146

Phần 2: NHIÊN LIỆU KHÍ THIÊN NHIÊN NGV

Khí thiên nhiên là nguồn năng lượng sơ cấp rất quan trọng. Trong những năm gần

đây, sản lượng khí thiên nhiên hàng năm trên thế giới đạt xấp xỉ 2 tỉ Tép (1000m3 =

0,85Tep), tương đương khoảng 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 tiện 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 hóa học...). Tỉ lệ khí thiên nhiên sử dụng trong lĩnh vực

giao thông vận tải còn rất khiêm tốn.

Từ những 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 hóa nguồn nhiên 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.

Phần sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu những đặc trưng của NGV, tính năng kĩ thuật

cũng như mức độ phát ô nhiễm của ô tô sử dụng nguồn năng lượng này.

8.5. Những kết quả đã đạt được trên thế giới về ô tô NGV

Trước hết, chúng ta sẽ nghiên cứu trạng thái khí thiên nhiên có thể cung cấp và

chứa trong bình nhiên liệu của ô tô và sau đó chúng ta sẽ đề cập đến tình hình sử dụng ô tô

NGV hiện nay trên thế giới.

8.5.1. Dạng khí thiên nhiên có thể cung cấp và chứa 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 200bar).

. Dạng lỏng ở nhiệt độ -1610C và áp suất môi trường không khí.

Cùng một năng lượng như nhau, khí thiên nhiên hóa 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 kĩ thuật làm

lạnh phức tạp, bình chứa phải được cách nhiệt hoàn toàn. Khi không còn được cách nhiệt,

phải mở soupape an toàn (tác động ở áp suất 6 bar) để cho khí thiên nhiên thoát ra. Tình

Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

147

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 dùng khí thiên nhiên dạng khí để chạy ô tô. Tuy

nhiên, ở một số nước như Mĩ, Úc... người ta đang tiếp tục nghiên cứu sử dụng khí thiên

nhiên hóa lỏng để sử dụng trên các động cơ công suất lớn (xe tải, tàu lửa, tàu biển...).

8.5.2. 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 8.18 giới thiệu sự phân bố lượng ô tô dùng nhiên liệu khí thiên nhiên ở

các lục địa khác nhau. Các quốc gia sử dụng nhiều nhất là CEI (Cộng đồng các quốc gia

độc lập), Ý, Argentina, Canada, Newzealand, Mĩ. 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 nhiều trong một tương lai 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 đầu những

năm 2000, số lượng xe sử dụng NGV sẽ đạt đến 750.000 chiếc ở CEI, 300.000 chiếc ở

Canađa, 200.000 ở Nhật, 50.000 chiếc ở Pháp và 200.000 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 cho động cơ làm việc tốt

hơn, ít ồn, phát sinh ít ô nhiễm hơn động cơ sử dụng nhiên liệu lỏng.

8.6. Tính chất của NGV

Khí thiên nhiên có thành phần chủ yếu là méthane (CH4 chiếm từ 80 - 90% tùy

theo nguồn khai thác). Vì vậy, tính chất của khí thiên nhiên gần với tính chất của khí

méthane.

8.6.1. Thành phần hóa học

Bảng 8.4 giới thiệu thành phần tiêu biểu của một số mẫu khí thiên nhiên từ một số

khu vực trên thế giới. Ngoài methane, những thành phần hydrocacbure khác theo thứ tự

thành phần giảm dần: éthane (1-8%), propane (2%), butane và pentane (nhỏ hơn 1%). Khí

thiên nhiên cũng chứa những chất khí trơ như nitơ (10,8%), CO2 (0,2 - 1,5%). Trong

những phần sau, chúng ta chỉ xét khí NGV là khí thiên nhiên chứa ít nhất 80% methane.

