Nghiên cứu, đánh giá tác động của việc sử dụng lượng nhiên liệu diesel khí hóa lỏng (LPG) đến tính năng và phát thải của động cơ diesel truyền thống

Mục đích nghiên cứu:Đánh giá khả năng lắp đặt, bố trí bộ cung cấp LPG cho động cơ diesel. Tìm tỷ lệ cung cấp tối ưu và phối hợp cung cấp nhiên liệu LPG với diesel. Lượng hóa tác động của lưỡng nhiên liệu dieselkhí hóa lỏng (LPG) đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:Hiện nay trên địa bàn thành phố Hà Nội hiện nay có khoảng hơn 2.000 xe bus các loại (chưa kể các xe bus liên tỉnh và các xe bus của các đơn vị tư nhân) và hầu hết các xe này đều đang chạy bằng động cơ diesel. Trong đó số lượng xe bus được trang bị động cơ diesel D1146TI chiếm đa số (khoảng 700 xe). Vì lý do đó, việc chọn động cơ D1146TI làm đối tượng nghiên cứu là phù hợp với mục tiêu và tính thực tiễn của đề tài.2.Nhiệm vụ nghiên cứuNghiên cứu lắp đặt, chế tạo các kết cấu phụ trợ hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel truyền thống.Đánh giá bằng lý thuyết và thực nghiệm đặc tính của động cơ ở các tỷ lệ LPG khác nhau.

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, số lượng các phương tiện giao thông ở Hà Nội tăng nhanh Năm 2001, thành phố có gần 1 triệu xe máy và hơn 100.000 ô tô Cuối năm 2007, con số này đã tăng gấp đôi, với khoảng 1,9 triệu xe máy và 200.000 ô tô Tốc độ phát triển của các phương tiện giao thông giai đoạn 2001-2007 là 12%/năm đối với xe ô tô, 15%/năm đối với xe máy [3] Nguyên nhân của sự gia tăng này là do phát triển kinh tế và mở rộng quy mô dân số, làm tăng nhu cầu đi lại Theo đánh giá của các chuyên gia môi trường, ô nhiễm không khí ở đô thị do giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70% Lưu lượng xe lớn và chất lượng nhiên liệu sử dụng chưa tốt (hàm lượng benzen khoảng 5% so với 1% ở các nước trong khu vực; hàm lượng lưu huỳnh trong diezen chiếm từ 0,5-1% so với 0,05% ở các nước trong khu vực) ngoài ra còn nhiều khí thải độc hại khác như: CO, NO x, PM,… là những nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm Qua thực tế lấy mẫu khảo sát tại các trạm đăng kiểm và phân tích mẫu (Đề tài nghiên cứa khoa học cấp thành phố mã số 01C-09/06-99-2: "Điều tra, đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường Hà nội do các phương tiện giao thông đô thị gây nên Đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường") có thể sơ bộ đánh giá chất lượng các loại ôtô đang lưu hành trên địa bàn Hà Nội (theo tiêu chuẩn TCVN 64361998 và TCVN 6438-1998 ở mức cao nhất) thì có tới 80% số xe ôtô lắp động điezel (chủ yếu là xe bus), gần 20% số xe ôtô lắp động cơ xăng và khoảng 37% số xe máy đang lưu hành ở Hà Nội không đạt yêu cầu về một trong các tiêu chuẩn cho phép Cũng qua những số liệu cụ thể trong bản báo cáo nói trên thì có thể khẳng định mức độ ô nhiễm môi trường không khí ở các đô thị lớn trong nước ta là đáng báo động Để giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí do các phương tiện vận tải gây ra chúng ta phải thực hiện đồng thời nhiều giải pháp, chẳng hạn như: siết chặt tiêu chuẩn khí phát thải đối với các loại phương tiện lưu thông (từ ngày 01 tháng 07 năm 2007, toàn bộ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ sẽ phải tuân thủ theo 1 tiêu chuẩn EUROII về khí thải); nâng