128
Chương 8

ĐỘNG CƠ S
Ử
DỤNG
NHIÊN LIỆU KHÍ:
MỘT GIẢI PHÁP LÀM GI
Ả
M
Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Các giải pháp kĩ thuật cải thiện quá trình cháy và tăng cường xử lí trên đường xả
như đã mô tả ở chương 7 chưa đủ để làm giảm một cách triệt để nồng độ các chất ô nhiễm
trong khí thải động cơ đốt trong. Do đó, để nâng cao hiệu quả của việc chống ô nhiễm môi
trường do phương tiện vận tải gây ra, chúng ta cần tác động đến nhiên liệu: nâng cao tính
nă
ng của nhiên liệu truyền thống hoặc sử dụng các loại nhiên liệu ‘sạch’. Sử dụng nguồn
nhiên liệu khí để chạy động cơ ngoài việc đa dạng hóa nguồn năng lượng còn góp phần
đáng kể vào việc giải quyết vần đề ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra.

Phần 1: NHIÊN LIỆU KHÍ HÓA LỎNG LPG

Nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG: khí dầu mỏ hóa lỏng) thường thuộc nhóm
hydrocarbure có 3 hay 4 nguyên tử C (C
3
-C

sử dụng LPG (chẳng hạn ô tô chạy trong sân bay, xe nâng chuyển, máy móc nông
nghiệp ). Pháp (tổng cộng 3Mt/năm)

Hà Lan (tổng cộng 3,4 Mt/năm)

Hình 8.1: Tỉ lệ tiêu thụ LPG ở vài nước tiêu biểu

Sự phát triển ô tô dùng
LPG phụ thuộc vào chủ trương của
mỗi quốc gia, đặc biệt là phụ thuộc
vào chính sách bảo vệ môi trường
(hình 8.2). Sự khuyến khích sử
dụng ô tô LPG thể hiện qua chính
sách thuế ưu đãi của mỗi quốc gia
đối với loại nhiên liệu này. Hình 8.2: Tỉ lệ ô tô sử dụng LPG
Ở một số nước Châu Á, Hàn Quốc và Nhật Bản chẳng hạn, để giảm ô nhiễm môi
trường đô thị, chính phủ các nước này khuyến khích, tiến tới bắt buộc taxi phải dùng nhiên
liệu khí hóa lỏng. Hiện nay toàn bộ taxi Hàn Quốc đều dùng loại nhiên liệu này.

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

130 Hình 8.3: Thành phần LPG tiêu biểu 8.2. Đặc tính nhiên liệu khí hóa lỏng

8.2.1. Thành phần hóa học

Theo tiêu chuẩn Châu Âu, nhiên liệu khí hóa lỏng phải có từ 19 đến 50%
hydrocabure C
3
(propane và propylène). Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng
khá ổn định, chứa chủ yếu là hydrocarbure C
4
, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ có butane là
khí hóa lỏng được sử dụng chính thức. Ngược lại ở Mĩ thì chỉ có hydrocarbure C
3
được sử
dụng. Hình 8.3 so sánh thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng của Pháp và Mĩ.

Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng nhiên liệu khí hóa lỏng chứa rất ít lưu huỳnh.
Thường nó chỉ chứa từ 40 ÷ 60ppm, thấp hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn Cộng đồng Châu
Âu (200ppm). Do đó, động cơ dùng LPG phát rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và
hiệu quả của bộ lọc xúc tác được cải thiện.

8.2.2. Lí tính

1%
31
,
8%
91
,
3%
19
,
6%
0
,
3%
28
,
3%
0
,
03%
6
,
1%
0%

2
,
7%
0%
1
,

3
) 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/dm
3
)

42,7
32,0

42,6
35,8

46,0
23,5

45,6
26,4

45,8
25,0 8.2.3. Chỉ số Octane


8.3.1.1. 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 tùy 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 thủy.

8.3.1.2. 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 Diesel, 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 Diesel-ga 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 tỏa 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


8.3.2. 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 GPL dưới dạng khí là sự đồng nhất hoàn hảo của hỗn hợp ga-không khí và tránh
hiện tượng ướt thành đường 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 tiếp. Điều này cho phép làm
giảm được mức độ phát sinh ô nhiễm (từ 30 đến 80% so với động cơ xăng nguyên thủy).
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 n
ăng 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 HC.

Hình 8.4 : Bộ chế hòa khí dạng màng

2. Bộ chế hòa khí dạng van modul hóa

Hình 8.5 biểu diễn mặt cắt của bộ chế hòa khí kiểu van modul hóa. Khí ga được
hút vào phía sau bướm sau khi modul hóa lưu lượng nhờ một bộ định lượng. Khi sử dụng
hệ thống này trên các động cơ khác nhau chỉ cấn thay đổi bộ định lượng và gicleur tiêu
chuẩn. Hệ thống này cho phép động cơ làm việc lưỡng nhiên liệu xăng và ga, bộ chế hòa
khí xăng được lắp phía trướ
c họng ga. Ga
Không
Không
Ga
Vb: Vít chống xoay
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường


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 8.8. 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 nạp thấp hơn áp suất khí
trời. Nhờ độ chân không tại họng, LPG được hút vào đường nạp.

Hình 8.5: Bộ chế hòa khí dạng
van modul hóa
Hình 8.6 : Họng Venturi vạn năng

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

136
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 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 8.8: Hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu ống Venturi trên ô tô hiện đại

8.3.2.2. Cung cấp ga trực tiếp nhờ soupape ga

ều hứa hẹn nhất.

