CHƯƠNG 4 NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN ÔTÔ
4.2. Nhiên liệu khí thiên nhiên nén CNG, hóa lỏng LPG
4.2.3. Một số ứng dụng nhiên liệu CNG và LPG trên ôtô hiện nay
4.2.3.1. Thiết kế lắp đặt hệ thống CNG trên động cơ 1TR-FE.
Hình 4. 7: Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp CNG cho động cơ 1TR-FE
1: Bình chứa, 2: Van bình chứa, 3: Van nạp, 4: Đồng hồ đo áp suất, 5: Van điện từ, 6: Bộ giảm áp, 7: Đường vào nước làm mát, 8: Đường ra nước làm mát, 9: Van điện từ bộ giảm áp, 10: Đường cấp khí cho mạch khơng tải, 11: Đường cấp khí cho mạch chính, 12: Vít điều chỉnh tiết diện lỗ nạp chính, 13: Khơng khí nạp từ bầu lọc, 14: Ziclo mạch cơng suất, 15: Bộ hịa trộn, 16: Van cơng suất, 17: Bướm ga, 18: Ống góp nạp, 19: Van khơng tải, 20: Vít điều chỉnh
44 không tải, 21: Thiết bị điều khiển CNG, 22: Đồng hồ báo mức nhiên liệu CNG, 23: Tín hiệu từ cơng tắc chuyển đổi, 24: Tín hiệu từ cảm biến hành trình bàn đạp ga
Trong hệ thống nhiên liệu này, ta không tháo bỏ hệ thống nhiên liệu cũ mà chỉ cần lắp đặt thêm hệ thống nhiên liệu CNG mới. Các bộ phận lắp đặt thêm: Bình chứa nhiên liệu CNG, bộ giảm áp, bộ hòa trộn, đường ống dẫn nhiên liệu CNG, các van vận hành, đồng hồ hiện thị, thiết bị điều khiển cung cấp CNG…
Trên đường nạp của động cơ ta lắp thêm bộ hòa trộn trước bướm ga dùng để hòa trộn khơng khí với nhiên liệu khí CNG trước khi đưa vào động cơ.
Khi thiết bị điều khiển nhận tín hiệu từ cơng tắc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu CNG, thiết bị điều khiển tạo ra một dòng điện làm mở van điện từ (5) cho CNG nén từ bình chứa áp suất cao đến bộ giảm áp (6), tại bộ giảm áp (6) áp suất nhiên liệu được giảm giá trị làm việc và được cung cấp cho đường nạp động cơ theo các chê độ làm việc.
• Hệ thống cung cấp chính: Nhiên liệu từ bộ giảm áp (6) theo đường ống dẫn nhiên liệu
(11) cấp cho động cơ theo hai mạch: - Mạch cung cấp chính
- Mạch cơng suất
Trong đó, mạch cơng suất làm việc tùy thuộc vào sự đóng mở của van cơng suất (16) và được điều khiển bởi bộ điều khiển CNG (21) thơng qua cảm biến vị trí bàn đạp ga (24). Van cơng suất (16) bắt đầu mở khi đạt 80% hành trình bàn đạp ga. Trên mạch cung cấp chính có tiết lưu (12) dùng để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp vào động cơ
• Hệ thống khơng tải: Kết cấu của bộ giảm áp có mạch khơng tải cấp vào cùng
mạch chính. Nhưng trong q trình làm việc ta khơng sử dụng mạch khơng tải sẳn có này. Ta điều chỉnh vít khơng tải trên bộ giảm áp để đóng hồn tồn mạch khơng tải có sẳn này lại. Ta thiết kế mạch không tải hoạt động riêng. Nhiên liệu từ bộ giảm áp (6) qua van điện từ (9) theo đường ống dẫn nhiên liệu (10) đến van không tải (19) đến tiết lưu không tải (20) cấp vào đường ống nạp ở phía sau bướm ga để cung cấp cho động cơ. Mạch nhiên liệu khơng tải làm việc dựa vào sự đóng mở của van khơng tải (19), van điện từ được điều khiển bởi bộ điều
45 khiển hệ thống nhiên liệu CNG (21) thông qua công tắc chuyển đổi (23). Van điện từ (9) sẽ được đóng lại khi tắt chế độ chạy CNG
