ỨNG DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN (CNG) CHO ĐỘNG CƠ ĐÔT TRONG

BÀI 3 : ứng dụng khí thiên Nhiên nén cng cho động cơ ô tôMục tiêu : H ọc xong bài này học viên có khả năng: - Mô tả được công thức hoá học và đặc điểm cấu tạo của nhiên liệu khí thiên nh

BÀI 3 : ứng dụng khí thiên Nhiên nén (cng) cho động cơ ô tô

Mục tiêu :

H ọc xong bài này học viên có khả năng:

- Mô tả được công thức hoá học và đặc điểm cấu tạo của nhiên

liệu khí thiên nhiên nén (CNG)

- Giải thích chính xác được đặc điểm kỹ thuật của nhiên liệu khíthiên nhiên nén (CNG)

- Giải thích được các ưu nhược điểm và khả năng ứng của nhiên

liệu khí thiên nhiên nén (CNG)

- Đề ra được các giải pháp để ứng dụng nhiên liệu khí thiênnhiên nén (CNG) làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

và khí lò gas lấy từ việc khí hoá các nhiên liệu rắn trong các thiết

bị đặc biệt

Nhiên liệu khí thiên nhiên dùng cho động cơ có những ưu khuyết điểm sau:

 Sản xuất đơn giản và an toàn hơn

 Lượng khí thiên nhiên ở Việt Nam có tiềm năng rất lớn

 Thành phần khí xả của khí thiên nhiên so với nhiên liệu xăng

và Diesel ít ô nhiễm môi trường hơn vì nó giảm được khí CO,

lượng Hydrocacbon, lượng Sunfuadioxit SO2 và không có chì

Khí thiên nhiên được xem là “dry” khi nó gần như chỉ là

Metan thuần khiết, các hydrô các-bon có liên quan đã được loại bỏ.Khi có mặt các hydrôcacbon khí thiên nhiên được cho là “wet”

Khí thiên nhiên được sử dụng cho nhiều mục đích khác như:

sưởi ấm, sử dụng trong công nghiệp, dịch vụ thương mại

Khí thiên nhiên được hình thành trong những túi chứa bên

dưới lòng đất, nơi có những mỏ dầu

Hình 2.3.1 C ấu trúc một mỏ khí thiên nhiên

Khi được mang từ dưới lòng đất lên khí thiên nhiên đã được tinh chế lại để lọc bỏ nước, đất cát và những hỗn hợp khác

Khí thiên nhiên cũng là một nguồn năng lượng hoá thạch

giống như dầu và than đá Đó là sự còn sót lại của xác các cây cối,

động vật và những vi sinh vật sống hàng triệu năm trước đây Cónhiều giả thuyết về nguồn gốc của sự hình thành các nguồn nhiên

liệu hoá thạch Giả thuyết được công nhận rộng rải nhất là đượchình thành khi các chất hửu cơ quan trọng của xác động thực vật bịnén dưới lòng đất dưới một sức ép rất lớn trong một thời gian dài

Tương tự như sự hình thành của dầu mỏ, khí metan được hìnhthành từ các chất hữu cơ bị vùi lấp sâu dưới lòng đất tạo ra một

sứcc nén lớn Sức nén này kết hợp với nhiệt độ cao trong lòng đấttheo thời gian làm phá vở những mối liên kết giửa các cácbontrong hợp chất hửu cơ Càng xuống sâu dưới lòng đất dưới lớp vỏtrái đất nhiệt độ càng cao, và ở nhưng nơi có nhiệt độ thấp hơn dầu

được hình thành nhiều hơn khí thiên nhiên, ở những nơi có nhiệt

độ cao hơn thì khí thiên nhiên được tạo ra

Khí thiên nhiên cũng đươc hình thành thông qua sự biến đổi

của các chất hửu cơ bởi các vi sinh vật kiểu khí metan này được

gọi là “Metan biogenic” Các vi sinh vật này thông thường được

tìm thấy ở những vùang gần mặt đất mà thiết ôxy Metan được sảnsinh ra sẽ bay vào trong khí quyển

