc đẩ d y xã hội loài người đạt những bước phát triển vượt bậc, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng tỷngười trên th gi i ế ớ

Những hiệu quả và giá trị ủa dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự ckhông ai có thể ph nhủ ận Nguồn năng lượng chúng mang l i hạ ầu như là chi m ưu ế

th ếhoàn toàn Do vậy mà hầu hết các quốc gia trên thế ới đều muốn chiếm ưu thế gi

và chủ độ ng v ngu n d u m ề ồ ầ ỏ

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

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

th giế ới Nhưng theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng d u m còn l i cầ ỏ ạ ủa Trái Đất cũng chỉ đủ cho con ngườ i 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 h u qu khi chúng ta sậ ả ử ụ d ng d u mầ ỏ, vi c sử ụệ d ng động cơ

đốt trong gây ra các ch t th i khí làm ô nhi m không khí, làm th ng t ng ôzôn, gây ấ ả ễ ủ ầ

hi u ệ 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 nhi m b u không khí, ễ ầ ảnh hưởng đến s c ứ

khỏe con ngườ Do đó, con người đang đứng trước một thách thức lớn là phải có i ngu n nhiên li u thay th [ ] ồ ệ ế 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

- Theo đường ống xả: Đây là con đường chiếm tỷ ệ khí thải chủ ếu gây ra ô l ynhiễm môi trường, phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu và thải ra ngoài thông qua đường ng x Khí th i bao g m các thành ph n chính là Nố ả ả ồ ầ 2, và hơi nước chiếm khoảng 83%, còn lại là CO, CO2, HC, và các lo i ôxít Nitạ ơ (NOx) và chì (đối

với xăng pha chì)

- Các khí rò l t: bao g m nh ng khí rò l t qua khe h gi a piston và xilanh, ch ọ ồ ữ ọ ở ữ ủ

yếu là Nitơ và ôxi chiếm tỷ ệ ớn trên 90%, phần còn lại là CO l l 2 và HC hơi nước, và

một lượng nh CO, NOx ỏ

- Hơi xăng bay hơi từ thùng nhiên liệu và bộ chế hoà khí, các vị trí không kín khít của đường ng nên ch y u là HC (thành ph n chính c a nhiên liố ủ ế ầ ủ ệu xăng) Trên hình 1.1 trình bày tỷ ệ l 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 l ỷ ệ các chất độc hạ i trong khí th ải động cơ xăng

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

s c kho cứ ẻ ủa con người nên được gọi là thành phần độc hại C ụthể như sau:

+ CO: ô-xýt-các-bon hay còn g i là mọ onoxit cacbon là s n ph m cháy cả ẩ ủa C trong nhiên liệu trong điều ki n thiệ ếu ôxy Hàm lượng CO tăng nhanh khi hệ ố dư s lượng không khí α < 1 M t nguyên nhân n a là s hoà tr n ộ ữ ự ộ không đều gi a nhiên ữ

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

α chung có thể >1 nhưng vẫn có nh ng khu v c cháy trong xi lanh thiữ ự ếu không khí, dẫn đến sự tạo thành CO

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

bon dMonoxit cac ở ạng khí không màu, không mùi Khi kết hợp với sắt có trong sắc tố ủ c a máu sẽ ạ t o thành m t h p chộ ợ ất ngăn cản quá trình h p th ô xy cấ ụ ủa 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 ới một hàm lượng nhỏ trong không khí có thể- vgây cho con ngườ ử vong Hàm lượi t ng 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 li u thoát khệ ỏi sự cháy trong bu ng cháy cồ ủa 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 su t cao và s gi i phóng h n h p ấ ự ả ỗ ợnày vào hỗn hợp đã cháy trong xi lanh ở thời k giãn n khi áp su t giỳ ở ấ ảm Màng

dầu bôi trơn cũng là nguyên nhân gây ra HC trong khí thải, màng dầu hấp thụ HC trong quá trình nén và gi i phóng HC vào khí cháy trong quá trình giãn n Mả ở ột phần Hydrocacbon này được ôxyhoá khi được trộn với khí đã cháy trong quá trình giãn n và quá trình x , ph n còn l i th i ra ngoài cùng v i khí th i nên gây ra sở ả ầ ạ ả ớ ả ựphát th i HC Mả ức độôxyhóa HC phụ thu c vào các điộ ều ki n và chệ ế độ ậ v n hành động cơ như là tỷ ố s gi a nhiên li u và không khí, t c đ ữ ệ ố ộ động cơ, tải, góc đánh

lửa Nguồn phát sinh khác của HC là sự cháy không hoàn toàn trong một phần của chu kỳ ậ v n hành của động cơ (hoặc là đốt cháy t ng phừ ần hoặc hiện tượng bỏ ử l a hoàn toàn) x y ra khi chả ất lượng đốt cháy kém Hàm lượng HC chưa cháy trong khí

thải chủ ếu phụ y thuộc vào tỷ ệ không khí và nhiên liệu Hydrocacbon có rất nhiều l

loại Mỗi loại có mứ ộc đ 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 rấ ột đ c, ví dụ như hydrocacbon có nhân ben zen có thể-gây ung thư Để đơn giản khi đưa ra các tiêu chuẩn v ề môi trường, người ta ch ỉ đưa

ra thành ph n hydrocacbon ng cầ tổ ộng trong khí thải (Total Hydrocarbon vi t t t là ế ắTH) Hydrocacbon tồn tại trong khí quyển còn gây ra sương mù, gây tác hại cho

m t và niêm mắ ặc đường hô h p ấ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