Bảng 8.4: Thành phần của khí thiên nhiên ở các vùng khai thác khác nhau

Méthane Ethane Propane Butane C5+ Nitơ H2S CO2

Pháp 69,0 3,0 0,9 0,5 0,5 1,5 15,3 9,3

Algérie 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

Mĩ 86,5 8,0 1,9 0,3 0,2 2,6 - 0,5

Indonesi

a

65,7 8,5 14,5 5,1 0,8 1,3 - 4,1

8.6.2. Nhiệt trị

Thông thường, nhiệt trị của khí thiên nhiên được tính theo kWh/m3 ở điều kiện

thường (101,3 kPa và 00C). Trong sử dụng NGV làm nhiên liệu cho ô tô, để tiện so sánh

với nhiên liệu cổ điển như xăng, Diesel, người ta thường tính nhiệt trị theo MJ/kg. Bảng

8.5 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 lí thuyết có thể được xác định

theo thành phần của khí thiên nhiên (bảng 8.4).

Bảng 8.5: Nhiệt trị khi φ = 1 đối với các mẫu khí thiên nhiên

Xuất xứ

khí

Khối

lượng

riêng ở

thể khí

Tỉ lệ hỗn

hợp cháy

hoàn toàn

lí thuyết

PCI

(kg/m3

N) r

(MJ/kg) (kWh/kg) (MJ/m3

N) (kWh/m3

N)

Lacq 0,73 17,09 49,64 13,79 36,42 10,12

Algérie

(Fos)

0,76

16,77

48,89

13,58

37,06

10,29

Algérie

(Montoir)

0,80

16,79

48,95

13,60

39,40

10,94

Mer du

Nord

0,81

15,63

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 dùng NGV cũng giảm chừng ấy lần. Dĩ

nhiên PCI của NGV giảm khi thành phần các chất khí trơ (CO2, N2) tăng.

Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

Vì tỉ lệ nhiên liệu/không khí trong trường hợp cháy hoàn toàn lí thuyết thay đổi

trong phạm vi tương đối rộng, từ 14 đến 17, tùy 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 dải 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.

8.6.3. Chỉ số Wobbe

Chỉ số Wobbe W là một đặc trưng được sử dụng từ lâu để so sánh tính năng tỏa

nhiệt của hệ thống cháy. Chỉ số Wobbe được tính theo biểu thức sau đây:

W=PCS/(can 2 d)

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 lí thuyết r rất có

ý nghĩa thực tiễn:

r =k.Cte(W/can2d)

= .

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 lí 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.

8.6.4. Đặc điểm liên quan đến quá trình cháy trong động cơ

So sánh một số tính chất đặc trưng của khí thiên nhiên (chủ yếu là khí méthane) và

xăng được trình bày trên bảng 8.6.

Bảng 8.6: So sánh đặc tính của méthane và xăng

Đặc trưng Méthane 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 dưới 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

8.6.4.1. Chỉ số Octane

Chỉ số RON và MON của méthane 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 Diesel

nguyên thủy. Trong trường hợp đó, người ta thường sử dụng phương pháp đánh lửa bằng

cách phun mồi (động cơ lưỡng nhiên liệu). Kĩ thuật này có nhiều lợi thế trên động cơ tĩnh

tại nhưng sử dung 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 GVN đều hoạt động theo chu

trình động cơ đánh lửa cưỡng bức truyền thống.

8.6.4.2. Đánh lửa và lan truyền màng lửa trong buồng cháy

động cơ sử dụng NGV

Năng lượng tối thiểu của tia lửa điện cần thiết để đốt cháy hỗn hợp méthane-không

khí cao hơn nhiều so với trường hợp các hydrocacbure khác. Vì vậy, hệ thống đánh lửa

của động cơ sử dụng 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 110mJ so với 30 ÷ 40mJ đối với

động cơ xăng truyền thống.

Mặt khác, giới hạn thành phần hỗn hợp có thể cháy được đối với khí méthane rộng

hơn các loại hydrocarbure khác nên động cơ có thể làm việc với hỗn hợp nghèo hơn.

Tốc độ lan tràn màng

lửa của hỗn hợp méthane-

không khí tương đối thấp (hình

8.19). Đặc điểm này làm giảm

tính năng của động cơ vì làm

tăng truyền 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

méthane-không khí có ưu điểm

là làm giảm độ ồn của quá

trình cháy nhờ gradient áp suất

nhỏ.

nhiệt độ 900K).

