Nghiên cứu sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên động cơ diesel hiện hành

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 đ

-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

-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 Tường 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 tượng và phạm vi nghiên cứu 13

iii Nội dung nghiên cứu 13

iv Phương pháp nghiên cứu 13

v Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 14

vi Các nội dung chính của đề tài 14

CHƯƠNG 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 chương 1 35

CHƯƠNG 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 chương 2 76

CHƯƠNG 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 chương 3 98

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 99

4.1 Mục đích, đối tượng 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 chương 4 144

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 145

Kết luận 145

Hướng 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

 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

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

0

TK 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 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 4.5 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

-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 1.3 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 1.7 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 2.2 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 2.6 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

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

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến suất tiêu hao

Hình 2.11 Kết quả mô phỏng phát thải HC ở các chế độ tải và tỷ lệ LPG thay thế

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%

-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 3.4 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống cung cấp LPG 81

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 3.13 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 3.19 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối theo chuẩn RS232 89

-9-

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 3.32 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

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 4.36 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

-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 tượng 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 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và 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 1900o

C÷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:

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 ]

-26-

Hệ thống phun trực tiếp LPG cũng có tính ưu việt hơn hẳn các hệ thống cung cấp LPG vào đường nạp như của hệ thống phun xăng trực tiếp so với bộ chế hòa khí và phun xăng đa điểm về các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ Tuy nhiên, do kết cấu động cơ phun LPG trực tiếp phức tạp hơn nhiều so với động cơ cấp LPG vào đường nạp nên phương pháp phun trực tiếp LPG thường chỉ được sử dụng trên các động cơ LPG chế tạo mới mà ít được áp dụng cho các động cơ chuyển đổi nhiên liệu sử dụng

d) Các bộ linh kiện chuyển đổi động cơ đốt cháy cưỡng bức truyền thống sang chạy LPG

Như giới thiệu ở trên, có thể thấy công việc chính của việc chuyển đổi động cơ đốt cháy cưỡng bức chạy nhiên liệu truyền thống sang chạy nhiên liệu LPG là trang bị hệ thống cung cấp LPG cho động cơ, trong đó chủ yếu là dùng phương pháp cấp nhiên liệu LPG và tạo hỗn hợp trong đường ống nạp Do đó, một số hãng công nghệ đã sản xuất các

bộ linh kiện của hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG cho từng loại động cơ (được gọi là bộ kít chuyển đổi) Đây là bộ linh kiện vạn năng sử dụng được cho một số loại động cơ để giúp người sử dụng có thể mua về và tự lắp đặt lên động cơ của mình một cách dễ dàng Sau khi lắp đặt bộ linh kiện, chỉ cần điều chỉnh theo tài liệu hướng dẫn để đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của động cơ là được Hiện nay đa số các bộ linh kiện chuyển đổi thường hướng tới lắp đặt nhanh và điều chỉnh dễ dàng với giá thành chấp nhận được đối với đại đa số người sử dụng và đồng thời cho phép giữ nguyên hệ thống nhiên liệu xăng để

có thể chuyển đổi chạy xăng sang LPG và ngược lại LPG sang xăng nếu muốn

Các bộ phận chính của bộ linh kiện chuyển đổi gồm bình chứa LPG, van nạp, van điện từ, bộ giảm áp, bộ hòa trộn hoặc vòi phun và hệ thống điều khiển điện tử phun LPG Ngoài ra còn có các đường ống dẫn gas cao áp và thấp áp cùng các van và đồng hồ kiểm tra theo dõi… Ví dụ, một bộ linh kiện của hệ thống phun nhiên liệu LPG của hãng Magis 2 được chỉ ra trên hình 1.10 không kể bình gas

Hình 1.10 Hệ thống phun LPG vào đường nạp của hãng Magis 2

Các động cơ LPG – xăng trang bị bộ điều khiển cung cấp LPG bằng điện tử cho phép

tự động chuyển đổi sang chế độ cung cấp LPG sau khi có tín hiệu thích hợp về các thông

-27-

số làm việc của động cơ như nhiệt độ và tốc độ động cơ Ví dụ, động cơ được khởi động với nhiên liệu xăng cho dễ, sau khi ấm máy thì tự động chuyển sang chạy LPG và nếu trong quá trình vận hành mà hết LPG thì động cơ lại tự động chuyển sang chạy xăng

Ở Việt Nam, năm 2004-2005 Bùi Văn Ga [88, 89] đã nghiên cứu sử dụng LPG trên

xe máy và ô tô chạy xăng cỡ nhỏ và đã nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công bộ phụ kiện chuyển đổi các động cơ xăng này sang sử dụng LPG theo nguyên lý sử dụng bộ hòa trộn đảm bảo tính năng kinh tế kỹ thuật tốt

1.2.1.3 Đặc điểm làm việc và phát thải của động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức

Các nghiên cứu sử dụng nhiên liệu LPG cho động cơ đốt cháy cưỡng bức của các tác giả đều chỉ ra rằng nhiên liệu LPG rất thích hợp cho loại động cơ này Các động cơ xăng chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu LPG với việc cấp LPG dạng khí vào đường nạp bằng

bộ hòa trộn hay phun nhiên liệu vào cửa nạp đều có hàm lượng phát thải các thành phần độc hại thấp hơn đáng kể so với động cơ xăng nguyên thủy Đặc biệt là phát thải CO của động cơ LPG giảm đến 80% so với động cơ nguyên thủy chạy xăng như nghiên cứu của Murillo [2] và phát thải rắn và khói thấp hơn đến 60% so với động cơ chạy xăng như nghiên cứu của Lee và cộng sự [16] Sự giảm phát thải của động cơ chạy LPG đạt được là

do nhiên liệu LPG có tỷ lệ H/C cao hơn xăng, thêm nữa do LPG có tốc độ bay hơi cao hơn, hòa trộn tốt hơn với không khí và có tốc độ cháy cao hơn so với xăng làm cho nhiên liệu cháy kiệt hơn

Động cơ LPG có ưu điểm nữa so với động cơ xăng là có thể chạy tốt với hỗn hợp nhạt Điều đó giúp tăng tính kinh tế và giảm phát thải CO và HC như kết quả nghiên cứu của Ceviz và Yuksel [12] đã chỉ ra Tác giả đã nghiên cứu đặc tính làm việc và phát thải của động cơ chạy LPG so với chạy xăng ở hỗn hợp nhạt với hệ số dư lượng không khí từ

