›
›

Giáo trình Ô tô và ô nhiễm - Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí Một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

pdf 34 trang ngocly 1360
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Ô tô và ô nhiễm - Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí Một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_o_to_va_o_nhiem_chuong_8_dong_co_su_dung_nhien_li.pdf

Nội dung text: Giáo trình Ô tô và ô nhiễm - Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí Một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường

  1. ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG Chương 8 NHIÊN LIỆU KHÍ: MỘT GIẢI PHÁP LÀM GIẢM 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 năng 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 (C3-C4). Loại nhiên liệu này được phát triển và thương mại hóa từ những năm 1950. Mấy thập kỉ qua chúng được dùng chủ yếu cho công nghiệp và sinh nhiệt gia dụng. Việc nghiên cứu sử dụng chúng cho động cơ đốt trong trên phương tiện giao thông vận tải đã bắt đầu trong những năm gần đây. Tuy việc áp dụng loại nhiên liệu này trên ô tô cần những thiết bị cồng kềnh hơn nhiên liệu lỏng nhưng nó cho phép giảm được mức độ phát ô nhiễm và đó chính là điểm mà các nhà chế tạo ô tô quan tâm nhất hiện nay. 8.1. Trữ lượng LPG và thị trường tiêu thụ Là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí hóa lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên. Vì vậy, nguồn gốc khí hóa lỏng phụ thuộc vào xuất xứ nhiên liệu. Nói chung trên thế giới có khoảng 40% LPG thu được từ quá trình lọc dầu thô. Sản lượng khí hóa lỏng trên thế giới năm 1995 là 130 triệu tấn, chiếm 2% tổng năng lượng tiêu thụ dưới các dạng khác nhau. Người ta dự kiến trong những năm đầu của thế kỉ 21, tổng sản lượng LPG trên thế giới sẽ đạt khoảng 200 triệu tấn/năm. Phần lớn lượng khí hóa lỏng thu được hiện nay được sử dụng làm nguồn chất đốt để sinh nhiệt gia dụng hay công nghiệp. Lượng khí hóa lỏng làm nhiên liệu cho ô tô đường trường hiện chỉ chiếm một tỉ lệ khiêm tốn: 1% ở Pháp, 3% ở Mỹ, 8% ở Nhật (hình 8.1). Tuy nhiên ở một số nước có chính sách khuyến khích sử dụng LPG làm nhiên 128
  2. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường liệu cho ô tô nhằm mục đích giảm ô nhiễm môi trường thì tỉ lệ này rất đáng kể, chẳng hạn như Hà Lan, Ý (42%) Các số liệu trên chưa kể những động cơ trên các ô tô chuyên dụng sử dụng LPG (chẳng hạn ô tô chạy trong sân bay, xe nâng chuyển, máy móc nông nghiệp ). Nhiên liệu (1%) Công nghiệp (15%) Nông nghiệp (17%) Gia dụng (67%) Pháp (tổng cộng 3Mt/năm) Nông nghiệp (14%) Gia dụng (20%) Nhiên liệu (42%) Công nghiệp (24%) 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 Hàn Quốc 7,6% LPG phụ thuộc vào chủ trương của Nhật 0,7% mỗi quốc gia, đặc biệt là phụ thuộc Mĩ 0,4% vào chính sách bảo vệ môi trường Pháp 0,1% (hình 8.2). Sự khuyến khích sử Ý 4,4% dụng ô tô LPG thể hiện qua chính Hà Lan 8,7% 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. 129
  3. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường n-Penten 0% 0,03% Isopentane 0% 0,06% Buta-1,3-diène 0% LPG California (Z)-but-2-ène LPG Pháp 0% (E)-but-2-ène 1,8% 0% Isobutene+but-1-ène 2,7% 0% n-Butane 6,1% 0,03% Isobutane 28,3% 0,3% Propane 19,6% Propylène 91,3% 31,8% Ethane 1,1% 9,1% Méthane 6,6% 0,4% 0,6% 0% 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 C3 (propane và propylène). Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là hydrocarbure C4, 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 C3 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 130
  4. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Nhiên liệu khí hóa lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng (PCIm) cao, cao hơn cả xăng hay dầu diesel (bảng 8.1). Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó thấp, nhiệt trị riêng theo thể tích (PCI) thấp hơn nhiên liệu lỏng. Bảng 8.1: So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển Thông số đặc trưng Eurosuper Diesel Propane Butane LPG thương thương mại mại Khối lượng riêng (kg/dm3) 0,725- 0,820- 0,51 0,58 0,51-0,58 0.780 0,860 Nhiệt trị thấp PCI - theo khối lượng (MJ/kg) 42,7 42,6 46,0 45,6 45,8 - theo thể tích (MJ/dm3) 32,0 35,8 23,5 26,4 25,0 8.2.3. Chỉ số Octane Nhiên liệu khí hóa lỏng được đặc trưng bởi chỉ số octane nghiên cứu (RON) cao, có thể dễ dàng đạt đến 98. Bảng 8.2 giới thiệu RON của các loại khí khác nhau. Chỉ số octane động cơ (MON) của LPG cũng cao hơn xăng. Bảng 8.2: Chỉ số octane của một số chất Chất RON MON Propane >100 100 Propène 102 85 n-Butane 95 92 Isobutane >100 99 But-1-ène (98) 80 But-2-ène 100 83 8.3. Sử dụng LPG trên ô tô Có hai dạng động cơ sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng hiện nay. Dạng thứ nhất nguyên thủy 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. 8.3.1. Cải tạo hệ thống đánh lửa 131
  5. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Có hai dạng đánh lửa, mỗi dạng có những ưu nhược điểm riêng. 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 động cơ này tương tự động cơ Diesel. 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 Diesel. 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. 8.3.1.3. So sánh hai phương pháp đánh lửa 132
  6. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 Diesel 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 chọn 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. 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 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 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. 133
  7. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 8.3.2.1. Bộ chế hòa khí Có nhiều dạng bộ chế hòa khí dựa trên nguyên tắc ống Venturi. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số dạng chính. 1. Bộ chế hòa khí dạng màng Hình 8.4 thể hiện sơ đồ mặt cắt của một bộ chế hòa 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 khí và 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. Ga Không 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 trước họng ga. Không 134 Vb: Vít chống xoay Ga
