giáo trình động cơ đốt trong

Chương CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT Ơ NHIỄM TRONG KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 6.1 Giới thiệu Nồng độ chất ô nhiễm khí xả phụ thuộc vào đặc điểm động thông số điều chỉnh, vận hành Về đặc điểm, động kì cổ điển nói chung có mức độ phát nhiễm cao động kì q trình tạo hỗn hợp khơng hồn thiện Tuy nhiên, động kì đại phun nhiên liệu trực tiếp buồng cháy nghiên cứu phát triển khắc phục nhược điểm trở thành loại động có nhiều triển vọng tương lai Động Diesel có hiệu suất cao động đánh lửa cưỡng trình cháy khuếch tán làm việc với hệ số dư lượng khơng khí cao, sản phẩm cháy có chứa bồ hóng NOx, chất nhiễm mà việc xử lí đường xả ngày nhiều vướng mắc mặt kĩ thuật Động sử dụng nhiên liệu khí bắt đầu phát triển từ năm đầu thập niên 1990 có nhiều ưu điểm mặt phát sinh ô nhiễm Thực nghiệm đo động cho thấy động sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) hay khí thiên nhiên (NGV) thỏa mãn dễ dàng tiêu chuẩn ô nhiễm môi trường khắt khe (tiêu chuẩn ULEV chẳng hạn) Tuy nhiên phát triển chủng loại động phụ thuộc nhiều điều kiện, đặc biệt điều kiện sở hạ tầng phục vụ cho việc cung cấp nhiên liệu khí Mức độ phát sinh ô nhiễm động phụ thuộc đáng kể vào điều kiện vận hành Việc điều chỉnh không phù hợp thông số công tác việc lựa chọn chế độ làm việc khơng hợp lí dẫn đến gia tăng đáng kể nồng độ chất nhiễm khí xả Luật mơi trường ngày trở nên khắt khe buộc người ta phải áp dụng biện pháp xử lí khí xả sau thoát khỏi động xúc tác Tuy nhiên tỉ lệ biến đổi chất ô nhiễm ống xả xúc tác đạt giá trị yêu cầu nhiệt độ khí xả đạt giá trị định Vì cần phải làm giảm nồng độ chất ô nhiễm đến mức thấp trước xử lí xúc tác Tất điều chỉnh hay thay đổi kết cấu bên động gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm 6.2 Trường hợp động đánh lửa cưỡng 78 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt 6.2.1 Động hai kì Mặc dù có nhiều cải tiến kết cấu nhằm hạn chế hòa trộn khí cháy khí chưa cháy, đặc biệt động dùng chế hòa khí, khơng tránh khỏi thất phận khí làm tăng phát sinh HC làm giảm tính kinh tế kĩ thuật động hai kì Thêm vào đó, làm việc tải cục bộ, dạng động dễ bỏ lửa làm tăng HC Một giải pháp làm giảm tổn thất nhiên liệu q trình qt khí làm thay đổi phân bố độ đậm đặc hỗn hợp nhiên liệu khơng khí xy lanh cho có hỗn hợp nghèo đường thải Một giải pháp khác có hiệu phun nhiên liệu vào buồng cháy cửa thải đóng Tuy nhiên với giải pháp người ta phải dùng bơm động dẫn động làm giảm cơng suất có ích động Mặt khác, so với động kì, thời gian cuối trình nén (sau đóng cửa nạp cửa thải) ngắn đòi hỏi phải phun nhiên liệu với tốc độ lớn, phận nhiên liệu bám lên thành buồng cháy làm tăng nồng độ HC khí xả Một giải pháp tiết kiệm phun nhiên liệu khơng khí áp suất cao trích giai đoạn nén Để tránh tượng bám nhiên liệu thành, người ta dùng vòi phun áp suất thấp đặt buồng cháy dự bị trước xúpáp nạp phun trực tiếp trước hỗn hợp đậm với tốc độ tương đối thấp Kĩ thuật quét khí cháy khơng khí cho phép hạn chế tối đa phát thải HC khí xả Kĩ thuật cho phép giảm từ 80% đến 90% nồng độ HC so với giá trị thông thường động hai kì cổ điển Nồng độ NOx khí xả động hai kì đại cao chút so với động kì cổ điển hiệu suất cháy cao làm việc với hỗn hợp nghèo 6.2.2 Động làm việc với hỗn hợp nghèo Động đánh lửa cưỡng làm việc với hỗn hợp nghèo nghiên cứu từ lâu nhằm giảm suất tiêu hao nhiên liệu dẫn đến giảm nồng độ CO2, chất 'ô nhiễm' quan tâm nhiều năm gần chất khí gây hiệu ứng nhà kính Khi động làm việc với hỗn hợp nghèo (hệ số dư lượng không khí a >1,25), nồng độ chất nhiễm (CO, HC, NOx) giảm Khi hệ số dư lượng khơng khí thay đổi từ a=1,0 đến a=1,4, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 7%, nồng độ NOx giảm đến 85% so với động làm việc với hỗn hợp có a=1 kết hợp với việc giảm cách hợp lí góc đánh lửa sớm Tuy nhiên ưu điểm có điều kiện hỗn hợp gần nến đánh lửa bốc cháy lan tràn màng lửa diễn cách bình thường Điều đòi hỏi việc tổ chức tốt q trình cháy phân bố hợp lí độ đậm đặc hỗn hợp buồng cháy Khi gia tăng hệ số dư lượng khơng khí hay làm bẩn hỗn hợp khí xả hồi lưu vượt giới hạn cho phép dẫn đến: 79 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất ô nhiễm khí xả động đốt - giảm tốc độ cháy, điểm cực đại áp suất lệch phía giai đoạn giãn nở dù đánh lửa sớm - momen phát không dẫn tới làm việc không ổn định - thường xuyên bỏ lửa - gia tăng mức độ phát sinh HC - gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu tốc độ cháy giảm Những giải pháp cho phép động hoạt động gần giới hạn nghèo hỗn hợp chia làm ba loại: - Các giải pháp tác động trước hỗn hợp vào cylindre: chuẩn bị định lượng hỗn hợp nhiên liệu (chế hòa khí hay phun), hệ thống điều chỉnh hỗn hợp, thiết kế hợp lí đường nạp - Các biện pháp tác động bên động cơ: hình dạng buồng cháy, bố trí soupape nến đánh lửa - Các biện pháp tác động đường thải: thiết kế đường thải, trang bị xúc tác oxy hóa để hạn chế CO HC Để động làm việc với hỗn hợp nghèo người ta áp dụng giải pháp nạp phân lớp hỗn hợp nhiên liệu-khơng khí vào xy lanh động cho gần điểm đánh lửa, độ đậm đặc hỗn hợp cao giá trị trung bình để bén lửa bốc cháy Người ta thử nghiệm nhiều hệ thống tạo hỗn hợp phân lớp có hai dạng ứng dụng khả quan nhất: hệ thống buồng dự bị (dạng CVCC) hệ thống phun trực tiếp (dạng PROCO) - Hệ thống Honda CVCC dùng buồng cháy phụ nhỏ có soupape nạp riêng (hình 6.1) Hỗn hợp giàu nạp vào buồng cháy phụ hỗn hợp nghèo nạp vào buồng cháy qua soupape