cao phẩm cấp của nhiên liệu truyền thống bằng cách sử dụng công nghệ hiện đại xử lý sâu trong các nhà máy lọc dầu kết hợp với việc sử dụng động cơ thế hệ mới hoặc sử dụng các loại nhiên liệu “sạch” … Ở các nước trên thế giới cũng như ở Việt nam các chương trình phát triển nhiên liệu sạch đang rất được quan tâm như sử dụng biodiesel, sử dụng nhiên liệu xăng, diesel pha ethanol, sử dụng nhiên liệu LPG, nước, pin nhiên liệu, lưỡng nhiên liệu LPG/diesel, autogas,… Việc sử dụng các loại nhiên liệu sạch trên cho các phương tiện vận tải ngoài việc đa dạng hoá nguồn năng lượng còn góp phần đáng kể vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra Tuy nhiên do lượng nhiên liệu sử dụng cho các phương tiện vận tải là rất lớn (ở Việt nam tính đến năm 2010 là khoảng hơn 12 triệu tấn ) do đó nguồn nguyên liệu cần có để sản xuất các loại nhiên liệu sạch là vấn đề cần quan tâm Chính vì vậy tại mỗi nước đều có chính sách ưu tiên phát triển loại nhiên liệu sạch đi từ nguồn nguyên liệu mà họ có thế mạnh (ví dụ: ở Mỹ sử dụng nhiên liệu biodiesel đi từ dầu đậu tương, ở Malayxia sử dụng nhiên liệu biodiesel đi từ dầu cọ, ở các nước Châu Âu sử dụng biodiesel đi từ dầu hạt cải, ở Braxin sử dụng nhiên liệu là ethanol E85, ở Việt nam chúng ta đang xây dựng Đề án phát triển nhiên liệu sinh học (NLSH) và các dự án phát triển nguồn nguyên liệu sử dụng cho NLSH năm 2015 và tầm nhìn 2025…) Xét về mặt năng lượng và môi trường cũng như nguồn nguyên liệu ở Việt nam thì việc sử dụng khí thiên nhiên để chạy phương tiện giao thông về lâu dài là tối ưu nhất Khí thiên nhiên ở nước ta có trữ lượng lớn và chúng ta đang khai thác để cung cấp năng lượng cho các nhà máy nhiệt điện và sản xuất phân đạm Mặt khác một khối lượng lớn khí thiên nhiên thu được từ các mỏ dầu đã và sắp khai thác của ta hứa hẹn một nguồn năng lượng sạch dồi dào để phát triển kinh tế quốc dân trong đó có ngành giao thông vận tải Tuy nhiên việc sử dụng khí, phân phối khí thiên nhiên gia dụng trong thành phố chưa được thiết lập Vì vậy trong điều kiện của nước ta từ nay đến 2020, sử dụng khí dầu mỏ hoá lỏng LPG để chạy phương tiện giao thông trong đô thị là phù hợp nhất Giải pháp này trước hết giúp chúng ta 2 chủ động được nguồn năng lượng mặc dù LPG không dồi dào như khí thiên nhiên Sản lượng khí đồng hành lớn của các nhà máy chế biến dầu mỏ và nhà máy tách khí trong nước đảm bảo nguồn nguyên liệu dồi dào nên khả năng độc lập trong việc sản xuất nhiên liệu LPG của chúng ta cũng rất lớn Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất gas Dinh Cố với dự báo công suất nhà máy có khả năng duy trì mức 300 - 350 nghìn tấn LPG/ năm cho đến hết năm 2008, sau đó sẽ giảm dần xuống mức 200 - 270 nghìn tấn/năm trong vòng 5 năm tiếp theo nếu không có điều chỉnh gì về nguồn khí đầu vào Đầu năm 2009 nhà máy lọc dầu Dung Quất đi vào hoạt động và trong số các sản phẩm đầu ra của nhà máy, LPG dự tính sẽ có sản lượng khoảng 348 nghìn tấn/ năm Trong tương lai gần nhà máy lọc dầu Nghi Sơn sẽ đi vào hoạt động với dự kiến giai đoạn 2008 - 2010 là 436 nghìn tấn/năm, còn giai đoạn 2011 - 2013 là 494 nghìn tấn/ năm Mặt khác giá LPG nhập khẩu cũng rẻ hơn so với nhập khẩu nhiên liệu khoáng xăng hay diesel (giá nhập LPG khoảng 820 USD/tấn so với khoảng 1000 USD/tấn