  8. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Hình 8.5: Bộ chế hòa khí dạng Hình 8.6 : Họng Venturi vạn năng van modul hóa 3. Họng Venturi vạn năng Họng Venturi vạn năng (hình 8.6) được thiết kế để dùng cho bộ chế hòa 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 hòa khí xăng. - Ở đế chế hòa khí, phía trước bướm ga. Hình 8.7: Tạo hỗn hợp bằng cách dẫn khí ga vào họng bộ chế hòa khí nguyên thủy 4. –ng ga đặt thẳng vào họng Dạng cải tạo này dùng họng Venturi nguyên thủy của động cơ xăng. Ga được một ống dẫn tới vùng chân không của họng (hình 8.7). –ng này có thể dẫn theo đường trục của chế hòa khí hay vuông góc với đường trục bằng cách khoan xuyên qua thành bộ chế hòa 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 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. 135
  9. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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. Bộ giãn nở Bình nhiên liệu LPG Lọc khí Venturie –ng xả xúc tác Cảm biến Phun xăng Máy tính LPG Bộ chuyển xăng/LPG 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 Hình 8.9: Cung cấp ga bằng soupape ga 136
  10. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 (hình 8.9). Soupape này có thể điều khiển bởi một cánh tay đòn hay bởi một xi lanh thủy 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. 8.3.2.3. 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 từng cylindre (phun riêng rẽ). Áp suất nhiên liệu trước vòi phun của hai kiểu phun này đều 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 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 Bộ vi xử lý đối với xăng đối với LPG Cảm biến oxy Vòi phun xăng –ng xả xúc tác Vòi phun Lọc gió Hòi lưu LPG LPG Bình chứa LPG Bơm Điều hòa áp suất 137
  11. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Hình 8.10: 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. 8.3.3. 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 thủy được thiết kế để dùng 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 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 chế 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 rất nhiều vì đa số xe tải dùng động cơ Diesel. 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. 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 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 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 thời 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 138
  12. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 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 nở và hệ thống điều ch ỉnh lượ ng nhiên liệu Hình 8.11: Bộ bốc hơi-giãn nở điện tử thông qua các thông tin cần thiết để điềuch8.3.3.2.ỉnh lượ Bìnhng xă chngứa nhiên liệu Hình 8.12: Các dạng bình chứa nhiên liệu LPG Nhiên liệu LPG trên ô tô thường được nén trong bình chứa dưới áp suất khoảng 10 bar. Bình chứa nhiên liệu khí thường có dạng trụ và hai đầu hình bán cầu. Đôi khi bình chứa cũng có dạng hình xuyến (hình 8.12). Dạng bình chứa này giống hệt bánh xe, thường được sử dụng đối với động cơ lưỡng nhiên liệu vì nó có thể đặt vào không gian của bánh xe dự trữ. 139
  13. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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. Đầu nối để nạp LPG Bộ chuyển xăng/LPG Đồng hồ xăng/LPG Hỗn hợp không khí-gas Bộ giãn nở-bốc hơi Bình chứa LPG Đường nạp LPG Bộ vi xử lý LPG Cảm biến lambda Hình 8.13: Bố trí các hệ thống trên ô tô LPG 8.4. Tổng hợp kinh nghiệm về ô tô dùng LPG Sử dụng LPG làm nhiên liệu cho động cơ nói chung là rất có lợi không những về tính kinh tế mà còn làm giảm rất rõ rệt mức độ ô nhiễm môi trường so với động cơ sử dụng nhiên liệu cổ điển (xăng, diesel). 8.4.1. Tính năng của ô tô LPG Tính năng của động cơ LPG thường được so sánh với động cơ xăng cùng cỡ. 8.4.1.1. Momen, công suất Trước đây động cơ dùng LPG có momen, công suất thấp hơn động cơ xăng cùng cỡ do phun nhiên liệu khí vào đường nạp qua họng Venturi làm giảm hệ số nạp động cơ. Tuy nhiên, trên những động cơ LPG hiện đại, nhiên liệu khí được phun trực tiếp ở dạng lỏng, nên chúng có tính năng kinh tế-kĩ thuật tương đương với động cơ xăng. Thật vậy, so sánh nhiệt trị thể tích của hỗn hợp không khí-xăng và không khí-LPG (ở độ đậm đặc bằng 1) cho thấy xăng cho giá trị cao hơn 3%. Tuy nhiên, không phải chỉ có nhiên liệu gây ra sự khác biệt về momen và công suất động cơ mà các đặc trưng của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cũng gây ảnh hưởng đáng kể. Chẳng hạn khi LPG được phun dưới dạng lỏng, sự 140
  14. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 Như được giới thiệu trên hình 8.14, sự phát sinh ô nhiễm trong khí xả động cơ LPG giảm đi rất đáng kể so với động cơ xăng. Bảng 8.3 cho thấy một ô tô sử dụng LPG thõa mãn một cách dễ dàng tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu 2000 và tiêu chuẩn California ULEV (ô tô phát ô nhiễm cực thấp). Nổi bật nhất là mức độ giảm CO. Điều này một mặt là do tỉ số H/C đối với LPG cao hơn xăng mặt khác do hỗn hợp được hòa trộn đồng đều hơn khi động cơ sử dụng LPG. Mức độ giảm NOx cũng quan trọng, đặc biệt là khi động cơ hoạt động ở khu vực gần đầy tải do nhiệt độ màng lửa nhiên liệu khí thấp hơn màng lửa xăng. Còn mức độ phát sinh HC thấp chủ yếu là do LPG bay hơi rất dễ dàng (không có lớp nhiên liệu lỏng trên đường nạp), lượng nhiên liệu lỏng bám trên thành buồng cháy thấp và lượng nhiên liệu hấp thụ bởi lớp dầu bôi trơn bé. Chúng ta cũng thấy trên hình 8.15 rằng HC trong khí xả chủ yếu là sản phẩm nhẹ (C1-C4) ít độc hơn hydrocabure nặng trong khí xả động cơ xăng hay Diesel. 141
