32
4.2.1.1. Nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG.
4.2.1.1.1. Giới thiệu.
CNG (Compressed Natural Gas) là khí tự nhiên nén, thành phần chủ yếu là methane (CH4) lấy từ các mỏ khí thiên nhiên, được xử lý và nén ở áp suất cao (200bar) để tồn trữ và vận chuyển tới các hộ tiêu thụ là các nhà máy có sử dụng nhiệt năng, các khu chung cư…
CNG là nhiên liệu sạch do không có benzene và hydrocarbon thơm kèm theo, nên khi đốt nhiên liệu này không cho ra nhiều khí độc như NO2, CO và lượng phát thải CO2 thấp hơn xăng và dầu diesel. Ngoài ra CNG dễ phát tán, không tích tụ như hơi xăng khi bị rò rỉ ra môi trường không khí, hạn chế nguy cơ cháy nổ, chúng cũng không gây đóng cặn tại bộ chế hòa khí của các phương tiện nên kéo dài được chu kỳ bảo dưỡng động cơ, khi cháy không tạo màng... và hầu như không phát sinh bụi.
4.2.1.1.2. Thành phần, tính chất.
• Thành phần
CNG là khí thiên nhiên nén, chủ yếu là hợp phần của Methane (chiếm 85% - 95%) còn lại khoảng (5% - 15%) là Ethane.
33
Hình 4. 3: Cấu trúc phân tử C2H6 (5% -15%)
Chú ý: với một số loại khí nén, hàm lượng của Methane còn có thể cao hơn, có thể nén hoàn toàn là Methane.
• Tính chất
- Nhẹ hơn không khí và ít bắt lửa. - Giải phóng khí nhà kính ít hơn.
4.2.1.1.3. Ưu và nhược điểm của nhiên liệu CNG.
• Ưu điểm:
Nhiên liệu sạch, gần như không có khí độc hại gây ô nhiễm môi trường. CNG thải ra rất ít khí gây ô nhiễm môi trường so với xăng, diesel hay LPG
34 Phương tiện vận tải sử dụng khí CNG có chi phí bảo dưỡng thấp hơn so với sử dụng các loại năng lượng khác do CNG không chứa chì hoặc benzen nên khi cháy không đóng cặn, đồng thời giúp tăng tuổi thọ của dầu bôi trơn.
An toàn, do khả năng tự bốc cháy trên bề mặt thấp vì có nhiệt độ tự bốc cháy cao lên tới 5400 C và nồng độ CNG có thể gây cháy trong không khí tối thiểu phải đạt từ 5.3%. Bên cạnh đó, do CNG nhẹ hơn và dễ dàng hòa lẫn với không khí nên hạn chế nguy cơ cháy nổ gây ra do sự tích tụ của khí.
Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao và chi phí thấp. Để so sánh hiệu quả khi sử dụng khí CNG chúng ta xem xét bảng số liệu sau được cung cấp bởi Bộ Năng lượng Mỹ (US Department of Energy)
Bảng 4. 2: Bảng số liệu thống kê tiêu hao năng lượng của một số nhiên liệu tại Mỹ
Như vậy, sử dụng CNG giúp tiết kiệm lớn chi phí. Nếu sử dụng CNG có thể tiết kiệm khoảng 40% chi phí so với xăng, 45% chi phí so với Diesel và 32% chi phí so với LPG. Hơn nữa, lợi thế của 1 loại nhiên liệu xanh, thân thiện với môi trường càng khiến CNG hấp dẫn hơn đối với người sử dụng.
Tại Mỹ, giá khí CNG liên tục thấp hơn giá xăng trong giai đoạn từ 2000 tới nay cho thấy những ưu điểm về chi phí của khí CNG trong dài hạn. Hơn nữa, giá khí CNG tại Mỹ cũng có mức độ biến động ổn định hơn so với xăng, diesel, LPG.
35
Hình 4. 4: Giá nhiên liệu bình quân tại Mỹ giai đoạn 2000 đến nay
• Nhược điểm:
Những phương tiện vận tải sử dụng CNG cần nhiều không gian để chứa nhiên liệu hơn là phương tiện sử dụng xăng.
Do khí CNG chỉ được phép vận chuyển tối đa là 300 km nhưng khoảng cách vận chuyển phù hợp vào khoảng 150 – 200km nên cần nhiều trạm tiếp nhiên liệu hơn là việc sử dụng các nhiên liệu khác.
Tầm hoạt động của phương tiện vận tải sử dụng CNG thấp hơn phương tiện sử dụng xăng. Khi chuyển đổi, cải tạo các hệ thống trên xe có thể làm thay đổi về bố trí chung, các tính năng động lực học, ổn định của xe . . .
