20 MỚI LÀ CHO ĐỘNGCƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ
20.3.5 5.6.1 Thành phần hoá học
bảng 5-4 giới thiệu thành phần tiêu biểu của một số mẫu khí thiên nhiên từ một số khu vực trên thế giới. Ngoài CH4, những thành phần hydrocacbure khác theo thứ tự thành phần giảm dần: etane (1-8%), Propane (2%), Butane và pentane (nhỏ hơn 1%). Khí thiên nhiên cũng chứa những chất khí trơ như: Nitơ (10,8%), CO(0,2-1,5%).
Bảng 5-4: Thành phần khí thiên nhiên ở các vùng khai thác khác nhau.
metane etane Propan butane C5+ Nitơ H2S CO2
Pháp 69,0 6,0 0,9 0,5 0,5 1,5 15,3 9,3 Algesrie 83,7 6,8 2,1 0,8 0,4 5,8 - 0,2 Đông Âu 85,3 5,8 5,3 2,1 0,2 0,9 - 0,4 Irak 56,9 21,2 6,0 3,7 1,6 - 3,5 7,1 Mỹ 86,5 8,0 1,9 0,3 0,2 2,6 - 0,5 Indonesia 65,7 8,5 14,5 5,1 0,8 1,3 - 4,1 20.3.6 5.6.2. Nhiệt trị.
Thông thường, nhiệt trị của khí thiên nhiên được tính theo KƯh/m3 ở điều kiện thường (101,3Kpa và 00C). Trong sử dụng NGV làm nhiên liệu cho ô tô, để tiện so sánh với nhiên liệu cổ điển như: Xăng, Điezel, người ta thường tính nhiệt trị theo MJ/kg. Bảng 5-5 giới thiệu một vài giá trị tiêu biểu PCI của khí thiên nhiên từ các vùng khác nhau. Sự chuyển đổi từ PCI thể tích sang PCI khối lượng cần phải biết khối lượng riêng r(kg/m3). Tỉ lệ nhiên liệu/không khí trong trường hợp cháy hoàn toàn lý thuyết có thể xác định theo thành phần của khí thiên nhiên (bảng 5-4).
Bảng 5-5: Nhiệt trị Φ=1đối với các mẫu khí thiên nhiên xuất xứ khí Khối lượng Riêng ở thể khí (kg/m3N) Tỉ lệ hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết PCI (MJ/kg) (kWh/kg) (MJ/m3N) (kWh/m3N) Lacq 0,73 17,09 49,64 13,79 36,42 10,12 Algerie (Fos) 0,76 16,77 48,89 13,58 37,06 10,29 Algerie (Montỏi) 0,80 16,79 48,95 13,60 39,40 10,94 Mer du Nord 0,81 15,53 45,46 12,63 36,80 10,22 URSS 0,74 16,53 47,99 13,33 35,70 9,92 Gronigue 0,82 13,87 40,27 11,19 33,17 9,21
Chúng ta có thể thấy rằng khí thiên nhiên có nhiệt trị riêng khối lượng cao hơn (khoảng 10%) so với nhiên liệu lỏng thông thường. Cùng hiệu suất như nhau, suất tiêu hao nhiên liệu (tính theo khối lượng) của động cơ dung NGV cũng giảm chừng ấy lần. Dĩ nhiên PCI của NGV giảm khi thành phần các chất khi trơ (CO2, N2) tăng.
Vì tỉ lệ nhiên liệu/không khí trong trường hợp cháy hoàn toàn lý thuyết thay đổi trong phạm vi tương đối rộng, từ 14 đến 17, tuỳ theo thành phần của khí thiên nhiên nên trên động cơ làm việc với NGV, cần phải dự kiến những hệ thống điều chỉnh thành phần hỗn hợp có thể làm việc trong một giải tương đối rộng. Ngược lại, năng lượng chứa đựng trong hỗn hợp nhiên liệu-không khí, với độ đậm đặc như nhau, ít phụ thuộc vào thành phần khí thiên nhiên, điều ấy cho phép duy trì công suất riêng của động cơ khi sử dụng các nguồn khí khác nhau.