  15. NOx (g/km) Xăng 1,0 LPG 0,8 Giới hạn Euro 93 Ch0,6ương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 0,4 Giới hạn Euro 96 0,2 HC (g/km) 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1 2 3 CO (g/km) 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 California Chu trình Chu trình (g/km) ULEV Europe (g/km) FTP75 (g/mile) (g/mile) CO 2,30 1,70 0,16 0,14 HC 0,20 0,04 0,031 0,032 NOx 0,15 0,20 0,02 0,065 Quá trình thử theo tiêu chuẩn không hoàn toàn thích hợp với điều kiện vận hành trong thực tế vì nhiệt độ môi trường có thể gây ảnh hưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ. Tuy nhiên, đối với động cơ LPG ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường không đáng kể (hình 8.16). Kết quả này làm tăng thêm ưu điểm của động cơ LPG về mặt phát sinh ô nhiễm, đặc biệt đối với dự luật về ô nhiễm môi trường khi động cơ làm việc ở nhiệt độ nạp thấp. 142
  16. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường Hình 8.15: So sánh thành phần hydrocarbure trong khí xả của ô tô dùng xăng và LPG HC+NO (g/km) x 1,2 -7°C -15°C Euro 93 0,97 -7°C 0,8 22°C 0°C 0,5 Euro 96 7°C Diesel 0,4 -7°C 14°C LPG 22°C Xăng 22°C CO (g/km) 2,2 2,72 5 10 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 Nói chung, các chất ô nhiễm đặc biệt trong khí xả động cơ sử dụng LPG rất thấp. Những chất độc là những chất có nguồn gốc benzène. Mức độ phát sinh của chúng trong khí xả khoảng 0,1mg/dặm đối với động cơ LPG. Trong khi đó đối với động cơ xăng, mức độ phát sinh là 8mg/dặm. Nồng độ buta-1,3-diène cũng thấp, 10 lần thấp hơn động cơ 143
  17. Chương 8: Động cơ sử dụng nhiên liệu khí: một giải pháp làm giảm ô nhiễm môi trường 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 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 8.17 giới thiệu một trạm cung cấp LPG cho ô tô ở Pháp. Hình 8.17: Một trạm cung cấp LPG cho ô tô ở Pháp 144
  18. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương 9 ĐỘNG CƠ Ô TÔ NHẰM LÀM GIẢM Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Để đáp ứng với yêu cầu của luật bảo vệ môi trường ngày càng trở nên khắt khe, các nhà chế tạo ô tô đã không ngừng cải tiến sản phẩm của mình. Những tiến bộ mới đây trong lĩnh vực tổ chức quá trình phun nhiên liệu nhờ ứng dụng thành tựu của kĩ thuật điều khiển cũng như sử dụng các loại nhiên liệu khí để chạy động cơ đã tạo ra một viễn ảnh khá lạc quan cho sự phát triển động cơ nhiệt truyền thống. Trong chương này, chúng ta sẽ đề cập đến các xu hướng hoàn thiện động cơ đốt trong lắp trên các phương tiện giao thông vận tải. 9.1. Cải thiện tính năng của động cơ truyền thống 9.1.1. Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết Động cơ này được phát triển để bảo đảm tính hiệu quả của việc xử lí khí xả bằng bộ xúc tác 3 chức năng. Trong nhiều năm qua, loại động cơ này chưa có những cải tiến gì đáng kể. Các cải tiến hiện nay tập trung vào việc nâng cao tính kinh tế và giảm thời gian khởi động của bộ xúc tác. 9.1.1.1 Cải thiện hiệu suất Hiệu suất thực tế mà động cơ đạt được hiện nay còn cách xa so với hiệu suất lí thuyết mà nó đạt được khi làm việc trong điều kiện khí trời. Kĩ thuật nâng cao hiệu suất được quan tâm hiện nay là giảm tổn thất bơm trong chu trình công tác và giảm tổn thất nhiệt ở tải cục bộ nhờ hồi lưu khí xả. Kĩ thuật này đồng thời cũng góp phần làm giảm NOx và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lí khí xả bằng bộ xúc tác. Sự khác biệt giữa các kĩ thuật này thể hiện ở cách thức nạp khí xả hồi lưu. Chẳng hạn theo phương pháp Ricardo, khí mới nạp vào động cơ được thực hiện nhờ hai ống dẫn khác nhau: một ống dẫn không khí giống như ống nạp truyền thống và ống còn lại, có độ tiết lưu thay đổi theo điều kiện làm việc, dẫn hỗn hợp không khí và khí xả hồi lưu. Sự phân lớp khí nạp như vậy cần thiết trong trường hợp tỉ lệ khí xả hồi lưu cao. Hệ thống vừa mô tả có thể làm tăng hiệu suất khoảng từ 6÷8% đối với động cơ làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết. Sự phát sinh NOx ở nguồn, nghĩa là trước khi 165
  19. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường vào ống xả xúc tác, giảm từ 85÷90% nhưng nồng độ HC gia tăng khoảng 10%. Điều này không gây khó khăn gì trong việc xử lí khi bộ xúc tác làm việc bình thường. Một hệ động cơ khác ngày nay đang được nghiên cứu áp dụng, đó là động cơ làm việc theo chu trình Miller. Khác với chu trình Beau de Rochas, ở động cơ này hành trình nạp và nén khác với hành trình giãn nở và thải. Thực ra chỉ có quá trình nạp và nén được thực hiện khác với động cơ truyền thống: soupape nạp đóng trước ĐCD khi piston đi xuống. Kết quả là tỉ số nén thực bị giảm nhưng điều đó không gây ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình nhiệt của động cơ vì hiệu suất của chu trình bị ảnh hưởng chủ yếu bởi tỉ số giãn nở của khí cháy. Sử dụng chu trình Miller cho phép giảm tổn thất bơm. Bướm ga trở nên không cần thiết vì thời gian mở soupape nạp quyết định lượng khí nạp vào cylindre. Hãng Mazda từ năm 1993 đã thương mại hóa ô tô trang bị động cơ làm việc theo chu trình này. Động cơ Mazda làm việc theo chu trình Miller có tỉ số nén và giãn nở khác nhau, nhưng soupape nạp đóng sau ĐCD chứ không phải trước ĐCD như chu trình Miller cổ điển. Thêm vào đó, sự định lượng khí nạp mới cũng được thực hiện nhờ bướm ga. Mặt khác động cơ cũng được trang hệ thống tăng áp và hệ thống làm mát trung gian khí nạp. Việc áp dụng các hệ thống này cho phép nâng cao tính năng của động cơ dù tỉ số nén thực tế bé. Thêm vào đó, việc sử dụng hệ thống tăng áp hạn chế được hiện tượng quay ngược khí ga vào đường nạp. So với động cơ cổ điển có cùng dung tích cylindre, động cơ Mazda có công suất và momen cao gấp 1,5 lần và suất tiêu hao nhiên liệu giảm từ 10 đến 15%. Một phương án khác nhằm cải thiện hiệu suất động cơ là cho ngưng hoạt động của soupape nạp và xả của một vài cylindre khi động cơ làm việc ở chế độ tải cục bộ và tốc độ thấp. Lợi ích chủ yếu của giải pháp này là giảm vùng áp suất thấp của chu trình. Khi đó một vài cylindre không hoạt động còn các cylindre khác hoạt động ở tải lớn hơn so với khi nó làm việc theo phương pháp phối khí cổ điển. Kết quả là tổn thất bơm giảm. Kĩ thuật này làm giảm ma sát động cơ và cải thiện được quá trình cháy