=1 đến =1,3 qua việc phân tích diễn biến áp suất khí thể trong xilanh của các chu trình công tác, tốc độ cháy, thời gian cháy, sự dao động về áp suất chỉ thị trung bình, và mức phát thải CO và HC của hai động cơ Kết quả cho thấy hỗn hợp càng nhạt thì mức độ dao động của áp suất cực đại trong xilanh và dao động của áp suất chỉ thị trung bình càng lớn

và thời gian cháy càng kéo dài Tuy nhiên với hỗn hợp nhạt, mức độ dao động của áp suất cực đại trong xilanh và dao động của áp suất chỉ thị trung bình của động cơ LPG nhỏ hơn nhiều so với động cơ xăng Tức là, ở hỗn hợp nhạt, động cơ LPG chạy ổn định hơn động

cơ xăng và thời gian cháy của động cơ LPG bị kéo dài ít hơn Phát thải CO và HC khi chạy với hỗn hợp có =1-1,3 của động cơ LPG trung bình thấp hơn phát thải CO, HC của động

cơ xăng lần lượt là 80% và 30%

Năm 2007 công ty ô tô Ngô Gia Tự cũng đã nghiên cứu thành công sử dụng LPG trên xe taxi và chỉ ra rằng chi phí nghiên liệu giảm đến 29% Tuy nhiên, do người sử dụng phương tiện chưa quen với việc sử dụng LPG nên đến năm 2010 việc sử dụng nhiên liệu này mới được triển khai rộng rãi Theo thông báo của Công ty dầu khí Cửu Long thuộc Tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam tính đến 10/2010 Công ty taxi dầu khí đã có trên 350

xe taxi của chuyển sang chạy LPG và dự kiến đến năm 2015 sẽ có trên 1500 xe taxi chạy LPG [90] Xe chạy LPG tiết kiệm đến 30% chi phí nhiên liệu và giảm đáng kể phát thải

CO và HC

-28-

Tuy nhiên, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng công suất của động cơ LPG chuyển đổi

từ động cơ xăng với việc cung cấp nhiên liệu khí vào đường nạp thường có công suất thấp hơn động cơ xăng nguyên thủy Nghiên cứu của Sulaiman và cộng sự [8] và của Bayraktar

và Durgun [9] cho thấy công suất động cơ chạy LPG giảm 3% đến 4% trong khi nghiên cứu của Murillo [2] thì cho thấy công suất động cơ LPG giảm đến 5%, còn Masi [11] thì chỉ ra công suất động cơ LPG thấp hơn đến 20% so với động cơ xăng, tốc độ càng cao thì mức độ chênh lệch công suất càng lớn Sự giảm công suất này là do khi nạp LPG dạng khí vào đường nạp thì lượng không khí nạp bị giảm nên tổng lượng hỗn hợp không khí nhiên liệu trong xilanh của động cơ LPG ít hơn của động cơ xăng Ngoài ra, đối với động cơ LPG sử dụng bộ hòa trộn còn có thêm tổn thất khí động qua họng khuyếch tán nữa

Để cải thiện công suất động cơ LPG khi chuyển đổi từ động cơ xăng, người ta đã sử dụng hệ thống cung cấp LPG kiểu phun vào cửa nạp Phương pháp này tuy có chi phí đắt hơn phương pháp dùng bộ hòa trộn nhưng giảm được tổn thất khí động và điều chỉnh chính xác hơn lượng nhiên liệu cấp đảm bảo kiểm soát tốt thành phần hỗn hợp theo mong muốn

Có thể sử dụng phương pháp phun nhiên liệu LPG ở dạng khí hoặc dạng lỏng Nghiên cứu phương pháp cấp LPG bằng bộ hòa trộn và phun nhiên liệu dạng khí vào cửa nạp của Erkus [15] cho thấy công suất động cơ sử dụng phun LPG cao hơn đáng kể so với trường hợp sử dụng bộ hòa trộn, đặc biệt là ở tốc độ cao, mức chênh lệch có thể đến 20% và suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn đến 10% Phương pháp phun LPG ở dạng lỏng vào cửa nạp [16] cho phép định lượng chính xác hơn lượng nhiên liệu phun đảm bảo chế độ làm việc tối ưu của tất cả các xilanh và đồng thời hạn chế sự giảm lượng khí nạp so với phun LPG dạng khí nên công suất động cơ lớn hơn và tiêu hao nhiên liệu nhỏ hơn Phát thải CO2 và

NOx cũng thấp hơn Tuy nhiên, động cơ phun LPG dạng lỏng vào cửa nạp có mức phát thải rắn và HC cao hơn Điều này là do chất lượng hòa trộn LPG lỏng với không khí kém hơn và nhiệt độ hỗn hợp thấp hơn so với phương pháp cấp nhiên liệu LPG dạng khí vào ống nạp, đặc biệt là phương pháp sử dụng bộ hòa trộn, nên quá trình cháy kém hơn Cho nên, xét về phát thải rắn và HC thì động cơ LPG sử dụng bộ hòa trộn có mức phát thải thấp nhất trong ba phương pháp vừa nêu

LPG rất dễ bay hơi và tính bay hơi của LPG phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và đặc điểm của bộ giảm áp và hóa hơi Do đó, việc sấy nóng nhiên liệu LPG ở bộ hóa hơi cũng ảnh lớn tới đặc điểm làm việc như công suất và phát thải của động cơ [11, 23] Các nghiên cứu đã chỉ ra nếu nhiệt độ bộ hóa hơi cao quá sẽ làm nhiên liệu khí nóng làm giảm lượng hỗn hợp nạp vào động cơ nên công suất động cơ thấp Tuy nhiên nếu nhiệt độ bộ hóa hơi quá thấp sẽ làm cho nhiên liệu LPG hóa hơi không hoàn toàn nên hòa trộn và tạo hỗn hợp không đồng nhất với không khí làm cho chất lượng quá trình cháy kém Điều này được thể hiện qua kết quả nghiên cứu của Masi [11] trên động cơ xăng chuyển đổi, cụ thể là nhiệt độ

bộ giảm áp và hóa hơi ở 25,6oC cho công suất động cơ lớn hơn so với trường hợp nhiệt độ

bộ hóa hơi ở 31,5oC và ở 12,7o

C

Một biện pháp khác để cải thiện công suất động cơ là sử dụng đồng thời một phần nhiên liệu xăng và một phần nhiên liệu LPG Kết quả nghiên cứu đặc tính làm việc của động cơ khi thay đổi tỷ lệ LPG/xăng cấp vào động cơ của Gumus [23] cho thấy càng tăng

tỷ lệ LPG thay thế thì phát thải CO, HC, CO2 càng giảm trong khi tỷ lệ LPG thay thế xăng

-29-

ở mức 25% cho hiệu suất nhiệt cao nhất và suất tiêu hao năng lượng và tiêu hao nhiên liệu thấp nhất Tăng tỷ lệ LPG thay thế thì công suất động cơ giảm nhưng với tỷ lệ LPG thay thế ở mức 25%, công suất động cơ hầu như không chênh lệch so với trường hợp chạy 100% xăng Tuy nhiên, phương pháp này chỉ giải quyết được mỗi việc là duy trì công suất động cơ không giảm so với động cơ nguyên thủy trong khi làm kết cấu động cơ phức tạp vì phải duy trì hoạt động đồng thời của hai hệ thống cung cấp nhiên liệu và không đạt được mục tiêu thay thế hoàn toàn xăng bằng LPG trên động cơ chuyển đổi Do đó phương pháp

sử dụng đồng thời xăng và LPG ít được sử dụng

Nói tóm lại, nhiên liệu LPG có trị số ốc tan cao, đặc tính bay hơi nhanh và hòa trộn tốt với không khí và có đặc tính cháy nhanh nên rất thích hợp để làm nhiên liệu thay thế trên động cơ đốt cháy cưỡng bức Việc chuyển đổi động cơ xăng sang sử dụng LPG cấp vào đường nạp khá đơn giản, dễ dàng, rẻ tiền và có tính kinh tế nhiên liệu cao và giảm được đáng kể lượng phát thải các thành phần độc hại CO và HC Tuy nhiên, công suất động cơ chuyển đổi bị giảm nên có thể ảnh hưởng đến việc sử dụng động cơ khi cần công suất lớn