20.3.7 5.6.3. Chỉ số Wobbe.
Chỉ số Wobbe W là một đặc trưng được sử dụng từ lâu để so sánh tính năng toả nhiệt của hệ thống cháy. Chỉ số Wobbe được tính theo biểu thức sau đây:
d PCS w =
Trong đó:
PCS: nhiệt trị cao MJ/m3
d : Tỉ trọng của ga so với không khí.
Quan hệ giữa W và tỉ lệ hỗn hợp trong trường hợp cháy hoàn toàn lý thuyết r rất có ý nghĩa thực tiễn:
d W . .Cte k r= k = 0,95; Cte = 0,90
Biểu thức này cho thấy rằng r là hàm đồng biến theo chỉ số Wobbe. Nếu chỉ số Wobbe tăng, tỉ lệ cháy hoàn toàn lý thuyết và do đó độ đậm đặc của hỗn hợp cũng tăng đối với cùng sự điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu khí.
Vì vậy đối với nhà chế tạo ô tô, giá trị của chỉ số Wobbe và nhất là sự thay đổi của nó từ mẫu khí này đến mẫu khí khác là một thông tin cần thiết đối với sự điều chỉnh hệ thống cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
20.3.8 5.6.4. Đặc điểm liên quan đến quá trình cháy trong động cơ.
So sánh một số tính chất đặc trưng của khí thien nhiên (chủ yếu là khí metane) và xăng được trình bày trên bảng 5-6.
Bảng 5-6: so sánh đặc tính metane và xăng.
Đặc trưng metane xăng
Chỉ số octane ≈ 130 95
Nhiệt trị khối lượng (kJ/kg) 50009 42690 Năng lượng hỗn hợp (kJ/dm3) 3,10 3,46
Giới hạn bốc cháy 0,50 0,60
Tốc độ cháy chảy tầng ở độ đậm đặc 0,80 (cm/s)
30 37,5
Năng lượng đánh lửa tối thiểu (mJ) 0,33 0,26 Nhiệt độ đoạn nhiệt của màng lửa(K) 2227 2266
20.3.9 5.6.4.1. Chỉ số Octane.
Chỉ số RON và MON của metane theo thứ tự là 130 và 115. Đây là một ưu thế của khí NGV sử dụng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức. Do tính chống kích nổ tốt nên NGV cũng được sử dụng trên động cơ có tỉ số nén cao được cải tạo từ động cơ Điezel nguyên thuỷ. Trong trường hợp đó, người ta thường sử dụng phương pháp đánh lửa bằng cách phun mồi (động cơ lưỡng nhiên liệu). Kỹ thuật này có nhiều lợi thế trên động cơ tĩnh tại nhưng sử dụng rất hạn chế trên động cơ vận tải do việc điều chỉnh phức tạp ở chế độ quá độ. Vì vậy, hiện nay gần như hầu hết các ô tô sử dụng NGV đều hoạt động theo chu trình động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền thống.
20.3.10 5.6.4.2. Đánh lửa và lan truyền mang lửa trong buồng cháy
động cơ sử dụng NGV.
Năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp metane-không khí cao hơn nhiều so với trường hợp các hydrocacbure khác. Vì vậy, hệ thống đánh lửa của động cơ sử dụng nhiên liệu NGV phải có tính năng cao hơn (bobine phải có công suất cao hơn) để bảo đảm tạo ra một
năng lượng đánh lửa từ 100 đến 110 mJ so với 30÷40mJ đối với động cơ xăng truyền thống.
Mặt khác, giới hạn thành hỗn hợp có thể cháy được đối với khí metane rộng hơn các loại hydrocacbure khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn.
Tốc độ lan tràn màng lửa của hỗn hợp metane-không khí tương đối thấp (hình5-19). Đặc điểm này làm giảm tính năng của động cơ vì làm tăng trền nhiệt từ môi chất công tác qua thành. Để khắc phục tình trạng này người ta tăng cường thêm vận động rối của hỗn hợp trong buồng cháy. Tuy nhiên tốc độ lan tràn màng lửa thấp của hỗn hợp metane-không khí có ưu điểm là làm giảm độ ồn của quá trình cháy nhờ gradient áp suất nhỏ.