Ngoài ra khi metan được hình thành qua quá trình

“abiogenic”, ở sâu dưới vỏ trái đất, tồn tại một lớp khí giàu hyđrô

và những phân tử cácbon Chúng tương tác với các khoáng châttrong điều kiện thiếu ôxy Sự tác động này như một phản ứng hoá

học hình thành những phân tử và những hổn hợp mà được tìm thấytrong khí quyển Khi những chất khí này dươi áp suất cao, dichuyển đến bề mặt của trái đất chúng có dạng tiền metan

1.2 Thành ph ần:

Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là:

Metan CH4 70 - 90 %

E-than C2H6 0 - 20 %

Khí hiếm Ar, He, Ne, Xe

Khí thiên nhiên sử dụng cho động cơ ôtô có thể tồn tại dưới 2

dạng chính:

- Dạng khí ở nhiệt độ môi trường và áp suất cao (200 bar):được gọi là Compressed Natural Gas (CNG) Khí được nén ở thểtích nhỏ hơn với một áp suất cao và chứa trong một bình chứachắc chắn Bình chứa được 40-50 lít khí

- Dạng lỏng ở nhiệt độ 610C và áp suất khí quyển: được gọi làLiquefied Natural Gas ( LNG ) Khí được làm lạnh ở nhiệt độ âm

1620C, áp suất khoảng 8,9 bar để chuyển sang trạng thái lỏng vàchứa trong các bình cách nhiệt

B ảng 2.3.1 So sánh giữa 2 dạng tồn tại của khí thiên nhiên:

1.3 Thành phần nguyên tố và nhiệt trị thấp của các loại khí

a Nhiệt trị của nhiên liệu:

Là số nhiệt lượng toả ra khi được đốt cháy hoàn toàn một đơn

vị khối lượng hoặc thể tích(kg hay m3) nhiên liệu Nhiệt trị là một

đặc tính rất phổ biến của nhiên liệu, nó xác định giá trị nhiên liệudùng cho tất cả các loại động cơ Căn cứ vào nhiệt trị thấp thì nhiên

liệu thể khí có thể chia làm 3 loại:

b Nhiên li ệu khí có nhiệt trị lớn:

Loại này bao gồm khí thiên nhiênvà khí thu được khi tinhluyện dầu mỏ Thành phần chủ yếu của loại khí này là mêtan (CH4)chiếm khoảng 80_95% Nhiên liệu này có nhiệt trị thấp là: QH=23-38 MJ/ m3 (hoặc 5500 - 9000 Không khí Kcal/m3)

c Nhiên li ệu khí có nhiệt trị trung bình:

Loại này bao gồm các loại khí công nghiệp như khí than cốc,khí thắp v.v… Thành phần chủ yếu của loại nhiên liệu khí này là:Hydrô(H2) : chiếm khoảng 40 – 60% , còn lại là: CH4 và CO Nhiên

liệu này có nhiệt trị thấp QH là:

QH=16 -23 MJ/m3(3500 - 5500 Kcal/m3) 1.3233

d Nhiên li ệu khí có nhiệt trị nhỏ

Loại khí này bao gồm khí lò cao và khí lò ga Thành phần chủ

yếu của nhiên liệu khí này là: Oxytcacbon(CO) và Hydro(H2) chiếmkhoảng 60% Còn lại là các loại khí trơ như : Nitơ(N2) và CO2 Nhiên

liệu này có nhiệt trị thấp QH là : QH=4 -16 MJ/m3(1000 -3500Kcal/m3)

Tại Việt Nam, từ năm 1997 đã có khoảng 20 chiếc xe đầu tiên

chạy khí thiên nhiên, và từ đó đến nay đã có nhiều dự thảo, đề tàicho dự án chuyển loại hình taxi chạy xăng sang chạy NG Cùng với

sự đưa vào hoạt động của nhà máy sản xuất khí thiên nhiên lỏngDinh Cô vào đầu năm 1999, chắc chắn sẽ là một bước tiến quan

trọng cho giao thông sử dụng khí thiên nhiên tại nước ta

1.5 Khí thiên nhiên - gi ải pháp môi trường hiện nay

Khí thiên nhiên là một nguồn nhiện liệu thay thế sạch nhất

hiện nay cho các phương tiện vận tải Từ lâu nó được coi là mộtnguồn nhiên liệu hiệu quả khi được sử dụng cho các mục đích như:phát điện, sưởi ấm vàdùng cho công nghiệp Khả năng sử dụng khíthiên nhiên cho các phương tiện vận tải chỉ mới được áp dụng gầnđây