8.6.4.3. Thành phần và nhiệt độ của sản phẩm cháy

Méthane chỉ chứa 75% khối lượng carbon so với 87 ÷ 88% đối với nhiên liệu lỏng

truyền thống. Trong điều kiện cháy hoàn toàn lí thuyết, thành phần CO2 cực đại trong sản

phẩm cháy chỉ đạt 11,7% so với 14,5% đối với iso-octane. Cũng nhờ hàm lượng carbon

trong méthane thấp nên khi động cơ làm việc với hỗn hợp giàu, thành phần CO trong khí

xả thấp hơn khi sử dụng các hydrocarbure khác. Ứng với độ đậm đặc 1,1, thành phần CO

trong sản phẩm cháy chiếm khoảng 2,2% đối với méthane và 3,3% đối với toluen.

Nhiệt độ màng lửa của hỗn hợp méthane-không khí thấp nên nồng độ NOx trong

sản phẩm cháy cũng thấp.

8.7. Các kĩ thuật liên quan đến ô tô sử dụng NGV

Giống như khi vận hành, sử dụng các thiết bị áp lực khác, 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.

8.7.1. Chứa nhiên liệu NGV trên ô tô và hệ thống cung cấp

8.7.1.1. 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 qui định an toàn, bình chứa phải chịu được áp suất thử nghiệm 600 bar để đề

phòng nổ vỡ trong trường hợp nó bị sấy nóng (khi bị hỏa 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 những loại vật liệu khác, chẳng hạn như nhôm thường hay

nhôm gia cố thêm sợi thủy tinh, vật liệu composite với sườn bằng sợi thủy tinh hay sợi

carbon. Khả năng chứa khí của các bình chế tạo từ các vật liệu khác nhau trình bày trên

bảng 8.7. 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 8. 7: Khả năng chứa (m3

N) đối với 1 kg bình chứa làm bằng

các vật liệu khác nhau ở áp suất 200 bar

Vật liệu Khả năng chứa

mn^3/kg bình chứa ở 200bar

Thép thường 0,13-0,14

Thép tốt 0,18-0,20

Nhôm thường 0,19-0,20

Nhôm gia cố sợi thủy tinh 0,28-0,38

Composite sườn bằng sợi 0,40-0,50

thủy tinh

Composite sườn bằng sợi

carbon

0,50-0,70

Người ta nhận thấy dù sử dụng 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 oxyde kim loại. Ưu điểm của chúng thể hiện ở khả năng

chứa khí (trên một đơn vị khối lượng) cao (hình 8.20) và có thể làm việc ở áp suất thấp

(30÷40 bar). Trong điều kiện đó, giá thành nén khí thấp hơn và bình chứa có thể được chế

tạo theo những hình 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 nghiên cứu để hoàn thiện. Vấn đề cần giải quyết là khống chế

quá trình nhiệt diễn ra khi hấp thụ khí (tỏa 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 35bar 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 thông thường ở áp suất

200 bar.

Tuy nhiên cho đến nay,

việc chứa khí NGV dưới áp suất

cao vẫn là giải pháp thông 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 cố cháy nổ trong trường hợp

khí bị rò rỉ. Trong thực tế rủi ro

này rất ít khi xảy ra vì méthane

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 độn ở áp suất 350bar. Áp suất này có thể xảy ra khi ô tô bị hỏa

hoạn. Kết quả thí nghiệm trong trường hợp cháy xe cho thấy khí thoát ra khỏi van an toàn

gây cháy nhưng không nổ. Đối với xe bus chạy ga, bình chứa khí thường đặt trên trần xe

8.7.1.2. Hệ thống cung cấp NGV:

Chúng ta phân biệt hai trường hợp: trạm dịch vụ cung cấp khí tập trung và máy

nén gia đình giúp cho người sử dụng nạp GNV ngay tại garage của mình.

Ở các nước có hệ thống ga thành phố, trạm dịch vụ NGV có ba chức năng:

. Nối vào mạng phân phối khí thiên nhiên của thành phố

. Nén khí đến áp suất hơn 200bar 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 mà 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 200bar.

