Các giải pháp kĩ thuật cải thiện quá trình cháy và tăng cường xử kí trên đường xả như đã mô tả ở chương 4 chưa đủ để làm giảm một cách triệt để nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải động cơ đốt trong. Do đó, để nâng cao hiệu quả của việc chống ô nhiễm môi trường do phương tiện vận tải gây ra, chúng ta cần tác động đến nhiên liệu: nâng cao tính năng của nhiên liệu truyền thống hoặc sử dụng các loại nhiên liệu ‘sạch’. Sử dụng nguồn nhiên liệu khí để chạy động cơ ngoại việc đa dạng hoá nguồn năng lượng còn góp phần đáng kể vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra.
20.1 Phần A: GIỚI THIỆU VỀ NHIÊN LIỆU KHÍ HOÁ LỎNG LPG.
Nhiên liệu khí hoá lỏng (LPG: khí dầu mỏ hoá lỏng) thường thuộc nhóm hydrocarbure có 3 hay 4 nguyên tử C (C3-C4). Loại nhiên liệu này được phát triển và thương mại hoá từ những năm 1950. Mấy thập kỉ qua chúng được dùng chủ yếu cho công nghiệp và sinh nhiệt gia dụng. Việc nghiên cứu sử dụng chúng cho động cơ đốt trong trên phương tiện giao thông vận tải đã bắt đầu trong những năm gần đây. Tuy việc áp dụng loại nhiên liệu này trên ô tô cần những thiết bị cồng kềnh hơn nhiên liệu lỏng nhưng nó cho phép giảm được mức độ phát ô nhiễm và đó chính là điểm mà các nhà chế tạo ô tô quan tâm nhất hiện nay.
20.1.1 5.1. Trữ lượng LPG và thị trường tiêu thụ.
LPG là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí hoá lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên. Vì vậy, nguồn gốc khí hoá lỏng phụ thuộc vào xuất xứ nhiên
liệu. Nói chung trên thế giới có khoảng 40% LPG thu được từ quá trình lọc dầu thô.
Sản lượng khí hoá lỏng trên thế giới năm 1995 là 130 triệu tấn, chiếm 2% tổng năng lượng tiêu thụ dưới các dạng khác nhau. Người ta dự kiến trong những năm đầu của thế kỉ 21, tổng sản lượng LPG trên thế giới sẽ đạt khoảng 200 triệu tấn/năm.
Phần lớn lượng khí hoá lỏng thu được hiện nay được sử dụng làm nguồn chất đốt để sinh nhiệt gia dụng hay công nghiệp. Lượng khí hoá lỏng làm nhiên liệu cho ô tô đường trường hiện chỉ chiếm một tỉ lệ khiêm tốn: 1% ở Pháp, 3% ở Mỹ, 8% ở Nhật… (hình 5-1). Tuy nhiên ở một số nước có chính sách khuyến khích sử dụng LPG làm nhiên liệu cho ô tô nhằm mục đích giảm ô nhiễm môi trường thì tỉ lệ này rất đáng kể, chẳng hạn như Hà Lan, Ý (42%)…Các số liệu trên chưa kể những động cơ trên các ô tô chuyên dụng sử dụng LPG (chẳng hạn ô tô chạy trong sân bay, xe nâng chuyển, máy móc nông nghiệp…).
Sự phát triển ô tô dùng LPG phụ thuộc vào chủ trương của mỗi quốc gia, đặc biệt là phụ thộc vào chính sách bảo vệ môi trường (hình 5-2). Sự
khuyến khích sử dụng ô tô LPG thể hiện qua chính sách thuế ưu đãi của mỗi quốc gia đối với loại nhiên liệu này.
Hình 5-2: Tỉ lệ ô tô sử dụng LPG.