Trong những năm gần đây, những nhà sản xuất thiết kế đãthiết kế ra các loại xe sử dung khí thiên nhiên, bao gồm: xe khách,

xe đầu kéo, xe buýt và xe tải nặng Các loại phương tiện này hoạt

động bởi động cơ đốt cháy nhiên liệu sạch đã từng được sản xuất

Bằng mọi cách các nhà sản xuất đã tối ưu hoá các động cơ của

họ để tận dụng những lợi thế khi sử dụng khí thiên nhiên, các xe sử

dụng khí thiên nhiên có một sự vượt trội hơn do sự thải khí xả sạch

hơn Xe sử dụng khí thiên nhiên đã được chứng nhận là đạt được

những tiêu chuan về khí xả ra môi trường đòi hỏi cao nhất

Năm 1997, Hãng HONDA đã tung ra thị trường một loại xe sử

dụng NCGas có tên là “ Civic GX” do đó HONDA đã nhận được phần

thưởng của tạp chí ”Discover Magazine Technology”

Có ba lý do căn bản để cho rằng khí thiên nhiên là một nguồnnhiên liệu thân thiện với môi trường

Trước hết, khí thiên nhiên chứa khoảng 90% metan (CH4), khí

thải ra từ các loại xe sử dụng khí thiên nhiên cũng chủ yếu là domêtan cháy không het Metan là một hợp chất hữu cơ dể thay đổi,

điều này quan trọng, bởi vì lượng metan không cháy hết bay hơi

kết hợp với NOX trong điều kiện ánh sáng mặt trời để không ảnh

hưởng đến tầng ôzôn Xe cộ sử dụng khí thiên nhiên thì ít ảnh

hưởng đến việc hình thành các khí gây “hiệu ứng nhà kính” bởi vìkhí thiên nhiên thải ra ít cacbon hơn động cơ xăng và động cơ dùngnhiên liệu dầu mỏ khác Những hydrô cacbon khác chìm trong khíthiên nhiên vơi số lượng nhỏ gồm có: etan, propan và butan và gần

như không chứa các thành phần độc hại nào Động cơ xăng và động

cơ diesel thải ra khí xả chứa nhiều tác nhân hoá học có hại

Thứ ba là khi một động cơ nạp nhiên liệu, khí thiên nhiên đat tiêuchuẩn phán tán nhiên liệu cao hơn động cơ xăng và động cơ diesel

2 Khí thiên nhiên nén (Compressed Natural Gas - CNG)

Khí thiên nhiên được nén ở áp suất cao, các áp suất thường sử

dụng là 2400 psi (165,5 bar), 3000 psi (206,9 bar), 3600 psi(248,2 bar) chứa trong các bình chứa cao áp mắc song song

CNG có thể sử dụng trên động cơ đốt trong (ĐCĐT) thay chonhiên liệu xăng và diesel, có thể sử dụng độc lập hay hỗn hợp đanhiên liệu trên ĐCĐT

Trong thực tế, các ĐCĐT hiện nay thiết kế để sử dụng nhiên liệu

xăng hay diesel, do đó việc sử dụng nhiên liệu CNG cho ĐCĐT thìkhông phù hợp

Có thể chế tạo ra một động cơ chuyên dùng cho CNG hoặc có

thể cải tạo động cơ xăng, diesel hiện có cho phù hợp với đặc tính

của nhiên liệu CNG

2.1 H ệ thống nhiên liệu CNG đơn

HTNL CNG đơn là hệ thống chỉ sử dụng duy nhất nhiên liệuCNG

Động cơ cải tiến sử dụng HTNL CNG đơn tháo bỏ toàn bộ HTNL

cũ và lắp đặt toàn bộ HTNL CNG

Các bộ phận tháo bỏ: Bình chứa xăng, đường ống dẫn xăng,

bơm xăng, lọc xăng, bộ chế hòa khí, đồng hồ báo xăng, bơm xăng

Các bộ phận lắp đặt: Bình chứa nhiên liệu CNG, bộ giảm áp –hóa hơi, bộ trộn, đường ống dẫn nhiên liệu CNG, van an toàn, van

vận hành, đồng hồ hiển thị

Hình 2.3.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu CNG đơn

a Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu CNG đơn

HTNL đơn giản, việc bố trí, lắp đặt lên động cơ dễ dàng và có thể tối ưu hóa HTNL động cơ

