Khoá luận tốt nghiệp
PHN 1: M U

1. Lớ do chn ti
Ngy nay, vn phỏt trin bn vng, tc l phỏt trin nhng vn bo
v c mụi trng l vn bc xỳc i vi mi quc gia v cú ý ngha ton
cu. Mụi trng ca con ngi ang b hu hoi nghiờm trng t nhiu ngun
khỏc nhau. Mt trong nhng ngun ụ nhim ch yu l khớ x ca ng c t
trong - thit b cung cp ti 80% tng s nng lng tiờu th hng nm trờn
ton th gii. Vỡ vy, ngay t nhng nm 50 ca th k XX ngi ta ó quan
tõm n vn ụ nhim mụi trng do khớ x ca ng c t trong.
Mc dự ó cú nhiu ci tin k thut trờn ng c t trong nhng vn
cha lm gim mt cỏch trit nng cỏc cht ụ nhim trong khớ x.
Do ú, nõng cao hiu qu chng ụ nhim mụi trng do ng c t trong
gõy ra, chỳng ta cn s dng cỏc loi nhiờn liu sch. S dng ngun nhiờn
liu khớ chy ng c ngoi vic a dng hoỏ ngun nng lng cũn gúp
phn ỏng k vo vic gii quyt vn ụ nhim mụi trng v nõng cao hiu
sut ca ng c t trong.
Vic s dng nhiờn liu khớ du m hoỏ lng LPG cho ng c t
trong trờn phng tin giao thụng vn ti ó c bt u trong nhng nm
gn õy, Vit Nam õy l mt lnh vc mi. L sinh viờn ngnh s phm k
thut, vi s ham mun tỡm hiu, nghiờn cu, ng thi gúp mt phn cụng
sc ca mỡnh bo v mụi trng, tụi khụng th lc hu vi tri thc thi i.
ú l lớ do tụi chn ti: "S dng LPG - gii phỏp k thut nõng cao
hiu sut nhit v gim ụ nhim mụi trng."
2. Mc ớch nghiờn cu
- Tỡm hiu thnh phn, tỏc hi ca cỏc cht trong khớ x ca ng c xng.
- Tỡm hiu c ch hỡnh thnh cỏc cht trong khớ x ca ng c xng.

Dương Thị Thanh


lượng chủ yếu cho con người nhưng cũng là một thủ phạm chính gây ô nhiễm
môi trường do độc hại trong khí xả. Việc sử dụng nhiên liệu “sạch” là khí dầu
mỏ hoá lỏng LPG tuy phải sử dụng những thiết bị cồng kềnh nhưng đã phần

D­¬ng ThÞ Thanh

2

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
nào giải quyết được vấn ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu suất của động
cơ, đảm bảo sự phát triển bền vững cho mỗi quốc gia.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lí luận, tài liệu tham khảo, báo cáo khoa học.
- Tìm hiểu thực tế.
- Thảo luận chuyên môn.
7. Cấu trúc luận văn
Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:
- Chương 1: Chu trình làm việc của động cơ đốt trong.
- Chương 2: Khí xả của động cơ đốt trong và sự ô nhiễm môi trường.
- Chương 3: Sử dụng LPG - giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu suất
nhiệt và giảm ô nhiễm môi trường.
Ngoài ra luận văn còn có các phần: mở đầu, mục lục, chú thích, kết
luận chung.

D­¬ng ThÞ Thanh

3

động cơ đốt trong. Giữa chu trình thực tế và chu trình lý thuyết có sự chênh
lệch hiệu suất của chu trình.

D­¬ng ThÞ Thanh

4

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
Các dạng chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong:
- Chu trình lý tưởng tổng quát.
- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích, V = const.
- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp, P = const.
- Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.
Chu trình cấp nhiệt đẳng tích và chu trình cấp nhiệt đẳng áp là hai trường
hợp riêng của chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích là
chu trình lý tưởng cho các loại động cơ xăng, máy ga, đốt cháy cưỡng bức
bằng tia lửa điện.
1.1.2. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích (V = const)
P
z
Q1

Q  0

c

b

Q1  Q 2
Q
1 2
Q1
Q1

Đối với chất khí lý tưởng thì nhiệt dung riêng của nó không thay đổi,
ta có:
Q1 = Cv(Tz − Tc)
Q2 = Cv(Tb − Ta)
Trong đó Q2 lấy giá trị tuyệt đối
Vậy ta có:   1 

