So sánh LPG và nhiên liệu truyền thống xăng diesel

-->

-1- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Hà Nội, tháng năm 2014 Nghiên cứu sinh Nguyễn Tƣờng Vi -2- LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí Động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Đình Long và PGS.TS Lê Anh Tuấn đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Khoa Công nghệ Ôtô và các thầy cô trong Khoa đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Tƣờng Vi -3- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI CẢM ƠN 2 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7 MỞ ĐẦU 12 i. Mục đích nghiên cứu của đề tài 13 ii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 13 iii. Nội dung nghiên cứu 13 iv. Phƣơng pháp nghiên cứu 13 v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 14 vi. Các nội dung chính của đề tài 14 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 15 1.1 Đặc điểm của LPG 15 1.1.1 Tính chất lý hóa của LPG 15 1.1.2 Ưu điểm của LPG so với các loại nhiên liệu truyền thống 16 1.1.3 Tình hình sản xuất LPG 17 1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong 18 1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức 20 1.2.2 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ diesel 29 1.3 Kết luận chƣơng 1 35 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI TRONG ĐỘNG CƠ LPG/DIESEL 38 2.1 Mở đầu 38 2.2 Đặc điểm quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ LPG/diesel 40 2.2.1 Quá trình cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong xilanh 40 2.2.2 Quá trình cháy 41 2.3 Các giả thiết để nghiên cứu quá trình trình tạo hỗn hợp và cháy 43 2.4 Các mô hình toán 44 2.4.1 Mô hình phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp 44 2.4.2 Mô hình cháy và tỏa nhiệt 46 2.4.3 Mô hình nhiệt động 52 2.4.4 Mô hình truyền nhiệt 53 2.4.5 Mô hình hình thành phát thải độc hại 53 2.5 Kết quả tính toán mô phỏng 62 2.5.1 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng 64 2.5.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ 67 2.5.3 Ảnh hưởng của góc phun sớm 73 2.6 Kết luận chƣơng 2 76 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP LPG TRONG ĐỘNG CƠ LPG/DIESEL 78 3.1 Giới thiệu chung 78 3.2 Nghiên cứu chế tạo hệ thống cung cấp LPG trên động cơ AVL 5402 82 -4- 3.2.1 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển phun LPG 82 3.2.2 Thuật toán đọc và tính các giá trị cảm biến trong hệ thống LPG 89 3.2.3 Thuật toán điều khiển kết nối máy tính 92 3.2.4 Chương trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG 92 3.2.5 Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG 97 3.3 Kết luận chƣơng 3 98 CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 99 4.1 Mục đích, đối tƣợng và trang thiết bị thử nghiệm 99 4.1.1 Mục đích thử nghiệm 99 4.1.2 Đối tượng và nhiên liệu thử nghiệm 99 4.1.3 Trang thiết bị thử nghiệm 99 4.2 Thử nghiệm trên động cơ AVL 5402 103 4.2.1 Nội dung thử nghiệm 103 4.2.2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 104 4.3 Thử nghiệm trên động cơ D1146TI 119 4.3.1 Nội dung thử nghiệm 119 4.3.2 Kết quả thử nghiệm và thảo luận 120 4.4 Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trên xe khách 136 4.4.1 Thiết kế vị trí lắp đặt hệ thống cung cấp LPG lên xe 137 4.4.2 Hiệu chỉnh lượng nhiên liệu, góc phun sớm và kiểm tra sau khi lắp đặt. 142 4.4.3 Vận hành và đánh giá 143 4.5 Kết luận chƣơng 4 144 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 145 Kết luận 145 Hƣớng phát triển 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO 147 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 152 PHỤ LỤC 1. CÁC SỐ LIỆU PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU 153 PHỤ LỤC 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 167 PHỤ LỤC 3. BẢNG SỐ LIỆU KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 170 -5- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng HC Hydrocacbon PM Phát thải hạt NOx Ôxít nitơ Soot Bồ hóng Smoke Độ khói  Hệ số dư lượng không khí GTVT Giao thông vận tải RON Trị số Octan nghiên cứu CN Trị số Cetan Autogas Phương tiện giao thông dùng nhiên liệu là khí LPG GDI Hệ thống phun xăng trực tiếp Common Rail Hệ thống nhiên liệu phun dầu điện tử kiểu tích áp AVL-Boost Phần mềm mô phỏng một chiều của hãng AVL (Áo) ELC Bộ điều khiển phun LPG MP Mô phỏng TN Thực nghiệm ECE R49 Chu trình thử châu Âu ở chế độ tĩnh đối với động cơ xe tải hạng nặng và xe khách USB Cổng giao tiếp máy tính COM Cổng giao giao tiếp máy tính dạng nối tiếp ECU Bộ điều khiển điện tử CEB-II Combustion Emission Bench – II / Tủ thiết bị phân tích khí Mạng CAN Controller Area Network / mạng vùng tốc độ thấp RS232 Cổng giao tiếp nối tiếp 0TK Độ góc quay trục khuỷu ∆KAcc Biên độ độ rung động của động cơ Dual Lưỡng nhiên liệu LPG/diesel P/B Tỷ lệ thành phần propan/butan -6- DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tính chất của các thành phần trong LPG 16 Bảng 2.1 Chuỗi phản ứng hình thành NOx 60 Bảng 3.1 Đặc tính của cảm biến nhiệt độ 91 Bảng 4.1 Mức độ thay đổi phát thải trung bình khi thay đổi tỷ lệ LPG 112 Bảng 4.2 So sánh phát thải khi thay đổi góc phun sớm ở tốc độ 2000v/ph 117 Bảng 4.3 Độ chênh áp suất trước và sau vòi phun LPG 120 Bảng 4.4 Chế độ đo trong chu trình thử ECE R49 129 Bảng 4.5 Kết quả đo phát thải theo chu trình Châu Âu ECE R49 129 Bảng 4.6 Kết quả đo phát thải theo chu trình Châu Âu ECE R49 với góc phun sớm 60 136 -7- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của các thành phần trong nhiên liệu LPG 16 Hình 1.2 Sản lượng (triệu tấn) LPG trên toàn cầu 17 Hình 1.3 Bộ trộn Venturi với lỗ khoan bố trí xung quanh họng 22 Hình 1.4 Họng Venturi với một đường LPG vào loại cùng chiều 23 Hình 1.5 Họng Venturi với một đường LPG vào loại trực giao 23 Hình 1.6 Kết cấu bộ chế hòa khí dạng Modul hóa 23 Hình 1.7 Sơ đồ cung cấp LPG trên động cơ dùng bộ trộn và điều khiển điện tử 24 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống phun LPG vào cửa nạp điều khiển điện tử 25 Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào trong xilanh động cơ 25 Hình 1.10 Hệ thống cung cấp LPG trên động cơ của hãng Magis 2 26 Hình 2.1 Động cơ diesel AVL 5402 39 Hình 2.2 Sơ đồ phân vùng hỗn hợp trên một tia phun khi phun 41 Hình 2.3 Sơ đồ phân vùng xilanh ứng với một tia phun trong quá trình cháy 42 Hình 2.4 Sơ đồ phân bố nhiên liệu diesel trong tia phun 45 Hình 2.5 Sơ đồ các vùng của lớp dầu bôi trơn 57 Hình 2.6 Mô men và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng trên đường đặc tính ngoài khi chạy đơn nhiên liệu 65 Hình 2.7 Mô men của động cơ giữa thực nghiệm và mô phỏng trên đường đặc tính ngoài khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel 66 Hình 2.8 Diễn biến áp suất trong xilanh động cơ mô phỏng và thực nghiệm ở 100% tải, tỷ lệ LPG thay thế diesel 20%, tốc độ 2000v/ph 66 Hình 2.9 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến tổng lượng diesel + LPG tiêu thụ ở 100% tải 67 Hình 2.10 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến suất tiêu hao năng lượng ở 100% tải 68 Hình 2.11 Kết quả mô phỏng phát thải HC ở các chế độ tải và tỷ lệ LPG thay thế khác nhau 68 Hình 2.12 Kết quả mô phỏng phát thải NOx ở các tỷ lệ LPG khác nhau 70 Hình 2.13 Kết quả mô phỏng phát thải CO ở các tỷ lệ LPG khác nhau 71 Hình 2.14 Kết quả mô phỏng phát thải Soot ở các tỷ lệ LPG khác nhau 72 Hình 2.15 Kết quả mô phỏng diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ LPG khác nhau 73 -8- Hình 2.16 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến mô men và công suất động cơ ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20% 73 Hình 2.17 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến phát thải NOx, Soot của động cơ ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20% 74 Hình 2.18 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm diesel đến phát thải CO của động cơ ở tốc độ 2000v/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20% 75 Hình 2.19 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của góc phun sớm đến diễn biến áp suất trong xilanh động cơ ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, tỷ lệ LPG 20% 76 Hình 3.1 Sơ đồ tín hiệu điều khiển cung cấp nhiên liệu LPG 79 Hình 3.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel D1146TI 80 Hình 3.3 Sơ đồ cung cấp LPG vào động cơ 81 Hình 3.4 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG 81 Hình 3.5 Bộ điều khiển hệ thống cung cấp LPG (ELC) 82 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn 5V 83 Hình 3.7 Mạch xử lý tín hiệu tốc độ 83 Hình 3.8 Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng và áp suất LPG 84 Hình 3.9 Mạch xử lý tín hiệu nhiệt độ và công tắc ON/OFF nhiên liệu LPG 84 Hình 3.10 Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng và nhiệt độ khí nạp 85 Hình 3.11 Mạch xử lý tín hiệu vị trí chân ga và tín hiệu không tải 85 Hình 3.12 Mạch xử lý tín hiệu dự phòng (option) 85 Hình 3.13 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển vòi phun LPG 86 Hình 3.14 Mạch xử lý tín hiệu điều khiển van điện từ và rơle đóng mở LPG 86 Hình 3.15 Sơ đồ khối vi điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG 87 Hình 3.16 Khối tạo xung nhịp 87 Hình 3.17 Khối mạch Reset 87 Hình 3.18 Sơ đồ chân ATmega32 88 Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối theo chuẩn RS232 89 Hình 3.20 Sơ đồ thuật toán đọc tốc độ động cơ 90 Hình 3.21 Sơ đồ đọc giá trị của tín hiệu từ cảm biến 90 Hình 3.22 Sơ đồ tính cảm biến lưu lượng 90 Hình 3.23 Sơ đồ tính cảm biến áp suất 91 Hình 3.24 Sơ đồ tính cảm biến nhiệt độ 91 -9- Hình 3.25 Sơ đồ thuật toán truyền giá trị 92 Hình 3.26 Sơ đồ thuật toán thực thi lệnh từ máy tính 92 Hình 3.27 Nguyên lý điều khiển phun 92 Hình 3.28 Sơ đồ thuật toán điều khiển chung hệ thống phun LPG 93 Hình 3.29 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ không tải 94 Hình 3.30 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ chuyển tiếp không tải - có tải 95 Hình 3.31 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ có tải 96 Hình 3.32 Sơ đồ thuật toán điều khiển chế độ chuyển tiếp có tải - không tải 96 Hình 3.33 Giao diện chương tình điều khiển quá trình phun LPG 97 Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế lắp đặt hệ thống cung cấp LPG trên động cơ AVL 5402 104 Hình 4.2 Phát thải CO ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau 105 Hình 4.3 Phát thải Smoke ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau 105 Hình 4.4 Phát thải HC ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau 106 Hình 4.5 Phát thải NOx ở các tỷ lệ và áp suất LPG khác nhau 107 Hình 4.6 Diễn biến áp suất xilanh khi sử dụng đơn nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu với tỷ lệ LPG 16% ở các giá trị áp suất khác nhau 107 Hình 4.7 Độ rung động của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel và lưỡng nhiên liệu với tỷ lệ LPG 16% ở các giá trị áp suất khác nhau 108 Hình 4.8 Phát thải NOx khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 109 Hình 4.9 Phát thải CO khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 110 Hình 4.10 Phát thải độ khói (Smoke) khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 110 Hình 4.11 Phát thải HC khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 111 Hình 4.12 Phát thải CO2 khi thử nghiệm ở các tỷ lệ LPG khác nhau 112 Hình 4.13 Diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ LPG khác nhau 113 Hình 4.14 Độ rung động của động cơ ở tốc độ 2000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ LPG khác nhau 113 Hình 4.15 Diễn biến áp suất xilanh ở tốc độ 3000vg/ph, 100% tải, với các tỷ lệ LPG khác nhau 114 Hình 4.16 Độ rung động của động cơ ở tốc độ 3000vg/ph, 100% tải, với ở các tỷ LPG khác nhau 115 Hình 4.17 Mômen và công suất động cơ khi thay đổi góc phun sớm 115 Hình 4.18 Phát thải CO và Smoke khi thay đổi góc phun sớm 116 -10- Hình 4.19 Phát thải NOx và HC khi thay đổi góc phun sớm 117 Hình 4.20 Biến thiên áp suất xilanh khi thay đổi góc phun sớm ở 