8.7.2. Tổ chức quá trình cháy

Hai dạng ô tô có thể dùng NGV đó là ô tô chuyên dụng và ô tô bus. Tùy theo dạng

sử dụng, giải pháp kĩ 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 dùng 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 méthane 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 lí 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 lí thuyết.

Việc cải tạo xe bus nguyên thủy dùng động cơ Diesel sang dùng nhiên liệu khí

NGV phức tạp hơn 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 kĩ 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 lí thuyết kết hợp với việc xử lí khí thải bằng bộ xúc tác ba chức năng. Ưu

điểm của nó là làm giảm mức độ phát ô nhiễm nhưng nhược điểm là hiệu suất giảm so với

động cơ Diesel.

. 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.

8.7.3. 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 cylindre cần phải đồng đều và tổn thất trên đường nạp cần phải giảm đến mức thấp

nhất... Vì vậy hệ thống nạp của động cơ NGV đòi hỏi những kĩ thuật phức tạp.

8.7.3.1. Bộ chế hòa khí

Có nhiều kĩ thuật chế hòa khí nhưng hiện nay kĩ thuật phổ biến nhất vẫn là kĩ thuật

ống Venturi. Trong hệ thống này, khí NGV không những chỉ định lượng bởi độ chân

không trong ống Venturi 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 lí

chuyên dụng nhận tín hiệu từ các cảm biến.

Phương án dùng bộ chế hòa 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.

8.7.3.2. 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 hòa 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 8.22) hay riêng rẽ (phun vào trước soupape nạp

của mỗi cylindre) (hình 8.23). 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 vào đường nạp, cải thiện được

Động cơ

Bộ hỗn hợp

Nạp

Xả

Van định lượng

Bộ giảm áp

Máy tính

điều khiển

thời gian phun

Máy tính

điều khiển

động cơ

Lưu lượng

khí mong

muốn

Nhiên liệu khí

- Nhiệt độ khí

- Áp suất khí

- Chênh lệch áp suất

- Áp suất khí nạp

- Nhiệt độ khí nạp

- Tín hiệu cảm biến Oxy

- Vị trí bướm ga

Van định lượng

Bộ Giảm áp

Động cơ

Cảm biến Oxy

Bộ xúc tác

3 chức năng

Bộ chấp hành

Máy tính

Tốc độ động cơ

Áp suất nạp

Vị trí bướm ga

Nhiên liệu khí

Thải

Nạp

sự đồng đều nhiên liệu cung cấp cho các cylindre của động cơ. Việc khống chế lưu lượng

NGV nạp vào xi lanh được thực hiện nhờ một bộ vi xử lí chuyên dụng.

8.7.3.3. Phun trực tiếp

Kĩ thuật này rất có rất nhiều ưu điểm vì nó cho phép đồng thời làm giảm mức độ

gây ô nhiễm và làm tăng tính kinh tế của động cơ. Phun trực tiếp NGV vào buồng cháy

cho phép kết hợp các ưu điểm của khí thiên nhiên và quá trình cháy của hỗn hợp nghèo

phân lớp. Mặt khác, hệ thống phun NGV còn thừa hưởng ưu thế của nhiên liệu nén ban

đầu nên không cần bơm nhiên liệu áp suất cao. Động cơ có thể hoạt động không có tổn

thất hệ số nạp và ở điều kiện hỗn hợp nghèo. Kĩ thuật này đòi hỏi chế tạo và điều chỉnh

chính xác hệ thống phun vì vậy đắt tiền nên hiện nay nó chưa được phổ biến rộng rãi.