+ NOx : oxit nitơ là sản ph m ô xy hoá niẩ tơ 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 tạ ởi nhiều dạng khác nhau, được gọi chung là NOx Trong khí thải

của động cơ đốt trong NOx tồn tạ ở hai dạng chủ ếu là NOi y 2 và NO, NO chiếm đa

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

-lửa không đáng kể và tồn tại trong thời gian ngắn, do đó đại bộ phận NOx hình thành phía sau màng l a, t c là sau khi hử ứ ỗn hợp bị đốt cháy Nhân tố chính nh ảhưởng t i v i s hình thành NOx là nhiớ ớ ự ệt độ, ôxy và th i gian Nhiờ ệt độ cao, ô xy nhiều và thời gian dài thì NOx ẽ cao, tức là khi động cơ chạy toàn tải, tố ộ s c đ thấp

và α=1,05-1,1 thì NOx l n c th ớ ụ ể như sau:

* NO2: peoxit nitơ là một khí có mùi g t và mắ ầu nâu đỏ Với một hàm lượng

nh ỏ cũng có thể gây tác hại cho phổi, niêm mạc Khi tác dụng với hơi nước sẽ ạo tthành axit gây ăn mòn các chi tiết máy và đồ ậ v t [NO2] = 9mg/m3

y

*NO: Monoxit nitơ NO là thành phần chủ ếu 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 ti p thành NOế 2 và kết hợp với hơi nướ ạo thành axit nitơc t ríc HNO3 [NO] = 9 mg/m3

Tóm l i, trong các thành ph n khí th i ôtô thì CO, HC, NOx là nh ng ch t rạ ầ ả ữ ấ ất nguy h i S hình thành các chạ ự ất độc hại này liên quan đến quá trình cháy và đặc điểm c a nhiên li u s d ng ủ ệ ử ụ

Với mục đích giảm ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ đốt trong gây ra Cho đến nay đã có rất nhi u bi n pháp c th ề ệ ụ ể được s d ng trong th c t , và trong ử ụ ự ếtương lai sẽ còn có các biện pháp khác được nghiên c u nh m gi i quy t triứ ằ ả ế ệt đểhơn vấn đề quan tr ng này ọ

Nhìn chung các bi n pháp kiệ ểm soát lượng khí thải độc hại có th chia thành ể

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 kế ấu động cơ t c

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

- Nhóm thứ hai bao gồm các biện pháp xử lý khí thả ểi đ chuyển đổi khí thải thành khí trơ trước khi thải ra ngoài môi trường b ng cách s dằ ử ụng các phương pháp x lý xúc tác ử

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

li u truyệ ền thống và s d ng nhiên li u thay th ử ụ ệ ế

Nhóm thứ nhất và nhóm thứ hai đã được sử ụ d ng r ng rãi v i công nghộ ớ ệ ỹ k thuật tiên tiến và đã đạt đỉnh cao c a khoa h c công ngh Tuy nhiên do yêu c u ủ ọ ệ ầ

khắt khe về tiêu chuẩn khí thải và cần tiết kiệm nhiên liệu nên nhóm thứ ba ngày nay được quan tâm nghiên c u nhiứ ều, đặc bi t là s d ng nhiên li u thay th có ệ ử ụ ệ ế

Hình 1.2 Saab 9 -5 ch ạy bằ ng bioethanol

Ở châu Âu, Bioethanol ch là m t lo i nhiên li u ph ỉ ộ ạ ệ ụ nhưng nó đặc bi t thành ệcông ở Brazil, và được sử ụng với các hỗn hợp tỷ ệ khác nhau ở các vùng vành d l đai nông nghiệp c a M ủ ỹ

Chúng ta có th “trể ồng” được nhiên li u không? Câu tr lệ ả ời là có, nhưng đòi hỏi chuyên canh và kỹ thuật tr ng c y làm sao cây lồ ấ ấy được nhiều khí CO2 L i thợ ế ủ c a

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

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

mà không c n sầ ửa đổi gì nhưng vấn đề không ch n m viỉ ằ ở ệc “trồng cấy”