nạp thơng thường Hỗn hợp giàu buồng cháy phụ đốt tia lửa điện Sản phẩm cháy có nhiệt độ cao thoát khỏi buồng cháy phụ tiếp tục đốt cháy hỗn hợp nghèo buồng cháy Hệ thống làm giảm nhiệt độ cực đại trình cháy, làm giảm NOx, đủ cao để oxy hóa HC Mặt khác, độ đậm đặc hỗn hợp thấp nên nồng độ CO khí xả giảm Động làm việc với hệ thống có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp, cơng suất lít cylindre giảm Do từ năm 1986 khơng nghiên cứu thay vào đó, người ta nghiên cứu hệ thống tương tự chế hòa khí thay hệ thống phun Ở hệ thống này, vòi phun phun nhiên liệu có áp suất 3,5 MPa tạo nên vùng hỗn hợp giàu gần nến đánh lửa buồng cháy phụ có kích thước bé Hệ thống làm giảm NOx làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu Hỗn hợp giàu Hỗn hợp nghèo Họng 80 thông Nạp Nén Cháy Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Hình 6.1: Sơ đồ động tạo hỗn hợp phân lớp sử dụng buồng cháy phụ - Hệ thống Ford PROCO thực phân lớp hỗn hợp cách phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy (hình 6.2) Hệ thống khơng có buồng cháy phụ sử dụng buồng cháy khoét lõm đỉnh piston Người ta sử dụng tia phun có góc phun rộng với hỗn hợp giàu phun vào cylindre vòi phun có độ xuyên thâu bé Hỗn hợp đốt nhờ tia lửa điện lan đến hỗn hợp chung quanh nghèo piston xuống nhờ cường độ xốy lốc mạnh Vòi phun Hình 6.2: Sơ đồ động tạo hỗn hợp phân lớp phun trực tiếp PROCO - Hệ thống TEXACO TCCS: Khác với hệ thống PROCO, hệ thống phun nhiên liệu theo phương tiếp tuyến với buồng cháy hướng phía nến đánh lửa trình đánh lửa kéo dài Việc điều chỉnh tối ưu thời gian phun thời điểm đánh lửa cho phép khởi đầu trình cháy thời điểm mà hỗn hợp giàu đạt đến nến đánh lửa; màng lửa giữ lại với điều kiện nhiên liệu khuếch tán khơng khí chung quanh Hệ thống có nhược điểm giống động Diesel (hỗn hợp không đồng nhất) phát sinh nhiều hạt rắn khí xả Giải pháp hạn chế nhược điểm việc đánh lửa sử dụng lửa điện có lượng lớn (tăng khoảng cách hai điện cực, kéo dài thời gian đánh lửa), giảm tổn thất nhiệt nến đánh lửa (cực đánh lửa nhỏ, giảm đường kính nến đánh lửa từ 14 xuống 10mm) tăng số điểm đánh lửa Năng lượng đánh lửa (khoảng 10mJ) đủ để đảm bảo hoạt động ổn định mức độ phát sinh HC bé Bố trí hai nến đánh lửa 81 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt trong buồng cháy cho phép tăng xác suất đánh lửa, tăng lượng đánh lửa tốc độ cháy mà không làm tăng tổn thất nhiệt Nhưng giải pháp làm tăng giá thành làm giảm tuổi thọ hệ thống đánh lửa Những khuynh hướng khác dựa vào gia tăng cường độ rối buồng cháy động Bằng cách thay đổi dạng hình học buồng cháy, nguy màng lửa bị tắt giảm cách giảm tỉ số diện tích bề mặt/thể tích gia tăng cường độ rối trình nạp để gia tăng tốc độ cháy Sự cải tiến dạng buồng cháy cho phép giảm áp suất cực đại, giảm NOx người ta chưa tìm dạng buồng cháy lí tưởng thay đổi hình dạng buồng cháy dường không gây ảnh hưởng đến phát sinh HC Giải pháp làm tăng cường độ rối thiết kế đường nạp hợp lí Sự gia tăng cường độ xoáy lốc cho phép giảm khoảng thời gian từ lúc bật tia lửa điện đến hỗn hợp bắt đầu cháy thời gian cháy; giá trị có độ lớn tương đương với q trình cháy cổ điển Giải pháp thứ hai trang bị hai soupape nạp cho cylindre hay lắp soupape nạp dẫn hướng Soupape đóng lại tải cục mở đầy tải Giải pháp cuối làm tăng cường độ rối động riêng rẽ thực tia khí cao tốc phun ống dẫn có tiết diện nhỏ ống nạp theo hướng tiếp tuyến với thành cylindre vị trí soupape nạp Hệ thống có hai bướm gió điều khiển cách riêng rẽ theo tải động Nó có ưu điểm khơng làm thay đổi dạng hình học buồng cháy, khơng cần thiết đánh lửa hai điểm cho phép động chạy chế độ không tải với độ đậm đặc thấp Sự gia tăng cường độ rối cách thêm tia khí cho phép dịch chuyển giới hạn cháy ổn định phía độ đậm đặc thấp (từ 0,95 xuống 0,75), cho phép nhận làm việc ổn định chế độ không tải Khi động làm việc với độ đậm đặc 0,7 thay 0,8, nồng độ NOx 1/6 nồng độ CO giảm 50% làm tăng HC Vận động rối buồng cháy cho phép sử dụng thuận lợi hệ thống hồi lưu khí xả: chẳng hạn cho phép tăng từ 20% lên 28% lượng khí xả hồi lưu để làm giảm NOx mà không làm tăng HC Khi dùng hệ thống phun tập trung trình tạo hỗn hợp cải thiện so với sử dụng hệ thống phun riêng rẽ thời gian bay hỗn hợp kéo dài Vì hệ thống cho phép giảm từ 10 đến 15% HC điều kiện làm việc với động phun riêng rẽ Khi tăng nhiệt độ khí nạp hỗn hợp chuẩn bị tốt bốc nhiên liệu diễn thuận lợi hơn: độ đậm đặc nhau, nồng độ HC giảm từ 20 đến 30% tăng nhiệt độ khí nạp từ 25 lên 80°C, làm tăng nồng độ NOx từ 35 lên 55% Do 70 đến 80% nồng độ CO HC liên quan đến hai phút chu trình khởi động nguội, theo qui trình FTP-75, sấy cục đường nạp giai đoạn xúc tác chưa 82 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt đạt nhiệt độ khởi động cho phép làm giảm nồng độ chất ô nhiễm Trong thực tế, người ta bố trí đường nạp động phun nhiều điểm phần tử cấp nhiệt để nâng nhiệt độ khu vực sấy lên khoảng 40 đến 50°C tia phun hướng khu vực Công suất điện cung cấp cho phần tử nhiệt giảm dần cắt hoàn toàn nhiệt độ nước làm mát khoảng 60-65°C Tốc độ lưu thơng khí nạp ảnh hưởng đến mức độ phát sinh HC Tốc độ khống chế đường kính soupape nạp Khi giảm đường kính soupape nạp từ 35 đến 29mm mức độ phát sinh HC giảm từ 15 đến 25% Khi phun riêng rẽ, vị trí đặt vòi phun trường hợp cylindre có hai soupape nạp có ảnh hưởng lớn đến mức độ phát sinh HC momen động Tuy nhiên vị trí đặt vòi phun chủ yếu lựa chọn cho động khởi động dễ dàng Người ta nghiên cứu hệ thống để