Hình 5-19: Tốc độ cháy (m/s) của metane, propane và isooctane (điều kiện ban đầu áp suât 30bar).
20.3.11 5.6.4.3. Thành phần và nhiệt độ của sản phẩm cháy.
Metane chỉ chiếm 75% khối lượng carbon so với 87÷88% đối với nhiên liệu lỏng truyền thống. Trong điều kiện cháy hoàn toàn lý thuyết, thành phần CO2 cực đại trong sản phẩm cháy chỉ đạt 11,7% so với 14,5% đối với
làm việc với hỗn hợp giàu, thành phần CO trong khí xả thấp hơn khi sử dụng các hydrocacbure khác. Ứng với độ đậm đặc 1,1, thành phần CO trong sản phẩm cháy chiếm khoảng 2,2% đối với metane và 3,3% đối với toluen.
Nhiệt độ màng lửa của hỗn hợp metane-không khí thấp nên nồng độ NOx trong sản phẩm cháy cũng thấp.
20.3.12 5.7. Các kỹ thuật liên quan đến ô tô sử dụng NGV.
Giống như khi vận hành, sử dụng các thiết bị áp lực khác nhau, đối với ô tô NGV chúng ta cũng cần phải xem xét các điều kiện về khối lượng, thể tích, độ an toàn của bình chứa nhiên liệu khí ở áp suất cao.
20.3.13 5.7.1. Chứa nhiên liệu NGV trên ô tô và hệ thống cung cấp.
20.3.14
20.3.15 5.7.1.1. Bình chứa NGV trên ô tô.
Giải pháp cổ điển nhất là sử dụng bình thép để chứa NGV dưới áp suất khoảng 200 bar. Theo quy định an toàn, bình chứa phải chịu áp suất thử nghiệm 600 bar để đề phòng nổ vỡ trong trường hợp nó bị sấy nóng (khi bị hoả hoạn chẳng hạn). Điều này làm giảm khả năng chứa cực đại của bình (khoảng 0,15m3
N NGV đối với 1kg vỏ bình chứa). Ngày nay, người ta ưa chuộng các loại vật liệu khác, chẳng hạn như nhôm thường hay nhôm gia cố thêm sợi thuỷ tinh, vật liệu composite với sườn bằng sợi dây thuỷ tinh hay sợi carbon. Khả năng chứa khí của các bình chế tạo từ các vật liệu khác nhau trình bày trên bảng 5-7. Bảng này cho thấy rằng những vật liệu mới có thể cho phép nâng sức chứa NGV lên gấp 4 lần so với bình bằng thép có cùng khối lượng.
Bảng 5-7: Khả năng chứa (m3
N) đối với 1 kg bình chứa làm bằng các vật liệu khác nhau ở áp suất 200bar.
Vật liệu Khả năng chứa mn3/kg bình chứa ở 200bar Thép thường 0,13-0,14
Thép tốt 0,18-0,20
Nhôm gia cố sợi thuỷ tinh 0,28-0,38 Composite sườn bằng sợi 0,40-0,50
Thuỷ tinh
Composite sườn bằng sợi carbon 0,50-0,70
Người ta nhận thấy dù sử dụng một loại vật liệu nào đi nữa thì áp suất khí trong bình khoảng 200 bar là tối ưu nhất.