Ở một số nước Châu Á, Hàn Quốc và Nhật Bản chẳng hạn để giảm ô nhiễm môi trường đô thị, chính phủ các nước này khuyến khích, tiến tới bắt buộc taxi phải dùng nhiên liệu khí hoá lỏng. Hiện nay toàn bộ taxi Hàn Quốc đều dùng loại nhiên liệu này.
Hình 5-3: Thành phần LPG tiêu biểu
20.1.2 5.2. Đặc tính nhiên liệu khí hoá lỏng.20.1.3 20.1.3
20.1.4 5.2.1. Thành phần hoá học.
Theo tiêu chuẩn Châu Âu, nhiên liệu khí hoá lỏng phải có từ 19 đến 50% hydrocarbure C3 (propane và propylène). Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hoá lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là hydrocarbure C4, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ có butane là khí hoá lỏng được sử dụng chính thức. Ngược lại ở Mĩ thì chỉ có hydrocarbure C3 được sử dụng. Hình 5-3 so sánh thành phần nhiên liệu khí hoá lỏng của Pháp và Mĩ.
Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng nhiên liệu khí hoá lỏng chứa rất ít lưu huỳnh. Thường nó chỉ chứa từ 40÷60ppm, thấp hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu (200ppm). Do đó, động cơ dùng LPG phát rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả của bộ lọc xúc tác được cải thiện.
20.1.5 5.2.2. Lí tính.
Nhiên liệu khí hoá lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng (PCIm) cao, cao hơn cả xăng hay dầu Diezel (bảng 5-1). Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó thấp, nhiệt trị riêng theo thể tích (PCI) thấp hơn nhiên liệu lỏng.
Bảng 5-1: So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển
Thông số đặc trưng Eurosuper Diezel thương mạiPropane
Butane thương
mại
LPG Khối lượng riêng
(kg/dm3) 0,725- 0,780 0,820- 0,860 0,51 0,58 0,51- 0,58
Nhiệt trị thấp PCI -theo khối lượng (MJ/kg) -theo thể tích (MJ/dm3) 42,7 32,0 42,6 35,8 46,0 23,5 45,6 26,4 45,8 25,0 20.1.6 5.2.3. Chỉ số Octane.
Nhiên liệu khí hoá lỏng được đặc trưng bởi chỉ số octanenghiên cứu
(RON) cao, có thể dễ dàng đạt đến 98. Bảng 5-2 giới thiệu RON của cá loại khí khác nhau. Chỉ số octane động cơ (MON) của LPG cũng cao hơn xăng.
Bảng 5-2: Chỉ số octane của một số chất Chất RON MON Propane Propène n-Butane Isobutane But-1-ène But-2-ène >100 102 95 >100 (98) 100 100 85 92 99 80 83
20.1.7
20.1.8 5.3. Sử dụng LPG trên ô tô.
Có hai dạng động cơ sử dụng nhiên liệu khí hoá lỏng hiện nay. Dạng thứ nhất nguyên thuỷ là động cơ xăng, được lắp đặt thêm hệ thống cung cấp nhiên liệu đặc biệt để làm việc với LPG. Dạng thứ hai là động cơ đánh lửa cưỡng bức được thiết kế để dùng nhiên liệu LPG. Trong cả hai trường hợp, nguyên lí cũng như kết cấu của hệ thống cung cấp nhiên liệu cho ô tô có những đặc điểm giống nhau. Phần sau đây sẽ trình bày những cải tạo kĩ thuật khi chuyển động cơ đánh lửa cưỡng bức dùng nhiên liệu lỏng sang dùng nhiên liệu khí.
20.1.9 5.3.1. Cải tạo hệ thống đánh lửa.
20.1.10
Có hai dạng đánh lửa, mỗi dạng có những ưu nhược điểm riêng.
20.1.11 5.3.1.1. Đánh lửa bằng tia lửa điện.
Dạng đánh lửa này được áp dụng cho động cơ ô tô và động cơ công nghiệp có công suất trung bình.