C v Tb  Ta 
C v Tz  Tc 

T V 
- Do ac là quá trình đoạn nhiệt nên: c   a 
Ta  Vc 

k 1

  k 1

→ Tc   k 1Ta
- Do cz là quá trình đẳng tích nên: Vc = Vz,

TZ Pz
 
Tc Pc


k 1

k 1

Va
T a Ta
Vc

Vy ta cú hiu sut nhit ca chu trỡnh:
1

Trong ú:


k

Ta Ta
1
1 k 1
k 1
Ta Ta

k 1

Va
l t s nộn
Vc

Pz

p (105 Pa)

Khoá luận tốt nghiệp

III

42

3

35
28

II

21
I

14
1

7

2



100

80

trong xilanh tng t ngt.
Thi kỡ chỏy tr di hay ngn ph thuc vo nhiu yu t: tớnh cht,
trng thỏi (ỏp sut, nhit ) ca ho khớ trc khi ỏnh la, nng lng ca
tia la in . . .

Dương Thị Thanh

8

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
1.2.1.2. Giai on 2: thi kỡ chỏy nhanh II (t im 2 n im 3)
Thi kỡ ny tng ng vi thi kỡ lan truyn mng la tớnh t lỳc xut
hin mng la trung tõm ti khi mng la lan khp bung chỏy. Trong thi k
ny, mng la c lan truyn vi tc tng dn, ho khớ trong xilanh cú
phn ng oxy hoỏ ngy cng mónh lit v nh ra mt s nhit lng ln trong
khi dung tớch xilanh thay i ớt, do ú lm cho ỏp sut v nhit mụi cht
tng nhanh.
Thi k chỏy nhanh l giai on chớnh trong quỏ trỡnh chỏy ho khớ
ca ng c t chỏy cng bc, phn ln nhit lng c nh ra trong giai
on ny. Quy lut nh nhit quyt nh vic tng ỏp sut, tc l quyt nh
kh nng y pittụng sinh cụng, vỡ vy thi kỡ ny cú nh hng quyt nh
ti tớnh nng ca ng c.
Thi gian chỏy cng nhanh thỡ hiu sut nhit ca chu trỡnh cng cao.
Mun rỳt ngn thi gian chỏy phi nõng cao tc chỏy, lm cho ỏp sut cc
i v nhit cc i xut hin ti v trớ gn sỏt CT, khin s nhit lng
nh ra c li dng y , lm tng cụng sut v hiu sut ca ng c.
Sr: tc lan truyn mng la (m/s), th hin tc chuyn dch ca

thọ sử dụng động cơ. Thông thường phải hạn chế tốc độ tăng áp suất trung
bình của thời kì cháy nhanh trong giới hạn từ (1,75  2,5) x 105 Pa/độ góc
quay của trục khuỷu; mặt khác phải điều khiển để áp suất cực đại xuất hiện
sau điểm chết trên khoảng từ 10  150 góc quay trục khuỷu, lúc ấy động cơ sẽ
chạy êm, nhẹ nhàng và có tính năng động lực tốt.
1.2.1.3. Giai đoạn 3: thời kì cháy rớt III (tính từ điểm 3 trở đi)
Cuối thời kì II màng lửa đã lan truyền khắp buồng cháy nhưng do hoà
khí phân bố không thật đều, điều kiện áp suất và nhiệt độ ở mọi khu vực trong
buồng cháy không hoàn toàn giống nhau nên có những khu vực hoà khí chưa
cháy hết. Trong quá trình giãn nở, số hoà khí đó được bốc cháy tiếp tạo nên
thời kì cháy rớt. Trong thời kì này nhiệt lượng nhả ra rất nhỏ, dung tích xilanh
tăng nhanh nên áp suất trong xilanh giảm dần. Thời kì cháy rớt dài hay ngắn
phụ thuộc vào số lượng hoà khí cháy rớt, giai đoạn này không có lợi cho động cơ.
1.2.2. Hiện tượng cháy kích nổ
Quá trình cháy của động cơ đốt cháy cưỡng bức bắt đầu từ lúc bugi
bật tia lửa điện, màng lửa lan tràn từ bugi ra khắp buồng cháy để đốt cháy hỗn
hợp. Trong trường hợp cháy bình thường, tốc độ lan của màng lửa vào