trong trường hợp tải rất thấp. Hãng Mitsubishi từ năm 1994 đã phát triển hệ thống này. Hệ thống có tên gọi là MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control). Ngoài việc cho ngừng họat động một số soupape ở tải thấp, hệ thống này còn được trang bị thêm một hệ thống điều chỉnh góc phối khí và độ nâng soupape. Động cơ trang bị hệ thống MIVEC cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu đến 30% ở chế độ không tải và giảm hơn 15% khi thử theo chu trình tiêu chuẩn của Nhật. Công suất và momen của động cơ có thể cao hơn 15% so với động cơ cổ điển. Kĩ thuật điều chỉnh góc độ phối khí theo tải động cơ cũng là hướng nghiên cứu được nhiều nhà chế tạo quan tâm. Thường hướng lựa chọn thiên về việc làm giảm đến mức thấp nhất khoảng trùng điệp của các soupape ở chế độ tải thấp để làm giảm lượng khí sót trong cylindre và cải thiện quá trình cháy. Trong trường hợp tải lớn, góc độ trùng điệp của các soupape phải tăng lên để tạo điều kiện thuận lợi cho việc nạp đầy cylindre nghĩa là 166
  20. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường cải thiện hệ số nạp và từ đó làm tăng hiệu suất động cơ. Mặt khác, sự modul hóa khoảng trùng điệp của soupape cho phép làm giảm mức độ phát sinh HC và NOx. Trong thực tế, người ta có thể phối hợp giữa việc điều chỉnh góc độ phối khí với sự thay đổi luật nâng soupape. Nhìn chung, độ nâng của soupape ở chế độ tốc độ thấp nhỏ hơn độ nâng ở chế độ tốc độ cao. Hệ thống này đã được hãng Honda phát triển với tên gọi là VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control). Nó được trang bị trên động cơ có 4 soupape cho mỗi cylindre. Mỗi soupape mở theo một một luật riêng phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ. 9.1.1.2. Gia tốc quá trình khởi động bộ xúc tác Các bộ xúc tác 3 chức năng hiện nay được lắp đặt trên ô tô chỉ hoạt động hiệu quả sau khi động cơ đã làm việc khoảng 2-3 phút. Thường sau khoảng thời gian này bộ xúc tác mới đạt được nhiệt độ khởi động. Để gia tốc giai đoạn sấy, người ta có thể đặt ống xúc tác gần động cơ nhưng điều này không phù hợp khi động cơ làm việc ở tải cao. Vì vậy, người ta nghiên cứu những giải pháp khác phức tạp hơn. Một trong những giải pháp đó là lắp đặt ở trước bộ xúc tác chính một bộ xúc tác khởi động. Bộ xúc tác khởi động này có đặc điểm là nhiệt dung thấp và khởi động nhanh do đó nó cho phép xử lí khí xả ngay sau khi khởi động động cơ. Ngoài ra người ta cũng áp dụng một số những kĩ thuật khác như: - Sấy bộ xúc tác bằng điện: Bộ xúc tác này cho phép xử lí triệt để khí xả để đạt được tiêu chuẩn ULEV. Việc sấy thường được thực hiện ở bộ xúc tác khởi động. Công suất điện (cũng chính là năng lượng cần thiết) để gia tốc việc khử các chất ô nhiễm tới một giới hạn cho trước trong trường hợp đó thấp hơn là trong trường hợp sấy trực tiếp bộ xúc tác chính. Trong trường hợp cụ thể người ta sử dụng bộ sấy có công suất điện khoảng 1kW tiêu thụ chưa đầy 4Wh để đảm bảo khí xả động cơ thỏa mãn tiêu chuẩn ULEV. Các giá trị năng lượng tiêu tốn này sẽ tăng lên ít nhất 2 lần khi bộ sấy đặt ngay ở ống xúc tác chính. - Sấy bằng nhiệt do đốt nhiên liệu: năng lượng tỏa ra có thể do đốt cháy bộ phận nhiên liệu còn sót hoặc lượng nhiên liệu phun vào khí xả (hình 9.1). Cả 2 trường hợp đều cần phải cấp thêm một lượng không khí phụ vào ống xả để đảm bảo đốt cháy lượng nhiên liệu này. Hình 9.2 giới thiệu một ví dụ về giảm ô nhiễm nhờ sấy bộ xúc tác. Không khí thứ cấp Nhiên liệu –ng xả Động cơ Vòi đốt B167ộ xúc tác
  21. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường Hình 9.1: Gia nhiệt bộ xúc tác bằng vòi đốt nhiên liệu Mức độ ô nhiễm khi động cơ hoạt động với bộ xúc tác cũ Sãy điện 3,5kW Sãy bằng đốt nhiên liệu còn lại trong khí xả (15kW) Sãy bằng vòi đốt nhiên liệu trên đường xả (15kW) Hình 9.2: Hiệu quả xử lí khí xả nhờ sấMy bứộc độxúc ô tác nhi ễm (giá trị tương đối) - Phun không khí: Việc phun không khí được thực hiện ngay sau soupape xả bắt đầu khi khởi động động cơ. Giải pháp này cho phép điều chỉnh thành phần khí xả phù hợp với điều kiện xử lí tối ưu bằng bộ xúc tác ba chức năng, đồng thời nó cũng tạo điều kiện oxy hóa trước CO và HC góp phần làm tăng nhiệt độ bộ xúc tác. - Lưu giữ tạm thời HC: Việc lưu giữ tạm thời HC trong khí xả được thực hiện ở bộ hấp thụ (hình 9.3). Hệ thống này có thể đi kèm với bộ xúc tác khởi động. ‘Bẫy’ chứa than hoạt tính Động cơ Van điều khiển Bộ xúc tác Bộ xúc tác ba khởi động chức năng Hình 9.3: Hệ thống xúc tác có thêm bộ lưu giữ tạm thời HC Hiện nay các nhà chế tạo đang tiếp tục nghiên cứu các hệ thống này để có thể phát triển áp dụng trong những năm tới. Mặc dù chúng cần có một hệ thống điều khiển phức tạp và đắt tiền nhưng mang lại hiệu quả rất cao trong xử lí khí xả. 9.1.1.3. Động cơ đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp, 168
  22. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường làm việc với hỗn hợp nghèo Loại động cơ này cho phép nâng cao hiệu suất bằng cách cho động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo. Việc thiết kế chế tạo động cơ này rất phức tạp nên cho tới nay chúng vẫn chưa được áp dụng rộng rãi (chủ yếu áp dụng ở Nhật). Tuy nhiên do tính ưu việt của chúng về nhiều mặt, các nhà chế tạo đang khẩn trương nghiên cứu phát triển loại động cơ này. Nến đánh lửa Vòi phun nhiên liệu Không khí Các ống tách dòng đường nạp Đầu piston định hình Hỗn hợp rất đậm Hình 9.4: Tạo hỗn hợp ở tải thấp của động cơ Mitsubishi Động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo thế hệ đầu tiên được chế tạo dựa trên việc tối ưu hóa sự đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu cũng như sự phân bố nhiên liệu trong buồng cháy. Nhờ vậy, quá trình cháy trong các loại động cơ này được tiến hành một cách bình thường với độ đậm đặc của hỗn hợp thấp hơn so với động cơ cổ điển khoảng (f=0,7 - 0,8). Suất tiêu hao nhiên liệu (g/kWh) f = 1 Mức độ phát sinh NOx (g/kWh) f điều chỉnh 169 Giới hạn ổn định