Bảng 8.8: So sánh các hệ thống cung cấp nhiên liệu NGV khác nhau trên động cơ

Chế hòa khí Phun ở cổ góp Phun

trước

soupape

nạp

Phun

trực tiếp

Cơ khí Điện tử Phun

liên tục

Phun gián

đoạn

Giá thành ++ + + - - --

Hoạt động

quá độ

-- - - + + --

Phân bố giữa

các xilanh

-- -- -- -- ++ ++

Tổn thất -- -- - - + ++

Nguy cơ

quay ngược

màng lửa

-- -- -- -- + ++

8.7.3.4. So sánh các hệ thống khác nhau

Bảng 8.8 cho thấy ưu nhược điểm của các kĩ thuật tạo hỗn hợp khác nhau đối với

động cơ NGV. Qua bảng này chúng ta thấy rằng kiểu chế hòa khí có rất ít ưu điểm. Do đó,

việc phát triển hệ thống phun tập trung hay riêng rẽ là cần thiết để tăng tính năng kinh tế

kĩ thuật của động cơ NGV.

8.8. Cân bằng năng lượng và ảnh hưởng đến môi trường

của hệ ô tô NGV

Sau đây chúng ta sẽ khảo sát sự cân bằng năng lượng liên quan đến quá trình cung

cấp nhiên liệu khí thiên nhiên (vận chuyển, nén và phân phối) và tính năng của động cơ sử

dụng NGV, đặc biệt là tính năng liên quan đến vấn đề ô nhiễm.

8.8.1. Tiêu tốn năng lượng liên quan đến việc vận hành hệ thống NGV

Việc đánh giá tính kinh tế của hệ ô tô NGV cần phải xem xét đến sự cân bằng năng

lượng trên toàn bộ các công đoạn từ khi khai thác khí ở mỏ đến khi sử dụng trên ô tô.

Bảng 8.9 giới thiệu những số liệu so sánh về cân bằng năng lượng của GNV và nhiên liệu

lỏng truyền thống. Tiêu tốn năng lượng được phân bố trong 5 công đoạn: sản xuất, vận

chuyển, lọc, phân phối và nén (khí) trước khi sử dụng. Đối với khí NGV, năng lượng tiêu

thụ của các công đoạn trước khi nạp vào động cơ chiếm khoảng 16%. Mức độ tiêu tốn

này tương đối tốt so với xăng. Về phương diện này, dầu Diesel kinh tế nhất, ngay cả

trường hợp dầu Diesel chứa tỉ lệ lưu huỳnh thấp (0,05%).

8.8.2. Tính năng của ô tô

8.8.2.1. Đối với ô tô thông dụng

Như chúng ta đã trình bày việc chuyển đổi ô tô thông dụng sử dụng nhiên liệu lỏng

sang sử dụng khí thiên nhiên NGV đòi hỏi một sự cải tạo đáng kể đối với động cơ: nâng

cao tỉ số nén, nâng cao công suất hệ thống đánh lửa, đặc biệt là phải cải tạo hệ thống cung

cấp nhiên liệu và bình chứa. Trong phần này chúng ta sẽ đánh giá tính năng của động cơ

và vấn đề ô nhiễm.

A. Tính năng:

Về hiệu suất, động cơ dùng NGV có thể dễ dàng đạt được hiệu suất cao hơn động

cơ xăng khoảng10% nhờ tỉ số nén cao. Khi nạp trực tiếp nhiên liệu thể khí vào đường nạp,

hệ số nạp của động cơ bị giảm dẫn đến công suất động cơ giảm (khoảng 10%). Tuy nhiên

sự tụt giảm công suất có thể bù trừ nhờ sự gia tăng hiệu suất động cơ. Động cơ sử dụng

NGV có các tính năng về động học (gia tốc, quá độ, tốc độ cực đại...) tương đương động

cơ xăng. Mặt khác, nhiên liệu NGV do ở dạng khí nên ít bị ảnh hưởng bởi quán tính trong

giai đoạn quá độ nên động cơ làm việc mềm mại hơn. Cuối cùng, động cơ sử dụng NGV

không có những nhược điểm liên quan đến nhiệt độ môi trường như động cơ dùng nhiên

liệu lỏng.