D­¬ng ThÞ Thanh

10

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
khoảng từ 20  30m/s. Có trường hợp số hoà khí ở xa bugi bị màng lửa dồn ép
tới một lúc nào đó nhiệt độ và áp suất của chúng đạt tới độ tự cháy khi màng
lửa chưa lan tới, đó là hiện tượng cháy kích nổ. Tốc độ của màng lửa kích nổ
rất lớn, có thể tới 1500  2000m/s khiến áp suất tăng quá nhanh tạo ra sóng áp

Thành phần chính của xăng gồm hydrocacbon no nhưng có dạng mạch nhánh
và hydrocacbon thơm nhân benzen là các kết cấu rất bền vững. Ví dụ như
isôôctan C8H18 và metylbenzen C6H5CH3.

H

H

CH3

H

CH3

H

C

C

C

C

C

H

CH3



C
H
H

b. metylbenzen
Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo phân tử

D­¬ng ThÞ Thanh

12

K31c - Spkt


Khoá luận tốt nghiệp
2.1.2. Tớnh cht ca xng
Tr nhit ca xng c 10000ữ11000 Kcal/kg (giỏ tr nhiờn liu ca
xng). Tớnh bay hi ca xng ph thuc vo nhit . Nhit thp bay hi
chm, nhit cao bay hi nhanh nhng khụng hon ton tuyn tớnh. T
trng ca xng nh hn nc 0,75kg/lớt.
Xng ụ tụ thng cú tr s ctan trong khong 80 n gn 100. Hin
nay nc ta ph bin 3 loi xng cú tr s ctan tng ng l 90, 92, 95.
tng kh nng chng kớch n ca xng ngi ta pha nc chỡ vo xng vi t
l 1/1000 (hay 1cc/lớt). Nc chỡ ny rt c, phõn bit xng pha chỡ v
xng khụng pha chỡ ngi ta dựng ch th mu. Hin nay ó cm s dng loi
xng ny.
2.2. Thnh phn cỏc cht trong khớ x ca ng c xng
Quỏ trỡnh chỏy lý tng ca hn hp hydrocacbon vi khụng khớ sinh
ra CO2, H2O v N2. Tuy nhiờn, cng nh do tớnh cht phc tp ca cỏc hin

của NO2 cao hơn gấp nhiều lần so với NO. NO2 là chất khí có màu hơi hồng,
có mùi, khứu giác có thể phát hiện khi nồng độ của nó trong không khí đạt
khoảng 0,12ppm. NO2 là chất khó hoà tan, do đó nó có thể theo đường hô hấp
đi sâu vào trong phổi gây viêm và làm huỷ hoại các tế bào của cơ quan hô
hấp. Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở.
- HC: hydrocacbon có mặt trong khí xả do quá trình cháy không hoàn
toàn khi hỗn hợp giàu, do cháy bỏ lửa khi hỗn hợp nghèo hoặc do hiện tượng
cháy không bình thường. Chúng gây tác hại đến sức khoẻ con người chủ yếu
là do các hydrocacbon thơm. Khi nồng độ của benzen trong máu lớn hơn
40ppm thì nó có tác dụng gây ung thư máu và gây rối loạn hệ thần kinh trung
ương khi nồng độ lớn hơn 1g/m3, nó cũng là nguyên nhân gây các bệnh về gan.
- Chì: chì có mặt trong khí xả do tetraetyl chì Pb(C2H5)4 được pha vào
xăng để tăng tính chống kích nổ của nhiên liệu. Chì trong khí xả động cơ tồn
tại dưới dạng những hạt có đường kính cực bé nên dễ xâm nhập vào cơ thể
qua da hoặc qua đường hô hấp. Khi đã vào được trong cơ thể, khoảng từ 30
đến 40% lượng chì này đi vào máu. Sự hiện diện của chì gây xáo trộn sự trao
đổi iôn ở não, gây trở ngại cho sự tổng hợp enzim để hình thành hồng cầu,
đặc biệt nó tác động lên hệ thần kinh làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ. Chì

D­¬ng ThÞ Thanh

14

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
bắt đầu gây nguy hiểm đối với con người khi nồng độ của nó trong máu vượt
quá 200 đến 250mg/lít.
2.3.2. Đối với môi trường