  23. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường Hình 9.5: Ảnh hưởng của độ đậm đặc đến suất tiêu hao nhiên liệu và mức độ phát sinh NOx của động cơ Honda VTEC Động cơ làm việc với hỗn hợp phân lớp cho phép nâng cao thêm hiệu suất công tác. Việc thiết kế chế tạo loại động cơ này rất được quan tâm hiện nay. Kĩ thuật động cơ làm việc với hỗn hợp phân lớp dựa trên việc tạo ra trong buồng cháy một hỗn hợp đậm đặc cục bộ (gần nếu đánh lửa) đủ để khởi động và đảm bảo sự lan tràn màng lửa phù hợp trong điều kiện thành phần hỗn hợp có độ đậm đặc thấp nhất. Hiện nay, hỗn hợp phân lớp chỉ dùng khi động cơ làm việc ở tải thấp; khi động cơ làm việc với tải cao, động cơ sử hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết. 9.1.2. Động cơ Diesel Động cơ Diesel cũng sẽ được tiếp tục cải tiến để nâng cao hiệu suất dù hiện nay nó đã có nhiều ưu điểm về mặt này. Về phương diện hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Diesel, các giải pháp kĩ thuật nói chung vẫn còn ở trong giai đoạn thí nghiệm. Cho tới những năm cuối của thập niên 1990, các kĩ thuật này vẫn còn áp dụng rất hạn chế vì nó đắt tiền và làm việc chưa thật đáng tin cậy. Các giải pháp đó là: . Bộ xúc tác giảm NOx . Lọc bồ hóng Việc áp dụng bộ xúc tác oxy hóa trên động cơ Diesel không vấp phải trở ngại gì đặc biệt. Chỉ có điều cần chú ý là hiệu quả của nó cao khi hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu thấp. Kĩ thuật xúc tác loại trừ NOx đang được phát triển. Việc ứng dụng kĩ thuật này đặt ra một số vấn đề về kĩ thuật, đặc biệt là vấn đề làm việc ổn định của bộ xúc tác theo thời gian. Mặt khác, bộ xúc tác loại trừ NOx đòi hỏi nhiên liệu không được chứa lưu huỳnh. Tuy hiện nay hiệu quả của nó thấp hơn bộ xúc tác 3 chức năng nhưng người ta có thể lạc quan tin rằng kĩ thuật này sẽ được áp dụng trong một tương lai gần. Kĩ thuật lọc bồ hóng có nhiều hứa hẹn sẽ được áp dụng trên ô tô du lịch cũng như ô tô vận tải. Tuy nhiên, việc áp dụng kĩ thuật này đòi hỏi những tiến bộ cả về lõi lọc lần kĩ thuật tái sinh lọc (xem chương 7). 170
  24. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường Đối với xe bus hoạt động trong thành phố, vùng nhạy cảm đối với vấn đề ô nhiễm, việc trang bị hệ thống lọc bồ hóng là cần thiết cho dù giá thành của nó còn cao, nếu không, những nguồn năng lượng cạnh tranh (khí, điện) sẽ làm mất đi vị trí độc tôn của động cơ Diesel lắp trên chủng loại ô tô này. Về phương diện hiệu suất, động cơ Diesel phun trực tiếp có suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn động cơ phun gián tiếp khoảng 15%. Ưu điểm này chắc chắn sẽ được khai thác triệt để trong quá trình phát triển của loại động cơ Diesel. Đồng thời, trong tương lai gần đây, nó cũng thừa hưởng những tiến bộ mới về động cơ Diesel nói chung hiện đang được nghiên cứu và phát triển. Sau đây chúng ta sẽ đề cập đến một vài tiến bộ có thể được áp dụng. Những tiến bộ này đặc biệt liên quan đến động cơ Diesel lắp trên xe du lịch nhưng chúng cũng có thể được áp dụng đối với ô tô tải. Các nghiên cứu cải thiện động cơ Diesel trước hết liên quan đến việc hoàn thiện kĩ thuật phun, đặc biệt là việc áp dụng kĩ thuật phun điều khiển điện tử cho phép nâng cao momen và công suất, giảm ồn, giảm ô nhiễm Các cải tiến này sẽ liên quan chủ yếu đến áp suất phun, dạng quy luật phun và độ chính xác của lượng nhiên liệu phun. Mức độ phát sinh bồ hóng (tương đối) Áp suất phun Mức độ phát sinh Hình 9.6: Ảnh hưởng của áp suất phun đến quanNOx hệ NO (tươx/bngồ hóng đối) Một ví dụ điển hình về các kĩ thuật phun mới là sự phát triển hệ thống ‘ray chung’ (common-rail). Trong hệ thống này, áp suất phun có thể được modun hóa một cách tùy ý theo tải và theo tốc độ động cơ. Nói chung, áp suất phun trong trường hợp này cao hơn nhiều so với áp suất phun trong hệ thống cổ điển, nhất là khi đầy tải và tốc độ cao. Theo kĩ thuật này, nhiên liệu được phun với áp suất cao trong thời gian ngắn. Điều này cho phép hạn chế sự phát sinh hạt bồ hóng nhưng lại làm gia tăng lượng NOx. 171
  25. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường Khi động cơ làm việc ở chế độ tốc độ thấp và tải cục bộ, có hai xu hướng nghiên cứu. Hướng phổ biến nhất là ưu tiên cho hiệu suất cao; nhiên liệu được phun dưới áp suất rất cao làm tăng momen của động cơ so với động cơ cùng cỡ sử dụng hệ thống phun cổ điển. Hướng thứ hai là giảm mạnh áp suất phun khi động cơ làm việc ở các chế độ này để làm giảm sự phát sinh NOx. Nói chung sự tối ưu giữa nồng độ NOx và bồ hóng luôn luôn có lợi khi áp suất phun cao (hình 9.6). Việc sử dụng hệ thống ‘ray chung’ cũng thuận lợi cho việc lắp đặt hệ thống phun mồi. Sự phun trước một lượng nhỏ nhiên liệu sẽ làm giảm tốc độ tỏa nhiệt ban đầu do giảm lượng nhiên liệu cung cấp vào buồng cháy trong giai đoạn cháy trễ. Kết quả là nồng độ NOx và tiếng ồn giảm đi đáng kể mà không làm tăng lượng bồ hóng. Tính mềm dẻo rất lớn của hệ thống phun mới này kết hợp với hệ thống hồi lưu khí xả cho phép đạt được tỉ lệ tối ưu nhất giữa nồng độ NOx và bồ hóng ở mọi chế độ làm việc đồng thời nó cũng giúp cải thiện tính năng kinh tế-kĩ thuật của động cơ. Tuy nhiên, do tính phức tạp nên hệ thống này hiện nay vẫn chưa được áp dụng rộng rãi. Sự gia tăng số lượng soupape ở mỗi cylindre cũng như sử dụng hệ thống tăng áp làm tăng lượng không khí nạp cho mỗi chu trình, đó là những biện pháp làm tăng công suất và momen của động cơ. Việc áp dụng kĩ thuật hồi lưu khí xả khi động cơ làm việc ở tải cục bộ sẽ được áp dụng rộng rãi trên động cơ của các chủng loại ô tô khác nhau để làm giảm NOx nhằm thỏa mãn các quy định của luật môi trường. Cuối cùng, kĩ thuật điều khiển điện tử các đối với sự hoạt động của các hệ thống động cơ (hệ thống phun, hệ thống hồi lưu khí xả ) sẽ thay thế kỹ thuật điều khiển cơ khí nhằm làm tăng độ nhạy và tính mềm dẻo của các hệ thống. Các tiến bộ kĩ thuật vừa nêu không chỉ liên quan duy nhất đến động cơ Diesel phun trực tiếp mà phần lớn những kĩ thuật này cũng có thể được áp dụng đối với động cơ có buồng cháy dự bị và phun gián tiếp. Vì vậy, động cơ phun gián tiếp cũng sẽ được tiếp tục cải tiến trong tương lai. 9.2. Các kĩ thuật mới đối với động cơ 2 kì Chúng ta sẽ khảo sát sau đây những kĩ thuật đang được nghiên cứu mạnh mẽ ngày nay nhằm nâng cao tính năng kinh tế-kĩ thuật và giảm mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ xăng 2 kì để có thể sử dụng chúng trên ô tô. Động cơ 2 kì ngày nay được dùng phổ biến trên xe máy, tàu thể thao, các động cơ gia dụng (máy cắt cỏ, máy cày ). Trong các lĩnh vực này, động cơ 2 kì có thế mạnh rõ rệt về công suất riêng và sự gọn nhẹ. Tuy nhiên loại động cơ này có nhược điểm là hiệu suất thấp và mức độ phát sinh ô nhiễm cao, đặc biệt là CO, HC. 172