1.2.2 Các nghiên cứu sử dụng LPG cho động cơ diesel

Động cơ diesel được sử dụng rất phổ biến, mặc dù tổng số lượng ít hơn động cơ xăng nhưng tổng công suất có thể lớn hơn nhiều vì động cơ diesel thường được sử dụng trên các phương tiện vận tải công suất lớn và các trang bị động lực khác Ở Việt Nam theo thống kê năm 2007, số lượng ô tô trang bị động cơ diesel chiếm khoảng 22% tổng số ô tô đang hoạt động Tuy nhiên, tỷ lệ phương tiện trang bị động cơ diesel ngày càng tăng Theo quyết định 356 QĐ-TTg ngày 25-2-2013 của Thủ tướng Chính phủ về điều chỉnh quy hoạch phát triển giao thông vận tải đường bộ đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 [91], đến năm 2020, định hướng phát triển phương tiện vận tải gồm ô tô các loại có khoảng 3,2 - 3,5 triệu xe, trong đó xe con 57%, xe khách 14% và xe tải 29% ( 2 loại xe khách và xe tải hầu hết là trang bị động cơ diesel) và khoảng 36 triệu xe máy Như vậy, số lượng động cơ diesel đến năm 2020 có thể lên đến trên 1,5 triệu chiếc Số lượng và tỷ lệ động cơ diesel ngày càng tăng do động cơ diesel có ưu điểm nổi trội là tính kinh tế nhiên liệu cao hơn động cơ xăng do hiệu suất cao hơn, suất tiêu hao nhiên liệu thấp hơn và giá nhiên liệu rẻ hơn [24, 25] Tuy nhiên, động cơ diesel có mức phát thải khói bụi (phát thải rắn) khá cao [26] Do đó, đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay thế có mức phát thải thấp hơn như nhiên liệu LPG cho động cơ diesel để thay thế một phần nguồn nhiên liệu diesel đang cạn dần và đồng thời giảm phát thải cho động cơ trong khi vẫn tận dụng được tính ưu việt về hiệu suất cao và tiêu hao nhiên liệu thấp của loại động cơ này [27-32].Việt Nam có số lượng động cơ diesel không nhỏ nên việc nghiên cứu sử dụng LPG trên các động cơ này sẽ có ý nghĩa kinh tế xã hội rất cao đối với việc giảm tiêu thụ nhiên liệu truyền thống và bảo vệ môi trường

1.2.2.1 Phương pháp cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong động cơ LPG/diesel

Do nhiên liệu LPG có trị số octan cao và số Cetan thấp, nhiệt độ tự cháy cao (788K)

so với nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu diesel (525K) nên LPG khó có thể được sử dụng theo cách thức tự cháy do nén thông thường như nhiên liệu diesel và thay thế hoàn toàn

-30-

nhiên liệu diesel trong động cơ diesel hiện hành được [27, 29] Do đó, LPG thường được

sử dụng để thay thế một phần nhiên liệu diesel trên động cơ này, tức là động cơ diesel sẽ hoạt động đồng thời với một phần nhiên liệu LPG và một phần nhiên liệu diesel và được gọi là động cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel Việc cung cấp lưỡng nhiên liệu LPG/diesel được thực hiện theo cách hoặc là LPG được tạo hỗn hợp trước với không khí còn nhiên liệu diesel được phun vào cuối quá trình nén để khởi tạo quá trình cháy [27, 28,

29] hoặc LPG được hòa trộn ở trạng thái lỏng với nhiên liệu diesel ở bên ngoài động cơ rồi hỗn hợp nhiên liệu LPG/diesel được phun vào động cơ và được đốt cháy nhờ nhiên liệu diesel tự cháy

a) Phương pháp phun trực tiếp lưỡng nhiên liệu LPG/diesel vào xilanh động cơ

Phương pháp phun trực tiếp lưỡng nhiên liệu nhiên liệu LPG/diesel vào các xilanh động cơ có tính ưu việt nổi bật là có thể định lượng chính xác và đều các thành phần nhiên liệu vào các xilanh giúp kiểm soát tối ưu thành phần hỗn hợp ở tất cả các xilanh Việc phun trực tiếp LPG và diesel có thể được thực hiện riêng rẽ, trong đó việc phun LPG được thực hiện ở đầu hành trình nén để tạo hỗn hợp đồng nhất với không khí trong xilanh trước khi nhiên liệu diesel được phun vào để khởi tạo quá trình cháy Tuy nhiên, trong trường hợp này sẽ phải bố trí lắp đặt hai hệ thống phun nhiên liệu cao áp vào trong xilanh Điều này làm phức tạp không những về kết cấu của hệ thống cung cấp nhiên liệu mà cả của nắp xilanh nên rất khó khả thi đối với việc chuyển đổi các động cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel Do vậy, các nhà nghiên cứu thường sử dụng phương pháp hòa trộn nhiên liệu LPG với diesel rồi phun hỗn hợp nhiên liệu này vào không khí nén có nhiệt độ cao trong xilanh động cơ ở cuối quá trình nén [30, 31, 32] Khi đó, nhiên liệu diesel sẽ tự bốc cháy tạo mồi lửa đốt cháy tiếp nhiên liệu LPG Phương pháp cấp nhiên liệu này có thể giảm được xu thế kích nổ so với phương pháp tạo hỗn hợp LPG-không khí bên ngoài vì hỗn hợp LPG-không khí không bị nén trước Do đó, có thể tăng được tỷ lệ LPG thay thế cao hơn so với trường hợp tạo hỗn hợp trong đường ống nạp Đặc tính làm việc của động cơ cũng sẽ được cải thiện Kết quả nghiên cứu của Donghui và cộng sự [30] khi

sử dụng 10% LPG và 30% LPG trong hỗn hợp nhiên liệu LPG/diesel cho thấy, với tỷ lệ LPG cao hơn thì áp suất cực đại trong xilanh đạt được cao hơn và công suất động cơ cũng cao hơn Thêm nữa, tăng tỷ lệ LPG thì thành phần phát thải Smoke, NOx và CO giảm nhưng HC tăng Cũng với phương pháp này, Qi và cộng sự [31, 32] đã nghiên cứu đánh giá đặc điểm của quá trình cháy và phát thải khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu LPG và diesel bằng bộ trộn LPG và diesel bên ngoài xilanh sau đó phun trực tiếp vào xilanh động cơ với

tỷ lệ LPG trong hỗn hợp là 10%, 20%, 30%, 40% Kết quả cho thấy, ở tốc độ thấp, áp suất cực đại trong xilanh đạt được tương tự như sử dụng hoàn toàn diesel Tuy nhiên ở tốc độ

và tải cao, quá trình cháy trở lên kém hơn, thời gian cháy kéo dài do số xê tan của LPG thấp, dẫn đến hiệu suất động cơ giảm và tiêu hao nhiên liệu tăng khi tăng tỷ lệ LPG Thành phần CO tăng nhẹ ở chế độ tải thấp và giảm ở tải cao trong khi thành phần HC tăng theo tỷ