Khoá luận tốt nghiệp
2.3.2.2. nh hng n sinh thỏi
S gia tng ca NOx, c bit l N2O cú nguy c lm hu hoi lp ụzụn
thng tng khớ quyn, lp khớ cn thit lc tia cc tớm phỏt x t mt
tri.
Mt khỏc, cỏc cht khớ cú tớnh axit nh SO2, NO2 b oxy hoỏ thnh
thnh axit sunfuric, axit nitric ho tan trong ma, trong tuyt, trong sng
to thnh ma axit lm hu hoi thm thc vt, gõy n mũn cỏc cụng trỡnh
kim loi.
2.3.2.3. nh hng n thc vt

T l gia tng CO2
100
2,5ppm
80

60

40

8ppm

9ppm
nh hng

Phc hi
t(s)

20



20

0
100
200 2.3: Ảnh hưởng của NO đến quang hợp
Hình
2

Khi nồng độ NOx lớn hơn 0,5÷0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang
hợp của cây. Sự giảm quang hợp đạt đến trạng thái cân bằng đối với NO
nhanh hơn đối với NO2 và sau khi môi trường hêt ô nhiễm thì sự quay trở lại
trạng thái ban đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO2.
2.4. Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí xả của động cơ xăng
2.4.1. Cơ chế hình thành NOx
NOx được hình thành từ phản ứng oxy hoá nitơ trong điều kiện nhiệt
độ cao của quá trình cháy. Thành phần của NOx phụ thuộc nhiều vào nồng độ
oxy của hỗn hợp và nhiệt độ của quá trình cháy. Trong điều kiện nhiệt độ cao,
nồng độ oxy càng nhiều thì nồng độ NOx càng lớn.
2.4.1.1. Sự hình thành NO (monoxit nitơ)
Trong thành phần của NOx, NO chiếm tới từ 90÷98%. Sự hình thành
của NO được mô tả bởi cơ chế Zeldovich. Trước hết, oxy bị phân huỷ thành
oxy nguyên tử ở nhiệt độ cao:
O2

D­¬ng ThÞ Thanh

2O

(2.1)

(2.3)
NO c to thnh trong mng la v trong sn phm chỏy phớa sau
mng la. Trong ng c, quỏ trỡnh chỏy din ra trong iu kin ỏp sut cao,
vựng phn ng rt mng, thi gian chỏy rt ngn, thờm vo ú ỏp sut trong
xilanh tng trong quỏ trỡnh chỏy, iu ny lm nhit ca b phn khớ chỏy
trc cao hn nhit t c ngay sau khi ra khi mng la nờn i b
phn NO hỡnh thnh trong khu vc sau mng la.
2.4.1.2. S hỡnh thnh NO2 (peoxit nit)
NO2 c hỡnh thnh t NO v cỏc cht trung gian ca sn phm chỏy
theo phn ng:
NO + HO2

NO2 + OH

(2.6)

Trong iu kin nhit cao NO2 to thnh cú th c phõn gii theo
phn ng:
NO2 + O

NO + O2

(2.7)

Khi NO2 sinh ra trong ngn la b lm mỏt ngay bi mụi cht cú nhit
thp thỡ phn ng (2.7) b khng ch, ngha l NO2 tip tc tn ti trong
sn vt chỏy.
2.4.1.3. S hỡnh thnh N2O
N2O ch yu hỡnh thnh t cỏc cht trung gian NH v NCO khi chỳng
tỏc dng vi NO:

N2

(2.11)

+ OH

Chớnh vỡ vy N2O chim t l rt thp trong khớ thi ca ng c t trong.
2.4.2. C ch hỡnh thnh CO (monoxit cacbon)
CO c hỡnh thnh trong phn ng chỏy thiu oxy
2C + O2 = 2CO
Khi h s d lng khụng khớ cng nh tc l nng oxy trong
hn hp ớt thỡ nng CO trong khớ x cng ln.
+ Khi 1 , quỏ trỡnh chỏy thiu oxy nờn sinh ra nhiu CO.
+ Khi 1, v lý thuyt tha oxy nhng vn cú mt lng nh CO.
Lý do l trong bung chỏy vn cú nhng vựng cc b cú 1 , ti ú quỏ
trỡnh chỏy thiu oxy.
2.4.3. C ch hỡnh thnh HC (hydrocacbon)
S phỏt sinh HC l do quỏ trỡnh chỏy khụng hon ton hoc do mt b
phn hn hp nm ngoi khu vc lan trn mng la. iu ny xy ra do s
khụng ng nht ca hn hp hoc do s dp tt ca mng la khu vc gn
thnh hay trong cỏc khụng gian cht, ngha l khu vc cú nhit thp. s
hỡnh thnh HC trong ng c ỏnh la cng bc c gii thớch theo cỏc c
ch sau:
- S tụi mng la trờn thnh bng chỏy: trong quỏ trỡnh chỏy, mng
la lan trn khp bung chỏy. Lp ho khớ sỏt vỏch cỏc chi tit cú nhit
thp nờn khi mng la lan trn ti õy s b dp tt, do ú nhiờn liu ti õy
khụng c t chỏy.