  26. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường Những nghiên cứu được thực hiện trong những năm gần đây để cải thiện động cơ 2 kì, đặc biệt là kĩ thuật phun trực tiếp nhiên liệu, đã cho phép nâng cao tính năng động cơ không những cho các mục đích sử dụng truyền thống (mô tô, máy móc gia dụng, hàng hải) mà còn được phát triển để sử dụng trên ô tô. 1. Tóm tắt nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì đánh lửa cưỡng bức Động cơ 2 kì cổ điển thường sử dụng hỗn hợp được chuẩn bị từ bên ngoài động cơ nhờ bộ chế hòa khí. Chu trình công tác bao gồm các quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở và thải. Tất cả các quá trình này chỉ thực hiện trong 1 vòng quay trục khuỷu thay vì 2 vòng như ở động cơ 4 kì. Hình 9.7 trình bày tóm tắt sơ đồ nguyên lí làm việc của động cơ 2 kì nén khí nhờ carter. Kĩ thuật này hiện nay thường được dùng nhất trên động cơ cỡ nhỏ. Nạp 1. Nén trong cylindre và nạp vào 2. Cháy và dãn nở Thải Thải Đường thông 4. Thải và nén Hình3. Th 9.7:ải, Nguyênquét khí lí làm việc của dộng cơ 2 kì Cylindre động cơ có 3 cửa, được gọi là cửa nạp, cửa thải và cửa quét. Đó là những lỗ có kích thước chuẩn giữ vai trò tương tự như các soupape ở động cơ 4 kì. Khi piston chuyển động lên xuống, các lỗ đó sẽ đóng mở theo quy luật định trước. Mặt khác, hỗn hợp 173
  27. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường nhiên liệu không khí trước khi đưa vào cylindre được chuyển vào carter nhờ độ chân không tạo ra khi piston đi lên. Chu trình làm việc của động cơ bao gồm các giai đoạn sau: . Piston đi lên, nén hỗn hợp và nạp hỗn hợp nhiên liệu không khí mới vào carter. . Cháy, giãn nở và thải. . Cuối kì giản nỡ, cửa quét mở, hỗn hợp khí mới từ carter đi vào cylindre và đẩy khí cháy ra ngoài. Đây là giai đoạn quét khí mà sự hoàn thiện của nó quyết định tính năng kinh tế-kĩ thuật của động cơ 2 kì. . Đóng cửa quét và thải sau đó bắt đầu lại kì nén. 2. Các thành tựu mới trong nghiên cứu động cơ 2 kì Động cơ 2 kì thế hệ mới sử dụng kĩ thuật phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy. Kĩ thuật này cho phép hạn chế sự thất thoát nhiên liệu ra ngoài theo theo khí xả trong giai đoạn quét khí do đó, một mặt làm tăng tính kinh tế của động cơ và mặt khác, làm giảm nồng độ HC trong khí xả. Vòi phun áp suất thấp thông thường Cân bằng nhờ trục cam IAPAC Thể tích chứa khí nén Soupape IAPAC Nến đánh lửa Đường chuyển khí với tiết diện thay đổi Làm mát Đường thải Van một chiều Piston có bản phản xạ Hình 9.8: Động cơ 2 kì IAPAC lắp trên ô tô Momen cực đại (Nm) 135-2000 v/phút Tiêu hao nhiên liệu (l/100km) Động cơ 4 kì (4 xy lanh, 1360cm3) Hình 9.9: So sánh hai ô tô có cùng Độcôngng sucơấ IAPACt khi sử 2d ụkìng (3 độ xyng lanh, cơ 2 1230cm kì IAPAC3) và động cơ 4 kì Hai kĩ thuật mới đang được quan tâm nhất: 174
  28. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường . Phun nhiên liệu lỏng dưới áp suất cao được các nhà chế tạo ô tô PSA và Renault (Pháp), Chrysler (Mỹ), Subaru (Nhật) đặc biệt quan tâm. . Phun nhiên liệu bằng khí nén được Hãng Orbital (Úc) và Viện Quốc gia Dầu mỏ Pháp IFP nghiên cứu. Kĩ thuật phun nhiên liệu bằng không khí nén được tóm tắt như sau: Nhiên liệu được dẫn tới ngay trước soupape bởi một vòi phun cổ điển dạng áp suất thấp (hình 9.8). Trong giai đoạn mở soupape, một hỗn hợp giàu không khí nhiên liệu được phun rất tơi trực tiếp vào buồng cháy dưới áp suất thấp. Sự phun nhiên liệu bằng khí nén cho phép đạt được tia phun với những hạt nhiên liệu rất bé và được phân bố hợp lí trong buồng cháy. Sự phun nhiên iệu bằng khí nén có thể được thực hiện một cách độc lập so với kì quét khí. Điều này cho phép hạn chế tối đa sự lọt nhiên liệu theo khí xả. Khí thải động cơ 2 kì thế hệ mới chứa ít NOx do sự kết hợp của nhiều yếu tố khác nhau. Trước hết, động cơ 2 kì không bị cường hóa như động cơ 4 kì cùng công suất. Mặt khác, những thành tựu mới đang được phát triển cho phép động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo và cho phép hồi lưu một bộ phận khí xả lớn hơn. Vì vậy, chỉ cần sử dụng bộ xúc tác oxy hóa cũng đủ để đạt được mức độ ô nhiễm (CO, HC, NOx) trong giới hạn cho phép dự kiến áp dụng vào năm 2000. Hình 9.9 so sánh mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ 4 kì và động cơ 2 kì hiện đại (IAPAC) (Injection Assistée Par Air Comprimé). Kết quả này cho thấy động cơ 2 kì mới này có tính ưu việt đáng kể về mức độ phát sinh ô nhiễm (CO, HC, NOx). Mặt khác việc sử dụng động cơ này trên ô tô còn cho phép giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 17% và tăng momen lên khoảng 20% ở tốc độ thấp và trung bình so với động cơ 4 kì. Nói chung động cơ 2 kì thế hệ mới thỏa mãn được những quy định khắt khe nhất của luật môi trường hiện nay và từ năm 1994 người ta đã chế tạo được những động cơ 2 kì thỏa mãn được tiêu chuẩn ULEV. Tuy nhiên động cơ 2 kì còn cần phải vượt qua những chướng ngại khác để qua mặt các loại động cơ cạnh tranh với nó. Trước hết là giảm tiếng ồn và sau đó là giải quyết vấn đề bôi trơn cho động cơ. Giải quyết triệt để các vấn đề này sẽ làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của động cơ 2 kì trên các phương tiện vận tải. 3. Tương lai của động cơ 2 kì: Cho tới nay, việc áp dụng động cơ 2 kì trên ô tô vẫn còn đang ở bước chờ đợi nhưng trên mô tô, chắc chắn rằng kĩ thuật động cơ 2 kì cổ điển sẽ được thay thế bởi kĩ thuật phun trực tiếp. Những mô tô hai kì thế hệ mới này chắc chắn sẽ chiếm lĩnh những thị trường đầy tiềm năng như Đông nam Á, Trung Quốc. Ở một số quốc gia trong khu vực này, số lượng xe máy tăng hơn 10% mỗi năm và chúng tiêu thụ hơn 50% lượng nhiên liệu sử dụng trong nước. Các động cơ hai kì kiểu cũ lắp trên mô tô thải ra khí trời từ 30-40% lượng nhiên liệu nạp vào buồng cháy. Thông thường mô tô nhỏ tiêu thụ từ 2 đến 4 lít trên 100km. Mức tiêu thụ này không khác mấy so với ô tô hiện đại công suất nhỏ. Tuy nhiên nếu dùng động cơ 2 kì thế hệ mới suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm từ 30 đến 50%. 175