cải thiện việc chuẩn bị hỗn hợp trường hợp phun riêng rẽ sấy nóng hỗn hợp, phun khí nạp với tốc độ lớn, xé tia phun siêu âm Chất lượng xé tơi tia phun đóng vai trò quan trọng đến mức độ phát sinh ô nhiễm Những hạt nhiên liệu có đường kính bé bị theo dòng khơng khí ống xoắn đường nạp, giảm nguy va chạm vào thành Khi đường kính thủy lực hạt nhiên liệu khoảng 10 micron va chạm hạt nhiên liệu vào thành không xảy ra, đảm bảo phân bố tối ưu hỗn hợp nhiên liệu khơng khí cylindre Trong thực tế, chế hòa khí cho phép phân bố tốt hỗn hợp động làm việc tải thấp, ngược lại phun nhiên liệu đảm bảo phân bố tốt hỗn hợp động làm việc tải cao Thật vậy, chế độ tải thấp độ chân không đường nạp lớn, chất lượng xé tơi nhiên liệu sau khỏi vòi phun trường hợp chế hòa khí tốt hơn; ngược lại trường hợp tải cao, chất lương xé tơi nhiên liệu xấu nhiều so với trường hợp phun nhiên liệu Điều chỉnh góc độ phối khí có ảnh hưởng đến mức độ phát sinh nhiễm Góc độ điều chỉnh cho giá trị áp suất cực đại, momen chế độ tải thấp tối ưu khả động làm việc ổn định chạy không tải với tốc độ thấp Tăng thời kì trùng điệp chế độ không tải làm tăng mức độ phát sinh ô nhiễm làm việc không ổn định động cơ, cải thiện tính động chế độ tốc độ cao đồng thời làm giảm NOx hỗn hợp nạp bị làm bẩn phận khí cháy đẩy vào đường nạp piston lên Sự gia tăng góc độ trùng điệp hợp lí làm giảm 80% nồng độ HC Lượng HC sản phẩm cháy thoát đường thải xem chứa hai bọng khí: bọng khí thứ tương ứng với thể tích chết gần soupape thải (các không gian chết quanh soupape, ren nến đánh lửa ) bọng khí thứ hai tương ứng với thể tích chết xa (khe hở segment ) Gia tăng góc độ trùng điệp loại trừ hồn tồn bọng khí thứ hai đường xả Khi thời gian cháy giảm, nhiệt độ cháy tăng, mức độ phát sinh NOx gia tăng Giảm góc đánh lửa sớm số điều kiện làm việc động cho phép kéo dài thời gian cháy, nhiệt độ cháy giảm, thuận lợi cho việc giảm NOx Mặt khác, đánh lửa muộn làm gia tăng nhiệt độ khí thải tạo điều kiện thuận lợi cho việc đốt cháy thành phần HC có mặt khí xả 83 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Gia tăng tỉ số S/D làm tăng tốc độ cháy tạo điều kiện dễ dàng cho bén lửa động làm việc với hệ số dư lượng khơng khí cao Điều có lợi trường hợp động làm việc với tải cục có lợi động làm việc tải cao Một phương án khác để làm tăng tốc độ cháy tốc độ lan tràn màng lửa tăng tỉ số nén (đến 18), điều kiện khơng xảy tượng kích nổ Tăng tỉ số nén có khuynh hướng tăng mức độ phát sinh NOx Khi động làm việc với hỗn hợp nghèo hay giàu, nồng độ NOx giảm mạnh (hình 6.3) Hồn thiện việc chuẩn bị hỗn hợp bao hàm việc khống chế mức độ đậm đặc cylindre giai đoạn độ Phương án tốt phun nhiên liệu riêng rẽ kết hợp với sấy nóng vòi phun đường nạp Phương án cho phép cải thiện tính khởi động trạng thái nguội Mặt khác sấy nóng đường nạp có tác dụng đặc biệt việc tránh ngưng tụ nhiên liệu thành đường nạp (lớp nhiên liệu ngưng tụ bốc lại chế độ đầy tải làm tăng độ đậm đặc hỗn hợp) Làm mát riêng rẽ thân động nắp cylindre cho phép trì thân động nhiệt độ cao nắp cylindre điều cho phép thu hồi nhiệt độ thân máy tải thấp có tác dụng tích cực đến việc giảm HC NOx N=2000 v/ph Hình 6.3: Ảnh hưởng tỉ số nén đến mức độ phát sinh ô nhiễm suất tiêu hao nhiên liệu (động xăng cylindre, dung tích lít, l: độ đậm đặc hỗn hợp; be: suất tiêu hao nhiên liệu, we: cơng có ích, e: tỉ số nén, _ _ : e = 9,3; -.-: e =11,0; -: e =13,0; _: e =15,0) Khi động chuyển sang làm việc với hỗn hợp nghèo, lệch chu kì áp suất thị trung bình trở nên quan trọng: độ đậm đặc hỗn hợp l=0,8, áp suất có ích trung bình dao động cực đại 20kPa, dao động đạt 140kPa l=1,2 Do đó, để cải thiện tính phát lực động làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta phải khống chế dao động momen (đo cảm biến gia tốc lắp bánh đà động cơ) cách điều chỉnh thời điểm bắt đầu phun thời gian phun nhờ hệ thống khép kín hay theo biểu đồ thiết lập trước Sự khống chế dao động momen cho phép giảm đến mức tối thiểu mức độ phát sinh HC, chất nhiễm tăng nhanh chóng theo làm việc không đồng động 84 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt 6.2.3 Ảnh hưởng chế độ vận hành động xăng 6.2.3.1 Cắt nhiên liệu giảm tốc Để hạn chế nồng độ HC giai đoạn động đóng vai trò phanh tơ (khi giảm tốc cài li hợp), biện pháp tốt ngưng cung cấp nhiên liệu Tuy nhiên động tác dẫn tới điều bất lợi làm xuất hai điểm cực đại HC: đỉnh cực đại HC thời điểm cắt nhiên liệu điểm cực đại thứ hai cấp nhiên liệu trở lại Đối với động dùng chế hòa khí, để tránh giai đoạn độ động phát lực trở lại, người ta sử dụng hệ thống cho phép cung cấp thêm nhiên liệu dự trữ Nhiên liệu tích trữ hệ thống bù trừ giai đoạn giảm tốc Sự cung cấp nhiên liệu bổ sung cho phép trì độ đậm đặc hỗn hợp cách hợp lí thời điểm mở đột ngột bướm ga trở lại Đối với động phun nhiên liệu, người ta sử dụng hệ thống cho phép điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào đường nạp theo lưu lượng khơng khí Khi giảm tốc, bướm ga đóng lại, van giảm tốc mở để cung cấp khơng khí cho động người ta sử dụng lượng khơng khí để điều khiển lượng nhiên liệu Trong trường hợp đó, động hút thể tích khí lớn trường hợp động dùng chế hòa khí Hai điểm cực đại HC xuất giống trường hợp động dùng chế hòa khí 6.2.3.2 Dừng động đèn đỏ Chế độ dừng động hợp lí tơ chạy thành phố làm giảm đồng thời mức độ phát sinh ô nhiễm suất tiêu hao nhiên liệu Thực nghiệm cho thấy thời gian dừng ô tô vượt giá trị cực đoan nên tắt động Nếu không xét đến suất tiêu hao nhiên liệu việc