Bảng 8.9: Phân bố năng lượng tiêu thụ trước khi đến nơi sử dụng của

các loại nhiên liệu khác nhau

Các công đoạn Xăng Dầu Diesel GPL-C Khí thiên

nhiên

Đuốc đốt khí trong quá

trình khai thác

3,0 3,0 3,0 1,8

Tiêu thụ trên hiện trường 1,0 1,0 1,0 -

Vận tải 1,9 1,9 1,9 8,0

Lọc 12,5 6,5 3,5 -

Tổn thất lọc 0,3 0,1 0,1 -

Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

158

Phân phối 0,5 0,5 1,0 0,5

Nén - - - -

Tổng cộng 19,2 13,0 10,5 16,3

B. Ô nhiễm:

Cũng như đối với những loại nhiên liệu khác, đặc điểm phát sinh ô nhiễm của động

cơ dùng NGV liên quan đến thành phần hydrocarbure của nhiên liệu, (thường nhiên liệu

NGV chứa ít nhất 90% méthane). Bảng 8.10 so sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả

trước khi vào bộ xúc tác 3 chức năng khi động cơ sử dụng nhiên liệu NGV và xăng. Khác

với động cơ xăng, trong khí xả động cơ NGV hầu như không có hydrocarbure nào có hơn

4 nguyên tử carbon, đặc biệt hơn nữa là không có sự hiện diện của thành phần

hydrocarbure thơm.

Liên quan đến vấn đề tạo ozone ở hạ tầng khí quyển, khí thải của động cơ NGV có

hoạt tính thấp hơn động cơ xăng đến 2 lần. Tính chất này chủ yếu là do nhiên liệu NGV

chứa phần lớn méthane, thành phần các chất hoạt tính (butènes, buta-1,3-diène, xylènes)

rất thấp hoặc có thể bỏ qua.

Mặt khác, nhiên liệu NGV không bao giờ gây trở ngại đối với bộ xúc tác ba chức

năng do thành phần lưu huỳnh như trong trường hợp nhiên liệu lỏng. Tuy nhiên, sự ôxy

hóa méthane còn lại trong khí xả rất khó khăn. Muốn loại trừ triệt để chất khí này cần sử

dụng một bộ xúc tác đặc biệt.

C. Số liệu so sánh trong vài trường hợp điển hình:

Sau đây là số liệu so sánh của vài trường hợp động cơ xăng và động cơ NGV.

Trường hợp thứ nhất (bảng 8.11), nếu xét hai động cơ có cùng tỉ số nén, cùng kết cấu

đường nạp, cùng hệ thống đánh lửa và hệ thống phân phối khí thì ô tô NGV có mức độ

phát sinh ô nhiễm thấp hơn động cơ xăng khoảng 50%.Trường hợp thứ hai, nếu xét một

động cơ đã được thiết kế chuyển đổi để chuyên dùng nhiên liệu NGV thì động cơ dùng

NGV có mức độ phát ô nhiễm rất thấp so với động cơ xăng có cùng công suất và momen

(bảng 8.12).

8.8.2.2. Xe bus và xe vận tải

Đánh giá mức độ phát ô nhiễm cũng như tính năng của ô tô phụ thuộc nhiều vào kĩ

thuật tạo hỗn hợp: hỗn hợp nghèo hay hỗn hợp có thành phần cháy hoàn toàn lí thuyết với

bộ xúc tác 3 chức năng.

A. Tính năng:

Động cơ Diesel tăng áp khi chuyển sang sử dụng NGV với bộ xúc tác 3 chức năng

và hỗn hợp có thành phần cháy hoàn toàn lí thuyết thì tổn thất hiệu suất sẽ rất lớn, có thể

tới 20%.

Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

159

Bảng 8.10: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí thải của động cơ dùng xăng và dùng NGV.