Một phương pháp khác để chứa NGV trên ô tô là dùng vật liệu hấp thụ. Vật liệu này có thể là than hoạt tính hay oxide kim loại. Ưu điểm của chúng thể hiện ở khả năng chứa khí (trên một đơn vị khối lượng) cao (hình 5-20) và có thể làm việc ở áp suất thấp (30÷40 bar). Trong điều kiện đó, giá thành nến khí thấp hơn và bình chứa có thể được chế tạo theo những dạng khác nhau cho phù hợp với sự bố trí bình chứa trên xe (bình chứa NGV thông thường ở áp suất 200 bar phải có dạng hình trụ). Bình chứa nhiên liệu kiểu hấp thụ hiện đang được nhgiên cứu để hoàn thiện. Vấn đề cần giải quyết là khống chế quá trình nhiệt diễn ra khi hấp thụ khí (toả nhiệt) và khi giải phóng khí (thu nhiệt), khả năng hấp thụ khí, tuổi thọ của vật liệu hấp thụ… Hiện nay, người ta đã đạt được áp suất làm việc 35 bar với khả năng chứa khí từ 125÷180 lít đối với một lít thể tích bình chứa, nghĩa là đạt được
khoảng từ 50÷80% khả năng chứa của bình thép thong thường ở áp suất 200 bar.
Hình 5-20: Khả năng chứa trên than hoạt tính ở 2100C.
Tuy nhiên cho đến nay, việc chứa khí NGV dưới áp suất cao vẫn là giải pháp thong dụng nhất. Vì vậy, trên ô tô sử dụng loại nhiên liệu này người ta phải lắp các thiết bị an toàn để tránh sự cháy nổ trong trường hợp khí bị rò rỉ. Trong thự tế rủi ro này rất ít khi xảy ra vì metane nhẹ hơn rất nhiều so với không khí (tỉ trọng so với không khí là 0,55) nên bị khuếch tán nhanh chóng, khả năng để đạt được hỗn hợp trong giới hạn bốc cháy là rất thấp.
Để đảm bảo an toàn về áp suất, trên hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV người ta lắp đặt một van an toàn tác động ở áp suất 350 bar. Áp suất này có thể xảy ra khi ô tô bị hoả hoạn. Kết quả thí nghiệm trong trường hợp cháy xe cho thấy khí thoát ra khỏi van an toàn gây chay nhưng không nổ. Đối với xe bus chạy ga, bình chứa khí thường đặt trên trần xe (5-21).
Hình 5-21: Sơ đồ bố trí tổng thể hệ thống cung cấp NGV trên ô tô bus.
Chúng ta phân biệt 2 trường hợp: trạm dịch vụ cung cấp khí tập trung và máy nén gia đình giúp cho người sử dụng nạp NGV ngay tại garage của mình.
Ở các nước có hệ thống ga thành phố, trạm dịch vụ NGV có 3 chức năng:
- Nối vào mạng phân phối khí thiên nhiên của thành phố.
- Nén khí đến áp suất hơn 200 bar và dự trữ một số bình khí để cung cấp nhanh trong những giờ cao điểm.
- Phân phối khí NGV cho ô tô bằng ống mềm.
Thời gian nạp NGV càng nhỏ càng tốt, thường khoảng từ 2 đến 10 phút cho mỗi xe. Điều này đòi hỏi phải chứa ga trong bình dự trữ ở trạm có áp suất cao hơn nhiều so với áp suất bình chứa khí trên ô tô. Thông thường áp suất máy nén khoảng 250 bar. Đối với một trạm dịch vụ nạp khí cho 1000 ô tô/ ngày cần phải có máy nén có công suất khoảng 100KW.
Cuối cùng cần nói thêm rằng, khi cung cấp NGV, máy định lượng thường được chia không phải theo m3 khí cung cấp theo lít xăng tương đương để cho người sử dụng có thể so sánh với nhiên liệu lỏng truyền thống.
Ngoài ra, ở các nước phát triển có hệ thống cung cấp khí thiên nhiên trong thành phố, người ta còn sử dụng máy nén cá nhân để cung cấp NGV cho ô tô ngay tại nhà người sử dụng. Hệ thống này đảm bảo nạp ga chậm, khoảng 4lít/giờ với áp suất 200 bar.
20.3.17 5.7.2. Tổ chức quá trình cháy.
Hai dạng ô tô có thể dụng NGV đó là ô tô chuyên dụng và ô tô bus. Tuỳ theo dạng sử dụng, giải pháp kỹ thuật về tổ chức quá trình cháy có thể khác nhau.
