20 MỚI LÀ CHO ĐỘNGCƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ
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 khí.
20.1.17 5.3.2.3. Phun nhiên liệu.
Nhiên liệu LPG có thể được cung cấp bằng hệ thống phun vào cổ góp (phun tập trung) hay phun vào trước soupape nạp của tưng cylindre (phun riêng rẽ). Áp suất nhiên liệu trước vòi phun của hai kiểu phun này đề cao hơn áp suất khí quyển. Nhiên liệu phun vào đường nạp động cơ có thể dưới dạng khí hay lỏng, trong đó phun nhiên liệu dạng lỏng có nhiều hứa hẹn nhất.
Hình 5.10 trình bày sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG (phun nhiên liệu dưới dạng lỏng) của động cơ lưỡng nhiên liệu (LPG và xăng). Nhiên liệu LPG dưới dạng lỏng từ bình nhiên liệu được hút nhờ một bơm chuyển và duy trì áp suất dư trên đường ống khoảng 5 bar để tránh sự bốc hơi. Nhiên liệu sau đó được đưa qua bộ lọc và bộ điều áp trước khi dẫn đến vòi phun.
Vòi phun được một bộ vi xử lý chuyên dụng điều khiển một cách tự động. Bộ vi xử lý này nhận phần lớn các tín hiệu cần thiết từ hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng đã có và được bổ sung thêm những thông tin đặc thù khác của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG.
Hình 5.10: Hệ thống phun nhiên liệu LPG dưới dạng lỏng
Hệ thống phun LPG lỏng cải thiện rất đáng kể tính năng của động cơ cả về hiệu suất cũng như mức độ phát sinh ô nhiễm. Công suất và momen tăng do tăng hệ số nạp còn suất tiêu hao nhiên liệu giảm do điều chỉnh tốt lượng nhiên liệu cung cấp theo chế độ làm việc của động cơ.
20.1.18 5.3.3. Lắp đặt hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên ô tô.
Ngày nay, phần lớn các hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG được lắp đặt trên các ô tô thông dụng hay taxi nguyên thuỷ được thiết kế để dụng nhiên liệu xăng. Thông thường các ô tô này có lắp bộ xúc tác 3 chức năng. Do kết cấu kĩ thuật như vậy, các động cơ phải làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết không phân biệt loại nhiên liệu sử dụng.
Ở một số vùng trên thế giới chẳng hạn ở vài nước Châu Á, chính quyền sở tại khuyến khích, và đôi lúc bắt buộc sử dụng LPG nên một số nhà chế tạo đã sản xuất ô tô chuyên sử dụng loại nhiên liệu này. Hiện nay, những ô tô LPG thường được lắp đặt trên taxi cũng như các xe tải nhỏ, tầm hoạt động của chúng thường giới hạn trong thành phố hay ven đô.
Dĩ nhiên là ô tô tải đường trường cũng có thể được thiết kế để sử dụng LPG. Tuy nhiên dạng áp dụng này thường ít được phổ biến do giá thành cao. Người ta có thể chết tạo mới hoàn toàn động cơ sử dụng LPG hoặc cải tạo động cơ đã có sẵn. Hướng thứ hai này rẻ tiền hơn tuy nhiên động cơ phải được cải tạo rấ nhiều vì đa số xe tải dùng động cơ Diezel. Do tình hình ô nhiễm môi trường do giao thông vận tải gây ra trong thành phố ngày càng
trở nên trầm trọng nên ở một số thành phố lớn, người ta khuyến khích sử dụng LPG trên các phương tiện vận tải công cộng cho dù giá thành đầu tư ban đầu của chúng còn cao.
20.1.19 5.3.3.1. Hệ thống bốc hơi-giãn nở LPG.
LPG được chứa dưới dạng lỏng vì vậy cần làm bố hơi trước khi đưa vào động cơ. Năng lượng cần thiết cho sự bốc hơi này do hệ thống nước làm mát cung cấp.
Trong nhiều trường hợp, sự bốc hơi và giãn nở được thực hiện trong một bộ phận duy nhất, đó là bộ bốc hơi-giãn nở (hình 5-11). Nguyên lí làm việc của bộ phận này như sau: Ga lỏng được cung cấp dưới áp suất khoảng vài bar phụ thuộc vào nhiệt độ lưu trữ và được hút vào lỗ A và van thứ nhất B.
Trong khoang đầu tiên C thực hiện đồng thời sự bốc hưoi và giãn nở so bộ đến áp suất khoảng 0,7 bar. Khoang này được cấp nhiệt bởi hệ thống làm mát động cơ D.
Sự giãn nở tiếp theo được thực hiện nhờ van E đến áp suất định trước phụ thuộc vào áp suất chuẩn do lỗ F tạo ra.
Hình 5-11: Hệ thống bộc hơi giãn nở LPG
Để khởi động dễ dàng khi động cơ ở trạng thái nguội, lưu lượng khí ga được gia tăng nhờ mở van ở tầng thứ hai do một nút điều khiển bằng tay G hay một chốt điện tử điều khiển từ xa.
Hiện nay phổ biến trong thương mại là phương pháp tạo hỗn hợp bằng