4.2.1.1.4. Quy Trình sản xuất nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG.
- Nguồn khí đầu vào - Nén khí
- Kết nối với lò đốt
- Giảm áp tại trạm khách hàng (PRU) - Chuyên chở
36
4.2.1.2. Nhiên liệu hóa lỏng LPG. 4.2.1.2.1. Giới thiệu. 4.2.1.2.1. Giới thiệu.
LPG là viết tắt của cụm từ Liquefied Petroleum Gas để chỉ một loại khí gas hóa lỏng hay khí dầu mỏ hóa lỏng. Đây là một loại hỗn hợp khí hydrocarbon gồm thành phần chính là propan (C3H8) và butan (C4H10) với tỷ lệ pha trộn Propan-Butan khác nhau.
LPG có từ hai nguồn: từ các quặng dầu và các mỏ khí, được tách ra từ các thành phần khác nhau trong quá trình chiết xuất từ dầu hoặc khí thiên nhiên. LPG có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải hoặc ở áp suất bình thường bằng cách sử dụng kỹ thuật làm lạnh để làm giảm nhiệt độ
4.2.1.2.2. Thành phần và tính chất.
• Thành phần
Thành phần của LPG chủ yếu là propan và butan ngoài ra có một số chất khác nữa nhưng rất ít do tinh chế chưa sạch hoặc là do cho thêm vào để cải thiện tính chất nào đó của LPG hoặc với mục đích nào đó (chất tạo mùi…). Thành phần của LPG thì có thể biến động theo từng cơ sở sản xuất và do ứng dụng của nó.
Nhưng thông thường thì tỉ lệ propan: butan = 50:50 nhưng đôi khi là 30:70, 40:60 tùy thuộc cơ sở và mục đích sử dụng.
• Tính chất
Không màu, không mùi, không độc hại (nhưng được pha thêm chất Etylmecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện khi có rò xì gas)
Nhiệt độ sôi của gas thấp (từ - 45 đến – 200C) nên để gas lỏng tiếp xúc trực tiếp với da sẽ bị phỏng lạnh
Trong điều kiện nhiệt độ môi trường gas bốc hơi rất mãnh liệt, khi gas chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi thì thể tích tăng đến 250 lần
37 Áp suất của gas phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, khi nhiệt độ tăng thì áp suất gas sẽ tăng và ngược lại. Trong điều kiện nhiệt độ khu vực phía nam thì áp suất gas dao động trong khoảng từ 4 - 7 kg/cm2
Tỉ trọng của gas lỏng nhẹ hơn nước, khối lượng riêng trong khoảng DL= 0.51 - 0.575 Kg/Lít
4.2.1.2.3. Ưu và nhược điểm của nhiên liệu LPG.
• Ưu điểm:
- Tỏa năng lượng (nhiệt) khá cao: mỗi kg LPG cung cấp khoảng 12.000 kcal năng lượng, tương đương nhiệt năng của 2 kg than củi hay 1,3 lít dầu hỏa hoặc 1,5 lít xăng.
- Việc sản sinh ra các loại chất (khí NOx, SOx) khí độc và tạp chất trong quá trình cháy thấp đã làm cho LPG trở thành một trong những nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường.
- Dễ cháy vì thế nên hiệu suất cháy cao, cháy hoàn toàn, ít gây ô nhiễm
- Nhiệt độ cháy cao (có thể đạt 1900-1950oC) nên có thể nung chảy hầu hết mọi thứ. - Vận tốc bay hơi của LPG rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành
hỗn hợp cháy tốt.
- Vì có tương đối ít thành phần hơn nên dễ đạt được đúng tỷ lệ pha trộn nhiên liệu, cho phép sản phẩm cháy hoàn toàn. Việc này đã làm cho LPG có các đặc tính của một nguồn nhiên liệu đốt sạch.
- Cả Propane và Butane đều dễ hóa lỏng và có thể chứa được trong các bình áp lực. Những đặc tính này làm cho loại nhiên liệu này dễ vận chuyển, và vì thế có thể chuyên chở trong các bình hay bồn gas đến người tiêu dùng cuối cùng.
- LPG là loại nhiên liệu thay thế rất tốt cho xăng trong các động cơ đánh lửa. Trong một động cơ được điều chỉnh hợp lý, đặc tính cháy sạch giúp giảm lượng chất thải thoát ra, kéo dài tuổi thọ.
- Như một chất thay thế cho chất nổ đẩy aerosol và chất làm đông, LPG được chọn để thay cho fluorocarbon vốn được biết đến như một nhân tố làm thủng tầng ozone.