lệ LPG trong hỗn hợp nhiên liệu

Có thể nói, phương pháp cung cấp hỗn hợp LPG/diesel trực tiếp vào xilanh đã đem lại lợi ích giảm phát thải khói bụi và NOx cho động cơ Tuy nhiên, việc hòa trộn và phun trực tiếp hỗn hợp nhiên liệu lỏng LPG và diesel vào trong xilanh động cơ cũng khá phức

b) Phương pháp cấp và tạo hỗn hợp LPG-không khí trong đường nạp

Phương pháp cấp nhiên liệu khí hay LPG vào đường ống nạp, tạo hỗn hợp với không khí rồi nạp vào xilanh còn nhiên liệu diesel thì được phun vào cuối kỳ nén để khởi tạo quá trình cháy được thực hiện rộng rãi nhất trong các động cơ lưỡng nhiên liệu khí-diesel nói chung [33] cũng như động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel nói riêng [27] Lý do là thiết bị cung cấp nhiên liệu khí vào đường nạp đã được sử dụng phổ biến trong các động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức và rất sẵn có trên thị trường, lắp đặt dễ dàng, chi phí thấp trong khi không phải thay đổi kết cấu động cơ Còn đối với hệ thống cung cấp phun nhiên liệu diesel cao áp vào động cơ thì chỉ cần điều chỉnh giảm lượng nhiên liệu phun theo tính toán ở mỗi chế độ làm việc Trong hệ thống cấp nhiên liệu này, LPG được cấp và tạo hỗn hợp với không khí trong đường nạp của động cơ rồi nạp vào xilanh tương tự như phương pháp cung cấp LPG vào đường nạp của động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức đã nói ở trên Do đó, môi chất trong quá trình nén của động cơ là hỗn hợp không khí và nhiên liệu LPG ở trạng thái hơi Cuối quá trình nén, hỗn hợp nhiên liệu không khí đã ở trạng thái đồng nhất có nhiệt độ và áp suất cao nhưng không tự cháy được do nhiệt độ tự cháy của LPG lớn hơn nhiệt độ của hỗn hợp trong quá trình nén [29] Khi đó nhiên liệu diesel được phun vào, tự bốc cháy và làm mồi lửa đốt cháy tiếp nhiên liệu LPG trong hỗn hợp với không khí Thiết bị cung cấp LPG vào đường nạp có thể sử dụng bộ hòa trộn hoặc thiết bị phun LPG vào cửa nạp tương tự như thiết bị cấp LPG vào đường nạp của động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức được giới thiệu trên hình 1.3, hình 1.7 và hình 1.8 Tuy nhiên, bộ hòa trộn ít được sử dụng vì gây tổn thất khí nạp, thêm nữa, bộ hòa trộn cơ khí không giúp được việc thay đổi lượng nhiên liệu LPG cấp vào theo tải vì lưu lượng khí nạp trong động cơ diesel ít thay đổi theo tải Hệ thống phun LPG dễ dàng định lượng chính xác lượng nhiên liệu phun theo tải nên được sử dụng rộng rãi hơn trong các động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel Khác với động cơ LPG đốt cháy cưỡng bức thường có hệ số dư lượng không khí gần bằng 1, trong động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, tổng nhiên liệu LPG và diesel được cung cấp cần đảm bảo hệ số dư lượng không khí chung >1 (thường là >1,2) [33] để nhiên liệu có thể cháy hết vì hỗn hợp cháy là không đồng nhất Trong động cơ này, tỷ lệ LPG thay thế diesel tối đa thường bị giới hạn bởi sự cháy kích nổ vì sự cháy kích nổ của

-32-

nhiên liệu LPG phụ thuộc vào nhiệt độ hỗn hợp và hàm lượng của LPG trong hỗn hợp trước khi cháy [34, 35]

1.2.2.2 Đặc tính làm việc và phát thải của động cơ LPG/diesel cấp LPG vào ống nạp

Mục tiêu chính của việc sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trong động cơ diesel là

sử dụng nguồn nhiên liệu tiềm năng có giá thành rẻ và ít gây ô nhiễm để làm nhiên liệu thay thế một phần cho nhiên liệu diesel đang cạn kiệt trên các động cơ diesel hiện hành và giảm phát thải gây ô nhiễm môi trường Trong mọi trường hợp sử dụng nhiên liệu thay thế, yêu cầu đặt ra là động cơ phải làm việc ổn định và đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật mong muốn trong các điều kiện nhất định Chính vì vậy đã có nhiều công trình nghiên cứu

về quá trình cháy của động cơ cũng như đánh giá tính năng làm việc và phát thải của động

cơ khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trong các điều kiện vận hành khác nhau nhằm đánh giá đặc tính làm việc và đưa ra được phương pháp cấp nhiên liệu phù hợp, xác định được các thông số điều chỉnh tối ưu và điều kiện vận hành hợp lý của động cơ Các vấn đề chính được các nhà nghiên cứu quan tâm là nghiên cứu quá trình cháy cũng như đặc tính làm việc và phát thải của động cơ để đánh giá xem:

- Động cơ diesel hiện hành có vận hành bình thường được với lưỡng nhiên liệu diesel không, quá trình cháy của động cơ diễn ra như thế nào [27, 33, 34, 36, 37]

khí Ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến công suất, hiệu suất, suất tiêu hao nhiên liệu

và phát thải của động cơ như thế nào [29, 36]

- Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu LPG đến các tính năng làm việc và phát thải của động cơ như thế nào [17, 28]

- Các thông số kỹ thuật của động cơ (kết cấu, tốc độ, tải, góc phun sớm…) ảnh hưởng thế nào đến đặc tính làm việc của động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel [33, 38]

- Các thông số điều chỉnh của động cơ cần thay đổi thế nào khi chuyển từ động cơ chạy nhiên liệu diesel sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel [33]

Các tác giả đã thực hiện việc nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên các mẫu động cơ khác nhau với các điều kiện vận hành và thí nghiệm cũng như tỷ lệ nhiên liệu khí LPG khác nhau và có các kết quả đánh giá như sau:

a) Đặc điểm quá trình cháy

Nghiên cứu về quá trình cháy của động cơ sử dụng lưỡng nhiên liệu khí-diesel nói chung và LPG/diesel nói riêng, các tác giả đã có một số nhận định khác nhau về diễn biến quá trình cháy liên quan đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ Goldsworthy [34] đã nghiên cứu thực nghiệm diễn biến quá trình cháy của động cơ diesel tăng áp tàu thủy kiểu common rail sử dụng lưỡng nhiên liệu propan-diesel với hệ thống cấp propan vào đường nạp và hệ thống điều khiển phun nhiên liệu diesel bằng điện tử phun hai lần Đặc điểm của

hệ thống điều khiển phun nhiên liệu diesel trên động cơ này là tự động thay đổi thời điểm phun ở giai đoạn phun chính theo tốc độ và lượng nhiên liệu phun ở mỗi chu trình, giảm lượng nhiên liệu phun thì thời điểm phun chính sẽ tự động được điều chỉnh muộn đi Khi nghiên cứu ở mỗi chế độ tải và tốc độ, tác giả thay đổi tỷ lệ năng lượng nhiệt của propan trên tổng năng lượng nhiệt của diesel và propan trong khi giữ tổng năng lượng này bằng