xăng, diesel) Trong thời gian vừa qua, để phục vụ cho các triển lãm Auto Petro 2002, 2003 và 2004, Viện dầu khí đã chuyển đổi 02 động cơ diesel cỡ nhỏ và vừa sử dụng LPG dạng đơn nhiên liệu Nhưng việc sử dụng dạng đơn nhiên liệu LPG cũng chưa thực sự khả thi vì chi phí đầu tư ban đầu lớn do phải thay đổi hoàn toàn kết cấu của động cơ diesel (hiện nay trên thế giới chỉ có Australia là nước đầu tiên thay đổi toàn bộ động cơ diesel của xe tải nặng sang sử dùng 100% nhiên liệu LPG) Để tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu thì việc sử dụng công nghệ “chuyển đổi động cơ diesel từ dạng sử dụng đơn nhiên liệu diesel sang sử dụng dạng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG” mà không cần thay đổi kết cấu của động cơ là phù hợp hơn cả và cũng là công nghệ đang được nghiên cứu thử nghiệm ở các nước phát triển trên thế giới Việc chuyển đổi thành công này có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế, kỹ thuật và đảm bảo tính khả thi cao 3 Đề tài “Nghiên cứu, đánh giá tác động của việc sử dụng lượng nhiên liệu diesel-khí hóa lỏng (LPG) đến tính năng và phát thải của động cơ diesel truyền thống” đáp ứng được tính khoa học và thực tiễn Nó xem xét đến các ảnh hưởng tích cực của việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-khí hóa lỏng (LPG) trên động cơ diesel truyền thống Đồng thời, kết quả của nghiên cứu này sẽ là cơ sở cho việc chuyển đổi hàng loạt các động cơ diesel trang bị trên phương tiện giao thông vận tải như xe bus, xe tải … Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 1 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu − Mục đích nghiên cứu: Đánh giá khả năng lắp đặt, bố trí bộ cung cấp LPG cho động cơ diesel Tìm tỷ lệ cung cấp tối ưu và phối hợp cung cấp nhiên liệu LPG với diesel Lượng hóa tác động của lưỡng nhiên liệu diesel-khí hóa lỏng (LPG) đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ − Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Hiện nay trên địa bàn thành phố Hà Nội hiện nay có khoảng hơn 2.000 xe bus các loại (chưa kể các xe bus liên tỉnh và các xe bus của các đơn vị tư nhân) và hầu hết các xe này đều đang chạy bằng động cơ diesel Trong đó số lượng xe bus được trang bị động cơ diesel D1146TI chiếm đa số (khoảng 700 xe) Vì lý do đó, việc chọn động cơ D1146TI làm đối tượng nghiên cứu là phù hợp với mục tiêu và tính thực tiễn của đề tài 2 Nhiệm vụ nghiên cứu  Nghiên cứu lắp đặt, chế tạo các kết cấu phụ trợ hệ thống cung cấp LPG cho động cơ diesel truyền thống 4  Đánh giá bằng lý thuyết và thực nghiệm đặc tính của động cơ ở các tỷ lệ LPG khác nhau 3 Phương pháp nghiên cứu Sau khi nghiên cứu lắp đặt hệ thống cung cấp LPG cho động cơ hoàn chỉnh, tiến hành thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel/LPG đến tính năng và phát thải của động cơ được thực hiện trên cơ sở đối chứng Trong đó, nhiên liệu đối chứng là nhiên liệu diesel có sẵn trên thị trường Ngoài ra các thử nghiệm đối chứng còn được tiến hành xen kẽ với quá trình thử nghiệm bền động cơ * Thử nghiệm đối chứng Thử nghiệm đối chứng động cơ chạy lưỡng nhiên liệu LPG/diesel với các tỉ lệ LPG đưa vào khác nhau so với động cơ chạy nhiên liệu diesel từ đó đánh giá tính năng hoạt động và phát thải của động cơ * Thử nghiệm bền: Thử nghiệm bền được