tắt động khơng đem lại lợi ích mặt giảm nhiễm trường hợp động có xúc tác đường xả Trung bình thời gian dừng cực đoan 50s Khi vượt thời gian nên tắt động động tác không làm giảm tuổi thọ máy khởi động bình điện 6.3 Trường hợp động Diesel Kĩ thuật tổ chức trình cháy động Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phát sinh ô nhiễm Động Diesel phun trực tiếp, có suất tiêu hao nhiên liệu riêng thấp động có buồng cháy ngăn cách khoảng 10% mức độ phát sinh bồ hóng thấp động làm việc chế độ tải cục Tuy nhiên động phun trực tiếp làm việc ồn phát sinh nhiều chất ô nhiễm khác (NOx, HC) Vì vậy, ngày dạng buồng cháy dùng động ô tô tải hạng nặng Việc hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm tối ưu động Diesel cần phải cân đối nồng độ hai chất nhiễm NOx bồ hóng 85 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt 6.3.1 Ảnh hưởng góc phun sớm tối ưu hóa hệ thống phun Ảnh hưởng chất lượng hệ thống phun động phun trực tiếp lớn động phun gián tiếp phương diện phát sinh ô nhiễm, Trong hai trường hợp, thay đổi góc phun sớm có ảnh hưởng ngược phát sinh NOx, HC bồ hóng (hình 6.4) Tăng góc phun sớm làm tăng áp suất cực đại nhiệt độ q trình cháy, làm tăng nồng độ NO Thơng thường, động phun trực tiếp có góc phun sớm lớn nên phát sinh NO nhiều động có buồng cháy ngăn cách Giảm góc phun sớm biện pháp hữu hiệu làm giảm nồng độ NOx khí xả Tuy nhiên việc giảm góc phun sớm cần phải xem xét đến chế độ tốc độ chế độ tải để tránh gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu Mức độ phát ô nhiễm Bồ hóng NO HC Hình 6.4: Ảnh hưởng góc phun sớm đến Giảm góc phun sớm mức độ phát nhiễm động Diesel Phạm vi thay đổi ô tô từ 1000 đến 1600kg, động buồng cháy dự bị, khơng hồi lưu khí xả HC (%) NOx (%) độ góc quay trục khuỷu Góc phun tối ưu Muộn Sớm 86 Chương 6: Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ chất nhiễm khí xả động đốt Hình 6.5: Ảnh hưởng góc phun sớm đến mức độ phát sinh HC NOx (động buồng cháy dự bị, chu trình FTP-75) Mặt khác, tăng góc phun sớm, q trình cháy trễ kéo dài, lượng nhiên liệu hòa trộn trước với hệ số dư lượng khơng khí lớn gia tăng Hỗn hợp khó bén lửa chúng thường cháy khơng hồn tồn phát sinh nhiều CO Về mặt lí thuyết, tăng góc đánh lửa sớm làm giảm HC q trình cháy diễn thuận lợi (hình 6.5), thực tế có tác dụng ngược lại Thật vậy, thời gian bén lửa kéo dài, nhiên liệu phun bám thành buồng cháy, nguồn phát sinh HC Đối với động phun trực tiếp, giảm góc phun sớm làm tăng độ khói làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu làm giảm nồng độ NOx thành phần SOF Đối với động Diesel cỡ lớn, giảm góc phun sớm làm giảm 50% nồng độ NO khí xả Đối với động có buồng cháy ngăn cách, giảm góc phun sớm làm làm tăng nồng độ HC làm giảm nồng độ NO bồ hóng, đặc biệt chế độ đầy tải Khi góc phun sớm thay đổi từ đến 23 độ trước ĐCT, lượng bồ hóng tăng gấp đơi theo chu trình thử FTP75 động buồng cháy ngăn cách có góc đánh lửa sớm bình thường 15 độ trước ĐCT Sự thay đổi góc phun sớm phù hợp theo tốc độ tải cho phép chọn vị trí điều chỉnh tối ưu hài hòa nồng độ chất ô nhiễm hiệu suất động Đối với động có buồng cháy dự bị, điều khiển góc đánh lửa sớm tối ưu hệ thống điện tử theo chế độ tốc độ chế độ tải cho phép giảm 15% nồng độ NOx 25% nồng độ bồ hóng theo chu trình thử FTP75 phạm vi gia tăng suất tiêu hao nhiên liệu không đáng kể Tốc độ phun cao (nhờ tăng áp suất phun) có ảnh hưởng đến q trình phát sinh nhiễm động phun trực tiếp Thật vậy, tăng tốc độ hòa trộn nhiên liệu khơng khí, lượng nhiên liệu cháy điều kiện hòa trộn trước gia tăng, nồng độ NOx tăng lượng bồ hóng giảm Tuy nhiên gia tăng áp suất phun (hơn 100MPa) làm tăng lượng hạt rắn tăng lượng phát sinh SOF Sử dụng vòi phun có nhiều lỗ phun đường kính bé làm tăng chất lượng hòa trộn khơng khí nhiên liệu kích thước hạt nhiên liệu giảm, hỗn hợp bốc cháy dễ dàng hơn, bù trừ phun trễ làm giảm NOx Với lượng phát thải NOx cho trước, gia tăng số lượng lỗ phun làm giảm nồng độ bồ hóng Đối với động phun trực tiếp, áp suất phun tối ưu thay đổi từ 75 đến 100MPa tùy theo chế độ động Vượt áp suất này, với lượng phát sinh NOx, lượng hạt rắn phát sinh giảm suất tiêu hao nhiên liệu độ ồn trình cháy gia tăng tăng đột ngột áp suất Điều khắc phục cách dùng tia phun mồi Quy luật phun có ảnh hưởng quan trọng đến q trình phát sinh chất ô nhiễm Thời gian phun rút ngắn, áp suất phun cao cho phép gia tốc trình cung cấp nhiên liệu dẫn đến giảm lượng HC không cháy hết Các tiến kĩ thuật phun nhằm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm bao gồm quy luật phun hai giai đoạn, quy luật phun 87 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm nhiễm mơi trường Vì tỉ lệ nhiên liệu/khơng khí trường hợp cháy hồn tồn lí thuyết thay đổi phạm vi tương đối rộng, từ 14 đến 17, tùy theo thành phần khí thiên nhiên nên động làm việc với NGV, cần phải dự kiến hệ thống điều chỉnh thành phần hỗn hợp làm việc dải tương đối rộng Ngược lại, lượng chứa đựng hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí, với độ đậm đặc nhau, phụ thuộc vào thành phần khí thiên nhiên, điều cho phép trì công suất riêng động sử dụng nguồn khí khác 8.6.3 Chỉ số Wobbe Chỉ số Wobbe W đặc trưng sử dụng từ lâu để so sánh tính tỏa nhiệt hệ thống cháy Chỉ số Wobbe tính theo biểu thức sau đây: W= PCS d đó: PCS: nhiệt trị cao MJ/m3 d: Tỉ trọng ga so với không khí Quan hệ W tỉ lệ hỗn hợp trường hợp cháy hồn tồn lí thuyết r có ý nghĩa thực tiễn: W r = k.Cte d k=0,95; Cte=0,90 Biểu thức cho thấy r hàm đồng biến