4.2.3.2. Thiết kế lắp đặt hệ thống LPG trên động cơ 1TR-FE.
Hình 4. 8: Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG cho động cơ 1TR-FE
1: Họng khuếch tán; 2: Bướm gas; 3: Ống góp nạp; 4: Đường ống cấp LPG cho động cơ; 5: Bộ hóa hơi; 6: Van điện từ; 7: Van điện từ của lọc gas; 8: Đường ống cấp LPG cho bộ hóa hơi; 9: Bình chứa; 10: Đường ống nạp; 11: Van nạp; 12: Cụm van bình chứa; 13: Đường ống mạch khơng tải và làm đậm; 14: Gíc lơ khơng tải; 15: Van khơng tải; 16,18: Gíc lơ làm đậm; 17: Solenoid số 1; 19: Solenoid số 2
• Nguyên lý làm việc của hệ thống cung cấp LPG cho động cơ:
Tæỡ hồi bỗnh xng 18 19 17 16 14 15 13 11 12 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
46 Trong quá trình làm việc của hệ thống gas thì các van điện từ (6), (7), van trên cụm van bình chứa đều được mở. Khi bật khố điện van điện từ của cụm van bình chứa (12) được cấp điện và mở ra cho dòng gas lỏng từ bình chứa cao áp đi vào đường ống (8). Trong quá trình làm việc của động cơ thì trong đoạn đường ống (8) này ln ln có gas lỏng. Lúc đó đồng thời van điện từ của lọc gas (7) cũng được mở ra cấp gas lỏng cho bộ hoá hơi. LPG lỏng vào trong bộ hố hơi qua buồng hố hơi sau đó qua van điện từ (6), vào buồng giảm áp xuống 0,65bar để cấp cho các chế độ làm việc của động cơ.
Hệ thống cung cấp gas chính: Gas đi từ bình chứa cao áp (9) qua cụm van bình chứa (12), đi vào đường ống (8), qua lọc (7) cung cấp cho bộ hoá hơi (5), lúc này van điện từ (6) mở ra cấp gas ở dạng khí cho buồng giảm áp, gas từ bộ hoá hơi (5) qua ống cấp gas (4) cho động cơ qua họng khuếch tán (1). Màng của buồng giảm áp hoạt động nhờ độ chân không tại họng khuếch tán. Lượng gas cấp vào phụ thuộc độ chân không tại họng tức là phụ thuộc vào từng chế độ làm việc của động cơ. Ta cũng có thể thay đổi lượng gas cấp cho động cơ bằng cách điều chỉnh vòi phun trên họng khuếch tán để đảm bảo khi chuyển chế độ thì động cơ vẫn làm việc bình thường. Điều chỉnh bằng cách chọn vị trí thích hợp là lúc đó động cơ làm việc bình thường.
Hệ thống không tải: Kết cấu của bộ hóa hơi là có mạch khơng tải cấp vào cùng mạch chính. Nhưng trong q trình lắp đặt thì ta khơng sử dụng mạch khơng tải của bộ hóa hơi sẵn có mà mạch khơng tải hoạt động riêng. Trong q trình hiệu chỉnh ta điều chỉnh sao cho ở chế độ không tải màng của buồng giảm áp không làm việc. Nên khi ở chế độ không tải độ chân không tại họng khơng đủ để hút khí gas từ buồng giảm áp qua. Lúc đó độ chân khơng sau bướm ga lớn nên hệ thống không tải hoạt động. Van không tải (15) cũng hoạt động nhờ độ chân không sau bướm ga. Lúc này dịng khí gas được lấy từ bộ hoá hơi đi vào đường ống (13), qua van không tải nhờ độ chân khơng mở ra, gas đi qua gíc lơ khơng tải (14) sau đó được cấp vào đường ống góp nạp và nạp vào động cơ.