38 - Với các đặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và dễ vận chuyển, LPG cung cấp một nguồn năng lượng thay thế cho các nhiên liệu truyền thống như: củi, than, và các chất hữu cơ khác. Việc này cung cấp giải pháp hạn chế việc phá rừng và giảm được bụi trong không khí gây ra bởi việc đốt các nhiên liệu truyền thống.
• Nhược điểm:
- Do hơi LPG có tỷ trọng với không khí lớn hơn 1 (Tỉ trọng LPG nhẹ hơn so với nước là: Butane từ 0,55 – 0,58 lần, Propane từ 0,5 – 0,53 lần; Ở thể hơi (gas) trong môi trường không khí với áp suất bằng áp suất khí quyển, gas nặng hơn so với không khí: Butane 2,07 lần; Propane 1,55 lần) nên khi thoát ra ngoài sẽ bay là là trên mặt đất, tích tụ ở những nơi kín gió, những nơi trũng, những hang hốc của kho chứa, bếp…thậm chí là mặt nước rất dễ gây cháy nổ.
- Màu sắc: LPG ở trạng thái nguyên chất không màu không có mùi nên khó nhận biết sự có mặt của nó (khắc phục nhược điểm này LPG được pha trộn thêm chất tạo mùi Mercaptan với tỉ lệ nhất định để có mùi đặc trưng nên có thể nhận biết bằng khứu giác). - LPG là loại nhiên liệu dễ cháy khi kết hợp với không khí tạo thành hỗn hợp cháy nổ. Đạt tới giới hạn nồng độ cháy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt hoặc ngọn lửa trần sẽ bắt cháy làm phá hủy thiết bị, cơ sở vật chất, công trình.
- LPG tồn tại ở nhiệt độ thường với áp suất khá cao nên cần phải được bảo quản ở nơi có áp suất cao. Vì vậy đòi hỏi các thiết bị chứa phải có độ bền cao
4.2.1.2.4. Quy trình sản xuất nhiên liệu hóa lỏng LPG.
• Khai thác và làm sạch khí
Nguyên liệu để sản xuất khí gas là các dòng khí thiên nhiên khai thác được ở các mỏ dầu. Các loại khí thiên nhiên sau khai thác không thể sử dụng luôn mà phải được làm sạch bằng các phương pháp lắng, lọc… để loại bỏ tạp chất. Sau quá trình làm sạch, loại khí nguyên liệu còn lại chủ yếu là các tổ hợp hydrocarbon gồm các thành phần như propan, butan, etan…
39 Hỗn hợp khí sau khi được làm sạch sẽ đem đi tách khí. Mục đích của công đoạn tách khí là để thu được các loại khí khác nhau trong hỗn hợp khai thác để pha trộn từng khí phù hợp với mục đích sử dụng.
Hiện nay, người ta có thể sử dụng nhiều kỹ thuật tác khí khác nhau như: hấp thụ, nén, làm lạnh từng bậc, làm lạnh bằng giãn nở khí,…Trải qua hệ thống dây chuyền tách khí sẽ thu được sản phẩm là khí propan và khí butan tương đối tinh khiết với nồng độ từ 96-98%.
• Pha trộn
Thông thường khí ga hóa lỏng LPG có tỷ lệ pha trộn Propan:Butan là 30:70 hoặc 40:60 thường được sử dụng trong nấu nướng và sinh hoạt tại gia đình. Khi gas có tỷ lệ pha trộn 50:50 thì thường được sử dụng làm nguyên liệu trong các ngành công nghiệp: sản xuất ắc quy, nấu thủy tinh, đóng tàu,…
Do yêu cầu đảm bảo vận chuyển các loại khí này được hóa lỏng. Tuy nhiên, khi chuyển đổi ngược lại từ thể lỏng sang thể khí, khí gas này có tỷ lệ giãn nở rất lớn với 1 lít gas hóa lỏng cho ra khoảng 250 lít khí gas.
Chính vì lý do này mà người ta không bao giờ nạp đầy khí gas hóa lỏng vào các bồn chứa. Các bồn chứa thường được quy định chỉ chứa 80%-85% dung tích. Do đó, vấn đề xây dựng các bồn chứa khí gas hóa lỏng với dung tích lớn sẽ rất tốn kém chi phí đầu tư. Người ta ước tính để xây dựng một kho chứa gas hóa lỏng LPG có dung tích 1.000 tấn theo đúng tiêu chuẩn thì mức chi phí đầu tư có thể lên tới 60 tỷ đồng.
4.2.2. Phương pháp sử dụng nhiên liệu CNG/LPG trên ô tô.
4.2.2.1. Nghiên cứu động cơ sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng CNG/LPG.
LPG và CNG có thể sử dụng trên xăng và diesel, có thể sử dụng độc lập hay hỗn hợp đa nhiên liệu.