Bougie gồm cực trung tâm và một hay bốn cực chung quanh nối liền với thân máy. Khoảng cách giữa các điện cực được chỉnh cẩn thận (thường là 0,3 đến 0,4mm tuỳ theo loại bougie) sao cho đảm bảo được hiệu quả đánh lửa cao nhất. Đối với động cơ ga dùng cho ô tô, hệ thống đánh lửa giống như hệ thống đánh lửa của động cơ xăng nguyên thuỷ.
20.1.12 5.3.1.2. Đánh lửa bằng cách phun nhiên liệu mồi.
Đánh lửa được thực hiện bằng sự tự cháy của một lượng nhỏ nhiên liệu lỏng phun trước khi piston đến ĐCT.
Nguyên tắc này giống như ở động cơ Diezel, chỉ có khác là việc điều chỉnh công suất được thực hiện bằng cách điều chỉnh thể tích khí ga nạp vào xi lanh còn lượng nhiên liệu lỏng phun mồi vẫn giữ cố định. Người ta gọi loại động cơ này là Diezel-gas hay lưỡng nhiên liệu (Dual-fioul). Phương
pháp này chỉ được áp dụng cho động cơ công nghiệp công suất lớn (lớn hơn 1000kW).
Các hạt nhiên liệu lỏng phun vào buồng cháy sẽ tự bốc cháy và tạo ra chừng ấy điểm đánh lửa trong hỗn hợp nhiên liệu-không khí.
So với hệ thống đánh lửa cổ điển dùng tia lửa điện, người ta thấy hệ thống đánh lửa kiểu này hiệu quả hơn nhiều vì năng lượng do nó toả ra cao gấp nghìn lần so với hệ thống đánh lửa bằng tia lửa điện truyền thống và nó hầu như không phụ thuộc vào sự phân bố hỗn hợp trong buồng cháy. Trong trường hợp đó, sự gia tăng áp suất diễn ra nhanh chóng hơn và hiệu suất động cơ được cải thiện đáng kể.
Phân tích đường cong áp suất cho thấy ở chế độ làm việc ổn định, sự gia tăng áp suất của loại động cơ này tương tự động co Diezel.
Lượng nhiên liệu phun mồi rất nhỏ, nhỏ hơn cả lượng nhiên liệu cần thiết để duy trì chế độ không tải của động cơ Diezel. Vòi phun vì vậy không được làm mát đầy đủ nên cần phải lưu ý hiện tượng kẹt kim phun.
Tỉ số nén của động cơ lưỡng nhiên liệu cũng được lựa chọn vừa đủ để đảm bảo nhiên liệu phun mồi tự bốc cháy nhưng không làm tự cháy hỗn hợp ga-không khí để tránh hiện tượng cháy kích nổ. Tỉ số nén thông thường là 13 đối với động cơ có đường kính xi lanh D=150mm; 11,5 đối với động cơ có D=250mm và 10,5 đối với động cơ có D=500mm.
20.1.13 5.3.1.3. So sánh hai phương pháp đánh lửa.
Ưu điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu là:
- Độ tin cậy khi đánh lửa cao, hiệu quả đánh lửa kéo dài và có thể đánh lửa với bất kỳ độ đậm đặc nào của hỗn hợp với điều kiện là mức độ rối của hỗn hợp ga-không khí đủ lớn.
- Dễ dàng chuyển đổi sang lại động cơ Diezel khi có sự cố hệ thống ga.
- Hiệu suất nhiệt động học cao.
Nhược điểm của phương pháp lưỡng nhiên liệu là tỉ số nén cao làm hạn chế công suất cực đại theo tính chất nhiên liệu khí, trong khi đó việc đánh lửa bằng tia lửa điện cho phép lựa cho tỉ số nén tối ưu cho từng loại ga sử dụng. Tuy nhiên việc giảm tỉ số nén sẽ dẫn tới việc giảm hiệu suất nhiệt của động cơ.