1.2.2 LPG

LPG là khí thu đượ ừc t quá trình ch bi n dế ế ầu được hóa l ng Thành ph n hóa ỏ ầ

học chủ ếu của khí hóa lỏng LPG hỗn hợp gồm Propane C y 3H8 và Butane C4H10 Trong thực tế, thành ph n hầ ỗn h p các chấợ t có trong khí hóa l ng LPG không thỏ ống

nhất Tùy theo tiêu chuẩn của các nước, của các khu vực mà tỉ ệ thành phần trong l LPG khác nhau, có khi tỉ ệ ữ l gi a Propane và Butane là 50/50 hay 30/70 ho c có thặ ể lên đến 95/5 như tiêu chuẩn c a HD-5 c a M Ngoài ra, tùy thuủ ủ ỹ ộc vào phương pháp chế ế bi n mà trong thành phần của nó còn có thể có m t một lượặ ng nhỏ olefin nhu propylen, butylen LPG được phát hi n và s d ng t nhệ ử ụ ừ ững năm đầu th k 19, ế ỷ

đến những năm 50 của th k ế ỷ 20 Ngày nay, LPG được s d ng thay th cho các ử ụ ế

loại nhiên liệu truyền thống như than, củi điện… Việc sử ụng sản phẩm này mang d

đến nhiều ưu điểm thi t thế ực như chất lượng s n phả ẩm đồng đều, ti n l i và ti t ệ ợ ế

ki m ệ

Hình 1.3 Xe taxi thành ph H Chí Minh s d ng nhiên li ở ố ồ ử ụ ệu LPG

Do LPG có đặc tính ch ng kích n ố ổ cao nên động cơ dùng LPG ít gây kích nổhơn động cơ xăng nên làm tăng tuổi th c a đọ ủ ộng cơ Mặt khác thành ph n nhiên ầliệu LPG có rất ít tạp chất ( không có chì và lưu huỳnh ) nên sản phẩm cháy không

có mu i than, không có hiộ ện 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

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 u trung hoà COliệ 2trong khí quyển Biogas là kết quả phân

hu ỷ 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 ế bi n th c ph m…), các chấự ẩ t th i từ quá trình chăn nuôi… Quá trình diệ ụả p l c hoá của thực vật dưới tác động c a ánh sáng m t tr i h p th khí COủ ặ ờ ấ ụ 2 Nếu đốt nhiên li u có nguệ ồn từ ự th c vật thì CO2trong khí thải sẽ được cân bằng Hai nguồn biogas chính là các h m khí sinh h c và khí phát sinh tầ ọ ừ các bãi chôn lấp rác trong quá trình lên men hi m khí cế ủa các chất hữu cơ Biogas chứa chủ ế y u 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 tri n hi n nay (Mể ệ ỹ, Pháp, Đức, Đan Mạch…) đều sử ụ d ng khí biogas từ các bãi chôn lấp rác để ả s n xuất điện năng Công nghệ ả s n xuất biogas quy mô gia đình

đã được ph bi n r ng rãi các nưổ ế ộ ở ớc đang phát triển, đặc biệt là các nướ Ấn Độc và

Trung Quố Ở nước ta, các dự án sản xuất điện năng từ khí biogas thu được từ các c bãi chôn lấp rác cũng đã được xây d ng ự

Hình 1.4 Xe chở rác ch ạy bằ ng khí sinh h ọc ở thành ph Toronto ố

th ử nhưng quả là đắt đỏ Và vấn đề chính hiện nay là sản xuất và lưu trữ H2như thếnào Người ta cô đặc CO2 lđể ấy H2, nhưng việc lưu giữ thì khó khăn hơn vì phụthuộc vào áp suất yêu cầu cho dạng khí hay nhiệt độ ấp cho dạng lỏng Đây có thể th

là tiềm năng cho tương lai của ngành ôtô nhưng vẫn chưa tìm được đường ra Một điều đặc bi t c a lo i nhiên li u này là khí th i không ph i là COệ ủ ạ ệ ả ả 2 mà là nước

1.2.5 Khí thiên nhiên (CNG, LNG)

Trong các lo i nhiên li u trên, khí thiên nhiên là nguạ ệ ồn năng lượng sơ cấp rất

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

th giế ới đạt xấp xỉ 2 tỉ Tép (1000m3 = 0,85 Tep), tương đương khoảng 60% sản lượng d u thô [ ]ầ 18 Người ta ước tính đến năm 2020, sản lượng khí thiên nhiên trên th gi i s là 2,6 t ế ớ ẽ ỉ Tép/năm so vớ ản lượi s ng d u thô là 3,5 t Tép ầ ỉ

Tr ữ lượng khí thiên nhiên hiện nay khoảng 150 tỉ Tép, xấp xỉ ới trữ lượ v ng dầu thô Mặt khác, khí thiên nhiên có ưu điểm là phân b hố ầu như trên khắp địa

cầu nên đảm bảo được sự cung c p an toàn và thu n tiấ ậ ện hơn dầu thô

CNG còn có thêm một vài ưu điểm khác như giá thành rẻ hơn so với giá của các loại nhiên li u khác t 10% 30% Nệ ừ ÷ ếu so v i d u FO, DO, ớ ầ LPG thì dùng CNG trong sản xuất giá rẻ hơn 10% 15%, ÷ dùng trong v n t i giá rậ ả ẻ hơn 30÷40%,

vì th dùng nhiên li u này có thế ệ ể ả gi m tối đa chi phí nhiên liệu Theo tính toán của