-33-

năng lượng của diesel khi động cơ chạy chỉ với diesel Xét về đặc điểm quá trình cháy lưỡng nhiên liệu, tác giả đã chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ propan thay thế, thời điểm cháy chính bắt đầu sớm hơn và áp suất cực đại trong xilanh cũng tăng lên, tốc độ cháy và tỏa nhiệt cũng tăng lên Nghiên cứu chi tiết về thời gian cháy trễ, tác giả đã chỉ ra rằng khi tăng tỷ lệ propan thay thế thì thời gian cháy trễ của phần nhiên liệu diesel phun lần thứ nhất tăng một chút Tuy nhiên, tốc độ cháy sau khi phun lần thứ hai tăng nhanh làm cho thời điểm cháy chính diễn ra sớm hơn và do đó tốc độ tăng áp suất và áp suất cực đại tăng lên cao hơn so với động cơ chạy chỉ với nhiên liệu diesel

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm động cơ LPG/diesel ở toàn tải của Negurescu [27] cũng cho kết quả tương tự kết quả công bố của Goldsworthy, khi tăng tỷ lệ LPG thay thế lên 18,3%, áp suất khí thể cực đại tăng lên 150bar so với 130bar của trường hợp động cơ chạy chỉ với nhiên liệu diesel

Lata và cộng sự [29, 36, 37] nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên động cơ diesel tăng áp công suất 62,5 kW dùng cho máy phát điện lại chỉ ra kết quả ngược lại so với kết quả nghiên cứu của Goldsworthy [34] ở tỷ lệ LPG thay thế nhỏ Lata [37] chỉ

ra rằng khi tăng tỷ lệ LPG thay thế từ 0 đến khoảng 30% thì thời gian cháy trễ của động cơ lưỡng nhiên liệu tăng Tuy nhiên sau đó nếu tiếp tiếp tục tăng LPG thì thời gian cháy trễ giảm Ở tải nhỏ và tỷ lệ LPG thay thế thấp thì thời gian cháy lưỡng nhiên liệu dài hơn và

áp suất khí thể thấp hơn so với động cơ chạy diesel nhưng ở tỷ lệ LPG thay thế cao đến 40% thì thời gian cháy trễ và thời gian cháy chính của lưỡng nhiên liệu ngắn hơn so với diesel và áp suất cực đại khi đó cao hơn so với động cơ chạy diesel đến 5%

Đối với động cơ lưỡng nhiên liệu khí thiên nhiên-diesel một số nhà nghiên cứu chỉ ra rằng ở mọi chế độ tải khi tăng tỷ lệ nhiên liệu khí thay thế thì thời gian cháy trễ của nhiên liệu diesel phun vào tăng lên do hàm lượng ôxy bị giảm và nhiệt độ môi chất trong quá trình nén thấp hơn của động cơ diesel, thời gian cháy chính cũng tăng lên và áp suất khí thể giảm [39]

b) Giới hạn tỷ lệ LPG thay thế gây cháy kích nổ

Về hiện tượng cháy kích nổ, Goldsworthy [34] chỉ ra rằng ở tải cao khi tăng tỷ lệ propan thay thế lên trên 20%, tốc độ tăng áp suất bắt đầu tăng mạnh và sau đó xuất hiện tiếng gõ Ví dụ như ở tỷ lệ propan thay thế 20%, tốc độ tăng áp suất vào khoảng 17 bar/độ góc quay trục khuỷu, nhưng với tỷ lệ propan thay thế là 26% và 35% thì tốc độ tăng áp suất lần lượt là 19 bar/độ và 58 bar/độ góc quay trục khuỷu và tiếng gõ kích nổ rất mạnh Theo Bradley [40] thì kích nổ thường xảy ra khi tốc độ tăng áp suất khí thể lớn hơn 10 bar/độ góc quay trục khuỷu Cho nên có thể nói trong nghiên cứu của Goldsworthy [34] ở

tỷ lệ propan thay thế 26% và 35%, hiện tượng cháy kích nổ đã xảy ra mạnh Negurescu [27] cũng cho rằng ở toàn tải tỷ lệ LPG thay thế tăng đến 25% là bắt đầu xuất hiện kích nổ trong khi nghiên cứu của Lata và cộng sự [29, 36] cho thấy với tỷ lệ LPG thay thế tăng đến trên 50% kích nổ vẫn chưa xuất hiện

c) Hiệu suất của động cơ

Về hiệu suất của động cơ, Goldsworthy [34] chỉ ra rằng với tỷ lệ propan thay thế tính theo phần trăm tổng năng lượng (diesel và propan) cấp vào tăng từ 0 đến 20%, hiệu suất

-34-

nhiệt của động cơ được cải thiện dần và đạt khoảng 2-2,5% ở tỷ lệ propan thay thế cao ở toàn tải Việc sử dụng lưỡng nhiên liệu ở tải nhỏ hầu như không có cải thiện về hiệu suất nhiệt Sự tăng hiệu suất động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel ở toàn tải cũng được Lata và cộng sự [29] chỉ ra Tác giả cho thấy hiệu suất chỉ thị và hiệu suất có ích của động cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel ở tải lớn với tỷ lệ LPG thay thế đến 40% (tính theo năng lượng) đều cao hơn so với hiệu suất động cơ khi chạy với chỉ nhiên liệu diesel Mức tăng hiệu suất nhiệt so với khi chạy chỉ với nhiên liệu diesel đạt được khoảng 6% ở tỷ lệ LPG thay thế 40% Tuy nhiên, ở các chế độ tải nhỏ và trung bình thì hiệu suất động cơ chạy với lưỡng nhiên liệu thấp hơn động cơ chạy diesel

d) Đặc điểm phát thải

Kết quả nghiên cứu về phát thải NOx của Goldsworthy [34] cho thấy khi tăng tỷ lệ propan thì phát thải NOx giảm Ở tải lớn và toàn tải, NOx giảm nhẹ khi tăng tỷ lệ propan nhưng ở tải nhỏ thì NOx giảm mạnh khi tăng tỷ lệ propan Điều này được tác giả giải thích

là do khi tăng tỷ lệ propan thì hàm lượng ôxy trong hỗn hợp cháy bị giảm một chút và thể tích chùm tia phun nhiên liệu diesel cũng giảm làm giảm các điều kiện tạo thành NOx vì

NOx chủ yếu tạo ra ở vùng cháy của nhiên liệu diesel với ôxy Nghiên cứu của Saleh [28]

và của Lata và công sự [29] về động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel cũng chỉ ra sự giảm

NOx và khói khi tăng tỷ lệ LPG thay thế Tuy nhiên, nghiên cứu của Alla và cộng sự [41] lại chỉ ra rằng trong động cơ lưỡng nhiên liệu propan-diesel khi tăng tỷ lệ propan thay thế thì hàm lượng phát thải NOx tăng với sự giải thích là propan cháy có nhiệt độ cao làm tăng phản ứng của nitơ và ôxy