Hệ thống làm đậm: Khi tốc độ động cơ càng cao, hay tăng tải. Khi độ mở bướm ga đạt 30% thì Solenoid 1 (17) nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp chân ga, Solenoid này mở ra và cho dịng khí gas cấp vào cho động cơ nhờ độ chân khơng ở sau vị trí bướm ga lúc này lớn. Dịng khí gas được lấy từ buồng hố hơi (5), qua đường ống (13) sau đó qua Solenoid 1 (17),
47 đến gíc lơ làm đậm (16) rồi cấp vào cho động cơ. Nếu tốc độ động cơ càng tăng khi bướm ga đạt 60% độ mở thì Solenoid 2 (19) nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp chân ga, Solenoid 2 (19) mở ra cho dịng khí cấp vào cho động cơ. Lúc này dịng khí gas được trích từ bộ hố hơi đi vào đường ống (13), qua Solenoid 2 (19) sau đó đi qua gíc lơ (18) rồi cấp cho động cơ. Quá trình nạp LPG lỏng vào bình chứa qua van nạp (11), qua đường ống nạp (10) sau đó qua cụm van của bình chứa rồi vào bình chứa. Lúc LPG lỏng nạp vào trong bình đạt 80% thể tích của bình chứa thì van an tồn trên cụm van bình chứa sẽ tự động đóng lại khơng cho nạp thêm LPG lỏng vào bình nữa.
4.3. Nhiên liệu cồn.
4.3.1. Giới thiệu chung.
Hiện nay, sản lượng dầu mỏ và khí đốt tồn cầu đang đạt tới mức tối đa. Do đó cần phải tìm nguồn nhiên liệu thay thế lý tưởng đặc trưng bởi các nguồn năng lượng tái tạo, bền vững, hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Do đó nhiên liệu cồn là giải pháp thay thế tốt nhất cho nhiên liệu hóa thạch. Cồn có hai loại chính dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong là cồn Metanol (CH3OH) và cồn Etanol (C2H5OH). Etanol giống như Methanol nhưng nó sạch hơn nhiều, ít chất độc và ít chất ăn mịn. Hiện nay, nhiên liệu cồn được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trên các phương tiện cơ giới khác nhau ( xe buýt, xe ô tô, xe tải…) ở hầu hết các quốc gia.
48
4.3.2. Tính chất của nhiên liệu cồn.
- Metanol: Dạng rượu đơn giản nhất là metanol, nó cịn được gọi là rượu metylic, rượu
gỗ, hoặc rượu mạnh gỗ, thường được viết tắt là MeOH. Nó là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi đặc biệt và chất lỏng phân cực ở nhiệt độ phịng. Metanol có thể trộn lẫn với xăng hoặc xăng, nước và hầu hết các hợp chất hữu cơ.
- Etanol : Ethanol còn được gọi là rượu ngũ cốc hoặc rượu etylic. Dạng tinh khiết nhất
của etanol là chất lỏng không màu, dễ cháy và có điểm sơi 78,5 ° C. So với nhiều loại nhiên liệu khác, ethanol đốt cháy sạch hơn và tạo ra carbon dioxide và nước. Do đó, ethanol được coi là nhiên liệu thân thiện với môi trường cho q trình vận chuyển. Hơn nữa, etanol có chỉ số octan cao hơn xăng, địi hỏi phải thay đổi thời gian đánh lửa trong động cơ.
Bảng 4. 3: Các tính chất của nhiên liệu cồn
Metanol Etanol
Công thức phân tử CH3OH C2H5OH
Khối lượng phân tử 32 46
Khối lượng riêng ( kg/l) 0.792 0.785
Nhiệt trị thấp ( kJ/kg) 20000 26900 A/F ( kgKK/kgNL) 6.47 9.00 Chỉ số Octan: • RON • MON 108.7 88.6 108.6 89.7
4.3.3. Những ưu nhược điểm chính khi sử dụng nhiên liệu cồn trên ô tô 4.3.3.1. Ưu điểm 4.3.3.1. Ưu điểm
- Cồn có chỉ số Octan cao hơn xăng, cháy sạch hơn, phát thải ít CO hơn và giảm đáng kể lượng muội than, SOx, chất PM.