Mẫu được lấy phía trước bộ xúc tác, thử theo chu trình ECE+EUDC

Xăng NGV Xăng NGV

Méthane 64 360 Ethane 28,3 50

Ethylene 117,4 40 Propane 100 45,6

Propylene 72,8 10,2 Acétylène 57,9 20,0

Butanes 12,9 10,3 (E) But-2-ène 6,1 0

But-1-ène 7,8 0 Isobutène 40 0

(Z)-But-2-ène 4,6 0 Isopentane 39,9 0

n-Pentane 15 0 Propyne 15 0

Buta-1,3-diène 18 0 Pent-1-ène 8,7 0

Benzène 65 0 Iso-octane 46,1 0

Toluène 130,1 0 Ethylbenzène 15,9 0

(m+p)-Xylène 84,6 0 (o)-Xylène 19 0

(Khối lượng khí phát thải tính theo mg)

Bảng 8.11: Giảm ô nhiễm nhờ bộ xúc tác đối với động cơ NGV (tỉ lệ hỗn hợp f=1)

CO(%) HC(%) NOx(%) HC+NOx(%) CO2(%)

Không có bộ

xúc tác

44 52 34 42 20,5

Có bộ xúc tác 63,5 63 57 60 19

Ngược lại nếu dùng kĩ thuật hỗn hợp nghèo, khi động cơ NGV làm việc với bộ

tăng áp thì hiệu suất cao hơn (xấp xỉ động cơ Diesel nguyên thủy) và momen cực đại chấp

nhận được. Bảng 8.12 cho chúng ta thấy sự so sánh giữa động cơ NGV và động cơ Diesel

nguyên thủy.

Bảng 8.12: So sánh momen cực đại và hiệu suất của động cơ Diesel

và động cơ NGV

So sánh tính năng động

cơ dùng gasole và khí

thiên nhiên

Nhiên liệu

Diesel Khí thiên nhiên

PCI (kJ/kg) 42800 49100

Chế độ 1400 1260

Momen 1180 1000

Công suất 173 185

Độ đậm đặc 0,56 0,61

Suất tiêu hao nhiên liệu

(g/kWh)

204 186

Hiệu suất toàn bộ 41,2 39,4

Bảng 8.13: Mức độ phát ô nhiễm của động cơ dùng NGV

Chất ô nhiễm Mức độ

CO (g/mile) 0,655

HC tổng 0,230

HC không mèthane 0,016

NOx (g/mile) 0,112

CO2 (g/mile) 226,6

Tiêu thụ nhiên liệu 28,5

Hoạt động độc lập 175

B. Ô nhiễm:

Bảng 8.13 cho chúng ta một vài ví dụ liên quan đến mức độ phát ô nhiễm của ô tô

vận tải sử dụng NGV. Chúng ta nhận thấy trong mọi trường hợp, mức độ CO và bồ hóng

rất thấp, mức độ HC đôi lúc gần với giá trị cho phép bởi luật môi trường, nhưng chỉ chứa

phần lớn méthane (khoảng 90%), còn lại các thành phần khác rất thấp.

Còn về mức độ phát sinh NOx, khí xả động cơ NGV có nồng độ NOx rất thấp nếu

động cơ làm việc với f=1 và có lắp bộ xúc tác 3 chức năng. Nồng độ này cao hơn một chút

nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép nếu dùng hỗn hợp nghèo.

Những phiền phức đặc biệt của động cơ Diesel (ồn, hôi, khói đen...) sẽ được giảm

đi rất nhiều đối với động cơ NGV. Mức độ ồn giảm được khoảng 3 db khi động cơ hoạt

động không tải đối với ô tô bus thành phố.

Về mùi hôi, chất phụ gia chứa lưu huỳnh (THT: Télrahydrothiophène) để phát hiện

sự rò rỉ được thêm vào khí thiên nhiên với thành phần rất thấp (20 hay 25mg/m3) nên bị

đốt cháy hoàn toàn. Vì vậy nên khí xả động cơ NGV rất ít hôi so với khí xả động cơ

Diesel.

8.8.3. Ảnh hưởng đối với hiệu ứng nhà kính

Méthane cũng như CO2 và N2O là khí gây hiệu ứng nhà kính một cách trực tiếp vì

vậy người ta rất quan tâm đến việc nghiên cứu ảnh hưởng của việc phát triển động cơ

NGV đến việc nóng lên của bầu khí quyển.