Về phát thải HC trong động cơ lưỡng nhiên liệu khí-diesel nói chung hay LPG/diesel nói riêng, hầu hết các nhà nhiên cứu đều chỉ ra rằng phát thải HC tăng khi tăng tỷ lệ nhiên liệu khí thay thế, đặc biệt là ở chế độ tải nhỏ, HC tăng mạnh khi tăng tỷ lệ nhiên liệu khí thay thế [29, 34, 39] Phát thải HC (g/kWh) ở tải thấp cao hơn rất nhiều so với phát thải

HC ở tải cao khi cùng tỷ lệ nhiên liệu khí Tuy nhiên, Negurescu [27] lại báo cáo HC giảm trong kết quả thí nghiệm của mình ở chế độ toàn tải khi tăng tỷ lệ LPG

Về phát thải CO, theo kết quả nghiên cứu của Goldsworthy [34] phát thải CO tăng khi tăng tỷ lệ propan thay thế Mức độ tăng CO theo tỷ lệ propan thay thế gần giống nhau ở các chế độ tải Tuy nhiên khác với xu hướng thay đổi so với HC là phát thải CO (g/kWh) ở tải cao thường cao hơn so với phát thải CO ở tải thấp Kết quả tương tự cũng được khẳng định trong nghiên cứu động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel của Lata và cộng sự [29] và nghiên cứu động cơ lưỡng nhiên liệu khí thiên nhiên-dieselcủa Papagiannakis [39] Gibson [42] giải thích sự tăng CO theo tỷ lệ nhiên liệu khí thay thế và theo tải trong động cơ lưỡng nhiên liệu khí-diesel là do CO được tạo thành chủ yếu từ nhiên liệu khí trong vùng tia phun nhiên liệu diesel hoặc giáp với tia phun

Đặc tính làm việc và phát thải của động cơ LPG/diesel còn phụ thuộc vào thành phần của nhiên liệu LPG Thành phần chính của LPG là propan và butan, tỷ lệ giữa chúng có thể khác nhau ở các mẫu nhiên liệu khác nhau Elnajjar và cộng sự [17] nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của thành phần của LPG đến đặc tính làm việc của động cơ LPG/diesel và chỉ ra rằng tỷ lệ thành phần propan/butan (P/B) có ảnh hưởng ít đến công

-35-

suất, hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Mẫu nhiên liệu LPG có tỷ lệ P/B = 25% cho hiệu suất nhiệt cao hơn một chút so với các nhiên liệu có thành phần P/B khác Mẫu nhiên liệu LPG với 100% butan giúp động cơ chạy êm nhất Về ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần P/B đến tính năng làm việc và phát thải của động cơ LPG, Saleh [28] chỉ ra rằng LPG có tỷ lệ P/B = 40% cho hiệu suất nhiệt cao nhất Tăng tỷ lệ P/B thì phát thải CO giảm còn giảm P/B thì NOx giảm Điều này hoàn toàn phù hợp với cơ chế động lực học tạo thành CO và NOx trong động cơ

e) Nghiên cứu giảm phát thải

Để giảm phát thải, một số nhà nghiên cứu đã bổ sung H2 vào đường nạp cùng LPG [29] H2 có đặc tính cháy nhanh và cháy kiệt sẽ giúp mở rộng giới hạn cháy cho hỗn hợp LPG/không khí để cải thiện quá trình cháy diesel và LPG Kết quả nghiên cứu cho thấy :

- Càng tăng tỷ lệ hydro trong hỗn hợp hydro và LPG thì áp suất lớn nhất trong xilanh càng giảm do không khí nạp bị giảm

- Hỗn hợp diesel – LPG, diesel – LPG – hydro, diesel – hydro đều cho quá trình cháy sớm hơn so với khi sử dụng hoàn toàn nhiên liệu diesel

- Sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/hỗn hợp hydro – LPG cho phép giảm thành phần

HC, NOx và độ khói ở chế độ tải trọng cao

- Kích nổ xảy ra ở tải lớn khi tỷ lệ LPG tăng cao

- Ở trên 35% tải, trường hợp khi sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/hỗn hợp hydro – LPG cho kết quả về tính kinh tế kỹ thuật và phát thải là tốt nhất, trong đó hỗn hợp hydro – LPG trong nhiên liệu đạt tối đa 40%

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên động cơ diesel chưa được quan tâm nhiều do đặc tính làm việc của động cơ phụ thuộc vào nhiều thông số mà cần phải nghiên cứu sâu và bài bản để xác định được các thông số điều chỉnh tối ưu Năm 2007 Công ty cơ khí Ngô Gia Tự đã thực hiện đề án: ―Nghiên cứu sử dụng khí hoá lỏng cho xe buýt thành phố vì mục đích bảo vệ môi trường‖ trong đó đã nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel cho xe buýt 22 chỗ trang bị động cơ diesel Kết quả nghiên cứu cho thấy sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel giảm được chi phí nhiên liệu chung (theo giá nhiên liệu năm 2007) và giảm được độ khói của xe Tuy nhiên, nghiên cứu này mới ở mức sơ bộ với tỷ lệ LPG thay thế thấp (dưới 19%) và chưa đánh giá được ảnh hưởng của LPG đến các thành phần phát thải khí của xe cũng như chưa đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến đặc tính kinh tế, kỹ thuật của xe

1.3 Kết luận chương 1

Việc sử dụng LPG làm nhiên liệu thay thế trên các động cơ xăng đã trở nên phổ biến

và đem lại hiệu quả lớn về kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải bảo vệ môi trường Công nghệ chuyển đổi khá đơn giản và việc vận hành động cơ LPG cũng dễ dàng

Với số lượng đáng kể và thị phần cao về tổng công suất của động cơ diesel so với động cơ xăng và đặc điểm phát thải khói bụi cao của động cơ diesel thì việc nghiên cứu sử dụng nhiên liệu LPG trên động cơ diesel có ý nghĩa kinh tế và thực tiễn cao

-36-

Nhiên liệu LPG không thể sử dụng được theo cách thức tự cháy do nén thông thường như nhiên liệu diesel và thay thế hoàn toàn nhiên liệu diesel được nên LPG thường được sử dụng trên động cơ diesel hiện hành theo cách kết hợp với nhiên liệu diesel gọi lad lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

Đã có khá nhiều công trình nghiên cứu về việc sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel trên động cơ diesel Các nhà nghiên cứu đã đưa ra các nhận định chung như sau:

- Việc cấp lưỡng nhiên liệu bằng phương pháp phun LPG dạng khí vào đường ống nạp của động cơ, hòa trộn với không khí rồi nạp vào xilanh để tạo hỗn hợp đồng nhất trong xilanh trước khi nhiên liệu diesel được phun là phù hợp đối với các động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

- Ở toàn tải với tỷ lệ LPG thay thế dưới 25%, động cơ làm việc êm dịu, quá trình cháy diễn ra qua ghi nhận đồ thị diễn biến áp suất thấy không thay đổi nhiều Nếu tăng tỷ

lệ LPG thay thế lên cao hơn sẽ dẫn đến tăng tốc độ cháy và áp suất cực đại trong xilanh và

có xu hướng xuất hiện kích nổ

- Phát thải khói bụi và NOx giảm đáng kể khi sử dụng LPG; tỷ lệ LPG thay thế càng lớn thì mức giảm khói bụi càng nhiều