Do chỉ sử dụng một HTNL nên việc vận hành đơn giản, không phức tạp

b Nhược điểm của hệ thống nhiên liệu CNG đơn

Mật độ năng lượng của CNG thấp nên các bình chứa CNG có khối lượng lớn và chiếm nhiều không gian

Khó khăn trong việc tiếp nhiên liệu khi cơ sở hạ tầng cung cấp CNG vẫn còn rất hạn chế.

2.2 H ệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song

HTNL lỏng và CNG song song là HTNL sử dụng cả hai loại nhiên

liệu vừa xăng vừa CNG

Động cơ sử dụng HTNL xăng và CNG song song không cần phải tháo bỏ HTNL cũ mà chỉ cần lắp đặt thêm HTNL CNG mới

Các bộ phận lắp đặt thêm: Toàn bộ HTNL CNG như HTNL CNG

đơn, ngoài ra cần phải thêm các van đóng mở nhiên liệu xăng và CNG khi ta cần thay đổi loại nhiên liệu sử dụng trên động cơ

Hình 2.3.3 S ơ đồ hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song

song

a Ưu điểm của hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song

HTNL lỏng và CNG song song có khả năng dự trữ năng lượngtrên động cơ lớn hơn so với HTNL CNG đơn

HTNL lỏng và CNG song song khắc phục được tình trạng tiếpnhiên liệu do sự hạn chế về cơ sở hạ tầng của CNG

b Nh ược điểm của hệ thống nhiên liệu lỏng và CNG song song

Cấu tạo động cơ trở nên phức tạp, rất khó khăn trong việc lắp

đặt bố trí HTNL mới, giá thành tăng

Phải tính toán, thiết kế cho động cơ làm việc tương đối ổn định

ở cả hai loại nhiên liệu Khó khăn trong việc vận hành, bảo trì, sửa

chữa động cơ

B ảng 2.3.2 So sánh tính năng của nhiên liệu

khí thiên nhiên nén CNG so v ới các nhiên liệu truyền thống

3 ứng dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cho các phương tiện

giao thông

Khí thiên nhiên được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương

tiện giao thông đầu tiên ở ý vào những năm 1930 Vào thập kỷ

1950, Pháp đã có 10.000 phương tiện chạy nhiên liệu CNG NewZealand, Canada, Mỹ đã có thị trường về CNG vào những năm

1970 và 1980 Hiện nay, có hơn 1.000.000 phương tiện giao thông

sử dụng nhiên liệu CNG ở 47 quốc gia trên toàn thế giới Năm 1994

có 2.700 trạm cung cấp CNG được báo cáo

3.1 Biện pháp kỹ thuật

Thành phần hoá học của khí thiên nhiên chủ yếu là CH4 (chiếmkhoảng 80% đến 90% tuỳ theo nguồn khai thác) Nhiệt độ tự cháy

của khí thiên nhiên cao (540oC) hơn diesel (260oC), chỉ số cetane

của khí thiên nhiên (4) thấp hơn diesel(450) rất nhiều, do đó khíthiên nhiên khó tự bốc cháy hơn diesel Ngoài ra chỉ số octane củakhí thiên nhiên cao hơn xăng Vì vậy khí thiên nhiên là nhiên liệu

tốt cho động cơ đánh lửa cưỡng bức Các phương pháp chuyển đổi

động cơ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên liệukhí thiên nhiên :

- Động cơ xăng chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu khí thiênnhiên, đốt cháy hỗn hợp bằng tia lửa điện của bugi

- Động cơ xăng chuyển sang sử dụng đồng thời 2 nhiên liệu:khí thiên nhiên và xăng, đốt cháy hỗn hợp bằng tia lửa điện củabugi

- Động cơ diesel chuyển sang sử dụng nhiên liệu khí thiênnhiên, đốt cháy hỗn hợp bằng tia lửa điện của bugi

- Động cơ diesel chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu khíthiên nhiên và diesel, đốt cháy hỗn hợp bằng sự tự cháy của lượngnhiên liệu diesel phun mồi (từ 5% đến 25% lượng nhiên liệu địnhmức)