• Hệ thống nhiên liệu LPG đơn: Xe cải tạo tháo bỏ toàn bộ hệ thống nhiên liệu cũ và lắp đặt toàn bộ hệ thống nhiên liệu LPG/CNG mới. Phương án này thường được thực
40 hiện tại nhà máy sản xuất, lắp ráp ôtô, cho phép hạ giá thành chế tạo, thích hợp cho xe đường ngắn như taxi, xe buýt . . .
- Ưu điểm: Kết cấu và vận hành đơn giản, việc bố trí, lắp đặt lên động cơ dễ dàng, và có thể tối ưu hóa hệ thống nhiên liệu, không ảnh hưởng nhiều đến khả năng động lực học, ổn định của xe
- Khuyết điểm: không thể sử dụng nhiên liệu cũ, khó khăn ở khâu tiếp nhiên liệu do các trạm tiếp nhiên liệu LPG/CNG còn rất hạn chế.
• Hệ Thống nhiên liệu sử dụng cả hai loại xăng vừa LPG/CNG. Phương án này thích
hợp cho giai đoạn đầu, khi thói quen sử dụng LPG/CNG cho ôtô chưa phổ biến. - Ưu điểm: Chạy cùng lúc hai loại nhiên liệu, khắc phục được tình trạng tiếp nhiên liệu
LPG/CNG và có thôi đường dài hơn.
- Khuyết điểm: Cấu tạo xe và vận hành, bảo trì, bảo dưỡng xe trở nên phức tạp, rất khó khăn trong việc lắp đặt bố trí trên xe, giá thành tăng, phải tính toán lại động lực học, tải trọng, trọng tâm, ổn định của xe. Tải trọng chuyên chở và thể tích sử dụng của xe giảm. Khi xe bị tai nạn, xăng sẽ dễ dàng tràn ra khỏi bình chứa nhiên liệu và bốc cháy
4.2.2.2. Các phương pháp cải tạo động cơ đốt trong sang sử dụng nhiên liệu CNG/LPG. CNG/LPG.
41
Hình 4. 5: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ Diesel chuyển đổi sang sử dụng CNG, LPG đốt cháy cưỡng bức
• Nguyên lý hoạt động:
Khí thiên nhiên từ bình chứa, qua van ngắt, bộ lọc rồi đến bộ điều áp. Tại bộ điều áp, áp suất của ga được giữ ổn định, áp suất đầu ra của bộ điều áp không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất đầu vào. Ga sau khi điều áp được đưa đến kim phun, qua bộ trộn khí rồi đến xu páp nạp. Kim phun của động cơ diesel cũ được thay thế bằng bugi. Như vậy, nhiên liệu diesel cũ được thay thế hoàn toàn bằng LPG. Ngoài ra, trên hệ thống nhiên liệu này còn bố trí các van ngắt, van an toàn và bộ phận nạp ga.
4.2.2.3.2. Chuyển đổi động cơ Diesel thành động cơ phun LPG trực tiếp. Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển nhiên liệu được chỉ ra
42
Hình 4. 6: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ xăng chuyển đổi sang phun trực tiếp LPG
• Mô tả hệ thống:
Ga từ bình chứa đến bộ điều áp, qua ống phân phối rồi đến kim phun. Các cảm biến như là bộ đo gió, cảm biến cánh bướm ga, cảm biến lambda gởi tín hiệu về bộ điều khiển để tính toán thời gian nhấc kim, cung cấp ga vào trong xy lanh. Một hệ thống van và đồng hồ báo được thiết kế để đảm bảo an toàn và hiển thị tình trạng của hệ thống.
• Nguyên lý hoạt động:
Động cơ phun ga trực tiếp hoạt động dựa trên việc phun trễ một lượng nhiên liệu khí áp suất cao vào trong buồng cháy động cơ đốt trong giống như động cơ diesel. Cũng giống như động cơ diesel, ga được phun vào cuối kỳ nén. Ga có nhiệt độ tự bốc cháy lớn hơn diesel (10000C so với 5000C) vì vậy, sẽ không dễ dàng bốc cháy trong một buồng đốt có nhiệt độ và áp suất giống như động cơ diesel thường. Để đốt cháy ga, một bề mặt tiếp xúc nhiệt độ cao, như bugi xông làm bằng gốm, được sử dụng trong buồng đốt. Đầu bằng gốm có nhiệt độ 1200 – 13000C, được cách nhiệt để đốt cháy nhiên liệu tốt hơn. Hệ thống nung nóng được kiểm
43 soát để duy trì nhiệt độ của đầu bugi xông ổn định, đốt cháy tối ưu. Kim phun với lượng nhiên liệu được ấn định bằng độ rộng xung cung cấp ga trực tiếp vào buồng đốt.