Hình 8.10 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. Bộ vi xử lý
đối với xăng

Bộ vi xử lý
đối với LPG

Vòi phun xăng
Vòi phun
LPG
Lọc gió
Hòi lưu LPG
Bình chứa LPG
–ng xả xúc tác
Cảm biến oxy
Bơm
Điều hòa áp suất

các phương tiện vận tải công cộng cho dù giá thành đầu tư ban đầu của chúng còn cao.

8.3.3.1. Hệ thống bốc hơi-giãn nở LPG

LPG được chứa dưới dạng lỏng vì vậy cần làm bốc hơi trước khi đưa vào động cơ.
Năng lượng cần thiết cho sự bốc hơi này do h
ệ 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 8.11). Nguyên lý làm việc của bộ phận này như
sau: Ga lỏng được cung cấp dưới áp suất khoảng vài bars 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 th
ời sự bốc hơi và giãn nở sơ 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.

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

139

gia tăng nhờ mở van ở tầng thứ hai do một
nút điều khiển bằng tay G hay một chốt
điện từ điều khiển từ xa.

Hiện nay phổ biến trong thương mại
là phương pháp tạo hỗn hợp bằng bộ chế
hòa khí. Các trang bị chế tạo sẵn để cải tạo
động cơ xăng sang động cơ LPG gồm: bình
chứa LPG, bộ bốc hơi-giãn nở được sấy
nóng bởi trích nước làm mát từ động cơ và
bộ hỗn hợp dạng Venturi. Lưu lượng ga
được khống chế đồng thời bởi bộ giãn n
ở

và hệ thống điều chỉnh lượng nhiên liệu
điện tử thông qua các thông tin cần thiết để
đi
ềuchỉnh l
ư
ợng xăng
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

140
Nhìn chung, trọng lượng của bình chứa lớn vì phải chế tạo bằng thép dày khoảng
vài mm để đảm bảo an toàn cho ô tô và hành khách đặc biệt là khi xảy ra tai nạn. Ở Pháp
bình chứa LPG trên ô tô phải qua thử nghiệm hai bước: bước đầu dưới áp suất tĩnh 30 bar;
bước thứ hai thử va chạm (50km/h và dừng) ở áp suất 11 bar trong bình chứa.

Bố trí hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên ô tô được trình bày trên hình 8.13.


Bộ vi xử lý LPG
Đường nạp LPG
Bình chứa LPG
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

141
bốc hơi của nó trên đường nạp làm giảm nhiệt độ khí và do đó làm tăng khối lượng riêng
của hỗn hợp, cải thiện được hệ số nạp. Ngược lại khi phun nhiên liệu dạng khí, hệ số nạp
bị giảm so với động cơ xăng. Thêm vào đó, sự hiện diện của họng Venturi trên đường nạp
gây ra sự xáo trộn động lực học và đó cũng là nguyên nhân làm giảm momen động cơ.

8.4.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu

Suất tiêu hao nhiên liệu tính theo thể tích và tính theo khối lượng nhiên liệu của
động cơ LPG so với động cơ xăng có lợi thế khác nhau. Trong thực tế nếu so sánh năng
lượng tiêu hao trên 100km hành trình (J/100km) thì nhiên liệu LPG được xếp ở vị trí
tương đối tốt, thấp hơn động cơ xăng khoảng vài phần trăm. Điều này là do sự lắp đặt hệ
thống cung cấp nhiên liệu LPG mới có khả năng phun nhiên liệu với độ chính xác cao.
Mặt khác, hệ thống mới còn dự kiến cả việc cắt nhiên liệu khi giảm tốc độ cho phép giảm
suất tiêu hao nhiên liệu đến mức thấp nhất. Thêm vào đó, nếu LPG giàu propane, chỉ số
octane của nó rất cao nên có thể tăng tỉ số nén động cơ dẫn đến giảm suất tiêu hao nhiên
liệu khoảng 5%.

8.4.2. Mức độ phát ô nhiễm

Ô tô sử dụng LPG phát sinh rất ít ô nhiễm. Đây là đặc điểm rất đáng quan tâm đối
với công tác bảo vệ môi trường.

8.4.2.1. Các chất ô nhiễm thông thường


142

Hình 8.14: So sánh mức độ phát ô nhiễm của ô tô dùng xăng và LPG Bảng 8.3: Mức độ phát ô nhiễm của ô tô sử dụng LPG so với các tiêu chuẩn
khắt khe nhất hiện nay

Chất ô nhiễm Giới hạn cho phép Mức độ phát ô nhiễm
Europe 2000
(g/km)
California
ULEV
(g/mile)
Chu trình
Europe (g/km)
Chu trình
FTP75
(g/mile)
CO 2,30 1,70 0,16 0,14
HC 0,20 0,04 0,031 0,032

Giới hạn Euro 93
Giới hạn Euro 96
Xăng
LPG
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

143 Hình 8.15: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả của ô tô dùng xăng và LPG
Hình 8.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức độ phát sinh ô nhiễm của ô tô 8.4.2.2. Các chất ô nhiễm đặc biệt


(g/km)
CO (g/km)
Diesel
LPG
Xăng
Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

144
xăng. Sự cải thiện nồng độ aldéhydes dù có ít hơn những chất khác nhưng cũng làm giảm
đi 50% so với động cơ xăng.

Một ưu thế đặc biệt của nhiên liệu LPG là không cần pha thêm những chất phụ gia
để làm tăng chỉ số octane nên trong sản phẩm cháy của nó không có chứa những chất độc
như chì.

8.4.3. Viễn ảnh phát triển động cơ 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 ôtô
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 hóa 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