Ô tô chuyên dụng thường dùng động cơ xăng nên khi cải tạo nó sang dung NGV cần chú ý đến việc tăng tỉ số nén. Tỉ số nén của động cơ chạy NGV có thể chọn cao hơn nhiều so với động cơ xăng do chỉ số octane của metane lớn. Thường tỉ số nén của động cơ NGV là 12 hoặc 13. Cũng như động cơ xăng, để nâng cao hiệu quả của việc xử lý ô nhiễm bằng bộ xúc tác ba chức năng, bộ tạo hỗn hợp phải điều chỉnh thành phần hỗn hợp f quanh giá trị cháy hoàn toàn lý thuyết.
Việc cải tạo xe bus nguyên thuỷ dùng động cơ Điezel sang dùng nhiên liệu khí NGV phức tạp hơn nhiều vì phải thêm hệ thống đánh lửa cưỡng bức và tổ chức quá trình cháy như động cơ xăng. Trong điều kiện đó để giảm ô nhiễm và tăng tính kinh tế của động cơ, người ta có thể áp dụng hai giải
pháp kỹ thuật sau đây và hai giải pháp này đang là đối tượng nghiên cứu để tiếp tục phát triển:
- Giải pháp thứ nhất là cho động cơ luôn luôn làm việc với thành phần hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết kết hợp với việc xử lý khí thải bằng bộ xúc tác ba chức năng. Ưu điểm của nó là làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm nhưng nhược điểm là hiệu suất giảm so với động cơ Điezel.
- Giải pháp thứ hai, ít có tham vọng làm giảm ô nhiễm môi trường hơn nhưng có khả năng làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo điều kiện vận hành và ưu tiên sử dụng hỗn hợp nghèo.
20.3.18 5.7.3. Kĩ Thuật tạo hỗn hợp.
Việc định lượng chính xác nhiên liệu cung cấp ở mỗi chế độ làm việc của động cơ NGV đôi khi khó thực hiện. Mặt khác, khi động cơ hoạt động, thành phần hỗn hợp giữa các xy lanh cần phải đồng đều và tổn thất trên đường nạp cần phải giảm đến mức độ thấp nhất… Vì vậy hệ thống nạp của động cơ NGV đòi hỏi những kỹ thuật phức tạp.
20.3.19 5.7.3.1. Bộ chế hoà khí.
Có nhiều kỹ thuật chế hoà khí nhưng hiên nay kỹ thuật phổ biến nhất vẫn là kỹ thuật ống Venturi. Trong hệ thống này, khí NGV không những chỉ định lượng bởi độ chân không trong ống venture mà còn bởi sự thay đổi độ tiết lưu trên đường nạp. Sự điều chỉnh mức độ tiết lưu này được thực hiện nhờ một động cơ bước qua trung gian một bộ vi xử lý chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm biến.
Phương án dung bộ chế hoà khí có nhược điểm là hệ số nạp của động cơ bị giảm ở chế độ quá độ. Để khắc phục nhược điểm này, người ta nghiên cứu áp dụng phương án phun nhiên liệu trực tiếp hay gián tiếp.
20.3.20 5.7.3.2. Phun gián tiếp.
Hệ thống phun gián tiếp cho phép cải thiện được tính năng của động cơ và mức độ phát ô nhiễm. Khác với bộ chế hoà khí, hệ thống này phun nhiên liệu dưới áp suất. Điều này cho phép cung cấp một lượng nhiên liệu chính
xác theo chế độ làm việc của động cơ. Mặt khác, do không có họng Venturi, hệ số được nạp vào động cơ được cải thiện đáng kể. Cũng như động cơ xăng, phun nhiên liệu có thể được thực hiện theo phương án tập trung (một điểm) tại cổ góp đường nạp (hình 5-22) hay riêng rẽ (phun vào trước xupap nạp của mỗi xy lanh) (hình 5-23). Hệ thống phun riêng rẽ có nhiều ưu điểm so với hệ thống phun tập trung vì nó làm giảm khả năng hồi lưu ngọn lửa