Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH-JANMAR

Chúng ta biết rằng hiện nay tất cả các nước trên thế giới, bao gồm các nước phát triển cũng như các nước đáng phát triển đều rất quan tâm đến vấn đề ô nhiễm môi trường và vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu dầu mỏ.

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Họ và tên SV: Phạm Văn Toản Lớp: 47KTTT Khóa 47 Ngành: Động lực tàu Mã ngành: Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH-JANMAR”. Số trang:… Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 8 Hiện vật:….……………………………………………………………………………. NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Kết luận:………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… . Nha trang, ngày ……tháng……năm 2010 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 Th.S. Đoàn Phước Thọ Th.S. Mai Sơn Hải T Điểm chung Bằng số Bằng chữ i PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ và tên SV: Phạm Văn Toản Lớp: 47KTTT Khóa 47 Ngành: Động lực tàu thủy Mã ngành: Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH-JANMAR”. Số trang:……… Số chương: 4 Số tài liệu tham khảo: 8 Hiện vật: ……………………………………………………………………………… . …………………………………………………………………………………………… NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Nha trang, ngày ……tháng……năm2010 CÁN BỘ PHẢN BIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) Điểm chung Bằng số Bằng chữ ii LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta biết rằng hiện nay tất cả các nước trên thế giới, bao gồm các nước phát triển cũng như các nước đáng phát triển đều rất quan tâm đến vấn đề ô nhiễm môi trường và vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu dầu mỏ. Không khí trên thế giới hiện nay bị ô nhiễm đến mức báo động mà trong đó khí thải của động cơ đốt trong là các tác nhân chủ yếu gây nên ô nhiễm không khí. Ngoài ra khí thải từ động cơ còn làm nhiệt độ khí quyển tăng lên và thay đổi môi trường sinh thái. Để giả quyết tình trạng ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra ta có hai giải pháp. Giải pháp thứ nhất là cải tạo động cơ để đốt nhiên liệu sạch hơn và hạn chế việc sử dụng các động cơ đốt trong đến mức có thể. Gải pháp thứ hai là tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới sử dụng cho động cơ đốt trong. Gần đây chúng ta đang có xu hướng chuyển sang sử dụng các loại nhiên liệu mới thân thiện hơn với môi trường như dầu thực vật, dầu trajopha và khí hóa lỏng LPG. Trong đó khí hóa lỏng LPG là một nguồn nhiên liệu khá dồi dào. Do đó nhiều năm trở lại đây chúng ta đang có xu hướng chuyển sang nghiên cứu động cơ chạy với nhiên liệu kép. Trên thế giới tuy đã có nhiều thành công nhưng ở Việt Nam động cơ chạy nhiên liệu kép vẫn chưa phổ biến và cũng chưa được nghiên cứu rộng rãi. Hiện nay tôi đang thực hiện đề tài “Thiết kế chế tạo bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho máy 4CH- YANMAR”. Đề tài của tôi gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án cung cấp DO-LPG cho động cơ. iii Chương 3: Thiết kế hệ thống cung cấp DO-LPG cho động cơ. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Làm đề tài là một cơ hội cho tôi học hỏi và mở mang thêm nhiều kiến thức mới. Với sự hướng dẫn tận tình của Th.S Mai Sơn Hải và Th.S Đoàn Phước Thọ tôi đã hoàn thành đề tài của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Mai Sơn Hải, Th.S Đoàn Phước Thọ cùng các thầy trong bộ môn động lực và các bạn đã giúp tôi hoàn thành đề tài này. Nha Trang, Ngày 06 tháng 01 Năm 2010 Sinh viên Phạm Văn Toản iv MỤC LỤC Trang 2.2.1 Cung cấp gas trực tiếp nhờ xupap ga .19 2.2.3 Hệ thống cung cấp LPG với phương án tạo hỗn hợp kiểu phun nhiên liệu 24 Các đặc điểm chính .45 v CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Lý do chọn đề tài Trên thế giới hiện nay đang dần áp dụng công nghệ mới để làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do động cơ đốt trong gây ra. Hiện nay có một số giải pháp đuợc đưa ra. Giải pháp thứ nhất là cải tạo lại buồng đốt của động cơ để quá trình cháy hoàn thiện hơn. Giải pháp thứ hai là sử dụng nguồn nhiên liệu mới. Hiện nay giải pháp thứ hai đang được rất nhiều người quan tâm. Nguồn nhiên liệu mới ta nói đến chính là dầu sinh học và khí hóa lỏng LPG. Việc thử nghiệm nhiên liệu khí hóa lỏng LPG đối với chúng ta đang còn nhiều khó khăn. Bây giờ chúng ta mới chỉ là bước đầu nghiên cứu nên vẫn còn nhiều vấn đề tồn đọng chưa thể giải quyết triệt để được. Dựa trên cơ sở kết quả chạy thử nghiệm LPG trên động cơ Diesel D12 tôi tiếp tục nghiên cứu bộ điều khiển cung cấp LPG và dầu DO khi sử dụng hỗn hợp này làm nhiên liệu cho động cơ Diesel 4CH-JANMAR. 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu Động cơ Diesel 4CH-JANMAR. 1.2.2. Phạm vi nghiên cứu 1.2.2.1. Về mặt lý thuyết Tìm hiểu về đặc tính của khí hóa lỏng (LPG). Các giải pháp kỹ thuật để động cơ có thể sử dụng nhiên liệu nhiên liệu LPG. Tìm hiểu phương án điều khiển cung cấp nhiên liệu khí hóa lỏng cho động cơ. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển điện tử cung cấp dầu DO và khí hóa lỏng (LPG) cho động cơ diesel 4CH-JANMAR. 1 1.2.2.2. Về mặt thực nghiệm Chế tạo bộ điều khiển điện tử cung cấp nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG) cho động cơ Diesel 4CH-JANMAR. Chạy thử nghiệm động cơ. Đo đạc các thông số của động cơ chạy thực nghiệm. Phân tích đánh giá kết quả thu được. 1.3. Tình hình nghiên cứu và sử dụng khí hóa lỏng (LPG) 1.3.1. Trên thế giới LPG là sản phẩm trung gian giữa khí thiên nhiên và dầu thô, nhiên liệu khí hóa lỏng có thể thu được từ công đoạn lọc dầu hoặc làm tinh khiết khí thiên nhiên. Vì vậy, nguồn gốc khí hóa lỏng phụ thuộc vào xuất xứ nhiên liệu. Nói chung trên thế giới có khoảng 40% LPG thu được từ quá trình lọc dầu thô. Sử dụng nhiên liệu gaz nén CNG kết cấu cồng kềnh và việc ứng dụng cho những dòng xe hiện đại gặp không ít khó khăn. Vì vậy ngày nay người ta đã dùng khí hóa lỏng LPG (liquefied petroleum gas) làm nhiên liệu thay thế cho xăng và diesel của tất cả các loại ô tô hiện đại. Nhiên liệu LPG đang phát triển rất nhanh, Autogas LPG đã có hơn 4 triệu chiếc ở 38 nước trên thế giới, nhất là các nước đang phát triển. Khí hóa lỏng LPG là sản phẩm phụ của nhà máy chế biến dầu mỏ và nhà máy tách khí. Thành phần chủ yếu của LPG là Butal và Propal hỗn hợp theo tỷ lệ nhất định và được chứa trong bình với áp suất dưới 20 kg/cm 2 . LPG có tỷ trọng từ 0,5 – 0,25, không màu, không mùi và không có tính độc. LPG chính là một sản phẩm dầu mỏ được dùng rất phổ biến từ lâu trong các ngành kinh tế quốc dân như là một nguyên liệu cho các ngành công nghiệp chế tạo hóa chất, chế tạo phân bón, tổng hợp các chất mỹ phẩm. Phần lớn lượng khí hóa lỏng thu được hiện nay được sử dụng