20.1.14 5.3.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu.
Cho đến nay, hệ thống phun nhiên liệu khí vào đường nạp nhờ độ chân không tại họng Venturi được dùng phổ biến nhất. Tuy nhiên, những hệ thống phun nhiên liệu mới đang được nghiên cứu áp dụng thể hiện nhiều ưu điểm hơn, đặc biệt là hệ thống phun nhiên liệu ở dạng khí hóa lỏng ngay trước soupape nạp. Hệ thống này có ưu điểm là ngăn chặn sự bốc cháy của hỗn hợp trên đường nạp, hiệu suất của động cơ được nâng cao và mức độ phát ô nhiễm giảm đi rõ rệt.
LPG có thể cung cấp cho động cơ ở dạng khí hay dạng lỏng. Ưu điểm của việc sử dụng LPG dưới dạng khí là sự đồng nhất hoàn hảo của hỗn hợp ga-không khí và tránh hiện tượng ướt thành đưòng nạp bởi nhiên liệu lỏng, hiện tượng này rất nhạy cảm khi động cơ khởi động và khi động cơ làm việc ở chế độ chuyển tiêp. Điều này cho phép làm giảm được mức độ phát sinh ô nhiễm (từ 30 đến 80% so với động cơ xăng nguyên thuỷ). Nhược điểm của việc cung cấp dạng này là quá trình điều khiển dài và sự cung cấp ga liên tục làm hạn chế khả năng khống chế tỉ lệ không khí/ga, đặc biệt là giai đoạn quá độ của động cơ. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng công suất động cơ giảm đi khoảng từ 5 đến 8% do tổn thất lượng không khí nạp do khí ga chiếm chỗ.
Hệ thống cung cấp LPG bằng cách phun ở dạng lỏng cho phép sử dụng ưu thế của LPG để hạn chế những nhược điểm trên đây. Ưu điểm của việc phun LPG lỏng là tạo khả năng kiểm soát được độ đậm đặc ở mỗi lần phun với thời gian rất ngắn vì vậy có thể áp dụng các biện pháp hữu hiệu nhằm giới hạn mức độ phát ô nhiễm khi động cơ làm việc ở chế độ quá độ. Sự bốc hơi LPG làm giảm đáng kể nhiệt độ khí nạp do đó làm tăng hệ số nạp của động cơ. Mặt khác, màng nhiên liệu lỏng bám trên đường nạp không đáng kể gì so với khi động cơ làm việc với xăng. Điều này thuận lợi cho việc làm giảm mức độ phát sinh CmHn.
Tuy nhiên việc sử dụng vòi phun thay vì bộ chế hoà khí do làm giảm thời gian tạo hỗn hợp và mật độ nhiên liệu cung cấp dẫn đến sự không đồng nhất của hỗn hợp và do đó có nguy cơ làm tăng nồng độ CO trong khí xả.
20.1.15 5.3.2.1. Bộ chế hoà khí.
Có nhiều dạng bộ chế hoà khí dựa trên nguyên tắc ống Venturi. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số dạng chính.
1. Bộ chế hoà khí dạng màng.
Hình 5.4 thể hiện sơ đồ mặt cắt của một bộ chế hoà khí dạng
màng. Khi dừng động cơ, van C đóng đồng thời đường vào không khí và ga dưới tác dụng của lò xo R. Màng M chịu áp suất của khí nạp ở một bên còn bên kia, chịu áp suất sau họng venturi được truyền qua nhờ bốn lỗ F. Khi lưu lượng không khí tăng dần, van xa dần khỏi đế, tạo ra một tiết diện lưu thông cho bởi lõi định dạng O. Biên dạng của lõi này được xác định theo nhiệt trị của nhiên liệu. Bộ phận này cho phép đạt được hỗn hợp có thành phần không đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ. Sự điều chỉnh tinh được thực hiện nhờ tác động vào hai bộ phận sau:
- Bộ giãn nở trên đường ga cho phép điều chỉnh áp suất ga-không khívà tác động lên độ đậm đặc của hỗn hợp chủ yếu ở chế độ tải thấp.