  29. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường 9.3. Động cơ 4 kì đánh lửa cưỡng bức phun trực tiếp Phun trực tiếp nhiên liệu vào trong buồng cháy cho phép động cơ 4 kì đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp rất nghèo (φ = 0,3 - 0,4). Tổn thất áp suất trên đường nạp rất bé, có khi thể bỏ qua trong toàn bộ phạm vi hoạt động của động cơ từ không tải đến toàn tải. Ngoài việc giảm tổn thất bơm, việc áp dụng kĩ thuật phun trực tiếp cho phép tăng độ chính xác trong việc định lượng nhiên liệu và cải thiện điều kiện cháy ở chế độ tải thấp. Nói chung, kĩ thuật này cho phép làm tăng hiệu suất động cơ. Giống như đối với động cơ phun gián tiếp, quá trình cháy của hỗn hợp nghèo chỉ được quan tâm khi động cơ làm việc ở tải cục bộ và tốc độ thấp. Trong những điều kiện đó sự phân lớp mạnh độ đậm đặc cho phép động cơ làm việc tốt ở hỗn hợp rất nghèo. Điều này được thực hiện nhờ giảm góc phun sớm (khi piston đi lên) do đó hạn chế sự khuếch tán của không khí vào tia nhiên liệu. Ở chế độ đầy tải và tốc độ cao, nhiên liệu được phun vào buồng cháy rất sớm, ngay trong giai đoạn nạp sao cho hỗn hợp nhiên liệu không khí với độ đậm đặc φ = 1 có thời gian phân bố đồng đều trong không gian buồng cháy. Bướm khống chế Bướm khống chế mức độ xoáy lốc mức độ xoáy lốc ở trạng thái đóng ở trạng thái mở Tải thấp và tải trung Tải lớn bình (phun trễ) Hình 9.10: Nguyên lí làm việc của động cơ Toyota D-4 Năm 1996, hãng Mitshubishi đã thương mại hóa ô tô lắp động cơ phun xăng trực tiếp. Động cơ này có đặc điểm là dạng đường nạp được thiết kế đặc biệt, vị trí lắp đặt hợp lí phối hợp với mặt phản xạ trên đỉnh piston, tạo thuận lợi cho sự phân lớp độ đậm đặc theo sự chuyển động của dòng khí. Nhiên liệu được phun với áp suất cao (50bar). Sự bay hơi nhiên liệu lỏng dẫn đến giảm nhiệt độ khí nạp do đó có thể sử dụng tỉ số nén của động cơ cao hơn so với động cơ cổ điển (có thể nâng tỉ số nến lên đến 12). Do đó, hiệu suất động cơ gia tăng và suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm đến 25%. 176
  30. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường Người ta cũng có thể phân lớp hỗn hợp trong buồng cháy theo sự dịch chuyển của các vùng xoáy lốc. Phương án này được áp dụng trên động cơ mẫu D-4 do hãng Toyota sáng chế. Các giai đoạn công tác của động cơ được giới thiệu trên hình 9.10. Khi động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo, sự phân lớp được thực hiện nhờ tiết lưu một trong hai ống nạp và nhờ thiết kế hợp lí của ống nạp còn lại. 9.4. Quan hệ tối ưu mới giữa tính năng kinh tế-kĩ thuật và mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ Có thể trong tương lai yếu tố quyết định đến mức độ ô nhiễm trong khí xả của động cơ là NOx. Nếu chúng ta thể hiện tính năng của động cơ và ô tô tương lai theo các đặc trưng về mức độ phát sinh NOx và suất tiêu hao nhiên liệu thì chúng ta có thể thể hiện vị trí của các đặc trưng này đối với các loại động cơ khác nhau như hình 9.12. Sự thể hiện này có tính gần đúng vì nó chưa xét đến những cải tiến trong tương lai. Tuy nhiên dẫu sao nó cũng giúp chúng ta xác định được các khuynh hướng về sự phát triển động cơ: . Động cơ Diesel và động cơ xăng làm việc với hỗn hợp nghèo (phun trực tiếp hay gián tiếp) có bất lợi tương đương về phương diện phát sinh NOx . . Sự hứa hẹn của động cơ 2 kì thế hệ mớI . Động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hỗn hợp cháy hoàn toàn lí thuyết có mức độ phát sinh ô nhiễm rất thấp nhưng suất tiêu hao nhiên liệu cao. Một khuynh hướng khác cho rằng một khi các loại động cơ có trang bị hệ thống xử lí ô nhiễm trên đường xả thì chúng đều thỏa mãn luật môi trường và khi đó người ta so sánh tính năng kinh tế-kĩ thuật của động cơ dựa trên mức tiêu thụ năng lượng, công suất riêng và giá thành. Hình 9.12 cho thấy việc áp dụng các kĩ thuật tiên tiến nhất hiện nay cho phép làm tăng thêm hiệu suất động cơ khoảng 30%. Động cơ 2 kì có khả năng tăng thêm 40% công suất riêng, có tính năng kĩ thuật tốt nhất. NOx (g/dậm) 1,5 Phun xÙng trùc tiỏp GDI, Tiởu chuẻn Hoa KÈ 1991 1,0 Diesel DI XÙng, hçn hîp nghỉo ẽ tội 4kÈ IDI côc bé, f =1 khi toÌn tội Tiởu chuẻn Hoa KÈ 0,5 XÙng ULEV 2kÈ XÙng 4 kÈ, f =1 177 4 5 6 7 8 9 10 SuÊt tiởu hao nhiởn liơu (lÝt/100 km)
  31. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường Hình 9.11: Quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu và sự phát sinh NOx đối với các loại động cơ khác nhau (dung tích xy lanh 1,5-1,8 lít) Lợi hay thiệt công suất riêng (%) Xăng 2 kì, phun trực tiếp Xăng 4 kì, f=1,phun gián tiếp Xăng 4 kì, hỗn hợp nghèo 1995 PGT PTT 2000 Lợi suất tiêu hao nhiên liệu (%) Ô tô trung bình năm 1994, Diesel phun trực tiếp Xăng, f=1, 65kW Hình 9.12: Lợi về công suất và suất tiêu hao nhiên liệu đối với động cơ đốt trong tương lai 9.5. Nhiên liệu tái sinh Rất khó mà dự đoán được tỉ lệ nhiên liệu tái sinh trong toàn bộ năng lượng tiêu thụ cho giao thông vận tải đến thập niên đầu của thế kỷ 21. Những yếu tố có thể ảnh hưởng đến tình trạng này là: . Tính khắt khe của luật về môi trường, mức độ tiêu thụ năng lượng, mức độ thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính . Các điều kiện về cơ sở vật chất phục vụ giao thông . Tâm lí của người sử dụng Ở Hoa Kì, theo dự báo, trong số những sản phẩm không truyền thống thì khí dầu mỏ hóa lỏng LPG và khí thiên nhiên NGV sẽ chiếm ưu thế với mức độ tiêu thụ theo thứ tự khoảng 2 và 3% tổng lượng xăng tiêu thụ năm 2010. Tuy nhiên tình trạng giao thông ở Hoa Kì rất đặc biệt (xăng chiếm đại bộ phận trên thị trường nhiên liệu, luật môi trường rất khắt khe) nên không thể tổng quát hóa dự báo này cho những khu vực khác trên thế giới. Nhiên liệu sinh học chỉ được sử dụng ở một vài khu vực trên thế giới (Châu Âu, Mĩ, Brazil và Châu Phi). Ở Châu Âu người ta dự kiến sử dụng đất nông nghiệp để sản xuất nhiên liệu sinh học với mục tiêu là thay thế được 5% tổng lượng nhiên liệu truyền thống trong tương lai. Khí thiên nhiên có trữ lượng rất lớn và được phân bố hầu khắp trên các châu lục nên nó là nguồn nhiên liệu dồi dào cho ô tô. Tuy nhiên yếu tố quyết định cho việc phổ 178