làm nguồn chất đốt để sinh nhiệt gia dụng hay công nghiệp. Lượng khí hóa lỏng làm nhiên liệu cho ô tô đường trường hiện chỉ chiếm một tỉ lệ khiêm tốn: 1% ở Pháp, 3% ở Mỹ, 8% ở Nhật Tuy 2 nhiên ở một số nước có chính sách khuyến khích sử dụng LPG làm nhiên liệu cho ô tô nhằm mục đích giảm ô nhiễm môi trường thì tỉ lệ này rất đáng kể, chẳng hạn như Hà Lan, Ý (42%) . Các số liệu trên chưa kể những động cơ trên các ô tô chuyên dụng sử dụng LPG (chẳng hạn ô tô chạy trong sân bay, xe nâng chuyển, máy móc nông nghiệp .) Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu ưa chuộng để chạy ô tô nói chung và xe buýt nói riêng do những đặc điểm nổi bật của nó về giảm ô nhiễm môi trường và công nghệ chuyển đổi. Xe buýt dùng LPG có truyền thống lâu đời nhất là ở thủ đô Vienna của Áo. Từ năm 1963 thành phố này đã sử dụng xe buýt chạy bằng LPG và cho tới nay, Vienna có 500 xe buýt LPG trong đội xe vận chuyển công cộng. Các thành phố khác ở Châu Âu cũng sử dụng nguồn năng lượng này để chạy xe buýt như Đan Mạch (180 chiếc), Hà Lan (150 chiếc), Tây Ban Nha (60 chiếc). 1.3.2. Ở Việt Nam 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. Đường ống dẫn khí thiên nhiên từ mỏ khí Nam Côn Sơn vào đất liền vừa hoàn thành và đưa vào sử dụng đã mở đầu cho cuộc cách mạng năng lượng ở nước ta. Mặt khác, một khối lượng lớn khí thiên nhiên thu được từ các mỏ dầu đã, đang và sắp khai thác hứa hẹn một nguồn năng lượng sạch dồi dào để phát triển ngành kinh tế quốc dân trong đó có ngành giao thông vận tải Hiện nay, chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và nhà máy lọc dầu Dung Quất. Sản lượng khí đồng hành của nhà máy là nguồn cung cấp dồi dào nhiên liệu LPG. Mặt khác, các nhà máy tinh luyện khí thiên nhiên cũng là nguồn cung cấp loại nhiên liệu này nên khả năng độc lập nhiên liệu LPG của chúng ta cũng rất lớn. Vấn đề cơ bản là chúng ta có thể chủ động về công nghệ chuyển đổi cũng như chế tạo những phụ kiện cơ bản của hệ thống nhiên liệu LPG. Ở nước ta, LPG là chất đốt chủ yếu của các hộ gia đình thành phố. Sử dụng LPG làm nhiên liệu trong sản xuất thức ăn gia súc, chế biến, sấy nông sản, thực phẩm. Ngoài ra trong công nghiệp hoá dầu chúng ta còn sử dụng LPG trong quá trình tinh chế sản 3 xuất dầu nhờn. Ngoài ra nó còn được ứng dụng là nguyên liệu hoá học để tạo ra những monme để tổng hợp polime trung gian như: Polyetylen, polyvinylclorua, polypropylen, để sản xuất MTBE là chất làm tăng chỉ số octan thay thế cho hợp chất chì pha vào xăng. Hiện nay ở nước ta đã chuyển đổi thành công xe gắn máy chạy nhiên liệu LPG. Xe gắn máy sau khi lắp bộ chuyển đổi (chi phí khoảng 1,6 triệu) xe có thể chạy song song hai nhiên liệu. Nhưng việc sử dụng còn chưa rộng rãi. Và tại công ty cơ khí Ngô Gia Tự đã sản xuất bộ chuyển đổi nhiên liệu và bước đầu lắp đặt trên khoảng 30 chiếc xe taxi G. 1.4. Đặc tính của nhiên liệu LPG 1.4.1. Thành phần hóa học Theo tiêu chuẩn Châu Âu, nhiên liệu khí hóa lỏng phải có từ 19 đến 50% hydrocabure C3 (propane và propylène). Ở Châu Á, thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là hydrocarbure C4, chẳng hạn như ở Hàn Quốc chỉ có butane là khí hóa lỏng được sử dụng chính thức. Ngược lại ở Mĩ thì chỉ có hydrocarbure C3 được sử dụng. Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng nhiên liệu khí hóa lỏng chứa rất ít lưu huỳnh. Thường nó chỉ chứa từ 40 ÷ 60ppm, thấp hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn Cộng đồng Châu Âu (200ppm). Do đó, động cơ dùng LPG phát rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả của bộ lọc xúc tác được cải thiện. 1.4.2. Lí tính Ở nhiệt độ lớn hơn 0 o C trong môi trường không khí bình thường với áp suất bằng áp suất khí quyển, LPG bị biến đổi từ thể lỏng thành thể hơi theo tỉ lệ thể tích 1 lít LPG thể lỏng hoá thành khoảng 250 lít ở thể hơi. Vận tốc bay hơi của LPG rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp cháy. Đây là tính chất rất quan trọng của LPG để nó làm nhiên liệu thay thế cho động cơ đốt trong. Tỉ trọng LPG nhẹ hơn so với nước là: Butane từ 0,55 – 0,58 lần, Propane từ 0,5 – 0,53 lần; Ở thể hơi (gas) trong môi trường không khí với áp suất bằng áp suất khí quyển, gas nặng hơn so với không khí: Butane 2,07 lần; Propane 1,55 lần. Do đó hơi LPG thoát 4 ra ngoài sẽ bay là là trên mặt đất, tích tụ ở những nơi kín gió, những nơi trũng, những hang hốc của kho chứa, bếp… Màu sắc: LPG ở trạng thái nguyên chất không có mùi, nhưng dễ bị phát hiện bằng khứu giác khi có rò rỉ do LPG được pha trộn thêm chất tạo mùi Mercaptan với tỉ lệ nhất định để có mùi đặc trưng. Nhiệt độ của LPG khi cháy rất cao từ 1900 o C ÷1950 o C, có khả năng đốt cháy và nung nóng cháy hầu hết các chất. Nhiên liệu khí hóa lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng (PCIm) cao, cao hơn cả xăng hay dầu diesel (bảng 1.4.1). Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó thấp, nhiệt trị riêng theo thể tích (PCI) thấp hơn nhiên liệu lỏng. Bảng 1-1. Một số đặc tính kỹ thuật của LPG STT Đặc tính LPG LPG Phương pháp thử min Đặc trưng max 1 Tỷ trọng tại 15 o C 0,55 0,55 0,575 ASTM D1657 2 Áp suất hơi ở 37,7 o C(kPa) 420 460 1000 ASTM D2598 3 Thành phần(%khối lượng) + Ethane + Propane + Butane + Pentane và các chất khác 40 40 50 50 2 60 60 2 ASTM D2163 4 Ăn mòn lá đồng ở 37,8 o C/giờ 1A 1A 1A ASTM D1838 5 Nước tự do(%khối lượng) 0 0 0 6 Sulphur sau khi tạo mùi 20 25 30 ISO 4260 7 Cặn còn lại sau khi hóa hơi (%khối lượng) 0 0 0,05 ASTM D2158 8 H 2 S (%khối lượng) 0 0 0 ASTM D2420 9 Nhiệt lượng: +kJ/kg +kcal/m 3 (15 o C, 760mmHg) 50000 26000 5 [...]... đỉnh vót nhọn Khi tại vị trí khoảng 70-80% tải Hệ thống điều khi n dầu DO và điều khi n LPG được liên kết bởi đòn bẩy (3) Cần điều chỉnh (1) điều khi n lượng dầu DO từ bơm cấp nhiên liệu (2) tới động cơ và cũng điều khi n van điều chỉnh lưu lượng (4) cấp gas từ bình chứa vào bộ trộn LPGkhông khí để đưa vào động cơ Cần điều chỉnh (1) được gián tiếp kết nối với bàn đạp chân gas Thiết bị điều khi n lưu lượng... thời điểm cấp cũng như tỉ lệ giữa hai loại nhiên liệu cần chính xác 2.2.2.2 Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi và bộ hòa trộn điều khi n bằng điện tử Trên hệ thống có sử dụng điều khi n điện tử cho cả động cơ Diesel và hệ thống cung cấp LPG Hai hệ thống điều khi n điện tử này độc lập với nhau Đảm bảo cho động cơ làm việc bình thường khi chuyển chế độ làm việc của động cơ từ DO -LPG sang DO Hệ thống sử dụng các... tiện cho theo dõi hoạt động của động cơ Phương án này phù hợp với điều kiện tại phòng động cơ của bộ môn động lực hiện nay 27 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHI N CUNG CẤP DO -LPG CHO ĐỘNG CƠ Sơ đồ cung cấp LPG cho động cơ Trên cơ sở hệ thống điều khi n cung cấp nhiên liệu kép