theo số Wobbe Nếu số Wobbe tăng, tỉ lệ cháy hồn tồn lí thuyết, độ đậm đặc hỗn hợp, tăng điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu khí Vì nhà chế tạo ô tô, giá trị số Wobbe thay đổi từ mẫu khí đến mẫu khí khác thơng tin cần thiết điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động 8.6.4 Đặc điểm liên quan đến trình cháy động So sánh số tính chất đặc trưng khí thiên nhiên (chủ yếu khí méthane) xăng trình bày bảng 8.6 Bảng 8.6: So sánh đặc tính méthane xăng Đặc trưng Méthane ≈ 130 Chỉ số octane 149 Xăng 95 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm nhiễm mơi trường Nhiệt trị khối lượng (kJ/kg) Năng lượng hỗn hợp (kJ/dm3) Giới hạn bốc cháy Tốc độ cháy chảy tầng độ đậm đặc 0,80 (cm/s) Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ) Nhiệt độ đoạn nhiệt màng lửa (K) 50009 3,10 0,50 30 42690 3,46 0,60 37,5 0,33 2227 0,26 2266 8.6.4.1 Chỉ số Octane Chỉ số RON MON méthane theo thứ tự 130 115 Đây ưu khí NGV sử dụng động đánh lửa cưỡng Do tính chống kích nổ tốt nên NGV sử dụng động có tỉ số nén cao cải tạo từ động Diesel nguyên thủy Trong trường hợp đó, người ta thường sử dụng phương pháp đánh lửa cách phun mồi (động lưỡng nhiên liệu) Kĩ thuật có nhiều lợi động tĩnh sử dung hạn chế động vận tải việc điều chỉnh phức tạp chế độ độ Vì vậy, gần hầu hết ô tô sử dụng GVN hoạt động theo chu trình động đánh lửa cưỡng truyền thống 8.6.4.2 Đánh lửa lan truyền màng lửa buồng cháy động sử dụng NGV Năng lượng tối thiểu tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp méthane-khơng khí cao nhiều so với trường hợp hydrocacbure khác Vì vậy, hệ thống đánh lửa động sử dụng NGV phải có tính cao (bobine phải có cơng suất cao hơn) để bảo đảm tạo lượng đánh lửa từ 100 đến 110mJ so với 30 ÷ 40mJ động xăng truyền thống Mặt khác, giới hạn thành phần hỗn hợp cháy khí méthane rộng loại hydrocarbure khác nên động làm việc với hỗn hợp nghèo Tốc độ lan tràn màng lửa hỗn hợp méthanekhơng khí tương đối thấp (hình 8.19) Đặc điểm làm giảm tính động làm tăng truyền nhiệt từ môi chất công tác qua thành Để khắc phục tình trạng người ta tăng cường thêm vận động rối hỗn hợp buồng cháy Tuy nhiên tốc độ lan tràn màng lửa thấp hỗn hợp méthane-không khí có ưu điểm làm giảm độ ồn q ì h há hờ di ấ 2,0 Propane-khơng khí 1,5 Isooctane-khơng khí 1,0 Méthane-khơng khí 0,5 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Hình 8.19: Tốc độ cháy (m/s) méthane, propane isooctane (điều kiện ban đầu: áp suất 30bar, 150 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm nhiễm mơi trường trình cháy nhờ gradient áp suất nhỏ nhiệt độ 900K) 8.6.4.3 Thành phần nhiệt độ sản phẩm cháy Méthane chứa 75% khối lượng carbon so với 87 ÷ 88% nhiên liệu lỏng truyền thống Trong điều kiện cháy hồn tồn lí thuyết, thành phần CO2 cực đại sản phẩm cháy đạt 11,7% so với 14,5% iso-octane Cũng nhờ hàm lượng carbon méthane thấp nên động làm việc với hỗn hợp giàu, thành phần CO khí xả thấp sử dụng hydrocarbure khác Ứng với độ đậm đặc 1,1, thành phần CO sản phẩm cháy chiếm khoảng 2,2% méthane 3,3% toluen Nhiệt độ màng lửa hỗn hợp méthane-khơng khí thấp nên nồng độ NOx sản phẩm cháy thấp 8.7 Các kĩ thuật liên quan đến ô tô sử dụng NGV Giống vận hành, sử dụng thiết bị áp lực khác, ô tô NGV cần phải xem xét điều kiện khối lượng, thể tích, độ an tồn bình chứa nhiên liệu khí áp suất cao 8.7.1 Chứa nhiên liệu NGV ô tô hệ thống cung cấp 8.7.1.1 Bình chứa NGV ô tô Giải pháp cổ điển sử dụng bình thép để chứa NGV áp suất khoảng 200 bar Theo qui định an tồn, bình chứa phải chịu áp suất thử nghiệm 600 bar để đề phòng nổ vỡ trường hợp bị sấy nóng (khi bị hỏa hoạn chẳng hạn) Điều làm giảm khả chứa cực đại bình (khoảng 0,15m3N NGV 1kg vỏ bình chứa) Ngày nay, người ta ưa chuộng loại vật liệu khác, chẳng hạn nhôm thường hay nhôm gia cố thêm sợi thủy tinh, vật liệu composite với sườn sợi thủy tinh hay sợi carbon Khả chứa khí bình chế tạo từ vật liệu khác trình bày bảng 8.7 Bảng cho thấy vật liệu cho phép nâng sức chứa NGV lên gấp lần so với bình thép có khối lượng Bảng 7: Khả chứa (m3N) kg bình chứa làm vật liệu khác áp suất 200 bar Vật liệu Thép thường Thép tốt Nhôm thường Nhôm gia cố sợi thủy tinh Composite sườn sợi Khả chứa mn /kg bình chứa 200bar 0,13-0,14 0,18-0,20 0,19-0,20 0,28-0,38 0,40-0,50 151 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường thủy tinh Composite sườn sợi 0,50-0,70 carbon Người ta nhận thấy dù sử dụng loại vật liệu áp suất khí bình khoảng 200 bar tối ưu Một phương pháp khác để chứa NGV ô tô dùng vật liệu hấp thụ Vật liệu than hoạt tính hay oxyde kim loại Ưu điểm chúng thể khả chứa khí (trên đơn vị khối lượng) cao (hình 8.20) làm việc áp suất thấp (30÷40 bar) Trong điều kiện đó, giá thành nén khí thấp bình chứa chế tạo theo hình dạng khác cho phù hợp với bố trí bình chứa xe (bình chứa NGV thơng thường áp suất 200 bar phải có dạng hình trụ) Bình chứa nhiên liệu kiểu hấp thụ nghiên cứu để hoàn thiện Vấn đề cần giải khống chế trình nhiệt diễn hấp thụ khí (tỏa nhiệt) giải phóng khí (thu nhiệt), khả hấp thụ khí, tuổi thọ vật liệu hấp thụ Hiện nay, người ta đạt áp suất làm việc 35bar với khả chứa khí từ 125 ÷ 180 lít lít thể tích bình chứa, nghĩa đạt khoảng từ 50 - 80% khả chứa bình thép thông thường áp suất 200 bar Khả chứa Tuy nhiên nay, (kg/m3) Carbon việc chứa khí NGV áp suất hoạt tính cao giải pháp thơng dụng 40 Vì vậy, tô sử dụng loại nhiên liệu người ta phải Bình chứa 30 lắp thiết bị an tồn để tránh cổ điển cố cháy nổ trường hợp khí bị rò rỉ Trong thực