thực hiện trên động cơ diesel D1146TI hoàn toàn mới Tổng thời gian thử nghiệm bền đối với động cơ là 100 giờ chạy trên băng thử Trước và sau mỗi 50 giờ thử nghiệm bền cần tiến hành đo đạc công suất, mô men, suất tiêu thụ nhiên liệu, nhiệt độ khí thải, lọt khí cácte trên đường đặc tính; ngoài ra lấy mẫu dầu bôi trơn, phân tích đánh giá trước và sau 50h, 70h và 100h chạy ổn định (việc lấy mẫu dầu được được thực hiện ngay khi dừng máy) 5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LPG VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG LPG CHO GIAO THÔNG VẬN TẢI 1.1 Tổng quan về LPG LPG là tên viết tắt của khí dầu mỏ hoá lỏng LPG (Liquefied Petroleum Gas), là hỗn hợp hydrocarcbone với thành phần chính là Butan (C 4H10), Propan (C3H8) chiếm 99% Tính chất cơ bản của các thành phần hóa học có trong LPG được thể hiện như trong bảng 1.1 Bảng 1.1 Tính chất cơ bản của các thành phần hóa học có trong LPG TT Tính chất Đơn vị Propan (C3H8) Butan (C4H10) 1 Nhiệt độ tới hạn 00C 95 130 2 Điểm sôi 00C -42 -4 3 Tỷ trọng ở thể lỏng - 0,51 0,58 4 Tỷ trọng ở thể hơi - 1,32 2,01 5 Thể tích riêng ở 00C m3/kg 0,51 0,58 6 Áp suất hơi ở 00C kg/cm2 4,7-5,7 1,03-2,0 7 Áp suất hơi ở 500C kg/cm2 17-21,5 5-6,25 8 Ẩn nhiệt hóa hơi kcal/kg 85,5 89 9 Không khí cần để đốt cháy kg/kgLPG 25,6 15,3 10 Nhiệt trị thấp QH kJ/kg 46.340 45.500 11 Số Octan (RON/MON) - 92/89 112/96 LPG được hoá lỏng dưới áp suất cao để thuận lợi cho tồn chứa và vận chuyển Với nhiều đặc tính quý báu, LPG đang được sử dụng và ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nhiều lĩnh vực đã và đang mang lại những hiệu quả thuyết phục Ứng dụng của LPG có thể chia theo mục đích sử dụng thành các nhánh chính: − Sử dụng LPG như là nguồn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp − Sử dụng LPG như là nguồn nhiên liệu cho các quá trình đốt sinh nhiệt 6 − Sử dụng LPG trong nông nghiệp − Sử dụng LPG như là nguồn nhiên liệu cho các phương tiện vận tải, các thiết bị chuyển nhiệt năng thành cơ năng * LPG sử dụng làm nguồn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp Với đặc tính không màu, không mùi, không độc hại nên LPG là nguyên liệu tốt cho các quá trình chế biến hoá học, làm chất mang + Trong công nghiệp hoá chất, LPG được sử dụng để chế biến tạo các hợp chất hoá học như các hợp chất cao phân tử, nhựa + Trong nông nghiệp, LPG cũng được sử dụng để chế biến phân bón như phân đạm, ure Ngoài ra LPG còn được sử dụng để tổng hợp thuốc trừ sâu + Trong công nghiệp mỹ phẩm, LPG được sử dụng để tổng hợp các hợp chất thơm, khí mang trong nước hoa, kem bôi da + Trong công nghiệp thực phẩm LPG cũng được sử dụng rộng rãi LPG được sử dụng tổng hợp hương liệu như hương chanh, cam, táo * LPG sử dụng cho quá trình đốt sinh nhiệt Sử dụng LPG cho quá trình đốt sinh nhiệt là ứng dụng phổ biến nhất hiện nay Do đòi hỏi về yêu cầu đảm bảo môi trường sống, sự tiện lợi, giá thành và hiệu quả mà LPG được sử dụng trong lĩnh vực này trở nên phổ biến LPG được phát hiện và sử dụng từ những năm đầu thế kỷ 19, đến những năm 50 của thế kỷ 20 được được ứng dụng rộng rãi Ngày nay, LPG được sử dụng thay thế cho các loại nhiên liệu truyền thống như: than, củi, điện Việc sử dụng LPG này đã cho thấy nhiều lợi ích quan trọng: + Không gây ô nhiễm môi trường + Giá thành thấp hơn so với dùng điện + Chất lượng sản phẩm đồng đều, ổn định, đảm bảo yêu cầu 7 + Tiện lợi và tiết kiệm, … Hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam, việc ứng dụng LPG trong lĩnh vực này rất lớn Nhiều ngành công nghiệp cần dùng đến LPG như: + Công nghiệp sản xuất sành sứ, tráng men, gốm + Công nghiệp thuỷ tinh: nấu, gia công thuỷ tinh, kính + Công nghiệp thực phẩm: sấy chè, cà phê, thuỷ sản, bánh kẹo + Công nghiệp đóng tàu + Công nghiệp gia công kim loại + Công nghiệp dệt và nhuộm màu + Công nghiệp sơn và sấy + Các lò thiêu, xử lý rác và nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn khác * Sử dụng LPG trong nông nghiệp Các ứng dụng trong nông nghiệp của LPG chủ yếu là làm nhiên liệu trong sản xuất thức ăn gia súc, chế biến hay dùng để sấy nông sản như chè, cà phê, thủy sản, bánh kẹo … * Sử dụng LPG làm nhiên liệu Một ứng dụng khá quan trọng hiện nay là sử dụng LPG làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông Với đặc tính cháy hết, chỉ số Octan cao, không gây ô nhiễm môi trường, trên thế giới LPG đã và đang được triển khai ứng dụng vào lĩnh vực này và theo đánh giá, LPG sẽ trở thành nguồn nhiên liệu thay thế trong tương lai Những ứng dụng của LPG vào nhiều lĩnh vực mang lại hiệu quả cao cho các ngành kinh tế cho thấy một triển vọng phát triển lớn về sử dụng LPG trong giai đoạn hiện nay và trong tương lai Việc sử dụng LPG sẽ giúp chúng ta hạn chế được nguy cơ ô nhiễm môi trường và đảm bảo khả năng phát triển bền vững 8 Nguồn LPG chủ yếu là sản phẩm phụ của nhà máy chế biến dầu mỏ và nhà máy tách khí LPG được hoá lỏng dưới áp suất nhất định do đó có thể tồn chứa vận chuyển dưới dạng lỏng nhưng ở áp suất khí quyển LPG hoá hơi được sử dụng dưới dạng khí LPG thương phẩm có thành phần 70/30% đến 50/50% Butan/Propan không màu, không mùi và không vị Tuy nhiên trong thực tế, trong quá trình chế biến được pha thêm Ethyl Mecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện rò rỉ Nồng độ mùi phải đủ để có thể nhận ra trước khi chúng tạo thành hỗn hợp nổ LPG không độc, không gây ô nhiễm môi trường, không ảnh hưởng đến thực phẩm và sức khỏe con người LPG nặng hơn không khí (1,5 ÷ 2 lần so với không khí), nhẹ hơn nước (0,5 lần so với nước) vì vậy nếu thoát ra ngoài hơi gas sẽ lan truyền ở mặt đất và tập trung ở những phần thấp nhất như rãnh, hố ga tuy nhiên sẽ tản mát ngay khi có gió LPG được tồn chứa trong các loại bể chịu áp lực khác nhau, tồn tại ở trạng thái bão hoà LPG lỏng ở dưới, hơi gas ở phía trên theo qui định an toàn các loại bồn, bình chứa LPG chỉ được phép nhập 80÷85% thể tích, phần còn lại đảm bảo sự giãn nở nhiệt của LPG lỏng Đặc trưng lớn nhất của LPG khác với các loại khí khác là chúng tồn chứa ở dạng bão hoà nên với thành phần không đổi (70% Butan - 30% Propan) áp suất bão hoà trong bể chứa cũng như trong hệ thống ống không phụ thuộc vào lượng LPG bên trong mà hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài Nếu gas lỏng rò rỉ ra ngoài thì tại chỗ rò có nhiệt độ thấp và xuất hiện tuyết LPG có tỷ lệ giãn nở lớn: một đơn vị thể tích LPG lỏng khi bay hơi tạo ra 250 đơn vị thể tích hơi gas do vậy LPG rất thuận tiện và kinh tế khi vận chuyển, tồn chứa ở dạng lỏng LPG còn là một nhiên liệu sạch: Hàm lượng lưu huỳnh thấp (