đã lựa chọn ở chương 2 ta có sơ đồ của hệ thống cung cấp DO -LPG như sau Cơ cấu chấp hành Bộ trộn LPGKhông khí Van tiết lưu Bộ. .. về bộ điều khi n trung tâm Từ đó bộ điều khi n trung tâm phân tích các thông số đưa về và giám sát quá trình động cơ hoạt động Khi có sự cố thì bộ điều khi n trung tâm sẽ phát tín hiệu báo cho người vận hành biết để xử lý các tình huống 24 2.2.3 Hệ thống cung cấp LPG với phương án tạo hỗn hợp kiểu phun nhiên liệu Nhiên Hình 2-6 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu LPG và diesel liệu LPG có thể được cung cấp. .. diesel song song có sử dụng bộ phận điều khi n điện tử Lượng nhiên liệu LPG và diesel được điều khi n bởi mô đun điều khi n sẽ đưa tới hiệu quả cao về mặt hiệu suất nhiệt, đồng thời cung cấp lượng nhiên liệu chính xác đúng thời điểm Lượng LPG trước khi qua mô đun điều khi n phải qua van an toàn để đảm bảo sự an toàn về sử dụng LPG 19 Trên cơ sở xem xét một số hệ thống sử dụng LPG trên động cơ Diesel... có sẵn tại bộ môn động lực nhằm tận dụng thiết bị sẵn có, bộ trộn và có sử dung bộ điều khi n điện tử để điều chỉnh tay ga động cơ và van tiết lưu cấp LPG Phương án điều khi n điện tử cung cấp LPG cho động cơ là phương án dùng bộ điều khi n điện tử lấy tín hiệu qua cảm biến tốc độ để điều chỉnh lượng LPG vào động cơ Ngoài ra ta còn sử dụng cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến nhiệt độ khí xả để... trên họng nạp Khi động cơ từ chế độ chạy nhiên liệu diesel chuyển sang sử dụng LPG với diesel làm chức năng phun mồi thì tay ga điều chỉnh lượng nhiên liệu diesel vào cho phù hợp với tải động cơ Diesel không còn tác dụng nữa Lúc này ta điều chỉnh lượng nhiên liệu LPG cho phù hợp với tải của động cơ Việc lắp đặt bộ trộn hỗn hợp LPG- không khí trên họng nạp của động cơ giúp cho hỗn hợp LPG- không khí được... xupap gas và điều này khó có thể thực hiện được Phương án cung cấp LPG tạo hỗn hợp kiểu phun nhiên liệu thì chúng ta chưa nắm rõ nguyên lý làm việc của bình điều hòa áp suất và việc lắp vòi phun LPG lỏng trên động cơ điều này khó có thể thực hiện được khi ta thay đổi kết cấu ban đầu của động cơ Qua nhận xét trên ta lực chọn phương án điều khi n cung cấp LPG có sử dụng bộ giảm áp hóa hơi có sẵn tại bộ môn... hơi Bình LPG ECU Họng nạp Soleniod vavle Hình 3-1 Sơ đồ cung cấp LPG cho động cơ Trong sơ đồ này ta sử dụng bộ hóa hơi giảm áp (có sẵn) LPG qua giảm áp hóa hơi sẽ trở thành LPG dạng hơi và không gây hiện tượng đóng băng 28 3.1 Các thiết bị trong hệ thống cung cấp LPG cho động cơ 3.1.1 Bình LPG Bình chứa LPG có nhiệm vụ dự trữ ga để cung cấp cho động cơ, khi chạy với hỗn hợp lưỡng nhiên liệu DO -LPG Bình... quá trình cháy và điều khi n lượng dầu DO và LPG vào động cơ thích hợp 20 Hình 2-3 Xupap gas điều khi n điện tử Hai phương án trên chỉ nên áp dụng cho động cơ sản xuất mới hoàn toàn Không thể áp dụng để chuyển đổi trên động cơ cũ do nó làm thay đổi quá lớn kết cấu cơ cấu phân phối khí của động cơ, giá chuyển đổi cao 2.2.2 Sử dụng bộ giảm áp hóa hơi và bộ hòa trộn Lắp đặt bộ trộn hỗn hợp LPG- không khí . Diesel 4CH- JANMAR) 1.5.1. Các thông số kỹ thuật của động cơ Động cơ 4CH là động cơ của hãng Yanmar dùng cho các loại tàu thủy cỡ nhỏ. Động cơ 4CH là. 1-1: Sơ đồ động cơ 4CH Lỗ thông hơi nạp 8 Bảng 1-4. Các thông số kỹ thuật của động cơ 4CH Tên các thông số Đơn vị Giá trị Kiểu động cơ 4CH Kiểu buồng