2000vg/ph, 100% tải 118 Hình 4.21 Độ rung động của động cơ khi thay đổi góc phun sớm ở 2000vg/ph, 100% tải 118 Hình 4.22 Công suất động cơ ở 100% và 75% tải 121 Hình 4.23 Phát thải CO tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 121 Hình 4.24 Phát thải HC tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 122 Hình 4.25 Phát thải NOx tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 122 Hình 4.26 Độ đen của khí thải tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 123 Hình 4.27 Phát thải CO2 tại 100% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 123 Hình 4.28 Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 100% tải 125 Hình 4.29 Phát thải CO tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 125 Hình 4.30 Phát thải HC tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 126 Hình 4.31 Phát thải NOx tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 126 Hình 4.32 Độ đen tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 127 Hình 4.33 Phát thải CO2 tại 75% tải khi sử dụng 5 loại giclơ 127 Hình 4.34 Mức độ thay đổi các thành phần phát thải ở 75% tải 128 Hình 4.35 Tỷ lệ thay thế LPG với 5 loại giclơ 128 Hình 4.36 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử ECE R49 130 Hình 4.37 Công suất động cơ tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 131 Hình 4.38 Mômen động cơ tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 132 Hình 4.39 Tiêu hao nhiên liệu tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 132 Hình 4.40 Lượng khí lọt cácte tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 133 Hình 4.41 Phát thải CO tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 134 Hình 4.42 Phát thải HC tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 134 Hình 4.43 Phát thải NOx tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 135 Hình 4.44 Độ đen trong khí thải tại 100% tải với các góc phun sớm khác nhau 135 Hình 4.45 Hàm lượng phát thải theo chu trình thử ECE R49 136 Hình 4.46 Vị trí bố trí các thiết bị của hệ thống cung cấp LPG lên xe Transinco 138 Hình 4.47 Thiết kế lắp đặt bình LPG lên xe 138 Hình 4.48 Kết cấu bộ hóa hơi LPG 139 -11- Hình 4.49 Kết cấu van điện từ 139 Hình 4.50 Kết cấu bộ lọc LPG 140 Hình 4.51 Thiết kế lắp đặt bộ hóa hơi, van điện từ, lọc LPG trong khoang động cơ 140 Hình 4.52 Kết cấu bộ điều khiển LPG và công tắc đóng mở LPG 141 Hình 4.53 Sơ đồ đấu nối dây tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG 141 Hình 4.54 Bộ điều khiển hệ thống cung cấp LPG 142 -12- MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh của công nghiệp và sự gia tăng nhanh số lượng các phương tiện giao thông vận tải (GTVT) và thiết bị động lực trang bị động cơ đốt trong, nhu cầu sử dụng nhiên liệu càng ngày càng tăng cao, đặc biệt là nhiên liệu hóa thạch truyền thống xăng và dầu diesel. Trung bình mỗi ngày thế giới tiêu thụ hết khoảng 87 triệu thùng dầu. Trong đó phần lớn được sử dụng trên các phương tiện GTVT. Nhu cầu sử dụng nhiên liệu tăng đang gây nguy cơ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu truyền thống và làm giá dầu mỏ tăng lên, ảnh hưởng trực tiếp đến nền kinh tế toàn cầu. Thêm nữa, mức độ tiêu thụ lớn nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang thải ra môi trường một lượng lớn các chất độc hại làm ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người và gây ra hiệu ứng nhà kính. Trong đó, hàm lượng phát thải của các phương tiện sử dụng nhiên liệu diesel chiếm một tỷ lệ đáng kể. Điều này dẫn đến những tác động xấu đến môi trường sinh thái, biến đổi khí hậu, trái đất nóng lên và hiện tượng băng tan ở hai địa cực. Việt Nam là nước đang phát triển nên cũng không nằm ngoài quy luật phát triển chung của thế giới. Tình trạng thiếu nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ cũng đã đến mức báo động. Do đó, vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu và sử dụng các loại nhiên liệu thay thế có mức độ phát thải độc hại thấp để một mặt giảm ô nhiễm môi trường, mặt khác có thể bù đắp phần nhiên liệu truyền thống đang bị thiếu hụt. Các loại nhiên liệu thay thế được ưu tiên sử dụng là các loại nhiên liệu ―sạch‖ (phát thải độc hại thấp), trữ lượng lớn, giá thành rẻ và có thể sử dụng dễ dàng trên động cơ mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu. Trong các loại nhiên liệu đó, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) là nhiên liệu có tiềm năng lớn, đáp ứng được các yêu cầu trên. LPG là loại nhiên liệu thông dụng và thân thiện với môi trường. Mấy thập kỷ qua nó được dùng trong công nghiệp và sinh nhiệt gia dụng nhưng ngày nay nó còn được sử dụng làm nhiên liệu thay thế trên động cơ đốt trong. Do LPG có sản phẩm cháy thân thiện với môi trường và có năng suất tỏa nhiệt cao nên khi được sử dụng trên động cơ đốt trong nó không chỉ giúp giảm phát thải độc hại mà còn giảm được gánh nặng về nguồn nhiên liệu truyền thống xăng và dầu diesel. Việc sử dụng LPG trên động cơ diesel hiện hành sẽ tận dụng được tính ưu việt về hiệu suất cao của loại động cơ này và giúp giảm phát thải khói bụi, loại phát thải quan trọng và rất khó xử lý của động cơ diesel hiện nay. Tuy nhiên, do tính tự cháy của LPG kém nên chỉ có thể sử dụng LPG thay thế một phần nhiên liệu diesel trên động cơ và như vậy tính năng làm việc của động cơ phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm cung cấp và tạo hỗn hợp của lưỡng nhiên liệu LPG/diesel và các thông số điều chỉnh của động cơ. Chính vì vậy, việc thực hiện đề tài ―Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel hiện hành‖ để có thể sử dụng hiệu quả nhiên liệu LPG và đáp ứng các yêu cầu đặt ra về tiết kiệm nhiên liệu diesel, giảm phát thải là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, đặc biệt là ở điều kiện Việt Nam khi mà công nghiệp chế tạo động cơ mới chuyên chạy nhiên liệu LPG chưa phát triển. -13- i. Mục đích nghiên cứu của đề tài - Đánh giá khả năng sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ diesel hiện hành qua đánh giá ảnh hưởng của LPG đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel. - Đưa ra giải pháp chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel. ii. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel hiện hành, đại diện là động cơ diesel nghiên cứu AVL 5402 trang bị hệ thống phun nhiên liệu kiểu tích áp điều khiển bằng điện tử (common Rail) và động cơ diesel D1146TI trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống hiện đang được sử dụng phổ biến trên các xe khách tại Hà Nội. - Việc nghiên cứu và thực nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường đại học Bách khoa Hà Nội và nghiên cứu trên hiện trường. iii. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp cung cấp lưỡng nhiên liệu LPG/diesel và tạo hỗn hợp cháy trong động cơ. - Nghiên cứu đặc điểm quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ LPG/diesel. - Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến tính năng kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ. - Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng LPG đến góc phun sớm diesel tối ưu của động cơ. - Đánh giá sự làm việc ổn định của động cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel khi lắp lên xe khách. iv. Phƣơng pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm - Lý thuyết:  Xây dựng các mô hình lý thuyết mô tả sự tạo hỗn hợp, cháy và hình thành phát thải của động cơ LPG/diesel.  Sử dụng phần mềm AVL BOOST và ngôn ngữ lập trình FORTRAN để tính toán các thông số quá trình cháy và hàm lượng phát thải của động cơ; phân tích kết quả và định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm. - Thực nghiệm:  Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất phun LPG, tỷ lệ LPG thay thế và góc phun sớm diesel đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát thải của các động cơ thí nghiệm sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, từ đó -14- đề xuất chọn tỷ lệ LPG thay thế và các thông số điều chỉnh thích hợp.  Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trên xe khách và đánh giá sơ bộ khả năng ứng dụng của kết quả nghiên cứu vào thực tế. v. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn - Phân tích và mô phỏng được quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và hình thành phát thải trong động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel. - Đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ LPG và góc phun sớm đến tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel hiện hành sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, từ đó lựa chọn được các giá trị hợp lý đảm bảo sự hài hòa các tính năng động cơ. - Đưa ra giải pháp khả thi chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel. - Góp phần giảm khói bụi và NOx là các thành phần phát thải quan trọng và khó xử lý, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, cũng như định hướng trong việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu thay thế trên các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong. vi. Các nội dung chính của đề tài - Mở đầu - Chương 1. Tổng quan về sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt trong - Chương 2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình cháy và hình thành phát thải trong động cơ LPG/diesel - Chương 3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cung cấp LPG trong động cơ LPG/diesel - Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm - Kết luận và hướng phát triển -15- CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Đặc điểm của LPG LPG là tên viết tắt của khí dầu mỏ hoá lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas). LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể được sản xuất ở các nhà máy lọc dầu. Thành phần chính của LPG là hỗn hợp hydrocacbon với thành phần chính là butan (C4H10) và propan (C3H8) chiếm tới 99%, còn lại là một số thành phần hydrocacbon khác [1]. Tỷ lệ giữa propan và butan thay đổi giữa các quốc gia cũng như thời điểm sản xuất. Loại nhiên liệu này được phát triển và thương mại hóa từ những năm năm mươi của thế kỷ trước. LPG là loại nhiên liệu có thể dễ dàng được chuyển đổi sang thể lỏng bằng việc tăng áp suất thích hợp hoặc giảm nhiệt độ để dễ tồn trữ và vận chuyển. LPG có thành phần hóa học tương đối đơn giản hơn các loại nhiên liệu khác, ít tạp chất, không có hợp chất chứa lưu huỳnh và chì, đặc biệt sản phẩm cháy không tạo muội, tạo cặn cacbon [1, 2]. Ngoài ra, LPG còn có nhiệt trị theo khối lượng cao hơn so với các loại nhiên liệu truyền thống như xăng và dầu diesel nên có điều kiện tăng tính kinh tế khi sử dụng [2]. 1.1.1 Tính chất lý hóa của LPG LPG biến đổi từ thể lỏng thành thể hơi theo tỷ lệ thể tích 1 lít LPG thể lỏng hoá thành khoảng 250 lít ở thể hơi ở nhiệt độ lớn hơn 0oC trong môi trường áp suất bằng áp suất khí quyển. LPG bay hơi rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp cháy nổ. LPG nhẹ hơn nước, tỷ trọng của butan bằng 0,55 - 0,58 lần và propan từ 0,5 - 0,53 lần tỷ trọng của nước. Ở thể hơi trong môi trường áp suất bằng áp suất khí quyển, LPG nặng hơn so với không khí, đối với butan là 2,01 lần, propan là 1,53 lần. Do LPG ở trạng thái nguyên chất không có mùi và nặng hơn không khí nên có thể gây ngạt nếu nó tràn ra ngoài chiếm chỗ của ôxy. Vì vậy, người ta thường pha trộn thêm chất tạo mùi hăng mercaptan vào LPG với tỷ lệ nhất định để có mùi đặc trưng nhằm phát hiện ra hiện tượng rò rỉ LPG. LPG lỏng gây bỏng nặng trên da khi tiếp xúc trực tiếp, nhất là với dòng LPG rò rỉ trực tiếp vào da. Nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 1900oC÷1950oC, có khả năng đốt cháy và nung nóng chảy hầu hết các chất và kim loại. LPG có thành phần chủ yếu là propan và butan. Ngoài ra, tuỳ thuộc vào nguồn nhiên liệu khi chế biến mà trong thành phần của nó có thể có một lượng nhỏ olefin như propen, buten. Trong đó propan chỉ có duy nhất ở dưới dạng mạch thẳng, butan có thể ở dạng mạch thẳng hoặc mạch nhánh (Hình 1.1). Công thức hoá học và cấu trúc phân tử: -16- Bảng 1.1 Tính chất của các thành phần trong LPG [1] Thông số đặc trƣng Propan n-butan iso-butan Công thức hóa học C3H8 C4H10 C4H10 Nhiệt độ sôi (oC ) -42,1oC +1,0 -0,5 Trị số octan nghiên cứu( RON) 111 102 94 Hệ số tỷ lượng A/F(kg/kg) 15,71 15,49 15,49 Nhiệt độ tự bắt cháy (oC ) 481 544 441 Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 46,34 45,55 45,70 Chỉ số Cetane 3 9 13 Phương trình cháy: C3H8+5O2→3CO2+4H2O+Q 2C4H10+13O2 → 8 CO2+10 H2O+ Q Sự cháy của LPG diễn ra thuận lợi nhất trong hỗn hợp đồng nhất của LPG với không khí; tốc độ cháy và lan tràn màng lửa đạt cao nhất ở tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu – không khí hơi đậm một chút với hệ số dư lượng không khí =0,95-1 [3, 4]. Đặc điểm diễn biến quá trình cháy và các nhân tố ảnh hưởng cũng tương tự như đối với nhiên liệu xăng [4]. 