tế rủi ro 20 xảy méthane nhẹ nhiều so với khơng 10 khí (tỉ trọng so với khơng khí 0,55) nên bị khuếch tán nhanh Áp suất bình chứa chóng, khả để đạt hỗn (b ) Hình 8.20: Khả chứa 20 khí than30 hợp giới hạn bốc cháy 10 o hoạt tính 210 C thấp Để đảm bảo an toàn áp suất, hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV ngườI ta lắp đặt van an toàn tác độn áp suất 350bar Áp suất xảy tơ bị hỏa hoạn Kết thí nghiệm trường hợp cháy xe cho thấy khí khỏi van an tồn gây cháy không nổ Đối với xe bus chạy ga, bình chứa khí thường đặt 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 máy nén gia đình giúp cho người sử dụng nạp GNV garage 152 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Ở nước có hệ thống ga thành phố, trạm dịch vụ NGV có ba chức năng: Nối vào mạng phân phối khí thiên nhiên thành phố Nén khí đến áp suất 200bar dự trữ số bình khí để cung cấp nhanh cao điểm Phân phối khí NGV cho tơ ống mềm Thời gian nạp NGV nhỏ tốt, thường khoảng từ đến 10 phút cho xe Điều đòi hỏi phải chứa ga bình dự trữ trạm có áp suất cao nhiều so với áp suất bình chứa khí tơ Thơng thường áp suất máy nén khoảng 250 bar Đối với trạm dịch vụ nạp khí cho 1000 tơ/ngày cần phải có máy nén có cơng suất khoảng 100kW Bình ga NGV Tiết lưu Giảm chấn Thanh gia cố Xả khí Cửa thơng gió động Thành kín Bộ giãn nở Van điện từ Van chiều Van điện từ Đường nạp NGV Đường dẫn khí Hộp nạp khí Động Hình 8.21: Sơ đồ bố trí tổng thể hệ thống cung cấp NGV ô tô bus Cuối cần nói thêm rằng, cung cấp NGV, máy định lượng thường chia khơng phải theo m3 khí cung cấp mà theo lít xăng tương đương người sử dụng so sánh với nhiên liệu lỏng truyền thống Ngoài ra, nước phát triển có hệ thống cung cấp khí thiên nhiên thành phố, người ta sử dụng máy nén cá nhân để cung cấp NGV cho ô tô nhà người sử dụng Hệ thống đảm bảo nạp ga chậm, khoảng 4lít/giờ với áp suất 200bar 8.7.2 Tổ chức trình cháy 153 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm nhiễm mơi trường Hai dạng tơ dùng NGV tơ chun dụng tơ bus Tùy theo dạng sử dụng, giải pháp kĩ thuật tổ chức q trình cháy khác Ơ tô chuyên dụng thường dùng động xăng nên cải tạo sang dùng NGV cần ý đến việc tăng tỉ số nén Tỉ số nén động chạy NGV chọn cao nhiều so với động xăng số octane méthane lớn Thường tỉ số nén động NGV 12 13 Cũng động xăng, để nâng cao hiệu việc xử lí nhiễm xúc tác ba chức năng, tạo hỗn hợp phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp f quanh giá trị cháy hồn tồn lí thuyết Việc cải tạo xe bus nguyên thủy dùng động Diesel sang dùng nhiên liệu khí NGV phức tạp phải thêm hệ thống đánh lửa cưỡng tổ chức trình cháy động xăng Trong điều kiện để giảm nhiễm tăng tính kinh tế động cơ, người ta áp dụng hai giải pháp kĩ thuật sau hai giải pháp đối tượng nghiên cứu để tiếp tục phát triển: Giải pháp thứ cho động ln làm việc với thành phần hỗn hợp cháy hồn tồn lí thuyết kết hợp với việc xử lí khí thải xúc tác ba chức Ưu điểm làm giảm mức độ phát nhiễm nhược điểm hiệu suất giảm so với động Diesel Giải pháp thứ hai, có tham vọng làm giảm nhiễm mơi trường có khả làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu Giải pháp cho phép điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo điều kiện vận hành ưu tiên sử dụng hỗn hợp nghèo 8.7.3 Kĩ thuật tạo hỗn hợp Việc định lượng xác nhiên liệu cung cấp chế độ làm việc động NGV khó thực Mặt khác, động hoạt động, thành phần hỗn hợp cylindre cần phải đồng tổn thất đường nạp cần phải giảm đến mức thấp Vì hệ thống nạp động NGV đòi hỏi kĩ thuật phức tạp 8.7.3.1 Bộ chế hòa khí Có nhiều kĩ thuật chế hòa khí kĩ thuật phổ biến kĩ thuật ống Venturi Trong hệ thống này, khí NGV khơng định lượng độ chân khơng ống Venturi mà thay đổi độ tiết lưu đường nạp Sự điều chỉnh mức độ tiết lưu thực nhờ động bước qua trung gian vi xử lí chuyên dụng nhận tín hiệu từ cảm biến Phương án dùng chế hòa khí có nhược điểm hệ số nạp động bị giảm chế độ độ Để khắc phục nhược điểm này, người ta nghiên cứu áp dụng phương án phun nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp 154 Chương Động 8: Động sửXảdụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Bộ hỗn hợp Van định lượng Nạp Bộ giảm áp Máy tính điều khiển thời gian phun - Nhiệt độ khí - Áp suất khí - Chênh lệch áp suất Lưu lượng khí mong muốn Nhiên liệu khí Máy tính điều khiển động - Áp suất khí nạp - Nhiệt độ khí nạp - Tín hiệu cảm biến Oxy - Vị trí bướm ga Hình 8.22: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu NGV động phun tập trung Bộ xúc tác chức Thải Cảm biến Oxy Nạp Động Tốc độ động Áp suất nạp Vị trí bướm ga Bộ chấp hành Van định lượng Bộ Giảm áp Máy tính Nhiên liệu khí Hình 8.23: Sơ đồ hệ thống nạp nhiên liệu NGV động phun riêng rẽ 8.7.3.2 Phun gián tiếp Hệ thống phun gián tiếp cho phép cải thiện tính động mức độ phát ô nhiễm Khác với chế hòa khí, hệ thống phun nhiên liệu áp suất Điều cho phép cung cấp lượng nhiên liệu xác theo chế độ làm việc động Mặt khác, khơng có họng Venturi, hệ số nạp vào động cải thiện đáng kể Cũng động xăng, phun nhiên liệu thực theo phương án tập trung (một điểm) cổ góp đường nạp (hình 8.22) hay riêng rẽ (phun vào trước soupape nạp cylindre) (hình 8.23) Hệ thống phun riêng rẽ có nhiều ưu điểm so với hệ thống phun tập trung làm giảm khả hồi lưu lửa vào đường nạp, cải thiện 155 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm nhiễm mơi trường đồng nhiên liệu cung cấp cho cylindre động Việc khống chế lưu lượng NGV nạp vào xi lanh thực nhờ vi xử lí chuyên dụng 8.7.3.3 Phun trực tiếp Kĩ thuật