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

một số nhà khoa họ giá 1 tấn khí CNG khoảng 318 USD, chỉ ằng 53,3% giá c, bxăng, 42% giá d u, vì th m i xe buýt s d ng CNG hoầ ế ỗ ử ụ ạt động 1 năm tiêt kiệm 8.308 USD nhiên li u so v i dệ ớ ầu diesel

T nhừ ững năm 1990, việc nghiên cứu sử ụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu d

đã được th c hi n nhi u khu v c trên th giự ệ ở ề ự ế ới Khí thiên nhiên được xem là nhiên

liệu sạch vì vậy việc sử ụng nó để chạy động cơ ngoài mục đích đa dạng hóa dngu n nhiên li u còn góp ph n làm gi m ô nhiồ ệ ầ ả ễm môi trường một cách đáng kể

với than đá và dầu mỏ, khí thiên nhiên là nhiên liệu hóa thạch Khí thiên nhiên cóthành phần thay đổi theo từng nơi khai thác Tuy nhiên thành phần của nó có th ểchứa đến 85% - 95% mêtan (CH4) và kho ng 10% êtan (Cả 2H6), và cũng có chứa s ốlượng nh ỏ hơn propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12), và các alkan khác Khí thiên nhiên, thường được tìm th y cùng v i các m d u trong v ấ ớ ỏ ầ ở ỏ Trái Đất, được khai thác và tinh l c thành nhiên li u cung c p cho kho ng 25% ngu n cung ọ ệ ấ ả ồ

1.3.1.2 Công nghệ tích trữ bảo quản CNG

Khí thiên nhiên đượ ạc t o ra t sinh v t phù du, các vi sinh v t sừ ậ ậ ống dưới nước bao g m tồ ảo và động v t nguyên sinh Khi các vi sinh v t này chậ ậ ết đi và tích tụ trên đáy đại dương, chúng dần b ị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các l p tr m ớ ầtích Tr i qua hàng triả ệu năm, áp suất và nhi t do các l p tr m tích ch ng lên nhau ệ ớ ầ ồtạo nên trên xác các loại sinh vật này đã chuyển hoá hoá học các chất hữu cơ này thành khí thiên nhiên Do d u mầ ỏ và khí thiên nhiên thường được tạo ra b ng các ằquá trình tự nhiên tương tự nhau, hai lo i hydrocacạ bon này thường được tìm thấy cùng nhau trong các b ểchứa ngầm tự nhiên Sau khi dần được tạo nên trong lòng v ỏTrái Đất, d u m ầ ỏ và khí thiên nhiên đã dần chui vào các l nh c a các tỗ ỏ ủ ầng đá xốp xung quanh, nh ng tữ ầng đá xốp này có vai trò như các bể ch a tự ứ nhiên Do các lớp

đá xốp này thường có nước chui vào, khí thiên nhiên v n nh ố ẹ hơn nước và kém dày

đặc các tầng đá xung quanh nên chúng chuyển lên trên qua l p vớ ỏ, 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

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 đố ự nhiên vào năm 2011, dẫn đầt t u là Iran

v i 2.86 tri u xe, Pakistan 2.85 tri u xe… ớ ệ ệ

B ng 1.3 ả Top mười qu c gia v i h u h t các xe CNG -2011 (ố ớ ầ ế đơn vị: tri u) ệ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

• T i khu v c Nam M : ạ ự ỹ

Xe CNG được s d ng ph bi n khu v c Nam M , ch y u là nh ng chi c ử ụ ổ ế ở ự ỹ ủ ế ữ ế

xe Taxi t i các thành ph chính c a Argentinạ ố ủ a và Braxin Đây là hai nước có đội xe CNG l n nh t, v i t ng cớ ấ ớ ổ ộng hơn 3,4 triệu xe vào năm 2009 Tính đến năm 2009 Argentina có 1.807.186 CNG và 1.851 tr m ti p nhiên li u trên toàn quạ ế ệ ốc và Braxin có 1.632.101 xe và 1.704 tr m ti p nhiên li u Colombia có 300.000 xe và ạ ế ệ

460 tr m ti p nhiên liạ ế ệu 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 ti p nhiên li u trong ế ệnăm 2009, nhưng dự đoán sẽ tăng vọt khi Peru n m trên tr ằ ữ lượng khí l n nh t ớ ấNam M ỹ

• Nam và Đông Á:

Tại Singapore, CNG ngày càng được sử ụng rộ d ng rãi, vớ các phương tiện i công cộng như xe buyt, taxi, cũng như xe vận chuy n hàng hóa Hiể ện nay các xe tư nhân cũng được chuyển đổi sang s dử ụng 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 xu t đ ng cơ có kh năng sấ ộ ả ản xu t1 triấ ệu đ ng cơ khí đố ằộ t h ng 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 T ng khổ ối lượng taxi trên toàn Trung Quốc là hơn 1,1 triệu xe, có khoảng hơn 50% động cơ CNG Trung Quốc là m t trong b y thộ ả ị trư ng xe khí hàng đờ ầu trên

th giế ới, 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 s xe số ử ụ d ng CNG rấ ớt l n kho ng 2,6 tri u và có mả ệ ạng lưới phân phối CNG trên toàn th gi i, và kho ng 1800 tr m ti p nhiên li u ế ớ ả ạ ế ệ

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

xe s d ng CNG và 124 tr m ti p nhiên li u ử ụ ạ ế ệ

• Châu Âu

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

Việc sử ụng CNG cho xe ở Ý bắt đầu năm 1930 và vẫn tiếp tụ d c cho đến ngày hôm nay Kể ừ năm 2008 thị trườ t ng xe sử ụng khí đốt đượ d c mở ộ r ng bởi sự gia tăng của giá xăng dầu và s c n thi t gi m ô nhiự ầ ế ả ễm môi trường

Ở Ý có hơn 800 trạm ti p nhiên li u CNG Tế ệ ại Đức xe CNG d ki n s tăng ự ế ẽlên 2 triệu đơn vị ậ v n tải vào năm 2020 Chi phí cho nhiên liệu CNG là từ 1/3÷1/2

so v i nhiên li u hóa th ch khác ớ ệ ạ 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 đố ự nhiên hàng đầt t u của Hoa Kỳ

Tại Hoa Kì, khí CNG được sử ụng rộng rãi do có hệ ống các đườ ống từ d th ng các giếng tới người tiêu dùng K t qu M có 1300 tr m ti p nhiên li u trong 46 ế ả ỹ ạ ế ệ

tiểu bang và con số này sẽ ếp tục phát triển Ngoài ra Chính Phủ ỗ ợ 50% vốn ti h tr chuyển đổi xe sang nhiên li u CNG ệ

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

th gi i và s tiế ớ ẽ ếp tục phát triển trong tương lai

1.3.2.2 T ại Việ t Nam

Việt Nam tự hào có 2000 tỷ m3 tr ữ lượng khí đốt tự nhiên, vì vậy mà đây sẽ là nguồn nguyên ệu sạch dồi dào cho phát triển kinh tế li quốc dân, trong đó có giao thông v n t i [ậ ả 16,17]

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

Hiện nay tổng công ty dầu khí Việt Nam (PV Gas) là đơn vị duy nhất cung cấp CNG cho thị trường trong nước, chi m 100% thế ị 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 n p CNG cho xe buýt, taxi…PV Gas hiạ ện có 2 thành viên đang đầu tư, kinh doanh, s n xu t CNG phả ấ ục vụ cho công nghi p, giao thông vệ ận tải Công ty cổphần CNG Việt Nam (CNG VN) đã đi vào hoạt động năm 2008 có công suất giai đoạn I là 30 tri u m3 ệ khí/1 năm chu yếu phục vụ công nghiệp Trong giai đoạn II CNGVN sẽ tăng lên công suất 250 tri u mệ 3 khí/năm CNGVN đã làm việc với PV Trans-CGT trong việc cung ấp CNG để CGT phục vụ trong giao thông vận tải cNgoài ra công ty Cổ Phần Khí hóa l ng miỏ ền Nam (PV GAS South) đang đầu tư nhà máy nén khí CNG t i KCN M Xuân A, t nh Bà Rạ ỹ ỉ ị Vũng Tàu vớa- i công suất ban đầu là 10 tri u m3 ệ /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 h tạ ầng đô thị và bảo vệ môi trường Trên tinh thần

đó, Sở giao thông v n t i TP.HCM và công ty C Ph n Khí hóa l ng miậ ả ổ ầ ỏ ền Nam đã triển khai kế hoạch nghiên cứ ứng dụng khí nén CNG cho xe buyt ởu TP.HCM Chương trình này còn có sự ph i h p Tố ợ ập Đoàn Sunjin (Hàn Quốc), m t trong ộnhững doanh nghiệp lớn vận chuyển hành khách bằng xe buýt công cộng với 90%

s ố lượng xe buýt s d ng CNG ử ụ

Theo s GTVT TP.HCM, vi c chuyở ệ ển đổi các xe buýt chạy xăng sang chạy CNG sẽ được thực hi n bệ ằng 3 phương pháp đó là: Lắp thêm bộ chuyển đổi, thay

th ế động cơ CNG, đầu tư mua xe buýt mớ ử ụi s d ng CNG

Quá trình được th c hiự ện trước m t b ng cách chuyắ ằ ển đổ ầi d n d n xe buýt lo i ầ ạ

lớn (B80) và loại trung (B50) sang sử ụng CNG Hiện tại 2 chiếc xe buýt sử ụ d d ng CNG đã được nh p kh u v t Hàn Qu c và giao cho công ty xe khách Sài Gòn và ậ ẩ ề ừ ốLiên Hi p HTX v n t i TP qu n lý Ônệ ậ ả ả g Dương Hồng Thanh-Phó Giám Đốc SởGiao Thông v n t i cho bi t: Qua tính toán các thông sậ ả ế ố kĩ thuật, kinh t cho thế ấy