49 - Cồn có nhiệt ẩn hóa hơi cao nên có hiện tượng làm mát bên trong và điều này cho phép
xylanh nạp đầy hơn.
- Cồn có thể sản xuất cồn bằng các cơng nghệ sản xuất hiện nay.
- Không cần thay đổi nhiều kết cấu của phương tiện khi dùng nhiên liệu cồn.
- Động cơ xăng khi sử dụng hỗn hợp xăng cồn với hàm lượng nhỏ hơn 20%, thì khơng cần thiết cải tạo lại động cơ cũ.
- Cồn có thể sử dụng làm nhiên liệu chủ yếu trong động cơ kết hợp với phun 10% nhiên liệu diesel. Mức độ phát thải ô nhiểm NOx, HC và các chất phát ô nhiễm giảm đáng kể khi dùng nhiên liệu diesel pha cồn.
4.3.3.2. Nhược điểm
- Cồn có chứa axít axêtic gây ăn mịn kim loại, ăn mòn các chi tiết máy động cơ làm giảm thời gian sử dụng động cơ.
- Nhiệt trị cồn thấp, thùng nhiên liệu lớn. - Đầu tư ban đầu cao.
- Ngọn lửa của nhiên liệu cồn cháy khơng có màu, điều này sẽ gây khó khăn trong việc nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu cồn.
- Các độc chất tiềm ẩn trong nhiên liệu cồn vẫn đang trong quá trình nghiên cứu
4.3.4. Phương án sử dụng nhiên liệu cồn trên ô tô 4.3.4.1. Đối với cồn nguyên chất 4.3.4.1. Đối với cồn nguyên chất
Sử dụng nhiên liệu cồn thuần túy Ethanol nguyên chất - 100% ethanol hoặc E100 thay thế xăng và diesel, khả năng này khó thực hiện vì:
- Cồn có tính ăn mịn kim loại và suất tiêu hao nhiên liệu tăng do nhiệt trị thấp của cồn thấp hơn nhiều so với xăng và diesel.
- Ethanol khơng tốt cho việc khởi động lạnh, vì nó khơng cháy nhanh như xăng. (Nó có chỉ số octan cao hơn). Etanol nguyên chất sẽ vô dụng làm nhiên liệu trong những tháng mùa đông.
50 - Khơng có xe du lịch nào được thiết kế để sử dụng E100 (nhưng một số xe đua thì có) vì vậy nó có thể làm hỏng động cơ xe của bạn. Ngay cả xe Nhiên liệu linh hoạt (FFV) - có thể chạy bằng xăng hoặc ethanol - cũng chỉ có thể tiêu thụ tối đa E85.
- Ethanol 100% rất khó sản xuất. Về mặt kỹ thuật, nó có thể uống được như một loại đồ uống có cồn rất mạnh. Các quy định của Hoa Kỳ yêu cầu cồn nhiên liệu không được uống và pha loãng đến 95,5%.
4.3.4.2. Đối với hỗn hợp diesel pha cồn
Sử dụng hỗn hợp trộn lẫn giữa diesel pha cồn Etanol thành hỗn hợp diesohol. Có thể trộn lẫn trực tiếp cồn và diesel hoặc cồn (và nước) được phun vào trên đường nạp cùng với khơng khí trước bộ tăng áp (turbo-charger), sau đó, hỗn hợp này hịa trộn với diesel trong buồng cháy. Lượng nhiên liệu cồn phun vào trong đường nạp có ý nghĩa rất quan trọng trong việc vận hành êm dịu của động cơ, đặc biệt khi lượng đáng kể cồn được phun vào. Trường hợp này có tính khả thi vì tăng cơng suất động cơ, đặc biệt giảm được mức độ ô nhiễm môi trường
4.3.4.3. Đối với hỗn hợp xăng pha cồn
Sử dụng xăng trộn lẫn Metanol pha thành hỗn hợp gasohol, đây là phương án có nhiều khả thi nhất. Theo truyền thống, sau khi sản xuất metanol hoặc etanol cơng nghiệp, nó đã được sử dụng để pha trộn nhiên liệu rượu để sản xuất gasohol. Tuy nhiên, sau quá trình lên men và chưng cất, nó có thể được pha trộn với xăng / xăng theo tỷ lệ riêng biệt. 10% etanol được pha trộn với 90% xăng được coi là hỗn hợp etanol mức độ thấp như E10, nó có thể được sử dụng cho các phương tiện thông thường. Hơn nữa, 85% etanol được pha trộn với 15% xăng được coi là hỗn hợp cấp cao, chẳng hạn như E85, nó có thể được sử dụng trong các phương tiện cơ giới được thiết kế đặc biệt như xe chạy bằng nhiên liệu linh hoạt.