Các phương pháp tạo hỗn hợp của động cơ sử dụng nhiên liệukhí thiên nhiên:

- Sử dụng bộ chế hoà khí

- Sử dụng phương pháp phun : phun tập trung hay phun riêngrẽ

Khí thiên nhiên sử dụng cho động cơ dưới các dạng sau:

- Khí thiên nhiên nén (CNG - Compressed Natural Gas): khíthiên nhiên được nén dưới dạng khí ở áp suất cao (200kg/cm2)trong bình hình trụ

- Khí thiên nhiên lỏng (LNG - Liquefied Natural Gas): khí thiênnhiên được trữ ở nhiệt độ thấp (-162oC) trong bình cách nhiệt

- Khí thiên nhiên hấp thụ (ANG - Asorbed Natural Gas): khíthiên nhiên được trữ ở áp suất vài chục kg/cm2 được hấp thụ vàomột vật liệu ở bên trong bình chứa hình trụ

- Khí thiên nhiên tổng hợp (SNG - Synthetic Natural Gas): khíthiên nhiên được tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu là than đá

Trên động cơ ôtô sử dụng khí thiên nhiên ở dạng nén (CNG)

hoặc ở dạng lỏng (LNG)

3.2 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ CNG

Hình 2.3.4 M ột hệ thống nhiên liệu CNG

đi ển hình 3.3 Tính năng động cơ

So với xăng, nhiên liệu khí thiên nhiên có chỉ số octane cao hơnnên có thể tăng tỉ số nén, làm cho hiệu suất nhiệt tăng Khí thiênnhiên có nhiệt trị riêng khối lượng cao hơn so với nhiên liệu lỏngthông thường Cho nên cùng hiệu suất như nhau, suất tiêu haonhiên liệu tính theo khối lượng của động cơ sử dụng khí thiên nhiên

thấp hơn khi sử dụng các loại nhiên liệu lỏng khác

Khi cải tạo động cơ diesel thành động cơ sử dụng nhiên liệu khíthiên nhiên thì moment cực đại, công suất cực đại có giảm đi so với

động cơ nguyên thủy

3.4 Mức độ phát thải ô nhiễm

Ta thấy rằng động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên chỉphát thải các chất hydrocarbure từ C1 đến C4, ít độc hơn so với các

chất như benzene và toluene có trong thành phần khí xả của động

cơ xăng

Hình 2.3.5 Nồng độ khí thải của động cơ CNG so

với tiêu chuẩn

Hình 2.3.6 M ức độ phát thải tổng cộng của động cơ

s ử dụng nhiên liệu Diesel, methanol và CNG

Hình 2.3.6 cho thấy mức độ phát thải của ôtô chạy nhiên liệuCNG rất thấp so với tiêu chuẩn quy định Nếu sử dụng nhiên liệu

CNG thì mức độ phát thải tổng cộng chỉ bằng khoảng 16% so vớinhiên liệu diesel CNG là nhiên liệu thay thế có nhiều nhiều triển

vọng làm giảm ô nhiễm môi trường

3.5 Khả năng áp dụng

Cũng như LPG, với điều kiên về kỹ thuật và kinh tế hiện nay,nước ta hoàn toàn có thể sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệucho động cơ ôtô

4 Sử dụng nhiên liệu khí cho động cơ trên xe bus:

Động cơ trên xe buýt hiện nay là động cơ Diesel 4 kỳ Để sử

dụng nhiên liệu khí cho xe buýt ta phải có một số cải tiến về kết cấu

động cơ cũng như hệ thống nhiên liệu Với hiện trạng về nhiên liệukhí ở nước ta hiện nay, các loại nhiên liệu khí có thể sử dụng cho

động cơ trên xe buýt là khí thiên nhiên nén CNG

4.1 Phương án sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên cho xe buýt

Có hai cách sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu cho động cơdisel

để lắp bugi Buồng cháy cũng được gia công lại để giảm tỉ số nén

- Trong điều kiện các trạm cung cấp nhiên liệu khí thiên nhiênchưa phổ biến thì việc vận hành xe gặp khó khăn trong vấn đềnạp nhiên liệu

- Việc điều khiển động cơ dễ dàng