20 MỚI LÀ CHO ĐỘNGCƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KHÍ
20.1.29 5.4.3 Xu hướng phát triển độngcơ LPG
Sự phát triển của động cơ LPG trong tương lai phụ thuộc nhiều vào chính sách thuế của từng nước đối với loại nhiên liệu này. Một số nước (Ý, Hà Lan, Hàn Quốc…) từ lâu đã có chính sách thuế ưu đãi để phổ biến nhiên liệu LPG. Tuy nhiên, việc sử dụng rộng rãi LPG trên hầu hết các phương tiện vận tải là khó có thể thực hiện được. Trước mắt, việc áp dụng LPG trên xe bus, taxi, xe tải giao hàng… là rất thực tế. Trong lĩnh vực đó, chỉ có một loại nhiên liệu có thể cạnh tranh với LPG là khí thiên nhiên dùng cho ô tô
NGV, nhiên liệu có mức độ phát ô nhiễm còn thấp hơn LPG đối với một số chất.
Theo những phân tích trên đây, ô tô nhiên liệu khí dầu mỏ hoá lỏng LPG rất có lợi đối với công tác bảo vệ môi trường. Ở nước ta, việc phát triển loại động cơ này ngoài mục đích bảo vệ môi trường còn góp phần thúc đẩy
ngành công nghiệp dầu khí phát triển. Thật vậy, trong một tương lai gần, các nhà máy lọc dầu của ta sẽ bắt đầu hoạt động, sản phẩm LPG nếu được tiêu thụ ngay trên thị trường nội địa sẽ góp phần không nhỏ cho giải quyết vấn đề lưu kho của nhiên liệu khí hóa lỏng. Để các chủng loại động cơ LPG có thể phát triển rộng rãi, một mặt, chúng ta nên có một chính sách khuyến khích ở tầm vĩ mô trong việc điều tiết giá cả và thuế giữa các loại nhiên liệu và mặt khác, chúng ta cũng cần đầu tư cơ sở hạ tầng nhất định cho hệ thống cung cấp LPG. Hình 5-17 giới thiệu một trạm cung cấp LPG cho ô tô ở Pháp.
Hình 5-17: Một trạm cung cấp LPG cho ô tô ở Pháp.
20.2Phần B: NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN NGV.
Khí thiên nhiên là nguồn năng lượng sơ cấp rất quan trọng. Trong những năm gần đây, sản lưọng khí thiên nhiên hàng năm trên thế giới đạt xấp xỉ 2 tỉ Tép (1000m3 =85Tep), tương đương khoản 60% sản lượng dầu thô. Người ta ước tính đến năm 2020, sản lượng khí thiên nhiên trên thế giới sẽ là 2,6 tỉ Tep/năm so với sản lượng dầu thô là 3,5 tỉ Tep.
Trữ lượng khí thiên nhiên hiện nay khoảng 150 tỉ Tep, xấp xỉ với trữ lượng dầu thô. Mặt khác, khí thiên nhiên có ưu điểm là phân bố gần như hầu khắp trên địa cầu nên đảm bảo được sự cung cấp an toàn và thuận tiên hơn dầu thô.
Khí thiên nhiên hiện nay chủ yếu được sử dụng để sinh nhiệt gia dụng và công nghiệp (sưởi, tạo nhiệt, công nghệ hoá học…). Tỉ lệ khí thiên nhiên sử dụng trong lĩnh vực giao thông vận tải còn rất khiêm tốn.
Từ năm 1990, việc nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên làm nhiên liệu đã được thực hiện ở nhiều khu vực trên thế giới. Khí thiên nhiên được xem là nhiên liệu sạch vì vậy việc sử dụng nó để chạy động cơ ngoài mục đích đa dạng hoá nguồn nguyên liệu nó còn góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường một cách đáng kể. Khí thiên nhiên thay nhiên liệu lỏng truyền thống để chạy ô tô gọi tắt là NGV.
20.3.1 5.5.1. Những dạng khí thiên nhiên có thể cung cấp và chứa trong bình nhiên liệu ô tô. trong bình nhiên liệu ô tô.
Khí thiên nhiên có thể chứa trong bình nhiên liệu của ô tô ở hai dạng: - Dạng khí ở nhiệt độ môi trường và áp suất cao (khoảng 200 bar). - Dạng lỏng ở nhiệt độ - 1610C và áp suất môi trường không khí. Cùng một năng lượng như nhau, khí thiên nhiên hoá lỏng có thể tích và khối lượng bình chứa nhỏ hơn khi nó ở dạng khí (thường tỉ lệ 1:3 đối với thể tích và 1:3,7 đối với khối lượng). Tuy nhiên, việc sử dụng khí thiên nhiên ở trạng thái lỏng cần có kỹ thuật làm lạnh phức tạp, bình chứa phải được cách nhiệt hoàn toàn. Khi không còn được cách nhiệt, phải mở xupap an toàn (tác động ở áp suất 6 bar) để cho khí thiên nhiên thoát ra. Tình trạng này gây tổn thất một bộ phận nhiên liệu (có thể đến 1%) không cần thiết, nhưng nguy hiểm nhất là sự cháy nổ nếu sự bay hơi diễn ra trong môi trường không khí kín. Do vậy hiện nay trên thế giới người ta thường dung khí thiên nhiên dạng khí để chạy ô tô. Tuy nhiên, ở một số nước như Mỹ, Úc… người ta đang tiếp tục nghiên cứu sử dụng khí thiên nhiên hoá lỏng để sử dụng trên các động cơ công suất lớn (xe tải, tàu lửa, tàu biển…).
20.3.2 5.5.2. Ô tô sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên NGV.
Năm 1996 người ta ước tính có khoảng 1 triệu xe ô tô chạy bằng khí thiên nhiên trên thế giới. Hình 5-18 giới thiệu sự phân bố lượng ô tô dung nhiên liệu khí thiên nhiên ở các lục địa khác nhau. Các quốc gia sử dụng nhiên liệu nhiều nhất là CEI (cộng đồng các quốc gia độc lập), Ý, Argentina, Canada, Newzealand, Mỹ. Trong năm 1996 người ta tính được 2700 trạm phân phối NGV dưới dạng khí nén, trong đó 600 trạm ở Canada và Hà Lan được lắp đặt máy nén gia dụng ngay tại nhà người sử dụng.
Con số ước tính này sẽ thay đổi rất nhiề trong một tương lại gần vì người ta dự kiến một sự gia tăng nhanh chóng cả về số các quốc gia sử dụng (50 quốc gia vào năm 1996) cũng như số lượng ô tô sử dụng NGV ở từng nước. Theo ước tính, vào những năm 2000, số lượng xe sử dụng NGV sẽ đạt đến 750000 chiếc ở CEI, 300000 chiếc ở Canada, 200000 ở Nhật, 50000 chiếc ở Pháp và 200000 chiếc ở Anh… Tuy nhiên, dù số lượng có tăng nhanh như vậy, ô tô sử dụng NGV cũng chỉ được chú ý trên một số dạng xe dịch vụ công cộng (taxi, xe bus…) vì loại nhiên liệu này giúp động cơ làm việc tốt hơn, ít ồn, phát sinh ô nhiễm ít hơn động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng.
20.3.3 5.6. Tính chất của NGV.20.3.4 20.3.4
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