- Phát thải HC và CO lớn hơn phát thải của động cơ diesel; tỷ lệ LPG thay thế càng tăng thì phát thải HC càng lớn

Tuy nhiên, một số nghiên cứu đưa ra các kết quả rất khác nhau xung quanh một số vấn đề như sau:

- Về hiện tượng cháy kích nổ: Hiện tượng kích nổ xảy ra khi tăng tỷ lệ LPG thay thế đến mức nhất định, tuy nhiên các tỷ lệ LPG thay thế giới hạn xảy ra kích nổ được các tác giả chỉ ra rất khác nhau, thay đổi từ 20% đến trên 50% nên người sử dụng không xác định được nên giới hạn ở tỷ lệ nào là thích hợp

- Ảnh hưởng của LPG đến thời gian cháy trễ, thời gian cháy chính, tốc độ cháy ở tải nhỏ và trung bình được công bố khác nhau Một số tác giả cho rằng LPG làm tăng tốc độ cháy dẫn đến áp suất cực đại tăng, một số khác lại cho rằng LPG làm giảm nhiệt độ môi chất ở kỳ nén và giảm ôxy dẫn đến tăng thời gian cháy trễ, thời gian cháy chính, dẫn đến làm giảm áp suất khí thể cực đại và do vậy làm giảm hiệu suất nhiệt của động cơ Các nhận định trái chiều nhau này làm khó cho cho người sử dụng trong việc xác định hướng điều chỉnh tỷ lệ LPG thay thế và góc phun sớm tối ưu khi chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

- Phát thải NOx: Đa số tác giả công bố kết quả phát thải này giảm nhưng một số khác lại cho rằng NOx tăng khi tăng tỷ lệ LPG thay thế

- Phát thải CO: Đa số tác giả công bố CO tăng nhưng một số lại cho rằng CO giảm khi tăng tỷ lệ LPG

Các nghiên cứu của các tác giả về cùng một vấn đề nhưng lại cho kết quả khác nhau như đã đề cập và phân tích ở trên là do động cơ thí nghiệm và các điều kiện vận hành động

cơ trong thí nghiệm khác nhau Từ đó có thể kết luận rằng ảnh hưởng của tỷ lệ LPG thay thế đến các đặc tính làm việc và phát thải của động cơ như kích nổ, phát thải, góc phun

-37-

sớm tối ưu … phụ thuộc rất nhiều vào loại và kết cấu động cơ, thành phần nhiên liệu sử dụng, phương pháp cấp nhiên liệu LPG và điều kiện vận hành động cơ

Chính vì vậy, việc nghiên cứu sâu để làm rõ hơn ảnh hưởng của tỷ lệ LPG trên động

cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel đến đặc tính làm việc và phát thải của động cơ là rất cần thiết để xác định được các thông số điều chỉnh hợp lý giúp cho việc chuyển đổi hiệu quả động cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel Các vấn đề cần được nghiên cứu làm rõ thêm gồm:

- Ảnh hưởng của LPG thay thế đến diễn biến quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và phát thải của các động cơ khác nhau

- Tỷ lệ LPG thay thế lớn nhất có thể sử dụng;

- Các thông số điều chỉnh tối ưu như góc phun sớm tối ưu khi sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel ở các tỷ lệ thay thế khác nhau và việc điều chỉnh cấp LPG phù hợp với các chế độ làm việc của động cơ

-38-

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY

VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI TRONG ĐỘNG CƠ

LPG/DIESEL

2.1 Mở đầu

Như đã nói ở chương 1, việc nghiên cứu sử dụng các nhiên liệu khí, đặc biệt là LPG, trong động cơ diesel như một lưỡng nhiên liệu khí/diesel với cách thức cung cấp và tạo hỗn hợp đồng nhất của nhiên liệu khí-không khí từ bên ngoài vào xilanh còn nhiên liệu diesel được sử dụng làm nhiên liệu phun mồi đang ngày càng được quan tâm Mục đích của việc nghiên cứu sử dụng lưỡng nhiên liệu trong động cơ diesel là để giảm phát thải khói bụi và thay thế một phần nhiên liệu diesel truyền thống đang ngày càng cạn kiệt [17,

43] Tuy nhiên, để đạt được mục đích này khi sử dụng nhiên liệu LPG trong động cơ diesel cần phải hiểu rõ sự hình thành hỗn hợp và cháy của lưỡng nhiên liệu này trong động cơ vì quá trình cháy trong động cơ lưỡng nhiên liệu khí/diesel rất phức tạp do có sự kết hợp quá trình tự cháy của nhiên liệu diesel với quá trình cháy lan tràn màng lửa của nhiên liệu khí [44] Thực vậy, quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu diesel trong hỗn hợp đồng nhất của nhiên liệu LPG với không khí bị thay đổi rất nhiều so với trong động cơ diesel truyền thống [45, 46] Các vấn đề nói trên phụ thuộc nhiều vào tác động tương hỗ giữa chùm tia phun nhiên liệu diesel và chuyển động rối của môi chất trong xilanh, sự cháy hỗn hợp LPG-không khí và bản chất động học phản ứng cháy của các thành phần nhiên liệu diesel và thành phần LPG trong hỗn hợp Do đó, việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết để có cái nhìn toàn diện về bản chất của các quá trình này trong động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel là rất cần thiết để thực hiện hiệu quả việc nghiên cứu chuyển đổi động cơ diesel hiện hành sang sử dụng lưỡng nhiên liệu LPG/diesel Việc nghiên cứu đơn thuần bằng khảo nghiệm động cơ trên băng thử khó có thể đạt được mục tiêu này với kinh phí hạn hẹp

Việc nghiên cứu phát triển các mô hình mô phỏng toàn diện về hoạt động của động

cơ lưỡng nhiên liệu cho đến nay vẫn còn rất hạn chế, chủ yếu do đặc điểm quá trình cháy của lưỡng nhiên liệu khí/diesel quá phức tạp Đến nay, cũng đã có một số nghiên cứu về chủ đề này nhưng thường giới hạn ở một số chế độ làm việc nhất định của động cơ Ví dụ như, mô hình một vùng của Thyagarajian và cộng sự [47] hay của Cheikh Mansour và cộng sự [48] chỉ có thể tính toán các thông số đặc tính làm việc chung của động cơ như áp suất khí thể trong xilanh và công suất có ích Mô hình 2 vùng của Karim và cộng sự [49] cho phép nghiên cứu đặc tính làm việc chung của động cơ lưỡng nghiên liệu ở chế độ tải lớn Mô hình không tính toán được phát thải vì không đề cập đến đặc điểm thay đổi nhiệt

độ, động học phản ứng cháy và thành phần khí cháy trong xilanh động cơ Gao và cộng sự [50] đã phát triển mô hình 3 vùng để mô phỏng đặc tính làm việc và phát thải NOx trong phạm vi chế độ làm việc nhất định của động cơ lưỡng nhiên liệu ethanol/diesel trong đó ethanol tạo hỗn hợp đồng nhất với không khí, còn diesel là nhiên liệu phun mồi Tuy nhiên,

mô hình này cũng chỉ được sử dụng để nghiên cứu phạm vi chế độ làm việc nhất định của động cơ chạy ethanol/diesel Đầy đủ và chi tiết hơn là mô hình đa vùng, đa chiều áp dụng cho môi chất công tác trong xilanh động cơ trên cơ sở lý thuyết tính toán động lực học chất lỏng CFD kết hợp với động học phản ứng cháy của Wong và cộng sự đề cập đến 53 thành