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

xe buýt sử ụ d ng CNG ti t ki m 50% 60% giá thành v n chuy n, chi phí nhiên liế ệ - ậ ể ệu

và ô nhiễm môi trường Chính k t quế ả này Thường Tr c UBND TPHCM vùa chự ấp thuận cho chạy thử xe buýt chạy bằng CNG thay cho Diesel Kết quả ực tế cũng th

đã chứng minh: Vi c sử ụng xe buýt CNG đã tiếệ d t kiệm được 30% 40% nhiên li- ệu

so v i xe buýt sớ ử ụ d ng d u diesel, và giầ ảm 100% khói đen, không có mùi hôi Mức

độ ồ n giảm được kho ng 3dB so v i nhiên li u lả ớ ệ ỏng Lượng phát th i khí CO2 ả

giảm 20%, NOx giảm 57%,CO giảm 63%.Theo kế hoạch, trong giai đoạn 2009

-2010, S GTVT sở ẽ ến hành đưa vào hoạt độ ti ng 38 chuy n xe buýt trên 2 tuy n sế ế ố

30 (Ch ợ Tân Hương-Suối Tiên) và số 1( Bến xe miền Tây chợ nông sản Thủ 9 Đức) Cũng trong năm 2009, Tập đoàn ô tô Thành Công đã tổ ch c l kí k t và ứ ễ ếgiao lô hàng 50 xe đầu tiên trong hợp đồng cung c p 500 chi c xe buýt hi u ấ ế ệDaewoo ch y b ng khí thiên nhiên cho công ty Sonadezi ạ ằ ở Đồng Nai S xe buýt ốnày sẽ được sử ụ d ng 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 ụ d ng lo i nhiên li u này ạ ệ

Như ậv y có th th y r ng tiể ấ ằ ềm năng của khí CNG trong giao thông v n t i ậ ảcũng như công nghiệp t i Vi t Nam là r t l n [ ] ạ ệ ấ ớ 18 Xu hướng s d ng nhiên li u ử ụ ệ

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

PV GAS đang chuẩn b các k hoị ế ạch đảm b o nguả ồn cung CNG để ị k p thời đáp

ứng nhu c u th ầ ị trường và xu hướng c a th gi i Tuy nhiên giá xe buýt nh p kh u ủ ế ớ ậ ẩ

v ề 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 d ng ụnhiên liệu khí CNG có ý nghĩa thực tế cao với các lí do:

- Chi phí ch t o b chuyế ạ ộ ển đổi( h th ng cung c p CNG) th p ệ ố ấ ấ

- T n dậ ụng động cơ sẵn có

Cuối cùng như nhiên liệu khác việc sử ụ CNG đòi hỏ d ng i:

- Chính sách thu khuyế ến khích ngườ ử ụngi s d

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

- Cơ ở ạ ầs h t ng phục vụ ệ vi c cung cấp CNG cho động cơ

Hình 1.7 Trạ m d ch v công c ng cung c ị ụ ộ ấp CNG cho động cơ

1.3.3 Tình hình sử ụng khí CNG cho động cơ xăng d

Nhiệt trị khối lượng của CNG cao hơn (khoảng 10%) so với nhiên liệu lỏng thông thường Cùng hi u suệ ất như nhau, suất tiêu hao nhiên li u (tính theo kh i ệ ốlượng) của động cơ dùng CNG giảm cũng chừng y l n [ấ ầ 22]

0 Năng lượng hỗn hợp của CNG cao hơn so v i xăng, trong đ ng cơ chuyên dớ ộ ụng, công suất, tính gia tốc và tốc độ tiết kiệm của ô tô CNG tốt hơn ô tô dùng đ ng cơ ộ

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

xăng Do quá trình cháy c a CNG có đ c điủ ặ ểm sạch hơn, nên ô tô sử ụ d ng đ ng cơ ộCNG hoạt động hi u qu ệ ảhơn so với ô tô xăng, làm tăng tuổi thọ cho ô tô Ở những ô

tô làm việc nặng thì đ ng cơ sộ ử dụng CNG s ít n hơn so v i đ ng cơ diesel.ẽ ồ ớ ộ

Mặc dù CNG là khí đ t, nhưng phố ạm vi cháy hẹp, làm cho nó là nhiên liệu an toàn Mứ ộc đ an toàn c a ô tô CNG ngang hàng với ô tô xăng Khi bị tràn ra ngoài do ủtai nạn, thì CNG không gây hại cho đ t và nư c, nó không đấ ớ ộc 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 đố ới v i nh ng lo i nhiên liữ ạ ệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhi m c a ễ ủđộng cơ dùng CNG liên quan đến thành ph n hydrocarbure c a nhiên liầ ủ ệu, ( thường nhiên li u CNG ch a ít nhệ ứ ất 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 s hi n diự ệ ện của thành phần hydrocarbure thơm