có nhiều ưu điểm cho phép đồng thời làm giảm mức độ gây ô nhiễm làm tăng tính kinh tế động Phun trực tiếp NGV vào buồng cháy cho phép kết hợp ưu điểm khí thiên nhiên trình cháy hỗn hợp nghèo phân lớp Mặt khác, hệ thống phun NGV thừa hưởng ưu nhiên liệu nén ban đầu nên không cần bơm nhiên liệu áp suất cao Động hoạt động khơng có tổn thất hệ số nạp điều kiện hỗn hợp nghèo Kĩ thuật đòi hỏi chế tạo điều chỉnh xác hệ thống phun đắt tiền nên chưa phổ biến rộng rãi Bảng 8.8: So sánh hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV khác động Chế hòa khí Cơ khí Điện tử Phun cổ góp Phun liên tục + - Giá thành ++ + Hoạt động -quá độ Phân bố -các xilanh Tổn thất Nguy -quay ngược màng lửa 8.7.3.4 So sánh hệ thống khác Phun trước soupape nạp Phun trực tiếp Phun gián đoạn + + - ++ ++ + + ++ ++ Bảng 8.8 cho thấy ưu nhược điểm kĩ thuật tạo hỗn hợp khác động NGV Qua bảng thấy kiểu chế hòa khí có ưu điểm Do đó, việc phát triển hệ thống phun tập trung hay riêng rẽ cần thiết để tăng tính kinh tế kĩ thuật động NGV 8.8 Cân lượng ảnh hưởng đến môi trường hệ ô tô NGV Sau khảo sát cân lượng liên quan đến trình cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiên (vận chuyển, nén phân phối) tính động sử dụng NGV, đặc biệt tính liên quan đến vấn đề ô nhiễm 156 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm nhiễm môi trường 8.8.1 Tiêu tốn lượng liên quan đến việc vận hành hệ thống NGV Việc đánh giá tính kinh tế hệ tơ NGV cần phải xem xét đến cân lượng toàn cơng đoạn từ khai thác khí mỏ đến sử dụng ô tô Bảng 8.9 giới thiệu số liệu so sánh cân lượng GNV nhiên liệu lỏng truyền thống Tiêu tốn lượng phân bố công đoạn: sản xuất, vận chuyển, lọc, phân phối nén (khí) trước sử dụng Đối với khí NGV, lượng tiêu thụ công đoạn trước nạp vào động chiếm khoảng 16% Mức độ tiêu tốn tương đối tốt so với xăng Về phương diện này, dầu Diesel kinh tế nhất, trường hợp dầu Diesel chứa tỉ lệ lưu huỳnh thấp (0,05%) 8.8.2 Tính tơ 8.8.2.1 Đối với tơ thơng dụng Như trình bày việc chuyển đổi ô tô thông dụng sử dụng nhiên liệu lỏng sang sử dụng khí thiên nhiên NGV đòi hỏi cải tạo đáng kể động cơ: nâng cao tỉ số nén, nâng cao công suất hệ thống đánh lửa, đặc biệt phải cải tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu bình chứa Trong phần đánh giá tính động vấn đề nhiễm A Tính năng: Về hiệu suất, động dùng NGV dễ dàng đạt hiệu suất cao động xăng khoảng10% nhờ tỉ số nén cao Khi nạp trực tiếp nhiên liệu thể khí vào đường nạp, hệ số nạp động bị giảm dẫn đến công suất động giảm (khoảng 10%) Tuy nhiên tụt giảm cơng suất bù trừ nhờ gia tăng hiệu suất động Động sử dụng NGV có tính động học (gia tốc, độ, tốc độ cực đại ) tương đương động xăng Mặt khác, nhiên liệu NGV dạng khí nên bị ảnh hưởng quán tính giai đoạn độ nên động làm việc mềm mại Cuối cùng, động sử dụng NGV khơng có nhược điểm liên quan đến nhiệt độ môi trường động dùng nhiên liệu lỏng Bảng 8.9: Phân bố lượng tiêu thụ trước đến nơi sử dụng loại nhiên liệu khác Các cơng đoạn Đuốc đốt khí trình khai thác Tiêu thụ trường Vận tải Lọc Tổn thất lọc Xăng Dầu Diesel GPL-C 3,0 3,0 3,0 Khí thiên nhiên 1,8 1,0 1,9 12,5 0,3 1,0 1,9 6,5 0,1 1,0 1,9 3,5 0,1 8,0 - 157 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm nhiễm mơi trường Phân phối Nén Tổng cộng 0,5 19,2 0,5 13,0 1,0 10,5 0,5 16,3 B Ô nhiễm: Cũng loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm động dùng NGV liên quan đến thành phần hydrocarbure nhiên liệu, (thường nhiên liệu NGV chứa 90% méthane) Bảng 8.10 so sánh thành phần hydrocarbure khí xả trước vào xúc tác chức động sử dụng nhiên liệu NGV xăng Khác với động xăng, khí xả động NGV khơng có hydrocarbure có nguyên tử carbon, đặc biệt khơng có diện thành phần hydrocarbure thơm Liên quan đến vấn đề tạo ozone hạ tầng khí quyển, khí thải động NGV có hoạt tính thấp động xăng đến lần Tính chất chủ yếu nhiên liệu NGV chứa phần lớn méthane, thành phần chất hoạt tính (butènes, buta-1,3-diène, xylènes) thấp bỏ qua Mặt khác, nhiên liệu NGV không gây trở ngại xúc tác ba chức thành phần lưu huỳnh trường hợp nhiên liệu lỏng Tuy nhiên, ơxy hóa méthane lại khí xả khó khăn Muốn loại trừ triệt để chất khí cần sử dụng xúc tác đặc biệt C Số liệu so sánh vài trường hợp điển hình: Sau số liệu so sánh vài trường hợp động xăng động NGV Trường hợp thứ (bảng 8.11), xét hai động có tỉ số nén, kết cấu đường nạp, hệ thống đánh lửa hệ thống phân phối khí tơ NGV có mức độ phát sinh ô nhiễm thấp động xăng khoảng 50%.Trường hợp thứ hai, xét động thiết kế chuyển đổi để chuyên dùng nhiên liệu NGV động dùng NGV có mức độ phát ô nhiễm thấp so với động xăng có công suất momen (bảng 8.12) 8.8.2.2 Xe bus xe vận tải Đánh giá mức độ phát ô nhiễm tính tơ phụ thuộc nhiều vào kĩ thuật tạo hỗn hợp: hỗn hợp nghèo hay hỗn hợp có thành phần cháy hồn tồn lí thuyết với xúc tác chức A Tính năng: Động Diesel tăng áp chuyển sang sử dụng NGV với xúc tác chức hỗn hợp có thành phần cháy hồn tồn lí thuyết tổn thất hiệu suất lớn, tới 20% 158 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm nhiễm mơi trường Bảng 8.10: So sánh thành phần hydrocarbure khí thải động dùng xăng dùng NGV Mẫu lấy phía trước xúc tác, thử theo chu trình ECE+EUDC Xăng NGV Xăng NGV Méthane 64 360 Ethane 28,3 50 Ethylene 117,4 40 Propane 100 45,6 Propylene 72,8 10,2 Acétylène 57,9 20,0 Butanes 12,9 10,3 (E) But-2-ène 6,1 But-1-ène 7,8 Isobutène 40 (Z)-But-2-ène 4,6 Isopentane 39,9 n-Pentane 15 Propyne 15 Buta-1,3-diène 18 Pent-1-ène 8,7 Benzène 65 Iso-octane 46,1 Toluène 130,1 