Dương Thị Thanh


20

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
CHƯƠNG 3:
SỬ DỤNG LPG - GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU SUẤT
NHIỆT VÀ GIẢM Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

3.1. Đặc tính của LPG
3.1.1. Thành phần chính của LPG
LPG là khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas), là hỗn hợp
khí chủ yếu gồm 2 hydrocacbon no là propan (C3H8) và butan (C4H10) đã
được hóa lỏng với áp suất khoảng 7atm. Thành phần hỗn hợp LPG có tỉ lệ
propan/butan: 50/50 ± 10% (mol).
3.1.2. Tính chất của LPG
Ở nhiệt độ 0oC trong môi trường không khí bình thường, với áp suất
bằng áp suất khí quyển, LPG bị biến dạng từ thể lỏng sang thể hơi theo tỉ lệ
thể tích 1lít LPG thể lỏng hóa thành khoảng 250 lít ở thể hơi.
LPG là nhiên liệu nhẹ, ρ=0,51÷0,58 (g/cm3), vận tốc bay hơi nhanh, dễ
dàng khuếch tán hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy nổ.
Ở thể lỏng, tỷ trọng của LPG nhẹ hơn nước: butan từ 0,55÷0,58 lần,
propan từ 0,5÷0,53 lần; ở thể hơi trong môi trường không khí với áp suất bằng
áp suất khí quyển, LPG nặng hơn so với không khí: butan 2,07 lần, propan
1,55 lần.
LPG không mùi, không màu, không vị, không có độc tố. Nhiệt độ của
LPG khi cháy rất cao khoảng 1900oC÷1950oC. Trị nhiệt của LPG vào khoảng
12000 kcal/kg.
LPG không lẫn tạp chất ăn mòn và các tạp chất có chứa lưu huỳnh, vì

H thng cung cp nhiờn liu LPG bng cỏch phun dng lng cú th
s dng u th ca LPG hn ch nhng nhc im trờn. u im ca
vic phun LPG lng l to kh nng kim soỏt c m c mi ln
phun vi thi gian rt ngn, t ú cú th khng ch c mc phỏt ụ
nhim khi ng c lm vic ch quỏ . S bc hi ca LPG lm gim
ỏng k nhit khớ np, do ú lm tng h s np ca ng c. Mt khỏc,

Dương Thị Thanh

22

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
màng nhiên liệu mỏng bám trên đường nạp không đáng kể so với khi động cơ
làm việc với xăng. Điều này cho phép giảm mức độ phát sinh HC.
Tuy nhiên, việc sử dụng vòi phun thay vì bộ chế hòa 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.
3.2.1. Bộ chế hòa khí
3.2.1.1. Bộ chế hòa khí dạng màng

Không khí

Hình 3.1: Sơ đồ mặt cắt bộ chế hoà khí dạng màng
Khi dừng động cơ, van C mở 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, 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

ng ng np. Nú cú th c lp t gia bu lc giú v b ch hũa khớ
xng hoc ch hũa khớ, phớa trc bm ga.

Dương Thị Thanh

24

K31c - Spkt


Kho¸ luËn tèt nghiÖp
3.2.1.4. Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu venturi trên ô tô

Venturi
Ống xả xúc tác

Hình 3.4: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu ống Venturi trên ô tô hiện đại
LPG được nén trong bình chứa với áp suất từ 7÷10 bar sau đó được
giãn nở và bay hơi đến một áp suất thấp hơn áp suất khí trời. Nhờ độ chân
không tại họng Venturi, 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 hòa khí hiện đại, lưu lượng LPG được
điều khiển bởi một bộ vi xử lý chuyên dụng.
Hệ thống nhiên liệu này đi kèm với ống xả xúc tác giúp làm giảm
lượng phát sinh ô nhiễm môi trường rất tốt. 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.

D­¬ng ThÞ Thanh