-39-

phần môi chất và 325 phản ứng hóa học [51] Tuy nhiên, mô hình trên được phát triển để ứng dụng cho môi chất đồng nhất trong động cơ đánh lửa cưỡng bức và hơn nữa, mô hình quá phức tạp tốn rất nhiều thời gian chạy máy tính cho một lần tính toán

Để khắc phục các hạn chế của các mô hình nói trên trong khi vẫn rút ngắn thời gian tính toán thì cần phải lựa chọn và xây dựng một mô hình tính toán hiệu quả hơn Mô hình được chọn cần mô phỏng được đầy đủ quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, cho phép tính toán được áp suất, nhiệt độ và sự thay đổi thành phần khí thể theo thời gian, làm cơ sở để đánh giá được đặc tính làm việc và phát thải của động

cơ Trong khi đó, mô hình cũng phải đủ đơn giản để có thể số hóa một cách dễ dàng hoặc

có thể áp dụng được các phần mềm mô phỏng sẵn có để cho ra các kết quả tính toán một cách nhanh chóng trong khi vẫn đảm bảo độ tin cậy sử dụng

Trong đề tài này, tác giả sẽ xây dựng và phát triển các mô hình nhiệt động với các

mô hình toán về động học phản ứng cháy để mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp và cháy của động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với việc tạo hỗn hợp đồng nhất LPG-không khí từ bên ngoài và phun mồi diesel trên động cơ nghiên cứu AVL 5402 (hình 2.1) trang bị hệ thống phun nhiên liệu kiểu tích áp điều khiển bằng điện tử (common rail) Mục đích cụ thể như sau:

- Xây dựng và phát triển các mô hình toán biểu diễn các quá trình tạo hỗn hợp, quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel

- Đánh giá đặc tính kinh tế kỹ thuật và phát thải của động cơ và xác định tỷ lệ LPG thay thế hợp lý và các thông số điều chỉnh tối ưu cho động cơ

- Cung cấp số liệu làm cơ sở cho việc nghiên cứu thực nghiệm để chuyển đổi động

cơ diesel hiện hành sang chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel một cách hiệu quả

Động cơ AVL 5402 được chọn phục vụ nghiên cứu cho cả mô phỏng và thực nghiệm trong đề tài này vì đây là động cơ nghiên cứu tiêu chuẩn có trang bị đầy đủ các thiết bị đo

và hệ thống điều khiển điện tử cho phép thay đổi và kiểm soát các thông số điều chỉnh một cách dễ dàng với độ chính xác cao thông qua giao diện điều khiển trên máy tính Hơn nữa, các thông số thực nghiệm và bán thực nghiệm của động cơ này cũng sẵn có để phục vụ tính toán mô phỏng được thuận lợi Động cơ này cũng đặc trưng cho họ động cơ trang bị

Hình 2.1 Động cơ diesel AVL 5402

-40-

hệ thống nhiên liệu tích áp là một trong các đối tượng nghiên cứu của đề tài Các thông số

kỹ thuật cơ bản của động cơ AVL 5402 được thể hiện trên phụ lục 1.1

Mô hình toán chung được tích hợp từ các mô hình chi tiết riêng để mô tả các quá trình diễn ra trong động cơ, gồm :

- Mô hình phun nhiên liệu và tạo hỗn hợp: Mô tả đặc điểm quá trình phun nhiên liệu diesel và tạo hỗn hợp trong xilanh động cơ, cho phép xác định được khối lượng và thể tích hỗn hợp tại các thời điểm khác nhau của chu trình công tác

- Mô hình phản ứng cháy: Mô tả đặc điểm của phản ứng cháy và cho phép tính toán các thành phần của sản phẩm cháy cũng như năng lượng của môi chất tại các thời điểm của chu trình công tác

- Mô hình nhiệt động: Cho phép tính các thông số nhiệt động của chu trình như áp suất, nhiệt độ khí thể, công và nhiệt trao đổi tại các vị trí góc quay của trục khuỷu trong chu trình công tác, từ đó xác định được các thông số làm việc của động cơ như công suất, hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu

- Mô hình tạo thành CO, HC, NOx và chất thải dạng hạt: Cho phép xác định được hàm lượng phát thải các thành phần này của động cơ khi thay đổi điều kiện làm việc và tỷ

lệ nhiên liệu thay thế

2.2 Đặc điểm quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ LPG/diesel

2.2.1 Quá trình cung cấp nhiên liệu và tạo hỗn hợp trong xilanh

Trong động cơ lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với việc tạo hỗn hợp LPG-không khí bên ngoài xilanh, LPG được cung cấp vào đường nạp theo nguyên lý chế hòa khí hoặc phun, sau đó LPG sẽ hòa trộn với không khí và bay hơi trong đường nạp tạo hỗn hợp đi vào xilanh động cơ trong quá trình nạp Trong xilanh, nhờ chuyển động rối và trao đổi nhiệt của hỗn hợp trong quá trình nạp và quá trình nén, LPG tiếp tục bay hơi và tạo thành hỗn hợp đồng nhất với không khí Ngay từ đầu quá trình nén, một số phản ứng hóa học của nhiên liệu với không khí đã có thể xảy ra, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất

và thành phần hỗn hợp [52] Tuy nhiên, tốc độ phản ứng hóa học trong quá trình này rất nhỏ, phản ứng chỉ có thể sinh ra một số thành phần hoạt tính trung gian chứ chưa giải phóng đủ nhiệt năng để có thể thấy được sự tăng áp suất của hỗn hợp so với áp suất nén (đường cháy chưa tách khỏi đường nén trong đồ thị áp suất khí thể)

Khi nhiên liệu diesel được phun vào thể tích hỗn hợp đồng nhất của hơi LPG và không khí trong buồng cháy dưới áp suất cao, nhiên liệu diesel được xé nhỏ và bay hơi Do

ma sát giữa các hạt nhiên liệu phun với hỗn hợp đồng nhất của LPG và không khí nên tốc

độ của các hạt nhiên liệu phun giảm dần và bề dày tia phun tăng dần tạo nên tia phun có dạng hình côn trong đó có sự phân bố không đều về tốc độ hạt nhiên liệu, nhiệt độ và thành phần hỗn hợp Trong động cơ phun nhiên liệu diesel trực tiếp (hình thành hỗn hợp thể tích trong buồng cháy thống nhất) thường người ta bố trí nhiều tia phun (4, 5, 6 hoặc 8 tia) phân

bố đều xung quanh vòi phun Trong các tia phun này có một lượng nhất định hơi LPG và không khí bị cuốn vào và trộn lẫn với hơi nhiên liệu diesel và tạo hỗn hợp với LPG và không khí thành vùng hỗn hợp có khả năng cháy được (có thành phần hỗn hợp nằm trong