Ethylbenzène 15,9 (m+p)-Xylène 84,6 (o)-Xylène 19 (Khối lượng khí phát thải tính theo mg) Bảng 8.11: Giảm ô nhiễm nhờ xúc tác động NGV (tỉ lệ hỗn hợp f=1) Khơng có xúc tác Có xúc tác CO(%) HC(%) NOx(%) HC+NOx(%) CO2(%) 44 52 34 42 20,5 63,5 63 57 60 19 Ngược lại dùng kĩ thuật hỗn hợp nghèo, động NGV làm việc với tăng áp hiệu suất cao (xấp xỉ động Diesel nguyên thủy) momen cực đại chấp nhận Bảng 8.12 cho thấy so sánh động NGV động Diesel nguyên thủy Bảng 8.12: So sánh momen cực đại hiệu suất động Diesel động NGV So sánh tính động dùng gasole khí thiên nhiên PCI (kJ/kg) Chế độ Momen Công suất Độ đậm đặc Nhiên liệu Diesel 42800 1400 1180 173 0,56 159 Khí thiên nhiên 49100 1260 1000 185 0,61 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) Hiệu suất toàn 204 186 41,2 39,4 Bảng 8.13: Mức độ phát ô nhiễm động dùng NGV Chất ô nhiễm CO (g/mile) HC tổng HC không mèthane NOx (g/mile) CO2 (g/mile) Tiêu thụ nhiên liệu Hoạt động độc lập Mức độ 0,655 0,230 0,016 0,112 226,6 28,5 175 B Ô nhiễm: Bảng 8.13 cho vài ví dụ liên quan đến mức độ phát ô nhiễm ô tô vận tải sử dụng NGV Chúng ta nhận thấy trường hợp, mức độ CO bồ hóng thấp, mức độ HC đôi lúc gần với giá trị cho phép luật môi trường, chứa phần lớn méthane (khoảng 90%), lại thành phần khác thấp Còn mức độ phát sinh NOx, khí xả động NGV có nồng độ NOx thấp động làm việc với f=1 có lắp xúc tác chức Nồng độ cao chút nằm giới hạn cho phép dùng hỗn hợp nghèo Những phiền phức đặc biệt động Diesel (ồn, hơi, khói đen ) giảm nhiều động NGV Mức độ ồn giảm khoảng db động hoạt động không tải ô tô bus thành phố Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh (THT: Télrahydrothiophène) để phát rò rỉ thêm vào khí thiên nhiên với thành phần thấp (20 hay 25mg/m3) nên bị đốt cháy hồn tồn Vì nên khí xả động NGV so với khí xả động Diesel 8.8.3 Ảnh hưởng hiệu ứng nhà kính Méthane CO2 N2O khí gây hiệu ứng nhà kính cách trực tiếp người ta quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng việc phát triển động NGV đến việc nóng lên bầu khí Bảng 8.14: Phát ô nhiễm động công nghiệp dùng NGV Cháy hỗn hợp nghèo Cháy hồn tồn lí thuyết với xúc tác với xúc tác oxy hóa 160 Tiêu chuẩn Euro 1996 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm nhiễm môi trường CO chức 2,5 0,3 HC 0,5 0,2 1,1 NOx 3,5 2,5 7,0 Bồ hóng 0,05 0,05 0,15 (Đơn vị tính: g/kWh) Trong thực tế, động NGV phát sinh nhiều méthane CO2 so với động nhiên liệu lỏng Vì vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính khí xả động NGV thấp khoảng 25% so với động xăng 5% so với động Diesel (bảng 8.15) Do đó, việc sử dụng NGV làm giảm đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính phạm vi toàn cầu Bảng 8.15: So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính động dùng xăng, Diesel NGV (gCO2/km), theo chu trình ECE Xăng Diesel NGV Trước xúc tác 356 280 267 Sau xúc tác 310 251 231 8.9 Viễn cảnh động dùng NGV Nhìn chung, động dùng NGV có nhiều hứa hẹn ô tô hoạt động thành phố hay vùng ven đơ, khu vực mà tình trạng nhiễm mơi trường phương tiện vận tải gây ngày trở nên trầm trọng Ở số khu vực giới, người ta bắt đầu sử dụng NGV cho ô tô chạy thành phố Chẳng hạn Buenos-Aires, tất taxi dùng NGV Ở thành phố lớn Mỹ, chẳng hạn NewYork, người ta xây dựng nhiều dự án quan trọng cho việc chuyển ô tô nhiên liệu lỏng sang NGV Nhiều quốc gia khác Ý, Canada, Hà lan cách lâu xây dựng sở hạ tầng phục vụ cho việc phát triển ôtô dùng NGV Ở nước ô tô NGV ngày nhân rộng Cuối người ta dự kiến gia tăng ô tô NGV quốc gia sản xuất khí thiên nhiên Malaysia, Trung Quốc Ở quốc gia số lượng ô tô ngày gia tăng nên vấn đề ô nhiễm môi trường khiến người ta phải quan tâm đến NGV Những kiện cho phép dự đoán rằng, thời gian trước mắt (trong vòng từ đến 10 năm tới), số lượng ô tô dùng NGV giới tăng từ đến lần Vì đến năm 2000, giới có khoảng triệu ô tô NGV Dĩ nhiên phát triển NGV nhanh diễn với số điều kiện Trước hết loại nhiên liệu cần cho thấy tính ưu việt chắn so với nhiên liệu cạnh tranh nhiên liệu khí hóa lỏng LPG Hiện NGV có ưu điểm 161 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường phủ nhận ưu chưa trì tương lai Mặt khác, người ta tiếp tiếp tục nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí giải pháp kĩ thuật xử lí nhiễm khí xả động nhiên liệu lỏng khơng cải thiện so với yêu cầu luật môi trường Cuối cùng, nhiên liệu khác, thâm nhập NGV đòi hỏi: - Chính sách thuế khuyến khích người sử dụng - Cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấp NGV cho ô tô (Trạm dịch vụ cơng cộng hay cá nhân, hình 8.24 8.25) - Giải vấn đề tâm lí người sử dụng liên quan đến tính an tồn tơ dùng NGV Hình 8.24: Trạm dịch vụ cơng cộng cung cấp NGV cho ô tô 162 Chương 8: Động sử dụng nhiên liệu khí: giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Hình 8.25: Máy nén cá nhân cung cấp NGV cho ô tô 163 ... nên tắt động động tác không làm giảm tuổi thọ máy khởi động bình điện 6.3 Trường hợp động Diesel Kĩ thuật tổ chức trình cháy động Diesel ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phát sinh nhiễm Động Diesel... nhiễm trình cháy Diesel làm giảm NOx lại làm tăng HC CO, việc làm giảm bồ hóng phụ thuộc vào chế độ tải động 102 Chương CÁC BIỆN PHÁP KĨ THUẬT LÀM GIẢM MỨC ĐỘ GÂY Ô NHIỄM CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Trong... động cực đại 20kPa, dao động đạt 140kPa l=1,2 Do đó, để cải thiện tính phát lực động làm việc với hỗn hợp nghèo, người ta phải khống chế dao động momen (đo cảm biến gia tốc lắp bánh đà động cơ)