  32. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường biến rộng rãi ô tô dùng khí thiên nhiên là lợi ích thực sự của chúng (tính năng kinh tế-kĩ thuật, vần đề ô nhiễm môi trường), tâm lí của người sử dụng (mức độ an toàn), việc xây dựng hạ tầng cơ sở phục vụ cho ô tô sử dụng khí thiên nhiên (xem chương 8). Người ta dự đoán ở Mĩ vào năm 2010 sẽ có khoảng 25% ô tô sử dụng NGV. Methanol dường như không có nhiều hứa hẹn trở thành nhiên liệu thay thế. Trên đây chúng ta đã đề cập đến ưu thế của LPG như là nhiên liệu tái sinh và đặc biệt nhấn mạnh sự phổ biến rộng rãi của chúng ở một số vùng trên thế giới (Hà Lan, Ý, Viễn Đông). Trên phạm vi toàn cầu, việc sử dụng LPG cho ô tô chiếm khoảng 3% lượng nhiên liệu lỏng truyền thống trong tương lai gần. 9.6. Ô tô dùng điện Hình 9.13 biểu diễn sự phát triển dự kiến hàng năm của ô tô dùng điện đến năm 2010 ở Châu Âu, Châu Mĩ và Nhật Bản. Người ta ước tính chừng 2 triệu ô tô điện được sản xuất hàng năm ở ba khu vực nói trên. Tuy thị trường ô tô điện có giá trị tuyệt đối đáng kể nhưng chỉ chiếm tỉ lệ rất thấp (khoảng 3%) so với ô tô cổ điển dùng động cơ nhiệt. Về mặt kĩ thuật, hiện nay ô tô chạy điện có 2 nhược điểm quan trọng đó là năng lượng dự trữ thấp (khoảng 100 lần thấp hơn ô tô dùng động cơ nhiệt truyền thống) và giá thành ban đầu cao hơn (khoảng 30-40% cao hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt). Những chướng ngại khác cần được giải quyết để đưa ô tô chạy điện vào ứng dụng trong thực tế một cách đại trà là khả năng gia tốc, thời gian nạp điện, vần đề sưởi và điều hòa không khí trong ô tô. Số ô tô bán được (1000chiếc/năm) Những tiến bộ quan trọng 1200 gần đây về tính năng kĩ thuật của bình điện có nhiều hứa hẹn 1000 Hoa kì sẽ được áp dụng trong những 800 năm tới. Khả năng chứa điện tăng từ 35-50Wh/kg đối với 600 Nhật bình điện chì a-xít hay nickel- 400 cadmium đến 70Wh/kg đối với Châu Âu bình điện Ni-MH (hydrure kim 200 loại) và tăng đến 160Wh/kg đối 0 với bình điện Lithium dưới 1995 2000 2005 2010 dạng ion hay polymère. Hình 9.13: Dự báo số lượng ô tô điện đến năm 2010 Khả năng hoạt động độc lập của ô tô vì vậy có thể tăng từ 80km (giá trị này hiện nay chưa thỏa mãn người tiêu dùng) đến 300 thậm chí 500km trong tương lai. Khoảng 179
  33. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường đường hoạt động độc lập này có thể chấp nhận được đối với ô tô hoạt động trong thành phố hay vùng ven đô. Hiện nay người ta cũng quan tâm nghiên cứu những ô tô vừa hoạt động bằng nhiệt, vừa hoạt động bằng điện. Khi chạy với tải và tốc độ cao, ô tô sử dụng động cơ nhiệt còn khi chạy trong thành phố, ô tô dùng động cơ điện. Về phương diện ô nhiễm, ô tô chạy điện rất lí tưởng về giới hạn mức độ gây ồn cũng như không phát sinh các chất gây ô nhiễm thông thường như bồ hóng và các chất độc dạng khí khác. Ô tô điện được xếp vào loại ô tô sạch (ZEV: Zero Emission Vehicles). Tuy nhiên, kĩ thuật sản xuất điện năng hiện nay đều ít nhiều gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nhiệt điện. Mức độ phát ô nhiễm của phương pháp sản xuất điện năng này phụ thuộc vào những đặc tính của nhiên liệu sử dụng cũng như công nghệ xử lí chất thải. Kĩ thuật sản xuất điện năng rất đa dạng ở các quốc gia khác nhau (77% điện năng ở Pháp được sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, 53% điện năng ở Đức được sản xuất bằng than ). Đó là yếu tố quan trọng cần được quan tâm khi xem xét tính ô nhiễm của ô tô dùng điện. Về phương diện phát sinh những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, ô tô dùng điện đương nhiên có lợi thế hơn so với ô tô dùng động cơ nhiệt. Tuy nhiên lợi thế này ít hay nhiều còn phụ thuộc loại nhiên liệu dùng trong sản xuất điện năng. So với nhiên liệu truyền thống, mức độ có lợi (tính theo CO2 tương đương trên 1km) lên đến khoảng 90% đối với điện sản xuất bằng năng lượng nguyên tử, khoảng 20% khi sản xuất điện bằng nhiên liệu và gần như không lợi gì khi sản xuất điện bằng than. Sự thâm nhập ô tô điện vào cuộc sống của nhân loại ngay cả theo nhịp độ trình bày trên hình 8.12 phải chăng là một nhân tố góp phần cải thiện đáng kể vần đề ô nhiễm môi trường đô thị? Câu hỏi này cần có thời gian để suy nghĩ. Thật vậy, khi một ô tô điện được đưa vào hoạt động nó sẽ thay thế một ô tô dùng động cơ nhiệt được xử lí ô nhiễm triệt để với những thành tựu của công nghệ hiện đại. Vì vậy mức độ lợi về mặt ô nhiễm khi dùng động cơ điện sẽ không đáng kể, chắc chắn là ít có lợi hơn khi thay ô tô cũ bằng ô tô mới dùng động cơ nhiệt. Ở đây chúng ta không muốn làm hẹp cánh cửa đã mở ra đối với ô tô điện vào những năm đầu của thế kỉ 21 mà sự phát triển của nó đi theo những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ. Tuy nhiên, sự phát triển của ô tô này cũng không cho phép giải quyết một cách nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trường đô thị vì không thể xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ chúng trong một thời gian ngắn. Ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề tâm lí xã hội. Thật vậy, sự hạn chế tính năng kĩ thuật cũng như bán kính hoạt động của ô tô, trở 180
  34. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay đổi thói quen của người dùng và có thể dần dần làm thay đổi cách sống. ___ 181