Liên quan đến vấn đề ạ t o ozone h t ng khí quy n, khí thở ạ ầ ể ải động cơ CNG có

hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến hai lần Tính chất này chủ ếu do nhiên liệu yCNG ch a ph n l n methane, thành phứ ầ ớ ần các chất ho t tính (butenes, butaạ -1, 3-diene, xylenes) r t th p ho c có th b qua ấ ấ ặ ể ỏ

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 h p lỏợ ng Tuy nhiên s ôxy ựhóa methane còn l i trong khí xạ ả ất khó khăn Muố r n lo i trạ ừ chất này c n sầ ử ụ d ng

Những phiền phứ ặc đ c biệt củ ộng cơ diesel (ồn, hôi, khói đen …) sẽa đ được

giảm đi rất nhiề đối với động cơ CNG Mứu c đ ồn giảm được khoảng 3 db khi ộđộng cơ hoạt động không t i v i ô tô bus thành ph ả ớ ố

V ềmùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh để phát hiện sự dò rỉ được thêm vào nhiên liệu với thành ph n r t th p (20 hay 25mg/mầ ấ ấ 3) nên bị đốt cháy hoàn toàn Vì

v y nên khí x ậ ả động cơ CNG rất ít hôi so v i khí x ớ ả động cơ diesel

V s ề ự ảnh hưởng của khí thải động cơ sử ụng CNG đến hiệ ứng nhà kính, d u Methane cũng như CO2 và N2O là khí gây hiệ ứu ng nhà kính m t cách tr c ti p vì ộ ự ế

vậy ta rất quan tâm đến việc nghiên cứ ảnh hưởng của việ ộng cơ CNG đếu c đ n việc nóng lên của bầu khí quy n ể

B ng 1.6 ả So sánh mức độ phát sinh khí gây hi u ệ ứng nhà kính đố ới đội v ng cơ

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

Trong th c tự ế độ ng cơ CNG phát sinh ít CO2 so vớ ội đ ng 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 đ ng cơ xăng và 5% so v i đ ng cơ Diesel Do đó viộ ớ ộ ệc sử ụ d ng CNG sẽ làm gi m đi đáng k lưả ể ợng khí gây hi u ệ ứng nhà kính trên ph m vi toàn cạ ầu

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

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 ph n chính là methane CHầ 4 (75%-95%) tu thuỳ ộc nơi khai thác) là lo i khí nh có H/C cao nên phát th i CO và COạ ẹ ả 2 s thẽ ấp hơn xăng và diesel Tuy nhiên, khí thiên nhiên nén CNG là nhiên li u khí nên có th làm công ệ ểsuất động cơ giảm so với chạy xăng và diesel khi dùng phương pháp tạo hỗn hợp bên ngoài M t khác, sặ ự ạ t o thành và phát thải NOx cũng cần được nghiên cứu để

có hướng x lý phù hử ợp Do đó, đề tài này th c hi n vi c nghiên c u mô ph ng ự ệ ệ ứ ỏđánh giá đặc tính làm vi c và phát th i NOx c a đệ ả ủ ộng cơ xăng khi chạy CNG s ử

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

vi c nghiên c u chuyệ ứ ển đổi động cơ xăng hiện hành sang s d ng CNG ử ụ Ảnh hưởng

của 2 phương pháp tạo hỗn hợ khi chạy CNG được nghiên cứu là dùng bộ ộn có p tr

h ng khuy ch tán và phun gián tiọ ế ếp đa điểm

Việc nghiên cứu mô phỏng được thực hiện với động cơ 1NZ FE là động cơ xăng 4 kỳ 4 xi lanh s d ng h thử ụ ệ ống phun xăng vào cửa n p trên xe Toyota Vios ạ

-nhằm giảm chi phí thí nghiệm trước khi quyết định chọn phương án chuyển đổi động cơ này sang chạy CNG Hi n nay có nhi u ph n mệ ề ầ ềm thương mại cho phép nghiên c u mô phứ ỏng động cơ để tính toán chu trình nhi t và phát th i cệ ả ủa động cơ Tuy nhiên, các ph n mầ ềm này đắt ti nên không phền ải người nghiên cứu nào cũng

có thể ế ti p c n và sậ ử ụng đượ d c 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 giảthiết nhiệt độ khí đã cháy là đồng nhất trong khi thực tế nhiệ ột đ khí đã cháy trong

xi lanh là khác nhau tại các điểm không gian Điều này ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của vi c tính toán s tệ ự ạo thành NOx Do đó, đề tài này ch n xây d ng và phát ọ ựtriển 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 ạ t o thành NOx vì s t o thành NOx r t nhự ạ ấ ạy cảm v i nhiớ ệt độ khí cháy