Bảng 8.14: Phát ô nhiễm của động cơ công nghiệp dùng NGV

Cháy hoàn toàn lí

thuyết với bộ xúc tác

Cháy hỗn hợp nghèo

với bộ xúc tác oxy hóa

Tiêu chuẩn

Euro 1996

3 chức năng

CO 2,5 0,3 4

HC 0,5 0,2 1,1

NOx 3,5 2,5 7,0

Bồ hóng 0,05 0,05 0,15

(Đơn vị tính: g/kWh)

Trong thực tế, động cơ NGV phát sinh nhiều méthane nhưng ít CO2 so với động cơ

nhiên liệu lỏng. Vì vậy, lượng chất khí gây hiệu ứng nhà kính trong khí xả động cơ NGV

thấp hơn khoảng 25% so với động cơ xăng và 5% so với động cơ Diesel (bảng 8.15). Do

đó, việc sử dụng NGV sẽ làm giảm đi đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính trên phạm

vi toàn cầu.

Bảng 8.15: So sánh mức độ phát sinh khí gây hiệu ứng nhà kính đối với động cơ

dùng xăng, Diesel và NGV (gCO2/km), theo chu trình ECE

Xăng Diesel NGV

Trước bộ xúc tác 356 280 267

Sau bộ xúc tác 310 251 231

Nhìn chung, động cơ dùng NGV có rất nhiều hứa hẹn đối với ô tô hoạt động trong

thành phố hay vùng ven đô, những khu vực mà tình trạng ô nhiễm môi trường do phương

tiện vận tải gây ra ngày càng trở nên trầm trọng. Ở một số khu vực trên thế giới, người ta

đã bắt đầu sử dụng NGV cho ô tô chạy trong thành phố. Chẳng hạn ở Buenos-Aires, tất cả

taxi đều dùng NGV. Ở những thành phố lớn của Mỹ, chẳng hạn ở NewYork, người ta đã

xây dựng nhiều dự án quan trọng cho việc chuyển ô tô nhiên liệu lỏng sang NGV. Nhiều

quốc gia khác như Ý, Canada, Hà lan... cách đây khá lâu đã xây dựng những cơ sở hạ tầng

phục vụ cho việc phát triển ôtô dùng NGV. Ở các nước này ô tô NGV ngày càng được

nhân rộng.

Cuối cùng người ta dự kiến sự gia tăng ô tô NGV ở những quốc gia sản xuất khí

thiên nhiên như Malaysia, Trung Quốc... Ở những quốc gia này số lượng ô tô ngày một

gia tăng nên vấn đề ô nhiễm môi trường khiến người ta phải quan tâm đến NGV. Những

dữ kiện trên cho phép chúng ta dự đoán được rằng, trong thời gian trước mắt (trong vòng

từ 5 đến 10 năm tới), số lượng ô tô dùng NGV trên thế giới sẽ tăng từ 2 đến 5 lần. Vì vậy

đến những năm 2000, trên thế giới sẽ có khoảng 5 triệu ô tô NGV.

Dĩ nhiên sự phát triển NGV nhanh hơn cũng có thể diễn ra nhưng với một số điều

kiện. Trước hết loại nhiên liệu này cần cho thấy được tính ưu việt chắc chắn so với những

nhiên liệu đang cạnh tranh như nhiên liệu khí hóa lỏng LPG. Hiện tại NGV có ưu điểm

không thể phủ nhận nhưng ưu thế này chưa chắc còn được duy trì trong tương lai. Mặt

khác, người ta chỉ tiếp tiếp tục nghiên cứu sử dụng nhiên liệu khí nếu như những giải pháp

kĩ thuật về xử lí ô nhiễm khí xả động cơ nhiên liệu lỏng không cải thiện được so với yêu

cầu của luật môi trường. Cuối cùng, như những nhiên liệu khác, sự thâm nhập của NGV

đòi hỏi:

- Chính sách thuế khuyến khích người sử dụng

- Cơ sở hạ tầng phục vụ việc cung cấp NGV cho ô tô

(Trạm dịch vụ công cộng hay cá nhân, hình 8.24 và 8.25)

- Giải quyết được vấn đề tâm lí của người sử dụng liên quan đến tính an toàn của

ô tô dùng NGV.