- Bướm V tạo ra một tổn thất áp suất thay đổi và tác động chủ yếu khi công suất động cơ đạt cực đại.
Hình 5-4: Bộ chế hoà khí dạng màng 2. Bộ chế hoà khí dạng van modul hoá.
Hình 5-5 biểu diễn mặt cắt của bộ hoà khí kiểu van modul hoá. Khí ga được hút vào phía sau bướm sau khi modul hoá lưu lượng nhờ một bộ định lượng. Khi sử dụng hệ thống này trên các động cơ khác nhau chỉ cần thay đổi bộ định lượng và gicleur tiêu chuẩn. Hệ thống này co phép động cơ làm việc lưỡng nhiên liệu xăng và ga, bộ chế hoà khí xăng được lắp phía trước họng ga.
Hình 5-5: Bộ chế hoà khí dạng Hình 5-6: Họng Venturi van modul hoá vạn năng
3. Họng Venturi vạn năng.
Họng Venturi vạn năng (hình 5-6) được thiết kế để dùng cho bộ chế hoà khí hỗn hợp. Nó giống như một chiếc đệm và có thể được lắp đặt ở bất cứ nơi nào trên đường nạp:
- Giữa bầu lọc gió và bộ chế hoà khí xăng. - Ở đế chế hoà khí, phía trước bướm ga.
Hình 5.7: Tạo hỗn hợp bằng cách dẫn khí ga vào họng bộ chế hoà khí nguyên thuỷ
4. Ống ga đặt thẳng vào họng.
Dạng cải tạo này dùng họng Venturi nguyên thuỷ của động cơ xăng. Ga được một ống dẫn tới vùng chân không của họng (hình 5-7) ống có thể dẫn theo đường trục của chế hoà khí hay vuông góc với đường trục bằng cách khoan xuyên qua thành bộ chế hoà khí.
5. Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu Venturi trên ô tô hiện đại.
Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu khí nhờ độ chân không tại
họng ống Venturi trên ô tô hiện đại được trình bày trên hình 5-8. LPG được nén trong bình chứa với áp suất từ 7÷10 bar sau đó được giãn nở và bay hơn đến một áp suất nạp thấp hơn áp suất khí trời. Nhờ độ chân không tại họng, LPG được hút vào đường nạp.
Lưu lượng LPG cung cấp được khống chế bởi bộ phận giãn nở và độ chân không ở ống Venturi. Với bộ chế hoà khí hiện đại, lưu lượng LPG được điều khiển bởi một bộ vi xử lý chuyên dụng.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu này đi kèm với ống xả xúc tác là giải pháp rất lí tưởng để làm giảm ô nhiễm. Tuy nhiên, việc nạp nhiên liệu dưới dạng khí ảnh hưởng xấu đến hệ số nạp làm giảm công suất và momen động cơ so với động cơ cùng cỡ chạy bằng nhiên liệu lỏng.
Hình 5-8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu ống Venturi trên ô tô hiện đại
Hình 5.9: Cung cấp ga bằng soupape ga
20.1.16 5.3.2.2. Cung cấp ga trực tiếp nhờ soupape ga.
Đối với động cơ ga công suất lớn, ga thường được cung cấp bởi một soupape đặc biệt được đặt trước cửa nạp hay ngay trong xi lanh (hình5.9).
Soupape này có thể điều khiển bởi một cánh tay đòn hay bởi một xi lanh thuỷ lực. Soupape ga được mở trễ hơn một chút so với soupape nạp để tránh thất thoát ga ra đường xả trong giai đoạn trùng điệp. Lượng ga nạp vào được điều chỉnh nhờ thời gian mở soupape ga hay độ chênh áp giữa ga và không