51
Hình 4. 10: Xăng sinh học được sử dụng rỗng rãi
Có thể trộn lẫn trực tiếp cồn và xãng hoặc nhiên liệu cồn được lưu trữ trong một bình riêng. Nhiên liệu này được bơm lên van phân phối (điều khiển bằng chân không) tại họng nạp để phun vào trong dịng khí nạp. Hỗn hợp này sau đó được hịa trộn với xăng khi vào trong bộ chế hịa khí và được điều khiển bằng bướm ga. Loại hịa trộn này có thể tăng cơng suất của động cơ cao so với loại hòa trộn chung xăng và cồn thành một loạI nhiên liệu trước khi đưa vào trong bộ chế hịa khí.
Nhiên liệu cồn được sử dụng hiệu quả như một loại nhiên liệu vận chuyển lỏng thay thế bằng cách thay đổi các đặc tính của chúng bằng cách bổ sung một số chất phụ gia nhất định, phải tương thích về mặt vật lý và hóa học với nhiên liệu cồn cơ bản và có cùng hàm lượng năng lượng cụ thể hoặc cao hơn. Đặc biệt, cả Metanol và etanol đều có khả năng trộn lẫn kém trong xăng có chứa vết nước, nhưng hồn tồn có thể trộn lẫn với nước. Các cồn được pha trộn với xăng khi có nước, điều này có thể dẫn đến sự cố tách pha. Trong tình huống này để tránh vấn đề tách pha, một số chất phụ gia đã được thêm vào nhiên liệu rượu như các ankan cao hơn như 1-butanol, n-decanol, iso-propanol, các chất hoạt động bề mặt axit béo anion khác nhau và các chất hoạt động bề mặt không ion thương mại khác nhau. Ở đây, việc tránh phân tách pha sẽ mang lại lợi ích chính xác cho khả năng lái tổng thể, cũng như ăn mòn các thành
52 phần nhạy cảm với nước như nhôm. Trong động cơ đánh lửa bằng tia lửa, nhiên liệu cồn có thể chạy với tốc độ tuần hồn khí thải cao hơn nhiều và với tỷ số nén cao hơn.
4.3.4.4. Tình hình ơ tơ sử dụng nhiên liệu cồn trên thế giới.
Xăng E5, E10 được sử dụng rộng rãi tại Mỹ, Châu Âu và nhiều quốc gia phát triển khác từ nhiều năm trước. Một số nước đã bắt buộc sử dụng xăng sinh học như Úc, New Zealand, Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil…. Brazil là nước đi đầu với chương trình quốc gia ủng hộ xăng pha cồn từ năm 1975, sử dụng cồn sản xuất từ mía để phối trộn vào xăng thơng thường với tỷ lệ lên đến 20%. Mỹ sử dụng xăng pha cồn từ năm 1976, sau đợt khủng hoảng năng lượng năm 1973. Hiện nay, Mỹ đang sử dụng xăng sinh học E10. Cuối năm 2010, hơn 90% tổng lượng xăng bán ra ở Mỹ được pha trộn với ethanol, ngồi ra, nhiều ơtơ hạng sang đang sử dụng hoàn