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

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 ph thu c vào t c đ lan tràn màng lụ ộ ố ộ ửa nên điều ki n cháy và th i ệ ờgian truyền nhiệ ẽ t s khác nhau Do v y nhiậ ệt độ ủ c a chúng t i cùng m t thạ ộ ời đ ểi m

s ẽ khác nhau Do đó, để tính toán được nhiệt độ khí cháy tại các vùng khác nhau trong xylanh g n v i giá trầ ớ ị đúng của nó, làm cơ sở để tính toán sự ạ t o thành các thành phần khí cháy được chính xác, c n ph i xây dầ ả ựng mô hình đa vùng [9, 10] Trong mô hình này, khác v i mô hình hai vùng môi chớ ất trong xylanh được phân chia thành nhi u vùng nh theo th tích, m i vùng có mề ỏ ể ỗ ột nhiệt độ khác nhau, còn

áp suất thì được giả thiết là như nhau trong toàn bộ ể th tích khí trong xylanh ở ỗ m i

thời điểm

Để cho đơn giản và đảm b o tính toán nhiả ệt độ khí th t i các vùng trong ể ạxylanh chính xác, ta giả thiết phân chia th tích hể ỗn hợp cháy trong xylanh thành vùng h n hỗ ợp chưa cháy, các vùng h n hỗ ợp đã cháy và vùng h n hỗ ợp đang cháy ngăn cách nhau bằng các mặt đẳng nhi t ệ

Các vùng hỗn hợp đã cháy có khối lượng bằng nhau và có nhiệt đội Ti Trong quá trình cháy, th tích và khể ối lượng h n hỗ ợp chưa cháy giảm d n, sầ ố vùng

h n hỗ ợp đã cháy tăng dần cho đến khi quá trình cháy kết thúc thì đạt đến s vùng t i ố ố

đa đã định Tức là khi 1 vùng đang cháy hết ph n h n hầ ỗ ợp đã định thì chuy n sang ểcháy vùng ti p theo [ ] ở ế 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 ọt khí, sự l cháy sinh nhi t và sệ ự trao đổi nhiệt của khí trong xylanh v i thành buớ ồng 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 d ng cho th tích khí trong xylanh ụ ể ở mọi thời điểm [ ] 9

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

=∑

j

j d

dm d

dV p d

dQ d

dm u d

du m

θθ

θθ

Ở đây:

m là khối lượng khí trong xylanh (kg)

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

p là áp su t khí trong xylanh (kPa) ấ

mj, hj, (j=khí nạp,thải và l t) là khọ ối lượng và enthalpy của khí nạp, thải,

và

l t (kg) và (kJ/kg) ọ

Q là nhiệt lượng trao đổ ới v i thành bu ng cháy (kJ) ồ

Trong phương trình trên:

+ Khối lượng khí trong xilanh biến đổ i theo góc quay tr c khu ụ ỷu và đượ c tính như sau:

u

V m

υ

= t i ạ θevo < ≤θ 360 (n và x ) (2.5) ổ ả

Ở đây:

υu, υb là th tích riêng cể ủa khí chưa cháy và đã cháy

m là kh ivc ối lượng khí n p trong xylanh bạ ắt đầu quá trình nén

C là h s ph thu c lo l ệ ố ụ ộ ại động cơ.

V là thể tích xi lanh là một hàm theo góc quay trục khuỷu và các thông số

V V V

V V

V

V V

V

c c

h c

h c c

( ) 1

m s b

a

θ θ θ

Trong phương trình trên Q&và u Q& là nhiệt lượng do môi chất chưa cháy và bi

khí đã cháy truyền cho thành buồng cháy được tính theo công th c sau: ứ

v i ớ b là bán kính xylanh; h và hjlà hệ ố s truyền nhiệt giữa hỗn hợp chưa cháy

và hệ ố s truyền nhi t giệ ữa khí đã cháy ở các vùng khác nhau v i thành bu ng cháy ớ ồ

và được xác định theo các bi u th c c a Woschni [ ] ể ứ ủ 11

Hoàng Phúc Thọ Lớp CH12B -CKĐL

h=129.8b p c T− 0.2 0.8 0.8 u− 0.55 (W/m2K) (2.21)

h i =129.8b p c T− 0.2 0.8 0.8 bi− 0.55

Ở đây:

p là áp su t trong xi lanh (bar) ấ

T u , T bi là nhiệt độ ủa hỗ ợp khí chưa cháy và đã cháy (K) c n h

c=6,18c m Cho quá trình trao đổi khí

+ Các phương trình mô hình toán tổ ng quát

Tóm lạ ất cả các thông số trong phương trình i, t (2.2) có thể xác định từ các phương trình từ (2.3) t i (2.22) Tớ rong các phương trình này, Cl, ω và b là các hằng

s ố 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 tr c khu u Tụ ỷ ất cả các bi n ế ln

phương trình (2.8) ta có d ng hàm sau: ạ