1.1.2 Ƣu điểm của LPG so với các loại nhiên liệu truyền thống Nếu có đủ ôxy, quá trình cháy của LPG dễ diễn ra một cách triệt để. Điều này đã làm cho LPG có các đặc tính của một nhiên liệu cháy sạch. Sản phẩm cháy chỉ có CO2 và hơi nước, không có hợp chất chứa lưu huỳnh và chì, hàm lượng các khí NOx thấp, ít gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, LPG có trị số octan nghiên cứu cao hơn so với xăng không chì từ 5-12 đơn vị, và có nhiệt trị khối lượng lớn hơn so với xăng và dầu diesel và lớn hơn nhiều so với methanol và ethanol. Vì vậy, LPG rất có lợi thế khi muốn tăng hiệu suất nhiệt và tăng công suất động cơ [5]. Trong sử dụng, LPG không làm ăn mòn các thiết bị liên quan, lại rất thông dụng và đa năng khi vận chuyển vì cả propan và butan đều dễ hóa lỏng và có thể chứa được trong Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của các thành phần trong nhiên liệu LPG -17- các bình áp lực, thuận tiện khi cung cấp đến người tiêu dùng. Vì có tốc độ bay hơi nhanh, LPG dễ dàng khuyếch tán và hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nên LPG là loại nhiên liệu thay thế tốt cho xăng trong các động cơ đánh lửa cưỡng bức [4, 5]. Với những ưu điểm như trên, LPG có thể làm nhiên liệu thay thế cho các loại nhiên liệu như củi, than và đặc biệt là nhiên liệu truyền thống của động cơ đốt trong là xăng và dầu diesel. Điều này góp phần khắc phục tình trạng cạn kiệt nhiên liệu truyền thống và giảm phát thải ô nhiễm môi trường. 1.1.3 Tình hình sản xuất LPG 1.1.3.1 Tình hình sản xuất LPG trên thế giới Từ thập niên 90 đến nay, lượng LPG sản xuất trên toàn cầu liên tục tăng (trung bình 5-10%/năm) và dự đoán vẫn tiếp tục tăng trong những năm tới. Tổng nguồn cung LPG trên thế giới năm 2008 đạt 239 triệu tấn. Tổng sản lượng khai thác và sử dụng LPG của thế giới trong năm 2013 đạt tới 260 triệu tấn theo như con số đã được công bố tại Hội nghị thượng đỉnh LPG thế giới đã diễn ra tại TP.HCM [6]. Nguồn sản xuất LPG là từ quá trình chế biến dầu mỏ và khí đốt nên hoàn toàn có thể tính toán và dự đoán được sản lượng LPG sản xuất được trong tương lai theo trữ lượng và năng suất khai thác dầu mỏ và khí đốt [7]. Dự báo đến năm 2015 năng suất khai thác và chế biến LPG có thể đạt 291,7 triệu tấn, trong đó, 60% LPG được sản xuất từ quá trình xử lý, 39,5% sản xuất từ các nhà máy lọc dầu và còn lại 0,5% từ các nguồn khác. Hình 1.2 Sản lượng LPG trên toàn cầu (triệu tấn) Trong giai đoạn 2000-2008, Trung Đông, Bắc Á là hai khu vực sản xuất LPG lớn nhất nhì trên thế giới. Trung Đông cung cấp 1/5 tổng lượng LPG trên thế giới trong năm 2008 và tăng trung bình 4,1%/năm từ năm 2000 mặc dù sản lượng của khu vực này giảm trong năm 2001 và 2002. Tổng cung khu vực này dự báo tăng đến 69,7 triệu tấn cho năm 2015. Năm 2008, khoảng 66% sản lượng LPG Trung Đông là từ xử lý khí đồng hành, 24% là từ quá trình tinh chế. Ở Bắc Á, hơn 90% sản lượng tăng lên là từ các nhà máy lọc dầu ở Trung Quốc. Hầu hết sản lượng LPG của khu vực này tới từ các nhà máy lọc hóa dầu, số ít là xử lý khí và -18- duy nhất cho tới nay ở Trung Quốc có nhà máy hóa khí từ than. Phần còn lại trong sản lượng của khu vực là từ các nhà máy lọc dầu ở Hàn Quốc và Đài Loan. Dự báo đến năm 2015 đạt khoảng 31,1 triệu tấn. 1.1.3.2 Tình hình sản xuất LPG ở Việt nam Hiện nay, ở Việt Nam có thể tạm chia ra 4 cụm khai thác khí quan trọng: - Cụm khí thứ nhất nằm ở vùng đồng bằng Bắc Bộ, gồm nhiều mỏ khí nhỏ, trong đó có Tiền Hải - Thái Bình, trữ lượng khoảng 250 tỷ m3 khí, được bắt đầu khai thác năm 1981 phục vụ cho công nghiệp địa phương. - Cụm khí thứ 2 thuộc vùng biển Cửu Long, gồm có 4 mỏ dầu Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Ru Bi. - Cụm thứ 3 ở vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ Đại Hùng đang khai thác và các mỏ khí đã phát hiện khu vực xung quanh Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Mộc Tinh. - Cụm mỏ thứ 4 tại thềm lục địa Tây Nam gồm có mỏ BungaKewa - Cái Nước. Nguồn tiêu thụ đầu tiên là dự án khai thác và dẫn khí vào bờ cho các nhà máy điện Phú Mỹ I và Phú Mỹ II, nhà máy sản xuất phân đạm. Cùng với nó, ngày 1/1/1995 nhà nước đã quyết định cho nhà máy điện Bà Rịa - Vũng Tàu sử dụng khí đồng hành thay diesel, đồng thời xây dựng nhà máy khí Dinh Cố tại Bà Rịa với công suất thiết kế là vận chuyển vào bờ 3 triệu m3 khí/ngày và sẽ được nâng lên 3,5 - 4 tỷ m3 khí/năm. Đây là nhà máy xử lý khí đầu tiên của nước ta đã chính thức hoạt động, cung cấp LPG phục vụ cho công nghiệp và dân dụng. Từ năm 1998 PetroVietnam cũng đã khởi công xây dựng nhà máy lọc dầu Dung Quất và cho tới nay đã dần hoàn thiện. LPG được sản xuất tại Dinh Cố sử dụng nguồn nguyên liệu là khí đồng hành được vận chuyển từ các mỏ Bạch Hổ, Rồng, Đại Hùng. Khí đồng hành tại các mỏ này có hàm lượng H2S và CO2 rất thấp (0,4 - 4%) rất thuận lợi cho chế biến và sử dụng. Dầu mỏ Bạch Hổ có tỷ xuất khí hòa tan trung bình là 180m3/tấn nghĩa là cứ một tấn dầu trong điều kiện mỏ có áp suất lớn hơn áp suất bão hòa khi khai thác lên có thể tách ra 180m3 khí. 1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt trong Với các ưu điểm sạch, nhiệt lượng cao và sức ép toàn cầu về vấn đề môi trường, LPG hiện đang là loại khí đốt được khuyến khích tiêu dùng với mức tăng trưởng hàng năm trên toàn thế giới đạt trên 3,5%. Tuy nhiên, LPG cũng bị cạnh tranh trực tiếp từ các loại khí đốt khác như CNG, LNG, đặc biệt là các khu vực có hệ thống cơ sở hạ tầng tốt với hệ thống dẫn khí đốt đồng bộ do giá các loại khí này rẻ hơn. Tuy nhiên, các loại khí này không thể so sánh được với LPG về tính linh hoạt trong tồn trữ, vận chuyển và phân phối. Thực tế cho thấy ở đâu cần sự linh hoạt trong phân phối, ở đó LPG luôn chiếm ưu thế. Về xu hướng sử dụng, hiện nay tỷ trọng LPG sử dụng cho công nghiệp, hoá dầu, giao thông vận tải/động cơ đốt trong đang tăng dần. -19- Theo các số liệu thống kê, hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 13 triệu xe ô tô sử dụng LPG, trong đó trên 7 triệu xe tập trung tại 38 nước và chủ yếu tại các vùng kinh tế phát triển do tại đây có mức sống cao và vấn đề ô nhiễm môi trường đang là vấn đề bức xúc được chính phủ quan tâm. Dưới đây là các thông tin khái quát về thị trường Autogas tại một số quốc gia đang có mức tăng trưởng thị trường Autogas nhanh nhất trên thế giới hiện nay: - Italy: Là quốc gia có mức tiêu thụ LPG cho Autogas lớn nhất với lượng tiêu dùng hàng năm đạt khoảng 1,3 triệu tấn. Hiện nay số lượng xe dùng LPG tại Italy là 1,234 triệu xe trong tổng số 32,969 triệu xe vận tải. Tuy chỉ chiếm 4% trong tổng số xe lưu hành nhưng trong thời gian tới tỷ lệ này sẽ tăng với tốc độ nhanh chóng do các chính sách hỗ trợ hiện tại của Chính phủ nhằm giảm mức độ ô nhiễm môi trường. Trong năm 1999, có khoảng 175.000 xe sử dụng xăng dầu đã được lắp bộ phận chuyển đổi để sử dụng LPG. Nhằm thúc đẩy sự chuyển đổi này, hiện nay chính phủ Italia đang áp dụng các biện pháp khuyến khích như: thanh toán từ quỹ của chính phủ cho việc chuyển đổi, giảm lệ phí giao thông, hạn chế việc lưu hành các xe chạy bằng xăng dầu tại một số khu vực có mật độ ô nhiễm cao. - Anh: Thị trường Autogas tại nước Anh được đánh giá là một trong những thị trường tiềm năng nhất với mức tăng trưởng đạt tới 500%. Năm 1999, tại Anh mới chỉ có 3500 xe thì đến tháng 05/2000 con số này đã lên tới 20.000 xe và đến cuối năm 2000 theo ước tính đạt 30.000 xe, tới năm 2007 con số này đã lên tới là 150.000 xe. Để đạt được tốc độ này, chính phủ Anh đã có các tác động đáng kể thông qua các chính sách như: hình thành quĩ hỗ trợ chuyển đổi từ xe chạy xăng, dầu sang chạy LPG, giảm thuế đối với LPG dùng cho ô tô, mở rộng hệ thống các trạm bơm LPG cho xe ô tô. - Thổ Nhĩ Kỳ: Năm 1999, có 500.000 xe taxi chạy bằng LPG (chiếm 92% trong tổng số). Con số này năm 2000 là 800.000 chiếc, tăng 60%. Tuy nhiên, do chuyển đổi xảy ra khá tuỳ tiện mà Chính phủ không thể kiểm soát được nên họ đang áp dụng các biện pháp chặt chẽ hơn đối với các xe chạy bằng LPG nhằm đảm bảo sự an toàn đối với thị trường Autogas đang phát triển ở nước này. - Ba Lan: Hiện đang có 470.000 xe chạy LPG với hệ thống 1900 trạm nạp chính thức. Chi phí LPG sử dụng cho phương tiện vận tải thấp hơn so với các loại nhiên liệu khác là lý do cơ bản thúc đẩy sự phát triển của Autogas tại nước này phát triển. LPG sử dụng cho Autogas năm 1999 là 395.000 tấn, tăng 32% so với năm 1998. Do được sự hỗ trợ về thuế, giá LPG dùng cho Autogas chỉ bằng 35% so với nhiên liệu khác (đây là một trong những quốc gia có mức chênh lệch thuế đối với Autogas và nhiên liệu khác lớn nhất). - Trung Quốc: Do sự phát triển mạnh về kinh tế trong thời gian gần đây nên vấn đề giao thông và ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề nóng cần được giải quyết, đặc biệt là tại các thành phố lớn. Kể từ năm 2000, Chính phủ dự kiến miễn thuế nhiên liệu 05 năm đối với xe chạy LPG. Tại thời điểm đó ở Thượng Hải có khoảng hơn 20.000 xe trong tổng cộng hơn 61.000 xe taxi chạy bằng LPG. Theo LPG World, số 17 ngày 7/9/2000, mỗi ngày tại thành phố này có 40 xe chuyển sang sử dụng LPG và đến nay thành phố này đã có khoảng hơn 40.000 xe taxi chạy LPG. Đây cũng là nguyên nhân làm cho lượng sử dụng -20- LPG của Thượng Hải tăng lên rất lớn trong những năm gần đây đạt hơn 300.000 tấn/năm, tốc độ tăng trưởng hàng năm trung bình khoảng 40-50%. Tiếp tục hỗ trợ thị trường này, chính quyền thành phố đã thông qua kế hoạch xây mới thêm nhiều trạm nạp mới cho đến nay tổng số trạm bơm LPG cung cấp cho xe ô tô đã lên tới hơn 100 trạm. - Hàn Quốc: Do giá bán LPG chạy xe chỉ bằng 1/3 giá xăng, Autogas được sử dụng rất rộng rãi cho xe taxi, bus và xe tải nên tốc độ tăng trưởng rất nhanh. Sản lượng butan cho chạy xe khoảng 1,5 triệu tấn/năm. - Ấn Độ: Tháng 08/2000, Chính phủ đã chính thức cho phép lưu hành xe chạy LPG. Hiện tại, hai thành phố Bombay và New Delhi được ưu tiên phát triển đội xe sử dụng LPG. Tại Bombay, hiện có 1/5 trong tổng số 55.000 xe taxi được lắp đặt bộ phận chuyển đổi dùng LPG. Theo hiệp hội LPG thế giới, năm 2007 trên thế giới có khoảng 13 triệu phương tiện chạy LPG tiêu thụ 20,3 triệu tấn nhiên liệu với 51.730 trạm tiếp nhiên liệu. Số lượng tiêu thụ và sử dụng ngày càng tăng nhanh chủ yếu tập trung tại một số nước phát triển. Năm nước sử dụng LPG làm nhiên liệu động cơ nhiều nhất là Hàn Quốc, Nhật Bản, Ba Lan, Thổ Nhĩ Kỳ và Australia. Lượng tiêu thụ LPG của năm nước này chiếm một nửa lượng tiêu thụ LPG trên toàn thế giới. Tuy nhiên, các con số thống kê trên chủ yếu là trên các loại động cơ đánh lửa cưỡng bức do số octan cao của LPG làm cho nó thích hợp với các loại động cơ này. Ngược lại, số cetan của LPG thấp nên việc sử dụng LPG trên động cơ diesel khó khăn hơn. 1.2.1 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ đốt cháy cƣỡng bức 1.2.1.1 Đặc điểm kết cấu động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức Nhiên liệu LPG có đặc điểm cháy tương tự xăng, có tính bay hơi và hòa trộn tốt với không khí và có trị số octan cao hơn xăng nên rất thích lợp làm nhiên liệu cho động cơ đốt cháy cưỡng bức. Do vậy, đặc điểm kết cấu chung của động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức hoàn toàn tương tự động cơ xăng và chỉ khác ở hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ chạy LPG có tính kinh tế nhiên liệu cao hơn động cơ xăng do suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn và giá nhiên liệu LPG trên thế giới hiện nay thường thấp hơn nhiều so với giá xăng [8]. Mặt khác, phát thải các thành phần độc hại của của động cơ chạy nhiên liệu LPG thấp hơn nhiều so với chạy xăng [2] nên LPG được coi là nhiên liệu sạch và do vậy có xu hướng được sử dụng ngày càng rộng rãi để làm nhiên liệu thay thế trong động cơ đốt cháy cưỡng bức. Các động cơ đốt cháy cưỡng bức sử dụng nhiên liệu LPG hiện nay có thể đến từ hai nguồn, đó là các động cơ được thiết kế chế tạo mới chuyên sử dụng nhiên liệu LPG và các động cơ được hoán cải chuyển đổi từ các động cơ chạy xăng hoặc các động cơ chạy nhiên liệu diesel hiện hành sang chạy nhiên liệu LPG. Việc thiết kế chế tạo mới các động cơ LPG sẽ tốn kém kinh phí tương tự việc nghiên cứu thiết kế và phát triển một sản phẩm mới của các hãng chế tạo động cơ nên đương nhiên giá bán đến người sử dụng sẽ cao. Tuy nhiên, các động cơ LPG mới sẽ được thiết kế tối ưu để chạy nhiên liệu LPG nên sẽ có tính kinh tế và tính hiệu quả cao hơn động cơ chuyển đổi. Qua nghiên cứu đặc tính làm việc của cùng -21- một động cơ đốt cháy cưỡng bức khi chạy nhiên liệu xăng và khi chạy nhiên liệu LPG [9] và nghiên cứu đặc tính làm việc của động cơ LPG khi thay đổi tỷ số nén của động cơ [5], các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ chạy LPG nên được thiết kế tăng tỷ số nén của động cơ và thay đổi góc đánh lửa sớm tối ưu theo hướng giảm một chút so với động cơ chạy xăng để tăng hiệu suất, công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Tuy nhiên, khi đó động cơ sẽ nóng hơn nên cần thiết kế tăng hiệu quả làm mát và chọn vật liệu chịu nhiệt tốt hơn cho các chi tiết như piston, xupáp thải và xilanh so với khi thiết kế động cơ xăng. Việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ xăng và động cơ diesel hiện hành sang chạy nhiên liệu LPG có ý nghĩa thực tế hơn vì số lượng động cơ đốt trong hiện hành sử dụng nhiên liệu truyền thống đang rất lớn trong khi nguồn nhiên liệu này đang cạn kiệt, cần sử dụng nhiên liệu thay thế để bổ sung. Mặt khác, việc chuyển đổi các động cơ có sẵn sẽ rẻ hơn so với chế tạo mới rất nhiều nên dễ dàng đáp ứng được khả năng chi trả của nhiều đối tượng sử dụng. Việc chuyển đổi động cơ xăng (thường là động cơ xăng tạo hỗn hợp bên ngoài như các động cơ dùng bộ chế hòa khí hoặc động cơ phun xăng vào đường nạp) sang chạy LPG khá đơn giản và rẻ tiền, chỉ cần trang bị thêm hệ thống cung cấp LPG cho động cơ, còn các hệ thống khác vẫn được giữ nguyên [10,11, 12]. Các động cơ này có thể tháo bỏ hệ thống cung cấp xăng để chạy chỉ với LPG hoặc để tồn tại song song cả hai hệ thống cung cấp xăng và LPG để có thể chọn chạy với một trong hai loại nhiên liệu xăng hoặc LPG nếu muốn. Cho nên hầu hết các động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức được chuyển đổi hiện nay là từ động cơ xăng. Tuy nhiên, do không thay đổi kết cấu động cơ nên tỷ số nén của động cơ không đổi và do đó không phát huy được ưu điểm trị số Octan cao của nhiên liệu LPG. Việc chuyển đổi động cơ diesel sang chạy LPG đốt cháy cưỡng bức phức tạp và tốn kém hơn so với chuyển đổi động cơ xăng. Ngoài việc trang bị thay thế hệ thống phun nhiên liệu diesel cao áp bằng hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG, còn cần phải trang bị thêm hệ thống đánh lửa và thay đổi kết cấu động cơ để giảm tỷ số nén và thay đổi đường ống nạp cho phù hợp [13, 14]. Như vậy, động cơ diesel khi đã được chuyển đổi sang động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức thì động cơ sẽ chỉ chạy được với nhiên liệu LPG mà không thể quay về chạy nhiên liệu diesel theo ý muốn được. Do chi phí cao và sự phức tạp của việc thay đổi kết cấu động cơ nên việc chuyển đổi động cơ diesel sang động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức thường không được áp dụng rộng rãi bằng chuyển đổi động cơ xăng. 1.2.1.2 Phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp Việc cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ LPG chế tạo mới hay trong động cơ LPG chuyển đổi từ động cơ chạy nhiên liệu truyền thống sang thường không có gì khác biệt và đều là đối tượng được quan tâm nghiên cứu nhiều để nâng cao tính kinh tế, tính hiệu quả và giảm phát thải cho động cơ. Có nhiều phương pháp cung cấp LPG và tạo hỗn hợp cho động cơ LPG tương tự như các phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ xăng. Đó là phương pháp cung cấp nhiên liệu LPG vào đường nạp bằng cách sử dụng bộ hòa trộn (hay bộ chế hóa khí) có họng venturi [8, 15] hay cung cấp LPG bằng cách phun LPG vào đường nạp [11, 16, 17], và phương pháp phun trực tiếp nhiên liệu LPG vào trong xilanh động cơ [18, 19, 20]. -22- a) Phương pháp cung cấp LPG vào đường nạp sử dụng bộ hòa trộn Hệ thống cung cấp LPG vào đường nạp sử dụng bộ hòa trộn có kết cấu rất đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp đặt và giá thành rất rẻ nên được sử dụng từ lâu giống như trên các động cơ gas nói chung. Ngày nay hệ thống này vẫn được sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trên các động cơ LPG chuyển đổi từ động cơ xăng truyền thống vì chỉ cần lắp thêm hệ thống này lên động cơ và khóa đường xăng lại là động cơ có thể chạy với nhiên liệu LPG. Hình 1.3 trình bày sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống cung cấp LPG kiểu này cùng với sơ đồ bộ hòa trộn có họng khuyếch tán kiểu ống venturi. Áp suất hơi LPG sau bộ giảm áp và hóa hơi dẫn vào bộ hòa trộn được duy trì ở giá trị ổn định bằng áp suất môi trường nên việc cung cấp nhiên liệu khí vào họng venturi hoàn toàn phụ thuộc vào kết cấu họng và lưu lượng không khí nạp đi qua họng (phụ thuộc chế độ làm việc của động cơ) tương tự như nguyên lý tạo hỗn hợp trong bộ chế hòa khí của động cơ xăng. Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống cung cấp LPG dùng ống venturi với lỗ khoan xung quanh họng Bộ hòa trộn trên hình 1.3 có chất lượng tạo hỗn hợp tốt, độ đồng nhất của hỗn hợp cao và đường dẫn nhiên liệu vào họng không làm cản trở dòng không khí nạp nên được sử dụng rộng rãi nhất. Một số kết cấu khác của bộ hòa trộn như giới thiệu trên các hình từ hình 1.4 đến 1.6. Các bộ hòa trộn này có thể đơn giản về kết cấu, tuy nhiên có một số nhược điểm. Ví dụ, bộ hòa trộn trên hình 1.4 và 1.6 có đường dẫn nhiên liệu nằm trong dòng khí nạp nên làm tăng tổn thất dòng khí nạp; bộ hòa trộn hình 1.5 có đường cấp nhiên liệu ở một phía của họng nên chất lượng hòa trộn nhiên liệu với không khí không tốt bằng họng khuyếch tán cấp nhiên liệu vào đều xung quanh họng. Các hệ thống cung cấp LPG và tạo hỗn hợp nhờ sử dụng bộ hòa trộn có các ưu điểm nổi bật là thiết kế, chế tạo, lắp đặt và điều chỉnh dễ dàng, giá thành rẻ nên dễ dàng áp dụng để chuyển đổi động cơ xăng hiện hành sang chạy LPG; mắt khác có thể sử dụng song song hoặc độc lập 2 loại nhiên liệu xăng và LPG tùy theo điều kiện sử dụng. Tuy nhiên, hệ thống cung cấp LPG sử dụng bộ hòa trộn cũng có nhược điểm như của bộ chế hòa khí trong động cơ xăng là có tổn thất khí động do sức cản của ống venturi và sự không đồng nhất của hỗn hợp giữa các xilanh. Điều này sẽ làm xấu đi các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ so với phương pháp phun LPG vào cửa nạp [15]. -23- Hình 1.4 Họng venturi với một đường LPG vào loại cùng chiều 1 - Bầu lọc gió; 2 - Đường ống dẫn khí gas; 3 – Bướm gas; 4 - Họng phun gas. Hình 1.5 Họng Venturi với một đường LPG vào loại trực giao Hình 1.6 Kết cấu bộ chế hòa khí dạng modul hóa 1 - Bướm ga; 2 - Đường ống dẫn gas; 3 - Cơ cấu điều khiển; 4 - Vít điều chỉnh. Hiện nay, để nâng cao chất lượng hệ thống cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp bằng phương pháp sử dụng bộ hòa trộn, người ta sử dụng phương pháp điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp bằng điện tử. Trên hệ thống cung cấp nhiên liệu này người ta trang bị thêm một van tiết lưu nhiên liệu điều khiển điện tử trên đường dẫn nhiên liệu LPG từ bộ giảm áp đến bộ hòa trộn như giới thiệu trên sơ đồ hình 1.7. Áp suất hơi của nhiên liệu sau bộ giảm áp được duy trì lớn hơn áp suất khí trời một chút. Van tiết lưu nhiên liệu được điều khiển mở to nhỏ nhờ bộ điều khiển điện tử để điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu LPG vào họng luôn phù hợp với chế độ làm việc của động cơ, tức là đảm bảo hệ số dư lượng không khí  luôn tối ưu ở các chế độ làm việc của động cơ. -24- Hình 1.7 Sơ đồ cung cấp LPG trên động cơ dùng bộ trộn và điều khiển điện tử 1- Bình nhiên liệu LPG; 2- Van điện từ đóng mở đường LPG; 3- Bộ giảm áp và hóa hơi; 4- Van tiết lưu điều khiển bằng điện tử;5- Bộ hòa trộn; 6- Bộ chế hòa khí xăng; 7- Van điện từ đóng mở đường xăng; 8- Bình xăng. b) Phương pháp phun LPG vào đường nạp Hình 1.8 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống phun LPG vào cửa nạp (hệ thống phun đa điểm). Nguyên lý điều khiển phun LPG đa điểm bằng điện tử hoàn toàn tương tự như của hệ thống phun xăng đa điểm. Chỉ có một điểm khác là các vòi phun LPG được bố trí trên một cụm và từ mỗi vòi phun này có một đường dẫn nhiên liệu khí tới cửa nạp của mỗi xilanh động cơ. Áp suất hơi sau bộ giảm áp và trước vòi phun được duy trì vào khoảng 1-2 kgf/cm2 tùy theo yêu cầu của mỗi hệ thống. Hệ phống phun LPG vào cửa nạp khắc phục được các nhược điểm của hệ thống cung cấp LPG dùng bộ hòa trộn mô tả ở trên. Hệ thống không bị tổn thất khí động qua họng khuyếch tán và lại đảm bảo định lượng chính xác và đều nhiên liệu giữa các xilanh nên tăng được công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải so với sử dụng bộ chế hòa khí hay bộ hòa trộn. Kết quả nghiên cứu so sánh đặc tính làm việc của động cơ sử dụng các hệ thống cấp nhiên liệu LPG khác nhau của tác giả Erkus và các cộng sự [15] cho thấy khi sử dụng hệ thống phun LPG vào đường nạp công suất động cơ tăng so với động cơ xăng dùng chế hòa khí và động cơ LPG dùng bộ trộn lần lượt là 31.07% và 29.86%. Tiêu thụ nhiên liệu giảm tương ứng 20.65% và 16.35%. Ở Việt Nam, các tác giả Phạm Quốc Thái, Phan Minh Đức, Nguyễn Văn Minh Trí - Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng [21] cũng đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phun LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức để chuyển đổi động cơ phun xăng điện tử DAEWOO A16 DMS để có thể chạy với một trong hai loại nhiên liệu xăng và LPG. Động cơ trang bị hai hệ thống cung cấp nhiên liệu xăng và LPG song song. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi sử dụng hệ thống phun LPG, mô men và hiệu suất của động cơ tăng trong phạm vi 4 % và mức độ phát thải CO, HC và NOx trong khí xả giảm so với khi dùng xăng ở mọi tốc độ và tải trọng khác nhau của động cơ. -25- Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống phun LPG vào cửa nạp điều khiển điện tử c) Phương pháp phun trực tiếp LPG vào trong xilanh động cơ Hệ thống phun trực tiếp LPG vào trong xilanh động cơ được mô tả trên hình 1.9 [19]. Nguyên lý làm việc của hệ thống phun trực tiếp LPG cũng tương tự hệ thống phun xăng trực tiếp GDI. LPG được cung cấp vào động cơ ở thể lỏng được phun tơi dưới áp suất cao qua vòi phun điện từ. Hỗn hợp nhiên liệu-không khí được tạo thành trong xilanh động cơ dưới dạng phân lớp hoặc đồng nhất tùy theo chế độ làm việc ít tải hay toàn tải của động cơ. Theo sơ đồ hình 1.9, LPG ở thể lỏng từ đáy bình chứa được bơm thấp áp hút và đẩy lên bơm cao áp dẫn động bằng cam ở trục cam. Tiếp theo, LPG được bơm lên đường cao áp đến vòi phun. Áp suất nhiên liệu cao áp được điều chỉnh ổn định nhờ bộ điều áp LPG nhận sự điều khiển từ ECU. ECU điều khiển mở vòi phun để phun nhiên liệu vào động cơ đảm bảo đúng thời điểm, đủ lượng phun phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ. Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống phun trực tiếp LPG vào trong xilanh động cơ [19] Bơm cao áp Đường LPG cao áp Vòi phun LPG Bu gi Bộ điều áp LPG Bình LPG Bơm thấp áp Cảm biến Chấp hành

Page 2